Giáo trình Điện kỹ thuật (Nghề Vận hành máy thi công mặt đường - Trình độ Cao đẳng) gồm 8 chương và được chia thành 2 phần, phần 1 gồm có các bài sau: Mạch điện 1 chiều, điện từ và cảm ứng điện từ, mạch điện xoay chiều, vật liệu điện, dụng cụ và kỹ thuật đo điện. Mời các bạn cùng tham khảo.
Trang 1_BQ GIAO THONG VAN TAI
TRUONG CAO DANG GIAO THONG VAN TAI TRUNG UONG I
HE:
Ban hanh thêo Quyết định số 1955ÓĐ:CĐÐGTYTTWI-ĐT ngày 21/12/2017 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng-GTVT Trung ương I
<= 2 ( ; dx ị b
Trang 3
_BO GIAO THONG VAN TAIL
TRUONG CAO DANG GIAO THONG VAN TAI TRUNG UONG I
GIAO TRINH
Mô đun: Điện kỹ thuật
NGHE: VAN HANH MAY THI CONG MAT DUONG
TRINH DO: CAO DANG
Trang 4Môn học: Điện kỹ thuật là một trong những môn học bắt buộc trong chương
trình đào tạo nghề Vận hành máy thi công nền, vận hành máy thi công mặt đường, Trình độ Cao đẳng nghề, trung cấp nghề;
Đây là một môn học cơ sở rất quan trọng trong chương trình đảo tạo, môn học này giúp cho người học nắm được cơ sở chuyên nghành, nâng cao được kỹ năng nghề nghiệp;
Môn này có thể tiến hành học trước các môn học, mô đun chuyên
môn;
Chúng tôi gồm các Thạc sỹ, Cử nhân, giáo viên có tay nghề cao nghề Xây dựng cầu đường, có nhiều kinh nghiệm trong giảng dạy, đã sưu tầm,
bằng kinh nghiệm, bằng kiến thức chuyên môn, cố gắng biên soạn ra giáo trình nội bộ cho môn học này, nhằm giúp người học nhanh chóng tiếp thu được môn
học;
Trong quá trình biên soạn chúng tôi đã có nhiều có gắng, song không thể tránh khỏi những khiếm khuyết, chúng tôi rất mong được sự góp ý,
bổ sung dé chúng tơi hồn thiện hơn nữa
Trang 5MỤC LỤC
TT Nội dung Trang
LVi tri m6n hoc 4 II Muc đích, yêu cau mén hoc 4
Chuong 1: Mach điện một chiêu 5
1.1 | Dòng điện và mạch điện một chiều 5
1.2 _| Các định luật và đại lượng đặc trưng của dòng điện một chiêu 8
1.3 | Ghép điện trở và ghép nguồn thành bộ 15
Chương 2: Điện từ và cảm ứng điện từ 17
2.1 | Điện từ 17
2.2 | Cảm ứng điện từ 19
Chương 3: Mạch điện xoay chiều 21
3.1 | Định nghĩa dòng điện xoay chiêu 21
3.2_ | Ý nghĩa hệ số công suất và cách nâng cao hệ số công suất 25
3.3 | Hệ thông dòng điện xoay chiêu ba pha 28 Chương 4: Vật liệu điện 35 4.1 | Vật liệu dẫn điện 35 4.2_| Vật liệu cách điện 39
Chương 5: Dụng cụ và kỹ thuật đo điện 46
5.1 | Công dụng và phương pháp sử dụng máy đo VOM 46
5.2_| Hướng dẫn đo dòng điện bằng đồng hồ vạn năng 58
Chương 6: Máy điện 60 6.1 | Khái niệm 60 6.2_ | Máy biên áp 61 6.3 | May phat dién 66
6.4 | Dong cơ điện không đông bộ 72 6.5 | Máy điện một chiêu 79
6.6 | Máy điện đông bộ 3 pha 81 6.7_| Dong co xoay chiéu khéng déng b6 82
Chương 7: Khí cụ điêu khiên và bảo vệ mạch điện 89
7.1 | Khí cụ điều khiển mạch điện 89
7.2 | Khí cụ bảo vệ mạch điện 96
7.3 | Mạch điện điều khiển máy phát điện 98
7.4_ | Mạch điện điêu khiên động cơ điện 99 Chương 8§: Điện tử công nghiệp 101
8.1 | Đặc tính cơ bản của các linh kiện bán dẫn 101
8.2 | Ung dung cua điện tử công nghiệp 105
Trang 6CH ONG TRINH MON HOC
MON DIEN KY THUAT
I- VI TRI MON HỌC
Ngày nay với những b- ớc tiến v- ợt bậc và các thành tựu to lớn của khoa học và công nghệ đã tác động sâu sắc đến sự phát triển kinh tế - Xã hội, thành tựu khoa học đ- ợc áp dụng nhanh vào kỹ thuật và đời sống và có hiệu quả thiết thực Trong các ngành khoa học tiến bộ đó phải kể đến ngành điện, mức độ sử
dụng năng l-ợng điện đ-ợc coi nh- là th-ớc đo, đánh giá mức độ cơ khí hoá,
điện khí hoá xí nghiệp và Quốc gia, môn Điện kỹ thuật là môn kỹ thuật cơ sở nhằm mục đích trang bị cho học sinh một số kiến thức cơ bản về Điện, trên cơ sở
đó hiểu và nắm chắc nguyên lý, cấu tạo một số máy điện mà trong công tác chuyên ngành có sử dụng, ngoài ra còn giúp cho học sinh trong công tác quản lý,
sử dụng các thiết bị điên có hiệu quả và an toàn cho ng- ời và thiết bị
lI- MỤC DICH YEU CAU CUA MON HOC
Môn học Điện kỹ thuật là môn kỹ thuật cơ sở, cho nên mục đích của môn
học nhằm trang bị cho học sinh những kiến thức cơ bản và có tính chất thực dụng về điện, nắm đ-ợc cấu tạo, nguyên lý làm việc của một số máy điện mà trong công tác chuyên môn có sử dụng (máy phát điện, động cơ điên ba pha, máy điện một chiều) nhằm sử dụng các thiết bị điện thật an toàn, đạt hiệu quả kinh tế và kỹ thuật, cho nên sau khi kết thúc môn học này, yêu cầu về mặt lý thuyết học sinh cần nắm đ-ợc cơ sở lý luận về máy điện một chiều, mạch điện xoay chiều một pha và ba pha, cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy biến áp, động cơ điện, nguyên lý làm việc của một số thiết bị điều khiển, chất bán dẫn và sơ đồ nắn dòng điện xoay chiều thành một chiều (một pha và ba pha)
Về mặt thực hành học sinh có thể nối nguồn điện và phụ tải mạch điện xoay chiều một pha và ba pha
Biết cách lắp ráp các bộ nắn dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều và các công việc khác trong đời sống hàng ngày
Trang 7CHƯƠNG 1 ; MACH DIEN MOT CHIEU
1.1 Dòng điện và mạch điện một chiêu
1.1.1 Khái niêm dòng điên
* Định nghĩa
Khi nối một vật tích điện A với một vật B chưa tích điện bằng một dây dẫn ta thấy dòng điện tích chuyển đời từ A tới B qua dây dẫn vì giữa hai đầu dây này có một hiệu điện thế, khiến cho các điện tích
chuyền đời trong đây dẫn theo một hướng xác định
OQ ©
Vay dong dién tich chuyén đời có hướng gọi là dòng điện
* Điều kiện duy trì và tồn tại dòng điện: Để có đòng điện trong
các vật dẫn là giữa hai đầu vật dẫn phải có hiệu điện thế
1d
Trang 81.1.2 Các đặc trưng của dòng điện một chiều
a Chiều dòng điện
Người ta quy ước chiều dòng điện là chiều chuyển dời các điện tích đương trong dây dẫn Tức ở ngoài nguồn điện thì chiều dòng điện
đi từ cực dương tới cực âm của nguồn
b Cường độ dòng điện
Cường độ dòng điện là đại lượng cho biết dòng điện đó mạnh hay yếu
Cường độ đòng điện tính bằng tỉ số giữa điện lượng chuyển qua
mặt cắt thắng của vật dẫn trong một đơn vị thời gian( một giây)
Đơn vị của cường độ là ampe (A)
c Dòng điện không đối
Nếu trong các khoảng thời gian bằng nhau tuỳ, các điện tích đi qua mặt cắt thắng của vật dẫn như nhau thì dòng điện được gọi là
dòng điện không đổi ( I)
`
Q: culông(C)
t: giây (s)
I: ampe (A )
Với ampe là cường độ của dòng điện không đổi mà cứ 1 giây có
một culông chuyển qua mặt cắt thắng của dây dẫn 1.1.3 Ac qui:
a- Khái niêm :
Trang 9chế tạo hoặc sau khi ắc qui phóng điện mà sức điện động (E ) giảm đến
1,8 V/ ngăn thì phải nạp điện vào ắc qui đạt tới 2,5 + 2,7V/ngan rồi
mới cho phóng điện
b- Cấu tạo :
Gồm 1 bình điện phân chứa dung dịch axít sunphuarích H;SO¿
trong đó có các cực điện âm và các cực điện dương lắp xen kẽ nhau
làm bằng bản chỉ 2 bên có khung xương hình ô vuông nhỏ phủ kín
bản cực chì ôxýt và nấp chung thành bộ trong bình ắc qui ,bản cực âm
thường nhiều hơn bản cực đương 1 bản cực
SS
ấn - lấcqrảm 13 ove dong
- Phân loại ắc qui có 2 loại: + Ắc qui a xít ( ắc qui chì) + Ắc qui kiềm (ắc qui sắt kiềm)
c Nguyên lý làm việc của ắc qui:
+ Quá trình nạp điện: Khi đặt các cực điện vào trong bình điện phan thi axit H.SƠ¿ tác dụng với cực điện và ở trên cực điện xuất
hiện chì sun phát PbSO¿ lúc này ắc qui chưa phát điện Khi cho dòng
Trang 10điện 1 chiều chạy qua ắc qui bằng cách nối các cực cùng tên của ắc qui vào máy phát điện một chiều lúc này ion dương H”” trong dung
dich chay sang cuc 4m va ion 4m SO, chau sang cực dương
Phản ứng ở cực dương là; PbSO, + SO, + 2H;O = PbO; +
2H;SO¿
Phản ứng ở cực âm là; PbSOa + Hạ =Pb + H;SO¿
Chú ý : Trong quá trình nạp điện nồng độ H;SO¿ tăng lên ta
thấy khi nạp điện 2 cực của ắc qui đã khác nhau lúc này ắc qui có tác dụng như 1 quả pin Khi nạp điện , điện áp U của mỗi bình ắc qui
tăng 2,5 — 2,7V/ngăn đồng thời khí hiđờrô Hạ; bốc ra thành các bot
khí nỗi lên bề mặt dung dịch, lúc này ta phải ngừng nạp điện
+ Quá trình phóng điện : Nối 2 cực của ắc qui với I điện trở hay
phụ tải thì ắc qui phóng điện Trong quá trình này chiều dòng điện
ngược với lúc nạp ion H”” chạy sang cực dương còn ion SO 'ˆ chạy sang cực âm Phản ứng xây ra ở cực đương là PbO; + Hạ +H;SO¿ = PbSO¿ + 2H;O Phản ứng ở cực âm là Pb + SƠ = PbSO¿
- Khi 2 cực điện của ắc qui giống nhau ( cân bằng ) thì không
phóng điện nữa.Nếu sức điện động của ắc qui giảm gần 1,8V/ngăn
thì không được phóng điện nữa , cứ tiếp tục phóng điện thì ắc qui sẽ hỏng ,loại ắc quy thường dùng nhất là ắc quy chì
1.2 Các định luật và đại lượng đặc trưng của dòng điện một chiều 1.2.1 Các định luật
a Định luật Ôm cho đoạn mạch
Trang 11Xét mạch thuần điện trở (hình1 s5}, biểu thức tính dòng điện qua điện trở: I=UJR_ (1-2) trong đỗ U: tính bằng Volt (V) I: Tính bằng Ampe (A) R
R: Tinh bang Ohm (Q) ——_{_}—
Định luật: Cường độ dòng điện trong một 1 — đoạn mạch tỷ lệ thuận với hiệu điện thế và tỷ U lệ nghịch với điện trở qua đoạn mạch đó / Hình 1.3
- Nhánh có sức điện động E và điện trở R: Nhánh thuần trở
Xét nhánh có E, R (hình 1.4) Ul Us U3; Us Biêu thức tính điện ap = Se Se
U:U =U; +U; +U;+U, =R)1-Ey+ HO Ho)
R21 +E) =(R)+R2)1- (E4- E2) Ri Ey R3 &E
Vay: U=(2R)I-ZE (1-3) a
Trong biêu thức (1-3) quy ước
dấu như sau: Sức điện động E và dòng Hình 14
điện I có chiều trùng với chiều điện áp Nhánh sức điện động và R
U sẽ lấy dấu dương, ngược chiều sẽ lấy dấu âm Biểu thức tính dòng điện: Te U+XE (1-4) =R Trong biểu thức (1-4) quy ước dấu như Ra sau: Sức điện động E và điện áp U có Ra
chiều trùng với chiều dòng điện sẽ lấy [ R
dấu dương, ngược lại sẽ lấy dấu âm E
b Định luật Ôm cho toàn mạch
Cho mạch điện như hình 1.5 thì
Hình 1.5 I1=————— (A((I-5)
RitRatRe
Trong do:
I: Cuong d6 dong dién trong mach (A) E: Sức điện động của nguồn điện (V) Rn: Điện trở trong của nguồn (©)
Trang 12R¿: Điện trở phụ tải (O)
Ra + R¿ Điện trở mạch ngoài (Q)
Định luật: Cường độ dòng điện trong mạch kín tỷ lệ thuận với sức điện động của nguồn điện và tỷ lệ nghịch với tổng trở toàn mạch VD: Cho mạch điện hình 1.6 Biết E¡ = 100 V; 1, = 5A.Tinh dién áp Uap và dòng điện các nhánh l;, lạ Lời giải Tính điện áp Ưan: Ung = E; - Rịl¡ = 100 - 2.5 = 90 V Dòng điện; I,=U*=^U ~30 A, R: 3 Dòng điện l;: Uas—E¿ _ 90-115 =?®_-=“———=- R; 1 25 A
Dong dién I, < 0, chiều thực của dòng điện lạ ngược với chiều đã vẽ trên hình
c Dinh luat Kirchoff 1
Định luật này cho ta quan hệ giữa các dòng
điện tại một nút, được phát biểu như sau:
Tổng đại số những dòng điện ở một nút bằng
không
Trong đó quy ước dòng điện đi tới nút lấy dấu dương, dòng điện rời khỏi nút lấy dấu âm
(hình 1.7)
3;Inút=0 (1-6)
Ở hình 1.7 thi: I, + -L) + -h) =0
d Dinh ludt Kirchoff 2
Định luật này cho ta quan hệ giữa sức
điện động, dòng điện và điện trở trong một
Trang 13có chiều trùng chiều mạch vòng lấy dấu dương, ngược lại lấy dấu âm Ở mạch vòng hình 1.8:
Ry, - Rolo + Ral = E; - Ex + Ea
Vi du : Tinh dong dién I; va cac strc dién dong E;, E, trong mach điện hình 1.9, biét: lb = 10A; I, =4A; R, = 10; R, = 20; Rạ = 5O Lời giải: Áp dụng định luật Kirchoff 1 tại nút A có: -h+lä-l=0—=l;=l;-l¡ = 10 -4=6A Ap dung dinh luat Kirchoff 2 cho: Mach vong a: E, =R + Ra]; = 14+ 2.10 =24V Mạch vòng b: Bạ = Ralạ + Ral; = 5.6 + 2.10 = 50V 1.2.2 Các đại lượng đặc trưng
a Dòng điện Dòng điện ¡ về trị số bằng tốc độ E———e=—— T
biên thiên của lượng điện tích q qua tiệt
diện ngang của vật dẫn: Hinh 1.10
i=dq/ds
Don vi: Ampe (A)
Người ta qui ước chiều của dòng điện chạy Vas
trong vật dẫn ngược chiều với chiều chuyển | ™ —L—T*%
động của điện tử (hình 1.10) ———
b Điện áp
Tại mỗi điểm trong một mạch điện có
một điện thế ọ Hiệu điện thế giữa hai điểm +
gọi là điện áp U, đơn vị là Vôn (V)
Điện áp giữa hai điểm A và B hình 1.11 1a:
` UAp= ỌA - 0B ` (1-8)
Chiêu điện áp quy ước là chiêu từ điêm có
điện thế cao đến điểm có điện thế thấp E U
Điện áp giữa hai cực của nguồn điện |
khi hở mạch ngoài (dòng điện I = 0) được
gọi là sức điện động E
Hình 1.11
NNG: Hình 1.12
c Công suất ` Ký hiệu nguồn sức điện động Công suât của nguôn sức điện động là:
Trang 14P=EI (1-9) Công suất của mạch ngoài là: P=UI (1-10) Đơn vị của công suất là oát (W) d Sức điện động E
Sức điện động E là phần tử lý tưởng, có trị số bằng điện áp U đo được giữa hai
cực của nguồn khi hở mạch ngoài
Chiều của sức điện động quy ước từ điện thế thấp đến điện thế cao (cực âm tới cực dương) (Hình 1.12)
Chiều của điện áp quy ước từ điện thế cao đến điện thế thấp, do đó nếu chiều vẽ như hình 1.12 thì: U=E (1-11) e Nguồn dòng điện J ị Nguồn đòng điện J là phần tử lý tưởng có trị số bằng dòng điện R ngắn mạch giữa 2 cực của nguồn J (Hình 1.13a) | # Điện trở R Điện trở R đặc trưng cho một vật dẫn về mặt cản trở dòng điện chạy
qua Về hiện tượng năng lượng, điện trở R đặc trưng cho tiêu tán, biến đổi điện
năng tiêu thụ thành các dạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng, (Hình 1.13b) Hình 1.13a Hình 1.13b ø Điện cảm L Cho qua cuộn dây L (hình 1.14) một dòng điện ¡, thì sẽ sinh ra » + u, — từ thông móc vòng với cuộn dây là: 1 =N.® s > /YY`\ v Điện cảm L của cuộn dây được định nghĩa là: me pe ¥ NO i i (1-12) — 4
Đơn vị của điện cảm là H (Henry) Hình 1.14 : Điện cảm
Nếu dòng điện ¡ biến thiên theo thời
gian t và cuộn dây cảm ứng suất điện động tự cảm e¡, khi L = const
có _đW a LZ=—=-L—
dt dt (1-13)
Trang 15di u, =-e, =L— LẺ at (1-14) Công suất cuộn dây nhận: + xuđi =u,i=Li— PL i dt Năng lượng từ trường tích luỹ trong cuộn dây: t i(t) Wy =Jpidt= JLidi Tác có (5) vậy: W, =i 2 (1-16) h Hỗ cảm M:
Hiện tượng hỗ cảm là hiện
tượng suất hiện từ trường trong một M, 1 Pa
cuộn dây do dòng điện biến thiên x " Í" =
trong cudn day khac tao nén (hinh : ,
1.15) là hai cuộn dây có liên hệ hỗ ay 12
+ — + — cảm nhau
Từ thông móc vòng qua cuộn dây 1
gồm hai thành phần 1 I 2 2
Kia ¥i+ Pie (1-17) trong đó: Hình 1.15: Hiện tượng hỗ cảm
¡¡: từ thông móc vòng với cuộn
dây 1 do chính dòng điện ï; tạo nên
Wiz: từ thông móc vòng với cuộn dây | do chính dòng điện 1; tạo nên
Tương tự từ thông móc vòng với cuộn dây 2:
By = Poo + Poy (1-18)
Wa»: tir thong mdc vong voi cudn day 2 do chinh dong dién 1; tạo nên,
Wo: tt théng mdc vong voi cudn day 2 do chinh dong dién i, tao nên Trường hop trong môi trường là tuyến tính ta cú: i, M 1, ô ~ơr~ Yi = Lit, Pi =£ Min + e se + (1-19 ) u, L¡ 3 f Lạ uy Py = Lyin, Py, = + Moi (1-20) « o Với L¡, Lạ tương ứng là hệ số cảm của cuộn dây I và 2
My = Mp; = M là hệ số hỗ cảm của hai cuộn dây
Hình 1.16: Hai cuộn dây ghép hỗ cảm
Trang 16Thay 1-19 và 1-20 vào 1-17 và 1-18 ta được:
Y= L,i, + Mi, (1-21)
Y= Lại; + Mi, (1-22)
Việc chọn dấu (+) hoặc dấu () trước M trong biểu thức trên phụ thuộc vào chiều dây cuốn các cuộn dây cũng như chiéu i; va ix Nếu cực tính của các u; và u; và
chiều đương của i; và 1; được chọn như hình 1-15 thì theo định luật cảm ứng điện từ Faraday ta có: M dt dt dt dt “ (1-23) uy — 2a _ Os OE T1? gin sy Si dt dt dt dt x (1-24)
Cũng nhu dién cam L, don vị của hỗ cảm M là Henry (H) Ta thường ký hiệu
hỗ cảm giữa hai cuộn dây bằng chữ M và mũi tên hai chiều như hình 1-16 và dùng
cách đánh dấu hai cực cùng tính của cuộn đây bằng đấu chấm Để xác định dấu của phương trình 1-23 và 1-24 Nếu hai dòng i¡ và iạ cùng đi vào (hoặc cùng đi ra) các
cực tính đánh dấu ấy thì từ thông hỗ cảm tÙ;; và tự cảm tJ¡; cùng chiều Cực cùng
tính phụ thuộc vào chiều quấn dây và các vị trí các cuộn dây
Từ định luật Lentz, với quy ước đánh dấu các cực cùng tính như trên, có thể suy ra qui tac sau để xác định dấu (+) hoặc (-) trước biểu thức M.di /dt của điện ap
hỗ cảm
Nếu dòng điện ¡ có chiều + đi
vào đầu có dấu chấm trong một iy M lạ
cuộn dây và điện áp có cực tính + ở °—— ~—~x[f
đầu có đầu chấm trong cuộn dây kia ia ee +
Trang 17= JuS ° mm dt u; =e MữL dt dt i Dién dung:
đặt một điện áp U lên tụ điện thì qua tụ sẽ có dòng dịch chuyên i va 6 hai bản cực tụ
điện tích luỹ điện tích q (hình 1-19)
Điện dung C của tụ điện là: =a + uc — ức (1-25) i Đơn vị của tụ điện là Fa ra (F) Dòng điện ¡ qua tụ là: -#4_ cục Cc dt dt Hinh 1-19: Tu dién (1-26) Tw 1-19 ta có điện áp rơi trên tụ diện có điện dung C là: Tu, uc =—fidt+uc(0) Co Ở thời diém t= 0 ma Uc(0) =0 ta có: 1 Uc =—|idt c cl Công suât trên tụ C là: 1 duc =lei=Cũc——£ Pc =Ucl=LUc dt Năng lượng điên trường tích luỹ trong tụ điện: t u 1 Wa = [Pedt = [Cuc dug = sone 0 0 Vậy điện dung C đặc trưng cho hiện tượng tích luỹ năng lượng điện trường trong tụ điện 1.3 Ghép điện trớ và ghép nguồn thành bộ 1.3.1 Mạch điện
Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện (nguồn, tải, dây dẫn) nối với nhau trong đó dòng điện có thể chạy qua (hình 1.20) Mạch điện phức tạp có nhiều
nhánh, nhiều mạch vòng và nhiều nút
Trang 18
- Nhánh: Nhánh là bộ phận của mạch
điện gồm có các phần tử nối tiếp nhau
trong đó có cùng dòng điện chạy qua - Nút: Nút là chỗ gặp nhau của các nhánh (từ 3 nhánh trở lên) - Mạch vòng: Mạch vòng là lối đi khép kín qua các nhánh - Máy phát (MF) cung cấp điện cho đèn (Ð) và động cơ điện (ĐC) gồm có 3 nhánh (1, 2, 3), 2 nút (A, B) và 3 mach vong (a, b, c) 1.3.2 Thiết lập mô hình mạch điện Nguồn điện:
Sơ đồ thay thế của nguồn điện
gồm sức điện động E nối tiếp với điện
trở trong Rạ (hình 1.21)
Khi giải mạch điện có các phần tử
tranzito, nhiều khi nguồn điện có sơ đồ
thay thế là nguồn dòng điện J = E / Rạ
mắc song song với điện trở R„ (hình 1.22)
Sơ đồ thay thế:
Mô hình mạch điện là sơ đồ thay thế mạch điện mà trong đó quá trình
năng lượng và kết cấu hình học giống
như mạch điện thực, song các phần tử của mạch điện được thay thế bằng các
thông số lý tưởng e, J, R, L, M, C
Các tải như động cơ điện một chiều, ắc qui ở chế độ nạp điện được
thay thế bằng sơ đồ gồm sức điện động E nối tiếp với điện trở trong R„ (hình 1.23),
trong đó chiều E ngược chiều với I
Trang 19có mạch điện thực như hình 1-25 Để thành lập mô hình mạch điện đầu tiên ta liệt
kê các hiện tượng xảy ra trong từng phần tử và thay thế chúng bằng các thông số lý
tưởng tồi sau nối với nhau tuỳ theo kết cầu hình học của mạch
Hình 1-26 là sơ đồ thay thế của mạch hinh 1-25 trong do: néu may phát điện (MF) la may phát điện được thay thế bằng cụ„y nối tiếp với Rụ„p đường dây được
thay thế bằng R¿ bóng đèn Ð được thay thế bằng Rp, cudn dây C¿ được thay thế
bằng Rœ
` CHƯƠN G2:
ĐIỆN TỪ VÀ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ
2.1 Dién tir:
2.1.1 Từ trường của nam châm vĩnh cửu:
- Bất ky 1 nam châm nào cũng có 2 cực, cực bắc N và cực nam S không thể tách rời từng cực ra được Các cực cùng tên đây nhau, khác tên hút nhau Môi trường vật chất đăc biệt bao quanh nam châm
trong đó có từ lực tác dụng gọi là từ trường của nam châm vĩnh cửu
.Từ trường của nam châm được biểu diễn bằng các đường sức từ Ta qui ước các đường sức từ có chiều đi từ cực bắc tới cực nam (N-S) 6 phia ngoai nam cham N S [ [| 2.1.2 Từ trường của dong điện: - Thí nghiệm:
Có 1 kim nam châm có thé xoay tự do trên 1 trục Đặt dây dẫn
điện song song với kim nam châm Cho I qua dây ‹ dẫn kim lệch đi I góc, khi ta ngắt điện kim lại trở về vị trí như ban đầu Ta đổi chiều dòng điện qua dây dẫn kim quay ngược lại
a iT
Trang 20O
Kết luận: Dòng điện đã tạo ra xung quanh nó 1 từ trường vì khi
đó đã có lực điện từ xuất hiện làm lệch kim nam châm
Chú ý: Từ trường của nam châm vĩnh cửu cũng như kim nam châm là kết quả của dòng điện phân tử do chuyển động tự quay và quay quanh quỹ đạo của các điện từ trong nguyên tử phân tử tạo ra ,
từ trường và dòng điện là 2 khái niệm không thé tách rời nhau
2.1.3 Các đại lượng đặc trưng của từ trường:Từ thông đô thâm từ cường đô từ trường
- Tù thông : ® : Tích số cảm ứng B với diện tích S thẳng góc
với hướng của cảm ứng điện từ gọi là từ thông
Ø =B.S ( Đơn vị vêbe W; ) -_ Độ thấm từ 4: Đại lượng đặc trưng cho đặc tính của môi
trường từ lực gọi là độ thẩm từ , độ thẩm từ tuyệt đối ký hiệu ly
- Độ thâm từ của chân không ký hiệu Hạ và được lấy làm căn so
sánh với đặc tính các môi trường khác , do đó ta còn đặt ra độ thâm từ tuơng đối
H = He! Ho
- Cường độ từ trường H :
+ Đại lượng đặc trưng cho độ mạnh yếu của từ trường dòng điện
gọi là cường độ từ trường
H=B/u,=B/ tụy tạ ( Đơn vị đo ampe / mét A /m) 2.1.4 Lực điên từ
- Thí nghiệm:
+ Dat 1 day dẫn điện AB vuông góc với đường sức của từ
trường nam châm hình chữ U cho dòng điện chạy qua dây,dây sẽ chịu 1 lực tác dụng và chuyên dịch chạy về 1 phía Thí nghiệm cho biết
lực đây có hướng thắng góc với đường sức từ và hướng dòng điện chạy trong day dan Trị số của nó tỷ lệ thuận với trị số cường độ dòng điện (I ) chiều dài hiệu dụng của dây dẫn ( L ) và phục vụ vào bản chất của môi trường trong đó có từ trường tác dụng
Trang 21Trong đó : Fạ Lực tác dụng do tác dụng của từ trường với dây dẫn có điện gọi là lực điện từ đơn vị là ( niutơn N )
I Cường độ dòng điện A
B Hệ số tỷ lệ đặc trưng cho từ trường và tác dụng lực gọi là cảm ứng từ đơn vị là tesla ( ký hiệu T ) tức là 1T = Wp/ mẺ
- Giải thích hiện tượng cảm ứng :
+ Khi dây dẫn có dòng điện chạy qua, xung quanh dây dẫn có từ
trường Từ trường do dòng điện trong dây dẫn sinh ra ngược chiều
với từ trường nam châm làm giảm từ trường chung ở dưới hình (H - 1) H-1
Ở đưới hình ( H-2 )chúng cùng chiều nếu đường sức từ của từ trường phía ngược chiêu bị co lại do đó dây dân bị đây ve phía từ trường yêu =5 | H-2
- Quy tắc bàn tay trái : Cho chiều đường sức từ xuyên vào lòng
bàn tay trái , chiều dòng điện trùng với chiều 4 ngón tay chụm lai, thi chiều ngón tay cái xoè ra là chiều lực điện từ Fạ,
VD: Cho 1 thanh dẫn L = 2m có dòng điện I = 130mA chạy
qua, đặt vuông góc với từ trường đều B = I,2T chiều dòng điện đi từ
ngoài vào trong Tính trị số và chiều lực điện từ tác dụng lên thanh
dan
Giai:Tri sô của lực điện từ
Trang 22Fe =B.1.L (N)
Fa = 1,2 0.30 2=0,72N
Áp dụng quy tắc bàn tay trái ta xác định được chiều lực điện từ hướng xuống đưới
2.2 Cảm ứng điện từ
2.2.1 Hiện tượng cảm ứng điên từ :
Ta đã biết dòng điện sinh ra từ trường và ngược lại từ trường
sinh ra dòng điện Nếu có 1 mạch kín chuyển động trong từ trường dòng điện sinh ra gọi là dòng điện cảm ứng và sức điện động sinh ra
trong mạch kín gọi là sức điện đông cảm ứng
- Thí nghiệm: Ta mắc 2 đầu ông dây vào I điện kế G ta đưa
nam châm vào gần ống dây lúc này kim của điện kế G bị lệch đi
Trong ống dây dẫn đã xuất hiện dòng điện cảm ứng Ta rút nam châm ra khỏi ống dây dẫn lúc này ta thấy kim của điện kế G lệch theo chiều ngược lại , đòng điện cảm ứng đã đổi chiều
- Vậy: dòng điện cảm ứng chỉ xuất hiện trong thời gian nam
châm chuyên động tươn đối với ống dây (nghĩa là khi từ thông qua
ống đây biến đổi ) | | C3 ở G — G 2.2.2 Chiều của sức điện động cảm ứng (Theo quy tắc bàn tay phải )
+ Nếu đề cho đường sức từ của từ trường xuyên vào lòng bàn tay phải , ngon tay cái choãi ra theo chiều chuyền động của dây dẫn thì chiều từ cổ tay tới ngón tay là chiều của sức điện động cảm ứng
2.2.3 Hiện tượng tự cảm
+ Nêu dòng điện ( I) qua cuộn dây biến thiên thì từ thông móc
vòng
(@ ) cũng bién thién theo Do định luật cảm ứng điện từ trong cuộn
Trang 23- Vậy sức điện động cảm ứng sinh ra ngay trong lòng cuộn dây có đòng điện biến đổi gọi là sức điện động tự cảm và hiện tương đó
gọi là hiện tượng tự cảm
Ghi chú: Sức điện động tự cảm ký hiệu E¿ là sức điện động cảm ứng trong dây dẫn do chính đòng điện qua dây dẫn biến thiên
sinh ra)
————
———> CHUONG 3:
Mach dién xoay chiéu
3.1.Dinh nghia dong điện xoay
chiều I I
3.1.1.Dinh nghia va nguyén ly san
sinh ra dòng điện xoay chiều Tenax a Dinh nghia
Dòng điện xoay chiều hình |
sin được sử dụng phô biến trong
sản xuất và đời sống xã hội, b Nguyên lý sản sinh ra dòng điện xoay chiều Nguyên lý như ở hình 1.27 người ta tác dụng lực cơ
học vào trục làm cho khung dây quay, cắt đường sức từ trường của nam châm NS, trong khung dây sẽ
am CHAOS tong Kou Hinh 1.28
cam ug suc điện động xoay Nguyên lý sinh ra dòng điện chiêu hình sin (Phân ứng, quận dây quay)
Dòng điện cung cấp cho tải
thông qua vòng trượt và chỗi than (hình 1.28) Khi công suất điện lớn, cách
lấy điện như vậy gặp nhiều khó khăn ở chỗ tiếp xúc giữa vành trượt và chỗi than Trong công nghiệp, máy phát điện xoay chiều được chế tạo như sau: Dây
quấn đứng yên trong các rãnh của lõi thép là phần tĩnh và nam châm NS là phần
quay
Trang 24Khi tác dụng lực cơ học vào ,
trục làm nam cham NS quay, trong | dây quấn ở phan tĩnh sẽ cảm ứng
ra sức điện động xoay chiều hình |
sin Dây quấn đứng yên nên việc lấy điện cung cấp cho tải rất an |
Dây quấn
toàn và thuận lợi Mô hình của
máy phát điện xoay chiều được vẽ | trên (hình 1.29) |
3.1.2 Các đại lượng đặc trung cia - Hình 1.29 cs a
dòng điện xoay chiều a ¡ Mô hình máy phát điện xoay chiều (phan cam, nam cham quay) Dòng điện xoay chiêu hình - — —
sin là đòng điện có chiều và trị số biến đổi một cách tuần hoàn liên tục theo quy luật hình sin với thời gian, được biểu diễn dưới dạng tổng quát bằng đồ thị hình
sin trên (hình 1.30)
1= lựax sin(@f + W¡) (2-1) a Biên độ của đại lượng hình sin X„: Giá trị cực đại của đại lượng hình sin, nó nói lên đại lượng hình
sin đó lớn hay bé Để phân biệt trị
số tức thời, được ký hiệu bằng chữ oT= 20
in thudng x(i,u, ) Biên độ được ký
hiệu bằng chit in hoa Xm» Um -)
b Góc pha (ot + yx)
Là xác định chiều và trị số của đại lượng hình sin ở thời điểm t nào đó
c Pha ban đầu
Pha ban đầu w, : Xác định chiều và trị số của đại lượng hình sin ở thời điểm t
=0 (Hình 1.30) vẽ đại lượng hình sin với pha ban đầu bằng 0
d Chu kỳ T, tần số f, tần số góc œ
- Chu kỳ T là khoảng thời gian ngắn nhất để dòng điện lặp lại trị số và chiều
biến thiên Từ hình 2.4 ta có @T = 2x Vậy chu kỳ T là:T=2@ (2-2) - Tần số f là số chu kỳ của dòng điện trong một giây: f= 1/T (2-3)
Đơn vị của tần số f là héc, ký hiệu là Hz.Tần số góc œ là tốc độ
- Tần số góc œ (rad/s): Là tốc độ biến thiên của góc pha trong một giây @=2nf (rad/s) (2-4)
Lưới điện công nghiệp của nước ta có tần số là f= 50 Hz
Trang 25a.Mạch điện xoay chiều thuần điện trở : Khi dòng điện xoay chiều đi
trong mạch thuần điện trở có điện áp và dòng điện cùng pha, vì ở
mỗi thời điểm trị số tức thời của chúng tỷ lệ với nhau với các trị số
cực đại lmax ,Umax
taco: — Tnax = Umax / R ( R 1a dién tro doan mach ) hay
I=U/R_ (ViI=lz„/2:U= Uzz/2( Định luật
ôm)
Trong đó I, Ú đều là những trị số hiệu dụng của dòng điện ,
điện áp
VD : Đèn điện ,biến trở ,dụng cụ nhiệt (bàn là,bếp điện ) có thể
xem là mạch thuần điện trở
b Mạch điện có cuộn tự cảm.: Ta mắc 1 cuộn tự cảm và 1 ampekê vào 1 nguồn điện 1 chiều Ampekê cho biết cướng độ dòng điện chạy trong mạch Ta đưa thỏi sắt vào giữa cuộn dây ta thấy dòng điện trong mạch vẫn không thay đổi
+ Ta mắc chúng vào nguồn điện xoay chiều , có điện áp hiệu dụng bằng điện áp của dong điện 1 chiều , ta thấy dòng điện qua
mạch điện còn yếu hơn trước , ta tiếp tục đưa thỏi sắt vào giữa cuộn
dây thì dòng điện còn yếu hơn nhiều
Như vậy : Độ tự cảm của mạch điện xoay chiều làm giảm I
trong mạch ( làm tăng R của mạch )
Trị số và chiều của dòng điện xoay chiều biến đỗ theo thời gian
, nên từ trường và năng lượng do nó sinh ra cũng biến đỗ theo thời
gian , sức điện động tự cảm, công suất của mạch điện xoay chiều cũng biến đổi , cuộn tự cảm và tụ điện mắc vào mạch điện Xoay chiều có tác dụng khác với khi mắc chúng vào mạch điện một chiều
Trang 26c Mạch điện có tụ điện.: Ta mắc 1 bộ tụ điện với nguồn điện 1 chiều
sẽ không thấy có dòng điện chạu qua vì giữa 2 bản cực tụ diện có chất cách điện
+ Ta mắc tụ điện đó vào nguồn điện xoay chiều ta thấy có dòng điện trong mạch ( bòng đèn sáng)
+ Nếu thay bộ tụ điện có điện đung lớn hơn thì đèn còn sáng
hơn, nếu ta cắt tụ điện đi và nối mạch lại thì còn sáng hơn nữa
+ Sở dĩ dòng điện xoay chiều qua được tụ điện vì trong mạch
điện xoay chiều các điện tử luôn luôn chuyển động , những cực của tụ điện liên tiếp được tích điện trái đấu cho lên trong dây dẫn của mạch
các điện tử đang chuyên động theo chiều này lại đồ sang chiều ngược
lại cứ thế liên tiếp Nghĩa là trong dây dẫn vẫn có dòng điện xoay
chiều chạy qua
- Máy biến áp không tải có thể xem là mạch thuần điện cảm - Dây cáp xem là mạch thuần điện dung
d Mạch điện có điện trở điện cảm và điện dung nối tiếp nhau
+ Ta mắc nối tiếp 1 tụ điện C với cuộn tự cảm L
khi đòng điện vào ta thấy dòng điện tăng lên so với khi chỉ có cuộn tự tảm Như vậy là sự có mặt
Zz
của tụ điện đả làm giảm tông trở của mạch điện XL
Các trị số điện trở , cảm kháng , dung kháng và —Ì————————
@ R
Tổng trở Z của mạch có quan hệ với nhau theo | tam giác vuông mà đường huyền là tổng trở Z., cạnh
Trang 27kháng X = (X1— X‹ ) X là điện kháng - Tổng trở trong mạch nối tiếp điện trở , điện cảm, điện dung là Vợ Z= R7+(X-X.Ÿ 3.1.4 Biểu diễn các đại lượng xoay chiều bằng đồ thị vecto X x, " X,,sin(a@t+y) x W x (0) (6) Pai Ee
Hinh 1.31a Hinh 1.31b
Đại lượng hinh sin tổng quat X(.) = Xm sin(@t + w) Gdm 3 thông số biên
d6 X,,, tan sé géc w va pha ban dau y Các thông số được trình bày trên (hình
1.31a) bang véc to quay xm c6 dé lon X,,, hình thành góc pha (wt + y) với trục
hoành, hình chiếu véc tơ trên trục tung cho ta trị số tức thời của đại lượng hình sin Véc to 6 trén cé thé biểu diễn bằng véc to đứng yên (tức là thời điểm t = 0) như (hình 1.31b) Véc tơ này chỉ có hai thông số biên độ và pha ban đầu và được ký hiệu: Xm =Xm ZW (2-5)
Ky higu Xm chỉ rõ véc tơ tương ứng với đại lượng hình sin:
Xt) = Xm sin(wt + ) và ký hiệu X„ ⁄ có nghĩa là véc tơ x„, có biên độ Xa và pha ban đầu w Vậy nếu œ cho trước thì đại lượng hình sin hoàn toàn
xác định khi ta biết biên độ (hay trị số hiệu dụng X) và pha ban đầu Như vậy
đại lượng hình sin cũng có thể biểu diễn bằng đại lượng véc tơ có độ lớn bằng
trị số hiệu dụng X và pha ban đầu w, như x -X ⁄/ ự
Trang 283.2 Ý nghĩa hệ số công suất và cách nâng cao hệ số công suất 3.2.1 Công suất của dòng điện hình sin
Trong mạch điện xoay chiều R, L, C nối tiếp có 2 quá trình năng lượng
sau:
Quá trình tiêu thụ điện năng và biến đổi sang dang năng lượng khác (tiêu tán,
không còn trong mạch điện) Thông số đặc trưng cho quá trình này là điện trở R Quá trình trao đổi, tích luỹ năng lượng điện từ trường trong mạch Thông số đặc trưng cho quá trình này là điện cảm L và điện dung C
Tương ứng với 2 quá trình ấy, người ta đưa ra khái niệm công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q
a Công suất tác dụng P
Công suất tác dụng P là công suất điện trở R tiêu thụ, đặc trưng cho quá trình
biến đổi điện năng sang dạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng, P=Rử (2-6) Từ đồ thị vectơ ta có: UR = RI= Ucos Thay vào (2-6) ta được: P=RỨ =URI= Ulcosp (2-7) Công suất tác dụng là công suất trung bình trong một chu ky b Công suất phản kháng QO
Để đặc trưng cho cường độ quá trình trao đổi tích luỹ năng lượng điện từ trường, người ta đưa ra khái niệm công suất phản kháng Q
Q=X.Ý =(ŒL - XC (2-8)
Từ đồ thị vectơ ta có: UX =X.I=U.sino
Thay vào (2-8) ta được: Q= X.=UXI= U.ILsino (2-9) Nhin (2-8) thay Tõ công suất phản kháng gồm:
Công suất phản kháng của điện cảm QL: QL=XLI (2-10)
Công suất phản kháng của điện dung QC: QC=XCP (2-11)
c Cong suất biểu kiến S
Để đặc trưng cho khả năng của thiết bị và nguồn thực hiện 2 quá trình
năng lượng xét ở trên, người ta đưa ra khái niệm công suất biểu kiến S được
định nghĩa như sau: S=U.I= ÿJ@°+P? (2-12) Biểu thức của P, Q có thể viết như sau: Ss P=U.Lcos@ = S.cos@ (2-13) Q Q=UlLsing = S.sing (2-14) Từ 2 công thức này thấy rõ, cực đại của LÌ ơ ất tác dụng P (khi = 1), cực đại
Trang 29là công suất biểu kiến S Vậy S nói lên khả năng của thiết bị Trên nhãn của
máy phát điện, máy biến áp người ta ghi công suất biểu kiến S định mức
Quan hệ giữa P, Q, S được mô tả bằng một tam giác vuông (hình 1.32)
trong đó S là cạnh huyền, còn P và Q là 2 cạnh góc vuông P =Scosọ Q =Ssino S= JQ +P P, Q, S có cùng thứ nguyên, song đề phân biệt ta cho các đơn vị khác nhau: Don vi cua P: W, kW, MW Don vi cua Q: VAr, kVAr, MVAr Don vi cua S: VA, kVA, MVA 3.2.2 Nâng cao hệ số công suất
Trong biểu thức công suất tác dung P = Ulcos@, cose được coi là hệ số công suất Hệ số công suất phụ thuộc vào thông số của mạch điện Trong nhánh R, L, C nối tiếp: R P One = RK, Xe P+@ Hệ số công suất là chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng, có ý nghĩa rất lớn về mặt kinh tế như sau:
- Nâng cao hệ số công suất sẽ tận dụng tốt công suất nguồn (máy phát điện, máy biến áp, .) cung cấp cho tai Vi dụ: một máy phát điện có công suất định mức Sđ„ = 10000 kVA, nếu hệ số công suất của tải cose = 0,5 công suất tác dụng của máy phát cho tải P = Sam eosọ = 10000 0,5 = 5000 kW Nếu cosọ = 0,9 thì P = 10000 0,9 = 9000 kW R6 rang 1a khi cosọ cao máy phát ra nhiều công suất hơn | „ „
- Khi cân truyên tải một công suât P nhật định trên đường dây, thì dòng điện
P Ucosọ
hoặc cos@ =
chạy trên đường dây là: I=
Nếu coso cao thì dòng điện I sẽ giảm , dẫn đến giảm tốn hao điện năng, giảm điện áp rơi trên đường dây và có thể chọn dây dẫn tiết diện nhỏ hơn
Các tải trong nghiệp và sinh hoạt thường có tính điện cảm (cuộn dây
động cơ điện, máy biến áp, chấn lưu, .) nên cosọ thấp Dé nang cao cos@ ta
thường dùng tụ điện nối song song với tải (hình 1.33a)
Khi chưa bù (chưa có nhánh tụ điện) dòng điện sẽ chạy trên đường dây
bằng I, hệ số công suất của mạch (của tái) là coso
Khi có bù (có nhánh tụ điện) dòng điện chạy trên đây là: I=l: + l„
Và hệ số công suất của mạch là cose
Trang 30Từ đồ thị (hình 1.33b) ta thấy: I< l; @ < @¡ và cos@ > cos,
Hình 1.33: Sơ đồ và đồ thị cách đấu tụ song song với tải
Như vậy hệ số coso đã được nâng cao
Điện dung C cần thiết đề nâng hệ số công suất từ cosọ; lên cosọ được tính như sau: 'Vì công suất tác dụng của tải không đổi nên công suất phản kháng của mạch là: Khi chưa bù : Q¡=P.tgọi ` „ Khi có bù băng tụ điện (tụ điện cung câp QC): Q=Qi + QC = p.tgp: + QC =P.tgp Từ đó rút ra công suât QC của tụ điện là: QC = -P(gọ: - tgọ) (2-15)
Mặt khác công suât QC của tụ điện được tính là:
QC = - UCIC = - U.U.@C = - U@C (2-16)
So sánh (2-15) và (2-16) ta tính được điện dung C của bộ tụ điện là:
P
C= = 1z (80: - tg) (2-17)
3.3.Hệ thống dòng điện xoay chiều ba pha 3.3.1 Khái niệm
Mạch điện ba pha là mạch điện mà nguồn điện năng của nó gồm 3 suất điện động hình sin cùng tần số nhưng lệch nhau một góc œ nào đó Trong thực tế thường dùng điện năng ba pha gồm ba suất điện động hình sin cùng tần số, cùng biên độ, và
lệch nhau một góc 120” Nguồn ba pha như vậy được gọi là nguồn ba pha đối xứng Mỗi mạch một pha được gọi là pha của mạch ba pha Mạch ba pha bao gồm nguồn điện ba pha, đường dây truyền tải và các phụ tải ba pha
Ngày nay dòng điện xoay chiều 3 pha được sử dụng rộng rãi trong các ngành sản xuất vì:
- Động cơ điện ba pha có cầu tạo đơn giản và đặc tính tốt hơn động cơ điện một pha ~ Truyền tải điện năng bằng mạch điện ba pha tiết kiệm được dây dẫn, giảm bớt tôn thất điện năng và tôn thất điện áp so với truyền tải điện năng bằng dòng điện một pha
3.3.2 Nguyên lý sản sinh ra dòng điện xoay chiều ba pha
Trang 31a Sơ đồ cầu tạo
Để tạo ra dòng điện ba pha, người ta dùng các máy phát điện xoay chiều ba pha Loại máy phát điện trong các nhà máy điện hiện nay là máy phát điện
đồng bộ (hình 1.34) gồm:
- Ba dây cuốn ba pha đặt trong các rãnh của lõi thép stator (phần tĩnh)
Các dây cuốn này thường ký hiệu là AX (dây cuốn pha A), BY (dây cuốn
pha B), CY (dây cuốn pha C).Các dây cuốn của các pha có cùng số vòng dây và lệch nhau một góc 120° trong không gian
- Phần quay (còn gọi là rotor) là nam
châm điện N-S
Khi quay rotor, từ trường sẽ lần lượt quét qua các dây cuốn pha A, ị | Y Cc | Hình 1 34: Cấu tạo máy phát điện Z
pha B, pha C cua stator va trong dây cuốn pha stator xuất hiện sức điện động cảm ứng, sức điện động này có dạng hình sin cùng biên độ, cùng tần số góc œ
và lệch pha nhau một góc 273
b Nguyên lý làm việc
Khi làm việc rô to quay với tốc độ œ, từ trường rô to lần lượt quét qua
dây quấn stator làm cho mỗi dây quấn stator cảm ứng một suất điện động xoay chiều hình sin, các suất điện động này hoàn toàn giống nhau và lệch nhau 1202 ứng với 1/3 chu kỳ
Nếu chọn pha đầu của sức điện động e của đây cuốn AX bằng không thì
Trang 321.35b) vẽ đồ véc tơ của suất điện động 3 pha Cách nối đấu dây
Nếu mỗi pha của nguồn điện ba pha nối riêng rẽ với mỗi
pha của tải thì ta có hệ
thống ba pha không
liên hệ nhau
(hình 1.36)
Mỗi mạch điện như vậy gọi là một
pha của mạch điện ba Hình 1.36
pha.Mạch điện ba pha Cách nối dây mỗi pha nguồn, tải riêng rẽ
không liên hệ nhau cân
6 dây dẫn, không tiết kiệm nên thực tế không dùng.Thường ba pha của nguồn điện nối với nhau và có đường dây ba pha nối nguồn với tải, dẫn điện năng từ nguồn tới tải Thông thường dùng 2 cách nối: Nối hình sao ký hiệu là Y và nối hình
tam giác ký hiệu là A (xem các hình 3.4, 3.5 ở tiết tiếp theo)
Sức điện động, điện áp, dòng điện mỗi pha của nguồn điện (hoặc tải) gọi là sức điện động pha ký hiệu là Ep, điện áp pha ký hiệu là Up, dòng điện pha ký
hiệu 1a Ip
Dòng điện chạy trên đường dây pha từ nguồn điện đến tải gọi là dòng điện dây ký hiệu là Iạ, điện áp giữa các đường dây gọi là điện áp dây ký hiệu là Us
Các quan hệ giữa đại lượng pha và đại lượng dây phụ thuộc vào cách nối hình sao hay tam giác sẽ được xét kỹ ở các tiết tiếp theo
Mạch điện ba pha đối xứng:
Nguồn điện gồm a sức điện động hình sin cùng biên độ, cùng tần số
nhưng lệch pha nhau về pha 27/3, gọi là nguồn ba pha đối xứng Đối với nguồn đối xứng, ta có: €A+ep +ec~0 BA +Es+Ec=0 Tải ba pha có tổng trở phức của các pha bằng nhau Za =Z¿= Zc= Z gọi là tải ba pha đối xứng
Mạch điện ba pha gồm nguồn, tải và đường dây đối xứng nên gọi là mạch điện ba pha đối xứng (còn gọi là mạch ba pha cân bằng) Nếu không thoả mãn
điều kiện đã nêu gọi là mạch ba pha không đối xứng
Trang 33Ở mạch ba pha đối xứng, các đại lượng điện áp, dòng điện của các
pha sẽ đối xứng, có trị số hiệu dụng bằng nhau và lệch pha nhau 120°, tao thành các hình sao đối xứng và tổng của chúng bằng không
la+lp+lc=0
UA+Ug+Ucz0
Từ hình 3.3 ta thấy: Nói 6 dây đến 3 phụ tải nên không kinh tế, vì vậy ta
có cách nối hình sao (Y) và hình tam giác (A) 3.3.3.Cách đấu dây mach điện xoay chiều ba pha
3.3.3.1 Cách dấu dây theo sơ đồ hình sao
a Sơ đồ đấu dây
Mỗi pha của nguồn (hoặc tải) có đầu và cuối Thường quen ký hiệu
đầu pha là A, B, C, cuối pha là X, Y, Z Muốn nối hình sao ta nối ba điểm cuối
của pha với nhau tạo thành điểm trung tính (hình 1.37)
Đối với nguồn, ba điểm cuối X, Y, Z nối với nhau thành điểm trung tính (0) của nguồn
Đối với tải, ba điểm cuối X”, Y°, Z° nối với nhau tạo thành trung tính
(0”) của tải
Ba dây nối 3 điểm đầu A,A; B,B; C,C' của nguồn với 3 điểm đầu các pha của
tải gọi là 3 dây pha Mạch điện có 3 dây pha và một dây trung tính gọi là mạch 3 pha 4 dây
Qui ước:
- Dòng pha: Dòng điện chạy trong các pha của nguồn hoặc phụ tải, ký hiệu Ip " i
- Dong day: Dong dién Hinh 1.37 ©
chạy trong các dây pha, Mạch 3 pha nguồn và phụ tai dấu sao
ký hiệu lạ
- Điện áp pha: Điện áp của điểm đầu và điểm cuối của một pha nào đó (hoặc giữa một dây pha với dây trung tính), ký hiệu là: Up
- Điện áp dây: Điện áp giữa 2 đầu dây của các pha (hoặc giữa hai dây pha với
nhau), ký hiệu là Ủa
b Các quan hệ giữa dòng điện dây và dòng điện pha đối xứng
* Quan hệ giữa dòng điện dây và dòng điện pha
Dòng điện pha I, 14 dòng điện chạy trong mỗi pha của nguồn (hoặc tải) Dòng điện dây lạ chạy trong các pha dây nói từ nguồn tới tải Dây và các dòng điện
Trang 34này được ký hiệu trên hình 3.4 Nhìn vào mạch điện ta thấy quan hệ giữa dòng
điện dây và dòng điện pha như sau: lạ =1, (3-4)
* Quan hệ giữa điện áp dây và điện áp pha
Điện áp pha U, là điện áp giữa điểm đầu và điểm cuối của mỗi pha
(hoặc giữa điểm đầu của mỗi pha và điểm trung tính, hoặc giữa dây pha và dây trung tính)
Điện áp dây U¿ là điện áp giữa 2 điểm đầu của 2 pha (hoặc điện áp giữa 2
day pha), ví dụ điện áp dây Uap (giữa pha A và pha B), Uạc (giữa pha B và pha ©), Uca (giữa pha C và pha A)
Theo định nghĩa điện áp dây ta có:
UAp= UẠ- Ủp @-5a)
Ủpgc= Ug- Uc (3-5b)
Uer= Ue~ U5, (3-5c)
Để vẽ đồ thị vectơ điện áp dây, trước hết vẽ đồ thị vectơ điện áp pha Ua, Us,
Ức, sau đó dựa vào công thức (3-5) vẽ đồ thị vectơ điện áp dây như (hình 1.38) Xét tam giác OAB (hình 1.38) ta có: OB =2 OA cos 301 OB=20A [3 = V30A Ta thay d6 dai: OB = Ua độ dài: OA = U›, nên: Ua= V3U, (3-6) Trong đó: OB là điện áp dây Ua OA là điện áp pha Up Hình 1.38: Đồ thị véc tơ Từ đồ thị vectơ, ta thấy: khi điện áp pha đối xứng thì điện áp dây đối xứng - Về trị số hiệu dụng: Ua= v3U,
- Về pha: Điện áp dây vượt trước điện áp pha tương ứng một góc 30°
(Uap vuot trước UA một góc 30, Uạc vượt trước Upmột góc 30, Uca vượt trước Ủc một góc 30°)
- Khi tải đối xứng Iạ, Is, Ic tạothành hình sao đối xứng, dòng điện trong dây trung tính bang không: Iạ= lA+ Ig+ Ic =0
T- rong trường hợp này có thể không cần dây trung tính, ta có mạch ba pha ba dây
- Khi tái ba pha không đối xứng, ví dụ như tải sinh hoạt của khu tập thẻ, gia
đình, dây trung tính có dòng điện Iạ bằng: lạ= lA+ Ig + Ic
Trang 35Un = 220V Nguồn cung cấp điện cho tải R ba pha đối xứng (hình 1.39) Biết dòng điện dây Id = 10A Tính điện áp dây, điện áp pha của tải, dòng điện pha của dây và của nguồn Vẽ đồ thị vectơ Lời giải: Nguồn nối hình sao, áp dụng công thức (3-6) điện áp dây là: Ua = v3 Up =/3.220 = 380 V Tải nối hình sao, biết Uạ = 380 V, theo công thức (3-6) điện áp pha của tải là: Up,= U/ x3= 180//3= 220V
Nguồn nối sao, tải nối sao, áp dụng công thức (3-5): Dòng điện pha nguồn: lpạ = lạ = 10A
Dòng điện pha của tải: lp, = lạ = 10 A
Vi tai thuần điện trở R nên điện áp pha của tải trùng pha với dòng điện pha của Hình 1.39: a Mạch 3 pha đối xứng b Đồ thị véc tơ tai Tp
(hình 1.39b).4.2 Cách dấu dây theo sơ đồ hình tam giác
3.3.3.2 Cách dấu dây theo sơ đồ hình tam giác
a Sơ đồ đấu dây: Muốn đấu hình tam giác ta lấy đầu pha này nối với cuối pha
kia, vi dụ A nối với Z„ B nối với X, C nối với Y (hình 3.7) Cách nối tam giác
không có dây trung
tính
b Các quan hệ giữa đại lượng dây và
Trang 36thường quen quy ước: Chiều dương dòng điện các pha Ip của nguồn ngược chiều quay kim đồng hồ, chiều dương dòng điện pha của tải cùng chiều quay
kim đồng hồ (hình 1.40)
*Quan hệ giữa điện áp dây và điện áp pha Nhìn vào mạch điện nối tam giác ta thấy:
UỦ¿= Up @-7)
*, Quan hệ giữa dòng điện dây và dòng điện pha
Áp dụng định luật Kiêcshôp 1 tại các nút, ta có:
Tại nút A: la = lap - Ica (3- 8a)
Tai nut B: Ip = Lạc - LcA (3- 8b) Tại nút C: I¢ = Ica - Ipc (3- 8c)
Dòng dién Ig, Ip, Ic chạy trên các dây pha &
từ nguồn đền tải là dòng điềm dây la Dong tiến Hình 1.41: Đồ thị véc tơ
Tas, Isc, lca chạy trong các pha là dòng điện nối tam giác pha, léch pha véi dién 4p Uap, Upc, Uca mét
géc @ (hình 3.8) Để vẽ dòng điện day Ia, Ip, Ic ta dựa vào phương trình 3-7
'Vectơ lap cộng với vectơ(-Iac) ta có vectơ la; Quá trình tương tự ta vẽ lạ, lc
Đồ thị vecto dòng điện pha lap, Inc, Ica va dong điện dây Ia, Ip, Ic vé trén (hình 1.41) Xét tam giác OEE: OF = 20E cos 30° = /3 0E lạ = V31, OF là dòng điện dây lạ OE là dòng điện pha Ip Từ đồ thị vectơ ta thấy: Khi dòng điện pha đối xứng thì dòng điện dây đối xứng Về trị số hiệu dung: I, = V3 I,
Về pha: Dòng điện dây chậm sau dòng điện pha tương ứng góc 30” (I, cham
pha lap một góc 30°, Ip cham pha lạc một góc 30°, Ic cham pha lca một góc
30°)
Ví dụ: Một mạch điện ba pha, nguồn điện nối sao, tải nối hình tam giác Biết
Trang 37b) Hãy xác định dòng điện pha và điện áp pha của tải IPt, UPt Lời giải:
a) Sơ đồ nối dây mạch điện vẽ ở (hình 1.42)
b) Vì nguồn nối hình sao nên
dòng điện dây bằng dòng điện pha lạ=lạ=20 A Điện áp đây bằng ^/3 lần điện áp pha nguồn: Ua= V3 Upn =V3.2 = 3,464 kV A I, A
Vì tải nói hình tam giác nên điện áp 1# — LAUp pha của tải Up, bằng điện áp đây: = ; Us x Up: = Us = 3,464 kV ` ” ` +n ae ` g SAB B Dòng điện pha của tải nhỏ hơn dòng 1, ¢ Tx điện dây x3 lần T In = Ty/V3 = 20/V3= 11,5474 Hình U42 CHƯƠNG 4: VẬT LIỆU ĐIỆN 4.1 Vật liệu đẫn điện 4.1.1 Định nghĩa
La chất có vùng tự do nằm sát với vùng đây, thậm chí có thể chồng lên
vùng đây Vật dân điện có sô lượng điện tử tự do rât lớn, ở nhiệt độ bình c
thường, các điện tử hóa trị trong vùng đây có thê chuyên sang vùng tự do rât dễ
đàng dưới tác dụng của lực điện trường, các điện tử tự do này tham gia vào
dòng điện dẫn Chính vì vậy vật dân có tính dân điện tot 4.1.2 Đặc tính của vật dẫn điện
_ Khi nghiên cứu đặc tính dẫn điện của vật liệu cần quan tâm đến các tính
chât cơ bản sau:
a.Điện dẫn suất và điện trở suất
Điện dẫn suất hay điện trở suất của vật liệu tính theo biểu thức sau:
Trang 38y= | omm?
p
Trị số nghịch đảo của điện dẫn suất Y gọi là điện trở suất Ð
Nếu vật dẫn có tiết diện không đổi S và độ dài L thì
S
p =R— *
Don vi của điện trở suất là: Qmm?
b Hệ số nhiệt của điện trở suất
Điện trở suất của kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ trong khoảng nhiệt độ
hẹp, quan hệ giữa điện trở suất và nhiệt độ gần như đường thẳng, giá trị điện trở
suất ở cuối đoạn nhiệt độ At có thể tính theo công thức sau
0; =p;L+u,AI|
ĐI Điện trở suất đo ở nhiệt độ °
P 2 biện trở suất đo ở nhiệt độ ban đầu tụ
œ p Hệ số nhiệt của điện trở suất
Hệ số nhiệt của điện trở suất nói lên sự thay đổi điện trở suất của vật liệu
khi nhiệt độ thay đôi
c Nhiệt dẫn suất
Nhiệt dẫn suất của kim loại dẫn điện có quan hệ với điện dẫn suất kim
loại, các kim loaik khác nhau ở nhiệt độ bình thường với điện dân suât tính
băng S/m còn nhiệt dân suát tính băng w/độ.m
d Hiệu điện thế tiếp xúc và sức điện động
Khi cho hai kim loại khác nhau tiếp xúc thì giữa chúng phát sinh hiệu điện thê, nguyên nhân sinh ra hiệu điện thê tiêp xúc là cơng thốt điện tử của
kim loại khác nhau đồng thời do sô điện tử tự do khác nhau mà áp lực khi điện
tử ở kim loại khác nhau có thê không giông nhau
e Hệ số nhiệt độ đãn nở đài của vật dan kim loại
Hệ số dãn nở nhiệt theo chiều dài của vật dẫn kim loại là trị số của hệ số
dan né dai theo nhiệt độ và nhiệt độ nóng chảy Khi hệ sô cao sẽ dễ nóng chảy,
Trang 39f Tinh co hoc của vật liệu
Tinh chất cơ học hay còn gọi là cơ tính là khả năng chống lại tác dụng
của lực bên ngoài tác dụng lên kim loại
Cơ tính của kim loại bao gồm tính đàn hồi, tính dai, độ cứng chịu được
va chạm và độ chịu mài mòn
4.1.3 Một số vật dẫn điện thông dụng
a.Đồng ( Cu)
Đồng là vật liệu quan trọng nhất trong tất cả các vật liệu dẫn điện được dùng trong kỹ thuật điện vì nó có điện dân suât, nhiệt dân suât lớn ( sau bạc), nó có sức bền cơ khí lớn, chống lại sự ăn mòn khí quyền và có tính đàn hồi cao
Vì vậy đồng trở thành vật liệu quan trọng nhất để sản xuất dây điện và nó là kim loại hiêm, chỉ chiêm 0,01% trong lòng đât
Đồng là kim loại màu đỏ nhạt, nó có điện dẫn suất, nhiệt dẫn suất cao, có sức bền cơ khí tương đối lớn, dễ dát, dễ vuốt dãn, dễ gia công khi nóng và -
nguội, có sức bên lớn khi va đập và ăn mòn, có sức đề kháng cao với thời tiệt
xâu và có khả năng tạo thành hợp kim tốt đông thời có khả năng hàn gắn tot Trọng lượng riêng 6 200° C : 8,90kg/dm*
Nhiệt độ nóng chảy: 1083°C
Do đặc tính về cơ và điện đặc biệt của đồng, đồng thời nó có sức bền cao
ở thời tiết xâu nên đồng là kim loại được sử dụng phô biên trong kỹ thuật điện như trong kêt cầu máy điện, máy biên thê, làm dây dân điện cho đường dây
điện trên không, dây tải điện, dùng trong các khí cụ điện, trong thiết bị điện,
trang thiết bị vô tuyến viễn thông b.Hợp kim đồng thanh
Đồng thanh là hợp kim của đồng có thêm một số kim loại khác để tăng cường độ cứng, tăng sức bên và dê nóng chảy theo các vật liệu thêm vảo
- Đồng thanh — thiếc: là hợp kim của đồng và thiếc, đôi khi thêm vào một số
kim loại khác đê làm thay đôi các tính chât cơ, hóa học, chúng tạo lên sức bên
chông ăn mòn
- Đồng thanh — thiếc — kẽm: ( Thiếc 3 — 9%; kẽm 4 — 11%) - Đồng thanh- thiếc hoặc đồng thanh -chì-thiếc( chì 4-17%) - Đồng thanh không thiếc( AL, Mn,Ni) trong đó đồng chiếm 78%
Đồng thanh được sử dụng trong chế tạo máy và các khí cụ điện, để gia công các chi tiết, nôi dây dân, giữ dây, vòng đầu dây, hệ thông nôi đât, đê chê tạo cô
góp điện, giá đỡ chối than, các tiếp điểm ổ cắm c.Hợp kim đồng thau:
Trang 40Ứng dụng: Để gia công các chỉ tiết dẫn dòng điện như các đầu cọc, bảng
phân phôi, phích căm, đui đèn
d.Nhém ( AL )
Sau vật liệu đồng, nhôm là vật liệu quan trọng thứ 2 được sử dụng trong kỹ
thuật điện vì nó có điện dân suât cao( chỉ thua bạc và đông), trọng lượng riêng giảm, tính chât vật lý và hóa học cho ta kha nang dung nó làm dây dân điện Nhưng nhôm có nhược điêm là sức bên cơ khí tương doi bé va kho khan trong
việc thực hiện tiêp xúc điện Nhôm là vật liệu có rât nhiêu trong trái đât (
Chiêm khoảng 7,5%)
Nhôm dùng trong công nghiệp phụ thuộc vào mục đích của nó, theo các tiêu chuân nước ngoài thì nhôm sử dụng làm dây dân điện phải gỗm:
+ Nhôm tỉnh khiết tối thiểu 99,5%
+ Sắt — silic : 0,45%
+ Đồng- kem: 0,05%
Nhôm được dùng để chế tạo điện cực tụ điện phải có độ tinh khiết cao mà
tạp chât tôi đa không quá 0,05%
Nhôm có các đặc tính chung sau: Nhôm là kim loại có màu trắng bạc,
nhẹ, dê dát mỏng, vuốt dãn, có thê gia công dê dàng khi nóng và nguội, dễ kéo sợi, nhôm rât bên vững không chịu ăn mòn của môi trường không khí, nước ngọt Nhôm là kim loại rất mềm, ít kháng khí va chạm và xây xát khi kéo và cat Nhôm dễ phá hủy trong môi trường muối HCL, H; SO¿ Nhôm khó hàn nối Trọng lượng riêng ở 200°C: 2,7kg/dm” Nhiệt độ nóng chảy: 6570%C
Nhôm có công dụng sau:
- Do tinh chat cơ, điện và nhôm có sức đề kháng cao với thời tiết xấu và
nhôm có trong thiên nhiên nhiêu nên nhôm được dùng phô biên trong kỹ thuật điện, dê chê tạo