CHƯƠNG 7 MẠCH ĐIỆN XOAY CHIÊU KHÔNG PHÂN NHÁNH Trong sản xuất và đời sông, nguồn điện xoay chiều được dùng rất rộng rãi, vì nó có nhiều ưu điểm so vói nguồn điện một chiều Dòng điện xoay chiều dễ chuy[.]
CHƯƠNG MẠCH ĐIỆN XOAY CHIÊU KHÔNG PHÂN NHÁNH Trong sản xuất đời sông, nguồn điện xoay chiều dùng rộng rãi, có nhiều ưu điểm so vói nguồn điện chiều Dịng điện xoay chiều dễ chuyển tải xa, dễ thay đổi điện áp nhờ máy biến áp Máy phát điên động điện xoay chiều làm việc tin cậy, vận hành đơn giản, tiêu kinh tế kỹ thuật cao Ngoài ra, trường hợp cần thiết nguồn điện xoay chiều dễ dàng biến đổi thành nguồn điện chiều nhờ thiết bị nắn điên 7.1 DÒNG ĐIỆN XOAY CHIÊU - CHU KỲ VÀ TÂN sổ a Các định nghĩa : Dòng diện xoay chiều dòng diện thay dổi cá chiều trị sơ theo thời gian Dịng điện xoay chiều thưồng dịng điện biên đổi tuần hồn, nghĩa sau khoảng thời gian định, lặp lại q trình biến thiên cũ Khoảng thời gian ngắn hai lần dòng điện lặp lại q trình biến thiên, gọi chu kỳ dịng diện xoay chiều, ký hiệu T Đơn vị unu kỳ đơn vị thòi gian Trong hộ SI, đơn vị chu kỳ giây, ký hiệu sec hay s Sớ chu kỳ dòng diện thực giây gọi tần sô Tẩn số ký hiệu f Theo định nghĩa này, ta có : (7.1) 265 Đơn vị tần sơ chu kỳ giây (chu kỳ /sec), gọi hec viết tắt Hz Dịng điện có tần sơ Ị Hz dòng diện giây biến thiên chu kỳ : Hz = 1/sec Bội số hec kilôhec (kHz) mêgahec (MHz): kHz = 10’ Hz ; MHz = 103 kHz = 106 Hz Nước ta phần lớn nưóc ưên giới sản xuất dịng điện cơng nghiệp có tần sơ quy định 50 Hz Một sơ nưóc Mỹ vài nước Tây Âu sử dụng dòng điện cơng nghiệp tần số 60 Hz Tần số dịng điện dùng thiết bị gia công kim loại (siêu âm, tơi cao tần) có tần sơ hàng kilơhec Dịng điên kỹ 'thuật vơ tuyến đạt tới hàng chục, hàng trăm mêgahec cịn cao Dòng điện xoay chiểu biên thiên theo quy dịnh hình sin theo thời gian dược gọi dịng diện xoay chiều hình sin Hình 7.1 đồ thị theo thời gian dịng diện xoay chiều hình sin, trục hoành biểu thị thời gian t, trục tung biểu thị dịng điện i Trên đồ thị, mơi thời diêm t, dịng diện có giá trị tương ứng gọi trị sồ tức thời dòng điện xoay chiều, ký hiệu i Chang hạn, ứị số tức thời thời điểm t, ip Từ định nghĩa dịng điện (xem 1.2) ta có : dt (7.2) v ’ Tượng tự dịng điện, ữị sơ tức thòi điện áp ký hiệu u, s.đ.đ ký hiệu e, v.v Giá trị lớn nhât trị số tức thời chu kỳ gọi trị sô cực dại hay biên dô lượng xoay chiều Biên độ ký hiệu chữ in hoa, có số m, ví dụ biên độ dịng điện Im, biên độ điện áp Ưm, biên độ s.đ.đ Em 266 Dịng điện xoay chiều hình sin dòng điên xoay chiều đơn giản nhất, nên dùng rộng rãi Từ néu, khơng có giải thích thêm, thuật ngữ dịng điện xoay chiều dịng điện xoay chiều hình sin b Ngun lý tạo s.đ.đ xoay chiều hình sin s.đ.đ hình sin tạo máy phát điện xoay chiều pha ba pha nguyên tắc, máy phát điện xoay chiều pha gồm có hệ thống cực từ gọi phân cảm đặt đứng yên, nên gọi phân tĩnh hay xtato, dây, gọi phân ứng, đặt lõi thép chuyển động quay cắt từ trưòng phần cảm, nên gọi phấn quay hay rơto Hình 7.1 : Đồ thị thời gian dịng điện xoay chiều hình sin Hình 7.2 • Ngun tắc cấu tạo máy phát điên pha (a) Và dồ thị s.đ.đ phần ứng (b) 267 Hình 7.2a vẽ nguyên tăc máy phát điện xoay chiều pha đơn giản Phần cảm có hai cực từ : cực bắc ký hiệu N, cực nam ký hiệu s, có phần ứng gồm có khung dây Lõi thép phần ứng để tập trung từ ưường phần cảm qua phần ứng Hệ thống cực từ chê tạo cho ừị sô từ cảm B phân bô mặt cực khe hở rôto-xtato (gọi khe khơng khí) biến thiên theo quy luật hình sin Trục 00' gọi trục trung tính có trị số từ cảm B = Khi khung dây ỏ vị trí lệch với trục trung tính góc a (hình 7.2a) từ câm có giá trị: B = Bm sina ỏ đây, Bra trị số cực đại từ cảm B, a góc mặt phẳng trung tính 00' mặt phang khung dây Khi máy phát điện làm việc, rôto mang khung dây quay với tốc độ (ù (rad/sec) Mỗi khung dây năm ưên mặt rơto quay vói tốc độ V, theo phương vng góc vói đưịng sức, cảm ứng s.đ.đ., xác định theo (5.9): ev=2Bm /tud sin íyt=2Bm/v sin ứX ỏ đây, / chiều dài dây nằm từ trường phần cảm Nêu khung dây có w vịng s.đ.đ khung dây Chiểu s.đ.đ ỏ hai cạnh khung dây Hỉnh 7.3 : là: e = wev = 2Bm/ wv sin ŨẮ - = Em sin ứẨ 268 (7.3) ổ đây, Em = 2Bm/ wv biên độ s.đ.đ Như ỏ hai đầu khung dây ta lây s.đ.đ biến thiên theo quy luật hình sin thời gian, có đồ thị vẽ hình 7.2b Tốc độ ơto thường tính n (vịng/phút) máy có đỗi cực, rơto quay hế.t vỏng (a = 2k), s.đ.đ thực chu kỳ máy có p đơi cực, tức p cực (p gọi sổ đôi cực), rơto quay hết vịng, khung dây cắt qua p đơi cực, thực p chu kỳ s.đ.đ Trong phút hay 60 giây, rơto quay n vịng, s.đ.đ thực p.n chu kỳ Như tần sô s.đ.đ : J (7-4) 60 tạo máy phát điện xoay chiều 2p = (a), phân bố từ cám khe khơng khí (b) đồ thị s.đ.đ ừong vịng quay cúa rơto (c) Hình 7.4: cấu Hình 7.4a vẽ máy phát xoay chiều có 2p = (p = tức đôi cực) Phân bố từ cảm có hai dạng hình 7.4b Khi rơto quay hét vông (a = 2n), khung ty cắt qua hai đôi cực, nên s.đ.đ thực hiên hai chu kỳ (hình 7.4c) 269 Trong thực tế, người ta thường chê tạo máy phát điện xoay chiều có phần cảm quay, phần ứng đứng (hình 7.5) Thơng thưồng phần cảm nam châm điện Mỗi nam châm điện cực từ gồm có phần cực làm băng vật liệu từ, thường thép có quấn cuộn dây kích từ Tất hệ thống cực từ đặt ỏ rơto Đe dẫn dịng điện vào cuộn dây kích từ, người ta áp hai chối than vào hai vịng tiếp xúc ữên rơto, nối tới hai đầu dây cuộn kích từ Dây quấn phần ứng đặt ừong rãnh lõi thép xtato Vì dây quấn đặt ỏ phần tĩnh, nên cách điên dẫn điện dễ Nhờ vậy, dễ dàng thực dây qn điện áp cao, dịng điện lón, làm việc tin cậy Máy phát điện xoay chiều chế tạo vỏi tần sô tới 20 50 kHz tần sô cao hơn, người ta dùng mạch phát dao động dụng cụ điện tử 7.2 PHA VÀ LỆCH PHA Phân ứng cúa máy phát điện thường có nhiêu khung dây Tại thời điểm t = 0, khung dây ỏ mặt phẳng trung tính, khung dây khác ỏ cách mặt phẳng trung tính góc T* vpxi) Khi rơto quay, thời điểm t, khung dây ỏ vị trí a = ŨẮ + T Do đó, biểu thức s.đ.đ ưong trường hợp tổng quát có dạng : e = Em sin (ứX + T) máy phát diện có phần cám quay Hình 7.5: cấu tạo 270 (7.5) Lượng (ứX + T) đặc trưng cho dạng biên thiên lượng hình sin, gọi góc pha hay pha lượng hình sin Tại thời điểm t = 0, góc pha nên T gọi góc pha đầu hay pha đấu lượng hình sin Lượng Cứ gọi tóc độ góc lượng hình sin Khi lượng hình sin biến thiên hết chi kỳ (t = T) khung dây qut hết góc 2rt radian (tính theo góc điện, tương ứng vói đơi cực) ta có : Suy ra: v= ũĩĩ = 2n 2ĩĩ (7.6) Như vậy, tơc độ góc tỉ lệ với tần số Vì Cừ cịn gọi tần sơ góc Lượng hình sin hồn tồn xác định, néu biết: - Biên độ (Em, Ưm Im„.) - Tốc độ góc Cù, chu kỳ T, tần số f - Góc pha đầu T Hình 7.6a vẽ hai khung dây giống d quấn phần ứng, đăt lệch khơng gian, có ”óc pha đầu T7, %, với T| > %, thòi điểm tị, hai khang dây quay góc ỦẮ, nên góc pha tương ứng (újt + T]) Hình 7.6: Hai khung dây lệch Ị không gian (a) s.d.đ tượng ứng c -g(b) 271 (fflt + T2) Vì hai khung dây giống nhau, nên chúng có biên độ s.đ.đ Em Biểu thức s.đ.đ chúng : = Em sin (fiX + TJ e2 = Em sin (ứX + TJ Đồ thị hai s.đ.đ vẽ ừên hình 7.6b Ta thấy e2 có dạng biến thiên tương tự nhau, 6! ln ln biến thiên • nhanh e2 góc đó, đạt cực đ."i trước, triệt tiêu trưóc v.v Lượng sai khác hiệu hai góc pha Cị e2, gọi góc lệch pha hai lượng hình sin, ký hiệu T2 : T12 = (fit + Tj) - (dX + T2) = T, - T2 Nêu T| > T2, T12 > 0, ta bảo (7.8) vượt pha ưước e2 góc , T12 (hình 7.6b), hay e2 châm pha sau C! góc T12 Ngược lại, nêu Tj < T2, T12 < 0, ta bảo 6] chậm pha sau e2 Thôi gian lệch pha hai lượng Cị e2 : TT ’ _ t =I L * = 12-T Cử (7.9) 2n Nêu T] = T2 T12 = 0, ta bảo Ê] e2 hai lượng đồng pha (hình 7.7a) Hai lượng đồng pha có dạng biên thiên giống nhau, đạt cực đại, triệt tiêu Néu Tị = T2 ± 7t T12 = ± 71, ta bảo Ơ! e2 hai lượng dôi pha Hai lượng đối pha có dạng biến thiê n- ÍỢC : Hình 7.7 272 • Hai lượng đồng pha (a) đối pha (b) e, âm e2 dương ngược lại (hình 7.7b) Thời gian lệch pha hai lượng đối pha nửa chu kì [theo (hình 7.9)] : /12 =^2- +r =^- T =12 2ĩt 2ĩĩ Kí dụ 7.1: Cho hai sức điện động e.I = Emmi sin \cơt+ “o7 I vàe, =E mmsin \ Ị cot + — Tìmơgóc lệch X S ỉ • 3J \ \ O7 pha, thời gian lệchpha, tốcđộ góc, chu kì chúng, biết tần số f=50Hz~ Giải: Góc lệch pha C| ©2: 7Ĩ 7T 71 = Ỹ, = %=? ^ = rad 12 ' 6 Vậy 6] vượt trước e2một góc 7t/6 hay 30a Tốc độ góc : Cứ = 2n f = tc Thời gian lệch pha : vp = —— = ũ) 12 Chu kỳ s.đ.đ.: 50 « 314 rad/sec 2^.50 » 0,00166 see T = = 4- 0,02 see f 50 Cần ý ta so sánh góc pha hình sin tần số 273 7.3 TRỊ SƠ TRUNG BÌNH VÀ HIỆU DUNG a Trị só trung bình iượtig hình sin TRỊ số TRUNG BÌNH TRONG NỬA CHƯ KÌ: Ta xét dịng điện hình sin inột chu kỳ (hình 7.8) mồi nửa chu kì, dịng điện tăng từ khơng lên giá trị cực đại (âm dương), lại giảm lịb z 0, £37 Im - t không Bây ta thay thê bỏi dòng điện chiều, cho nửa chu kì, dịng điện tải qua lượng điện tích Q băng với lượng điện tích dịng điện xoay chiều Dịng điện Hình 7.8: Trị số trung bình lượng hình sin nửa chu ki chiều gọi giá trị trung bình nửa chu kì dịng điện xoay chiểu hình sin, kí hiệu ỉlb Lượng điện tích dịng điện xoay chiều nửa chu kì: r/2 Lượng điện tích dịng điện trung bình nửa chu kì : X ' T ™ Theo định nghĩa : T T'ĩ Từ : _ / T 274 rí2 ỉidl (7.10) Thay biểu thức dịng điện hình sin vào, tính : sin Cứt dt = - — T L ữ> 2zr T Biêt Tứ) = 2n : cos Cứ — = cos— '7 7' vào ta : 2/ r coscùt - - ; cos = 1, thay = =7 [-(-1-1)] =7/ »0,637/ 2n Jo (7 11) n Tương tự, ta tính giá trị ứung bình nửa chu kì điện áp s.đ.đ hình sin : _ _ u* to= - _um m« 0,637 Em (7.12) ■ um ’ E*tb = , Emm « 0,637 ’ \ / ĨC n măt hình học, giá trị trung bình chiều cao ciỉa hình chữ nhật có diện tích diện tích đường cong hình sin nửa chu kì (hình 7.8) TRỊ Số TRUNG BÌNH TRONG CẢ CHU KÌ: Trong chu kì, dịng điện xoay chiều đổi chiều lần Nếu ỏ nửa chu kì dương, dịng điện tải điện tích + Q, sang nửa chu kì âm, tải điên tích - Q Như vậy, điên tích tổng dịng điện xoay chiều tải qua dây dẫn chu kỳ (+ Q) + (- Q) = Do đó, giá trị trung bình địrtg diện xoay chiểu chu kì báng khơng TRỊ só TRUNG BỈNH CỦA DÒNG ĐIỆN NẮN : Việc đổi điện xoay chiều thành điện chiều tỈỊực bảng sơ đồ nắn được, dùng đèn điện tử hai cực, đèn có khí điôt bán dẫn làm van điện (xem chương 3) mạch điện xoay chiều pha, có hai kiểu nắn điện : nắn điện nửa sóng nán điện tồn sóng 275 Hình 7.9a vẽ sơ đồ năn điện nửa sóng để dưa vào ampe-met nửa chu kì dương, điơt Đ) thơng, dịng điện qua ampe-met chu kì âm, điơt Đ, bị khóa, điơt Đ; thơng, khơng có dịng điện qua ampe-met Như vây, ỏ chu kì, dịng điện qua ampe met ương nứa chu id dương (hình 7.9b) Hình 7.9 : Sơ dồ nắn diện vào ampe met theo kiểu nủa sóng (a) dóng điện năn ' nủa sóng (b) Trị sơ trung bình dịng điện nắn chu kì: r/ỉ , T/2 , / = í c< * = J 4“®" =^/ *