Giáo trình Điện kỹ thuật (Nghề Vận hành nhà máy thuỷ điện)

Để tạo ra các điện cực như vậy trong nguồn điện phải có lực thực hiện công để tách các electron ra khỏi các phần tử trung hòa rồi chuyển các electron hoặc các iôn dương được tạo thành nh

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI

TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI

L ỜI GIỚI THIỆU

Bài giảng Kỹ thuật điện được biên soạn trên cơ sở chương trình chi tiết môn học Kỹ thuật điện của nghề điện công nghiệp, được viết cho đối tượng đào tạo hệ cao đẳng và trung

cấp có thể sử dụng được Bài giảng Điện kỹ thuật là một trong những tập bài giảng kü thuËt

cơ sở nghề quan trọng trong chương trình đào tạo cao đẳng và trung cấp nghề.Vì vậy nội dung đã bám sát chương trình khung của nghề nhằm đạt mục tiêu đào tạo của nghề đồng thời

tạo điều kiện cho người sử dụng tài liệu tốt và hiệu quả Bài giảng được xây dựng với sự tham gia của các giáo viên trong khoa Điện- Điện tử Trường CĐ Lào cai

Giáo trình được chia làm 04 chương, trong đó:

Chương 1: Cung cấp các kiến thức về các phương pháp biến đổi và công thức tính

toán để giải một mạch điện cụ thể như mạch điện một chiều; xoay chiều một pha và ba pha

Chương 2: Cung cấp kiến thức về đảm bảo an toàn cho người và thiết bị khi vận hành,

kiểm tra và sửa chữa thiết bị điện Cấp cứu được nạn nhân đúng kỹ thuật khi xảy ra tai nạn

về điện

Chương 3: Cung cấp kiến thức về các loại cơ cấu đo thông dụng

Chương 4: Cung cấp kiến thức về các loại sơ đồ điện

Tác giả bày tỏ sự cảm ơn chân thành đến Ban giám hiệu, Phòng Đào tạo, Khoa Điện – Điện tử đã tạo điều kiện để bài giảng được hoàn thành Bài giảng biên soạn khó tránh khỏi thiếu sót, rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ các đồng nghiệp và các bạn đọc để bài

giảng ngày càng hoàn thiện hơn

M ỤC LỤC

L ỜI GIỚI THIỆU 1

C HƯƠNG I: MẠCH ĐIỆN 4

1.1 MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU 4

1.2 DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU 21

1.3 MẠCH XOAY CHIỀU BA PHA 36

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG I 48

BÀI TẬP CHƯƠNG I 49

CH ƯƠ NG 2: AN TOÀN Đ I Ệ N 53 N 2.1 ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG ĐIỆN ĐỐI VỚI CƠ THỂ CON NGƯỜI 53

2.2 TIÊU CHUẨN VỀ AN TOÀN ĐIỆN 56

2.3 NGUYÊN NHÂN GÂY RA TAI NẠN ĐIỆN 58

2.4 CÁC BIỆN PHÁP SƠ CẤP CỨU CHO NẠN NHÂN KHI BỊ ĐIỆN GIẬT 60

2.5 CÁC BIỆN PHÁP BẢO VỆ AN TOÀN CHO NGƯỜI VÀ THIẾT BỊ KHI SỬ DỤNG ĐIỆN 63

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG II 72

CHƯƠNG III: ĐO LƯỜNG ĐIỆN 73

3.1 CƠ SỞ CHUNG VỀ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG 73

3.2 CÁC CƠ CẤU CHỈ THỊ CƠ ĐIỆN 74

3.3 ĐO DÒNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP 82

3.4 ĐO CÔNG SUẤT VÀ ĐIỆN NĂNG 91

3.5 ĐO GÓC PHA VÀ TẦN SỐ Error! Bookmark not defined CHƯƠNG IV: VẼ ĐIỆN 108

4.1 KHÁI QUÁT VỀ VẼ ĐIỆN 108

4.2 CÁC TIÊU CHUẨN BẢN VẼ ĐIỆN Error! Bookmark not defined 4.3.CÁC KÝ HIỆU QUY ƯỚC DÙNG TRONG VẼ ĐIỆN 114

4.4 VẼ SƠ ĐỒ ĐIỆN 131

T ẬP BÀI GIẢNG MÔN HỌC: KỸ THUẬT ĐIỆN

Tên môn h ọc: Kỹ thuật điện

Mã môn h ọc: MH 01

I V Ị TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MÔN HỌC:

- Vị trí môn học: Môn học được bố trí song song hoặc sau khi học sinh học xong các môn

học chung và trước các môn học/ mô đun chuyên môn

- Tính chất của môn học: Là môn học lý thuyết cơ sở bắt buộc

II M ỤC TIÊU MÔN HỌC:

- Mô tả được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các cơ cấu đo thông dụng

- Vẽ và đọc được các loại sơ đồ điện

- Sử dụng được các loại máy đo để kiểm tra, phát hiện hư hỏng của thiết bị/hệ thống điện

- Thiết kế được các loại sơ đồ điện ứng với các mạch điện cụ thể

3 Năng lực tự chủ và trách nhiệm:

- Nghiêm túc, chủ động trong học tập Ứng dụng các kiến thức đã học vào thực tế

C HƯƠNG I: MẠCH ĐIỆN

I M ỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG:

- Phát biểu được các khái niệm, định luật, định lý cơ bản trong mạch điện một chiều, xoay chiều, mạch ba pha

- Vận dụng các biểu thức để tính toán các thông số kỹ thuật trong mạch điện một chiều, xoay chiều, mạch ba pha ở trạng thái xác lập

- Vận dụng các phương pháp phân tích, biến đổi mạch để giải các bài toán về mạch điện

hợp lý

II N ỘI DUNG CHI TIẾT

1 M ẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1 KHÁI NI ỆM VỀ DÒNG ĐIỆN MỘT CHIỀU

Nguồn điện là thiết bị duy trì dòng điện trong đoạn mạch, muốn vậy ta cần duy trì điện áp ở hai đầu nguồn điện

Nguồn điện nào cũng có hai cực, là cực dương (+) và cực âm (-), giữa hai cực đó luôn

có một hiệu điện thế được duy trì Để tạo ra các điện cực như vậy trong nguồn điện phải có

lực thực hiện công để tách các electron ra khỏi các phần tử trung hòa rồi chuyển các electron

hoặc các iôn dương được tạo thành như thế ra khỏi mỗi cực

Khi nối hai cực của nguồn điện bằng một vật dẫn, tạo thành mạch kín thì trong mạch đó có dòng điện

1.2 M ẠCH ĐIỆN VÀ CÁC PHẦN TỬ CỦA MẠCH ĐIỆN

1.2.1 M ạch điện

Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện nối với nhau bằng các dây dẫn tạo thành những vòng kín trong đó dòng điện có thể chạy qua Mạch điện gồm 3 phần tử cơ bản là nguồn điện, thiết bị tiêu thụ điện, dây dẫn ngoài ra còn có các thiết bị phụ trợ như: thiết bị đóng cắt,

đo lường, bảo vệ, tự động…

a Nguồn điện

- Là các thiết bị để biến đổi các dạng năng lượng như: Cơ năng, hoá năng, nhiệt năng, thuỷ

năng, năng lượng nguyên tử…thành điện năng

- Nguồn điện có thể là nguồn một chiều hoặc xoay chiều

+ Nguồn một chiều: Pin, acquy, máy phát điện một chiều,

+ Nguồn xoay chiều: Lấy từ lưới điện, máy phát điện xoay chiều,…

- Các nguồn điện công suất lớn thường được truyền tải từ các nhà máy điện (nhiệt điện, thủy điện, điện nguyên tử )

- Các nguồn điện một chiều thường được đặc trưng bằng sức điện động E, điện trở trong r

Với nguồn xoay chiều thường biểu diễn bằng công suất P (công suất máy phát) và điện áp ra

u

b Thi ết bị tiêu thụ điện (Phụ tải)

Là các thiết bị sử dụng điện năng để chuyển hóa thành một dạng năng lượng khác, như dùng để thắp sáng (quang năng), chạy các động cơ điện (cơ năng), dùng để chạy các lò điện (nhiệt năng) Các thiết bị tiêu thụ điện thường được gọi là phụ tải (hoặc tải) và ký hiệu bằng điện trở R hoặc bằng tổng trở Z

c Dây dẫn

Có nhiệm vụ liên kết và truyền dẫn dòng điện từ nguồn điện đến nơi tiêu thụ Thường làm bằng kim loại đồng hoặc nhôm và một số vật liệu dẫn điện có điện dẫn suất cao khác

d Các thi ết bị phụ trợ:

- Dùng để đóng cắt như: Cầu dao, công tắc, aptômát, máy cắt điện, công tắc tơ

- Dùng để đo lường: Ampe mét, vôn mét, oát mét, công tơ điện…

- Dùng để bảo vệ: Cầu chì, rơ le, …

1.2.2 Các ph ần tử của mạch điện

a Phần tử điện trở

Điện trở R đặc trưng cho quá trình tiêu thụ điện năng và biến đổi điện năng sang dạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng, cơ năng v…v

Quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên điện trở : UR =R.I (1.1)

Đơn vị của điện trở là Ω (ôm) ;

Công suất điện trở tiêu thụ: P = RI2 ; (1.2)

- Điện năng tiêu thụ trên điện trở trong khoảng thời gian t là:

t RI

e L   (1.6)

- Đơn vị của điện cảm là H (Henri)

Quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên điện cảm: UL = - eL = - L

dt

di

(1.7)

UL: còn gọi là điện áp rơi trên điện cảm

Công suất trên cuộn dây: PL = UL.i = L.i

c Phần tử điện dung

- Khi đặt điện áp của uc lên tụ điện có điện dung C thì tụ sẽ được nạp điện với điện tích q:

C CU

d . C

=

dt

U d

.  UC = 1

0

.

1

dt i

Như vậy điện dung C đặc trưng cho hiện tượng tích lũy năng lượng điện trong tụ

diện Đơn vị của điện dung là: F (Fara)

d Phần tử nguồn điện áp u(t)

- Nguồn điện áp đặc trưng cho khả năng tạo nên và duy trì một điện áp trên hai cực

của nguồn Chiều điện áp được quy định từ điểm có hiệu điện thế cao xuống điểm có hiệu điện thế thấp Chiều sức điện động được quy định từ điểm có điện thế thấp đến điểm có điện

Dòng điện trong 1đoạn mạch tỷ lệ thuận với

điện áp 2 đầu đoạn mạch và tỷ lệ nghịch với

điện trở của đoạn mạch

* Công thức: I =

R

U

 U = I R (1.13) Điện áp đặt vào điện trở ( còn gọi là sụt áp trên điện trở) tỷ lệ thuận với trị số điện trở

và dòng điện qua điện trở

* Định luật ôm cho toàn mạch

Có mạch điện không phân nhánh như hình vẽ:

- Nguồn điện có sức điện động là E, điện trở trong

của nguồn là r0

- Phụ tải có điện trở R

- Điện trở đường dây Rd

Áp dụng định luật ôm cho đoạn mạch ta có:

- Sụt áp trên phụ tải: U = I.R

- Sụt áp trên đường dây Ud = I.Rd

- Sụt áp trên điện trở trong của nguồn U0 = I r0

Muốn duy trì được dòng điện I thì sức điện động của nguồn phải cân bằng với các sụt áp trong mạch E = U +U1 +U0 = I.( R + Rd + r0) = I.R

E R

E





 (1.14)

Phát biểu định luật Ôm: Dòng điện qua một đoạn mạch tỷ lệ thuận với điện áp hai đầu

đoạn mạch, tỉ lệ nghịch với điện trở của đoạn mạch

J(t)

1.3.2 Công su ất và điện năng trong mạch một chiều

a Công của dòng điện

Công của dòng điện là công của lực điện chuyển dịch các điện tích trong mạch điện Giả sử trên một đoạn mạch có điện áp là U, dòng điện là I, trong thời gian t lượng điện tích

chuyển qua đoạn mạch là: q = I.t (1.15)

Từ định nghĩa về điện áp ta thấy công của lực bằng tích của điện tích di chuyển qua đoạn mạch

Trong đo lường ta thường dùng đon vị của công là Jun ký hiệu là J

Vây: Công của dòng điện sản ra trên một đoạn mạch tỷ lệ với điện áp hai đầu đoạn mạch, dòng điện qua mạch và thời gian duy trì dòng điện

b Công suất của dòng điện

Công suất của dòng điện là công của dòng điện thực hiện được trong 1đơn vị thời gian

.

c Công suất của nguồn điện

Công của nguồn điện là số đo năng lượng chuyển hóa các dạng năng lượng khác thành điện năng, và được tính theo công thức:

Vậy: công suất của nguồn điện bằng tích số giữa sức điện động nguồn và dòng điện

qua nguồn

d Điện năng trong mạch điện 1 chiều

Điện năng tiêu thụ trong mạch điện 1 chiều ký hiệu là A: A = P.t (1.20)

Trong đó:

P: là công suất của mạch điện (W)

t: là thời gian dòng điện đi trong mạch (h)

Vì vậy đơn vị của điện năng là oát-giờ (Wh), KWh, MWh

Ví d ụ1: Một bóng đèn ghi 220 V, 100W

- Giải thích ký hiệu đó

- Tính điện trở bóng đèn (ở trạng thái làm việc)

- Nếu bóng đèn đó đặt vào điện áp U’= 110V thì công suất tiêu thụ của bóng đèn là bao nhiêu? giả thiết khi đó điện trở của bóng đèn là không đổi?

Gi ải

1) Bóng đèn ghi 220V, 100W nghĩa là điện áp làm việc ứng với 220V thì đèn làm việc bình thường, đảm bảo các tính năng kỹ thuật theo quy định của nhà chế tạo và khi đó công suất tiêu thụ là 100W

220V - là điện áp định mức của bóng đèn, kí hiệu Uđm

100W - là công suất định mức của đèn kí hiệu là Pđm

2) Điện trở của đèn ở trạng thái làm việc bình thường được tính theo công thức:

  484

100

2202 2

đm

đm P

U r

3) Gọi công suất tiêu thụ ứng với điện áp U’ là P’ và ứng với điện áp định mức là Pđm

k U

U P

P

đm đm





Với khi ta giả thiết là r không đổi

Vậy công suất tiêu thụ của đèn ứng với điện áp U’ = 110V là

Giải

- Công suất phát của nguồn PPt = E.I = 6 0,4 =2,4W

- Công suất tiêu thụ trên bóng đèn P = I2.R = 0,42.10 = 1,6 W

- Công suất tổn hao trên điện trở bóng: P0 = PPt – P = 2,4 -1,6 =0,8 W

- Điện trở trong của pin: r0 =  5

4,0

8,0

2 2

0

I P

1.3.4 Định luật Jun – Lenxơ

Định luật này do hai nhà Bác học là Jun (người Anh) và Lenxơ (người Nga) tìm ra

bằng thực nghiệm năm 1844 nên người ta gọi là định luật Jun - Lenxơ

phương dòng điện, với trị số điện trở và thời gian dòng điện chạy qua

Q = 0,24A = 0,24.I2.R.t (Calo) (1.21)

1J = 0,24 calo  Q = R.I2.t (Jun) (1.22)

+ Anốt Catốt -

Ứng dụng: Tác dụng nhiệt của dòng điện được ứng dụng rất rộng rãi để làm các dụng

cụ đốt nóng bằng dòng điện như đèn điện có sợi nung, bếp điện, bàn là điện, lò sấy và lò luyện bằng điện tử,… Nguyên tắc có bản của các dụng cụ này là dùng một phần tử đốt nóng

để cho dòng điện chạy qua Nhiệt toả ra ở các phần tử đốt nóng sẽ gia nhiệt các bộ phận chính của dụng cụ, hoặc sẽ phát sáng ở các đèn sợi nung

Dòng điện đi qua dây dẫn sẽ toả nhiệt theo định luật Jun - Lenxơ Nhiệt lượng này sẽ đốt nóng dây dẫn, khi dây dẫn nóng lên nhiệt độ của nó cao hơn nhiệt độ bên ngòai môi trường Dây càng nóng thì nhiệt độ toả ra ngoài môi trường càng lớn Đến một lúc nào đó nhiệt lượng toả ra môi trường trong một giây bằng nhiệt lượng sinh ra của dòng điện thì nhiệt

độ dây dẫn không tăng nữa, ta gọi là nhiệt độ ổn định hay nhiệt độ làm việc của dây dẫn

1.3.5 Định luật Faraday

Khi có dòng đi qua dung dịch muối ăn

anion Cl- đi về cực dương (anốt) còn cation Na+

đi về cực âm (catốt) Tại cực dương Cl- nhường

bớt điện tử cho điện cực trở thành nguyên tử Cl

trung hoà Tại cực âm Na+ thu thêm điện tử ở

điện cực trở thành nguyên tử Na giải phóng ở

cực âm Kết quả là phần tử muối ăn bị dòng điện

phân tích thành Cl ở cực dương và Na ở cực âm Nếu dung dịch điện phân là muối của đồng thì ở cực âm thu được kim loại đồng

Như vậy: Khi dòng điện qua chất điện phân, sẽ xảy ra hiện tượng phân tích chất điện phân, giải phóng kim loại hoặc hiđrô ở cực âm Đó là hiện tượng điện phân

* Định luật Farday: Khối lượng của chất thoát ra ở mỗi cực điện tỷ lệ với điện tích đã

chuyển qua chất điện phân:

Ở đây, m là khối lượng chất thoát ra ở điện cực ;

q = I.t là điện tích qua dung dịch (Culông) ;

k : Là đương lượng điện hóa của chất được giải phóng

Nếu q = 1Culông thì k = m Vậy đương lượng điện hóa của một chất là khối lượng chất

đó thoát ra ở điện cực khi có 1 Culông qua dung dịch

Trong luyện kim, hiện tượng điện phân được ứng dụng để tinh chế và điều chế một số kim loại

Muốn tinh chế kim loại, người ta ứng dụng hiện tượng cực dương ta Chẳng hạn, để tinh chế đồng, người ta dùng thanh đồng cần tinh chế làm điện cực dương, dung dịch điện phân là muối đồng tan Khi dòng điện qua dung dịch, thanh đồng bị hòa tan dần, và ở điện

cực sẽ hình thành một lớp đồng tinh khiết

Để điều chế kim loại (luyện kim) bằng dòng điện, người ta tiến hành điện phân quạng kim loại nóng chảy hoặc các dung dịch muối của chúng Chẳng hạn, để luyện nhôm, người ta điện phân quạng bâu xít (nhôm ô xít Al2O3) nóng chảy trong criolit, để luyện natri người ta điện phân muối ăn (NaCl) nóng chảy

1.4 1 Phương pháp biến đổi điện trở

Phương pháp biến đổi điện trở chủ yếu để giải mạch điện có một nguồn Nội dung cơ

bản là các phép biến đổi tương đương, đưa mạch điện phân nhánh về mạch điện không phân nhánh và do đó có thể tính toán dòng, áp bằng định luật Ôm Ngoài ra còn có thể kết hợp nhiều phương pháp khác để đơn giản hóa sơ đồ, làm cho việc giải mạch điện dễ dàng hơn Các bước giải mạch:

Bước 1 : Đưa mạch điện phân nhánh về mạch điện không phân nhánh, bằng cách thay các nhánh song song bằng một nhánh có điện trở tương đương

Bước 2 : Áp dụng định luật Ôm cho mạch không phân nhánh tìm ra dòng điện qua nguồn, cũng là dòng điện mạch chính

Bước 3 : Tìm dòng điện ở các mạch rẽ nhánh bằng công thức tính dòng điện nhánh trong mạch điện dấu song song

Xét mạch điện gồm có các điện trở đấu song song:

Hình 1.9: M ạch điện trở đấu song song

Quan hệ giữa dòng điện chính với các dòng điện các nhánh như sau:

Điện trở tương đương của đoạn BC là:

50 20 50 10 20 10

50 20 10

.

.

5 4 5 3 4 3

5 4 3

R R R

() Điện trở tương đương toàn mạch:

R = R1 + R2 + RBC = 0,12 + 2 + 5,88 = 8 (Ω)

8

U I R

6.12

0 2 1

R R

61812

18.12

0 2 1

R R

R B

)(361812

6.18

0 2 1

R R

66()).(

(

4 3

4 3

R R R R

R R R R R

C B

C B

Ta có: (R4 // R5 ) nối tiếp với R3 ;

R2 // (R3 nối tiếp với (R4// R5))

Từ phân tích trên ta có mạch như hình vẽ:

- Tính điện trở tương đương của R4// R5: R45 =

5 4

5

4

R R

R R

 =30  6 5

6 30

- Tính điện trở tương đương của đoạn mạch AC là Rtđ

Rtđ =

45 3 2

45 3

R R R

R R R

) 5 15 (

5

R R

E td

14

812 







- Điện áp đặt vào đoạn mạch AC: UAC = I.Rtđ = 1.4 =4 V

- Dòng điện qua điện trở R2: I2 = A

R

U

8,05

4

2





- Dòng điện qua điện trở R3 : I3 = I - I2 = 1 – 0,8 = 0,2 A

- Điện áp đặt vào đoạn mạch BC: UBC = I3 R45 = 0,2.5 = 1 V

- Dòng điện qua điện trở R4: I4 = A

R

U BC

033,030

1

4





- Dòng điện qua điện trở R5: I5 = I3 – I4 = 0,2 – 0,033 = 0,167 A

1.4.2 Các phương pháp ứng dụng định luật Kirchooff

1.4.2.1 Các khái niệm, định luật

Giải mạch điện là tính dòng điện, điện áp, công suất của các nhánh, các phần tử Dòng điện trong các nhánh còn chưa biết, vì thế ta tùy ý chọn chiều dòng điện (Gọi là chiều dương) trong các nhánh Kết quả tính toán, nếu dòng điện dương I > 0, thì chiều thực của dòng điện trong nhánh trùng với chiều dương đã chọn Nếu I < 0 chiều dòng điện ngược với chiều đã chọn

* Vòng là mạch khép kín trong mạch điện, một mạch vòng bao gồm có các nhánh nối

lại với nhau tạo thành một mạch vòng, chiều kí hiệu của vòng mạch điện ta chọn tùy ý

Hình 1.13: M ạch vòng dòng điện a, b

b Các định luật Kirchoff

* Định luật Kirchoff 1

Định luật này cho ta quan hệ giữa các dòng điện tại một nút, được phát biểu như sau:

Trong m ột mạch điện, tổng đại số các dòng điện ở một nút bằng không

Định luật này cho ta quan hệ giữa sức điện động, dòng điện và điện trở trong một

mạch vòng khép kín và được phát biểu như sau:

Đi theo một mạch vòng khép kín, theo một chiều tuỳ ý thì : Tổng đại số những

s ức điện động bằng tổng đại số các điện áp rơi trên điện trở của mạch vòng

Quy ước dấu: Các sức điện động, dòng điện có chiều trùng với chiều mạch vòng thì

lấy dấu dương, và ngược lại thì lấy dấu âm

Ví dụ : Tính dòng điện I3 và các sức điện động E1, E3 trong mạch điện Cho biết: I2 = 10A, I1 = 4A, R1 = 1 , R2 = 2 , R3 = 5

Bước 2: Tùy ý vẽ chiều dòng điện mỗi nhánh

Bước 3: Viết phương trình Kirchoff 1 cho (n -1) nút đã chọn

Bước 4: Viết phương trình Kirchoff 2 cho (m – (n – 1)) = (m – n + 1) mạch vòng

Ví dụ2.3.3: Áp dụng phương pháp dòng điện nhánh, tính dòng điện trong các nhánh

của mạch điện như hình vẽ sau:

Giải:

Giải bài toán này ta thực hiện lần lượt theo các bước sau:

Bước 1: Xác định số nút, số nhánh : ta có mạch điện có hai nút là nút A và nút B vậy

số nút n = 2, có ba nhánh là nhánh 1, 2, 3 và số nhánh m = 3

Bước 2: Vẽ chiều các nhánh I1, I2, I3

Bước 3: Số nút cần viết phương trình Kirchoff 1 là n -1 = 1 Ta chọn nút A, và

phương trình Kirchoff 1 cho nút A là:

Lưu ý: Phương pháp dòng điện nhánh giải trực tiếp được dòng điện các nhánh, song

nếu số nhánh và số mạch vòng lớn thì việc giải sẽ phức tạp, đòi hỏi phải mất nhiều thời gian cho việc tính toán Vậy khi mạch điện có số nhánh và số mạch vòng lớn thì ta sẽ nghiên cứu

và lựa chọn phương pháp khác cho phù hợp

E1 10V

E3 5V

1.4.2.3 Phương pháp dòng điện vòng

Ở phương pháp này, ẩn số trong hệ phương trình không phải là dòng điện các nhánh,

mà là một dòng điện mạch vòng mang ý nghĩa về toán học, vì nếu biết được chúng, ta có thể

dễ dàng tính dòng điện các nhánh Các bước thực hiện như sau:

Bước 1: Xác định (m – n + 1) mạch vòng độc lập, và tùy ý vẽ chiều dòng điện mạch

vòng, thông thường nên chọn chiều các dòng điện mạch vòng giống nhau thì sẽ thuận tiện cho việc lập hệ phương trình

Bước 2: Viết phương trình Kirchoff 2 cho mỗi mạch vòng theo các dòng điện mạch

vòng đã chọn

Bước 3: Giải hệ phương trình vừa thiết lập, ta có dòng điện mạch vòng

Bước 4: Tính dòng điện các nhánh theo dòng điện mạch vòng như sau: Dòng điện

mỗi nhánh bằng tổng đại số dòng điện mạch vòng chạy qua nhánh ấy

Ví dụ 2.3.4: Áp dụng phương pháp dòng điện vòng, tính dòng điện trong các nhánh

của mạch điện như hình vẽ sau:

Giải: Ta thực hiện theo các bước sau:

Bước 1: Xác định số mạch vòng độc lập là: m – n + 1 = 3 – 2 + 1 = 2 mạch vòng, vẽ chiều

dòng điện mạch vòng như hình vẽ

Bước 2: Viết phương trình Kiechoff 2 cho các mạch vòng

Mạch vòng a : (47 + 22) Ia – 22Ib = 10  69Ia - 22Ib = 10

Mạch vòng b : (82 + 22)Ib – 22Ia = 5  - 22Ia + 104Ib = - 5

Bước 3: Giải hệ phương trình đã thiết lập ta được:

E3 5V

2 DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

2.1 KHÁI NI ỆM VỀ DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

2.1.1 Dòng điện xoay chiều

Dòng điện xoay chiều là dòng điện có chiều và giá trị biến đổi theo thời gian, những thay đổi này thường tuần hoàn theo một chu kỳ nhất định Nghĩa là cứ sau một khoảng thời gian nhất định nó lặp lại quá trình biến thiên cũ

2.1.2 Dòng điện xoay chiều hình sin

Do có nhiều ưu điểm về kỹ thuật và tiện lợi trong tính toán, mạch có dòng điện hình sin được sử dụng rộng rãi trong thực tế Đó là dòng điện xoay chiều biến đổi theo quy luật hình sin đối với thời gian, được biểu diễn bằng đồ thị hình sin trên hình 3.1:

i(t) = Im.sin (t + ) (1.50)

Vì cũng là một dao động điều hòa nên từ biểu thức (1.50) ta thấy dòng điện hình sin đặc trưng bởi biên độ Im và góc lệch pha (t +)

2.1.3 Chu k ỳ và tần số của dòng điện xoay chiều

Chu kỳ của dòng điện xoay chiều (ký hiệu là T) là khoảng thời gian ngắn nhất giữa hai

lần dòng điện xoay chiều lặp lại vị trí cũ, đơn vị của chu kỳ là đơn vị của thời gian và chu kỳ được tính bằng giây (s)

Tần số dòng điện xoay chiều: là số lần lặp lại trạng thái cũ của dòng điện xoay hiều trong một giây ký hiệu là f đơn vị là Hz : f = 1

2.1.4 Pha và s ự lệch pha

Nói đến pha của dòng xoay chiều ta thường nói tới sự so sánh giữa 2 dòng điện xoay chiều có cùng tần số

- Biểu thức s.đ.đ tổng quát có dạng:E = Emsin(t + e)

Lượng (t + e) đặc trưng cho dạng biến thiên của lượng hình sin gọi là góc pha hay

là pha của lượng hình sin

Tại thời điểm t = 0, góc pha bằng  nên  gọi là góc pha đầu hay pha đầu của lượng hình sin, lượng  gọi là tốc độ góc của lượng hình sin, và t gọi là tần số góc

Do đặc tính các thông số của mạch, các đại lượng dòng điện, điện áp thường có sự

lệch pha nhau Góc lệch pha giữa các đại lượng là hiệu số pha đầu của chúng Góc lệch pha

giữa điện áp và dòng điện ký hiệu là : = u - i

Góc  phụ thuộc vào các thông số của mạch:

 > 0: Điện áp vượt trước dòng điện

 < 0: Điện áp chậm sau dòng điện

 = 0: Điện áp trùng pha dòng điện

Hình 1.20 : Điện áp chậm pha sau dòng điện

2 2 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG

2.2 1 Biên độ của dòng điện xoay chiều

Giá trị lớn nhất của trị số tức thời trong một chu kỳ được gọi là biên độ của dòng điện xoay chiều hình sin Biên độ của dòng điện xoay chiều hình sin ký hiệu bằng chữ in hoa có

chỉ số dưới là m:

Ví d ụ: Biên độ dòng điện hình sin kí hiệu: Im

Biên độ suất điện động hình sin kí hiệu: Em;

Biên độ điện áp hình sin kí hiệu: Um

2.2.2 Giá tr ị tức thời

Là giá trị của các đại lượng dòng điện xoay chiều biến thiên theo quy luật hình sin, xét

ở thời điểm nào đó gọi là giá trị tức thời của dòng điện hình sin, được kí hiệu bằng các chữ

số thường, như:

Dòng điện hình sin i(t);

Điện áp hình sin u(t);

Sức điện động hình sin e(t)

2.2.3 Giá tr ị hiệu dụng của dòng điện hình sin

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 một chu kì chúng cùng toả ra một năng lượng dưới dạng nhiệt như nhau

Giá trị hiệu dụng của dòng điện hình sin i(t) có chu kỳ T ký hiệu là I, được tính bởi

Tương tự: ta cũng có được biểu thức tính giá trị hiệu dụng U của điện áp u(t) và giá trị

hiệu dụng E của sức điện động e(t):

u

i(t)

R

uR

2.3.1 M ạch điện xoay chiều thuần trở

* Định nghĩa: Mạch điện xoay chiều mà trong mạch chỉ có thành phần điện trở còn thành

phần điện cảm của cuộn dây rất nhỏ có thể bỏ qua và không có thành phần điện dung gọi là

mạch xoay chiều thuần trở

Ví dụ: Bàn là, bếp điện, lò sưởi

* Quan h ệ dòng điện – điện áp

Đặt vào nhánh điện áp u = Um sin t, trong nhánh sẽ có dòng điện i Theo định luật

R

t U

Vậy trong nhánh xoay chiều thuần trở dòng điện và điện áp cùng tần số và đồng pha Góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp:

 = u - I = 0 (1.58) Biên độ của dòng điện : Im=

Định luật Ôm: Trị hiệu dụng của dòng điện trong nhánh thuần điện trở tỉ lệ thuận với

trị hiệu dụng điện áp đặt vào nhánh, tỉ lệ nghịch với điện trở của nhánh

t 0

Gọi pr là công suất tức thời trên điện trở r ta có:

pr = u.i = Um.Im.sin2t = 2UI sin2t (1.61)

từ công thức lượng giác: sin2t = ( 1 cos 2 )

đổi – UI cos2t với tần số 2 (gấp đôi tần số dòng và áp) được biểu diễn trên hình 1.26

Ta thấy công suất tức thời tiêu tán trên điện trở r luôn luôn dương, biểu thị điện trở r luôn

luôn nhận năng lượng của nguồn

Giá trị trung bình của công suất trong một chu kỳ gọi là công suất tác dụng hay công

suất hữu công, ký hiệu là P:

P = U.I = R.I2 =

R

U2

(1.63) Công suất tác dụng đo bằng watt (W)

Công suất tác dụng đặc trưng cho tốc độ biến đổi trung bình của điện năng thành các

dạng năng lượng khác, như: nhệt năng, quang, hóa, cơ Điện năng tiêu thụ trong thời gian t tính theo công suất tác dụng:

A = P.t (Wh) (1.64)

Ví d ụ: Một bàn là có điện trở R = 48,4Ω, đầu vào nguồn điện xoay chiều điện áp U =

220V Tính trị số dòng điện hiệu dụng I và công suất điện bàn là tiêu thụ Vẽ đồ thị vectơ dòng điện, điện áp

Gi ải:

Trị số dòng điện hiệu dụng của dòng điện là:

2204,54A



U

P = R.I2 = 48,4.4,542  1000W

Đồ thị vectơ của dòng điện điện áp được cho trong hình sau:

2.3.2 M ạch điện xoay chiều thuần cảm

* Định nghĩa: Nhánh có cuộn dây với hệ số tự cảm L khá lớn, điện trở đủ bé có thể bỏ qua

và không có thành phần điện dung, được gọi là nhánh thuần điện cảm

* Quan h ệ dòng điện và điện áp

Đặt điện áp xoay chiều u vào nhánh thuần điện cảm, làm xuất hiện dòng điện:

i = Imsint vì dòng điện biến thiên qua cuộn dây sẽ tao ra sức điện động tự cảm:

Như vậy, trong nhánh xoay chiều thuần điện cảm, điện áp cân bằng với sức điện động

tự cảm xuất hiện trong nhánh

Cũng là một dao động hình sin cùng tần số  với dòng điện: Và ta có:

Biên độ điện áp và biên độ dòng điện tỷ lệ nhau qua hệ số L = X L

U

(1.71)

Định luật Ôm: Trị hiệu dụng của dòng điện trong nhánh thuần điện cảm tỉ lệ thuận

với trị hiệu dụng điện áp đặt vào nhánh, tỉ lệ nghịch với cảm kháng của nhánh

* Công su ất

Công suất tức thời trên điện cảm:

pL = u.i = Um.Im.sin (t +

2

 )sint = Um.Im.2cos t sin t

Từ công thức lượng giác: cos t sin t =

p

UI2

Như vậy: nhánh thuần điện cảm không tiêu thụ năng lượng, mà chỉ có sự trao đổi năng lượng giữa nguồn và từ trường Công suất tác dụng trong nhánh tức công suất trung bình trong một chu kỳ P = 0

Để đặc trưng cho mức độ trao đổi năng lượng giữa nguồn và từ trường, dùng đại lượng gọi là công suất phản kháng hay công suất vô công, ký hiệu là: Q

Q = U.I = I2 XL =

L X

U2

(1.73) Đơn vị: Vôn – ampe phản kháng: VAr (đọc là Va – rờ)

Ví d ụ:

Cho một cuộn dây thuần cảm có điện cảm L = 0,5H dòng điện chạy qua

i = 2.0,7 sin(314t -15o), tính điện áp và công suất phản kháng Q

Gi ải

Điện kháng của cuộn dây: XL= L = 314.0,5 = 157 ()

Điện áp hiệu dụng trên cuộn dây:

Nhánh có tụ điện với điện dung C, tổn hao không đáng kể, điện cảm của mạch có thể

bỏ qua, được gọi là nhánh thuần điện dung

Vì u = uC nên:

dt

d C dt

du C dt

du

C c   msin =Um C  cost = Im sin(t +

2

 )

Trong đó: Biên độ dòng điện Im = Um C  (1.74)

Như vậy, trong nhánh thuần điện dung, dòng điện vượt trước điện áp 1 góc

2



Chia cả 2 vế của (1.74) cho 2:

 C

U

I m m

1

12

C X

XC gọi là trở kháng điện dung hay dung kháng, có đơn vị là: 

Đinh luật Ôm: Trong nhánh thuần điện dung trị hiệu dụng dòng điện tỉ lệ thuận với trị

hiệu dụng điện áp đặt vào nhánh và tỉ lệ nghịch với dung kháng của nhánh

 (1.77) Nghĩa là pC biến thiên theo quy luật hình sin với tần số gấp đôi tần số dòng điện (2)

và với biên độ U.I

I

U

0

Như vậy, Nhánh thuần điện dung không tiêu thụ năng lượng chỉ trao đổi năng lượng

giữa nguồn và điện trường Công suất tác dụng là công suất trung bình trong một chu kỳ

bằng không Công suất phản kháng đặc trưng chomức trao đổi công suất giữa nguồn và điện trường

QC = U.I = xC.I2 =

C X

C

Trị hiệu dụng điện áp trên tụ điện : UC = XC.I = 1,59.100 = 159V

G óc pha đầu của điện áp trên tụ điện là :

Đồ thị vectơ dòng điện và điện áp trên hình:

Hình 1.34 : Đồ thị vectơ dòng điện và điện áp

0

p

T

T

2.3.4 M ạch điện xoay chiều có R – L – C mắc nối tiếp

a Quan h ệ dòng điện và điện áp trong mạch có R – L – C mắc nối tiếp

Cho mạch điện xoay chiều gồm có các phần tử điện trở R, điện cảm L, điện dung C mắc nối tiếp nhau như trên hình:

Khi đặt vào mạch điện điện áp xoay chiều u, dòng điện trong mạch có biểu thức: i =

Imsint Dòng điện qua các điện trở, điện cảm và điện dung tạo nên các điện áp tương ứng

- Thành phần điện áp giáng trên điện trở gọi là thành phần điện áp tác dụng, đồng pha với dòng điện: UR = I.R (1.79)

- Thành phần điện áp giáng trên điện cảm, vượt trước dòng điện 900:

UL = I.XL (1.80)

- Thành phần điện áp giáng trên điện dung, chậm pha sau dòng điện 900:

UC = I.XC (1.81)

Áp dụng định luật Kirchoff 2 cho mạch vòng, có: u = ur + uL + uC

Từ đồ thị véc tơ hình 1.36, ta có tam giác điện áp có 3 cạnh là 3 thành phần điện áp

C L

U

U U

Nếu: + XL > XC thì UL > UC,  > 0: Dòng điện chậm sau điện áp, mạch có tính điện cảm

+ XL < XC thì UL < UC,  < 0: Dòng điện vượt trước điện áp, mạch có tính điện dung + Khi XL = XC  tg = 0   = 0 dòng và áp trùng pha nhau, tựa như 1 mạch thuần

trở Lúc này mạch xảy ra hiện tượng cộng hưởng điện áp UL và UC có thể rất lớn nhưng ngược pha nhau, bù trừ lẫn nhau

Từ tam giác điện áp: UR = U cos 

UX = U sin 

Từ (1.82): U = U R2 (U L U C)2  (I.R)2(I.X LI.X C)2

= I R2 (X LX C)2 I R2 X2 I.Z (1.84)Trong đó: + X được gọi là trở kháng phản kháng

X = XL – XC = 2fL -

fC

2

1

(1.85)+ Z là tổng trở của nhánh

* Định luật Ôm: Trong một nhánh xoay chiều, trị hiệu dụng dòng điện tỉ lệ thuận với trị hiệu

dụng điện áp đặt vào nhánh và tỉ lệ nghịch với tổng trở của nhánh

Nếu chia cả 3 cạnh của tam giác điện áp cho hiệu dụng cho dòng điện I ta được 1 tam giác đồng dạng gọi là tam giác trở kháng (Hình 1.37) với trị số 3 cạnh là:

Tam giác tổng trở được sử dụng nhiều trong việc tính toán phân tích mạch Nếu biết 2 trong 4 thông số r, , z, x sẽ tìm được 2 thông số còn lại bằng cách giải tam giác trở kháng

b Công suất

Công suất tức thời trong nhánh:

p = u.i = Um.Im sint sin(t + ) = 2UI sint sin(t + )

Áp dụng CT biến đổi : sina sinb =

2

) cos(

) cos(ab  ab

ta có: p = 2UI cos(t +  - t ) - cos(t +  + t)

Ta thấy công suất gồm có hai thành phần:

- Thành phần không đổi : P = U.Icos = I.UR = I2.R  0 Nghĩa là nhánh tiêu thụ công

suất của nguồn dưới dạng nhiệt trên điện trở R Cos  được gọi là hệ số công suất của nhánh

- Thành phần dao động : P = -U.Icos(2t + ) với tần số gấp đôi tần số dòng điện và

điện áp, có sự trao đổi năng lượng giữa nguồn với từ trường của cuộn cảm L và điện trường của điện dung C Để đặc trưng cho mức độ thay đổi năng lượng giữa nguồn và các trường (từ trường của cuộn cảm và điện trường của tụ) dùng công suất phản kháng Q

Q = U I.sin = I2.X = QL - QC (Var, KVar, MVar) (1.89)

Trường hợp mạch có tính chất cảm, sin > 0, Q > 0, ngược lại khi mạch có tính chất dung thì sin < 0, Q < 0

Ngoài công suất tác dụng và công suất phản kháng, người ta còn đưa ra khái niệm công suất biểu kiến đặc trưng cho khả năng chứa công suất của thiết bị, ký hiệu là S:

Ta thấy, với một dòng điện và điện áp làm việc định mức của thiết bị, khi hệ số công

suất cos tăng lên và tiến tới 1 thì công suất tác dụng cũng tăng lên và tiến tới S Vậy S nói lên khả năng của thiết bị, thể hiện trên các máy điện người ta ghi công suất biểu kiến định mức của chúng

Nếu ta nhân 3 cạnh của tam giác tổng trở với bình phương trị hiệu dụng của dòng điện

I sẽ được 1 tam giác đồng dạng gọi là tam giác công suất, có:

- Cạnh huyền : S = I2.z

- Cạnh góc vuông: P = I2.R ; Q = I2.X

Từ tam giác công suất biết P và Q ta tính được S và góc lệch pha 

S = P2Q2  P2(Q LQ C)2 (1.91)

tg

P

Q Q P

Một trong 2 thành phần điện cảm và điện dung thường vắng mặt trong mạch Khi đó

tất cả các lí luận trên đều đúng

* Khi mạch chỉ có điện trở và điện cảm thì bỏ thành phần điện áp trở kháng và công suất của

tụ điện và ta có 3 tam giác sau

* Mạch có điện trở và điện dung R, C thì bỏ thành phần điện áp trở kháng và công suất của điện cảm ta có tam giác sau:



SP

* Mạch thuần phản kháng( L-C), R = 0

- Nếu XL>XC thì mạch có tính chất giống như mạch thuần điện cảm

- Nếu XL<XC thì mạch có tính chất giống như mạch thuần điện dung

- Nếu XL=XC thì mạch có trạng thái cộng hưởng điện áp

75Ω R

 < 0 cho ta biết dòng điện vượt trước điện áp

Để vẽ đồ thị vectơ hình 3.21.b, trước hết ta vẽ vectơ điện áp trùng với phương trục ox

2,48.108,04.10

Hệ thống điện 3 pha là tập hợp ba hệ thống điện một pha được nối với nhau tạo thành

một hệ thống năng lượng điện từ chung, trong đó sức điện động ở mỗi mạch đều có dạng hình sin, cùng tần số, lệch pha nhau một phần ba chu kỳ

Nguồn điện gồm có ba sức điện động hình sin cùng biên độ, cùng tần số, lệch nhau về pha 2

3



, gọi là nguồn ba pha đối xứng (hay nguồn cân bằng) Đối với nguồn đối xứng ta có :

eA + eB + eC = 0 ; EA + EB + EC = 0

Tải ba pha có tổng trở phức của các pha bằng nhau : ZA = ZB = ZC gọi là tải ba pha đối xứng

Mạch điện ba pha gồm có nguồn, tải và đường dây đối xứng được gọi là mạch điện ba pha đối xứng (còn được gọi là mạch ba pha cân bằng) Nếu không thỏa mãn điều kiện đã nêu thì gọi là mạch ba pha không đối xứng

3.1 2 Đồ thị dạng sóng và đồ thị vectơ

Hệ thống điện ba pha đuợc tạo ra từ máy phát điện đồng bộ ba pha, hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ Cấu tạo nguyên lý của máy phát điện 3 pha gồm hai phần :

a) Stator (ph ần tĩnh) Gồm ba cuộn dây giống nhau (gọi là các cuộn dây pha) đặt lệch

nhau 1200 trong các rãnh của lõi thép stator Các cuộn dây ba pha thường ký hiệu tương ứng

là AX, BY, CZ

b) Rotor (ph ần quay) Là một nam châm điện N-S

Khi rotor quay, từ trường của nó lần lượt quét qua các cuộn dây pha, sinh ra các sức điện động hình sin có cùng biên độ, cùng tần số, nhưng lệch pha nhau một góc 1200 Nếu chọn pha ban đầu của sức điện động eA trong cuộn dây AX bằng không ta có biểu thức các

sức điện động trong các pha là :

) 120 sin(

2 ) 240 sin(

2

) 120 sin(

2

sin 2

0 0

E e

t E e

t E e

C B A

0 0

0 0

120240

1200

Hình 1.43 : Đồ thị dạng sóng và đồ thị vectơ mạch điện ba pha

3 1.3 Đặc điểm và ý nghĩa

Hệ thống điện 3 pha có nhiều ưu điểm hơn hẳn hệ thống điện một pha Để truyền tải điện một pha ta cần dùng 2 dây dẫn, nhưng để truyền tải hệ thống 3 pha chỉ cần dùng 3 hoặc

4 dây dẫn do vậy tiết kiệm và kinh tế hơn Hệ 3 pha dễ dàng tạo ra từ trường quay, làm cho

việc chế tạo động cơ điện đơn giản Các động cơ công suất lớn đều phải sử dụng nguồn điện

A

C

B

X Y Z

3.2 SƠ ĐỒ ĐẤU DÂY TRONG MẠNG BA PHA

Đối với tải, 3 điểm cuối X’, Y’, Z’ được nối lại với nhau tạo thành điểm trung tính O’

Ba dây nối các điểm đầu của nguồn và tải AA’, BB’, CC’ gọi là các dây pha Dây dẫn nối các điểm trung tính OO’ gọi là dây trung tính

Để nối hình tam giác người ta nối đầu pha này với cuối pha kia, ví dụ A nối với Z, B

nối với X, C nối với Y

3.2 2 Đấu dây hình sao (Y)

Đối với tải, 3 điểm cuối X’, Y’, Z’ được nối lại với nhau tạo thành điểm trung tính O’

Ba dây nối các điểm đầu của nguồn và tải AA’, BB’, CC’ gọi là các dây pha Dây dẫn

nối các điểm trung tính OO’ gọi là dây trung tính

a) Sơ đồ đấu dây ; b) Đồ thị vectơ