Khóa luận tốt nghiệp 2.3.3 Dòng điện sin trong nhánh thuần điện dung .... Khóa luận tốt nghiệp Việc xây dựng một tài liệu đầy đủ, hoàn chỉnh về bài thí nghiệm – thực hành này là rất
Trang 1Khóa luận tốt nghiệp
LỜI CẢM ƠN
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô trong tổ Kỹ thuật khoa Vật Lý trường ĐHSP Hà Nội 2 và đặc biệt là thầy Ngô Tuấn Đức người thầy đã tận tình hướng dẫn , chỉ bảo em trong suốt quá trình làm luậ n văn để
em hoàn thành luận văn đúng thời hạn Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn sự phối hợp giúp đỡ của gia đình và bạn bè để em đạt được kết quả này
Hà Nội, tháng 05 năm 2009
Sinh viên
Nguyễn Thị Hương
Trang 2Khóa luận tốt nghiệp
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin khẳng định đề tài thiết kế xây dƣ̣ng bài thí nghiệm thƣ̣c hành
“Mạch điện một pha” là kết quả của riêng mình , đồng thời đề tài này không trùng với đề tài của các tác giả khác
Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm
Sinh viên
Nguyễn Thị Hương
Trang 3Khóa luận tốt nghiệp
MỤC LỤC
PHẦN 1: MỞ ĐẦU
1 Lý do chọn đề tài 1
2 Mục đích nghiên cứu 1
3 Đối tượng nghiên cứu 1
4 Nhiệm vụ nghiên cứu 1
5 Phương pháp nghiên cứu 2
PHẦN 2: NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TÌNH HÌNH HIỆN TẠI 3
1.1 Giáo trình thực hành thí nghiệm kỹ thuật điện trường ĐHSP Hà Nội 2 xuất bản ngày 28/10/2003 3
1.2 Tài liệu hướng dẫn thực tập các mạch điện xoay chiều 1 pha và 3 pha của “Công ty thiết bị giáo dục 1” phát hành kèm theo bộ thí nghiệm thực hành kỹ thuật điện 5
1.2.1 Mạch điện xoay chiều thuần trở 6
1.2.2 Mạch điện xoay chiều thuần cảm 7
1.2.3 Mạch điện xoay chiều thuần dung 8
1.2.4 Mạch điện xoay chiều R-L-C nối tiếp 9
1.3 Nhận xét, đánh giá 10
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH MẠCH ĐIỆN MỘT PHA 11
2.1 Căn cứ để xây dựng bài thí nghiệm thực hành 11
2.2 Mục đích của bài thí nghiệm thực hành 11
2.3 Sơ lược lí thuyết 11
2.3.1 Dòng điện sin trong nhánh thuần trở 11
2.3.2 Dòng điện sin trong nhánh thuần cảm 13
Trang 4Khóa luận tốt nghiệp
2.3.3 Dòng điện sin trong nhánh thuần điện dung 15
2.3.4 Dòng điện sin trong nhánh R-L nối tiếp 17
2.3.5 Dòng điện sin trong nhánh R-C nối tiếp 18
2.3.6 Dòng điện sin trong nhánh R-L-C nối tiếp 20
2.3.7 Nâng cao hệ số công suất cos 21
2.3.8 Các thiết bị cần dùng cho bài thí nghiệm thực hành 24
2.3.8.1 Các thiết bị cần có 24
2.3.8.2 Nút ấn 25
2.3.8.3 Công tắc tơ 26
2.3.8.4 Máy biến áp tự ngẫu 28
2.3.8.5 Cầu dao 29
2.3.8.6 Cầu chì 30
2.3.9 Các bước tiến hành thí nghiệm thực hành 31
2.3.9.1 Thí nghiệm mạch điện sin trong nhánh thuần trở 31
2.3.9.2 Thí nghiệm mạch điện sin trong nhánh thuần cảm 32
2.3.9.3 Thí nghiệm mạch điện sin trong nhánh thuần dung 33
2.3.9.4 Thí nghiệm mạch điện sin trong nhánh R-L nối tiếp 34
2.3.9.5 Thí nghiệm mạch điện sin trong nhánh R-C nối tiếp 35
2.3.9.6 Thí nghiệm mạch điện sin trong nhánh R-L-C nối tiếp 36
2.3.9.7 Thí nghiệm nâng cao hệ số công suất cos 37
2.3.9.8 Các chú ý khi làm thí nghiệm thực hành 38
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN KÍCH THƯỚC BÀN THÍ NGHIỆM VÀ BỐ TRÍ CÁC THIẾT BỊ TRÊN BÀN THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH 41
3.1 Tính toán kích thước bàn thí nghiệm 41
3.1.1 Các yêu cầu chung 41
3.1.2 Tính toán kích thước bàn thí nghiệm trong phòng thí nghiệm 41
3.1.2.1 Bàn thực hành điện cơ bản 41
Trang 5Khóa luận tốt nghiệp
3.1.2.2 Bàn thực hành “mạch điện một pha” 42
3.2 Bố trí thiết bị trên bàn thí nghiệm thực hành bài “Mạch điện một pha” 43 3.2.1 Bố trí theo phương án dồn các thiết bị cùng loại vào một vị trí 43
3.2.2 Nhận xét chung 43
CHƯƠNG 4: CÁC PHƯƠNG ÁN CẤP ĐIỆN CHO BÀI THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH 45
4.1 Cấp điện từ mạng điện vào bài thí nghiệm 45
4.2 Cấp điện từ mạng điện vào bàn thí nghiệm 46
4.2.1 Phương án cấp điện tập chung 46
4.2.2 Phương án cấp điện phân tán 48
4.3 Nhận xét, đánh giá 49
KẾT LUẬN 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Trang 6Khóa luận tốt nghiệp
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Đặng Văn Đào – Lê Văn Doanh, kỹ thuật điện, NXB khoa học và kỹ
thuật, 2005
2 Phạm Văn Giới – Bùi Tín Hữu – Nguyễn Tiến Tôn, khí cụ điện,NXB
khoa học và kỹ thuật
3 Trần Minh Sơ, giáo trình thực hành kỹ thuật điện, NXB Đại học sƣ
phạm
4 Tài liệu hướng dẫn thực tập các mạch điện xoay chiều 1 pha và 3 pha,
Công ty thiết bị giáo dục 1
Trang 7Khóa luận tốt nghiệp
Việc xây dựng một tài liệu đầy đủ, hoàn chỉnh về bài thí nghiệm – thực hành này là rất cần thiết Chính vì vậy, chúng tôi chọn đề tài: “Thiết kế xây dựng bài thí nghiệm – thực hành “Mạch điện một pha” Để cung cấp cho người học một tài liệu hoàn chỉnh về lý thuyết, đầy đủ cụ thể về các thiết bị cần dùng trong bài cũng như các phương án lắp ráp bài thí nghiệm – thực hành
2 Mục đích nghiên cứu
Xây dựng lý thuyết tương đối hoàn chỉnh về bài thí nghiệm “Mạch điện một pha” Đưa ra các bước thí nghiệm cụ thể để thực hiện nội dung chương trình thí nghiệm – thực hành
3 Đối tượng nghiên cứu
Bài thí nghiệm – thực hành “Mạch điện một pha”
4 Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu các loại mạch điện:
Mạch thuần trở Mạch thuần cảm Mạch thuần dung Mạch hỗn hợp ( R - L – C mắc nối tiếp )
Trang 8Khóa luận tốt nghiệp
- Nghiên cứu nâng cao hệ số công suất cos của mạch điện
5 Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp thực nghiệm với lý thuyết
Trang 9Khóa luận tốt nghiệp
PHẦN 2: NỘI DUNG
CHƯƠNG 1: TÌNH HÌNH HIỆN TẠI
Hiện nay lí thuyết cho bài thí nghiệm – thực hành “Mạch điện một pha” còn rất sơ sài, người đọc khó có thể hiệu được nội dung, lí do phải tiến hành các bước thí nghiệm – thực hành Tôi xin đưa ra dẫn chứng hai tài liệu sau
1.1 Giáo trình thực hành thí nghiệm kỹ thuật điện trường ĐHSP Hà Nội xuất bản ngày 28/10/2003
Mục đích, yêu cầu
- Biết sự phân bố điện áp trong mạch điện không phân nhánh khi thay đổi một trong các thông số của mạch
- Vẽ được đồ thị vector điện áp của nhánh R-L-C mắc nối tiếp
- Xác định được thông số của mạch
- Khảo sát được hiện tượng cộng hưởng điện áp
- Biết cách nâng cao hệ số công suất cos bằng tụ
Trang 10Khóa luận tốt nghiệp
- Các bước tiến hành
+ Mắc mạch theo sơ đồ, thay đổi C để UL > UC , mạch có tính chất điện cảm, ghi chỉ số các dụng cụ vào bảng kết quả
+ Thay đổi C để UL < UC , mạch có tính chất điện dung, ghi chỉ
số của các dụng cụ vào bảng kết quả
+ Thay đổi C để có cộng hưởng, ghi chỉ số của các dụng cụ vào bảng kết quả
+ Tính các thông số của mạch
U R
Trang 11Khóa luận tốt nghiệp
2WU
P
C tg tg '
So sánh điện dung C tính được với thực tế
1.2 Tài liệu hướng dẫn thực tập các mạch điện xoay chiều 1 pha và 3 pha
của “Công ty thiết bị giáo dục 1” Phát hành kèm theo bộ thí nghiệm –
thực hành kỹ thuật điện Trong đó trình bày:
Trang 12Khóa luận tốt nghiệp
1.2.1 Mạch điện xoay chiều thuần trở
Bước 1: Lắp sơ đồ theo hình vẽ:
Bước 2: - Nguồn xoay chiều thay đổi sao cho dòng qua tải R< 1A
- Đọc và ghi trị số U, I của mạch điện
Bước 3: Tính và kiểm nghiệm các biểu thức sau:
Trang 13Khóa luận tốt nghiệp
1.2.2 Mạch điện xoay chiều thuần cảm
Bước 1: Lắp sơ đồ thí nghiệm như hình vẽ
Bước 2: - Nguồn xoay chiều sao cho dòng qua I < 0,8A
- Đọc và ghi trị số U, I của mạch điện
Bước 3: Tính toán và kiểm nghiệm các biểu thức sau:
Trang 14Khóa luận tốt nghiệp
1.2.3 Mạch điện xoay chiều thuần dung
Bước 1: Lắp sơ đồ thí nghiệm như hình vẽ:
Bước 2: - Thay đổi nguồn xoay chiều ( 0 – 240v ) bất kỳ giá trị nào nhưng nên chọn U = 220v
- Đọc và ghi trị số U, I của mạch điện
Bước 3: Tính toán và kiểm nghiệm các biểu thức sau:
2 2
Trang 15Khóa luận tốt nghiệp
1.2.4 Mạch điện xoay chiều R-L-C mắc nối tiếp
Bước 1: Lắp sơ đồ thí nghiệm như hình vẽ
Bước 2: - Điều chỉnh nguồn xoay chiều sao cho dòng điện qua R-L-C <
0,8A
- Dùng một đồng hồ volt khác đo điện áp trên R-L-C
- Đọc và ghi trị số U, I, UAB, UCD, UDB
Bước 3: Tính toán và kiểm nghiệm các biểu thức sau:
Trang 16Khóa luận tốt nghiệp
1.3 Nhận xét, đánh giá
Phần lí thuyết trong hai tài liệu trên rất sơ sài mới chỉ định hướng cho người đọc vào chương dòng điện hình sin mà chưa định hướng vào vấn đề cụ thể nào cả Việc xác định các thông số R, L, C trong điện đại cương đã có cách tính cụ thể cho từng phần tử cố định Trong kỹ thuật điện các phần tử này (R, L, C) luôn luôn thay đổi Vấn đề chính là các phần tử loại nào gây ra
sự lệch pha giữa dòng điện và điện áp, chúng cùng pha hay ngược pha với nhau Từ đó đưa ra phương pháp nâng cao hệ số công suất cos Mà hai tài liệu trên chưa nói đến cả trong lý thuyết cũng như trong thực hành
Trang 17Khóa luận tốt nghiệp
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH
“MẠCH ĐIỆN MỘT PHA”
2.1 Căn cứ để xây dựng bài thí nghiệm – thực hành
- Chương trình thí nghiệm kỹ thuật điện của sư phạm kỹ thuật trường ĐHSP Hà Nội 2
Mạch thuần trở
Mạch thuần cảm
Mạch thuần dung
Mạch hỗn hợp (R- L- C mắc nối tiếp)
2.2 Mục đích của bài thí nghiệm – thực hành
- Để cung cấp cho người đọc một tài liệu hoàn chỉnh về lí thuyết, đầy đủ cụ thể về các thiết bị cần dùng trong bài
- Vẽ được đồ thị vector điện áp của các mạch điện
- Xác định được sự lệch pha giữa dòng điện và điện áp do các phần tử gây ra từ đó biết cách nâng cao hệ số công suất cos của mạch điện
2.3 Sơ lược lí thuyết
Trong phần này chúng tôi xét quan hệ giữa điện áp U và dòng điện I trong các mạch điện hình sin như sau:
2.3.1 Dòng điện hình sin trong nhánh thuần trở
Khi có dòng điện i Imaxsint qua điện trở R (hình 2.4a) điện áp trên
Trang 18Khóa luận tốt nghiệp
R
R R
Dòng điện và điện áp có cùng tần số và trùng pha nhau
Đồ thị vector dòng điện và điện áp vẽ trên hình 2.4b
Công suất tức thời của điện trở là:
Trên hình 2.4c vẽ đường cong UR, i, và PR Ta thấy P R t 0, nghĩa
là điện trở R liên tục tiêu thụ điện năng của nguồn và biến đổi sang dạng năng lượng khác
Vì công suất tức thời không có ý nghĩa thực tiễn, nên ta đưa ra khái niệm công suất tác dụng P, là trị số trung bình của công suất tức thời PR trong một chu kỳ
Trang 19Khóa luận tốt nghiệp
Hình 2.4 Sau khi lấy tích phân ta có:
2.3.2 Dòng điện hình sin trong nhánh thuần điện cảm
Khi có dòng điện i I maxsintqua điện cảm L hình 2.5a điện áp trên
Trang 20Khóa luận tốt nghiệp
X L có thứ nguyên của điện trở, đo bằng gọi là cảm kháng
Từ đó rút ra quan hệ giữa trị số hiệu dụng của dòng và áp là:
U X I hoặc L
L
U I X
Dòng điện và điện áp có cùng tần số song lệch pha nhau một góc / 2 Dòng điện chậm sau điện áp một góc / 2 Đồ thị vector dòng điện và điện áp vẽ trên hình 2.5b
Công suất tức thời của điện cảm:
Trang 21Khóa luận tốt nghiệp
Trên hình 2.5c vẽ đường cong UL, i, và PL Ta thấy có hiện tượng trao
đổi năng lượng Trong khoảng t 0 đến
Công suất tác dụng của điện cảm bằng không:
Để biểu thị cường độ quá trình trao đổi năng lượng của điện cảm ta đưa
ra khái niệm công suất phản kháng QL của điện cảm Theo công thức (5) ta có:
2.3.3 Dòng điện sin trong nhánh thuần điện dung
Khi có dòng điện i I maxsint qua điện dung (hình 2.6a) điện áp trên
C
U
Trang 22Khóa luận tốt nghiệp
Công suất tức thời của điện dung:
max.Imaxsin
t-2 Isin2 t
Trang 23Khóa luận tốt nghiệp
2.3.4 Dòng điện sin trong nhánh R-L nối tiếp
Trong nhánh R-L nối tiếp nó tương tự như trong nhánh R -L-C nối tiếp Chỉ khác là, ở đây, các giá trị của tụ điện bằng 0
Khi có dòng điện i I max sint qua nhánh R -L nối tiếp (hình a) sẽ gây ra những điện áp UR, UL trên các phần tử R, L
Trang 24Khóa luận tốt nghiệp
Z1 có thứ nguyên là , gọi là tổng trở của nhánh R-L nối tiếp
Quan hệ giữa trị số hiệu dụng dòng và áp trên nhánh R – L nối tiếp là:
R
U I X X tg
U I R R
Trong mạch R-L nối tiếp thì dòng điện chậm sau điện áp một góc Vậy có biểu thức điện áp u Umax.sin t
2.3.5 Dòng điện sin trong nhánh R-C nối tiếp
Tương tự như mạch R -L-C nối tiếp chỉ khác là ở đây ta coi các giá trị của cuộn cảm đều bằng 0
Trang 25Khóa luận tốt nghiệp
Z2 có thứ nguyên là , là tổng trở của nhánh R-C nối tiếp
Quan hệ giƣ̃a trị số hiệu dụng dòng và áp trên nhánh R-C nối tiếp là:
2
Trang 26Khóa luận tốt nghiệp
2.3.6 Dòng điện sin trong nhánh R-L-C nối tiếp
Khi có dòng điện i I maxsint qua nhánh R-L-C nối tiếp (hình 2.7a)
sẽ gây ra những điện áp UR, UL, UC trên các phần tử R, L, C Như đã xét ở phần 2.3.1; 2.3.2; 2.3.3, các đại lượng dòng và áp đều biến thiên sin với cùng tần số, do đó có thể biểu diễn trên cùng một đồ thị vector Dòng điện i chung cho các phần tử, vì thế trước hết ta vẽ vector dòng điện I
, sau đó dựa vào các kết luận về góc lệch pha (đã xét ở trên) vẽ các vector điện áp trên điện trở U R
, điện áp trên điện cảm UL
, điện áp trên điện dung UC
(hình 2.7b)
Hình 2.7 Điện áp nguồn U bằng:
Trang 27Khóa luận tốt nghiệp
Trong đó:
Z có thứ nguyên là , gọi là tổng trở của nhánh R-L-C nối tiếp
Đặt X = XL - XC (11)
X được gọi là điện kháng của nhánh Từ công thức (10) chúng ta thấy điện trở
R, điện kháng X và tổng trở Z là ba cạnh của tam giác vuông trong đó đường huyền là tổng trở Z, còn hai cạnh góc vuông là điện trở R và điện kháng X (hình 2.7c) Tam giác tổng trở giúp ta dễ dàng nhớ các quan hệ giữa các thông
số R, X, Z và tính góc lệch pha Nghiên cứu nhánh R-L-C nối tiếp ta rút ra:
Quan hệ giữa trị số hiệu dụng dòng và áp trên nhánh R-L-C nối tiếp là:
U IZ hoặc I U
Z
(12) Điện áp lệch pha với dòng điện một góc u i được tính như sau:
Khi XL – XC = 0, góc 0dòng điện trùng pha với điện áp, lúc này ta có
hiện tượng cộng hưởng điện áp, dòng điện trong nhánh I U
R
đạt trị số lớn nhất
Nếu XL>XC , 0, mạch có tính chất điện cảm, dòng điện chậm sau điện áp một góc
Nếu Xl < XC, 0mạch có tính chất điện dung, dòng điện vượt trước điện áp một góc
2.3.7 Nâng cao hệ số công suất c os
Trong biểu thức công suất tác dụng P = U.Icos, cos được gọi là hệ
số công suất Hệ số cos là chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng, nó có ý nghĩa rất lớn về kinh tế
Trang 28Khóa luận tốt nghiệp
có lợi hơn rất nhiều
Mặt khác nếu cần một công suất P nhất định trên đường dây một pha thì dòng điện chạy trên đường dây là:
cos
P I
Nếu cos lớn thì I sẽ nhỏ dẫn đến tiết diện dây nhỏ hơn , và tổn hao
trên đường dây sẽ bé, điện áp rơi trên đường dây cũng giảm đi
Trong sinh hoạt và trong công nghiệp tải thường có tính chất điện cảm nên cos thấp Để nâng cao cos ta dùng tụ điện nối song song với tải như
Trang 29Khóa luận tốt nghiệp
Hình a Khi có bù (có nhánh tụ điện), dòng điện trên đường dây I là:
Lúc chưa bù chỉ có công suất Q1 của tải:
Trang 30Khóa luận tốt nghiệp
Từ (1) và (2) ta tính được giá trị điện dung C cần thiết để nâng hệ số công
suất mạch điện từ cos 1 lên cos là:
2.3.8 Các thiết bị cần dùng cho bài thí nghiệm – thực hành
Trong phần này chúng tôi liệt kê số lượng các thi ết bị cần có và mô tả , hình dạng một số thiết bị chính mà học sinh ít gặp trước đây
2.3.8.1 Các thiết bị cần có
STT Tên vật tư, thiết bị Số lượng
3 Vôn kế xoay chiều 0 1kw 04
4 Điện trở có trị số thay đổi 0 200 01
5 Cuộn dây có điện trở 01
6 Tụ điện có điện dung thay đổi 0 50 F 01
7 Biến áp tự ngẫu 0 250 v – 10A 01
8 Dây nối
9 Cầu dao
