Mạch điện xoay chiều ba pha có nhiều ưu điểm so với mạch điện xoay chiều một pha cả về kinh tế và kỹ thuật. Nguồn điện ba pha có thể lấy được 2 mức điện áp (ud và uf), đồng thời tạo ra được từ trường quay ba pha nên trong thực tế công nghiệp sản suất thường sử dụng hệ thống điện xoay chiều ba pha. Nội dung cơ bản của bài học nghiên cứu các khái niệm, quan hệ giữa các lượng dây pha, công suất trong mạch xoay chiều ba pha và cách giải mạch điện xoay chiều ba pha đối xứng.
MỞ ĐẦU Mạch điện xoay chiều ba pha có nhiều ưu điểm so với mạch điện xoay chiều pha kinh tế kỹ thuật Nguồn điện ba pha lấy mức điện áp (u d uf), đồng thời tạo từ trường quay ba pha nên thực tế công nghiệp sản suất thường sử dụng hệ thống điện xoay chiều ba pha Nội dung học nghiên cứu khái niệm, quan hệ lượng dây - pha, công suất mạch xoay chiều ba pha cách giải mạch điện xoay chiều ba pha đối xứng I KHÁI QUÁT CHUNG HỆ THỐNG ĐIỆN BA PHA Mạch điện ba pha gồm: nguồn điện, đường dây truyền tải phụ tải pha Hệ thống điện ba pha lấy từ cuộn dây phần ứng máy phát ba pha; ba cuộn dây thứ cấp MBA ba pha A KHÁI QUÁT CHUNG HỆ THỐNG ĐIỆN BA PHA Suất điện động ba pha máy phát điện đồng (MFĐB) ba pha tạo Cấu tạo Cấu tạo máy phát điện đồng ba pha đơn giản, gồm phần: - Phần cảm (phần quay, gọi roto) nam châm điện (hoặc NCVC) tạo dịng từ thơng móc vịng máy - Phần ứng (phần tĩnh, gọi stato) có nhiệm vụ tạo hệ thống sức điện động ba pha Phần ứng hệ thống dây quấn ba pha gồm có cuộn dây AX, BY CZ giống hệt nhau, đặt lệch 1200 không gian rãnh lõi thép stato; cuộn dây gọi cuộn dây pha A Y C N S X Z n B Nguyên lý tạo suất điện động ba pha Khi cấp điện chiều cho cuộn dây kích từ (W kt), máy có dịng từ thơng chạy mạch từ, móc vịng phần cảm phần ứng Khi rôto quay, từ thông phần cảm quét qua cuộn dây pha phần ứng Theo định luật cảm ứng điện từ cuộn dây phần ứng sinh ba suất điện động xoay chiều biến thiên theo quy luật hình sin, tần số, lệch pha 1/3 chu kỳ, có trị số hiệu dụng nhau; gọi nguồn ba pha đối xứng Nếu coi suất điện động cảm ứng eA cuộn dây pha A có , thì: Chú ý: Máy biến áp pha coi nguồn điện pha; biến đổi cấp điện áp không biến đổi dạng lượng khác thành lượng điện máy phát điện Để truyền lượng điện từ nguồn tới tải; người ta nối riêng rẽ pha với tải, khơng tiết kiệm cần tới dây Trong thực tế, thường nối cuộn dây máy phát ba pha thành hình sao; nối cuộn dây máy biến áp ba pha thành hình hình tam giác Các khái niệm liên quan - Điểm (hay N) nối chung cuộn dây pha (hoặc pha tải) điểm trung tính - Dây nối từ điểm trung tính nguồn tới tải dây trung tính - Dây nối từ đầu pha nguồn tới pha tải dây pha - Dòng điện chạy dây pha gọi dòng điện dây Id - Dòng điện chạy dây trung tính gọi dịng điện trung tính Io - Dịng điện chạy qua cuộn dây pha nguồn (hoặc pha tải) dòng điện pha Ip - Điện áp đầu pha (cuộn dây pha nguồn, tải pha) điện áp pha Up - Điện áp dây pha điện áp dây Ud Tải ba pha Tải ba pha ba tải pha đấu vào nguồn điện ba pha Tải ba pha đấu riêng rẽ với pha nguồn đấu chung theo hình theo hình tam giác B MẠCH ĐIỆN BA PHA NỐI HÌNH SAO Sơ đồ nối dây Nối cuộn dây máy phát theo hình cách nối ba điểm cuối (X,Y,Z) cuộn dây pha thành điểm chung, điểm gọi điểm trung tính (0 N); điểm đầu (A,B,C) cuộn dây pha nối tới tải ba pha mạch điện Quan hệ đại lượng dây pha mạch đối xứng Mạch điện ba pha đối xứng thì: UA = UB = UC ZA = ZB = ZC Dòng điện dây dòng điện pha Id = Ip Cụ thể là: ipA = iA; ipB = iB ipC = iC Khi đó, trị số dịng điện pha là: IA = IB = IC = Dòng điện dây trung tính: i00, = iA + iB + iC = Về quan hệ điện áp dây với điện áp pha: Vậy, mạch ba pha đấu hình đối xứng điện áp dây hiệu hai điện áp pha tương ứng Từ đồ thị vector ta có Ud = Up ud vượt pha trước up 300 Như vậy: Trong mạch ba pha đấu theo hình đối xứng dịng điện dây dòng điện pha; điện áp dây ba lần điện áp pha vượt trước điện áp pha góc 300 C MẠCH ĐIỆN BA PHA NỐI TAM GIÁC Sơ đồ nối dây Nối cuộn dây máy phát ba pha theo hình tam giác cách nối điểm cuối cuộn dây pha với điểm đầu cuộn dây pha kia, tạo thành mạch vịng (tam giác) kín mà ba đỉnh tam giác nối với tải ba pha Quan hệ đại lượng dây pha mạch đối xứng Xét mạch vòng cuộn dây pha phần ứng máy phát điện sức điện động tổng cuộn dây là: e = eA + eB + eC Thay biểu thức suất điện động pha vào, ta có: Vậy, suất điện động ba pha máy phát điện đối xứng suất điện động tổng chúng “0” nên khơng có dịng điện chạy khép kín cuộn dây pha; mà mặt lý thuyết cho phép đấu cuộn dây pha máy phát theo hình tam giác Tuy nhiên, suất điện động ba pha máy phát khơng đối xứng suất điện động tổng chúng khác “0”; tổng trở cuộn dây pha có giá trị nhỏ, nên có dịng điện chạy khép kín cuộn dây pha lớn gây nguy hiểm cho cuộn dây; mà thực tế không cho phép đấu cuộn dây pha máy phát theo hình tam giác Mạch điện ba pha đối xứng, thì: UA = UB = UC = Up ZAB = ZBC = ZCA Căn vào sơ đồ mạch điện thì: Điện áp ud = up ⇔ uAB = uA, uBC = uB uCA = uC Về quan hệ id với if; theo định luật Kirchhoff I nút ta có: iA = ipA – ipC; iB = ipB – ipA iC = ipC – ipB Trong trị số thì: IpA = IpB = IpC = Từ đồ thị vector, ta có: Id = Ip id chậm pha sau ip 300 Như vậy: Trong mạch ba pha đấu theo hình tam giác đối xứng điện áp dây điện áp pha; dòng điện dây ba lần dòng điện pha chậm sau dịng điện pha góc 300 Cũng với lý luận trên, máy biến áp ba pha thực tế ba cuộn dây thứ cấp thường đấu theo hình tam giác; tổng trở ba cuộn dây thứ cấp máy biến áp có giá trị lớn tổng trở ba cuộn dây pha máy phát ba pha Ví dụ: Lưới điện có ghi 220/380V- 50Hz; nghĩa có điện áp pha Up 220V, điện áp dây Ud 380V tần số f = 50 Hz D CÔNG SUẤT BA PHA Công suất tác dụng Đặc trưng cho tiêu thụ lượng nguồn R dạng nhiệt - Công suất pha: PA = PB = PC = UpIpcos (W) - Công suất ba pha: P = 3Pp = 3UpIpcos = UdIdcos (W) Công suất phản kháng Đặc trưng cho trao đổi lượng nguồn với trường có mạch - Công suất pha: QA = QB = QC = UpIpsin (VAr) - Công suất ba pha: Q = 3Qp = 3UpIpsin = UdIdsin (VAr) Công suất biểu kiến Đặc trưng cho khả chứa (phát) công suất mạch điện hay thiết bị điện - Công suất pha: SA = SB = SC = Sf = UfIf (VA) - Công suất ba pha: S = 3Sp = 3UpIp = UdId (VA) Quan hệ loại công suất mạch: II CÁCH GIẢI MẠCH ĐIỆN BA PHA ĐỐI XỨNG A MẠCH ĐIỆN BA PHA NỐI HÌNH SAO ĐỐI XỨNG Khi trở kháng dây nối không đáng kể (Zd = 0) Cho mạch điện ba pha với trở kháng dây nối nhỏ khơng đáng kể Ta dùng hai sơ đồ mạch: Điện áp pha nguồn u A, uB, uC; điện áp pha tải u A’, uB’, uC’ Vì Z00’ 0, nên điểm A-A’, B-B’, C-C’ O-O’ đẳng Như vậy, điện áp pha nguồn điện áp đặt vào tải tương ; U U ứng: U A U A ' ; U B U B' C C' Khi không xét tới tổng trở đường dây thơng số mạch: + Điện áp tổng trở pha tải: Up = Ud Zp = R2P + X 2P + Dòng điện pha tải đối xứng có trị số: IP = Id = Up Zp Cụ thể: I U A I e j00 ; I U B I e j1200 I U C I e j1200 A p B p C p ZA ZB ZC + Góc lệch pha: u i acrtg Xp Rp + Dịng điện dây trung tính: I 00 ' I A I B I C I A (1 e j120 e j120 ) 0 0 Trong trường hợp dây trung tính bỏ qua Ta có mạch ba pha ba dây đối xứng Do đó, việc tính tốn mạch điện ba pha đối xứng ta quy việc tính tốn pha, suy kết pha cịn lại * Trong thực tế nói chung dây trung tính thường dùng loại dây có tiết diện nhỏ so với dây pha Do tổng trở dây trung tính nhỏ bỏ qua (Z 00’ 0), hai điểm trung tính O–O’ đẳng thế; điện áp ba pha nguồn đối xứng điện áp pha tải đối xứng, kể tải ba pha không đối xứng Tuy nhiên, tải ba pha không đối xứng (Z A ZB ZC), mà dây trung tính bị đứt (Z00’ = ), hai điểm trung tính khơng đẳng điện áp ba pha tải đối xứng; điện áp có pha tăng cao, gây nguy hiểm cho thiết bị dùng điện (như hình trên) Khi có xét tới tổng trở đường dây (Zd 0 ) Mạch điện hình vẽ: Cách tính tương tự trên, phải gộp tổng trở đường dây với tổng trở pha tải để tính trị số Id Ip: Id = Ip = UP 2 (R d + R P ) + ( X d + X p ) B MẠCH BA PHA NỐI TAM GIÁC ĐỐI XỨNG Khi trở kháng dây nối không đáng kể (Zd = 0) Các thông số mạch xác định theo biểu thức sau: + Điện áp pha tải điện áp dây nguồn: Up = Ud + Dòng điện pha tải: Ip = Up Zp Ở đây: Zp = R2p + X 2p tổng trở pha + Dòng điện dây: Id = Ip + Góc lệch pha điện áp dịng điện pha tải: X u i acrtg p Rp Khi có xét tới tổng trở đường dây (Zd ≠ 0) Mạch ba pha nối tam giác đối xứng, có xét tới tổng trở đường dây Z d Muốn xác định thông số mạch ta phải biến đổi tương đương tổng trở pha tải từ đấu theo hình tam giác sang hình Trong đó: - Tổng trở pha đấu tam giác là: ZA = ZB = ZC = ZD = R p + jX p - Biến đổi sang hình có: Z Y X Z R p j p 3 Sau thực giải mạch điện xét C CÁCH GIẢI MẠCH ĐIỆN BA PHA ĐỐI XỨNG Đối với mạch ba pha đối xứng, dòng điện (hoặc điện áp) pha có trị số lệch pha phần ba chu kỳ Vì vậy, giải mạch ba pha đối xứng ta cần tính tốn khảo sát dịng điện, điện áp công suất pha Rồi suy pha cịn lại Khi tải đấu vào nguồn có điện áp dây (U d), bỏ qua tổng trở đường dây (Z d), biết tổng trở pha tải (Zp), bước tính tốn tiến hành sau: Bước 1: Xác định cách đấu dây tải (theo hình hay hình tam giác) Bước 2: Xác định điện áp pha đặt vào tải + Nếu tải đấu hình thì: U p = Ud + Nếu tải đấu hình tam giác thì: U p = U d Bước 3: Xác định tổng trở pha Zp hệ số công suất pha tải + Tổng trở pha tải: Zp = R 2p + X 2p Rp Rp cos j = = + Hệ số công suất tải: Zp R2p + X 2p Trong đó: Rp, Xp điện trở pha điện kháng pha pha tải Bước 4: Tính dịng điện dây pha tải - Tính dịng điện pha tải: I p = Up Zp - Tính dịng điện dây tải: + Nếu tải đấu hình thì: I d = I p + Nếu tải đấu hình tam giác thì: I d = 3I p Bước 5: Tính loại cơng suất tải P = 3I 2pR p = 3U pI p cosj = 3U dI d cosj (W) Q = 3I 2pX p = 3U pI p sinj = 3U dI d sinj (VAr) S = 3I 2pZp = 3U pI p = 3U dI d (VA) Ví dụ: Tải ba pha có điện trở pha Rp = 8 điện kháng pha Xp = 6 đấu vào lưới điện ba pha đối xứng có điện áp dây U d = 220V Hãy tính trị số dịng điện pha, dịng điện dây, hệ số cơng suất tải công suất tải tiêu thụ trường hợp sau: a Khi tải ba pha đấu hình tam giác b Khi tải ba pha đấu theo hình Giải Mạch điện ba pha đối xứng, có: ZA = ZB = ZC = Zp = 8+ j6 a Trường hợp tải ba pha đấu theo hình tam giác - Điện áp pha tải điện áp dây: Up = Ud = 220 (V) - Tổng trở pha tải: Zp = R2p + X 2p = 82 + 62 =10() - Dòng điện pha tải: Ip = Up Zp = 220 = 22 (A) 10 - Dòng điện dây tải: I d = 3I p = 1,73.22 = 38(A) - Hệ số công suất tải: cosj = Rp Zp = = 0,8 Þ j = j u - j i » 370 10 Như vậy, dòng điện pha chậm sau điện áp pha góc góc = 370 Nghĩa là, tải ba pha mang tính cảm (vì i = -370) - Cơng suất mạch tải ba pha: P =3Ip2Rp = 3.8.222 = 11616 (W) Q =3Ip2Xp = 3.6.222 = 8712 (VAr) S =3Ip2Zp = 3UpIp = 3.220.22 = 14520 (VA) b Trường hợp tải ba pha đấu theo hình 10 - Điện áp pha tải điện áp pha nguồn: - Dòng điện pha tải: (V) (A) - Dòng điện dây tải: Id = Ip = 12,7 (A) Dòng điện pha chậm sau điện áp pha = 370 ; tải ba pha mang tính cảm Đồ thị vector biểu diễn quan hệ điện áp dòng điện pha hình - Cơng suất mạch tải ba pha: P = 3Ip2Rp = 3.8.12,72 = 3871 (W) Q = 3Ip2Xp = 3.6 12,72 = 2903 (VAr) S = 3Ip2Zp = 3.10 12,72 = 4839 (VA) Từ ví dụ trên, ta có nhận xét quan trọng sau: Nếu mạch điện ba pha đối xứng với nguồn có trị số không đổi trở kháng pha tải khơng đổi đổi từ cách đấu hình sang cách đấu hình tam giác, dịng điện dây tăng lên ba lần - điện áp đặt vào pha tải tăng lần (bằng điện áp dây nguồn) * BÀI TẬP A HƯỚNG DẪN GIẢI BÀI TẬP - Nắm vững bước giải mạch điện ba pha đối xứng để áp dụng cho tập cụ thể - Xác định cách mắc hình hình tam giác để áp dụng cơng thức quan hệ dây – pha cho - Khi tính công suất ý công suất pha công suất tồn mạch B BÀI TẬP VÍ DỤ 11 Bài tập 1: Tải ba pha có điện trở pha R p = 4 điện kháng pha Xp = 3 đấu vào lưới điện ba pha đối xứng có điện áp dây U d = 110V Hãy tính trị số dịng điện pha, dịng điện dây, hệ số cơng suất tải công suất tải tiêu thụ trường hợp sau: a Khi tải ba pha đấu hình tam giác b Khi tải ba pha đấu theo hình Giải Mạch điện ba pha đối xứng, có: ZA = ZB = ZC = 4+3j a Trường hợp tải ba pha đấu theo hình tam giác - Điện áp pha tải điện áp dây: Up = Ud = 110 (V) - Tổng trở pha tải: 5() - Dòng điện pha tải: (A) - Dòng điện dây tải: I d = 3I p = 1,73.22 = 38(A) - Hệ số công suất tải: Þ j = j u - j i » 370 Như vậy, dòng điện pha chậm sau điện áp pha góc góc = 370 Nghĩa là, tải ba pha mang tính cảm (vì i = -370) - Cơng suất mạch tải ba pha: P =3Ip2Rp = 3.4.222 = 5808 (W) Q =3Ip2Xp = 3.3.222 = 4356 (VAr) S =3Ip2Zp = 3UpIp = 3.110.22 = 7260 (VA) b Trường hợp tải ba pha đấu theo hình 12 - Điện áp pha tải điện áp pha nguồn: (V) - Dòng điện pha tải: (A) - Dòng điện dây tải: Id = Ip = 12,7 (A) Dòng điện pha chậm sau điện áp pha = 370; tải ba pha mang tính cảm Đồ thị vector biểu diễn quan hệ điện áp dòng điện pha hình - Cơng suất mạch tải ba pha: P = 3Ip2Rp = 3.4.12,72 = 1935,5 (W) Q = 3Ip2Xp = 3.3 12,72 = 1451,5 (VAr) S = 3Ip2Zp = 3.5 12,72 = 2419,5 (VA) C: BÀI TẬP THỰC HÀNH Bài tập 2: Tải ba pha có điện trở pha Rp = 16 điện kháng pha Xp = 12 đấu vào lưới điện ba pha đối xứng có điện áp dây Ud = 220V Hãy tính trị số dòng điện pha, dòng điện dây, hệ số công suất tải công suất tải tiêu thụ tải ba pha đấu hình Đáp số: Id = Ip = 6,35 (A); cosφ= 0,8; P= 1935,5 (W); Q= 1451,5 (VAr); S= 2419,5 (VA) Bài tập 3: Tải ba pha có điện trở pha Rp = 16 điện kháng pha Xp = 12 đấu vào lưới điện ba pha đối xứng có điện áp dây Ud = 220V Hãy tính trị số dịng điện pha, dịng điện dây, hệ số công suất tải công suất tải tiêu thụ tải ba pha đấu hình tam giác Đáp số: Ip = 11(A); Id = 19,1 (A) cosφ= 0,8.; P= 5808 (W); Q= 4356 (VAr); S= 7260 (VA) 13