Kĩ thuật điện - Phần 3: Hệ thống năng lượng

1KỸ THUẬT ĐIỆN PHẦN 3 HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG 2HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG n HỆ THỐNG ĐIỆN XOAY CHIỀU n MẠCH TỪ VÀ MÁY BIẾN ÁP n KĨ THUẬT ĐIỆN CƠ n MÁY ĐIỆN QUAY 3CHƯƠNG 10. HỆ THỐNG ĐIỆN XOAY CHIỀU 1. GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN XOAY CHIỀU 2. HỆ THỐNG ĐIỆN 1 PHA VÀ 3 PHA 3. TRUYỀN TẢI VÀ PHÂN PHỐI ĐIỆN NĂNG 41.GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN XOAY CHIỀU n 1878 các trạm phát điện và phụ tải điện chiếu sáng hình thành n 4/9/1882 máy phát điện một chiều dẫn động bằng động cơ hơi nước khởi đầu ngành công nghiệp cung cấp năng lượng điện. n Các HTĐ 1 chiều của Edison đã được phát triển thành HTĐ 1 chiều ba dây 220V n 1885 William Stanley phát minh MBA n 1889 Đường dây điện xoay chiều 1 pha đầu tiên (21 km, 4 kV) vận hành ở Mỹ, giữa thành phố Oregon và Portland. n 1888 Nikola Tesla đưa ra HTĐ nhiều pha n 1893 Đường dây ba pha đầu tiên (12 km, 2,3 kV) trên đất Mỹ đã vận hành tại California 5n Các nguồn năng lượng n Than đá, khí gas, dầu . ( dùng cho các nhà máy turbin hơi) n Thủy điện n Hạt nhân n Mặt trời, sức gió, thủy triều n Các cấp điện áp và tần số n Ngày nay có 2 tần số chuẩn cho việc sản xuất : + 50Hz ( ở Châu Âu, Liên Xô trước đây, Ấn Độ, Việt Nam.) + 60Hz ( Mỹ, Canada, Nhật) n Điện áp truyền tải tăng một cách đều đặn :115, 138, 161, 230, 345 500 và hiện nay là 765 kV, Các điện áp siêu cao (ultrahigh voltage - UHV) trên 1000kV hiện nay đang trong giai đoạn nghiên cứu 1.GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN XOAY CHIỀU 62. HỆ THỐNG ĐIỆN 1 PHA VÀ 3 PHA n Ưu điểm của hệ thống 3 pha: n Công suất tức thời của mạch điện một pha dao động gây nhiễu không mong muốn trong máy điện một pha n Mạch ba pha đối xứng thì công suất tức thời là không đổi, không đập mạch và có thể bỏ qua tác động xấu của đập mạch tới các thiết bị nguồn và tải P = √3 ILVLcosФ n Công suất truyền tải 3 pha lớn hơn 1 pha n Chi phí đầu tư thấp hơn 1 pha rms rms rms rms( ) cos cos (2 )p t V I V I ωtj j= + + 7n Công suất: n Công suất phức: n Hệ số công suất: hệ số công suất trễ pha, sớm pha. n Công suất 3 pha: n Năng lượng: E = PT n Phụ tải công nghiệp: PF trễ và vấn đề cải thiện PF fff 333 jQPS ~ += 2. HỆ THỐNG ĐIỆN 1 PHA VÀ 3 PHA IVZ IVZIZ*II*IVjQPS ~ qqq -Ð=Ð===+= 2 qcos== S/PPF 83. HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI VÀ PHÂN PHỐI ĐIỆN NĂNG Cấu trúc của một hệ thống điện điển hình Tiêu thụ Tiêu thụ Đến các thành viên khác Đến các thành viên khác Máy biến áp Thanh cái Hệ thống Hệ thống Hệ thống Phân phối Phân phối phát truyền tải truyền tải khu vựcsơ cấp thứ cấp Tiêu thụ Tiêu thụ 9Mạch phân phối (Sơ cấp) (Thứ cấp) Máy biến áp phân phối (Nối đất) “Dây nóng” Thiết bị Chiếu sáng Thiết bị Thiết bị Chiếu sáng Dây đất “Dây nóng” Nhà ở Các nhà ở khác Mạch điện dân sinh một pha, ba dây. 3. HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI VÀ PHÂN PHỐI ĐIỆN NĂNG 10 n Phụ tải điện: Sơ đồ một dây một phần của hệ thống ba pha điển hình. Máy phát Máy biến áp Thanh cái Máy cắt Dây truyền tải Chỉ số của dây Đến thanh cái số 6 Chỉ số của thanh cái (nút) Đến thanh cái số 7 Tải Dây nối với hệ thống bên cạnh 3. HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI VÀ PHÂN PHỐI ĐIỆN NĂNG 11 n Hiệu suất truyền tải: là tỉ số của P truyền đến nút nhận cuối cùng với P được truyền đi từ nút phát cuối cùng n Điều chỉnh điện áp: n Hệ số tải là tỉ số của điện năng sử dụng thực tế với điện năng danh định lớn nhất trong một khoảng thời gian đã cho 100%TLVR RFL RFLRNL ´ - = V VV Tải Mô hình đơn giản của một hệ thống điện. Trở kháng đường dâyThanh cái nguồn (phát cuối) Thanh cái tải (nhận cuối) 3. HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI VÀ PHÂN PHỐI ĐIỆN NĂNG 12 CHƯƠNG 11. MẠCH TỪ VÀ MÁY BIẾN ÁP 1. Vật liệu từ 2. Mạch từ 3. Mạch điện tương đương của MBA 4. Đặc tính của máy biến áp 5. Máy biến áp 3 pha 6. Máy biến áp tự ngẫu 13 1. VẬT LIỆU TỪ n Vật liệu từ n Mật độ từ thông B và cường độ từ trường H có mối liên hệ B = µH Vùng I Vùng I (gần tuyến tính) Vùng III( phi tuyến) Bão hòa Điểm làm việc phổ biến Đặc tính từ hóa điển hình được chia làm ba vùng 14 1. VẬT LIỆU TỪ Tổn hao lõi sắt: n Tổn hao từ trễ n Tổn hao dòng xoáy VfBkP mhondh 25.1 sec ¸= BVfkP mee 222t= 15 2. MẠCH TỪ n Mạch từ tạo ra đường dẫn cho từ thông, cũng giống như mạch điện tạo ra đường dẫn cho dòng điện. Mạch từ đơn giản. (a) stđ và từ thông. (b) Từ thông tản và từ thông diềm Lõi sắtTừ thông ф Cuộn dây N vòng từ thông lõi sắt Khe hở không khí từ thông tản Dòng điện I Từ thông diềm stđ 16 2. MẠCH TỪ n Sức từ động: = N.I =HC lCldHò n Từ thông: stđ /l A j m Á Á = = Â n Sự khác nhau giữa mạch từ và mạch điện: n Từ trở không tiêu tốn năng lượng n Từ thông có các đường từ thông tản và từ thông diềm n Không có vật liệu cách từ 17 3. MẠCH ĐIỆN TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA MÁY BIẾN ÁP Đường dẫn trung bình của từ thông Lõi sắt từ Sơ cấp (N1 vòng) Thứ cấp (N2 vòng) Tải Từ thông hỗ cảm ф Sơ đồ máy biến áp hai cuộn dây dt d Ne f 11 = dt d Ne f 22 = 2 1 2 1 N N e e = a N N e e v v === 2 1 2 1 2 1 a N N E E V V === 2 1 2 1 2 1 aN N v v i i 1 1 2 1 2 2 1 === aN N V V I I 1 1 2 1 2 2 1 === Máy biến áp lý tưởng 18 Các mạch điện tương đương của máy biến áp. (a) Qui đổi về phía sơ cấp. (b) Qui đổi về phía thứ cấp. 3. MẠCH ĐIỆN TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA MÁY BIẾN ÁP Máy biến áp thực • Tổn hao lõi sắt • Tổn hao đồng 19 4. ĐẶC TÍNH CỦA MÁY BIẾN ÁP n % điện áp biến đổi = n Hiệu suất: n Công suất hở mạch Poc=PFe, n công suất ngắn mạch Psc =Pcu 100 FL2 FL2NL2 ´ - V VV 2 100% 100% ( ) coâng suaát taùc duïng ñaàu ra x coâng suaát taùc duïng ñaàu vaøo coâng suaát taùc duïng ñaàu ra x coâng suaát taùc duïng ñaàu ra toån hao loõi toån hao ñoàng I R h = = + + 20 5. MÁY BIẾN ÁP BA PHA n Cách đấu nối: Y – ∆, ∆ – Y, ∆ – ∆ và Y – Y 21 6. MÁY BIẾN ÁP TỰ NGẪU n Tỷ số biến áp: n Đầu vào: S1 = V1 I1 n Đầu ra: S2 = V2 I2 n CS cảm ứng điện từ: Sind = V2 I3 n CS truyền điện trực tiếp: Scond = V2 I1 Máy biến áp tự ngẫu giảm áp một phaa N N I I V V === 2 1 1 2 2 1 n Ưu nhược điểm: n Kích thước nhỏ, nhẹ hơn máy biến áp hai cuộn dây n Hiệu suất cao hơn. n Nhược điểm cơ bản của biến áp tự ngẫu là sự nối điện trực tiếp (không có cách điện) giữa phía cao áp và hạ áp. 22 CHƯƠNG 12. ĐiỆN CƠ 1. Các nguyên lý cơ bản 2. Sức điện động 3. Từ trường quay 23 1. CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN n Máy điện gồm 3 bộ phận cơ bản: 1. Hệ thống điện 2. Hệ thống cơ 3. Từ trường hỗ cảm n Mật độ năng lượng điện: n Mật độ năng lượng từ: Năng lượng điện Năng lượng cơ Máy phát Động cơ 2 0 1 2 B m 2 0 1 2 Ee 24 1. CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN n Định luật cảm ứng điện – từ: n Tải (tích lũy hay động cơ): n Máy phát: dt d N dt d e fl +=+= dt d N dt d e fl -=-= 25 n Tương tác lực: Dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường sẽ chịu tác dụng của lực từ. n Phương trình lực Lorentz: F = BlI Nguyên lí tương tác Mômen sinh ra bởi lực do sự tương tác giữa dây dẫn mang dòng điện và từ trường 1. CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN 26 n Nguyên lý điều chỉnh: n Lực cơ luôn có hướng sao cho từ trở là nhỏ nhất và các đường từ thông là ngắn nhất. Nguyên lí điều chỉnhCác tấm sắt từ Các đường từ thông 1. CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN 27 2. SỨC ĐIỆN ĐỘNG n Máy điện xoay chiều: n B = Bm cosβ n Từ thông móc vòng ở cuộn dây stator: e = ωNf sinωt n Tần số của điện áp n Tốc độ góc: n Giá trị hiệu dụng: n Thực tế: Hz nP f 60 . 2 = m P ww 2 = ff p fNfNErms 44.4 2 2 == Erms = 4.44kw f Nphf V/pha 28 n Máy điện một chiều: Các chổi trên vành góp (không biểu diễn) Trục ngang, trục của stđ hay từ trường stator Trục đứng, trục của stđ rotor Phần ứng Mạch từ Cuộn dây kích từ Cuộn dây kích từ Phần ứng 60 Pn e f = a f 60 nZP Ea = mama K PZ E fwfw pa == 2 n Một dây dẫn: n Z dây dẫn và α nhánh song song: n Công suất: Teωm = EaIa 2. SỨC ĐIỆN ĐỘNG 29 n ia = I cos ωst; n ib = I cos (ωst -120o); n ic = I cos (ωst -240o); n Fa = Fm cos ωst; n Fb = Fm cos (ωst -120º) n Fc = Fm cos (ωst -240o) Trục của pha a Trục của pha b Trục của pha a Sự bố trí cuộn dây ba pha, hai cực trên stato. n F(θ) = Fa cos θ + Fb cos (θ -120o) + Fb cos (θ -240o) n F(θ,t) = Fm cos θ cos ωst + Fm cos (θ -120o) cos (ωst - 120o) + Fm cos (θ -240o) cos (ωst -240o) n Sức từ động :F(θ,t) = (3/2)Fmcos (θ -ωst) 2. SỨC ĐIỆN ĐỘNG Á 30 3. TỪ TRƯỜNG QUAY n Từ trường quay trong dây quấn một pha Dây quấn một pha mang dòng điện xoay chiều tạo ra từ thông đập mạch đứng yên hoặc các từ thông quay tương đương. 31 CHƯƠNG 13. MÁY ĐIỆN QUAY 1. Các khái niệm cơ bản của máy điện quay 2. Máy điện không đồng bộ 32 1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN n Các chế độ: n Chế độ động cơ: Điện áp đầu vào v sinh ra dòng )i ện trong các cuộn dây ngược với sức điện động phát sinh e. n Chế độ máy phát: Sức điện động phát sinh e tạo ra dòng điện ngoài cuộn dây ngược chiều với điện áp đầu cực n Chế độ hãm: Tổng năng lượng đầu vào bị tiêu tán dưới dạng nhiệt năng. Máy điện được điều khiển bởi momen bên ngoài T, trong khi đó momen i ện từ Te aiện từ ngược chiều với T 33 n Máy điện đồng bộ: n Nguyên lý hoạt động n Tốc độ đồng bộ: 2/ 2 P f sm pww == 1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 34 n Máy điện không đồng bộ: n Nguyên lý hoạt động n Tốc độ rotor: ωm = ωs - ωr n Độ trượt tương đối: n Tần số: n Ở tốc độ ồng bộ , ωm = ωs, hệ số trượt S = 0 và fr = 0; không có hiện tượng cảm ứng xảy ra vì không có sự chuyển động tương đối giữa từ thông và các thanh dẫn roto. Vì vậy, ở tốc độ ồng bộ, giá trị của sức từ r ộng thứ cấp bằng không và không sinh ra momen; do vậy, , ộng cơ cảm ứng không thể chạy ở tốc độ ồng bộ. s ms n nn S w ww - = - = 1 1 s r r Sff == p w 2 1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 35 n Đặc tính cơ: Vùng hãm Vùng độngcơ Vùng máy phát Tốc độ trượt Momen Dạng đường cong momen – tốc độ cơ bản (hay đặc tính momen – độ trượt) 1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 36 n Máy điện một chiều: n Nguyên lý hoạt động n Các loại máy điện một chiều: Biến trở kích thích Biến trở kích thích Nguồn DC Kích thích song song Biến trở kích thích Kích thích song song Kích thích nối tiếp Kích thích nối tiếpPhần ứng Phần ứng Phần ứng Phần ứng 1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 37 2. MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ n Mô hình mạch của động cơ không đồng bộ 38 n Biểu đồ năng lượng của động cơ không đồng bộ 2. MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ C ô n g s u ấ t t r u y ề n q u a k h e h ở k h ô n g k h í = c ô n g s u ấ t đ ầ 39 n Đặc tính cơ 2' 2 '' 1 2' 2 '' 1 1' 2 )()]/([ l a XXSRR V I +++ = 2' 2 '' 1 2' 2 '' 1 ' 2 2 11 )()]/([ )/(1 l a s XXSRR SRVm T +++ = w 2'' 2 '' 1 2'' 1 ' 2 max )()( l T XXR R S ++ = 2' 2 '' 1 2'' 1 '' 1 2 11 max )()( 5.01 l a s XXRR Vm T +++ = w 2. MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 40 n Phương pháp khởi động động cơ không đồng bộ 2' 2 '' 1 2' 2 '' 1 1' 2 )()]/([ l a XXSRR V I +++ = n Khi khởi động động cơ không đồng bộ, s = 1 nên dòng điện rất lớn. Có thể hạn chế dòng khởi động theo các phương pháp sau: n Giảm điện áp khởi động bằng cách khởi động sao – tam giác, khởi động qua biến áp tự ngẫu, khởi động qua tổng trở stato. n Với động cơ roto dây quấn với điện trở ngoài được mắc thêm vào mạch roto. Điện trở ngoài được cắt dần khỏi roto khi máy điện tăng tốc đến giá trị yêu cầu. 2. MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 41 BÀI TẬP n 10.2.1 – 10.2.10 n 10.3.2 42 BÀI TẬP 1. Một nhà máy công nghiệp 1 pha gồm 2 tải mắc song song P1=48kW, PF1=0,6 trễ pha; P2=24kW, PF2=0,96 sớm pha. Tải được cấp điện từ nguồn 500V, 60Hz. Để tăng hệ số công suất lên bằng 1, mắc thêm tụ C. Tính giá trị C và dòng điện tổng lấy từ nguồn. 43 BÀI TẬP 2. Một tải 3 pha công suất 120kW, 60Hz, PF=0,85 trễ pha được nối vào thanh góp 440V. Để nâng hệ số công suất lên 0,95 ta mắc thêm một tụ điện ba pha hình Y. Tính điện dung mỗi pha của tụ điện. 44 BÀI TẬP n 11.2.1; 11.2.3; 11.2.4 n 11.3.1; 11.3.2; 11.3.3; 11.3.4; 11.3.5; 11.3.6 n 11.4.1 – 11.4.4; 11.4.6 – 11.4.17 n 11.5.1; 11.5.2; 11.5.4 – 11.5.7 n 11.6.3 – 11.6.6 45 BÀI TẬP 1. MBA 1 pha 10kVA, 4800:240V, 60Hz có trở kháng nối tiếp tương đương quy đổi về phía (sơ cấp) điện áp cao là 120 + j300 Ω. Bỏ qua dòng từ hóa của máy biến áp. a) Tìm tổng trở tương đương nối tiếp quy đổi về phía (thứ cấp) điện áp thấp. b) Tính điện áp các đầu cực của phía sơ cấp nếu phía thứ cấp có dòng định mức ở 230 V và hệ số công suất là 1. 46 BÀI TẬP 1. MBA 1 pha 100 kVA, 2300:230 V, 60 Hz có các thông số như sau: R1 = 0,30 Ω, R2 = 0,003 Ω, RC1 = 4,5 kΩ, X1 = 0,65 Ω, X2 = 0,0065 Ω, Xm1 = 1,0 kΩ, trong đó kí hiệu 1 và 2 tương ứng với phía cao áp và hạ áp. Lập sơ đồ tương đương hình T của máy biến áp và tính dòng điện, điện áp, công suất đầu vào và hệ số công suất khi máy biến áp làm việc với tải 75 kW ở điện áp 230 V và hệ số công suất 0,85 trễ pha. 47 BÀI TẬP 2. MBA 300 kVA có tổn hao lõi sắt là 1,5kW và tổn hao đồng khi đầy tải là 4,5 kW. a) Tính hiệu suất cho MBA với tải 240kW ở hệ số công suất 0,8. b) Tính tỉ lệ của tải để đạt hiệu suất lớn nhất và tính các hiệu suất đó ứng với hệ số công suất 0,8. 48 BÀI TẬP n 12.1.4 – 12.1.8 n 12.2.1; 12.2.5; 12.2.6 n 12.3.3 49 BÀI TẬP 1. MFĐ đồng bộ nối Y,60Hz, 2 cực, cuộn stator có Na =12. mỗi vòng dây có từ thông bằng 0,8Wb a) Tính rms của điện áp sinh ra ở mỗi pha b) Giá trị rms của điện áp dây 50 BÀI TẬP 2. MF đồng bộ 3 pha, hai cực, mỗi pha có cuộn dây 15 vòng. Dòng điện các pha: ia =100cos377t, ib =100cos(377t-1200), Ic =100cos(377t-2400). Tính a) Giá trị đỉnh của thành phần stđ cơ bản trong mỗi cuộn dây b) Stđ tổng 51 BÀI TẬP 3. Phần ứng của máy điện 1 chiều 4 cực có dây quấn vành góp xếp đơn (số nhánh song song bằng số cực) với 2 cuộn dây, mỗi cuộn 120 vòng. Từ thông mỗi cực là 0,02Wb. Tính điện áp một chiều đầu ra chổi than nếu máy chạy ở tốc độ 1800v/ph 52 BÀI TẬP n 13.1.1 - 13.1.3; 13.5; 13.1.6; 13.1.8 – 13.1.10 n 13.2.1; 13.2.2; 13.2.8; 13.2.10 53 BÀI TẬP 1. ĐC KĐB 3 pha, 60Hz chạy ở tốc độ 1800v/ph khi không tải và 1719v/ph khi đầy tải. a) Máy điện bao nhiêu cực b) Độ trượt khi đầy tải c) Tần số của điện áp rotor khi đầy tải