LUẬN văn sư PHẠM vật lý KHẢO sát MẠCH điện và máy điện XOAY CHIỀU

Mục đích của đề tài Đề tài gồm ba phần: phần A nhằm cung cấp và hệ thống hóa các kiến thức cơ bản về mạch điện xoay chiều như các thông số, mô hình, các định luật, ...Phần B cung cấp và

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA SƯ PHẠM

KHẢO SÁT MẠCH ĐIỆN VÀ MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU

Luận văn Tốt nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA SƯ PHẠM

KHẢO SÁT MẠCH ĐIỆN VÀ MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU

Luận văn Tốt nghiệp Ngành: Sư phạm Vật lí – Công nghệ

Lớp: TL0892A1

Cần thơ, năm 2012

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn thầy Lê Văn Nhạn đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt thời gian làm đề tài này, cũng như quý thầy cô trong bộ môn đã nhiệt tình chỉ dạy cho em để em nắm vững kiến thức và các vấn đề khác liên quan đến đề tài mà em

đang thực hiện Đồng thời con cũng cảm ơn gia đình đã tạo điều kiện tốt nhất để con có

thể hoàn thành luận văn nay, cảm ơn tất cả các bạn bè đã đóng góp, chia sẽ ý kiến để mình có được một luận văn hoàn thiện hơn

Tuy rất cố gắng nhưng do thời gian có hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót

Em kính mong quý thầy, cô cùng bạn bè nhận xét và góp ý để em khắc phục những thiếu sót ấy và hoàn chỉnh đề tài này hơn nữa

Sinh viên thực hiện

Thái Văn Ton

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Giáo viên hướng dẫn

(ký tên)

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Giáo viên phản biện

(ký tên)

MỤC LỤC

Phần MỞ ĐẦU - 1

1 Lý do chọn đề tài - 1

2 Mục đích của đề tài - 1

3 Giới hạn của đề tài - 2

4 Phương pháp và các bước tiến hành - 2

Phần NỘI DUNG - 3

A- MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU - 3

Chương 1 MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU - 3

1.1 Các khái niệm về dòng điện hình sin - 3

1.2 Giá trị hiệu dụng của đại lượng hình sin - 4

1.3 Biểu diễn đại lượng hình sin - 4

1.3.1Biểu điễn toán học - 4

1.3.2Biểu diễn hình học - 5

1.3.3Biểu diễn vectơ - 6

1.4 Đạo hàm và tích phân một đại lượng hình sin - 6

1.5 Công suất của dòng điện hình sin - 7

1.5.1Công suất trung bình trong một máy phát điện hay máy thu điện - 7

1.5.2Công suất giữa hai đầu mạch điện - 8

1.6 Những mạch điện hình sin - 8

1.5.3Mạch thuần điện trở - 8

1.5.4Mạch thuần điện cảm - 9

1.5.5Mạch thuần điện dung - 10

1.5.6Mạch gồm điện trở, điện dung, điện cảm mắc nối tiếp - 11

1.7 Hệ số công suất và các biện pháp nâng cao hệ số công suất - 13

1.5.7Ý nghĩa của hệ số công suất - 13

1.5.8Nâng cao hệ số công suất - 14

1.8 Bài tập - 16

Chương 2 MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA

2.1 Khái niệm chung về mạch điện xoay chiều ba pha - 18

2.1.1Định nghĩa - 18

2.1.2Nguồn điện ba pha - 18

a) Khái niệm - 18

b) Nguyên tắc làm việc - 19

2.2 Những lý do sử dụng hệ thống nhiều pha - 20

2.3 Cách nối máy phát điện ba pha - 21

2.3.1Cách nối máy phát điện ba pha hình sao (Y) - 21

a) Định nghĩa - 21

b) Dòng điện pha và dòng điện dây - 22

c) Điện áp pha và điện áp dây - 22

2.3.2Cách nối máy phát điện ba pha hình tam giác (∆) - 23

2.4 Cách nối phụ tải ba pha - 24

2.4.1Cách nối phụ tải ba pha hình sao (Y) - 24

a) Trường hợp phụ tải không đối xứng - 24

b) Trường hợp phụ tải đối xứng - 24

2.4.2Cách nối phụ tải ba pha hình tam giác (∆) - 25

a) Dòng điện pha và dòng điện dây - 25

b) Điện áp pha và điện áp dây - 26

2.5 Công suất của mạch điện xoay chiều ba pha - 27

2.6 Bài tập - 28

B- MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU Chương 3 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY ĐIỆN 3.1 Định nghĩa và phân loại - 30

3.1.1Định nghĩa - 30

3.1.2Phân loại - 30

3.2 Các định luật cơ bản dùng trong máy điện - 31

3.2.1Định luật cảm ừng điện từ - 31

3.2.2Định luật lực điện từ - 32

3.3 Các vật liệu chế tạo máy điện - 32

3.3.1Vật liệu dẫn điện - 32

3.3.3Vật liệu cách điện - 32

3.3.4Vật liệu kết cấu - 33

3.4 Phát nóng và làm mát máy điện - 33

Chương 4 MÁY BIẾN ÁP - 34

4.1 Khái niệm chung về máy biến áp - 34

4.1.1Định nghĩa - 34

4.1.2Công dụng của máy biến áp - 34

4.2 Cấu tạo của máy biến áp - 35

4.2.1Lõi thép - 35

4.2.2Dây quấn - 36

4.2.3Vỏ - 36

4.3 Nguyên lý làm việc của máy biến áp - 37

4.4 Trạng thái làm việc của máy biến áp - 38

4.4.1Trạng thái làm việc không tải - 38

4.4.2Trạng thái làm việc có tải - 39

4.4.3Trạng thái ngắn mạch của máy biến áp - 40

4.5 Các phương trình đặc trưng của máy biến áp - 40

4.5.1Phương trình cân bằng điện áp ở mạch sơ cấp - 40

4.5.2Phương trình cân bằng điện áp ở mạch thứ cấp - 41

4.5.3Phương trình cân bằng sức từ động - 42

4.6 Đồ thị vectơ của máy biến áp - 43

4.6.1Đồ thị vectơ khi máy biến áp làm việc không tải - 43

4.6.2Đồ thị vectơ khi máy biến áp làm việc có tải - 43

4.7 Hiệu suất của máy biến áp - 44

4.8 Máy biến áp ba pha - 45

4.8.1Sơ đồ đấu dây của máy biến áp ba pha - 46

4.8.2Tỷ số của máy biến áp ba pha - 46

4.9 Một số máy biến áp đặc biệt - 47

4.9.1Máy biến áp tự ngẫu - 47

4.9.2Máy biến áp đo lường - 48

4.9.3Máy biến áp dòng điện - 48

4.9.4Máy biến áp hàn - 49

4.10 Sự làm việc song song của nhiều máy biến áp - 49

4.11 Bài tập - 50

Chương 5 ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ - 52

5.1 Các khái niệm cơ bản về động cơ không đồng bộ - 52

5.2 Cấu tạo của động cơ điện không đồng bộ - 52

5.2.1Stato - 52

5.2.2Rôto - 52

5.3 Từ trường quay của động cơ điện không đồng bộ - 53

5.3.1Sự hình thành từ trường quay - 53

a) Thời điểm 1 - 54

b) Thời điểm 2 - 55

c) Thời điểm 3 - 55

5.3.2Tốc độ của từ trường quay - 56

5.4 Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ - 56

5.5 Các đại lượng trong mạch rôto - 57

5.6 Mômen quay và độ trượt của động cơ không đồng bộ - 59

5.7 Công suất hao phí bởi hiệu ứng Joule - 61

5.8 Mở máy động cơ không đồng bộ - 62

5.8.1Mở máy động cơ lồng sóc - 62

b) Mở máy trực tiếp - 62

b) Giảm điện áp stato khi mở máy - 62

b) Động cơ lồng sóc kép - 65

5.8.2Mở máy động cơ rôto dây quấn - 66

5.9 Động cơ không đồng bộ một pha - 66

5.9.1Động cơ điện một pha có cuộn phụ mở máy - 67

5.9.2Động cơ điện một pha có vòng nối tắt - 68

5.10 Các tình trạng đặc biệt của động cơ không đồng bộ ba pha - 68

5.10.1Động cơ điện ba pha quay ngược - 68

5.10.2Động cơ điện ba pha đứt một dây cung cấp - 68

5.10.3Đứt một dây rôto - 68

5.10.4Động cơ hoạt động với điện áp không đối xứng - 69

5.11 Hiệu suất của động cơ không đồng bộ - 69

5.12 Bài tập - 70

Chương 6 MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ - 72

6.1 Khái niệm về máy điện đồng bộ - 72

6.2 Cấu tạo máy điện đồng bộ - 72

6.2.1Rôto (phần cảm) - 72

6.2.2Stato (phần ứng) - 73

6.2.3Phần kích từ - 73

6.3 Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ - 73

6.4 Phản ứng phần ứng của máy phát điện đồng bộ - 74

6.4.1Phụ tải là điện trở thuần - 75

6.4.2Phụ tải là điện cảm thuần - 75

6.4.3Phụ tải là điện dung thuần - 76

6.4.4Trường hợp tổng quát - 76

6.5 Đặc tuyến của máy phát điện đồng bộ - 77

6.5.1Đặc tuyến không tải - 77

6.5.2Đặc tuyến ngoài - 77

6.5.3Đặc tuyến điều chỉnh - 78

6.6 Hiệu suất máy phát điện đồng bộ - 79

6.6.1Hiệu suất thực - 79

6.6.2Hiệu suất gần đúng - 79

6.6.3Bảng giá trị hiệu suất - 79

6.7 Động cơ điện đồng bộ - 80

6.7.1Động cơ đồng bộ ba pha - 80

6.7.2Động cơ đồng bộ một pha - 81

6.8 Bài tập - 81

C- GIẢI BÀI TẬP CÁC CHƯƠNG - 82

Chương 1 Mạch điện xoay chiều - 82

Chương 2 Mạch điện xoay chiều ba pha - 88

Chương 4 Máy biến áp - 94

Chương 5 Động cơ điện không đồng bộ - 100

Chương 6 Máy điện đồng bộ - 106

Phần KẾT LUẬN

1.Những kết quả đạt được - 107

2.Những thuận lợi và khó khăn - 107

3.Hướng phát triển của đề tài - 108

Luận văn tốt nghiệp: “Khảo sát mạch điện và máy điện xoay chiều

Phần MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Kỹ thuật điện là một ngành khoa học ứng dụng các hiện tượng điện từ để biến đổi

năng lượng, gia công vật liệu, truyền tải thông tin bao gồm việc tạo ra, biến đổi và sử dụng điện năng trong các hoạt động đời sống thực tiễn của con người

Ngày nay điện năng được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, giao thông vận tải, nông lâm ngư nghiệp, thông tin và dịch vụ vì nó có nhiều ưu điểm hơn so với các dạng năng lượng khác

Trong những năm gần đây, ngành điện Việt Nam ngày càng phát triển và cũng đã

đạt được nhiều thành tựu to lớn cùng với sự phát triển kinh tế của đất nước Có thể nói,

sức mạnh điện năng ảnh hưởng rất nhiều đến sự phát triển kinh tế cũng như cuộc sống

sinh hoạt thường ngày của con người Ý thức được tầm quan trọng của điện năng, nên Kỹ thuật điện đã và đang được nghiên cứu không ngừng Trong đó việc nghiên cứu các

“mạch điện và máy điện xoay chiều” là một việc rất quan trọng

Với những điều nêu ra ở trên, thêm vào đó là trong quá trình học tập của bản thân

em cảm thấy rất thích thú với đề tài này Nên em đã chọn đề tài “Khảo sát mạch điện và

máy điện xoay chiều” làm đề tài nghiên cứu cho học phần luận văn tốt nghiệp của em

2 Mục đích của đề tài

Đề tài gồm ba phần: phần A nhằm cung cấp và hệ thống hóa các kiến thức cơ bản

về mạch điện xoay chiều như các thông số, mô hình, các định luật, Phần B cung cấp và

hệ thống các nguyên lý, cấu tạo, tính năng và ứng dụng của các loại máy điện xoay chiều

cơ bản, trên cơ sở đó có thể hiểu được các máy điện đa dạng khác gặp nhiều trong đời sống và kỹ thuật Phần C nhằm cung cấp các bài toán đặc trưng cùng bài giải cụ thể về các mạch điện và máy điện xoay chiều

Luận văn tốt nghiệp: “Khảo sát mạch điện và máy điện xoay chiều

3 Giới hạn của đề tài:

Nội dung của đề tài là nghiên cứu về mạch điện và máy điện xoay chiều theo hướng thuần lí thuyết có kết hợp với một số bài tập ứng dụng Thêm vào đó, với đề tài

“khảo sát mạch điện và máy điện xoay chiều” em tiến hành nghiên cứu trên cơ sở

người đã học môn Vật lí phổ thông và phần điện Vật lý đại cương, nên đề tài không đi sâu vào mặt lý luận các hiện tượng vật lí mà chú ý nhiều đến tính toán và ứng dụng kỹ thuật phục vụ cho việc nghiên cứu cao hơn

4 Phương pháp và các bước tiến hành

Nghiên cứu lý thuyết và bài tập từ nhiều nguồn tài liệu có liên quan, chủ yếu là từ sách, giáo trình Chắc lọc lại những nội dung liên quan đến đề tài, đưa vào nội dung đề tài

Tiến hành thu thập các bài tập cơ bản đặc trưng từ các sách, giáo trình, đề thi Tiến hành giải và đưa vào đề tài

Sau khi đã hoàn thành từng phần trong luận nhờ bạn bè đóng góp ý kiến Sau đó, nộp lại cho giáo viên hướng dẫn để chỉnh sửa

Chỉnh sửa lại những vấn đề còn gặp phải trong đề tài Đi đến hoàn thành luận văn

Phần NỘI DUNG

A - MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU Chương 1 MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU

1.1 Các khái niệm về dòng điện hình sin

- Dòng điện xoay chiều là dòng điện thay đổi về chiều và trị số theo thời gian

- Dòng điện hình sin là dòng điện xoay chiều biến đổi theo quy luật hàm sin của thời gian Trong ngôn ngữ thông thường, gọi “dòng điện xoay chiều” là để chỉ dòng điện hình sin

- Chu kỳ là khoảng thời gian ngắn nhất để dòng điện lặp lại trị số và chiều biến thiên như cũ, kí hiệu là T, đơn vị là giây (s) Nghĩa là trong khoảng thời gian T, góc pha biến thiên một lượng là ωT = 2π

- Tần số là số chu kỳ mà dòng điện thực hiện trong một đơn vị thời gian (trong 1 giây),

kí hiệu là f, đơn vị là hertz (Hz) Ta có:

Ở trên thế giới dòng điện công nghiệp có tần số định mức là 50Hz, Mỹ và một số nước

Tây Âu dùng dòng điện công nghiệp tần số 60Hz

Ngày nay, trên thế giới 90% năng lượng điện dùng trong công nghiệp và đời sống là

điện xoay chiều Bởi vì, dòng điện xoay chiều có nhiều ưu điểm hơn so với dòng điện một

chiều: dòng điện xoay chiều dễ chuyển tải đi xa, dễ dàng thay đổi cấp điện áp nhờ vào máy biến áp; các máy phát điện và động cơ điện xoay chiều có cấu tạo đơn giản, vận hành dễ dàng, tin cậy, hiệu suất cao hơn máy điện không đổi

Còn một số trường hợp, vẫn sử dụng dòng điện không đổi như: điện phân, thang máy, máy in Tuy nhiên, trong trường hợp này hầu như người ta dùng năng lượng điện phát

ra từ một nguồn điện xoay chiều đổi sang dòng điện không đổi nhờ vào các thiết bị chỉnh lưu

1.2 Giá trị hiệu dụng của đại lượng hình sin

- Xét một đại lượng hình sin: y = asinωt Ta có:

Trị trung bình của y2 trong một chu kỳ:

Vậy, trị hiệu dụng của một đại lượng hình sin bằng trị cực đại chia cho

Như vậy, giá trị hiệu dụng đặc trưng cho tác dụng trung bình về mặt năng lượng của lượng hình sin trong mỗi chu kỳ Trị hiệu dụng thường được ký hiệu bằng các chữ cái in hoa như I,U, E

- Trị số hiệu dụng của dòng điện xoay chiều là giá trị tương đương của dòng điện một chiều khi đi qua cùng một điện trở, trong khoảng thời gian một chu kỳ, chúng tỏa ra một năng lượng dưới dạng nhiệt như nhau Suy ra, trị hiệu dụng của dòng điện hình sin là:

1.3 Biểu diễn một đại lượng hình sin

1.3.1 Biểu diễn toán học

Một đại lượng hình sin được biểu diễn bằng phương trình có dạng

a là biên độ của đại lượng hình sin

Người ta biểu diễn các đại lượng hình sin trong dòng điện xoay chiều như sau:

Hình 1.1 Biểu diễn hình học hai đại lượng hình sin

Cùng pha Lệch pha nhau một góc φ

y2 = a2sinωt y2 = a2sin(ωt - φ)

1.3.3 Biểu diễn bằng vectơ

Ở phần trên ta đã biểu diễn dòng điện bằng đường hình sin, cách biểu diễn cũng

như biểu thức giải tích trị số tức thời, giúp ta thấy rõ quy luật biến thiên, song sử dụng phương pháp này để tính toán sẽ không thuận tiện, vì thế ta đưa vào cách biểu diễn vectơ

Từ toán học, vectơ được đặc trưng bởi độ dài (mô đun) và góc (acgumen), từ đó ta có thể dùng vectơ để biểu diễn đại lượng hình sin như sau:

+ Gốc: một điểm O tùy ý

+ Phương và chiều: nửa đường thẳng Oz hợp với trục Ox một góc ϕ , là pha ban

đầu của đại lượng hình sin

+ Độ dài (môđun) của vectơ biểu diễn trị số hiệu dụng đại lượng hình sin

Ngoài ra, dòng điện hình sin còn được biểu diễn dưới dạng phức

1.4 Đạo hàm và tích phân một đại lượng hình sin

Kết luận: ∫ydt là một hàm hình sin, có biên độ trễ pha hơn y một góc

1.5 Công suất của dòng điện xoay chiều

1.5.1 Công suất trung bình trong một máy phát điện hay máy thu điện

Cho e = E0sin(ωt) là sức điện động của một máy điện

i = I0sin(ωt + φ) là dòng điện chạy qua nó

Xét năng lượng vi cấp dw của máy trong thời gian dt:

* Trường hợp e và i cùng pha: Công suất tức thời p =

dt

dW

= ei luôn luôn dương,

đường cong p có dạng tuần hoàn, tần số gấp đôi e và i Công suất trung bình P = EI

* Trường hợp e và i lệch pha 90o: Công suất tức thời p có dạng hình sin, tần số gấp

đôi e và i, có trục đối xứng trùng trục đối xứng của e và i Công suất trung bình P = 0

* Trường hợp e và i lệch pha một góc ϕ: Công suất tức thời khi dương khi âm:

- Công suất trung bình P > 0 khi 0 < |ϕ| < , lúc này tương ứng với sự vận chuyển máy phát điện

- Công suất trung bình P < 0 khi < |ϕ| ≤ π, lúc này tương ứng với sự vận chuyển máy thu điện

1.5.2 Công suất giữa hai đầu đoạn mạch

Nếu hiệu điện thế hai đầu đoạn mạch là u và cường độ dòng điện chạy trong mạch

là i thì công suất tức thời của mạch là:

u là hiệu điện thế giữa hai đầu máy phát, cũng là hiệu

điện thế hai đầu R:

Theo định luật Ôm:

i = sinωt = I0sinωt

So sánh biểu thức u và i ta thấy trong mạch thuần trở u và i cùng pha nhau

* Công suất trung bình P = UIcosϕ = UI, cosϕ = 1

Trong đó: với cảm kháng XL = Lω

So sánh biểu thức u và i ta thấy trong mạch thuần cảm u sớm pha hơn i một góc hay i

chậm pha hơn u một góc

* Công suất trung bình: P = UIcosϕ = 0, cosϕ = 0

Như vậy, mạch thuần cảm không tiêu thụ năng lượng, chỉ có hiện tượng trao đổi năng lượng với nguồn một cách tuần hoàn

1.6.3 Mạch thuần điện dung

Đặt một hiệu điện thế u vào

mạch điện thuần điện dung:

u = Umsinωt Gọi q là điện tích của tụ điện ở thời

điểm t

q = Cu (1.23)

Theo mục 1.4: i = CωUmsin(ωt + ) (1.25)

Suy ra: i = I0sin(ωt + ) (1.26)

Trong đó: CωU0 = I0 → I0 = với dung kháng XC =

ω

C

1

So sánh ta thấy i sớm pha hơn u một góc hay u chậm pha hơn i một góc

* Công suất trung bình của mạch: P = 0, cosφ = 0

cI

U = C

Như vậy, mạch thuần điện dung không tiêu thụ năng lượng chỉ có hiện tượng trao

đổi năng lượng với nguồn một cách tuần hoàn

1.6.4 Mạch gồm điện trở, điện dung, điện cảm mắc nối tiếp

Định luật Ôm áp dụng vào đoạn mạch R, L, C nối tiếp:

+ chậm pha hơn một góc π

2 và có độ lớn U C = X C I = .

+ cùng pha với và có độ lớn U R = RI

Theo hình 1.7 ta có:

điện kháng

- Góc lệch pha φ giữa và :

Ta rút ra được kết luận sau:

+ Khi nhánh có tính cảm kháng, φ > 0, điện áp sớm pha hơn dòng điện

+ Khi nhánh có tính dung kháng, φ < 0, điện áp trễ pha hơn dòng điện

+ Khi , X = 0, φ = 0, điện áp cùng pha dòng điện Lúc này mạch R, L, C nối tiếp

có hiện tượng cộng hưởng nối tiếp, dòng điện trong mạch đạt giá trị cực đại và tần số góc

* Công suất của mạch:

Theo trên ta biết, trong mạch R, L, C chỉ có R tiêu thụ công suất dưới dạng nhiệt Hai thành phần L và C không tiêu thụ công suất mà chỉ trao đổi năng lượng với nguồn

Tương ứng với hai quá trình trên người ta đưa ra khái niệm công suất tác dụng P và công

suất phản kháng Q

- Công suất tác dụng (Công suất trung bình): là công suất tiêu tán trên R, đặc trưng

cho quá trình biến đổi điện năng sang các dạng khác

P = U.I.cosϕ = I2R = I2.Z.cosϕ (1.35)

Đơn vị của công suất tác dụng là Oát (W), (KW), (MW)

- Công suất phản kháng Q: đặc trưng cho quá trình trao đổi, tích lũy năng lượng điện

từ trường

Q = U.I.sinφ = I2.Z.sinϕ = I2(XL− XC) (1.37) Đơn vị của công suất phản kháng là Vôn-Ampe phản kháng (VAR), (KVAR), (MVAR)

- Ngoài ra, trên các thiết bị điện, người ta còn dùng công suất biểu kiến để đặc trưng

cho khả năng phát ra công suất của thiết bị điện

Đơn vị công suất biểu kiến S là Vôn-Ampe (VA), (KVA), (MVA)

Từ ba loại công suất trên ta vẽ được tam giác vuông công suất:

S Q

S P P

Q tg

Q P S

1.7 Hệ số công suất và các biện pháp nâng cao hệ số công suất

1.7.1 Ý nghĩa của hệ số công suất

Từ hình vẽ 1.7 ta xác định được:

Cosφ được gọi là hệ số công suất

Ta nhận thấy cosϕ phụ thuộc vào các thành phần của mạch Hệ số công suất cosϕ có ý nghĩa rất lớn trong sản xuất, truyền tải và tiêu thụ điện năng:

- Mỗi máy điện được chế tạo với một công suất biểu kiến định mức Sđm Máy điện cung cấp một công suất tác dụng là:

P = Sđm.cosϕ (1.41)

Ta thấy nếu thiết bị làm việc với cosϕ càng lớn thì công suất tác dụng càng lớn Khi cosϕ = 1, P = Sđm ; do đó muốn tận dụng khả năng làm việc của một máy điện thì hệ số công suất phải lớn

- Mỗi nơi tiêu thụ yêu cầu một công suất tác dụng P xác định Dòng điện truyền tải qua

đường dây:

Ta thấy khi càng cosϕ nhỏ,với cùng một công suất P thì I sẽ càng lớn, dẫn đến hai tác hại:

+ Tiết diện của dây phải lớn hơn, vốn đầu tư xây dựng tăng, không kinh tế

đường dây, t là thời gian dòng điện chạy trên đường dây Do đó, khi I càng lớn thì tổn

Theo tam giác công suất ta có công thức tính cosϕ như sau:

Như vậy, muốn nâng cao hệ số công suất phải tìm cách giảm nhỏ công suất phản kháng Q của mạch Có hai cách làm giảm công suất phản kháng Q như sau:

- Cải tạo mạch: với máy điện và thiết bị điện, để giảm công suất phản kháng ta tìm cách lựa chọn chế độ vận hành hợp lý, thay các động cơ non tải bằng các động cơ có công suất nhỏ hơn, hạn chế thời gian chạy không tải của máy

- Phương pháp bù: tìm cách giảm công suất phản kháng tại nơi tiêu thụ hoặc gần nơi tiêu thụ Cách đơn giản nhất là mắc tụ điện song song với tải

Giả sử khi bù (chưa mắc tụ điện vào), dòng điện chạy trên đường dây là It chậm pha so với hiệu điện thế một góc ϕt (vì hầu như phần lớn thiết bị điện đều có tính cảm kháng), hệ

số công suất lúc này là cosφt

Khi có bù (mắc thêm tụ điện) dòng điện IC sớm pha hơn hiệu điện thế một góc ; dòng điện chạy trên đường dây lúc này là I chậm pha hơn hiệu điện thế một góc φ và có

hệ số công suất lúc này là cosφ

Bài 1.2 Dùng các dụng cụ đo để khảo sát một mạch điện một pha ta được các số liệu sau

Watt kế 2400W, Volt kế chỉ 240V, Ampe kế chỉ 15A, tần số kế chỉ 50Hz Tính:

2Công suất biểu kiến

3Hệ số công suất

4Tổng trở của mạch

5Điện trở của mạch

6Điện dung của tụ mắc song song với mạch để nâng hệ số công suất bằng 1

Bài 1.3 Một mạch điện RLC nối tiếp có U= 100V, R= 10Ω, L= 26,5 mH, C= 265 µF

5 Hỏi dòng điện, công suất và hệ số công suất khi f = 50Hz là bao nhiêu Vẽ đồ thị vectơ

6 Xác định tần số f để dòng điện cực đại Hãy tính công suất và vẽ đồ thị vectơ

Bài 1.4 Mạch điện nối tiếp gồm hai phần tử như hình vẽ:

phần tử thứ nhất có sơ đồ thay thế là điện trở R1 nối tiếp

với điện dung C; phần tử thứ hai gồm sơ đồ thay thế của

điện trở R2 nối tiếp với cuộn cảm L Với R1= 40Ω, R2 =

Bài 1.5 Một động cơ tiêu thụ dòng điện 100A, cần điện áp 240V, tần số 50Hz, hệ số công

suất của động cơ là 0,71 Tìm điện dung của tụ điện ghép ở hai đầu động cơ để nâng hệ

số công suất lên bằng một Khi đó dòng điện chạy trong mạch chính là bao nhiêu?

Bài 1.6 Một phân xưởng tiêu thụ dòng điện 250A với điện áp 220V, tần số 50Hz, dòng

điện trễ pha một góc 450 Người ta muốn nâng hệ số công suất của phân xưởng lên 0,87 Chứng tỏ bằng giản đồ người ta có thể dùng hai tụ điện có điện dung khác nhau lần lượt ghép song song với hai cực mạng điện Tính giá trị điện dung của hai tụ đó và chọn giá trị thích hợp

Bài 1.7 Hai điện áp u1 và u2 vuông pha nhau có trị hiệu dụng U1 = 20V, U2 = 40V Xác

định điện áp u = u1 + u2

Bài 1.8 Một động cơ hoạt động với tốc độ 1440 vòng/phút, mômen quay của động cơ 2,3

kgfm, hiệu suất của động cơ 0,8, hệ số công suất 0,76 Hãy:

1 Đổi công thức tính mômen quay ra đơn vị SI

2 Công suất tiêu thụ của động cơ và dòng diện cung cấp nếu điện áp cung cấp là 220V

3 Công suất phản kháng và công suất biểu kiến cung cấp bởi mạng điện

Chương 2 MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA

Khái niệm chung về mạch điện xoay chiều ba pha

Định nghĩa

Hệ thống mạch điện ba pha là tập hợp ba mạch điện một pha nối với nhau tạo thành một hệ thống năng lượng chung, trong đó suất điện động ở mỗi mạch đều có dạng hình sin, cùng tần số, lệch pha nhau một phần ba chu kỳ

2 Mỗi mạch điện thành phần của hệ thống ba pha gọi là một pha

3 Suất điện động ở mỗi pha gọi là suất điện động pha

4 Hệ ba pha có suất điện động các pha có biên độ bằng nhau gọi là hệ thống ba pha

đối xứng hay cân bằng

5 Hệ suất điện động ba pha do máy phát ba pha tạo ra

Nguồn điện ba pha

Khái niệm:

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

chiều ba pha Hình bên trình bày mặt cắt ngang của một máy

phát điện ba pha đơn giản có phần ứng quay Trong sáu rãnh của

lõi thép rôto, ta đặt ba cuộn dây có cấu tạo giống nhau và lệch

trong không gian 1200 Đầu các cuộn dây được ký hiệu bằng các

chữ A, B, C Điểm cuối cuộn dây tương ứng ký hiệu là X, Y, Z

Mỗi cuộn dây gọi là cuộn dây pha Phần cảm của máy là hai cực

từ Bắc và Nam đặt ở stato Dòng điện được dẫn từ mỗi cuộn dây

pha ra mạch ngoài nhờ những cặp vành trượt

Đối với loại máy phát thông dụng, có phần cảm quay và phần ứng đứng yên thì những

A X B Y

Pha A Pha B

ngoài

Nguyên tắc làm việc

Xét một máy phát điện đơn giản: Từ thông xuyên qua

một vòng dây quay đều với vận tốc ω trong từ trường

Giả sử suất điện động ứng trong cuộn dây AX bằng 0 và đang tăng theo chiều dương Vào lúc này, suất điện động ứng trong cuộn dây BY âm và đang tiến đến giá trị cực đại âm và suất điện động ứng trong cuộn CZ đã qua trị cực đại dương và đang giảm dần Các suất điên động này lệch nhau một phần ba chu kỳ vì các cuộn dây lệch nhau

1200 và do những cuộn dây có cấu tạo giống nhau nên biên độ suất điện động bằng nhau Các suất điện động lần lượt:

eC = E0sin(ωt – 2400

Hình vẽ cho thấy:

- Vào bất kỳ thời điểm nào, tổng đại số ba suất điện động bằng 0

- Khi một suất điện động ứng bằng 0, thì hai suất điện động ứng của hai pha ngược dấu

2 E0

- Khi suất điện động ứng cực đại, thì suất điện động của hai pha ngược dấu cực đại và

Một hệ thống như vậy gọi là một hệ thống ba pha đối xứng; eA, eB, eC gọi là các suất

điện động pha Nếu không thỏa mãn những điều kiện đã nêu thì gọi là hệ thống ba pha

không đối xứng

Để đưa năng lượng điện ba pha đến nơi tiêu thụ, ta có thể dùng sáu dây để nối riêng rẽ

từng pha Cách này thường không được sử dụng vì cần đến sáu dây dẫn, không kinh tế Trong thực tế, thường thì ba pha của nguồn được nối liền với nhau, ba pha của tải cũng nối liền với nhau và có đường dây ba pha nối giữa nguồn và tải dẫn điện năng từ nguồn

đến tải Thông thường dùng hai cách nối: nối hình sao và hình tam giác, với cách nối này

ta có thể thay thế hệ sáu dây bằng hệ bốn dây hoặc ba dây

6 Đối với mạch điện xoay chiều một pha, e và i cùng pha, công suất p của dòng điện

triệt tiêu hai lần trong một chu kỳ và khi cosϕ < 1 trong một chu kỳ công suất triệt tiêu bốn lần mà còn âm hai lần Điều này có ý nghĩa khi cosϕ < 1 mạch trả một phần công suất cho nguồn Do đó công suất trong mạch điện xoay chiều một pha là một trở ngại cho áp dụng

7 Đối với hệ thống nhiều pha công suất từng pha mỗi lúc có thể âm, nhưng công

suất toàn phần luôn luôn không đổi nếu hệ thống đối xứng

Dưới đây là bảng so sánh trị giá công suất của một máy điện ứng với số pha khác nhau

Trị giá công suất của máy điện khi điều hành một pha giả sử là 100:

hỗ trợ thì sẽ không có mômen quay khởi động Nhưng chúng sẽ khởi động dễ dàng với hệ thống điện nhiều pha

2 Ngoài ra việc truyền tải điện năng bằng dòng điện nhiều pha sẽ tiết kiệm được kim loại màu hơn truyền tải điện năng bằng dòng điện một pha

Trong hệ thống nhiều pha, thì hệ thống ba pha được dùng nhiều nhất

Cách nối máy phát điện ba pha

Cách nối máy phát điện ba pha hình sao (Y)

Đị nh nghĩa

Nối cuộn dây máy phát điện theo

dạng hình sao là đấu ba điểm cuối X,

Y, Z vào một điểm chung Điểm chung

này gọi là điểm trung tính hay điểm O

Dây dẫn nối các đầu A, B, C đến các

phụ tải gọi là dây pha Dây nối điểm O

gọi là dây trung hòa

Nếu mạch chỉ có ba dây pha thì gọi là mạch ba pha ba dây Nếu mạch có thêm dây trung hòa thì gọi là mạch ba pha bốn dây

Dòng điện chạy trong các cuộn dây gọi là "dòng điện pha": ip

Dòng điện chạy trong các dây dẫn gọi là "dòng điện dây": id

Điện áp giữa đầu cuộn dây pha và điểm O gọi là "điện áp pha": up

Điện áp giữa hai dây dẫn gọi là "điện áp dây": ud

Dòng điện pha và dòng điện dây

Từ hình vẽ 2.5 ta thấy: dòng điện chạy trong mỗi cuộn dây cũng chính là dòng điện chạy trên dây pha tương ứng

Đ iện áp pha và điện áp dây

Điện áp pha cũng chính là điện áp giữa mỗi dây pha tương ứng và dây trung hòa:

dây pha

Như vậy, trong một hệ thống ba pha đối xứng mắc sao ba điện áp dây thì bằng nhau và lệch pha 1200 Mỗi điện áp dây sớm pha 300 so với điện áp pha tương ứng Và trị

số điện áp dây bằng lần điện áp pha

Cách nối máy phát điện ba pha hình tam giác (∆)

Lấy điểm cuối cuộn pha A đấu với đầu cuộn

pha B, điểm cuối cuộn pha B với đầu cuộn pha C và

cuối cuộn pha C với đầu cuộn pha A Như vậy, cách

đấu này sẽ tạo thành một mạch vòng tam giác kín,

không có điểm trung tính và ba đỉnh tam giác nối

với ba dây dẫn gọi là ba pha A, B, C

Suất điện động tổng trong mạch vòng là:

Cách nối phụ tải ba pha hình sao (Y)

Trường hợp phụ tải không đối xứng

Nếu phụ tải không đối xứng, các dòng điện pha cũng không đối xứng, do đó dòng

điện chạy trên dây trung hòa khác không:

(2.15)

Thông thường, dòng điện Io nhỏ hơn các dòng điện pha, để tiết kiệm người ta chọn tiết diện dây trung hòa nhỏ hơn dây pha

Dây trung hòa cần thiết cho hệ thống có phụ tải không đối xứng Chính nó cân bằng

điện áp giữa các pha Nếu nó bị đứt điện áp các pha không đối xứng nữa: pha nào có

dòng điện nhỏ, điện áp sẽ tăng quá giá trị Up bình thường (có thể bằng điện áp Ud), các thiết bị nối vào pha này sẽ bị hỏng Ngược lại, pha nào có dòng điện lớn, điện áp sẽ giảm, thiết bị sử dụng pha này sẽ không làm việc được

Do đó, người ta quy định không đặt cầu chì ở dây trung hòa để tránh trường hợp bị

đứt Dây trung hòa còn cho phép lấy được hai cấp điện ở mạng điện: Ud và Up (Ví dụ: mạng 220V/127V)

Trường hợp phụ tải đối xứng

Khi phụ tải ba pha có thành phần trở kháng giống nhau ta nói phụ tải đối xứng có:

RA = RB = RC và XA = XB = XC

ZAA

O

C B

Theo các hệ thức trên, ta có:

Và ϕA = ϕB = ϕC = ϕ (2.17) Dòng điện trong dây trung hòa bằng 0

(2.18)

Vì vậy trong mạch phụ tải đối xứng như: động cơ ba pha, lò điện ba pha người ta có thể bỏ dây trung hòa ta có mạch ba pha ba dây

Cách nối phụ tải ba pha hình tam giác (∆)

Đ iện áp pha và điện áp dây

Khi đấu phụ tải theo hình tam giác ta thấy điện áp

pha bằng điện áp dây:

c) D ò n g

Dòng điện trong mỗi pha:

Dòng điện trong mỗi dây: Để tính dòng điện dây, ta áp dụng định luật Kiếchốp vào các nút A, B, C (Do dòng điện chạy trong mạch là dòng điện xoay chiều nên ta sử dụng được đại lượng vectơ hoặc đại lượng đại số để tính)

Vậy vectơ dòng điện dây bằng hiệu hai vectơ dòng điện pha nối vào dây đó

* Nếu phụ tải đối xứng, ta có: RA = RB = RC và XA = XB = XC

Do điện áp ba pha đối xứng: UAB = UBC = UCA