Giáo trình Mạch điện - Trường Trung cấp nghề Củ Chi

Giáo trình Mạch điện được biên soạn với nội dung gồm 4 chương. Chương 1: Các khái niệm cơ bản trong mạch điện; Chương 2: Mạch điện một chiều; Chương 3: Dòng điện xoay chiều hình Sin; Chương 4: Mạch điện ba pha. Mời các bạn cùng tham khảo giáo trình để nắm được nội dung chi tiết nhé!

CHƯƠNG CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG MẠCH ĐIỆN Giới thiệu: Để khảo sát thiết bị điện cần phải tìm qui luật qui luật tượng, trình điện từ xảy thiết bị xác định thơng số trạng thái, thơng số đặc trưng q trình, đồng thời tìm cách mơ tả qui luật phương trình liên hệ thơng số, để có việc ta đưa mơ hình mạch mạch điện vào để đánh giá Mục tiêu: -Phân tích nhiệm vụ, vai trị phần tử cấu thành mạch điện như: nguồn điện, dây dẫn, phụ tải, thiết bị đo lường, đóng cắt - Giải thích cách xây dựng mơ hình mạch điện, phần tử mạch điện Phân biệt phần tử lý tưởng phần tử thực - Phân tích giải thích khái niệm mạch điện, hiểu vận dụng biểu thức tính tốn - Rèn tính cẩn thận, phương pháp học tư nghiêm túc cơng việc Nội dung chính: 1.1 Mạch điện mô hình 1.1.1 Mạch điện Mạch điện tập hợp thiết bị điện nối với dây dẫn tạo thành vịng kín để dịng điện chạy qua Mạch điện gồm ba phần bản: Nguồn điện, phụ tải dây dẫn Ví dụ: Sơ đồ mạch điện đơn giản Rd + _ E I Rt ro Hình 1.1 Sơ đồ mạch điện đơn giản * Nguồn điện: Là thiết bị biến đổi dạng lượng năng, hóa v.v… thành điện Ví dụ: Máy phát điện, pin, ắc qui v.v… - Ký hiệu: + E + _ r0 E _ r0 Hình 1.2 Ký hiệu nguồn điện Trong đó: - E sức điện động nguồn điện, có chiều từ (-) nguồn (+) nguồn - ro điện trở nguồn (nội trở) - Dòng điện nguồn điện tạo có chiều trùng với chiều sức điện động E * Dây dẫn: Để dẫn dòng điện từ nguồn tới nơi tiêu thụ, thường dây đồng nhôm * Phụ tải : Là thiết bị tiêu thụ điện năng, biến đổi điện thành dạng lượng khác năng, nhiệt năng, quang v.v… Ví dụ: Động điện, đèn điện, bàn điện v.v… Khi tính tốn, phụ tải đèn điện, bàn điện v.v… biểu diễn điện trở R (Hình 1-3.a), cịn phụ tải động điện biểu diễn điện trở ro nối tiếp với sức điện động E có chiều ngược với chiều dịng điện I chạy mạch (Hình 1-3.b) + E _ R r0 I a b Hình 1.3 Ký hiệu phụ tải * Ngồi mạch điện cịn có phần tử phụ trợ thiết bị đóng cắt ( Cầu dao, rơ le…), thiết bị bảo vệ( Cầu chì, áp tơ mát…), thiết bị đo lường (Vơn kế, Ampe kế…) 1.1.2: Các tượng điện từ Các tượng cảm ứng điện từ nhiều vẻ, tượng chỉnh lưu, biến áp, khuếch đại… Tuy nhiên xét theo quan điểm lượng q trình điện từ mạch điện quy hai tượng lương : -Hiện tượng biến đổi lượng -Hiện tượng tích phóng lượng điện từ… 1.1.3: Hiện tượng biến đổi lượng Hiện tượng biến đổi lượng chia làm hai loại loại: -Hiện tượng nguồn : tượng biến đổi từ dạng lượng khác năng, hóa năng, nhiệt … thành lượng điện từ -Hiện tượng tiêu tán: tượng biến đổi lượng điện từ thành dạng lượng khác nhiệt, cơ, quang, hóa …tiêu tán khơng hồn trở lại mạch 1.1.4 Hiện tượng tích phóng lượng điện từ Hiện tượng tích phóng lượng điện từ tưởng lượng điện từ tích vào vùng khơng gian có tồn trường điện từ đưa từ vùng trở lại bên ngồi Để thuận tiện cho việc nghiên cứu người ta coi tồn trường điện từ thống gồm hai mặt thể hiện: + Trường điện trường từ Vì tượng tích phóng lượng điện từ gồm tượng tích phóng lượng trường từ tượng tích phóng lượng trường điện Bởi dịng điện trường điện có liên quan chặt chẽ với nên thiết bị điện xẩy hai tượng biến đổi tích phóng lượng thiết bị tưởng lượng xẩy mạch so với tưởng lượng + Ví dụ: Trong tụ điện , tượng lượng chủ yếu xẩy tượng tích phóng lượng trường điện ngồi điện mơi hai cực tụ có độ dẫn hữu hạn nên tụ xẩy tượng tiêu tán biến điện thành nhiệt Trong cuôn dây xẩy chủ yếu tượng tích phóng lượng trường từ ngồi dịng điện dẫn gây tổn hao nhiệt dây dẫn cuộn dây nên cuộn dây xẩy tượng tiêu tán Trong cuộn dây xẩy tượng tích phóng lượng trường điện thường yếu bỏ qua tần số làm việc (và tốc độ biến thiên trường điện từ ) không lớn Trong điện trở thực ,hiện tượng chủ yếu xẩy tượng tiêu tán biến đổi lượng trường từ thành điện năng.nếu trường điện từ biến thiên khơng lớn ,có thể bỏ qua dịng điện dịch (giữa vòng dây quấn lớp điện trở ) so với dòng điện dẫn bỏ qua sức điện động cảm ứng so với sụt áp điện trở, nói cách khác bỏ qua tượng tích phóng lượng điện từ Trong ăc qui xẩy nguồn biến đổi từ hóa sang điện ,đồng thời xẩy tượng tiêu tán 1.1.5 Mơ hình mạch điện Mơ hình mạch dùng lý thuyết mạch điện, xây dựng từ phần tử mạch lý tưởng sau đây: 1.1.5.1 Phần tử điện trở : Là phần tử đặc trưng cho tượng tiêu tán lượng điện từ Kí hiệu phần tử điện R i + u - Hình 1.4 Phần tử điện trở Quan hệ dòng áp hai cực phần tử điện trở dạng u=Ri R thơng số mạch điện đặc trương cho tượng tiêu tán lượng, gọi điện trở Ta biết dòng điện dịng điện tích chuyển dời có hướng, di chuyển vật dẫn điện tích va chạm với phân tử, nguyên tử truyền bớt động cho chúng Đại lượng đặc trưng cho mức độ va chạm gọi điện trở vật dẫn Ký hiệu: R R   l S Trong đó: -  điện trở suất vật dẫn (mm2/m = 10-6m) - l chiều dài (m) - S tiết diện (mm2) Vậy: Điện trở vật dẫn tỷ lệ thuận với chiều dài, tỷ lệ nghịch với tiết diện phụ thuộc vào vật liệu làm nên vật dẫn Đơn vị: (Ơm) Các ước số bội số  là: m, , M, K 1 = 10-6M 1 = 10-3K 1 = 103m 1 = 106 * Nghịch đảo điện trở gọi điện dẫn: g g 1 S S    R  l l Trong đó: -  điện dẫn suất (Sm/mm2),  = 1/ Điện dẫn suất phụ thuộc vào chất dẫn điện tứng vật liệu, điện dẫn suất lớn vật đẫn điện tốt Đơn vị: S (Simen) (1S = 1/) 1.1.5.2 Phần tử điện cảm : Là phần tử đặc trương cho tượng tích phong lượng trường từ L Kí hiệu: i + u - Hình 1.5 Phần tử điện cảm Quan hệ dịng áp phần tử điện cảm thường có dạng u  L di dt L thông số mạch điện đặc trưng cho tượng tích phong lượng trường từ gọi điện cảm - Khi dòng điện qua cuộn dây biến thiên từ thơng móc vịng () cuộn dây thay đổi, tỷ số /I số, gọi hệ số tự cảm hay điện cảm cuộn dây Ký hiệu: L L  I Trong đó: - I dịng điện chạy qua cuộn dây (A) -  từ thơng móc vịng cuộn dây(Wb) Đơn vị: H (Henry) Các ước số H là: mH, H 1H = 103mH 1H = 106H - Điện cảm đại lượng đặc trưng cho khả luyện từ cuộn dây (trao đổi tích lũy lượng từ trường cuộn dây) 1.1.5.3 Phần tử điện dung: Là phần tử đặc trưng cho tượng tích phóng lượng trường điện C i + u - Hình 1.6 Phần tử điện dung: Quan hệ dòng điện điện áp thường có dạng i=Cdu/dt C gọi điện dung thông số mạch điện đặc trương cho tượng tích phóng lượng trường điện Ta biết điện luôn tỷ lệ với điện tích gây điện trường Khi điện tích vật dẫn nhiễm điện tăng lên điện vật tăng theo, tỷ số điện tích điện vật ln số Tỷ số đặc trưng cho khả tích điện vật gọi điện dung vật dẫn Vậy: Điện dung vật dẫn đại lượng đo tỷ số điện tích vật dẫn điện nó, đại lượng đặc trưng cho khả tích điện vật dẫn Ký hiệu: C Trong đó: C q  - q điện tích vật dẫn ( C) -  điện vật dẫn (V) - C điện dung vật dẫn Đơn vị: F (Fara) Các ước số F là: F, nF, pF 1F = 106F 1F = 109nF 1F = 1012pF 1.1.5.4 Phần tử nguồn : Là phần tử đặc trưng cho tượng nguồn Phần tử nguồn gồm loại Phần tử nguồn áp phần tử nguồn dịng Phương trình trạng thài phần tử nguồn áp có dạng u(t) = e(t), đố e(t) khơng phụ thuộc dịng i(t) chảy qua phần tử gọi sức điện động Phương trình trạng thái phần tử nguồn dịng có dạng i(t) = j(t0 j(t) khơng phụ thuộc áp u(t) cực phần tử e(t) j(t) thông số mạch điện đặc trưng cho tượng nguồn, đo khả phát nguồn R, L, C, e, j thông số mạch điện, đặc trương cho chất trình điện từ ( tiêu tán, tích phóng lượng điện trường từ trường tượng nguồn) Các phần tử điện trở, điện cảm, điện dung, nguồn áp, nguồn dòng phần tử lý tưởng mạch điện Chúng phần tử cực, ngồi để tiện lợi xác mơ hình phần tử thực có nhiều cực như: transistor, khuếch đại thuật tốn, biến áp… Người ta cịn xây dựng thêm phần tử lý tưởng nhiều cực như: phần tử nguồn phụ thuộc, phần tử có Z hỗ cảm, máy biến áp lý tưởng… Bao gåm tất thiết bị điện để biến đổi dạng l-ợng khác nh-: Cơ năng, hoá năng, nhiệt năng, thuỷ thành điện Ví dụ : + Pin, ắc quy: Biến đổi hoá thành điện + Máy phát điện: Biến đổi thành điện + Pin mặt trời biến đổi l-ợng xạ mặt trời thành điện KÝ hiƯu: E, e Đơn vị : V (Vôn) Các ước số bội số V là: V, mV, KV, MV V = 10-6V 1mV = 10-3V 1KV = 103V 1MV = 106V 1.1.5.5 Phần tử thực Một phần tử thực mạch điện mơ hình gần hay tập hợp nhiều phần tử mạch lý tưởng ghép nối với theo cách để mơ tả gần hoạt động phần tử thực tế Hình mơ hình phần tử thực điện trở, tụ điện, cuộn dây Các phần tử lý tưởng điện cảm L, điện dung C, điện trở R theo thứ tự phản ánh trình điện từ xẩy cuộn dây, tụ điện, điện trở thực Ngoài điều kiện cụ thể phải lưu ý đến trình phụ xẩy phần tử thực cách bổ sung thêm vào mơ hình phần tử phụ tương ứng Trong mơ hình cuộn dây, ngồi phần tử điện cảm L đặc trương cho trình cuộn dây q trình tích phóng lượng trường từ, nhiều trường hợp cần lưu ý đến điện trở rL phản ánh tổn hao lượng cuộn dây lõi thép tần số cao cịn phải kể đến điện dung kí sinh vịng dây Mơ hình tụ điện đa số trương hợp gồm phần tử điện dung C điện trở rC, phần tử điện dung phần tử quan trọng đặc trưng cho trình chủ yếu tụ điện trình tích phóng lượng trường điện, cịn điện trở r C tính đến tổn hao điện mơi Nếu tần số làm việc cao phải lưu ý đến điện cảm lC dây nối Ơ tần số cao mơ hình điện trở thực phải lưu ý điến tham số điện cảm Lr điện dung Cr mà đa số trường hợp bỏ qua Mỗi phần tử mạch lý tượng tương ứng với cách biểu diện hình học ví dụ: hình 1-7 R i + u a) điện trở L i - + i u b) điện cảm - C + u dung c) điện e i j i + + u + - d) nguồn áp u - e) nguồn dịng Hình 1.7 Phần tử thực 1.2 Các khái niệm mạch điện 1.2.1 Dòng điện chiều quy ước dòng điện * Khái niệm Trong vật dẫn (kim loại hay dung dịch điện ly), phần tử điện tích (điện tử tự do, ion +, ion -) chuyển động nhiệt theo hướng số phần tử trung bình qua đơn vị tiết diện thẳng vật dẫn Khi đặt vật dẫn điện trường, tác dụng lực điện trường làm cho điện tích chuyển dời thành dịng, điện tích +q chuyển dịch từ nơi có điện cao đến nơi có điện thấp, cịn điện tích –q dịch chuyển ngược lại, tạo thành dòng điện Vậy: Dịng điện dịng chuyển dời có hướng điện tích tác dụng lực điện trường * Chiều dòng điện: Qui ước chiều dòng điện trùng chiều dịch chuyển điện tích (+) Nghĩa mạch ngồi, dịng điện từ nơi điện cao đến nơi điện thấp * Điều kiện để có dịng điện: Hai đầu dây dẫn hay vật dẫn phải có hiệu điện ( điện áp) Thiết bị trì điện áp nguồn điện Vậy muốn trì dịng điện vật dẫn phải nối chúng với nguồn điện (pin, ăc qui, máy phát…) 1.2.2 Cường độ dòng điện: Đại lượng đặc trưng cho độ lớn dòng điện gọi cường độ dòng điện - Kí hiệu: I Cường độ dịng điện lượng điện tích dịch chuyển qua tiết diện thẳng dây dẫn đơn vị thời gian I q t Trong đó: q: điện tích qua tiết diện thẳng (C) t : thời gian (s) - Đơn vị: A(Ampe) Các ước số bội số A là: A, mA, KA, MA A = 10-6A 1mA = 10-3A 1KA = 103A 1MA = 106A - Nếu lượng điện tích di chuyển qua vật dẫn khơng theo thời gian tạo dịng điện có cường độ thay đổi(dòng điện biến đổi) I q t - Nếu lượng điện tích di chuyển qua vật dẫn theo hướng định, với tốc độ không đổi tạo dòng điện chiều(dòng điện chiều) Dòng điện chiều dịng điện có chiều trị số khơng đổi theo thời gian 1.2.3 Mật độ dịng điện Mật độ dòng điện trị số dòng điện đơn vị diện tích - Ký hiệu: J - Đơn vị: A/ mm2 1.3 Các phép biến đổi tương đương 1.3.1 Nguồn áp ghép nối tiếp - Thực cần tăng điện áp cung cấp cho tải - Giả sử có n nguồn giống (E, r0), ghép nối tiếp nguồn (Hình 1.8): Ebộ = n.E r0bộ = n r0 +- +- E + … + - - U B A Hình 1.8 Nguồn áp ghép nối tiếp 1.3.2 Nguồn dòng ghép song song +E+ - + + A - U B Hình 1.9 Nguồn dịng ghép song song - Thực cần tăng dòng điện cung cấp cho tải Giả sử có n nguồn giống (E, r0), ghép song song nguồn (Hình 1.9) Ebộ = E r0bo = r0 n 1.3.3 Điện trở ghép nối tiếp, song song 1.3.3.1 Ghép nối tiếp (ghép không phân nhánh) Là cách ghép cho có dịng điện chạy qua phần tử (Hình 1.10 a) I R1 + … R2 U R1 Rn I - R2 a) Rn + A U B b) Hình 1.10 Điện trở ghép nối tiếp, song song - Dòng điện: I = I1 = I = … = I n - Điện áp: U = U1 + U + … + U n - Điện trở: R = R1 + R + … + R n 1.3.3.2 Ghép song song (ghép phân nhánh) Là cách ghép cho tất phần tử đặt vào điện áp (Hình 1.10.b) - Điện áp: U = U1 = U = … = U n - Dòng điện: I = I1 + I + … + I n - Điện trở: n 1 1     R R1 R2 Rn i 1 Ri * Bài tập: Có ba nguồn điện có E = 1.5 V, ro = 1, cần ghép nối tiếp nguồn điện? Khi cần ghép song song nguồn điện? Hãy tính nguồn tổng trường hợp? * Ngồi cịn đấu hỗn hợp điện trở - Là kết hợp đấu nối tiếp đấu song song Ví dụ: Có ba điện trở R1, R2, R3, thực đấu hỗn hợp Hình 1.11.a R2 R1 R3 a) R1 R23 b) Hình 1.11 Điện trở ghép hỗn hợp * Cách giải: + Đưa mạch điện phân nhánh mạch điện không phân nhánh cách thay nhánh song song nhánh có đien trở tương đương ( Hình 1.11.b) + Ap dụng định luật Ơm cho mạch khơng phân nhánh để tìm dịng điện mạch + Tìm dịng điện nhánh 1.3.4 Biến đổi – tam giác ( - ) - Đấu (): cách đấu điện trở có đầu đấu chung, đầu lại đấu với điem khác mạch (Hình 1.12.a) A A RA C C RAB RCA RB RC RBC B B b a Hình - 14 Hình 1.12 Biến đổi – tam giác - Đấu tam giác (): cách đấu điện trở thành tam giác kín, cạnh tam giác điện trở, đỉnh tam giác nút mạch điện nối tới nhánh khác mạch điện (Hình 1.12.b) Trong nhiều trường hợp việc thay đổi điện trở đấu hình tam giác thành điện trở đấu hình tương đương ngược lại làm cho việc phân tích mạch điện dễ dàng Điều kiện để biến đổi không làm thay đổi dòng điện, điện áp phần mạch điện lại 1.3.4.1 Biến đổi – tam giác ( - ) - Công thức biến đổi từ hình sang hình tam giác: 10 3.3.3.2 Ý nghĩa Trong thực tế, người ta tìm cách để nâng cao cos phụ tải vì: + Nâng cao cos tận dụng khả làm việc máy điện thiết bị điện: P=S cos Ví dụ: Một máy phát điện có Sđm = 1.000KVA - Nếu cos = 0.7 cơng suất định mức phát ra: Pđm = Sđmcos = 7.000KW - Nếu nâng cos =0.9 Pđm = 9.000KW + Nâng cao cos tiết kiện vốn đầu tư xây dựng đường dây giảm tổn thất điện truyền tải Mỗi phụ tải cần cơng suất tác dụng P định, dòng điện chạy đường dây là: I P Ucos Nếu cos nhỏ dịng điện truyền tải lớn, phải dùng dây dẫn có tiết diện lớn, tốn kim loại màu đồng thời gây tổn thất lượng A=I2Rt, làm giảm hiệu suất truyền tải đường dây Nếu cos lớn dịng điện truyền tải nhỏ, cần dây dẫn có tiết diện nhỏ hơn, tổn thất điện giảm 3.3.3.3 Biên pháp nâng cao cos Ta có: cos  P  S P P  Q2 Muốn nâng cao cos, phải giảm công suất phản kháng Q *Biện pháp chủ động: Giảm công suất phản kháng tải cách: - Thay đổi, cải tiến quy trình cơng nghệ để thiết bị điện làm việc chế độ hợp lý - Thay động làm việc non tải động có cơng suất nhỏ - Giảm điện áp đặt vào cực động thường xuyên non tải - Hạn chế động chạy non tải - Nâng cao chất lượng sữa chữa động - Thay mba làm việc non tải mba có dung lượng nhỏ - Dùng động đồng thay động không đồng *Biện pháp bị động: - Sản xuất công suất phản kháng nơi tiêu thụ để không chuyên chở đường dây - Có thể dùng máy bù đồng tụ điện * Phương pháp dùng tụ điện nối song song với phụ tải 58 IC I It U R IC C a t b  I U It Hình 3.24 Nâng cao cos + Khi chưa mắc tụ: I = It chậm pha sau u góc t cos = cost, cost hệ số công suất tải + Khi mắc tụ: I = It + I c Do Ic sớm pha U góc /2 nên I lúc chậm pha sau U góc  cost (Hình – 24.b ) + Công thức chọn điện dung tụ: C P ωU (tg t  tg ) BÀI TẬP CHƯƠNG Câu Dòng điện xoay chiều gì, Chu kỳ tần dịng điện xoay chiều, đơn vị, cơng thức tính tốn? Câu Trình bày mạch điện xoay chiều điện R, L, C cho biết quan hệ dòng điện điện áp nó? Câu Cho biết ý nghĩa biên pháp nâng cao hệ số công suất cos Bài tập Máy phát điện có tốc độ làm việc định mức 1000 vòng/phút, tần số dòng điện phát 50Hz Tìm số cực máy Nếu làm việc máy đạt tốc độ 985 vịng/phút tần số dòng điện bao nhiêu? f  P.n ( Hz ) 60 (1) Từ (1) ta co P = 60f/n= P Máy có đơi cực Nếu tóc độ quay đạt 985vong/puht tần số máy F=3.985/60=49,25hz Tóm tắt: n=1000vong/phut f=50Hz Tìm f 59 Bài tập Một bóng đèn có ghi 220V-100W mắc vào mạch điện xoay chiều có điện áp là: u = 231 sin314t  30  Hãy xác định: a) Dịng điện qua bóng? b) Cơng suất tiêu thụ bóng? c) Điện mà bóng tiêu thụ 4giờ? d) Viết biểu thức tức thời dòng điện? Bài tập Cuộn dây có điện trở 10, điện kháng 15,7 mắc vào mạch điện xoay chiều tần số 50Hz, dịng điện qua 6A tìm điện áp nguồn, tổng trở, trị số điện cảm cuộn dây hệ số công suất mạch? Bài tập Một cuộn dây có điện trở điện cảm mắc vào mạch điện xoay chiều tần số 50Hz đồng hồ đo U = 65V, I = 5A, P = 125W Tìm điện trở điện cảm cuộn dây? Bài tập Cho mạch điện gồm điện trở R = 3 nối tiếp với tụ điện C = 80F, đặt vào điện áp xoay chiều u =110 sin314t  100  V Tìm biểu thức dịng điện nhánh, cơng suất điện trở tụ điện , thành phần công suất? Cho mạch điện có R = 7 nối tiếp với cuộn dây có L = 0,08H tụ điện C = 150F, đặt vào điện áp xoay chiều 220V, tần số 50Hz Tìm dịng điện mạch, thành phần tam giác điện áp, tam giác công suất vẽ đồ thị véc tơ? Cho mạch điện có R = 11 nối tiếp với cuộn dây có L = 0,318H tụ điện C = 31,8F, đặt vào điện áp xoay chiều 220V, tần số biến thiên a) Với tần số có cộng hưởng điện áp? b) Khi có cộng hưởng dòng điện điện áp thành phần mạch bao nhiêu? Vẽ đồ thị véc tơ? cho lưới điện xoay chiều điện áp 300V cung cấp cho phụ tải có tính chất điện cảm P = 72W, cost = 0,6 Muốn đưa cost = 0,8 phải mắc tụ bù có trị số bao nhiêu? Vẽ đồ thị mắc dây tụ điện đồ thị véc tơ? 60 CHƯƠNG MẠCH ĐIỆN BA PHA Giới thiệu: Trong chương giới thiệu khái niệm ý nghĩa, đặc điểm mạch xoay chiều ba pha, dạng sơ đồ đấu dây mạng ba pha, dạng toán mạng ba pha cân Mục tiêu: - Phân tích khái niệm ý nghĩa, đặc điểm mạch xoay chiều ba pha - Phân tích vận dụng dạng sơ đồ đấu dây mạng ba pha - Giải dạng toán mạng ba pha cân - Phát huy tính tích cực, chủ động sáng tạo học tập Nội dung chính: 4.1 Khái niệm chung Ngày điện sử dụng công nghiệp dạng dịng điện xoay chiều ba pha hình sin Trong công nghiệp dùng động điện ba pha có cấu tạo đơn giản đặc tính làm việc tốt loại động điện pha Mặt khác việc truyền tải điện mạch điện ba pha tiết kiệm dây dẫn việc truyền tải điện dòng điện pha 4.1.1_ Hệ thống ba pha cân - Hệ thống mạch điện ba pha tập hợp ba mạch điện pha nối với tạo thành hệ thống lượng chung, sức điện động mạch có dạng hình sin, tần số lệch pha 120o hay 1/3 chu kỳ - Sức điện động pha gọi sức điện động pha - Hệ ba pha mà sức điện động pha có biên độ gọi hệ ba pha đối xứng (hay hệ ba pha cân bằng) - Nếu sức điện động có biên độ khác nhau, gọi hệ thống ba pha không đối xứng (hay hệ ba pha không cân bằng) 4.1.2 Đồ thị dạng sóng đồ thị véc tơ Nếu coi góc pha đầu sđđ pha A khơng, ta có:   e B  E m sin t  120   E sin t  120    eC  E m sin t  240   E sin t  120  e A  E m sin t  E sin t * Đồ thị dạng sóng hình sin đồ thị véc tơ biểu diễn Hình 4.1 61 Hình 4.1 Đồ thị dạng sóng đồ thị véc tơ 4.1.3 Đặc điểm ý nghĩa So với hệ pha hệ pha có ưu điểm sau: - Nối dây tiện lợi, tiết kiệm dây dẫn - Hệ dòng điện ba pha dễ dàng tạo từ trường quay làm cho việc chế tạo động điện ba pha có cấu tạo đơn giản làm việc tin cậy 4.2 Sơ đồ đấu dây mạch điện ba pha cân 4.2.1 Các định nghĩa Hình 4.2 Mạch điện ba pha cân - Dây dẫn nối với điểm đầu A, B, C gọi dây pha, dây dẫn nối với điểm trung tính gọi dây trung tính - Mạch điện có dây pha A, B, C dây trung tính O(N) gọi mạch điện pha dây Mạch điện có dây pha A, B, C, gọi mạch điện pha dây - Dòng điện chạy cuộn dây pha gọi dòng điện pha: IP - Dòng chạy dây pha gọi dòng điện dây: Id - Dịng điện trung tính ký hiệu là: I0 (IN): chạy dây trung tính - Điện áp hai đầu cuộn dây pha gọi điện áp pha: UP (đó điện áp dây pha dây trung tính) - Điện áp hai dây pha gọi điện áp dây: Ud 4.2.2 Đấu dây hình (Y) 4.2.2.1 Cách đấu: đấu hình đấu điểm cuối X,Y, Z (hoặc điểm đầu A, B, C) với tạo thành điểm trung tính O (N), điểm cịn lại đấu với dây pha 62 A B C X Y Z a) b) Hình 4.3 Mạch đấu hình 4.2.2.2 Quan hệ đại lượng dây pha Từ sơ đồ nối ta có: - Quan hệ dịng điện: Dịng điện pha dòng điện dây tương ứng nhau: I PA  I dA  I PB  I dB  I PC  I dC  UP R A2  X A2 UP R B2  X B2 UP R  X C2 C - Quan hệ điện áp: + Điện áp pha: UA = A – X = A – 0 UB = B –Y = B – 0 UC = C – Z = C – 0 + Điện áp dây: Điện áp dây hiệu hai điện áp pha tương ứng: UAB = A – B = (A – 0) – (B – 0) = UA - UB UBC = B – C = (B – 0) – (C – 0) = UB – UC UCA = C – A = (C – 0) – (A – 0) = UC – UA Đồ thị véc tơ (Hình 4.4) Nếu điện áp pha đối xứng từ đồ thị véc tơ ta thấy: Xét tam giác vng OHM, ta có: U d  U AB  2OH  2OM cos 30  2U P Vậy Ud = Up 63 Hình 4.4 Đồ thị véc tơ Nghĩa điện áp dây vượt trước điện áp pha góc 300 có trị số điện áp pha + Góc lệch pha dòng điện pha điện áp pha tương úng: tg A  lần X XA X ; tg B  B ; tg C  C RA RB RC Trong đó: RA, RB, RC, XA, XB, XC, điện trở điện kháng pha - Ví dụ: tìm điện áp dây máy phát điện ba pha đấu sao, điện áp pha 220V Giải: Điện áp dây máy phát là: Ud  3U P  3.220  380V  4.2.2.3 Mạch ba pha đối xứng nối -Phụ tải ba pha đối xứng: ZA = ZB = ZC = Z (RA = RB = RC = R; XA = XB = XC = X ), đặt vào điện áp nguồn pha cân bằng: UA = UB = UC = UP, ta có mạch điện pha đối xứng I A  I B  IC  I P Khi đó: cos   R   0,8 Z 10 A = B = C =  Hình 4.5 Đồ thị véc tơ 64    I A  I B   IC Từ đồ thị véc tơ Hình 4.5, ta có: Áp dụng định luật Kiếc sốp cho điểm O:     IO  I A  I B  IC  Nghĩa mạch điện ba pha đối xứng nối hình sao, dịng điện dây trung tính 0, lúc dây trung tính trở nên khơng cần thiết, bỏ qua, ta có mạch điện đấu pha dây, chẳng hạn mạch điện động KĐB pha, lị điện trở ba phav.v… Việc tính tốn mạch điện pha đối xứng quy tính toán cho pha suy pha khác: - Điện áp pha: Up= - Tổng trở pha: Z = Ud R2  X Up - Dòng điện pha: Ip = Id = Z R - Hệ số công suất: Cos  = Z  Ud 3.Z Ví dụ: Có động ba pha, cuộn dây pha trạng thái làm việc ổn định, có điện trở 8 cảm kháng 6, nối sao, đặt vào nguồn điện áp ba pha đối xứng có Ud = 380V Xác định dòng điện qua cuộn dây, hệ số công suất pha? Giải: - Phụ tải ba pha đối xứng, trở kháng pha là: - Điện áp pha là: Z  R  X    10  - Dòng điện qua pha là: UP  Ud  380  220V  - Hệ số công suất pha là: IP  U P 220   22  Z 10 U d  3U P  3.220  380V  4.3.2 Mạch điện ba pha nối hình tam giác 4.3.2.1 Cách nối Muốn nối hình tam giác, ta lấy đầu pha nối với cuối pha Ví dụ A nối với Z; B nối với X; C nối với Y (Hình 4.4) 65 IA A ZC Ud eC eA eB ZA ICA C B IC IB IAB IBC ZB Hình 4.4 Mạch điện ba pha nối hình tam giác 4.3.2.2 Quan hệ đại lượng dây pha mạch đối xứng Từ sơ đồ đấu tam giác, ta có: Ud = U p Khi trở kháng pha đối xứng: RA = RB = RC = R, XA = XB = XC = X Thì: IAB = IBC = ICA = Ip A = B = C =  Nghóa dòng điện pha đối xứng p dụng định luật Kircchop cho điểm A, B, C, ta coù: IA = IAB - ICA IB = IBC – IAB IC = ICA – IBC * Đồ thị véc tơ dòng điện dây IA, IB, IC vẽ Hình – -ICA M IAB 30 IA IC 300 -IBC H IBC O 300 ICA IB -IAB Hình Đồ thị véc tơ Từ đồ thị ta coù: Id = IA = 2OH = Ipcos300 = 2I p Hay I d  3I p 66 Nghóa dòng điện dây lần dòng điện pha chậm pha sau dòng điện pha tương ứng góc 300 Việc tính mạch điện ba pha đối xứng nối tam giác quy tính cho pha suy hai pha lại Ví dụ: Ba cuộn dây giống có R = 8Ω, X = 6Ω, nối hình tam giác đặt vào điện áp ba pha đối xứng có Ud = 220V Tính dòng điện pha, dòng điện dây hệ số công suất Giải: - Trở kháng pha: Z  R  X    10 - Phụ tải đấu tam giác neân: Up = Ud = 220V Up 220  22 A Z 10 - Dòng điện dây: I d  3I p  22  38A - Doøng điện pha: I p  - Hệ số công suaát: cos   R   0,8 Z 10 4.4 Công suất mạch ba pha 4.4.1 Mạch ba pha không đối xứng 4.4.1.1 Công suất tác dụng Công suất tác dụng mạch ba pha tổng công suất tác dụng pha Gọi PA, PB, PC tương ứng công suất tác dụng pha A, B, C, ta có: - Công suất tác dụng pha: PA = UAIAcosA PB = UBIBcosB PC = UCICcosC Ở đây: UA, UB, UC: điện áp pha IA, IB, IC: dòng điện pha A, B, C: góc lệch pha dòng điện điện áp pha Công suất tác dụng ba pha: P = PA + PB + PC 4.4.1.2 Công suất phản kháng Gọi QA, QB, QC tương ứng công suất phản kháng pha A, B, C, ta có: - Công suất phản kháng pha: QA = UAIAsinA QB = UBIBsinB QC = UCICsinC Coâng suất phản kháng ba pha: Q = Q A + QB + QC 4.4.1.3 Công suất biểu kiến Gọi SA, SB, SC tương ứng công suất biểu kiến pha A, B, C, ta có: - Công suất phản kháng pha: 67 SA = UAIA SB = UBIB SC = UCIC - Công suất biểu kiến cuûa ba pha: S = SA + SB + SC 4.4.1.4 Điện * Điện tác dụng thời gian t: Wr = P.t = (UAIAcosA + UBIBcosB + UCICcosC)t * Điện phản kháng thời gian t: Wx = Q.t = (UAIAsinA + UBIBsinB + UCICsinC)t 4.4.2 Mạch ba pha đối xứng 4.4.2.1 Công suất tác dụng Trong mạch ba pha đối xứng: IA = IB = IC = Ip UA = U B = U C = U p A = B = C = Do công suất tác dụng pha nhau; PA = PB = PC = Pp = UpIpcos Coâng suất tác dụng ba pha: P = 3Pp = 3UpIpcos Hoặc: P = 3RpI2p Trong đó: Rp điện trở pha Thay đại lượng pha đại lượng dây: + Đối với cách nối sao: Ip = Id, U p  (Wh) (VARh) Ud + Đối với cách nối tam giaùc: Up = Ud, I p  Id Ta có công suất tác dụng ba pha tính theo đại lượng dây áp dụng cho hai trường hợp đấu đấu tam giác: P  3U d I d cos 4.4.2.2 Công suất phản kháng Q  3U p I psin   3U d I dsin  Hoặc: Q = 3XpI2p, Xp: điện kháng pha 4.4.2.3 Công suất biểu kiến S  3U p I p  3U d I d Hoaëc: S = 3ZpI2p, Zp: tổng trở pha 4.4.2.4 Điện * Điện tác dụng thời gian t: Wr = P.t = 3UpIpcos = UdIdcos 68 * Điện phản kháng thời gian t: Wx = Q.t = 3UpIpsin = UdIdsin Ví dụ: Cho ba cuộn dây giống có R = 8, X = 6 nối hình tam giác đặt vào điện áp ba pha đối xứng có Ud = 220V Tìm dòng điện pha, dòng điện dây, hệ số công suất tính thành phần công suất điện tiêu thụ ngày đêm? Giải: Theo ta có trở kháng pha là: Z  R  X    10   - Điện áp pha là: U P  U d  220V  - Dòng điện qua pha là: IP  U P 220   22  Z 10 - Dòng điện dây là: I d  3I P  1,73.22  38  - Hệ số công suất pha là: cos  R   0,8 Z 10 - Công suất tác dụng ba pha là: P3P = 3PP = UPIPcos = 3.220.22.0,8 = 11616 (W) - Công suất phản kháng ba pha là: Q3P = 3QP = 3UPIPsin = 3.220.22.0,6 = 8712 (VAR) - Công suất toàn phần là: S3P = 3SP = 3UPIP = 3.220.22 = 14520 (VA) - Điện tiêu thụ ngày đêm là: Wr3P = P3P.t = 11616.24 = 278784 (Wh) = 278,784 (kWh), 69 BÀI TẬP CHƯƠNG Câu Hệ thống ba pha cân gì? Đặc điểm ý nghĩa nó? Câu Vẽ sơ đồ đấu dây hình (Y) tam giác? Cho biết quan hệ đại lượng dây pha Bài tập Nguồn pha cân Z U A  100 O cấp điện cho tải pha cân đấu  có  3 30  tính dịng dây Id cơng suất tác dụng pha tải p GIẢI Điện áp đặt vào tải : Up ( tải) = Up (nguồn) U Ip = Z ptai p  U R  X 100 0 dng 2 p p  = 3 30  100  30 A CÔNG SUẤT P =3.Rp.Ip2=   100   =45000 W  COS  30       Bài tập Tải pha đấu Y đối xứng có tổng trở Zp , mắc vào nguồn pha cân với điện áp 0 phức UAB =200  o V  Biết dòng điện phức pha A IA=10   60  A Tìm Zp công suất tác dụng pha GIẢI Điện áp đặt vào pha tải Up(tải) =Up(nguồn) = U d = 200 Zp= U I p p 200 0   11,54 60   10  60   Công suất P =3.Rp.Ip2=3.11,54 cos 60  10  1731W Bài tập Một hệ thống điện pha cân gồm nguồn đấu Y có U A =200  V  cấp điện cho tải đấu Y có Zp=3 +j4 Ω Điện trở pha đường dây 1Ω Tìm dịng điện I d, cơng suất tác dụng pha tổn hao đường dây pha GIẢI TỔNG trở pha mạch Z= Zd+Zp= 3+j4+1=4+j4 Ω= 32 45  U Dòng điện pha Ip= Z 200 0 p   35,36  45 A 32 45 Id=Ip=35,36 A Công suất tải pha tiêu thụ 70 P= 3.Rp I p    35,36  11252,96W Tổn hao công suất đường dây 3pha 2 ∆P=3.Rd I d  1 35,36  3750,98W Bài tập Nguồn pha cân UA =200  cấp điện cho tải pha cân đấu ∆ có tổng trở pha Zp biết nguồn phát 2,4 KW cho tải hệ số cơng suất 0,8 trễ tìm Zp 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Thị Cư (chủ biên) Mạch điện Nhà Xuất Giáo dục - 1996 [2] Hoàng Hữu Thận Cơ sở kỹ thuật điện Nhà xuất Kỹ thuật Hà Nội – Năm 1980 [3] Nguyễn Viết Hải Điện kỹ thuật Nhà xuất Lao động Xã Hội – Hà Nội – Năm 2004 [4] Hoàng Hữu Thận Kỹ thuật điện đại cương Nhà Xuất Đại học Trung học chyên nghiệp - Hà Nội - 1976 [5] Hoàng Hữu Thận Bài tập Kỹ thuật điện đại cương Nhà Xuất Đại học Trung học chyên nghiệp - Hà Nội - 1980 [6] Nguyễn Bình Thành Cơ sở lý thuyết mạch điện Đại học Bách khoa Hà Nội 1980 [7] Vụ trung học chuyên nghiệp dạy nghề trình kỹ thuật điện - Nhà xuất Giáo Dục –Năm 2005 72 ... 3.2.1.2 Mạch điện xoay chi? ??u điện cảm  Định nghĩa - Là mạch điện có thành phần điện cảm lớn, cịn thành phần điện trở, điện dung bé bỏ qua - Trong thực tế mạch điện MBA không tải, mạch điện cuộn... đó: - E sức điện động nguồn điện, có chi? ??u từ (-) nguồn (+) nguồn - ro điện trở nguồn (nội trở) - Dịng điện nguồn điện tạo có chi? ??u trùng với chi? ??u sức điện động E * Dây dẫn: Để dẫn dòng điện. .. Mạch điện xoay chi? ??u điện dung  Định nghĩa - Là mạch điện có thành phần điện dung lớn thành phần R, L nhỏ bỏ qua - Thực tế dây cáp dẫn điện, tụ điện xem mạch điện dung 3.2.1.3 Quan hệ dòng điện