Giáo trình Mạch điện (Nghề Điện công nghiệp CĐTC)

SỞ LAO ĐỘNG THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TỈNH HÀ NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ HÀ NAM GIÁO TRÌNH MƠ HỌC: MẠCH ĐIỆN NGÀNH/NGHỀ: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG/ TRUNG CẤP Ban hành kèm theo Quyết định số 234/QĐ- CĐN ngày 05 tháng năm 2020 Trường Cao Đẳng Nghề Hà Nam Hà Nam, năm 2020 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm Dựa theo giáo trình này, sử dụng để giảng dạy cho trình độ nghề ngành/ nghề khác nhà trường Cần giảng dạy bổ sung môn học, mô đun bắt buộc số môn học, mơ đun tự chọn mà chương trình đào tạo trình độ Trung cấp chưa giảng dạy LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình mạch điện xây dựng biên soạn sở chương trình khung đào tạo nghề Điện công nghiệp tổng cục dạy nghề phê duyệt Giáo trình Mạch điện dùng để giảng dạy trình độ Cao đẳng nghề biên soạn theo nguyên tắc quan tâm đến: tính định hướng thị trường lao động, tính hệ thống khoa học, tính ổn định linh hoạt, hướng tới liên thông, chuẩn đào tạo nghề khu vực giới, tính đại sát thực với sản xuất Nội dung giáo trình gồm chương: Chương 1: Các khái niệm mạch điện Chương 2: Mạch điện chiều Chương 3: Dịng điện xoay chiều hình sin Chương 4: Mạch ba pha Áp dụng việc đổi phương pháp dạy học, giáo trình biên soạn phần lý thuyết tập áp dụng Giáo trình biên soạn theo hướng mở, kiến thức rộng cố gắng tính ứng dụng nội dung trình bày Trên sở tạo điều kiện để giảng viên trường sử dụng cách phù hợp với điều kiện sở vật chất Trong trình biên soạn khơng tránh khỏi sai sót, ban biên soạn mong góp ý bạn đọc để giáo trình hồn thiện Phủ Lý, tháng năm 2020 Người biên soạn Chủ biên: Đỗ Thị Lành MỤC LỤC TRANG TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Chương mở đầu: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ MẠCH ĐIỆN Tổng quát mạch điện Các mơ hình toán mạch điện 2.1 Mơ hình tốn học q trình 2.2 Các xây dựng mơ hình tốn học 2.3 Hai loại mô hình tốn học 2.4 Mơ hình hệ thống, mơ hình mạch CÂU HỎI ÔN TẬP: Chương 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN 10 Mạch điện mơ hình mạch điện 10 1.1 Mạch điện 10 1.2 Các tượng điện từ 11 1.3 Mơ hình mạch điện 14 Các khái niệm mạch điện 17 2.1 Dòng điện chiều qui ước dòng điện 17 2.2 Cường độ dòng điện 18 2.3 Mật độ dòng điện 18 Các phép biến đổi tương đương 19 3.1 Nguồn áp ghép nối tiếp 19 3.2 Nguồn dòng ghép song song 19 3.3 Điện trở ghép nối tiếp, song song 20 3.4 Biến đổi  - Y Y -  22 3.5 Biến đổi tương tương nguồn áp nguồn dòng 23 CÂU HỎI ÔN TẬP 25 Chương 2: MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU 26 Các định luật biểu thức mạch điện chiều 26 1.1 Định luật Ôm 26 1.2 Công suất điện mạch chiều 27 1.3 Định luật Joule -Lenz 28 1.4 Định luật Faraday 29 1.5 Hiện tượng nhiệt điện 30 Các phương pháp giải mạch chiều 32 2.1 Phương pháp biến đổi điện trở 32 2.3 Các phương pháp ứng dụng định luật Kirchooff 36 CÂU HỎI ÔN TẬP: 42 Chương 3: DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN 44 Khái niệm dòng điện xoay chiều 44 1.1 Khái niệm 44 1.2 Chu kỳ tần số dòng điện xoay chiều 45 1.3 Dịng điện xoay chiều hình sin 45 1.4 Các đại lượng đặc trưng 45 1.5 Pha lệch pha 47 1.6 Biểu diễn lượng hình sin đồ thị vectơ 48 Giải mạch xoay chiều không phân nhánh 49 2.1 Giải mạch R-L-C 49 2.2 Giải mạch có nhiều phần tử mắc nối tiếp R-L-C 54 2.3 Cộng hưởng điện áp 57 Giải mạch xoay chiều phân nhánh 60 3.1 Phương pháp đồ thị véctơ (phương pháp Fresnel) 60 3.2 Phương pháp tổng dẫn 62 3.3 Phương pháp biên độ phức 66 3.4 Cộng hưởng dòng điện 75 3.5 Phương pháp nâng cao hệ số công suất 76 CÂU HỎI ÔN TẬP: 78 Chương 4: MẠNG BA PHA 81 Mã chương: MH 08 - 04 81 Khái niệm chung 81 1.1 Hệ thống ba pha cân 81 1.2 Đồ thị dạng sóng đồ thị vectơ 81 1.3 Đặc điểm ý nghĩa 82 Sơ đồ đấu dây mạng ba pha cân 83 2.1 Các định nghĩa 83 2.2 Đấu dây hình (Y) 83 2.2.1 Nguyên tắc nối 83 2.3 Đấu dây hình tam giác () 86 Công suất mạng ba pha cân 87 3.1 Công suất tác dụng P 87 3.2 Công suất phản kháng Q 88 3.3 Công suất biểu kiến 88 Phương pháp giải mạng ba pha cân 88 CÂU HỎI ÔN TẬP: 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 GIÁO TRÌNH MƠN HỌC Tên mơn học: Mạch điện Mã mơn học: MH 08 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học: - Vị trí: Mơn học mạch điện bố trí học sau mơn học chung học trước môn học, mô đun chuyên mơn nghề - Tính chất: Là mơn học kỹ thuật sở - Ý nghĩa vai trị mơn học: Trang bị kiến thức kỹ tính tốn mạch điện Mục tiêu mơn học: - Về kiến thức: Phát biểu khái niệm, định luật, định lý mạch điện chiều, xoay chiều, mạch ba pha - Về kỹ năng: Tính tốn thơng số kỹ thuật mạch điện chiều, xoay chiều, mạch ba pha trạng thái xác lập độ - Về lực tự chủ trách nhiệm: + Vận dụng phương pháp phân tích, biến đổi mạch để giải toán mạch điện hợp lý + Vận dụng phù hợp định lý, phép biến đổi tương đương để giải mạch điện phức tạp + Giải thích số ứng dụng đặc trưng theo quan điểm kỹ thuật điện + Rèn luyện tính cận thận, tỉ mỉ tính tốn Nội dung môn học: Chương mở đầu: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ MẠCH ĐIỆN Mã chương: MH 08 - 00 Giới thiệu: Bài học giới thiệu tổng quát nội dung mơn học, mơ hình tốn mạch điện Mục tiêu: - Khái quát hệ thống mạch điện - Phân tích mơ hình tốn mạch điện - Rèn luyện phương pháp học tư nghiêm túc cơng việc Nội dung chính: Tổng quát mạch điện Mạch điện môn học sở kỹ thuật quan trọng trình đào tạo công nhân lành nghề, kỹ sư ngành kỹ thuật điện cơng nghiệp, tự động hóa Nó nhằm mục đích trang bị sở lý luận có hiệu lực cho ngành kỹ thuật điện mà cịn vận dụng cho nhiều ngành kỹ thuật khác Kỹ thuật điện ngành kỹ thuật ứng dụng tượng điện từ để biến đổi lượng, đo lường, điều khiển, xử lý tín hiệu bao gồm việc tạo ra, biến đổi sử dụng điện năng, tín hiệu điện từ hoạt động thực tế người So với tượng vật lý khác cơ, nhiệt, quang tượng điện từ phát chậm giác quan người không cảm nhận trực tiếp tượng Tuy nhiên việc khám phá tượng điện từ thúc đẩy mạnh mẽ cách mạng khoa học kỹ thuật chuyển sang lĩnh vực điện khí hóa, tự động hóa Điện có ưu điểm bật sản xuất tập trung với nguồn cơng suất lớn, truyền tải xa phân phối đến nơi tiêu thụ với tổn hao tương đối nhỏ Điện dễ dàng biến đổi thành dạng lượng khác Mặt khác trình biến đổi lượng tín hiệu điện từ dễ dàng tự động hóa điều khiển từ xa, cho phép giải phóng lao động chân tay lao động trí óc người Các mơ hình tốn mạch điện 2.1 Mơ hình tốn học q trình 2.1.1 Mơ hình tốn học q trình Muốn sử dụng, khống chế, cải tạo vật thể vật lý kỹ thuật loại q trình ví dụ trình điện từ, nhiệt, điều kiện phải nhận thức tốt loại q trình Mơ hình tốn học cách mơ tả loại q trình mơn tốn học Có thể xây dựng mơ hình tốn học theo cách: định nghĩa biến trạng thái trình, tìm nhóm đủ tượng bản, mơ tả tốn học chế tượng cách hợp thành trình khác Theo mơ hình tốn học q trình xếp vật thể thành trường, môi trường hay hệ thống Mạch điện hệ thống thể dịng truyền đạt, lưu thơng lượng hay tín hiệu Mơ hình tốn học thường dùng để mơ tả q trình điện từ thiết bị điện mơ hình mạch Kirchooff mơ hình mạch truyền đạt 2.1.2 Ý nghĩa mơ hình tốn học Về nhận thức, xây dựng tốt mơ hình tốn học cho trình vật thể giúp ta hiểu đắn vật thể Về thực tiễn cơng tác, mơ hình tốn học tốt sở lý luận tốt dùng vào việc xét, sử dụng, khống chế loại trình vật thể Về mặt lý luận ngày mô hình tốn học khơng sở lý luận mà nội dung đối tượng lý thuyết 2.2 Các xây dựng mơ hình tốn học 2.2.1 Cách nhận thức loại tượng Ta gọi trình diễn biến hoạt động vật thể vật lý– kỹ thuật – kinh tế thời gian t không gian (không gian hình học r khơng gian thơng số khác µ, nhiệt độ, áp suất, giá ) Muốn có khái niệm tổ chức chế hoạt động vật thể phải quan sát trình cụ thể Nhưng vơ số hồn cảnh cụ thể, vật thể lại có vơ số q trình khác nhau, ngun tắc khơng thể quan sát hết Vì từ số hữu hạn trình lý tưởng thể đặc điểm quy luật vật thể Ta gọi tượng Về ngun tắc có nhiều tượng, ví dụ thiết bị điện có tượng tiêu tán, tích phóng lượng điện từ, tượng tạo sóng, phát sóng, khuếch đại, chỉnh lưu điều chế thực tế cho thấy thường tồn nhóm đủ tượng Đó tượng từ hợp thành tượng khác 2.2.2 Cách lập mơ hình tốn học cho loại q trình Từ cách nhận thức trình ta suy cách xây dựng mơ hình tốn học cho q trình sau: Chọn định nghĩa biến trạng thái Đó thường hàm hay vecto phân bố thời gian khơng gian Ví dụ để đo trình điện từ ta định nghĩa vecto cường độ từ trường, điện trường Quan sát trình phân tích tìm nhóm đủ tượng Mơ tả tốn học chế tượng Thông thường ta mô tả chúng phương trình liên hệ biến trạng thái, ta gọi phương trình trạng thái Mơ tả việc hợp thành q trình cụ thể, cách kết hợp phương trình trạng thái phương trình cân hệ phương trình trạng thái Kiểm nghiệm lại mơ hình thực tiễn hoạt động vật thể 2.3 Hai loại mơ hình tốn học Theo cách phân bố khơng gian, thời gian biến trạng thái xếp mơ hình tốn học thành hao loại mơ hình hệ thống mơ hình trường - Một loại mơ hình có q trình đo số hữu hạn biến trạng thái phân thời gian mà không phân bố không gian Về tương tác, biến quan hệ nhân trước sau thời gian: trạng thái t chịu ảnh hưởng trạng thái trước t, khởi đầu t0 Về tốn học q trình mơ tả hệ phương trình vi phân, tích phân đại số thời gian, ứng với tốn có điều kiện đầu Ta quy ước gọi vật thể mà q trình hoạt động mơ tả mơ hình túy hệ thống mơ hình chúng mơ hình hệ thống Trong thực tế hay gặp hệ thống mà trình ngồi dạng biến thiên theo thời gian cịn gắn với lưu thông (chảy, truyền đạt) trạng thái giữ phận hệ thống Ví dụ thiết bị động lực có truyền đạt lượng, có dịng điện chảy, hệ thống thông tin - đo lường – điều khiển, hệ thống rơle có truyền đạt tín hiệu, hệ thống máy tính có truyền đạt số Ta gọi chung hệ thống mạch (circuit): mạch lượng, mạch truyền tin, mạch điều khiển, mạch tính tốn gọi mơ hình chúng mơ hình mạch, dạng riêng phổ biến mơ hình hệ thống Cụ thể mạch điện hệ thiết bị điện ta xét trình truyền đạt, biến đổi lượng hay tín hiệu điện từ, đo số hữu hạn biến dịng, áp, từ thơng, điện tích phân bố thời gian - Một loại mơ hình khác trình coi đo số hữu hạn biến x(r, ,t) phân bố không gian thời gian cách hình thức đo tập không đếm biến trạng thái thời gian ứng với vô số điểm không gian Về tương tác ngồi quan hệ nhân trước sau cịn thêm quan hệ nhân không gian: trạng thái điểm khơng gian cịn chịu ảnh hưởng trạng thái lân cận điểm đó, bờ S0 Về tốn học q trình thường mơ tả hệ phương trình đạo hàm riêng thời gian không gian, ứng với tốn có điều kiện đầu điều kiện bờ Ta gọi vật thể mà trình hoạt động gọi trường (hoặc môi trường) gọi mơ hình chúng mơ hình trường Khi xét loại trình, tùy cách nhìn nhận dùng trường mơ hình trường mơ hình hệ thống, coi vật trường hệ thống hay mạch Vấn đề cho mơ hình phù hợp với thực tế khách quan với mức độ cần thiết 2.4 Mơ hình hệ thống, mơ hình mạch - Thứ nhất, mơ hình hệ thống hệ phương trình xác định riêng thời gian, mơ tả quy luật loại q trình hệ thống + Mơ hình mạch truyền đạt hay truyền tin: loại ứng với phương trình vi phân vi tích phân có phép tính phép tốn tử T + Mơ hình mạch lơgic: loại ứng với hệ phương trình đại số loogic với phép tác động lên biến quan hệ hàm lơgic L Đó phép làm ứng với hai giá trị 0,1 biến x với hai giá trị 0,1 biến y biểu diễn tín hiệu từ x sang y + Mơ hình mạng vận trù: loại ứng với hệ phương trình phiếm hàm có phép tác động lên biến phép phiếm hàm F Đó cách làm ứng hàm x(t) với số a[x(t)] để đánh gia q trình x(t) + Mơ hình mạch động lượng hay mơ hình mạch Kirchooff: loại ứng với hệ phương trình vi phân hay đại số loại (a).Ở trình đo cặp biến xk(t), yk(t) với xk yk lượng hay động động lượng thường thỏa mãn luật bảo tồn liên tục Trong hệ thống có truyền đạt lượng phận - Thứ hai, mơ hình hệ thống cịn sơ đồ hệ thống hay sơ đồ mạch mơ tả q trình xét Đó hệ thống mạch biến trạng thái không phân bố không gian, nên dành hình học để lập cách mơ tả tốn học q trình xét Ta gọi chung cách mơ tả hình học sơ đồ q trình Cụ thể graph, hình chắp nối ký hiệu hình học, dùng để mơ tả theo cách phân bố biến, phép tính lên biến, quan hệ biến hệ phương trình trạng thái trình Vì lý thuyết hệ thống lý thuyết mạch sơ đồ đồng với hệ phương trình trạng thái Mặt khác sơ đồ cịn thường dùng mơ tả cấu trúc chắp nối phận vật thể xét Về mặt sơ đồ cịn mơ tả rõ hệ phương trình Chình theo thói quen người ta thường hiểu sơ đồ theo nghĩa mô tả cấu trúc vật thể theo nghĩa mơ hình tốn học, tất nhiên cách hiểu khơng đầy đủ Ứng với loại mơ hình hệ thống xếp sơ đồ vào loại: sơ đồ mạch truyền đạt, sơ đồ mạch lôgic, sơ đồ mạng vận trù sơ đồ mạch Kirchooff - Trong kỹ thuật chế tạo linh kiện hoạt động giống phần tử sơ đồ, lắp ghép lại hệ thống linh kiện hoạt động giống hệt sơ đồ Hệ thống mơ tương tự sơ đồ mạch mơ tương tự q trình xét CÂU HỎI ƠN TẬP: Câu 1: Trình bày mơ hình mạch điện Câu 2: Nêu cách thành lập cho trình Câu 3: Trình bày mơ hình hệ thống, mơ hình mạch Q = Q1 + QC = Ptg1 + QC = Ptg Từ rút cơng suất QC tụ là: QC = -P(tg1 - tg) (3.110) Mặt khác côgn suất QC tụ điện tính là: QC = -UC.IC = -U.U..C = -U2 .C (3.111) So sánh (3.110) (3.111) ta tính điện dung C cuat tụ điện là: C P (tg1  tg ) U (3.112) Ví dụ 3.5: Một tải gồm R = 6Ω, XL = Ω, mắc nối tiếp, đấu vào nguồn U = 220V a Tính dịng điện I1, cơng suất P, Q, S cos1 tải  b Người ta nâng hệ số công suất mạch điện đạt cos = 0,93 Tính điện dung C tụ điện đấu song song với tải I1 R U=220V xL B Hình 3.33: mạch điện ví dụ 3.5 Giải: Tổng trở tải: Z  R  X L  62  82  10 R   0, Z 10 U 220 Dòng điện tải I1: I1    22A Z 10 Cos1  Công suất P tải: P = R.I12 = 6.222 = 2904W Công suất Q tải: Q = XL.I12 = 8.222 = 3872Var Cơng suất tồn phần tải: S = U.I = 220.22 = 4840VA Tính điện dung C cần thiết: Cos1 = 0,6 ; tg  = 1,33 Cos = 0,93; tg = 0,395 Bộ tụ điện cần có điện dung là: C P 2904 (tg1  tg )  (1,333  0,395)  1,792.104 F 2 314.220 U CÂU HỎI ƠN TẬP: Câu 1: Trình bày tượng tính chất mạch điện xảy cộng hưởng điện áp? 78 Câu 2: Cho mạch điện có R- L – C mắc nối tiếp, biết điện áp đầu cực nguồn là: u = 100 sinωt (V) a Tính dịng điện I b Tính điện áp phần tử: UR; UL; UC c Vẽ đồ thị véc tơ? Câu 3: Cho mạch điện R-L-C mắc nối tiếp, biết điện áp đầu cực nguồn là: U = 220(v), f = 5(Hz) R = 𝜴, L = 80(mH), C = 64 µ F a Tính dịng điện I mạch? b Tính thành phần tam giác điện áp tam giác công suất mạch điện? c Vẽ đồ thị véc tơ? Câu 4: Cho mạch điện có R-L-C mắc nối tiếp, biết điện áp đầu cực nguồn là: u(t) = 220 sin314t (V) a Tính dịng điện I điện áp phần tử: UR; UL; UC? b Tính thành phần tam giác cơng suất mạch điện? c Vẽ đồ thị véc tơ R = 10 Ω ~ u(t) L = 160 mH C = 127 μF Câu 5: Cho mạch điện hình vẽ Hãy tính dịng điện chạy mạch khi: R = 10𝜴 a f = 50 Hz? b f = 100 Hz? ∼U = 220V C = 127 μF L = 256 mH Câu 6: Cho mạch điện có R- L – C mắc nối tiếp, biết điện áp đầu cực nguồn là: 79 u = 10 sinωt (V) - Tính tổng trở tồn mạch R = 75Ω - Tính dòng điện I điện áp XL = 25Ω ~ phần tử UR; UL; UC C = 50(μF) - Vẽ đồ thị véc tơ? Câu 7: Trình bày khái niệm dòng điện xoay chiều, chu kỳ tần số vẽ đồ thị dòng điện xoay chiều 80 Chương 4: MẠNG BA PHA Mã chương: MH 08 - 04 Giới thiệu: Trong chương làm quen với khái niệm, sơ đồ mạch ba pha phương pháp giải mạch ba pha đối xứng 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 Nội dung chính: Khái niệm chung 1.1 Hệ thống ba pha cân Hiện phần lớn mạch điện có cơng suất lớn sử dụng mạch điện ba pha tính ưu việt kỹ thuật kinh tế Hệ thống điện pha tập hợp ba hệ thống điện pha nối với tạo thành hệ thống lượng điện từ chung, sức điện động mạch có dạng hình sin, tần số, lệch pha phần ba chu kỳ Nguồn điện gồm có ba sức điện động hình sin biên độ, tần số, lệch pha 2 , gọi nguồn ba pha đối xứng (hay nguồn cân bằng) Đối với nguồn đối xứng ta có : eA + eB + eC  EA + EB + EC = Tải ba pha có tổng trở phức pha : ZA = ZB = ZC gọi tải ba pha đối xứng Mạch điện ba pha gồm có nguồn, tải đường dây đối xứng gọi mạch điện ba pha đối xứng (còn gọi mạch ba pha cân bằng) Nếu không thỏa mãn điều kiện nêu gọi mạch ba pha khơng đối xứng 1.2 Đồ thị dạng sóng đồ thị vectơ Hệ thống điện ba pha đuợc tạo từ máy phát điện đồng ba pha, hoạt động dựa nguyên lý cảm ứng điện từ Cấu tạo nguyên lý máy phát điện pha gồm hai phần : Hình 4.1: Nguyên lý máy phát điện ba pha 81 + Stator (phần tĩnh) Gồm ba cuộn dây giống (gọi cuộn dây pha) đặt lệch 1200 rãnh lõi thép stator Các cuộn dây ba pha thường ký hiệu tương ứng AX, BY, CZ + Rotor (phần quay) Là nam châm điện N-S Khi rotor quay, từ trường quét qua cuộn dây pha, sinh sức điện động hình sin có biên độ, tần số, lệch pha góc 1200 Nếu chọn pha ban đầu sức điện động eA cuộn dây AX khơng ta có biểu thức sức điện động pha : eA  2.E.sin t eA  2.E.sin(t  1200 ) (4.1) eA  2.E.sin(t  2400 )  sin(t  1200 ) Nếu biểu diễn hệ thống SĐĐ pha số phức ta được: E A  E00 EB  E   1200 (4.2) EB  E  2400  E1200 Hình 4.2: Đồ thị dạng sóng đồ thị vectơ mạch điện ba pha 1.3 Đặc điểm ý nghĩa Hệ thống điện pha có nhiều ưu điểm hẳn hệ thống điện pha Để truyền tải điện pha ta cần dùng dây dẫn, để truyền tải hệ thống pha cần dùng dây dẫn tiết kiệm kinh tế Hệ pha dễ dàng tạo từ trường quay, làm cho việc chế tạo động điện đơn giản Các động công suất lớn phải sử dụng nguồn điện pha Nếu nối riêng rẽ pha với tải ta hệ thống pha độc lập, hay hệ thống pha khơng liên hệ với (hình 4.3) Hệ thống sử dụng thực tế khơng kinh tế cần tới dây dẫn Thơng thường pha nguồn nối với nhau, pha tải nối với có đường dây pha nối nguồn tải Có phương pháp nối mạch pha thường sử dụng công nghiệp nối hình (Y) nối hình tam giác (Δ) 82 IA A ZA X Z Y C ZB B IB ZC IC Hình 4.3: Hệ thống mạch điện ba pha độc lập Sơ đồ đấu dây mạng ba pha cân 2.1 Các định nghĩa Mỗi pha nguồn tải có điểm đầu điểm cuối Ta thường ký hiệu điểm đầu pha A, B, C, điểm cuối pha X, Y, Z Để nối hình người ta nối điểm cuối pha lại với tạo thành điểm trung tính Đối với nguồn, điểm cuối X, Y, Z cuộn dây máy phát điện nối lại với tạo thành điểm trung tính O Đối với tải, điểm cuối X’, Y’, Z’ nối lại với tạo thành điểm trung tính O’ Ba dây nối điểm đầu nguồn tải AA’, BB’, CC’ gọi dây pha Dây dẫn nối điểm trung tính OO’ gọi dây trung tính Để nối hình tam giác người ta nối đầu pha với cuối pha kia, ví dụ A nối với Z, B nối với X, C nối với Y 2.2 Đấu dây hình (Y) 2.2.1 Nguyên tắc nối Để nối hình người ta nối điểm cuối pha lại với tạo thành điểm trung tính Đối với nguồn, điểm cuối X, Y, Z cuộn dây máy phát điện nối lại với tạo thành điểm trung tính O Đối với tải, điểm cuối X’, Y’, Z’ nối lại với tạo thành điểm trung tính O’ Ba dây nối điểm đầu nguồn tải AA’, BB’, CC’ gọi dây pha Dây dẫn nối điểm trung tính OO’ gọi dây trung tính Để nối hình tam giác người ta nối đầu pha với cuối pha kia, ví dụ A nối với Z, B nối với X, C nối với Y 83 Hình 4.4: Sơ đồ đấu dây hình a) Sơ đồ đấu dây ; b) Đồ thị vectơ 2.2.2 Quan hệ dòng điện dây Id dòng điện pha Ip Dòng điện pha Ip dòng điện chạy pha nguồn (hoặc tải) Dòng điện dây Id dòng chạy dây pha nối nguồn tải Từ hình 4.4a ta thấy dịng điện dây Id có giá trị dịng điện chạy pha Ip Id = Ip (4.3) 2.2.3 Quan hệ điện áp dây điện áp pha Điện áp pha Up điện áp điểm đầu điểm cuối pha (hoặc dây pha dây trung tính) Điện áp dây Ud điện áp dây pha :          U AB  U A  U B U BC  U B  U C (4.4) U CA  U C  U A Để vẽ đồ thị vectơ điện áp dây, trước hết ta vẽ đồ thị vectơ điện áp pha UA, UB, UC , sau dựa vào cơng thức (4.4) ta dựng đồ thị vectơ điện áp dây hình 4.4 b, hình 4.5 Ta có : Hình 4.5: Đồ thị vectơ mạch điện đấu 84 Về trị số, điện áp dây Ud lớn điện áp pha Up lần Thật vậy, xét tam giác OAB từ đồ thị hình 4.4 b ta có :  3OA AB  2AH=2OAcos30o  2OA (4.5)  U d  3U P Dễ thấy rằng, điện áp pha đối xứng, điện áp dây đối xứng - Về pha, điện áp dây UAB, UBC, UCA lệch pha góc 120o vượt trước điện áp pha tương ứng góc 300 Khi tải đối xứng, dịng điện qua dây trung tính khơng :     Io  I A I B  IC  (4.6) Trong trường hợp khơng cần dây trung tính, ta có mạch ba pha ba dây Ví dụ, động điện ba pha tải đối xứng, cần đưa ba dây pha nối đến động Thông thường thực tế, tải ba pha khơng cần bằng, dịng điện qua dây trung tính khác khơng, bắt buộc phải có dây trung tính Ví dụ 2.2: Một nguồn điện áp ba pha đối xứng hình sao, điện áp pha nguồn Upn = 220V Nguồn cung cấp điện cho tải R ba pha đối xứng Biết dòng điện chạy dây Id =10A Tính điện áp Ud, điện áp pha tải, dòng điện pha tải nguồn, vẽ đồ thị vectơ Giải: Nguồn nối hình sao, áp dụng công thức (4.5) điện áp dây : U d  3U f  3.220  380V : Tải nối hình sao, biết Ud = 380V, theo cơng thức (4.5) ta có điện áp tải Uf  A Id Ud  380  220V A IA UC Up Up Ud n O Ipt Ipn O R R B C IC t R IA UA B C IB IB IC a) UB b) Hình 4.6: Mạch điện đồ thị vectơ ví dụ 2.2 85 Nguồn nối sao, tải nối nên ta có : Dịng điện pha nguồn Ipn = Id = 10A Dòng điện pha tải: Ipt = Id = 10A Vì tải trở nên điện pha tải trùng pha với dòng điện pha tải 2.3 Đấu dây hình tam giác () 2.3.1 Nguyên tắc nối Để nối hình tam giác người ta nối đầu pha với cuối pha kia, ví dụ A nối với Z, B nối với X, C nối với Y (hình 4.7) Hình 4.7: Mạch điện ba pha nối tam giác 2.3.2 Quan hệ điện áp dây điện áp pha Từ hình vẽ ta thấy nối tam giác điện áp hai dây điện áp pha: Ud = UP (4.7) 2.3.3 Quan hệ dòng điện dây Id dòng điện pha Ip Áp dụng định luật Kirchhoff cho nút, ta có :    Tại nút A: I A  I AB  I CA       Tại nút B: I B  I BC  I AB Tại nút C: I C  I CA  I BC Đồ thị vectơ dòng điện dây IA, IB, IC dòng điện pha IAB, IBC, ICA vẽ hình 4.7b: Ta có : - Về trị số, dòng điện dây lớn gấp lần dòng điện pha Thật vậy, xét tam giác OEF từ đồ thị hình 4.6b ta có : EF = 2OEcos300  2OE  3OE Từ đó: I d  3I p (4.8) Ví dụ 2.3: Một mạch điện ba pha, nguồn điện nối sao, tải nối tam giác Biết điện áp pha nguồn Upn = 2kV, dòng điện pha nguồn Ipn = 20A 86 a Hãy vẽ sơ đồ nối dây mạch ba pha sơ đồ ghi rõ đại lượng pha dây b Hãy xác định dòng điện điện áp pha tải Ipt, Upt Giải: a Sơ đồ đấu dây cho hình 4.8 b Vì nguồn nối hình sao, nên dòng điện dây dòng điện pha Id = Ipn = 20A Điện áp dây lần điện áp pha nguồn : U d  3U pn  3.2  3, 646kV A A Id Upn Ud Z Z U pt Ipt O Ipn B C Z Z Id Id Hình 4.8: Sơ đồ đấu dây mạch điện ví dụ 2.3 Vì tải nối hình tam giác, nên điện áp pha tải Upt điện áp dây : Upt = Ud = 3,464kV Dòng điện pha tải nhở dòng điện nhỏ dòng điện dây lần I pt  Id  20  11,547A Công suất mạng ba pha cân 3.1 Công suất tác dụng P Gọi PA, PB, PC tương ứng công suất tác dụng pha A, B,C, ta có cơng suất tác dụng mạch ba pha tổng công suất tác dụng pha : P =PA +PB+PC = UAIAcosA+ UBIBcosB + UCICcosC Khi mạch ba pha đối xứng ta có : UA = UB = UC = UP IA = IB = IC = IP cosA = cosB + cosC Từ đó: P = 3UpIp cos (4.9) Hoặc : P = 3RpIp (4.10) Trong Rp điện trở pha Nếu thay đại lượng pha đại lượng dây : Trong cách nối hình : U I p  Id ; U p  d Trong cách nối tam giác : 87 U p  Ud ; I p  Id Ta có cơng suất tác dụng mạch ba pha viết theo đại lượng dây áp dụng cho hai trường hợp nối hình tam giác đối xứng : P = 3UdIdcos (4.11) Trong  góc lệch pha điện áp pha dòng điện pha tương ứng : cos = Rp R 2p  X p2 3.2 Công suất phản kháng Q Công suất phản kháng mạch ba pha : Q = QA +QB+QC=UAIAsinA +UBIBsinB+UCICsinC Khi mạch đối xứng ta có : Q =3UpIpsin (4.12) Hoặc: Q = 3XpIp (4.13) Trong Xp điện kháng pha Nếu biểu diễn theo đại lượng dây ta có : Q = 3UdIdsin (4.14) 3.3 Cơng suất biểu kiến Khi đối xứng, công suất biểu kiến ba pha : S  P2  Q2  3U p I p  3U d I d Phương pháp giải mạng ba pha cân Đối với mạch điện ba pha đối xứng, dòng điện điện áp pha có trị số lệch pha góc 1200 Khi giải mạch ba pha ta cần tính cho pha, sau suy pha cịn lại Khi nối vào nguồn có điện áp Ud, bỏ qua tổng trở đường dây, biết tổng trở tải, bước tính tốn thực sau: - Bước Xác định cách nối phụ tải : hình hay tam giác? - Bước Xác định điện áp pha tải : + Nếu nối hình : U d  3U P + Nếu tải nối tam giác: Ud = Up - Bước Xác định tổng trở pha hệ số công suất tải Z p  Rp2  X p2 Hệ số công suất: cos = Rp Zp  Rp Rp2  X p2 - Bước Tính dịng điện Ip phụ tải + Nếu tải nối sao: Id = Ip + Nếu tải nối tam giác: Id= Ip – Bước Tính cơng suất tiêu thụ phụ tải P = 3RpIp2 =3UpIpcos = 3UdIdcos 88 Q = 3XpIp2 =3UpIpsin = 3UdIdsin S = 3ZpIp2 = 3UpIp = UdId Ví dụ 4.1: Một tải pha có điện trở pha Rp = 20Ω, điện kháng pha Xp =15Ω, nối hình tam giác đấu vào lưới điện pha có điện áp dây Ud = 220V (hình 4.9a) Tính dịng điện pha Ip, dịng điện dây Id, công suất tải tiêu thụ vẽ đồ thị vectơ điện áp dây dòng điện pha phụ tải Giải: Theo sơ đồ đấu dây (hình 4.9) tải nối tam giác, điện áp pha tải là: Ud = Up = 220 V Tổng trở pha tải: Z p  Rp2  X p2  202  152  25 Dòng điện pha tải: Ip  Up Zp  220  8,8A 25 Hình 4.9: Sơ đồ mạch điện ví dụ 4.1 Dịng điện dây tải: Id = Ip = 8,8 = 15,24A Công suất tiêu thụ: P = 3RpIp2 = 3.20.8,82 = 4646,4W Q = 3Xp Ip2 = 3.15.8,82 = 3484,24Var S = UdId = 220.15,24 = 5870,21VA Hệ số công suất: cos = Rp Zp  20  0,8    36,87o 25 Dòng điện chậm pha điện áp góc  = 36,87o Đồ thị vectơ dòng điện điện áp pha vẽ hình 4.9b Ví dụ 4.2: Một tải pha cuộn dây đấu vào lưới điện pha có điện áp dây 380 V Cuộn dây có điện trở R = 2Ω, điện kháng X = 8Ω thiết kế làm việc điện áp định mức 220V 1) Xác định cách nối cuộn dây thành tải pha 2) Tính cơng suất P, Q cos tải 89 Hình 4.10: Sơ đồ mạch điện ví dụ 4.2 Giải: a Các cuộn dây phải nối hình (hình 4.10a), đấu vào lưới điện pha điện áp pha đặt lên cuộn dây điện áp định mức: Up  Up  380  220V Nếu tải nối tam giác, điện áp pha đặt lên cuộn dây (hình 4.10b) : Up = Ud = 380 V Giá trị điện áp 380V lớn điện áp định mức cuộn dây, nên cuộn dây bị hỏng b Tổng trở pha tải là: Z p  Rp2  X p2  22  82  8, 24 Hệ số công suất : cos = sin  = Rp Zp Xp Zp   0, 242 8, 24   0,97 8, 24 Dòng điện pha tải : Ip = Up Zp  220  26, 7A 8, 24 Dòng điện dây: Id = Ip = 26,7A Công suất tác dụng tải : P  3U d I d cos = 3.380.26, 7.0.242W Công suất phản kháng tải : Q  3U d I d sin   3.380.26, 7.0,97  17045, 7VAr Công suất biểu kiến: S  3U d I d  3.380.26,  17572,8VA CÂU HỎI ÔN TẬP: Câu 1: Một nguồn điện áp pha đối xứng hình sao, điện áp pha nguồn Up = 220V Nguồn cung cấp cho tải pha đối xứng Biết dòng điện chạy dây Id = 10A 90 a Vẽ sơ đồ nối dây mạng điện pha sơ đồ ghi rõ đại lượng pha đại lượng dây? b Xác định điện áp Ud, Up tải, Ip Id tải? Câu 2: Một tải pha cuộn dây đấu vào lưới điện pha có điện áp dây 380 V Cuộn dây có điện trở R = 2Ω, điện kháng X = 8Ω thiết kế làm việc điện áp định mức 220V a Xác định cách nối cuộn dây thành tải pha b Tính công suất P, Q cos tải Câu 3: Trình bày khái niệm nêu đặc điểm ý nghĩa mạng điện pha cân bằng? 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO Cơ sở lý thuyết mạch điện - Nguyễn Bình Thành - Đại học Bách khoa Hà Nội - 1980 Kỹ thuật điện đại cương - Hoàng Hữu Thận - NXB Đại học Trung học chuyên nghiệp - Hà Nội - 1976 Bài tập Kỹ thuật điện đại cương - Hoàng Hữu Thận - NXB Đại học Trung học chuyên nghiệp - Hà Nội - 1980 Cơ sở kỹ thuật điện – Hoàng Hữu Thuận – NXB KHKT – Hà Nội 2005 Lý thuyết mạch – Hồ Anh Tuý – NXB KHKT – Hà nội 1996 92 ... tính tốn Nội dung chính: - Mạch điện mơ hình - Các khái niệm mạch điện - Các phép biến đổi tương đương Mạch điện mơ hình mạch điện 1.1 Mạch điện Mạch điện tập hợp thiết bị điện nối với dây dẫn (phần... hình mạch điện - Khi tính tốn người ta thường thay mạch thực mơ hình mạch điện - u cầu mơ hình mạch điện : mơ hình mạch điện phải đảm bảo kết cấu hình học trình lượng giống mạch điện thực - Một mạch. .. dạy LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình mạch điện xây dựng biên soạn sở chương trình khung đào tạo nghề Điện công nghiệp tổng cục dạy nghề phê duyệt Giáo trình Mạch điện dùng để giảng dạy trình độ Cao đẳng