Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 ĐH Bách Khoa TP.HCM – Khoa Điện-Điện Tử – Bộ Môn Thiết Bị Điện Bài giảng: Biến đổi lượng điện Chương 1: Giới thiệu hệ thống điện-hệ thống điện Biên soạn: Nguyễn Quang Nam Cập nhật: Trần Công Binh NH2012–2013, HK2 Bài giảng 1 Giới thiệu hệ thống điện – Tổng quan Bốn phần tử hệ thống điện: hệ thống phát điện, hệ thống truyền tải, hệ thống phân phối, tải Khách hàng CN Kh/hàng dân dụng Khách hàng TM Khách hàng sỉ Nguồn phát Hệ thống truyền tải Hệ thống truyền tải phụ Bài giảng Chương 1, Hệ thống phân phối Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Tổng quan (tt) Nguồn phát: gồm nhà máy nhiệt điện (than, khí tự nhiên, dầu, ), thủy điện (nước – tái sinh), điện hạt nhân (an toàn nghiêm ngặt) Điện áp đầu nguồn phát nâng lên để thuận tiện cho việc truyền tải qua hệ thống truyền tải truyền tải phụ Các khách hàng sỉ số khách hàng công nghiệp mua điện trạm trung áp (34 kV) Bài giảng Tổng quan (tt) Hệ thống phân phối tiếp tục hạ cấp điện áp phân phối điện đến khách hàng thương mại dân dụng Biến đổi lượng điện đóng vai trị hệ thống thành phần: máy phát (generator), máy ngắt (circuit breaker), động (motor), máy biến áp (transformer) Bài giảng Chương 1, Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Q trình phi tập trung hóa ngành điện Phân loại tổ chức: công ty phát điện, công ty truyền tải, công ty phân phối, nhà điều hành độc lập hệ thống (ISO) Nguồn phát Cty phát điện Cty phát điện Truyền tải Phân phối Truyền tải Phân phối Khách hàng Khách hàng Nhà ĐH độc lập hệ thống Khách hàng Nhà kinh doanh thị trường Bài giảng Động học hệ thống điện phần tử Toàn hệ thống điện hệ thống động, mô tả hệ phương trình vi phân dạng (khơng gian trạng thái) xɺ = f (x, u ) với vectơ trạng thái x vectơ ngõ vào u tương ứng vectơ n r chiều Kích thước x lớn, khung thời gian đáp ứng trải từ vài miligiây (quá độ điện từ), đến vài giây (điều khiển tần số), vài (động nồi hơi) Bài giảng Chương 1, Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Động học hệ thống điện phần tử (tt) Việc mơ hình hóa hệ thống dựa vào nguyên tắc vật lý dạng tĩnh phương trình Maxwell bước quan trọng trình phân tích hệ thống đáp ứng miền thời gian, đáp ứng xác lập hình sin, điểm ổn định, tính ổn định, Bài giảng Hệ thống điện Môn học xem xét hai loại hệ thống điện cơ: hệ thống tịnh tiến hệ thống quay Hệ thống tịnh tiến dùng rơle điện cơ, cấu chấp hành, thường dễ phân tích Các hệ thống quay thường phức tạp hơn, việc phân tích dừng lại phân tích xác lập hình sin giản đồ vectơ mạch tương đương Bài giảng Chương 1, Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Hệ thống điện (tt) Khi mạch tương đương rút ra, khía cạnh học thể Việc thực cho loại máy điện đồng bộ, không đồng bộ, chiều Các máy điện pha phân tích định tính Bài giảng ĐH Bách Khoa TP.HCM – Khoa Điện-Điện Tử – Bộ Môn Thiết Bị Điện Bài giảng: Biến đổi lượng điện Chương 2: Vectơ pha mạch công suất pha Biên soạn: Nguyễn Quang Nam Cập nhật: Trần Công Binh NH2012–2013, HK2 Bài giảng Chương 1, 10 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Ôn tập cơng suất Giả thiết điện áp dịng điện hình sin, nghĩa v(t ) = Vm cos(ωt + θ v ) i (t ) = I m cos(ωt + θ i ) Công suất tức thời cho (i = Im t = 0) p(t ) = v(t )i (t ) = Vm I m cos(ωt + θ v − θ i ) cos(ωt ) Công suất trung bình khoảng thời gian T T T 1 P = ∫ p ( t )dt = ∫ v ( t ) i ( t ) dt T0 T0 Bài giảng 11 Ơn tập cơng suất (tt) Cơng suất trung bình (thực hay tác dụng) chu kỳ T = 2π/ω P= Vm I m cos(θ v − θ i ) = Vrms I rms cos(θ v − θ i ) với Vrms Irms tương ứng điện áp dòng điện hiệu dụng θ = θv − θi gọi góc hệ số công suất, cos(θ) gọi hệ số công suất (PF) Bài giảng Chương 1, 12 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Ơn tập vectơ pha Các đại lượng hình sin biểu diễn dạng vectơ pha, chẳng hạn V = Vrms∠θ v I = I rms ∠θ i Góc pha Biên độ Hệ số cơng suất trễ V Hệ số công suất sớm I + + V I θv θi θi θv Tải cảm có hệ số cơng suất trễ, tải dung có hệ số cơng suất sớm Bài giảng 13 Ví dụ lớp Vd 2.1: Biểu diễn v(t) i(t) cho dạng vectơ tìm cơng suất trung bình P ( ) v(t ) = 210 cos ωt + 30 ⇒ V = 10∠30 ( ) i (t ) = cos ωt − 20 ⇒ I = 5∠ − 20 θ = θ v − θ i = 30 − (− 20 ) = 50 (HSCS trễ) ( ) P = (10 )(5) cos 50 = 32,14 W Bài giảng Chương 1, 14 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Ví dụ lớp (tt) Vd 2.2: Tính lại cơng suất trung bình P với dịng điện i(t) i ( t ) = cos (ω t − 900 ) ⇒ I = 5∠ − 900 ( ) P = (10 )(5) cos 1200 = −25 W (phát công suất!) Chú ý quy ước công suất: công suất dương cho tải, công suất âm cho nguồn Bài giảng 15 Ơn tập cơng suất phức Định nghĩa công suất phản kháng Q= Vm I m sin (θ v − θ i ) = Vrms I rms sin (θ v − θ i ) Cơng suất tức thời biểu diễn p(t ) = P + P cos(2ωt ) − Q sin (2ωt ) = P[1 + cos(2ωt )] − Q sin (2ωt ) Vì V = Vrms e jθ v I = I rms e jθ i , thấy ( ) Q = Im(V ⋅ I ) = V P = Re V ⋅ I * = Vrms I rms cos(θ v − θ i ) * I rms rms Bài giảng Chương 1, sin (θ v − θ i ) 16 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Ôn tập công suất phức (tt) Công suất phức định nghĩa ( ) S = V ⋅ I * = P + jQ Khi tính tốn cơng suất, giá trị hiệu dụng ln ln dùng Do đó, từ sau không ghi số rms ký hiệu P = VI cos(θ v − θ i ) Q = VI sin (θ v − θ i ) Và độ lớn công suất phức S = VI Bài giảng 17 Ôn tập công suất phức (tt) Để phân biệt S, P, Q, đơn vị chúng voltamperes (VA), watts (W), voltampere reactive (VAr) Các dạng khác công suất phức Z = R + jX V = ZI S = ZII * = I Z = I (R + jX ) = P + jQ Do P = I 2R Q = I2X Bài giảng Chương 1, 18 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Ví dụ lớp Vd 2.4: Tìm cơng suất phức với v(t) i(t) cho ( ) v (t ) = 210 cos ωt + 10 ⇒ V = 10∠10 ( ) i (t ) = 20 sin ωt + 70 ⇒ I = 20∠ − 20 ( ) ( )( ) S = V I * = 10∠10 20∠200 = 200∠30 = 173,2 + j100 VA P = 173,2 W Q = 100 VAR Bài giảng 19 Ví dụ lớp Vd 2.5: Với mạch hình 2.5, tính cơng suất phức nhánh, cơng suất phức tồn mạch, cơng suất thực phản kháng nhánh toàn mạch I1 = V1 50∠90° = = 0,354∠45° A Z1 100 + j100 I2 = V1 50∠90° = = 0,707∠135° A Z 50 − j 50 S1 = V1 I1* = 50∠90° × 0,354∠ − 45° = 17,68∠45° VA S = V1 I 2* = 50∠90° × 0,707∠ − 135° = 35,35∠ − 45° VA Bài giảng Chương 1, 20 10 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Ví dụ lớp Vd 2.5 (tt): Cơng suất phức toàn mạch: ST = S1 + S = 37,5 − j12,5 = 39,53∠18,43° VA Công suất thực nhánh: P100 = 100 × 0,354 = 12,5 W P50 = 50 × 0,707 = 25 W Cơng suất thực tồn mạch: P = P100 + P50 = 37,5 W Bài giảng 21 Ví dụ lớp Vd 2.5 (tt): Công suất phản kháng nhánh: Q100 = (100) × 0,354 = 12,5 VAR Q50 = (− 50 )× 0,707 = −25 VAR Cơng suất phản kháng tồn mạch: Q = Q100 + Q50 = −12,5 VAR Bài giảng Chương 1, 22 11 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Bảo tồn cơng suất phức Trong mạch nối tiếp S = V ⋅ I * = (V1 + V2 + + Vn )I * = S1 + S + + S n Trong mạch song song S = V ⋅ I * = V (I1 + I + + I n ) * = S1 + S + + S n Bài giảng 23 Bảo tồn cơng suất phức (tt) Trong hai trường hợp trên, công suất phức tổng tổng công suất phức thành phần Hầu hết tải nối song song Cũng rút P = P1 + P2 + + Pn Q = Q1 + Q2 + + Qn Với tải bao gồm nhánh song song nối tiếp, áp dụng bảo tồn cơng suất cho trường hợp nối tiếp song song, ta có bảo tồn cơng suất phức Tam giác cơng suất: xem ví dụ 2.7 Bài giảng Chương 1, 24 12 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Ví dụ lớp Vd 2.7: Tìm cơng suất phức dạng tam giác công suất ( )( ) S = V I * = 100∠10 10∠ − 26,80 = 1000∠36,80 = 800 + j 600 VA Do Q = 600 VAR P = 800 W VI = 1000 VA Vì θ > 0, dịng điện chậm pha so với điện áp, tải mang tính cảm 36,80 Q = 600 VAR P = 800 W Bài giảng 25 Ví dụ lớp Vd 2.8: Cho biết điện áp dòng điện tải tiêu thụ Xác định công suất phức biểu diễn dạng tam giác công suất S = V I * = (100∠10°)(5∠ − 40°) = 500∠ − 30° = 433 − j 250 VA Do P = 433 W Q = 250 VAr P = 433 W 30º VI = 1000 VA Vì θ < 0, dịng điện sớm pha so với Q = 250 VAR điện áp, tải mang tính dung Bài giảng Chương 1, 26 13 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Ví dụ lớp Vd 2.9: Hai tải ví dụ 2.7 2.8 ghép song song hình 2.10 Tính cơng suất phức dịng điện phương pháp dịng nút tam giác cơng suất Phương pháp dòng nút Dòng điện tổng I = I1 + I = 10∠ − 26,8° + 5∠40° = 12,82∠ − 5,796° A Công suất phức tổng ( ) S = V I * = 100∠10 (12,82∠5,796°) = 1282∠15,8° = 1234 + j 349 VA Bài giảng 27 Ví dụ lớp Vd 2.9 (tt): Phương pháp tam giác công suất S = S1 + S = (800 + j 600) + (433 − j 250 ) = (800 + 433) + j (600 − 250 ) = 1233 + j 350 VA Q1 = 600 VAR Q2 = -250 VAR 15,8º P1 = 800 W P2 = 433 W Bài giảng Chương 1, 28 14 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Ví dụ lớp Vd 2.10: Khảo sát tiếp ví dụ 2.9 Xác định hệ số cơng suất tồn mạch, công suất phản kháng tụ thêm vào để nâng PF lên 0,98, lên Hệ số cơng suất tồn mạch PF = cos(15,8°) = 0,962 trễ Khi lắp thêm tụ điện vào, phần công suất phản kháng tải tụ điện cung cấp Công suất phản kháng mà nguồn cung cấp Qnew = P (1 / PF ) − = 1233 (1/0,98) − = 250 VAR 2 Bài giảng 29 Ví dụ lớp Vd 2.10 (tt): So với yêu cầu tải 350 VAR, cịn lượng cơng suất phản kháng (bằng giá trị chênh lệch yêu cầu tải đáp ứng từ nguồn) cần cung cấp từ tụ điện Qcap = Qnew − Qold = 250 − 350 = −100 VAR Dấu trừ khẳng định tính dung thiết bị mắc thêm vào Khi hệ số công suất tổng 1, nguồn không cung cấp công suất phản kháng, Qcap = Qnew − Qold = − 350 = −350 VAR Bài giảng Chương 1, 30 15 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Biểu diễn công suất tải Cơng suất tiêu thụ tải biểu diễn tổ hợp đại lượng sau: V, I, PF (trễ hay sớm), S, P, Q Nếu V I cho trước, tương đương với cho trước V, I, PF Một cách khác cho biết V, PF, P Ba đại lượng cịn lại tính theo: I= P V cos θ Q = VI sin θ S = P + jQ Bài giảng 31 Biểu diễn công suất tải (tt) Cách thứ ba cho biết V, PF, S: I tính từ V S, sau Q tính từ S PF I= S V Q = S − (PF ) Cách sau cho biết V, P, Q: S tính từ P Q, sau PF tính từ P S PF = S = P2 + Q2 Bài giảng Chương 1, P S 32 16 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Các hệ thống pha Điện áp pha lệch pha so với pha khác 1200 Với thứ tự thuận (a-b-c), điện áp cho v aa ' = Vm cos(ωt ) ( ) cos (ωt + 120 ) vbb ' = Vm cos ωt − 120 v cc ' = V m Có hai cách nối pha: cấu hình (Y) cấu hình tam giác (∆) Bài giảng 33 Hệ thống pha nối (Y) Trong cấu hình sao, đầu dây a’, b’, c’ nối với ký hiệu cực trung tính n a ia, ib, ic dòng điện dây, với dòng điện pha in dịng điện dây trung tính ia + − n in c b ib ic Bài giảng Chương 1, 34 17 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Hệ thống pha nối tam giác (∆ ∆) Trong cấu hình tam giác, đầu a’ nối vào b, b’ vào c Vì vac’ = vaa’(t) + vbb’(t) + vcc’(t) = 0, chứng minh toán học, c’ nối vào a ia c’ a b’ + − c a’ ib b ic Bài giảng 35 Các hệ thống pha (tt) Các đại lượng dây pha Vì nguồn lẫn tải dạng hay tam giác, có tổ hợp: sao-sao, sao-tam giác, tam giác-sao, tam giác-tam giác (quy ước nguồn-tải) Môn học xét đến điều kiện làm việc cân mạch điện pha • Với cấu hình sao-sao, điều kiện cân bằng: Van = Vφ ∠0 Vbn = Vφ ∠ − 120 Bài giảng Chương 1, Vcn = Vφ ∠120 36 18 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Các hệ thống pha (tt) với Vφ trị hiệu dụng điện áp pha-trung tính Các điện áp dây cho Vab = V an − Vbn Vca = Vcn − Van Vbc = Vbn − Vcn Chẳng hạn, độ lớn V ab tính sau ( ) Vab = 2Vφ cos 30 = 3Vφ V cn V ab Vca Từ giản đồ vectơ, thấy Vab = 3Vφ ∠30 Vbc = 3Vφ ∠ − 90 Vca = 3Vφ ∠150 V an Vbn Vbc Ở điều kiện cân bằng, in = (khơng có dịng điện trung tính) Bài giảng 37 Các hệ thống pha (tt) • Cấu hình sao-tam giác, điều kiện cân bằng: Khơng làm tính tổng quát, giả thiết điện áp dây Vab = VL ∠00 Vbc = VL ∠ − 1200 Các dòng điện pha I1, I2, I3 Vca = VL ∠120 V ca nhánh tải nối tam giác trễ pha so với I3 điện áp tương ứng góc θ, có độ lớn Iφ Có thể thấy từ giản đồ vectơ I a = 3I φ ∠ − 30 − θ I2 I b = 3I φ ∠ − 150 − θ Vbc I c = 3Iφ ∠90 − θ V ab I1 Ia Cấu hình Y: V L = 3Vφ I L = I φ , cấu hình ∆: V L = Vφ I L = 3I φ Bài giảng Chương 1, 38 19 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Công suất mạch pha cân Tải nối cân Trong hệ cân bằng, độ lớn tất điện áp pha nhau, độ lớn tất dòng điện Gọi chúng Vφ Iφ Cơng suất pha Pφ = Vφ I φ cos (θ ) Công suất tổng PT = 3Pφ = 3Vφ I φ cos (θ ) = 3VL I L cos (θ ) Công suất phức pha Sφ = Vφ I φ* = Vφ I φ ∠θ Và tổng công suất phức S T = 3S φ = 3Vφ I φ ∠θ = 3V L I L ∠θ Chú ý θ góc pha điện áp pha dịng điện pha Bài giảng 39 Cơng suất mạch pha cân (tt) Tải nối tam giác cân Tương tự trường hợp tải nối cân bằng, công suất pha công suất tổng tính tốn với cơng thức Có thể thấy với tải cân bằng, biểu thức tổng công suất phức giống cho cấu hình lẫn tam giác, miễn điện áp dây dòng điện dây dùng biểu thức Do đó, tính tốn thực tảng pha hay pha Vd 2.12 2.13: xem giáo trình Bài giảng Chương 1, 40 20 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Ví dụ lớp Vd 2.12: Mạch pha cân có tải tiêu thụ 24 kW PF 0,8 trễ Điện áp dây 480 V Xác định vectơ pha dòng điện dây điện áp pha Chọn điện áp pha pha a làm gốc, Van = Vφ ∠0°, biểu diễn vectơ pha dòng điện dây điện áp dây Xác định công suất phức tải pha Giá trị điện áp pha Vφ = 480 = 277,1 V Công suất tác dụng pha Pφ = 24 / = kW Bài giảng 41 Ví dụ lớp Vd 2.12 (tt): Giá trị dòng điện dây (cũng dịng điện pha, tải nối Y) I L = Iφ = 8000 = 36,09 A 277,1× 0,8 Góc hệ số công suất θ = cos −1 (0,8) = 36,87° Do I a = 36,09∠ − 36,87° A (vì PF trễ) I b = 36,09∠ − 156,87° A I c = 36,09∠ − 276,87° A Bài giảng Chương 1, 42 21 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Ví dụ lớp Vd 2.12 (tt): Các điện áp dây tương ứng Vab = 480∠30° V Vbc = 480∠ − 90° V Vca = 480∠ − 210° V Công suất phức pha ST = 3VL I L ∠θ = 3.480.(36,09)∠36,87° = 24 + j18 kVA Bài giảng 43 Mạch tương đương pha Biến đổi tam giác-sao (∆-Y) Cho tải nối tam giác với tổng trở pha Z∆, mạch tương đương hình có tổng trở pha ZY = Z∆/3 Điều chứng minh cách đồng tổng trở hai pha hai trường hợp Thay phân tích mạch hình tam giác, mạch tương đương pha dùng sau thực việc biến đổi tam giác-sao Bài giảng Chương 1, 44 22 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Ví dụ lớp Vd 2.14: Vẽ mạch tương đương pha mạch cho hình 2.26 Thay tụ nối tam giác tụ nối có tổng trở pha –j15/3 = -j5 Ω Sau dùng mạch nối tương đương để đơn giản hóa, rút mạch tương đương pha Bài giảng 45 Ví dụ lớp (tt) Vd 2.15: 10 động khơng đồng vận hành song song, tìm định mức kVAR tụ pha để cải thiện hệ số công suất tổng thành 1? Công suất thực pha 30 x 10 / = 100 kW, PF = 0,6 trễ Công suất kVA pha 100/0,6 Do đó, Sφ = Sφ ∠ cos −1 (0,6) = 100 ×10 (0,6 + j 0,8) VA 0,6 = 100 + j133,33 kVA Bài giảng Chương 1, 46 23 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Ví dụ lớp (tt) Vd 2.15 (tt): Một tụ nối song song với tải để cải thiện hệ số công suất tổng Bộ tụ cần cung cấp tồn cơng suất phản kháng để nâng PF thành đơn vị Nghĩa cho pha Qcap = −133,33 kVAR, dung lượng kVAR tổng cộng cần thiết 3(−133,33) = −400 kVAR Bài giảng 47 Ví dụ lớp (tt) Vd 2.16: Giả sử Vd 2.15, PF 0,9 trễ, dung lượng kVAR cần thiết bao nhiêu? Sφ = 100 + j133,33 kVA PF 0,9 trễ, cơng 133,33 kVAR suất phản kháng pha Qnew = P (1 PF ) − = 100 (1 0,9) − 2 48,43 kVAR = 48,43 kVAR 100 kW Bài giảng Chương 1, 48 24 Biến Đổi Năng Lượng Điện Cơ NQN-TCB, HCMUT, 2013 Ví dụ lớp (tt) Vd 2.16 (tt): Bộ tụ cần cung cấp cho pha −133,33 + 48,43 = −84,9 kVAR, tổng dung lượng kVAR cần thiết 3(−84,9) = −254,7 kVAR Vd 2.17: xem giáo trình Bài giảng Chương 1, 49 25