(NB) Giáo trình Điện kỹ thuật cơ bản (Nghề: Bảo trì thiết bị cơ điện - Cao đẳng) được biên soạn với mục tiêu nhằm giúp sinh viên trình bày được các đại lượng điện, tính chất của các phần tử trong mạch điện xoay chiều hình sin, phương pháp giải mạch điện; Phân biệt được mạng điện một pha, ba pha; Mô tả được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy biến áp, máy điện một chiều, máy điện xoay chiều. Mời các bạn cùng tham khảo!
ĐIỆN TỪ
KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ TỪ TRƯỜNG
Trong thực tế, nam châm vĩnh cửu, nam châm điện, dây dẫn mang dòng điện tạo ra xung quanh chúng một môi trường tương tác, chúng ta gọi đó là từ trường
Từ trường là một dạng của vật chất tồn tại xung quanh dòng điện hay các hạt mang điện chuyển động và tác dụng lực từ lên dòng điện hay hạt mang điện chuyển động khác trong đó
Từ trường được biểu diễn bởi các đường sức từ trường (đường cảm ứng từ), đi từ cực bắc (N) tới cực nam (S) và trở về cực bắc
Các phương pháp xác định chiều của đường sức từ trường: a Nam châm vĩnh cửu:
Quy tắc “Ra Bắc vào Nam” b Quy tắc “ Vặn đinh ốc” Hình 1.1 Nam châm vĩnh cửu
Đường sức từ trường của dòng điện trong dây dẫn thẳng:
Quy tắc “Vặn đinh ốc 1: Chiều của dòng điện là chiều tiến của đinh ốc, chiều của quay của đinh ốc là chiều của từ trường” (hình 1.2)
Hình 1.2 Quy tắc vặn đinh ốc 1
Đường sức từ trường của cuộn dây có dòng điện:
Quy tắc “Vặn đinh ốc 2: Chiều quay của đinh ốc là chiều của dòng điện trong cuộn dây, chiều tịnh tiến của đinh ốc là chiều của từ trường”
Hình 1.3 Quy tắc vặn đinh ốc 2
CƯỜNG ĐỘ TỪ CẢM, CƯỜNG ĐỘ TỪ TRƯỜNG, TỪ THÔNG
a Khái niệm cảm ứng từ
Từ trường trong không gian biểu diễn bằng các đường sức từ trường, nó là các đường cong khép kín, tiếp tuyến tại mỗi điểm trùng với phương từ trường tại điểm ấy Mật độ đường sức lớn hay nhỏ cho biết từ trường mạnh hay yếu Để đặc trưng cho từ trường người ta dùng khái niệm vector cường độ từ cảm 𝐵⃗⃗⃗
Trị số của 𝐵⃗⃗⃗ : cho biết từ trường mạnh hay yếu, đơn vị là Tesla (T)
Chiều của 𝐵⃗⃗⃗ : là chiều của từ trường (chiều của các đường sức từ trường)
- Để xét đến ảnh hưởng của môi trường vật chất, người ta dung vector cường độ từ trường 𝐻⃗⃗⃗ (đơn vị là Ampe trên mét, A/m), để đặc trưng cho từ trường trong môi trường vật chất
𝑥 𝑚 : độ từ thẩm của môi trường vật chất đặc trưng ảnh hưởng của môi trường
𝜇 0 = 4𝜋 10 −7 : hệ số (độ) từ thẩm của chân không (Henry/mét = H/m)
: hệ số (độ) từ thẩm của môi trường vật chất
Do hệ số từ thẩm của vật liệu dẫn từ lớn gấp hàng nghìn lần của chân hông nên người ta đưa ra khái niệm hệ số từ thẩm tương đối:
Trong kỹ thuật điện, các vật liệu sắt từ có r rất lớn (từ vài trăm cho đến vài vạn) vì vậy sắt từ thường được sử dụng để chế tạo các mạch từ cho các thiết bị điện
Trong khe hở không khí hoặc trong bộ phận không sắt từ: B=𝜇 0 𝐻
B = H = 𝜇 0 𝜇 𝑟 𝐻 b Độ lớn cảm ứng từ
Dây dẫn thẳng dài (hình 1.4):
Trong trường hợp dây dẫn dài vô hạn
Ta tính được cảm ứng từ tại tâm của vòng dây:
Nếu khung dây tròn được tạo bởi N vòng dây thì cảm ứng từ ở tâm của khung dây có độ lớn:
Ống dây hình trụ (xôlênôit)
Từ trường bên trong ống là từ trường đều, các đường sức từ là các đường song song với nhau B ên ngoài ống và gần đầu ống là các đường sức từ có dạng là những đường cong
Từ trường đều trong ống xôlênôit tính được:
1.2.2 Từ thông – Khái niệm về từ thông a Định nghĩa
Xét một vòng dây dẫn kín (C), giới hạn một diện tích phẳng S, đặt trong một từ trường đều có cảm ứng từ 𝐵⃗ Gọi 𝑛⃗ là vector pháp tuyến vuông góc với
S Gọi α là góc hợp bởi 𝑛⃗ và 𝐵⃗ Khi đó đại lượng:
= BScosα được gọi là từ thông qua diện tích S Đơn vị của từ thông là Wb (Vêbe)
Hình 1.7 Từ thông qua diện tích
- Từ thông là một đại lượng vô hướng
- Khi α = 0 0 , vector cảm ứng từ 𝐵⃗ vuông góc với mặt phẳng S thì từ thông đạt giá trị cực đại = BS
- Từ thông còn có ý nghĩa là thông lượng của vector cảm ứng từ 𝐵⃗ xuyên qua một bề mặt S, tức là số đường cảm ứng từ đi qua diện tích S
- Nếu cuộn dây có N vòng dây, khi đó từ thông móc vòng của cuộn dây được định nghĩa:
ĐỊNH LUẬT CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ
Nhà bác học người Anh, Faraday, là người đầu tiên phát hiện ra hiện tượng cảm ứng điện từ Ông đã tìm ra được mối liên hệ giữa điện trường và từ trường
Với các thí nghiệm, đưa nam châm vĩnh cửu lại gần một dây dẫn điện thì làm dòng điện biến đổi, thay đổi dòng điện trong ống dây thì sẽ tạo ra dòng điện trong vòng dây dẫn kín đặt trong từ trường, đó chính là biểu hiện của hiện tượng cảm ứng điện từ
Như vậy, trong mạch kín sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng, khi từ thông (hay số đường cảm ứng từ) qua diện tích giới hạn bởi mạch kín biến thiên theo thời gian
1.3.2 Chiều dòng điện cảm ứng – Định luậ Lenz – Sức điện động cảm ứng a Chiều của dòng điện cảm ứng – Định luật Lentz
Qua phân tích các thí nghiệm về hiện tượng cảm ứng điện từ, nhà bác học Lentz, người Nga, đã tìm ra được quy tắc xác định chiều của dòng điện cảm ứng: Dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch kín có chiều sao cho từ trường do dòng điện ấy sinh ra có tác dụng chống lại sự biến thiên của từ thông đã sinh ra nó (từ thông ban đầu qua mạch) b Sức điện động cảm ứng
Sự xuất hiện dòng điện cảm ứng trong mạch kín chứng tỏ trong mạch đã xuất hiện sức điện động cảm ứng Sức điện động cảm ứng chỉ phụ thuộc vào sự biến thiên của từ thông gửi qua mạch Nếu mạch không kín thì nếu từ thông biến thiên vẫn làm xuất hiện sức điện động cảm ứng nhưng không có dòng điện trong mạch c Định luật cảm ứng điện từ
- Mỗi khi từ thông qua diện tích giới hạn bởi một mạch nào đó biến thiên thì làm xuất hiện trong mạch một sức điện động cảm ứng Nếu mạch khép kín sẽ có dòng điện trong mạch
- Chiều của dòng điện trong mạch sẽ tuân theo định luật Lentz
- Faraday đã tìm ra Định luật cảm ứng điện từ:
Sức điện động cảm ứng xuất hiện trong mạch bằng về trị số nhưng trái dấu với tốc độ biến thiên từ thông qua diện tích giới hạn bởi mạch
- Từ công thức trên ta thấy: 1V = - 1Wb/1s
- Từ trường biến thiên sinh ra điện trường xoáy (điện trường này tác dụng lên các điện tích, làm các điện tích di chuyển tạo nên dòng điện trong mạch kín)
1.3.3 Hiện tượng tự cảm a Hiện tượng tự cảm
Nếu trong một cuộn dây, dòng điện biến thiên, thì từ trường do dòng điện sinh ra cũng biến thiên, do đó từ thông gửi qua cuộn dây cũng biến thiên và trong cuộn dây cũng xuất hiện sức điện động cảm ứng
Sức điện động cảm ứng xuất hiện trong một mạch do biến thiên từ thông của chính mạch đó gây ra gọi là sức điện động tự cảm (kí hiệu là E tc )
Sức điện động tự cảm chỉ tồn tại khi từ thông của mạch biến thiên
Theo quy tắc Lentz, khi dòng điện trong mạch tăng, điện trường xoáy có chiều ngược với dòng điện nhằm ngăn cản sự tăng của dòng điện Ngược lại, khi dòng điện giảm, hiện tượng tự cảm có tác dụng duy trì dòng điện b Độ tự cảm
- Cảm ứng từ B tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện I, từ thông tỉ lệ thuận với cảm ứng từ B, vì vậy tỉ lệ thuận với I Nên ta có công thức:
= LI với L là hệ số tỉ lệ đặc trưng cho mạch (về hiện tượng tự cảm) và gọi là độ tự cảm hay hệ số tự cảm của mạch
- Đơn vị của hệ số tự cảm là H (Henry), 1H = 1Wb/1A
- Độ tự cảm chính là số đo mức quán tính của dòng điện trong mạch.
LỰC TỪ
a Lực tác dụng của từ trường lên dây dẫn mang dòng điện:
Giả sử một dây dẫn có hình dạng bất kỳ, có độ dài ∆l đặt trong một từ trường có vector cảm ứng từ 𝐵⃗ Giả sử chia dây dẫn thành những đoạn nhỏ ∆l, sao cho có thể coi nó như một đoạn dây thẳng và vector cảm ứng từ tác động lên mọi điểm trên đó là như nhau
Khi đó lực tác dụng 𝐹 của từ trường lên phần tử ∆l được xác định bằng định luật Ampere 𝐹 có tính chất như sau:
- Có điểm đặt ở giữa phần tử ∆l
- Có phương vuông góc với mặt phẳng chứa phần tử ∆l và vector cảm ứng từ 𝐵⃗
- Có chiều xác định theo quy tắc “bàn tay trái”: “Đặt bàn tay trái sao cho long bàn tay hứng các đường cảm ứng từ, chiều từ cổ tay đến các ngón tay là chiều của dòng điện, chiều ngón tay cái choãi ra 9 độ là chiều của lực từ tác dụng lên dây dẫn”
Lực tác dụng lên dây dẫn:
F=BIlsinα Với α là góc giữa 2 vector 𝐵⃗ và 𝐼
Khi 𝐵⃗ vuông góc 𝐼 : α = 90 0 , sinα = 1, F = BIl = cực đại b Lực tác dụng lên hai dây dẫn đặt song song
* Hai dây dẫn có cùng chiều dòng điện
Hình 1.6 Lực tác dụng giữa hai dây dẫn mang dòng điện đặt song
Xét đoạn CD = l trên dây dẫn thứ 2 (d2), cảm ứng từ 1 do dây thứ nhất
Chiều của B1 được xác định theo quy tắc vặn đinh ốc 1 Lực từ F12 tác dụng lên dây đoạn
Chiều 𝐹 12 xác định theo quy tắc bàn tay trái
Tương tự cho dây dẫn thứ nhất đoạn AB
Như vậy nếu dòng điện trong 2 dây dẫn cùng chiều thì chúng hút nhau
* Hai dây dẫn có ngược chiều dòng điện (tương tự) dòng điện trong 2 dây dẫn ngược chiều thì chúng đẩy nhau.
MẠCH TỪ
Các thiết bi ̣ điê ̣n như rơle, công tắ c tơ, khởi đô ̣ng từ, áp tô mát, đều có bô ̣ phâ ̣n làm nhiê ̣m vu ̣ biến đổi từ điê ̣n năng ra cơ năng Bô ̣ phâ ̣n này gồm có cuô ̣n dây và ma ̣ch từ go ̣i chung là cơ cấu điê ̣n từ, chia làm hai loa ̣i xoay chiều và mô ̣t chiều Để nắ m được những quy luâ ̣t điê ̣n từ ta xét ma ̣ch từ và phương pháp tính toán ma ̣ch từ
Mạch từ được chia làm các phần:
- Khe hở không khí chính và khe hở phu ̣
- Khi cho dò ng điê ̣n cha ̣y vào cuô ̣n dây thì trong cuô ̣n dây có từ thông đi qua, từ thông này cũng chia làm ba phần : a) Từ thông chính δ là thành phần qua khe hở không khí go ̣i là từ thông làm viê ̣c lv b) Từ thông tả̉n t là thành phần đi ra ngoài khe hở không khí xung quanh c) Từ thông rò r là thành phần không đi qua khe hở không khí chính mà khép kín trong không gian giữa lõi và thân ma ̣ch từ
TÓM TẮT NỘI DUNG CHƯƠNG 1 :
1.1 Khái niệm cơ bản về từ trường
1.2 Cường độ từ cảm, cường độ từ trường, Từ thông
1.3 Định luật cảm ứng điện từ
CÂU HỎI CỦNG CỐ CHƯƠNG 1 :
1 Trình bày khái niệm từ trường
2 Nêu các cách tạo ra từ trường
3 Hãy viết biểu thức quan hệ giũa cường độ từ cảm B và từ thông và đơn vị của chúng
4 Nêu định nghĩa từ thông
5 Trình bày thí nghiệm về hiện tượng cảm ứng điện từ
6 Phát biểu chiều của dòng điện cảm ứng
7 Trình bày thí nghiệm về hiện tượng tự cảm
8 Từ thông xuyên qua một tiết diện S Pcm 2 bằng = 6.10-3Wb Cho biết từ trường phân bố đều trên diện tích S Tính cường độ từ cảm B Đáp số: = 1,2 T
9 Một cuộn dây 5 vòng Người ta đưa một nam châm tiến gần đến cuộn dây Biết rằng tốc độ biến thiên từ thông qua cuộn dây là 0,6Wb/s Tính sức điện động cảm ứng trong cuộn dây Đáp số: e = 300V
MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU
KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU
2.1.1 Nguồn điện a Nguồn điện một chiều
Là những thiết bị cung cấp dòng điện một chiều (dòng điện có trị số và chiều không đổi theo thời gian)
Ví dụ: pin, accquy, máy phát điện 1 chiều … b Nguồn điện xoay chiều
Là những thiết bị cung cấp dòng điện xoay chiều (dòng điện có trị số và chiều thay đổi theo thời gian)
Ví dụ: máy phát điện xoay chiều …
Phụ tải (tải) là các thiết bị tiêu thụ điện năng để biến đổi thành các dạng năng lượng khác (quang năng ,nhiệt năng, cơ năng…)
Ví dụ: động cơ điện, bàn ủi, bếp điện, bóng đèn…
2.1.3 Các thiết bị trung gian
Các thiết bị phụ trợ như thiết bị đóng cắt (cầu dao, máy ngắt…) để đóng cắt dòng điện, thiết bị bảo vệ (cầu chì), thiết bị đo lường (các đồng hồ đo…) v.v.
CẤU TRÚC HÌNH HỌC CỦA MẠCH ĐIỆN
Hình 2.1 Cấu trúc mạch điện
Nhánh là bộ phận của dòng điện gồm có các phần tử nối tiếp nhau trong đó có cùng dòng điện chạy qua
Nút là chỗ gặp nhau của các nhánh (từ 3 nhánh trở lên)
Mạch vòng là lối đi khép kín qua các nhánh và chỉ đi qua mỗi nút 1 lần
Là vòng nhỏ nhất, bên trong không có vòng nào khác Ví dụ: Mạch trên bao gồm:
- 3 mạch vòng: a,b, kết hợp của a và b.
CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG QUÁ TRÌNH NĂNG LƯỢNG TRONG MẠCH ĐIỆN 12 2.4 CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐIỆN
Dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện dưới tác dụng của điện trường
Người ta quy ước chiều của dòng điện là chiều chuyển dịch của các điện tích dương Như vậy trong vật dẫn, chiều dòng điện hướng từ cực dương (+) về cực âm (- ) của nguồn (từ nơi có điện thế cao về nơi có điện thế thấp hơn) Đại lượng đặc trưng cho độ lớn của dòng điện là cường độ dòng điện hay dòng điện, ký hiệu là I Cường độ dòng điện bằng lượng điện tích (hay điện lượng) q qua tiết diện thẳng của vật dẫn trong khoảng thời gian t i=∆q
∆t Đơn vị của dòng điện là Ampe, kí hiệu là A
Sự chuyển dời của các điện tích theo một hướng nhất định với tốc độ không đổi sẽ tạo thành dòng điện một chiều Vậy dòng điện một chiều là dòng điện có chiều và trị số không đổi theo thời gian b Tác dụng của dòng điện là:
Tại mỗi điểm trong mạch điện có một điện thế Hiệu điện thế giữa 2 điểm gọi là điện áp U: U AB =φ A -φ B Đơn vị của điện áp là Volt, kí hiệu là V
Chiều của điện áp quy ước là chiều từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp
Công suất của nguồn sức điện động: P = E.I Công suất của mạch ngoài: P U.I Đơn vị của công suất là Oát, ký hiệu là W
2.4 CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐIỆN
Nguồn áp lý tưởng có khả năng duy trì một điện áp u giữa 2 đầu độc lập với dòng điện qua nguồn
Hình 2.2 Kí hiệu nguồn sức điện động Nguồn điện áp còn được biểu diễn bằng một sức điện động e (t)
Chiều e (t) từ điểm điện thế thấp đến điểm điện thế cao Chiều điện áp theo quy ước từ điểm có điện thế cao đến điểm điện thế thấp: u(t) = - e(t)
Nguồn dòng lý tưởng có khả năng duy trì một dòng điện chạy qua một nhánh độc lập với điện áp, có trị số bằng dòng điện ngắn mạch giữa 2 cực của nguồn
2.4.3 Điện trở Điện trở thỏa quan hệ dòng áp như sau: u =R.i Điện trở đặc trưng cho một vật dẫn về mặt cản trở dòng điện chạy qua Về hiện tượng năng lượng, điện trở R đặc trưng cho tiêu tán năng lượng, biến đổi năng lượng tiêu thụ thành các dạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng, Đơn vị Ohm ()
Công suất của điện trở: P = RI 2
Tụ điện thỏa quan hệ dòng áp như sau:
𝑖 = 𝐶𝑑𝑢 𝑑𝑡 Trong đó: C là điện dung của tụ điện, có đơn vị là F (Fara)
Hình 2.4 Kí hiệu tụ điện
Khi có dòng điện i chạy qua cuộn dây có W vòng sẽ sinh ra từ thông móc vòng với cuộn dây:
= W. Điện cảm của cuộn dây được định nghĩa
𝐿 =I Wi Đơn vị của điện cảm là Henry (H).
Nếu dòng điện i biến thiên thì từ thông cũng biến thiên và theo định luật cảm ứng điện từ trong cuộn dây xuất hiện sức điện động tự cảm
Hình 2.5 Kí hiệu cuộn cảm Điện áp trên cuộn dây
MỘT SỐ ĐỊNH LUẬT VÀ ĐỊNH LÝ TRONG MẠCH ĐIỆN
Nhánh thuần trở R Điện áp trên điện trở R: U = I.R
- U: điện áp trên R, đơn vị V
- I: dòng điện chạy qua R, đơn vị A
Nhánh có sức điện động E và điện trở R
Xét nhánh E, R (hình 2.7) iểu thức tính điện áp U:
Ta quy ước về dấu như sau: Sức điện động E và dòng điện I có chiều trùng với chiều điện áp U sẽ lấy dấu dương, ngược lại sẽ lấy dấu âm
Biểu thức tính dòng điện
Ta quy ước về dấu như sau: Sức điện động E và điện áp U có chiều trùng với chiều dòng điện I sẽ lấy dấu dương, ngược lại sẽ lấy dấu âm
2.5.2 Công, Công suất, Định luật Jun-Lentz
• Công, công suất của dòng điện
Khi đặt một hiệu điện thế U vào hai đầu đoạn mạch, dưới tác dụng của điện trường, các điện tích di chuyển có hướng trong đoạn mạch tạo thành dòng điện I Sau một khoảng thời gian t, điện lượng di chuyển trong mạch là: q = I.t, công của dòng điện sẽ là:
A = q.U = UIt Đơn vị của công được tính bằng J
Vậy, công của dòng điện sinh ra trên đoạn mạch bằng tích của hiệu điện thế giữa 2 đầu đoạn mạch với cường độ dòng điện và thời gian dòng điện đi qua
- Công suất của dòng điện
Công suất của dòng điện là đại lượng đặc trưng cho tốc độ sinh công của dòng điện, được tính theo công thức:
A= P/t= UI Đơn vị của công suất được tính bằng W
Công và công suất của dòng điện sinh ra trong một đoạn mạch cũng là điện năng và công suất điện tiêu thụ ở đoạn mạch
• Công và công suất của nguồn điện
Gọi E là suất điện động của nguồn điện, khi đó:
- Công suất của nguồn điện
Công và công suất của nguồn điện bằng điện năng và công suất điện sinh ra trong toàn mạch
• Định luật Jun-Lentz Định luật: Nhiệt lượng tỏa ra trên một vật dẫn tỉ lệ thuận với điện trở của vật dẫn, với bình phương cường độ dòng điện và với thời gian dòng điện chạy qua
• Nung nóng một vật bằng hiệu ứng Jun
2.5.3 Định luật Kirchhoff 1 Định luật này cho ta quan hệ giữa các dòng điện tại một nút, được phát biểu như sau: Tổng đại số các cường độ dòng điện ở mỗi nút phải bằng không, tức là tổng các dòng điện đi vào bằng tổng các dòng điện đi ra nút
Trong đó quy ước dòng điện đi vào nút lấy dấu dương, dòng điện ra khỏi nút lấy dấu âm (hình 2.2)
2.5.4 Định luật Kirchhoff 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 sau: Đi theo một mạch vòng khép kín theo một chiều tùy ý, tổng đại số những sức điện động bằng tổng đại số các điện áp rơi trên các điện trở của mạch vòng
E = RI Quy ước dấu: sức điện dộng, dòng điện có chiều trùng chiều mạch vòng lấy dấu dương, ngược
Hình 2 9 Mạch vòng dòng điện lại lấy dấu âm
Ví dụ: Tính dòng điện I3 và các sức điện động E1, E3 trong mạch điện như hình vẽ Cho biết I2 = 10A, I1 = 4, R1 = 1, R2 = 2, R3 = 5
Lời giải: Áp dụng định luật Kirchhoff 1 tại nút A
I3 = I2 – I1 = 10 – 4 = 6A Áp dụng định luật Kirchhoff 2 cho vòng a E1 = R1I1 + R2I2 1.4 + 2.10 = 24V Áp dụng định luật Kirchhoff 2 cho vòng b
2.5.5 Các phương pháp giải mạch điện a Phương pháp biến đổi tương đương
• Các điện trở mắc nối tiếp:
• Các điện trở mắc xong xong:
𝑅 𝑛 b Phương pháp dòng điện nhánh
- Bước 1: Xác định số nút n, số nhánh m Số ẩn của hệ phương trình bằng số nhánh m
- Bước 2: Chọn chiều dòng điện mỗi nhánh (tùy ý)
- Bước 3: Viết phương trình Kirchhoff 1 cho (n-1) nút đã chọn
- Bước 4: Viết phương trình Kirchhoff 2 cho (m-(n-1)) = (m-n+1) mạch độc lập
- Bước 5 : Giải hệ thống m phương trình đã thiết lập, ta có dòng điện các nhánh
Ví dụ: Áp dụng phương pháp dòng điện nhánh, tính dòng điện trong các nhánh của mạch điện như hình vẽ
Bước 1: Mạch điện có 2 nút
A và B số nút n = 2 ; mạch điện có 3 nhánh, số nhánh m
Bước 2: Chiều dòng điện các nhánh I1, I2, I3 như hình vẽ
(1) Bước 4: Phương trình Kirchhoff 2 cho mạch vòng a 47I1 + 22I2 = 10
(2) Phương trình Kirchhoff 2 cho mạch vòng b 22I2 + 68I3 = 5 (3) Bước 5: Giải hệ 3 phương trình (1), (2), (3) ta có dòng điện các nhánh I1 = 138 mA
I2 = 160 mA I3 = 22 mA Phương pháp dòng điện nhánh giải trực tiếp các dòng điện các nhánh, song số phương trình bằng số nhánh m, tương đối lớn, đòi hỏi nhiều thời gian tính toán giải hệ phương trình
Vì vậy dưới đây đưa ra phương pháp sử dụng các ẩn số trung gian là dòng điện vòng c Phương pháp dòng điện vòng
- Bước 1: Xác định (m-n+1) mạch vòng độc lập, chọn chiều cho các mạch vòng này (tùy ý) Nên chọn chiều của các mạch vòng giống nhau
- Bước 2: Viết phương trình Kirchhoff 2 cho mỗi mạch vòng đã chọn
- Bước 3: Giải hệ phương trình vừa thiết lập, ta có dòng điện mạch vòng
- Bước 4: Tính dòng điện các nhánh theo dòng điện mạch vòng như sau: dòng điện mỗi nhánh bằng tổng đại số dòng điện các mạch vòng chạy qua nhánh ấy
Ví dụ: Áp dụng phương pháp dòng điện mạch vòng giải mạch điện như hình vẽ
Bước 1: Số mạch vòng độc lập: m –n +1 = 3 – 2 + 1 = 2 mạch vòng Chiều mạch vòng Ia, Ib như hình vẽ
Bước 2: Phương trình Kirchhoff 2 cho các mạch vòng
69Ia – 22Ib = 10 (1) Mạch vòng b: (22 + 82)Ib – 22Ia = 5
104Ib – 22Ia = 5 (2) Bước 3: Giải hệ phương trình (1) và (2) ta có dòng điện vòng Ia = 0,139A
Ib = - 0,0187A Bước 4: Tính dòng điện nhánh
= 158 mA I3 = Ib = - 0,0187 A = - 18,7 mA Dòng điện I3 < 0, do đó I3 có chiều ngược lại với chiều đã vẽ
TÓM TẮT NỘI DUNG CHƯƠNG 2 :
2.1 Khái niệm cơ bản về từ trường
2.2 Khái niệm chung về mạch điện một chiều
2.3 Cấu trúc hình học của mạch điện một chiều
2.4 Các đại lượng đặc trưng quá trình năng lượng trong mạch điện
2.5 Các phần tử cơ bản của mạch điện
2.6 Một số định luật và định lý trong mạch điện
CÂU HỎI CỦNG CỐ CHƯƠNG 2:
1 Nguồn điện là gì? Tải là gì? Hãy cho ví dụ về nguồn và tải
2 Trình bày cấu trúc mạch điện?
3 Trình bày các đại lượng điện cơ bản?
4 Nêu và định nghĩa các phần tử cơ bản của mạch điện?
5 Phát biểu định luật Ôm?
6 Phát biểu định luật Jun-Lentz?
7 Phát biểu định luật Kirchhoff?
8 Trình bày các bước giải mạch điện bằng phương pháp dòng điện nhánh?
10 Trình bày các bước giải mạch điện bằng phương pháp xếp chồng?
11 Một tải có điện trở R = 19 đấu vào nguồn điện một chiều có E = 100V, đện trở trong R tr = 1 Tính dòng điện I, điện áp U và công suất P của tải Đáp số: I = 5A; U = 95V; P = 475W
12 Cho một nguồn điện một chiều có sức điện động E = 50V, điện trở trong Rtr 0,1 Nguồn điện cung cấp cho tải có điện trở R Biết công suất tổn hao trong nguồn điện là 10W Tính dòng điện I, điện áp U giữa 2 cực của nguồn điện, điện trở R và công suất P tải tiêu thụ Đáp án: I = 10A; U = 49V; R = 4,9; P = 490W
13 Để có điện trở (tương đương) 150, người ta đấu song song hai điện trở R1 330 và R2 Tính giá trị điện trở R2 Đáp số: R 2 = 275
14 Hai điện trở R 1 = 100 và R 2 = 47 đấu song song, biết dòng điện ở mạch chính
I = 100mA Tính dòng điện qua các điện trở R 1 , R2 Đáp số: I 1 = 32mA; I 2 = 68mA
15 Dùng phép biến đổi tương đương, tính dòng điện trong các nhánh trên hình vẽ Tính công suất nguồn và công suất trên các điện trở Cho U = 80V; R = 1,25; R 1 = 6
16 Cho mạch điện như hình vẽ dưới.
Với E1 = 200V; E 2 = 170V; R 1 = 2; R 2 = 7; R 3 = 20 ; R 4 = 3 Hãy giải mạch điện dưới bằng các phương pháp sau: a Phương pháp dòng điện nhánh b Phương pháp dòng điện mạch vòng.
DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN
NGUYÊN LÝ TẠO RA DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN
Áp dụng các định luật cảm ứng điện từ, người ta đã tạo ra dòng điện hình sin bằng cách: Tác động một lực cơ học vào khung dây trong từ trường của nam châm có 2 cực
NS, khung dây quay cắt các đường sức từ sẽ tạo ra dòng điện hình sin trong khung dây Dòng điện cung cấp cho tải thông qua vòng trượt và chổi than Tuy nhiên, đối với mạch điện có công suất lớn, phương pháp này sẽ gặp nhiều khó khăn ở chỗ tiếp xúc giữa vành trượt và chổi than
Trong thực tế, máy phát điện xoay chiều được thiết kế như sau: dây quấn đặt trong các rãnh của lõi thép là phần tĩnh, phần động chính là nam châm Nam châm quay sẽ làm cho dây quấn cắt các đường sức từ tạo ra dòng điện hình sin trong cuộn dây
Hình 3.1 Nguyên lý tạo ra dòng điện xoay chiều hình
CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CHO DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN
Dòng điện xoay chiều hình sin là dòng điện biến đổi một cách chu kỳ theo quy luật hình sin theo thời gian, được biểu diễn bằng đồ thị hình sin (hình 3.2)
Trong đó: i(t): giá trị dòng điện tức thời
Imax: giá trị dòng điện cực đại
3.2.1 Chu kỳ T, tần số f, tần số góc
- Chu kỳ T: là khoảng thời gian ngắn nhất để dòng điện lặp lại trị số và chiều biến thiên (lặp lại dao động) Đơn vị của chu kỳ là đơn vị của thời gian, tính bằng s
- Tần số f: là số chu kỳ của dòng điện trong một giây
F= 1/T Đơn vị của tần số là héc (Hz)
- Tần số góc : là tốc độ biến thiên của dòng điện hình sin, có đơn vị là rad/s
3.2.2 Trị số tức thời của dòng điện
Trị số tức thời là trị số ứng với mỗi thời điểm t Trị số tức thời phụ thuộc vào biên độ Imax và góc pha (t + )
Imax: biên độ dòng điện, là trị số cực đại nói lên dòng điện lớn hay nhỏ
(t + ): góc pha của dòng điện, nói lên trạng thái của dòng điện ở thời điểm t
: góc pha ban đầu của dòng điện
Cho hai biểu thức trị số tức thời của dòng điện: i1(t) = I1maxsin(t + 1) i2(t) = I2maxsin(t + 2) Suy ra: = 2 - 1
>0 : dòng điện i2 sớm pha (nhanh pha) hơn dòng điện i1
< 0: dòng điện i2 trễ pha (chậm pha) hơn dòng điện i1
=0 : dòng điện i2 trùng pha với dòng điện i1
Tương tự, ta sẽ tính được quan hệ về pha giữa dòng điện và điện áp, với: i(t) Imaxsin(t + i) u(t) = Umaxsin((t + u) Chú ý: Muốn so sánh góc pha ta phải có 2 đại lượng có cùng tần số góc .
TRỊ SỐ HIỆU DỤNG CỦA DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN
Ta đã biết, tác dụng nhiệt và lực điện từ tỉ lệ với bình phương dòng điện Đối với dòng điện hình sin có chu kỳ T, tác dụng này tỉ lệ với trị số trung bình bình phương của dòng điện trong một chu kỳ
Trị số hiệu dụng là trị số trung bình bình phương trong một chu kỳ T
Ta tính được trị hiệu dụng của dòng điện:
√2 Tương tự như vậy ta có trị số hiệu dụng của điện áp và sức điện động xoay chiều hình sin:
Trị hiệu dụng là đại lượng quan trọng của mạch điện xoay chiều Các trị số ghi trên nhãn các thiết bị điện, các dụng cụ đo, (sử dụng dòng điện xoay chiều) là trị số hiệu dụng của chúng
Chú ý: Cần phân biệt được:
- Trị số tức thời u(t), i(t) - kí hiệu chữ in thường
- Trị số hiệu dụng U, I - kí hiệu chữ in hoa
- Trị số cực đại (biên độ): Umax, Imax
Ví dụ: Cho dòng điện hình sin i(t) = 4,5sin 314t chạy qua điện trở R= 10Ω
Tính công suất P, điện năng A của điện trở tiêu thụ trong 20 giờ
Trị số hiệu dụng của dòng điện qua điện trở là:
Công suất của điện trở:
P = I 2 R = 3,18 2 10 = 101,1 (W) Điện năng tiêu thụ trong 2 h:
BIỂU DIỄN DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN BẰNG VECTOR
i(t) = Imaxsin(t+) = I√ sin(t+) Như vậy, khi tần số đã cho, nếu biết trị hiệu dụng I và pha ban đầu thì dòng điện i hoàn toàn xác định được Độ dài của vector biểu diễn trị số hiệu dụng Góc của vector với trục ox biểu diễn góc pha đầu
Ta biểu diễn dòng điện i và điện áp u bằng vector như sau :
Hình 3.3 Biêu diễn vector biết
Ví dụ: Hãy biểu diễn dòng điện, điện áp bằng vector và chỉ ra góc lệch pha , cho i = 20√2 sin(ωt - 10 0 ) u = 100√2 sin(ωt + 40 0 )
Góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp là góc giữa 2 vector I và U⃗⃗ (hình 3.4)
KHẢO SÁT MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN
3.5.1 Dòng điện sin trong nhánh thuần trở
Hình 3.5 iểu diễn dòng điện sin trong nhánh thuần trở
Giả sử có dòng điện i(t) = Imaxsint = I√ sint đi qua điện trở R, áp dụng định luật Ohm: u(t) = R.i(t) = R.Imaxsint = R.I√ sint = UR√ sint Như vậy:
- Điện áp trên điện trở R cùng pha với dòng điện qua R
- Định luật Ohm cho trị hiệu dụng:
3.5.2 Dòng điện trong nhánh thuần dung
Hình 3.6 iểu diễn dòng điện sin trong nhánh thuần dung Khi ta đặt điện áp xoay chiều lên một tụ điện thuần dung C, điện áp rên tụ điện là: uC (t) = UC√ sint
Như đã biết: q = C.u, suy ra: i=dq dt dt =ωCU C cosωt=I√2sin(ωt+π
- Quan hệ của các thông số hiệu dụng:
- ZC được gọi là dung kháng của điện dung, có đơn vị là Ω
- Dòng điện và điện áp có cùng tần số
- Điện áp Uc trễ pha (chậm pha) hơn so với dòng điện 1 góc 90 0 (/2)
3.5.3 Dòng điện sin trong nhánh thuần cảm
Hình 3.7 Biểu diễn dòng điện sin trong nhánh thuần cảm
Dòng điện xoay chiều qua cuộn dây có phương trình: i(t) = I√2sint Khi đó giữa hai cực sẽ xuất hiện một điện áp cảm ứng: u=Ldi dt =ωLI√2cosωt=U L √2sin(ωt+π
- Quan hệ giữa các thông số hiệu dụng:
- ZL được gọi là cảm kháng của cuộn dây, đơn vị
- Dòng điện i và điện áp uL cócùng tần số
- Điện áp UL sớm pha hơn dòng điện một góc /2
3.5.4 Dòng điện sin trong nhánh R-L-C mắc nối tiếp
Hình 3.8 Biểu diễn dòng điện sin trong nhánh R-L-C
Khi cho dòng điện i(t) = I√2sint chạy trong nhánh R, L, C mắc nối tiếp, tạo ra điện áp rơi trên điện trở uR, trên điện cảm uL , trên điện dung uC
Trị số tức thời của điện áp ở 2 đầu nhánh: u = uR + uL + uC
Biểu diễn bằng vector: U⃗⃗ =U⃗⃗⃗⃗ +U R ⃗⃗⃗⃗ +U L ⃗⃗⃗⃗ C Áp dụng mối quan hệ dòng và áp ta vẽ được giản đồ vector, tính toán được các thông số:
= I√R 2 + (Z L -Z C ) 2 =I.Z Góc lệch pha giữa điện áp U⃗⃗ và dòng điện I là: tgφ=U L -U C
Z=√R 2 +(Z L -Z C ) 2 gọi là tổng trở nhánh RLC mắc nối tiếp
ZLC = ZL – ZC gọi là điện kháng
Quan hệ giữa điện áp U⃗⃗ và dòng điện I phụ thuộc vào các giá trị R, ZL, ZC có nghĩa là phụ thuộc vào các giá trị của R, L, C
ZL > ZC: nhánh có tính cảm, > 0, điện áp sớm pha hơn dòng điện
ZL < ZC: nhánh có tính dung, < 0, điện áp chậm pha hơn dòng điện
ZL = ZC, = 0, điện áp trùng pha với dòng điện lúc này có hiện tượng cộng hưởng, dòng điện trong mạch có trị số lớn nhất Điều kiện để có cộng hưởng là: ωL= 1 ωC Tần số cộng hưởng là: ω=√ 1 LC
Ví dụ: Cho mạch điện có R, L, C nối tiếp (hình 3.10a) biết điện áp đầu cực của nguồn u = 10 2sinωt
Tổng trở của mạch điện có R, L, C nối tiếp
Dòng điện I chạy trong mạch z A
Điện áp trên các phần tử
Góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện:
X tg X L C φ = -25 0 φ < 0 cho ta biết dòng điện vượt trước điện áp Để vẽ đồ thị vectơ (hình 3.9b) trước hết vẽ vectơ điện áp trùng với trục ox (u = 0) sau đó vẽ vectơ dòng điện I vượt trước điện áp U một góc 25 0 Vectơ U R trùng pha với
, vectơ U L vượt trước I một góc 90 0 , vectơ U C chậm sau dòng điện I một góc 90 0 Chú ý: U
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 dạng năng lượng khác (tiêu tán, không còn tồn tại trong mạch điện) Thông số đặc trưng cho quá trình này là điện trở R
Quá trình trao đổi, tích lũy 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 trên người ta đưa ra các khái niệm công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q
Công suất tác dụng P là công suất điện trở R tiêu thụ, đặc trưng cho quá trình biến đổi điện năng sang nhiệt năng, quang năng, …
Từ giản đồ vector (hình 3.6) cho thấy: UR = R.I
Công suất tác dụng là công suất trung bình trong một chu kỳ Đơn vị của công suất tác dụng là Oát, kí hiệu là W
3.6.2 Công suất phản kháng Q Để đặc trưng cho cường độ quá trình trao đổi, tích lũy năng lượng điện từ trường, người ta đưa ra khái niệm công suất phản kháng Q
Từ giản đồ vector (hình 3.6):
Công suất phản kháng của điện cảm QL QL ZLI 2 Công suất phản kháng của điện Đơn vị của công suất phản kháng: VAr
3.6.3 Công suất biểu kiến S Để đặc trưng cho khả năng của thiết bị và nguồn thực hiện 2 quá trình năng lượng ở trên, người ta đưa ra khái niệm công suất biểu kiến S:
P= UIcosφ=Scosφ Q=UIsinφ=Ssinφ Đơn vị của công suất biểu kiến S là: Volt Ampe, Kí hiệu: VA
Ta thấy, cực đại của công suất tác dụng P khi cos =1, cực đại công suất phản kháng Q khi sin =1 là công suất biểu kiến S Vậy S nói lên khả năng của thiết bị
Trên các nhãn của máy biến áp, máy phát điện người ta thường ghi công suất biểu kiến S định mức.
HỆ SỐ CÔNG SUẤT
3.7.1 Định nghĩa và ý nghĩa hệ số công suất
Trong biểu thức công suất tác dụng P = Scos = UIcos, cos được gọi là hệ số công suất của mạch điện xoay chiều
Hệ số công suất phụ thuộc vào các thông số của mạch điện Trong nhánh RLC nối tiếp: cosφ =R
Hệ số công suất là chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng, có ý nghĩa rất lớn về kinh tế:
Mỗi máy điện đều chế tạo với một công suất biểu kiến định mức Sđm, từ đó máy có thể cung cấp một công suất tác dụng
Nếu cos = 1 thì P = Sđm là công suất lớn nhất mà máy có thể cung cấp được Nếu cos càng nhỏ thì khả năng phát công suất tác dụng của máy càng bé
Do đó muốn tận dụng khả năng làm việc của máy điện và thiết bị, thì hệ số công suất phải lớn
Mỗi hộ tiêu thụ yêu cầu một công suất tác dụng P xác định Khi đó dòng điện chuyển tải qua đường dây:
Nếu hệ số công suất càng bé thì dòng điện cáng lớn và điều đó dẫn đến hai tác hại:
- Dòng điện lớn phải dùng dây dẫn lớn, làm tăng kim loại màu và vốn đầu tư xây dựng đường dây
- Tổn thất năng lượng trên đường dây tỷ lệ với bình phương dòng điện:
Do đó dòng điện chuyển tải lớn thì điện năng tổn hao nhiều Như vậy việc nâng cao hệ số công suất dẫn đến sự giảm vốn đầu tư xây dựng đường dây và giảm tổn thất điện năng chuyền tải
Rõ ràng việc nâng cao hệ số công suất có ý nghĩa lớn lao về hiệu quả kinh tế và trong kĩ thuật sản suất tiêu thụ điện người ta luôn nghiên cứu các biện pháp nâng cao cos
3.7.2 Một số biện pháp nâng cao hệ số công suất cosφ = P
Muốn nâng cao hệ số công suất, phải tìm mọi cách giảm nhỏ công suất phản kháng
Q Việc nâng cao hệ số công suất cuối cùng qui về hai hướng:
- Giảm công suất phản kháng nơi tiêu thụ (biện pháp chủ động)
- Sản xuất công suất phản kháng tại nơi tiêu thụ hoặc gần nơi tiêu thụ (biện pháp thụ động), gọi là phương pháp bù Phương pháp bù đơn giản nhất là dùng tụ điện mắc song song với phụ tải (hình 3.9)
Khi chưa bù (chưa có nhánh tụ điện), dòng điện chạy trên đường dây bằng
I1, hệ số công suất của mạch (của tải) là cos1
Khi có bù (có nhánh tụ điện), dòng điện chạy trên đường dây I là:
Và hệ số công suất của mạch là cos Từ đồ thị (hình 3.9) ta thấy
Như vậy hệ số công suất cos đã được nâng cao Điện dung C cần thiết để nâng cao hệ số công suất từ cos1 lên cos được tính như sau:
Vì công suất tác dụng của tải không đổi nên công suất phản kháng của mạch là: Khi chưa bù:
Khi có bù bằng tụ điện (tụ điện cung cấp QC) Q = Q1 + Qc
Từ đó rút ra công suất QC của tụ điện là: QC = -P(tg1 - tg)
Mặt khác công suất QC của tụ được tính là: QC = -UCIC = - U.U.C = -U 2 C Điện dung C của bộ tụ điện được tính:
TÓM TẮT NỘI DUNG CHƯƠNG 3 :
1 Khái niệm cơ bản về từ trường
2 Khái niệm chung về mạch điện một chiều
3 Cấu trúc hình học của mạch điện một chiều
4 Các đại lượng đặc trưng quá trình năng lượng trong mạch điện
5 Các phần tử cơ bản của mạch điện
6 Một số định luật và định lý trong mạch điện
CÂU HỎI CỦNG CỐ CHƯƠNG 3:
1 Định nghĩa dòng điện xoay chiều hình sin? iểu thức trị số tức thời, trị số hiệu dụng? Ý nghĩa trị số hiệu dụng?
2 Định nghĩa góc lệch pha?
3 Cho biết quan hệ giữa dòng điện và điện áp của các nhánh sau: R; L; C; RL; RC; LC; RLC nối tiếp
4 Nêu các biểu thức tính công suất tác dụng P? P là công suất tiêu thụ của phần tử nào trong mạch điện? Đơn vị của P?
5 Nêu các biểu thức tính công suất phản kháng Q? Q là công suất tiêu thụ của phần tử nào trong mạch điện? Đơn vị của Q?
6 Nêu các biểu thức tính công suất biểu kiến? Đơn vị của S?
7 Nêu cách biểu diễn dòng điện, điện áp hình sin bằng vecto
8 Cho biểu thức trị số tức thời của dòng điện và điện áp một nhánh là : i = 10√ sin(ωt – 15o) và u = 200√ sin(ωt +25o) Hãy xác định Umax, Imax, U, I, φ u , φ i , và φ Đây là nhánh có tính chất gì?
9 Nguồn điện U = 23 V đấu vào mạch điện có R = 57Ω; ZL=1 Ω mắc nối tiếp Tính I, UR, UL, cosφ, P, Q của mạch Đáp số: I = 2A; U R = 114V; U L = 200V; cosφ = 0,495; P = 228W; Q = 400 VAr
10 Một nguồn điện có tần số f = 10 kHz cung cấp điện cho tải có R = 10 kΩ; L 100 mH nối tiếp Người ta muốn có I = 0,2 mA Xác định điện áp nguồn U Đáp số: U = 2,36V
11 Một nguồn điện U = 15V; f = 10 kHz cung cấp điện cho tải cú C = 0,005à , R 1 kΩ nối tiếp Tính I, cosφ, P, Q, U C , U R Đáp số: I = 4,5mA; cosφ = 0,3; P = 20,25mW; Q C = -64,395mVAr, U R = 4,5V;
12 Một nguồn điện có điện có điện áp U, cung cấp điện cho tải có R = 15Ω ; Z C 2 Ω mắc nối tiếp Biết công suất tác dụng của mạch điện P = 240W Tính I, U R , U C ,
U, cosφ, QC của mạch điện Đáp số: I = 4A; U R = 60V, U C = 80V; U = 100V; cosφ = 0,6; Q C = -320VAr
13 Bốn bóng đèn có ghi U = 110V; P = 150W, mắc trong mạch điện xoay chiều có điện áp U n = 220V Vẽ sơ đồ mắc các đèn đó và tìm dòng điện qua mỗi bóng đèn, công suất cả 4 bóng Đáp số: I = 1,36A; P = 600W
14 Một tải có R = 6Ω, Z L = 8Ω Tính hệ số công suất của tải Người ta đấu vào nguồn
U = 120V Tính công suất P, Q của tải Để nâng cosφ của mạch điện lên bằng
1 Tính dung lượng Q C của bộ tụ mắc song song với tải Tính điện dung C của bộ tụ cho biết tần số của nguồn điện f = 50Hz Đáp số: cosφ = 0,6; P = 864W; Q = 1152VAr; QC = -1152 VAr; C = 2,547.10-4F
MẠCH ĐIỆN 3 PHA
NGUYÊN LÝ TẠO RA NGUỒN ĐIỆN XOAY CHIỀU 3 PHA
4.1.1 Sơ lược nguyên tắc hoạt động của máy phát điện 3 pha a Cấu tạo:
Ngày nay điện năng sử dụng trong công nghiệp dưới dạng dòng điện sin 3 pha Vì động cơ điện 3 pha có cấu tạo đơn giản và đặc tính tốt hơn động cơ một pha, việc truyền tải điện năng bằng điện 3 pha tiết kiệm được dây dẫn hơn việc truyền tải điện bằng dòng điện 1 pha Để tạo ra nguồn điện 3 pha người ta sử dụng máy phát điện đồng bộ 3 pha
Cấu tạo như sau (hình 4.1)
- Phần tĩnh (stato): Gồm có các rãnh đặt 3 cuộn dây có cùng số vòng dây
AX, BY, CZ; đặt lệch nhau một góc là 12 0 điện trong không gian Mỗi cuộn dây được gọi là một pha
- Phần quay (rôto): Là nam châm điện với 2 cực N-S
Hình 4.1 Cấu tạo của máy phát điện đồng bộ 3 pha b Nguyên lý hoạt động
Khi quay rôto, từ trường sẽ lần lượt quét qua các dây quấn pha A, pha , pha C của stoto và trong dây quấn stato xuất hiện sức điện động cảm ứng, sức điện động này có dạng hình sin cùng biên độ, cùng tần số góc và lệch pha nhau một góc
Nếu chọn pha đầu của sức điện động eA của dây quấn AX bằng không, thì biểu thức sức điện động tức thời của các pha là:
Sức điện động pha A: e A =E√2sinωt
Sức điện động pha B: e B =E√2sin(ωt - 2𝜋
Sức điện động pha C: e C =E√2sin(ωt - 4𝜋
Một mạch điện 3 pha bao gồm: nguồn 3 pha, tải 3 pha và đường dây nối 3 pha
4.1.2 Ưu điểm của hệ thống điện 3 pha với hệ thống 1 pha
- Cấu tạo của máy phát điện 3 pha đơn giản và có đặc tính tốt hơn so với máy phát điện 1 pha
- Truyền tải điện năng bằng dòng điện 3 pha sẽ tiết kiệm được dây dẫn hơn so với truyền tải bằng 1 pha (khối lượng của dây dẫn ít hơn)
- Trong hệ thống 1 pha, công suất tức thời bị dao động, trong khi trong mạch điện 3 pha, công suất tức thời không đổi vì vậy các máy điện ít bị rung và làm việc tốt hơn.
NGUỒN ĐIỆN 3 PHA ĐỐI XỨNG
Nguồn điện gồm sức điện động hình sin cùng biên độ, cùng tần số, lệch nhau về pha 2𝜋
3 gọi là nguồn ba pha đối xứng
4.2.2 Sức điện động tức thời 3 pha, giản đồ vectơ
Tải ba pha có tổng trở của các pha bằng nhau ZA = ZB = ZC gọi là tải ba pha đối Mạch điện ba pha gồm nguồn tải và đường dây đối xứng gọi là mạch điện ba pha đối xứng (còn gọi là mạch điện ba pha cân bằng) Nếu không thoả mãn điều kiện đã nêu trên gọi là mạch điện ba pha không đối xứng Ở mạch điện ba pha đối xứng, các đại lượng điện áp, dòng điện cảu các pha sẽ đối xứng, có trị số hiệu dụng bằng nhau và lệch pha nhau 120o, tạo tành các hình sao đối xứng và tổng của chúng bằng không
- A, B, C: các ký hiệu đầu pha của mỗi pha
- X, Y, Z: các ký hiệu cuối pha của mỗi pha
- UP: điện áp pha; là điện áp giữa điểm đầu và điểm cuối của mỗi pha
- IP: dòng điện pha; là dòng điện chạy trong mỗi pha của nguồn (hoặc tải)
- Ud: điện áp dây; là điện áp giữa 2 điểm đầu của 2 pha
- Id: dòng điện dây; là dòng điện chạy trong dây dẫn nối từ nguồn tới tải.
CÁCH NỐI HÌNH TAM GIÁC () - CÁCH NỐI HÌNH SAO (Υ) CỦA MẠCH ĐIỆN 3
4.3.1 Cách nối hình sao (Y) a Định nghĩa
Muốn nối hình sao ta nối 3 điểm cuối của pha với nhau tạo thành điểm trung tính Đối với nguồn nối ba điểm cuối X, Y, Z với nhau thành điểm trung tính 0 của nguồn Đối với tải nối ba điểm cuối X’, Y’, Z’ với nhau thành điểm trung tính 0 của tải
Ba dây nối 3 điểm đầu A, B, C của nguồn với 3 điểm đầu các pha của tải gọi là ba dây pha
Dây nối điểm trung tính của nguồn với điểm trung tính của tải gọi là dây trung tính b Sơ đồ nối dây
Hình 4.3 Sơ đồ nối dây hình sao c Quan hệ giữa các đại lượng U, I dây với U, I pha
- Quan hệ giữa dòng điện dây và dòng điện pha: Id = Ip
- Quan hệ giữa điện áp dây và điện áp pha: Ud = √3U p
4.3.2 CÁCH NỐI HÌNH TAM GIÁC (∆) a Định nghĩa
Muốn nối hình tam giác, ta lấy đầu pha này nối với cuối pha kia Ví dụ A nối với Z, nối với X, C nối với Y Cách nối tam giác không có dây trung tính b Sơ đồ nối dây
Hình 4.4 Sơ đồ nối dây hình tam giác
Khi giải các mạch điện nối tam giác ta thường quy ước: chọn chiều dương của dòng điện các pha Ipn của nguồn nguợc chiều kim đồng hồ; chiều dương dòng điện pha của tải Ipt cùng chiều kim đồng hồ (hình 4.4) c Quan hệ giữa các đại lượng U, I dây với U, I pha:
- Quan hệ giữa dòng điện dây và dòng điện pha: Ud = Up
- Quan hệ giữa điện áp dây và điện áp pha: Id = √3I p
4.4 CÔNG SUẤT MẠCH ĐIỆN 3 PHA
Công suất tác dụng P của mạch 3 pha bằng tổng công suất tác dụng của các pha cộng lại Gọi PA, PB, PC tương ứng là công suất tác dụng của các pha
UCICcosC Khi mạch 3 pha đối xứng Điện áp pha: UA = UB = UC = Up
Dòng điện pha: IA = IB = IC = Ip
Hệ số công suất: cosA = cosB = cosC = cos
Trong đó R P là điện trở pha của tải Thay đại lượng pha bằng đại lượng dây: Đối với cách nối hình sao (Y):
Id = Ip; U d =√3U p Đối với cách nối hình tam giác ():
Như vậy ta có biểu thức công suất viết theo đại lượng dây áp dụng cho cả trường hợp hình sao và hình tam giác đối xứng:
P=√3U d I d cosφ Trong đó - góc lệch pha giữa điện áp pha và dòng điện pha tương ứng cosφ = R p
Công suất phản kháng của mạch 3 pha bằng tổng công suất phản kháng của các pha cộng lại.
4.4 CÔNG SUẤT MẠCH ĐIỆN 3 PHA
CÁCH NỐI NGUỒN VÀ TẢI TRONG MẠCH BA PHA
Nguồn điện và tải 3 pha đều có thể nối hình sao hay tam giác, tùy thuộc vào điện áp định mức của thiết bị, của mạng điện và các yêu cầu kỹ thuật sẽ chọn cách nối dây phù hợp
Các nguồn điện dùng trong sinh hoạt lấy từ dây quấn 3 pha stato máy phát điện hay từ dây quấn 3 pha thứ cấp của máy biến áp Các dây quấn này thường nối hình sao có dây trung tính Cách nối này có ưu điểm là có thể cung cấp 2 điện áp khác nhau: điện áp pha và điện áp dây (hình 4.5)
Trên thế giới có 2 loại mạng điện 380V/220V (Ud = 380V, UP = 220V) và
220V/127V Hiện tại nước ta đang sử dụng mạng điện 380V/220V
4.5.2 Cách nối động cơ điện 3 pha
Mỗi động cơ điện ba pha gồm có 3 dây quấn pha Khi nối các tải 3 pha, ta phải biết được điện áp của nguồn điện và điện áp định mức của các pha đối của tải Tải phải làm việc đúng với điện áp quy định ấy nếu không sẽ dẫn đến hư hỏng các thiết bị Ví dụ: Động cơ 3 pha có điện áp định mức cho mỗi pha dây quấn là 22 V (Up = 220V), trên nhãn của động cơ có ghi /Υ - 220V/380V
Nếu động cơ làm việc ở mạng điện có Ud = 380V, thì động cơ phải đấu hình Υ (hình
4.6), điện áp đặt lên mỗi dây quấn pha là U p = 380
√3 =220V bằng đúng điện áp quy định Nếu động cơ làm việc ở mạng điện có Ud = 220V, thì động cơ phải được nối hình ∆, lúc đó điện áp đặt trên mỗi dây quấn pha của động cơ bằng điện áp dây 220V, bằng đúng điện áp quy định Để thuận lợi cho việc đấu động cơ, người ta ký hiệu 6 đầu dây của 3 dây quấn động cơ AX, Y, CZ và đưa 6 đầu dây nối ra bu long (1,2… 6) ở hộp nối dây trên vỏ động cơ (hình 4.7)
Việc đấu dây thực hiện bằng cách thay đổi vị trí cầu nối giữa các bu long này thành hình sao hoặc hình tam giác (hình
Các tải một pha là động cơ điện một pha, các lò điện một pha, các thiết bị gia dụng trong gia đình
…Trên các thiết bị này đều có nhãn ghi điện áp định mức
Khi sử dụng các thiết bị này được đấu giữa dây pha và dây trung tính (hình
4.9), vì thế các tải một pha phải có điện áp định mức bằng điện áp pha của mạng điện
Khi thiết kế mạng điện, người ta cố gắng phân bố đều các tải một pha cho cả 3 pha, nhưng do việc sử dụng không đồng đều nên đây là mạch 3 pha không đối xứng
Nhờ có dây trung tính nên mặc dù tải không đối xứng, điện áp đặt lên các thiết bị hầu như giữ được bình thường không vượt quá điện áp định mức nên không làm hỏng các thiết bị; khi pha nào hỏng thì chỉ có pha ấy mất điện, các thiết bị nối với pha ấy không làm việc, còn các pha khác vẫn làm việc bình thường.
CÁCH GIẢI MẠCH ĐIỆN 3 PHA ĐỐI XỨNG
Đối với mạch điện 3 pha đối xứng, dòng điện (điện áp) các pha có trị số hiệu dụng bằng nhau, và lệch pha nhau một góc Vì vậy khi mạch đối xứng, ta tách ra để tính, khi biết được dòng điện của một pha ta có thể suy ra dòng điện các pha còn lại
Khi tải nối vào nguồn có điện áp dây Ud, bỏ qua tổng trở đường dây, nếu biết tổng trở tải, các bước tính toán thực hiện như sau:
4.6.1 Giải mạch điện 3 pha tải nối hình sao đối xứng
Bước 1: Xác định cách nối dây của tải: Hình sao hay tam giác
Bước 2: Xác định điện áp pha của tải
√3 Tải nối hình tam giác:
Bước 3: Xác định tổng trở pha Zp và hệ số công suất của tải:
Tổng trở pha của tải:
Hệ số công suất cos: cosφ =R p
√R 2 p +X p 2 Trong đó Rp, Xp là điện trở pha và điện kháng pha của mỗi pha của tải
Bước 4: Tính dòng điện pha Ip của tải:
Z p Suy ra dòng điện dây Id của tải
Tải nối hình sao Id = Ip
4.6.2 Giải mạch điện 3 pha tải nối hình tam giác đối xứng
Bước 1: Xác định cách nối dây của tải: Hình sao hay tam giác
Bước 2: Xác định điện áp pha của tải
Tải nối hình tam giác UP = Ud
Bước 3: Xác định tổng trở pha Zp và hệ số công suất của tải:
Tổng trở pha của tải:
Hệ số công suất cos: cosφ =R p
√R p 2 +X p 2 Trong đó Rp, Xp là điện trở pha và điện kháng pha của mỗi pha của tải
Bước 4: Tính dòng điện pha Ip của tải:
Z p Suy ra dòng điện dây Id của tải
Tải nối hình tam giác Id = √3Ip
Bước 5: Tính công suất tải tiêu thụ
Ví dụ: Một tải 3 pha có điện trở pha R P = 20Ω, điện kháng pha XP = 15Ω, nối hình tam giác, đấu vào mạng điện có điện áp dây Ud "0V Tính dòng điện pha I P , dòng điện dây Id, công suất tải tiêu thụ
Theo đề bài tải nối tam giác Điện áp pha của tải:
Up = Ud = 220V Tổng trở pha của tải:
Z p =√R 2 P +X P 2 =√20 2 +15 2 % Dòng điện pha của tải:
Vì tải nối tam giác, dòng điện dây của tải:
I d = √3I p = √3 8,8 = 15,24 A Công suất tải tiêu thụ:
TÓM TẮT NỘI DUNG CHƯƠNG 4 :
1.1 Nguyên lý tạo ra nguồn điện xoay chiều 3 pha
1.2 Nguồn điện 3 pha đối xứng
1.3 Cách nối hình tam giác – cách nối hình sao của mạch điện 3 pha
1.4 Công suất mạch điện 3 pha
1.5 Cách nối nguồn và tải trong mạch điện 3 pha
1.6 Cách giải mạch điện 3 pha đối xứng
CÂU HỎI CỦNG CỐ CHƯƠNG 4:
1 Nêu những ưu điểm của mạch điện ba pha
2 Trình bày các đặc điểm của mạch điện ba pha đối xứng?
3 Định nghĩa điện áp pha, điện áp dây, dòng điện pha dòng điện dây và quan hệ giữa chúng khi nối sao và tam giác
4 Trình bày các bước giải mạch điện ba pha đối xứng?
5 Nêu các công thức của công suất P, Q, S trong mạch điện ba pha đối xứng?
6 Vai trò của dây trung tính trong mạch ba pha tải không đối xứng
7 Một nguồn điện 3 pha nối sao, Upn= 12 V cung cấp điện cho tải nối sao có dây trung tính Tải có điện trở pha Rp ? Tính Ud, Id, Ip, Io,P của mạch ba pha Đáp số: Ud = 207,84V; Id = Ip= 666mA; Io=0; P$0W
8 Một nguồn điện ba pha đối xứng đấu sao cung cấp điện cho tải ba pha đối xứng đấu tam giác iết dòng điện pha của nguồn Ipn = 17,32A, điện trở mỗi pha của tải Rp
= 38 Tính điện áp pha của nguồn và công suất P của nguồn cung cấp cho tải 3 pha Đáp số: Upn = 220V; Pn = Pt 400W
9 Một tải 3 pha đối xứng đấu hình tam giác, biết Rp; Xp=6, đấu vào mạng điện 3 pha Ud = 380V Tính Ip, Id, P, Q của tải Đáp số: Ip = 23,52A; Id = 40,74A; P = 24893,5W; Q = 9957,4Var
1 Một động cơ điện 3 pha đấu sao, đấu vào mạng 3 pha Ud = 380V iết dòng điện dây Id = 26,81A Hệ số công suất cos = 85 Tính dòng điện pha của động cơ, công suất điện động cơ tiêu thụ Đáp án: Ip = Id = 26,81A; P = 15kW
11 Một động cơ điện đấu hình sao, làm việc với mạng điện có Ud = 380V, động cơ thụ công suất điện 2 kW, cos = ,885 Tính công suất phản kháng của động cơ tiêu thụ, dòng điện dây Id và dòng điện pha Ip của động cơ Đáp số: Q = 10,52 kVAr ; Id = Ip= 34,33A
12 Một mạng điện 3 pha 4 dây 38 V/22 V, các tải một pha nối giũa dây pha và dây trung tính Tải pha A và thuần trở RA = RB ; tải pha C là cuộn dây RC =5; XL = 8,666 Tính dòng điện các pha IA, IB, IC và dòng điện trong dây trung tính Io Đáp số: IA = IB = IC = 22A; Io = 22A
MÁY ĐIỆN
KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN
Máy điện là một khái niệm để chỉ các loại máy dùng điện là nguồn hay tạo ra năng lượng điện, hoạt động theo nguyên tắc chuyển đổi năng lượng, cơ năng thành điện năng và ngược lại Bên cạnh đó, máy điện còn có nhiệm vụ chuyển giao, biến đổi năng lượng điện, ví dụ từ điện một chiều sang điện xoay chiều, hay điện cao thế sang hạ thế và ngược lại
Máy điện có cấu tạo cơ khí gồm lõi sắt, dây quấn đồng, vỏ máy bằng kim loại và các thành phần khác Được sử dụng để biến đổi thông số điện năng như biến đổi điện áp, dòng điện, tần số, góc pha
Hình 5.1: Máy điện không đồng bộ
Hình 5.2: Phân loại máy điện a Phân loại dựa trên chuyển động tương đối của bộ phận quay, gồm 2 loại:
Máy điện tĩnh: Là loại máy điện mà giữa các bộ phân của máy không có chuyển động tương đối
Ví dụ: Máy biến áp
Máy điện quay: Là loại máy điện mà trong cấu tạo của nó có bộ phận chuyển động quay
Ví dụ: Máy phát điện, động cơ điện,… b Phân loại theo dòng điện gắn với máy, chia làm 2 loại:
Máy điện một chiều: Là loại máy điện mà dòng điện sử dụng trong máy là dòng 1 chiều DC
Máy điện xoay chiều: Là loại máy điện mà dòng điện sử dụng trong máy là dòng xoay chiều AC Trong loại này chia làm 2 loại là máy điện 3 pha và máy điện 1 pha c Phân loại theo tốc độ quay của rotor và tốc độ từ trường quay: trường quay
Máy điện không đồng bộ: Là máy điện có tốc độ quay của rotor khác tốc độ từ trường quay
Sự khác nhau giữa 2 tốc độ được biểu thị bằng hệ số trượt s: s = (n – n1) / n
Trong đó: n1 là tốc độ từ trường quay, n là tốc độ rotor quay
Tùy vào giá trị của s mà máy điện không đồng bộ làm việc ở các chế độ khác nhau
0 < s < 1: Chế độ động cơ điện s < 0: Chế độ máy phát điện s > 1: chế độ hãm d Phân loại theo công dụng làm việc của máy:
MÁY BIẾN ÁP
Máy biến áp là một thiết bị điện từ tĩnh, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi điện áp của hệ thống dòng điện xoay chiều, nhưng vẫn giữ nguyên tần số Đầu vào của máy biến áp nối với nguồn điện gọi là sơ cấp (U1,
I1, f); đầu ra nối với tải gọi là thứ cấp (U2, I2, f)
Kí hiệu trong bản vẽ:
5.2.2 CÔNG DỤNG CỦA MÁY BIẾN ÁP
Như định nghĩa, công dụng của máy biến áp là biến đổi điện áp của hệ thống dòng điện xoay chiều, nhưng vẫn giữ nguyên tần số
Vì vậy, nó có vai trò quan trọng trong hệ thống điện, dùng để truyền tải điện năng và phân phối điện Các nhà máy điện công suất lớn thường ở xa các trung tâm tiêu thụ điện vì thế cần phải xây dựng các đường dây truyền tải điện năng Điện áp máy phát thường là 6,3; 10,5; 15,75; 38,5 KV Để nâng cao khả năng truyền tải và giảm tổn hao công suất trên đường dây, phải giảm dòng điện chạy trên đường dây, bằng cách nâng cao điện áp Vì vậy, ở đầu đường dây cần đặt máy biến áp tăng áp và cuối đường dây đặt máy biến áp hạ áp
Ngoài ra MBA còn được sử dụng trong các thiết bị công nghiệp như lò nung, máy hàn, hay làm nguồn cho các thiết bị điện tử, gia dụng…
5.2.3 CẤU TẠO MÁY BIẾN ÁP
MBA có 2 bộ phận chính: lõi thép và dây quấn
Hình 5.3: Cấu tạo máy biến áp dầu
1.Mạch từ ; 2 cuộn dây hạ áp; 3 Cuộn dây cao áp ; 4.Vỏ máy ; 5 Ống làm mát; 6 Đầu phân áp ; 7.Sứ hạ áp ; 8 Sứ cao áp a Lõi thép MBA:
Lõi thép MBA dùng để dẫn từ thông chính của máy, được chế tạo từ những vật liệu dẫn từ tốt, thường là thép kỹ thuật điện Lõi thép gồm 2 bộ phận chính:
Trụ là nơi để đặt dây quấn
Gông là phần khép kín mạch từ giữa các trụ
Trụ và gông tạo thành mạch từ khép kín Để giảm dòng điện xoáy Foucault trong lõi thép, người ta dùng thép lá kỹ thuật điện (hai mặt có sơn cách điện) ghép lại với nhau thành lõi thép
Hình 5.3: Mạch từ máy biến áp 3 pha b Dây quấn MBA:
Dây quấn MBA thường được chế tạo bằng đồng (hoặc nhôm), có tiết diện tròn hoặc chữ nhật, bên ngoài dây quấn có bọc cách điện
Dây quấn gồm nhiều vòng dây và lồng vào trụ lõi thép Giữa các vòng dây có cách điện với nhau và các dây quấn có cách điện với lõi thép MBA có 2 hoặc nhiều dây quấn Khi các dây quấn đặt trên cùng một trụ thì dây quấn thấp áp đặt sát trụ thép, dây quấn cao áp đặt lồng ra ngoài Làm như vậy sẽ giảm được vật liệu cách điện Để làm mát và tăng cường cách điện cho máy biến áp, người ta thường đặt lõi thép và dây quấn trong một thùng chứa dầu MBA Đối với MBA công suất lớn, vỏ thùng dầu có cánh tản nhiệt
Ngoài ra còn có các sứ xuyên ra để nối các đầu dây quấn ra ngoài, bộ phận chuyển mạch để điều chỉnh điện áp; rơ-le hơi để bảo vệ MBA, bình dãn dầu, thiết bị chống ẩm…
Hình 5.4: Cấu tạo dây quấn hình trụ
5.2.4 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐỊNH MỨC
Các đại lượng định mức của MBA do xưởng chế tạo MBA quy định để cho máy có khả năng làm việc lâu dài và tốt nhất a Điện áp định mức:
- Điện áp sơ cấp định mức (U1đm) là điện áp quy định cho dây quấn sơ cấp
- Điện áp thứ cấp định mức (U2đm) là điện áp quy định giữa các cực quấn thứ cấp, khi dây quấn thứ cấp hở mạch và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là điện áp định mức
Quy ước : Với MBA 1 pha điện áp định mức là điện áp pha, với MBA 3 pha là điện áp dây b Dòng điện định mức:
- Dòng điện định mức là dòng điện đã quy định cho mỗi dây quấn của máy biến áp, ứng với công suất định mức và điện áp định mức
- Ký hiệu: dòng điện sơ cấp định mức là I1đm, dòng điện thứ cấp định mức là
Quy ước : Với MBA 1 pha dòng điện định mức là dòng điện pha, với MBA 3 pha là dòng điện dây c Công suất định mức:
- Công suất định mức của máy biến áp là công suất biểu kiến định mức
- Ký hiệu: Công suất định ký hiệu là Sđm
- Đối với máy biến áp 1 pha:
S đm = U 1đm I 1đm = U 2đm I 2đm
- Đối với máy biến áp 3 pha:
S đm = 3U 1đm I 1đm = 3U 2đm I 2đm
Ngoài ra bảng ghi trên thân máy còn có tần số định mức fđm, số pha, sơ đồ đấu dây, điện áp ngắn mạch, chế độ làm việc…
5.2.5 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP
Khi ta nối dây quấn sơ cấp N1 vào nguồn điện xoay chiều điện áp u1, sẽ có dòng điện sơ cấp i1 chạy trong dây quấn sơ cấp N1 Dòng điện i1 sinh ra từ thông biến thiên chạy trong lõi thép, từ thông này xuyên qua đồng thời với cả hai dây quấn sơ cấp N1 và thứ cấp N2, được gọi là từ thông chính Φ
Theo định luật cảm ứng điện từ, sự biến thiên của từ thông làm cảm ứng vào dây quấn sơ cấp sức điện động là:
𝑒 1 = −𝑁 1 𝑑∅ và cảm ứng vào dây quấn thứ cấp sức điện động: 𝑑𝑡
Trong đó N1, N2 là số vòng dây của dây quấn sơ cấp và thứ cấp Khi máy biến áp không tải, dây quấn thứ cấp hở mạch, dòng điện thứ cấp I2=0, từ thông chính trong lõi thép chỉ do dòng sơ cấp I1 sinh ra
Khi máy biến áp có tải, dây quấn thứ cấp nối với tổng trở tải Z2, dưới tác động của sức điện động e2, có dòng điện thức cấp i2 cung cấp điện cho tải Khi ấy từ thông chính do đồng thời cả 2 dòng sơ cấp i1 và thứ cấp i2 sinh ra Điện áp u1 biến thiên hình sin nên từ thông cũng biến thiên hình sin, ta có: Φ = Φ max sinωt
E1, E2 là trị số hiệu dụng sức điện động sơ cấp và thứ cấp của MBA Đặt:
𝑁 2 k được gọi là hệ số biến áp
Nếu bỏ qua điện trở dây quấn, từ thông tản ra ngoài không khí, có thể coi như gần đúng: U1 ≈ E1,U 2 ≈ E2 , khi đó:
Nghĩa là tỉ số giữa điện áp sơ cấp và điện áp thứ cấp đúng bằng tỉ số vòng dây
Nếu bỏ qua những tổn hao trong MBA, có thể coi gần đúng như sau:
5.2.6 CÁC MÁY BIẾN ÁP ĐẶC BIỆT a Máy biến áp tự ngẫu:
Loại máy biến áp này dùng để điều chỉnh điện áp ra U2 bằng cách hiệu chỉnh số vòng
N1, ở phía cuộn sơ cấp cùng 1 lúc ở ba cuộn AX, BY, CZ nhờ đảo điện 3 pha đặc biệt Thông thường máy biến áp 3 pha có phần điều chỉnh điện áp này được sử dụng ở nơi mà lưới điện 3 pha giảm điện áp thái quá không thể vận hành động cơ 3 pha
Hình 5.5: Máy biến áp tự ngẫu 3 pha b Máy biến áp đo lường:
Máy biến áp này được sử dụng trong các mạch lưới điện cao thế mà không thể đo trực tiếp bằng dụng cụ đo lường thông thường vì điều kiện an toàn điện không cho phép Các máy biến áp đo lường srx đảm bảo an toàn điện cho người điều hành mạng điện cao thế
Hình 5.8 trình bày một mạng điện cao áp có trang bị các thiết bị đo lường; Vôn kế, ampe kế, điện năng kế… qua trung gian các máy biến áp đo lường Tất cả các dụng cụ đo lường đều phẩi mắc vào phần thứ cấp của máy biến áp đo lường, còn phần sơ cấp được mắc vào mạng điện cao áp Điện áp ở phần thứ cấp không quá 100V để bảo
Căn cứ vào tỷ số biến áp Ku, điện áp hiện hữu ở lưới điện cao thế được xác định U1 Ku U2 Thông thường trên mặt vôn kế có ghi các trị số phù hợp với tỉ số biến áp để đọc ngay trị số điện áp Đối với việc đo cường độ dòng, phải nhờ máy biến áp dòng, mà phần sơ cấp chính là dây truyền tải, còn phần thứ cấp nối với ampe kế, có cường độ dòng không quá 5A Nhờ tỉ số biến dòng, xác định được dòng điện trong dây tải điện
MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ
Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ quay của rôto n (tốc độ của máy) khác với tốc độ quay của từ trường n1
5.3.2 CÔNG DỤNG CỦA MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ
Cũng như các máy điện quay khác, máy điện không đồng bộ có tính thuận nghịch, có nghĩa là nó hoạt động ở cả 2 chế độ: máy phát và động cơ điện
Máy phát điện không đồng bộ có đặc tính làm việc không tốt lắm so với máy phát điện đồng bộ nên ít được sử dụng Động cơ điện không đồng bộ so với các loại động cơ khác có cấu tạo và vận hành không phức tạp, giá thành rẻ, làm việc tin cậy nên được sử dụng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt
Vì vậy chúng ta chỉ xét đến động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ có 3 loại: động cơ 3 pha, động cơ 2 pha, và động cơ 1 pha Động cơ điện không đồng bộ có công suất lớn hơn 600W thường là loại 3 pha, có
3 dây quấn làm việc, trục các dây quấn đặt lệch nhau trong không gian một góc
1200 điện Động cơ điện không đồng bộ có công suất nhỏ hơn 600W thường là loại 2 pha hoặc 1 pha Động cơ 2 pha có 2 dây quấn làm việc đặt lệch trục nhau một góc 900 điện Động cơ điện một pha chỉ có một dây quấn làm việc Động cơ không đồng bộ một pha có ứng dụng rất rộng rãi trong dân dụng và công nghiệp: máy giặt, tủ lạnh, máy bơm, quạt, dụng cụ cầm tay…)
5.3.3 CẤU TẠO MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ
Gồm 2 bộ phận chủ yếu là stato và rôto, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy a Stato :Gồm có 2 bộ phận chính là lõi thép và dây quấn
• Lõi thép: có hình trụ do các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh bên trong ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục Lõi thép được ép vào trong vỏ máy
• Dây quấn: làm bằng dây dẫn bọc cách điện (dây điện từ) được đặt trong các rãnh của lõi thép Dây quấn pha A được phân bố ở các rãnh: 1, 4,7, 10; pha B là các rãnh 3, 6, 9, 12; pha C là 5, 8, 11, 2
• Vỏ máy: làm bằng nhôm hoặc bằng gang, dùng để giữ chặt lõi thép và cố định máy trên bệ Hai đầu vỏ có nắp máy, ổ đỡ trục Vỏ máy và nắp máy còn dùng để bảo vệ máy
Hình 5.10: Stato, Roto, Nắp máy
Hình 5.11: Hình dạng lá thép Stato, roto c Rôto
Rôto là phần quay, gồm: lõi thép, dây quấn và trục máy
• Lõi thép: gồm các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh mặt ngoài ghép lại, tạo thành các rãnh theo hướng trục, ở giữa có lỗ để lắp trục
• Dây quấn: dây quấn của máy điện không đồng bộ có 2 kiểu: rôto ngắn mạch
(còn gọi là rôto lồng sóc) và rôto dây quấn
Hình 5.12: Cấu tạo động cơ KĐB roto lồng sóc d Roto lồng sóc Đối với các động cơ có công suất trên 100kW thì gồm các thanh đồng hoặc nhôm đặt trong các rãnh (không phải là dây quấn nữa) và bị ngắn mạch bởi 2 vành vành ngắn mạch ở 2 đầu, tạo thành lồng sóc Đối với các loại động cơ công suất nhỏ, lồng sóc được chế tạo bằng cách đúc nhôm vào các rãnh lõi thép rôto, tạo thành thanh nhôm, hai đầu đúc vành ngắn mạch và cánh tản nhiệt, làm mát
Hình 5.13: Roto lồng sóc e.Roto dây quấn
Dây quấn 3 pha của rôto đặt trong các rãnh của lõi thép rôto Dây quấn rôto thường nối hình sao, ba đầu ra nối với 3 vòng tiếp xúc bằng đồng, cố định trên trục rôto và được cách điện với trục
Nhờ 3 chổi than tỳ sát vào 3 vòng tiếp xúc, dây quấn rôto được nối với 3 vòng tiếp xúc, dây quấn nối rôto được nối với 3 biến trở ngoài để mở máy hay điều Động cơ lồng sóc là loại rất phổ biến do giá thành rẻ và làm việc đảm bảo Động cơ rôto dây quấn có ưu điểm về mở máy và điều chỉnh tốc độ nhưng giá thành cao và vận hành kém tin cậy hơn động cơ lồng sóc nên chỉ được dùng khi động có lồng sóc không đáp ứng được các yêu cầu về truyền động
Hình 5.14: Cấu tạo động cơ KĐB roto dây quấn
5.3.4 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ a Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ
Khi ta cho dòng điện 3 pha tần số f vào 3 dây quấn stato, sẽ tạo ra từ trường quay (với p đôi cực, tùy thuộc vào cách quấn dây) có tốc độ quay là n1 (n1= 60𝑓
Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn rôto, tạo ra các sức điện động cảm ứng trên các dây quấn Do các dây quấn này nối ngắn mạch vì thế sức điện động cảm ứng sẽ tạo ra dòng điện cảm ứng trong các thanh dẫn rôto Theo định luật cảm ứng điện từ, từ trường quay sẽ tác động lên dòng điện này một lực gọi là lực điện từ Fđt Lực điện từ này sẽ kéo rôto quay theo chiều quay của từ trường với vận tốc là n
Khi đó, độ chênh lệch giữa tốc độ của từ trường quay và tốc độ máy gọi là tốc độ trượt n2, với:
Khi rôto đứng yên (n=0), hệ số trượt s=1
Khi rôto quay, định mức s=0.02÷0.06 b Nguyên lý làm việc của máy phát điện không đồng bộ
Nếu bây giờ stato vẫn nối với lưới điện, nhưng trục rôto không nối với tải, mà nối với một động cơ sơ cấp Dùng động cơ sơ cấp kéo rôto quay cùng chiều với n1 và với vận tốc n, lớn hơn vận tốc từ trường quay n1 Lúc này, chiều dòng điện rôto
MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ
Những máy điện xoay chiều có tốc độ quay rôto n bằng tốc độ quay của từ trường n1, gọi là máy điện đồng bộ Máy điện đồng bộ có 2 dây quấn: dây quấn stato nối với lưới điện có tần số f không đổi, dây quấn rôto được kích thích bằng dòng điện một chiều Ở chế độ xác lập máy điện đồng bộ có tốc độ quay rôto luôn không đổi khi tải thay đổi
Máy phát điện đồng bộ là nguồn điện chính của các lưới điện quốc gia, trong đó động cơ cấp là các turbine hơi, turbine khí hoặc turbine nước Công suất của mỗi máy phát có thể đạt đến 600 MVA, hoặc lớn hơn và chúng thường làm việc song song Ở các lưới điện có công suất nhỏ, máy phát điện đồng bộ được kéo bởi các động cơ diesel hoặc các turbine khí, có thể làm việc đơn lẻ hoặc 2, 3 máy làm vịêc song song Động cơ đồng bộ được sử dụng khi truyền động công suất lớn, có thể đạt đến vài chục MW Trong công nghiệp luyện kim, khai thác mỏ, thiết bị lạnh, động cơ đồng bộ được sử dụng để truyền động các máy bơm, nén khí, quạt gió… với tốc độ không đổi Động cơ đồng bộ công suất nhỏ được sử dụng trong các thiết bị như đồng hồ điện, dụng cụ tự ghi, thiết bị lập chương trình, thiết bị điện sinh hoạt…
Trong hệ thống điện, máy bù đồng bộ dùng để phát công suất phản kháng cho lưới điện để bù hệ số công suất và ổn định điện áp Máy bù đồng bộ là một động cơ đồng bộ không tải để tiêu thụ hoặc cung cấp công suất phản kháng nhằm mục đích cải thiện hệ số công suất của lưới điện
5.4.1 CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ
Gồm có 2 phần chính stato và rôto a Stato: quấn Lõi thép làm bằng các liệu kỹ thuật điện như sắt từ tốt, tức là có từ trở nhỏ và điện trở suất lớn Loại vận tốc chậm có chiều dài trục ngắn, còn loại vận tốc nhanh có chiều dài dọc trục lớn gấp nhiều lần đường kính
Dây quấn stato gọi là dây quấn phần ứng b Rôto:
Rôto của máy điện đồng bộ có các cực từ và dây quấn kích từ dùng để tạo ra từ trường cho máy Đối với máy nhỏ, rôto là nam châm vĩnh cửu
Có 2 loại rôto là: rôto cực ẩn và rôto cực lồi
Rôto cực lồi dùng cho các loại máy có tốc độ thấp, có nhiều đôi cực
Rôto cực ẩn thường dùng cho các máy có tốc độ cao (3000 vòng/phút), có một đôi cực
Dạng của mặt cực được thiết kế sao cho khe không khí không đều, mục đích để từ cảm trong khe không khí có phân bố hình sin và do đó sức điện động cảm ứng trong dây quấn cũng có hình sin Loại rôto cực lồi được dùng trong máy phát kéo bởi turbine vận tốc chậm (turbine thủy điện) Lúc đó rôto sẽ có nhiều cực và chiều dài ngắn
Khe không khí đều và rôto chỉ có hai hoặc bốn cực (rất hiếm loại sáu cực)
Loại rôto cực ẩn được dùng trong máy phát kéo bởi turbine có vận tốc nhanh
(turbine nhiệt điện) Vì vận tốc nhanh nên để chống lực ly tâm, rôto được chế tạo nguyên khối và có đường kính nhỏ
Hình 5.15: Stato (a), rôto cực ẩn (b), rôto cực ẩn (c) c Bộ kích từ:
Dây quấn kích từ trên rôto được cung cấp dòng một chiều để tạo ra từ thông không đổi theo thời gian Dòng một chiều này được lấy từ bộ kích từ: máy phát một chiều (dùng chổi than-vành trượt để truyền điện), dùng chỉnh lưu ((dùng chổi than-vành trượt để truyền điện),
Hình 5.16: Máy phát điện đồng bộ
5.4.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ
Cho dòng điện kích từ (dòng điện không đổi) vào dây quấn kích từ sẽ tạo ra từ trường rôto Khi quay dưới tác động của động cơ sơ cấp, từ trường của rôto sẽ cắt dây quấn của phần ứng stato và tạo ra sức điện động cảm ứng hình sin
Nếu rôto có p đôi cực (tức là có 2p cực), khi rôto quay một vòng thì sức điện động cảm ứng sẽ biến thiên p chu kỳ, vì vậy tần số biến thiên của sức điện động cảm ứng là: f = pn (vòng/giây)
Dây quấn 3 pha stato có trục lệch nhau trong không gian 1200 điện, cho nên sức điện động cảm ứng lệch pha nhau góc pha là 1200 Khi dây quấn stato nối với tải, trong các dây quấn sẽ có dòng điện 3 pha Giống như ở máy điện không đồng bộ, dòng điện 3 pha trong 3 dây quấn sẽ tạo nên từ trường quay, với tốc độ là n1`f/p, đúng bằng vận tốc n của rôto Do đó loại máy điện này được gọi là máy điện đồng bộ
MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
Máy điện một chiều là những máy phát hay động cơ điện một chiều, có nghĩa là chúng tạo ra dòng điện một chiều hoặc biến đổi năng lượng của dòng điện một chiều thành cơ năng
Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu
Trong các thiết bị tự động, các máy điện khuếch đại, các động cơ chấp hành cũng là máy điện một chiều Ngoài ra, các máy điện một chiều còn thấy trong các thiết bị ôtô, tàu thủy, máy bay, các máy phát điện một chiều điện áp thấp dùng trong các thiết bị điện hóa, thiết bị hàn điện có chất lượng cao
Nhược điểm chủ yếu của máy điện một chiều là có cổ góp làm cho cấu tạo phức tạp, đắt tiền và kém tin cậy, nguy hiểm trong môi trường dễ nổ Khi sử dụng động cơ điện một chiều cần phải có nguồn điện một chiều kèm theo (bộ chỉnh lưu hay máy phát điện một chiều)
5.5.1 CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
Hình 5.17: Máy điện một chiều
Cấu tạo của một máy điện gồm 3 phần chính: Stato với cực từ (phần cảm)
Rôto với dây quấn (phần ứng), Cổ góp với chổi điện (vành góp) a Stato:
Còn gọi là phần cảm, gồm lõi thép bằng thép đúc, vừa là mạch từ vừa là vỏ máy Các cực từ chính có dây quấn kích từ b Rôto:
Còn được gọi là phần ứng, gồm lõi thép và dây quấn phần ứng Lõi thép hình trụ, làm bằng các lá thép kỹ thuật điện, phủ sơn cách điện ghép lại Các lá thép được dập lỗ thông gió và rãnh để đặt dây quấn phần ứng
Mỗi phần tử của dây quấn phần ứng có nhiều vòng dây, hai đầu với 2 phiến góp, 2 cạnh tác dụng của phần tử dây quấn đặt trong 2 rãnh dưới 2 cực khác tên
Mỗi phần từ chỉ có một vòng, các phần tử được nối thành mạch vòng khép kín Ở dây quấn xếp đơn số nhánh song song bằng số cực từ c Cổ góp và chổi điện
Cổ góp gồm các phiến góp bằng đồng được ghép cách điện, có dạng hình trụ, gắn ở đầu trục Rôto Các đầu dây của phần tử nối với phiến góp
Chổi điện (chổi than) làm bằng than graphit Các chổi than tì chặt lên cổ góp nhờ lò xo và giá chổi điện gắn trên nắp máy
Hình 5.18- Cổ góp điện dùng chất dẻo (a) và giá chổi than kiểu kép hướng tâm (b)
5.5.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU a Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều
Khi động cơ sơ cấp quay phần ứng (rôto), các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt từ trường, làm xuất hiện sức điện động cảm ứng Chiều của dòng điện cảm ứng (do suất điện động cảm ứng gây ra) được xác định theo định luật Lentz Giả sử, mạch có 2 chổi than A và B, ban đầu dòng điện có chiều từ A đến B Điện áp của máy phát điện có cực dương ở A và cực âm ở B
Khi phần ứng (rôto) quay được nửa vòng thì sức điện động cảm ứng đổi chiều, làm dòng điện cảm ứng đổi chiều Tuy nhiên, do chổi than đứng yên, chỉ có cổ góp quay nên chổi điện A vẫn nối với cực dương và chổi than B vẫn nối với cực âm Do đó chiều của dòng điện ở mạch ngoài không đổi Ta có máy phát điện một chiều với cực dương ở chổi than A và cực âm ở chổi than B
Hình.5.19 : Nguyên lý máy phát một chiều b Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Khi cho điện áp một chiều U vào 2 chổi điện A và B, trong dây quấn phần ứng (rôto) có dòng điện một chiều Iư Như vậy các thanh dẫn trong phần ứng sẽ có dòng điện một chiều chạy qua (đặt trong từ trường các dây quấn kích từ của stato gây ra) sẽ chịu tác dụng của lực từ Fđt Lực này tác dụng làm cho rôto quay Chiều của lực từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái
Hình.5.20: - Nguyên lý động cơ điện một chiều Khi phần ứng (rôto) quay được nửa vòng thì các thanh dẫn đổi vị trí với nhau
Tuy nhiên, do các cổ góp cũng đổi chiều dòng điện nên vẫn giữ cho chiều của lực từ không đổi, làm rôto có chiều quay không đổi Tức là động cơ không thay đổi chiều quay
TÓM TẮT NỘI DUNG CHƯƠNG 5 :
1.1 Khái niệm chung về máy điện
CÂU HỎI CỦNG CỐ CHƯƠNG 5:
1 Nêu định nghĩa và công dụng của máy biến áp ?
2.Nêu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy biến áp ?
3.Cho biết các đại lượng định mức của máy biến áp?
4 Nêu định nghĩa và công dụng của máy điện không đồng bộ ?
5.Cho biết cấu tạo của máy điện không đồng bộ?
6.Trình bày nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ 3 pha ?
7 Nêu định nghĩa và công dụng của máy điện đồng bộ 3 pha?
8.Cho biết cấu tạo máy điện đồng bộ?
9 Trình bày nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ ?
10.Trình bày nguyên lý làm việc của động cơ điện đồng bộ ?
11.Nêu định nghĩa và công dụng của máy điện một chiều?
12.Cho biết cấu tạo máy điện một chiều?
13 Trình bày nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều?
14.Trình bày nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều?