BÀI GIẢNG ĐIỆN KỸ THUẬT pdf

- Nguồn điện: là thiết bị phát ra điện: máy phát- Phụ tải: là thiết bị tiêu thụ điện - Dây dẫn: cho dòng điện đi qua I.2-Kết cấu hình học của mạng điện: Hình vẽ  Nhánh: là bộ phận của m

BÀI GIẢNG

ĐIỆN KỸ THUẬT

- Nguồn điện: là thiết bị phát ra điện: máy phát

- Phụ tải: là thiết bị tiêu thụ điện

- Dây dẫn: cho dòng điện đi qua

I.2-Kết cấu hình học của mạng điện:

Hình vẽ

 Nhánh: là bộ phận của mạch điện gồm các phần tử nối tiếp nhau trong đó có cùngdòng điện chạy qua Hình trên gồm 4 nhánh

 Nút: là chỗ gặp nhau của từ 3 nhánh trở lên Hình trên có 2 nút

 Vòng:Là lối đi khép kín qua các nhánh Mạch trên có 6 vòng a,b,c,d,e,f

I.3-Các đại lượng và thông số đặc trưng về năng lượng của mạch điện

 Dòng điện ký hiệu bằng các chữ I, I, Io…, đơn vị là A

 Chiều dòng điện quy ước là chiều chuyển động của điện tích dương trong điện trườngNếu không xác định được chiều, ta tùy ý vẽ chiều nếu kết quả đúng thì chiều là đúng,

âm thì ngược lại

I.3.2-Điện áp

 Tại mỗi điểm trong mạch ta có một điện thế Hiệu điện thế giữa 2 điểm gọi là điện áp

UAB = φA – φB

 Điện áp ký hiệu bằng các chữ u, U, Uo … đơn vị là vôn (V)

 Chiều điện quy ước là chiều từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp

Nếu không xác định được chiều ta vẽ tùy ý chiều Nếu kết quả dương thì chiều chọn

là đúng, nếu âm thì ngược lại

p = u.i < 0 nhánh phát năng lượngNếu chọn ngược lại nhau giữa u và I thì kết luận ngược lại

 Đơn vị công suất là W (oát)

I.3.4-Điện trở R i R

 Dòng điện i đi qua một phụ tải sẽ bị cản trở được đặc trưng bằng điện trở R và gây ramột điện áp UR Theo định luật ôm ta có UR = R.i

 Điện trở ký hiệu R, đơn vị là ôm (Ω)

Đại lượng nghịch đảo điện trở là điện dẫn g =

R

1 đơn vị là simen:

S =

Ω

1I.3.5-Điện cảm L i L

 Khi cho dòng điện i chạy qua một cuộn dây nó sẽ sinh ra một từ trường có từ thông

Ф Từ trường mạnh hay yếu phụ thuộc vào tính chất cuộn dây được đặc trưng bằng hệ

số tự cảm L

Đơn vị của L là Henry (H)

 Nếu dòng điện i thay đổi thì từ trường thay đổi thì trong cuộn dây phát sinh một sứcđiện động tự cảm

eL = -L

dt di

I.3.6-Điện dung C i C

UC

 Khi đặt điện áp UC lên tụ điện C nó sẽ được nạp điện với điện tích q = C.UC

Trong đó C là điện dung, đơn vị là F (fara)

 Nếu UC biến thiên sẽ tạo ra dòng điện i:

II-Hai định luật Kiếc hốp

II.1-Định luật Kiếc hốp 1

 Trong mạch điện tổng đại số các dòng điện tại một nút i1 A i3 i4

bằng không Σi 0 i= 2

Với quy ước vào nút (+), ra nút (-) hoặc ngược lại Tại A: i = i1 – i2 – i3 + i4 = 0 → i1 + i4 = i2 + i3

Phát biểu cách khác:

Tổng các dòng điện tới nút bằng tổng các dòng điện ra khỏi nút

 Định luật 1 nói lên tính liên tục của dòng điện, trong một nút không có hiện tượng tíchlũy điện tích

II.2-Định luật Kiếc hốp 2

 Đi theo một vòng kín với chiều tùy ý tổng đại số có điện áp … trên các phần tử bằngkhông Σu 0=

Thay thế điện áp … với các sức điện động với e = -u ta có uΣ = eΣ

III-Dòng điện xoay chiều hình sin một pha

III.1-Khái niệm và các thông số cơ bản

Dòng điện xoay chiều hình sin một pha có dạng:

Nếu: φ > 0 điện áp vượt trước dòng điện

φ < 0 điện áp chậm sau dòng điện

φ = 0 điện áp trùng pha với dòng điện

III.2-Biểu diễn dòng điện hình sin bằng vectơ:

 Dòng điện hình sin biểu diễn trên đồ thị không thuận tiện khi so sánh hay tính toán

Vì thế người ta thường dùng một đại lượng véc tơ để biểu diễn chúng

 Cách biểu diễn:

Trên hệ trục tọa độ xOy, ta quy ước vẽ véc tơ có gốc tọa

độ O, độ lớn bằng trị số hiệu dụng và góc tạo với trục Ox 20o

là góc pha ban đầu

Ví dụ dòng điện hình trên: I = 10 2 sin(ωt + 20o)

 Khi biểu diễn bằng đại lượng véc tơ thì các định luật vẫn đúng nhưng dưới dạng véctơ:

Định luật kiếc hốp 1: ∑I = 0

Định luật kiếc hốp 2: ∑U = 0

Khi thực hiện các phép tính ta dùng các phép tính về véc tơ

III.3-Dòng điện hình sin trong nhánh thuần trở (R)

 Sơ đồ:

Cho dòng điện I = Io(max)sinωt đi qua R

 Định luật ôm – trị số hiệu dụng:

UR = i.R = R.Iosinωt = Uosinωt

→ UR =

2

Uo = R.I

 Đồ thị véc tơ: véc tơ dòng điện và điện áp trùng phương nhau vì trùng pha

 Công suất: PR(t) = Umax(o)Imax(o)sin2ωt ≥ 0

Điện trở liên tục tiêu thụ điện năng biến sang dạng năng lượng khác → đây là côngsuất tác dụng

R dt

P

0 ) = RI2

Đồ thị: (hình vẽ)

III.4-Dòng điện hình sin trong nhánh thuần cảm

- Sơ đồ: iL L

UL

Cho dòng iL= Iosinωt qua L

-Định luật ôm-trị số hiệu dụng:

Trong đó XL = Lω có thứ nguyên điện trở gọi là cảm kháng

1

2sin(

1

0

πω

Dòng điện và điện áp cùng tần số nhưng dòng điện vượt trước một góc

1

0

∫ = 0 UC

Công suất tác dụng bằng không → không có công suất tác dụng

Có quá trình trao đổi năng lượng

-Định luật ôm - trị số hiệu dụng

Mắc nối tiếp nên dòng i chung còn điện áp bằng tổng các điện áp:

U = UR+UL+UC

Ta vẽ đồ thị véc tơ: UC UL

-XL > XC → φ > 0 mạch có tính chất điện cảm

-XL < XC → φ < 0 mạch có tính chất điện dung

II.7-Công suất dòng điện hình sin

Có 3 loại công suất sau:

-Đặc trưng cho cường độ trao đổi năng lượng điện từ trường:

ζ = U.Isinφ

ζ = ζL + ζC = ∑ XLnIn−∑ XCnXn

2 2

c.Công suất biểu kiến: (S)

-Là tổng công suất điện năng tiêu thụ của mạch ( công suất toàn phần)

S = U.I = 2 ζ 2

+

P

-Tam giác công suất: 3 thành phần R, P, ζ tạo thành S ζ

1 tam giác công suất φ

P

d.Nâng cao hệ số công suất cosφ:

-Trong biểu thức P = U.I.cosφ thì cosφ được gọi là hệ số công suất cosφ tăng thì Ptăng do đó làm tăng khả năng sử dụng công suất nguồn

IV.Mạch điện xoay chiều 3 pha:

1 Khái niệm chung:

* Ưu điểm mạng 3 pha:

- Thiết bị điện 3 pha có cấu tạo đơn giản, gọn nhẹ và đặc tính tốt hơn 1 pha.

- Truyền tải điện 3 ra tiết kiệm hơn.

* Mạng 3 pha gồm: Nguồn 3 pha, đường dây và phụ tải 3 pha.

* Sơ lược về MF điện đồng bộ 3 pha:

* Sơ đồ:

Gồm có lõi thép khoét rỗng

hình trụ, trên mặt trụ xẻ các rãnh dọc

trục Trong các rãnh quấn 3 cuộn dây

AX, BY, CZ có cùng kích thước và số

vòng đặt lệch nhau trong không gian

120o Mỗi dây quấn sẽ tạo ra 1pha.

- Rô to: Là một nam châm điện hoặc vĩnh cửu.

- Nguyên lý làm việc: Khi Ro to quay từ trường sẽ quyét lên các cuộn dây

và cảm ứng vào 3 cuộn dây 3 sức điện động, đầu số, nhưng lệch pha nhau 120o

* Nguồn đối xứng và không đối xứng;

- Nếu nguồn 3 pha gồm 3 sức điện động hình sin cùng biên độ, cùng tần

số nhưng lệch nhau 120o gọi là nguồn 3 pha đối xứng Khi đó eA, eB, eC = 0.

* Các thông số của pha kí hiệu: Ip, Up

Các thông số của dây kí hiệu: Id, Ud

* Nếu phụ tải 3 pha có tổng trở bằng nhau: ZA, ZB, ZC thì đã có tải 3 pha đối xứng.

* Nếu mạch điện gồm tải và nguồn đối xúng, gọi là mạch 3 pha đối xứng

2 Cách nối hình sao:

* Cách nối:

- Nguồn: Nối 3 điểm cuối X,Y,Z chung tại điểm O.

- Tải: Nối 3 điểm cuối X’,Y’,Z’ tại điểm trung tính O’

- Nối 3 điểm đầu của nguồn với 3 điểm đầu của tỉa Nối O với O’.

*Đặc điểm:

- Id = Ip

- Ud = 3Up

V Các phương pháp phân tích mạch điện.

Phân tích mạch điện là bài toán cho biết kết cấu mạch điện, biết các thông số cần tìm các thông số dòng điện, điện áp, công suất.

Sau đây là một số phương pháp cơ bản:

1 Phương pháp bằng Véc tơ:

* Điều kiện:

- Đối với các mạch đơn giản.

- Chỉ có một nguồn.

* Phương pháp:

- Dựa vào đầu bài vẽ đồ thị véc tơ.

- Dựa vào các công thức đã biết và đồ thị véc tơ lập quan hệ giữa các thông số đã biết và chưa biết.

- Giải phương trình tìm kết quả.

2 Phương pháp biến đổi tương đương:

Biến đổi tương đương mạch điện là đưa mạch phức tạp về mạch đơn giản hơn mà các thông số điện tại các bộ phận không bị biến đổi vẫn giữ nguyên.

U = I(Ztd) Ztd = Z1 +Z2 +Z n

Suy ra:

31 23 12

23 31 12 31

Z Z Z

Z Z Z Z

Z

++

+

=+

Tương tự cho: •

I2 = 0 •

I3 = 0 Lập thêm 2 phương trình nữa.

Giải ra ta có:

* Từ ∆ Y

31 23 12

31 12

Z Z Z

Z Z Z

++

=

31 23 12

31 12 2

Z Z Z

Z Z Z

++

=

31 23 12

31 12

Z Z Z

Z Z Z

++

Z

Z Z Z Z

1

23 3 2 23

Z

Z Z Z

2

1 3 1 3

Z

Z Z Z Z

Số phức bao gồm 1 số thực và số ảo.

+ Số thực là số thực hiện được các phép tính số học và đại số: Số tự nhiên, số thập phân , số nguyên tố hoặc là số bình phương luôn dương.

+ Số ảo là số bình phương là số âm.

Đơn vị ảo là: J = −1 hoặc J2 = -1

- Biểu diễn dưới dạng mũ:

•

I = I eJϕi ; •

U = U eJϕi

Mô đen là trị số hoãn dụng

Acsguimen ϕi,ϕu là góc pha ban đầu (số mũ) Số mũ dạng đơn giản

i

I

I• = ∠ϕ ; U• =U∠ϕu

Cho ví dụ:

- Dạng lượng giác và đại số:

Trên đồ thị véc tơ thay trục OX = số thực

OY = số ảo J

Ta có dạng lượng giác:

i

i J I Sin ICos

Từ dạng lượng giác suy ra dạng đại số.

+ Dạng số mũ: Khi nhân chia nên đưa về dạng số mũ.

Nhân, chia 2 số phức ta nhân, chia môđuyn, còn acsgumen thì cộng trừ cho nhau

Ví dụ: 5.e J 20o..2e J 40o =10.e J 60o(10.e J60)

+ Dạng đại số: Nhân chia bình thường.

Nhân: ( a + bJ)(e + dJ) = (ac – bd) + (bc – ad).J

Chia: Nhân cả tử và mẫu số với số phức liên hợp:

2 2

)

()(

d c

J ad bc bd ac dj c

bJ a

+

−++

=+

(2

2

=+

π

JSin Cos

e J

J JSin

Cos

e−J = − + − )=−

2()

2(

π

Như vậy nhân một số phức với J ta quay véc tơ đi một góc π2 ngược chiều kim đồng hồ.

Vì i dt

C dt

di L Ri u u u

+

C i L J R C J

I I L J I R

ω

ωω

ω

= Z. I•

Trong đó:

)(

1

C

X J R C J L J R

- Biểu thức tức thời:

)23(

24

)37(

2220

o

o

t Sin I

t Sin U

- Tổng trở:

J I

U

Z 50 60o 25 43,3

234

37220

- Công suất:

W RI

UICos

P= ϕ = 2 =25.42 =400

V I

X UISin

Q= ϕ = L 2 =473,3.42 =492

VA I

Z1 = 2 = 3 =2+

Tìm dòng điện các nhánh

Giải:

Chọn chiều dòng điện như hình vẽ

Viết phương trình cho nút A: (1) •

I 1 - •

I 2 -•

I 3= 0 Viết phương trình cho vòng : (2) Z1.I•1+Z2.I•2 =E1

Vòng a: (3) Z2.I•2+Z3.I•3 =−E3

Thay E1 = E3 = 100eJ.O Giải hệ phương trình ta có;

;10

•

I J

I

21010

•

I J

I

* Phương pháp giải:

- Chọn chiều dòng điện tùy ý.

- Viết phương trình cho nút và vòng.

* Điều kiện: Phương pháp dùng khi:

Mạch phức tạp, nhiều nhánh song song, có 2 nút và nhiều nguồn .

* Ví dụ:

Cho mạch như hình vẽ Tìm

dòng điện các nhánh

Giải:

- Mạch song song cho

nên các nhánh đều chung

Z

U E I E U

Vòng b: 2

2 2

2

Z

U I

U Z

Z

U E I U

)

3 2

•

Y U E Y U Y U E I I

3 2 1

3 3 1 1

Y Y Y

Y E Y E

U AB

++

Tổng quát:

n

n AB

Y

Y E U

Chú ý: Sức điện động ngược chiều với điện áp lấy dâu dương, cùng chiều

lấy đâu âm.

- Phương pháp chung là tách giải từng pha.

Sau đây chỉ nghiên cứu mạch đối xứng.

a – Tải mô hình sao (Y)

* Khi không có tổng trở dây dẫn:

P P

Dòng điện pha và góc ϕ:

Id X

R

U Z

U

I

P P

d P

P

R

X arctg

d P

d

X X R

R

U I

I

+++

d P

P P

X R

U Z

U I

=ϕ

- I•d = 3I P

* Khi có tổng trở dây dẫn:

- Biến đổi mạch từ ∆ (a) hình sao (b)

Ta có:

2

)3(

)3(

d

p d

d d

X X

R R

U I

+++

1 Dòng điện trong các phụ tải.

2 Dòng điện dây Id1, Id2

3 Công suất P, Q, S toàn mạch

4 Dòng điện tổng trên đường dây.

Giải:

(1) Tải 1 nối Y: nên:

A Z

U Ip

34.3

220

1 1

7000

2

η

Dòng điện A

Cos U

P I

d

Đ

6,0.220.3

77773

tg P

P

P= 1 + 2đ =15519

VAr Q

Q

Q= 1 + 2đ =5806+10369=16175

VAr Q

P

S = 2 + 2 = 155192 +161752 =22421

(4) Dòng điện tổng trên đường dây:

A U

I

d

220.3

22421

= δ

* Dây cuốn:

- Dây cuốn là dây điện từ lõi bằng đồng hay nhôm, có tiết diện tròn hay dẹt.

- Cách quấn: Dây được quấn thành từng lớp vòng nọ sát vòng kia, giữa các lớp có cách điện Có thể dây quấn cùng trên một trục hoặc các trục riêng rẽ.

b Sơ đồ và nguyên lý của Máy biến áp:

Sau đây ta xét sơ đồ và nguyên lý làm việc của máy biến áp 1 pha.

Máy biến áp 1 pha Trong đó W1, I1, U1 Số vòng dòng điện, điện áp cuộn

sơ cấp W2, I2, U2: của mạch thứ cấp.

Nguyên lý làm việc: