ĐẶNG VĂN ĐÀO (chủ biên) - LÊ VĂN D OA NH KĨ THUẬT ĐIỆN Dà dược Hội dòng mơn học Bộ Giáo d ụ c Dào tạo thông qua dùng làm tàl liệu giảng dạy cắc trường dại học k ĩ thuật (Tái lần thứ mười hai) NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC VIỆT NAM Chịu triỉch nhiệm \uấỉ bản: Chu íỊch HĐQT kiêm Tổng Giám ăốc N(iỊ TRẦN i Plio Tổng Giám đốc kiêm Tổng bicn ỉạp NCiUYHN ỌUÝ TI 1A ( ) Biên tập Văn dhu : TRẦN CAO QUANG Biẽn tậ.p tải : TRẦN VĂN THẮNG TRẰN TRỌNG TlẾN Biên tập kỉ thuật : BÙI CHÍ HIỂU PHỊNG CHH HAN (NXB GIÁO DUC' TAI HẢ NỘI) Công ty cổ phần Sách Oại học, Dạy nghề - Nhà xuất Giáo dục Việt Nam giữ quyến công bô' tác phẩm 04 - 0 /C X B /1 0 - 17/GD Mã sô' : B y - DAI LỜI NÓỈ ĐAU Kĩ thuật điện ngành khoa học ứng dụng tượ:ng điện từ để biến đổi ìượng, gia cơng vật liệu, truyển tải thông tin v,v bao gom việc tạo ra, biến đổi sử d ụ n g điện n ă n g tro ng hoạt động thực tiễn on người Ngày điện sử dụng rộng rãi cáic ng:ành công nghiệp, giao thông vận tải, nông lâm nghiệp, thồng tin liên lạc dịch vụ v.v cố ưu điểm dạng nàng lượng khác : sản xuất điện tập trung với nhừng nguồn công suất lớn, truyễn tải điện nảng xa phân phối đến tận nơi tiêu thụ với tổn hao nhò, tương đổi dễ dàng biến đổi sang dạng nãng lượng khác Diệm quan trọng cho khí hda tự động hda nguồn nàng lượng "cao cap" tac động lên tài ngun khống sản khơng kim loại (các loại đá, cát, muối v.v ), kim ỉoại (bơ xít, thiếc, đổng, sắt, đất v.v ) để tạo cải vật chất cho xã hội, cho phát triển kinh tế quốc dân Hiện tượng điện từ đà biết từ xa xưa, song đẽn nám 1600 bát đẩu nghiên cứu : Nám 1831 M Faraday phát minh định luật cảm ứng điện từ, năm 1837 D.K Maxwell đưa lý thuyết tượng điện từ Sa^a đd hàng loạt thiết bị điện đời : đấu th ế kỉ 19 nguồn điện hốa học, năm 1870 máy phát điện chiều, cd kết cấu gấn giống ; năm 1876 máy phát điện đồng pha, máy biến áp pha ; năm 1882 máy phát điện đồng hai pha công suất 115kVA ; năm 1888 động không hai pha kW ; nám 1889 r*náy biến áp pha, động không đồng ba pha rôto lổng sốc ; nám 1890 động khống rôto dây quấn, mạch điện pha dây ; năm 1881 IBÍiỵ phất thủy điên pha 230 kVA, 150 v/ph, 40 Hz, = 95 V, đường dây tải điện pha ba dài 175 km ; năm 1899 máy phát tuabin 1000 kVA Thời gian đẩu điện sử dụng chủ yếu để tháp sáng, sau dấn dần phục vụ cho ngành kinh tế quổc dân Kĩ thuật điện phát triển nhanh chóng, ngày máy phát điện cơng suất đạt đến hàng nghìn MVA, đường dây tải điện hàng nghìn km với điện áp 600 kV mức độ tự động hổa cao Nhiễu loại máy thiết bị khác nhau, đa dạng đả thâm nhập vào ngành sản xuất đời sống Trong năm vừa qua ngành điện Việt Nam đạt thành tựu to lớn, đáp ứng nhu cẩu điện náng kinh t ế quốc dân với tốc độ tăng trưởng bình quân 15% Tiãni Sản lượng điện nãng năm 2001 đạt tới 30 ti kWh, bình quân đầu người 370 kWh/ng.nảm Theo dự báo sản lượng điện đạt tới 50 tỉ kWh vào nám 2005 vào 80 ti kWh vào nám 2010 với bỉnh quân đầu người khoảng 900 kWh/ng.năm Chúng ta chế tạo máy biến áp 110 kV chuẩn bị chế tạo máy biến áp 220 kV, 125 MVA Các động không chế tạo hàng loạt Giáo trình kỉ thuật điện biên soạn theo kế hoạch đào tạo chương trinh môn học giai đoạn I trường Dại học khối KI thuật công nghiệp Bộ Giáo dục Dào tạo ban hành nầm 1990 Giáo trình soạn sở người học môn Kĩ thuật điện, môn Vật lý phổ thông, phần điện môn Vật lý đại cương đại học, nên không sâu vào mặt lý luận tượng vật lý mà ý nhiều đến tính tốn ứng dụng kỉ thuật, phục vụ cho môn chuyên ngành giai đoạn II hoạt động khoa học kĩ thuật liên quan đến kĩ thuật điện Giáo trình kĩ thuật điện gổm phần : Phấn I cung cấp kiến thức vổ mạch điện (thơng số, mơ hình, định luật), tính tốn mạch điện, đặc biệt dòng điện hình sin pha pha Phẩn II cung cấp nguyên lý, cấu tạo, tính ứng dụng loại máy điện bản, sở cd th ể hiểu máy điện đa dạng gặp sản xuất đời sống Phấn III cung cấp khái quát đo lường điểu khiển máy điện, dẫn số phương pháp đo đại lượng điện không điện, số sơ đổ điễu khiển bản, sở đố cđ th ể vận dụng để giải vấn để cđ thể gặp thực tế Giáo trỉnh gổm 12 chương : Lời ndi đầu, chương 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, (phẩn tự chọn) PGS TS Đặng Văn Đào viết ; Chương 10, 11, 12 1, 2, (phần tự chọn) PGS TS Lê Vãn Doanh viết PGS, TS Đ ặng Ván Đào chủ biên Các tác giả chân thành cảm ơn Bộ môn KI thuật điện trường ĐH GTVT ; Bộ môn Thiết bị điện - điện tử trường ĐHBK Hà Nội, GS TS Nguyễn Mạnh Duy chủ nhiệin môn Thiết bị điện - điện tử trường ĐHBK Hà Nội, PGS TS H oàng Ngọc Thái chủ nhiệm Bộ môn KTĐ Viện Kĩ thuật Quân đâ cd nhiểu đdng góp quỷ báu nội dung giáo trình Các tác giả xin chân thành cảm ơn Nhà xuất Giáo dục cđ nhiéu đđng gổp công sức việc xuất giáo trình Các ý kiến đóng gdp cho giáo trỉnh xin gửi Nhà xuất Giáo dục C c tá c g iả PHẦN I MẠCH ĐIỆN ■ » ChurơĩtỊỉ I NHỮNG KHÁI NIỆM BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN § - MẠCH Đ IỆN , KẾT CẤU HÌNH HỌC CỦA MẠCH ĐIỆN M ch đ iệ n Mạch điện tập hợp thiết bị điện nối với dây dẫn tạo thành vòng kín dòng điện cd thể chạy qua Mạch điện thường gổm loại phẩn tử sau ; nguổn điện, phụ tải (tải), dây dẫn Hình - ví dụ vể mạch điện, : nguổn điện máy phát điện MF, tảigổm động cơđiện ĐC bđng đèn Đ, dây dẫn truyền tải điện náng từ nguổn đến tải a) N guòn diện Nguổn điện thiết bị phát điện Về nguyên lý, nguổn điện thĩết bị biến đổi dạng lượng năng, hốa năng, nhiệt V V thành điện náng ví dụ : pin, ac quy biến đổi hda nẫng thành điện năng, máy phát điện biến đổi thành điện nâng, pin mặt trời biến đổi lượng xạ mật trời thành điện náng v.v b) Tải Tầi thiết bị tiêu thụ điện nảng biến đổi điện thành dạng lượng khác năng, nhiệt năng, quang náng v.v Ví dụ : động điện tiêu thụ điện biến điện náng thành năng, bàn là, bếp điện biến điện thành nhiệt nãng, bdng điện biến điện thành quang v.v c) D ây dẫn Dây dẫn làm bàng kim loại (đồng, nhôm v.v ) dùng để truyển tải điện từ nguồn đến tải K ế t c ấ u h ìn h h ọ c c ủ a m c h đ iệ n a) N hảnh Nhánh đoạn mạch gồm phẩn tử ghép nói tiếp nhau, đđ có m ột dòng điện chạy từ đầu đến đẩu bì Nut Núi điểm gặp từ ba nhánh trở lên, r/ Vòng Vòng lối khép kín qua nhánh Mach điện hình - ĩ có nhánh 1, 2, ; nút A, B vòng a, b, c sM - CẤC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG QUÁ TR ÌN H NĂNG LƯỢNG TRONG MẠCH ĐIỆN ỉ)ế đác trưng cho trình nảng lượng nhánh phần tử mạch điên ta dùng hai đại lượng : dòng điện i điện áp u Cơng suất nhánh (hoặc phán tử.) (hinh - 2) : p = ui D òn g d iệ n Dòng điên i vổ trị số bàng tốc biến thiên lượng điện tích q qua tiơì diện môt vật dẫn, * dt ( 1- ) d (!hieu dòng điện quy ước chiều chuyển động điõn lích dưcmg điện trường Đ iện áp Tại điềm mạch điện có điện Hiệu điện (hiệu thể) hai điểm gợi điện áp Như điện áp hai điểm A B : - 2) Chiểu điện áp quy ước chiều từ điểm có điện cao đến điểm có điện thấp C hiều d n g d ò n g đ iệ n v d iệ n áp Đối với mạch điện đơn giản, theo quy ước ta dễ dàng xác định chiều dòng điện điện áp nhánh Ví dụ mạch điện gổm nguổn điện chiểu tải (hình - ) Trên hình - vẽ chiẽu điện áp đấu cực nguổn điện, chiếu điện áp nhánh tải chiểu dòng điện mạch, u ~ ỊJ Tuy nhiên tỉnh tốn phân tích iTiạch điện phức tạp, ta khơng thể dễ dàng xác định chiểu dòng điện điện áp nhánh, đặc biệt dòng điộn xoay chiểu, chiểu chúng thay đổi theo thời ỉỉinh I-.i gian, Vì giải mạch điện, ta tùy ý vẽ chiều dòng điện điện áp nhánh gọi chiều dương Trên sở chiểu đả ve, thiết lập hệ phương trỉnh giải mạch điện Kết tính tốn : dòng điện (điện áp) ỏ ihời điểm dó cd trị sổ' dưgxig, chiều dòng điên (diên áp) rĩHánhấy trùng với chiều VG, ngược lại, dòng điên (điện áp) cd _t r i sổ â m chiều chúng ngirơc với chiều vẽ, C ô n g s u ấ t Trong mạch điện, nhánh, phần tử nhận nãng lượng phát nàng lượng Khi chon chiều dòng điên điên ặp nhánh trùn ^ n hau (hình - 2), sau tính tốn cơng suất p nhánh ta cd kết luận sau vể trình nãng lượng nhánh, thời điểm đd ; p = ui > nhánh nhận lượng (1 - 3) p = ui < nhánh phát lượng (1 - 4) Nếi^ chọn chiểu dòr^ đjên điện áp nhánh ngược ta có kết luận ngư ơcjại Trong hệ đơn vị SI đơn vị dòng điện A íampe), đơn vị điện áp V (vơn), đơn vị cơng suất w (ốt) §1 - MƠ HÌNH MẠCH ĐIỆN CÁC THƠNG số Mạch điện gồm nhiều thiết bị điện Khi^làm việc, nhiều tượng điện từ xảy thiết bị mạch điện Khi tính tốn người ta thay th ế mạch điện thực mơ hỉnh mạch Mơ hình mạch gồm thơng số sau : nguồn điện áp u(t), nguồn dòng điện j(t), điện trở R, điện cảm L điện dung c Đó phẩn tử lí tưởng đặc trưng cho trỉnh điện từ đố mạch điện Ta xét N g u n đ iệ n áp u(t) Nguồn điện áp đậc trưng cho khả tạo nên trì điện áp hai cực nguồn Nguổn điện áp kí hiệu hỉnh - 4a Nguổn điện áp biểu diễn sức điện động e(t) (hình - 4b) Chiểu e(t) từ điểm điện thấp đến điểm điện cao Chiều điện áp theo quy ước từ điểm có điện th ế cao đến điểm cd điện thấp, chiéu điện áp đầu cực nguổn ngược với chiểu sức điện động (hình - 4b) Điện áp đẩu cực u(t) bàng sức điện động : u(t) = e(t) ỏ © a) b) f0 H ình - (1 - 5) N g u n d ò n g đ iệ n j(t) Nguồn dòng điện j(t) đặc trưng cho khả cùa nguổn điện tạo nên trl dòng điện cung cấp cho mạch ngồi Nguồn dòng điện kí hiệu hỉnh - Ki) Đ iệ n tr R Điện trở R đặc trưng cho trình tiêu thụ điện biến đổi điện sang dạng lượng khác nhiệt năng, quang năng, v.v Quan hệ dòng điện điện áp điện trở : R = R.i U,, - gọi điện áp rơi điện trở (1 - 6) H ình - Điện trở đo đơn vị Q (ôm) ký hiệu hình - Cơng suất điện trở tiêu thụ : p = Ri2 (1 - 7) Đ iệ n cảm L Khi cd dòng điện i chạy cuộn dây cuộn dây ĩp — 'Wcp, ộ từ thơng w vòng sinh từ thơng mđc vòng với Điện cảm cuộn dây định nghỉa L = í = ị (1-8, Ldi Sức điện động tự cảm : ~ Quan hệ dòng điện điện áp điện cảm = (l-9b) Uị gọi điện áp rơi điện cảm Năng lượng từ trường cuộn dây : = l| (1 - 10) Như vậy, điện cảm L đặc trưng cho tượng tạo từ trường trinh trao đối, tích lũy lương từ trường cuộn dây /— ^ Đơn vị điện cảm H (henry) Điện cảm L kí hiệu hỉnh " Đ iện d u n g c Khi đặt điện áp Điện dung c lên tụ điện, cố điện tích q tích lũy tụ điện, tụ điện định nghía : Quan hệ dòng điện điện áp điện dung dq hoậc viết H ình - c : du^ , = “ / idt (1 - 13a) Nếu thời điểm t = mà tụ điện cđ tích điện thỉ điện áp tụ : gọi điện áp rơi điện dung c c H ình ỉ - N ăng lượng điện trường tụ điện U C E ” (1-14) Đơn vị điện dung F (fara) Điện dung kí hiệu hình - Mơ h ìn h m c h d iệ n Mô hlnh mạch điện gọi sơ đổ thay mạch điện, đố kết cấu hĩnh học trỉnh lượng giống mạch điện thực, song phần tử mạch điện thực mơ hình thơng số R, L, c, e, j H ỉnh - 9b sơ đồ thay mạch điện thực (hình - 9a), đđ máy phát điện thay bàng Gj- nối tiếp với Rp đường dây thay Lj, bdng đèn thay R^, cuộn dây thay th ế băng R, L Mô hỉnh mạch sử dụng thuận lợi việc nghiên cứu tính tốn mạch điện thiết bị điện o i> a) C) Cấn ý rằng, phụ m ạch điện (tẩn số, dòng th ế khác H lnh sơ đổ thay th ế H ình - thuộc vào mục đích nghiên cứu điều kiện làm việc điện, điện áp), mạch điện cd thể ctí nhiêu sơ đổ thay 9b sơ đổ thay dòng điện xoay chiểu, hỉnh l- c dòng điện khơng đổi § - P H Â N LOẠI VÀ CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA MẠCH ĐIỆN P h ụ t h u ộ c v o lo i d ò n g đ iệ n t r o n g m ch n g i ta p h â n a) Mạch đổi theo thời D òng điện cđ đổi (hình - diện m ộ t chiều Dòng điện chiều dòng điện cố chiều khơng thay gian Mạch điện cd dòng điện chiều gọi mạch điện chiều trị số chiều không thay đổi theo thời gian gọi dồng điện không 10) b> Mach diên xoay chiêỉi Dòng điện xoay chiốu dòng điện có chiếu biến đổi theo thời gian Dòng điện xoay chiểu sử dụng nhiều n há t dòng điện hinh sin, biến đổi theo hàm số tíin thời gian (hinh - V ĩ o t 1] t Mạch điơn có dòng điện xoay chiểu g‘0 Ỉ lả mạch điện xoay chiểu ỉiinh ỉ - Ỉ U P h ụ th u ộ c v o c c th ô n g sô R, L, d iệ n tu y ến tin h m ạch d iệ n p h i tu y ên c ỉ ì inh ỉ - ỉ ỉ c ủ a m ch , n gư i ta p h ả n m ạcli ãi Mqcỉi diên tuyến tính T ấ t phấn tử mach điên phán t.ử tuvến tíỉìh nghía cac thông số R, L, c hàng số, không phụ thuộc vào dòng điộn i điơii áp Lỉ trơn chúng bj Mack dièn phỉ tuyến Mach điện có chứa phấn Lử phi tuvến gọi mạch điOn phi tuyôn '1’hông số R, L, c phẩn tử phi tuyến thav đổi phu thuộc vào dòn^ đión i đión áp u Iròn chúng ÌVong giáo trinh chủ yếu nghiơn cứu mạch điện tuyến tính P h ụ th u ộ c v o q u tr in h n ầ n g lư ợ n g tr o n g m ạch n gư i ta p h â n c h è dộ x c lập c h ê độ q u d ộ a/ Chế dộ xac lập Chế độ xác lập trinh, tro ng đd tác động các: ngn, dòng điện điện áp trê n nhá nh đạ t t r n g thái ổn định, chế độ xác lập, dòng điện, điện áp n h n h biến thiên theo quy luật giống với quy luật biến thiên nguổn điện : mạch điện chiểu, dòng điện, điện áp mơt chiểu ; mạch điện xoay chiểu, dòng điện, điện áp biến thiên theo quy ỉuật sin với thời gian bi Cliê dô dộ Chế độ q u độ trì nh chuyển tiếp từ chế độ xác lập nàv sang chế độ xác lập khác Chế độ độ xảy sau đóng cát hoậc thay đổi thông số mạch c ổ chứa L, c , Thời gian độ thườn g r ấ t ngán, chế độ q uá độ, dòng điện điện áp biến thiên theo quy luẠt i ' khác với quv luật biến thiên chế độ xác lập IVên hỉnh ỉ - 12 vẽ quy luật biến thiên dòng điện Sau đóng mạch R - L vào nguồn 1 điện áp khồng đổi xảy tri nh độ ; dòng điện i biến thiên đườn g cong 1, Sau / thời gian At, trìn h độ kết thúc, thiết ìập chế độ xác ỉập, đường vẽ dòng điện r At i chế độ xác lập * n í P h â n lo i b ài to n v ề m ạch d iệ n Việc nghiên cứu mạch điện tống hơp mạch Nội dung cáu niach điện, cán tính dòng, phân tốn phân áp cơng i nh 2loại tốn tích mạch cho biết suát nhánh Tổng ; phân tích mạch t h ô n g số kốt hơp mạch ỉàbài tốn I.giíơc; lai, n phải thành láp ìiìột mac'h diôn V('i ihôn^' sổ kơt cáu thich hơp (iố đạt yvu cáu định trước dòng, ap \ị-ỉ\':‘ịi lương Trong giáo trỉnh chủ yếu xót hài tốn phân t)c'h nìíich điện tuyến tính chè clò xác láp ('ơ sở lí thuyết đố nghiên cứu mạch điộn hai đinh luật Kiếchốp ííl-5 !!AI ĐỊNĨỈ lA IẢ l K ỈK CH Ô P ỉ)Ịnh luật Kiếchốp hai định lt cư báiì (ỉơ nghiên cứu, tính tốn mạch điộn, D inh iu ậ t K iêch ô p Tống đại số cá(’ dòng điện lìiột nút bang khống 2] i = (1-15) quy ước dòng điộn tới nut mang dáu dương, rời khỏi nút man g dáư âm, hoậc ngược lại Vi (ỉu : Tai nút thi dòng điện K hinh - 13, định ỉuảt KiôcihốỊ) 1được viết i, - i, - Ì3 = DỊnh lu ậ t K iế c h ố p í)i theo mơt vòng kín với chiều tùy ý tổng đai s (,'ác điện áp r(íi phán tử bảng không u = (1 - 16) Thay điện áp rơi u trẽn phần tử biểu thức (1 - 5), (1 - ), (1 - 9b), (1 - 13) vào ( - ) chuyển sức điện động san g vế phải, định luật Kiếchốp phát biểu sau : Đi theo vòng khép kín, theo chiều tùy ý, tổng đại số điện áp rơi trê n phán tử R, L, c bàng tổng đại số sức điện động vòng; nhữn g sức điện động dòng điện có chiểu tr ù n g với chiẽu vòng lấy dấu dương, ngược lại mang dẩu âm Ví dụ : Đối với vòng kín hình - 14, định luật Kiếchốp viết : dU ■^ ' e R Ì + ^ / Ì d t - L + R i ì ] = e lỉình ỉ-ỉ.i - Cấn ý r ằ n g hai định luật Kiếchốp viếtcho giá trị tức thời dòng điện điện ap Khi nghiên cứu mạch điện chế độ độ, hai định luật Kiếchốp viết dang Khi nghiên cứu mạch điện hình sin chế độ xác lập, dòng điện điện áp hiểu diễn vectơ số phức, định luật Kiếchốp viết dạng véctơ hoác sổ phức (chương ) ỊỊìnỉì ỉ -14 : ...ĐẶNG VĂN ĐÀO (chủ biên) - LÊ VĂN D OA NH KĨ THUẬT ĐIỆN Dà dược Hội dòng mơn học Bộ Giáo d ụ c Dào tạo thông qua dùng làm tàl liệu giảng dạy cắc trường dại học k ĩ thuật (Tái lần thứ... chế tạo hàng loạt Giáo trình kỉ thuật điện biên soạn theo kế hoạch đào tạo chương trinh môn học giai đoạn I trường Dại học khối KI thuật công nghiệp Bộ Giáo dục Dào tạo ban hành nầm 1990 Giáo. .. Ván Đào chủ biên Các tác giả chân thành cảm ơn Bộ môn KI thuật điện trường ĐH GTVT ; Bộ môn Thiết bị điện - điện tử trường ĐHBK Hà Nội, GS TS Nguyễn Mạnh Duy chủ nhiệin môn Thiết bị điện - điện