Giáo trình Điện kỹ thuật (Trình độ: Cao đẳng) - Vương Thị Hồng Vân

ó các phần tử phụ trợ khác Hính1.1:Mạch điện a.Nguồn điện: dùng để cung cấp năng lƣợng điện hoặc tín hiệu điện cho mạch. Nguồn đƣợc biến đổi từ các dạng năng lƣợng khác sang điện năng, ví dụ : - Máy phát điện (biến đổi cơ năng thành điện năng), - Ắc quy (biến đổi hóa năng sang điện năng). b. Phụ tải: là thiết bị nhận năng lƣợng điện hay tín hiệu điện. Phụ tải biến đổi năng lƣợng điện sang các dạng năng lƣợng khác, ví dụ: - Động cơ điện (biến đổi điện năng thành cơ năng), Chƣơng 1: Khái niệm cơ bản về mạch điện 7 KHOA ĐIỆN-TỰ ĐỘNG HÓA - Đèn điện (biến đổi điện năng sang quang năng), - Bàn là, bếp điện (biến đổi điện năng sang nhiệt năng) v.v. c. Dây dẫn: làm nhiệm vụ truyền tải năng lƣợng điện từ nguồn đến nơi tiêu thụ. d.Ngoài ra còn có các phần tử khác nhƣ: - Phần tử làm thay đổi áp và dòng trong các phần khác của mạch (nhƣ máy biến áp, máy biến dòng), - Phần tử làm giảm hoặc tăng cƣờng các thành phần nào đó của tín hiệu (các bộ lọc, bộ khuếch đại), v.v.. 1.2.2.Kết cấu hình học của mạch điện a.Nhánh: Là một đoạn mạch gồm những phần tử ghép nối tiếp nhau, trong đó có cùng một dòng điện chạy qua. b.Nút: Là điểm gặp nhau của từ ba nhánh trở lên. c.Vòng: Là lối đi khép kín qua các nhánh. d.Mắt lƣới: Là vòng đặc biệt mà trong đó không chứa nhánh 1.3. Bài tập 1.3.1. Hãy cho biết mạch điện sau có bao nhiêu nút, nhánh, mạch vòng và mắt lƣới 1.3.2. Hãy cho biết mạch điện sau có bao nhiêu nút, nhánh, mạch vòng và mắt lƣới Chƣơng 1: Khái niệm cơ bản về mạch điện 8 KHOA ĐIỆN-TỰ ĐỘNG HÓA BÀI 2: CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐIỆN 2.1.Mục tiêu: Sau khi học xong bài này ngƣời học có khả năng: - Trình bày đƣợc đặc điểm của điện trở, cuộn dây, tụ điện. - Sử dụng đúng các phần tử điện trở , cuộn dây, tụ điện. 2.2.Nội dung: 2.2.1.Điện trở Là đại lƣợng đặc trƣng hiện tƣợng tiêu tán năng lƣợng Kí hiệu: R đơn vị là Ohm (Ω) Hính 1.2(a) Hính 1.2(b) Trong một số bài toán mạch, chúng ta định nghĩa đại lƣợng điện dẫn G là giá trị nghịch đào của điện trở, ta có quan hễ: 𝐺 = Đơn vị đo của điện dẫn là Simens (S) -Ngắn mạch là sự kiện mà tại vị trí ngắn mạch xem nhƣ có điện trở R = 0Ω hay giá trị điện dẫn là vô cùng lớn G = ∞. Tóm lại tại vị trí ngắn mạch xem tƣơng đƣơng nhƣ một vật dẫn điện lý tƣởng - Hở mạch là sự kiện mà tại vị trí hở mạch xem nhƣ tƣơng đƣơng với điện dẫn G = 0 S ; hay giá trị điện trở R = ∞. Tóm lại tại vị trí hở mạch xem tƣơng đƣơng nhƣ một vật cách điện lý tƣởng 2.2.2.Cuộn dây Cuộn dây đặc trƣng cho khả năng tạo nên từ trƣờng.Quan hệ giữa dòng và áp trên hai cực phần tử điện cảm: u= dt di L. Hình 1.3 :Cuộn dây Kí hiệu L, đơn vị Henry (H) 2.2.3.Tụ điện Tụ điện đặc trƣng cho hiện tƣợng tích phóng năng lƣợng điện trƣờng. Quan hệ giữa dòng và áp trên hai cực tụ điện: i = dt du C. Hình 1.4: Tụ điện Ký hiệu : C , đơn vị Fara (F) 2.2.4.Nguồn áp độc lập Chƣơng 1: Khái niệm cơ bản về mạch điện 9 KHOA ĐIỆN-TỰ ĐỘNG HÓA Nguồn áp độc lập là loại nguồn có khả năng duy trì điện áp U giữa hai đầu nguồn độc lập đối với các phần tử còn lại của mạch và dòng điện qua nguồn Hình 1.5:Nguồn áp độc lập 2.2.5.Nguồn dòng độc lập Nguồn dòng độc lập có khả năng duy trì dòng điện qua nhánh tuân theo hàm cho trƣớc đối với thời gian t bất chấp các phần tử còn lại trong mạch mà nguồn đƣợc nối vào Hình 1.6 :Nguồn dòng độc lập 2.3. Bài tập 2.3.1.Trình bày đặc điểm cuộn dây, điện trở, tụ điện. Chƣơng 1: Khái niệm cơ bản về mạch điện 10 KHOA ĐIỆN-TỰ ĐỘNG HÓA BÀI 3: CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN 3.1.Mục tiêu: Sau khi học xong bài này ngƣời học có khả năng: - Trình bày đƣợc đặc điểm dòng điện một chiều - Trình bày đƣợc các định luật cơ bản - Áp dụng đƣợc các định luật trong tính toán mạch điện 3.2.Nội dung: 3.2.1. Định nghĩa dòng điện một chiều: Dòng điện một chiều là dòng điện có chiều và độ lớn không đổi theo thời gian. Hình 1.7 3.2.2.Công và công suất của dòng điện một chiều Trong một mạch kín bao giờ cũng có hai sự chuyển hóa năng lƣợng là bên trong nguồn điện và bên ngoài nguồn điện.  Trong nguồn điện: có một dạng năng lƣợng nào đó (hóa năng, cơ năng, nội năng) chuyển hóa thành điện năng.  Bên ngoài nguồn điện: điện năng đƣợc chuyển hóa thành những dạng năng lƣợng khác (nội năng, hóa năng, cơ năng). Số đo năng lƣợng ấy biểu thị công của dòng điện. 3.2.2.1.Công của dòng điện. Công của dòng diện sinh ra trong một đoạn mạch bằng tích của hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch với cƣờng độ dòng điện và thời gian dòng điện đi qua. A = U.I.t (jun) 3.2.2.2.Công suất của dòng điện. Công suất của dòng điện là đại lƣợng đặc trƣng cho tốc độ sinh công của dòng điện. Nó có độ lớn bằng công của dòng điện sinh ra trong một giây. P = IU t A . (W) P = RI 2 (W) Công suất của dòng điện trong một đoạn mạch bằng tích hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch với cƣờng độ dòng điện trong đoạn mạch. 3.2.3.Định luật Joule- Lenxơ: Chƣơng 1: Khái niệm cơ bản về mạch điện 11 KHOA ĐIỆN-TỰ ĐỘNG HÓA Nhiệt lƣợng tỏa ra trong một vật dẫn tỷ lệ thuận với điện trở của vật dẫn với bình phƣơng cƣờng độ dòng điện và với thời gian dòng điện đi qua. Q = R.I 2 .t ( J ) 3.2.4.Định luật ohm: 3.2.4.1.- n u t đối với đ n c Hình 1.8 Định luật phát biểu nhƣ sau: Cường độ dòng điện trong một đ n m ch tỷ lệ thu n với điện áp ai đầu đ n m ch và tỷ lệ ngh ch với điện trở của đ n m ch. công t ức R = => U = I R R: Điện trở U: Hiệu điện thế hai đầu điện trở I: Dòng điện qua điện trở R    - Suất điện trở ( m) l- Chiều dài dây dẫn ( m) S – Mặt cắt dây dẫn (m2 ) R – Điện trở dây dẫn ( ) Trong thực tế , mặt cắt dây dẫn thƣờng lấy đơn vị là mm2 lúc đó đơn vị của suất điện trở là mm2 / m 3.2.4.2. - n u t c t n c Mỗi mạch kín gồm hai phần : Mạch ngoài (dây dẫn, phụ tải) và mạch trong (nguồn điện) . Khi mạch nối kín ta có dòng điện chạy trong mạch. Điện áp đặt vào mạch ngoài Ung = I R (R là điện trở mạch ngoài). Tổn hao điện áp ở mạch trong là Utr = I. r (r là điện trở trong). Sức điện động E của nguồn điện bằng tổng các điện áp đó. Hình 1.8 E = Ung + Utr = I ( R + r ) => I = Chƣơng 1: Khái niệm cơ bản về mạch điện 12 KHOA ĐIỆN-TỰ ĐỘNG HÓA Vậy định luật m cho toàn mạch phát biểu nhƣ sau : Cường độ dòng điện trong m ch kín tỷ lệ thu n với sức điện động của nguồn điện và tỷ lệ ngh ch với điện trở toàn m ch 3.2.5.Định luật Kirchoff 3.2.5.1. nh lu t Kirchoff 1 Định luật này cho ta quan hệ giữa các dòng điện tại một nút, đƣợc phát biểu nhƣ sau: Tổng đ i số những dòng điện ở một nút bằng k ông. r ng đó quy ước dòng điện đi tới n t ấy dấu dư ng dòng điện rời k ỏi n t ấy dấu âm  Inút = 0 Hình 1.9: Dòng điện nút 3.2.5.2. nh lu t Kirchoff 2 Định luật này cho ta quan hệ giữa sức điện động, dòng điện và điện trở trong một mạch vòng khép kín, đƣợc phát biểu nhƣ sau: i t e ột m ch vòng khép kín theo một chiều tùy ý chọn, tổng đ i số những sức điện động bằng tổng đ i số những điện áp r i trên các điện trở của m ch vòng.  RI =  E Hình 1.10: Mạch vòng dòng điện Quy ƣớc dấu: Các sức điện động có chiều trùng mạch vòng lấy dấu dƣơng, ngƣợc lại lấy dấu âm. Ở mạch vòng hình : R1I1 – R2I2 + R3I3 = E1+ E2 - E3 3.3.Bài tập 3.3.1. Viết phƣơng trình định luật kirchoff 1, kirchoff 2 cho mạch sau: E2 R1 R2 R3 E1 E3 3.3.2. Viết phƣơng trình định luật kirchoff 1, kirchoff 2 cho mạch sau: Chƣơng 1: Khái niệm cơ bản về mạch điện 13 KHOA ĐIỆN-TỰ ĐỘNG HÓA R1 R2 R3 E1 E2 3.3.3. Viết phƣơng trình định luật kirchoff 1, kirchoff 2 cho mạch sau: E2 R1 R2 R3 E1 3.3.4. Một bình ắc quy có sức điện động E = 2,5V, điện trở trong r = 0,1 , cung cấp điện cho một bóng đèn có điện trở R = 50 . Tính cƣờng độ dòng điện trong mạch. 3.3.5. - Phát biểu nội dung và viết biểu thức định luật m đối với một đoạn mạch và toàn mạch. Chƣơng 2: Mạch điện xoay chiều một pha 14 KHOA ĐIỆN-TỰ ĐỘNG HÓA CHƯƠNG 2: MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU MỘT PHA Giới thiệu: Dòng điện xoay chiều một pha hình sin đƣợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực. phục vụ cuộc sống , học tập, nghiên cứu với các dạng năng lƣợng khác nhau. Dòng điện chiếm vị trí quan trọng, thông dụng và dể sử dụng. Mục tiêu: Sau khi học xong chƣơng này ngƣời học có khả năng -Trình bày đƣợc cách biểu diễn dòng điện hình sin bằng vectơ -Tính toán đƣợc dòng điện và điện áp trong mạch điện R, L, C mắc nối tiếp BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1. Mục tiêu: Sau khi học xong bài này ngƣời học có khả năng: - Trình bày đƣợc định nghĩa về dòng điện hình sin - Trình bày đƣợc cách tạo ra dòng điện xoay chiều hình sin - Biểu diễn đƣợc đại lƣợng hình sin bằng vectơ 1.2. Nội dung: 1.2.1. Cách tạo ra sức điện động xoay chiều hình sin Sức điện động xoay chiều hình sin đƣợc tạo ra bằng máy phát điện xoay chiều một pha. Về nguyên lý cấu tạo máy phát điện xoay chiều một pha gồm: Một hệ thống cực từ (phần cảm) đứng yên ( stato) và một bộ dây (phần ứng) đặt trong l i thép chuyển động (rô to) quay cắt qua từ trƣờng của các cực từ. Nguyên lý máy phát điện xoay chiều một pha đơn giản. - Phần cảm gồm nam châm có hai cực từ N-S. - Phần ứng gồm một khung dây, 2 đầu khung dây nối với 2 vành đồng và trên hai vành đồng đặt hai chổi than nối vào phụ tải là một đèn điện. Hệ thống cực từ đƣợc chế tạo sao cho trị số từ cảm B của nó phân bố theo quy Hình 2.1: Nguyên lý máy phát điện xoay chiều luật hình sin trên mặt cực giữa khe hở rô to và stato nghĩa là khi khung dây ở vị trí bất kỳ trong khe hở, cƣờng độ từ cảm ở vị trí đó có giá trị: B = Bm sin Trong đó : Bm là trị số cực đại của từ cảm.  là góc giữa mặt phẳng trung tính OO và mặt phẳng khung dây Chƣơng 2: Mạch điện xoay chiều một pha 15 KHOA ĐIỆN-TỰ ĐỘNG HÓA Hình 2.2:Góc α giữa mặt phẳng oo’ và khung dây Khi máy phát điện làm việc, rô to mang khung dây quay với tốc độ , mỗi cạnh khung dây nằm trên mặt rô to sẽ quay với vận tốc v theo phƣơng vuông góc với đƣờng sức và cảm ứng ra sức điện động: ed = B. l.v Giả sử tại thời điểm ban đầu (t = 0), khung dây nằm trên mặt phẳng trung tính, thì tại thời điểm t, khung dây ở vị trí  = t, ứng với trị số từ cảm: B = Bm sin  = Bm sint. Ta có biểu thức tinh sức điện động mỗi cạnh dây: ed = Bm.l.v sint Vì khung dây có hai cạnh tác dụng ( sinh ra hai sức điện động ed cùng chiều trong mạch vòng) nên sức điện động mỗi vòng: ev =2ed = 2 Bm.l.v sint Nếu khung day có w vòng thì sức điện động của hệ khung là: e = w ev =w.2ed = 2 Bm.l.v .w sint Đặt Em = 2Bm.l.v.w và gọi là trị số cực đại hay biên độ của sức điện động,ta có E = Em sint Sức điện động này có chiều biến đổi tuần hoàn theo hàm số hình sin. Khi mạch kín, sức điện động đó sinh ra trong mạch một dòng điện cũng biến đổi theo hình sin và gọi là dòng điện hình sin Ta có:  = t = 0; sin = 0; e= o  = t = 90o ; sin = 1; e = Em  = t = 270o ; sin = -1; e = -Em Hình 2.3 Chƣơng 2: Mạch điện xoay chiều một pha 16 KHOA ĐIỆN-TỰ ĐỘNG HÓA Hình 2.4: Nguyên lý tạo dòng xoay chiều hình sin 1.2.2.Các định nghĩa về dòng điện xoay chiều hình sin 1.2.2.1. Dòng điện x ay c iều Là dòng điện thay đổi chiều và độ lớn theo thời gian. Hình 2.4 Dòng điện hoặc sức điện động có tri số biến đổi tuần hoàn theo quy luật của một hàm hình sin→gọi là sức điện động hay dòng điện hình sin. f(t)=Fm.sin( ) t f(t) có thể là dòng điện i(t), điện áp u(t), sức điện động e(t) hoặc trị số của dòng điện j(t).  Fm>0: biên độ   >0: tần số góc, đơn vị đo là rad/s (radian/giây)  ωt + ψ: góc pha tại thời điểm t, đơn vị đo là radian hoặc độ.  ψ: góc pha ban đầu, đơn vị đo là radian hoặc độ (0≤ ≤3600) Chƣơng 2: Mạch điện xoay chiều một pha 17 KHOA ĐIỆN-TỰ ĐỘNG HÓA 1.2.2.2..C u kỳ tần số biên độ + Chu kỳ: là khoảng thời gian ngắn nhất để sức điện động (e) hoặc là dòng điện (i) trở về giá trị cũ. Ký hiệu : T=  2 (giây) + Tần số: là số chu kỳ trong một đơn vị thời gian (1giây). ký hiệu: f, đơn vị đo là hec (hz) f=   2 1  T (hz) + Biên độ: Trong công nghiệp thƣờng dùng dòng điện xoay chiều có tần số f = 50 Hz gọi là tần số công nghiệp -Dòng điện xoay chiều có trị số biến đổi theo thời gian và trị số ở từng thời điểm gọi là trị số tức thời, ta ký hiệu là: e, u, i. Trị số cực đại ở trên chính là trị số tức thời lớn nhất gọi là biên độ, ký hiệu: Em, Um, Im. c.Pha và sự lệch pha. + Pha: Tại thời điểm t = 0, nếu một khung dây ở đúng mặt phẳng trung tính thì một khung dây ở cách mặt phẳng trung tính một góc ψ. Khi rô to quay, tại thời điệm t, khung dây này sẽ ở vị trí α = ωt +ψ. Biểu thức dạng tổng quát: e = Em sin (ωt +ψ ) - Lƣợng (ωt +ψ ) đặc trƣng cho dạng biến thiên của lƣợng hình sin đƣợc gọi là góc pha hay pha - Tại thời điểm t = 0, góc pha bằng ψ, nên ψ gọi là góc p a đầu hay p a đầu của lƣợng hình sin. - Lƣợng ω đƣợc gọi là tốc độ góc của lƣợng hình sin. Khi lƣợng hình sin biến thiên hết một chu kỳ (t = T) khung dây quét hết một góc 2π radian, ta có: ωT = 2π = ω = = 2πf Nhƣ vậy, tốc độ góc tỉ lệ với tần số. Vì thế, ω còn gọi là tần số góc + Sự lệch pha: Nếu có 2 dòng điện hình sin có trị số biến đổi đồng thời (cùng tăng lên, giảm xuống,cùng qua trị số bằng không và cực đại, cùng đổi chiều thì gọi là hai dòng điện cùng pha. Nếu chúng không biến đổi nhƣ vậy thì gọi là các dòng điện lệch pha. Chƣơng 2: Mạch điện xoay chiều một pha 18 KHOA ĐIỆN-TỰ ĐỘNG HÓA biểu diễn hai dòng điện lệch pha nhau 90o . biểu diễn hai dòng điện lệch pha nhau 180o còn gọi là hai dòng đối pha. Hình 2.5: Hai dòng điện cùng pha Hinh 2.6: Hai dòng lệch pha 900 Hinh2.7: Hai dòng điện lệch pha 1800 1.2.3. Trị số hiệu dụng của dòng điện Để đo và đánh giá đƣợc các giá trị của dòng điện xoay chiều nhƣ cƣờng độ dòng điện, hiệu điện thế, sức điện động. Ngƣời ta dựa vào giá trị hiệu dụng của dòng điện xoay chiều. Trị hiệu dụng I của một dòng điện i(t) biến thiên tuần hoàn trong một chu kỳ T bằng với dòng điện không đổi gây ra cùng một công suất tiêu tán trung bình trên một điện trở R.   2 . 1 .. 1 0 2 0 22 m TT I dtti T IRIdtiR T    Với i(t)=Im.sin( ) t , T   2  Tƣơng tự ta tính đƣợc: U= 2 mU , E= 2 mE , J= 2 mJ 1.2.4. Biểu diễn đại lượng hình sin bằng vectơ Chƣơng 2: Mạch điện xoay chiều một pha 19 KHOA ĐIỆN-TỰ ĐỘNG HÓA Trong phần trên ta biểu diễn dòng điện hình sin bằng biểu thức tức thời hoặc đƣờng cong trị số tức thời. Việc biểu diễn nhƣ vậy không thuận tiện khi cần so sánh hoặc thực hiện các phép tính cộng trừ dòng điện, điện áp. Từ toán học ngƣời ta đã biết việc cộng trừ các đại lƣợng sin cùng tần số tƣơng ứng với việc cộng trừ các véc tơ biểu diễn chúng trên đồ thị, vì thế trong kỹ thuật điện thƣờng hay biểu diễn hình sin bằng véc tơ có độ lớn bằng trị số hiệu dụng và góc tạo với trục ox bằng pha đầu của các đại lƣợng ấy. Bằng cách biểu diễn đó mỗi đại lƣợng sin đƣợc biểu diễn bằng một véc tơ, ngƣợc lại mỗi véc tơ biểu diễn một đại lƣợng sin tƣơng ứng. Hình 2.8: Véc tơ ứng với góc pha >0 và < 0 Ví dụ: Biểu diễn các lƣợng hình sin sau đây thành vectơ: i = 10√ sin (ωt + 200 ), A u = 20√ sin (ωt - 450 ), V Hình 2.9: Vectơ dòng và vectơ điện áp 1.2.5.Biểu diễn đại lượng hình sin bằng số phức: 1.2.5.1.Số phức: -Dạng đại số: = a là phần thực jb là phần ảo với j2 = -1 -Dạng mũ ( dạng cực- dạng module pha): = C.ejα = C α C là module ( độ lớn) α là Argument ( góc) Hình 2.10 Chƣơng 2: Mạch điện xoay chiều một pha 20 KHOA ĐIỆN-TỰ ĐỘNG HÓA - Biến đổi dạng đại số sang mũ : C =√ ; α = arctg ( b/a) 1.2.5.2.Qui tắc biểu diễn các đại lƣợng điện hình sin bằng số phức -Module ( độ lớn ) của số phức là trị số hiệu dụng -Argument ( góc) của số phức là pha ban đầu. Ví dụ: Dòng điện i=Im sin (ωt + ψi) đƣợc biểu diễn dƣới dạng số phức. = √ ̇ -Sơ đồ phức: Hình 2.11 1.3. Bài tập 1.3.1. Hãy biểu diễn các lƣợng hình sin sau đây sang dạng vectơ i = 10 sin (ωt + 300 ) , A u = 110 sin (ωt + 600 ), V 1.3.2. Hãy biểu diễn dòng điện, điện áp bằng vec tơ và chỉ ra góc lệch pha, cho biết: i = 20 √ sin (ωt - 100 ), A u = 110 √ sin (ωt + 400 ), V 1.3.3.Hãy biểu diễn các lƣợng hình sin sau đây sang dạng phức i = 10 sin (ωt + 300 ) , A u = 110 sin (ωt + 600 ), V Chƣơng 2: Mạch điện xoay chiều một pha 21 KHOA ĐIỆN-TỰ ĐỘNG HÓA BÀI 2: MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU CƠ BẢN 2.1.Mục tiêu: Sau khi học xong bài này ngƣời học có khả năng: - Trình bày đƣợc đặc điểm mạch thuần dung, thuần cảm, thuần trở. - Tính toán đƣợc các mạch điện xoay chiều cơ bản 2.2.Nội dung: 2.2.1.Mạch thuần điện trở Xét đoạn mạch thuần trở. có điện áp u(t) đặt vào mạch u (t)=Um.sin t. (v). i (t ) =   .sinm u t U t R R  (A) Vì Um, R là không đổi, đặt IR= R U m → i(t) =Im.sin t → mạch AC thuần trở điện áp và dòng điện cùng pha nhau. Hình 2.12: Mạch thuần trở Hình 2.13: Đồ thị vectơ 2.2.2.Mạch thuần cảm Nếu qua phần tử điện cảm có dòng điện iL(t) = ILm.sin t Trên nó sẽ xuất hiện điện áp: uL(t)=L. )(. )( , tiL dt tdi L L  → uL(t) = L.ILm. .cos t =ULm.cos ) 2 sin(.    tUt Lm Đặt ULm = L.Im. .Xm LI  = = Đơn vị của là Ω Trong mạch điện xoay chiều thuần cảm điện áp uL(t) nhanh pha hơn iL(t) góc 2  Chƣơng 2: Mạch điện xoay chiều một pha 22 KHOA ĐIỆN-TỰ ĐỘNG HÓA Hình 2.14: Mạch thuần cảm Hình 2.15: Đồ thị vectơ 2.2.3.Mạch thuần dung Đặt điện áp uc(t)=UCm.sin t ở hai đầu tụ điện C, sẽ có dòng điện ic(t)=C. tUC dt tdu Cm c  cos... )(  ) 2 sin(.)(    tIti Cmc (A) ICm=C.   . . C I UU CmCmCm  Đặt Xc= 1 .X . cm cm CU I C   Trong mạch điện xoay chiều thuần dung điện áp uc(t) chậm pha hơn ic(t) góc 2  Hình 2.16: Mạch thuần dung Hình 2.17: Đồ thị vectơ UC(t) + - uC iC C Chƣơng 2: Mạch điện xoay chiều một pha 23 KHOA ĐIỆN-TỰ ĐỘNG HÓA 2.3. Bài tập: 2.3.1.Đặt ở hai đầu điện trở R=50(Ω) hiệu điện thế xoay chiều U=220(V), f=50(hz). Tính dòng điện hiệu dụng I, viết biểu thức cƣờng độ dòng điện đi qua mạch. 2.3.2. : Một cuộn dây có hệ số từ cảm L= 0,1(H), cho dòng điện xoay chiều I= 0,5(A) đi qua mạch. Tính hiệu điện thế hiệu dụng ở hai đầu đoạn mạch, viết biểu thức hiệu điện thế tức thời. 2.3.3. Một tụ điện có điện dung C=25(µF), đặt ở hai đầu tụ điện hiệu điện thế xoay chiều U=220(V), f=50(hz). Tính dòng điện hiệu dụng qua mạch, biểu thức tức thời của dòng điện. Chƣơng 2: Mạch điện xoay chiều một pha 24 KHOA ĐIỆN-TỰ ĐỘNG HÓA BÀI 3: MẠCH XOAY CHIỀU R – L – C 3.1.Mục tiêu: Sau khi học xong bài này ngƣời học có khả năng: - Trình bày đƣợc đặc điểm mạch xoay chiều R – L – C - Giai đƣợc bài toán mạch R – L – C 3.2.Nội dung: 3.2.1.Nhánh điện trở, điện cảm, điện dung mắc nối tiếp Đặt hai đầu mạch R-L-C hiệu điện thế xoay chiều. giả sử cƣờng độ dòng điện qua mạch AB tai thời điểm t là:  i(t)=Im.sin t (A)  uR(t)=IRm.sin t (V)  uL(t)=ILm.Sin( t + ) 2  (V)  uc(t)=Icm.Sin( t - ) 2  (V) u(t)=uR(t)+uL(t)+uc(t)=Um.sin( )ut  URm=Im.R , ULm=Im.XL , UCm=Im.XC Um=     2 22 2 ..Rm Lm Cm m L CU U U I R X X     Đặt Z=   2 2 L CR X X  : tổng trở mạch R,L,C mắc nối tiếp. Um=Im.Z→U=I.Z tg = L C X X R  → hđt ở hai dầu đoạn mạch R-L-C lệ ch pha so với I góc . Hình 2.18: Mạch R-L-C nối tiếp Hình 2.19: Đồ thị vectơ Nếu: XL>XC→hiệu điện thế nhanh pha hơn dòng điện góc . Nếu: XL<XC→hiệu điện thế chậm pha hơn dòng điện góc . Nếu: XL= XC→hiệu điện thế đồng pha so với dòng điện. Chƣơng 2: Mạch điện xoay chiều một pha 25 KHOA ĐIỆN-TỰ ĐỘNG HÓA →XL=XC L. CLLCC . 1 . 11 2     3.2.2.Nhánh điện trở, điện cảm, điện dung mắc song song Đặt hai đầu đoạn mạch hiệu điện thế xoay chiều. u( t)=Um.sin t (V) Dòng điện qua các phần tử R-L-C  iR=IRm.sin t (A)  iL=ILm.sin( t - 2  ) (A)  iR=ICm.sin( t + 2  ) (A)  i=iR+iL+iC=Im.sin( ) t Im=   22 mLmCmR III  ImR= R U m , ImC= m C U X , ImL= m L U X Hình 2.20:Mạch R-L-C mắc song song 2 2 1 1 1 m m C L I U R X X          1 1mC ml mR C L I I Tg R I X X           Hình 2.21: Đồ thị vectơ 3.3.Bài tập: 3.3.1. Cho mạch điện xoay chiều có R- L- C mắc nối tiếp R= 10(Ω), L =  1 (H), u = 5.sin4Πt(V). a. C= 2 1 (F), tính Z, I, viết biểu thức dòng điện. b. Tính điện dung của tụ điện để dòng điện qua mạch đạt cực đại. Chƣơng 2: Mạch điện xoay chiều một pha 26 KHOA ĐIỆN-TỰ ĐỘNG HÓA 3.3.2. Cho mạch điện xoay chiều có R- L- C mắc nối tiếp R= 30(Ω), C = 10(µF), L=0,2(H), U=220(V) f=50(hz). Tính tổng trở Z, I, viết biểu thức cƣờng độ dòng điện. 3.3.3. Cho R= 20(Ω), C= )( 4 1 F  , L=  1 (H). Tính dòng điện qua các nhánh và dòng điện qua mạch ở mạch điện trên, biết u=50.sin2 t (V). Chƣơng 2: Mạch điện xoay chiều một pha 27 KHOA ĐIỆN-TỰ ĐỘNG HÓA BÀI 4: CÔNG SUẤT CỦA MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU MỘT PHA 4.1.Mục tiêu: Sau khi học xong bài này ngƣời học có khả năng: - Trình bày đƣợc đặc điểm công suất tác dụng P, công suất phản kháng Q, công suất biểu kiến S, - Trình bày đƣợc ý nghĩa, cách nâng cao hệ số công suất - Tính toán đƣợc công suất mạch. 4.2. Nội dung: 4.2.1. Công suất tác dụng P Công xuất tác dụng tức thời đƣợc xác định nhƣ sau: P(t) = u(t).i(t) Công xuất trung bình trong một chu kỳ: P=   T n nn IRUIdttp T 0 1 2.cos.).( 1  (W)  U,I: Hiệu điện thế t và dòng điện hiệu dụng.  cos : hệ số công suất  Rn,In: điện trở và dòng điện trên các nhánh.  P: đặc trƣng cho hiện tƣợng biến đổi điện năng sang cơ năng và nhiệt năng. Đơn vị của công suất tác dụng là oat (W), bội số là kW 4.2.2. Công suất phản kháng Q Q = U.I.sin = In 2 (XLn - XCn) (VAR)  Q đặc trƣng cho cƣờng độ trong quá trình trao đổi năng lƣợng điện từ trƣờng  Trong đó: XLn,XCn,In,lần lƣợt là điện kháng, điện dung, dòng điện của mỗi nhánh. Đơn vị đo công suất phản kháng va rờ (VAR ) 4.2.3. Công suất biểu kiến S Nếu đem nhân các cạnh của tam giác tổng trở với I2 ta sẽ có một tam giác đồng dạng với tam giác cũ mà mỗi cạnh đặc trƣng cho một loại công suất gọi là tam giác công suất S=U.I= 22 QP  (VA) Từ tam giác công suất ta có: Công suất tác dụng: P = R I2= Z I2 cos Thay Z I = U ta có : P = U I cos (1-24) Tƣơng tự ta có công suất phản tác dụng: Q = U I sin Hình 2.22: Tam giác công suất 4.2.4.Nâng cao hệ số cosφ Chƣơng 2: Mạch điện xoay chiều một pha 28 KHOA ĐIỆN-TỰ ĐỘNG HÓA Hệ số công suất là tỷ số giữa công suất tác dụng P và công suất biểu kiến S: = cos. Vì vậy ngƣời ta ký hiệu hệ số công suất là cos. Trong việc sử dụng điện năng cos có ý nghĩa rất quan trọng. Nâng cao hệ số công suất cos là tăng khả năng sử dụng công suất nguồn. Ví dụ: Một máy phát điện có Sđm = 10000 kVA. Nếu cos = 0,7 thì công suất định mức phát ra Pđm= Sđm cos =10000 x 0,7 = 7000 w. Nếu nâng cos = 0,9 thì Pđm = 10000 x 0,9 = 9000 w. Nhƣ vậy r ràng sử dụng thiết bị trên có lợi hơn rất nhiều. Mặt khác nếu cần một công suất P nhất định trên đƣờng dây một pha thì dòng điện chạy trên đƣờng dây là: I = Nếu cos lớn thì thì I sẽ nhỏ dẫn dến tiết diện dây sẽ nhỏ hơn và tổn hao điện năng trên đƣờng dây sẽ bé, điện áp rơi trên đƣờng dây cũng giảm đi. Trong sinh hoạt và trong công nghiệp, tải thƣờng có tính chất điện cảm nên hệ số cos thấp. Biện pháp năng cao cos : Ta có: cos =   22 QP P muốn năng cao cos phải tìm cách giảm Q = I 2 (ZL+ZC)  ZL: tải điện cảm (trong sinh hoạt và công nghiệp ZL là chủ yếu)  ZC: tải điện dung Muốn Q↓, →ZL↓ và ZC↑:  Muốn ZL↓, không sử dụng các thiết bị có tính chất cảm kháng làm việc ở chế độ không tải hoặc non tải.  Muốn ZC↑ dùng tụ điện mắc song song với tải (biện pháp bù): Khi chƣa bù (chƣa có nhánh tụ điện) dòng điện trên đƣờng dây I bằng dòng điện qua tải I1, hệ số công suất của mạch là cos1 của tải. Khi có bù (có nhánh tụ điện), dòng điện trên đƣờng dây I là : I = I1 + IC => I1 cos Hình 2.23: Mạch mắc tụ bù Chƣơng 2: Mạch điện xoay chiều một pha 29 KHOA ĐIỆN-TỰ ĐỘNG HÓA 4.3. Bài tập 4.3.1. Đặt cuộn dây R = 6, XL = 8 vào mạch điện xoay chiều có U = 120 V. Tính dòng điện qua cuộn dây, công suất P, Q của cuộn dây tiêu thụ. 4.3.2. nghĩa của hệ số công suất và cách nâng cao hệ số công suất. Chƣơng 3: Các phƣơng pháp giải mạch điện KHOA ĐIỆN- TỰ ĐỘNG HÓA 30 CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI MẠCH ĐIỆN Giới thiệu: Các phƣơng pháp giải mạch điện đƣợc dùng để giải mạch điện phân nhánh. Tùy theo mỗi dạng mạch mà áp dụng các phƣơng pháp giải khác nhau. Mục tiêu: Sau khi học xong chƣơng này ngƣời học có khả năng: - Trình bày đƣợc các phƣơng pháp giải mạch điện; - Vân dụng đƣợc các phƣơng pháp trên để giải bài tập BÀI 1: BIẾN ĐỔI TƯƠNG ĐƯƠNG MẠCH ĐIỆN 1.1.Mục tiêu: Sau khi học xong phần này ngƣời học có khả năng: - Trình bảy đƣợc đặc điểm các mạch ghép nối tiếp, song song, biến đổi sao- tam giác; - Tính toán đƣợc tổng trở của mạch. 1.2.Nội dung: 1.2.1.Ghép nối tiếp Điện trở ghép nối tiếp sẽ tƣơng đƣơng với một phần tử điện trở duy nhất có trị số bằng tổng các điện trở các phần tử đó. Rtđ = ΣRK Đấu nối tiếp các điện trở: là đấu sao cho chỉ có một dòng điện duy nhất chạy qua các điện trở . Hình 3.1: Mạch điện trở mắc nối tiếp Điện áp chung đặt vào các điện trở bằng tổng điện áp đặt vào các điện trở thành phần: U = U1 +U2 +U3 + Nếu gọi Rtđ là điện trở tƣơng đƣơng của mạch ngoài và áp dụng định luật m cho đoạn mạch ta có: U = IR; U1= IR1 ; U2 = IR2; U3 = IR3 => IRtđ = IR1 + IR2 + IR3 + = R = R1 + R2 + R3 + 1.2.2.Ghép song song Đấu song song các điện trở: là đấu sao cho điện áp vào các điện trở bằng nhau tức là mạch bị phân nhánh. Mỗi điện trở là một nhánh có cùng điểm đầu và điểm cuối . Chƣơng 3: Các phƣơng pháp giải mạch điện KHOA ĐIỆN- TỰ ĐỘNG HÓA 31 Hình 3.2: Mạch điện trở mắc song song Khi đấu song song dòng điện trong dây dẫn chung bằng tổng số dòng điện trong các nhánh: I = I1 + I2 + I3 + + In Áp dụng định luật m cho đoạn mạch ta có = => = Vậy khi đấu song song các điện trở, số nghịch đảo điện trở tƣơng đƣơng của mạch bằng tổng số nghịch đảo của các điện trở thành phần 1.2.3.Biến đổi sao –tam giác 1.2.3.1.Biến đổi t tam giác qua sao Hình 3.3: Đổi nối từ tam giác qua sao = = = Chƣơng 3: Các phƣơng pháp giải mạch điện KHOA ĐIỆN- TỰ ĐỘNG HÓA 32 1.2.3.2.Biến đổi t sao qua tam giác Hình 3.4: Đổi nối từ sao qua tam giác Rab = Ra + Rb + Rbc = Rb + Rc + Rca = Rc + Ra + 1.2.4. Mạch tương đương thevenin _ norton - Mạch thevenin là mạch gồm một nguồn áp E ghép nối tiếp với một điện trở R. - Mạch Norton gồm nguồn dòng J ghép song song với điện trở R Nguồn áp mắc nối tiếp với một điện trở sẽ tƣơng đƣơng với một nguồn dòng mắc song song với điện trở đó và ngƣợc lại. Hình 3.5: Mạch tương đương thevenin-norton Chƣơng 3: Các phƣơng pháp giải mạch điện KHOA ĐIỆN- TỰ ĐỘNG HÓA 33 1.3.Bài tập: 1.3.1. Cho mạch điện nhƣ hình vẽ với E=4,4V; R1= 20Ω; R2= 60Ω; R3= 120Ω; R4= 8Ω; R5 = 44Ω. Xác định dòng điện I. 1.3.2. . Cho mạch nhƣ sau tính dòng điện I Chƣơng 3: Các phƣơng pháp giải mạch điện KHOA ĐIỆN- TỰ ĐỘNG HÓA 34 BÀI 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI MẠCH ĐIỆN 2.1. Mục tiêu: Sau khi học xong bài này ngƣời học có khả năng: - Trình bày đƣợc các phƣơng pháp giải mạch điện; - Vận dụng mỗi phƣơng pháp phù hợp với mạch điện để giải bài toán điện 2.2.Nội dung: 2.2.1. Phương pháp dòng điện nhánh Dựa vào hai định luật kirchoff 1và kirchoff 2, viết hệ phƣơng trình nút và mạch vòng - Bƣớc 1: Qui uóc chiều của dòng điện nhánh, mỗi dòng là một ẩn. Việc chọn chiều là tùy ý. Nều kết quả tính ra trị số âm, thì chiều thực ngƣợc chiều đã chọn. - Bƣớc 2: Thành lập hệ phƣơng trình dòng nhánh. Chọn (m-1) nút để viết phƣơng trình nút. (m là số nút) Chọn M = n – (m-1) mạch vòng để viết các phƣơng trình vòng. ( n là số nhánh) Cách viết nhƣ sau: Chọn một chiều dƣơng tùy ý cho vòng. Đi theo chiều đó, các sức điện động và sụt áp cùng chiều sẽ mang dấu dƣơng (+), ngƣợc chiều sẽ mang dấu âm (-). Thông thƣờng ta chọn các mắt làm các vòng để lập phƣơng trình. - Bƣớc 3: Gỉải hệ phƣơng trình, tìm ra đáp số là các dòng điện nhánh. Đối với đáp số âm, ta hiểu chiều thực ngƣợc với chiều đã chọn ban đầu khi giải quyết bài toán. Ví dụ: Cho mạch điện nhƣ trên có: E1 = 35V; E2 =95V; E4 = 44V; R2 = 50Ω; R3 = 10Ω; R4 =12Ω. Tính dòng điện trong các nhánh bằng phƣơng pháp dòng điện nhánh. Hình 3.6 Bài giải: Vẽ chiều dòng điện trong nhánh Vẽ chiều dƣơng cho mạch vòng Tính I: -Vòng ABFA: E1 + E2 = I1 R2 I2 = 2,6 A -Vòng ACEA: E1 = I3 R3 Chƣơng 3: Các phƣơng pháp giải mạch điện KHOA ĐIỆN- TỰ ĐỘNG HÓA 35 -Vòng DCAE D : E4 – E1 = I4 R4 Để tìm dòng I1, ta áp dụng định luật kirchoff 1 cho điểm nút BC I1 – I2 –I3 +I4 = 0 I1 = I2 + I3 –I4 = 5,35 (A) 2.2.2. Phương pháp dòng điện vòng Ẩn số trong hệ phƣơng trình là dòng điện mạch vòng. - Bƣớc 1: Gọi m là số nhánh, n là số nút, số vòng độc lập cần phải chọn là (m-n+1). - Bƣớc 2: Đặt ẩn số là dòng điện mắt lƣới tức là những dòng điện tƣởng tƣợng coi nhƣ chạy khép kín theo các lối đi của vòng độc lập. - Bƣớc 3: Viết phƣơng trình định luật kirchoff 2 cho vòng, một vế là tổng đại số các suất điện động có trong vòng ấy, vế kia là tổng đại số các điện áp rơi trên mỗi nhánh gây ra bởi dòng điện mắc lƣới chạy qua của lối đi vòng. - Bƣớc 4: Gỉai hệ phƣơng trình tìm dòng mắt lƣới. - Bƣớc 5: Tìm dòng điện nhánh bằng tổng đại số các dòng mắt lƣới chạy qua Ví dụ: Cho mạch sau áp dụng phƣơng pháp dòng điện vòng để tìm dòng điện trong các nhánh. Hình 3.7 Bài giài: - Bƣớc 1: Số mạch vòng độc lập Số nhánh m = 3 Số nút n = 2 m – n + 1 = 3 - 2 + 1 = 2 - Bƣớc 2: Vẽ chiều dòng điện mạch vòng Ia, Ib 1 3 3 E 35 I 3,5(A) R 10    4 1 4 4 E E 44 35 I 0,75(A) R 12      Chƣơng 3: Các phƣơng pháp giải mạch điện KHOA ĐIỆN- TỰ ĐỘNG HÓA 36 Hình 3.8 - Bƣớc 3 : Viết phƣơng trình cho các mạch vòng Mạch vòng a: (47 + 22) Ia – 22 Ib = 10 69 Ia - 22Ib = 10 Mạch vòng b: -22Ia + ( 22 + 82) Ib = -5 -22 Ia + 104 Ib = -5 - Bƣớc 4: Giải hệ phƣơng trình: { = = Ia = 0,139 A; Ib = - 0,0187 A - Bƣớc 5: Tính dòng điện nhánh: I1 = Ia = 0,139 A I2 = Ia - I b = 0,139 - (- 0,0187 ) = 0,139 + 0,0187 = 0,158A I3 = Ib = -0,0187 A Dòng điện I3 < 0, do đó I3 có chiều ngƣợc lại với chiều đã vẽ 2.2.3. Phương pháp điện thế nút - Bƣớc 1: Chọn một nút làm nút gốc và điện thế tại nút gốc xem nhƣ bằng 0 . - Bƣớc 2: Viết phƣơng trình điện thế nút tại các nút còn lại - Điện thế tại một nút nhân với tổng điện dẫn của các phần tử nối tại nút đó (A) trừ đi điện thế của nút kia (B) ( nối giữa 2 nút) nhân với tổng điện dẫn của phần tử chung giữa 2 nút bằng tổng các nguồn dòng nối tới nút đó (A). - Nguồn dòng mang dấu dƣơng (+) nếu no đi vào nút và mang dấu (-) nếu đi ra khỏi nút. - Bƣớc 3: Giải phƣơng trình tìm điện thế nút - Bƣớc 4: Tìm dòng các nhánh theo định luật ohm Ví dụ: BBiết: E1 = E2 =12V; E4 = E6 = 15V; R1 = 2Ω; R2 = 4Ω; R3 = 10Ω; R4 = 5Ω; R5 = 5Ω; R6 = 2,5Ω Tìm dòng điện trong các nhánh bằng phƣơng pháp điện thế nút. Hình 3.9 Chƣơng 3: Các phƣơng pháp giải mạch điện KHOA ĐIỆN- TỰ ĐỘNG HÓA 37 Bài giải: Chọn C làm điểm gốc với φC bằng 0 Hai ẩn là φA và φB Điện dẫn riêng của các nút A gAA = g1 + g2 +g3 +g4 = + = Điện dẫn riêng của các nút B gBB = g2 + g3 +g5 +g6 = + = Điện dẫn tƣơng hổ giữa 2 nút A, B GAB = g2 + g3 = + = Nguồn dòng tới các nút A ∑ = = = Nguồn dòng tới các nút B ∑ = = = Hệ phƣơng trình { = = Gỉai hệ phƣơng trình ta đƣợc : = = Dòng điện trong các nhánh : = = = 0,95 A = = = 2,22 A = = = - 0,31 A = = = 0,98 A = = = 2,64 A Chƣơng 3: Các phƣơng pháp giải mạch điện KHOA ĐIỆN- TỰ ĐỘNG HÓA 38 = = = 0,72 A 2.2.4. Phương pháp xếp chồng Phƣơng pháp xếp chồng có thể sử dụng để xác định dòng điện trong mạch có nhiều nguồn điện. - Bƣớc 1: Cho sức điện động E1 tác dụng đơn độc, các sức điện động còn lại đƣợc loại bỏ (nối tắt lại) giải mạch điện một nguồn bằng phƣơng pháp biến đổi điện trở, ta tính đƣợc dòng điện trong các nhánh do E1 gây ra, ký hiệu I 1,I 2 - Bƣớc 2: Lặp lại bƣớc 1 cho sức điện động E2, ta tính đƣợc dòng điện trong các nhánh do E2 gây ra, ký hiệu I 1, I 2. - Bƣớc 3: Cộng đại số tất cả các dòng điện trong mỗi nhánh, ta sẽ đƣợc dòng điện kết quả của nhánh I1 = I 1 + I 1 + I 1 I2 = I 2 + I 2 + I 2 Ví dụ: Cho mạch điện nhƣ hình vẽ ta có: E1 = 125V; E2 = 90V; R1 =3Ω; R2 = 2Ω; R3 = 4Ω Tìm dòng điện trong các nhánh bằng phƣơng pháp xếp chồng. Bài giải Hình 3.10  Nối tắt E2 Vẽ hình: R2 // R3 = = = = = R1 nối tiếp R23= = = = 1,333Ω + 3Ω = 4,333Ω -Dòng điện trong mạch có E1 = = = = = = = = = Chƣơng 3: Các phƣơng pháp giải mạch điện KHOA ĐIỆN- TỰ ĐỘNG HÓA 39  Nối tắt E1 Vẽ hình: R1 // R3 = = = = = R2 nối tiếp R13= = = = 2Ω +1.714Ω = 3,714Ω -Dòng điện trong mạch có E2 = = = = = = = = = -Dòng điện trong các nhánh I1 = - = 28,85 A – 13,85 A = 15 A I2 = - = 24,23 A – 19,23 A= 5A I3 = + = 9,62A +10,38 A = 20 A 2.3. Bài tập 2.3.1. Cho mạch điện nhƣ hình vẽ R2 R3R1 E1 E2 E3 R1 = 2Ω , R2= 2Ω , R3= 4Ω E1 = 8V ; E2 = 2V; E3 = 4V Chƣơng 3: Các phƣơng pháp giải mạch điện KHOA ĐIỆN- TỰ ĐỘNG HÓA 40 Tính doøng ñieän qua caùc nhaùnh bằng phƣơng pháp dòng điện nhánh. 2.3.2. Cho mạch điện nhƣ hình vẽ: E1= 5V, E2= 4V , E3= 7V , R1= 2Ω, R2= 3Ω, R3= 4Ω. Tính dòng điện qua các nhánh bằng phƣơng pháp điện áp hai nút ở mạch điện trên. 2.3.3. Cho E1=120(V), E2=119(V), R1=5Ω, R2= 3Ω, R3= 22Ω . Tính dòng điện qua các nhánh bằng phƣơng pháp điện áp hai nút ở mạch điện 2.3.4. Cho mạch nhƣ hình vẽ Biết : E1 = 12V; E2 = 27V; I1 = 2A; R1 = 4Ω; R2 = 12Ω; R3 = 6Ω. Dùng phƣơng pháp dòng điện vòng tính: a) Áp UBC b) Dòng I2 Chƣơng 4: Mạch điện xoay chiều ba pha KHOA ĐIỆN- TỰ ĐỘNG HÓA 41 CHƯƠNG 4: MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA Giới thiệu: Mạch điện 3 pha có vai trò rất quan trong. Dòng điện xoay chìều 3 pha có thể tạo nên từ trƣờng quay trong động cơ điện xoay chiều 3 pha là động cơ điện thông dụng hiện nay trong sản xuất. Việc truyền tải điện năng bằng dòng điện 3 pha tiết kiệm đƣợc khá nhiều kim loại so với việc truyền tải điện năng bằng dòng điện một pha. Mục tiêu: Sau khi học xong chƣơng này ngƣời học có khả năng: - Trình bày đƣợc các dạng năng lƣợng xanh tạo ra điện năng; - Trình bày nguyên lý tạo ra điện ba pha -Trình bày đƣợc cách ghép nối của mạch ba pha - Giai đƣợc bài toán về mạch ba pha đối xứng BÀI 1: KHÁI NIỆM CHUNG 1.1.Mục tiêu: Sau khi học xong bài này ngƣời học có khả năng: - Trình bày đƣợc các dạng năng lƣợng xanh tạo ra điện năng; - Trình bày nguyên lý tạo ra điện ba pha 1.2.Nội dung: 1.2.1.Các nguồn năng lượng sạch Trong nhiều năm trở lại đây, năng lƣợng sạch đƣợc đầu tƣ nghiên cứu và khuyến khích sử dụng trên toàn thế giới nhằm giảm ô nhiễm môi trƣờng và đƣợc xem là biện pháp hữu hiệu nhằm hạn chế sự nóng lên của trái đất 1.2.1.1.Năng ượng ặt trời: Hình 4.1 Chƣơng 4: Mạch điện xoay chiều ba pha KHOA ĐIỆN- TỰ ĐỘNG HÓA 42 Việt Nam có tiềm năng rất lớn về năng lƣợng mặt trời, đặc biệt ở các vùng miền trung và miền nam của đất nƣớc. Nguồn năng lƣợng này có thể khai thác để sản xuất điện và cung cấp nhiệt. Tại nƣớc ta, công nghệ này đƣợc sử dụng nhiều ở khu vực các tỉnh Tây nguyên và nam trung bộ. 1.2.1.2.Năng ượng nước: Việc sử dụng nƣớc từ sông suối chính là một nguồn năng lƣợng sạch đƣợc ứng dụng nhiều nhất ở nƣớc ta. Thủy điện dựa vào sức nƣớc ở các con sông lớn để làm quay tua bin sinh ra điện. Ngoài ra, nguồn năng lƣợng từ đại dƣơng cũng vô cùng phong phú. Sóng và thủy triều đƣợc sử dụng để quay các turbin phát điện. Nguồn điện sản xuất ra có thể dùng trực tiếp cho các thiết bị đang vận hành trên biển. Nhƣ hải đăng, phao, cầu cảng, hệ thống hoa tiêu dẫn đƣờng 1.2.1.3.Năng ượng gió Năng lƣợng gió đƣợc coi là nguồn năng lƣợng xanh dồi dào và phong phú nhất hiện nay, nó có mặt ở mọi nơi. Ngƣời ta sử dụng sức gió để quay các tua bin phát điện để sử dụng trong cuộc sống. Hiện nay tại Việt Nam, với điều kiện địa lý thuận lợi bờ biển dài, lƣợng gió nhiều và phân bổ đều quanh năm. Đây sẽ là một dạng năng lƣợng đƣợc chú trọng phát triển ở hiện tại và tƣơng lai. 1.2.1.4.Năng ượng sin k ối: Với đặc điểm là một quốc gia nông nghiệp, Việt Nam có nguồn sinh khối lớn và đa dạng từ gỗ củi, trấu, bã cà phê, rơm rạ và bã mía với gần 60 triệu tấn sinh khối từ phế phẩm nông nghiệp, trong đó 40% đƣợc sử dụng đáp ứng nhu cầu năng lƣợng cho hộ gia đình và sản xuất điện. Ngoài ra còn có các nguồn sinh khối khác bao gồm sản phẩm từ gỗ, chất thải đô thị và chất thải gia súc. 1.2.1.5.Pin n iên iệu: Pin nhiên liệu là kỹ thuật có thể cung cấp năng lƣợng cho con ngƣời mà không phát ra khí thải CO2 hay bất kỳ loại khí độc nào khác. Pin nhiên liệu sản sinh điện năng trực tiếp bằng phản ứng giữa hydro và oxy hay methanol và oxy. Trong đó hydro xuất hiện ở các nguồn khí thiên nhiên và metanol lấy từ chất thải sinh vậy và do không bị đốt cháy nên chúng không phát ra các khí thải độc hại. 1.2.1.6 .Năng ượng đ a n iệt: Tại nƣớc ta, việc nghiên cứu nguồn năng lƣợng địa nhiệt đƣợc bắt đầu từ những năm 80-90 của thế kỷ XX và đã điều tra, đánh giá sơ bộ tiềm năng của các nguồn địa nhiệt trên cả nƣớc. Tuy nhiên đến nay, nguồn năng lƣợng này vẫn chƣa đƣợc khai thác. 1.2.2. Nguyên lý phát sinh hệ thống dòng điện xoay chiều 3 pha. 1.2.2.1. n ng ĩa c điện 3 p a: - Mạch điện xoay chiều 3 pha gồm nguồn điện 3 pha, đƣờng dây truyền tải và phụ tải 3 pha 1.2.2.2.Nguyên ý t ra nguồn 3p a. - Để tạo ra nguồn ba pha ngƣời ta dùng máy phát điện đồng bộ ba pha. a.Cấu tạo: gồm hai phần chính là stato và roto. Stato: bao gồm lỏi thép và dây quấn Chƣơng 4: Mạch điện xoay chiều ba pha KHOA ĐIỆN- TỰ ĐỘNG HÓA 43 - Lỏi thép ghép bằng các lá thép kỹ thuật điện có dạng hình trụ rỗng bên trong có dập rãnh đặt dây quấn. - Dây quấn gồm ba bộ dây giống nhƣ nhau đặt lệch nhau góc 3 2 trong không gian, mỗi bộ dây là một pha..  Dây quấn pha A: (A,X)  Dây quấn pha B: (B,Y)  Dây quấn pha C: (C,Z) Roto: là một nam châm điện Hình 4.2: 1.Lá thép stato; 2.Dây quấn stato; 3. Lá thép rô to; 4. Dây quấn rô to b.Nguyên lý hoạt động: - Khi quay roto, từ trƣờng lần lƣợt quét qua các dây quấn trên stato và cảm ứng vào dây quấn các sức điện động hình sin cùng biên độ, cùng tần số và lệch pha nhau góc 3 2 . Hình 4.3: Đồ thị hình sin Nếu chọn pha đầu của sức điện động eA của dây quấn AX bằng không thì biểu thức sđđ tức thời của pha là:  eA=E 2.sin t (V)  eB=E ) 3 2 sin(.2   t (V)  eC=E ) 3 2 sin(.2   t (V)  Nguồn điện gồm 3 sức điện động hình sin cùng biên độ, cùng tần số, lệch nhau vè pha góc 3 2 gọi là nguồn điện ba pha đối xứng: 0 CBA EEE  . Chƣơng 4: Mạch điện xoay chiều ba pha KHOA ĐIỆN- TỰ ĐỘNG HÓA 44  Sức điện động, điện áp, dòng điện mỗi pha của nguồn (tải) gọi là sđđ pha (EP), điện áp pha (UP), dòng điện pha (IP).  Dòng điện chạy trên đƣờng dây pha từ nguồn đến tải gọi là dòng điện dây (Id), điện áp giữa hai dây pha gọi là điện áp dây (Ud). 1.2.3. Ý nghĩa của mạch 3 pha: Nối các dây quấn của nguồn 3 pha đến tải tiêu thụ riêng rẽ ta có mạch 3 pha gồm 3 mạch một pha không liên hệ nhau ( hệ 3 pha 6 dây) Thực tế mạch 3 pha 6 dây không kinh tế nên thƣờng đƣợc thay thế bằng mạch 3 pha 4 dây, hay 3 pha 3 dây với ƣu điểm sau: - Tiết kiệm đƣợc dây dẫn (Chì cần dùng 3 hoặc 4 dây để nối từ nguồn đến tải tiêu thụ). - Hệ thống điện 3 pha dể tạo ra từ trƣờng quay, làm cho việc chế tạo động cơ 3 pha có cấu tạo đơn giản và có đặc tính tốt hơn động cơ một pha. 1.3. Bài tập: 1.3.1.Trình bày nguyên lý tạo ra hệ thống điện ba pha. 1.3.2. Trình bày ý nghĩa của mạch ba pha. Chƣơng 4: Mạch điện xoay chiều ba pha KHOA ĐIỆN- TỰ ĐỘNG HÓA 45 BÀI 2: CÁCH NỐI HÌNH SAO, HÌNH TAM GIÁC 2.1.Mục tiêu: Sau khi học xong bài này ngƣời học có khả năng: - Trình bày đƣợc cách nối hình sao, hình tam giác - Trình bày đƣợc quan hệ giữa đại lƣợng dây và pha 2.2.Nội dung: 2.2.1.Cách nối sao: 2.2.1.1.Nguồn nối sao Cách nối nguồn ba pha thành hình sao là nối 3 điểm cuối của 3 cuộn dây với nhau thành một điểm chung, gọi là điểm trung tính. - Ba điểm cuối X, Y, Z nối với nhau thành điểm trung tính. - Dây dẫn nối với các điểm đầu A, B, C gọi là dây pha ( dây nóng) - Dây dẫn nối với điểm trung tính gọi là dây trung tính (dây nguội) - Mạch gồm ba dây pha và một dây trung tính gọi là mạch ba pha bốn dây - Dòng điện chạy trong mỗi pha của nguồn gọi là IP (dòng điện pha) - Dòng điện chạy trong dây dẫn nối từ pha nguồn tới tải gọi là Id (dòng điện dây) - Điện áp giữa dây pha và dây trung tính gọi là UP( áp pha): UAO, UBO, UCO - Điện áp giữa hai dây pha ( 2 dây nóng) gọi là Ud ( áp dây): UAB, UBC, UCA Hình 4.4: Nguồn đấu sao 2.2.1.2.Quan hệ về điện áp dòng điện: Hình 4.5 Theo hình vẽ, ta thấy dòng điện đi trong cuộn dây cũng chính là dòng điện đi trong các dây pha. Nhƣ vậy dòng điện bằng dòng điện pha. Id = Ip - Quan hệ giữa áp dây và pha Chƣơng 4: Mạch điện xoay chiều ba pha KHOA ĐIỆN- TỰ ĐỘNG HÓA 46 ̇ = ̇ ̇ ̇ = ̇ ̇ ̇ = ̇ ̇ Từ đồ thị vectơ ta thấy - Về trị số : Ud = √ UP - Về góc pha áp dây nhanh hơn áp pha một góc 300 Xét tam giác vuông OHK, ta có: Ud = UBC = 2OH Hình 4.6 Cos 30 0 = ̅̅̅̅̅ ̅̅ ̅̅ = = √ = Ud = √ 2.2.2.Nối hình tam giác 2.2.2.1.Nối nguồn hình tam giác; Mạch ba pha mắc hình tam giác là lấy điểm cuối pha A đấu vào đầu pha B, điềm cuối pha B đấu vào đầu pha C, và cuối C đấu vào đầu pha A tạo thành mạch vòng hình tam giác và ba đỉnh tam giác nối với ba dây dẫn gọi là ba dây pha. Hình 4.7: Nối hình tam giác Sức điện động tổng trong mạch vòng e = eA + eB + eC Nếu mạch đối xứng thì e = eA + eB + eC = Em sin ωt + Em sin (ωt – 120 0 ) + Em sin (ωt + 120 0 ) = 0 Vậy nếu sức điện động 3 cuộn dây là đối xứng thì sức điện động tồng trong mạch vòng tam giác bằng 0, và không có dòng điện chạy quẩn trong mạch vòng. Vì vậy cho phép đấu cuộn dây máy phát thành hình tam giác . Nếu sức điện động 3 pha không đối xứng, hoặc khi đấu nhầm cực tính của cuộng dây pha, sức điện động tổng trong mạch vòng sẽ khác không. Vì tổng trở ba cuộn dây pha rất nhỏ, nên dòng điện chạy quẩn trong mạch vòng rất lớn, gây nguy hểm cho cuộn dây. 2.2.2.2.Quan hệ về điện áp dòng điện: - Quan hệ dòng điện Id = PI.3 Chƣơng 4: Mạch điện xoay chiều ba pha KHOA ĐIỆN- TỰ ĐỘNG HÓA 47 - Quan hệ điện áp Ud = Up 2.3. Bài tập: 2.3.1. Trình bày cách nối mạch ba pha hình tam giác. 2.3.2. Trình bày cách nối mạch ba pha hình Sao. 2.3.3. Trình bày mối quan hệ về điện áp, dòng điện trong mạch ba pha nối hình sao. 2.3.4. Trình bày mối quan hệ về điện áp, dòng điện trong mạch ba pha nối hình tam giác.. Chƣơng 4: Mạch điện xoay chiều ba pha KHOA ĐIỆN- TỰ ĐỘNG HÓA 48 BÀI 3: CÔNG SUẤT MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA 3.1.Mục tiêu: Sau khi học xong bài này ngƣời học có khả năng: - Trình bày đƣợc các loại công suất - Tính toán đƣợc công suất mạch ba pha. 3.2.Nội dung: 3.2.1.Công suất tác dụng: Công suất tác dụng của mạch ba pha bằng tổng công suất tác dụng của các pha. Gọi PA, PB, PC tƣơng ứng là công suất tác dụng của pha A, B, C ta có: P = PA + PB +PC = UAIA cosφA + UBIB cosφB + UCIC cosφC Khi mạch ba pha đối xứng: Điện áp pha: UA = UB = UC = UP Dòng điện qua ba pha: IA = IB = IC = IP cosφA = cosφB = cosφC = cosφ Ta có: P = 3 UP IP cosφ Hoặc: P = 3 RP IP 2 Trong đó: RP – điện trở pha Thay đại lƣợng pha bằng đại lƣợng dây: Đối với cách nối sao: = ; = √ Đối với cách nối tam giác = √ ; = Ta có công suất tác dụng ba pha viết theo đại lƣợng dây, áp dụng cho cả trƣờng hợp nối hình sao và nối hình tam giác đối xứng: P = √ UdId cosφ Trong đó φ – góc lệch pha giữa điện áp pha và dòng điện pha tƣơng ứng. 3.2.2. Công suất phản kháng: Công suất phản kháng Q của ba pha là: Q = QA + QB + QC = UAIA sinφA + UBIB sinB + UCIC sinφC Khi đối xứng ta có: Q = 3 UP IP sinφ Hoặc Q = 3XpIP 2 Trong đó, XP – điện kháng pha Hoặc P = √ UdId sinφ 3.2.3.Công suất biểu kiến Công suất biểu kiến của mạch ba pha đối xứng : S = 3UP IP = √ UdId Chƣơng 4: Mạch điện xoay chiều ba pha KHOA ĐIỆN- TỰ ĐỘNG HÓA 49 3.3. Bài tập: 3.3.1. Một tải 3 pha nối hình sao có điện trở mỗi pha Rp = 40Ω, điện kháng pha Xp = 30Ω, dòng điện pha Ipt = 5(A). Tính công suất tác dụng, công suất phản kháng, công suất biểu kiến, hệ số công suất của tải ba pha trên. 3.3.2. Một tải 3 pha có điện trở mỗi pha Rp = 6Ω, điện kháng pha Xp = 8Ω, nối tam giác, đấu vào mạng điện có Ud = 220V. Tính công suất tác dụng, công suất phản kháng, công suất biểu kiến, hệ số công suất của tải ba pha trên. Chƣơng 4: Mạch điện xoay chiều ba pha KHOA ĐIỆN- TỰ ĐỘNG HÓA 50 BÀI 4: CÁCH GIẢI MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU 3 PHA 4.1.Mục tiêu: Sau khi học xong bài này ngƣời học có khả năng: - Trình bày đƣợc cách nối nguồn và tải trong mạch ba pha - Giai đƣợc bài toán mạch ba pha đối xứng 4.2.Nội dung: 4.2.1.Các quan hệ khi mắc nguồn ba pha 4.2.1.1. Nguồn nối sa đối xứng Hình 4.9: Mạch ba pha nguồn đấu sao-tải đấu sao Theo hình vẽ ta có O là điểm trung tính của nguồn, nếu tải nối sao, O là điểm trung tính của tải. Các dây từ nguồn đến tải AA , BB , CC gọi là dây pha. Dây OO gọi là dây trung tính. Mạch điện có dây trung tính gọi là mạch ba pha bốn dây. Mạch điện không có dây trung tínhgọi là mạch điện ba pha ba dây. Đối với mạch đối xứng ta luôn có quan hệ Vì thế dây trung tính không có tác dụng, có thể bỏ dây trung tính. Điện thế điểm trung tính của tải đối xứng luôn trùng với điện thế của trung tính nguồn. Nếu gọi sức điện động pha của nguồn là EP thì : Điện áp dây Ud và điện áp pha UP của mạch điện ba pha là: Điện áp pha phía đầu nguồn là: Up = EP Điện áp dây phía đầu nguồn là: Ud = √ EP 4.2.1.2. Nguồn nối ta giác đối xứng Điện áp pha phía đầu nguồn là : Up = EP Điện áp dây phía đầu nguồn là: Ud = Up = EP Nguồn thƣờng chỉ nói hình sao vì khi đó UP = √ do đó cách điện của các pha sẽ dể dàng hơn khi nối tam giác. Ngoài ra, cách nối nguồn hình sao còn tạo ra hai loại điện áp khác nhau. 4.2.2.Giải mạch điện ba pha tải nối hình sao đối xứng Chƣơng 4: Mạch điện xoay chiều ba pha KHOA ĐIỆN- TỰ ĐỘNG HÓA 51 4.2.2.1.Khi không xét tổng trở đường dây Điện áp đặt lên mỗi pha tải là : = √ Tổng trở pha tải: = √ RP, XP – điện trở, điện kháng mỗi pha tải Ud – điện áp dây của mạch điện ba pha Dòng điện pha của tải: = = √ √ Hình 4.10: Phụ tải hình sao đối xứng Góc lệch pha φ giữa điện áp pha và dòng điện pha là : φ =arctg Vì tải nối hình sao nên dòng điện dây bằng dòng điện pha : Id = IP 4.2.2.2.Khi xét tổng trở đường dây pha Cách tính toán cũng tƣơng tự nhƣng phải gộp tổng trở đƣờng dây với tổng trở pha để tính dòng điện pha và dây Id = IP = √ √( ) ( ) Trong đó Rd, Xd – điện trở , điện kháng đƣờng dây Hình 4.11: Có xét tổng trở đường dây pha 4.2.3.Giải mạch điện ba pha tải nối tam giác đối xứng 4.2.3.1. Khi không xét tổng trở đường dây Chƣơng 4: Mạch điện xoay chiều ba pha KHOA ĐIỆN- TỰ ĐỘNG HÓA 52 Hình4.12: Mạch ba pha nối tam giác đồi xứng Điện áp pha tải bằng điện áp dây UP = Ud Dòng điện pha tải là IP = = √ Góc lệch pha φ giữa điện áp pha và dòng điện pha φ =arctg Dòng điện dây : Id = √ IP 4.2.3.2. Khi xét tổng trở đường dây Ta biến đổi tam giác có hình nhƣ sau: Hình 4.13 : Mạch ba pha nối tam giác có xét tổng trở đường dây Tổng trở mỗi pha lúc nối tam giác: ̅ = RP + JXP Biến đổi sang hình sao: ̅ = ̅̅̅̅ = Dòng điện dây là: Id = √ √( ) ( ) Dòng điện pha của tải khi nối tam giác: IP = √ Chƣơng 4: Mạch điện xoay chiều ba pha KHOA ĐIỆN- TỰ ĐỘNG HÓA 53 4.3. Bài tập: 4.3.1. Có ba cuộn dây giống nhau điện trở và điện kháng của mỗi cuộn lần lƣợt là R=6(Ω), X=8(Ω), điện áp định mức của mỗi cuộn dây là Up=220(V). Hỏi ba cuộn dây phải mắc thế nào để sử dụng đƣợc ở nguồn điện xoay chiều 3 pha có Ud=220(V). Tính Ip, Id, P3pha, Q3pha, S3pha. 4.3.2. Có ba cuộn dây giống nhau điện trở và điện kháng của mỗi cuộn lần lƣợt là R=3(Ω), X=4(Ω), điện áp định mức của mỗi cuộn dây là Up=220(V). Hỏi ba cuộn dây phải mắc thế nào để sử dụng đƣợc ở nguồn điện xoay chiều 3 pha có Ud=380(V). Tính Ip, Id, P3pha, Q3pha, S3pha. 4.3.2. Một tải ba pha có điện trở pha RP = 20Ω, điện kháng pha XP =15Ω, nối hình tam giác, đấu vào mạng điện có điện áp Ud = 220V. Tính dòng điện pha IP, dòng điện dây Id, công suất tải tiêu thụ. KHOA ĐIỆN- TỰ ĐỘNG HÓA 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO _Trần Tùng Giang – M c điện - Nhà xuất bản đại học Quốc Gia thành phố Hồ Chí Minh, 2015. _ Đổ Huy Gíac - Bài t p lý thuyết m ch - Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật , 2014. _ Hồ Anh Túy - Gíáo trình lý thuyết m ch - Nhà xuất bản Gíao dục Việt Nam , 2014. _ Lê Thành Bắc - iá tr n kỹ t u t điện - Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật -2010 KHOA ĐIỆN- TỰ ĐỘNG HÓA 55 PHỤ LUC Tham khảo video theo links : https://www.youtube.com/watch?v=MW1YUy3Yqpc https://www.youtube.com/watch?v=pMUJ4xFNNJg