Giáo trình Điện kỹ thuật (Nghề: Công nghệ ô tô - Trình độ: Cao đẳng) - Trường Cao đẳng nghề Cần Thơ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:89

Thêm vào BST

Báo xấu

6
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình "Điện kỹ thuật (Nghề: Công nghệ ô tô - Trình độ: Cao đẳng)" được biên soạn với mục tiêu giúp người học trình bày được nguyên lý sản sinh sức điện động xoay chiều và dòng điện một chiều; giải được các bài toán về mạch điện có các thành phần điện trở, điện cảm và điện dung (RLC); nêu được khái niệm về công suất; ý nghĩa của hệ số công suất và biện pháp nâng cao;...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Điện kỹ thuật (Nghề: Công nghệ ô tô - Trình độ: Cao đẳng) - Trường Cao đẳng nghề Cần Thơ

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. 1
LỜI GIỚI THIỆU Chúng ta đang sống trong thời kì hiện đại hóa đất nước, chất lượng cuộc sống ngày càng được nâng cao, nhu cầu tiêu thụ điện năng ngày càng nhiều. Do đó chúng ta cần có những hiểu biết cơ bản về điện. ĐIỆN KỸ THUẬT là một môn học cơ sở quan trọng đối với sinh viên khối kỹ thuật nói chung và sinh viên nghề công nghệ ô tô nói riêng. Điện kỹ thuật nghiên cứu những ứng dụng của các hiện tượng điện từ nhằm biến đổi năng lượng và tín hiệu, bao gồm việc phát, truyền tải, phân phối và sử dụng điện năng trong sản xuất và đời sống. Ngoài ra, môn học này còn giúp sinh viên không chuyên nghề điện bổ sung thêm các kiến thức cơ bản về mạch điện, các thiết bị điện, cấu tạo và các đặc tính làm việc của chúng để có thể vận hành được trong thực tế. Giáo trình ĐIỆN KỸ THUẬT được biên soạn với sự tham khảo các tài liệu trong và ngoài nước, sự đóng góp tận tình của các đồng nghiệp cùng bộ môn. Khi biên soạn giáo trình chúng tôi đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới có liên quan đến môn học và phù hợp với đối tượng sử dụng. Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng sẽ không tránh khỏi sai sót. Rất mong sự đóng góp ý kiến của các đồng nghiệp, các sinh viên và các bạn đọc quan tâm đến giáo trình này. Cần Thơ, ngày tháng năm Tham gia biên soạn Cao Thị Nguyễn Phương 2
MỤC LỤC TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN .......................................................................................... 1 LỜI GIỚI THIỆU ......................................................................................................... 2 MỤC LỤC .................................................................................................................... 3 GIÁO TRÌNH MÔN HỌC ........................................................................................... 4 CHƯƠNG 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ MẠCH ĐIỆN ........................................................... 5 1. Mạch điện một chiều ................................................................................................ 5 2. Các khái niệm cơ bản về mạch điện xoay chiều ....................................................... 9 3. Tính chất của mạch điện xoay chiều một pha ........................................................ 13 4. Ý nghĩa và cách nâng cao hệ số công suất ............................................................. 18 5. Hệ thống điện xoay chiều ba pha ............................................................................ 19 6. Cách đấu dây hệ thống điện xoay chiều ba pha ...................................................... 21 7. Cách nối nguồn và tải trong mạch ba pha .............................................................. 21 CHƯƠNG 2: MÁY BIẾN ÁP .................................................................................... 29 1. Máy biến áp một pha .............................................................................................. 29 2. Máy biến áp ba pha ................................................................................................. 33 3. Các máy biến áp đặc biệt ........................................................................................ 36 4. Bảo dưỡng và sửa chữa máy biến áp ...................................................................... 37 CHƯƠNG 3: ĐỘNG CƠ ĐIỆN ................................................................................. 42 1. Khái niệm chung về động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha ................... 42 2. Các đại lượng định mức của động cơ không đồng bộ ............................................ 49 3. Đấu dây và vận hành đảo chiều quay ..................................................................... 50 4. Mở máy động cơ không đồng bộ ba pha ................................................................ 53 5. Động cơ không đồng bộ một pha ........................................................................... 57 6. Động cơ điện vạn năng ........................................................................................... 59 7. Sửa chữa động cơ điện xoay chiều ......................................................................... 62 CHƯƠNG 4: KHÍ CỤ ĐÓNG CẮT, ĐIỀU KHIỂN VÀ BẢO VỆ MẠCH ĐIỆN....66 1. Khí cụ đóng cắt và điều khiển mạch điện hạ áp ..................................................... 66 2. Khí cụ bảo vệ mạch điện hạ áp ............................................................................... 79 3. Một số mạch điện có sử dụng các khí cụ điện cơ bản .......................................... .84 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 89 3
GIÁO TRÌNH MÔN HỌC Tên môn học: ĐIỆN KỸ THUẬT Mã môn học: MH 07 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học: - Vị trí: Là môn học kỹ thuật cơ sở. Môn học được bố trí học trước các môn học, mô đun chuyên môn nghề. - Tính chất: Là môn học bắt buộc trong chương trình đào tạo nghề Công nghệ ô tô. - Ý nghĩa và vai trò của môn học/mô đun: môn học Điện kỹ thuật giúp sinh viên không chuyên nghề điện bổ sung thêm các kiến thức cơ bản về mạch điện, các thiết bị điện, cấu tạo và các đặc tính làm việc của chúng để có thể vận hành được trong thực tế. Mục tiêu của môn học: - Về kiến thức: Học xong môn học này người học có khả năng: + Trình bày được nguyên lý sản sinh sức điện động xoay chiều và dòng điện một chiều. + Giải được các bài toán về mạch điện có các thành phần điện trở, điện cảm và điện dung (RLC). + Trình bày được khái niệm về công suất; ý nghĩa của hệ số công suất và biện pháp nâng cao. + Mô tả đúng cấu tạo và giải được các bài toán của dòng điện một chiều. + Mô tả đúng cấu tạo và trình bày nguyên lý làm việc của máy biến áp một pha, ba pha. + Mô tả đúng thành phần cấu tạo và trình bày nguyên lý làm việc của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha và phương pháp đổi chiều quay. + Mô tả đúng thành phần cấu tạo và trình bày nguyên lý làm việc của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ một pha. + Mô tả đúng cấu tạo và trình bày nguyên lý làm việc của máy điện một chiều. + Mô tả đúng cấu tạo và trình bày nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ xoay chiều 3 pha dùng làm máy nạp điện ắc quy trên ô tô. + Trình bày được công dụng và phân loại các loại khí cụ điện. + Phân tích đựợc những hiện tượng, nguyên nhân và biện pháp phòng tránh những hư hỏng đơn giản của máy điện dùng trong phạm vi nghề công nghệ ô tô. - Về kỹ năng: + Vẽ được sơ đồ đấu dây, sơ đồ các mạch điện cơ bản. + Phân tích đựợc những hiện tượng, nguyên nhân và biện pháp phòng tránh những hư hỏng đơn giản của máy điện dùng trong phạm vi nghề công nghệ ô tô. - Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Bảo đảm an toàn và vệ sinh phòng học. + Có ý thức tự giác, tính kỷ luật cao, tinh thần trách nhiệm trong công việc, có tinh thần hợp tác, giúp đỡ lẫn nhau. + Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì, cẩn thận, nghiêm túc, chủ động, tích cực và sáng tạo trong học tập. Nội dung của môn học: 4
CHƯƠNG 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ MẠCH ĐIỆN Mã chương: MH 07 - 1 Giới thiệu Nguồn điện một chiều và xoay chiều được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp dân dụng. Vấn đề tính toán các thông số kỹ thuật trong mạch điện này để khai thác, sử dụng hiệu quả thiết bị điện là một trong những yêu cầu cơ bản của người công nhân các nghề kỹ thuật công nghiệp. Đối với người công nhân nghề công nghệ ô tô cũng không ngoài các yêu cầu đó. Các kiến thức, kỹ năng đạt được trong chương này sẽ là tiền đề để tiếp thu các mô đun/ môn học khác. Mục tiêu Học xong chương này người học có khả năng: - Trình bày được khái niệm, nguyên lý sản sinh ra dòng điện một chiều, các đại lượng cơ bản và các định luật cơ bản của mạch điện một chiều. - Nhận dạng được máy phát một chiều và kiểm tra tính toán được mạch điện một chiều. - Trình bày được nguyên lý sản sinh ra sức điện động xoay chiều và các đại lượng cơ bản đặc trưng cho dòng điện xoay chiều hình sin. - Trình bày được quan hệ về trị số và về pha giữa dòng điện và điện áp trong mạch điện xoay chiều khi có thuần điện trở, thuần điện cảm và thuần điện dung. - Trình bày được ý nghĩa của hệ số công suất và các biện pháp nâng cao hệ số công suất. - Trình bày được sơ đồ đấu nối hệ thống điện xoay chiều ba pha kiểu hình sao (Y) và hình tam giác (  ) và các mối quan hệ giữa các đại lượng pha và dây. Nội dung chính 1. Mạch điện một chiều 1.1. Những khái niệm cơ bản về mạch điện một chiều 1.1.1. Dòng điện một chiều Dòng điện một chiều là dòng điện có chiều và cường độ không thay đổi theo thời gian. 1.1.2. Nguồn điện một chiều Nguồn điện là thiết bị phát ra điện năng. Về nguyên lý, nguồn điện là thiết bị biến đổi các dạng năng lượng như cơ năng, hoá năng, nhiệt năng… thành điện năng. a. Pin, acquy Biến đổi hóa năng thành điện năng. b. Pin Mặt Trời Hoạt động dựa vào hiện tượng quang điện, biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng. c. Máy phát điện một chiều Máy phát điện biến đổi cơ năng đưa vào trục của máy thành điện năng ở các cực của dây quấn. + Lớp - - - p- - - - - Etx Iqđ chặn + + + +n+ + + + G g - Hình 1.1: Cấu tạo pin Mặt Trời Hình 1.2: Hình dáng máy điện một chiều 5
d. Bộ nguồn điện tử công suất Bộ nguồn điện tử công suất không tạo ra điện năng mà chỉ biến đổi điện áp xoay chiều (lấy từ lưới điện) thành điện áp một chiều lấy ra ở 2 cực. U~ UDC Hình 1.3: Bộ nguồn biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều 1.1.3. Tải Tải là các thiết bị tiêu thụ điện năng và biến đổi điện năng thành các dạng năng lượng khác như cơ năng, hoá năng, nhiệt năng, quang năng… 1.1.4. Mạch điện Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện (nguồn, tải, dây dẫn) nối lại với nhau thành một vòng khép kín trong đó dòng điện có thể chạy qua. Mạch điện phức tạp có nhiều nhánh, nhiều mạch vòng và nhiều nút. Nhánh: là bộ phận của mạch điện gồm có các phần tử nối tiếp nhau trong đó có cùng dòng điện chạy qua. Nút: là chỗ gặp nhau của các nhánh (từ 3 nhánh trở lên). Mạch vòng: là lối đi khép kín qua các nhánh. Hình 1.4: Nút và vòng của mạch điện Hình 1.4 là ví dụ về mạch điện. Nguồn điện là máy phát điện (MF) cung cấp điện cho tải là đèn (Đ) và động cơ điện (ĐC), mạch điện có 3 nhánh (1, 2, 3), 2 nút (A, B) và 3 mạch vòng (a, b, c). 1.2. Các đại lượng đặc trưng và các định luật của dòng điện một chiều 1.2.1. Các đại lượng đặc trưng a. Cường độ dòng điện Cường độ dòng điện là đại lượng đặc trưng cho tác dụng mạnh yếu của dòng điện. Cường độ dòng điện được tính bằng lượng điện tích chạy qua tiết diện thẳng của vật dẫn trong một đơn vị thời gian. I = q/t Đơn vị của dòng điện là ampe (A). 6
b. Điện áp Điện áp là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích lũy năng lượng của dòng điện. Trong mạch điện, tại các điểm đều có một điện thế φ. Hiệu điện thế giữa hai điểm gọi là điện áp U, đơn vị là vôn (V). φA φB Ta có: UAB = φA - φB trong đó: φA: điện thế tại A φB: điện thế tại B UAB UAB: hiệu điện thế giữa A và B Qui ước: Chiều điện áp là chiều từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp. Đơn vị điện áp là vôn (V), kí hiệu: U c. Sức điện động Mỗi nguồn điện có đại lượng đặc trưng cho khả năng sinh công của nó, gọi là sức điện động. Kí hiệu: E, đơn vị là vôn (V). Sức điện động của nguồn điện được tính bằng công do nguồn điện sinh ra khi làm chuyển dời một đơn vị điện tích dương giữa hai cực của nguồn điện. A E Q d. Điện năng tiêu thụ Lượng điện năng mà một đoạn mạch tiêu thụ khi có dòng điện chạy qua để chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác được đo bằng công của lực điện thực hiện khi dịch chuyển có hướng các điện tích. A = U.q = U.I.t = P.t Đơn vị của A là Jun (J) nếu đơn vị của t là giây (s) Đơn vị của A là kWh nếu đơn vị của t là giờ (h) Đơn vị của P là W e. Công suất Công suất mạch ngoài là đại lượng đặc trưng cho khả năng thu và phát năng lượng điện trường của dòng điện. A P   U .I = R.I2 t Công suất của nguồn điện bằng công suất tiêu thụ điện năng của toàn mạch. Png = E.I Đơn vị của công suất là oát (W) Nếu U = 1V, I = 1A thì P =1W 1kW = 1000W 1MW = 1000 000W 1.2.2. Các định luật cơ bản a. Định luật Ôm + Định luật Ôm đối với đoạn mạch Cường độ dòng điện trong một đoạn mạch tỉ lệ thuận với điện áp hai đầu đoạn mạch và tỉ lệ nghịch với điện trở của đoạn mạch. U Từ công thức: I = suy ra: U = IR R I: cường độ dòng điện (A) U: hiệu điện thế (V) R: điện trở (Ω) + Định luật Ôm cho toàn mạch: 7
Giả sử có mạch điện như hình vẽ: R E, r Hình 1.5: Mạch kín Cường độ dòng điện trong mạch kín tỉ lệ thuận với sức điện động của nguồn điện và tỉ lệ nghịch với điện trở toàn mạch E I Rr b. Định luật Kiếcshốp 1 (Kirchhoff 1) Tổng đại số các dòng điện tại một nút bằng không. I = 0 Trong đó nếu qui ước các dòng điện đi tới nút mang dấu dương, thì các dòng điện rời khỏi nút mang dấu âm, hoặc ngược lại. Ví dụ: tại nút ở hình 1.6, định luật Kiếcshốp 1 được viết: I1 – I2 – I3 = 0 ta có thể viết lại: I1 = I2 + I3 Hình 1.6: Dòng điện nút Định luật Kirchhoff 1 nói lên tính chất liên tục của dòng điện. Trong một nút không có hiện tượng tích lũy điện tích, có bao nhiêu điện tích tới nút thì cũng có bấy nhiên điện tích rời khỏi nút. c. Định luật Kiếcshốp 2 (Kirchhoff 2) Trong một mạch vòng bất kì tổng đại số các sức điện động bằng tổng đại số các điện áp rơi trên các điện trở trong vòng. E = U Qui ước dấu: các sức điện động và dòng điện có chiều trùng với chiều đi vòng sẽ lấy dấu dương, ngược lại mang dấu âm. 8
Áp dụng định luật Kirchhoff 2 cho mạch vòng hình 1.7, ta có: E1 + E2 – E3 = I1.R1 – I2.R2 + I3.R3 Định luật Kirchhoff 2 nói lên tính chất thế của dòng điện. Trong một mạch điện xuất phát từ một điểm trên một mạch vòng kín và trở lại vị trí xuất phát thì lượng tăng thế bằng 0. Hình 1.7: Mạch vòng dòng điện d. Định luật Jun – Lenxơ Nhiệt lượng toả ra trên một vật dẫn khi có dòng điện không đổi chạy qua tỉ lệ thuận với điện trở của vật, với bình phương cường độ dòng điện và với thời gian dòng điện chạy qua. Q  I 2 .R.t (J) Q = 0,24 I2Rt (calo) 2. Các khái niệm cơ bản về dòng điện xoay chiều 2.1. Định nghĩa dòng điện xoay chiều và nguyên lý sản sinh ra sức điện động xoay chiều hình sin 2.1.1. Định nghĩa Dòng điện xoay chiều là dòng điện có i chiều và cường độ biến đổi (hay còn gọi là biến I m thiên) theo thời gian, dòng điện xoay chiều thường biến đổi tuần hoàn, cứ sau mỗi khoảng + Im thời gian nhất định, nó lại lặp lại quá trình biến T/2 thiên cũ, khoảng thời gian ngắn nhất để dòng t điện lặp lại quá trình biến thiên cũ gọi là chu kì T của dòng điện xoay chiều. - 2.1.2. Nguyên lý sản sinh ra sức điện -Im động xoay chiều hình sin Sức điện động xoay chiều hình sin được T tạo ra trong máy phát điện xoay chiều một pha hoặc ba pha. Hình 1.7 Về nguyên tắc, máy phát điện xoay chiều một pha gồm có hệ thống cực từ gọi là phần cảm đặt ở stato và một bộ dây gọi là phần ứng đặt trên rôto. Dựa trên định luật cảm ứng điện từ: Xét máy phát điện xoay chiều đơn giản. Cho một khung dây quay trong từ trường của nam châm vĩnh cửu, khung dây sẽ cắt các đường sức từ trường và cảm ứng trong khung dây một sức điện động cảm ứng xoay chiều. Nối đầu ra của khung dây với tải thì sẽ có dòng điện xoay chiều chạy qua tải. Dòng điện cung cấp cho tải thông qua vành trượt và chổi than. Khi công suất điện lớn, lấy cách điện như vậy gặp nhiều khó khăn ở chỗ tiếp xúc giữa vành trượt và chổi than. Trong công nghiệp, máy phát điện xoay chiều được chế tạo như sau: dây quấn đứng yên trong các rãnh của lõi thép là phần tĩnh và nam châm N-S là phần quay. 9
Khi tác dụng lực cơ học vào trục làm nam châm N-S quay, trong dây quấn phần tĩnh sẽ cảm ứng ra sức điện động xoay chiều hình sin. Dây quấn đứng yên nên việc lấy điện cung cấp cho tải rất an toàn và thuận lợi. Mô hình của máy phát điện xoay chiều vẽ trên hình 1.8. Hình 1.8: Nguyên lý máy phát điện xoay chiều 2.2. Các đại lượng đặc trưng cho dòng điện xoay chiều 2.2.1. Chu kì – tần số - pha a. Chu kì là khoảng thời gian ngắn nhất để dòng điện lặp lại quá trình biến đổi cũ. Kí hiệu T; đơn vị là giây (s). b. Tần số là số chu kì mà dòng điện thực hiện được trong một đơn vị thời gian (tính bằng giây). Kí hiệu: f. Ta có f = 1/T (đơn vị Héc: Hz) Dòng điện có tần số 1Hz là dòng điện thực hiện được 1 chu kì trong 1 giây. 1kHz = 103 Hz 1MHz = 106 Hz c. Tần số góc  là tốc độ biến thiên của dòng điện hình sin, đơn vị là rad/s. Quan hệ giữa tần số góc  và tần số f:  = 2 f Ví dụ: Dòng điện xoay chiều trong sản xuất và sinh hoạt nước ta có tần số f = 50Hz. Tính chu kỳ T và tần số góc ω. Lời giải: Chu kỳ của dòng điện: T = 1/f = 1/50 = 0,02s Tần số góc của dòng điện:  = 2  f = 2. 3,14 .50 = 314Rad/s d. Pha và sự lệch pha: - Pha: Trị số dòng điện, điện áp, sức điện động của lượng hình sin ở một thời điểm t gọi là trị số tức thời và được biểu diễn là: i = I m sin(t +  i ) u = U m sin(t +  u ) e = E m sin(t +  e ) Trong đó: i, u, e là trị số tức thời của dòng điện, điện áp, sức điện động của lượng hình sin. Im, Um, Em là trị số cực đại (biên độ) của dòng điện, điện áp, sức điện động. + Lượng ( t   ) đặc trưng cho biến thiên sức điện động hình sin được gọi là góc pha hay pha của đại lượng hình sin. + Pha ban đầu (  i ,  u,  e ) là pha ở thời điểm t = 0. Phụ thuộc vào chọn toạ độ thời gian, pha ban đầu có thể bằng không, âm hoặc dương. 10
+ Lượng  càng lớn thì tốc độ biến thiên càng nhanh,  được gọi là tốc độ góc, đơn vị rad/s. Nói đến pha của dòng xoay chiều ta thường nói tới sự so sánh giữa hai dòng điện hoặc điện áp xoay chiều có cùng tần số. + Hai dòng điện xoay chiều cùng pha là hai dòng điện có các thời điểm điện áp cùng tăng và cùng giảm như nhau (hình 1.9). + Hai dòng điện xoay chiều lệch pha: là hai dòng điện có các thời điểm điện áp tăng giảm lệch nhau (hình 1.10). Hình 1.9 Hình 1.10 Hình 1.11 + Hai dòng điện xoay chiều ngược pha: là hai dòng điện lệch pha 1800, khi dòng điện này tăng thì dòng điện kia giảm và ngược lại (hình 1.11). - Sự lệch pha Do đặc tính các thông số của mạch, các đại lượng dòng điện, điện áp thường có sự lệch pha với nhau. Góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện thường ký hiệu là , được định nghĩa như sau:  = u - i Góc  phụ thuộc các thông số của mạch:  > 0: điện áp vượt trước dòng điện (hình 1.20a)  < 0: điện áp chậm sau dòng điện (hình 1.20b)  = 0: điện áp trùng pha dòng điện (hình 1.20c) Nếu biểu thức tức thời của điện áp u là: u = U m sin(t) thì dòng điện tức thời là i = I m sin(t - ) 2 u u, u, u, i u i u i i i i t t t 0 0 0 b) a) Hình 1.12 c) . 2.2.3. Giá trị tức thời Là trị số của đại lượng xoay chiều ứng với mỗi thời điểm t. Kí hiệu: i, u, e. 2.2.4. Biên độ Là giá trị lớn nhất của đại lượng xoay chiều. Kí hiệu: Im, Um, Em. 11
2.2.5. Giá trị hiệu dụng Đối với dòng điện biến đổi theo chu kì để tính các tác dụng ta cần tính trị số trung bình bình phương dòng điện trong một chu kì. Ví dụ khi tính công suất tác dụng P của dòng điện qua điện trở R, ta phải tính trị số trung bình công suất mà điện trở tiêu thụ trong thời gian là một chu kì T. Trị số hiệu dụng của dòng điện xoay chiều hình sin là giá trị tương đương với dòng điện một chiều khi đi qua cùng một điện trở, trong mỗi chu kì chúng cùng toả ra một năng lượng nhiệt như nhau. Được kí hiệu bằng các chữ in hoa: I, E, U... Giá trị I được gọi là trị số hiệu dụng của dòng điện biến đổ i với chu kì T. Nó được dùng để đánh giá hiệu quả tác động của dòng điện biến thiên chu kì. Đối với dòng điện hình sin i  I m sin t : Trị số hiệu dụng của dòng điện Im hình sin bằng biên độ chia cho 2:I  2 Tương tự, ta được trị số hiệu dụng của điện áp, sức điện động: Um E U ; E m 2 2 2.3. Biểu diễn các đại lượng xoay chiều bằng đồ thị vectơ Các đại lượng hình sin được biểu diễn bằng véctơ có độ lớn (môđun) bằng trị số hiệu dụng và góc tạo với trục Ox bằng pha đầu của các đại lượng ấy. Bằng cách biểu diễn đó mỗi đại lượng hình sin được biểu diễn bằng một véctơ, ngược + lại mỗi véctơ sẽ biểu diễn một đại lượng hình sin tương ứng. - Hình 1.13: Biểu diễn vectơ dòng điện, điện áp Trên hình 1.14 các vectơ ứng với góc pha  > 0 và  < 0. Để ví dụ, trong hình 1.14 véctơ dòng điện i biểu diễn dòng điện: i =10 2 sin(  t + 20 0 ) và véctơ điện áp u biểu diễn điện áp: u = 20 2 sin(  t - 45 0 ). y y  I I=10A 20 0  0 0 x -45 0 0  0 x U= 20 V  U Hình 1.14 12
3. Tính chất mạch điện xoay chiều một pha 3.1. Mạch điện thuần điện trở Nối hai đầu của mạch chỉ có điện trở R vào điện áp xoay chiều: u = Um cos t (3 - 1) Tuy là dòng điện xoay chiều, nhưng tại một thời điểm, dòng điện I chạy theo một chiều xác định. ~ Vì đây là dòng điện trong kim loại nên theo định luật Ohm i u i và u tỉ lệ nhau: R u Um i=  cos t Hình 1.15: Mạch điện thuần điện trở R R R U Đặt Im = m ta có R i  I m cos t (3 - 2) So sánh biểu thức (3 - 1) và (3 - 2) ta thấy dòng điện và điện áp cùng pha. Hình 1.16: Đồ thị vec tơ mạch điện thuần điện trở R Như vậy, điện năng trên điện trở biến thành nhiệt năng và công suất tiêu thụ trên điện trở được gọi là công suất tác dụng: P = U.I = I2.R (W). 3.2. Mạch điện thuần điện cảm Ta mắc một cuộn tự cảm và một ampe kế vào dòng điện một chiều. Ampe kế cho biết cường độ dòng điện chạy trong mạch. Đưa thỏi sắt vào cuộn dây ta thấy dòng điện trong mạch vẫn không thay đổi (hình 1.17). Sau đó ta mắc chúng vào nguồn điện xoay chiều điện áp hiệu dụng bằng dòng điện một chiều nói trên ta thấy dòng điện qua mạch yếu hơn trước. Ta lại đưa thỏi sắt vào giữa cuộn dây thì dòng điện yếu đi nhiều. - Qua thí nghiệm trên ta thấy rằng độ tự cảm của mạch điện xoay chiều làm giảm cường độ dòng điện trong mạch, nghĩa là làm tăng điện trở của mạch. l - Như vậy ngoài điện trở của mạch tính bằng công thức R  ρ. (gọi là điện trở S thuần), mạch còn có thêm điện trở nữa do cuộn tự cảm gây ra gọi là cảm kháng, kí hiệu: XL A B ~ u i L Hình 1.17 Hình 1.18: Mạch điện thuần điện cảm 13
3.2.1. Tính chất Giả sử đặt điện áp xoay chiều u vào hai đầu của mạch thuần cảm làm xuất hiện dòng điện i trong mạch. i = Im cos t (3 – 3) Đây là dòng điện biến thiên theo thời gian nên nó gây ra trong cuộn cảm một sức điện động cảm ứng: e = -Ldi/dt = ωLImsin t Điện áp giữa hai điểm A và B là: u = iRAB – e RAB = 0 nên: u = -e = - ωLImsin t  u = Um cos ( t  ) (3 – 4) 2 Um = ωLIm Hình 1.19: Đồ thị vectơ mạch điện thuần điện cảm So sánh biểu thức (3 – 3) và (3 - 4) ta thấy cường độ dòng điện qua cuộn dây biến thiên trễ pha π/2 so với điện áp giữa hai bản tụ điện. U Theo định luật Ôm ta có I  XL XL = L  2fL XL được gọi là cảm kháng hay còn gọi là trở kháng điện cảm có nhiệm vụ giống như điện trở R trong mạch thuần trở. Định luật: dòng điện hiệu dụng trong mạch thuần điện cảm tỉ lệ với điện áp hiệu dụng và tỉ lệ nghịch với cảm kháng của mạch. 2.2.2. Ý nghĩa của cảm kháng Cảm kháng đóng vai trò tương tự như điện trở R, đặc trưng cho tính cản trở dòng điện xoay chiều của cuộn cảm. Ta thấy khi L lớn và khi ω lớn thì XL lớn. Vậy cuộn cảm có L lớn sẽ cản trở nhiều đối với dòng điện xoay chiều, nhất là dòng điện xoay chiều cao tần.  Ngoài ra cảm kháng thuần có tác dụng làm cho i trễ pha so với u. 2 3.3. Mạch điện thuần điện dung Ta mắc một bộ tụ với nguồn điện một chiều sẽ không thấy có dòng điện chạy trong mạch vì giữa hai bản cực có chất cách điện. Sau đó ta mắc tụ điện vào nguồn điện xoay chiều, ta nhận thấy có dòng điện chạy trong mạch (bóng đèn sáng lên). Nếu thay bộ tụ có điện dung lớn hơn thì đèn sáng hơn. Nếu cất tụ điện thì đèn lại sáng hơn nữa. A B ~ u i C Hình 1.20 Hình 1.21: Mạch điện thuần điện dung 14
Qua thí nghiệm trên ta thấy rằng dòng điện xoay chiều đi qua được mạch có tụ điện và tụ điện làm tăng điện trở của mạch lên vì ngoài điện trở của mạch còn có điện trở nữa do tụ điện gây ra gọi là dung kháng, kí hiệu: XC. 3.3.1. Tính chất Đặt vào hai đầu tụ điện một điện áp u: u = Um sinωt (3 - 5) thì điện tích q trên tụ điện: q = C.u = C. Um sinωt Ta có i = dq/dt = CωUmcosωt Im = CωUm I = Im cosωt  u = Umsinωt = Umcos( t  ) (3 - 6) 2 So sánh biểu thức (3 - 5) và (3 - 6) ta thấy cường độ dòng điện qua tụ điện biến thiên sớm pha π/2 so với điện áp giữa hai bản tụ điện. Im = Um /XC → I = U/XC XC = 1/(Cω) gọi là dung kháng U Theo định luật Ôm ta có : I  XC 1 1 XC   C 2fC XC : dung kháng Hình 1.22: Đồ thị vectơ mạch điện thuần điện dung Định luật: dòng điện hiệu dụng trong mạch thuần điện dung tỉ lệ với điện áp hiệu dụng và tỉ lệ nghịch với dung kháng của mạch. 3.3.2. Ý nghĩa của dung kháng Tương tự như điện trở, dung kháng XC = 1/Cω là đại lượng biểu hiện sự cản trở dòng điện xoay chiều của tụ điện. Nếu C càng lớn thì XC càng nhỏ và dòng điện xoay chiều bị cản trở ít. Nếu tần số góc càng lớn thì XC càng nhỏ, dòng điện xoay chiều bị cản trở ít. Nói cách khác, dòng điện xoay chiều tần số cao (cao tần) chuyển qua mạch có tụ điện dễ dàng hơn dòng điện xoay chiều tần số thấp.  Ngoài ra, dung kháng cũng có tác dụng làm cho i sớm pha so với u. 2 3.4. Mạch điện xoay chiều có R-L-C mắc nối tiếp 3.4.1. Quan hệ giữa i và u Giả sử khi đặt vào hai đầu nhánh điện áp u, dòng điện trong nhánh có công thức: A R L C B i = I m sint Hình 1.23: Mạch có R, L, C mắc nối tiếp Dòng điện này sẽ gây ra những điện áp UR, UL, UC trên các phần tử R, L, C. Thành phần U R trên điện trở R, gọi là thành phần tác dụng của điện áp, đồng pha với dòng điện và có trị số: U R = IR Thành phần U L trên điện cảm L, vượt pha trước dòng điện một góc 90 0 và có trị số: U L = IX L Thành phần U C trên điện dung C, chậm pha sau dòng điện một góc 90 0 và có trị số: U C = IX C 15
Các đại lượng dòng điện và điện áp đều biến thiên hình sin với cùng tần số, do đó có thể biểu diễn trên cùng một đồ thị véc tơ. Ta có đồ thị véc tơ của mạch được vẽ trên hình (1.24b). R L C i uR uL uC u Z X  R a) Hình 1.24 b) c) Hình 1.25 Điện áp nguồn U bằng: U  U R  U L  UC Từ đồ thị véc tơ ta tính được trị số hiệu dụng của điện áp: U = U R 2  (U L  UC )2 = ( IR)2  ( IX L  IX C )2 = I R2  ( X L  X C )2 = IZ Trong đó: Z= R2  ( X L  X C )2 Z gọi là tổng trở của nhánh R - L - C nối tiếp, có thứ nguyên là . Đặt X = X L - X C được gọi là điện kháng của nhánh R - L - C nối tiếp. Từ công thức tính Z ta thấy điện trở R, điện kháng X và tổng trở Z là ba cạnh của một tam giác vuông. Trong đó cạnh huyền là tổng trở Z, hai cạnh góc vuông là điện trở R và điện kháng X (hình 1.24c). Tam giác tổng trở giúp ta dễ dàng nhớ các quan hệ giữa các thông số R, X, Z và tính được góc lệch pha : U U  UC X  XC X tg = X  L = L  UR UR R R Khi X L - XC = 0 thì tg = 0, góc  = 0: Dòng điện trùng pha với điện áp, lúc này U có hiện tượng cộng hưởng điện áp, dòng điện trong nhánh I = đạt trị số lớn nhất. R Nếu XL - XC > 0 thì tg > 0, góc  > 0: Mạch mang tính cảm kháng, dòng điện chậm sau điện áp một góc . Nếu XL - XC < 0 thì tg < 0, góc  < 0: Mạch mang tính dung kháng, dòng điện vượt trước điện áp một góc . Công thức của điện áp là: u = U m sin (t +) (V) 16
* Định luật Ôm U Từ công thức U = IZ suy ra: I = Z Đó là công thức định luật Ôm cho nhánh R, L, C nối tiếp. Trị số hiệu dụng của dòng điện xoay chiều tỉ lệ thuận với trị số hiệu dụng của điện áp đặt vào nhánh, tỉ lệ nghịch với tổng trở của nhánh. * Cộng hưởng điện áp Cộng hưởng điện áp xảy ra trong mạch R-L-C nối tiếp tại tần số mà ở đó tổng điện kháng của mạch bị triệt tiêu. Khi cộng hưởng, X = 0 nên Q = 0 (mạch không phóng, tích năng lượng với mạch ngoài, mà chỉ nhận vừa đủ công suất tác dụng để bù tổn hao bên trong mạch). Khi X = 0 dẫn đến góc lệch pha φ = 0 (dòng và áp cùng pha) Tần số cộng hưởng: 1   0  LC Điện áp rơi trên các phần tử: UR = U = I.R UL = UC = I.ZL = I.ZC 3.4.3. Công suất của dòng điện hình sin Trong mạch điện xoay chiều R, L, C nối tiếp có 2 quá trình năng lượng sau: - Quá trình tiêu thụ điện năng và biến đổi sang dạng năng lượng khác (tiêu tán, không còn tồn tại trong mạch điện). Thông số đặc trưng cho quá trình này là điện trở R. - Quá trình trao đổi, tích lũy năng lượng điện từ trường trong mạch. Thông số đặc trưng cho quá trình này là điện cảm L và điện dung C. + Trong mạch điện xoay chiều có cuộn tự cảm, do tác dụng của sức điện động tự cảm, lúc thì năng lượng do mạch tạo ra được tích lũy vào cuộn tự cảm, lúc thì năng lượng tích lũy ấy lại phóng trả về nguồn tùy theo sức điện động tự cảm ngược chiều hay cùng chiều với dòng điện chính. + Trong mạch điện có tụ điện, lúc đầu tụ điện được nạp điện (tức tụ điện lấy năng lượng của nguồn tích trữ vào nó tạo thành điện trường ở các bản cực). Khi điện áp ở các bản cực tụ điện càng tăng, đồng thời điện áp của nguồn bắt đầu giảm thì tụ điện lại phóng trả năng lượng cho nguồn. Tương ứng với 2 quá trình ấy, người ta đưa ra khái niệm công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q. a. Công suất tác dụng P Công suất tác dụng P là công suất điện trở R tiêu thụ, đặc trưng cho quá trình biến đổi điện năng sang dạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng, … P = R.I2 Từ đồ thị vectơ hình 1.26 UR = R.I = U.cosφ Suy ra: P = R.I2 = UR.I = U.I.cosφ Đơn vị của công suất tác dụng là oát (W) b. Công suất phản kháng Q Để đặc trưng cho cường độ quá trình trao đổi, tích lũy năng lượng điện từ trường, người ta đưa ra khái niệm công suất phản kháng Q. Hình 1.26 17
Q = X.I2 = (XL – XC). I2 Công suất phản kháng của điện cảm QL QL = XL.I2 Công suất phản kháng của điện dung QC = - XC.I2 Từ đồ thị vectơ hình 1.26 UX = X.I = U.sinφ c. Công suất biểu kiến S Công suất tác dụng và công suất phản kháng chưa đặc trưng cho khả năng làm việc của thiết bị điện. Ta biết mỗi thiết bị điện chỉ làm việc an toàn với một giới hạn của dòng điện và điện áp. Cùng một giới hạn đó nếu góc lệch pha giữa chúng thay đổi thì P và Q sẽ thay đổi theo. Để đặc trưng cho khả năng của thiết bị và nguồn thực hiện 2 quá trình năng lượng xét ở trên, người ta đưa ra khái niệm công suất biểu kiến S. S = U.I = Z.I2 đơn vị là Vôn Ampe (VA) 1KVA = 103 VA 1MVA = 106 VA Ta có: S  P 2  Q 2  P 2  (QL  Qc ) 2 Q Q  Qc tg   L P P Nếu biết S và góc  ta có: P = U.I.cosφ = S cos  Q = U.I.cosφ = S sin  Quan hệ giữa P, Q, S được mô tả bằng một tam giác vuông gọi là tam giác công suất, trong đó S là cạnh huyền, P, Q là 2 cạnh góc vuông. Hình 1.27: Tam giác công suất P, Q, S có cùng thứ nguyên, song để phân biệt ta cho các đơn vị khác nhau: - Đơn vị của P: W, kW, MW - Đơn vị của Q: VAR, kVAR, MVAR - Đơn vị của S: VA, kVA, MVA 4. Ý nghĩa và cách nâng cao hệ số công suất Trong biểu thức công suất tác dụng P = UIcosφ, cosφ được gọi là hệ số công suất. Hệ số công suất phụ thuộc vào thông số của mạch điện. Trong nhánh R, L, C nối R P P tiếp cos   hoặc cos    2 2 R2   X L  X C  S P Q 2 Hệ số công suất cosφ là chỉ tiêu kĩ thuật quan trọng, có ý nghĩa rất lớn về kinh tế: - Nâng cao hệ số cosφ sẽ tăng được khả năng sử dụng công suất nguồn. Ví dụ một máy phát điện có Sđm = 10 000 kVA nếu cosφ = 0,6 công suất định mức phát ra Pđm = Sđmcosφ = 1000.0,6 = 6000 kW, nếu nâng cosφ = 0,9; Pđm = Sđmcosφ = 10000.0,9 = 9 000 kW. Như vậy rõ ràng sử dụng thiết bị có lợi hơn rất nhiều. Mặt khác, mỗi nơi tiêu thụ yêu cầu một công suất tác dụng P xác định. Dòng điện P truyền tải qua đường dây là I  U cos Khi cosφ nhỏ, I lớn, dẫn đến 2 tác hại: 18
+ I lớn phải dùng dây lớn, điều này không kinh tế. + I lớn làm tổn thất trên đường dây nhiều. Vậy tăng hệ số công suất sẽ làm giảm vốn đầu tư, giảm tổn hao điện năng truyền tải. Trong sinh hoạt và trong công nghiệp tải thường có tính chất điện cảm (cuộn dây động cơ điện, maý biến áp, chấn lưu ...) nên cosφ thấp. Để nâng cao cosφ ta dùng tụ điện nối song song với tải gọi là phương pháp bù. a) b) Hình 1.28: Mắc tụ điện để bù cos (a) và đồ thị vectơ (b) Khi chưa mắc tụ điện thì dòng điện trên đường dây bằng dòng điện qua tải I 1, hệ số công suất của mạch là cosφ1 của tải. Khi mắc thêm tụ điện thì dòng điện trên đường dây là: I  I1  IC Từ đồ thị ta thấy dòng điện I trên đường dây giảm, và cosφ tăng lên: I < I1, φ < φ1, cosφ > cosφ1 Vì công suất P của tải không đổi, nên công suất phản kháng của mạch là: + Lúc chưa bù chỉ có công suất Q1 của tải: Q1 = P.tgφ1 + Lúc bù, hệ số công suất là cosφ, công suất phản kháng của mạch là Q = P.tgφ Khi ấy công suất phản kháng của mạch gồm Q1 của tải và QC của tụ điện. Do đó: Q1 + QC = P.tgφ1 + QC = P. tgφ (3 - 7) → QC = - P(tgφ1 – tgφ) Mặt khác, công suất QC = -UCIC = -U.Uω.C = - U2.ω.C (3 - 8) Từ (1) và (2) ta tính được giá trị điện dung C cần thiết để nâng hệ số công suất mạch điện từ cosφ1 lên cosφ là: P C tg1  tg  U 2 Ngoài phương pháp bù, người ta còn dùng biện pháp khác để nâng cao hệ số công suất như tránh dùng các máy biến áp chạy non tải, dùng động cơ chạy non tải hoặc không tải. 5. Hệ thống điện xoay chiều 3 pha 5.1. Định nghĩa Hệ thống điện xoay chiều ba pha là hệ thống mà nguồn điện năng của nó gồm ba sức điện động hình sin cùng tần số nhưng lệch nhau một góc α nào đó. Trong thực tế thường dùng nguồn điện năng ba pha gồm ba sức điện động hình sin cùng tần số, cùng biên độ và lệch nhau một góc 1200. Nguồn ba pha như vậy được gọi là nguồn ba pha đối xứng. Hình 1.29 19
Mạch ba pha đối xứng bao gồm nguồn điện ba pha đối xứng, đường dây truyền tải và các phụ tải ba pha cân bằng. 5.2. Nguyên lý máy phát điện xoay chiều ba pha Để tạo nguồn điện ba pha, ta dùng máy phát điện đồng bộ ba pha. Sau đây ta xét cấu tạo và nguyên lý của máy phát điện đồng bộ ba pha đơn giản. 5.2.1. Cấu tạo Gồm hai phần: stato và rôto - Stato (phần tĩnh): Lõi thép hình trụ, bên trong có sáu rãnh, trên mỗi cặp rãnh ta đặt các dây quấn AX, BY, CZ có cùng số vòng dây và lệch nhau một góc 1200 trong không gian. Mỗi dây quấn là một pha. Dây quấn AX là pha A, BY là pha B và CZ là pha C. - Rôto (phần quay): Cũng là lõi thép hình trụ, đặt bên trong stato và có thể quay quanh Hình 1.30: Cấu tạo máy phát điện trục. Nó chính là nam châm điện N-S được từ ba pha hóa bằng dòng điện một chiều lấy từ nguồn kích thích bên ngoài (hình 1.30). 5.2.2. Nguyên lý làm việc Khi rôto quay, từ trường sẽ lần lượt quét qua các dây quấn stato và cảm ứng vào dây quấn stato các sức điện động sin cùng biên độ, cùng tần số và lệch nhau một góc 2π/3. Nếu chọn pha đầu của sức điện động eA của dây quấn AX bằng không thì các pha B, C lần lượt lệch nhau 1200 ta có biểu thức của sức điện động ba pha là: Sức điện động pha A: eA= Emsin  t 2 Sức điện động pha B: eB= Emsin (  t - 1200) = Emsin (  t - ) 3 4 Sức điện động pha C: eC= Emsin (  t - 2400) = Emsin (  t - ) 3 Hình 1.31: Đồ thị trị số tức thời và đồ thị vectơ sức điện động 3 pha 5.3. Ý nghĩa của hệ thống điện ba pha - Dòng điện xoay chiều 3 pha có thể tạo nên từ trường quay trong động cơ điện xoay chiều 3 pha là động cơ điện thông dụng hiện nay. - Việc truyền tải điện năng bằng dòng điện 3 pha tiết kiệm được khá nhiều kim loại so với việc truyền tải điện năng bằng dòng điện một pha. 20