Giáo trình Điện kỹ thuật (Nghề: Điện công nghiệp - Cao đẳng): Phần 2 - Trường CĐ nghề Việt Nam - Hàn Quốc thành phố Hà Nội

(NB) Giáo trình Điện kỹ thuật cung cấp cho người học những kiến thức như: Tĩnh điện; Mạch điện một chiều; Từ trường và cảm ứng điện từ; Dòng điện xoay chiều hình sin; Mạch điện phi tuyến. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung phần 2 giáo trình sau đây.

Chương Dịng điện xoay chiều hình sin Mục tiêu - Giải thích khái niệm mạch điện xoay chiều như: chu kỳ, tần số, pha, lệch pha, trị biên độ, trị hiệu dụng…Phân biệt đặc điểm dòng điện chiều dòng điện xoay chiều - Giải tốn xoay chiều khơng phân nhánh phân nhánh, cơng suất dịng điện xoay chiều tựơng cộng hưởng - Giải toán mạch điện xoay chiều pha với cách mắc - Phân tích ý nghĩa hệ số cơng suất phương pháp nâng cao hệ số cơng suất Tính tốn giá trị tụ bù với hệ số công suất cho trước - Nêu ứng dụng dòng điện xoay chiều cơng nghiệp - Rèn luyện tính tỷ mỉ, xác tư học tập 4.1 Khái niệm dòng điện xoay chiều 4.1.1 Dòng điện xoay chiều Dòng điện xoay chiều dòng điện thay đổi chiều trị số theo thời gian Dòng điện xoay chiều thường dòng điện biến đổi tuần hoàn, nghĩa sau khoảng thời gian định, lặp lại q trình biến thiên cũ 4.1.2 Chu kỳ tần số dòng điện xoay chiều Chu kỳ: Khoảng thời gian ngắn để dòng điện lặp lại trình biến thiên cũ gọi chu kỳ Tần số : Số chu kỳ dòng điện thực giây gọi tần số 4.1.3 Dịng điện xoay chiều hình sin Dịng điện xoay chiều hình sin dịng điện xoay chiều biến thiên theo quy luật hình sin thời gian gọi dịng điện xoay chiều hình sin Biểu thức dịng điện xoay chiều hình sin là: i  I m sin  t   i  64 (4.1)     Hình 4.1: Đồ thị theo thời gian dịng điện xoay chiều hình sin: Trục hồnh biểu thị thời gian t Trục tung biểu thị dòng điện i 4.1.4 Các đại lượng đặc trưng a Trị số tức thời Trên đồ thị, thời điểm t đó, dịng điện có giá trị tương ứng gọi trị số tức thời dòng điện xoay chiều Ký hiệu: i(t) i Tương tự dòng điện, trị số tức thời điện áp ký hiệu u, sđđ ký hiệu e … b Trị số cực đại (biên độ) Giá trị lớn trị số tức thời chu kỳ gọi trị số cực đại hay biên độ nguồn điện xoay chiều Ký hiệu biên độ chữ hoa, có số m: Im Ngồi cịn có biên độ điện áp Um, biên độ sđđ Em c Chu kỳ T Khoảng thời gian ngắn để dịng điện lặp lại q trình biến thiên cũ gọi chu kỳ Ký hiệu: T, Đơn vị: sec(s) d Tần số f Số chu kỳ dòng điện thực giây gọi tần số Ký hiệu: f, Ta có: f  T (4.2) 1KHz  103 Hz Đơn vị: Hec (Hz); 1MHz  10 Hz  10 KHz Nước ta phần lớn nước giới sản xuất dịng điện cơng nghiệp có tần số f = 50Hz 65 e Tần số góc  Tần số góc tốc độ biến thiên dịng điện hình sin Ký hiệu: ;   2 f  2 T rad/s (4.3) f Pha pha ban đầu Góc  t    biểu thức đại lượng hình sin xác định trạng thái (trị số chiều) đại lượng thời điểm t gọi góc pha, gọi tắt pha Khi t =  t      gọi góc pha ban đầu hay pha đầu Nếu > quy ước điểm bắt đầu đường cong biểu diễn lệch phía trái gốc toạ độ góc  Nếu < ngược lại, điểm bắt đầu đường cong biểu diễn lệch phía phải gốc toạ độ góc  Hình 4.2: pha dịng điện xoay chiều hình sin: Ví dụ 4.1: Cho  u  100 sin  t    (V) a) Xác định giá trị tức thời thời điểm t = 0, t = T/4, t = T/2, t = 3T/4, t = T b) Vẽ đồ thị hình sin u với t từ đến T 66 Giải: a) Khi t =  u (0)  100 sin   100 (V ) T   2 T   u   100 sin     100 sin   (V )  T 2 Khi t = T/4    :   2 f  2 T 3 T   2 T   u   100 sin     100 sin  100 V   T 2 Khi t = T/2     3T   2 3T   u   100 sin     100 sin 2  V   T 2 Khi t = 3T/4    Khi t = T  5  2 u T   100 sin  T    100 sin  100 V  T 2    Biểu diễn hình sin theo điện áp u: Ta có :  u  100 sin  t    U m sin  t   u      Hình 4.3: Đồ thị ví dụ 4.1: 4.1.5 Pha lệch pha Trị số tức thời dòng điện : Trị số tức thời điện áp : i  I m sin  t   i   A (4.4) u  U m sin  t   u  V  (4.5) Góc lệch pha điện áp dòng điện ký hiệu  định nghĩa sau:    u   i (4.6)    u  i : Điện áp trùng pha với dòng điện  u i pha (ha)     u   i : điện áp vượt trước dòng điện  u nhanh pha so với i (b) 67     u   i : điện áp chậm sau dòng điện  u trễ pha so với i (hc)     u i ngược pha    /  u i vng góc Hình 3.4: Sự lệch pha dịng điện xoay chiều hình sin: Ví dụ 4.2: So sánh pha hai hàm sin:   V   10 cos5 t  10  V  u1  10 sin t  30 u2 Giải:  Đưa u2 dạng sin nhờ công thức: cos x  sin x  90  Suy : u  10 sin 5 t  100  V  0 Ta nói: u1 lớn pha so với u2 góc   30  100  130 0 u1 chậm pha so với u2 góc:   100   30   130 68 4.2 Giải mạch điện xoay chiều không phân nhánh 4.2.1 Giải mạch xoay chiều trở, cảm, dung a Mạch điện xoay chiều điện trở Quan hệ dòng điện điện áp:  Hình 4.9: Mạch điện trở: Giả sử ta có mạch điện với hệ số tự cảm bé bỏ qua, khơng có thành phần điện dung, cịn điện trở R, ta gọi nhánh trở Khi cho dòng điện iR  I m sin  t  I 2.sin  t chạy qua điện trở R trở: Ở thời điểm t bất kỳ, áp dụng định luật Ohm ta có điện áp điện u R  R iR  R I 2.sin  t  U R 2.sin  t  UR=UmsintUR=I.R(4.12) Trong nhánh điện trở, trị hiệu dụng dòng điện tỉ lệ thuận với trị hiệu dụng điện áp đặt vào nhánh, tỉ lệ nghịch với điện trở nhánh So sánh biểu thức dòng điện điện áp, ta thấy nhánh xoay chiều điện trở, dòng điện điện áp đồng pha, tức   u  i  (4.13) * Mạch biểu diễn vectơ:     Hình 4.10: Đồ thị mạch điện trở 69 Đồ thị hình sin: Đồ thị hình vectơ: Vectơ dịng điện: I R  I R  00 Vectơ điện áp: U R  U R  00 IR O UR Hình 3.11: Đồ thị véc tơ mạch điện trở: Công suất: Công suất tức thời đưa vào đoạn mạch tuý điện trở: PR  u.i  U m I m sin t  2.U I sin t Vì sin t  Nên (4.14)  cos 2t PR  2.U I  cos 2 t  U I 1  cos 2 t   U I  U I cos 2 t Như công suất tức thời gồm hai phần: - phần không đổi U.I - phần biến đổi  U I cos 2 t Ta thấy chu kỳ dòng điện, điện áp dòng điện luôn chiều nên PR    Hình 4.11: Đồ thị cơng suất mạch điện trở: 70 Nghĩa là: lượng dòng điện xoay chiều mạch trở đưa từ nguồn đến tải R để tiêu tán lượng Do đó, người ta đưa khái niệm công suất tác dụng P P  U I  R.I  U2 R (4.15) Đơn vị công suất tác dụng: W Kw 1kW  10 W Điện tiêu thụ thời gian t tính theo cơng suất tác dụng: W = P.t Ví dụ 4.6: Một bóng đèn có ghi 220V, 100W mắc vào mạch xoay chiều có điện áp: u  231 sin( 314t  30 ) V  Xác định dòng điện qua đèn, công suất điện đèn tiêu thụ 4h Coi bóng đèn nhánh điện trở Giải: R Điện trở đèn chế độ định mức: U dm 220   484  Pdm 100 (Udm, Pdm điện áp công suất định mức ghi bóng) Trị số hiệu dụng dịng điện tính theo định luật Ohm: I U 231   0,48 R 484  A Vì u i đồng pha nên biểu thức dòng điện là: i  I sin( t   )  0,48 sin( 314t  30) Cơng suất bóng tiêu thụ: P  R.I  484.(0,48)  110 W  Điện bóng tiêu thụ 4h: W  P.t  110.4  440 Wh b Mạch điện xoay chiều điện cảm Quan hệ dòng điện điện áp: 71  A  Hình 4.12: Mạch điện cảm Nhánh có cuộn dây với hệ số tự cảm L lớn, điện trở đủ bé để bỏ qua khơng có điện dung gọi nhánh điện cảm Khi có dịng điện iL  I m sin  t  I 2.sin  t chạy qua đoạn mạch tuý điện cảm L Vì dịng điện biến thiên nên cuộn dây cảm ứng suất điện động tự cảm eL hai cực cuộn dây có điện áp cảm ứng uL u L  e L  L d ( I sin  t ) di  L  .L.I cos t dt dt  .L.I sin( t  Vậy:  )  U L sin( t   )   u L  U L cos  t  U L sin   t    (4.16)  UL=.L.I=XL.I(4.17) hoặc: I=UL/XL (4.18) Trị hiệu dụng dòng điện nhánh điện cảm tỉ lệ với trị hiệu dụng điện áp đặt vào nhánh, tỉ lệ nghịch với cảm kháng nhánh Ở đây: X L  .L  2 f L (4.19) Đơn vị cảm kháng: X L     L  .s   s Trong nhánh xoay chiều cảm Dịng điện chậm sau điện áp góc      u  i     2 , tức là: 72 * Mạch biểu diễn vectơ:     Hình 4.12: Đồ thị p điện cảm: Vectơ dòng điện: I L  I L  Vectơ điện áp: UL UL   UL O IL Hình 4.12: Đồ thị vectơ mạch điện cảm: Công suất: Công suất tức thời nhánh điện cảm: P  u.i  U L cos t.I L sin t  2.U L I L sin 2t  U L I L sin 2t (4.20) t   Trong khoảng : dòng điện uL iL dấu nên p L  u L iL  , nguồn cung cấp lượng cho mạch tích luỹ lại từ trường điện cảm pL t    Trong khoảng , uL iL ngược chiều nên  u L iL  , lượng tích luỹ từ trường đưa ngồi đoạn mạch Từ ta thấy rằng: “ đoạn mạch t điện cảm khơng có tượng tiêu tán lượng mà có tượng tích phóng lượng cách chu kỳ ” 73 ...g hưởng 114 I  22 00  22 j  22 90 ( A)  10j I  22 00  ? ?22 j  22   90 ( A) 10j I  I  I  0 I  I  22 00  22 0j  22 0 2? ??  45  15,5  450 (A) 20 20 Bài Cho mạch điện hình vẽ: Tính...) gây i1(t): i2 = 2. u 22 Như dòng điên tổng i(t) = i1(t) + i2(t) = 2( u 12 + u 22) Thực tê, dòng điên mạch i(t) = 2. u2 = 2( u1 + u2 )2 Nêu u(t) = Umsin(ωt) i = 2. u2 = 2. Um2sin2(ωt) = Um2[1-cos (2? ?t)] C... * (2  j )  7 .2  3.6 j  8? ?27  4? ?2 j 180 I   2. 25  27 A 8? ?27 2. 2 ,25   27 I1   10 42j U  10  j  4  90 V c Ptm  7.5 .2, 25  18 .2 W Bài Cho mạch điện hình vẽ: Tính dịng điệ