Bài giảng Biến đổi năng lượng điện cơ - Bài giảng 1 - Mai Bá Lộc

hình hóa hệ thống 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 hệ thống về đáp ứng trong miền thời gian, đáp ứng xác lập hình sin, điểm ổn định, tính ổn định, ...8Bài giảng 1Hệ thống điện cơ Môn học xem xét hai loại hệ thống điện cơ: hệ thống tịnh tiến và hệ thống quay. Hệ thống tịnh tiến được dùng trong các rơle điện cơ, và cơ cấu chấp hành, và thường dễ phân tích. Các hệ thống quay thường phức tạp hơn, do đó việc phân tích được dừng lại ở phân tích xác lập hình sin bằng giản đồ vectơ và mạch tương đương.9Bài giảng 1Hệ thống điện cơ (tt) Khi mạch tương đương đã được rút ra, các khía cạnh cơ học cũng sẽ được thể hiện trong đó. Việc này được thực hiện cho các loại máy điện đồng bộ, không đồng bộ, và một chiều. Các máy điện một pha chỉ được phân tích định tính.10Bài giảng 1 Giả thiết điện áp và dòng điện hình sin, nghĩa làÔn tập về công suất Công suất tức thời cho bởi) Công suất trung bình trong khoảng thời gian T11Bài giảng 1Ôn tập về công suất (tt) Công suất trung bình (thực hay tác dụng) trong 1 chu kỳ T = 2p/wvới Vrms và Irms tương ứng là điện áp và dòng điện hiệu dụng. q = qv  qi được gọi là góc hệ số công suất, và cos(q) được gọi là hệ số công suất (PF).12Bài giảng 1Ôn tập về vectơ phaTải cảm có hệ số công suất trễ, và tải dung có hệ số công suất sớm. Các đại lượng hình sin có thể được biểu diễn ở dạng vectơ pha, chẳng hạnGóc phaBiên độ+Hệ số công suất trễHệ số công suất sớm+13Bài giảng 1Ví dụ tại lớp Vd. 2.1: Biểu diễn v(t) và i(t) đã cho ở dạng vectơ và tìm công suất trung bình P(HSCS trễ)14Bài giảng 1Ví dụ tại lớp (tt) Vd. 2.2: Tính lại công suất trung bình P với dòng điện i(t) mới (phát công suất!) Chú ý quy ước công suất: công suất dương cho tải, công suất âm cho nguồn.15Bài giảng 1Ôn tập về công suất phức Định nghĩa công suất phản kháng bởi Công suất tức thời có thể được biểu diễn Vì và , có thể thấy16Bài giảng 1Ôn tập về công suất phức (tt) Công suất phức được định nghĩa là Khi tính toán công suất, các giá trị hiệu dụng luôn luôn được dùng. Do đó, từ đây về sau sẽ không ghi chỉ số rms trong các ký hiệu Và độ lớn của công suất phức là17Bài giảng 1Ôn tập về công suất phức (tt) Để phân biệt S, P, và Q, các đơn vị của chúng lần lượt là voltamperes (VA), watts (W), và voltampere reactive (VAR). Các dạng khác của công suất phứcDo đó18Bài giảng 1Ví dụ tại lớp Vd. 2.4: Tìm công suất phức với v(t) và i(t) đã cho 19Bài giảng 1Ví dụ tại lớp Vd. 2.5: Với mạch trong hình 2.5, tính công suất phức của từng nhánh, công suất phức toàn mạch, công suất thực và phản kháng của từng nhánh và toàn mạch.20Bài giảng 1Ví dụ tại lớp Vd. 2.5 (tt):Công suất thực trên các nhánh:Công suất phức toàn mạch:Công suất thực toàn mạch:21Bài giảng 1Ví dụ tại lớp Vd. 2.5 (tt):Công suất phản kháng trên các nhánh:Công suất phản kháng toàn mạch:22Bài giảng 1Bảo toàn công suất phức Trong mạch nối tiếp Trong mạch song song23Bài giảng 1Bảo toàn công suất phức (tt) Trong cả hai trường hợp trên, công suất phức tổng là tổng các công suất phức thành phần. Hầu hết tải được nối song song. Cũng có thể rút ra Tam giác công suất: xem ví dụ 2.7 Với các tải bao gồm cả nhánh song song và nối tiếp, lần lượt áp dụng sự bảo toàn công suất cho các trường hợp nối tiếp và song song, ta vẫn có sự bảo toàn công suất phức.24Bài giảng 1Ví dụ tại lớp Vd. 2.7: Tìm công suất phức ở dạng tam giác công suấtP = 800 WQ = 600VARS = 1000 VA36,80Do đóVì q > 0, dòng điện chậm pha so với điện áp, và tải mang tính cảm.25Bài giảng 1Ví dụ tại lớp Vd. 2.8: Cho biết điện áp và dòng điện tải tiêu thụ. Xác định công suất phức và biểu diễn ở dạng tam giác công suấtP = 433 WQ = 250VARS = 500 VA30ºDo đóVì q < 0, dòng điện sớm pha so với điện áp, và tải mang tính dung.26Bài giảng 1Ví dụ tại lớp Vd. 2.9: Hai tải ở ví dụ 2.7 và 2.8 được ghép song song như trong hình 2.10. Tính công suất phức và dòng điện bằng các phương pháp dòng nút và tam giác công suất.Phương pháp dòng nútCông suất phức tổngDòng điện tổng27Bài giảng 1Ví dụ tại lớp Vd. 2.9 (tt):P1 = 800 WQ1 = 600 VARS = 1282 VA15,8ºPhương pháp tam giác công suấtP2 = 433 WQ2 = -250 VAR28Bài giảng 1Ví dụ tại lớp Vd. 2.10: Khảo sát tiếp ví dụ 2.9. Xác định hệ số công suất toàn mạch, công suất phản kháng của bộ tụ thêm vào để nâng PF lên 0,98, và lên 1.Hệ số công suất của toàn mạchKhi lắp thêm tụ điện vào, một phần công suất phản kháng của tải sẽ do tụ điện cung cấp. Công suất phản kháng mới mà nguồn cung cấp sẽ làtrễ29Bài giảng 1Ví dụ tại lớp Vd. 2.10 (tt):So với yêu cầu của tải là 350 VAR, còn một lượng công suất phản kháng nữa (bằng giá trị chênh lệch giữa yêu cầu của tải và đáp ứng từ nguồn) cần được cung cấp từ tụ điện.Dấu trừ khẳng định tính dung của thiết bị mắc thêm vào.Khi hệ số công suất tổng là 1, nguồn sẽ không cung cấp công suất phản kháng, do đó30Bài giảng 1Biểu diễn công suất của một tải Công suất tiêu thụ bởi tải có thể được biểu diễn bằng một tổ hợp của 3 trong 6 đại lượng sau: V, I, PF (trễ hay sớm), S, P, Q. Nếu và là cho trước, sẽ tương đương với cho trước V, I, và PF. Một cách khác là cho biết V, PF, và P. Ba đại lượng còn lại được tính theo: 31Bài giảng 1Biểu diễn công suất của một tải (tt) Cách thứ ba là cho biết V, PF, và S: I được tính từ V và S, sau đó Q có thể được tính từ S và PF Cách sau cùng là cho biết V, P, và Q: S được tính từ P và Q, sau đó PF được tính từ P và S32Bài giảng 1 Điện áp ở mỗi pha lệch pha so với các pha khác 1200. Với thứ tự thuận (a-b-c), các điện áp cho bởiCác hệ thống 3 pha Có hai cách nối 3 pha: cấu hình sao (Y) và cấu hình tam giác (D)33Bài giảng 1Hệ thống 3 pha nối sao (Y)Trong cấu hình sao, các đầu dây a’, b’, và c’ được nối với nhau và được ký hiệu là cực trung tính n.ia, ib, và ic là các dòng điện dây, cũng bằng với các dòng điện pha. in là dòng điện trong dây trung tính.iainibicabcn+++34Bài giảng 1Hệ thống 3 pha nối tam giác (D)Trong cấu hình tam giác, đầu a’ được nối vào b, và b’ vào c. Vì vac’ = vaa’(t) + vbb’(t) + vcc’(t) = 0, như có thể chứng minh bằng toán học, c’ được nối vào a.iaibicabcc’a’b’+++35Bài giảng 1Các hệ thống 3 pha (tt) Các đại lượng dây và phaVì cả nguồn lẫn tải đều có thể ở dạng sao hay tam giác, có thể có 4 tổ hợp: sao-sao, sao-tam giác, tam giác-sao, và tam giác-tam giác (quy ước nguồn-tải).Môn học chỉ xét đến điều kiện làm việc cân bằng của các mạch điện 3 pha. Với cấu hình sao-sao, ở điều kiện cân bằng:36Bài giảng 1Các hệ thống 3 pha (tt)với Vf là trị hiệu dụng của điện áp pha-trung tính.Các điện áp dây cho bởiChẳng hạn, độ lớn của có thể tính như sauTừ giản đồ vectơ, có thể thấyỞ điều kiện cân bằng, in = 0 (không có dòng điện trung tính).37Bài giảng 1Các hệ thống 3 pha (tt)Không làm mất tính tổng quát, giả thiết các điện áp dây là Cấu hình sao-tam giác, điều kiện cân bằng: Các dòng điện pha I1, I2, và I3 trong 3 nhánh tải nối tam giác trễ pha so với các điện áp tương ứng một góc q, và có cùng độ lớn If. Có thể thấy từ giản đồ vectơ Cấu hình Y: và , cấu hình D: và38Bài giảng 1Công suất trong mạch 3 pha cân bằng Tải nối sao cân bằngTrong một hệ cân bằng, độ lớn của tất cả điện áp pha là bằng nhau, và độ lớn của tất cả dòng điện cũng vậy. Gọi chúng là Vf và If. Công suất mỗi pha khi đó sẽ làCông suất tổng làCông suất phức mỗi pha làVà tổng công suất phức làChú ý rằng q là góc pha giữa điện áp pha và dòng điện pha39Bài giảng 1Công suất trong mạch 3 pha cân bằng (tt) Tải nối tam giác cân bằngTương tự như trường hợp tải nối sao cân bằng, công suất mỗi pha và công suất tổng có thể được tính toán với cùng công thức. Có thể thấy rằng với tải cân bằng, biểu thức tổng công suất phức là giống nhau cho cả cấu hình sao lẫn tam giác, miễn là điện áp dây và dòng điện dây được dùng trong biểu thức.Do đó, các tính toán có thể được thực hiện trên nền tảng 3 pha hay 1 pha. Vd. 2.12 và 2.13: xem giáo trình40Bài giảng 1Ví dụ tại lớp Vd. 2.12: Mạch 3 pha Y cân bằng có tải tiêu thụ 24 kW ở PF bằng 0,8 trễ. Điện áp dây là 480 V. Xác định vectơ pha dòng điện dây và điện áp pha. Chọn điện áp pha của pha a làm gốc, , hãy biểu diễn các vectơ pha dòng điện dây và điện áp dây. Xác định công suất phức của tải 3 pha.Giá trị điện áp phaCông suất tác dụng trên mỗi pha41Bài giảng 1Ví dụ tại lớp Vd. 2.12 (tt):Giá trị dòng điện dây (cũng là dòng điện pha, vì tải nối Y)Do đóGóc hệ số công suất(vì PF trễ)42Bài giảng 1Ví dụ tại lớp Vd. 2.12 (tt):Các điện áp dây tương ứngCông suất phức 3 pha43Bài giảng 1Mạch tương đương 1 pha Biến đổi tam giác-sao (D-Y)Cho một tải nối tam giác với tổng trở mỗi pha là ZD, mạch tương đương hình sao có tổng trở pha ZY = ZD/3. Điều này có thể được chứng minh bằng cách đồng nhất tổng trở giữa hai pha bất kỳ trong cả hai trường hợp.Thay vì phân tích mạch hình tam giác, mạch tương đương 1 pha có thể được dùng sau khi thực hiện việc biến đổi tam giác-sao.44Bài giảng 1Ví dụ tại lớp Vd. 2.14: Vẽ mạch tương đương 1 pha của 1 mạch đã cho.Thay thế bộ tụ nối tam giác bởi một bộ tụ nối sao có tổng trở pha –j15/3 = -j5 W. Sau đó có thể dùng mạch nối sao tương đương để đơn giản hóa, và rút ra mạch tương đương 1 pha.45Bài giảng 1Ví dụ tại lớp (tt) Vd. 2.15: 10 động cơ không đồng bộ vận hành song song, tìm định mức kVAR của bộ tụ 3 pha để cải thiện hệ số công suất tổng thành 1?Công suất thực mỗi pha là 30 x 10 / 3 = 100 kW, ở PF = 0,6 trễ. Công suất kVA mỗi pha như vậy sẽ là 100/0,6. Do đó,46Bài giảng 1Ví dụ tại lớp (tt) Vd. 2.15 (tt):Một bộ tụ có thể được nối song song với tải để cải thiện hệ số công suất tổng. Bộ tụ cần cung cấp toàn bộ công suất phản kháng để nâng PF thành đơn vị. Nghĩa là cho mỗi pha Qcap = 133,33 kVAR, và dung lượng kVAR tổng cộng cần thiết sẽ là 3(133,33) = 400 kVAR. 47Bài giảng 1Ví dụ tại lớp (tt) Vd. 2.16: Giả sử 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 đó công suất phản kháng mỗi pha mới làcũmới100 kW48,43kVAR133,33kVAR48Bài giảng 1Ví dụ tại lớp (tt) Vd. 2.16 (tt):Bộ tụ do đó 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. Vd. 2.17: xem giáo trình