›
›

Giáo trình Kĩ thuật điện - Phần 3: Hệ thống năng lượng

pdf 53 trang huongle 4420
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Kĩ thuật điện - Phần 3: Hệ thống năng lượng", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_ki_thuat_dien_phan_3_he_thong_nang_luong.pdf

Nội dung text: Giáo trình Kĩ thuật điện - Phần 3: Hệ thống năng lượng

  1. KỸ THUẬT ĐIỆN PHẦN 3 HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG 1
  2. HỆ 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 2
  3. CHƯƠNG 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 3
  4. 1.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 cơng 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 4
  5. 1.GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN XOAY CHIỀU n 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 giĩ, thủy triều n Các cấp điện áp và tần số n Ngày nay cĩ 2 tần số chuẩn cho việc sản xuất : + 50Hz ( ở Châu Âu, Liên Xơ 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 5
  6. 2. HỆ THỐNG ĐIỆN 1 PHA VÀ 3 PHA n Ưu điểm của hệ thống 3 pha: n Cơng suất tức thời của mạch điện một pha dao động gây nhiễu khơng mong muốn trong máy điện một pha p( t )= Vrms I rms cos j + V rms I rms cos (2ωt + j ) n Mạch ba pha đối xứng thì cơng suất tức thời là khơng đổi, khơng đập mạch và cĩ thể bỏ qua tác động xấu của đập mạch tới các thiết bị nguồn và tải P = √3 ILVLcosФ n Cơng suất truyền tải 3 pha lớn hơn 1 pha n Chi phí đầu tư thấp hơn 1 pha 6
  7. 2. HỆ THỐNG ĐIỆN 1 PHA VÀ 3 PHA n Cơng suất: ~ 2 n Cơng suất phức: S = P + jQ = V I* = I I* Z = I ZÐqZ = V IÐqV -qI n Hệ số cơng suất: PF = P / S = cosq hệ số cơng suất trễ pha, sớm pha. ~ n Cơng suất 3 pha: S3f = P3f + jQ3f n Năng lượng: E = PT n Phụ tải cơng nghiệp: PF trễ và vấn đề cải thiện PF 7
  8. 3. HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI VÀ PHÂN PHỐI ĐIỆN NĂNG Đến các thành viên khác Máy biến áp Thanh cái Tiêu thụ Tiêu thụ Tiêu thụ Tiêu thụ Đến các thành viên khác Hệ thống Hệ thống Hệ thống Phân phối Phân phối phát truyền tải truyền tải khu vựcsơ cấp thứ cấp Cấu trúc của một hệ thống điện điển hình 8
  9. 3. HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI VÀ PHÂN PHỐI ĐIỆN NĂNG “Dây nĩng” Thiết bị Chiếu sáng (Nối đất) Mạch phân phối Dây đất Thiết bị (Thứ cấp) Thiết bị Chiếu sáng (Sơ cấp) Máy biến áp phân phối “Dây nĩng” Nhà ở Các nhà ở khác Mạch điện dân sinh một pha, ba dây. 9
  10. 3. HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI VÀ PHÂN PHỐI ĐIỆN NĂNG Máy phát n Phụ tải điện: Máy biến áp Chỉ số của Thanh cái thanh cái (nút) Máy cắt Đến thanh Dây truyền tải cái số 6 Tải Chỉ số của dây Dây nối với hệ thống bên cạnh Đến thanh cái số 7 ồ ộ ộ ầ ủ ệ ố ể Sơ đ m t dây m t ph n c a h th ng ba pha đi n hình. 10
  11. 3. HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI VÀ PHÂN PHỐI ĐIỆN NĂNG Mơ hình đơn giản của một hệ thống điện. Tải Trở kháng đường dây Thanh cái nguồn Thanh cái tải (phát cuối) (nhận cuối) 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 VRNL -VRFL n Điều chỉnh điện áp: %TLVR = ´100 VRFL 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 11
  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 12
  13. 1. VẬT LIỆU TỪ n Vật liệu từ n Mật độ từ thơng B và cường độ từ trường H cĩ mối liên hệ B = µH Đặc tính từ hĩa điển hình được chia làm ba vùng Vùng III( phi tuyến) Bão hịa Điểm làm việc phổ biến Vùng I (gần tuyến tính) Vùng I 13
  14. 1. VẬT LIỆU TỪ Tổn hao lõi sắt: 1.5¸2 Phsecond = khVfBm n Tổn hao từ trễ 2 2 2 n Tổn hao dịng xốy Pe = keVf t Bm 14
  15. 2. MẠCH TỪ n Mạch từ tạo ra đường dẫn cho từ thơng, cũng giống như mạch điện tạo ra đường dẫn cho dịng điện. Mạch từ đơn giản. Từ thơng ф Lõi sắt (a) stđ và từ thơng. Dịng điện I (b) Từ thơng tản và từ thơng diềm stđ Cuộn dây N vịng từ thơng lõi sắt Từ thơng diềm từ thơng tản Khe hở khơng khí 15
  16. 2. MẠCH TỪ n Sức từ động: Hdl ị = N.I =HC lC n Từ thơng: stđÁÁ j= =  l/m A n Sự khác nhau giữa mạch từ và mạch điện: n Từ trở khơng tiêu tốn năng lượng n Từ thơng cĩ các đường từ thơng tản và từ thơng diềm n Khơng cĩ vật liệu cách từ 16
  17. 3. MẠCH ĐIỆN TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA MÁY BIẾN ÁP Máy biến áp lý tưởng Đường dẫn trung bình của từ Lõi sắt từ thơng Thứ cấp (N2 vịng) Tải Sơ cấp (N1 vịng) Từ thơng hỗ cảm ф Sơ đồ máy biến áp hai cuộn dây e N df df 1 = 1 e1 = N1 e2 = N 2 dt dt e2 N 2 v e N V E N i v N 1 I V N 1 1 = 1 = 1 = a 1 = 1 = 1 = a 1 = 2 = 2 = 1 = 2 = 2 = v2 e2 N2 V2 E2 N2 i2 v1 N1 a I2 V1 N1 a 17
  18. 3. MẠCH ĐIỆN TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA MÁY BIẾN ÁP Máy biến áp thực • Tổn hao lõi sắt • Tổn hao đồng Các mạch điện tương đương của máy biến áp. (a) Qui đổi về phía sơ cấp. (b) Qui đổi về phía thứ cấp. 18
  19. 4. ĐẶC TÍNH CỦA MÁY BIẾN ÁP V2NL -V2FL n % điện áp biến đổi = ´100 V2FL n Hiệu suất: công suất tác dụng đầu ra h = x100% công suất tác dụng đầu vào công suất tác dụng đầu ra = x100% công suất tác dụng đầu ra+ tổn hao lõi + tổn hao đồng() I2 R n Cơng suất hở mạch Poc=PFe, n cơng suất ngắn mạch Psc =Pcu 19
  20. 5. MÁY BIẾN ÁP BA PHA n Cách đấu nối: Y – ∆, ∆ – Y, ∆ – ∆ và Y – Y 20
  21. 6. MÁY BIẾN ÁP TỰ NGẪU n Tỷ số biến áp: Máy biến áp tự ngẫu giảm áp V I N một pha 1 = 2 = 1 = a V2 I1 N2 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 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 (khơng cĩ cách điện) giữa phía cao áp và hạ áp. 21
  22. CHƯƠNG 12. ĐiỆN CƠ 1. Các nguyên lý cơ bản 2. Sức điện động 3. Từ trường quay 22
  23. 1. CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN Động cơ Năng lượng cơ Năng lượng điện Máy phát n Máy điện gồm 3 bộ phận cơ bản: 1. Hệ thống điện 2. Hệ thống cơ 3. Từ trường hỗ cảm 1 n Mật độ năng lượng điện: e E 2 2 0 2 n Mật độ năng lượng từ: 1 B 2 m0 23
  24. 1. CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN n Định luật cảm ứng điện – từ: n Tải (tích lũy hay động cơ): dl df e = + = +N dt dt n Máy phát: dl df e = - = -N dt dt 24
  25. 1. CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN n Tương tác lực: Dây dẫn mang dịng điện đặt trong từ trường sẽ chịu tác dụng của lực từ. n Phương trình lực Lorentz: F = BlI Nguyên lí tương tác Mơmen sinh ra bởi lực do sự tương tác giữa dây dẫn mang dịng điện và từ trường 25
  26. 1. CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN n Nguyên lý điều chỉnh: n Lực cơ luơn cĩ hướng sao cho từ trở là nhỏ nhất và các đường từ thơng là ngắn nhất. Các tấm sắt từ Nguyên lí điều chỉnh Các đường từ thơng 26
  27. 2. SỨC ĐIỆN ĐỘNG n Máy điện xoay chiều: n B = Bm cosβ n Từ thơng mĩc vịng ở cuộn dây stator: e = ωNf sinωt n Tần số của điện áp P n f = . Hz 2 60 P n Tốc độ gĩc: w = w m 2 2p n Giá trị hiệu dụng: Erms = fNf = 4.44 fNf 2 n Thực tế: Erms = 4.44kw f Nphf V/pha 27
  28. 2. SỨC ĐIỆN ĐỘNG n Máy điện một chiều: Mạch từ Trục đứng, trục của stđ rotor Trục ngang, trục của stđ hay từ trường stator Cuộn dây kích Cuộn Phần từ dây kích ứng Phần từ ứng Các chổi trên vành gĩp (khơng biểu diễn) fPn n Một dây dẫn: e = 60 PfnZ PZ n Z dây dẫn và α nhánh song song:E = Ea = fw m = K afw m a 60a 2pa n Cơng suất: Teωm = EaIa 28
  29. 2. SỨC ĐIỆN ĐỘNG Trục của pha b n ia = I cos ωst; o n ib = I cos (ωst -120 ); o n ic = I cos (ωst -240 ); Trục của pha a n Fa = Fm cos ωst; º n Fb = Fm cos (ωst -120 ) o n Fc = Fm cos (ωst -240 ) Sự bố trí cuộn dây ba pha, hai cực trên Trục của pha a stato. o o n F(θ) = Fa cos θ + Fb cos (θ -120 ) + Fb cos (θ -240 ) o n F(θ,t) = Fm cos θ cos ωst + Fm cos (θ -120 ) cos (ωst - o o o 120 ) + Fm cos (θ -240 ) cos (ωst -240 ) n Sức từ độngÁ :F(θ,t) = (3/2)F cos (θ -ω t) m s 29
  30. 3. TỪ TRƯỜNG QUAY n Từ trường quay trong dây quấn một pha Dây quấn một pha mang dịng điện xoay chiều tạo ra từ thơng đập mạch đứng yên hoặc các từ thơng quay tương đương. 30
  31. CHƯƠNG 13. MÁY ĐIỆN QUAY 1. Các khái niệm cơ bản của máy điện quay 2. Máy điện khơng đồng bộ 31
  32. 1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN n Các chế độ: n Chế độ động cơ: Điện áp đầu vào v sinh ra dịng )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 dịng điện ngồi 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 ngồi T, trong khi đĩ momen i ện từ Te aiện từ ngược chiều với T 32
  33. 1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN n Máy điện đồng bộ: n Nguyên lý hoạt động n Tốc độ đồng bộ: 2pf w = w = m s P / 2 33
  34. 1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN n Máy điện khơng đồng bộ: n Nguyên lý hoạt động n Tốc độ rotor: ωm = ωs - ωr n - n w - w n Độ trượt tương đối: S = 1 = s m n1 ws wr n Tần số: f r = = Sf s 2p n Ở tốc độ ồng bộ , ωm = ωs, hệ số trượt S = 0 và fr = 0; khơng cĩ hiện tượng cảm ứng xảy ra vì khơng cĩ sự chuyển động tương đối giữa từ thơng và các thanh dẫn roto. Vì vậy, ở tốc độ ồng bộ, giá trị của sức từ r ộng thứ cấp bằng khơng và khơng sinh ra momen; do vậy, , ộng cơ cảm ứng khơng thể chạy ở tốc độ ồng bộ. 34
  35. 1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN n Đặc tính cơ: Momen Dạng đường cong momen – tốc độ cơ bản (hay đặc tính momen – độ trượt) Tốc độ trượt Vùng động Vùng hãm cơ Vùng máy phát 35
  36. 1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN n Máy điện một chiều: n Nguyên lý hoạt động n Các loại máy điện một chiều: Phần Biến trở kích thích Phần Biến trở ứng ứng kích thích Kích thích song song Nguồn DC Biến trở kích thích Phần Kích thích nối tiếp ứng Phần Kích thích nối tiếp Kích thích song song ứng 36
  37. 2. MÁY ĐIỆN KHƠNG ĐỒNG BỘ n Mơ hình mạch của động cơ khơng đồng bộ 37
  38. C ơ n g s u ấ t t r 2. MÁY ĐIỆN KHƠNG ĐỒNG BỘ u y ề n n Biểu đồ năng lượng của động cơ khơng đồng bộ q u a k h e h ở k h ơ n g k h í = c ơ n g s u ấ t 38 đ ầ
  39. 2. MÁY ĐIỆN KHƠNG ĐỒNG BỘ n Đặc tính cơ ' V1a I 2 = '' ' 2 '' ' 2 [R1 + (R2 / S)] + (X1 + X l2 ) 1 m V 2 (R ' / S) T = 1 1a 2 '' ' 2 '' ' 2 ws [R1 + (R2 / S)] + (X 1 + X l2 ) ' R2 SmaxT = '' 2 '' '' 2 (R1 ) + (X1 + X l 2 ) 2 1 0.5m1V1a Tmax = w '' '' 2 '' ' 2 s R1 + (R1 ) + (X 1 + X l2 ) 39
  40. 2. MÁY ĐIỆN KHƠNG ĐỒNG BỘ n Phương pháp khởi động động cơ khơng đồng bộ ' V1a I 2 = '' ' 2 '' ' 2 [R1 + (R2 / S)] + (X1 + X l2 ) n Khi khởi động động cơ khơng đồng bộ, s = 1 nên dịng điện rất lớn. Cĩ thể hạn chế dịng 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 ngồi được mắc thêm vào mạch roto. Điện trở ngồi được cắt dần khỏi roto khi máy điện tăng tốc đến giá trị yêu cầu. 40
  41. BÀI TẬP n 10.2.1 – 10.2.10 n 10.3.2 41
  42. BÀI TẬP 1. Một nhà máy cơng 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 cơng suất lên bằng 1, mắc thêm tụ C. Tính giá trị C và dịng điện tổng lấy từ nguồn. 42
  43. BÀI TẬP 2. Một tải 3 pha cơng suất 120kW, 60Hz, PF=0,85 trễ pha được nối vào thanh gĩp 440V. Để nâng hệ số cơng suất lên 0,95 ta mắc thêm một tụ điện ba pha hình Y. Tính điện dung mỗi pha của tụ điện. 43
  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 44
  45. BÀI TẬP 1. MBA 1 pha 10kVA, 4800:240V, 60Hz cĩ trở kháng nối tiếp tương đương quy đổi về phía (sơ cấp) điện áp cao là 120 + j300 Ω. Bỏ qua dịng từ hĩa 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 cĩ dịng định mức ở 230 V và hệ số cơng suất là 1. 45
  46. BÀI TẬP 1. MBA 1 pha 100 kVA, 2300:230 V, 60 Hz cĩ các thơng 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 đĩ 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 dịng điện, điện áp, cơng suất đầu vào và hệ số cơng suất khi máy biến áp làm việc với tải 75 kW ở điện áp 230 V và hệ số cơng suất 0,85 trễ pha. 46
  47. BÀI TẬP 2. MBA 300 kVA cĩ 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 cơng suất 0,8. b) Tính tỉ lệ của tải để đạt hiệu suất lớn nhất và tính các hiệu suất đĩ ứng với hệ số cơng suất 0,8. 47
  48. BÀI TẬP n 12.1.4 – 12.1.8 n 12.2.1; 12.2.5; 12.2.6 n 12.3.3 48
  49. BÀI TẬP 1. MFĐ đồng bộ nối Y,60Hz, 2 cực, cuộn stator cĩ Na =12. mỗi vịng dây cĩ từ thơng bằng 0,8Wb a) Tính rms của điện áp sinh ra ở mỗi pha b) Giá trị rms của điện áp dây 49
  50. BÀI TẬP 2. MF đồng bộ 3 pha, hai cực, mỗi pha cĩ cuộn dây 15 vịng. Dịng điện các pha: ia =100cos377t, ib 0 0 =100cos(377t-120 ), Ic =100cos(377t-240 ). Tính a) Giá trị đỉnh của thành phần stđ cơ bản trong mỗi cuộn dây b) Stđ tổng 50
  51. BÀI TẬP 3. Phần ứng của máy điện 1 chiều 4 cực cĩ dây quấn vành gĩp xếp đơn (số nhánh song song bằng số cực) với 2 cuộn dây, mỗi cuộn 120 vịng. Từ thơng mỗi cực là 0,02Wb. Tính điện áp một chiều đầu ra chổi than nếu máy chạy ở tốc độ 1800v/ph 51
  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 52
  53. BÀI TẬP 1. ĐC KĐB 3 pha, 60Hz chạy ở tốc độ 1800v/ph khi khơng 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 53