Giáo trình môn Kỹ thuật điện

• Kn: Ghép nối giữa nguồn + thiết bị điện phụ tải bằng dâydẫn kín mạch một cách thích hợp sao cho mô tả được truyền đạt năng lượng điện từ + Mô hình mạch: Nguồn, thiết bị điện được mô hì

Nội dung

Phần I: Mạch điện

1 Khái niệm cơ bản về mạch điện

2 Mạch điện xoay chiều hình sin một pha

3 Mạch điện xoay chiều hình sin ba pha

Tài liệu tham khảo

1 Ngô Thị Tuyến (2008) Kỹ thuật điện NXB

Nông nghiệp,

2 Đặng Văn Đào & Lê Văn Doanh Kỹ thuật điện

NXB Khoa học & Kỹ thuật

PHẦN 1 MẠCH ĐIỆN

5

• Kn: Ghép nối giữa nguồn + thiết bị điện (phụ tải) bằng dây

dẫn (kín mạch) một cách thích hợp sao cho mô tả được

truyền đạt năng lượng điện từ

+ Mô hình mạch: Nguồn, thiết bị điện được mô hình hóa bởi

các phần tử (đặc trưng cho quá trình năng lượng)

1 Khái niệm mạch điện

1.1 Các phần tử cơ bản của mạch điện

1) Phần tử nguồn

VD: pin, ắc quy, các máy phát điện,…

- Nguồn áp (nguồn SĐĐ): là phần tử có khả năng cung cấpmột điện áp không phụ thuộc vào tình trạng mạch, đặc

trưng bởi các SĐĐ e(t) [V]

Ký hiệu phần tử nguồn áp

Nếu bỏ qua tổn thất trong nguồn thì u(t) = -e(t)

(Điện áp trên 2 đầu nguồn SĐĐ ngược chiều với SĐĐ ấy)

+

7

- Nguồn dòng: là phần tử có khả năng cung cấp một dòngđiện không phụ thuộc vào tình trạng mạch

Ký hiệu phần tử nguồn dòng

1) Phần tử nguồn (tiếp)

1.1 Các phần tử cơ bản … (tiếp)

2) Phần tử thụ động

+ Đặc trưng cho quá trình tiêu tán NL+ Quan hệ dòng – áp khi R tuyến tính

+ Đơn vị điện trở: Ohm (Ω)

+ Nghịch đảo điện trở là điện dẫn G

Đơn vị điện dẫn: siemen (S)

b Điện cảm L

+ Đặc trưng cho hiện tượng tích phóng năng lượng từ trường

+ Quan hệ dòng – áp khi L tuyến tính

Đơn vị điện cảm: Henry (H)

i

2) Phần tử thụ động (tiếp)

1.1 Các phần tử cơ bản … (tiếp)

c Điện dung C

+ Đặc trưng cho hiện tượng tích phóng năng lượng trong điện trường + Quan hệ dòng-áp với C tuyến tính :

+ Đơn vị điện dung: Fara (F)

• VD mạch điện

• Kết cấu (hình học) của mạch điện:

+ Nhánh: gồm các phần tử mắc nối tiếp với nhau,

có duy nhất một dòng điện chạy qua ( m = 6 )

1.2 Thông số cơ bản

1) Điện áp (hiệu điện thế) giữa hai điểm: là hiệu số điện

thế giữa hai điểm đo [V]

2) Dòng điện: Là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích trong vật dẫn và các phần tử trong mạch [A]

3) Công suất tức thời [W]:

4) NL tiêu thụ (điện năng) trong khoảng thời gian t1 ÷ t2

dq i

dt



13

2( ) [Wh], [kWh]

t

t

W   p t dt

• Định luật Ohm (viết cho nhánh)

Điện áp trên nhánh bằng tổng đại số các điện áp rơi trêncác phần tử của nhánh

VD:

Quy tắc:

- Điện áp trên phần tử thụ động lấy dấu (+)

- Điện áp trên nguồn: cùng chiều dòng, áp nhánh: (-)

1.3 Các định luật cơ bản mô tả mạch điện

• Định luật Kirchhoff 1 (viết cho nút)

Không có tích lũy điện tại một nút → Tổng đại số các

• Định luật Kirchhoff 2 (viết cho vòng kín)

Tổng đại số các điện áp trong một vòng kín bằng 0

Dạng chi tiết của K2

1.3 Các định luật cơ bản … (tiếp)

Định luật Kirchhoff 2 (tiếp)

17

Trong vòng kín, tổng đại số các điện áp rơi

trên các ph.tử thụ động = tổng đại số các SĐĐ

Nếu dùng K2 dạng chi tiết: m pt cho m ẩn dòng

1.3 Các định luật cơ bản … (tiếp)

2 Mạch điện xoay chiều hình sin (một pha)

Đại lượng xoay chiều hình sin: Là tín hiệu xoay chiều biến đổi theo thời gian theo quy luật hình sin

Biểu thức (tức thời):

19

B.độ dao động

Góc pha

- Góc pha ban đầu:

- Tần số góc:

2.1 Đặc trưng:

2.1 Đặc trưng … (tiếp)

Trị hiệu dụng của dòng điện hình sin:

2 0

,

0



Tương tự với SĐĐ và điện áp:

Trị hiệu dụng I của dòng điện i(t) là giá trị dòng điện

không đổi tương đương với i(t) về mặt năng lượng

Biểu diễn đại lượng sin qua trị hiệu dụng

Đ.lượng sin cùng tần số đặc trưng bởi trị hiệu dụng và góc pha đầu

• Xét đại lượng hình sin:

– Phức hiệu dụng:

2.2 Biểu diễn phức … (tiếp)

• VD:

- Đạo hàm đại lượng sin:

- Tích phân đại lượng sin:

• Nhánh điện trở

– Quan hệ dòng-áp:

– Chuyển sang dạng phức:

2.3 Dòng hình sin trong các nhánh cơ bản

Dòng và áp biến thiên điều hòa cùng tần số, trùng pha nhau

23

• Nhánh điện cảm

- Quan hệ dòng-áp:

2.3 Dòng hình sin trong các nhánh … (tiếp)

Điện áp trên điện cảm biến thiên điều hòa cùng tần số, nhanh pha so với dòng điện

Tổng trở phức:

– Biểu diễn phức:

• Nhánh điện dung

Quan hệ dòng-áp:

2.3 Dòng hình sin trong các nhánh … (tiếp)

Điện áp trên điện dung biến thiên điều hòa cùng tần số,chậm pha so với dòng điện

25

Biểu diễn phức:

Tổng trở phức:

• Nhánh R-L-C

+ Sơ đồ phức:

2.3 Dòng hình sin trong các nhánh … (tiếp)

(mạch có t/c cảm) (mạch có t/c dung)

27

Hay

• Xét nhánh R-L-C dưới tác dụng nguồn hình sin + Công suất tức thời:

• Phương pháp:

– Vẽ sơ đồ phức (với ẩn là các dòng điện phức)

– Viết hệ phương trình theo các định luật K1,2 dạng phức

– Giải hệ, tìm các dòng điện phức

– Đổi kết quả về dạng tức thời (nếu cần)

2.6 Giải mạch điện xác lập hình sin

2.6 Giải mạch điện xác lập … (tiếp)

31

VD (tiếp): Sơ đồ phức

2.6 Giải mạch điện xác lập … (tiếp)

VD (tiếp): Chọn chiều (+) cho dòng điện, chiều của vòng độc lập → Hệ phương trình K1 & K2:

• Công thức điện áp 2 nút

* Nguyên tắc:

– Tử số: tổng đại số của các tích giữa các SĐĐ và tổngdẫn nối tới nút xét

Lấy (+) khi SĐĐ hướng vào nút xét, và ngược lại

– Mẫu: tổng các tổng dẫn của các nhánh nối tới nút xét

35

2.6 Giải mạch điện xác lập … (tiếp)

• Một số biến đổi tương đương thường gặp

– Tương đương tổng trở mắc nối tiếp

– Tương đương các tổng trở mắc song song

ĐK:

2.6 Giải mạch điện xác lập … (tiếp)

2.6 Giải mạch điện xác lập … (tiếp)

• Phương pháp biến đổi tương đương

– Tương đương các SĐĐ mắc nối tiếp

– Tương đương các nguồn dòng mắc song song

37

b) Tính công suất tiêu tán trên R1, R2?

a) Xác định dòng điện i , i1, i2?

3.1 Khái niệm: MĐBP = nguồn ba pha + tải ba pha

a) Nguồn ba pha đối xứng

- Được ghép từ ba nguồn SĐĐ hình sin một pha eA, eB, eC

- Các nguồn SĐĐ có cùng tần số, cùng biên độ, lệch pha 120o

- Nối sao hoặc nối tam giác

3 Mạch điện xoay chiều hình sin ba pha

41

3.1 Khái niệm MĐBP (tiếp)

a) Nguồn ba pha đối xứng (tiếp)

– Biểu diễn phức:

– Đồ thị vector:

b) Phụ tải ba pha: do ba phụ tải một pha ghép lại

- Nối sao hoặc tam giác

• Phân loại MĐBP:

+ Theo phương án ghép nối giữa nguồn với tải:

MĐBP sao – sao (Y/Y); sao – tam giác (Y/∆);

tam giác – sao (∆/Y); tam giác – t giác (∆/ ∆) ngoài ra còn có sao – sao không (Y/Y-0)

+ Theo t/c của nguồn & tải: - MĐBP đối xứng

- MĐBP không đối xứng + Theo số dây nối: MĐBP ba dây & MĐBP bốn dây

3.1 Khái niệm MĐBP (tiếp)

a

Zb

&

• Mạch 3 pha đối xứng nối Y/Y

3.2 Phân tích mạch điện ba pha đối xứng

• Mạch 3 pha đối xứng nối Y/Y (tiếp)

đối xứng

Điện áp các pha:

3.2 Phân tích MĐBP đối xứng (tiếp)

45

• Mạch 3 pha đối xứng nối Y/Y (tiếp)

3.2 Phân tích MĐBP đối xứng (tiếp)

đối xứng Dòng điện các pha đồng thời là dòng điện dây:

Độ lớn dòng điện các pha bằng nhau:

Độ lớn dòng điện các dây bằng nhau:

• Mạch 3 pha đối xứng nối Y/Y (tiếp)

• Mạch 3 pha đối xứng nối

3.2 Phân tích MĐBP đối xứng (tiếp)

Hệ thống điện áp pha đặt lên phụ tải chính là hệ thống

• Mạch 3 pha đối xứng nối (tiếp)

• Nhận xét: Hệ thống dòng, áp trên các pha là đối

xứng (biết dòng, áp 1 pha có thể suy ra dòng, áp các pha còn lại)

• Phương pháp tính:

– Tách riêng từng pha để tính toán → các pha còn lại – Trường hợp có nhiều tải nối sao, mắc song song → nối các điểm đẳng thế lại → tách pha để tính toán

3.2 Phân tích MĐBP đối xứng (tiếp)

(độ lớn & biểu thức)

Điện áp dây? Hệ số công suất?

51

(độ lớn & biểu thức)

Điện áp dây? Hệ số công suất?

(Sinh viên tự làm)

• Phụ tải không đối xứng nối Y (mạch ba pha ba dây)

3.3 Mạch điện ba pha không đối xứng

53

• Phụ tải không đối xứng đấu Y

Khi tải Za, Zb, Zc KĐX

→ điện áp pha trên phụ tải KĐX

Dòng điện các pha được tính theo định luật Ohm

→ không đối xứng

3.3 Mạch điện ba pha không đối xứng

• Khắc phục: Nối dây trung tính (mạch 3 pha 4 dây)

* Lý tưởng có →

* Thực tế: dây trung tính có

3.3 Mạch điện ba pha không đối xứng

→ điện áp pha trên phụ tải không đối xứng

điện áp pha trên phụ tải đối xứng

55

• Phụ tải KĐX nối

Điện áp đặt lên các pha phụ tải (điện áp dây) là

đối xứng , nhưng dòng điện pha là không đối xứng

3.3 Mạch điện ba pha không đối xứng

• Công suất tác dụng

• Công suất phản kháng

• Công suất biểu kiến (toàn phần)

* Mạch điện ba pha đối xứng: dòng, áp các pha đối xứng → CS ba pha = 3* công suất một pha

VD: Công suất tác dụng:

3.4 Công suất trong mạch ba pha

• Mạch đối xứng: sử dụng 01 Wattmet

W1 chỉ công suất một pha

• Mạch không đối xứng 3 pha 4 dây: sử dụng 3 W

3.4 Công suất trong mạch ba pha

T?i 3 pha

*

* A

B C O

W1

T?i

*

* A B C

Tải

Tải

Ví dụ

• VD3 Tính công suất tác dụng, công suất phản

kháng, công suất toàn phần (biểu kiến) của mạch điện cho ở VD1, VD2?

Giải: Đối với TH cho ở VD1

Kết quả tính toán: Ip = 44A; Up = 220V; cosϕ = 0,6 Suy ra:

+ Công suất tác dụng: P3p = 3Pp = 3UpIpcosϕ = 17424 W + C.suất phản kháng: Q3p = 3Qp = 3UpIpsinϕ = 23232 VAr + Công suất toàn phần: S3p = 3Sp = 3UpIp = 29040 VA

59

Phần 2

MÁY ĐIỆN

4.1 Các khái niệm cơ bản

+ Máy điện là thiết bị điện từ, làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ và tác dụng tương hỗ giữa

từ trường và dòng điện , dùng để biến đổi hoặc truyền tải năng lượng

VD:

- Máy phát điện: biến đổi cơ năng thành điện năng

- Động cơ điện: biến đổi điện năng thành cơ năng

- Máy biến áp: biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều từ điện áp này → điện áp khác (cùng tần số).

61

4 Khái niệm chung về máy điện

+ Phân loại:

* Theo nguyên lý làm việc

- Máy điện tĩnh: Máy biến áp

- Máy điện quay: có phần tĩnh, phần quay

① Máy điện một chiều

② Máy điện đồng bộ

③ Máy điện không đồng bộ

* Theo t/c dòng điện

- Máy điện xoay chiều

- Máy điện một chiều

* Theo số pha: Máy điện một pha, ba pha, …

4.1 Các khái niệm cơ bản (tiếp)

MP khôngĐB

Đ.cơkhôngĐB

MP mộtchiều

Đ.cơmộtchiều

4.2 Các định luật cơ bản

1 Định luật cảm ứng điện từ

+ Với cuộn dây có từ thông xuyên qua:

SĐĐ cảm ứng trong cuộn dây tỉ lệ với tốc

độ biến thiên của từ thông xuyên qua

cuộn dây, và có chiều chống lại sự biến

thiên ấy (chiều xác định theo quy tắc

xoáy đinh ốc)

trường đều (chiều xác định theo quy tắc

4.2 Các định luật cơ bản (tiếp)

2 Định luật về lực điện từ

Fđt = Bli Lực điện từ tác động lên thanh

dẫn có dòng (chiều xác định theo

quy tắc bàn tay trái)

wi i

l d H

n k

k l

k

k k m

Từ áp Sức từ động

a) Vật liệu dẫn từ: thép kỹ thuật điện

b) Vật liệu dẫn điện: đồng, nhôm

c) Vật liệu cách điện: giấy, mica, …

1 Vật liệu kết cấu: chế tạo các bộ phận & chi tiết

chịu tác động cơ học: vỏ máy, trục máy, nắp

máy, … (làm bằng gang, thép, hợp kim, …)

2 Vật liệu tác dụng: chế tạo những bộ phận dẫn

từ, dẫn điện cần thiết cho quá trình điện từ

trong máy điện

67

4.3 Vật liệu dùng trong máy điện

MBA tăng áp

MBA

hạ áp

Đường dâytruyền tải

Hộ tiêu thụMPĐ

5 MÁY BIẾN ÁP (MBA)

Máy biến áp là một thiết bị điện từ tĩnh dùng để biến đổi

hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp này thành hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp khác có cùng tần số.

* Phân loại: Theo công dụng

- MBA lực

- MBA chuyên dùng (hàn, lò luyện kim, …)

- MBA tự ngẫu, MBA đo lường, …

5.1 Khái niệm

MBA lực

MBA đo lường MBA hàn

Máy biến điện áp TU

• Thông số máy biến áp:

+ Điện áp định mức: U1đm, U2đm

+ Dòng điện định mức: I1đm, I2đm

+ Công suất định mức: Sđm (công suất biểu kiến)

- với MBA một pha: Sđm = U1đmI1đm = U2đmI2đm

- với MBA ba pha: Sđm = U1đmI1đm = U2đmI2đm

Ngoài ra, còn có tần số định mức, số pha, tổ nối dây, …

5.1 Khái niệm MBA (tiếp)

5.2 Cấu tạo MBA

Lõi thép

5.2 Cấu tạo MBA

quấn & Làm mạch từ chuyển

hóa công suất điện từ giữa

mạch sơ cấp & thứ cấp

2 Dây quấn MBA

+ Chức năng: nhận và truyền năng lượng

+ Vật liệu: đồng, nhôm (tiết diện tròn/chữ nhật, bọc cách điện)

+ Phân loại:

73

5.2 Cấu tạo MBA (tiếp)

- Dây quấn đồng tâm: tiết diện

ngang là những vòng tròn đồng

tâm, dây quấn CA và HA cùng

quấn trên một trụ (dây HA đặt

- Cách điện giữa các vòng, giữa các

lớp dây, giữa dây quấn với trụ

3 Vỏ máy biến áp: bảo vệ các bộ phận bên trong &

đựng dầu MBA (đối với MBA dầu)

5.2 Cấu tạo MBA (tiếp)

Thùng máy

Nắp máy

Cánh tản

nhiệt

3 Vỏ MBA (tiếp)

a) Thùng máy: đặt lõi thép, dây quấn & dầu biến áp (làm mát)b) Nắp thùng: dùng để đậy thùng MBA và để đặt:

- Sứ cách điện CA, HA

- Bình giãn dầu (bình dầu phụ)

- Ống bảo hiểm – một đầu nối với thùng dầu dùngphòng sự cố quá áp trong thùng dầu

Điện áp sơ cấp u1 xoay

chiều hình sin

dòng hình sin trong dây

quấn sơ cấp từ

thông biến thiên trong

m m

m

m m

fw

w f

w E

fw

w f

w E

2

1

1 1

1

44,

42

22

44,

42

22

5.3 Nguyên lý làm việc … (tiếp)

SĐĐ cảm ứng trong dấy quấn sơ và thứ cấp (tiếp):

* Hệ số biến đổi của MBA (hệ số biến áp)

Trong MBA lý tưởng:

U1 = E1 ; U2 = E2 (bỏ qua đ.áp rơi trên dây quấn)

(bỏ qua tổn hao trong MBA)

+ Điện cảm tản d.quấn thứ cấp:

* Phương trình điện áp sơ cấp

5.4 Mô hình toán học của MBA (tiếp)

Chuyển sang dạng phức:

- Nguồn điện áp u1

- Sức điện động e1

- Điện trở dq sơ cấp R1

- Điện cảm tản sơ cấp L1

PT cân bằng điện áp theo K2:

Hay:

Z1 – tổng trở phức dây quấn sơ cấp

5.4 Mô hình toán học của MBA (tiếp)

Z2: Tổng trở phức dây quấn thứ cấp

• Phương trình sức từ động:

+ Khi MBA không tải: , trong máy chỉ có dòng không tải chạy trong dây sơ cấp, từ thông chính

do sức từ động (STĐ) không tải sinh ra

+ Khi MBA mang tải: , từ thông chính lúc này

do STĐ và sinh ra

Do biên độ từ thông chính hầu như không đổi

→ STĐ của máy khi không tải & có tải phải bằng nhau

* Nguyên tắc quy đổi:

- Công suất không đổi

- Tổn thất không đổi

- Các quá trình điện từ không bị ảnh hưởng

• Quy đổi các đại lượng thứ cấp về sơ cấp:

5.5 Sơ đồ thay thế của MBA (tiếp)

5.5 Sơ đồ thay thế của MBA (tiếp)

• Xét phương trình cân bằng điện áp sơ cấp:

5.5 Sơ đồ thay thế của MBA (tiếp)

Sơ đồ nguyên lý Sơ đồ thay thế

Từ các số liệu TN xác định được thông số của MBA

- Hệ số biến áp:

- Dòng điện không tải phần trăm:

- Điện trở không tải:

- Tổng trở không tải:

- Điện kháng không tải:

- Hệ số công suất không tải:

5.6 Xác định thông số MBA (tiếp)

1 Thí nghiệm không tải (tiếp)

2 Thí nghiệm ngắn mạch

89

5.6 Xác định thông số MBA (tiếp)

Tăng dần điện áp U1 đến khi I1 = I1đm

Đo I1đm, I2đm, Un, Pn

ZM >> Z1 và Z2 nên coi

U z

I



5.6 Xác định thông số MBA (tiếp)

Tổn hao ngắn mạch là tổn hao đồng trên dây quấn

sơ cấp & thứ cấp (do dòng điện I0 rất nhỏ)

Chế độ làm việc có tải của máy biến áp là chế độ trong đó dây quấn sơ cấp được nối vào nguồn có điện áp

bằng điện áp định mức, dây quấn thứ cấp nối với tải.

Khi kpt < 1 - non tải

Khi kpt > 1 - quá tải

+ Hiệu suất của MBA:

5.7 Chế độ làm việc có tải … (tiếp)

+ Tổn hao đồng: tổn hao trên dây quấn sơ & thứ cấp

+ Tổn hao sắt từ (trong lõi thép): do dòng điện xoáy

và từ trễ gây ra, không phụ thuộc tải, chỉ phụ thuộc

vào từ thông chính:

• Để biến đổi dòng điện ba pha có thể dùng 3 MBA một pha hoặc MBA ba pha

93

5.8 MBA ba pha

Cách nối dây

MBA ba pha

• Tỉ số điện áp pha:

• Tỉ số điện áp dây

+ MBA nối Y/Δ:

+ MBA nối Y/Y:

+ MBA nối Δ/Y:

+ MBA nối Δ/Δ:

5.8 MBA ba pha (tiếp)

• Điều kiện để các MBA làm việc song song:

+ Điện áp dây sơ cấp và điện áp dây thứ cấp phải

bằng nhau về trị số & trùng pha nhau (hệ số biến áp

& tổ nối dây các máy giống nhau)

Tổ nối dây của MBA xác định bằng góc lệch pha giữa SĐĐ dây sơ cấp & SĐĐ dây thứ cấp tương ứng

• Điện áp ngắn mạch (%) của các máy phải bằng

nhau

95

5.8 MBA ba pha (tiếp)