Slide cơ sở kỹ thuật điện 1 (hà nội 2007) ths nguyễn việt sơn, 217 trang

CƠ SỞ KỸ THUẬT ðIỆN Giáo viên: Ths Nguyễn Việt Sơn Bộ môn: Kỹ thuật ño Tin học công nghiệp C1 - 108 - ðại học Bách Khoa Hà Nội CƠ SỞ KỸ THUẬT ðIỆN Nội dung chương trình: Chương 1: Khái niệm mô hình mạch Kirhoff I Khái niệm mô hình trường - mô hình hệ thống II Các tượng mô hình mạch Kirhoff III Các luật mô hình mạch Kirhoff IV Nội dung toán mạch Chương 2: Mạch tuyến tính chế ñộ xác lập ñiều hòa I Hàm ñiều hòa ñại lượng ñặc trưng II Số phức - Biểu diễn hàm ñiều hòa miền ảnh phức III Phản ứng nhánh với kích thích ñiều hòa IV Dạng ảnh phức luật mô hình mạch Kirhoff Cơ sở kỹ thuật ñiện CƠ SỞ KỸ THUẬT ðIỆN Nội dung chương trình: Chương 3: Phương pháp tính mạch tuyến tính chế ñộ xác lập ñiều hòa - Graph Kirhoff I Phương pháp dòng nhánh II Phương pháp nút III Phương pháp dòng vòng IV Khái niệm graph Kirhoff V Các ñịnh lý lập phương trình Kirhoff VI Ma trận cấu trúc A, B VII Lập phương trình ma trận cấu trúc Chương 4: Tính chất mạch ñiện tuyến tính I Khái niệm chung II Tính chất tuyến tính III Khái niệm hàm truyền ñạt IV Truyền ñạt tương hỗ không tương hỗ Cơ sở kỹ thuật ñiện CƠ SỞ KỸ THUẬT ðIỆN Nội dung chương trình: Chương 5: Mạch ñiện tuyến tính có kích thích chu kỳ I Khái niệm nguồn kích thích chu kỳ II Cách phân tích mạch ñiện tuyến tính có kích thích chu kỳ III Trị hiệu dụng - công suất dòng chu kỳ IV Hàm truyền ñạt ñặc tính tần số Chương 6: Mạng cửa Kirhoff tuyến tính I Khái niệm mạng cửa Kirhoff II Phương trình sơ ñồ tương ñương mạng cửa có nguồn III ðiều kiện ñưa công suất cực ñại khỏi mạng cửa Cơ sở kỹ thuật ñiện CƠ SỞ KỸ THUẬT ðIỆN Nội dung chương trình: Chương 7: Mạng hai cửa tuyến tính I Khái niệm mạng hai cửa II Mô tả toán học mạng hai cửa - Phương pháp tính số ñặc trưng III Tính chất mạng cửa tuyến tính tương hỗ IV Hàm truyền ñạt dòng - áp Tổng trở vào mạng hai cửa Vấn ñề hòa hợp nguồn tải mạng hai cửa V Mạng hai cửa phi hỗ Chương 8: Mạch ñiện pha I Khái niệm II Mạch pha ñối xứng không ñối xứng tải tĩnh III Tính ño công suất mạch ñiện pha IV Mạch pha có tải ñộng - Phương pháp thành phần ñối xứng V Một số cố mạch ñiện pha Cơ sở kỹ thuật ñiện CƠ SỞ KỸ THUẬT ðIỆN Nội dung chương trình: Chương 9: Khái niệm trình ñộ hệ thống I Quá trình ñộ hệ thống II Tính liên tục mở rộng tính khả vi trình III Sơ kiện phương pháp tính sơ kiện Chương 10: Các phương pháp tính trình ñộ mạch ñiện tuyến tính I Phương pháp tích phân kinh ñiển II Phương pháp tích phân Duyamen hàm Green III Phương pháp toán tử Laplace Cơ sở kỹ thuật ñiện CƠ SỞ KỸ THUẬT ðIỆN Tài liệu tham khảo: Cơ sở kỹ thuật ñiện & - Nguyễn Bình Thành - Nguyễn Trần Quân - Phạm Khắc Chương - 1971 Cơ sở kỹ thuật ñiện - Quyển - Bộ môn Kỹ thuật ño Tin học công nghiệp - 2004 Giáo trình lý thuyết mạch ñiện - PGS - TS Lê Văn Bảng - 2005 Fundamentals of electric circuits - David A.Bell - Prentice Hall International Edition - 1990 Electric circuits - Norman Blabanian - Mc Graw Hill - 1994 Methodes d’etudes des circuit electriques - Fancois Mesa - Eyrolles - 1987 An introduction to circuit analysis a system approach - Donald E.Scott - Mc Graw Hill - 1994 Cơ sở kỹ thuật ñiện CƠ SỞ KỸ THUẬT ðIỆN Chương 1: Khái niệm mô hình mạch Kirhoff I Khái niệm mô hình trường - mô hình hệ thống II Các tượng mô hình mạch Kirhoff III Các luật mô hình mạch Kirhoff IV Nội dung toán mạch Cơ sở kỹ thuật ñiện CƠ SỞ KỸ THUẬT ðIỆN Chương 1: Khái niệm mô hình mạch Kirhoff I Khái niệm mô hình trường - mô hình hệ thống II Các tượng mô hình mạch Kirhoff III Các luật mô hình mạch Kirhoff IV Nội dung toán mạch Cơ sở kỹ thuật ñiện Chương 1: Khái niệm mô hình mạch Kirhoff I Khái niệm mô hình trường - mô hình hệ thống Mạch ñiện gồm hệ thống thiết bị nối ghép với cho phép trao ñổi lượng tín hiệu Thiết bị ñiện u(t), i(t), p(t) … c λ = = 6000(m) f Mô hình hệ thống E(x, y, z, t), H(x,y,z,t) … Mô hình trường Mô hình mạch tín hiệu Hình vẽ mô thiết bị ñiện Mô hình mạch (năng lượng) Kirhoff Xét truyền ñạt lượng thiết bị ñiện Cơ sở kỹ thuật ñiện Mạch hóa Sơ ñồ mạch Luật Hệ phương trình toán học l > gmoi truong Luật Kirhoff 1, Hữu hạn trạng thái Luật bảo toàn công suất 10 Chương 8: Mạch ñiện ba pha V.1 Mạch ba pha có nguồn không ñối xứng Nguồn Giả sử nguồn pha có suất ñiện ñộng không ñối Tải A Z1ng xứng ñặt lên tải hình bên Cần tìm dòng ñiện xác B Z2ng lập pha tải Ta phân tích hệ suất ñiện ñộng không ñối xứng thành thành phần ñối xứng thuận, nghịch không Z2t C Z0ng Z0t ZN • • • • U A1 = (U A + a.U B + a U C ) • • • •  U ( U a U a U = + + A B C)  A2  • • • • U A0 = (U A + U B + U C )  Thay nguồn suất ñiện ñộng vào sơ ñồ Z1t • • • E A1 E A2 E A0 A • • • E B1 E B E B • • • E C1 E C E C áp dụng B C tính chất xếp chồng ta tách thành toán ñối xứng, ñó toán có thành phần ñối xứng suất ZN ñiện ñộng Cơ sở kỹ thuật ñiện 203 Chương 8: Mạch ñiện ba pha V.1 Mạch ba pha có nguồn không ñối xứng • I A1 Bài toán 1: Nguồn tác dụng hệ suất ñiện ñộng thứ tự thuận • • • E A1 , E B1 , E C1 Khi ñó mạch ñiện hoàn toàn ñối xứng Cách giải giống hoàn toàn toán mạch ñiện ba pha ñối • Z1ng Z1t E A1 Sơ ñồ thứ tự thuận xứng: Dùng sơ ñồ tách riêng pha A, ta có: • I A1 = • E A1 Z1ng + Z1t • Bài toán 2: I A2 Nguồn tác dụng hệ suất ñiện ñộng thứ tự thuận • • • • Z2ng E A2 E A2 , E B , E C Z2t Tương tự trên, ta có sơ ñồ tính toán cho mạch ba pha ñối xứng xét riêng pha A • I A2 = Cơ sở kỹ thuật ñiện Sơ ñồ thứ tự ngược • E A2 Z ng + Z 2t 204 Chương 8: Mạch ñiện ba pha V.1 Mạch ba pha có nguồn không ñối xứng Bài toán 3: Nguồn tác dụng hệ suất ñiện ñộng thứ tự không • • • • Z0ng E A0 , E B , E C , tổng trở tải Z0t tổng nguồn Z0ng ñều ñối Z0ng xứng Z0ng Z0t E A0 • Z0t E B0 • Z0t EC0 ZN Lúc mạch ñiện có dây trung tính, dòng ñiện dây trung tính lần dòng ñiện thứ tự không Xét riêng pha A ta có: • • I A0 = • Z ng E A0 + Z 0t + 3.Z N Z0ng • I A0 Z0t E A0 3ZN Sơ ñồ thứ tự không Chú ý: Với sơ ñồ thứ tự không, dây trung tính, dòng ñiện pha không Cơ sở kỹ thuật ñiện 205 Chương 8: Mạch ñiện ba pha V.1 Mạch ba pha có nguồn không ñối xứng Sau tính ñược thành phần dòng ñiện hệ thống ba pha thuận, nghịch, không tác dụng riêng rẽ, áp dụng công thức tổng hợp, ta tính ñược dòng ñiện pha: • • • •  I A = I A1 + I A + I A0 • • • •  I B = a I A1 + a I A + I A0 • • • •  I C = a I A1 + a I A + I A0  Các bước giải toán mạch ba pha có nguồn không ñối xứng: Phân tích nguồn ñối xứng thành tổng thành phần thuận, nghịch, không Lập tính giá trị dòng áp cần thiết sơ ñồ thuận, nghịch, không (Sơ ñồ thuận nghịch có kết cấu giống nhau; sơ ñồ thứ tự thêm tổng trở dây trung tính với giá trị tăng gấp lần) Áp dụng công thức tổng hợp ñể tính toán giá trị dòng, áp cần tìm Cơ sở kỹ thuật ñiện 206 Chương 8: Mạch ñiện ba pha V.1 Mạch ba pha có nguồn không ñối xứng Nguồn Ví dụ: Tính dòng ñiện pha mạch pha không ñối Z1ng xứng hình bên, biết: Z2ng • • • E A = 6500(V ); E B = 6800 −1350 (V ); E C = 6300 1300 (V ) Z1ng = Z ng = j.14(Ω); Z ng = j.1(Ω); Z N = j.10(Ω); Z1t = 40 + j.45(Ω); Z 2t = + j.8(Ω); Z 0t = j.3(Ω); A Z2t C Z0ng Z0t ZN • • • E A1 E A2 E A0 Phân tích hệ thống suất ñiện ñộng không ñối xứng thành A • thành phần thứ tự thuận nghịch không • • E B1 E B E B • Cơ sở kỹ thuật ñiện Z1t B Giải: • • • E A1 = ( E A + a E B + a E C ) = 6420 −20 (V ) • • • • E A = ( E A + a E B + a E C ) = 800 13,500 (V ) • • • • E A0 = ( E A + E B + E C ) = −783(V ) Tải • • B • E C1 E C E C C ZN 207 Chương 8: Mạch ñiện ba pha V.1 Mạch ba pha có nguồn không ñối xứng Xét sơ ñồ thuận: • Z1ng • • Xét sơ ñồ ngược: I A1 • Z1t E A1 • Z0ng I A0 Z0t Sơ ñồ thứ tự không I A0 = • Z ng E A0 = 23 900 ( A) + Z 0t + 3.Z N Cơ sở kỹ thuật ñiện E A2 = 40.5 −710 ( A) Z ng + Z 2t Áp dụng công thức tổng hợp ta có: 3ZN • I A2 = • E A0 • • E A1 = 90, −57,500 ( A) Z1ng + Z1t Xét sơ ñồ không: Z2t Sơ ñồ thứ tự ngược • I A1 = I A2 E A2 Sơ ñồ thứ tự thuận • Z2ng • • • • I A = I A1 + I A + I A0 = 111 −56, 200 ( A) • • • • • • I A = a I A1 + a I A + I A0 = 81, 141,500 ( A) • • I C = a I A1 + a I A + I A0 = 111 82, 450 ( A) 208 Chương 8: Mạch ñiện ba pha V.2 Các cố ngắn mạch, ñứt dây mạch ba pha Khi mạch ba pha ñối xứng bị cố (sự cố ñứt dây, ngắn mạch …), phần mạch nơi cố không ñối xứng ðiện áp phần mạch cố lập thành hệ ñiện áp không ñối xứng Phương pháp xét toán mạch ñiện ba pha cố: Phân tích thành phần ñiện áp không ñối xứng vị trí cố thành thành phần ñối xứng thuận, nghịch, không Áp dụng phương pháp xét mạch ba pha ñối xứng Có loại cố mạch ba pha: Sự cố dọc ñường dây: Ví dụ: Sự cố ñứt dây pha, ñứt dây pha … Làm thay ñổi tổng trở pha ñường dây Thay vị trí cố hệ thống dòng, áp mắc nối tiếp vào ñường dây Sự cố ngang ñường dây: Ví dụ: Sự cố ngắn mạch pha, chạm ñất pha … Làm thay ñổi tổng trở cách ñiện pha ñường dây với với ñất Thay vị trí cố hệ thống dòng, áp mắc song song vào ñường dây Cơ sở kỹ thuật ñiện 209 Chương 8: Mạch ñiện ba pha V.2 Các cố ngắn mạch, ñứt dây mạch ba pha a Sự cố ñứt dây pha •  Z fa A = ∞ Hiện tượng:  Tổng trở vị trí cố:  Z fa B = Z  fa C = • U A ≠ • ðiện áp ví trí cố: U B = • U C =  Phương trình cố: Cơ sở kỹ thuật ñiện • IA =0 • U B = • U C =  A UA B UB • A’ B’ • C UC C’ A A’ B B’ C C’ • • •  I A1 + I A2 + I A0 = • •  • → a U A1 + a.U A2 + U A0 =  • • •  a.U A1 + a U A1 + U A0 =  210 Chương 8: Mạch ñiện ba pha V.2 Các cố ngắn mạch, ñứt dây mạch ba pha a Sự cố ñứt dây pha Ví dụ: Cho mạch ñiện pha ñơn giản, cho ñường dây bị ñứt pha A làm thành phận không ñối xứng biểu diễn hình chữ nhật Tìm dòng áp mạch Phần mạch cố Nguồn Z1ng Z2ng ðường dây A A’ Z1d, Z2d, Z0d B B’ C C’ Z0ng ZN Tải ñối xứng Z1t Z2t Z0t Tải ñối xứng Z Trừ phần cố ra, mạch ñiện lại hoàn toàn ñối xứng Muốn ñưa toán ñối xứng cần thay hệ thống ñiện áp không ñối xứng phần cố thành phần ñối xứng thuận, nghịch, không Cơ sở kỹ thuật ñiện 211 Chương 8: Mạch ñiện ba pha V.2 Các cố ngắn mạch, ñứt dây mạch ba pha a Sự cố ñứt dây pha Ví dụ: Nguồn Tải ñối xứng Z1ng Z2ng ðường dây A A’ Z1d, Z2d, Z0d B B’ C C’ Z0ng • E A1 Z U A1 • I A1 Z1t U A2 Z2d Z2ng • Sơ ñồ thứ tự thuận Cơ sở kỹ thuật ñiện Z0t Z • Z1d Z2t Tải ñối xứng ZN Z1ng Z1t Z • Z0ng • I A2 Sơ ñồ thứ tự ngược U A0 Z0d • Z2t 3ZN I A0 Z0t Sơ ñồ thứ tự không Thứ tự không chạy mạch có dây trung tính 212 Chương 8: Mạch ñiện ba pha V.2 Các cố ngắn mạch, ñứt dây mạch ba pha a Sự cố ñứt dây pha Ví dụ: Sơ ñồ thứ tự thuận: • • Z1d I A1 Z1ng Z E A1 Sơ ñồ thứ tự ngược: Z2ng • U A1 • • I A1 E td Z1d • I A2 Z Z1t Z2d • U A2 • I A2 Ztd2 Z2t • Ztd1 Z2d • U A + I A ( Z td + Z d + Z 2t ) = • • U A2 Z2t Z td = U A1Z Z ng Z Z + Z ng 1t Sơ ñồ thứ tự không: • • Z1ng Z E A1 Z E td = ; Z td = Z + Z1ng Z + Z1ng • • • U A1 + I A1 ( Z td + Z1d + Z1t ) = E td Cơ sở kỹ thuật ñiện • Z0ng I A0 3ZN • Z0d • U A0 Z0t • U A0 + I A0 (3.Z N + Z ng + Z d + Z 0t ) = 213 Chương 8: Mạch ñiện ba pha V.2 Các cố ngắn mạch, ñứt dây mạch ba pha a Sự cố ñứt dây pha Ví dụ: Vậy có phương trình = phương trình cố + phương trình lập từ sơ ñồ thuận, nghịch, không • • •   U A1 + I A1 ( Z td + Z1d + Z1t ) = E td • • U A + I A2 ( Z td + Z d + Z 2t ) = • • U A0 + I A0 (3.Z N + Z ng + Z d + Z 0t ) = • • •  I A1 + I A + I A0 =  • • •  a U A1 + a.U A + U A0 =  • •  •  a.U A1 + a U A1 + U A0 = Giải phương trình ta tìm ñược: • • • • • • I A1 , I A , I A0 ,U A1 ,U A2 ,U A0 • • • Thay U A1 , U A , U A vào sơ ñồ thuận, nghịch, không tìm ñược dòng áp thứ tự thuận, nghịch, không nhánh mạch ðể tìm dòng áp nhánh mạch ñiện, tao dùng công thức tổng hợp: • • • • U A = U A1 + U A2 + U A0 • • • • • • I B = a I A1 + a I A2 + I A0 • Cơ sở kỹ thuật ñiện • I C = a I A1 + a I A2 + I A0 214 Chương 8: Mạch ñiện ba pha V.2 Các cố ngắn mạch, ñứt dây mạch ba pha b Sự cố ñứt dây pha • A UA B UB A’ • UC A’ B’ B B’ C’ C C’ • C A d Sự cố ngắn mạch pha A A’ B B’ • • UA M • • • I A = ; IB = ; IC = c Sự cố chạm ñất pha A A’ A A’ B C B’ C’ B C B’ C’ • • UA UB Z UB • C U C C’ A A’ B C B’ C’ • UC • • • • • I A = ; I B = ; U C = Z I C Cơ sở kỹ thuật ñiện • • IA = ; UB = ; UC = 215 Chương 8: Mạch ñiện ba pha V.3 Các ñiều hòa cao dòng - áp mạch ba pha Có nhiều nguyên nhân sinh ñiều hòa cao suất ñiện ñộng dòng ba pha: Máy phát ñiện chế tạo không hoàn hảo sinh suất ñiện ñộng không sin … Phân tích suất ñiện ñộng ñó thành chuỗi Furie, sóng có tần số ω, chứa nhiều sóng bậc cao có tần số 3ω, 5ω, 7ω … Do máy phát ñiện có cấu tạo ñối xứng, nên suất ñiện ñộng pha hoàn toàn giống nhau, lệch thời gian 1/3 chu kỳ nên: ekA (t ) = Ek 2.sin k ω.t T 2.π ekB (t ) = Ek 2.sin kω.(t − ) = Ek 2.sin k ω.t − k ) 3 Cơ sở kỹ thuật ñiện 216 Chương 8: Mạch ñiện ba pha V.3 Các ñiều hòa cao dòng - áp mạch ba pha ekA (t ) = Ek 2.sin k ω.t T 2.π ekB (t ) = Ek 2.sin kω.(t − ) = Ek 2.sin(k ω.t − k ) 3 Nhận xét: Các sóng ñiều hòa có k = 3n φk = n.2.π tạo thành hệ thống thứ tự không Các sóng ñiều hòa có k = 3n + φk = n.2.π + 2.π/3 tạo thành hệ thống thứ tự thuận Các sóng ñiều hòa có k = 3n + φk = n.2.π + 4.π/3 tạo thành hệ thống thứ tự ngược Suy ra: Dòng ñiện dây trung tính chứa sóng ñiều hòa bậc 3.n dòng pha I N = I 32 + I 92 + I152 + ðiện áp pha bao gồm tất sóng ñiều hòa: U f = U12 + U 32 + U 52 + U 72 + U 92 + ðiện áp dây không chứa thành phần thứ tự không (3n) Cơ sở kỹ thuật ñiện U d = U12 + U 52 + U 72 + U112 + 217