Bài giảng Biến đổi năng lượng điện cơ - Chương 1: Giới thiệu về hệ thống điện

Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Biến đổi năng lượng 
điện cơ
-Giới thiệu môn học
-Giới thiệu về hệ thống điện
-Vector pha và mạch công suất 3 pha
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Giới thiệu môn học
Tên môn học: Biến đổi năng lượng điện cơ
Phân phối giờ: 42LT
Số tín chỉ: 2 
Đánh giá:
• Điểm thứ 1 (30%) Kiểm tra viết giữa kỳ (60')
• Điểm thứ 2 (10%) Bài tập – Thảo luận trên lớp.
• Điểm thứ 3 (60%) Thi viết cuối kỳ (90')
Trang web cá nhân: www4.hcmut.edu.vn/~nntu
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Tài liệu tham khảo
• [1] Power Circuits and Electromechanics; M.A. 
Pai, Stipes Publishing, Champaign- 2004. Mã số Thư 
viện: 907 796
• [2] Electric Machinery; A. E. Fitzgerald_ Mc Graw 
Hill Editions - 2003.
• [3] Electrical Machinery Fundamentals ; S J 
Chapman, McGraw-Hill, 4th Edition.
• [4] ElectroMechanical Motion Devices; Paul C. 
Krause, Oleg Wasynczuk; Mc Graw Hill Editions -
2002.
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Nội dung
Chương 1: Giới thiệu về hệ thống điện- hệ thống điện cơ
Chương 2: Vectơ pha và mạch công suất 3 pha
Chương 3: Mạch từ- Hỗ cảm- Máy biến áp
Chương 4: Giải tích hệ thống điện cơ dùng các phương pháp năng lượng
Chương 5: Ổn định các hệ thống điện cơ
Chương 6: Máy điện đồng bộ
Kiểm Tra Giữa Học Kì
Chương 7: Máy không đồng bộ
Chương 8: Máy một chiều
Chương 9: Các máy điện - cơ cấu chấp hành công suất nhỏ
Chương 10: Các máy điện công suất nhỏ
Chương 11: Các vấn đề kĩ thuật trong vận hành máy điện
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Giới thiệu về hệ thống điện 
Power System
Generation Transmission Distribution Load
Measurement & 
Monitoring System
Protection System
Các bộ phận chính
Các bộ phận hỗ trợ
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Máy cắt (Circuit Breaker)
Power System Components 
(Truyền tải)
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Máy biến áp công suất
Power System Components 
(Truyền tải)
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Giảm áp từ 11kV tới 
mức điện áp 
(415/240V)
Power System Components 
(Phân phối)
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Giới thiệu về hệ thống điện cơ
• Hệ thống chuyển động 
tuyến tính: relay, 
pittông,..
• Hệ thống chuyển động 
quay: các loại máy điện
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Vector phase và mạch công suất 3 
pha (1)
Ôn tập về công suất 
 Xét một mạch điện 2 cửa có dòng và áp dạng sine
 vm tVtv qw cos im tIti qw cos
 Công suất tức thời (i = Im tại thời điểm t = 0)
 ttIVtitvtp ivmm wqqw coscos 
 Công suất trung bình trong một chu kỳ T = 2p/w
 ivrmsrmsivmm IV
IV
P qqqq coscos
2
Trong đó Vrms và Irms là các trị hiệu dụng (rms) áp và dòng. q = qv qi là
góc hệ số công suất, và cos(q) được gọi là hệ số công suất (PF).
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Vector pha và mạch công suất 3 pha 
(2)
Ôn tập về vector pha 
 Các đại lượng dạng sine có thể được biểu diễn dưới dạng vector pha
vrmsVV q irmsII q 
Góc phaĐộ lớn
+
V
I
vq
iq
PF trễ (tải cảm)
V
I
vq
iq
PF sớm (tải dung)
+
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Vdụ. 2.1: Biểu diễn dạng vecto pha của v(t) & i(t), tính công suất trung 
bình P
 00 301030cos102  Vttv w
 00 20520cos52  Itti w
 0502030 iv qqq (PF trễ)
 W14.3250cos510 0 P
 Vdụ. 2.2: Tính công suất trung bình P với i(t) mới
 00 90590cos52  Itti w
 W25120cos510 0 P (generating power!)
Ví dụ
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Vector phase và mạch công suất 3 
pha (3)
Ôn tập về công suất phức
 Công suất phản kháng
 ivrmsrmsiv
mm IV
IV
Q qqqq sinsin
2
 Công suất tức thời có thể được viết dưới dạng
   tQtPtQtPPtp wwww 2sin2cos12sin2cos 
 Với và , ta được
vj
rmseVV
q ij
rmseII
q 
 ivrmsrms IVIVP qq  cosRe *
 ivrmsrms IVIVQ qq  sinIm *
 Ta được công suất phức jQPIVS  *
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Vector phase và mạch công suất 3 
pha (3)
Ôn tập về công suất phức (tt)
 Ta mặc định V, I là các giá trị hiệu dụng
 Độ lớn của công suất phức
 ivVIP qq cos ivVIQ qq sin
VIS 
 Phân biệt S, P, và Q dựa vào đơn vị của chúng voltamperes (VA), 
watts (W), và voltampere reactive (VAR)
 Công suất phức có thể viết dưới dạng khác
jXRZ IZV jQPjXRIZIIIZS 22*
Do đó
RIP 2 XIQ 2 
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Vdụ. 2.4: Tìm công suất phức với v(t) và i(t) cho trước
 00 101010cos102  Vttv w
 00 202070sin202  Itti w
 W2.173 P
 Vdụ. 2.5 và 2.6: trang 17-19
 VA 1002.1733020020201010 000* jIVS   
VAR 100 Q
Ví dụ
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Vector phase và mạch công suất 3 
pha (4)
Ôn tập về bảo toàn công suất phức
 Mạch nối tiếp
 Mạch song song
 Công suất phức tổng là tổng của các công suất phức thành phần.
Nếu tải được nối song song. Bảo toàn công suất phức sẽ là
 Góc công suất: ví dụ 2.7
 nn SSSIVVVIVS  ...... 21*21*
 nn SSSIIIVIVS  ...... 21
*
21
*
nPPPP ...21 nQQQQ ...21
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Vdụ. 2.7: Tìm công suất phức dựa vào phương pháp góc công suất
 Vdụ. 2.8, 2.9 và 2.10: xem sách
P = 800 W
Q = 600
VAR
36.80
 * 0 0 0100 10 10 26.8 1000 36.8 800 600 VAS VI j
    
Suy ra
 W800 P VAR 600 Q
VA 1000 VI
Vì q > 0, dòng chậm pha hơn điện 
áp và tải có tính cảm.
Ví dụ
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Vector phase và mạch công suất 3 
pha (5)
Xác định công suất của tải
 Công suất tiêu thụ của tải có thể được xác định dựa vào 3 trong 6 đại 
lượng: V, I, PF (sớm hay trễ), S, P, Q.
 Nếu biết và ta sẽ xác định được V, I, và PFV I
 Có thể xác định dựa vào V, PF, và P
 Xác định dựa vào V, PF, và S: I tính từ V và S, sau đó Q tính từ S và 
PF
qcosV
P
I qsinVIQ jQPS 
 Dựa vào V, P, và Q: S được tính từ P và Q, sau đó PF được tính từ P
và S
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Vector phase và mạch công suất 3 
pha (6)
Hệ thống 3 pha
 Điện áp trong mỗi pha lệch nhau 1200. Nếu thứ tự pha thuận (a-b-c), 
3 điện áp pha là
 Nối dây: nối Y và Δ
Khi nối Y, các cổng a’, b’, và c’ được nối chung và gọi là cổng trung tính n.
 tVv maa wcos' 0' 120cos tVv mbb w 0' 120cos tVv mcc w
ia, ib, và ic là các dòng điện dây (cũng là 
các dòng pha). in là dòng trung tính.
ia
in
ib
ic
a
b
c
n
+
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Vector phase và mạch công suất 3 
pha (6)
Hệ thống 3 pha (tt)
Khi nối Δ, cổng a’ nối với b, b’ với c. Bởi vì vac’ = vaa’(t) + vbb’(t) + vcc’(t) = 0, 
nên c’ phải nối với a.
ia
ib
ic
a
b
c
c’
a’
b’
+ 
 Các đại lượng dây và pha
Vì cả nguồn và tải có thể được nối Y hay 
Δ, nên có thể có 4 kiểu nối dây: Y-Y, Y-Δ, 
Δ-Y, và Δ-Δ (nguồn-tải).
• Nối Y-Y, trạng thái cân bằng: 
00 fVVan
0120  fVVbn
0120 fVVcn
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Vector phase và mạch công suất 3 
pha (6)
Hệ thống 3 pha (tt)
Với Vf là điện áp hiệu dụng pha-trung tính.
Điện áp dây là
bnanab VVV cnbnbc VVV ancnca VVV 
VD, độ lớn của có thể tính bởi
abV
 ff VVVab 330cos2 0 
anV
bnV
cnV
abV
bcV
caV
Từ giản đồ vector
0303  fVVab
0903  fVVbc
01503  fVVca
Ở trạng thái cân bằng, in = 0 (không có dòng trung tính)
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Vector phase và mạch công suất 3 
pha (6)
Hệ thống 3 pha (tt)
Giả sử các điện áp dây-dây là
• Nối Y-Δ, trạng thái cân bằng: 
00 Lab VV
0120  Lbc VV
0120 Lca VV
abV
bcV
caV
1I
3I
2I
aI
Các dòng điện pha tải I1, I2, và I3 có cùng độ lớn 
IФ và góc lệch với điện áp q, 
qf  
0303II a qf  
01503IIb
qf  
0903IIc
 Nối Y: và , nối Δ : and
fVVL 3 fII L fVVL fII L 3 
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Vector phase và mạch công suất 3 
pha (7)
Công suất ở mạch điện 3 pha cân bằng
Trong hệ thống cân bằng, độ lớn các điện áp và pha là bằng nhau. Gọi 
các độ lớn này là Vf và If. Khi đó công suất pha sẽ là
 qfff cosIVP 
Công suất tổng qqfff cos3cos33 LLT IVIVPP 
Công suất phức pha qfffff  IVIVS
*
Công suất phức tổng qqfff   LLT IVIVSS 333
q là góc pha giữa điện áp pha và dòng pha
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
Vector phase và mạch công suất 3 
pha (8)
Mạch tương đương pha
 Biến đổi D - Y
Tải nối Δ có tổng trở mỗi pha là ZD, mạch tương đương mạch Y có tổng trở 
pha ZY = ZD/3 (chứng minh?).
Thay vì phân tích mạch điện nối Δ, mạch tương đương pha có thể áp dụng 
sau khi biến đổi D-Y.
 Vdụ. 2.14: Vẽ mạch tương đương pha.
Chuyển các tụ nối D về nôi Y với trở kháng pha –j15/3 = -j5 W. 
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Vdụ. 2.15: 10 động cơ không đồng bộ nối song song, mỗi động cơ 
tiêu thụ 30KW tại 0.6 PF trễ pha. Tìm giá trị kVAR định mức (3 pha) của 
bộ tụ để cải thiện PF lên 1?
Công suất thực mỗi pha 30 x 10 / 3 = 100 kW, tại PF = 0.6 trễ. Công suất 
biểu kiến mỗi pha kVA vì thế bằng 100/0.6. 
Bộ tụ có thể được nối song song với tải để cải thiện PF tổng. Bộ tụ cần 
cung cấp công suất phản kháng để PF = 1. Do đó giá trị phản kháng pha 
của bộ tụ Qcap = 133.33 kVAR, hay giá trị kVAR 3 pha cần thiết là 
3( 133.33) = 400 kVAR. 
 kVA j133.33100VA 8.06.0
6.0
10100
6.0cos
3
1 
  jSS ff
Ví dụ
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Vdụ. 2.16: Giống như Vdụ. 2.15, nhưng PF cần cải thiện lên 0.9 trễ 
pha, tính giá trị kVAR cần thiết?
Giá trị phản kháng pha là
Bộ tụ cần cung cấp 133.33 + 48.43 = 84.9
kVAR , và 3 pha kVAR là 3( 84.9) = 254.7
kVAR. 
kVA j133.33100 fS
tan(25.84 ) 48.43 kVARonewQ P 
100 kW
48.43
kVAR
133.33
kVAR
 Vdụ. 2.17: xem sách
Ví dụ
25.840
Biến đổi năng lượng điện cơ Bộ môn Thiết bị điện
 Bài 2.21: Một tải 3 pha 15 kVA có PF là 0.8 trễ pha được nối 
song song với tải 3 pha 36 kW 0.6 PF sớm pha. Điện áp dây 
là 2000 V.
a) Tính công suất phức tổng và PF
b) Tính kVAR cần thiết để PF = 1?
Bài tập