Chuong 1 Và 2.Pdf

1

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4
BMTBBĐ_CSKTD_nxcuong_V5

Sản xuất,Truyền tải và Phân Phối Điện Năng

2

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Page 1


Sản xuất, Truyền tải và Phân Phối Điện Năng
220-500
220, 500
kVkV

35-110
35, 110
kVkV
380 V
400V

6-22
6, 15,
kV 22 kV

400 V
380 V

400V

6-22
6, 15,
kV 22 kV

380/ 220V

380 V
3

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Hệ Thống Biến Đổi Điện Năng  Cơ Năng

Chuyển động quay:

động cơ điện

4

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Page 2


Hệ Thống Biến Đổi Cơ Năng  Điện Năng

máy phát điện

5

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

2.1 Công suất mạch 1 pha
2.2 Công suất mạch 3 pha
2.3 Phát nóng và làm mát

6

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4
BMTBBĐ_CSKTD_nxcuong_V5

Page 3


2.1 Công suất mạch 1 pha
2.2 Công suất mạch 3 pha
2.3 Phát nóng và làm mát

7

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4
BMTBBĐ_CSKTD_nxcuong_V5

Mạng 2 cực

Cực 1

v

tải R-L-C

i

cửa

• Những thiết bị trao đổi năng lượng/tín hiệu
qua một cặp cực gọi là mạng một cửa hay
mạng 2 cực (two-terminal network).

biến trạng
thái dịng
và áp (i, v)

Cực 2

• Phương trình trạng thái là phương trình mơ tả hành vi,
phản ứng của mạng 2 cực thơng qua các biến trạng thái.
Ví dụ: Biến trạng thái dòng và áp (i, v) trên 2 cực
của một mạng 2 cực là tải R-L-C.
8

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Page 4


Mạng 2 cực

Năng lượng điện thường sử dụng trong
công nghiệp và dân dụng là từ nguồn
điện áp dạng sin, tần số 50Hz
 xét điện áp và dòng điện hàm điều hòa

v ( t ) = Vm cos (ωt + θ v ) = 2Vrms cos (ωt + θ v )
i ( t ) = I m cos (ωt + θi ) = 2 I rms cos (ωt + θi )
θv, θi là các giá trị góc pha ban đầu
Vrms =

Vm
I
, I rms = m
2
2

là các giá trị hiệu dụng
9

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Véc tơ pha
Biểu diễn hàm điều hòa bằng véc tơ pha

V = Vrms ∠θ v

I = I rms ∠θ i

suất véc tơ/độ lớn
(trị hiệu dụng)

V

đối số/góc pha

I

+

+

I

θv

V

θi

θi

Dịng điện chậm pha
Tải cảm
Hệ số cơng suất trễ

θv

Dịng điện sớm pha
Tải dung
Hệ số cơng suất sớm

10

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Page 5


Công suất
Nếu chọn gốc thời gian: t=0, I=Im

i ( t ) = I m cos (ωt ) , v ( t ) = Vm cos (ωt + θ v − θi )
Công suất tức thời của mạng 2 cửa:
p ( t ) = v ( t ) i ( t ) = Vm I m cos (ωt + θ v − θi ) cos (ωt )
p (t ) =

p(t ) =

Vm I m
V I
cos (θ v − θi ) + m m cos ( 2ωt + θ v − θi )
2
2

Vm I m
cos (θ v − θi )
2
V I
+ m m cos ( 2ωt ) cos (θ v − θi )
2
Vm I m

−
sin ( 2ωt ) sin (θ v − θi )
2
11

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Công suất
p (t ) =

Vm I m
V I
V I
cos (θ v − θi ) + m m cos ( 2ωt ) cos (θ v − θi ) − m m sin ( 2ωt ) sin (θ v − θ i )
2
2
2

Power with Sinusoids
voltage [Volts]

current [Amps]

power [Watts]

8
6
4
2
0

-2
-4
-6

time
12

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Page 6


Cơng suất tác dụng
• Giá trị trung bình của p(t) gọi là cơng suất trung bình
hay cơng suất tác dụng hoặc công suất thực hoặc công
suất hữu công P:

P=

1 T
p (t )dt
T 0

Vm I m
cos (θ v − θi ) = Vrms I rms cos (θ v − θi ) = Vrms I rms cos θ
2
P = VI cos θ
P=

T=2π/ω: chu kỳ

13

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Công suất tác dụng

P = VI cos θ

II I

V

θv

+

θ

I

θi

 Các thuật ngữ
III IV
• Vrms và Irms hay V và I là các giá trị hiệu dụng (root mean
square) của điện áp và dịng điện.
• θ= θv − θi: góc hệ số cơng suất (góc lệch pha u, i)
• cos(θ): hệ số công suất (power factor, pf).
Quy ước hệ số cơng suất chỉ được xác định khi góc hệ số cơng

suất: IθI<90o (phụ thuộc vào việc chọn chiều dịng và áp, ie khảo
sát ở góc I và IV của hệ trục tọa độ.)

14

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Page 7


Ví dụ
Ví dụ 2.1: viết dạng véc tơ pha của v(t) và i(t), và
tính giá trị cơng suất trung bình P

v ( t ) = 2.10 cos (ωt + 300 )

i ( t ) = 2.5 cos (ωt − 200 )
V = 10∠300



I = 5∠ − 200



P = V .I .cos(θ v − θi ) = (10 )( 5 ) cos(30 − ( −20 )) = 32,14 W >0
 Mạng hai cực tiêu thụ cơng suất trung bình 32,14 W
15

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Ví dụ
+

V

 Ví dụ 2.2: tính giá trị cơng suất trung bình P với:

v ( t ) = 2.10 cos (ωt + 300 )

i ( t ) = 2.5 cos (ωt − 90

0

)

θv

θ

θ

i

I

P = (10 )( 5 ) cos (1200 ) = −25 W < 0

 Mạng hai cực phát ra cơng suất trung bình 25W
Góc hệ số cơng suất của mạch:

Hệ số công suất của mạch:
16

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Page 8


Công suất phản kháng
Viết lại công suất tức thời của mạng 2 cửa:

p (t ) = v(t )i (t ) = P + P cos(2ωt ) − VI sin(θ ) sin(2ωt )
• Ta đã có định nghĩa cơng suất tác dụng

P = VI cos θ
• Định nghĩa cơng suất phản kháng, hoặc công suất
ảo, hoặc công suất vô công

Q = VI sin θ

17

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Cơng suất phức
• Biểu diễn dạng phức các đại lượng điện :

V = Ve jθv

I = Ie jθi

P = Re (V ⋅ I * ) = VI cos θ
Q = Im (V ⋅ I

*

) = VI sin θ

θ = θ v − θi

• Định nghĩa cơng suất phức

S = (V ⋅ I * ) = P + jQ
18

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Page 9


Tổng kết công suất
tên gọi

ký hiệu và công thức

đơn vị đo

 S = S = P + jQ = VI

công suất biểu kiến

Volt-Amperes (VA)

 P = VI cos θ

công suất tác dụng

Watts (W)

 Q = VI sin θ

công suất phản kháng Volt-Ampere
phản kháng (VAr)

19

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Nếu mạng 2 cực N là tổng trở Z:

Z = R + jX

Z=R+jX

Tính cơng suất

theo định luật Ohm, ta có

V = ZI

*

*

S = V I = Z I I = I 2 Z = I 2 ( R + jX ) = P + jQ
Vậy,

P = I 2R

Q = I2X
20

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Page 10


Mạch thuần trở
Xét mạch thuần trở
tổng trở Z = R, góc θ=0

V (ω ) = V ∠0 I (ω ) = I
V (ω ) V
= ∠0 = R
Z=
I (ω ) I
• Cơng suất tác dụng P=VI=I2R=V2/R
• Cơng suất phản kháng Q=0
• Cơng suất biểu kiến S=P
 Dùng điện năng kế hay đồng hồ Watt-giờ

 đo được năng lượng điện sử dụng=công suất tác dụng * giờ
21

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Mạch cảm kháng
Xét mạch cảm kháng,
tổng trở Z =jωL, góc θ=90o
V (ω ) = V ∠90°
Z=

I (ω ) = I

V (ω ) V
= ∠90°
I (ω ) I

+

V

• Cơng suất tác dụng P=0
• Cơng suất phản kháng Q=VI=I2 ωL
• Cơng suất biểu kiến S=Q

θv

θi
I

θ = θ v − θi = 900

 Cuộn cảm L không tiêu thụ cơng suất tác dụng, vì năng lượng
được tích trữ trong từ trường, và sau đó được trả về mạch trở lại.
Q>0, ie dấu “+”  quy ước cuộn L “nhận” công suất phản kháng.
22

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Page 11


Mạch dung kháng
Xét mạch dung kháng
tổng trở Z= -j/(ωC, góc θ=-90o
V (ω ) = V ∠ − 90°
Z=

I (ω ) = I

V (ω ) V
= ∠ − 90°
I (ω ) I

+

V

θi

• Cơng suất tác dụng P=0
• Cơng suất phản kháng Q=-VI=-I2/(ωC)
• Cơng suất biểu kiến S=Q

θv

I

θ = θ v − θi = −900

 Tụ điện C không tiêu thụ công suất tác dụng, vì năng lượng
được tích trữ trong điện trường, và sau đó được trả về mạch trở lại.
Q<0, ie dấu “-”  quy ước tụ C “phát” công suất phản kháng.
23

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Ý nghĩa công suất tác dụng và phản kháng
• Cơng suất tác dụng là cơng suất (tiêu thụ) của thành phần
điện trở R

Công suât tác dung = P = VI cos(θ )

• Cơng suất phản kháng: cơng suất do cuộn cảm (/tụ điện)
nhận (/trả) trong ¼ chu kỳ, sau đó trả (/nhận) lại vào (/từ) mạch
điện ở ¼ chu kỳ kế tiếp khi dịng hoặc áp đổi chiều.

cơng suât phan kháng = Q = VI sin(θ )

góc θ=90o

Q=VI=I2 ωL
 Quy ước cuộn dây “hấp
thu” cơng suất phản kháng

góc θ=-90o
Q=-VI=-I2/(ωC)
 Quy ước tụ điện “phát ra”
công suất phản kháng
24

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Page 12


Một số thuật ngữ khác liên quan đến cơng suất
• Góc hệ số cơng suất ≡θ (có thể ký hiệu là góc φ)
quy ước góc hệ số cơng suất: IθI<90o,
θ= θv− θi

V

θv

θ

I

+

θi

• Hệ số cơng suất (power factor, pf)≡cosθ (có thể gọi là cosφ)
- Hệ số công suất trễ ứng với tải cảm khi θ>0, dòng điện
chậm pha so với điện áp
θ>0 sin θ>0  Q>0, ie công
suất phản kháng bị hấp thu (nhận)
- Hệ số công suất sớm khi tải dung khi
θ<0, dòng điện sớm pha so với điện áp
θ<0 sin θ<0  Q<0, ie công suất
phản kháng được phát ra (trả)
25

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Ví dụ
 Ví dụ 2.4: Xác định cơng suất phức của đại lượng
điện có v(t) và i(t) đi qua:

v ( t ) = 2.10 cos (ωt + 100 )
i ( t ) = 2.20sin (ωt + 700 )
 V = 10∠100
i ( t ) = 2.20 cos (ωt + 700 − 900 )
 I = 20∠ − 200
Công suất phức:

S = (VI * ) = (10∠100 )( 20∠200 ) = 200∠300 = 173, 2 + j100 VA

P = 173, 2 W

Q = 100 VAR
26

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Page 13


Tam giác tổng trở phức

Z = R + jX

Tam giác tổng trở phức

Điện kháng

Điện trở
Chú ý:  = V - I

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

27

Tam giác công suất phức
Tam giác công suất phức

*

S = V I = P + jQ

S = VI
|S| = biểu kiến

Q = VI sin θ

đơn vị: Volt-Amps

Q = phản kháng
đơn vị: VArs

P = VI cos θ
P = tác dụng
Đơn vị: Watts
θ= θV - θI

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Page 14

28


Ví dụ
 Ví dụ 2.7: Vẽ tam giác cơng suất
S = VI * = (100∠100 )(10∠ − 26.80 ) = 1000∠36.80 = 800 + j 600 VA
*

Với

P = 800 W

Q = 600 VAR

S = 1000 VA

Vì Q > 0, dịng chậm pha

Q = 600
VAR
36.80

hơn áp nên tải có tính cảm.

P = 800 W

 Giải các BT 2.8, 2.9 và 2.10: xem [1]
29

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Sự Bảo Tồn Cơng Suất
• Với mạch nối tiếp

S = V ⋅ I * = (V1 + V2 + ... + Vn )I * = S1 + S 2 + ... + S n
• Với mạch song song

S = V ⋅ I * = V (I1 + I 2 + ... + I n ) = S1 + S 2 + ... + S n
*

• Như vậy cơng suất phức tổng sẽ bằng tổng các công suất

phức thành phần, với 2 thành phần P tổng và Q tổng được
xác định bởi:

P = P1 + P2 + ... + Pn

Q = Q1 + Q2 + ... + Qn
30

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Page 15


Mơ tả cơng suất của tải
•V
•I

Có 6 đại lượng điện liên

• cosθ

quan đến tải:

•S
•P
•Q

thơng qua ba quan hệ:

S = VI = P 2 + Q 2

P = VI cos θ
Q = VI sin θ
31

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

2.1 Công suất mạch 1 pha
2.2 Công suất mạch 3 pha
2.3 Phát nóng và làm mát

32

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4
BMTBBĐ_CSKTD_nxcuong_V5

Page 16


Hệ Thống Ba Pha
• Khái niệm về hệ thống ba pha
- Hệ thống ba pha gồm nguồn ba pha và tải ba pha.
- Nguồn ba pha gồm 3 nguồn sức điện động một pha ghép lại.
- Tải ba pha gồm 3 tải một pha ghép lại.
• Mơ hình nối nguồn ba pha với tải
ba nguồn
một pha

Cho ba nguồn một pha và ba tải
một pha riêng biệt.

a’

a

Nối sao (Y) hoặc tam giác (∆)
3 nguồn một pha.

b’

b

Nối sao (Y) hoặc tam giác (∆)
3 tải một pha.

c’

c

ba tải
một pha

33

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Nối Sao và Nối Tam Giác
• Nối sao/sao Y/Y
a’

a

b’

b

c’

c

a

n: điểm
trung tính
nguồn

• Nối tam giác/tam giác ∆/∆
a’

a

b’

b

c’

c

b

a’≡b’ ≡c’≡n

c

c

N: điểm
trung tính tải

c’ a

b’

b

a’

34

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Page 17


Sơ Đồ Thực Tế Hệ Thống Ba Pha
Trong thực tế, hệ thống ba pha
Tổng trở
Y-Y cân bằng bao gồm:
nguồn
• nguồn điện ↔ tổng trở nguồn Zs

• đường dây ↔ tổng trở đường dây Zᶩ
• tải ↔ tổng trở tải ZL

Tổng trở đường dây

Tổng
trở tải

a

 Giải gần đúng: xem nguồn điện là
lý tưởng  bỏ qua tổng trở nguồn
và đường dây.

b
c

35

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Điện áp pha và véc tơ pha nguồn điện đấu sao
Điện áp pha tức thời của pha a, b và c
bằng với nguồn sức điện động của pha tương ứng.

van = eA

vbn = eB

vcn = eC

a
+
−
n

eA van

ia

in

c
b

ib
ic

điện áp pha Ξ điện áp giữa dây pha và dây trung tính (đấu Y)
36

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Page 18


Điện áp pha và véc tơ pha nguồn điện đấu sao
a
+
−

n

 Nếu nguồn điện ba pha cân bằng

van = Vm cos (ωt )

vcn = Vm cos (ωt + 120

ia
in

c

vbn = Vm cos (ωt − 1200 )
0

van

b

ib

VΦ

ic

)

V cn

Van = Vφ ∠0 0

V an = Vφ ∠ 0 0

Vbn = Vφ ∠ − 120 0
Vcn = Vφ ∠120 0

V bn

Với VΦ (hoặc ký hiệu Vp) là điện áp pha Ξ điện áp giữa dây pha và dây trung tính (đấu Y)
37

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Thứ Tự Pha
a

b

Van = Vφ ∠0 0

c

Vbn = Vφ ∠ − 120 0
Vcn = Vφ ∠120 0

V cn

• Thứ tự pha thuận: a-b-c (theo thứ
tự xuất hiện các giá trị đỉnh trên đồ

thị theo thời gian).

V an
V bn

• Theo thứ tự xuất hiện
các giá trị đỉnh trên đồ thị
theo chiều kim đồng hồ.
38

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Page 19


Thứ Tự Pha
Ví dụ: xác định thứ tự pha của hệ thống sau:

van = 200 cos(ωt + 10°)
vbn = 200 cos(ωt − 230°)
vcn = 200 cos(ωt − 110°)

39

BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Điện Áp Dây và Véc Tơ Dây nguồn điện đấu sao
a
+
−

n

Điện áp dây= Điện áp giữa các dây pha
Ví dụ tính điện áp dây giữa pha a và pha b

Vab = Van − Vbn = 2Vφ cos ( 300 ) = 3Vφ

van

ia
in

vab

c

b

ib
ic

Tương tự

Vab = Van − Vbn = 3Vφ ∠300

Vbc = Vbn − Vcn = 3Vφ ∠ − 90

V cn
0

V ab

V ca

Vca = Vcn − Van = 3Vφ ∠1500

V an = Vφ

V bn

V bc
BMTBD-BĐNLĐC-nxcuong-V4

Page 20

40