TRANG BỊ ĐIỆN, ĐIỆN TỬ TRONG MÁY CÔNG NGHIỆP Trang bi dien dien tu mach ac

Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh Đại Học Bách Khoa Khoa Cơ Khí Bộ Mơn Cơ Điện Tử Môn Học: Trang Bị Điện-Điện Tử Trong Máy Công Nghiệp Chương I Khái Niệm Về Mạch Điện Phần II Mạch Điện Xoay Chiều Pha TS Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn Nội Dung Bài Giảng Hôm Nay  Định nghĩa biểu diễn dòng xoay chiều  Tổng hợp tín hiệu  Dạng mạch  Mạch R, L, C nối tiếp & song song  Mạch ghép nhiều nhánh song song TS Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn Định Nghĩa Và Biểu Diễn Dòng Xoay Chiều Nguyên Lý Tạo Ra Dòng Điện AC ► Khi cho khung dây quay từ trường khung dây xuất suất điện động cảm ứng xoay chiều ► Nếu nối hai đầu khung dây với mạch kín mạch ngồi có dịng điện xoay chiều TS Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn Biểu Diễn Tức Thời Các tín hiệu điện áp, dịng điện, từ thơng … có quan hệ hàm sin theo thời gian t biểu diễn dạng hàm điều hòa theo thời gian V(t) Trong đó: Vm: biên độ điện áp [V] ω: tần số góc điện áp [rad/s] ϕ: góc pha ban đầu lúc t = [rad] Vm sin( t ) -180o < ϕ < 180o Chu kỳ T hay tần số f dịng hay áp hình sin xác định theo quan hệ T = 2π / ω f = / T = ω / 2π Đơn vị đo đại lượng xác định theo [T] = [s] [f] = [Hz] [ω] = [rad/s] TS Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn Biểu Diễn Tức Thời Điều kiện so sánh góc lệch pha: Khi so sánh góc lệch pha (hay độ lệch pha), tín hiệu dịng hay áp hình sin cần thỏa điều kiện sau: ▪ Cùng tần số f (hay tần số góc ) ▪ Các tín hiệu biểu diễn dạng sin (hay cos) Giả sử ta có hai tín hiệu sin: V1 V2 Vm1 sin( t Vm2 sin( t ) 2) Khi chọn tín hiệu V1 làm chuẩn, độ lệch pha V1 V2 xác định theo quan hệ: Kết tính tốn rơi vào ba trường hợp sau: Δφ > ↔ V1 sớm pha V2 Δφ = ↔ V1 trùng pha với V2 Δφ > ↔ V1 chậm pha V2 TS Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn Biểu Diễn Bằng Vector Phase Xét điểm M chuyển động trịn với vận tốc góc ω, bán kính quỹ đạo R ▪ Tại thời điểm t=0, OM hợp với trục x góc φ (pha ban đầu) ▪ Tại thời điểm t, OM hợp với trục x góc α Ta có: α = ωt + φ Tọa độ M hệ trục Descartes: xM = R cos(ωt + φ) yM = R sin(ωt + φ) Theo Fresnel, ta sử dụng vector phase quay trịn khơng gian với vận tốc góc quay ω để biểu diễn áp xoay chiều hình sin V=VMsin(ωt + φ) hay V=VMcos(ωt + φ) TS Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn Giá Trị Hiệu Dụng Giả sử cung cấp nguồn áp chiều xoay chiều lên phần tử R ▪ Đối với nguồn chiều: đồ thị áp, dịng, cơng suất hàm theo thời gian t PDC VDCIDC RIDC VDC R ▪ Đối với nguồn xoay chiều: đồ thị áp, dịng, cơng suất hàm biến thiên theo quy luật sin thời gian t V(t) P(t) VM sin( t) V(t)I(t) I(t) VMI M sin( t) V(t) R VM sin( t) R Kết luận: dòng qua R áp đặt ngang qua hai đầu R trùng pha thời gian TS Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn IM sin( t) Giá Trị Hiệu Dụng ▪ Đối với nguồn chiều: → Xét diện tích ADC giới hạn đồ thị PDC, trục hoành đường thẳng song song với trục tung phạm vi T → Giá trị ADC đặc trưng điện cung cấp cho phần tử R mạch chiều khoảng thời gian T ADC = PDC T ▪ Đối với nguồn xoay chiều: → Xét diện tích AAC giới hạn đồ thị PAC, trục hoành đường thẳng song song với trục tung phạm vi T → Giá trị AAC đặc trưng điện cung cấp cho phần tử R mạch xoay chiều khoảng thời gian T ʃ AAC = P(t)dt TS Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn Giá Trị Hiệu Dụng ▪ Khi điện cấp cho điện trở R thời gian T nguồn áp chiều xoay chiều hình sin có giá trị nhau, ta nói - PDC cơng suất trung bình P(t) - VDC áp hiệu dụng áp hình sin V(t) - IDC dịng hiệu dụng dịng hình sin I(t) Ptb Vhd Ihd PDC VDC I DC T T P(t)dt T T T V2 (t)dt T I (t)dt TS Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn Mạch Thuần Cảm Cấp dịng hình sin tức thời I(t)=Imsin(ωt) qua cuộn dây có hệ số tự cảm L Gọi V(t) áp tức thời đặt ngang qua hai đầu cuộn dây di(t) V(t) L (L Im )cos( t) (L Im )sin t dt Đặt Vm biên độ áp V(t), ta có Vm (L )Im Vm Im (L ) Đặt XL điện kháng cuộn dây, ta có V (L )I XL L fL Điện áp đặt ngang qua hai đầu cuộn cảm sớm pha dòng điện qua cuộn cảm góc 90o TS Ngơ Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn Mạch Thuần Dung Cấp áp tức thời hình sin V(t)=Vmsin(ωt) ngang qua hai đầu tụ điện có điện dung C, gọi I(t) dòng tức thời qua mạch chứa tụ C I(t) dV(t) C dt (C Vm )cos( t) Đặt Im biên độ dòng I(t), ta có Vm Im (C Vm ) C Đặt XC dung kháng tụ điện, ta có (C Vm )sin Im XC V t I C 1 C fC Điện áp đặt ngang qua hai đầu tụ điện chậm pha dòng điện qua tụ điện góc 90o TS Ngơ Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn Mạch R, L, C Nối Tiếp & Song Song Mạch R, L, C Ghép Nối Tiếp Xét đoạn mạch hình bên -V(t) áp tức thời đặt ngang hai đầu mạch -I(t) dòng tức thời qua mạch -VR(t), VL(t), VC(t) áp tức thời đặt ngang qua hai đầu phần tử R, L, C Bước 1: Trong mạch nối tiếp, chọn dòng qua mạch làm chuẩn vẽ vectơ dòng điện Bước 2: Lần lượt vẽ vec-tơ điện áp (đặt ngang qua hai đầu phần tử), vẽ ý góc lệch pha điện áp với dòng qua mạch Bước 3: Tìm vec-tơ điện áp tổng cấp vào hai đầu mạch Vec-tơ áp tổng vec-tơ tổng hợp từ vec-tơ áp đặt ngang qua hai đầu phần tử mạch TS Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn Mạch R, L, C Ghép Nối Tiếp V R2 XL XC I Gọi φ góc lệch pha thời gian dòng điện với áp cấp hai đầu mạch Đại lượng cosφ hệ số cơng suất tồn mạch XL XC L R C cos tg Z R R Tổng trở tương đương Z toàn mạch: Z TS Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn Mạch R, L, C Ghép Nối Tiếp Khi so sánh góc lệch pha φ dòng I(t) qua mạch áp V(t) cấp ngang qua đầu mạch, ta có trường hợp sau: ►I(t) chậm pha V(t): mạch có tính cảm, hay mạch có hệ số cơng suất cosφ trễ Lúc XL > XC ►I(t) trùng pha V(t): mạch có tính trở, mạch có hệ số cơng suất cosφ = Lúc XL = XC ►I(t) sớm pha V(t): mạch có tính dung, hay mạch có hệ số cơng suất cosφ sớm Lúc XL < XC Hay ta phát biểu: ►Mạch có tính cảm ↔ XL > XC, giá trị tgφ > ►Mạch có tính trở ↔ XL = XC, giá trị tgφ = ►Mạch có tính dung ↔ XL < XC, giá trị tgφ > TS Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn Mạch R, L, C Ghép Nối Tiếp → Công suất tác dụng P: đặc trưng cho nhiệt sinh phần tử R đơn vị thời gian, nói cách khác cơng suất tiêu thụ phần tử R mạch xoay chiều P = VRI = RI2 = VIcosφ → Công suất phản kháng (cuộn dây tụ điện): thành phần công suất phản kháng vẽ theo phương thẳng đứng Công suất phản kháng QL cuộn dây L: QL = VLI = XLI2 > Công suất phản kháng QC tụ điện C: QC = - VCI = - XCI2 < Công suất phản kháng toàn phần: Q = QL + QC = (XL–XC) I2 = VIsinφ → Công suất biểu kiến S: đặc trưng cho lượng toàn phần từ nguồn cung cấp cho tồn mạch, thành phần cơng suất biểu diễn cạnh huyền tam giác công suất S = VI = ZI2 TS Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn Mạch R, L, C Ghép Nối Tiếp → Tính chất mạch điện xác định thơng qua giá trị thành phần cơng suất Mạch có tính cảm |QL| > |QC| hay Q = QL + QC > Mạch có tính dung |QL| < |QC| hay Q = QL + QC < Mạch có trở |QL| < |QC| hay Q = QL + QC = → Các quan hệ thành phần công suất: P = S cosφ Q = S sinφ = P tgφ S = sqrt(P2 + Q2) TS Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn Mạch R, L, C Ghép Nối Tiếp Hiện tượng cộng hưởng điện áp ► Thành phần điện áp UL UC ngược pha nhau, UL=UC mạch xảy tượng cộng hưởng điện áp: UL = UC → XL = XC Khi đó, Z = sqrt(R2 + (XL – XC)2 ) = R tgφ = (XL – XC) / R = → φ = ► Dòng điện mạch cộng hưởng điện áp đạt giá trị lớn nhất, ứng với điện áp nguồn I=U/Z=U/R ► Tỷ số q = UL / U = UC / U = XL / R = XC / R Gọi hệ số phẩm chất mạch cộng hưởng ► Công suất tức thời điện cảm điện dung đối pha PL = ULI = -PC = -UCI ► Khi PL > 0, PC < 0: cuộn dây tích lũy lượng, tụ điện phóng điện Khi PL > 0, PC < 0: cuộn dây phóng điện, tụ điện tích lũy lượng (nạp điện) TS Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn Mạch R, L, C Ghép Nối Tiếp Điều kiện cộng hưởng ► Từ điều kiện: UL = UC → XL = XC → ωL = / ωC Tần số góc cộng hưởng: ω = / sqrt(LC) = ω0 Tần số cộng hưởng: f = ω / 2π = / (2π sqrt(LC)) = f0 Vậy điều kiện để có cộng hưởng tần số sức điện động nguồn tần số riêng mạch f = f0 hay ω = ω0 TS Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn Mạch R, L, C Ghép Song Song Xét mạch hình bên Áp dụng định luật Kirchhoff nút A: I IR IL IC Biểu diễn vector I phương pháp vector hình bên Trị số hiệu dụng dịng I: I I 2R (IL IC )2 Mô-đun tổng trở Z toàn mạch: U R U XL U XC U R2 XL XC U Z RXL XC Z XL XC R2 XL Dịng mạch I lệch pha so với điện áp U góc: tg IC IL IR XC U XC U XL U R TS Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn XL XC R XL XC Mạch Ghép Nhiều Nhánh Song Song Mạch Ghép Nhiều Nhánh Song Song Trình tự dựng giản đồ vector phase cho mạch nhiều nhánh song song Bước 1: → Tách rời nhánh song song (hay nhánh rẽ) thành mạch riêng → Xây dựng giản đồ vector phase cho nhánh → Khi xây dựng giản đồ vector nhánh rẽ, nên chọn dịng qua nhánh làm chuẩn Bước 2: → Thực phép chập đồ thị vector hình → Vector đặc trưng cho áp đặt ngang hai đầu nhánh rẽ sơ đồ phải trùng TS Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn Mạch Ghép Nhiều Nhánh Song Song Giải mạch xoay chiều ghép song song (áp dụng giản đồ vector phase) Bước 1: → Vẽ giản đồ vector phase toàn hệ thống đoạn mạch → Dựa vào giản đồ vector phase tìm được, rút quan hệ dịng áp, cơng suất hệ thống Bước 2: → Sử dụng phương pháp tính sau để tìm kết quả: Hệ thức lượng giác tam giác thường (định lý Cosin) Phép chiếu vng góc hệ thức vector xuống trục → Trong tốn liên quan đến cơng suất tác dụng, lưu ý phối hợp công thức P = VIcosφ P = RI2 TS Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn The End 31