Năng lượng điện là nguồn động lực chủ yếu của nền sản xuất hiện đại, nước ta cũng như các nước khác trên thế giới đang không ngừng phát triển ngành kỹ nghệ sản xuất truyền tải, sử dụng[r]
(1)Lý thuyết Mạch điện Nguyễn Thành Nam Lời nói đầu
Nng lng in l ngun động lực chủ yếu sản xuất đại, nước ta nước khác giới không ngừng phát triển ngành kỹ nghệ sản xuất truyền tải, sử dụng điện Sản lượng điện tính theo đầu người tiêu để đánh giá trình độ phát triển kinh tế nước Kỹ thuật điện nghiên cứu ứng dụng tượng điện từ nhằm biến đổi lượng tín hiệu bao gồm việc phát, truyền tải phân phối, sử dụng điện sản xuất đời sống
Ngày điện sử dụng rộng rãi lĩnh vực ưu điểm sau:
- Điện sản xuất tập trung với nguồn công suất lớn - Điện truyền tải xa với hiệu suất cao
- Dễ dàng biến đổi điện thành dạng lượng khác
- Nhờ điện tự động hố q trình sản xuất, nâng cao suất lao động
So với dạng lượng khác cơ, nhiệt, thuỷ, khí điện phát chậm người khơng cảm nhận trực tiếp tượng điện từ Tuy nhiên với việc phát sử dụng điện thúc đẩy cách mạng khoa học công nghệ tiến vũ bão sang kỷ ngun điện khí hố, tự động hố
Việt Nam có tiềm to lớn lượng hậu chiến tranh kéo dài chế quản lý quan liêu bao cấp nên sản xuất lạc hậu Năm 1975 nước sản xuất 1,5 tỷ kWh, năm 2003 đạt tới 41 tỷ kWh với sản lượng điện bình quân 500 kWh / người năm Theo lộ trình phát triển tới năm 2010 đạt 70 tỷ kWh, năm 2020 đạt 170 tỷ kWh Để đáp ứng nhu cầu phụ tải điện đến năm 2015 Việt Nam tiến hành xây dùng 61 nhà máy điện với tổng công suất 21.658 MW, có 32 nhà máy thuỷ điện với tổng công suất 7.975 MW, 17 nhà máy điện tuabin khí với tổng cơng suất 9.783 MW 12 nhà máy nhiệt điện than với tổng công suất 3.900 MW Hệ thống truyền tải điện siêu cao áp 500 kV Bắc- Nam vào vận hành, tuyến 500 kV thứ hai xây dựng Vốn đầu tư trung bình 2,16 tỷ USD năm
(2)Lý thuyết Mạch điện Nguyễn Thành Nam kV, 125 MVA vào sản xuất từ năm 2004 công ty Thiết bị điện Đông Anh Các động điện với công suất tới 1000 kW chế tạo Công ty chế tạo Việt Hung, Công ty chế tạo điện Hà Nội, Thủ Đức
Giáo trình biên soạn dựa sở người học học môn Vật lý bậc phổ thơng, ngồi cịn kiến thức liên quan mơn Giải tích
Nhằm đỏp ứng nhu cầu người học để thuận tiện cho việc học tập sinh viờn hệ cao đẳng nghề học khoa Điện đạt kết cao Giỏo trỡnh Mạch Điện biờn soạn dựa trờn chương trỡnh khung Bộ Giỏo Dục đào tạo, với kinh nghiệm giảng dạy nhiều năm mụn Kỹ thuật điện trường Cao đẳng nghề Nam Định cựng với kế thừa tinh hoa cỏc tỏc giả cú nhiều năm kinh nghiệm biờn soạn chương trỡnh PGS TS Đặng Văn Đào, PGS TS Lờ Văn Doanh gs Hoàng Hữu Thận
Biờn soạn cho lần đầu xuất bản, trỡnh độ hiểu biết cú hạn, kinh nghiệm giảng dạy chưa nhiều, chắn cũn nhiều hạn chế Rất mong gúp ý cỏc thầy cô giỏo, bạn đồng nghiệp cỏc bạn sinh viờn để sỏch ngày tốt
Xin bày tỏ lòng cảm ơn đến thầy cô giáo Khoa Điện - Điện tử Trường CĐ nghề Nam Định đóng góp ý kiến kinh nghiệm, để sách hoàn thnh ỳng thi gian
Tác giả
Ngun Thµnh Nam
(3)
Lý thuyết Mạch điện Nguyễn Thành Nam
Chng
Mạch điện xoay chiều không phân nhánh
Trong sn xut v i sống, dòng điện xoay chiều dùng rộng rãi nó có nhiều ưu điểm so với dịng điện chiều Dòng điện xoay chiều dễ dàng chuyển tải xa, dễ thay đổi điện áp làm việc nhờ máy biến áp Máy phát điện và động điện xoay chiều làm việc tin cậy, vận hành đơn giản, tiêu kinh tế và kỹ thuật cao Ngoài ra, trường hợp cần thiết ta biến đổi nguồn điện xoay chiều thành chiều nhờ thiết bị nắn điện
Dịng điện xoay chiều hình sin ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác điện kỹ thuật Năng lượng điện hầu hết trường hợp sản xuất, phân phối tiêu thụ dạng điện xoay chiều Điều đó giải thích ưu điểm dịng xoay chiều
Bài 1.1: dòng điện xoay chiều- chu kỳ tần số
1 Dòng điện xoay chiều
Dòng điện xoay chiều dòng điện biến đổi chiều trị số theo thời gian Dòng điện xoay chiều thường dòng điện biến đổi tuần hoàn, nghĩa sau khoảng thời gian định, lặp lại q trình biến thiên cũ
2 Chu kỳ tần số dòng điện xoay chiÒu
+ Chu kỳ: Là khoảng thời gian ngắn để dịng điện lặp lại q trình biến thiên cũ Như vậy, chu kỳ khoảng thời gian cần thiết để dòng điện từ giá trị dương ban đầu đó, đổi dấu qua âm, biến thiên, lại đổi dấu thành dương, đạt đến giá trị dương lúc trước
Chu kú kÝ hiƯu lµ: T
đơn vị đơn vị thời gian (s)
+ TÇn sè: số chu kỳ mà dòng điện thực giây Tần số kí hiệu là: f
đơn vị Hec ( Hz )
(4)Lý thuyết Mạch điện Nguyễn Thành Nam
T
f
1
Dòng điện có tần số Hz dòng điện thực chu kỳ giây Tần số lớn dòng điện biến thiên nhanh
Nc ta v nhiều nước giới qui định tần số dịng điện cơng nghiệp 50 Hz
Mỹ số nước Tây- Âu dùng dòng điện cơng nghiệp tần số 60 Hz Dịng điện âm có tần số đến vài kilơhéc Dịng điện dùng kỹ thuật vơ tuyến điện có tần số từ vài chục kilơhéc đến hàng mêgahéc gọi dịng điện cao tn
3 Dòng điện xoay chiều hình sin
Dòng điện xoay chiều biến thiên theo quy luật hình sin theo thời gian gọi dòng điện xoay chiều hình sin
Trờn th ta thấy, thời điểm t dịng điện có trị số tương ứng, ta gọi trị số tức thời dịng điện
trÞ sè tức thời dòng điện kí hiệu : i
dt dq i
dq lượng điện tích qua tiết diện dây thời gan dt thời điểm t, Tương tự ta cú
trị số tức thời điện ¸p lµ : u
o t
i
Im
- Im
Đồ thị dòng điện xoay chiỊu h×nh sin _
+ _ +
_
T t1
(5)Lý thuyết Mạch điện Nguyễn Thành Nam trị số tức thời sức điện động : e
Trên đồ thị ta thấy q trình biến thiên dịng điện đạt giá trị lớn nhất,
gọi trị số cực đại hay biên độ dịng điện kí hiệu Im
Tương tự có:
Biên độ điện áp Um
Biên độ sức điện động Em
Dịng điện xoay chiều hình sin dịng điện xoay chiều đơn giản nhất, nên dùng rộng rãi Từ khơng có giải thích thêm thuật ngữ dòng điện xoay chiều dòng điện xoay chiều hình sin
4 Nguyên lý tạo sức điện động xoay chiều hình sin
a) Cấu tạo: Gồm phần - Phần tĩnh (stato) hay phần cảm
- Phn ng (roto) hay phần ứng
Máy phát điện xoay chiều pha đơn giản gồm phần cảm có đơi cực từ N-S , phần ứng gồm khung dây
Hệ thống cực từ chế tạo cho trị số từ cảm B phân bố mặt cực dọc theo khe hở rô to - stato ( gọi khe hở khơng khí).theo qui luật hình sin nghĩa khung dây vị trí , khe hở , từ cảm vị trí là:
B = Bm sin
là góc mặt phẳng trung tính oo, mặt phẳng khung dây
Bm trị số cực đại từ cảm
b) Nguyên tắc hoạt động
Khi làm việc ro to máy phát điện dược động sơ cấp kéo quay với tốc độ (rad/s) Mỗi cạnh khung dây quay với tốc độ v , cắt vng góc với đường sức từ, bên cạnh xuất s.đ.đ là:
(6)Lý thuyết Mạch điện Nguyễn Thành Nam
Giả sử thời điểm ban đầu ( t = ), khung dây nằm mặt phẳng trung tính oo , thời điểm t, khung dây vị trí:
= t Cường độ từ cảm vị trí là:
B = Bm.sin = Bm sin t Thay vào biểu thức
ed = B.v.l = Bm l.v sin t
Một vòng dây gồm có cạnh tác dụng nên s.đ.đ vòng: eV = 2ed = Bm l.v sin t
NÕu khung d©y cã w vòng s.đ.đ khung dây e = w.eV = w Bm l.v sin t
Đặt: Em = w.2 Bm l.v
Suy ra: e = Em sin t
Nh vËy đầu khung dây ta lấy s.đ.đ biến thiên theo quy luật hình sin
5 Cỏc i lượng đặc trưng
Dòng điện xoay chiều hình sin dòng điện biến thiên điều hòa theo quy luật hàm sin:
i = Im sin ( t + i)
u = Um sin (t + u )
Trong đó: i, u – giá trị tức thời dòng điện điện áp I0, U0 là trị sè cực đại (biên độ) dịng điện điện áp Vµ (t + i ), (t + u) góc pha
t
=t N
S
O O’
o e
Đồ thị sđđ phần ứng Nguyên tắc cấu tạo
MFĐ pha
Em
(7)Lý thuyÕt M¹ch ®iƯn NguyƠn Thµnh Nam (hay gọi tắt pha) dòng điện điện áp, cho phép xác định trị số dòng điện điện áp thời điểm t
i u là pha ban đầu (t = 0) Có giá trị phụ thuộc vào gốc thời gian mà
ta chọn
tần số góc dòng điện hình sin, đơn vị rad/s
Khi lượng hình sin biến thiên hết chu kỳ : t = T, góc pha biến hiên hết góc đầy 3600 hay 2 rad
Vậy : T = 2 Từ :
2
f
2
T
Một lượng hình sin hoàn toàn xác định biết: + Biên độ ( Em, Um, Im )
+ Tốc độ góc , chu kỳ T, tần số f + Góc pha đầu
* Trị số hiệu dụng lượng hình sin
Trị số tức thời đặc trưng cho tác dụng lượng hình sin thời điểm Để đặc trưng cho tác dụng trung bình lượng hình sin chu kỳ mặt lượng, người ta đưa vào khái niệm trị số hiệu dụng
Trị số hiệu dụng dòng điện xoay chiều giá trị tương đương với dòng điện chiều qua điện trở, chu kỳ, chúng tỏa một lượng dạng nhiệt
TrÞ sè hiƯu dơng ký hiệu chữ in hoa: I, U, E
Giả sử xét tác dụng dòng điện i điện trở R Công suất tác dụng tính
Với dịng điện chiều cơng suất tiêu tán điện trở R là:
(8)Lý thuyết Mạch điện Nguyễn Thành Nam
Giá trị I gọi trị hiệu dụng dòng điện xoay chiều Nếu thay i = I0 sin ωt vào ta có:
Tương tự, ta trị số hiệu dụng điện áp sức điện động:
2
m U
U
2
m
E E
Như vậy, viết lại nhö sau:
Trị hiệu dụng thường ghi dụng cụ thiết bị tiêu thụ điện, cho ta biết cấp điện áp sử dụng dịng điện cho phép
Bµi 1.2 Pha lệch pha.
1 Pha, pha đầu
Phần ứng máy phát điện thường có nhiều khung dây đặt rải rác mặt lõi thép Như , thời điểm t = 0, khung dây mặt phẳng trung tính khung dây khác cách mặt phẳng trung tính góc , roto quay, thời điểm t, khung dây vị trí:
= t +
(9)Lý thuyết Mạch điện Nguyễn Thành Nam e = Em sin ( t + )
Lượng ( t + ) đặc trưng cho dạng biến thiên s.đ.đ hình sin nói chung (cường độ, điện áp) gọi góc pha hay pha lượng hình sin Tại thời điểm t = góc pha , nên gọi góc pha đầu
2 Hai lượng lệch pha, đồng pha, đối pha
Giả sử có hai lượng hình sin với biểu thức: e1 = Em sin ( t + 1 ) e2 = Em sin ( t + 2 )
Ta thấy e1 và e2có dạng biến thiên tương tự nhau, e1 chậm sau e2 khoảng thời gian hay góc đó, đạt cực đại chậm hơn, triệt tiêu chậm hơn…vv Lượng sai khác hiệu góc pha e1 và e2 gọi làgóc lệch pha chúng
kÝ hiƯu lµ:
= ( t + 2 )- ( t + 1 ) = 2 - 1
Nếu 0, tức 21ta bảo e2 vượt trước e1, ngược lại , nếu 0, tức 2 1ta bảo e2 chậm sau e1
Nếu 2 = 1 = , ta bảo e1 e2 đồng pha.Nếu = 2 - = 1800 ta bảo lượng đối pha, thời gian lượng đối pha nửa chu kỳ
t
e e
0 t
T
2
e1
e2
Hai lượng đối pha Hai lượng lệch pha
1
e2
(10)Lý thuyết Mạch điện Nguyễn Thành Nam
3 Biểu diễn lượng hình sin đồ thị véc tơ
Một lượng hình sin thơng thường phải có đủ đại lượng ( biên độ, tần số, góc pha đầu) Biểu thức chung là:
i = Im sin ( t + )
Ta biết hàm số sin tung độ điểm cuối bán kính véc tơ đường trịn lượng giác bán kính quay quanh gốc tọa độ với tốc độ góc khơng đổi Giả sử hình trịn lượng giác ta lấy bán kính véc tơ OM, có độ dài biên độ lượng hình sin theo tỷ lệ xích chọn trước, chẳng hạn OM = Em, bán kính làm với trục hồnh góc góc pha đầu, chẳng hạn e , cho bán kính véc tơ OM quay quanh gốc với tốc độ tốc độ góc lượng hình sin Tại thời điểm t bất kỳ, véc tơ OM làm với trục hồnh góc
= t + e
Tung độ điểm cuối bán kính véc tơ là:
y = OM sin = Em sin ( t + e ) = e
(Biểu diễn lượng hình sin dạng véc tơ)
+e
Hai lượng đồng pha
e2
e1
t
2
x Am =
y
0
o