Giao trinh ki thuat dien.pdf

Giáo trình kĩ thuật điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT TS LƯU THẾ VINH KỸ THUẬT ĐIỆN Đà Lạt 2006 LỜI NÓI ĐẦU Giáo trình kỹ thuật điện nhằm trang bị cho người học kiến thức ứng dụng lượng điện sản xuất đời sống So với dạng lượng khác lượng điện có ưu điểm to lớn sau đây: Điện sản xuất tập trung với nguồn công suất lớn Dễ dàng biến đổi truyền tải xa nhờ máy biến Dễ dàng biến đổi sang dạng lượng khác Nhờ điện tự động hóa toàn trình sản xuất dịch vụ kỹ thuật khác Việt Nam có tiềm to lớn nguồn lượng, hậu chiến tranh kéo dài, ảnh hưởng chế quan liêu bao cấp làm cho sản xuất lạc hậu Sản lượng điện năm 1975 nước có 1,5 tỷ kWh Sau giải phóng củng cố xây dựng thêm nhiều nhà máy điện lớn, Thủy điện Hòa Bình với công suất 1.920 MW, thủy điện Trị an (440MW), Nhiệt điện Phả lại I (440MW), Nhiệt điện Phả Lại II (600MW), thủy điện Ialy (720MW) ,… Hiện triển khai xây dựng nhà máy Thủy điện Sơn la , dự án nhà máy điện nguyên tử Bình Thuận Năm 2003 sản lượng điện nước đạt 41 tỷ kWh bình quân 500kW/ đầu người năm Theo lộ trình phát triển tới năm 2010 đạt 70 tỷkWh, năm 2020 đạt 170 tỷ kWh Để đáp ứng nhu cầu phụ tải điện đến năm 2015 Việt nam xây dựng 61 nhà máy điện với tổng công suất 21.658 MW, có 32 nhà máy thủy điện với tổng công suất 7.975 MW, 17 nhà máy điện tuabin khí với tổng công suất 9.783 MW 12 nhà máy nhiệt điện than với tổng công suất 3.900 MW Hiện đường truyền tải điện siêu cao áp 500 kV Bắc Nam xem huyết mạch lượng điện Quốc gia Tuyến 500 kV thứ hai xây dựng Tốc độ tăng trưởng điện giai đoạn 2003 – 2010 15% Vốn đầu tư trung bình 2,16 tỷ USD năm Ngành sản xuất thiết bị điện đầu tư phát triển Các máy biến áp 110 kV, 25MVA 63 MVA sản xuất hàng loạt Máy biến áp 220 kV, 125 MVA vào sản xuất từ năm 2004 công ty thiết bị điện Đông Anh Các động điện công suất tới 1000 kW chế tạo công ty chế tạo Việt Hung, công ty chế tạo điện Hà Nội, Thủ Đức,… KỸ THUẬT ĐIỆN Giáo trình kỹ thuật điện biên soạn theo chương trình khung đào tạo cử nhân Vật lý Trường Đại học Đà Lạt bắt đầu thực từ năm 2001 Tài liệu biên soạn sở người học học xong môn điện từ học, không sâu vào mặt lý luận tượng mà chủ yếu nghiên cứu phương pháp tính toán ứng dụng kỹ thuật tượng điện từ Giáo trình chia làm phần với chương, phần cung cấp kiến thức sở lý thuyết phương pháp tính toán mạch điện Phần thứ cung cấp kiến thức nguyên lý, cấu tạo, đặc tính ứng dụng loại máy điện Tác giả bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến tập thể môn Điện tử – tự động hóa, cán Khoa Vật Lý tạo điều kiện để tài liệu hoàn thành Vì tài liệu biên soạn lần đầu nên chắn nhiều thiếu sót, mong nhận ý kiến đóng góp từ độc giả bạn đồng nghiệp TÁC GIẢ TS Lưu Thế Vinh Phần thứ CƠ SỞ LÝ THUYẾT & CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MẠCH ĐIỆN A A E 20V R A E th R Jn R1 th R th B a) B b) B c) KỸ THUẬT ĐIỆN Chương NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN § 1.1 MẠCH ĐIỆN VÀ CÁC PHẦN TỬ MẠCH 1.1.1 Mạch điện: Mạch điện tổ hợp thiết bị điện bao gồm nguồn, phụ tải nối với dây dẫn theo cách thức định thông qua thiết bị phụ trợ (hình 1-1) NGUỒ N ĐIỆN Thiết bị phụ trợ PHỤ TẢI Hình 1-1 * Nguồn điện: Nơi sản sinh lượng điện để cung cấp cho mạch Nguồn điện nguồn chiều xoay chiều Nguồn chiều: Pin, acquy, máy phát điện chiều Nguồn xoay chiều: Lấy từ lưới điện, máy phát điện xoay chiều Các nguồn điện công suất lớn thường truyền tải từ nhà máy điện (nhiệt điện, thủy điện, điện nguyên tử ) Các nguồn điện chiều thường đặc trưng suất điện động E, điện trở nội r Với nguồn xoay chiều thường biểu diễn công suất P (công suất máy phát) hiệu điện lối U * Phụ tải: Là 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 R trở kháng Z * Dây dẫn: Có nhiệm vụ liên kết truyền dẫn dòng điện từ nguồn điện đến nơi tiêu thụ TS Lưu Thế Vinh KỸ THUẬT ĐIỆN * Các thiết bị phụ trợ: thiết bị đóng cắt (cầu dao, công tắc ), máy đo (ampekế, vôn kế, óat kế …), thiết bị bảo vệ (cầu chì, aptômát ) 1.1.2 Kết cấu hình học mạch điện Một mạch điện phức tạp bao gồm nhiều nhánh kết nối với tạo thành mạch vòng khép kín (mắt) giao kết nút A R e R C I I1 e R ∗ Nhánh: phần mạch I2 e1 điện, phần tử mạch R mắc nối tiếp với cho có dòng điện chạy qua B I D R4 e4 ∗ Nút: chỗ giao nhánh Hình 1-2 ∗ Mắt: mạch vòng khép kín liên kết nhờ nhánh Ví dụ: ạch điện hình 1-2 gồm nhánh AB, AC, CB, CD BD kết nối với tạo thành nút A, B, C D Các mạch vòng khép kín tạo thành mắt (ACBA), (BCDB) (ACDBA) 1.1.3 Các đại lượng đặc trưng trình lượng mạch điện Năng lượng điện tác dụng mạch đặc trưng đại lượng dòng điện i điện áp u công suất tác dụng p =ui * Dòng điện Dòng điện i chạy mạch có trị số tốc độ biến thiên điện tích qua tiết diện ngang vật dẫn i = ϕA Θ dq dt (1-1) i ϕB S uAB Hình 1-3 Chiều dòng điện quy ước ngược với chiều chuyển động electron (hình 1-3) TS Lưu Thế Vinh KỸ THUẬT ĐIỆN * Điện áp u Tại điểm mạch điện có điện ϕ Hiệu điện hai điểm gọi điện áp u Chẳng hạn hiệu điện hai điểm A B hình 1.3 gọi điện áp uAB uAB = ϕA - ϕB (1-2) Chiều điện áp quy ước chiều từ điểm có điện cao đến điểm có điện thấp * Công suất p Trên đoạn mạch điện, phần tử nhận phát lượng Khi chọn chiều dòng điện điện áp nhánh trùng (hình 1.3) ta có trình lượng sau: Nếu p = ui > - nhánh nhận lượng Nếu p = ui < - nhánh phát lượng Khi chọn chiều dòng điện điện áp ngược ta có kết luận ngược lại Trong hệ đơn vị SI đơn vị dòng điện ampe (A), đơn vị điện áp vôn (V), đơn vị công suất oát (W) § 1.2 MÔ HÌNH MẠCH ĐIỆN Để tiện lợi tính toán thiết kế khảo sát trình điện từ xảy mạch điện người ta sử dụng phương pháp mô hình Mạch điện thực tế với thiết bị điện thay mô hình mạch với phần tử lý tưởng đặc trưng cho trình Mô hình mạch chứa phần tử tích cực (active): nguồn áp u(t), nguồn dòng i(t) phần tử thụ động (passive): điện trở R, điện cảm L điện dung C 1.2.1 Nguồn áp u(t) Nguồn áp u(t) hay máy phát điện áp gọi nguồn sức điện động e(t) đặc trưng cho khả tạo nên trì điện áp không đổi hai cực nguồn Đặc tính quan trọng nguồn áp có điện trở nội r = 0, hiệu điện hai cực nguồn không đổi không phụ thuộc vào giá trị phụ tải Ký hiệu quy ước nguồn áp hình 1-4, a Ta có giá trị nguồn áp: u(t) = - e(t) (1-3) 1.2.2 Nguồn dòng điện i(t) TS Lưu Thế Vinh KỸ THUẬT ĐIỆN Nguồn dòng điện i(t) hay máy phát dòng đặc trưng cho khả tạo nên trì dòng điện không đổi mạch Đặc tính quan trọng nguồn dòng có nội trở r =∞ giá trị dòng điện mạch không phụ thuộc vào phụ tải Ký hiệu quy ước nguồn dòng hình 1-4, b Trong thực tế, nguồn có điện trở nội hữu hạn Do vậy, thay mô hình mạch chúng biểu diễn dạng nguồn sức điện động e(t) mắc nối tiếp với một điện trở r (hình 1-4, c), dạng nguồn dòng điện i (t) mắc song song với điện trở r (hình 1-4, d) r e(t) u(t) a) i(t) i(t) e(t) b) c) r d) Hình 1- Ký hiệu quy ước nguồn áp nguồn dòng a, b – Nguồn áp nguồn dòng lý tưởng c, d – Nguồn áp nguồn dòng thực tế 1.2.3 Điện trở R Điện trở R đặc trưng cho vật dẫn mặt cản trở dòng điện Về mặt lượng điện trở R đặc trưng cho trình tiêu thụ điện biến điện thành dạng lượng khác nhiệt năng, quang năng, năng, … Quan hệ dòng điện điện áp điện trở là: uR = R.i (1-4) Công suất thoát điện trở: p = R.i2 Trong hệ đơn vị SI đơn vị điện trở ôm (Ω) 1.2.4 Điện cảm L TS Lưu Thế Vinh (1-5) KỸ THUẬT ĐIỆN Một cuộn dây có dòng điện i chạy qua sinh từ trường Từ thông gửi qua n vòng cuộn dây ψ = n.Φ Điện cảm cuộn dây định nghóa là: ψ n.Φ = L = (1-6) i i Khi dòng điện biến thiên cuộn dây xuất sức điện động tự cảm eL dψ di = −L (1-7) eL = − dt dt Quan hệ dòng điện điện áp cuộn caûm: di (1-8) u L = − eL = L ; i = u L dt dt L Coâng suất cuộn dây: di pL = u Li = L i (1-9) dt Năng lượng từ trường tích lũy cuộn dây: ∫ t W = ∫ I pL dt = ∫ Lidi = LI (1-10) Trong hệ đơn vị SI đơn vị điện cảm henri (H) 1.2.5 Điện dung C Khi nối hai đầu tụ điện có điện dung C vào nguồn điện áp u, tụ điện tích điện Độ lớn điện tích q: q = Cu Quan hệ dòng điện điện áp tụ điện là: (1-11) dq d du = (Cu ) = C dt dt dt vaø: u = i dt C Năng lượng tích lũy tụ điện: (1-12) i = ∫ u W = ∫ C u du = C u2 (1-13) Trong hệ đơn vị SI đơn vị điện dung fara (F) 1.2.6 Mô hình mạch TS Lưu Thế Vinh ... điện từ Giáo trình chia làm phần với chương, phần cung cấp ki? ??n thức sở lý thuyết phương pháp tính toán mạch điện Phần thứ cung cấp ki? ??n thức nguyên lý, cấu tạo, đặc tính ứng dụng loại máy điện... Điện tử – tự động hóa, cán Khoa Vật Lý tạo điều ki? ??n để tài liệu hoàn thành Vì tài liệu biên soạn lần đầu nên chắn nhiều thiếu sót, mong nhận ý ki? ??n đóng góp từ độc giả bạn đồng nghiệp TÁC GIẢ... mạch vòng khép kín (mắt) giao kết nút A R e R C I I1 e R ∗ Nhánh: phần mạch I2 e1 điện, phần tử mạch R mắc nối tiếp với cho có dòng điện chạy qua B I D R4 e4 ∗ Nút: chỗ giao nhánh Hình 1-2 ∗ Mắt: