Giáo trình Điện kỹ thuật (Nghề Vận hành máy thi công mặt đường - Trình độ Cao đẳng): Phần 1 - CĐ GTVT Trung ương I

Giáo trình Điện kỹ thuật (Nghề Vận hành máy thi công mặt đường - Trình độ Cao đẳng) gồm 8 chương và được chia thành 2 phần, phần 1 gồm có các bài sau: Mạch điện 1 chiều, điện từ và cảm ứng điện từ, mạch điện xoay chiều, vật liệu điện, dụng cụ và kỹ thuật đo điện. Mời các bạn cùng tham khảo.

_BQ GIAO THONG VAN TAI

_BO GIAO THONG VAN TAIL

TRUONG CAO DANG GIAO THONG VAN TAI TRUNG UONG I

GIAO TRINH

Mô đun: Điện kỹ thuật

NGHE: VAN HANH MAY THI CONG

MAT DUONG

TRINH DO: CAO DANG

Ha Noi—2017

Môn học: Điện kỹ thuật là một trong những môn học bắt buộc trong chương

trình đào tạo nghề Vận hành máy thi công nền, vận hành máy thi công mặt đường, Trình độ Cao đẳng nghề, trung cấp nghề;

Đây là một môn học cơ sở rất quan trọng trong chương trình đảo tạo, môn học này giúp cho người học nắm được cơ sở chuyên nghành, nâng cao được kỹ năng nghề nghiệp;

Môn này có thể tiến hành học trước các môn học, mô đun chuyên

môn;

Chúng tôi gồm các Thạc sỹ, Cử nhân, giáo viên có tay nghề cao nghề Xây dựng cầu đường, có nhiều kinh nghiệm trong giảng dạy, đã sưu tầm, bằng kinh nghiệm, bằng kiến thức chuyên môn, cố gắng biên soạn ra giáo trình nội bộ cho môn học này, nhằm giúp người học nhanh chóng tiếp thu được môn

học;

Trong quá trình biên soạn chúng tôi đã có nhiều có gắng, song không thể tránh khỏi những khiếm khuyết, chúng tôi rất mong được sự góp ý,

bổ sung dé chúng tôi hoàn thiện hơn nữa

Chúng tôi chân thành cảm ơn

MỤC LỤC

LVi tri m6n hoc 4

II Muc đích, yêu cau mén hoc 4

Chuong 1: Mach điện một chiêu 5

1.1 | Dòng điện và mạch điện một chiều 5

1.2 _| Các định luật và đại lượng đặc trưng của dòng điện một chiêu 8

1.3 | Ghép điện trở và ghép nguồn thành bộ 15

Chương 2: Điện từ và cảm ứng điện từ 17

2.2 | Cảm ứng điện từ 19

Chương 3: Mạch điện xoay chiều 21

3.1 | Định nghĩa dòng điện xoay chiêu 21

3.2_ | Ý nghĩa hệ số công suất và cách nâng cao hệ số công suất 25

3.3 | Hệ thông dòng điện xoay chiêu ba pha 28 Chương 4: Vật liệu điện 35 4.1 | Vật liệu dẫn điện 35 4.2_| Vật liệu cách điện 39

Chương 5: Dụng cụ và kỹ thuật đo điện 46

5.1 | Công dụng và phương pháp sử dụng máy đo VOM 46

5.2_| Hướng dẫn đo dòng điện bằng đồng hồ vạn năng 58

Chương 6: Máy điện 60 6.1 | Khái niệm 60 6.2_ | Máy biên áp 61 6.3 | May phat dién 66

6.4 | Dong cơ điện không đông bộ 72 6.5 | Máy điện một chiêu 79

6.6 | Máy điện đông bộ 3 pha 81 6.7_| Dong co xoay chiéu khéng déng b6 82

Chương 7: Khí cụ điêu khiên và bảo vệ mạch điện 89

7.2 | Khí cụ bảo vệ mạch điện 96

7.3 | Mạch điện điều khiển máy phát điện 98

7.4_ | Mạch điện điêu khiên động cơ điện 99 Chương 8§: Điện tử công nghiệp 101

8.1 | Đặc tính cơ bản của các linh kiện bán dẫn 101

8.2 | Ung dung cua điện tử công nghiệp 105

CH ONG TRINH MON HOC

MON DIEN KY THUAT

I- VI TRI MON HỌC

Ngày nay với những b- ớc tiến v- ợt bậc và các thành tựu to lớn của khoa học và công nghệ đã tác động sâu sắc đến sự phát triển kinh tế - Xã hội, thành tựu khoa học đ- ợc áp dụng nhanh vào kỹ thuật và đời sống và có hiệu quả thiết thực Trong các ngành khoa học tiến bộ đó phải kể đến ngành điện, mức độ sử

dụng năng l-ợng điện đ-ợc coi nh- là th-ớc đo, đánh giá mức độ cơ khí hoá,

điện khí hoá xí nghiệp và Quốc gia, môn Điện kỹ thuật là môn kỹ thuật cơ sở nhằm mục đích trang bị cho học sinh một số kiến thức cơ bản về Điện, trên cơ sở

đó hiểu và nắm chắc nguyên lý, cấu tạo một số máy điện mà trong công tác chuyên ngành có sử dụng, ngoài ra còn giúp cho học sinh trong công tác quản lý,

sử dụng các thiết bị điên có hiệu quả và an toàn cho ng- ời và thiết bị

lI- MỤC DICH YEU CAU CUA MON HOC

Môn học Điện kỹ thuật là môn kỹ thuật cơ sở, cho nên mục đích của môn

học nhằm trang bị cho học sinh những kiến thức cơ bản và có tính chất thực dụng về điện, nắm đ-ợc cấu tạo, nguyên lý làm việc của một số máy điện mà trong công tác chuyên môn có sử dụng (máy phát điện, động cơ điên ba pha, máy điện một chiều) nhằm sử dụng các thiết bị điện thật an toàn, đạt hiệu quả kinh tế và kỹ thuật, cho nên sau khi kết thúc môn học này, yêu cầu về mặt lý thuyết học sinh cần nắm đ-ợc cơ sở lý luận về máy điện một chiều, mạch điện xoay chiều một pha và ba pha, cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy biến áp, động cơ điện, nguyên lý làm việc của một số thiết bị điều khiển, chất bán dẫn và

sơ đồ nắn dòng điện xoay chiều thành một chiều (một pha và ba pha)

Về mặt thực hành học sinh có thể nối nguồn điện và phụ tải mạch điện xoay chiều một pha và ba pha

Biết cách lắp ráp các bộ nắn dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều và các công việc khác trong đời sống hàng ngày

Căn cứ vào tình hình thực tế và nội dung giảng dạy giáo viên tổ chức cho học sinh làm thí nghiệm, đi tham quan thực tế

CHƯƠNG 1 ; MACH DIEN MOT CHIEU

1.1 Dòng điện và mạch điện một chiêu

1.1.1 Khái niêm dòng điên

* Định nghĩa

Khi nối một vật tích điện A với một vật B chưa tích điện bằng một dây dẫn ta thấy dòng điện tích chuyển đời từ A tới B qua dây dẫn

vì giữa hai đầu dây này có một hiệu điện thế, khiến cho các điện tích

chuyền đời trong đây dẫn theo một hướng xác định

Vay dong dién tich chuyén đời có hướng gọi là dòng điện

* Điều kiện duy trì và tồn tại dòng điện: Để có đòng điện trong

các vật dẫn là giữa hai đầu vật dẫn phải có hiệu điện thế

1d

——>

1.1.2 Các đặc trưng của dòng điện một chiều

Cường độ đòng điện tính bằng tỉ số giữa điện lượng chuyển qua

mặt cắt thắng của vật dẫn trong một đơn vị thời gian( một giây)

Đơn vị của cường độ là ampe (A)

c Dòng điện không đối

Nếu trong các khoảng thời gian bằng nhau tuỳ, các điện tích đi qua mặt cắt thắng của vật dẫn như nhau thì dòng điện được gọi là

dòng điện không đổi ( I)

Q: culông(C)

t: giây (s)

I: ampe (A )

Với ampe là cường độ của dòng điện không đổi mà cứ 1 giây có

một culông chuyển qua mặt cắt thắng của dây dẫn

1.1.3 Ac qui:

a- Khái niêm :

Ắc qui nó tích lũy năng lượng dưới dạng hóa năng sau đó giải phóng năng lượng, hóa năng biến thành điện năng, vì vậy khi mới

chế tạo hoặc sau khi ắc qui phóng điện mà sức điện động (E ) giảm đến

1,8 V/ ngăn thì phải nạp điện vào ắc qui đạt tới 2,5 + 2,7V/ngan rồi

mới cho phóng điện

b- Cấu tạo :

Gồm 1 bình điện phân chứa dung dịch axít sunphuarích H;SO¿

trong đó có các cực điện âm và các cực điện dương lắp xen kẽ nhau

làm bằng bản chỉ 2 bên có khung xương hình ô vuông nhỏ phủ kín

bản cực chì ôxýt và nấp chung thành bộ trong bình ắc qui ,bản cực âm

thường nhiều hơn bản cực đương 1 bản cực

SS

- Phân loại ắc qui có 2 loại:

+ Ắc qui a xít ( ắc qui chì)

+ Ắc qui kiềm (ắc qui sắt kiềm)

c Nguyên lý làm việc của ắc qui:

+ Quá trình nạp điện: Khi đặt các cực điện vào trong bình điện phan thi axit H.SƠ¿ tác dụng với cực điện và ở trên cực điện xuất

hiện chì sun phát PbSO¿ lúc này ắc qui chưa phát điện Khi cho dòng

7

điện 1 chiều chạy qua ắc qui bằng cách nối các cực cùng tên của ắc qui vào máy phát điện một chiều lúc này ion dương H”” trong dung

dich chay sang cuc 4m va ion 4m SO, chau sang cực dương

Phản ứng ở cực dương là; PbSO, + SO, + 2H;O = PbO; +

2H;SO¿

Phản ứng ở cực âm là; PbSOa + Hạ =Pb + H;SO¿

Chú ý : Trong quá trình nạp điện nồng độ H;SO¿ tăng lên ta

thấy khi nạp điện 2 cực của ắc qui đã khác nhau lúc này ắc qui có tác dụng như 1 quả pin Khi nạp điện , điện áp U của mỗi bình ắc qui

tăng 2,5 — 2,7V/ngăn đồng thời khí hiđờrô Hạ; bốc ra thành các bot

khí nỗi lên bề mặt dung dịch, lúc này ta phải ngừng nạp điện

+ Quá trình phóng điện : Nối 2 cực của ắc qui với I điện trở hay

phụ tải thì ắc qui phóng điện Trong quá trình này chiều dòng điện

ngược với lúc nạp ion H”” chạy sang cực dương còn ion SO 'ˆ chạy sang cực âm

Phản ứng xây ra ở cực đương là

PbO; + Hạ +H;SO¿ = PbSO¿ + 2H;O

Phản ứng ở cực âm là

Pb + SƠ = PbSO¿

- Khi 2 cực điện của ắc qui giống nhau ( cân bằng ) thì không

phóng điện nữa.Nếu sức điện động của ắc qui giảm gần 1,8V/ngăn

thì không được phóng điện nữa , cứ tiếp tục phóng điện thì ắc qui sẽ hỏng ,loại ắc quy thường dùng nhất là ắc quy chì

1.2 Các định luật và đại lượng đặc trưng của dòng điện một chiều

1.2.1 Các định luật

a Định luật Ôm cho đoạn mạch

- Nhánh có thuần điện trở:

Xét mạch thuần điện trở (hình1 s5}, biểu thức tính dòng điện qua điện trở: I=UJR_ (1-2) trong đỗ

Định luật: Cường độ dòng điện trong một 1 —

đoạn mạch tỷ lệ thuận với hiệu điện thế và tỷ U

lệ nghịch với điện trở qua đoạn mạch đó / Hình 1.3

- Nhánh có sức điện động E và điện trở R: Nhánh thuần trở

Xét nhánh có E, R (hình 1.4) Ul Us U3; Us

Biêu thức tính điện ap = Se Se

R21 +E) =(R)+R2)1- (E4- E2) Ri Ey R3 &E

Trong biêu thức (1-3) quy ước

dấu như sau: Sức điện động E và dòng Hình 14

điện I có chiều trùng với chiều điện áp Nhánh sức điện động và R

U sẽ lấy dấu dương, ngược chiều sẽ lấy

chiều trùng với chiều dòng điện sẽ lấy [ R

dấu dương, ngược lại sẽ lấy dấu âm E

b Định luật Ôm cho toàn mạch

Cho mạch điện như hình 1.5 thì

Hình 1.5

I1=————— (A((I-5)

RitRatRe

Trong do:

I: Cuong d6 dong dién trong mach (A)

E: Sức điện động của nguồn điện (V)

Rn: Điện trở trong của nguồn (©)

R„¿, Điện trở dây dẫn (©)

R¿: Điện trở phụ tải (O)

Dong dién I, < 0, chiều thực của dòng điện

lạ ngược với chiều đã vẽ trên hình

c Dinh luat Kirchoff 1

Định luật này cho ta quan hệ giữa các dòng

điện tại một nút, được phát biểu như sau:

Tổng đại số những dòng điện ở một nút bằng

không

Trong đó quy ước dòng điện đi tới nút lấy dấu

dương, dòng điện rời khỏi nút lấy dấu âm

(hình 1.7)

3;Inút=0 (1-6)

Ở hình 1.7 thi: I, + -L) + -h) =0

d Dinh ludt Kirchoff 2

Định luật này cho ta quan hệ giữa sức

điện động, dòng điện và điện trở trong một

mạch vòng khép kín, được phát biểu như

có chiều trùng chiều mạch vòng lấy dấu dương, ngược lại lấy dấu âm

Ở mạch vòng hình 1.8:

Ry, - Rolo + Ral = E; - Ex + Ea

Vi du : Tinh dong dién I; va cac strc dién dong E;, E, trong mach điện hình 1.9,

biên thiên của lượng điện tích q qua tiệt

diện ngang của vật dẫn: Hinh 1.10

Don vi: Ampe (A)

Người ta qui ước chiều của dòng điện chạy Vas

trong vật dẫn ngược chiều với chiều chuyển | ™ —L—T*%

động của điện tử (hình 1.10) ———

b Điện áp

Tại mỗi điểm trong một mạch điện có

một điện thế ọ Hiệu điện thế giữa hai điểm +

gọi là điện áp U, đơn vị là Vôn (V)

Điện áp giữa hai điểm A và B hình 1.11 1a:

` UAp= ỌA - 0B ` (1-8)

Chiêu điện áp quy ước là chiêu từ điêm có

điện thế cao đến điểm có điện thế thấp E U

Điện áp giữa hai cực của nguồn điện |

khi hở mạch ngoài (dòng điện I = 0) được

Sức điện động E là phần tử lý tưởng, có trị số bằng điện áp U đo được giữa hai

cực của nguồn khi hở mạch ngoài

Chiều của sức điện động quy ước từ điện thế thấp đến điện thế cao (cực

âm tới cực dương) (Hình 1.12)

Chiều của điện áp quy ước từ điện thế cao đến điện thế thấp, do đó nếu chiều vẽ

như hình 1.12 thì:

U=E (1-11)

e Nguồn dòng điện J ị Nguồn đòng điện J là phần tử

qua Về hiện tượng năng lượng, điện trở R đặc trưng cho tiêu tán, biến đổi điện

năng tiêu thụ thành các dạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng,

(Hình 1.13b)

Đơn vị của điện cảm là H (Henry) Hình 1.14 : Điện cảm

Nếu dòng điện ¡ biến thiên theo thời

gian t và cuộn dây cảm ứng suất điện động tự cảm e¡, khi L = const

có _đW a LZ=—=-L—

Điện áp rơi trên điện cảm:

Hiện tượng hỗ cảm là hiện

tượng suất hiện từ trường trong một M, 1 Pa

cuộn dây do dòng điện biến thiên x " Í" =

trong cudn day khac tao nén (hinh : ,

1.15) là hai cuộn dây có liên hệ hỗ ay 12

+ — + —

cảm nhau

Từ thông móc vòng qua cuộn dây 1

Kia ¥i+ Pie (1-17) trong đó: Hình 1.15: Hiện tượng hỗ cảm

¡¡: từ thông móc vòng với cuộn

dây 1 do chính dòng điện ï; tạo nên

Wiz: từ thông móc vòng với cuộn dây | do chính dòng điện 1; tạo nên

Tương tự từ thông móc vòng với cuộn dây 2:

By = Poo + Poy (1-18)

Wa»: tir thong mdc vong voi cudn day 2 do chinh dong dién 1; tạo nên,

Wo: tt théng mdc vong voi cudn day 2 do chinh dong dién i, tao nên

Trường hop trong môi trường là tuyến

My = Mp; = M là hệ số hỗ cảm của hai cuộn dây

Hình 1.16: Hai cuộn dây ghép hỗ cảm

13

Thay 1-19 và 1-20 vào 1-17 và 1-18 ta được:

Cũng nhu dién cam L, don vị của hỗ cảm M là Henry (H) Ta thường ký hiệu

hỗ cảm giữa hai cuộn dây bằng chữ M và mũi tên hai chiều như hình 1-16 và dùng

cách đánh dấu hai cực cùng tính của cuộn đây bằng đấu chấm Để xác định dấu của phương trình 1-23 và 1-24 Nếu hai dòng i¡ và iạ cùng đi vào (hoặc cùng đi ra) các

cực tính đánh dấu ấy thì từ thông hỗ cảm tÙ;; và tự cảm tJ¡; cùng chiều Cực cùng

tính phụ thuộc vào chiều quấn dây và các vị trí các cuộn dây

Từ định luật Lentz, với quy ước đánh dấu các cực cùng tính như trên, có thể suy ra qui tac sau để xác định dấu (+) hoặc (-) trước biểu thức M.di /dt của điện ap

hỗ cảm

Nếu dòng điện ¡ có chiều + đi

vào đầu có dấu chấm trong một iy M lạ

cuộn dây và điện áp có cực tính + ở °—— ~—~x[f

đầu có đầu chấm trong cuộn dây kia ia ee +

thì điện áp hỗ cảm là M.di/dk, trường uy bi 3 Ệ Lạ u;

hợp ngược lại - M.d/dt

Ví dụ như hình 1-16 ta có:

đặt một điện áp U lên tụ điện thì qua tụ sẽ có dòng dịch chuyên i va 6 hai bản cực tụ

điện tích luỹ điện tích q (hình 1-19)

Điện dung C của tụ điện là:

- Nhánh: Nhánh là bộ phận của mạch

điện gồm có các phần tử nối tiếp nhau

trong đó có cùng dòng điện chạy qua

Sơ đồ thay thế của nguồn điện

gồm sức điện động E nối tiếp với điện

trở trong Rạ (hình 1.21)

Khi giải mạch điện có các phần tử

tranzito, nhiều khi nguồn điện có sơ đồ

thay thế là nguồn dòng điện J = E / Rạ

mắc song song với điện trở R„ (hình 1.22)

Sơ đồ thay thế:

Mô hình mạch điện là sơ đồ thay

thế mạch điện mà trong đó quá trình

năng lượng và kết cấu hình học giống

như mạch điện thực, song các phần tử

của mạch điện được thay thế bằng các

thông số lý tưởng e, J, R, L, M, C

Các tải như động cơ điện một

chiều, ắc qui ở chế độ nạp điện được

thay thế bằng sơ đồ gồm sức điện động

E nối tiếp với điện trở trong R„ (hình 1.23),

trong đó chiều E ngược chiều với I

Các tải như bàn là, bếp điện, bóng đèn,

được thay thế bằng điện trở R của chúng

có mạch điện thực như hình 1-25 Để thành lập mô hình mạch điện đầu tiên ta liệt

kê các hiện tượng xảy ra trong từng phần tử và thay thế chúng bằng các thông số lý

tưởng tồi sau nối với nhau tuỳ theo kết cầu hình học của mạch

Hình 1-26 là sơ đồ thay thế của mạch hinh 1-25 trong do: néu may phát điện (MF) la may phát điện được thay thế bằng cụ„y nối tiếp với Rụ„p đường dây được

thay thế bằng R¿ bóng đèn Ð được thay thế bằng Rp, cudn dây C¿ được thay thế

bằng Rœ

` CHƯƠN G2:

ĐIỆN TỪ VÀ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

2.1 Dién tir:

2.1.1 Từ trường của nam châm vĩnh cửu:

- Bất ky 1 nam châm nào cũng có 2 cực, cực bắc N và cực nam

S không thể tách rời từng cực ra được Các cực cùng tên đây nhau, khác tên hút nhau Môi trường vật chất đăc biệt bao quanh nam châm

trong đó có từ lực tác dụng gọi là từ trường của nam châm vĩnh cửu

.Từ trường của nam châm được biểu diễn bằng các đường sức từ Ta qui ước các đường sức từ có chiều đi từ cực bắc tới cực nam (N-S)

6 phia ngoai nam cham

Có 1 kim nam châm có thé xoay tự do trên 1 trục Đặt dây dẫn

điện song song với kim nam châm Cho I qua dây ‹ dẫn kim lệch đi I góc, khi ta ngắt điện kim lại trở về vị trí như ban đầu Ta đổi chiều dòng điện qua dây dẫn kim quay ngược lại

a iT

BE ''

O

Kết luận: Dòng điện đã tạo ra xung quanh nó 1 từ trường vì khi

đó đã có lực điện từ xuất hiện làm lệch kim nam châm

Chú ý: Từ trường của nam châm vĩnh cửu cũng như kim nam châm là kết quả của dòng điện phân tử do chuyển động tự quay và quay quanh quỹ đạo của các điện từ trong nguyên tử phân tử tạo ra ,

từ trường và dòng điện là 2 khái niệm không thé tách rời nhau

2.1.3 Các đại lượng đặc trưng của từ trường:Từ thông đô thâm từ cường đô từ trường

- Tù thông : ® : Tích số cảm ứng B với diện tích S thẳng góc

với hướng của cảm ứng điện từ gọi là từ thông

Ø =B.S ( Đơn vị vêbe W; ) -_ Độ thấm từ 4: Đại lượng đặc trưng cho đặc tính của môi

trường từ lực gọi là độ thẩm từ , độ thẩm từ tuyệt đối ký hiệu ly

- Độ thâm từ của chân không ký hiệu Hạ và được lấy làm căn so

sánh với đặc tính các môi trường khác , do đó ta còn đặt ra độ thâm từ tuơng đối

H = He! Ho

- Cường độ từ trường H :

+ Đại lượng đặc trưng cho độ mạnh yếu của từ trường dòng điện

gọi là cường độ từ trường

H=B/u,=B/ tụy tạ ( Đơn vị đo ampe / mét A /m)

2.1.4 Lực điên từ

- Thí nghiệm:

+ Dat 1 day dẫn điện AB vuông góc với đường sức của từ

trường nam châm hình chữ U cho dòng điện chạy qua dây,dây sẽ chịu

1 lực tác dụng và chuyên dịch chạy về 1 phía Thí nghiệm cho biết

lực đây có hướng thắng góc với đường sức từ và hướng dòng điện chạy trong day dan Trị số của nó tỷ lệ thuận với trị số cường độ dòng điện (I ) chiều dài hiệu dụng của dây dẫn ( L ) và phục vụ vào bản chất của môi trường trong đó có từ trường tác dụng

Fạ =B.I.L(N)

Trong đó : Fạ Lực tác dụng do tác dụng của từ trường với dây dẫn có điện gọi là lực điện từ đơn vị là ( niutơn N )

I Cường độ dòng điện A

B Hệ số tỷ lệ đặc trưng cho từ trường và tác dụng lực gọi

là cảm ứng từ đơn vị là tesla ( ký hiệu T ) tức là 1T = Wp/ mẺ

- Giải thích hiện tượng cảm ứng :

+ Khi dây dẫn có dòng điện chạy qua, xung quanh dây dẫn có từ

trường Từ trường do dòng điện trong dây dẫn sinh ra ngược chiều

với từ trường nam châm làm giảm từ trường chung ở dưới hình (H -

- Quy tắc bàn tay trái : Cho chiều đường sức từ xuyên vào lòng

bàn tay trái , chiều dòng điện trùng với chiều 4 ngón tay chụm lai, thi chiều ngón tay cái xoè ra là chiều lực điện từ Fạ,

VD: Cho 1 thanh dẫn L = 2m có dòng điện I = 130mA chạy

qua, đặt vuông góc với từ trường đều B = I,2T chiều dòng điện đi từ

ngoài vào trong Tính trị số và chiều lực điện từ tác dụng lên thanh

dan

Giai:Tri sô của lực điện từ

19

2.2.1 Hiện tượng cảm ứng điên từ :

Ta đã biết dòng điện sinh ra từ trường và ngược lại từ trường

sinh ra dòng điện Nếu có 1 mạch kín chuyển động trong từ trường dòng điện sinh ra gọi là dòng điện cảm ứng và sức điện động sinh ra

trong mạch kín gọi là sức điện đông cảm ứng

- Thí nghiệm: Ta mắc 2 đầu ông dây vào I điện kế G ta đưa

nam châm vào gần ống dây lúc này kim của điện kế G bị lệch đi

Trong ống dây dẫn đã xuất hiện dòng điện cảm ứng Ta rút nam châm ra khỏi ống dây dẫn lúc này ta thấy kim của điện kế G lệch theo chiều ngược lại , đòng điện cảm ứng đã đổi chiều

- Vậy: dòng điện cảm ứng chỉ xuất hiện trong thời gian nam

châm chuyên động tươn đối với ống dây (nghĩa là khi từ thông qua

2.2.3 Hiện tượng tự cảm

+ Nêu dòng điện ( I) qua cuộn dây biến thiên thì từ thông móc

vòng

(@ ) cũng bién thién theo Do định luật cảm ứng điện từ trong cuộn

dây xuất hiện sức điện động cảm ứng goi là sức điện động tự cảm

- Vậy sức điện động cảm ứng sinh ra ngay trong lòng cuộn dây

có đòng điện biến đổi gọi là sức điện động tự cảm và hiện tương đó

gọi là hiện tượng tự cảm

Ghi chú: Sức điện động tự cảm ký hiệu E¿ là sức điện động cảm ứng trong dây dẫn do chính đòng điện qua dây dẫn biến thiên

sinh ra)

————

———>

CHUONG 3:

Mach dién xoay chiéu

3.1.Dinh nghia dong điện xoay

3.1.1.Dinh nghia va nguyén ly san

sinh ra dòng điện xoay chiều Tenax

a Dinh nghia

Dòng điện xoay chiều hình |

sin được sử dụng phô biến trong

sản xuất và đời sống xã hội,

học vào trục làm cho khung dây

quay, cắt đường sức từ trường của

nam châm NS, trong khung dây sẽ

cam ug suc điện động xoay Nguyên lý sinh ra dòng điện

chiêu hình sin (Phân ứng, quận dây quay)

Dòng điện cung cấp cho tải

thông qua vòng trượt và chỗi than (hình 1.28) Khi công suất điện lớn, cách

lấy điện như vậy gặp nhiều khó khăn ở chỗ tiếp xúc giữa vành trượt và chỗi than Trong công nghiệp, máy phát điện xoay chiều được chế tạo như sau: Dây

quấn đứng yên trong các rãnh của lõi thép là phần tĩnh và nam châm NS là phần

quay

21

Khi tác dụng lực cơ học vào ,

trục làm nam cham NS quay, trong |

dây quấn ở phan tĩnh sẽ cảm ứng

ra sức điện động xoay chiều hình |

sin Dây quấn đứng yên nên việc

lấy điện cung cấp cho tải rất an |

Dây quấn

toàn và thuận lợi Mô hình của

máy phát điện xoay chiều được vẽ |

trên (hình 1.29) |

3.1.2 Các đại lượng đặc trung cia - Hình 1.29 cs a

dòng điện xoay chiều a ¡ Mô hình máy phát điện xoay chiều (phan cam, nam cham quay)

Dòng điện xoay chiêu hình - — —

sin là đòng điện có chiều và trị số biến đổi một cách tuần hoàn liên tục theo quy luật hình sin với thời gian, được biểu diễn dưới dạng tổng quát bằng đồ thị hình

sin trên (hình 1.30)

1= lựax sin(@f + W¡) (2-1)

a Biên độ của đại lượng hình sin

X„: Giá trị cực đại của đại lượng

hình sin, nó nói lên đại lượng hình

sin đó lớn hay bé Để phân biệt trị

số tức thời, được ký hiệu bằng chữ oT= 20

in thudng x(i,u, ) Biên độ được ký

hiệu bằng chit in hoa Xm» Um -)

b Góc pha (ot + yx)

Là xác định chiều và trị số của đại lượng hình sin ở thời điểm t nào đó

c Pha ban đầu

Pha ban đầu w, : Xác định chiều và trị số của đại lượng hình sin ở thời điểm t

=0 (Hình 1.30) vẽ đại lượng hình sin với pha ban đầu bằng 0

d Chu kỳ T, tần số f, tần số góc œ

- Chu kỳ T là khoảng thời gian ngắn nhất để dòng điện lặp lại trị số và chiều

biến thiên Từ hình 2.4 ta có @T = 2x Vậy chu kỳ T là:T=2@ (2-2)

- Tần số f là số chu kỳ của dòng điện trong một giây: f= 1/T (2-3) Đơn vị của tần số f là héc, ký hiệu là Hz.Tần số góc œ là tốc độ

- Tần số góc œ (rad/s): Là tốc độ biến thiên của góc pha trong một giây

@=2nf (rad/s) (2-4) Lưới điện công nghiệp của nước ta có tần số là f= 50 Hz

Vậy chu kỳ T = 0,02s và tần số goc ® = 2nf = 27.50 = 100z (rad/s)

a.Mạch điện xoay chiều thuần điện trở : Khi dòng điện xoay chiều đi

trong mạch thuần điện trở có điện áp và dòng điện cùng pha, vì ở

mỗi thời điểm trị số tức thời của chúng tỷ lệ với nhau với các trị số

cực đại lmax ,Umax

taco: — Tnax = Umax / R ( R 1a dién tro doan mach ) hay

ôm)

Trong đó I, Ú đều là những trị số hiệu dụng của dòng điện ,

điện áp

VD : Đèn điện ,biến trở ,dụng cụ nhiệt (bàn là,bếp điện ) có thể

xem là mạch thuần điện trở

b Mạch điện có cuộn tự cảm.: Ta mắc 1 cuộn tự cảm và 1 ampekê vào 1 nguồn điện 1 chiều Ampekê cho biết cướng độ dòng điện chạy trong mạch Ta đưa thỏi sắt vào giữa cuộn dây ta thấy dòng điện trong mạch vẫn không thay đổi

+ Ta mắc chúng vào nguồn điện xoay chiều , có điện áp hiệu dụng bằng điện áp của dong điện 1 chiều , ta thấy dòng điện qua

mạch điện còn yếu hơn trước , ta tiếp tục đưa thỏi sắt vào giữa cuộn

dây thì dòng điện còn yếu hơn nhiều

Như vậy : Độ tự cảm của mạch điện xoay chiều làm giảm I

trong mạch ( làm tăng R của mạch )

Trị số và chiều của dòng điện xoay chiều biến đỗ theo thời gian

, nên từ trường và năng lượng do nó sinh ra cũng biến đỗ theo thời

gian , sức điện động tự cảm, công suất của mạch điện xoay chiều cũng biến đổi , cuộn tự cảm và tụ điện mắc vào mạch điện Xoay chiều có tác dụng khác với khi mắc chúng vào mạch điện một chiều

23

c Mạch điện có tụ điện.: Ta mắc 1 bộ tụ điện với nguồn điện 1 chiều

sẽ không thấy có dòng điện chạu qua vì giữa 2 bản cực tụ diện có chất cách điện

+ Ta mắc tụ điện đó vào nguồn điện xoay chiều ta thấy có dòng điện trong mạch ( bòng đèn sáng)

+ Nếu thay bộ tụ điện có điện đung lớn hơn thì đèn còn sáng

hơn, nếu ta cắt tụ điện đi và nối mạch lại thì còn sáng hơn nữa

+ Sở dĩ dòng điện xoay chiều qua được tụ điện vì trong mạch

điện xoay chiều các điện tử luôn luôn chuyển động , những cực của tụ điện liên tiếp được tích điện trái đấu cho lên trong dây dẫn của mạch

các điện tử đang chuyên động theo chiều này lại đồ sang chiều ngược

lại cứ thế liên tiếp Nghĩa là trong dây dẫn vẫn có dòng điện xoay

chiều chạy qua

- Máy biến áp không tải có thể xem là mạch thuần điện cảm

- Dây cáp xem là mạch thuần điện dung

d Mạch điện có điện trở điện cảm và điện dung nối tiếp nhau

+ Ta mắc nối tiếp 1 tụ điện C với cuộn tự cảm L

khi đòng điện vào ta thấy dòng điện tăng lên so

với khi chỉ có cuộn tự tảm Như vậy là sự có mặt

Zz

của tụ điện đả làm giảm tông trở của mạch điện XL

Các trị số điện trở , cảm kháng , dung kháng và —Ì————————

Tổng trở Z của mạch có quan hệ với nhau theo | tam

giác vuông mà đường huyền là tổng trở Z., cạnh

của góc vuông là R., và hiệu số cảm kháng và dung

Hinh 1.31a Hinh 1.31b

Đại lượng hinh sin tổng quat X(.) = Xm sin(@t + w) Gdm 3 thông số biên

d6 X,,, tan sé géc w va pha ban dau y Các thông số được trình bày trên (hình

1.31a) bang véc to quay xm c6 dé lon X,,, hình thành góc pha (wt + y) với trục

hoành, hình chiếu véc tơ trên trục tung cho ta trị số tức thời của đại lượng hình

Ky higu Xm chỉ rõ véc tơ tương ứng với đại lượng hình sin:

Xt) = Xm sin(wt + ) và ký hiệu X„ ⁄ có nghĩa là véc tơ x„, có biên

độ Xa và pha ban đầu w Vậy nếu œ cho trước thì đại lượng hình sin hoàn toàn

xác định khi ta biết biên độ (hay trị số hiệu dụng X) và pha ban đầu Như vậy

đại lượng hình sin cũng có thể biểu diễn bằng đại lượng véc tơ có độ lớn bằng

trị số hiệu dụng X và pha ban đầu w, như x -X ⁄/ ự

25

3.2 Ý nghĩa hệ số công suất và cách nâng cao hệ số công suất

3.2.1 Công suất của dòng điện hình sin

Trong mạch điện xoay chiều R, L, C nối tiếp có 2 quá trình năng lượng

sau:

Quá trình tiêu thụ điện năng và biến đổi sang dang năng lượng khác (tiêu tán,

không còn trong mạch điện) Thông số đặc trưng cho quá trình này là điện trở R Quá trình trao đổi, tích luỹ năng lượng điện từ trường trong mạch Thông số đặc trưng cho quá trình này là điện cảm L và điện dung C

Tương ứng với 2 quá trình ấy, người ta đưa ra khái niệm công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q

a Công suất tác dụng P

Công suất tác dụng P là công suất điện trở R tiêu thụ, đặc trưng cho quá trình

biến đổi điện năng sang dạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng,

Thay vào (2-8) ta được: Q= X.=UXI= U.ILsino (2-9)

Nhin (2-8) thay Tõ công suất phản kháng gồm:

Công suất phản kháng của điện cảm QL: QL=XLI (2-10)

Công suất phản kháng của điện dung QC: QC=XCP (2-11)

c Cong suất biểu kiến S

Để đặc trưng cho khả năng của thiết bị và nguồn thực hiện 2 quá trình

năng lượng xét ở trên, người ta đưa ra khái niệm công suất biểu kiến S được

định nghĩa như sau:

công suất tác dụng P (khi coso = l), cực đại Hồn

của công suất phản kháng Q (khi sing = 1)

là công suất biểu kiến S Vậy S nói lên khả năng của thiết bị Trên nhãn của

máy phát điện, máy biến áp người ta ghi công suất biểu kiến S định mức

Quan hệ giữa P, Q, S được mô tả bằng một tam giác vuông (hình 1.32)

trong đó S là cạnh huyền, còn P và Q là 2 cạnh góc vuông

Don vi cua Q: VAr, kVAr, MVAr

Don vi cua S: VA, kVA, MVA

3.2.2 Nâng cao hệ số công suất

Trong biểu thức công suất tác dung P = Ulcos@, cose được coi là hệ số

= 0,9 thì P = 10000 0,9 = 9000 kW R6 rang 1a khi cosọ cao máy phát ra nhiều công suất hơn | „ „

- Khi cân truyên tải một công suât P nhật định trên đường dây, thì dòng điện

P Ucosọ

hoặc cos@ =

chạy trên đường dây là: I=

Nếu coso cao thì dòng điện I sẽ giảm , dẫn đến giảm tốn hao điện năng, giảm điện áp rơi trên đường dây và có thể chọn dây dẫn tiết diện nhỏ hơn

Các tải trong nghiệp và sinh hoạt thường có tính điện cảm (cuộn dây

động cơ điện, máy biến áp, chấn lưu, .) nên cosọ thấp Dé nang cao cos@ ta

thường dùng tụ điện nối song song với tải (hình 1.33a)

Khi chưa bù (chưa có nhánh tụ điện) dòng điện sẽ chạy trên đường dây

bằng I, hệ số công suất của mạch (của tái) là coso

Khi có bù (có nhánh tụ điện) dòng điện chạy trên đây là: I=l: + l„

Và hệ số công suất của mạch là cose

27

Từ đồ thị (hình 1.33b) ta thấy: I< l; @ < @¡ và cos@ > cos,

Hình 1.33: Sơ đồ và đồ thị cách đấu tụ song song với tải

Như vậy hệ số coso đã được nâng cao

Điện dung C cần thiết đề nâng hệ số công suất từ cosọ; lên cosọ được tính như sau: 'Vì công suất tác dụng của tải không đổi nên công suất phản kháng của mạch là: Khi chưa bù :

Mặt khác công suât QC của tụ điện được tính là:

QC = - UCIC = - U.U.@C = - U@C (2-16)

So sánh (2-15) và (2-16) ta tính được điện dung C của bộ tụ điện là:

lệch nhau một góc 120” Nguồn ba pha như vậy được gọi là nguồn ba pha đối xứng Mỗi mạch một pha được gọi là pha của mạch ba pha Mạch ba pha bao gồm nguồn điện ba pha, đường dây truyền tải và các phụ tải ba pha

Ngày nay dòng điện xoay chiều 3 pha được sử dụng rộng rãi trong các ngành sản xuất vì:

- Động cơ điện ba pha có cầu tạo đơn giản và đặc tính tốt hơn động cơ điện một pha

~ Truyền tải điện năng bằng mạch điện ba pha tiết kiệm được dây dẫn, giảm bớt tôn thất điện năng và tôn thất điện áp so với truyền tải điện năng bằng dòng điện một pha

3.3.2 Nguyên lý sản sinh ra dòng điện xoay chiều ba pha

28

a Sơ đồ cầu tạo

Để tạo ra dòng điện ba pha, người ta dùng các máy phát điện xoay chiều

ba pha Loại máy phát điện trong các nhà máy điện hiện nay là máy phát điện

đồng bộ (hình 1.34) gồm:

- Ba dây cuốn ba pha đặt trong các rãnh của lõi thép stator (phần tĩnh)

Các dây cuốn này thường ký hiệu là

AX (dây cuốn pha A), BY (dây cuốn

pha B), CY (dây cuốn pha C).Các

dây cuốn của các pha có cùng số

vòng dây và lệch nhau một góc 120°

trong không gian

- Phần quay (còn gọi là rotor) là nam

châm điện N-S

Khi quay rotor, từ trường sẽ lần

lượt quét qua các dây cuốn pha A,

Khi làm việc rô to quay với tốc độ œ, từ trường rô to lần lượt quét qua

dây quấn stator làm cho mỗi dây quấn stator cảm ứng một suất điện động xoay chiều hình sin, các suất điện động này hoàn toàn giống nhau và lệch nhau 1202 ứng với 1/3 chu kỳ

Nếu chọn pha đầu của sức điện động e của đây cuốn AX bằng không thì

biểu thức sức điện động tức thời của các pha là: