Năng lượng điện là nguồn động lực chủ yếu của nền sản xuất hiện đại, nước ta cũng như các nước khác trên thế giới đang không ngừng phát triển ngành kỹ nghệ sản xuất truyền tải, sử dụng[r]
Trang 1Lêi nãi ®Çu
Năng lượng điện là nguồn động lực chủ yếu của nền sản xuất hiện đại, nước
ta cũng như các nước khác trên thế giới đang không ngừng phát triển ngành kỹ nghệ sản xuất truyền tải, sử dụng điện năng Sản lượng điện tính theo đầu người
là một trong những chỉ tiêu cơ bản để đánh giá trình độ phát triển kinh tế của một nước Kỹ thuật điện nghiên cứu những ứng dụng của các hiện tượng điện từ nhằm biến đổi năng lượng và tín hiệu bao gồm việc phát, truyền tải và phân phối, sử dụng điện năng trong sản xuất và đời sống
Ngày nay điện năng được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực vì những ưu điểm cơ bản sau:
- Điện năng được sản xuất tập trung với các nguồn công suất lớn
- Điện năng có thể truyền tải đi xa với hiệu suất cao
- Dễ dàng biến đổi điện năng thành các dạng năng lượng khác
- Nhờ điện năng có thể tự động hoá mọi quá trình sản xuất, nâng cao năng suất lao động
So với các dạng năng lượng khác như cơ, nhiệt, thuỷ, khí điện năng được phát hiện chậm hơn vì con người không cảm nhận trực tiếp được các hiện tượng điện từ Tuy nhiên với việc phát hiện và sử dụng điện năng đã thúc đẩy cách mạng khoa học công nghệ tiến như vũ bão sang kỷ nguyên điện khí hoá, tự động hoá
Việt Nam có tiềm năng to lớn về năng lượng nhưng do hậu quả chiến tranh kéo dài và cơ chế quản lý quan liêu bao cấp nên sản xuất còn lạc hậu Năm 1975
cả nước chỉ sản xuất 1,5 tỷ kWh, năm 2003 đạt tới 41 tỷ kWh với sản lượng điện bình quân 500 kWh / 1 người 1 năm Theo lộ trình phát triển tới năm 2010 sẽ đạt
70 tỷ kWh, năm 2020 sẽ đạt 170 tỷ kWh Để đáp ứng nhu cầu phụ tải điện đến năm 2015 Việt Nam sẽ tiến hành xây dùng 61 nhà máy điện với tổng công suất 21.658 MW, trong đó có 32 nhà máy thuỷ điện với tổng công suất 7.975 MW,
17 nhà máy điện tuabin khí với tổng công suất 9.783 MW và 12 nhà máy nhiệt điện than với tổng công suất 3.900 MW Hệ thống truyền tải điện siêu cao áp
500 kV Bắc- Nam đã đi vào vận hành, tuyến 500 kV thứ hai đang được xây dựng Vốn đầu tư trung bình 2,16 tỷ USD mỗi năm
Ngành sản xuất các thiết bị điện đang được đầu tư phát triển Các máy biến
áp 110 kV, 25 MVA và 63 MVA ®ang được sản suất hàng loạt Máy biến áp 220
Trang 2kV, 125 MVA đầu tiờn đi vào sản xuất từ năm 2004 tại cụng ty Thiết bị điện Đụng Anh Cỏc động cơ điện với cụng suất tới 1000 kW được chế tạo ở cỏc Cụng ty chế tạo Việt Hung, Cụng ty chế tạo điện cơ Hà Nội, Thủ Đức
Giỏo trỡnh được biờn soạn dựa trờn cơ sở người học đó học mụn Vật lý ở bậc phổ thụng, ngoài ra cũn cỏc kiến thức liờn quan như mụn Giải tớch
Nhằm đỏp ứng nhu cầu của người học và để thuận tiện cho việc học tập của sinh viờn hệ cao đẳng nghề học khoa Điện đạt được kết quả cao Giỏo trỡnh Mạch Điện được biờn soạn dựa trờn chương trỡnh khung của Bộ Giỏo Dục và
đào tạo, với kinh nghiệm giảng dạy nhiều năm ở bộ mụn Kỹ thuật điện của trường Cao đẳng nghề Nam Định cựng với sự kế thừa những tinh hoa của cỏc tỏc giả cú nhiều năm kinh nghiệm biờn soạn chương trỡnh như PGS TS Đặng Văn Đào, PGS TS Lờ Văn Doanh gs Hoàng Hữu Thận
Biờn soạn cho lần đầu xuất bản, trỡnh độ hiểu biết còn cú hạn, kinh nghiệm giảng dạy chưa nhiều, chắc chắn cũn nhiều hạn chế Rất mong được sự gúp ý của cỏc thầy cô giỏo, bạn đồng nghiệp và cỏc bạn sinh viờn để cuốn sỏch ngày càng tốt hơn
Xin bày tỏ lòng cảm ơn đến các thầy cô giáo Khoa Điện - Điện tử Trường CĐ nghề Nam Định đã đóng góp ý kiến và kinh nghiệm, để cuốn sách được hoàn thành đúng thời gian
Tác giả
Nguyễn Thành Nam
Trang 3
Chương 1
Mạch điện xoay chiều không phân nhánh
Trong sản xuất và đời sống, dòng điện xoay chiều được dùng rất rộng rãi vì
nó có nhiều ưu điểm so với dòng điện một chiều Dòng điện xoay chiều dễ dàng chuyển tải đi xa, dễ thay đổi điện áp làm việc nhờ máy biến áp Máy phát điện
và động cơ điện xoay chiều làm việc tin cậy, vận hành đơn giản, chỉ tiêu kinh tế
và kỹ thuật cao Ngoài ra, trong trường hợp cần thiết ta có thể biến đổi nguồn
điện xoay chiều thành một chiều nhờ các thiết bị nắn điện Doứng ủieọn xoay chieàu hỡnh sin ủửụùc ửựng duùng roọng raừi trong nhieàu lúnh vửùc khaực nhau cuỷa ủieọn kyừ thuaọt Naờng lửụùng ủieọn trong haàu heỏt caực trửụứng hụùp ủeàu ủửụùc saỷn xuaỏt, phaõn phoỏi vaứ tieõu thuù dửụựi daùng ủieọn xoay chieàu ẹieàu ủoự ủửụùc giaỷi thớch bụỷi nhửừng ửu ủieồm cuỷa doứng xoay chieàu
Bài 1.1: dòng điện xoay chiều- chu kỳ và tần số
1 Dòng điện xoay chiều
Dòng điện xoay chiều là dòng điện biến đổi cả chiều và trị số theo thời gian Dòng điện xoay chiều thường là dòng điện biến đổi tuần hoàn, nghĩa là cứ
sau một khoảng thời gian nhất định, nó lặp lại quá trình biến thiên cũ
2 Chu kỳ và tần số của dòng điện xoay chiều
+ Chu kỳ: Là khoảng thời gian ngắn nhất để dòng điện lặp lại quá trình biến
thiên cũ Như vậy, chu kỳ là khoảng thời gian cần thiết để dòng điện từ một giá
trị dương ban đầu nào đó, đổi dấu qua âm, biến thiên, rồi lại đổi dấu thành dương, và đạt đến giá trị dương lúc trước
Chu kỳ kí hiệu là: T đơn vị là đơn vị thời gian (s)
+ Tần số: là số chu kỳ mà dòng điện thực hiện được trong 1 giây
Tần số kí hiệu là: f
đơn vị là Hec ( Hz ) Bội số của Hz là kilohec KHz, và mêgahec MHz 1KHz = 1000 Hz, 1MHz = 1000.000 Hz
Trang 4
T
f 1
Dòng điện có tần số 1 Hz là dòng điện thực hiện một chu kỳ trong một giây Tần số càng lớn thì dòng điện biến thiên càng nhanh
Nước ta và rất nhiều nước trên thế giới đều qui định tần số của dòng điện công nghiệp là 50 Hz
Mỹ và 1 số nước Tây- Âu dùng dòng điện công nghiệp tần số là 60 Hz Dòng điện âm thanh có tần số đến vài kilôhéc Dòng điện dùng trong kỹ thuật vô tuyến điện có tần số từ vài chục kilôhéc đến hàng mêgahéc gọi là dòng
điện cao tần
3 Dòng điện xoay chiều hình sin
Dòng điện xoay chiều biến thiên theo quy luật hình sin theo thời gian gọi là dòng điện xoay chiều hình sin
Trên đồ thị ta thấy, tại mỗi thời điểm t dòng điện có một trị số tương ứng, ta gọi là trị số tức thời của dòng điện
trị số tức thời của dòng điện kí hiệu là : i
dt
dq
i
dq là lượng điện tích qua tiết diện dây trong thời gan là dt tại thời điểm t, Tương tự ta có
i
Im
- Im
Đồ thị dòng điện xoay chiều hình sin
_
+ _ +
_
T
t 1
i 1
Trang 5trị số tức thời của sức điện động là : e
Trên đồ thị ta thấy trong quá trình biến thiên dòng điện đạt giá trị lớn nhất,
gọi là trị số cực đại hay biên độ của dòng điện kí hiệu là I m
Tương tự có:
Biên độ của điện áp là Um Biên độ của sức điện động là E m
Dòng điện xoay chiều hình sin là dòng điện xoay chiều đơn giản nhất, nên
được dùng rất rộng rãi Từ đây nếu không có giải thích gì thêm thì thuật ngữ dòng điện xoay chiều là chỉ dòng điện xoay chiều hình sin
4 Nguyên lý tạo ra sức điện động xoay chiều hình sin
a) Cấu tạo: Gồm 2 phần chính - Phần tĩnh (stato) hay phần cảm
- Phần động (roto) hay phần ứng Máy phát điện xoay chiều 1 pha đơn giản nhất gồm phần cảm có 1 đôi cực
từ N-S , còn phần ứng gồm 1 khung dây
Hệ thống cực từ được chế tạo sao cho trị số từ cảm B phân bố trên mặt cực dọc theo khe hở rô to - stato ( gọi là khe hở không khí).theo qui luật hình sin nghĩa là khi khung dây ở vị trí bất kỳ , trong khe hở , từ cảm ở vị trí đó là:
B = Bm sin
là góc giữa mặt phẳng trung tính oo , và mặt phẳng khung dây
B m là trị số cực đại của từ cảm
b) Nguyên tắc hoạt động
Khi làm việc ro to máy phát điện dược một động cơ sơ cấp kéo và quay với tốc độ là (rad/s) Mỗi cạnh của khung dây sẽ quay với tốc độ là v , cắt vuông góc với đường sức từ, bên trong mỗi cạnh sẽ xuất hiện s.đ.đ là:
Trang 6Giả sử tại thời điểm ban đầu ( t = 0 ), khung dây nằm trên mặt phẳng trung tính oo’ , thì tại thời điểm t, khung dây ở vị trí:
= t Cường độ từ cảm ở vị trí đó là:
B = Bm.sin = Bm sin t
Thay vào biểu thức trên
ed = B.v.l = Bm l.v sin t
Một vòng dây gồm có 2 cạnh tác dụng nên s.đ.đ vòng:
eV = 2ed = 2 Bm l.v sin t
Nếu khung dây có w vòng thì s.đ.đ cả khung dây là
e = w.eV = w 2 Bm l.v sin t
Đặt: Em = w.2 Bm l.v Suy ra: e = Em sin t
Như vậy ở 2 đầu khung dây ta lấy được s.đ.đ biến thiên theo quy luật hình sin
5 Các đại lượng đặc trưng
Doứng ủieọn xoay chieàu hỡnh sin laứ doứng ủieọn bieỏn thieõn ủieàu hoứa theo quy luaọt haứm sin:
i = Im sin ( t + i)
u = Um sin (t + u )
Trong ủoự: i, u – laứ giaự trũ tửực thụứi cuỷa doứng ủieọn vaứ ủieọn aựp I0, U0 laứ trũ số
t
=t
N
S
o
e
Đồ thị sđđ phần ứng Nguyên tắc cấu tạo
MFĐ 1 pha
E m
-E m
Trang 7(hay goùi taột laứ pha) cuỷa doứng ủieọn vaứ ủieọn aựp, cho pheựp xaực ủũnh trũ soỏ cuỷa doứng ủieọn vaứ ủieọn aựp ụỷ thụứi ủieồm t
i vaứ u laứ pha ban ủaàu (t = 0) Coự giaự trũ phuù thuoọc vaứo goỏc thụứi gian maứ
ta choùn
laứ taàn soỏ goực cuỷa doứng ủieọn hỡnh sin, ủụn vũ laứ rad/s
Khi lượng hình sin biến thiên hết một chu kỳ : t = T, thì góc pha biến hiên hết một góc đầy 3600 hay 2 rad
Vậy : T = 2
Từ đó :
2 2 f
T
Một lượng hình sin được hoàn toàn xác định nếu biết:
+ Biên độ ( Em, Um, Im ) + Tốc độ góc , hoặc chu kỳ T, hoặc tần số f + Góc pha đầu
* Trị số hiệu dụng của lượng hình sin
Trị số tức thời chỉ đặc trưng cho tác dụng của lượng hình sin ở từng thời
điểm Để đặc trưng cho tác dụng trung bình của lượng hình sin trong mỗi chu kỳ
về mặt năng lượng, người ta đưa vào khái niệm về trị số hiệu dụng
Trị số hiệu dụng của dòng điện xoay chiều là giá trị tương đương với dòng
điện một chiều khi đi qua cùng một điện trở, trong mỗi chu kỳ, chúng cùng tỏa ra một năng lượng dưới dạng nhiệt như nhau
Trị số hiệu dụng ký hiệu bằng chữ in hoa: I, U, E
Giả sử xét tác dụng của dòng điện i trên một điện trở R Công suất tác dụng
được tính
Vụựi doứng ủieọn moọt chieàu coõng suaỏt tieõu taựn treõn ủieọn trụỷ R laứ:
Neỏu trong cuứng moọt thụứi gian, coõng suaỏt taực duùng nhieọt treõn ủieọn trụỷ R ủoỏi
vụựi caỷ hai doứng ủieọn laứ nhử nhau ta coự:
Trang 8
Giaự trũ I ủửụùc goùi laứ trũ hieọu duùng cuỷa doứng ủieọn xoay chieàu
Neỏu thay i = I 0 sin ωt vaứo ta coự:
Tửụng tửù, ta ủửụùc trũ soỏ hieọu duùng cuỷa ủieọn aựp vaứ sửực ủieọn ủoọng:
2
m U
U
2
m E
E
Nhử vaọy, coự theồ vieỏt laùi nhử sau:
Trũ hieọu duùng thửụứng ủửụùc ghi treõn caực duùng cuù vaứ caực thieỏt bũ tieõu thuù ủieọn, cho ta bieỏt caỏp ủieọn aựp sửỷ duùng vaứ doứng ủieọn cho pheựp
Bài 1.2 Pha và sự lệch pha
1 Pha, pha đầu
Phần ứng máy phát điện thường có nhiều khung dây đặt rải rác trên mặt lõi thép Như vậy , tại thời điểm t = 0, nếu 1 khung dây ở đúng mặt phẳng trung tính thì khung dây bất kỳ khác sẽ cách mặt phẳng trung tính 1 góc là , khi roto quay, tại thời điểm t, khung dây sẽ ở vị trí:
= t +
Và biểu thức s.đ.đ trong trường hợp tổng quát là:
Trang 9e = Em sin ( t + )
Lượng ( t + ) đặc trưng cho dạng biến thiên của s.đ.đ hình sin nói chung
(cường độ, điện áp) được gọi là góc pha hay pha của lượng hình sin Tại thời
điểm t = 0 góc pha bằng , nên được gọi là góc pha đầu
2 Hai lượng lệch pha, đồng pha, đối pha
Giả sử có hai lượng hình sin với biểu thức:
e1 = Em sin ( t + 1 )
e2 = Em sin ( t + 2 )
Ta thấy e1 và e 2 có dạng biến thiên tương tự nhau, nhưng e1 luôn chậm sau e2 một khoảng thời gian hay 1 góc nào đó, như đạt cực đại chậm hơn, triệt tiêu chậm hơn…vv Lượng sai khác đó chính là hiệu của 2 góc pha của e1 và e 2 và
được gọi là góc lệch pha giữa chúng
kí hiệu là : = ( t + 2 )- ( t + 1 ) = 2 - 1 Nếu 0, tức 2 1 ta bảo e2 vượt trước e 1 , ngược lại , nếu 0, tức 2
1 ta bảo e2 chậm sau e1
Nếu 2 = 1 thì = 0 , ta bảo e1 và e2 đồng pha.Nếu = 2 - = 1800 ta bảo 2 lượng đó đối pha, thời gian giữa 2 lượng đối pha là 1 nửa chu kỳ
t
0
0
t
T
2
e 1
e 2
Hai lượng đối pha Hai lượng lệch pha
1
e2 e1
Trang 103 Biểu diễn lượng hình sin bằng đồ thị véc tơ
Một lượng hình sin thông thường phải có đủ 3 đại lượng ( biên độ, tần số, góc pha đầu) Biểu thức chung là:
i = Im sin ( t + )
Ta biết hàm số sin chính là tung độ điểm cuối bán kính véc tơ trên đường tròn lượng giác khi bán kính này quay quanh gốc tọa độ với tốc độ góc không
đổi Giả sử trên hình tròn lượng giác ta lấy một bán kính véc tơ OM, có độ dài bằng biên độ của lượng hình sin theo một tỷ lệ xích chọn trước, chẳng hạn OM =
Em, bán kính này làm với trục hoành một góc bằng góc pha đầu, chẳng hạn e , cho bán kính véc tơ OM quay quanh gốc 0 với tốc độ bằng tốc độ góc của lượng hình sin Tại thời điểm t bất kỳ, véc tơ OM làm với trục hoành một góc
= t + e Tung độ điểm cuối bán kính véc tơ là:
y = OM sin = Em sin ( t + e ) = e
(Biểu diễn lượng hình sin dưới dạng véc tơ)
0 +e
Hai lượng đồng pha
e2
e1
t
x
A m = 3
y
o
M