Bài giảng Cơ sở kĩ thuật điện

1. Mạch điện, kết cấu và các đại lượng đặc trưng 1.1 Định nghĩa mạch điện: Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện nối với nhau bằng các dây dẫn (phần tử dẫn) tạo thành những vòng kín trong đó dòng điện có thể chạy qua. Mạch điện thường gồm các loại phần tử sau: nguồn điện, phụ tải (tải), dây dẫn.

ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG MÔN CƠ SỞ KĨ THUẬT ĐIỆN CHƯƠNG MẠCH ĐIỆN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỆN Mạch điện, kết cấu đại lượng đặc trưng 1.1 Định nghĩa mạch điện: Mạch điện tập hợp thiết bị điện nối với dây dẫn (phần tử dẫn) tạo thành vịng kín dịng điện chạy qua Mạch điện thường gồm loại phần tử sau: nguồn điện, phụ tải (tải), dây dẫn Hình 1.1: Mơ hình mạch điện Nguồn điện: Nguồn điện thiết bị phát điện Về nguyên lý, nguồn điện thiết bị biến đổi dạng lượng năng, hóa năng, nhiệt thành điện Hình 1.2: Các nguồn điện Tải: Tải thiết bị tiêu thụ điện biến đổi điện thành dạng lượng khác năng, nhiệt năng, quang v…v (hình 1.1.c) Hình 1.3: Các tải tiêu thụ điện Dây dẫn: Dây dẫn làm kim loại (đồng, nhôm ) dùng để truyền tải điện từ nguồn đến tải Giáo viên: Đỗ Thị Hiền ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG MƠN CƠ SỞ KĨ THUẬT ĐIỆN Hình 1.4: Các phần tử mạch điện Ngồi ra, cịn có thiết bị phụ trợ khác thiết bị đóng cắt (cầu dao, máy cắt điện), dụng cụ đo lường (ampe kế, vơn kế …), thiết bị bảo vệ (cầu chì), tự động 1.2 Các yếu tố hình học mạch điện: Kết cấu mạch điện có: nhánh, nút, vịng, mắt lưới a Nhánh: Nhánh đoạn mạch gồm phần tử ghép nối tiếp nhau, có dòng điện chạy từ đầu đến đầu b Nút: Nút điểMm gặp từ ba nhánh trở lên c Vòng: Vòng lối khép kín qua nhánh d Mắt lưới : vịng Mà bên khơng có vịng khác Ví dụ 1: xác định số nút, nhánh, vòng mạch sau: R1 R1 R2 R2 R4 R3 Hình 1.5: Hình ví dụ 1.3 Các thơng số trạng thái trình lượngtrong nhánh Để đặc trưng cho trình lượng cho nhánh phần tử mạch điện ta dùng hai đại lượng: dòng điện i điện áp u, công suất nhánh (p = u.i) a Dòng điện Dòng điện i trị số tốc độ biến thiên lượng điện tích q qua tiết diện ngang vật dẫn: i = dq/dt Hình 1.6: Chiều dịng điện Chiều dịng điện quy ước chiều chuyển động điện tích dương điện trường Đơn vị dòng điện Ampe (A) Bội số Ampe mA b Điện áp Tại điểm mạch điện có điện Hiệu điện (hiệu thế) hai điểm gọi điện áp Điện áp hai điểm A B: uAB = uA- uB Chiều điện áp quy ước chiều từ điểm có điện cao đến điểm có điện thấp Đơn vị điện áp vôn(V) Bội số vơn: V, KV c Chiều dương dịng điện điện áp: Giáo viên: Đỗ Thị Hiền ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG MÔN CƠ SỞ KĨ THUẬT ĐIỆN Cho mạch điện chiều hình vẽ Hình 1.7: Chiều điện áp dòng điện Khi giải mạch điện, ta tùy ý vẽ chiều dòng điện điện áp nhánh gọi chiều dương Kết tính tốn có trị số dương, chiều dịng điện (điện áp) nhánh trùng với chiều vẽ, ngược lại, dịng điện (điện áp) có trị số âm, chiều chúng ngược với chiều vẽ d Công suất Trong mạch điện, nhánh, phần tử nhận lượng phát lượng p = u.i > nhánh nhận lượng p = u.i < nhánh phát nănglượng Đơn vị đo công suất W (Oát) KW, MW Công suất nguồn sức điện động: P=I.E Mơ hình mạch điện 2.1 Mơ hình mạch điện Mạch điện thực bao gồm nhiều thiết bị điện có thực Khi nghiên cứu tính tốn Mạch điện thực, ta phải thay mạch điện thực mơ hình mạch điện Mơ hình mạch điện gồm thông số sau: nguồn điện áp u(t) e(t), nguồn dòng điện P(t), điện trở R, điện cảm L, điện dung C, hỗ cảm M 2.2 Các thông số đặc trưng 2.2.1 Các thông số đặc trưng cho tượng nguồn a Nguồn điện áp Nguồn điện áp đặc trưng cho khả tạo nên trì điện áp hai cực nguồn Hình 1.8: Chiều điện áp sức điện động Nguồn điện áp biểu diễn sức điện động e(t) Chiều e (t) từ điểm điện thấp đến điểm điện cao Chiều điện áp theo quy ước từ điểm có điện cao đến điểm điện thấp: u(t) = - e(t) Về trị số độ lớn: u(t) = e(t) b Nguồn dòng điện J(t) Giáo viên: Đỗ Thị Hiền ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG MÔN CƠ SỞ KĨ THUẬT ĐIỆN Nguồn dòng điện J(t) đặc trưng cho khả nguồn điện tạo nên trì dịng điện cung cấp cho mạch ngồi Nguồn dịng điện ký hiệu sau: Hình 1.9: Kí hiệu nguồn dịng 2.2.2 Các thơng số đặc trưng cho tượng tiêu tán 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 : uR =R.i Đơn vị điện trở Ω (ôm) Điện dẫn G: G = 1/R Đơn vị điện dẫn Simen (S = 1/Ω) • Một số thơng số đặc trưng cho tượng tiêu tán lượng Công suất điện trở tiêu thụ: p = uR.i = Ri Điện tiêu thụ điện trở khoảng thời gian t : Khi i = const ta có A = R i t Đơn vị A (Wh), bội số (kWh) 2.2.3 Các thông số đặc trưng cho tượng tích phóng lượng từ trường: (điện cảm L) Hình 1.10: Kí hiệu cuộn cảm L Khi có dịng điện i chạy cuộn dây có W vịng sinh từ thơng Móc vịng với cuộn dây Nếu dịng điện i biến thiên từ thơng biến thiên theo định luật cảm ứng điện từ cuộn dây xuất sức điện động tự cảm: Các thơng số: Điện cảm cuộn dây: L Trong đó: W: Số vịng dây φ : Từ thơng I : Dòng điện cuộn dây Đơn vị điện cảm là: H (Henzy) Các bội số Henzy … Giáo viên: Đỗ Thị Hiền ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG MÔN CƠ SỞ KĨ THUẬT ĐIỆN Điện áp cuộn dây: Cơng suất cuộn dây: Năng lượng từ trường tích lũy cuộn dây: Kết luận: Điện cảm L đặc trưng cho tượng tích lũy lượng từ trường cuộn dây 2.2.4 Các thông số đặc trưng cho tượng tích phóng lượng điện trường (Điện dung C) Hình 1.10: Kí hiệu tụ điện Khi đặt điện áp uc hai đầu tụ điện có điện tích q tích lũy tụ điện: Nếu uC biến thiên có dịng điện chuyển dịch qua tụ điện Các thơng số: Nếu tụ điện có điện áp ban đầu UC(0) Công suất P = uC.i Năng lượng: Kết luận: Điện dung C đặc trưng cho tượng tích lũy lượng điện trường tụ điện Đơn vị điện dung Fara (F) Các bội số Fara (F) là: mF, µF, nF, pF Các định luật mạch điện 3.1 Định luật ôm a Nhánh trở Cường độ dòng điện chạy qua đoạn mạch có có điện trở R: - tỉ lệ thuận với hiệu điện hai đầu đoạn mạch - tỉ lệ nghịch với điện trở I= U R Giáo viên: Đỗ Thị Hiền I A R U B ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG MÔN CƠ SỞ KĨ THUẬT ĐIỆN Nếu có R I, hiệu điện tính sau: U = VA - VB = I.R I.R: gọi độ giảm (độ sụt hay sụt áp) điện trở Công thức định luật ôm cho phép tính điện trở: Ví dụ 3.1: Khi đặt điện áp U = 24V vào đoạn mạch, thấy có dịng điện I = 6A qua Tính điện trở đoạn mạch Giải: Điện trở đoạn mạch, ta có: r = U 24 = = 4Ω I b Định luật ơm cho tồn mạch (Nhánh có sức điện động E điện trở R) Giả sử có mạch điện khơng phân nhánh hình 1.11 U0 - nguồn có sức điện động E, điện trở R0 - cung cấp cho tải có điện trở R R0 - qua đường dây có điện trở Rd I - dòng điện mạch I Rd Áp dụng định luật Ohm cho đoạn mạch ta có Điện áp tải: U = I R Điện áp đường dây: U d = I Rd Điện áp điện trở nguồn: U = I R0 E R Ud U Hình 1.11: Mơ hình mạch khép kín E = U + U d + U = I ( R0 + R d + R ) = I RΣ Ở đây: RΣ = R0 + Rd + R : tổng trở toàn mạch E E I= = Từ đó: RΣ R0 + Rn Trong : Rn = Rd + R : điện trở mạch ngồi Kết luận: “Dịng điện mạch tỷ lệ với sức điện động nguồn tỷ lệ nghịch với điện trở tương đương tồn mạch” Ví dụ 3.2 Mạch điện có E = 231V, R = 0,1Ω, R = 22Ω, Rd = 1Ω Hãy xác định dòng điện mạch, điện áp đặt vào tải điện áp hai cực nguồn Giải: Áp dụng định luật Ohm cho tồn mạch để tính dịng điện: I= E E 231 = = = 10 A RΣ R0 + Rd + R 0,1 + 22 + U0 Điện áp đặt vào tải: U = I R = 10.22 = 220 V Điện áp rơi đường dây: U d = I Rd = 10.1 = 10 V Điện áp rơi điện trở nguồn: U = I R0 = 10.0,1 = 1V R0 Rd Ud R U Hình 1.12: Hình ví dụ 3.2 3.2 Các định luật Kiecshop a Định luật Kiecshop Định luật phát biểu quan hệ dòng điện nút Giáo viên: Đỗ Thị Hiền E I ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG MÔN CƠ SỞ KĨ THUẬT ĐIỆN Phát biểu: Tổng đại số dịng điện nút khơng, quy ước dịng điện tới nút lấy dấu dương, dòng điện rời khỏi nút lấy dấu âm Định luật kiecshop cho nút bên: Hình 1.13: Dịng điện nút i1 + i2 – i3 – i4 = b Định luật Kiecshop 2: Định luật cho quan hệ E, I, U vịng khép kín: Phát biểu: Đi theo vịng khép kín tổng đại số sức điện động tổng đại số điện áp rơi điện trở mạch vòng ∑U = ∑ R I = ∑ E Quy ước dấu: Các sức điện động, dòng điện có chiều trùng với chiều mạch vịng lấy dấu dương, ngược lại lấy dấu âm Ví dụ 3.3: Đối với vịng kín hình, áp dụng định luật Kiếchốp 2: Hình 1.14: Hình ví dụ 3.3 3.3 Các thơng số mạch mắc nối tiếp song n song Ii = a Điện trở mắc nối tiếp: i =1 Điện trở tương đương tính bởi: ∑ R1 R2 R3 Rn Hình 1.15: Điện trở mắc nối tiếp Rm = Rl + R2+ R3+ … + Rn Im = Il = I2 = I3 =… = In Um = Ul + U2+ U3+… + Un Um Rm Giáo viên: Đỗ Thị Hiền Im = ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG MƠN CƠ SỞ KĨ THUẬT ĐIỆN Ví dụ 3.4: Cần bóng đèn 24V-12W đấu nối tiếp đặt vàp điện áp U = 120V Tính điện trở tương đương dòng điện qua mạch Giải: Với bóng đèn 24V khơng thể đấu trực tiếp vào mạch điện áp 120V mà phải đấu nối tiếp nhiều bóng đèn có điện áp 24V Và phải đảm bảo khơng vượt q điện áp mạng Các bóng đèn giống nên đấu nối tiếp, điện áp đặt vào bóng Ở đây, ta cần số bóng đèn là: n≥ 120 =5 24 Lấy n = bóng: Điện trở bóng là: U2 P =U I = R U dm 24 ⇒ R= = = 48 ( Ω ) Pdm 12 Điện trở tương đương toàn mạch: Rtd = n R = 5.48 = 240 ( Ω ) Dòng điện mạch: I= U 120 = = 0,5 Rtd 240 ( A) b Điện trở mắc song song: Điện trở tương đương tính bởi: 1 1 = + + + ×××+ Rm R1 R2 R3 Rn R1 R2 R3 Im = Il + I2 + … + In Um = U l = U = U = … = Un Im = Um Rm Rn Hình1.16: Điện trở mắc song song c Mắc điện trở hỗn hợp: Mắc hỗn hợp có nghĩa mạch điện có nhánh mắc nối tiếp, có nhánh mắc song song mà thực tế ta hay gặp Như sơ đồ đây: Hình 1.17: Đấu điện trở hỗn hợp Điện trở song song đưa điện trở tương đương: R + R2 R1 R2 1 = + = ⇒ Rtd = Rtd R1 R2 R1 R2 R1 + R2 Mạch hỗn hợp viết lại: R1 R + R3 Rtđ nối tiếp R3 ⇒ RTM = Rtd + R3 = R1 + R Giáo viên: Đỗ Thị Hiền ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG MÔN CƠ SỞ KĨ THUẬT ĐIỆN Như vậy, sơ đồ mắc hỗn hợp đây, ta lập cơng thức tính R Nếu R1 = R2 = R3 = = Rn = R R = n n d Đấu nối tiếp nguồn điện Đấu nối tiếp cách đấu cực âm phần tử thứ với cực dương phần tử thứ hai, cực âm phần tử thứ hai đấu với cực dương phần tử thứ ba …Cực dương phần tử thứ cực âm phần tử cuối hai cực nguồn Hình 1.18 : Đấu nối tiếp nguồn Gọi s.đ.đ phần tử E0; S.đ.đ chung bộ: E = n E0 Từ đó, biết U điện áp yêu cầu tải xác định số phần tử nối tiếp: n ≥ U E0 Gọi r f t điện trở phần tử r0 điện trở nguồn, điện trở tương đương n điện trở nối tiếp r0 = n r f t Dòng điện qua nguồn dòng điện qua phần tử nên dung lượng phần tử với dung lượng nguồn e Đấu song song nguồn điện… Đấu song song cách đấu cực dương với nhau, cực âm với nhau, tạo thành hai cực nguồn S.đ.đ nguồn s.đ.đ phần tử: E = E0 Điện trở nguồn điện trở tương đương m điện trở đấu song song: r0 = rf t m Dòng điện tương đương nguồn tổng dòng điện qua phần tử: I = m I f t Từ đó, biết I dòng điện yêu cầu tải, xác định số mạch nhánh cần I đấu song song: m ≥ I f t cp Trong đó: I f t cp dòng điện lớn cho phép phần tử f Đấu nguồn điện hỗn hợp: Đấu hỗn hợp phận gồm m nhánh đấu song song, nhánh gồm n phần tử đấu nối tiếp ngược lại (mỗi đoạn có m phần tử đấu song song) S.đ.đ bộ: E = n E0 Dòng điện bộ: I = m.I f t Điện trở bộ: r0 = n rf t m = n rf t m Giáo viên: Đỗ Thị Hiền ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG MƠN CƠ SỞ KĨ THUẬT ĐIỆN Hình 1.18 : Đấu hỗn hợp nguồn Ví dụ: Xác định số phần tử acquy cần nối thành để cung cấp tải đèn chiếu sáng cố, công suất tải 2,1kW, điện áp tải 120V, biết ăquy có E = V , dịng điện phóng cho phép 6A Giải: Dòng điện tải: I= P 2100 = = 17,5 ( A) U 120 Vì I U tải vượt I f t cp E nên cần thực đấu nhóm Số phần tử nối tiếp nhánh: n≥ U 120 = = 60 → lấy n = 60 E0 Số nhánh đấu song song: m≥ I I f t cp = 17,5 = 2,91 → lấy m = Số phần tử acquy bộ: n m = 60 = 180 BÀI TẬP THỰC HÀNH Bài tập 1: Ba bóng đèn có điện trở R1 = 60Ω ; R2 = 120Ω ; R3 = 150Ω ; đấu song song, đặt vào điện áp U = 120V Tính điện trở tương đương, dịng điện qua bóng mạch Giải: Điện trở tương đương ba bóng: R= R1 R2 R3 60.120 + 120.150 + 150.60 600 = = = 31,6 ( Ω ) R1 R2 + R2 R3 + R3 R1 60.120.150 19 Dòng điện qua bóng: U 120 I1 = = = ( A) R1 60 U 120 I2 = = = ( A) R2 120 U 120 I3 = = = 0,8 ( A) R3 150 Dịng điện qua mạch chính: I = I + I + I = + + 0,8 = 3,8 ( A) Bài tập 2: Cho mạch điện hình vẽ với số liệu sau: R = R2 = R3 = 30Ω ; R4 = 15Ω ; I1 = 0,5A a) Tính điện trở điểm A B b) Tính cường độ dịng điện qua điện trở Giáo viên: Đỗ Thị Hiền 10 ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG MƠN CƠ SỞ KĨ THUẬT ĐIỆN Hình 1.45: Bài tập Hướng dẫn giải Ap dụng phương pháp dòng mắt lưới: Ia = 12 A, Ic = A, Id = 6I1 = 6(-12-Ib) Ib(10+40+20) + Ia10 +Ic2 +40Id = Ib = -16 A I1 = A Bài tập Cho mạch điện hình 1.46 Tìm điện áp V1 ,V2 ,V3 ? Hình 1.46: Bài tập Hướng dẫn giải Ap dụng phương pháp nút ta có: Va = 20 V Vb = - 4V Va = V3 = 20 V Vb = V2 = - 4V V1 = Va – Vb = 20 – (-4) = 24 V Giáo viên: Đỗ Thị Hiền 35 ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG MÔN CƠ SỞ KĨ THUẬT ĐIỆN Kiểm tra : 01 R1 R2 Câu (3 điểm): Cho mạch điện hình vẽ, em tính điện trở tương đương mạch R4 R3 I1 Câu (4 điểm): Cho mạch điện hình vẽ biết R1 = 1Ω, R2 = 3Ω , R3 = 2Ω, E1 = 7V, E2 = 3V, E2 = 5V em tính dịng điện nhánh (tính I1, I2, I3) R1 E1 u = 20 sinωt Em tính UR, UL, UC, tính cơng suất P, Q, S mạch Giáo viên: Đỗ Thị Hiền 36 R2 20 R3 E2 E3 R Câu (4điểm): Cho mạch điện xoay chiều RLC nối tiếp hình vẽ biết R = 1Ω, XL = 3Ω , XC = 2Ω, I3 I2 XL XC ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG MÔN CƠ SỞ KĨ THUẬT ĐIỆN CHƯƠNG 2: MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỂU PHA Hệ thống mạch điện ba pha 1.1 Định nghĩa Hệ thống mạch điện pha tâp hợp ba mạch điện pha nối với tạo thành hệ thống lượng điện từ chung, đó, sức điện động mạch có dạng hình sin, có tần số lệch pha 120 Mỗi mạch điện thành phần hệ ba pha gọi pha 1.2 Cách tạo dòng ba pha Hệ thống điện ba pha đuợc tạo từ máy phát điện đồng ba pha, hoạt động dựa nguyên lý cảm ứng điện từ 1.2.1 Cấu tạo máy phát điện ba pha Cấu tạo máy phát điện gồm phần: - Phần tĩnh (Stator): gồm rãnh, rãnh có đặt dây quấn AX, BY, CZ Các dây quấn pha có số vòng dây lệch pha 120 - Phần quay (Rotor): nam châm điện gồm hai cực N – S 1.2.2 Nguyên lý làm việc máy phát điện ba pha Khi rotor quay, từ thông rotor cắt qua Hình 2.1: Mặt cắt máy phát điện cuộn dây pha, cảm ứng vào dây quấn stator sức điện động hình sin có biên độ, tần số, lệch pha 120 Do cuộn dây có cấu tạo giống nên biên độ sức điện động cuộn dây Ký hiệu sức điện động pha là: e A , e B , eC coi góc pha ban đầu ϕ A = , ta có: e = E sin ω t = E sin ω t ⇒ E A = E ∠0 A m ( ) ( ( ) ( e B = E m sin ω t − 120 = E sin ω t − 120 ⇒ E B = E ∠120 ) eC = E m sin ω t − 240 = E sin ω t − 240 ⇒ E C = E ∠240 1.3 Biểu thức, đồ thị dòng điện ba pha 1.3.1 Biểu thức Sức điện động pha A: Sức điện động pha B: Sức điện động pha C: Giáo viên: Đỗ Thị Hiền 37 sinωt ) ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG MÔN CƠ SỞ KĨ THUẬT ĐIỆN 1.3.2 Đồ thị Đồ thị hình sin đồ thị vec tơ mạch điện ba pha Hình 2.2: Đồ thị hình sin vecto mạch điện ba pha 1.3.3 Ý nghĩa Để truyền dẫn lượng điện đến phụ tải, ta cần dùng ba dây bốn dây Do đó, tiết kiệm lượng vật liệu Ngoài ra, hệ ba pha dễ dàng tạo từ trường quay nên làm cho việc chế tạo động điện đơn giản kinh tế Dòng điện xoay chiều ba pha sử dụng rộng rãi ngành sản xuất cơng nghiệp Động điện ba pha có cấu tạo đơn giản đặc tính tốt động điện pha Cách nối mạch điện ba pha 2.1 Cách nối mạch điện ba pha hình (Y) 2.1.1 Các định nghĩa Mỗi pha nguồn tải có điểm đầu điểm cuối Ta thường ký hiệu điểm đầu pha A, B, C, điểm cuối pha X, Y, Z Để nối hình người ta nối điểm cuối pha lại với tạo thành điểm trung tính Đối với nguồn, điểm cuối X, Y, Z cuộn dây máy phát điện nối lại với tạo thành điểm trung tính O Đối với tải, điểm cuối X’, Y’, Z’ nối lại với tạo thành điểm trung tính O’ Ba dây nối điểm đầu nguồn tải AA’, BB’, CC’ gọi dây pha Dây dẫn nối điểm trung tính OO’ gọi dây trung tính Để nối hình tam giác người ta nối đầu pha với cuối pha kia, ví dụ A nối với Z, B nối với X, C nối với Y 2.1.2 Cách nối mạch Để nối hình người ta nối điểm cuối pha lại với tạo thành điểm trung tính Đối với nguồn, điểm cuối X, Y, Z cuộn dây máy phát điện nối lại với tạo thành điểm trung tính O Đối với tải, điểm cuối X’, Y’, Z’ nối lại với tạo thành điểm trung tính O’ Ba dây nối điểm đầu nguồn tải AA’, BB’, CC’ gọi dây pha Dây dẫn nối điểm trung tính OO’ gọi dây trung tính Dây dẫn nối với điểm đầu A, B, C gọi dây pha Dây dẫn nối với điểm gọi dây trung tính hay dây trung hồ Nếu mạch có ba dây pha A, B, C gọi mạch ba pha ba dây Cịn có dây trung hồ A, B, C, O gọi mạch ba pha bốn Giáo viên: Đỗ Thị Hiền 38 ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG MƠN CƠ SỞ KĨ THUẬT ĐIỆN Dịng điện cuộn dây pha gọi dòng điện pha: IP Dòng điện dây pha gọi dòng điện dây: Id Dòng điện dây trung tính ký hiệu là: I0 Điện áp hai đầu cuộn dây pha gọi điện áp pha: UP Điện áp hai dây pha gọi điện áp dây: Ud Hình 2.3: Sơ đồ đấu dây hình a) Sơ đồ đấu dây ; b) Đồ thị vectơ 2.1.3 Quan hệ đại lượng a Quan hệ dòng điện dây dòng điện pha IA A A' Up U'p Ud O Z O' B C IO C' Z Z B' IB IC Hình 2.4 : Sơ đồ đấu hình Dịng điện pha Ip dịng điện chạy pha nguồn (hoặc tải) Dòng điện dây Id dòng chạy dây pha nối nguồn tải Từ hình 2.4 ta thấy dịng điện dây Id có giá trị dịng điện chạy pha Ip Id = Ip (4.3) b Quan hệ điện áp dây điện áp pha Điện áp pha Up điện áp điểm đầu điểm cuối pha (hoặc dây pha dây trung tính) Điện áp dây Ud điện áp dây pha : • • • • • • • • • U AB = U A − U B U BC = U B − U C (4.4) U CA = U C − U A Để vẽ đồ thị vectơ điện áp dây, trước hết ta vẽ đồ thị vectơ điện áp pha U A, UB, UC , sau dựa vào cơng thức (4.4) ta dựng đồ thị vectơ điện áp dây hình 4.4 b, hình 2.5 Ta có : Giáo viên: Đỗ Thị Hiền 39 ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG MÔN CƠ SỞ KĨ THUẬT ĐIỆN Hình 2.6: Đồ thị vectơ mạch điện đấu Về trị số, điện áp dây Ud lớn điện áp pha Up lần Thật vậy, xét tam giác OAB từ đồ thị hình 4.4 b ta có : AB = 2AH=2OAcos30o = 2OA = 3OA (4.5) ⇒ U d = 3U P Dễ thấy rằng, điện áp pha đối xứng, điện áp dây đối xứng - Về pha, điện áp dây UAB, UBC, UCA lệch pha góc 120o vượt trước điện áp pha tương ứng góc 300 Khi tải đối xứng, dịng điện qua dây trung tính khơng : • • • • (4.6) Io = I A+ IB + IC = Trong trường hợp khơng cần dây trung tính, ta có mạch ba pha ba dây Ví dụ, động điện ba pha tải đối xứng, cần đưa ba dây pha nối đến động Thông thường thực tế, tải ba pha không cần bằng, dịng điện qua dây trung tính khác khơng, bắt buộc phải có dây trung tính Ví dụ 2.1: Một nguồn điện áp ba pha đối xứng hình sao, điện áp pha nguồn U pn = 220V Nguồn cung cấp điện cho tải R ba pha đối xứng Biết dòng điện chạy dây I d =10A Tính điện áp Ud, điện áp pha tải, dòng điện pha tải nguồn, vẽ đồ thị vectơ Giải: Nguồn nối hình sao, áp dụng công thức (4.5) điện áp dây : U d = 3U f = 3.220 = 380V Tải nối hình sao, biết U d = 380V, theo công thức (4.5) ta có điện áp tải : Uf = Ud = 380 = 220V Hình 2.7: Mạch điện đồ thị vectơ ví dụ 2.1 Giáo viên: Đỗ Thị Hiền 40 ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG MÔN CƠ SỞ KĨ THUẬT ĐIỆN Nguồn nối sao, tải nối nên ta có : Dịng điện pha nguồn Ipn = Id = 10A Dòng điện pha tải: Ipt = Id = 10A Vì tải trở nên điện pha tải trùng pha với dòng điện pha tải 2.2 Cách nối mạch ba pha hình tam giác (∆) 2.2.1 Cách nối mạch Để nối hình tam giác người ta nối đầu pha với cuối pha kia, ví dụ A nối với Z, B nối với X, C nối với Y (hình 4.7) Hình 2.8: Mạch điện ba pha nối tam giác 2.2.2 Quan hệ đại lượng Chú ý: Khi giải mạch điện nối tam giác ta thường quen quy ước: Chiều dương dòng điện pha IP nguồn ngược chiều chiều quay kim đồng hồ a) Quan hệ điện áp dây điện áp pha Từ hình vẽ ta thấy nối tam giác điện áp hai dây điện áp pha : Ud = UP (4.7) b) Quan hệ dòng điện dây Id dòng điện pha Ip Áp dụng định luật Kirchhoff cho nút, ta có : • • • Tại nút A: I A = I AB − I CA • • • Tại nút B: I B = I BC − I AB • • • Tại nút C: I C = I CA − I BC Đồ thị vectơ dòng điện dây IA, IB, IC dòng điện pha IAB, IBC, ICA vẽ hình 4.7b: Ta có : - Về trị số, dòng điện dây lớn gấp lần dòng điện pha Thật vậy, xét tam giác OEF từ đồ thị hình 4.6b ta có : EF = 2OEcos300 = 2OE = 3OE Từ đó: I d = 3I p (4.8) Ví dụ 2.2: Một mạch điện ba pha, nguồn điện nối sao, tải nối tam giác Biết điện áp pha nguồn Upn = 2kV, dòng điện pha nguồn Ipn = 20A a) Hãy vẽ sơ đồ nối dây mạch ba pha sơ đồ ghi rõ đại lượng pha dây b) Hãy xác định dòng điện điện áp pha tải Ipt, Upt Giải: a) Sơ đồ đấu dây cho hình 4.8 Giáo viên: Đỗ Thị Hiền 41 ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG MƠN CƠ SỞ KĨ THUẬT ĐIỆN Hình 4.8: Sơ đồ đấu dây mạch điện ví dụ 2.2 b) Vì nguồn nối hình sao, nên dịng điện dây dòng điện pha Id = Ipn = 20A Điện áp dây lần điện áp pha nguồn : U d = 3U pn = 3.2 = 3, 646kV Vì tải nối hình tam giác, nên điện áp pha tải Upt điện áp dây : Upt = Ud = 3,464kV Dòng điện pha tải nhở dòng điện nhỏ dòng điện dây lần I pt = Id = 20 = 11,547A Ví dụ 2.3: Một mạch điện ba pha, tải nối hình sao, nguồn nối hình tam giác Nguồn tải đối xứng Biết dòng điện pha tải Ipt = 50A, điện áp pha tải Upt=220V a, vẽ sơ đồ nối dây mạch ba pha b, Tính dịng điện pha, điện áp pha nguồn Ipt, Upn Giải: a, vẽ sơ đồ nối dây Id A Ipn C Ipn Ipn Ipt Upn B Id Id C Ipt Hình 2.9: Sơ đồ đấu dây mạch điện ví dụ 2.3 b, Do tải nối hình sao, nên dịng điện dây dịng điện pha Id = Ipt = 50 (A) Điện áp dây lần điện áp pha tải : Vì nguồn đấu đối xứng tam giác: Giáo viên: Đỗ Thị Hiền 42 A Ipt B ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG MÔN CƠ SỞ KĨ THUẬT ĐIỆN Công suất mạch ba pha 3.1 Mạch pha không đối xứng Khi tải ba pha khơng đối xứng ZA ≠ ZB ≠ ZC dịng điện pha khơng đối xứng mạch ba pha mạch phức tạp gồm nhiều nguồn s.đ.đ Đối với mạch ba pha không đối xứng, hệ thống điện ba pha tập hợp ba mạch điện pha, nên công suất chung hệ thống tổng cơng suất pha 3.1.1 Cách tính công suất mạch ba pha không đối xứng Công suất tác dụng pha: PA = UA.I A cosϕA PB = UB.I B cosϕB PC = UC.I C cosϕC Trong đó: UA, UB, UC điện áp pha IA, IB, IC dòng điện pha ϕA, ϕB, ϕC góc lệch pha dịng điện điện áp pha Công suất tác dụng ba pha P3pha = P A + PB + PC P3pha = UA.I A cosϕA + UB.I B cosϕB + UC.I C cosϕC Công suất phản kháng ba pha Q3pha = Q A + QB + QC Q3pha = UA.I A sinϕA + UB.I B sinϕB + UC.I C.sinϕC Cơng suất biểu kiến ba pha: 3.1.2 Ví dụ áp dụng Một mạch điện pha có dây trung tính 380V/220V cung cấp điện cho 90 bóng đèn sợi đốt, số hiệu định mức đèn U đm = 220V, Pđm= 60W Số bóng đèn phân cho pha A, Vẽ sơ đồ mạch điện pha B, Tính IA, IB, IC, I0, P tất bóng đèn bật sáng C, Tính IA, IB, IC, P pha A có 10 đèn bật sáng, pha B có 20 đèn bật sáng, pha C cắt điện Giải: a, Vẽ sơ đồ mạch điện Mạch điện pha 380V/220V mạch ba pha dây dây pha dây trung tính 380V điện áp dây (giữa dây pha) 220V điện áp pha (giữa dây pha dây trung tính) Bóng đèn 220V mắc song song với dây pha dây trung tính, điện áp đặt lên đèn Uđm = 220V, đèn làm việc định mức Sơ đồ sau: Giáo viên: Đỗ Thị Hiền 43 A ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG MÔN CƠ SỞ KĨ THUẬT ĐIỆN B 380V/220V C O IA IB IC IO ……… 30 đèn ……… 30 đèn ……… 30 đèn b, Vì điện áp đặt lên bóng đèn định mức cơng suất 60W, Tất bóng đèn bật sáng mạch ba pha đối xứng công suất điện pha nhau: PA= PB=PC= Pp = 30.60= 1800W Công suất ba pha: P=3Pp~ 3.1800 = 5400W Tải bóng đèn, điện trở R, góc lệch pha nên dòng điện pha là: c, Khi pha c cắt điện, I c=0, pha khác bình thường, điện áp đèn định mức, ta có: P= PA+ PB = 10.60 +20.60 = 1800W 3.2 Mạch pha đối xứng Mạch điện pha đối xứng có dịng điện pha có trị số độ lớn lệch pha 1200 Khi giải mạch điện pha đối xứng ta tách pha riêng rẽ để tính 3.2.1 Cách tính cơng suất mạch ba pha đối xứng Công suất tác dụng P P3pha = 3.P1pha = 3.UP.IP cosϕ = Ud Id cosϕ = Rp.I2p Trong ϕ góc lệch pha điện áp pha dòng điện pha tương ứng : cosϕ = Rp R + X p2 p Giáo viên: Đỗ Thị Hiền 44 ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG MÔN CƠ SỞ KĨ THUẬT ĐIỆN Trong Rp điện trở pha Nếu thay đại lượng pha đại lượng dây : + Nếu mạch pha đấu Y : Ud I p = Id ; U p = + Nếu mạch pha đấu tam giác ∆ : Id U p = Ud ; I p = Công suất phản kháng Q Ud Id sinϕ = 3XpIp2 Q =3UpIpsinϕ = Trong Xp điện kháng pha Công suất biểu kiến S = P + Q = 3U p I p = 3U d I d 3.2.2 Ví dụ áp dụng Một tải pha có điện trở pha Rp = 20Ω, điện kháng pha Xp =15Ω, nối hình tam giác đấu vào lưới điện pha có điện áp dây Ud = 220V (hình 4.9a) Tính dịng điện pha Ip, dịng điện dây Id, công suất tải tiêu thụ vẽ đồ thị vectơ điện áp dây dòng điện pha phụ tải Giải: Theo sơ đồ đấu dây (hình 4.9) tải nối tam giác, điện áp pha tải là: Ud = Up = 220 V Tổng trở pha tải: Z p = R p2 + X p2 = 202 + 152 = 25Ω Dòng điện pha tải: Ip = Up Zp 220 = 8,8A 25 = Hình 2.10: Sơ đồ mạch điện ví dụ Dịng điện dây tải: Id = Ip = 8,8 = 15,24A Công suất tiêu thụ: P = 3RpIp2 = 3.20.8,82 = 4646,4W Q = 3Xp Ip2 = 3.15.8,82 = 3484,24Var S = UdId = 220.15,24 = 5870,21VA Hệ số công suất: cosϕ = Rp Zp = 20 = 0,8 ⇒ ϕ = 36,87 o 25 Dòng điện chậm pha điện áp góc ϕ = 36,87o Đồ thị vectơ dòng điện điện áp pha vẽ hình 4.9b Giáo viên: Đỗ Thị Hiền 45 ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG MÔN CƠ SỞ KĨ THUẬT ĐIỆN BÀI TẬP THỰC HÀNH CHƯƠNG Bài tập 1: Một tải pha cuộn dây đấu vào lưới điện pha có điện áp dây 380 V Cuộn dây có điện trở R = 2Ω, điện kháng X = 8Ω thiết kế làm việc điện áp định mức 220V 1) Xác định cách nối cuộn dây thành tải pha 2) Tính cơng suất P, Q cosϕ tải Hình 4.10: Sơ đồ mạch điện ví dụ 4.b Giải: a) Các cuộn dây phải nối hình (hình 4.10a), đấu vào lưới điện pha điện áp pha đặt lên cuộn dây điện áp định mức : U p 380 Up = = = 220V 3 Nếu tải nối tam giác, điện áp pha đặt lên cuộn dây (hình 4.10b) : Up = Ud = 380 V Giá trị điện áp 380V lớn điện áp định mức cuộn dây, nên cuộn dây bị hỏng b) Tổng trở pha tải : Z p = R p2 + X p2 = 22 + 82 = 8, 24Ω Hệ số công suất : cosϕ = sin ϕ = Rp = = 0, 242 8, 24 = = 0,97 8, 24 Zp Xp Zp Dòng điện pha tải : Ip = Up Zp = 220 = 26, 7A 8, 24 Dòng điện dây : Giáo viên: Đỗ Thị Hiền 46 ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG MÔN CƠ SỞ KĨ THUẬT ĐIỆN Id = Ip = 26,7A Công suất tác dụng tải : P = 3U d I d cosϕ = 3.380.26, 7.0.242W Công suất phản kháng tải : Q = 3U d I d sin ϕ = 3.380.26,7.0,97 = 17045, 7VAr Công suất biểu kiến : S = 3U d I d = 3.380.26,7 = 17572,8VA Bài tập 2: Tải ba pha đối xứng, trở kháng pha R = 8Ω ; X = 6Ω , đấu hình sao, mắc vào nguồn điện áp ba pha đối xứng có U d = 220V Xác định dòng điện pha, hệ số công suất công suất tác dụng ba pha Giải: Tổng trở pha: Z = R + X = + = 10 Ω Điện áp pha đặt vào tải: U 220 Up = d = = 127 V 3 Dòng điện pha: I p 127 I p = Id = = = 12,7 A Z 10 Hệ số công suất: R cos ϕ = = = 0,8 Z 10 Công suất tác dụng ba pha: P = 3.U d I d cos ϕ = 3.220.12,7.0,8 = 3880 W Bài tập 3: Phụ tải ba pha gồm ba cuộn dây giống có R = Ω , X = Ω , nối hình tam giác, đặt vào điện áp ba pha đối xứng có U d = 220V Tính dịng điện pha, dịng điện dây, hệ số công suất công suất tác dụng ba pha Giải: Tổng trở pha: Z = R + X = + = 10 ( Ω ) Phụ tải đấu tam giác: U d = U p = 220 (V ) Dòng điện pha: U p 220 Ip = = = 22 ( A) Zp 10 Dòng điện dây: I d = I p = 3.22 = 38 ( A) Hệ số công suất: cos ϕ = R = = 0,8 Z 10 Công suất tác dụng ba pha: Giáo viên: Đỗ Thị Hiền 47 ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG MÔN CƠ SỞ KĨ THUẬT ĐIỆN P = 3.U d I d cos ϕ = 220.38.0,8 = 11640 ( W ) KIỂM TRA CHƯƠNG 2: 01 GIỜ Câu 1( điểm): Cho mạch điện pha, nguồn điện nối hình sao, tải nối hình tam giác Điện áp pha nguồn Upn = 200V, điện trở tải R= 4Ω, X = 3Ω a, Tính điện áp pha tải Ip, Id b, Tính cơng suất tác dụng, cơng suất phản kháng công suất biểu kiến tải pha Giải: Vì nguồn nối hình nên Ud = Upn = Vì tải nối tam giác nên Up = Ud = (V) (V) Dòng điện pha tải: (A) Công suất tác dụng ba pha P3pha = 3.P1pha = Rp.I2p = 3.4 = 57600 W Công suất phản kháng ba pha Q =3UpIpsinϕ = Ud Id sinϕ = 3XpIp2 =3.3 = 43200 Var Công suất biểu kiến S = P + Q = 3U p I p = 3U d I d =3 Câu (5 điểm): cho mạch điện pha tải nơi hình đối xứng đấu vào mạng điện ba pha có điện áp dây 380V, điện trở R = 20Ω, điện kháng XL =15Ω a) Tính dịng điện pha Ip dịng điện dây Id b) Tính công suất tác dụng, công suất phản kháng công suất biếu kiến tải pha Giải: Tổng trở pha tải: Ω) Dòng điện pha tải: Dòng điện dây tải: Giáo viên: Đỗ Thị Hiền 48 ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG MÔN CƠ SỞ KĨ THUẬT ĐIỆN IP = Id = 8,8 (A) Hệ số công suất tải: =0,8 Công suất tải tiêu thụ: P3pha = 3.P1pha = Rp.I2p = 20.8,82 =4646,4 (W) Q =3UpIpsinϕ = Ud Id sinϕ = 3XpIp2 =3.15.8,82 = 3484,8(Var) S = P + Q = 3U p I p = 3U d I d Giáo viên: Đỗ Thị Hiền 49 = 5808(VA) ... Tính điện trở điểm A B b) Tính cường độ dịng điện qua điện trở Giáo viên: Đỗ Thị Hiền 10 ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG MÔN CƠ SỞ KĨ THUẬT ĐIỆN c) Tính điện áp điện trở điện áp hai điểm A C Giải: a) Điện. .. viên: Đỗ Thị Hiền ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG MÔN CƠ SỞ KĨ THUẬT ĐIỆN Cho mạch điện chiều hình vẽ Hình 1.7: Chiều điện áp dịng điện Khi giải mạch điện, ta tùy ý vẽ chiều dòng điện điện áp nhánh gọi chiều... Hiền 38 ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG MƠN CƠ SỞ KĨ THUẬT ĐIỆN Dịng điện cuộn dây pha gọi dòng điện pha: IP Dòng điện dây pha gọi dòng điện dây: Id Dòng điện dây trung tính ký hiệu là: I0 Điện áp hai đầu