Giáo trình Mạch điện (Nghề: Điện - Nước - Trung cấp) - Trường Cao đẳng Cơ điện Xây dựng Việt Xô

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ ĐIỆN XÂY DỰNG VIỆT XÔ KHOA: XÂY DỰNG GIÁO TRÌNH MƠN HỌC:MẠCH ĐIỆN NGHỀ: ĐIỆN- NƯỚC TRÌNH ĐỘ TRUNG CẤP Ban hành kèm theo Quyết định số: /QĐ- ngày tháng năm 20 …… ……………… Tam Điệp, năm 2018 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng ngun 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 LỜI GIỚI THIỆU Nội dung giáo trình xây dựng sở kế thừa nội dung giảng dạy trường, kết hợp với nội dung nhằm đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng đào tạo phục vụ nghiệp cơng nghiệp hóa, đại hóa Đề cương giáo trình Bộ LĐTBXH đánh giá thơng qua Giáo trình biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, bổ sung nhiều kiến thức biên soạn theo quan điểm mở, nghĩa đề cập nội dung bản, cốt yếu để tùy theo tính chất nghành nghề đào tạo mà nhà trường tự điều chỉnh cho thích hợp khơng trái với quy định chương trình khung đào tạo Bộ LĐTBXH ban hành Tuy tác giả có nhiều cố gằng biên soạn, giáo trình khơng tránh khỏi khiếm khuyết, hi vọng nhận đóng góp độc giả Mọi ý kiến đóng góp xin gửi tổ biên soạn- Khoa Xây Dựng- Trường Cao đẳng Cơ điện Việt Xô Tam Điệp, ngày 20 tháng 03 năm 2018 Tác gia biên soạn Nguyễn Văn Thảo MỤC LỤC Contents CHƯƠNG MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU Khái niệm dòng điện 1.1 Dòng điện 1.2 Mạch điện Các định luật mạch điện 11 2.1 Định luật Ôm 11 2.2 Định luật Jun- Len xơ (Joule -Lenzo) 12 2.3 Định luật Kiêcshop 13 Nguồn điện 14 3.1 Khái niệm nguồn điện 14 3.3 Đấu ghép nguồn thành .16 Phương pháp giải mạch điện phức tạp 18 4.1 Phương pháp dòng điện nhánh .18 4.2 Phương pháp dòng điện mạch vòng .20 4.3 Phương pháp điện áp hai nút (Phương pháp điện nút) .21 4.4 Phương pháp xếp chồng dòng điện 24 CHƯƠNG 26 TỪ TRƯỜNG- CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ 26 Giới thiệu: 26 Từ trường 27 1.1 Khái niệm từ trường, đường cảm ứng từ 27 1.2 Các đại lượng từ bàn 29 1.3 Từ trường số dây dẫn mang dòng điện 32 1.4 Lực tương tác 33 1.5 Lực tác dụng hai dây dẫn có dịng điện 35 Mạch từ 36 2.1 Khái niệm mạch từ 36 2.2 Định luật dịng điện tồn phần 37 2.3 Tương quan B, H đường cong từ hoá .40 2.1 Định luật mạch từ- tính tốn mạch từ Error! Bookmark not defined Cảm ứng điện từ 43 3.1 Định luật cảm ứng điện từ 43 3.2 Sức điện động cảm ứng dẫn chuyển động từ trường 43 CHƯƠNG 50 MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU 50 Giới thiệu: 50 Mạch điện xoay chiều pha .51 1.1 Định nghĩa ngun lý tạo dịng điện xoay chiều hình sin 51 1.2 Cách biểu diễn đại lượng xoay chiều hình sin .53 1.3 Mạch điện xoay chiều trở .56 1.4 Mạch điện xoay chiều cảm 58 1.5 Mạch điện xoay chiều dung 61 1.6 Mạch điện xoay chiều có điện trở, điện cảm, điện dung mắc nối tiếp 63 1.7 Cơng suất dịng điện hình sin 66 1.8 Bài tập ứng dụng 67 Dòng điện xoay chiều ba pha 71 2.1 Khái niệm dòng điện xoay chiều ba pha 71 2.2 Các đại lượng mạch điện ba pha 71 2.3 Đấu dây mạch điện xoay chiều ba pha 71 2.4 Giải mạch điện ba pha 75 Hệ số công suất .77 3.1 Ý nghĩa hệ số công suất .77 3.2 Biện pháp nâng cao hệ số công suất .78 3.3 Bài tập 79 Tài liệu tham khảo: .80 GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: MẠCH ĐIỆN Mã mơn học: Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học: -Vị trí: Mơn học mạch điện môn học sở học kì năm đầu, học sau mơn học: Vẽ kỹ thuật, Vật liệu - Tinh chất: Môn mạch điện môn sở hỗ trợ kiến thức cho mơn khác, đồng thời giúp cho sinh viên có điều kiện tự học, nâng cao kiến thức nghề nghiệp - Ý nghĩa vai trị mơn học: mơn học nhằm trang bị cho sinh viên kiến thức điện kỹ thuật, động điện, máy biến áp điện giúp sinh viên có kiến thức để thực cơng việc nghề xây dựng có liên quan đến điện kỹ thuật Mục tiêu môn học: Về kiến thức: - Trình bày định luật mạch điện, phương pháp giải mạch điện chiều, xoay chiều - Xác định chiều dòng điện cảm ứng, véc tơ cảm ứng điện từ véc tơ lực điện từ ống dây, dây dẫn thẳng, vòng dây đặt từ trường nam châm vĩnh cửu - Giải thích số tượng điện từ thiết bị điện dân dụng Về kỹ năng: - Vận dụng biểu thức để tính tốn thơng số kỹ thuật mạch điện chiều, xoay chiều, mạch ba pha trạng thái xác lập - Phân tích sơ đồ mạch đơn giản, biến đổi mạch phức tạp thành mạch điện đơn giản Về thái độ: - Kiên nhẫn, tập trung, tỷ mỷ, xác, có tư sáng tạo, trách nhiệm Nội dung môn học: CHƯƠNG MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU Mã chương: MH11-01 Giới thiệu Khái niệm, định nghĩa dòng điện, mạch điện, nguồn điện khái niệm, định nghĩa ngành điện.Khi tìm hiểu giải mạch điện, bỏ qua định luật mạch điện Từ áp dụng định luật để giải mạch điện từ đơn giản đến phức tạp phương pháp thích hợp khác nhau, tùy theo đặc điểm mạch cụ thể Chương cung cấp cho học sinh kiến thức điều đề cập Mục tiêu - Trình bày khái niệm dòng điện, mạch điện, nguồn điện phương pháp giải mạch điện chiều - Giải mạch điện chiều phức tạp - Tuân thủ bước giải mạch điện - Tỉ mỉ, xác, có tư logic, trách nhiệm cơng việc Nội dung Khái niệm dịng điện 1.1 Dòng điện 1.1.1 Khái niệm dòng điện Dòng điện chiều dịng điện có chiều trị số không đổi theo thời gian 1.1.2 Tác dụng dịng điện Điện có ưu điểm bật cú thể sản xuất tập trung với nguồn cụng suất lớn, cú thể truyền tải xa phân phối đến nơi tiêu thụ với tổn hao tương đối nhỏ Điện dễ dàng biến đổi thành cỏc dạng lượng khỏc Mặt khỏc quỏ trỡnh biến đổi lượng tớn hiệu điện từ dễ dàng tự động hóa điều khiển từ xa, cho phộp giải phúng lao động chõn tay lao động trớ úc người Kỹ thuật điện ngành kỹ thuật ứng dụng cỏc tượng điện từ để biến đổi lượng, đo lường, điều khiển, xử lý tớn hiệu bao gồm việc tạo ra, biến đổi sử dụng điện năng, tín hiệu điện từ cỏc hoạt động thực tế người 1.1.3 Cường độ mật độ dòng điện 1.1.3.1 Cường độ dòng điện Đại lượng đặc trưng cho độ lớn dòng điện gọi cường độ dòng điện ( gọi tắt dòng điện ), kí hiệu: I Cường độ dịng điện lượng điện tích qua tiết diện thẳng dây dẫn đơn vị thời gian I q t Trong đó: q: điện tích (C) t: thời gian (s) I: cường độ dòng điện (A) Ampe cường độ dịng điện giây có culơng chuyển qua tiết điện thẳng dây dẫn 1kA=103A, 1mA=10-3A, 1A=10-6A Nếu điện tích di chuyển qua dây dẫn khơng theo thời gian tạo dịng điện có cường độ thay đổi (ký hiệu i) Giả sử thời gian nhỏ dt, có lượng điện tích dq qua tiết điện dây cường độ dịng điện i  dq dt Khi điện tích di chuyển theo hướng định với tốc độ không đối tạo thành dịng điện chiều (hay dịng điện khơng đổi) Vậy dịng điện chiều dịng điện có chiều trị số không đổi theo thời gian Đồ thị đường thẳng song song với trục thời gian Nếu dịng điện có trị số chiều biến đổi theo thời gian gọi dòng điện biến đổi Dịng điện biến đổi dịng điện khơng chu kỳ dịng điện có chu kỳ Ví dụ: dịng điện tắt dần dịng điện khơng chu kỳ Dịng điện có chu kỳ dịng điện biến đổi tuần hồn nghĩa sau khoảng thời gian định lặp lại trị số dạng biến thiên cũ Trong dòng điện có chu kỳ quan trọng dịng điện xoay chiều hình sin 1.1.3.2 Mật độ dịng điện Khi cường độ dòng điện qua đơn vị diện tích gọi mật độ dịng điện, kí hiệu  (denta)  Trong đó: I S I: cường độ dịng điện (A) S: diện tích tiết điện dây (m2)  : mật độ dòng điện (A/m2 ), (A/cm2 ), (A/mm2 ) Cường độ dòng điện dọc theo đoạn dây dẫn tiết diện nên chỗ tiết diện dây nhỏ, mật độ dịng điện lớn ngược lại Ví dụ 1: Dây dẫn có tiết diện 95mm2 dịng điện I= 200A qua Tính mật độ dịng điện Giải: Mật độ dòng điện là:   I 200   2,05 (A/mm2 ) S 95 1.2 Mạch điện 1.2.1 Khái niệm mạch điện Mạch điện tổ hợp thiết bị điện bao gồm nguồn điện phụ tải nối với dây dẫn theo cách thức định thông qua thiết bị phụ trợ Mạch điện môn học sở kỹ thuật quan trọng q trình đào tạo cơng nhân lành nghề, kỹ sư ngành kỹ thuật điện công 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 Nguồn chiều: Pin, ác quy, máy phát điện chiều… Nguồn điện xoay chiều: Lấy từ lưới điện, máy phát điện xoay chiều Các nguồn điện công suất lớn thường truyền tải từ nhà máy (nhiệt điện, thủy điện, điện nguyên tử…) Các nguồn điện chiều thường đặc trưng suất điện động E, điện trở r Với nguồn xoay chiều thường biểu diễn công suất P (công suất máy phát) hiệu điện lối U Phụ tải thiết bị sử dụng điện để chuyển hóa thành dạng lượng khác, dùng để thắp sáng (quang năng), chạy động điện (cơ năng), dùng để chạy lò điện (nhiệt năng)…Các thiết bị tiêu thụ điện thường gọi phụ tải (hoặc tải) ký hiệu điện trở Z Dây dẫn: Có nhiệm vụ liên kết truyền dẫn dòng điện từ nguồn đến nơi tiêu thụ Các thiết bị phụ trợ: Như thiết bị đóng cắt (cầu dao, công tắc…), máy đo (ampe kế, ôm kế…), thiết bị bảo vệ (cầu chì, attomat…) 1.2.2 Mơ hình mạch điện 1.2.2.1 Mơ hình tốn học trình Muốn sử dụng, khống chế, cải tạo vật thể vật lý kỹ thuật loại trình ví dụ q 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 toán học theo cách: định nghĩa biến trạng thái q trình, tìm nhóm đủ tượng bản, mơ tả tốn học chế tượng cách hợp thành q trình khác Theo mơ hình tốn học q trình xếp vật thể thành trường, mơi 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 1.2.2.2Mơ 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 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 mô tả 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 trình xét 1.2.3 Nhánh, nút mạch vòng mạch điện Một mạch điện phúc tạp bao gồm nhiều nhánh kết nối với tạo thành mạch vịng khép kín giao nút 10 Tai lieu Luan van Luan an Do an Công suất: - Công suất tác dụng: P  I R (W) - Công suất phản kháng: Q  QL  QC  I ( X L  X C ) (VAr) - Công suất biểu kiến: S  P2  Q2  P2  (QL  QC )2 (VA) Tam giác công suất S  P2  Q2  P2  (QL  QC )2 tg  Q QL  QC  P P    arctg QL  QC P 1.7 Cơng suất dịng điện hình sin 1.7.1 Công suất tác dụng P Công suất tác dụng P công suất điện trở R tiêu thụ, đặc trưng cho trình biến đổi lương dang dạng lượng khác nhiệt năng, quang P=RI2 Ta có: UR= RI= U.cos  thay vào cơng thức P=RI2thì P=RI2=URI= UIcos  Cơng suất tác dụng cơng suất trung bình chu kỳ/ 1.7.2 Cơng suất phản kháng Q Để đặc trưng cho trình cường độ trao đổi, tích lũy lượng điện từ trường, người ta đưa khái niệm công suất phản kháng Q Q=XI2=(Xl-Xc)I2 Mặt khác: UX= XI=Usin  thay vào cơng thức Q=XI2=(Xl-Xc)I2 ta có: Q= XI2= UxI= Usin  Vậy công suất phản kháng mạch gồm: - Công suất phản kháng điện cảm QL: QL= XLI2 - Công suất phản kháng điện dung QC: QC= -XCI2 1.7.3 Công suất biểu kiến S 66 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an Để đặc trưng cho khả thiết bị nguồn thực trình lượng xét trên, người ta đưa khái niệm công suất biểu kiến S định nghĩa sau: S=UI= P  Q Biểu thức P, Q viết lại theo S sau: P=UI cos  =Scos  Q=UIsin  =Ssin  Từ công thức thấy rõ, cực đại công suất tác dụng P (khi Cos  =1), cực đại công suất phản kháng Q (khi sin  =1) cơng suất biểu kiến Vậy S nói lên khả thiết bị Trên nhãn máy phát điện, máy biến áp, người ta ghi công suất biểu kiến S định mức Quan hệ P, Q, S mô tả tam giá vuông S cạnh huyền, P Q cạnh vng P, Q, S có thứ ngun, song để phân biệt ta cho đơn vị khác Đơn vị P: W k W, M W Đơn vị Q: Var, kVA, MVA 1.8 Bài tập ứng dụng Bài 1: Dịng điện xoay chiều hình sin gì? Biểu thức trị số tức thời, trị số hiệu dụng ? Ý nghĩa trị số hiệu dụng? Bài 2: Định nghĩa góc pha i, u góc lệch pha  Đại lượng phụ thuộc vào chọn gốc toạ độ? Đại lượng phụ thuộc vào thông số R, X mạch? Bài 3: Hãy viết biểu thức I, , vẽ đồ thị vectơ cho nhánh sau: R, L, C, RL, RC, LC, RLC nối tiếp Bài 4: Các biểu thức tính cơng suất tác dụng P? P công suất tiêu thụ phần tử mạch điện ? Ý nghĩa công suất tác dụng P? Đơn vị P? Bài5: Các biểu thức tính cơng suất phản kháng Q? Q công suất tiêu thụ phần tử mạch điện? Ý nghĩa công suất phản kháng Q? Đơn vị Q? Bài 6: Các biểu thức tính cơng suất biểu kiến S? Ý nghĩa công suất biểu kiến S? Đơn vị S? Bài 7: Nêu cách biểu diễn dòng điện điện áp hình sin vectơ Bài 8: Nêu cách biểu diễn dịng điện điện áp hình sin số phức Bài 9: Sử dụng phương pháp giải mạch điện xét mạch điện chiều vào giải mạch điện xoay chiều hình sin cần ý gì? Bài 10: Biểu thức trị số tức thời dòng điện điện áp nhánh i=10 sin(t150) u = 200 sin(t + 250) Hãy xác định Imax, Umax, I, U, i, u, , Đây nhánh có tính chất ? 67 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an Đáp số: Imax=10 A; Umax= 200 V; I=10A; U= 200V; i= -150 u= 250; = 400; nhánh tính cảm (RL) Bài 11: Hãy biểu diễn vectơ, số phức dòng điện điện áp 3.10 Xác định z, R, X, Z nhánh   Đáp số : I =10-150; U =200250; I = 10e-j15 ; U =200ej25 z = 200; R = zcos = 15,32; X = zsin= 12,85 Z = R + jx = 15,32 +j 12,85 = 20ej40 Bài 12: Nguồn điện U =230V đấu vào mạch điện có R = 57; XL = 100 mắc nối tiếp Tính I, UR, UL, cos, P, Q mạch Đáp số: I = 2A; UR = 114V; UL = 200  cos = 0,495; P = 228W; QL = 400VAr Dòng điện chậm pha điện áp góc 60,30 Bài 13: Một nguồn điện tần số f = 10kHz cung cấp điện cho tải có R = 10k; L = 100mH nối tiếp Người ta muốn có I = 0,2mA Xác định điện áp nguồn U Đáp số: U = 2,36V Bài 14 : Một nguồn điện U = 15V; f= 10kHz cung cấp điện cho tải có C = 0,005F, R =1k nối tiếp.Tính I, cos= 0,3,P,Q,UC,UR Đáp số : I= 4,5mA; cos = 0,3; P = 20,25mW; QC=-64,395mVar UR=4,5V; UC = 14,31V Dòng điện vượt trước điện áp góc 72,540 Bài 15 : Một nguồn điện có điện áp U1, cung cấp điện cho tải có R = 15; XC=20 mắc nối tiếp Biết công suất tác dụng mạch điện P = 240W Tính I, UR, UC, U, cos, Q mạch điện Đáp số: I = 4A; UR= 60V; UC=80v; U= 100V; cos= 0,6 (dòng điện vượt trước điện áp); QC= -320Var Bài 16 : Cho mạch điện hình vẽ biết UL=150V; Tính I1, I2, I3, I,P,Q,U, cos mạch 68 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an Đáp số: I1= 5A; I2 = 5A; I3 = 10A I = = 7,07A; P =250W Q = -250VAr; U = 50V cos= 0,707(dòng điện I vượt trước điện áp góc 450) Bài 17: Cho mạch điện hình vẽ Cho biết dịng điện I3=50A a Tính UAB; I1; I2; I4;I; P ;Q ;S; cos; U mạch điện b Xác định phần tử (R, XL, Xc) đấu nối tiếp vào nhánh dịng điện I4= Tính trị số phần tử dòng điện I trường hợp Đáp số: a.UAB = 100V; I2 = 20V; I1 = 25A I4= 3-A; I = 39,05A; P = 5549,8W; Q = -3000VAr; S = 6308,74VA U = 161,55V; cos= 0,879, Dòng điện I vượt trước điện áp U góc 50,190 b Cần đấu XC vào nhánh 2, XC=3; I = I1 =26,925A Bài 18: Cho cuộn dây có R = 4 ; XL= 25 mắc nối tiếp với tụ điện có XC=22 đấu vào nguồn U =220V 69 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an a Tính I; QL, QC, Q; cos; mạch b Tính điện áp đặt lên cuộn dây điện áp đặt lên tụ điện Đáp số: a I = 44A; P = 7744W QL= 48400VAr; QC= -42592VAr Q = 5808VAr ; cos = 0,8 (dịng điện chậm pha điện áp góc 36,870) b Ucuộndây= 1113,99V ; UC= 968V Bài 19: Tính dịng điện; I1; I2, I, UAB mạch điện hình vẽ Đáp số: I1= 20A; I2= 40A; I = 20A ; UAB= 240V Bài 20: Một tải có R = 60, XL=8 a.Tính hệ số cơng suất tải Người ta đấu tải vào nguồn U = 120V b Tính cụng suất P,Q tải Để nõng cos mạch điện lờn Tính dung lợng QC tụ mắc song song với tải Tính C tụ , cho biết tần số nguồn điện f = 50Hz Đáp số: a cos = 0,6 b P = 864W; Q = 1152VAr QC= -1152VAr; C = 2,547.10-4F 70 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an 2Dòng điện xoay chiều ba pha 2.1 Khái niệm dòng điện xoay chiều ba pha Ngày dòng điện xoay chiều ba pha sử dụng rộng rãi ngành sản xuất : Động điện ba pha có cấu tạo đơn giản đặc tính tốt động điện pha Truyền tải điện mạch điện ba pha tiết kiệm dây dẫn, giảm bớt tổn thất điện tổn thất điện áp so với truyền tải điện dòng điện pha Mạch điện ba pha bao gồm nguồn điện ba pha, đường dây truyền tải tải ba pha 2.2 Các đại lượng mạch điện ba pha 2.2.1 Đại lượng pha Điện áp pha: Là điện áp đặt cuộn dây pha nguồn hai đầu pha tải Điện áp pha ký hiệu up(t) Dòng điện pha: Là dòng điện chạy qua cuộn dây pha nguồn qua tải pha Dòng điện pha ký hiệu ip(t) 2.2.2 Đại lượng dây Điện áp dây: Là điện áp đặt hai đầu hai cuộn dây pha nguồn hai đầu pha hai pha tải Hay nói cách khác: Điện áp dây điện áp đặt hai dây pha nối nguồn tải Điện áp dây ký hiệu ud(t) Dòng điện dây: Là dòng điện chạy dây dẫn nối nguồn tải Dòng điện dây ký hiệu id(t) 2.3 Đấu dây mạch điện xoay chiều ba pha 2.3.1Nối riêng rẽ tải pha với nguồn Nếu pha nguồn điện ba pha nối riêng rẽ với pha tải, ta có hệ thống ba pha không liên hệ Mỗi mạch điện gọi pha mạch điện ba pha Mạch điện ba pha không liên hệ cần dây dẫn, không tiết kiệm nên thực tế không dùng Thường ba pha nguồn điện nói với nhau, ba pha tải nối với có đường dây ba pha nối nguồn với tải, dẫn điện từ nguồn với tải Thơng thường dùng cách nối: nối hình ký hiệu Y nối hình tam giác ký hiệu  Sức điện động, điện áp, dòng điện pha nguồn điện (hoặc tải) gọi sức điện động pha ký hiệu Ep, điện áp pha ký hiệu Up, dòng điện pha ký hiệu Ip 71 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an Dòng điện chạy đường dây pha từ nguồn đến tải gọi dòng điện dây ký hiệu Id, điện áp đường dây gọi điện áp dây, ký hiệu Ud Các quan hệ đại lượng pha đại lượng dây phụ thuộc vào cách nối (hình hay tam giác) xét kỹ tiết 2.3.2Đấu dây hình (Y) 2.3.2.1 Cách nối Mỗi pha nguồn (hoặc tải) có đầu cuối Thường ký hiệu đầu pha A, B, C, cuối pha X, Y, Z Muốn nối hình ta nối ba điểm cuối pha với tạo thành điểm trung tính Đối với nguồn ba điểm cuối X, Y, Z, nối với thành điểm trung tính nguồn Đối với tải ba điểm cuối X', Y', Z', nối với tạo thành trung tính tải Ba dây nối điểm đầu A, B, C nguồn với điểm đầu pha tải gọi ba dây pha Dây dẫn nối điểm trung tính nguồn tới điểm trung tính tải gọi dây trung tính 2.3.2.2 Quan hệ giữ dòng điện dây dòng điện pha 72 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an Dòng điện pha IP, dòng điện chạy pha nguồn (hoặc tải) Dòng điện dây Id chạy dây pha nối từ nguồn tải tới Các dịng điện ký hiệu hình Nhìn vào mạch điện ta thấy quan hệ dòng điện dây dòng điện pha sau: Id=IP 2.3.2.3 Quan hệ điệp dây điện áp pha Điện áp pha UP điện áp điểm đầu điểm cuối pha (hoặc điểm đầu pha điểm trung tính, dây pha dây trung tính) Điện áp dây Ud điện áp điểm đầu pha (hoặc điện áp dây pha), ví dụ điện áp dây UAB (giữa pha A pha B), UBC (giữa pha B pha C), UCA (giữa pha C pha A) Theo định nghĩa điện áp dây ta có:     U AB = U A - U B   U BC = U B - U C    U CA = U C - U A Để vẽ đồ thị vectơ điện áp dây, trước hết vẽ đồ thị vectơ điện áp pha UA, UB, UC, sau dựa vào cơng thức vẽ đồ thị vectơ điện áp dây Xét tam giác OAB: AB = 2AH = 2OAcos300 = 2OA Ud = = OA Up AB điện áp dây Ud OA điện áp pha Up Từ đồ thị vectơ, ta thấy: Khi điện áp pha đối xứng, điện áp dây đối xứng Về trị số hiệu dụng: Ud = Up Về pha: điện áp dây vượt trước điện áp pha tương ứng góc 300 (UAB vượt trước UA góc 300,UBC vượt trước UB góc 300, UCA vượt trước UC góc 300)    Khi tải đối xứng I A , I B , I C tạo thành hình đối xứng, dịng điện dây trung tính khơng    I0= I A + I B + I C =0 Trong trường hợp khơng cần dây trung tính, ta có mạch ba pha ba dây Động điện ba pha tải đối xứng, cần đưa ba dây pha đến động ba pha 73 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an Khi tải pha khơng đối xứng, ví dụ tải sinh hoạt khu tập thể, gia đình…,dây trung tính có dịng điện I0    I0 = I A + I B + I C 2.3.3Đấu dây hình tam giác () 2.3.3.1 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 Cách nối tam giác khơng có dây trung tính 2.3.3.2 Quan hệ điện áp dây điện áp pha Nhìn vào mạch điện nối tam giác ta thấy: Ud = U p 2.3.3.3 Quan hệ dòng điện dây dòng điện pha Khi giải mạch điện nối tam giác ta thường quen quy ước: chiều dương dòng điện pha Ip nguồn ngược chiều quay kim đồng hồ, chiều dương dòng điện pha tải chiều quay kim đồng hồ Áp dụng định luật Kirchooff 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 Dòng điện IA, IB, IC chạy dây pha từ nguồn điện đến tải dòng điện dây  Id Dòng điện IAB, IBC, ICA chạy pha dòng điện pha, lệch pha với điện áp U AB , 74 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an   U BC , U CA góc  Để vẽ dòng điện dây IA, IB, IC ta dựa vào phương trình Vectơ IAB cộng với vectơ (-ICA) ta có vectơ IA; Quá trình tương tự ta vẽ IB, IC Đồ thị vectơ dòng điện pha IAB, IBC, ICA dịng điện IA, IB, IC vẽ hình Xét tam giác OEF OF = 2OE Id =  OE Ip Về pha: dòng điện dây chậm sau dịng điện pha tương ứng góc 300 (IA chậm pha IAB góc 300; IB chậm pha IBC góc 300; IC chậm pha ICA góc 300) 2.4 Giải mạch điện ba pha 2.4.1Phương pháp giải mạng ba pha đối xứng Đối với mạch điện ba pha cân (ba pha đối xứng), dòng điện (điện áp) pha có hiệu số hiệu dụng nhau, lệch pha góc Vì mạch đối xứng, ta tách pha để tính, biết dịng điện pha, ta suy dòng điện pha lại Khi tải nối vào nguồn có điện áp dây Ud, Bỏ qua tổng trở đường dây, biết tổng trở tải, bước tính tốn thực sau: Bước 1: Xác định cách nối dây tải (hình hay hình tam giác) Bước 2: Xác định điện áp pha Up tải Nếu tải nối hình sao: Ud = Ud Nếu tải nối hình tam giác: Up=Ud Bước 3: Xác định tổng trở pha Zp hệ số công suất tải Tổng trở pha tải: Hệ số công suất cos = R p2  X p2 zp = Rp zp  Rp R  X p2 p Trong Rp, Xp tương ứng điện trở pha, điện kháng pha pha tải Bước 4: Tính dịng điện pha Ip tải: Ip = Up zp 75 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an Từ dịng điện pha Ip, tính dịng điện dây Id tải Nếu tải nối hình sao: Id = I p Nếu tải nối hình tam giác: Id = 3I p Bước 5: Tính cơng suất tải tiêu thụ P = R p I p2 3UpIp cos UdId cos Q = X p I p2 3UpIp sin UdId sin S = z p I p2 3UpIp UdId 2.4.2 Bài tập Một tải ba pha gồm cuộn dây đấu vào mạng điện ba pha có điện áp dây 380V Cuộn dây thiết kế cho làm việc với điện áp định mức 220V Cuộn dây có điện trở R = 2, điện kháng X =  a Xác định tính cách nối cuộn dây thành tải ba pha b Tính cơng suất P, Q, cos tải Giải: a Các cuộn dây nối hình đấu vào mạng điện, nối hình sao, điện áp pha đặt lên cuộn dây là: Up = U d 380  220V = điện áp định mức cuộn dây = 3 Nếu tải nối tam giác điện áp pha đặt lên cuộn dây Up=Ud= 380V> điệnáp định mức cuộn dây, cuộn dây bị hỏng b Tổng trở pha tải 76 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an R p2  X p2 = 22  82 = 8,24 zp = Hệ số công suất cos tải cos = sin = Rp zp Xp zp   0,242 8,24   0,97 8,42 Up Ip = Dòng điện dây Id tải: Id = Ip = 26,7A zp = 220  26,7 A 8,24 Dòng điện pha Ip tải: Công suất tác dụng P tải P= UdId cos = 380 26,7 0,242 = 4252,6W Công suất phản kháng Q tải Q= UdId sin = 380 26,7 0,97 = 17045,7VAr Công suất biểu kiến S S= UdId = 380 26,7 = 17572,8VA Hệ số công suất 3.1 Ý nghĩa hệ số công suất 3.1.1 Khả làm việc thiết bị Các thiết bị điện đặc trưng ba thơng số định mức chính: Cường độ dịng điện định mức (Iđm), điện áp định mức (Uđm), công suất biểu kiến định mức (Sđm) Ta có: S đm = Iđm.Uđm Khi thiết bị làm việc, điều ta quan tâm công suất tác dụng thiết bị (Pđm) Pđm = Sđm.cosđm Vậy để công suất tác dụng thiết bị tiến đến công suất biểu kiến thiết bị, đại lượng cos phải tiến đến Hay nói cách khác, để tận dụng tối đa khả làm việc thiết bị hệ số cơng suất cos phải lớn (cos = 1) 77 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an Hệ số công suất cos  biểu diễn mức độ tiêu hao vô ích lượng nguồn cung cấp (cos  = P/S), trì hệ số cơng suất cos  cao (cos  1) tận dụng tối đa công suất nguồn cung cấp, giảm tổn hao đường truyền Nếu cơng suất tồn phần nguồn cung cấp (S) khơng đổi nâng cao hệ số cos  tăng cơng suất có ích (P) cung cấp cho phụ tải; cịn cơng suất có ích phụ tải (P) khơng thay đổi nâng cao hệ số công suất cos  giảm công suất toàn phần (S) nguồn cung cấp.Máy phát điện làm việc với dịng điện điện áp định mức, phát công suất tác dụng tỉ lệ với hệ số cơng suất cos Vì thực tế, sử dụng lượng điện, người ta ln tìm biện pháp để nâng cao hệ số công suất cos  3.1.2 Trong truyền tải Khi sử dụng điện, nhu cầu sử dụng cần phải truyền tải điện xa Phụ tải dùng điện yêu cầu với công suất tác dụng định điện áp U không đổi Lúc này, thay đổi hệ số cơng suất cos, dịng điện thay đổi theo (P = U I.cos) Dòng điện thay đổi tỉ lệ nghịch với hệ số công suất cos, hệ số công suất cos nhỏ dịng điện tải tiêu thụ lớn Dịng điện lớn tồn thất điện áp đường dây tăng Tổn thất công suất đường dây tăng tăng trọng lượng dây dẫn, thiệt hại kinh tế Vậy sử dụng thiết bị điện, truyền tải điện xa, hệ số cơng suất cos có tầm quan trọng ý nghĩa to lớn Ta phải giữ cho hệ số công suất cos có giá trị định mà khơng ảnh hưởng đến tiêu kinh tế, kỹ thuật 3.2 Biện pháp nâng cao hệ số công suất 3.2.1 Biện pháp chủ động Là biện pháp giảm công suất phản kháng tải Trên thực tế công suất phản kháng thường dùng từ động điện, cuộn dây máy biến áp, cuộn chấn lưu Do đó, biện pháp chủ động để giảm nhỏ cơng suất phản kháng trường hợp đặt từ chế tạo thiết bị, lựa chọn công suất thực vận hành theo chế độ thích hợp 3.2.2 Biện pháp thụ động Là biện pháp sản xuất công suất phản kháng nơi tiêu thụ gần nơi tiêu thụ để bù công suất phản kháng tải Phương pháp có hai cách thức thực hiện: Dùng tụ bù dùng động đồng máy bù dồng 78 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an Phương pháp dùng tụ bù: Đây phương pháp đơn giản, dùng tụ bù C mắc song song với tải tiêu thụ, gọi bù tĩnh Dùng động đồng máy bù đồng gọi máy bù quay: Phương pháp thực cách bù trực tiếp lên lưới điện 3.3 Bài tập Bài4.1:Mạchđiện3phahình4.1đượccungcấpbởinguồn3phađốixứngthứtự thuận,biếtápdâyhiệudụngUA=110∠00(V),Zd=Zn=j50(Ω);Z1=100Ω; Z2=300Ω a Xácđịnhgiátrị IA, IA1, IA2 b.Xácđịnhsốchỉcủadụngcụđo c.TìmcơngsuấtPtiêuthụtrêntảiZ1vàPtổnhaotrênđườngdây(Zd) IA Zd A IA1 Z1 I Zd A2 Z1 B Zd C Z1 abc Z 2Z 2Z A N Hình4.1 VI Hướng dẫn thực môn học: Phạm vi áp dụng môn học: Chương trình mơn học áp dụng giảng dạy cho sở đào tạo trình độ Trung cấp Hướng dẫn phương pháp giảng dạy, học tập môn học: - Đối với giáo viên: + Trong trình giảng dạy mơn học sử dụng phương tiện trực quan Các phương tiện trực quan không phương tiện mà cịn mục đích nghiên cứu học 79 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn