Bài giảng kỹ thuật điện

TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP -o0o -MAI VĂN CÔNG Bài giảng KỸ THUẬT ĐIỆN (2 TC, chương trình Đại học, Cao đẳng) LƢU HÀNH NỘI BỘ Khánh Hòa, tháng 09 năm 2013 Chương1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN 1.1 Mạch điện, kết cấu hình học mạch điện Mạch điện: Tập hợp phần tử điện, ghép thành vòng kín, có dòng điện chạy qua tạo nên điện áp phần tử A MF Đ Dây dẫn ĐC Trong mạch điện có nhóm phần tử chính: -Nguồn điện (nguồn) -Phụ tải (tải) B a Nguồn điện (Source): thiết bị tạo điện b Tải (Load): thiết bị tiêu thụ điện c Dây dẫn điện * Ngoài có dụng cụ đo lƣờng, điều khiển bảo vệ Kết cấu hình học mạch điện Đ a.Nhánh:đoạn mạch có phần tử điện nối tiếp b.Nút : nơi giao từ nhánh trở lên c.Vòng: lối khép kín qua số nhánh => Vòng độc lập (mắt lưới) 1.2 Các đại lƣợng đặc trƣng cho trình lƣợng mạch điện Dòng điện : i = dq dt Điện áp Hiệu điện hai điểm : uAB = uA - uB Chiều dương dòng điện điện áp Công suất (tức thời) p  u.i p = u.i > nhánh nhận lượng p = u.i < nhánh phát lượng tải 1.3 Mô hình mạch điện, thông số Nguồn điện áp sức điện động u(t )  e(t ) Nguồn dòng điện Điện trở R u R  Ri u 2R p  Ri  u R i  R Đặc trưng cho trình tiêu thụ điện biến điện thành dạng lượng khác 4 Điện cảm L L i uL uL  L di dt Wtt  L.i Đặc trưng cho trình trao đổi tích lũy lượng từ trường Hỗ cảm M: cuộn dây L1 L2 đặt gần Khi có dòng I1 chạy vào L1 dòng I2 chạy vào L2 sinh từ thông cuộn dây hỗ cảm sang cuộn dây điện áp hỗ cảm Điện dung C C uC uC  idt C Wđt  C.u C2 Đặc trưng cho tượng tích lũy lượng điện trường ( phóng tích điện năng) Mô hình mạch điện Để thuận lợi cho việc phân tích, tính toán mạch điện, ngƣời ta đƣa mô hình mạch điện hay gọi sơ đồ thay mạch điện Một mạch điện thực tế có nhiều sơ đồ thay khác tùy mục đích nghiên cứu điều kiện làm việc Mạch điện thực tế Cuộn dây Rơle Đèn điện MF Rd Ld ef Rđ Lf L R Rf Rd Ld Mô hình thay mạch điện 1.4 Phân loại chế độ làm việc mạch điện Phân loại theo loại dòng điện a Mạch điện chiều b Mạch điện xoay chiều: pha, pha Phân loại theo tính chất thông số R, L, C mạch điện a Mạch điện tuyến tính: tất phần tử tuyến tính b Mạch điện phi tuyến: có phần tử phi tuyến MĐ Phân loại theo trình lƣợng mạch a Chế độ xác lập ( chế độ ổn định) b Chế độ độ ( thời gian ngắn nhỏ 10s) Phân loại theo toán mạch điện a Bài toán phân tích mạch b Bài toán tổng hợp mạch ( hay thiết kế mạch) 1.5 Hai định luật Kiếchốp ( Kirchhof ) Định luật Kiếchốp Tổng đại số dòng điện nút không: i=0 i1 i5 A i4 i2 i3 Ví dụ: Theo định luật K1 nút A ta có : i - i2 – i3 + i4 – i5= Hay i1 + i4 = i2 + i3 + i5 tổng dòng điện chạy vào nút tổng dòng điện chạy khỏi nút Định luật Kiếchốp Đi theo vòng khép kín, theo chiều chọn tùy ý, tổng đại số điện áp rơi phần tử R, L, C tổng đại số sức điện động có vòng; sức điện động dòng điện có chiều trùng với chiều dương vòng mang dấu dương, ngược lại mang dấu âm Xét ví dụ sau: R1 L1 i1 e1 i3 (I) Theo định luật K2 ta có: C3 R2 L2 a i2 (II) e2 b di1  i3dt  e1 dt C3  di Vòng II: L 2  R 2i  i3dt  e dt C3  Vòng I: R1i1  L1 Chương DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN 2.1 Các đại lƣợng đặc trƣng cho dòng điện hình sin Biểu thức tổng quát dòng điện, điện áp, sức điện động: i = Imax sin (t + i) u = Umax sin (t + u) e = Emax sin(t + e) Tìm góc lệch pha đại lượng tần số: Góc lệch pha đại lượng tần số, hiệu pha ban đầu chúng Chẳng hạn góc lệch pha điện áp dòng điện thường kí hiệu  :  =  u - i 2.2 Trị số hiệu dụng dòng điện hình sin Trị số hiệu dụng dòng điện hình sin dòng điện I, trị số tác động tương đương mặt lượng thời gian chu kỳ chạy qua điện trở R tạo công suất I I max U U max E E max Trong thực tế, giá trị đọc cấu đo dòng điện I, đo điện áp U, đo sức điện động E dòng điện hình sin thường trị số hiệu dụng Các giá trị U, I, E ghi nhãn mác dụng cụ thiết bị điện thường trị số hiệu dụng 2.3 Biểu diễn dòng điện hình sin véctơ Thông số cần biết để biểu diễn vectơ cho đại lƣợng điện trị hiệu dụng pha đầu đại lƣợng điện sin y Ví dụ: i  10 sin(t  30o ) u  20 sin(t  45o ) Với phƣơng pháp biểu diễn đại lƣợng điện sin vectơ, cho ta công cụ toán học, cộng (trừ) hai đại lƣợng điện sin tần số, tƣơng ứng cộng (trừ) hai vectơ chúng o Ví dụ 1: Cho i1  20 sin(t  45 )(A) i  20 sin(t  45o )(A) Dựa vào phƣơng pháp vec tơ tính: i3  i1  i  40 sin t (A) i  i1  i  40 sin(t  90o )(A) i5  i  i1  40 sin(t  90o )(A) o Ví dụ 2: Cho u1  10 sin(t  30 )(V) u  15 sin(t  150o )(V) Dựa vào phƣơng pháp vec tơ tính: u  u1  u  sin(t  150o )(V) u  u1  u  25 sin(t  30o )(V) u  u  u1  25 sin(t  150o )(V) 10 8.2 Cấu tạo máy điện đồng Gồm phần chính: phần tĩnh phần quay Phần tĩnh (vai trò phần ứng) Stato máy điện đồng giống stato máy điện không đồng bộ: lõi thép, dây quấn, vỏ máy Phần quay (cảm) Gồm lõi thép, dây quấn kích từ trục máy Có loại rôto cực lồi rôto cực ẩn Rôto có hai loại: - Rôto cực lồi Có tốc độ thấp, có nhiều đôi cực - Rôto cực ẩn (lõm) Tốc độ cao (thường có đôi cực) 62 8.3 Nguyên lý làm việc máy phát điện đồng Cho dòng điện chiều vào dây quấn kích từ roto để tạo từ trường Dùng động sơ cấp quay rôto với tốc độ n Từ trường rôto cảm ứng sang stato sức điện động hình sin có trị số hiệu dụng là: Eo = 4,44f W1kgqΦo Trong f = pn/60 Khi có tải, dòng điện dây quấn stato tạo nên từ trường quay với tốc độ n1= n nên gọi MF đồng 8.4 Phản ứng phần ứng máy phát điện đồng E0 1.Khi tải trở PƯPƯ ngang trục khử từ ư Iư Φo S N 2.Khi tải cảm PƯPƯ dọc trục khử từ E0 ư Φo N Iư S 63 Khi tải dung PƯPƯ dọc trục trợ từ Φ o E0 ư N Iư S 4.Khi tải ( tính cảm hay tính dung) Phản ứng phần ứng vừa ngang trục vừa dọc trục khử từ trợ từ Phản ứng phần ứng máy phát điện đồng vừa phụ thuộc độ lớn bé tải phụ thuộc vào tính chất tải 8.5 Mô hình toán đƣờng đặc tính máy phát điện đồng Phương trình điện áp máy phát điện đồng   E  jX I U o db Các đường đặc tính máy phát điện đồng a Đặc tính không tải Uo = f(Ikt) Itải =0, n = const 64 b Đặc tính máy phát điện đồng U = f(I) Ikt = const, n = const, cost = const c Đặc tính điều chỉnh máy phát điện đồng Ikt = f(I) U = const, n = const, cost = const 8.6 Động điện đồng Nguyên lý làm việc Phương trình điện áp động điện đồng bộ:   E  jX I U o db Mở máy động điện đồng bộ: để tạo mômen mở máy, tạo dẫn, nối ngắn mạch lồng sóc động KĐB, nên mở máy khó khăn, phức tạp Máy bù đồng (điều chỉnh hệ số công suất cosφ) Động đồng chạy không tải kích từ 65 Chương MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 9.1 Cấu tạo máy điện chiều Bao gồm phần tĩnh (stato), phần quay (rôto) cổ góp với chổi than Phần tĩnh (stato): đóng vai trò phần cảm Gồm có lõi thép mạch từ vừa vỏ máy Các cực từ có dây quấn kích từ Các máy có công suất lớn trung bình có thêm cực từ phụ đặt xen kẽ với cực từ để hạn chế bớt tia lửa điện Phần quay ( rôto): đóng vai trò phần ứng Gồm lõi thép, dây quấn phần ứng, cổ góp chổi than 66 a Lõi thép dây quấn Lõi thép hình trụ, làm thép kỹ thuật điện mỏng ghép lại với b Cổ góp chổi than Cổ góp gồm phiến góp đồng ghép cách điện, có dạng hình trụ Chổi than (chổi điện) làm than graphit, chổi than tỳ sát lên cổ góp nhờ lò xo giá chổi điện gắn nắp máy 67 9.2 Nguyên lý làm việc máy điện chiều Nguyên lý làm việc máy phát điện chiều - Phương trình điện áp máy phát chiều U = Eư – Rư Iư - Mô máy phát điện chiều 68 Nguyên lý làm việc động điện chiều Khi có từ trường phần cảm dòng điện DC đưa vào phần ứng động quay - Phương trình điện áp động điện chiều U = Eư + Rư.Iư - Mô động điện chiều 69 9.3 Phản ứng phần ứng máy điện chiều Từ trường máy từ trường tổng từ trường cực từ từ trường phần ứng PƯPƯ phụ thuộc độ lớn bé (dòng điện) tải Hậu phản ứng phần ứng - Ở chế độ máy phát, làm cho điện áp máy phát U giảm - Chế độ động cơ, làm cho mômen quay giảm, tốc độ động thay đổi Biện pháp khắc phục -Dùng cực từ phụ dây quấn bù, -Dịch đường trung tính hình học 9.4 Sức điện động phần ứng, công suất điện từ mômen điện từ Sức điện động phần ứng Eư = kEn đơn vị [ V ] Công suất điện từ • Pđt  pN nIư = Eư Iư 60a đơn vị [ W ] Mômen điện từ Mđt = kM Iư  đơn vị [ N.m ] 70 9.5 Nguyên nhân tia lửa biện pháp khắc phục Nguyên nhân khí Nguyên nhân điện từ Biện pháp khắc phục - Dùng cực từ phụ dây quấn bù, cổ góp nhẵn -Dịch đƣờng trung tính chổi than góc β theo độ lớn tải Dịch ngƣợc hay chiều quay roto tuỳ theo ĐC hay MF 9.6 Máy phát điện chiều phân loại MĐMC + Máy điện chiều kích từ độc lập + Máy điện chiều kích từ song song + Máy điện chiều kích từ nối tiếp + Máy điện chiều kích từ hỗn hợp 71 Máy phát điện chiều kích từ độc lập Đặc tính ngoài, điện áp giảm từ 8% đến 10% so với Uo Giảm nguyên nhân: -Do PƯP/ ứng -Do điện áp rơi Rư U1EU A U E I=Iư Uđm U Eư Dòng điện ngắn mạch In = → 3Iđm Iư Iđm In I Ikt Ikt Rkt A Rđc I Máy phát điện chiều kích từ song song Đặc tính ngoài, điện áp giảm từ 10% đến 15% so với Uo Giảm nguyên nhân: -Do PƢ Phản ứng -Do điện áp rơi Rƣ -Do Ikt phụ thuộc U A U U0 Uđm U V Eư I Dòng điện ngắn mạch nhỏ dòng định mức In < Iđm Iđm Ith I Ikt Iư Ikt A Rkt Rđc I 72 Máy phát điện chiều kích từ nối tiếp Dòng điện kích từ dòng điện tải, Khi tải thay đổi, điện áp thay đổi nhiều, thực tế không sử dụng máy phát kích từ nối tiếp Máy phát điện chiều kích từ hỗn hợp Đường đặc tính U=f(I) hai trường hợp nối thuận từ ngược từ Nối thuận từ đường năm ngang (hình b), ngược từ đường đặc tính dốc ( hình c) 73 9.7 Động điện chiều Mở máy điều chỉnh tốc độ a Mở máy động điện chiều Khi mở máy : Iưm= U Rư Vì Rư nhỏ, nên Iưm = (2030)Iđm Để giảm dòng điện mở máy: - Dùng biến trở mở máy Rmở - Giảm điện áp đặt vào phần ứng b Điều chỉnh tốc độ động điện chiều Biểu thức tốc độ quay động điện chiều n U  RưIư kE - Mắc điện trở điều chỉnh vào mạch phần ứng - Thay đổi điện áp U đặt vào động - Thay đổi từ thông Φ, cách điều chỉnh dòng IKt 74 Đường đặc tính động điện chiều Đường đặc tính n = f(M) ĐCKT song song U U Rư n  M kE kEkM2 Rư + Rp U n  M kE kEkM2 n V I Rmơ A1 Iư A2 Ikt Xss O Rđc M Đặc tính động điện DC kích từ nối tiếp Đường đặc tính n = f(M) U n Rm A V O M I= Ikt Xnt Rđc 75 Đặc tính ĐC điện DC kích từ hỗn hợp Đường đặc tính n = f(M) n + U I Rmơ A Iư Xnt O M Ikt Rđc Xss Tài liệu tham khảo [1] Đặng Văn Đào, Lê Văn Doanh: Kỹ thuật điện Nxb Khoa học Kỹ thuật – 2004 [2] Nguyễn Tuấn Hùng : Kỹ thuật điện, ĐHNT - 2007 [3] Phan Ngọc Bích: Kỹ thuật điện, Nxb Giáo dục – 2006 [4] Đặng Văn Đào, Lê Văn Doanh: Bài tập Kỹ thuật điện, Nxb Giáo dục – 2004 76 [...]... n   U AB   E n Yn 1 n  Yn 1 trong đó quy ước các sức điện động Ek có chiều ngược chiều với điện áp UAB thì lấy dấu dương và cùng chiều lấy dấu âm - Tìm dòng điện nhánh bằng cách áp dụng định luật Ôm cho các nhánh A 2 Bài tập Cho mạch điện như hình vẽ bên cạnh Viết biểu thức tính điện áp 2 nút Tính các dòng điện nhánh I1,I2 ,I3 theo PP điện áp 2 nút ?    I1 I2 I3 Z1 Z2  U AB  E1   E2... được các thành phần I2,I3,I4… các dòng điện nhánh cần tìm - Khi cả n nguồn làm việc, dòng I qua nhánh cần tìm là: I = I1 +I2 +I3 +I4 + + In Chương 4 MẠCH ĐIỆN BA PHA 4.1 Khái niệm chung về mạch điện 3 pha  Mạch điện 3 pha ngày nay thường dùng rộng rãi trong công nghiệp, vì có nhiều ưu điểm Để tạo điện 3 pha, dùng máy phát điện đồng bộ 3 pha  Nguồn điện gồm ba sức điện động hình sin cùng biên độ, cùng... phương pháp thông dụng để giải mạch điện phức tạp có nhiều nhánh và nhiều nút, thì thuận lợi 1 Các bƣớc thực hiện - Tùy ý chọn chiều dòng điện vòng, nếu đề chƣa chọn - Lập (m - n +1) phương trình Kiếchốp 2 cho các vòng độc lập của mạch - Giải hệ (m - n + 1) ph/ trình tìm các dòng điện vòng - Từ các dòng điện vòng suy ra các dòng điện nhánh 2 Bài tập  E1 Cho mạch điện như hình vẽ bên cạnh  Z1 I1 Z2... theo PP dòng điện vòng.Tìm các dòng nhánh I1,I2 và I3 theo dòng điện vòng ? E2   Ib  E3 Theo phương pháp dòng điện vòng ta có:          Va  Z1  Z2  Ia  Z2 I b  E1  E 2  Ib  Z2 I a  E 2  E 3 Vb  Z 2  Z 3  I1  Ia ; I 2  I b  Ia ; I3   I b 19 3.6 Phƣơng pháp điện áp hai nút 1 Các bƣớc thực hiện - Tùy ý chọn chiều dòng điện nhánh và điện áp hai nút - Tìm điện áp hai nút... 17 3.4 Phƣơng pháp dòng điện nhánh Ẩn số là các dòng điện nhánh, là phƣơng pháp cơ bản 1 Các bƣớc thực hiện - Xác định số nút n và số nhánh m của mạch điện - Tùy ý chọn chiều dòng điện các nhánh, các vòng - Viết (n -1) phương trình theo Kiếchốp 1 - Viết (m – n +1) phương trình Kiếchốp 2 cho các vòng - Giải hệ m phương trình tìm các dòng điện nhánh  2 Bài tập Z1 E1 Cho mạch điện như hình vẽ a  E2... phương trình theo phương pháp dòng điện nhánh Tìm các dòng điện nhánh của mạch ? Z2 0  I2 B b  Z3 E3    K1  I1  I 2  I3  I1        I3  K 2  Va  Z1 I1  Z2 I 2  E1  E 2  K 2  Vb  Z2 I 2  Z3 I3  E 2  E3 Giải hệ phương trình trên ta tìm được các dòng điện nhánh 18 3.5 Phƣơng pháp dòng điện vòng Ẩn số là các dòng điện vòng Dòng điện vòng là dòng điện tưởng tượng chạy khép kín trong... -Sụt áp ít Dùng tụ điện C mắc song song với phụ tải Giá trị điện dung C để nâng hệ số công suất từ cos1 lên cos : C P ( tg1  tg) U 2 IC  1 I U I1 14 Chương 3 CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỆN 3.1 Khái niệm chung Hai định luật Kirchhof (Kiếchốp) là cơ sở để phân tích mạch điện Khi nghiên cứu phân tích giải mạch điện hình sin ở chế độ xác lập, ta biểu diễn các đại lượng điện sin bằng véctơ,... hình sao KĐX 4.6 CÁCH GIẢI MẠCH ĐIỆN BA PHA KHÔNG ĐỐI XỨNG 2 Giải mạch điện ba pha tải nối tam giác không đối xứng b Khi tổng trở dây dẫn đáng kể (Zd ≠ 0)  Dùng phương pháp điện áp 2 nút tính điện áp U 0 '0 , sau đó tính các dòng điện dây như sau ; ;     U B  U 0 '0 IB  ZB  Zd U A  U 0 '0  IA  ZA  Zd     U C  U 0 '0 IC  ZC  Zd  từ đó tính các dòng điện pha theo số phức như sau: ... Y Z Z 2 Quan hệ giữa các đại lượng dây và pha trong mạch điện ba pha nối hình sao đối xứng    A’ IA A UC U AB  U CA  Ud UP EA ZA    U BC I o 'o UA ZB C   EC EB B C’ ZC  IC B’  U AB  IB  UB a Quan hệ giữa dòng điện dây và pha: Id =Ip b Quan hệ giữa điện áp : U d  3U p c Điện áp Ud nhanh pha so Up tương ứng 1 góc 30o 22 4.3 Mạch điện ba pha phụ tải nối tam giác 1 Cách nối Muốn nối hình... ZCA E A Ud  B  EB IB C’  ZAB  I CA C  I AB  EC  I CA ZBC  IC I AB A   I BC  I CA B’   IA I BC B a Quan hệ giữa điện áp dây và điện áp pha: U d = Up b Quan hệ giữa dòng điện : I d  3I p c Dòng điện Id chậm pha so Ip tương ứng một góc 30o 23 4.4 Công suất trong mạch điện ba pha 1 Công suất tác dụng P3p  U A I A cos A  U BI B cos B  U C IC cos C w  Khi mạch ba pha đối xứng: P3p  ... phối điện hệ thống điện - Máy biến áp dùng rộng rãi : Trong kỹ thuật hàn điện, thiết bị lò nung, kỹ thuật vô tuyến điện, lĩnh vực đo lường, làm nguồn cấp điện cho thiết bị điện, thiết bị điện. .. mạch điện, thông số Nguồn điện áp sức điện động u(t )  e(t ) Nguồn dòng điện Điện trở R u R  Ri u 2R p  Ri  u R i  R Đặc trưng cho trình tiêu thụ điện biến điện thành dạng lượng khác 4 Điện. .. stato hình trụ, thép kỹ thuật điện dập rãnh bên trong, ghép lại với Lá thép kỹ thuật điện Lõi thép stato b Dây quấn stato Dây quấn stato làm dây đồng bọc cách điện (dây điện từ) đặt rãnh lõi