ðiện áp tại ñầu ra của các nguồn phát ñược nâng lên ñể thuận tiện cho việc truyền tải qua các hệ thống truyền tải và truyền tải phụ.. Các khách hàng sỉ và một sốkhách hàng công nghiệp mu
Trang 11 Bài giảng 1
408001
Bi ế n ñổ i n ă ng l ượ ng ñ i ệ n c ơ
TS Nguy ễ n Quang Nam HK2, 2009 – 2010
http://www4.hcmut.edu.vn/~nqnam/lecture.php
nqnam@hcmut.edu.vn
Gi ớ i thi ệ u v ề h ệ th ố ng ñ i ệ n – T ổ ng quan
Bốn phần tử cơ bản trong một hệthống ñiện: hệthống phát ñiện, hệ
thống truyền tải, hệthống phân phối, và tải
Khách hàng s ỉ
Khách hàng CN
Khách hàng TM
Kh/hàng dân d ụ ng
Ngu ồ n
phát
H ệ th ố ng truy ề n t ả i
H ệ th ố ng truy ề n t ả i ph ụ
H ệ th ố ng phân ph ố i
Trang 23 Bài giảng 1
T ổ ng quan (tt)
Nguồn phát: gồm các nhà máy nhiệt ñiện (than, khí tựnhiên, dầu, ),
thủy ñiện (nước – tái sinh), ñiện hạt nhân (an toàn nghiêm ngặt)
ðiện áp tại ñầu ra của các nguồn phát ñược nâng lên ñể thuận tiện cho việc truyền tải qua các hệ thống truyền tải và truyền tải phụ Các khách hàng sỉ và một sốkhách hàng công nghiệp mua ñiện tại các trạm trung áp (34 kV)
Hệthống phân phối tiếp tục hạcấp ñiện áp và phân phối ñiện năng
ñến các khách hàng thương mại và dân dụng
Biến ñổi năng lượng ñiện cơñóng vai trò chính trong những hệthống thành phần: máy phát (generator), máy ngắt (circuit breaker), ñộng cơ (motor), máy biến áp (transformer)
4 Bài giảng 1
Quá trình phi t ậ p trung hóa ngành ñ i ệ n
Phân loại các tổchức: công ty phát ñiện, công ty truyền tải, công ty phân phối, và nhà ñiều hành ñộc lập hệthống (ISO)
Ngu ồ n phát
Truy ề n t ả i
và
Phân ph ố i
Khách hàng
Truy ề n t ả i và Phân ph ố i
Nhà ðH
ñộ c l ậ p
h ệ th ố ng
Cty phát ñ i ệ n Cty phát ñ i ệ n
Khách hàng Khách hàng
Nhà kinh doanh th ị trườ ng
.
.
Trang 35 Bài giảng 1
ðộ ng h ọ c h ệ th ố ng ñ i ệ n và các ph ầ n t ử
Toàn bộhệthống ñiện là một hệthống ñộng, ñược mô tảbởi một hệ
phương trình vi phân dưới dạng (không gian trạng thái)
( ) x u f
x & = ,
với vectơ trạng thái x và vectơ ngõ vào u tương ứng là các vectơn vàr
chiều Kích thước của x là rất lớn, và khung thời gian của ñáp ứng trải từ vài miligiây (quá ñộ ñiện từ), ñến vài giây (ñiều khiển tần số), hoặc vài
giờ (ñộng cơ nồi hơi)
Việc mô hình hóa hệthống dựa vào các nguyên tắc vật lý và dạng tĩnh
của các phương trình Maxwell là một bước quan trọng trong quá trình phân tích hệthống về ñáp ứng trong miền thời gian, ñáp ứng xác lập hình sin, ñiểm ổn ñịnh, tính ổn ñịnh,
H ệ th ố ng ñ i ệ n c ơ
Môn h ọ c xem xét hai lo ạ i h ệ th ố ng ñ i ệ n c ơ : h ệ th ố ng t ị nh ti ế n và
h ệ th ố ng quay H ệ th ố ng t ị nh ti ế n ñượ c dùng trong các r ơ le ñ i ệ n
c ơ , và cơ cấ u ch ấ p hành, và thườ ng d ễ phân tích.
Các h ệ th ố ng quay th ườ ng ph ứ c t ạ p h ơ n, do ñ ó vi ệ c phân tích
ñượ c d ừ ng l ạ i ở phân tích xác l ậ p hình sin b ằ ng gi ả n ñồ vectơ v à
m ạ ch t ươ ng ñươ ng.
Khi m ạ ch t ươ ng ñươ ng ñ ã ñượ c rút ra, các khía c ạ nh c ơ h ọ c
c ũ ng s ẽ ñượ c th ể hi ệ n trong ñ ó Vi ệ c này ñượ c th ự c hi ệ n cho các
lo ạ i máy ñ i ệ n ñồ ng b ộ , không ñồ ng b ộ , và m ộ t chi ề u Các máy
ñ i ệ n m ộ t pha ch ỉ ñượ c phân tích ñị nh tính.
Trang 47 Bài giảng 1
Giảthiết ñiện áp và dòng ñiện hình sin, nghĩa là
Ôn t ậ p v ề công su ấ t
v = cos ω + θ i ( ) t = Im cos ( ω t + θi)
Công suất tức thời cho bởi (i = I m khi t = 0)
p = = m m cos ω + θv − θi cos ω
Công suất trung bình (thực hay tác dụng) trong 1 chu kỳ T = 2π/ω
m m
I V I
V
2
với V rms và I rms tương ứng là ñiện áp và dòng ñiện hiệu dụng θ = θv − θi
ñược gọi là góc hệ số công suất, và cos(θ) ñược gọi là hệ số công suất (PF)
8 Bài giảng 1
Ôn t ậ p v ề vectơ pha
Tải cảm có hệsốcông suất trễ, và tải dung có hệsốcông suất sớm
Các ñại lượng hình sin có thể ñược biểu diễn ởdạng vectơ pha, chẳng
hạn
v rms
V
V = ∠ θ I = Irms∠ θi
Góc pha Biên ñộ
+
V
I
v
θ
i
θ
Hệsốcông suất trễ
V I
v
θ
i
θ
Hệ sốcông suất sớm
+
Trang 59 Bài giảng 1
Ví d ụ t ạ i l ớ p
Vd 2.1: Biểu diễn v(t)và i(t)ở dạng vectơ và tìm công suất trung bình P
30 10
30 cos
10
t
20 5
20 cos
5
t
50 20
=
−
= θv θi
( )( ) 10 5 cos ( ) 500 = 32 , 14 W
=
P
Vd 2.2: Tính lại công suất trung bình Pvới i(t) mới
90 5
90 cos
5
t
( )( ) 10 5 cos ( ) 1200 = − 25 W
=
Ôn t ậ p v ề công su ấ t ph ứ c
ðịnh nghĩa công suất phản kháng bởi
( v i) rms rms ( v i)
m m
I V I
V
2
Công suất tức thời có thể ñược biểu diễn
( ) t P P ( ) t Q ( ) t P [ ( ) t ] Q ( ) t
Vì j v và , có thểthấy
rmse V
rmse I
( V I ) VrmsIrms ( v i)
( V I ) VrmsIrms ( v i)
Công suất phức ñược ñịnh nghĩa là
Trang 611 Bài giảng 1
Ôn t ậ p v ề công su ấ t ph ứ c (tt)
Khi tính toán công suất, các giá trị hiệu dụng luôn luôn ñược dùng Do
ñó, từ ñây về sau sẽkhông ghi chỉsố rms trong các ký hiệu
Và ñộlớn của công suất phức là
( v i)
VI
VI
S =
ðể phân biệt S, P, và Q, các ñơn vịcủa chúng lần lượt làvoltamperes
(VA), watts (W), và voltampere reactive (VAR)
Các dạng khác của công suất phức
jX R
Do ñó
R I
12 Bài giảng 1
Ví d ụ t ạ i l ớ p
Vd 2.4: Tìm công suất phức với v(t) vài(t) ñã cho
10 10
10 cos
10
t
20 20
70 sin
20
t
W 2 , 173
=
P
Vd 2.5 và 2.6: xem giáo trình
( ) ( V I* 10 100)( 20 200) 200 300 173 , 2 j 100 VA
VAR 100
=
Q
Trang 713 Bài giảng 1
B ả o toàn công su ấ t ph ứ c
Trong mạch nối tiếp
Trong mạch song song
Công suất phức tổng là tổng các công suất phức thành phần Hầu hết
tải ñược nối song song Sự bảo toàn công suất phức
Tam giác công suất: xem ví dụ 2.7
( V V Vn) I S S Sn
I V
S = ⋅ * = 1 + 2 + + * = 1 + 2 + +
( I I In) S S Sn
V I
V
S = ⋅ * = 1 + 2 + + * = 1 + 2 + +
n
P P
P
P = 1 + 2 + + Q = Q1 + Q2 + + Qn
Ví d ụ t ạ i l ớ p
Vd 2.7: Tìm công suất phức ởdạng tam giác công suất
Vd 2.8, 2.9 và 2.10: xem giáo trình
P = 800 W
Q = 600 VAR
S = 1
000 V A
36,8 0
( 100 100)( 10 26 , 80) 1000 36 , 80 800 600 VA
*
j I
V
Do ñó
W 800
=
VA 1000
=
VI
Vì θ> 0, dòng ñiện chậm pha so
với ñiện áp, và tải mang tính cảm
Trang 815 Bài giảng 1
Bi ể u di ễ n công su ấ t c ủ a m ộ t t ả i
Công suất tiêu thụbởi tải có thể ñược biểu diễn bằng một tổ hợp của
3 trong 6 ñại lượng sau: V, I, PF (trễhay sớm), S, P, Q
Nếu vàV I là cho trước, sẽ tương ñương với cho trước V, I, và PF
Một cách khác là cho biết V, PF, và P
Cách thứba là cho biết V, PF, và S: I ñược tính từ Vvà S, sau ñóQ
có thể ñược tính từ Svà PF
θ
cos
V
P
Cách sau cùng là cho biết V, P, và Q: S ñược tính từ Pvà Q, sau ñó
PF ñược tính từ P vàS
16 Bài giảng 1
ðiện áp ởmỗi pha lệch pha so với các pha khác 1200 Với thứ tự
thuận (a-b-c), các ñiện áp cho bởi
Các h ệ th ố ng 3 pha
Cách nối 3 pha: cấu hình sao (Y) và cấu hình tam giác (∆)
Trong cấu hình sao, các ñầu dây a’, b’, và c’ ñược nối với nhau và ñược
ký hiệu là cực trung tính n
( ) t V
' = V cos t − 120
' = V cos t + 120
ia, ib, và iclà các dòng ñiện dây, cũng
bằng với các dòng ñiện pha in là dòng
ñiện trong dây trung tính
ia
in
ib
ic
a
b c
n
+
−
+
−
+ −
Trang 917 Bài giảng 1
Các h ệ th ố ng 3 pha (tt)
Trong cấu hình tam giác, ñầu a’ ñược nối vào b, và b’ vào c Vì vac’ =
vaa’(t) + vbb’(t) + vcc’(t) = 0, như có thểchứng minh bằng toán học, c’ ñược
nối vào a
ia
ib
ic
a
b c
c’
a’
b’
+
−
Các ñại lượng dây và pha
Vì cảnguồn lẫn tải ñều có thể ở dạng sao
hay tam giác, có thểcó 4 tổ hợp: sao-sao,
sao-tam giác, tam sao, và tam
giác-tam giác (quy ước nguồn-tải)
• Với cấu hình sao-sao, ở ñiều kiện cân bằng:
0
0
∠
= Vφ
Van Vbn = Vφ∠ − 1200 Vcn = Vφ∠ 1200
Các h ệ th ố ng 3 pha (tt)
với Vφ là trị hiệu dụng của ñiện áp pha-trung tính
Các ñiện áp dây cho bởi
bn an
ab V V
Chẳng hạn, ñộ lớn của có thVab ểtính như sau
V
an V
bn V
cn V
ab V
bc V
ca V
Từgiản ñồ vectơ, có thểthấy
0
30
3 ∠
= Vφ
0
150
3 ∠
= Vφ
Vca
Ở ñiều kiện cân bằng, in = 0 (không có dòng ñiện trung tính)
Trang 1019 Bài giảng 1
Các h ệ th ố ng 3 pha (tt)
Không làm mất tính tổng quát, giả thiết các ñiện áp dây là
• Cấu hình sao-tam giác, ñiều kiện cân bằng:
0 0
∠
= L
ab V
V V bc =V L∠ − 1200 V ca =V L∠ 1200
ab V
bc V
ca V
1
I
3
I
2
I
a I
Các dòng ñiện pha I1, I2, và I3 trong 3 nhánh tải
nối tam giác trễpha so với các ñiện áp tương
ứng một góc θ, và có cùng ñộ lớn Iφ Có thể
thấy từ giản ñồ vectơ
θ
φ ∠ − −
30
3I
I a = φ∠ − 0 −θ
150
3I
I b
θ
φ ∠ −
90
3I
I c
Cấu hình sao: vàVL = 3 Vφ IL = Iφ, cấu hình tam giác: vàVL = Vφ
φ
I
IL = 3
20 Bài giảng 1
Công su ấ t trong m ạ ch 3 pha cân b ằ ng
Tải nối sao cân bằng
Trong một hệcân bằng, ñộlớn của tất cả ñiện áp pha là bằng nhau, và ñộ
lớn của tất cả dòng ñiện cũng vậy Gọi chúng là Vφvà Iφ Công suất mỗi pha khi ñó sẽlà
( ) θ
φ φ
φ V I cos
Công suất tổng là PT = 3 Pφ = 3 VφIφ cos ( ) θ = 3 VLIL cos ( ) θ
Công suất phức mỗi pha là Sφ = VφIφ* = VφIφ∠ θ
Và tổng công suất phức là ST = 3 Sφ = 3 VφIφ∠ θ = 3 VLIL∠ θ
Chú ý r ằ ng θθθθlà góc pha gi ữ a ñ i ệ n áp pha và dòng ñiệ n pha
Trang 1121 Bài giảng 1
Công su ấ t trong m ạ ch 3 pha cân b ằ ng (tt)
Tải nối tam giác cân bằng
Tương tự như trường hợp tải nối sao cân bằng, công suất mỗi pha và công suất tổng có thể ñược tính toán với cùng công thức
Có thểthấy rằng với tải cân bằng, biểu thức tổng công suất phức là giống nhau cho cảcấu hình sao lẫn tam giác, miễn là ñiện áp dây và dòng ñiện dây ñược dùng trong biểu thức
Do ñó, các tính toán có thể ñược thực hiện trên nền tảng 3 pha hay 1 pha
Vd 2.12 và 2.13: xem giáo trình
M ạ ch t ươ ng ñươ ng 1 pha
Biến ñổi tam giác-sao (∆ -Y)
Thay vì phân tích mạch hình tam giác, mạch tương ñương 1 pha có thể ñược dùng sau khi thực hiện việc biến ñổi tam giác-sao
Vd 2.14: Vẽmạch tương ñương 1 pha của 1 mạch ñã cho
mạch tương ñương 1 pha
Trang 1223 Bài giảng 1
Ví d ụ t ạ i l ớ p
Vd 2.15: 10 ñộng cơ không ñồng bộvận hành song song, tìm ñịnh
mức kVAR của bộtụ 3 pha ñể cải thiện hệ sốcông suất tổng thành 1? Công suất thực mỗi pha là 30 x 10 / 3 = 100 kW, ởPF = 0,6 trễ Công
suất kVA mỗi pha như vậy sẽlà 100/0,6 Do ñó,
Một bộtụcó thể ñược nối song song với tải ñể cải thiện hệsốcông suất
tổng Bộtụcần cung cấp toàn bộcông suất phản kháng ñểnâng PF
thành ñơn vị Nghĩa là cho mỗi pha Qcap= −133,33 kVAR, và dung lượng
kVAR cần thiết sẽ là 3(−133,33) = −400 kVAR
( ) ( 0 , 6 0 , 8 ) VA 100 j133,33 kVA
6 , 0
10 100 6
, 0 cos
3
∠
24 Bài giảng 1
Ví d ụ t ạ i l ớ p
Vd 2.16: Giảsử trong Vd 2.15, PF mới là 0,9 trễ, dung lượng kVAR
cần thiết là bao nhiêu?
PF mới là 0,9 trễ, do ñó công suất phản kháng mỗi pha mới là
Bộtụ do ñó cần cung cấp cho mỗi pha −133,33
+ 48,43 = −84,9 kVAR, và tổng dung lượng
kVAR cần thiết sẽ là 3(−84,9) = −254,7 kVAR
kVA j133,33
100 +
=
φ
S
( 1 )2 − 1 = 100 ( 1 0 , 9 )2 − 1 = 48 , 43 kVAR
Qnew
cũ
100 kW
48,43 kVAR
133,33 kVAR
Vd 2.17: xem giáo trình