Khảo sát mạch điện xoay chiều và nâng cao hệ số công suất của mạch điện

Khóa luận tốt nghiệp - Nâng cao hệ số công suất Mục lục Trang: Lời mở đầu3 Chơng 1: Đại c- ơng về dòng điện hình sin 1.1. Định nghĩa và nguyên lý tạo ra dòng điện hình sin5 1.1.1. Định nghĩa dòng điện hình sin5 1.1.2.Nguyên lý tạo ra dòng điện hình sin .6 1.2.Trị hiệu dụng của dòng điện hình sin.7 1.3.Các cách biểu diễn dòng điện hình sin thờng đợc sử dụng.8 1.3.1.Biểu diễn dòng điện hình sin bằng véc tơ .8 1.3.2.Biểu diễn dòng điện hình sin bằng số phức9 1.4. Quan hệ giữa điện áp và dòng điện trong các loại mạch điện xoay chiều hình sin . .11 1.4.1. Mạch thuần điện trở .11 1.4.2. Mạch thuần điện cảm 12 1.4.3. Mạch thuần điện dung 13 1.4.4. Mạch điện gồm R- L- C nối tiếp.14 1.4.5. Mạch gồm R-L-C mắc song song.15 Chơng 2: Các định luật thờng sử dụng để giải mạch điện 2.1. Sử dụng định luật Ôm.17 2.1.1. Định luật Ôm trong mạch điện thuần trở17 2.1.2. Định luật Ôm cho đoạn mạch chứa nguồn.18 2.1.3. Định luật Ôm cho một mạch kín.20 2.2. Sử dụng định luật Kiếcsốp .21 2.2.1. Kết cấu hình học của mạch điện 21 2.2.2. Định luật Kiếcsốp 1.21 trần Đình Hùng 41A-Vật lý 1 Khóa luận tốt nghiệp - Nâng cao hệ số công suất 2.2.3. Định luật Kiếcsốp 222 Chơng 3: Các phơng pháp giải mạch điện 3.1. Phơng pháp biểu diễn véc tơ.24 3.2. Phơng pháp số phức 25 3.3. Phơng pháp biến đổi tơng đơng26 3.3.1. Mắc nối tiếp26 3.3.2. Mắc song song 26 3.3.3. Biến đổi tơng đơng sao - tam giác và tam giác sao. .27 3.4. Phơng pháp dòng điện nhánh .27 3.5. Phơng pháp dòng điện vòng.28 3.6. Phơng pháp điện áp hai nút 28 3.7. Phơng pháp xếp chồng.29 Chơng 4: Hệ số công suất của mạch và biện pháp nâng cao hệ số công suất 4.1. Phần lý thuyết chung 30 4.1.1. Hiện tợng cộng hởng 30 4.1.2. Công suất của dòng điện hình sin 32 4.1.3. Hệ số công suất và biện pháp nâng cao hệ số công suất 35 4.2. Phần tính toán cho một mạch điện cụ thể 38 4.3. Phần thực nghiệm lắp tụ và kiểm tra lại góc sau khi lắp 41 4.3.1. Tóm tắt bài thí nghiệm .41 4.3.2. Đo và xử lý số liệu thực nghiệm44 4.3.3. Nhận xét kết quả, nguyên nhân sai số và cách khắc phục.46 Lời kết.48 Tài liệu tham khảo49 trần Đình Hùng 41A-Vật lý 2 Khóa luận tốt nghiệp - Nâng cao hệ số công suất Lời mở đầu Vật lý học là môn khoa học thực nghiệm nghiên cứu tất cả những gì thuộc lĩnh vực xung quanh chúng ta. Những khái niệm, định luật vật lý.v.vhầu hết đều đợc xây dựng trên cơ sở từ thực nghiệm, hoặc qua thực nghiệm để minh họa lại các nội dung mà con ngời đã dùng lý thuyết để tìm ra. Từ các lĩnh vực nghiên cứu mà bộ môn vật lý đợc chia thành các chuyên ngành cụ thể nh kỹ thuật điện, kỹ thuật nhiệt,Các nhà nghiên cứu đang cố gắng hoàn thiện bức tranh vật lý để tìm cách ứng dụng các hiện t- ợng vật lý để phục vụ cho thực tiễn của con ngời. Kỹ thuật điện là một ngành kỹ thuật ứng dụng các hiện tợng điện từ để biến đổi năng lợng, gia công vật liệu, truyền tải thông tinbao gồm việc tạo ra, biến đổi và sử dụng điện năng trong các hoạt động thực tiễn của con ngời. Kỹ thuật điện chú ý đến việc nghiên cứu tính toán, ứng dụng kỹ thuật phục vụ cho chuyên môn và các hoạt động khoa học kỹ thuật có kiên quan. Nhờ có bộ môn kỹ thuật điện đã giúp cho học sinh, sinh viên hiểu rõ hơn các định luật về điện, tính toán mạch điện và cung cấp các nguyên lý, cấu tạo, tính năng và ứng dụng các máy điện đa dạng thờng gặp trong cuộc sống. Nh ta đã biết điện năng đợc sử dụng rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân, nó có rất nhiều u điểm so với các dạng năng lợng khác. Tuy nhiên có một vấn đề bất cập là trong việc truyền tải và tiêu thụ điện năng, do cha bố trí các tải hợp lý nên chúng ta cha khai thác đợc tối đa khả năng cung cấp năng lợng điện của nguồn và tổn hao điện năng trên đờng dây vẫn còn lớn gây thiệt hại về kinh tế khá nhiều. Chính vì lẽ đó với sự hớng dẫn của GVC.Dơng Kháng tôi chọn đề tài nghiên cứu Khảo sát mạch điện xoay chiều và nâng cao hệ số công suất của mạch điện làm khoá luận tốt nghiệp cho mình. Nhiêm vụ cơ bản của đề tài là nghiên cứu cơ sở lý thuyết về dòng điện hình sin, nội dung các định luật Ôm, hai định luật Kiếcsốp, cách giải các mạch điện, biện pháp trần Đình Hùng 41A-Vật lý 3 Khóa luận tốt nghiệp - Nâng cao hệ số công suất nâng cao hệ số công suất và tiến hành lắp mạch thí nghiệm về nâng cao hệ số công suất. Cấu trúc của đề tài bao gồm bốn chơng: - Chơng 1: Nghiên cứu một cách tổng quan về dòng điện hinh sin. - Chơng 2: Tìm hiểu nội dung các định luật về dòng điện để giải các mạch điện. - Chơng 3: Đa ra các phơng pháp giải mạch điện. - Chơng 4: Nghiên cứu lý thuyết về cách nâng cao hệ số công suất và tiến hành lắp mạch thí nghiệm nâng cao hệ số công suất. Chơng 1 đại cơng về dòng điện hình sin trần Đình Hùng 41A-Vật lý 4 Khóa luận tốt nghiệp - Nâng cao hệ số công suất 1.1. Định nghĩa và nguyên lý tạo ra dòng điện hình sin 1.1.1. Định nghĩa dòng điện hình sin Dòng điện hình sin là dòng điện biến đổi theo thời gian theo quy luật hàm số sin. Trị số tức thời tại thời điểm t của dòng điện, điện áp là: I = I Max sin( i t + ) (1.1). u = U Max sin( u t + ) (1.2). Hình 1-1 biểu diễn đồ thị tức thời của i, u. Trong đó: i, u: Trị số tức thời của dòng điện, điện áp. I Max , U Max : Trị số cực đại (biên độ) của dòng điện, điện áp. ( i t + ),( u t + ): Góc pha (pha) của dòng điện, điện áp. u i , : Pha đầu của dòng điện, điện áp. (rad/s): Tần số góc của dòng điện hình sin. T = 2 (s): Chu kỳ của dòng điện hình sin. f = 2T 1 = (Hz): Tần số của dòng điện hình sin. Góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện: i u = (1.3). Góc lệch pha phụ thuộc vào các thông số của mạch. > 0: Điện áp nhanh pha hơn dòng điện (Hình: 1-2a). = 0: Điện áp trùng pha với dòng điện (Hình: 1-2b). < 0: Điện áp chậm pha hơn dòng điện (Hình: 1-2c). trần Đình Hùng 41A-Vật lý 5 0 <0 Hình: 1-1 I Max 0 u > T U Max u,i u t i Khóa luận tốt nghiệp - Nâng cao hệ số công suất Nếu biểu thức tức thời của điện áp: u = U Max .sin( t. ) (1.4). Thì biểu thức tức thời của dòng điện là: i = I Max .sin( t. ) (1.5). 1.1.2. Nguyên lý tạo ra dòng điện hình sin Để tạo ra dòng điện hình sin ngời ta dùng máy phát điện hình sin hoạt động dựa trên hiện tợng cảm ứng điện từ. Máy gồm 2 bộ phận chính: Khung dây có N vòng dây và bộ phận tạo ra từ trờng đều có cảm ứng điện từ B . Khung dây này có thể quay đều với vận tốc góc trong từ trờng đều. Tại thời điểm ban đầu (t = 0) pháp tuyến n của khung hợp với véc tơ cảm ứng từ B một góc 0 t += . Khi đó từ thông gửi qua tiết diện S của khung dây là: = BScos( 0 t + ) (1.6). Suất điện động xuất hiện trong khung: = - dt d = )tsin( 00 + = )tsin( 00 + (1.7). Trong đó: .NBS 00 == Suất điện động cảm ứng này là một hàm biến thiên theo thời gian và theo hàm số sin. Hình: 1-3 vẽ sơ đồ cấu tạo của máy phát trần Đình Hùng 41A-Vật lý 6 Hình: 1-2 u u,i i t a) u u,i i t c) u u,i i t b) N S Hình:1-3 Khóa luận tốt nghiệp - Nâng cao hệ số công suất dòng điện hình sin. Hai chổi than tì lên 2 vòng khuyên (là 2 đầu dây của khung) nên đó đợc coi là hai cực của máy phát điện. Giữa hai cực của máy phát điện này có một điện áp hình sin. u = U Max sin( 0 t + ) (1.8). 1.2. Trị hiệu dụng của dòng điện hình sin Dòng điện hình sin là dòng điện biến thiên theo chu kỳ T, nên khi ta tính công suất P của dòng điện qua điện trở R ta phải tính trị số trung bình công suất điện trở tiêu thụ trong thời gian T. Công suất tác dụng đợc tính nh sau: P = 2 T 0 T 0 22 RIdti T 1 Rdti.R T 1 = = (1.9). Trong đó: I = T 0 2 dti T 1 (1.10). Trị số I tính theo công thức (1.10) đợc gọi là trị hiệu dụng của dòng điện thay đổi. Nó đợc đánh giá, tính toán hiệu quả tác động của dòng điện biến thiên theo chu kỳ. Đối với dòng điện hình sin, ta thay i = I Max sin t vào (1.10) ta đợc. I = 2 I tdtsinI T 1 2 Max T 0 22 Max = (1.11). Hay: I = 2 I Max (1.12). (Trị hiệu dụng của dòng điện hình sin nhỏ hơn trị số cực đại 2 lần). Tơng tự trị hiệu dụng của điện áp hinh sin: U = 2 U Max (1.13). Và trị hiệu dụng của sức điện động hình sin: E = 2 E Max (1.14). trần Đình Hùng 41A-Vật lý 7 Khóa luận tốt nghiệp - Nâng cao hệ số công suất Trong thực tế khi ta nói điện áp (dòng điện) bằng bao nhiêu vôn (ampe) là nói trị số hiệu dụng của nó. Các dụng cụ đo điện hình sin đều chỉ trị hiệu dụng của nó. Trị hiệu dụng thờng đợc dùng trong các công thức tính toán và đồ thị véc tơ. 1.3. Các cách biểu diễn dòng điện hình sin thờng đợc sử dụng 1.3.1. Biểu diễn dòng điện hình sin bằng véc tơ Việc biểu diễn dòng điện hình sin bằng biểu thức tức thời không thuận lợi cho việc tính toán. Vì thế trong kỹ thuật điện ngời ta thờng biểu diễn các đại lợng hình sin bằng véc tơ có độ lớn bằng trị hiệu dụng và góc tạo với trục 0x bằng pha đầu của các đại lợng ấy. Bằng cách biểu diễn đó mỗi đại lợng hình sin đợc biểu diễn bằng một véc tơ, ngợc lại mỗi véc tơ biểu diễn một đại lợng hình sin tơng ứng. Trên hình 1-4a vẽ các véc tơ ứng với pha đầu > 0 và < 0. Còn trên hình 1-4b biểu diễn véc tơ I của dòng điện i = 15 2 sin(t +30 0 ) và véc tơ điện áp U của điện áp u =50 2 sin (t - 60 0 ). Sau khi biểu diễn dòng điện và điện áp bằng véc tơ rồi áp dụng hai định luật Kiêcsốp để giải mạch điện trên đồ thị gọi là phơng pháp đồ thị trên véc tơ (xem mục 2.2). 1.3.2. Biểu diễn dòng điện hình sin bằng số phức trần Đình Hùng 41A-Vật lý 8 Hình: 1-4 x >0 <0 y a) -60 0 30 0 x U y I b) Khóa luận tốt nghiệp - Nâng cao hệ số công suất Ngoài cách biểu diễn dòng điện hình sin bằng véc tơ ngời ta còn tìm ra cách biểu diễn bằng số phức. Khi đó trong hệ toạ độ x0y thay trục 0x bằng trục thực +1, và thay trục 0y bằng trục ảo +j, là ta đã biểu diễn đợc đại lợng hình sin bằng số phức trong toạ độ phức (Hình: 1.15). Số phức biểu diễn các đại lợng hình ký hiệu bằng chữ in hoa có dấu chấm ở trên ( U , I ). Số phức có hai dạng: - Dạng số mũ: I = I.e j. i (1.15). U = U.e j. u (1.16). Có mô đun I, U bằng trị hiệu dụng và acgumen i , u là pha đầu các đại lợng hình sin. Dạng mũ còn đợc ký hiệu: I = I i ; U = U u . - Dạng đại số của số phức dòng điện và điện áp: I = Icos i + j.Isin i (1.17). U = Ucos u + j.Isin u (1.18). Trong đó: j.I.sin i , j.Isin u - là phần ảo của số phức. Icos i , Ucos u - là phần thực của số phức. j = 1 - là đơn vị ảo. Ví dụ: i = 5 2 sin(t- 45 0 ). u = 220 2 sin(t+30 0 ). Biểu diễn sang số phức: trần Đình Hùng 41A-Vật lý 9 Hình: 1-5 +1 U i u +j I Khóa luận tốt nghiệp - Nâng cao hệ số công suất I = 5 e 45 j. 0 hay I = 5 0 45 . U = 220 e 30 j. 0 hay U =220 0 30 . Hoặc I = 5cos(- 45 0 ) + j.5sin(- 45 0 ) => I = 2 25 j. 2 25 . U = 220cos30 0 + j.220sin30 0 => U = 110 3 + j110. Trong tính toán khi biểu diễn dòng điện hình sin sang dạng phức thì cũng thờng biểu diễn tổng trở và tổng dẫn sang dạng phức. * Tổng trở phức: e Z e I U Ie Ue I U Z .j).(j .j .j _ i u i u ==== (1.19). Hoặc: X.jRsinZ.jcosZZ _ +=+= (1.20). Phần thực là điện trở R, phần ảo là điện kháng X * Tổng dẫn phức: e Y e Z 1 Z 1 Y .j.j _ _ === (1.21). Hoặc: b.jg XR X .j XR R X.jR 1 Y 2222 _ = + + = + = (1.22). Trong đó: Z 1 Y; XR X b; XR R g 2222 = + = + = 1.4. Quan hệ giữa điện áp và dòng điện trong các loại mạch điện xoay chiều hình sin Xét quan hệ giữa điện áp và dòng điện trong mạch điện xoay chiều hình sin th- ờng xét đến: - Quan hệ về trị hiệu dụng, đợc biểu diễn bằng tỉ số: U/I. - Quan hệ về góc pha, đợc biểu diễn bằng góc lệch pha: = u - i Bây giờ ta sẽ xét các mối quan hệ đó. 1.4.1. Mạch thuần điện trở trần Đình Hùng 41A-Vật lý 10 . luận tốt nghiệp - Nâng cao hệ số công suất nâng cao hệ số công suất và tiến hành lắp mạch thí nghiệm về nâng cao hệ số công suất. Cấu trúc của đề tài bao. đó với sự hớng dẫn của GVC.Dơng Kháng tôi chọn đề tài nghiên cứu Khảo sát mạch điện xoay chiều và nâng cao hệ số công suất của mạch điện làm khoá luận