Đề cương bài giảng kỹ thuật điện

Kỹ thuật điện Mục lục Chương Các khái niệm mạch điện 1.1 Cấu trúc hình học mạch điện (Graph) 1.2 Các đại lượng 1.2.1 Điện áp 1.2.2 Cường độ dòng điện 1.2.3 Công suất 1.2.4 Năng lượng 1.3 Định luật Kirchoff 1.3.1 Định luật Kirchoff 1.3.2 Định luật Kirchoff 1.4 Các phần tử hai cực 1.4.1 Điện trở 1.4.2 Cuộn cảm 1.4.3 Tụ điện 1.4.4 Nguồn áp 10 1.4.5 Nguồn dòng 10 Chương Mạch điện tuyến tính chế độ xác lập điều hòa 11 2.1 Số phức 11 2.2 Biểu diễn đại lượng điều hòa ảnh phức 11 2.3 Các định luật mạch điện miền ảnh phức 12 2.3.1 Định luật ôm mở rộng 12 2.3.2 Định luật Kirchoff 12 2.4 Công suất 13 2.4.1 Công suất tác dụng 13 2.4.2 Công suất phản kháng 14 2.4.3 Công suất phức 14 2.4.4 Công suất biểu kiến 14 BM Công nghệ Cơ điện lạnh & ĐHKK Kỹ thuật điện 2.5 Các phương pháp biến đổi mạch 16 2.5.1 Trở kháng ghép nối tiếp 16 2.5.2 Trở kháng ghép song song 17 2.5.3 Biến đổi - tam giác 18 2.5.4 Nguồn áp ghép nối tiếp 20 2.5.5 Nguồn dòng ghép song song 20 2.5.6 Biến đổi tương đương nguồn dòng - nguồn áp 21 2.6 Các phương pháp giải mạch 22 2.6.1 Phương pháp dòng nhánh 22 2.6.2 Phương pháp dòng vòng 23 2.6.3 Phương pháp điện nút 24 Chương Mạch điện ba pha 28 3.1 Hệ thống mạch điện ba pha 28 3.1.1 Nguồn ba pha 28 3.1.2 Tải ba pha 28 3.1.3 Ghép nối mạch ba pha 29 3.2 Công suất mạch điện ba pha 30 3.2.1 Công suất tác dụng 30 3.2.2 Công suất phản kháng: 31 3.2.3 Công suất biểu kiến S: 31 3.2.4 Đo công suất mạch ba pha 31 3.3 Cách giải mạch ba pha đối xứng: 32 3.3.1 Tải mắc hình 33 3.3.2 Tải mắc hình tam giác: 34 3.4 Cách giải mạch ba pha không đối xứng 36 3.4.1 Tải mắc hình 36 3.4.2 Tải mắc hình tam giác 38 Chương Máy điện 39 4.1 Định nghĩa phân loại máy điện 40 BM Công nghệ Cơ điện lạnh & ĐHKK Kỹ thuật điện 4.1.1 Định nghĩa 40 4.1.2 Phân loại 40 4.2 Máy biến áp 40 4.2.1 Cấu tạo 42 4.2.2 Nguyên lý làm việc 42 4.2.3 Các chế độ làm việc 43 4.3 Máy điện không đồng 45 4.3.1 Cấu tạo 45 4.3.2 Nguyên lý làm việc động không đồng 47 4.3.3 Các phương pháp mở máy 49 4.3.4 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ 50 4.3.5 Hãm máy 51 4.3.6 Đảo chiều quay 53 4.4 Máy điện đồng 54 4.4.1 Cấu tạo 54 4.4.2 Nguyên lý làm việc máy phát đồng 56 4.5 Máy điện chiều 58 4.5.1 Cấu tạo 58 4.5.2 Nguyên lý làm việc động chiều 60 4.5.3 Nguyên lý làm việc máy phát chiều 61 4.5.4 Các phương pháp mở máy 62 4.5.5 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ 62 4.5.6 Đảo chiều quay 65 BM Công nghệ Cơ điện lạnh & ĐHKK Kỹ thuật điện Chương Các khái niệm mạch điện 1.1 Cấu trúc hình học mạch điện (Graph) a) Nhánh: Nhánh phận mạch điện gồm phần tử nối tiếp có dòng điện chạy qua Trên hình a có nhánh đánh số 1,2,3 b) Nút; Nút chỗ gặp từ hai nhánh trở lên Trên mạch hình a có hai nút kí hiệu A, B c) Vòng: Vòng lối khép kín qua nhánh Mạch điện hình A tạo nên vòng ký hiệu a,b,c A MF a Đ b ĐC c B Hình a 1.2 Các đại lượng 1.2.1 Điện áp Tại điểm mạch điện có điện Hiệu điện (hiệu thế) hai điểm gọi điện áp Như điện áp hai điểm A B có điện φ Avà φB là: uAB= (φA - φB) Chiều điện áp quy ước chiều có điện cao nơi có điện thấp 1.2.2 Cường độ dòng điện Dòng điện i trị số tốc độ biến thiên lượng điện tích q qua tiết diện ngang vật dẫn i= dq/dt BM Công nghệ Cơ điện lạnh & ĐHKK Kỹ thuật điện i B A uAB Hình b Chiều dòng điện quy ước chiều chuyển động điện tích dương điện trường 1.2.3 Công suất Trong mạch điện, nhánh, phần tử nhận lượng phát lượng Khi chọn chiều dòng điện điện áp nhánh trùng (hinh b.), sau tính toán công suất p nhánh ta có kết luận sau trình lượng nhánh Ở thời điểm nếu: P= ui › nhánh nhận lượng P= ui ‹ nhánh phát lượng 1.2.4 Năng lượng Năng lượng nguồn điện tính công suất phát theo thời gian, lượng tiêu hao tải tính công suất tiêu thụ theo thời gian t A =  p(t )dt = P.t 1.3 Định luật Kirchoff Định luật Kirchoff hai định luật để nghiên cứu, tính toán mạch điện - Định luật kirchoff phát biểu cho nút - Định luật Kirchoff phát biểu cho vòng kín 1.3.1 Định luật Kirchoff - Định luật Kirchoff phát biểu sau:n Tổng đại số dòng điện nút không ∑i = Trong quy ước dòng điện tới nút mang dấu dương, dòng điện rời khỏi nút mang dấu âm BM Công nghệ Cơ điện lạnh & ĐHKK Kỹ thuật điện i2 Nghĩa tổng dòng điện tới nút tổng dòng điện rời khỏi nút Định luật Kirchoff nói lên tính chất lien tục dòng điện Trong nút tượng tich lũy điện tích Có điện tích tới nút có nhiêu điện tích rời khỏi nút Ví dụ 1: Dùng định luật Kirchoff viết phương trình dòng điện nút K i1 k i3 Tại nút K định luật Kirchoff viết: i1 – i2 − i3 = Ví dụ 2: Dùng định luật Kirchoff viết phương trình dòng điện nút A i1 i5 i2 i6 i3 A i4 Tại nút A: −i1 + i2 –i3 +i4 +i5 +i6 = 1.3.2 Định luật Kirchoff − Định luật Kirchoff phát biểu sau: theo vòng kín theo chiều tùy ý, tổng đại số điên áp rơi phần tử R, L, C tổng sức điện động rơi vòng; sức điện động dòng điện có chiều trùng với chiều vòng lấy dấu dương, ngược lại lấy dấu âm BM Công nghệ Cơ điện lạnh & ĐHKK Kỹ thuật điện ∑u=∑e Ví dụ minh họa: A1 i1 i2 A2 e2 e1 i3 A3 A4 Biết Ā1 = R1; Ā2 = L2 Ā3 = R3 ; Ā4 = C3 Định luật Kirchoff viết: Ā1 i1 – Ā2.di2/ dt + Ā3.R3 + (1/A3 ) ∫i3dt = e1- e2 Định luật Kirchoff nói lên tính chất mạch điện Trong mạch điện xuất phát từ điểm theo vòng kín trở lại vị trí xuất phát lượng tăng không Hai định luật Kirchoff diễn tả đầy đủ quan hệ dòng điện điện áp mạch Dựa hai định luật Kirchoff người ta xây dựng phương pháp giải mạch điện, sở để nghiên cứu, tính toán mạch điện Bài tập ví dụ hai định luật kirchoff VD4: R1 i1 i3 e i2 R2 R3 Viết phương trình Kirchoff để tính toán mạch điện Giải : BM Công nghệ Cơ điện lạnh & ĐHKK Kỹ thuật điện Phương trình Kirchoff cho nút A: i1 + i2 – i3 = (1) Phương trình Kirchoff cho vòng kín (hình vẽ): R1i1 – R2i2 = e (2) Ví dụ 5: Tính dòng điện điện áp tải R1 i1A i e i2 R2 u(t) R3 Biết R1= 50Ω; R2= 50Ω; R3= 3000Ω Giải : Phương trình Kirchoff cho nút A: i1 + i2 = i (1) Phương trình Kirchoff cho mạch vòng kín ( hình vẽ) R1.i1 – R2.i2 = e ↔ 50i1 – 50i2 = e (2) Từ (1) suy ra: i2 = i – i1 Thay vào (2) ta i2 = e/[50.(2i1-i)] Vậy điện áp tải R3 là: ut= i.R3= e.3000/[50.(2i1- i)]= 60e/(2i1-i) 1.4 Các phần tử hai cực 1.4.1 Điện trở Cho dòng điện i chạy qua điện trở R gây điện áp rơi điện trở u R theo định luật ôm quan hệ dòng điện i điện áp uR là: uR = Người ta dùng khái niệm điện dẫn g = 1/R Công suất tiêu thụ điện trở p= uRi = Ri2 BM Công nghệ Cơ điện lạnh & ĐHKK Kỹ thuật điện Như điện trở R đặc trưng cho công suất tiêu tán điện trở Đơn vị điện trở Ω (ôm) Đơn vị điện dẫn S (simen) S= 1/ Ω Điện tiêu thụ điện trở khoảng thời gian t là: A= ∫ pdt = ∫Ri2dt, i= conts có A= Ri2t Đơn vị điện Wh (oát giờ), bội số kwh 1.4.2 Cuộn cảm Khi có dòng điện i chạy qua cuộn dây có w vòng sinh từ thông móc vòng với cuộn dây Ψ= wΦ Điện cảm cuộn dây định nghĩa L= ψ/i = wΦ/i Đơn vị điện cảm henry (H) Nếu dòng điện i biến thiên từ thông biến thiên theo định luật cảm ứng điện từ cuộn dây xuất sức điện động tự cảm eL= -d ψ/ dt= -Ldi/dt Điện áp cuộn dây uL= -eL= Ldi/dt Công suất cuộn dây pL= uLi = Lidi/dt Năng lượng từ trường tich lũy cuộn dây WM= ∫ pLdt =∫ Lidi = 1/2Li2 Như điện cảm L đặc trưng cho tượng tich lũy lượng từ trường cuộn dây 1.4.3 Tụ điện Khi đặt điện áp uc lên tụ điện có điện dung C tụ điện nạp điện với điện tích q q= Cuc Nếu điện áp uc biến thiên có dòng điện chuyển dịch qua tụ điện i= dq/dt= d/dt.Cuc= C duc/dt từ suy uc= 1/C ∫idt Nếu thời điểm t=0 , mà tụ điện có điện tích ban đầu điện áp tụ điện là: uc=1/C∫idt + uc(0) BM Công nghệ Cơ điện lạnh & ĐHKK Kỹ thuật điện Công suất tụ điện pc = uci = Cucduc/dt Năng lượng tich lũy điện trường tụ điện WE= ∫pcdt= ∫Cucduc = ½ Cuc2 Vậy điện dung C đặc trưng cho tượng tích lũy lượng điện trường tụ điện Đơn vị điện dung Fara (F) 1.4.4 Nguồn áp Nguồn điện áp đặc trưng cho khả tạo nên trì điện áp hai cực nguồn Nguồn điện áp kí hiệu hình bên u(t) a) u(t) e b) biểu diễn sức điện động e(t) Chiều e(t) từ điểm điện thấp đến đến điểm điện cao Chiều điện áp theo quy ước từ điểm có điện cao đến điểm có điện thấp, chiếu điện áp đầu cực nguồn ngựoc với chiều sức điện động (hinh1.4b) Điện áp đầu cực u(t) sức điện động: u(t) =e(t) 1.4.5 Nguồn dòng Nguồn dòng điện j(t) đặc trưng cho khả nguồn điện tạo nên trì dòng điện cung cấp cho mạch nguồn dòng điện kí hiệu hình j(t) BM Công nghệ Cơ điện lạnh & ĐHKK 10 Kỹ thuật điện ngắn mạch hai đầu nên xuất dòng điện ngấưn mạch I đòng thời dẫn chuyển động cắt ngang từ trường cuộn dây stato nên chịu tác dụng lực điện từ có trị số F = B.I.l lực điện từ đặt dẫn có chiều ngược chiều với lực quán tính Fqt nên tạo thành momen ngược chiều với mô men lực quán tính Mqt Đó gọi mô men hãm Mh ( hãm máy ) Nhờ có Mh mà tốc độ động giảm nên vận tốc dẫn giảm I giảm nhanh, Fh giảm, Mh giảm Khi động dừng hẳn Mh = Ta cắt dòng điện chiều để bảo vệ cho cuộn day động khỏi bị nhiệt trình hãm kết thúc nguyên tắc hãm Cắt dòng điện ba pha vào động Đưa dòng chiều DC vào để tạo mômen hãm Cát dòng DC động dừng hẳn kết thúc trình hãm 4.3.5.2 Hãm tái sinh - động xoay chiều ba pha roto lồng sóc quay với tốc độ lớn N2 ,ta đột ngột chuyển động bap sang hoạt động tốc độ thấp N1 Nếu coi từ trường đứng yên ropto quay với tốc độ tương đối : Ntđ = N2 – N1 Áp dụng quy tắc bàn tay phải xác định chiều sức điện động cảm ứng Hình 2.a Do dẫn ngắn mạch nên dẫn có dòng điện chiều với chiều sức điện động cảm ứng Do dòng điện mà dẫn chịu lực tác dụng từ trường quay Nhìn vào hình vẽ ta thấy , lực sinh mô men quay ngược chiều với từ trường quay lực hãm Fh nhiên lực hãm giảm dần n2 giảm BM Công nghệ Cơ điện lạnh & ĐHKK 52 Kỹ thuật điện dần n1 Lúc trình hãm tái sinh kết thúc ,ta phải loại bỏ từ trường n2 , trình hãm kết thúc kết luận : tốc độ roto lớn tốc độ từ trường quay sinh hãm tái sinh Chú ý : phương pháp áp dụng cho động có hai hay nhiều tốc độ thưòng dung phổ biến máy cắt kim loại 4.3.5.3 Hãm ngược Nguyên lý trình hãm ngược: Khi động xoay chiều rôto lồng sóc quay thep chiều n1, ta đột ngột đảo chiều từ trường quay để tạo mô men hãm Nhờ mô men hãm mà rô to ô dừng đột ngột Ngay tức khắc ta phải cắt điện vào cuộn dây stato đểb tránh cho động quay theo chiều ngược lại Ưu điểm phương pháp có mô men hãm lớn, dòng điện hãm tăng cao nên dễ gây cố cho thiết bị điều khiển , người ta thường giảm dòng điện hãm qua điện trở cuộn kháng Để cắt dòng điện hãm cách tự động vào thời điểm cần động dừng hẳn, người ta thường dừng rơle thời gian rơle tốc độ 4.3.6 Đảo chiều quay Thực đảo pha nguồn điện cấp cho động cơ, động quay theo chiều ngược lại VD: Sơ đồ mạch hình đây: Ba pha nguồn điện: L1, L2, L3 Ba pha động cơ: A, B, C Quay thuận: L1  A L2  B L3  C Quay nghịch: L1  A L3  B L2  C BM Công nghệ Cơ điện lạnh & ĐHKK 53 Kỹ thuật điện L1 L2 L1 L3 L2 L3 CB CB A B A C nT B C nN 4.4 Máy điện đồng 4.4.1 Cấu tạo a) Stator, Rotor, vỏ máy nắp máy BM Công nghệ Cơ điện lạnh & ĐHKK b) Mặt cắt Stator Rotor 54 Kỹ thuật điện a) Stator b) Sơ đồ đấu nối cuộn dây Stator Cấu tạo kýý hiệu Rotor lồng sóc Cấu tạo kýý hiệu Rotor dây quấn Cấu tạo máy điện không đồng ba pha gồm phận chủ yếu stator rotor, vỏ máy nắp máy a Stator (phần tĩnh) - Lõi thép : Lõi thép stato hình trụ, thép kỹ thuật điện dập rãnh bên ghép lại với nhau, tạo thành rãnh dọc theo trục Lõi thép ép vào mặt vỏ máy - Dây quấn : Dây quấn stator dây dẫn điện có bọc lớp cách điện Được đặt rãnh lõi thép b Rotor (phần động) - Lõi thép : Gồm thép kỹ thuật điện dập rãnh mặt ghép lại, tạo thành rãnh dọc theo trục có lỗ để lắp trục - Dây quấn : Dây quấn rotor dây dẫn điện (hoặc dẫn điện) có bọc lớp cách điện Được đặt rãnh lõi thép Tuỳ theo dây dẫn hay dẫn cách đấu nối  rotor dây quấn rotor lồng sóc BM Công nghệ Cơ điện lạnh & ĐHKK 55 Kỹ thuật điện + Rotor dây quấn : Dây quấn rotor dây dẫn pha, thường nối hình (Y) Ba đầu nối với vòng tiếp xúc đồng, cố định trục rotor, cách điện với trục rotor Nhờ chổi than tỳ vào vòng tiếp xúc, dây quấn rotor nối với biến trở bên + Rotor lồng sóc : Dây quấn rotor dẫn (đồng nhôm), hai đầu nối ngắn mạch vòng đồng tạo thành lồng sóc c Vỏ máy - Làm nhôm gang, dùng để giữ chặt lõi thép cố định máy bệ Hai đầu vỏ có nắp máy, ổ đỡ trục Vỏ máy nắp máy  bảo vệ máy Khe hở Khe hở động không đồng nhỏ (0.2mm 1mm) 4.4.2 Nguyên lý làm việc máy phát đồng Khi ta cho dòng điện pha có tần số f vào dây quấn stator, tạo từ trường quay với tốc độ n1  60 f p Các dây quấn rotor đặt từ trường quay stator, theo định luật cảm ứng điện từ, dây quấn xuất sức điện động cảm ứng Do dây quấn rotor nối ngắn mạch, nên sức điện động cảm ứng sinh dòng điện dây quấn rotor - Khi nối dây quấn Stato vào lưới điện xoay chiều ba pha, động sinh từ trường quay Từ trường quột qua dẫn Rôto, làm cảm ứng dây quấn Rôto sức điện động E2, sinh dũng điện I2 chạy dây quấn Chiều sức điện động chiều dòng điện xác định theo quy tắc bàn tay phải M BM Công nghệ Cơ điện lạnh & ĐHKK n1 56 Kỹ thuật điện Sơ đồ nguyên lý ĐCKĐB - Chiều dòng điện dẫn nửa phía Rôto hướng từ ngoài, dòng điện dẫn nửa phía Rôto hướng từ vào - Dòng điện I2 tác động tương hỗ với từ trường Stato tạo lực điện từ dây dẫn Rôto sinh mômen quay làm cho Rôto quay theo chiều quay từ trường - Tốc độ quay Rôto n nhỏ tốc độ quay từ trường n1 (n