CƯỜNG ĐỘ TỪ CẢM, CƯỜNG ĐỘ TỪ TRƯỜNG, TỪ THÔNG
a Khái niệm cảm ứng từ
Từ trường trong không gian được biểu diễn qua các đường sức từ trường, là những đường cong khép kín mà tại mỗi điểm, tiếp tuyến trùng với phương từ trường Mật độ của các đường sức cho biết mức độ mạnh yếu của từ trường Để đặc trưng cho từ trường, người ta sử dụng 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 đánh giá ảnh hưởng của môi trường vật chất, người ta sử dụng vector cường độ từ trường 𝐻⃗⃗⃗ (đơn vị Ampe trên mét, A/m) nhằm đặc trưng cho từ trường trong môi trường này.
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
Hệ số từ thẩm của vật liệu dẫn từ lớn gấp hàng nghìn lần so với chân không, do đó, khái niệm hệ số từ thẩm tương đối được đưa ra để mô tả đặc tính này.
Trong kỹ thuật điện, vật liệu sắt từ có độ từ thẩm rất lớn, dao động từ vài trăm đến vài vạn, do đó chúng thường được sử dụng để chế tạo 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
Nếu khung dây tròn được tạo bởi N vòng dây thì cảm ứng từ ở tâm của khung dây có độ lớn:
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) bao quanh một diện tích phẳng S trong một từ trường đều với cảm ứng từ 𝐵⃗ Vector pháp tuyến 𝑛⃗ được xác định là vuông góc với mặt phẳng S.
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:
Khi nam châm vĩnh cửu được đưa gần dây dẫn điện, dòng điện sẽ biến đổi Sự thay đổi dòng điện trong ống dây sẽ tạo ra dòng điện trong vòng dây dẫn kín đặt trong từ trường, thể hiện hiện tượng cảm ứng điện từ.
Trong mạch kín, dòng điện cảm ứng sẽ xuất hiện khi từ thông qua diện tích giới hạn bởi mạch kín thay đổi 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
Nhà bác học Lentz đã phân tích các thí nghiệm về hiện tượng cảm ứng điện từ và phát hiện ra quy tắc xác định chiều của dòng điện cảm ứng Dòng điện cảm ứng trong mạch kín có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra chống lại sự biến thiên của từ thông ban đầu qua mạch Sức điện động cảm ứng là một yếu tố quan trọng trong hiện tượng này.
Sự xuất hiện của dòng điện cảm ứng trong mạch kín chứng tỏ rằng sức điện động cảm ứng đã xuất hiện, và nó chỉ phụ thuộc vào sự biến thiên của từ thông qua mạch Trong trường hợp mạch không kín, mặc dù từ thông biến thiên vẫn tạo ra sức điện động cảm ứng, nhưng không có dòng điện chạy trong mạch.
Khi từ thông qua một diện tích giới hạn bởi mạch biến thiên, sẽ xuất hiện sức điện động cảm ứng trong mạch Nếu mạch là khép kín, dòng điện sẽ được sinh ra trong mạch.
- Chiều của dòng điện trong mạch sẽ tuân theo định luật Lentz
- Faraday đã tìm ra Định luật cảm ứng điện từ:
∆𝑡 (công thức maxwell) 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
Khi dòng điện trong một cuộn dây thay đổi, từ trường do dòng điện tạo ra cũng sẽ biến thiên Điều này dẫn đến sự biến thiên của từ thông qua cuộn dây, và từ đó, sức điện động cảm ứng sẽ xuất hiện trong cuộn dây.
Sức điện động tự cảm (ký hiệu E tc) là hiện tượng sức điện động cảm ứng xuất hiện trong một mạch do sự biến thiên của từ thông trong chính mạch đó gây ra.
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 sẽ xuất hiện với chiều ngược lại để ngăn cản sự gia tăng của dòng điện Ngược lại, khi dòng điện giảm, hiện tượng tự cảm sẽ giúp duy trì dòng điện.
Cảm ứng từ B tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện I, và từ thông cũng tỉ lệ thuận với cảm ứng từ B Do đó, từ thông tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện I, dẫn đến 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
1.4 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
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
Chiều xác định của lực từ theo quy tắc "bàn tay trái" được thực hiện bằng cách đặt bàn tay trái sao cho lòng bàn tay hướng vào các đường cảm ứng từ Chiều từ cổ tay đến các ngón tay biểu thị chiều dòng điện, trong khi chiều ngón tay cái duỗi ra 90 độ cho biết hướng 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
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
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
Chiều xác định của lực từ tác dụng lên dây dẫn được quy định theo quy tắc "bàn tay trái" Cụ thể, khi đặt bàn tay trái sao cho lòng bàn tay hướng vào các đường cảm ứng từ, chiều từ cổ tay đến các ngón tay biểu thị chiều dòng điện, trong khi chiều ngón tay cái duỗi ra 90 độ chỉ ra hướng của lực từ.
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 bị điện như rơle, công tắc tơ, khởi động từ và áp tô mát đều có bộ phận chuyển đổi điện năng thành cơ năng, bao gồm cuộn dây và mạch từ, được gọi là cơ cấu điện từ Cơ cấu này được chia thành hai loại: xoay chiều và một chiều Để hiểu rõ các quy luật điện từ, cần xem xét mạch từ và áp dụng phương pháp tính toán liên quan.
Mạch từ được chia làm các phần:
- Khe hở không khí chính và khe hở phụ
Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, trong cuộn dây xuất hiện từ thông $\Phi$ được chia thành ba phần: Thứ nhất, từ thông chính $\Phi_\delta$ là thành phần qua khe hở không khí, được gọi là từ thông làm việc $\Phi_{lv}$ Thứ hai, từ thông tản $\Phi_t$ là thành phần đi ra ngoài khe hở không khí xung quanh Cuối cùng, từ thông rò $\Phi_r$ là thành phần không đi qua khe hở không khí chính mà khép kín trong không gian giữa lõi và thân mạch 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
Một cuộn dây có 5 vòng được đặt gần một nam châm Tốc độ biến thiên từ thông qua cuộn dây là 0,6 Wb/s Từ đó, sức điện động cảm ứng trong cuộn dây được tính là 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 bao gồm cầu dao, máy ngắt để điều khiển dòng điện, cầu chì để bảo vệ hệ thống, và các đồng hồ đo lường để theo dõi thông số điện.
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
Chiều của dòng điện được quy ước là chiều chuyển dịch của các điện tích dương, tức là dòng điện di chuyển từ cực dương (+) đến cực âm (-) của nguồn, từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp Cường độ dòng điện, ký hiệu là I, là đại lượng đặc trưng cho độ lớn của dòng điện, được tính bằng lượng điện tích (hay điện lượng) $\Delta q$ qua tiết diện thẳng của vật dẫn trong khoảng thời gian $\Delta t$.
∆t Đơn vị của dòng điện là Ampe, kí hiệu là A
Dòng điện một chiều được hình thành khi các điện tích di chuyển theo một hướng nhất định với tốc độ không đổi, có chiều và trị số không thay đổi theo thời gian Tác dụng của dòng điện là rất đa dạng và quan trọng trong nhiều ứng dụng.
Mỗi điểm trong mạch điện đều có một điện thế riêng Hiệu điện thế giữa hai điểm được gọi là điện áp, ký hiệu là U, với công thức tính là U_{AB} = φ_{A} - φ_{B} Đơn vị đo điện áp là Volt, ký 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 2.4.1 Nguồn áp
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 dòng điện trong một nhánh mà không phụ thuộc vào điện áp, với trị số bằng dòng điện ngắn mạch giữa hai 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:
Sức điện động E và dòng điện I sẽ được quy ước có dấu dương khi cùng chiều với điện áp U, trong khi đó, nếu ngược chiều, chúng sẽ có dấu âm.
Biểu thức tính dòng điện
Theo quy ước, sức điện động E và điện áp U có cùng chiều với dòng điện I sẽ được coi là dương, trong khi đó, nếu ngược lại, chúng sẽ được coi là âm.
2.5.2 Công, Công suất, Định luật Jun-Lentz
• Công, công suất của dòng điện
Khi áp dụng hiệu điện thế U vào hai đầu đoạn mạch, điện trường sẽ khiến các điện tích di chuyển có hướng, tạo thành dòng điện I Sau thời gian t, điện lượng di chuyển trong mạch được tính bằng công thức: \$q = I.t\$ Công của dòng điện được xác định dựa trên điện lượng này.
A = q.U = UIt Đơn vị của công được tính bằng J
Công của dòng điện trên đoạn mạch được tính bằng tích của hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch, cường độ dòng điện và thời gian mà 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 phát biểu rằng nhiệt lượng tỏa ra trên một vật dẫn tỷ lệ thuận với điện trở của vật dẫn, bình phương cường độ dòng điện và 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
E3 = R3I3 + R2I2 = 5.6 + 2.10 = 50V 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
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
Phương pháp dòng điện nhánh cho phép giải trực tiếp các dòng điện trong các nhánh, với số phương trình tương ứng với số nhánh m, thường khá lớn, dẫn đến việc tốn nhiều thời gian để tính toán và giải hệ phương trình Trong ví dụ cụ thể, I2 = 160 mA và I3 = 22 mA.
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
Để tính dòng điện ở các nhánh, bạn cần áp dụng quy tắc dòng điện mạch vòng Cụ thể, dòng điện của mỗi nhánh sẽ được xác định bằng tổng đại số của các dòng điện trong các mạch vòng đi qua nhánh đó.
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 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?
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 R1, 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
Bằng cách áp dụng các định luật cảm ứng điện từ, dòng điện hình sin được tạo ra thông qua việc tác động lực cơ học vào khung dây trong từ trường của nam châm hai cực.
Khung dây quay cắt các đường sức từ sẽ tạo ra dòng điện hình sin, cung cấp cho tải thông qua vòng trượt và chổi than Tuy nhiên, trong các mạch điện có công suất lớn, việc tiếp xúc giữa vành trượt và chổi than gặp nhiều khó khăn.
Máy phát điện xoay chiều được cấu tạo với dây quấn nằm trong các rãnh của lõi thép, tạo thành phần tĩnh, trong khi nam châm quay là phần động Sự quay của nam châm khiến dây quấn cắt qua các đường sức từ, từ đó sinh 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 loại dòng điện thay đổi theo chu kỳ, tuân theo quy luật hình sin theo thời gian và được thể hiện qua đồ thị hình sin.
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, tức là lặp lại dao động Đơn vị của chu kỳ được tính bằng giây (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)
>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
Để xác định mối quan hệ về pha giữa dòng điện và điện áp, ta có thể sử dụng công thức: \$i(t) = I_{max} \sin(\omega t + \phi_i)\$ và \$u(t) = U_{max} \sin(\omega t + \phi_u)\$ Lưu ý rằng để so sánh góc pha, hai đại lượng cần phải có cùng tần số góc \$\omega\$.
TRỊ SỐ HIỆU DỤNG CỦA DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN
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 một đại lượng quan trọng trong mạch điện xoay chiều, và các trị số ghi trên nhãn của thiết bị điện cũng như dụng cụ đo đều phản ánh 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
Dòng điện i(t) được biểu diễn bởi công thức \$i(t) = I_{max} \sin(\omega t + \phi) = I \sqrt{2} \sin(\omega t + \phi)\$ Khi đã biết tần số, trị hiệu dụng I và pha ban đầu \$\phi\$, dòng điện i có thể được xác định hoàn toàn Độ dài của vector biểu diễn trị số hiệu dụng và góc của vector với trục ox thể hiện góc pha ban 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 )
Biểu diễn bằng vector 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
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
Khi áp dụng điện áp xoay chiều lên một tụ điện thuần dung C, điện áp trên tụ điện được biểu diễn bằng công thức: \$u_C(t) = U_C \sqrt{2} \sin(\omega t)\$.
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 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 Vậy:
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
Khi điện trở ZL bằng điện trở ZC và pha điện áp () bằng 0, hiện tượng cộng hưởng xảy ra, dẫn đến dòng điện trong mạch đạt giá trị lớn nhất Điều kiện cần thiết để xảy ra cộng hưởng là tần số góc ωL bằng 1 chia ωC Tần số cộng hưởng được xác định bởi công thức 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 2 sinωt
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
UC = XCI = 60.0,121 = 7,27V Góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện:
Dòng điện vượt trước điện áp một góc 25 độ, cho thấy mối quan hệ giữa chúng Để vẽ đồ thị vectơ, trước tiên vẽ vectơ điện áp trùng với trục ox (với pha điện áp $\phi_u = 0$) Sau đó, vẽ vectơ dòng điện $\vec{I}$ vượt trước vectơ điện áp $\vec{U}$ một góc 25 độ Vectơ $\vec{U}_R$ sẽ trùng pha với vectơ điện áp.
I , 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 diễn ra khi năng lượng điện được chuyển đổi sang dạng năng lượng khác, dẫn đến việc năng lượng bị tiêu tán và không còn tồn tại trong mạch điện Điện trở R là thông số đặc trưng cho quá trình này.
✓ 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 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
Công suất tác dụng P đạt cực đại khi cos = 1, trong khi công suất phản kháng Q đạt cực đại khi sin = 1, và cả hai đều liên quan đến công suất biểu kiến S Do đó, S thể hiện khả năng hoạt động 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
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
Khi cos = 1, P = Sđm đại diện cho công suất lớn nhất mà máy có thể cung cấp Ngược lại, nếu cos giảm, khả năng phát công suất tác dụng của máy cũng sẽ giảm theo.
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:
Dòng điện chuyển tải lớn dẫn đến tổn hao điện năng cao Do đó, nâng cao hệ số công suất không chỉ giúp giảm vốn đầu tư xây dựng đường dây mà còn giảm thiểu tổn thất điện năng trong quá trình truyền tải.
Việc nâng cao hệ số công suất (cosφ) đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu quả kinh tế và kỹ thuật trong sản xuất điện Các nghiên cứu liên tục được thực hiện nhằm tìm ra các biện pháp tối ưu để nâng cao chỉ số này.
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 được gọi là phương pháp bù, một biện pháp thụ động hiệu quả Phương pháp bù đơn giản nhất là sử dụng tụ điện mắc song song với phụ tải.
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
Hệ số công suất cos đã được cải thiện Để nâng cao hệ số công suất từ cos1 lên cos, cần tính toán điện dung C cần thiết.
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 trong công nghiệp chủ yếu được sử dụng dưới dạng dòng điện sin 3 pha Động cơ điện 3 pha có cấu tạo đơn giản và hiệu suất tốt hơn so với động cơ một pha, giúp tiết kiệm dây dẫn trong quá trình truyền tải điện 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 quét qua các dây quấn pha A, pha B và pha C của stato, tạo ra sức điện động cảm ứng trong dây quấn Sức điện động này có dạng hình sin, cùng biên độ và tần số góc $\omega$, nhưng 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 B: e B =E√2sin(ωt - 2𝜋 3 ) Sức điện động pha C: e C =E√2sin(ωt - 4𝜋 3 ) = E√2sin(ωt + 2𝜋 3 ) c Mạch điện 3 pha
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 điện 1 pha, công suất tức thời thường dao động, trong khi ở mạch điện 3 pha, công suất tức thời duy trì ổn định Điều này giúp các máy điện hoạt động hiệu quả hơn và giảm thiểu rung động.
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 bằng nhau được gọi là tải ba pha đối Mạch điện ba pha đối xứng, hay còn gọi là mạch điện ba pha cân bằng, bao gồm nguồn tải và đường dây đối xứng Nếu không đáp ứng các điều kiện này, nó sẽ trở thành mạch điện ba pha không đối xứng Trong mạch điện ba pha đối xứng, điện áp và dòng điện của các pha sẽ đối xứng, có trị số hiệu dụng bằng nhau và lệch pha 120 độ, tạo thành các hình sao đối xứng với 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 PHA 42 4.4 CÔNG SUẤT MẠCH ĐIỆN 3 PHA
4.3.1 Cách nối hình sao (Y) a Định nghĩa
Để nối hình sao, ta cần kết nối ba điểm cuối của pha với nhau để tạo thành điểm trung tính Đối với nguồn, ba điểm cuối X, Y, Z được nối lại với nhau để hình thành điểm trung tính 0 Tương tự, đối với tải, ba điểm cuối X’, Y’, Z’ cũng được nối lại để tạo 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
Để nối hình tam giác, ta kết nối đầu pha này với cuối pha kia, ví dụ như A nối với Z, Z nối với X, và C nối với Y Phương pháp này không sử dụng dây trung tính.
Hình 4.4 Sơ đồ nối dây hình tam giác
Khi giải các mạch điện nối tam giác, chúng ta quy ước chọn chiều dương của dòng điện các pha Ipn của nguồn ngược chiều kim đồng hồ, trong khi chiều dương dòng điện pha của tải Ipt cùng chiều kim đồng hồ Mối quan hệ giữa các đại lượng U, I dây với U, I pha cũng rất quan trọng trong việc phân tích mạch.
- 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 4.4.1 Công suất tác dụng P
Công suất tác dụng P trong mạch 3 pha được tính bằng tổng công suất tác dụng của từng pha, với PA, PB, PC lần lượt là công suất tác dụng của các pha A, B và C.
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
Khi mạch 3 pha đối xứng ta có: Q
Trong đó X P là điện kháng pha của tải Thay đại lượng pha bằng đại lượng dây:
4.4.3 Công suất biểu kiến S của mạch 3 pha đối xứng
CÁCH NỐI NGUỒN VÀ TẢI TRONG MẠCH BA PHA
Nguồn điện và tải 3 pha có thể được kết nối theo hình sao hoặc tam giác, tùy thuộc vào điện áp định mức của thiết bị, mạng điện và các yêu cầu kỹ thuật để lựa chọn phương pháp nối dây phù hợp.
Nguồn điện sinh hoạt thường được lấy từ dây quấn 3 pha của stato máy phát điện hoặc từ dây quấn 3 pha thứ cấp của máy biến áp Các dây quấn này thường được nối theo hình sao với dây trung tính, cho phép cung cấp hai điện áp khác nhau: điện áp pha và điện áp dây.
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 bao gồm 3 dây quấn pha, và khi kết nối tải 3 pha, cần xác định điện áp nguồn và điện áp định mức của các pha tải Tải phải hoạt động đúng với điện áp quy định để tránh hư hỏng thiết bị Chẳng hạn, một động cơ 3 pha có điện áp định mức cho mỗi pha là 22 V (Up = 220V) và trên nhãn động cơ ghi rõ /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
Điện áp quy định cho động cơ là 220V, và khi động cơ hoạt động trong mạng điện với Ud = 220V, nó cần được nối theo hình ∆ Khi đó, điện áp trên mỗi dây quấn pha của động cơ sẽ là 220V, đúng với điện áp quy định Để thuận tiện cho việc đấu nối, 6 đầu dây của 3 dây quấn động cơ được ký hiệu là AX, Y, CZ và được đưa ra bu lông (1, 2,… 6) tại hộp nối dây trên vỏ động cơ.
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 4.8)
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 điện, cần đấu nối giữa dây pha và dây trung tính Do đó, các tải một pha phải có điện áp định mức tương ứng với điện áp pha của mạng điện.
Khi thiết kế mạng điện, việc phân bố tải một pha cho cả ba pha là rất quan trọng, tuy nhiên, do sự sử dụng không đồng đều, mạng điện thường trở thành mạch ba pha không đối xứng.
Dây trung tính giúp duy trì điện áp ổn định cho các thiết bị ngay cả khi tải không đối xứng, ngăn ngừa việc vượt quá điện áp định mức và bảo vệ thiết bị khỏi hư hỏng Khi một pha gặp sự cố, chỉ có pha đó mất điện, trong khi các pha khác vẫn hoạt động bình thường.
CÁCH GIẢI MẠCH ĐIỆN 3 PHA ĐỐI XỨNG
Trong mạch điện 3 pha đối xứng, các dòng điện (hoặc điện áp) của các pha có trị số hiệu dụng bằng nhau và lệch pha một góc nhất định Do đó, khi phân tích mạch đối xứng, ta có thể tách riêng từng pha để tính toán Khi biết dòng điện của một pha, ta có thể dễ dàng suy ra dòng điện của 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
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
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
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
Một tải 3 pha với điện trở pha \$R_P = 20 \Omega\$ và điện kháng pha \$X_P = 15 \Omega\$ được nối hình tam giác và đấu vào mạng điện có điện áp dây \$U_d = 0V\$ Cần tính toán dòng điện pha \$I_P\$, dòng điện dây \$I_d\$, và 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, U = 12 V cung cấp điện cho tải nối sao có 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
Động cơ điện 3 pha đấu sao, kết nối vào mạng 3 pha với điện áp Ud = 380V, có dòng điện dây Id = 26,81A và hệ số công suất cosφ = 0,85 Dòng điện pha của động cơ được tính là Ip = Id = 26,81A, và công suất điện tiêu thụ của động cơ là 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 thiết bị sử dụng điện để tạo ra hoặc chuyển đổi năng lượng, hoạt động dựa trên nguyên tắc chuyển đổi giữa cơ năng và điện năng Ngoài ra, máy điện còn có chức năng chuyển giao và biến đổi năng lượng điện, chẳng hạn như từ điện một chiều sang điện xoay chiều, hoặc từ điện cao thế sang hạ thế và ngược lại.
Máy điện có cấu trúc cơ khí bao gồm lõi sắt, dây quấn đồng, và vỏ kim loại, cùng với các thành phần khác Chức năng chính của máy điện là biến đổi các thông số điện năng như điện áp, dòng điện, tần số và 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 thiết bị sử dụng dòng điện xoay chiều (AC), được chia thành hai loại chính: máy điện 3 pha và máy điện 1 pha.
• 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 thiết bị điện từ tĩnh hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, có chức năng biến đổi điện áp trong hệ thống dòng điện xoay chiều mà không thay đổi tần số Đầu vào của máy biến áp, được gọi là sơ cấp, kết nối với nguồn điện (U1, I1, f), trong khi đầu ra, gọi là thứ cấp, kết nối với tải (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
Hệ thống điện đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải và phân phối điện năng Các nhà máy điện lớn thường nằm xa các trung tâm tiêu thụ, do đó cần xây dựng đường dây truyền tải Điện áp của máy phát thường là 6,3; 10,5; 15,75; và 38,5 KV Để nâng cao khả năng truyền tải và giảm tổn hao công suất, cần giảm dòng điện trên đường dây bằng cách nâng cao điện áp Do đó, máy biến áp tăng áp được lắp đặt ở đầu đường dây và máy biến áp hạ áp ở cuối đường dây.
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, được chế tạo từ vật liệu dẫn từ chất lượng cao như thép kỹ thuật điện, có chức năng dẫn từ thông chính của máy Lõi thép bao gồm hai 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, giúp tối ưu hóa hiệu suất Để giảm thiểu dòng điện xoáy Foucault trong lõi thép, người ta sử dụng thép lá kỹ thuật điện với hai mặt được sơn cách điện, ghép lại thành lõi thép hiệu quả.
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 của máy biến áp (MBA) bao gồm nhiều vòng dây được lồng vào trụ lõi thép, với cách điện giữa các vòng dây và giữa dây quấn với lõi thép MBA có thể có 2 hoặc nhiều dây quấn, trong đó dây quấn thấp áp được đặt sát trụ thép và dây quấn cao áp được lồng ra ngoài, giúp giảm vật liệu cách điện Để làm mát và tăng cường cách điện, lõi thép và dây quấn thường được đặt trong một thùng chứa dầu MBA, và đối với MBA công suất lớn, vỏ thùng dầu có cánh tản nhiệt.
Bài viết đề cập đến các thành phần quan trọng của máy biến áp, bao gồm sứ xuyên để kết nối các đầu dây quấn, bộ phận chuyển mạch để điều chỉnh điện áp, rơ-le hơi nhằm bảo vệ máy biến áp, bình dãn dầu và 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 máy biến áp (MBA) được quy định bởi xưởng chế tạo nhằm đảm bảo máy hoạt động hiệu quả và bền bỉ Một trong những yếu tố quan trọng là 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 của cuộn dây thứ cấp khi cuộn dây này không có tải và điện áp được áp dụng vào cuộn dây 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 I2đm,
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 kết nối dây quấn sơ cấp N1 với nguồn điện xoay chiều có điện áp u1, dòng điện sơ cấp i1 sẽ chạy qua dây quấn N1 Dòng điện này tạo ra từ thông biến thiên trong lõi thép, từ thông này đồng thời xuyên qua 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
𝑒 2 = −𝑁 2 𝑑∅ 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 hoạt động với tải, dây quấn thứ cấp kết nối với tổng trở tải Z2 và dưới tác động của sức điện động e2, dòng điện thứ cấp i2 cung cấp điện cho tải Lúc này, từ thông chính được sinh ra bởi cả hai dòng sơ cấp i1 và thứ cấp i2 Do điện áp u1 biến thiên theo hình sin, từ thông cũng sẽ biến thiên theo hình sin, được biểu diễn bằng công thức: \$\Phi = \Phi_{\text{max}} \sin(\omega t)\$.
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
Máy biến áp 3 pha N1 có khả năng điều chỉnh điện áp ở ba cuộn AX, BY, CZ nhờ vào đảo điện 3 pha đặc biệt Thiết bị này thường được sử dụng trong các trường hợp lưới điện 3 pha gặp tình trạng giảm điện áp nghiêm trọng, không đủ để 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 srx được sử dụng trong các mạch lưới điện cao thế, nơi mà việc đo lường trực tiếp bằng dụng cụ thông thường không khả thi do yêu cầu an toàn điện Thiết bị này đảm bảo an toàn cho người điều hành mạng điện cao thế.
Mạng điện cao áp được trình bày trong Hình 5.8 bao gồm các thiết bị đo lường như vôn kế, ampe kế và điện năng kế, kết nối qua các máy biến áp đo lường Tất cả các dụng cụ đo lường phải được mắc vào phần thứ cấp của máy biến áp, trong khi phần sơ cấp được kết nối với mạng điện cao áp Điện áp ở phần thứ cấp không vượt quá 100V để đảm bảo an toàn điện Vôn kế được tính theo tỉ số biến áp Ku.
Dựa vào tỷ số biến áp Ku, điện áp trên lưới điện cao thế được xác định bằng công thức \$U_1 = Ku \cdot U_2\$ Trên mặt vôn kế thường ghi các trị số tương ứng với tỷ số biến áp để dễ dàng đọc điện áp Để đo cường độ dòng điện, cần sử dụng máy biến áp dòng, trong đó phần sơ cấp là dây truyền tải và phần thứ cấp kết nối với ampe kế, với cường độ dòng không vượt quá 5A Từ tỷ số biến dòng, có thể xác định được dòng điện trong dây tải điện.
I1 = K1.I2 Việc nối ngắn mạch cuộn dây máy biến áp dòng có thể gây hỏng hóc cho thiết bị Để đảm bảo an toàn điện cho người vận hành, tất cả các mạch từ các dụng cụ đo cần phải được kết nối với dây nối đất.
Hình 5.6: Biến áp đo lường c Máy biến áp hàn hồ quang:
MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ
Máy điện không đồng bộ là một loại máy điện xoay chiều hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, trong đó tốc độ quay của rôto n (tốc độ của máy) không trùng khớp với tốc độ quay của từ trường n1.
5.3.2 CÔNG DỤNG CỦA MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ
Máy điện không đồng bộ, giống như các máy điện quay khác, có tính thuận nghịch, cho phép nó hoạt động hiệu quả ở cả hai chế độ: máy phát và động cơ điện.
Máy phát điện không đồng bộ thường có hiệu suất làm việc kém hơn so với máy phát điện đồng bộ, dẫn đến việc ít được sử dụng Tuy nhiên, động cơ điện không đồng bộ lại có cấu tạo và vận hành đơn giản, giá thành thấp và độ tin cậy cao, vì vậy chúng được ưa chuộng trong sản xuất và sinh hoạt hàng ngày.
Động cơ không đồng bộ được chia thành ba loại chính: động cơ 3 pha, động cơ 2 pha và động cơ 1 pha Trong số đó, động cơ điện không đồng bộ có công suất lớn hơn 600W thường là loại 3 pha.
3 dây quấn làm việc, trục các dây quấn đặt lệch nhau trong không gian một góc
Động cơ điện không đồng bộ có công suất nhỏ hơn 600W thường là loại 1 pha hoặc 2 pha Động cơ 2 pha có hai dây quấn làm việc lệch nhau 90 độ, trong khi động cơ 1 pha chỉ có một dây quấn Các động cơ không đồng bộ một pha được ứng dụng rộng rãi trong đời sống và công nghiệp, bao gồm máy giặt, tủ lạnh, máy bơm, quạt và 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 là một cấu trúc hình trụ được tạo thành từ các lá thép kỹ thuật điện, được dập rãnh bên trong và ghép lại với nhau để hình thành các rãnh theo hướng trục Lõi thép này được ép chặt vào trong vỏ máy, đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường hiệu suất và độ bền của thiết bị.
Dây quấn được làm từ dây dẫn bọc cách điện, thường là dây điện từ, và được đặt trong các rãnh của lõi thép Cụ thể, dây quấn pha A được phân bố ở các rãnh 1, 4, 7, 10; pha B nằm ở các rãnh 3, 6, 9, 12; và pha C được bố trí tại các rãnh 5, 8, 11, 2.
Dòng điện xoay chiều 3 pha chạy trong 3 pha dây quấn stato sẽ tạo ra từ trường quay
Vỏ máy được chế tạo từ nhôm hoặc gang, có chức năng giữ chặt lõi thép và cố định máy trên bệ Hai đầu của vỏ máy được trang bị nắp máy và ổ đỡ trục, đảm bảo sự ổn định và hiệu suất hoạt động của thiết bị.
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
Động cơ KĐB roto lồng sóc có cấu tạo đặc biệt với các thanh đồng hoặc nhôm trong các rãnh, tạo thành lồng sóc cho động cơ có công suất trên 100kW Các thanh này được ngắn mạch bởi hai vành ở hai đầu Đối với động cơ công suất nhỏ, lồng sóc được chế tạo bằng cách đúc nhôm vào các rãnh lõi thép rôto, tạo thành thanh nhôm với hai đầu đúc và vành ngắn mạch cùng cánh tản nhiệt để làm mát.
Roto lồng sóc e và roto dây quấn là hai loại cấu trúc quan trọng trong động cơ điện Dây quấn 3 pha của rôto được đặt trong các rãnh của lõi thép rôto, thường được nối hình sao Ba đầu ra của dây quấn này kết nối với ba vòng tiếp xúc bằng đồng, được cố định trên trục rôto và cách điện với trục để đảm bảo an toàn và hiệu suất hoạt động.
Nhờ 3 chổi than tỳ sát vào 3 vòng tiếp xúc, dây quấn rôto được nối với 3 vòng 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 dòng điện 3 pha với tần số f được cung cấp cho 3 dây quấn stato, nó sẽ tạo ra một từ trường quay Tốc độ quay của từ trường này được xác định bởi số đôi cực p và được tính theo công thức n1 = 60f.
Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn rôto, tạo ra sức điện động cảm ứng trên các dây quấn Khi các dây quấn này nối ngắn mạch, sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng điện cảm ứng trong các thanh dẫn rôto Theo định luật cảm ứng điện từ, từ trường quay tác động lên dòng điện này một lực gọi là lực điện từ Fđt, kéo rôto quay theo chiều của từ trường với vận tốc n.
Khi đó, độ chênh lệch giữa tốc độ của từ trường quay và tốc độ máy gọi là tốc độ trượt n2, với:
𝑛 1 Khi rôto đứng yên (n=0), hệ số trượt s=1
Khi rôto quay, định mức s=0.02÷0.06
Nếu stato vẫn nối với lưới điện nhưng trục rôto không nối với tải mà nối với động cơ sơ cấp, động cơ này sẽ kéo rôto quay cùng chiều với n1 và với vận tốc n, lớn hơn vận tốc từ trường quay n1 Khi đó, chiều dòng điện rôto I2 sẽ ngược lại với chế độ động cơ, dẫn đến lực điện từ đổi chiều Lực điện từ tác dụng lên rôto sẽ ngược chiều quay, gây ra mômen quay cho động cơ sơ cấp Máy điện hoạt động ở chế độ máy phát với hệ số trượt.
MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ
Máy điện xoay chiều có tốc độ quay rôto n bằng tốc độ quay của từ trường n1 được gọi là máy điện đồng bộ Máy này có hai dây quấn: dây quấn stato kết nối với lưới điện có tần số f không đổi và dây quấn rôto được kích thích bằng dòng điện một chiều Trong chế độ xác lập, tốc độ quay rôto của máy điện đồng bộ luôn giữ nguyên khi tải thay đổi.
Máy phát điện đồng bộ là nguồn điện chính cho lưới điện quốc gia, với động cơ cấp là các turbine hơi, turbine khí hoặc turbine nước, có công suất lên đến 600 MVA hoặc hơn Trong các lưới điện nhỏ, máy phát điện đồng bộ thường được kéo bởi động cơ diesel hoặc turbine khí, hoạt động đơn lẻ hoặc song song Động cơ đồng bộ được sử dụng cho truyền động công suất lớn, đạt vài chục MW, và trong ngành công nghiệp luyện kim, khai thác mỏ, thiết bị lạnh, chúng truyền động cho máy bơm, nén khí, và quạt gió với tốc độ không đổi Đối với công suất nhỏ, động cơ đồng bộ được ứng dụng trong đồng hồ điện, dụng cụ tự ghi, thiết bị lập chương trình và thiết bị điện sinh hoạt.
Máy bù đồng bộ trong hệ thống điện có vai trò quan trọng trong việc cung cấp công suất phản kháng, giúp cải thiện hệ số công suất và ổn định điện áp cho lưới điện Đây là một động cơ đồng bộ không tải, được sử dụng để tiêu thụ hoặc cung cấp công suất phản kháng, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống điện.
5.4.1 CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ
Bài viết bao gồm hai phần chính là stato và rôto Phần stato có trở suất lớn, với loại vận tốc chậm có chiều dài trục ngắn, trong khi 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 bao gồm các cực từ và dây quấn kích từ, có nhiệm vụ tạo ra từ trường cho máy Đối với các máy nhỏ, rôto thường được thiết kế dưới dạng 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
Mặt cực được thiết kế với khe không khí không đều nhằm tạo ra phân bố từ cảm hình sin trong khe không khí, dẫn đến sức điện động cảm ứng cũng có dạng hình sin trong dây quấn Rôto cực lồi thường được sử dụng trong máy phát kéo bởi turbine vận tốc chậm, như turbine thủy điện, với nhiều cực và chiều dài ngắn.
Khe không khí đều và rôto chỉ có hai hoặc bốn cực (rất hiếm loại sáu cực)
Rôto cực ẩn được sử dụng trong máy phát điện kéo bởi turbine nhiệt điện với vận tốc cao Để chống lại lực ly tâm do vận tốc nhanh, rôto được thiết kế 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 nhận dòng một chiều để tạo ra từ thông không đổi theo thời gian Dòng một chiều này được cung cấp bởi bộ kích từ, bao gồm máy phát một chiều sử dụng chổi than và vành trượt để truyền điện, cùng với hệ thống chỉnh lưu.
Hình 5.16: Máy phát điện đồng bộ
5.4.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ
Dòng điện kích từ (dòng điện không đổi) khi được đưa vào dây quấn kích từ sẽ tạo ra từ trường rôto Khi rôto quay dưới tác động của động cơ sơ cấp, từ trường này sẽ cắt qua dây quấn của phần ứng stato, từ đó sinh ra sức điện động cảm ứng hình sin.
Khi rôto có p đôi cực (tức là 2p cực), sức điện động cảm ứng sẽ biến thiên p chu kỳ trong một vòng quay Do đó, tần số biến thiên của sức điện động cảm ứng được tính bằng công thức: \$ f = pn \$ (vòng/giây) hoặc \$ f = \frac{pn}{60} \$ (vòng/phút).
Dây quấn 3 pha stato có trục lệch nhau trong không gian 120 độ điện, dẫn đến sức điện động cảm ứng lệch pha nhau góc pha 120 độ Khi dây quấn stato được kết nối với tải, sẽ xuất hiện dòng điện 3 pha trong các dây quấn Tương tự như máy điện không đồng bộ, dòng điện 3 pha trong 3 dây quấn tạo ra từ trường quay với tốc độ n1`f/p, tương đương với vận tốc n của rôto Vì vậy, loại máy điện này được gọi là máy điện đồng bộ.
MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
Máy điện một chiều bao gồm các máy phát và động cơ, có chức năng tạo ra dòng điện một chiều hoặc chuyển đổi năng lượng của dòng điện một chiều thành cơ năng.
Trong các thiết bị tự động, máy điện khuếch đại và động cơ chấp hành thường sử dụng máy điện một chiều Máy điện một chiều cũng được ứng dụng rộng rãi trong ôtô, tàu thủy, máy bay, cũng như trong các máy phát điện một chiều với điện áp thấp, phục vụ cho thiết bị điện hóa và hàn điện chất lượng cao.
Máy điện một chiều có nhược điểm chính là cấu tạo phức tạp do có cổ góp, dẫn đến chi phí cao và độ tin cậy kém, đặc biệt là trong môi trường dễ nổ Để sử dụng động cơ điện một chiều, cần phải có nguồn điện một chiều đi kèm, như bộ chỉnh lưu hoặc 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:
Phần ứng, hay còn gọi là rotor, bao gồm lõi thép và dây quấn Lõi thép có hình trụ, được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện và được phủ sơn cách điện để ghép lại Các lá thép này được dập lỗ thông gió và rãnh nhằm tạo điều kiện cho việc đặt dây quấn phần ứng.
Mỗi phần tử của dây quấn phần ứng bao gồm nhiều vòng dây, với hai đầu kết nối đến hai phiến góp Hai cạnh tác dụng của phần tử dây quấn được đặt trong hai rãnh dưới hai cực khác nhau.
Mỗi phần tử chỉ có một vòng, và các phần tử được kết nối thành một mạch vòng khép kín Trong dây quấn xếp đơn, số nhánh song song tương đương với số cực từ Cổ góp và chổi điện là những thành phần quan trọng trong hệ thống này.
Cổ góp là bộ phận bao gồm các phiến góp bằng đồng được cách điện và có hình dạng trụ, được gắn ở đầu trục Rôto Các đầu dây của phần tử được kết 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 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 nửa vòng, sức điện động cảm ứng và dòng điện cảm ứng đổi chiều Tuy nhiên, do chổi than đứng yên và chỉ có cổ góp quay, chổi điện A vẫn nối với cực dương và chổi than B vẫn nối với cực âm, dẫn đến chiều dòng điện ở mạch ngoài không thay đổi Kết quả là máy phát điện một chiều có 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 áp dụng điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B, dòng điện một chiều Iư sẽ chạy qua dây quấn phần ứng (rôto) Các thanh dẫn trong phần ứng sẽ chịu tác dụng của lực từ Fđt do từ trường của các dây quấn kích từ của stato gây ra, dẫn đến việc 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
Các cổ góp trong động cơ đổi chiều dòng điện nhưng vẫn duy trì chiều của lực từ, giúp rôto quay theo một chiều không đổi Điều này có nghĩa là động cơ không thay đổi chiều quay.
❖ TÓM TẮT NỘI DUNG CHƯƠNG 5 :
1.1 Khái niệm chung về máy điện 1.2 Máy biến áp
❖ 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?