Giáo trình kỹ thuật điện

CHỬĐỨC TRÌNH GIÁO TRÌNH Kĩ THUẬT ĐIỆN NHÀ XUÁT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI Lời nói đ ầ u ix Chương Giới t h iệ u 1.1 Giới th iệu chung K ỹ thuật đ iệ n 1.2 M ạch điện, dòng điện điện p 1.3 C ông suất lư ợ n g 1.4 Giới th iệu phần tử m ạch đ iệ n 1.4.1 Dây d ẫn 1.4.2 Nguồn th ế 10 1.4.3 Nguồn dòng 11 1.4.4 Các phần tử trở kháng 12 1.5 Các định luật m ạch đ iệ n 12 1.5.1 Định luật O hm 12 1.5.2 Định luật Kirchhoff theodòng điện- KCL 14 1.5.3 Định luật Kirchhoff theođiện áp - KVL 17 1.6 B ài t ậ p 21 Chương M ạch điện tr 29 2.1 M ạch điện trở m ắc nối tiếp song s o n g 30 2.1.1 Mạch điện trở mắc nối tiếp 30 2.1.2 Mạch điện trở mắc song song 31 2.2 P hân tích m ạch điện sử dụng nguyên lý m ạch nối tiếp song s o n g 34 Giáo trĩnh K ĩ thuật điện iv 2.3 M ạch chia th ế chia d ò n g 36 2.4 P h ân tích m ạch điện th eo nút điện p 40 2.5 P h ân tích m ạch điện th eo lưới dòng đ iệ n 54 2.6 N gu yên lý xếp c h n g 62 2.7 M ạch tương đương T hévenin N o r to n 70 2.8 Cầu điện tr 83 2.9 B ài t ậ p 85 Chương Đ iện kháng dung k h n g 95 3.1 Thời gian lư ợ n g 95 3.2 Tụ đ iệ n 96 3.3 Tụ điện m ắc nối tiếp song s o n g 104 3.4 T ính chất vật lý tụ đ iệ n 107 3.5 C uộn c ả m 107 3.6 C uộn cảm m ắc nối tiếp song s o n g 111 3.7 C uộn cảm thực t ế 112 3.8 H ỗ c ả m 113 3.9 T ích phân vi phân sử dụng công cụ Sym bolic-M A T L A B 114 3.10 B ài t ậ p Chương Quá trình đ ộ 121 129 4.1 M ạch R C bậc n h ấ t 129 4.2 M ạch R L bậc n h ấ t 135 4.3 M ạch R C R L với lối vào tín hiệu th ơn g dụng 141 4.3.1 Mạch bậc với lối vào tín hiệu xung vng 141 4.3.2 Mạch bậc với lối vào tín hiệu sin 143 4.3.3 Mạch bậc với lối vào tín hiệu xung 146 tam giác 4.4 M ach R C R L nhiều điên tr 148 Mục lục V 4.5 M ạch bậc h a i 150 4.5.1 Mạch RLC mắc nối tiếp 150 4.5.2 Mạch RLC mắc song song 154 4.5.3 Mạch với hệ phương trình vi phân 158 4.6 B ài t ậ p 160 C hương Q uá trình d n g 169 5.1 D òn g đ iện điện áp dạng s in e 170 5.2 Số phức công thức E u le r 176 5.3 P h a 179 5.4 Trở kháng p h ứ c 184 5.5 P h ân tích m ạch điện sử dụng phương pháp pha trở kháng p h ứ c 188 5.6 P h ân tích m ạch điện th eo nút điện áp lưới dòng điện 192 5.7 C ơng suất m ạch A C 199 5.8 M ạch tương đương T hévenin N o r to n 212 5.9 M ạch ba pha cân b ằ n g 217 5.9.1 Nguồn điện áp ba pha đấu nối theo kiểu Y 219 5.9.2 Nguồn điện áp ba pha đấu nối theo kiểu A 225 5.10 B ài t ậ p 229 C hương Đ áp ứng tần số, m ạch lọc cộng h n g 241 6.1 P h ân tích Fourier, m ạch lọc hàm tr u y ề n 242 6.2 M ạch lọc tần thấp bậc n h ấ t 252 6.3 D ecib els, nối tầng C ascade, th an g tần số logarithm 256 6.4 Đ th ị B o d e 259 6.5 M ạch lọc tầ n cao bậc n h ấ t 262 6.6 C ộng hưởng nối t i ế p 266 6.7 C ộng hưởng song s o n g 272 6.8 M ạch lọc bậc hai lý tư n g 275 Giáo trình K ĩ thuật điện vi 6.9 H àm tru y ền , đồ thị B o d e sử dụng M A T L A B 280 6.10 B ài t ậ p 286 C hương M ạch từ biến t h ế 295 7.1 T tr n g 295 7.2 M ạch t 306 7.3 C uộn cảm hỗ c ả m 313 7.4 Vật liệu t 317 7.5 B iến áp lý t n g 320 7.6 B iến áp t h ự c 326 7.7 B ài t ậ p 332 C hương M áy đ iện m ột c h iề u 341 8.1 Tổng q uan động c 341 8.2 N g u y ên tắ c h o t động m áy điện m ột c h iề u 350 8.3 M áy đ iện m ộ t c h iề u 355 8.4 Các đ ộ n g m ột chiều k ết nối Shunt động m ột chiều kích thích riên g r ẽ 362 8.5 Đ ộng m ộ t chiều đưỢc kết nối th eo kiểu nối tiếp 368 8.6 Đ iều k h iển kiểm so t tố c độ quay động D C 371 8.7 M áy p h t đ iện m ột c h iề u 376 8.8 B ài t ậ p 381 C hương M áy đ iện xoay c h iề u 387 9.1 Đ ộn g cảm ứng ba p h a 387 9.2 M ạch đ iện tư n g đương tín h tốn hiệu su ất động cảm ứ n g 396 9.3 M áy đ iện đ n g b ộ 408 9.4 Đ ộn g m ộ t p h a 422 9.5 Đ ộn g bước đ ộn g D C không chối q u é t 427 Mục lục vii 9.6 B iến t ầ n 429 9.7 B ài t ậ p 434 N hững kí h i ệ u 439 Tài liêu th am k h ả o 441 Kỹ thuật điện m ột lĩnh vực kỹ th u ật liên quan đến việc nghiên cứu ứng dụng điện, điện tảí, điện từ, điều khiển tự động hóa, Trong nửa sau kỷ XIX kỹ thuật điện bắt đầu phát triển nhanh với thành tựu thương mại hóa điện báo, điện thoại, phân phối tiêu thụ điện Sau đó, phát truyền hình thiết bị ghi âm, thu hình điện tử trở thành m ột phần sống hàng ngàv Việc phát minh transistor, mạch tích hỢp cơng nghệ vi chế tạo làm giảm clii phí thiết bị điện tử nên sử dụng rộng hầu hết gia đình Gần đâv, cơng nghệ truyền thông không dây phát triển mạnh mẽ đưa đến dịch vụ thông tin di động đến với rnợi ngành, lĩnh vực người toàn giới Kỹ thuật điện môn học sở nhóm mơn học kỹ thuật điện, điện tử thông thường bao gồm môn Kỹ thuật điện, Linh kiện điện tử, Kỹ th u ật điện tử tương tự, Kỹ th u ậ t điện tử số Kỹ thuật điện môn học sở ngành công nghệ kỹ thiiật như: Điện tử, truyền thông; Vật lý điện tử vô tuyến; Cơ điện tử; Cơ học kỹ thuật; Kỹ th u ật điều khiển; Năng lượng, Môn học thường tổ chức giảng dạy cho sinh viên vào học kỳ năm thứ (hoặc chậm học kỳ năm học th ứ ) T năm 2008, Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đầu tư p h át triển chương trình đào tạo chuẩn quốc tế với khung chương trình đào tạo đại cập nhật Hầu hết môn học chương trình giảng dạy dựa giáo trình tiếng Anh nhà xuất tiếng giới phát hành Các sách giáo trình tiếng Anh thường sử dụng rộng rãi trường Đại học công nghệ, kỹ thuật hàng đầu giới Cuốii "Electrical engineering principle and applications" GS Allan R Hambley Nhà xuất Pearson phát hành lựa chọn sách giáo khoa cho môn học Kỹ thuật điện Khoa Diện tử - Viễn thơng Giáo trình Kỹ thuật điện soạn sở tiếp thu tảng sách tiếng Anh vừa đề cập Sau gần 10 năm giảng dạy, nhóm giảng viên mơn học Kỹ thuật điện Khoa Điện tử - Viễn thông cập nhật thông tin, đưa tập, code M atlab cho X Giáo trình K ĩ thuật điện phù hợp với chuẩn hộ thống điện, điện tử Việt Nam Trong trình biên soạn, tác giả hệ thống lại kiến thức có, trình bày logic dễ hiểu để đạt mục tiêu giáo trình Giáo trình "Kỷ thuật điện" bao gồin chương: Chương Giới thiệu: Trình bàv tổng quan Kỹ thuật điện, định nghĩa dòng điện, điện áp, cơng suất lượng, inột số định luật niột số phần tử nguồn dòng, nguồn thế, điện trở, tụ điện, cuộn cảm linh kiện tạo nên rnột mạch điện Chương Mạch điện trở: Trình bày kiến thức mạch điện bao gồm điện trở nguồn điện, phương pháp kết nối điện trở nhxr mạch nối tiếp, mạch song song ứng dụng thực tế Phương pháp phân tích mạch theo nút điện áp hlới dòng điện hai phương pháp phân tích mạch diện trình bày chi tiết với nhiều ví dụ kèm Đây hai phương pháp phân tích mạch điện chủ đạo việc thiết kế mạch điện Các phương pháp mở rộng cho mạch phức tạp bao gồm không điện trở m có tham gia phần tử khác tụ điện, cuộn cảm linh kiện tích cực, Nguyên lý mạch xếp chồng, mạch tương đương Thévenin Norton, mạch cầu điện trở trình bày trước đóng lại chương mạch điện trở Chương Tụ điện cuộn cảm: Trình bày tụ điện cuộn cảm với kiến thức tổng quan cấu tạo, ĩiguyên tắc hoạt động, mạch điện đơn giản ứng dụng hai linh kiệu Chương giới thiệu số ví dụ sử dụng Matlab với cơng cụ Syinbolic để giải phương trình vi phân tích phân phân tích mạch điện Kiến thức chương sở để sinh viên học tốt kiến thức hai chương Chương Quá trình q độ: Trình bày phương pháp phân tích khảo sát trình độ rnột mạch điện Chương giới thiệu mạch điện bậc RC, LC mạch bậc hai R L C mắc nối tiếp R L C mắc song song Phương pháp phân tích sỉr dụng phương pháp cho mạch điện trở đưỢc trình bày chương Tuy nhiên, cuộn cảm tụ điện phần tử chứa lượng, nên phương trình mạch điện thể dạng phương trình vi phân Sinh viên học phương pháp lập phương trình vi phân tìm điều kiện ban đầu mạch điện Các phương trình vi phân hệ phương trình vi phân giải công cụ Symbolic Matlab Dựa vào cơng cụ sinh viên khảo sát mạch điện cách thay đổi thông số mạch điện Chương Quá trình dừng sin: Trình bày phương pháp phân tích khảo sát mạch điện điều kiện dừng bị tác động nguồn tín hiệu sin thơng qua phương pháp pha trở kháng phức Mạch tương đương Thévenin Norton cho mạch điện xoay chiều trình bày Phần cuối chương trình bày kiến thiíc sở mạch điện ba pha cân LỜI nói đầu xi Chương Đáp ứng tần số, lọc cộng hiíởng; Trình bày phân tích mạch điện theo tần số với phương pháp Poiirier Các khái niệm mạch lọc, đáp iífng tần số, hàrn truyền, đồ thị bode giới thiệu chương làm tảng để sinh viên học môn sâu tín hiệu hệ thống học kỳ Các mạch cộng hưởng trình bày dựa tảng hai mạch R L C mắc song song nối tiếp Chương Mạch từ biến thế: Trình bày kiến thức mạch từ, cấu tạo hoạt động biến Đây kiến thức để sinh viên đọc hai chương loại động chiều xoay chiều Chương Các máy điện chiều máy điện xoay chiều: Trình bày tổng quan động điện chiều xoay chiều Hai chương dừng lại mức giới thiệu khái niệm kiến thức để sinh viên tiếp cận làm việc với loại động thực tế Sinh viên cần tích lũy số kiến thức vật lý, toán học điều kiện tiên để học tốt lĩiơn học như: Vật lý điện từ; kiến thức ma trận phương trình vi phân đơn giản Dể học tốt mơn học này, sinh viên cần có inột số kỹ lập trình võ đò thị (M atlab cơng cụ phầii mềrn sử dụng giáo trình này) Ti'orig trình học tập, sinh viên cần làm tập viết chương trình M atlab để giải tập (nếu có) để hiểu sâu kiến thức trình bàv phần lý thuyết Các nội dung lý thuyết kiểm chứng thông qua mạch điện thực nghiệm, điều kiệu cho phép sinh viên tự lắp mạch điện, đo đạc so sánh với kết giải lý thuyết Các kiến thức môn Kỹ thuật điện rộng liên quan nhiều đến tượiig Vật lý Do đó, để hiểu rộng vận dụng đvrợc kiến thức mơn học Kỷ thuật điện sinh viên cần liên hệ gắn kết kiến thức học, đáp ứng mạch điện với hiệu tượng Vật lý, Cơ học, kể toán kinh tế xã hội Giáo trình sử dụng giảng dạy cho sinh viên ngành Công nghệ kĩ thviật điện tử, truyền thông; Công nghệ kĩ thuật điện tử; Cơ học kĩ thuật Ti-ường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội Trong trình học tập, sinh viên nên kết hợp đọc giáo trình với số sách tiếng Anh Kỹ thuật điện, hvíớng dẫn sử dụng M atlab, Vật lý, Tốn đại số, Tốn giải tích sở Tác giả xin cảm ơn PGS.TS Trần Quang Vinh, PGS.TS Nguyễn Quốc Tuấn, PGS.TS Trần Dức Tân, TS Bìii Thanh Tùng, ThS Nguyễn Ngọc Việt, Trường Dại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, TS Đỗ Trung Kiên, TS Nguyễn Hoàng Oanh, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, PGS.TS Nguyễn Đức Minh, Trường Dại học Bách khoa Hà Nội, ThS Trần Thị Thúy Hà, Học viện Bưu Viễn thơng góp ý chỉnh sửa thảo giáo trình Cảm ơn sinh viên K59Đ, Khoa Điện tử - Viễn thơng, Tníờng Đại học Cơng nghệ, Đại M áy điện xoay chiều 426 C uộn dâ\ phu Irợ Ka '■ ũ _ ^ C ' h u \ ên m ạch /X 1\' tám L S C ndãy chiiili V Hình 9.29: Dộng cảm, ứng chia pha C ác đ ộ n g cực xẻ r ã n h - S h a d e d -P o le M o to r s Cách tiếp cận tốn để cung cấp tự khởi động động cảm ứng pha động cực xẻ rãnh (xem hình 9.31) M ột miếng đồng nhỏ đặt lên phần bề m ặt cực Khi có từ trường, dòng cảm ứng vòng rãnh (shading ring) Dòng thay đổi chậm từ trường để phần bề m ặt cực bao quanh vòng rãnh Khi dòng vòng rãnh suy giảm tâm cực từ di chuyển theo hướng vòng rãnh Cách tiếp cận dùng động có cơng suất nhỏ (cỡ 1/20 mã lực nhỏ hơn) Cuộn dâỵ phụ trợ H ình 9.30: D ộng capacitor-start, capacitor-run 9.5 D ộng bước động D C không chổi quét 427 Cuộn dây Rotor long sóc Bảng đơng ngăn mạch (shading ring) Hình 9.31: Dộng cực xẻ rãnh 9.5 Đ ộn g bước động D C không chổi quét Đ ộng bước Các động bước thường sử dụng cho ứng dụng cần điều chỉnh vị trí xác lặp lại nhiều lần ứng dụng máy công cụ dịch chuyển đầu kim phun máy in, ổ cứng máy tính, ổ CD, DVD, Điện áp tác động lên cuộn dây điều khiển mạch điện tử làm cho rotor động quay theo hai chiều với bước góc, thay đổi từ 0, 72° (500 bước vòng) đến 15° (24 bước m ột vòng) Bên cạnh kỹ thuật điều khiển vector từ thông để tạo bước nhảy, thực tế, người ta sử dụng hệ thống bánh để chia nhỏ bước chuyển động Tùy theo loại động cơ, bước góc có độ xác cỡ 3% m ột bước, sai số khơng tích lũy động bước ngược xuôi Tốc độ động bước thay đổi cách thay đổi tốc độ phát xung điều khiển cuộn dây Tốc độ thay đổi liên tục từ trạng thái điíng yên tốc độ tối đa tùy thuộc vào loại động tải Hình 9.32(a) thể m ặt cắt động bước đơn giản, gọi động bước biến từ trở S tator có cực nổi, phần 45°, rotor có cực nổi, phần 60° Vì vậy, cực đặt vào cực A, cực lệch 15° ngược chiều kim đồng hồ từ cực B, cực lệch 15° chiều kim đồng hồ từ cực D Hình 9.32(b) mạch điện công suất điều khiển động động bước với stator gồm cuộn dây Cuộn A th àn h phần cuộn dây quấn xung quanh cực A cực A’, có dòng điện kích thích, cực A trở thành cực từ bắc A ’ trở thành cực từ nam Sau đó, rotor di chuyển m ột đoạn ngắn khoảng trống cực A (A’) với rotor Sau đó, rotor giữ vị trí thể hình 9.32(a) Khi điện M áy điện xoay chiều 428 Điều khiển (a) M ặt cắt ngang đơn gián cùa động Hĩnh 9.32: Dộng bước biến từ trở áp tác động chuyển từ cực A sang cực B, rotor quay chiều kini đồng hồ góc 15° Nếu điện áp tiếp tục dịch từ cực B sang cực c, trục động lại quay tiếp góc 15° chiều kim đồng hồ Như vậy, điện áp đặt lẽn cuộn dậv theo ABCDABC dẫn tới kết trục động quay chiềti kim đồng hồ với bước 15° Bằng cách thay đổi tốc độ chuyển mạch, tốc độ động thay đổi theo Trong trường hợp đảo Iigược thứ tự chuyển mạch ADCBADCB chiều quay ngược lại Một loại động bước khác gọi động bước Iiain châm vĩnh cửu, có rotor dạng trụ, từ hóa vĩnh viễn với cực từ nam bắc xen kẽ xung quanh chu vi trục Stator động có cấu trúc nguyên lý hoạt động tvíơng tự động biến từ Các vị trí rotor thay đổi bước cách đặt xung lên cuộn dây stator Động bước kết hợp loại tổ hỢp loại biến từ loại nam châm vĩnh cửu, khơng khác biệt nhiều với động nam châm vĩnh ciltu Thực tế, ta phân biệt hai loại động cảm giác mà không cần cấp điện cho chúng Động nam châm vĩnh cửu dường có nấc ta dùng tay xoay nhẹ rotor chúng, động biến từ trở dường xoay tự (mặc dù cảm thấy chúng có nấc nhẹ giảm từ tính rotor) Ngồi ra, ta phân biệt hai loại động Ohm kế Đ ộng DC không chối quét Các động DC thông thường thường đặc biệt hữu ích u cầu đòi hỏi tốc độ cao số trường hợp có sẵn nguồn DC máy bay, ô tô, điện thoại di động, nói chung hệ thống sử dụng pin, ắc quy Tuy nhiên, 9.6 Biến iần 429 cấii tạo chúng có cổ góp chổi quét, nên động DC thông thường có số điểm bất lợi Tuổi thọ cỗ góp chổi quét ngắn, đặc biệt hoạt động tốc độ cao Ngoài ra, tượng đánh lửa chổi quét di chuyển đoan cổ góp gâv rủi ro mơi trường dễ cháy sinh nhiễu sóng radio Các động DC không chổi quét phát triển gần khắc phục đưỢc nhược điểm động chổi quét Các động DC không chổi quét có cấu tạo động bước nam châm vĩnh cửu kết hỢp với cảm biến vị trí (cảm biến quang cảm biến Hall) có thêm khối điềvi khiển Tương tự động bước, điện áp đặt lên niột cuộn dây stator thời điểm Khi cảm biến vị trí cảm nhận rotor tiếp cận liên kết với trường stator, chuyển mạch điện tử điều khiển điện áp tới cuộn dây stator tiếp theo, tạo chuyển động liên tục trơn tru Bằng cách thay đổi biên độ khoảng thời gian xung áp dụng lên cuộn dây stator, tốc độ động điều khiển dễ dàng Động hoạt động nguồn ni DC với đặc tính tương tự động DC Shunt thông thường Các động DC không chổi quét thường sử dụng ứng dụng u cầu cơng suất thấp Chúng có ưu điểm hiệu suất tương đối cao, tuổi thọ dài phải bảo dưỡng, khơng gây nhiễu sóng vơ tuyến, có khả hoạt động mơi trường hóa chất tốc độ đạt cao (lên tới 50 000 vòng/phút lớn nữa) 9.6 B iến tần Biến tần (Inverter) thiết bị dùng để điều khiển tốc độ động Hiện biến tần đưỢc áp dụng rộng rãi công nghiệp nhiều đặc tính ưu việt Có nhiều loại biến tần khác phân loại theo điện áp nguồn nuôi (loại pha hay pha); theo dải công suất Trong đa số trường hợp, việc sử dụng biến tần cho hiệu kinh tế, giúp tiết kiệm điện Nguồn điện xoay chiều pha hay pha chỉnh lưu lọc thành nguồn chiều DC Công đoạn thực chỉnh lưu cầu diode tụ điện Do đó, hệ số cơng suất cosphi hệ biến tần có giá trị không phụ thuộc vào thông số tải có giá trị cao (ít 0,96) Điện áp chiều DC sau chuyển đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều pha đối xứng Công đoạn thực thông qua hệ thống IGBT phương pháp điều chế độ rộng xung PW M (Pulse W idth Modulation) IGBT (Insulated Gate Bipolar M áy điện xoay chiều 430 Transistor) loại transistor có cực điều khiển cách ly linh kiện bán dẫn công suất cực IGBT kết hợp khả đóng cắt nhanh MOSFET khả chịu tải lớn transistor thường M ặt khác IGBT phần tử điều khiển điện áp, cơng suất điều khiển u cầu nhỏ Sơ đồ khối nguyên lý hệ thống điều khiển động sử dụng biến tần số mạch chức biến tần thể hình vẽ 9.33 Hệ thống điện áp xoay chiều pha đầu thay đổi giá trị biên độ tần số vô cấp Tần số điện áp tạo thay đổi theo quy luật định tuỳ theo chế độ điều khiển Nhờ tiến công nghệ bán dẫn điều khiển, tần số chuyển mạch xung lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động giảm tổn th ất lõi sắt động Biến tần tích hợp nhiều kiểu điều khiển khác phù hợp hầu hết loại phụ tải khác Biến tần có tích hợp điều khiển PID thích hỢp với nhiều chuẩn truyền thông khác nhau, phù hợp cho việc điều khiển giám sát hệ thống quản lý giám sát điện SCADA Điều chỉnh tần số Hĩnh 9.33: Sơ đồ khối biến tần Mạch chỉnh liíu Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu pha thể hình vẽ 9.34 Dòng điện pha chỉnh lưu mạch bao gồm diode Điện áp &au chỉnh lưu phẳng cách sử dụng tụ điện hình vẽ Tại thời điểm nguồn điện nối vào biến tần, tụ điện khơng tích điện nên dòng điện nạp vào tụ thời điểm lớn Dòng điện gọi dòng khởi động DÒĨ15 khởi động lớn dẫn đến khả đánh thủng diode chỉnh lưu Để bảo vệ diode này, mạch điều khiển dòng khởi động mắc nối tiếp vào mạch hình vẽ Điện trở bảo vệ đưỢc nối nối tiếp với tụ điện thời gian khoảng 0,05 giây để hạn chế dòng điện lớn nạp vào tụ điện Sau thời gian này, điện trỏ mắc nối tắ t chuyển mạch từ, xem hình vẽ 9.34 M ạch nghịch ltfu 431 9.6 B iế n tần Hình 9.3Ậ: Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu Mạch nghịch lưu chuyển đổi điện áp từ DC sang AC Hình 9.35 sơ đồ mạch nghịch lưu với lối điện áp xoay chiều pha Trong phân tích này, thay động điện chiều, tải mạch đèn thay Bốn chuyển mạch S i, 52 , Ss, S nối với nguồn điện chiều DC, cặp chuyển mạch S ị, S ị S , S đóng (OFF) mở (ON) theo cặp Khi cặp chuyển rnạch đóng mở tạo điện áp dạng xung vng phân cực hình vẽ 9.35 Tần số tín hiệu lối thay đổi thay đối thời gian đóng mở mạch Thời gian đóng mở mạch đồng với tải thông qua hệ thống cảm biến đặt tải Ngồi chức thay đổi tần số tín hiệu đầu ra, nghịch lưu biến tần thay đổi biên độ tín hiệu lối cách sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM Trong hệ thống này, thay cho trạng thái ON cố định cặp chuyển mạch, người ta sử dụng loạt xung PWM để điều khiển chuyển mạch Khi đó, lượng tín hiệu phụ thuộc độ kéo dài xung PW M (xem hình 9.36) Biên độ tín hiệu AC lối tỷ lệ thuận với độ kéo dài xung Td, ta có; (9.56) đó, T p ỉ ầ chu kỳ xung điều khiến (p - period), T d độ kéo dài xung (D - duty cycle) Tỷ lệ T o /T p thông thường tính theo phần trăm , tỷ lệ lớn biên độ lối lớn ngược lại Hình 9.37 sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu pha Các lối vào , V w động nối với đầu mạch nghịch lưu Mạch nghịch lưu điều 432 M áy điện xoay chiều SaS4ƠN Đèn S2S3ON Các chuyến mạch Hĩnh 9.35: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu pha khiển chuyển mạch hình vẽ Bằng cách thay đổi chế độ đóng mở chuyển mạch giản đồ xung, điện áp dây pha Ư-V, V-W W-U thể hình vẽ 9.37 Biên độ tần số điện áp điều khiển theo phương pháp tương tự mạch nghịch lưu pha Sơ đồ khối mạch biến tần sử dụng nhiều thực tế thể hình 9.38 Hiện nay, có nhiều hãng chế tạo biến tần với nhiều loại công suất khác ABB, Allen-Bradley, Danfoss, Emerson, Mitsubishi, Toshiba, Altivar, Schneider, Hình 9.36: Diều chỉnh biên độ tín hiệu A C lối sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung P W M Sinh viên tham khảo thêm tài liệu chuyên ngành kỹ th u ật điện, điện tử công suất, động để hiểu rõ động chiều, động xoay chiều kỷ th u ật điều khiển liên quan 9.1) B icn tần 433 60 120 180 240 300 I I I ỉ I 360 420 480 540 u-v v-w w-u Hình 9.37: Sơ đồ nguyên lý rriột rnạch nghịch lưu pha Rcctìfi«r AC-OC invertir DC>AC Microcontroller H ình 9.38: Sơ đồ nguyên lý m ộ t m ạch biến tần M ả y điện xoay chiều 434 9.7 B ài tập 9.1 Một động cảm ứng 50 Hz cần thiết để chạy luột tải tốc độ xấp xỉ 600 vòng/phút Hỏi động cần có cực từ? Độ trượt ciìa động tốc độ 600 vòng/phút 9.2 Một động cảm ứng pha gồm cực, 10 niã lực, 50 Hz quay với tốc độ 1160 vòng/phút chế độ tải tối đa Xác định độ trượt tần số dòng điện rotor tải tối đa 9.3 Một động cảm ứng cực chạy tải với tốc độ 2500 vòng/phút Nó thực cách sử dụng iriột chuyển đồi điện từ biến nguồn DC 400 V thành rnột điện áp AC pha Xác định tần số yêu cầu điện áp AC, giả sử độ trượt S' = 4% Tải yêu cầu mã lực Nếu chuyển đổi DC-to-AC có hiệu suất 88 % hiệu suất động 80%, tính dòng điện tìí nguồn DC 9.4 Mật độ từ thông khoảng trống riiột động cảm ứng hai ci.rc cho bởi: B = D m C o s {u jt — 9) đó, Bjn biên (ĩộ inật độ từ thơng, chuyển vị góc xung quanh khoảng trống giả sử quay chiều kirn đồng hồ Xác định biểu thức tương ứng cho m ật độ từ thông động cảm ứng cx.rc cực 9.5 Vẽ đặc tuyến mômeii - tốc độ động cảm ứng pha gồm cực kết nối kiểu delta, 220 Vrrns, mã lực 50 Hz ước tính giá trị tính quan trọng tốc độ chạv tải tối đa, inôinen xoắn tải tối đa, inôiiicn pull-out, inôinen xoắn khởi động 9.6 Một động cảm ứng rotor dây quấn 50 Hz hoạt động độ trượt ò’ = 0, thêm với điện trở rotor để điều khiển tốc độ Diện trở stator bỏ qua Bỏ qua tổn th ất quay, xác định hiệu suất động 9.7 Một động cảm ứng pha gồrn cực, 220 Vrrns, 50 Hz, kết nối theo kiểu (lelta, có- R, = i n , X s ^ l , 5Q, = 0, Q, x ; - 0, x„, = 40 íì Khi có tải, động hoạt động 1728 vòng/phút Tìm hệ số công suất, công suất lối ra, tổn hao cuộn dây đồng, niôinen xoắn lối hiệu suất dộng cư, hai trường hợp: a) Động có tổn th ất quay 200 w b) Động khơng có tổn th ấ t quay B i tập _ ^ 9.8 Một động cảm ứng pha gồm cực, 440 Vrms, 50 Hz, kết nối theo kiểu delta, có: /?, = 0, 08 Q, A', = 0, 20 n , R'^ = 0, 06 n , x ; = 0,15 n = 7, n Khi có tải, động hoạt động 1728 vòng/phút Tìm hệ số công suất, công suất lối ra, tổn hao cuộn dây đồng, mômen xoắn lối hiệu suất động cơ, hai trường hỢp: a) Động có tổn th ất quay kw b) Động khơug có tổn th ất quay 9.9 Một động cảm ứng ba pha cực, 1,5 kW, 50 Hz kết nối theo kiểu delta hoạt động tai 1140 vòng/phút, 220 Vrms đường dòng 5,72 A hệ số công suất 0,8Xác định hiệu suất tải tối đa 9.10 Một động cảm ứng pha kết nối theo kiểu chữ Y, điện áp dây 440 Vrms, 50 Hz vẽ 16,8 A hệ số côiig suất 0,8 Tổn hao cuộn dây đồng stator 350 w , tổn hao cuộn dây đồng rotor 120 w , tổn th ất quay 400 w Xác định công suất qua khoảng trống Pag, công suất phát động Pdev, công suất lối Poui hiệu suất (ĩộng 9.11 Một độiig cảm ứng cực 50 Hz tạo công suất lối mã lực tốc độ 3500 vòng/phút Khi khơng có tải, tốc độ 3598 vòng/phút Giả sử tổn thất mơmen quay độc lập với tốc độ Xác định tổn th ất công suất quay động 3500 vòng/phút 9.12 Một động dồng chạy 80 % tải tỉ lệ với hệ số công suất đơn vị Nếu tải tăng tới công suất lối tỉ ỉệ, lượng thay đổi đặc tính sau nào? (a) dòng điện cảm, (b) tốc độ khí, (c) mõrnen xoắn lối ra, (d) dòng điện cảm ứng, (e) hệ số cơng suất, (f) góc mơmen xoắn 9.13 Một động đồng CIÍC 50 Hz hoạt động với công suất phát động mã lực góc mơnien xoắn 5° Xác định tốc độ môrrien pliát động động Giả sử tải tăng công suất phát động tăng gấp đơi Xác định góc niơmen inõnien pull-out với công sviất phát động lớn động 9.14 Một động đồng 10 cực, 50 Hz hoạt động với công suất phát động 100 m ã lực, tải tối đa tỉ lệ Góc mơmen xoắn 20° Vẽ đường đặc tuyến niơiiieii - tốc độ giá trị mômen tỉ lệ mômen pull-out 9.15 Một động đồng cực, 220 Vrms, 50 Hz, inắc theo kiểu delta, hoạt động với công suất phát động không đổi 50 mã lực, hệ số công suất đơn vị, góc mơinen xoắn 15° Sau đó, dòng điện cảm tăng với Br tăng biên độ 20% Xác định góc ưiơmen hệ số công suất động M áy điện xoay chiền, 436 9.16 Một (lộng đồng cực, 220 Vrms, 50 Hz, mắc theo kiểu delta, hoạt (tộng với inột công suất phát động kliôug đổi 50 mã lực, hệ số công suất đơii vị góc mơmen xoắn 15° Xác định pha đòng điện Giả sử tải loại bỏ khí cơng suất phát động Tìni giá trị dòng điện, hệ số cơng suất góc rnơmen 9.17 Một động đồng 480 Vrms; mắc theo kiểu delta, hoạt động với công suất phát động khơng, vẽ pha dòiig điện 15 A, trễ pha so với điện áp Trở kháng đồng íì dòng điện cảĩĩi A Giả sử biên độ từ trường rotor tĩ lệ với dòng cảm dòng cảm cần (lể giảm dòng ứng xuống khơng? 9.18 Một động đồng cực, 220 Vrms, 50 Hz, 100 inã lực, mắc theo kiểudelta, hoạt động với công suất phát động 50 mã lực (bao gồni cáctổn hao), số công suất 90% nhanh pha Trở kháng đồng hệ = 0, íỉ a) Xác định tốc độ niôrnen phát động động cơ? b) Xác định giá trị la, góc inơmen xoắn c) Giả sử kích thích giữ không dổi mônicii tải tăiig co đến công suất phát động 100 mã lực Xác định giá trị la, Er, góc inôiiieii xoắn hệ số công suất 9.19 Một động đồng 220 Vrmsì 100 mã lực, 50 Hz, niắc theo kiểu delta, hoạt động với công suất phát động 100 mã lực (bao gồm tổn thất), hệ số công suất 85% chậm pha Trở kháng đồng X , = 0, íỉ dòng điện cảm I f — 10 A Dể có hệ số cơng suất đạt 100% dòng điện cảm cần thiết bao nhiêu? Giả sử tíí tníờng bão hòa khơng xảy để Br tỉ ]ộ với If 9.20 Một độiig đồng 12 cực, 50 Hz để chạy niảy điệu đồng 10 cực, hoạt động máy phát Tần số điện áp cảm ứĩig cuộn dây cảin ứng máy phát bao nhiêu? 9.21 Một động capacitor-start induction-run mã lực, 120 Vrrns, 1740 vòtig/phút, 50 Hz lấy dòng điện 10,2 Arms chế độ tải tối đa có hiệu suất 80% Xác định giá trị hệ số công suất, trở kháng động chế độ tải tối đa số lượng cực từ mà động có 9.22 Giả sử với độ tníỢt s nhỏ, cơng suất lối động cảm ứng f)ha viết dạng Pouị = K is — K-2 , A"i I\ số Một động 0,5 mã lực có tốc độ tải tối đa 3500 vòng/phút tốc độ khơng tải 3595 vòng/phút Xác định tốc độ lối 0,2 mã lực 97 ỉỉiii lậ p 437 9.23 Trci kháng cuộn (lây (htói điều kiện khỏi động động 0,5 niã lực, 50 H/ (ĩu'Ợc clio trẽii hình p.9.1 Xác định điện dung (lòng I„ I,„ 90° la 12Q c cầu thiết để góc pha giiĩa 9H c I20l£i 6o 60 H z 8H ỈPinh p.9.1: Hĩnh tập 9.23 9.24 Hãy liệt kê số lợi ích động DC không chổi quét so với động DC tliông tlnrờng? T viết tắt AC A lternating Current- dòng điện xoay chiều ADC Analog to Digital Converter - chuyển đổi tương tự số AM Ainplitude Modulatioii - điều chế biên độ BPF Band Pass Filter - lọc thông dải CD Compact Disc - đĩa CD DC' DAC Direct Current - dòng điện chiều Digital to Aiialog Converter - chuyển đổi số tương tự DVD Digital Versatile Disc/ Digital Video Disc - đĩa DVD ECG Electrocardiography - điện tâm đồ ECdG Electrococholeograni - điện ốc tai EEG Electroeiicephalography - điện não đồ EMG Electroinyography - điện đồ EOG Electrooculography - điện nhãn đồ ERG Electroretinography - điện võng mạc đồ FM Frequency Modvilatioĩi - điều chế tần số HPF High Pass Pilter - lọc tần cao KCL Kirchhí' Current Law - Dịnh luật Kirclihoff theo dòng điện KVL Kirchhoff Voltage Law - Định luật Kirchhoff theo điện áp LPF Low Pass Filter - lọc tần thấp MEMS Microelectromechanical Systems - vi điện tử oc open circuit - hở mạch PM Perm anent Magriets - nam châm vĩnh cửu sc short circuit - ngắn mạch 11 Allan R Harnbley, Electĩical Enqineerinq: Principỉes and Applications, Pearson, 7th Edition, 2011 2] Giorgio Rizzoni, Principles and Applications of Electrical Engineering, McGraw Hill, 5th Editioii, 2007 3] J.R Cogdell, Poundations of Electrical Engineering, Prentice Hall, 1996 4] Richard p Peynman, Robert B Leighton and M atthew Sands, Lectiire of Physics, Addison -Wesley, 1964 5] David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker, Pundamentals of Physics Extended, lOth Écíitiou, Wiley, 2013 ] Walter G .Iving, Op Arnp Applications, Analog Devices, 2002 7] Inverter school text, Mitsubishi Electronics Corporation [8 ] Dăng Văn Thành, Lê Thị Thanh Hoàng, Phạm Thị Nga, Bùi Thuận Ninh, Bùi Văn Hồng, Giáo trĩnh Kỹ thuật điện, Nhà xuất Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2005 9] Nguyễn Kim Đĩnh, Bài giảng K ỹ thuật điện, Nhà xuất Đại học Quốc gia TP HỒ Chí Minh, 2007 10] Ti-ần Quang Vinh, Chử Văn An, Nguyên lý K ỹ thuật điện tử, Nhà xuất Giáo dục, 2007 11] Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh, Diện tử công suất: Lý thuyết - Thiết kế - ứng dụng, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2007 Giám đốc - Tổng Biên tập: (04)39715011 NHÀXUÁTBẢN Hành chỉnh: (04)39714899; Fax: (04)39724736 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI Kinh doanh: (04) 39729437 16 Hàng Chuối - Hal Bà Trưng- Hà Nội Biên tập; (04) 39714896 Chịu trách nhiệm xuất bản: Giám đốc - Tồng biên tập: TS PHẠM THỊ TRÂM Chịu trách nhiệm nội dung: Hội đồng nghiệm thu giáo trình Tờng Đại học Cơng nghệ - ĐHQGHN Người nhận xét; TS NGUYỀN HOÀNG OANH TS NGUYỂN ĐỨC MINH Biên tập NGUYỂN THỊ THUỶ Chế NGUYẼN NGỌC THÁNG Trình bày bìa NGUYỄN NGỌC ANH GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT ĐIỆN Mâ số: 1K-16ĐH2016 In 300 cuốn, khổ 19x27 Công ty phần In sách Việt Nam cổ Địa chỉ: 22B, Hai Bà Trưng, Hoàn Kiếm, Hà Nội Số xuất bản; 3184-2016/CXBIPH/21 -227/ĐHQGHN, ngày 21/9/2016 Quyết định xuất số: 23 KH-TN/QĐ-NXB ĐHQGHN, 21/9/2016 In xong nộp lưu chiểu năm 2016 ... Kỹ thuật điện môn học sở nhóm mơn học kỹ thuật điện, điện tử thông thường bao gồm môn Kỹ thuật điện, Linh kiện điện tử, Kỹ th u ật điện tử tương tự, Kỹ th u ậ t điện tử số Kỹ thuật điện môn học... kiến thức có, trình bày logic dễ hiểu để đạt mục tiêu giáo trình Giáo trình "Kỷ thuật điện" bao gồin chương: Chương Giới thiệu: Trình bàv tổng quan Kỹ thuật điện, định nghĩa dòng điện, điện áp, cơng... sách giáo khoa cho môn học Kỹ thuật điện Khoa Diện tử - Viễn thơng Giáo trình Kỹ thuật điện soạn sở tiếp thu tảng sách tiếng Anh vừa đề cập Sau gần 10 năm giảng dạy, nhóm giảng viên mơn học Kỹ thuật