Giáo trình Kỹ thuật điện

điện ....................................................................5 1.2 Các định luật cơ bản dùng trong mạch điện ........................................................10 1.2.1 Các định luật Ohm .......................................................................................10 1.2.2 Định luật Kirchhoff......................................................................................11 1.3 Phân loại mạch điện ............................................................................................13 1.3.1 Theo dòng điện trong mạch .........................................................................13 1.3.2 Theo tính chất các thông số R,L,C trong mạch............................................13 Câu hỏi và bài tập chương 1 .......................................................................................14 Chương 2: Mạch điện xoay chiều 1 pha.....................................................................15 2.1 Những khái niệm cơ bản về dòng điện xoay chiều hình sin................................15 2.1.1 Định nghĩa....................................................................................................15 2.1.2 Các đại lượng đặc trưng của dòng điện xoay chiều hình sin........................17 2.1.3 Cách biểu diễn các đại lượng xoay chiều hình sin .......................................21 2.2 Mạch điện hình sin một pha ................................................................................24 2.2.1 Mạch thuần điện trở ....................................................................................24 2.2.4 Mạch R-L-C nối tiếp...................................................................................32 Câu hỏi và bài tập chương 2 .......................................................................................62 Chương 3: Mạch điện xoay chiều 3 pha....................................................................66 3.1 Khái niệm chung về mạch điện xoay chiều 3 pha..............................................66 3.1.1 Định nghĩa....................................................................................................66 3.1.2 Nguyên lý phát điện xoay chiều 3 pha(Máy phát điện xoay chiều ba pha) .66 3.2 Cách nối mạch 3 pha ..........................................................................................67 3.2.1 Nối sao (Y)...................................................................................................67 3.2.2 Nối tam giác (∆)...........................................................................................68 3.2.3 Phân biệt giữa lượng dây và lượng pha trong mạch 3 pha ...........................68 3.3 Mạch 3 pha đối xứng..........................................................................................69 3.3.1 Định nghĩa Đặc điểm mạch ba pha đối xứng:..............................................69 3.3.2 Mạch ba pha đối xứng nối hình sao-sao (Y - Y)..........................................69 1 3.3.3 Mạch ba pha đối xứng nối hình tam giác-tam giác (∆ - ∆)..........................70 3.3.4 Mạch 3 pha đối xứng nối phức tạp...............................................................71 3.4 Công suất mạch xoay chiều 3 pha.......................................................................72 3.4.1 Công suất tác dụng.......................................................................................72 3.4.2 Công suất phản kháng..................................................................................72 3.4.3 Công suất toàn phần (biểu kiến) ..................................................................72 3.5 Phương pháp giải mạch điện xoay chiều ba pha đối xứng: .................................73 3.5.1 Giải mạch điện ba pha tải nối hình sao đối xứng.........................................73 3.5.2 Giải mạch điện ba pha tải nối tam giác đối xứng ........................................74 3.5.3 Giải mạch điện ba pha tải nối phức tạp........................................................75 3.5.4. Các ví dụ về giải mạch xoay chiều ba pha..................................................77 Câu hỏi ôn và bài tập chương 3.................................................................................83 Chương 4: Máy biến áp...............................................................................................86 4.1 Khái quát chung về máy điện..............................................................................86 4.1.1 Định nghĩa và phân loại ...............................................................................86 4.1.2. Các định luật điện từ cơ bản dùng trong máy điện. ....................................87 4.1.3. Nguyên lý máy phát điện và động cơ điện .................................................88 4.2. Khái niệm chung về máy biến áp.......................................................................89 4.2.1 Định nghĩa ...................................................................................................89 4.2.2 Phân loại và công dụng của máy biến áp.....................................................89 4.2.3 Các tham số cơ bản của máy biến áp ...........................................................90 4.3 Cấu tạo và nguyên lý làm việc ............................................................................90 4.3.1 Cấu tạo .........................................................................................................90 4.3.2 Nguyên lý làm việc:....................................................................................91 4.4 Các loại máy biến áp...........................................................................................92 4.4.1 Máy biến áp 1 pha( Máy biến áp cảm ứng) .................................................92 4.4.2 Máy biến áp 3 pha........................................................................................92 4.4.3 Các biến áp đặc biệt .....................................................................................93 Câu hỏi ôn chương 4....................................................................................................95 Chương 5: Máy điện quay...........................................................................................96 5.1 Máy điện không đồng bộ ....................................................................................96 5.1.1. Cấu tạo ........................................................................................................96 5.1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ KĐB xoay chiều 3 pha ............................97 2 5.1.3 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ 1 pha chạy tụ ..........................98 5.2.2. Cấu tạo của máy điện đồng bộ ....................................................................99 5.2.3. Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ .......................................100 5.3 Máy điện 1 chiều...............................................................................................101 5.3.1. Cấu tạo ......................................................................................................101 5.3.2 Nguyên lý làm việc: ...................................................................................103 5.4 Một số loại máy điện đặc biệt ...........................................................................104 5.4.1 Động cơ bước .............................................................................................104 5.4.2 Máy phát điện hàn......................................................................................105 Câu hỏi ôn chương 5 ..................................................................................................108 Chương 6: Kỹ thuật đo lường điện ...........................................................................109 6.1 Khái niệm chung về đo lường điện....................................................................109 6.1.1. Định nghĩa.................................................................................................109 6.1.2 Các phương pháp đo...................................................................................109 6.1.3 Kết cấu chung của một dụng cụ đo............................................................109 6.2.2 Dụng cụ đo dòng điện (Am pe mét)...........................................................113 6.3.3 Dụng cụ đo điện trở....................................................................................116 6.2.4 Dụng cụ đo công suất( Oát mét) ................................................................118 6.2.5Dụng cụ đo điện năng (Công tơ mét) ..........................................................119 6.3.1. Đo dòng điện.............................................................................................121 6.3.2. Đo điện áp .................................................................................................121 6.3.3 Đo điện trở .................................................................................................122 Câu hỏi ôn chương 6 ..................................................................................................130 Tài liệu tham khảo.....................................................................................................131 3 Chương 1: Những khái niệm cơ bản về mạch điện 1.1 Khái niệm chung về mạch điện 1.1.1 Định Nghĩa Là tập hợp các thiết bị điện được nối với nhau bằng dây dẫn tạo thành những vòng điện kín trong đó có dòng điện có thể chạy qua. - Mạch điện gồm 3 phần cơ bản + Nguồn điện: Là thiết bị phát ra điện năng như máy phát điện là biến cơ năng thành điện năng, nguồn pin biến hóa năng thành điện năng, pin quang điện biến năng lượng bức xạ mặt trời thành năng lượng điện + Phụ tải: Chính là các thiết bị tiêu thụ điện năng biến điện năng thành các dạng năng lượng khác Ví dụ: - Động cơ điện biến điện năng thành cơ năng. - Bàn là điện biến điện năng thành nhiệt năng. - Bóng đèn chiếu sáng biến điện năng thành quang năng. + Dây dẫn: Là bộ phận quan trọng làm nhiệm vụ dẫn điện từ nguồn đến tải thường làm bằng đồng, nhôm... + Ngoài ra còn có các thiết bị phụ trợ khác: - Thiết bị đóng cắt: Công tắc, ATM - Thiết bị đo lường: Các loại đồng hồ đo các đại lượng điện - Thiết bị bảo vệ & báo tín hiệu Ví dụ : Mạch điện đơn giản hình1-1 K MF V Đ/C Đ Hình 1-1: Sơ đồ mạch điện đơn giản 4 1.1.2 Kết cấu hình học của mạch điện Nhánh: Nhánh chính là bộ phận của mạch điện gồm các phần tử nối tiếp với nhau trong đó có cùng dòng điện chạy qua Nút: Là chỗ gặp nhau của 3 nhánh trở lên Vòng: Là lối đi khép kín qua các nhánh, hay là tập hợp các nhánh nối tiếp nhau tạo thành 1 vòng khép kín Mắt lưới: (Số vòng độc lập ) là các vòng không chứa nhánh ở bên trong Ví dụ: cho sơ đồ mạch điện như hình 1-2 A B C C R1 V2 V1 R2 L e V3 F D E Hình 1-2 Sơ đồ kết cấu hình học của mạch điện Mạch điện này gồm: 3 nhánh: AF, BE, CD 2 nút: A (B =C), F (E =D) 3 mạch vòng 2 mắt lưới 1.1.3 Các thông số cơ bản của mạnh điện. a. Nguồn điện áp - Nguồn sức điện động. + Nguồn điện áp đặc trưng cho khả năng tạo nên và duy trì một điện áp trên 2 cực của nguồn. Ký hiệu: Có chiều từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp. Ut 5 + Nguồn sức điện động đặc trưng cho khả năng sinh công của nguồn điện đó. e(t) có chiều từ nơi có điện thế thấp đến nơi có điện thế cao Ký hiệu: e(t) e(t) Đơn vị: mv, v, Kv 1mv = 10-3v 1v = 103mv 1Kv = 103v b. Nguồn dòng điện : j (t) Nguồn dòng điện j(t) đặc trưng cho khả năng của nguồn điện tạo nên và duy trì một dòng điện cung cấp cho mạch ngoài . - Kí hiệu: J(t) >> - Dòng điện (i) về trị số bằng tốc độ biến thiên của lượng điện tích (q) qua tiết diện ngang của vật dẫn dq i = (1- 1) dt - Chiều dòng điện theo quy ước là chiều của các điện tích dương ngược chiềuvới các điện tử tự do. c. Điện trở R I R UR l R = ρ. (1- 2) s ρ : là điện trở suất của của vật liệu làm dây dẫn (Ωmm2/m) l : chiều dài vật dẫn (m) S: Tiết diện vật dẫn (mm2) 6 - Khi cho dòng điện chạy qua vật dẫn(điện trở) sẽ sinh ra điện áp rơi trên điện trở UR = Ri (1- 3) - Công suất tiêu thụ dưới dạng nhiệt P = I2ì R (w ; Kw) (1- 4) - Điện năng tiêu thụ trong thời gian t là A = Pt = I2ìRìt (w/h) (1- 5) - Cách đấu điện trở: + Đấu nối tiếp + Đấu song song + Đấu hỗn hợp d) Điện cảm L Khi cho dòng điện i chạy qua một cuộn dây có số vòng w sẽ sinh ra một từ thông móc vòng cuộn dây Ψ = wφ. Điện cảm của cuộn dây là L được xác định: ψ w.φ L = (H) = (H) (1- 6) i i Nếu i biến thiên → Ψ biến thiên theo hiện tượng cảm ứng điện từ. Trong cuộn dây xuất hiện một suất điện động tự cảm có chiều chống lại từ thông sinh ra nó. KH: SĐĐ tự cảm eL dΨ L.di e =− =− (1- 7) L dt dt → Cuộn dây xuất hiện một điện áp UL ngược với eL Ldi u =−e = (1- 8) L L dt Công suất tức thời của cuộn cảm pL = uL. i (1- 9) Năng lượng từ trường tích lũy trong cuộn dây WL t = = 1 2 WL ∫ PL dt LI (1- 10) 0 2 Kết luận: Điện cảm L đặc trưng cho hiện tượng tích lũy năng lượng từ trường của cuộn dây gọi là một kho từ. 7 e. Tụ điện C Khi đặt một điện áp lên một tụ điện có điện dung C. Tụ điện C được nạp một điện tích q q = C. UC (1- 11) i C UC Nếu UC biến thiên sẽ có một dòng điện chuyển dịch qua tụ dq du i = = C C (1- 12) dt dt t = 1 u C ∫idt (1- 13) C 0 Nếu tại thời điểm ban đầu t = 0 tụ đã được tích một điện tích ban đầu: 1 t UC = ∫idt + UC (0) (1- 14) C 0 Công suất tức thời trong tụ du p = u i = u C C (1- 15) c C C dt Năng lượng tích luỹ trong điện trường của tụ điện t = 1 2 WC = ∫ pdt C.U C (1- 16) 0 2 Kết luận: Tụ điện C đặc trưng cho hiện tượng tích luỹ năng lượng điện trường của tụ điện gọi là kho điện. g. Hỗ cảm M Hiện tượng hỗ cảm là hiện tượng xuất hiện điện áp trong một cuộn dây do dòng điện biến thiên trong cuộn dây khác tạo nên. M * * 11 21 i1 W1 i2 W2 Hình 1-3: Hai cuộn dây có hỗ cảm 8 Hai cuộn dây W1 và W2 có liên hệ hỗ cảm với nhau. Từ thông hỗ cảm trong hai cuộn dây do dòng điện i1 tạo nên là: ψ 21 = Mi1 (1- 17) ψ 21 là từ thông hỗ cảm trong cuộn dây 2 do cuộn dây 1 gửi sang M là hệ số hỗ cảm giữa hai cuộn dây dψ Mdi Nếu i biến thiên => U = 12 = 1 (1- 18) 1 21 dt dt Tương tự nếu cho dòng i2 vào cuộn dây W2 thì điện áp hỗ cảm trên cuộn dây W1 do dòng i2 sinh ra là: dψ Mdi U = 12 = 2 (1- 19) 12 dt dt Ký hiệu: M L1 L2 * * h. Các đại lượng đặc trưng của mạch điện + Dòng điện Dòng điện về trị số bằng tốc độ biến thiên của lượng điện tích q qua tiết dq diện ngang một vật dẫn: i = (1- dt 20) Chiều quy ước là chiều chuyển động của các điện tích dương trong điện trường + Điện áp Hiệu điện thế giữa hai điểm gọi là điện áp =ϕ −ϕ U AB A B (1- 21) ϕ A: Điện thế tại A. ϕ B: Điện thế tại B Chiều điện áp là chiều từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp + Công suất Trong mạch điện một nhánh hoặc một phần tử có thu hoặc phát năng lượng P = UI >0 Nhánh nhận năng lượng 9 P = UI<0 Nhánh phát năng lượng Với chiều dòng và áp trùng nhau 1.2 Các định luật cơ bản dùng trong mạch điện 1.2.1 Các định luật Ohm a. Định luật Ohm cho đoạn mạch không nguồn Phát biểu: Dòng điện trong mạch tỷ lệ thuận với điện áp hai đầu đoạn mạch và tỷ lệ nghịch với điện trở của đoạn mạch A R B I U Biểu thức: I = AB (A) (1- 22) R b. Định luật Ohm cho đoạn mạch có nguồn Phát biểu: Điện áp giữa hai đầu đoạn mạch có nguồn bằng tổng đại số các sụt áp rơi trên các phần tử trừ đi tổng đại số các sức điện động có trong đoạn mạch. A R − + B I e Trong đó: Nếu dòng điện cùng chiều điện áp thì sụt áp lấy dấu cộng ngược lại lấy dấu trừ (RI dương khi chiều dòng điện đi từ A đến B và âm khi chiều dòng điện ngược lại) Nừu SĐĐ cùng chiều điện áp lấy dấu âm ngược lại lấy dấu trừ (E dương khi đầu A nối với cực (+) và âm khi đầu A nối với cực (-) của nguồn) m Biểu thức: UAB = ∑RI -∑E k (1- k=1 23) c. Định luật Ôm cho toàn mạch 10 Phát biểu: Dòng điện qua một mạch kín bằng tổng đại số các sức điện động có trong mạch chia cho tổng các điện trở có trong toàn mạch Với E có chiều cùng chiều dòng điện lấy dấu (+). Với E có chiều ngược chiều dòng điện lấy dấu (-). m ∑ E K Biểu thức: I = K =1 (1- 24) ∑ Rn Ví dụ với mạch điện như hình 1-4 E1 R R i + - 1 2 R R 4 + - 3 E2 Hình 1-4 Biểu thức tính dòng điện như sau E − E I = 1 2 + + + R1 R2 R3 R4 1.2.2 Định luật Kirchhoff a. Định luật Kirchhoff 1 (Phát biểu cho một nút) Phát biểu: + Tổng đại số các dòng điện tại một nút bằng không + Tại một nút tổng dòng vào bằng tổng dòng ra Với dấu qui ước: Dòng đi vào nút lấy dấu dương, dòng đi ra nút lấy dấu âm m = Biểu thức: ∑IK 0 (1- 25) K =1 ý nghĩa: Nói lên tính chất liên tục của dòng điện, trong một nút không có hiện tượng tích luỹ điện tích, có bao nhiêu điện tích đến nút thì có bấy nhiêu điện tích rời khỏi nút. 11 Ví dụ với một nút của mạch điện như hình 1-5 i i1 2 i3 A i8 i4 i7 i5 i6 Hình 1-5: Sơ đồ dòng điện tại một nút Ta có thể viết i1 + i2 + i5 + i8 = i3 + i4 + i6 + i7 b. Định luật Kirchoff 2 (Phát biểu cho một mạch vòng khép kín) Phát biểu: Đi theo một vòng khép kín theo một chiều tuỳ ý tổng đại số các điện áp rơi trên các phần tử bằng tổng đại số các sức điện động có trong mạch vòng, trong đó những sức điện động và dòng điện có chiều cùng với chiều vòng thì lấy dấu dương, ngược lại thì mang dấu âm h l = Biểu thức: ∑IK .RK ∑ Ei (1- 26) K =1 i =1 VD: Cho mạch điện như hình 1- 6. Hãy viết phương trình K1 K2 I I1 A 2 I3 R1 R2 I R3 II E1 E2 B Hình 1-6: Mạch điện gồm hai nút ba nhánh K1 tại A: I1 + I2 - I3 = 0 K2: 12 Vòng I: -E1 = -I3R3 + I1R1 Vòng II: E2 = I3R3 + I2R2. 1.3 Phân loại mạch điện 1.3.1 Theo dòng điện trong mạch a) Mạch điện một chiều Mạch điện có dòng điện một chiều chạy qua gọi là mạch điện một chiều. Dòng điện có trị số không thay đổi theo thời gian gọi là dòng điện không đổi b) Mạch điện xoay chiều Mạch điện có dòng điện xoay chiều chạy qua gọi là mạch điện xoay chiều. 1.3.2 Theo tính chất các thông số R,L,C trong mạch a) Mạch điện tuyến tính Tất cả các phần tử trong mạch đều là các phần tử tuyến tính, nghĩa là các thông số R,L,C,M là hằng số, không phụ thuộc vào dòng điện điện áp trên chúng. b) Mạch điện phi tuyến Mạch điện có chứa ít nhất một phần tử phi tuyến gọi là mạch phi tuyến. Thông số R,L,C,M của phần tử phi tuyến thay đổi phụ thuộc vào dòng điện chạy qua, điện áp đặt lên chúng. 13 Câu hỏi và bài tập chương 1 1) Các thông số đặc trưng của mạch điện là gì, ý nghĩa của nó. 2) Quan hệ dòng và áp trong các phần tử của mạch điện. 3) Phát biểu các định luật Kirchoff viết biểu thức và nêu ý nghĩa của nó. 4) Bài tập1: Vẽ mạch điện gồm đầy đủ các phần tử R, L, C có ba nút và năm nhánh. Viết phương trình của định luật Kirchoff 1 và định luật Kirchoff 2 cho mạch điện trên. 5) Bài tập 2: Vẽ mạch điện gồm đầy đủ các phần tử R, L, C và M có ba nút và năm nhánh. Viết phương trình của định luật Kirchoff 1 và định luật Kirchoff 2 cho mạch điện trên 6) Bài tập 3: Đặt một điện áp vào điện trở 120V, sẽ có dòng điện 0,5A qua mạch. Tìm trị số điện trở 7) Bài tập 4: Một bếp điện điện trở 24V, đặt vào mạch điện có dòng điện 5A qua bếp. Tìm điện áp đặt vào bếp? Giả xử cần giảm dòng diện đi 5 lần thì điện trở bếp phải là bao nhiêu nếu điện áp đặt vào mạch là không đổi? Tính công suất bếp trong cả hai trường hợp? 14 Chương 2: Mạch điện xoay chiều 1 pha 2.1 Những khái niệm cơ bản về dòng điện xoay chiều hình sin 2.1.1 Định nghĩa Dòng điện xoay chiều là dòng điện biến đổi cả chiều và trị số theo thời gian(Hình 2.1a) Dòng điện xoay chiều hình sin là dòng điện xoay chiều biến thiên theo quy luật hình sin (Hình 2.1b) UV UV ωt   ωt 0 2 0 2 T a) Dạng tín hiệu xoay chiều b) Dạng tín hiệu xoay chiều hình sin Hình 2.1: Các dạng tín hiệu xoay chiều * Nguyên lý tạo ra sức điện động xoay chiều hình sin - Sức điện động xoay chiều hình sin được tạo ra bởi máy phát điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha + Cấu tạo máy phát điện xoay chiều 1 pha gồm 2 bộ phận chính: - Phần tĩnh (stato): • Lõi thép là các lá thép kỹ thuật điện ghép với nhau tạo thành hình trụ rỗng mặt trong của hình trụ có phay rãnh để đặt dây quấn • Dây quấn bao gồm các vòng dây điện từ - Phần quay (rôto) là một nam châm điện. Hệ thống được chế tạo sao cho trị số từ cảm ở khe hở không khí (giữa Rôto & Stato) phân bố theo quy luật hình sin. Nghĩa là khung dây ở bất kỳ vị trí nào cũng chịu tác dụng của từ cảm α B = Bmsin 15 α là góc tạo bởi mặt phẳng khung dây với mặt phẳng trung tính 0 0’ Bm trị số cực đại của từ cảm. + Khi quay rôto bằng động cơ sơ cấp với tốc độ ω , từ trường của rotor sẽ cắt dây quấn phần ứng stator. Theo định luật cảm ứng điện từ thì sức điện động xuất hiện trong mỗi cạnh của khung dây stator là: ec = Blv (*) Tại thời điểm ban đầu (t = o) khung dây nằm trên mặt phẳng 00’ Tại thời điểm t≠0 thì khung dây ở vị trí α = ωt ω Do đó: B =Bm .sin t ω Thay vào biểu thức (*) ta có ec = Bmlvsin t Mà mỗi vòng dây có 2 cạnh nên sức điện động của vòng sẽ là: ω ev = 2.Bm lvsin t Nếu khung dây có (w) vòng thì sức điện động của khung sẽ là: ω e = 2wBm lvsin t Đặt Em = 2wBm lv ω Thì e = Em sin t ở 2 đầu khung dây ta lấy được sức điện động biến thiên theo qui luật hình sin có đồ thị (hình 2.2) N +Em α = 2ωt ωt α = 2ωt Π 2Π 0 1/2T O O’ -Em T S Hình 2.2: Nguyên lý tạo ra sức điện động xoay chiều một pha Sức điện động này có tần số Pn f = 60 16 P: Là số đôi cực n: Là tốc độ phần ứng ( Rôto) f: Tần số 2.1.2 Các đại lượng đặc trưng của dòng điện xoay chiều hình sin Ta có quan hệ hàm hình sin ω ψ i = Im sin ( t + ) a. Chu kỳ: Là khoảng thời gian ngắn nhất để dòng điện lặp lại quá trình biến thiên cũ Ký hiệu : T Đơn vị: giây ( S ) b. Tần số: Số chu kỳ mà dòng điện thực hiện trong một giây gọi là tần số 1 Ký hiệu: f f = T Đơn vị: Hz ( héc ) 1kHz = 10 3 Hz 1MHz = 10 6 Hz Quan hệ: f & T 1 1 f = T = T f c. Trị số tức thời Là giá trị ứng với mỗi thời điểm i,u ω ψ i1 = Im1sin( t1+ i) Im + Im1 2∏ ωt 0 t1 -Im T Hình 2.3: Biểu diễn trị số tức thời của dạng tín hiệu xoay chiều hình sin 17 Tại thời điểm t1 thì giá trị tức thời là: ω ψ i1 = I m sin( t1 + ) d. Biên độ - Là giá trị lớn nhất của đại lượng hình sin ω ψ i = Im sin ( t + ) ω ψ e = E m sin( t + ) ω ψ u = U m sin( t + ) =>I m , E m , U m là biên độ của đại lượng hình sin e. Góc pha (ωt +ψ) gọi là góc pha, đặc trưng cho lượng biến thiên các đại lượng hình sin Tại thời điểm t = 0 thì góc pha = ψ -> Nên ψ gọi là góc pha đầu ω: Là tốc độ góc hay tần số góc 2π ω = 2πf = ( rad /s ) T - Nếu 2 đại lượng hình sin mà có góc pha đầu khác nhau thì 2 đại lượng hình sin đó lệch pha nhau ω ψ i1 = Im sin( t + 1 ) ω ψ i2 = Im sin( t + 2 ) i i1 i2 ωt 0 ψ i2 Hình 2.4: Biểu diễn góc pha của các tín hiệu xoay chiều hình sin 18 - Nếu 2 đại lượng hình sin mà có góc pha đầu bằng nhau thì 2 đại lượng hình sin đó trùng pha nhau ω ψ i = Imsin( t + 1) ω ψ u = um sin( t + 1) i,u u i t 0 Hình 2.5: Biểu diễn sự trùng pha của các tín hiệu xoay chiều hình sin - Nếu hai đại lượng lệch đi một góc 1800 thì hai đại lượng đó ngược pha nhau i,u i u 0 t Hình 2.6: Biểu diễn ngược pha của các tín hiệu xoay chiều hình sin g. Pha và sự lệch pha - Lượng (ωt +ψ) đặc trưng cho dạng biến thiên của lượng hình sin được gọi là góc pha hoặc là pha. ω ψ e = Em sin( t + ) (ωt +ψ) góc đặc trưng cho pha hay góc pha (ωt + ψ) Khi khung dây quay được một góc 2 π thì lượng hình sin biến thiên hết một chu kỳ 19 ωT = 2 π 2π 1 ω = = 2 π f Với = f T T Như vậy một lượng hình sin sẽ được hoàn toàn xác định nếu biết: + Biên độ Im , Um , Em + Tốc độ góc ω hoặc chu kỳ T hoặc tần số f + Góc pha đầu ψ ψ - Sự lệch pha: Hai khung dây giống nhau lần lượt có các góc pha đầu 1 và ψ 2 ω ψ e1 = Em sin( t + 1) ω ψ e2 = Em sin( t + 2) e N e1 e2 ψ 2 t T ψ 0 1 1  O O’ 2  S Hình 2.7: Biểu diễn pha của các tín hiệu xoay chiều hình sin Nhìn vào đồ thị ta thấy e1 và e2 biến thiên tương tự nhau nhưng e1 luôn chậm sau e2 một khoảng thời gian hay một góc nào đó như đạt cực đại chậm hơn, về không chậm hơn Lượng sai khác đó chính là hiệu hai góc pha của e1 và e2 được gọi là góc lệch pha giữa chúng ký hiệu ϕ ϕ ω ψ ω ψ ψ ψ =( t + 1) - ( t + 2) = 1 - 2 ϕ ψ ψ > ψ ψ - Nếu = 1 - 2 0 tức 1 > 2 ta bảo e1 vượt pha trước e2 hay e2 chậm pha sau e1 20 ϕ ψ ψ - Nếu < 0 tức 1 < 2 ta bảo e1 chậm pha sau e2 ϕ ψ ψ - Nếu = 0 tức 1 = 2 => e1 và e2 trùng pha nhau ϕ π - Nếu = tức e1 dương e2 âm và ngược lại ta nói e1 và e2 ngược pha nhau (đối pha nhau) h. Trị số hiệu dụng Trị số tức thời chỉ đặc trưng cho tác dụng của lượng hình sin cho từng thời điểm. Để đặc trưng cho tác dụng trung bình của lượng hình sin trong mỗi chu kỳ về mặt năng lượng người ta dựa vào khái niệm về trị số hiệu dụng Định nghĩa: Trị số hiệu dụng của một dòng điện xoay chiều là giá trị tương đương với dòng điện một chiều khi đi qua cùng một điện trở trong khoảng thời gian một chu kỳ của dòng xoay chiều, chúng cùng toả ra một nhiệt lượng như nhau Ký hiệu : I, U, E (chữ in hoa) Quan hệ giữa trị hiệu dụng trị biên độ I U E I = m ; U = m ; E = m 2 2 2 => I m = 2 I; U m = 2 U; E m = 2 E 2.1.3 Cách biểu diễn các đại lượng xoay chiều hình sin a) Biểu diễn bằng biểu thức toán học Muốn biểu diễn đại lượng hình sin bằng hàm hình sin thì ta phải biết đủ ba lượng: Biên độ, tần số và góc pha đầu ω ψ i = Imsin( t + i) (A) ω ψ e = Em sin( t + e) (V) ω ψ u = um sin( t + u) (V) b) Biểu diễn bằng đồ thị hình sin Muốn biểu diễn đại lượng hình sin bằng đồ thị hình sin thì ta phải biết đủ ba lượng: Biên độ, tần số và góc pha đầu Cách biểu diễn Lấy trục hoành làm trục thời gian (t) hay trục tần số góc (ωt) trục tung biểu diễn giá trị tức thời và chỉ cần vẽ cho một chu kỳ 21 + Nếu góc pha đầu ϕ = 0 thì điểm bắt đầu chu kỳ từ gốc 0 + Nếu góc pha đầu ϕ > 0 thì điểm bắt đầu chu kỳ dịch về bên trái một đoạn bằng góc pha đầu là ψ + Nếu góc pha đầu < 0 thì điểm bắt đầu chu kỳ dịch về bên phải một đoạn bằng góc pha đầu là ψ i,e,u i,e,u i,e,u t t t 0  0 0   = 0  > 0  < 0 Hình 2.8: Biểu diễn góc pha ban đầu của các tín hiệu xoay chiều hình sin c) Biểu diễn bằng đồ thị vectơ Một đại lượng hình sin bất kỳ đều có thể biểu diễn bằng một vectơ - Độ dài vectơ xác định bằng trị hiệu dụng - Còn góc pha đầu xác định bởi góc hợp bởi vectơ đó với chiều dương trục hoành y y I ψ > 0 x x 0 0 ψ < 0 U ω ψ ω ψ i = Imsin( t + ) (A) u = Umsin( t - ) (V) Hình 2.9: Biểu diễn đồ thị vector của các tín hiệu xoay chiều hình sin Nếu góc pha đầu có giá trị dương thì vectơ với chiều dương trục hoành một góc pha đầu ngược chiều kim đồng hồ 22 Nếu góc pha đầu có giá trị âm thì vectơ với chiều dương trục hoành một góc pha đầu cùng chiều kim đồng hồ Chú ý: Chọn tỷ lệ xích ( Modul của véctơ ) theo giá trị hiệu dụng mà không chọn theo biên độ Từ đồ thị ta có thể xác định được Biên độ của lượng hình sin (Dựa vào tỷ lệ xích) Góc pha đầu (đo bằng thước đo độ ) Góc lệch pha giữa hai lượng hình sin (góc hợp bởi vectơ này với vectơ kia) Tốc độ góc ω & xác định được f & T Nếu các đại lượng có cùng một tần số thì ta có thể biểu diễn chúng trên cùng 1 đồ thị gọi là đồ thị vectơ d) Biểu diễn dòng điện hình sin bằng số phức Khi giải mạch điện cần biểu diễn các đại lượng hình sin bằng số phức * Bằng véc tơ phức + Hệ trục phức thay Ox bằng trục thực +1, trục Oy bằng trục ảo +j + Độ dài của véc tơ phức bằng modun của lượng hình sin + Véc tơ hợp với trục thực một góc ψ . Nếu ψ >0 thì ngược chiều kim đồng hồ. Nếu ψ <0 thì cùng chiều kim đồng hồ một góc bằng góc ψ j . U (u>0, i<0) u 0 i +1 . I Hình 2.10: Biểu diễn đồ thị phức của các tín hiệu xoay chiều hình sin 23 * Dạng số mũ . Ψ = J U = ∠Ψ U U.e U U . Ψ = J I = ∠Ψ I I.e I I * Dạng đại số . = Ψ + Ψ U U cos U jU sin U . = Ψ + Ψ I I cos I jI sin I Với U,I là giá trị hiệu dụng ψ là góc pha đầu của dòng và áp 2.2 Mạch điện hình sin một pha 2.2.1 Mạch thuần điện trở Là mạch điện chỉ có thành phần điện trở u(t) i R Hình 2.11: Mạch điện thuần điện trở 1. Quan hệ dòng và áp trên mạch thuần trở Giả sử hai đầu mạch thuần trở có điện áp xoay chiều ω u = Um sin t (1) khi đó trong mạch có dòng điện i . ở mỗi thời điểm theo định luật ôm ta có u U i = = m sin ωt R R u Đặt I = m => i = I sin ωt ( 2) m R m So sánh biểu thức (1) & (2) ta thấy trong mạch thuần trở - Dòng và áp đồng pha nhau, có cùng tần số - Biên độ dòng và áp quan hệ với nhau theo định luật ôm 24 U m I U vì m = 2 => I= 2 R R U = IR Đó là định luật ôm áp dụng cho mạch thuần trở Ta có đồ thị véc tơ và đồ thị hình sin. I i R UR UR a) Chiều dòng điện và điện b) Đồ thị vector dòng điện và áp trên điện trở điện áp trên điện trở P UR PR U R UI Pm ωt O iR Π 2 Π c)Đồ thị đường cong dòng điện, điện áp và công suất trên điện trở Hình 2.12: Đồ thị dòng điện, điện áp và công suất trên điện trở 2 Công suất a. Công suất tức thời trong mạch thuần trở Là tích giữa dòng điện và điện áp tức thời = = ω ω P u i U m sin t I m sin t = 2UIsin2ωt 1− cos2ωt =2U I =UI−UIcos2ωt 2 25 Như vậy công suất gồm 2 thành phần - Thành phần không đổi P = UI - Thành phần biến...= 1/(1/R1+1/R2) = R1R2/(R1+R2) 2.4.5 Phương pháp điện áp hai nút Phương pháp này chỉ áp dụng để giải các mạch điện chỉ có hai nút n = 2. Đó là các mạch có nhiều nguồn và tải cùng dấu trên cùng thanh góp A (Thanh góp dương) và thanh B (thanh góp âm) chung, là trường hợp hay gặp trong thực tế. A I I I 1 2 3 I   4 E1 E2  E3 Z4 Z1 Z2 Z3 B Hình 2.35: Mạch điện dạng phức có hai nút nhưng bốn nhánh a) Lập công thức  = − - Gọi điện áp giữa hai nút A, B là : U AB  A  B và chọn chiều dòng điện các nhánh. 54 - áp dụng định luật K2 cho từng mạch vòng mỗi mạch vòng tạo bởi một  nhánh khép kín với điện áp U AB . Viết phương trình K2 cho từng mạch vòng.  - áp dụng định luật K1 tìm ra U AB theo các dữ kiện đầu vào. Cho mạch điện, chọn chiều và đặt tên cho dòng điện nhánh như hình 2-30 áp dụng định luật K2 cho từng mạch vòng mỗi nhánh khép kín với điện áp  U AB ta có: E−U =  +  => = 1 AB = −  E1 I1 Z1 U AB I1 ( E1 U AB )Y1 (a) Z1 E −U  =  +  => = 2 AB =  −  E2 I 2 Z 2 U AB I 2 ( E2 U AB )Y2 (b) Z 2 E −U  =  +  => = 3 AB =  −  E3 I 3 Z 3 U AB I 3 ( E3 U AB )Y3 (c) Z 3 Đối với nhánh không nguồn ta có: U = AB =  I 4 U ABY4 (d) Z 4 áp dụng định luật K1 cho nút A + + − = I1 I2 I3 I4 0  −  +  −  +  −  −  = (E1 U AB )Y1 (E21 U AB )Y2 (E3 U AB )Y3 U ABY4 0 m ∑ E Y EY + EY + EY K K U =  − = 1 1 2 2 3 3 = K =1 AB A B + + + Y1 Y2 Y3 Y4 ∑Ym Nghĩa là: Điện áp giữa 2 điểm nút của các nhánh song song bằng tổng đại số các tích suất điện động nhánh với điện dẫn của nhánh chia cho tổng điện dẫn của  các nhánh với (EK YK ) là tổng đại số với dấu qui ước. Suất điện động nào có chiều hướng về nút có điện thế (+) thì lấy dấu (+) ngược lại mang dấu (-).      Sau khi tính được U AB thay vào phương trình a,b,c,d tính I1 , I 2 , I 3 , I 4 b) Các bước giải mạch điện bằng phương pháp điện thế hai nút: B1: Chọn nút có điện thế (+) và nút có điện thế (-). 55 Chọn chiều và đặt tên dòng điện các nhánh (các nhánh có nguồn thì hướng về nút dương). B2: áp dụng công thức m ∑ E Y EY + EY + EY K K Tính U U =  − = 1 1 2 2 3 3 = K =1 AB AB A B + + + Y1 Y2 Y3 Y4 ∑Ym  Nếu U AB < 0 thì chọn lại nút (+) và (-) của mạch B3: Tính dòng điện các nhánh 2.4.6 Ví dụ áp dụng Ví dụ 1 Cho mạch điện như hình 2.35 E 1= 125V; E2 = 90V Ω R1 = 3 Ω R2 = 2 Ω R3 = 4 Tìm I1, I2, I3 A I1 I3 I2 R1 R2 R3 E1 E2 B Hình 2.36 Giải + Tính điện áp UAB E g + E g U = 1 1 2 2 = 80 V AB + + g1 g 2 g3 − E1 U AB + Tính dòng các nhánh I1 = =15A ; R1 − E 2 U AB I2 = = 5A ; R 2 56 U AB I3 = = 20A R3 Ví dụ 2: Cho mạch điện như hình vẽ A I2 E = 125 V I 1 1 I3 E = 90 V 2 R1 R2 I R II Ω 3 R1 = 3 E E Ω 1 2 R2 = 2 Ω R3 = 4 . B Hình 2-37 Tìm dòng điện trong các nhánh. Giải B1: Đặt tên và chọn chiều dòng nhánh và các mắt lưới như hình vẽ. B2: Lập hệ phương trình K1 tại A I1+ I2 - I3 = 0 (1) K2: Vòng 1 I1.R1 + I3.R3 = E1 (2) Vòng 2 I2.R2 + I3.R3 = E2 (3) B3: Giải hệ phương trình gồm 3 phương trình 1, 2, 3. Từ (2) và (3) rút ra: E −I .R = 1 3 3 I1 (4) R1 E −I .R = 2 3 3 I 2 (5) R 2 Thay phương trình (4), (5) vào phương trình (1) ta có: E − I .R E − I .R 1 3 3 + 2 3 3 − = I 3 0 (6) R1 R2 Thay số vào phương trình (6) => I3 = 20 (A) Thay số vào phương trình (5) => I2 = 5 (A) Thay số vào phương trình (4) => I1 = 15 (A) 57 Ví dụ 3: Cho mạch điện như hình 2 – 38. I Biết: A 2  = I E1 125 V 1  I 3 0  = ∠ Z Z2 E2 90 0 (V) 1  Z3  I I b Z = 3 (Ω) a 1   E1 E2 = Ω Z 2 2 ( ) = Ω Z 3 4 ( ) . B Hình 2-38 Tìm dòng điện trong các nhánh bằng phương pháp dòng điện vòng. Giải. B1: Đặt tên và chọn chiều dòng nhánh dòng điện vòng của các mắt lưới như hình vẽ. B2: Lập hệ phương trình  + +  =  K2: Vòng A I A (Z1 Z 3 ) I B Z 3 E1 (1)  + +  =  Vòng B I B (Z 2 Z 3 ) I A Z 3 E2 (2) B2: Giải hệ phương trình gồm 2 phương trình 1, 2. Ta tìm được dòng điện   vòng I A , I B B3: Tìm dòng điện các nhánh =  =  =  =  =  +  = I1 I A 15A ; I 2 I B 5A ; I 3 I A I B 20A Ví dụ4: Cho mạch điện như hình 2-39 A I1 I3 E 1= 125V I2 E2 = 90V R1 R2 R Ω; Ω; Ω 3 R1 = 3 R2 = 2 R3 = 4 E1 E2 Tìm I1, I2, I3 bằng phương pháp điện áp hai nút. B Hình 2-39 58 Giải + Tính điện áp UAB E g + E g U = 1 1 2 2 = 80 V AB + + g1 g 2 g3 − E1 U AB + Tính dòng các nhánh I1 = =15A ; R1 − E 2 U AB I2 = = 5A ; R 2 U AB I3 = = 20A R3 Ví dụ5: cho mạch điện (hình 2. 40) có: Ω E = 131V; R0 = 0,5 ; Ω Ω Rd = 2 ; R1 = 150 Ω Ω R2 = 75 ; R3 = 60 Xác định I trong các nhánh và công suất của các bóng đèn tiêu thụ? Rd I E R1 R2 R3 RAB R0 I1 I2 I3 Hình 2-40 Giải: Điện dẫn tương đương của ba bóng đèn đấu song song gAB = g1+g2+g3 = 1/R1+1/R2+1/R3 = 1/150+1/75+1/60 = 11/300 S Điện trở tương đương: Ω RAB = 1/gAB = 300/11 = 27,3 Thay ba bóng đèn song song bằng một điện trở tương đương (đường nét đứt trên hình vẽ) và áp dụng định luật Ôm cho toàn mạch: I = E/R = E/(R0+Rd+RAB) = 131/(0,5 + 2 + 27,3) = 4,4A Điện áp đặt vào hai điểm AB 59 UAB = I1/g1= I2/g2= I3/g3 = (I1+I2+I3)/(g1+g2+g3) = I/gAB = 4,4/(11/300) = 120V Từ đó: I1 = UABg1 = 120*1/150 = 0,8A I2 = UABg2 = 120*1/75 = 1,6A I1 = UABg3 = 120*1/60 = 2A Nghiệm lại: I1+ I2+I3 = I hay 0,8+1,6+ 2 = 4,4A Công suất các bóng đèn tiêu thụ 2 2 P1 = I1 *1R1 = 0,8 *150= 96W 2 2 P2 = I2 *2R2 = 1,6 *75= 120W 2 2 P1 = I1 *3R3 = 2 *60= 240W Ví dụ 6: Ω Ω Cho mạch điện như hình 2. 41 biết: U = 230V, R1 = R2 = 0,5 , R3 = 8 , Ω Ω Ω Ω Ω Ω R4 = 12 , R5 = R6 = 1 , R7 = 2 , R8 =15 , R9 =10 , R10 =20 . Tìm dòng điện trong các nhánh? Giải: R I9 9 R1 R8 I1 I8 I 3 I4 R U R 10 R3 4 R2 R7 I2 I7 I5 I6 R5 R6 Hình 2-41 Ta giải bằng phương pháp biến đổi tương đương. Lần lượt thực hiện biến đổi nối tiếp và song song ta có: Ω R11 = R9 + R10 = 10+20 = 30 R R 15*30 R = 11 8 = =10 Ω 12 + + R11 R8 15 30 60 Ω R13 = R12 + R7 = 10+2 = 12 R R 12*12 R = 13 4 = = 6 Ω 14 + + R13 R4 12 12 R15 = R14 + R6 + R5 = 6+1+1 = 8 R R 8*8 R = 15 3 = = 4 Ω 16 + + R15 R3 8 8 Điện trở tương đương của toàn mạch Ω R17 = R16 + R1 + R2 = 4+0,5+0,5 = 5 U = 230 = I1 =I2 = 46 A R17 5 R 46*8 I =I 15 = = 23 A 3 1 + + R15 R3 8 8 I5 = I6 = 23 A R 12 I =I 13 = 23* =11,5 A 7 6 + + R13 R 4 12 12 R 30 I =I 11 =11,5* = 7,67 A 8 7 + + R11 R8 15 30 R 15 I =I = I 8 = 11,5* = 3,83 A 9 10 7 + + R11 R8 15 30 61 Câu hỏi và bài tập chương 2 1) Trình bày khái niệm cơ bản về dòng điện xoay chiều một pha hình sin. 2) Quan hệ dòng và áp trong các phần tử của mạch điện thuần trở, thuần cảm, thuần dung. 3) Quan hệ dòng và áp trong mạch R, L, C mắc nối tiếp. Các loại tam giác và quan hệ giữa các tam giác trong mạch. Hiện tượng cộng hưởng điện áp trong mạch R, L, C mắc nối tiếp và cách tính tần số riêng của mạch khi có cộng hưởng. 4) Quan hệ dòng và áp trong mạch R, L, C mắc song song. Các loại tam giác và quan hệ giữa các tam giác trong mạch. Hiện tượng cộng hưởng dòng điện trong mạch R, L, C mắc song song và cách tính tần số riêng của mạch khi có cộng hưởng. 5) Bài tập1: cần ít nhất bao nhiêu bóng đèn 24V - 12W đấu vào mạch điện có U = 120V? Tìm điện trở tương đương và dòng điện qua mạch? 6) Bài tập 2: Sơ đồ của một biến áp không lõi thép , có tải r2, c2 vẽ như trên hình 3-14. Cho : U=10v, r1=500Ω, ωL1=500Ω, ωL2=1500Ω, ωM=700Ω, 1/ ωC2=1800Ω. Hãy A tính các dòng điẹn sơ cáp và thứ cấp R V 7) Bài tập 3: Để xác định thông số của cuộn dây tiến L hành 2 lần thí nghiệm như hìnhvẽ Khi U1 = 60V, f1 = 50Hz, thì I1 = 10 A Khi U2 = 60V, f2 = 100Hz, thì I2 = 6 A Tìm giá trị R và L 8) Bài tập 8: Một đèn huỳnh quang công suất 40W khi mắc vào nguồn có điện áp U = 220V, f = 50Hz thì dòng đIện làm việc qua đèn I = 0,41A, cosϕ = 0,6. Tính thông số của đèn và cuộc chấn lưu (hình I-3). Tìm đIện áp trên đèn U1 và trên cuộn chấn lưu U2? 9) Bài tập 5: Một máy cạo râu có điện áp định mức 127V tiêu thụ công suất 8W, cosϕ = 0,85. Cần nối tiếp với máy một điện trở bằng bao nhiêu để có thể làm việc ở lưới điện 220V (hình I-4). Tình các thông số sơ đồ thay thế máy cạo râu, tính điện áp và công suất tổn hao trên điện trở phụ R. 62 10) Bài tập 6: Điện áp và dòng điện phức của một phần tử như sau: . 0 . 0 U = 200e j37 V , I = 4e − j23 A. Viết biểu thức tức thời đIện áp và dòng điện. Tính các thông số sơ đồ thay thế phần tử. Tính công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q của phần tử. 11) Bài tập 7: Một mạng điện R-L-C nối tiếp, nguồn U = 100V, tần số f biến thiên. Cho R=10Ω, L=26,5mH, C=265àF. a. Tính dòng điện, công suất và hệ số công suất khi f = 50Hz. Vẽ đồ thị véc tơ. b. Xác định tần số f để dòng điện cực đại . Tính công suất và vẽ đồ thị véc tơ. 12) Bài tập 8: Cho mạch điện xoay R1 R2 chiều hình 1 trong đó E1 R3 E2 = + 0 e1 50 2 sin(t 45 )V e = 50 2 sin(t −1350 )V L C 1 Hình 1 Ω Ω R1 = R2 = 8 , R3 = 3,125 1 L L = = 6Ω I 1 I C 1 * 3 * Tìm dòng điện trong các nhánh bằng các M L2 R1 phương pháp đã học I2 R3 IA E IB 13) Bài tập 9: Cho mạch điện như hình 2, với R2 Ω Ω Ω R1=10( ); R2=15( ); R3=20( ); L1=25(mH); L2=40(mH); M=60(mH); E=100 (V); Hình 2  = 200 (rad/s) I A I Các dòng điện đã được chọn chiều như hình vẽ. 1 3 Hãy giải mạch điện bằng phương pháp dòng I2 Z điện vòng. 1 Z2 Z3 E1 E2 B Hình 3 63 Ω Ω Ω 14) Bài tập10: Cho mạch điện như hình 3, với Z1=1+j2( ); Z2=5( ); Z3=10( ); j30 E1=10(V); E2=20 e (V). Các dòng điện đã được chọn chiều như hình vẽ. Hãy giải mạch điện bằng phương pháp điện thế nút. 15) Bài tập 11: Vẽ mạch điện gồm đầy đủ các phần tử R,L,C có 3 nút, 6 nhánh. Viết hệ phương trình dạng vi phân, dạng phức giải mạch điện bằng phương pháp dòng nhánh, dòng vòng? 16) Bài tập 12: Cho một lượng hình sin có biểu thức: e= 310sin (314t+π/4) (V) Hãy xác định : Biên độ, tần số góc, chu kỳ, tần số, giá trị tức thời tại thời điểm t=0,0175s, giá trị hiệu dụng và biểu diễn lượng hình sin bằng đồ thị? 17) Bài tập 13: Một cuộn dây có điện trở và điện cảm mắc vào mạch xoay chiều với tần số 50Hz. Các đồng hồ chỉ U=65V, I=5A, P=125W. tìm điện trở và điện cảm cuộn dây. 18) Bài tập 14: Điện trở R=15Ω, nối tiếp với tụ điện đặt vào mạch xoay chiều có điện áp U=120V và tần số f=50Hz, dòng điện trong mạch I=4A. Tìm trị số điện dung của tụ, các thành phần của tam giác điện áp và vẽ đồ thị véc tơ? 19) Bài tập 15: Mạch điện có R=11Ω, L=0,318H, C=31,8àF nối tiếp, đặt vào điện áp U=220. Tìm dòng điện trong mạch,các thành phần của tam giác điện áp, tam giác công suất và vẽ đồ thị véc tơ với tần số f = 50 Hz? Với tần số bao nhiêu thì mạch cộng hưởng điện áp? Khi có cộng hưởng thì dòng điện, các thành phần của tam giác điện áp trong mạch là bao nhiêu? 8. Bài tập 16: Cho mạch điện R-L-C nối tiếp. Cho biết giá trị của ba điện áp. Vẽ đồ thị véctơ và xác định điện áp thứ tư và tính hệ số cosϕ của mạch trong các trường hợp sau: a. UR =10V, UL =20V, UC =10V, tính U =? b. UL =110V, UC =150V, U =50V, tính UR =? 5 c. UL =10V, UR =10V, U =5 V, tính UC =? 64 9. Bài tập 17: Cho mạch điện R-L-C mắc song song. Biết U =120V, R = Ω Ω Ω 40 , XL =20 , XC = 60 . Tìm trị số tức thời của dòng điện chạy trong các phần tử và dòng điện tổng. Bằng cách thay đổi trị số tụ điện C sao cho XL =XC, tính dòng điện tổng trong trường hợp này? 10.Bài tập 18: Một đèn huỳnh quang có công suất P =40W. Khi mắc vào nguồn U = 220V, f = 50Hz thì dòng điện qua đèn I =0,41A, cosϕ =0,6. Tính thông số của đèn và của cuộn dây chấn lưu, và điện áp trên đèn và trên cuộn dây chấn lưu? 65 Chương 3: Mạch điện xoay chiều 3 pha 3.1 Khái niệm chung về mạch điện xoay chiều 3 pha 3.1.1 Định nghĩa Hệ thống mạch điện 3 pha là tập hợp 3 mạch điện 1 pha nối với nhau tạo thành hệ thống năng lượng điện từ chung trong đó sức điện động ở mỗi mạch đều có dạng hình sin có cùng tần số và lệch pha nhau 1 góc 1/3 chu kỳ 3.1.2 Nguyên lý phát điện xoay chiều 3 pha(Máy phát điện xoay chiều ba pha) * Cấu tạo Gồm 2 phần chính n Hình 3-1: Sơ đồ cấu tạo máy phát điện xoay chiều ba pha - Phần tĩnh (Stato) gồm + Lõi thép được chế tạo bằng các lá thép kỹ thuật điện ghép với nhau tạo thành hình trụ rỗng mặt trong của hình trụ có phay rãnh để đặt dây cuốn 3 pha + Dây quấn gồm ba cuộn dây AX, BY, CZ có: Số vòng dây các pha bằng nhau WA = WB = WC Đường kính dây quấn các pha bằng nhau dA = dB = dC và các cuộn dây đặt lệch nhau 1 góc 2π/3 - Phần động(Roto): là một nam châm điện có cuộn dây để luyện từ, đặt nguồn 1 chiều vào dây quấn Roto 66 * Nguyên lý Dùng ngoại lực quay Roto với một tốc độ ω, từ trường của Roto sẽ lần lượt quét qua dây quấn và cảm ứng trong dây quấn Stato 1 sức điện động hình sin có cùng biên độ (vì WA = WB = WC ), cùng tần số (vì chung 1 Roto) và lệch nhau 1 góc 2π/3 (vì A X, BY, C Z đặt lệch nhau 1 góc 2π/3) ψ Nếu góc pha đầu của sức điện động pha A là A = 0 thì: ω eA = Emsin t (V) ω O eB = Emsin( t - 120 ) (V) ω O eC = Emsin( t + 120 ) (V) Biểu diễn sức điện động xoay chiều 3 pha bằng đồ thị:  EA e eA eB ec T/6 ∏ ω 2 t O O T/3 2T/3   EC EB T a) Đồ thị đường cong SĐĐ XC ba a) Đồ thị vector SĐĐ XC ba pha pha Hình 3-2: Đồ thị sức điện động xoay chiều ba pha 3.2 Cách nối mạch 3 pha 3.2.1 Nối sao (Y) - Nối nguồn: Nối ba pha (ba cuộn dây) với ba điểm có cùng cực tính thành điểm chụm Y (A,B,C) hoặc (X, Y, Z) - Nối tải: nối ba pha của tải tạo thành điểm chụm sao 67 A e A ZA O O ZB eB eC B ZC C u a)Nguồn nối sao a) Tải nối sao Hình 3-3: Sơ đồ nối sao 3.2.2 Nối tam giác () - Nối nguồn: Nối nối tiếp ba pha (ba cuộn dây) của nguồn tạo thành một tam giác khép kín - Nối tải: Nối ba pha của tải thành một tam giác khép kín eC eA ZC ZA ZB eB a) Nguồn nối tam a) Tải nối tam giác giác Hình 3-4: Sơ đồ nối tam giác 3.2.3 Phân biệt giữa lượng dây và lượng pha trong mạch 3 pha - Điện áp dây(Ud): Là điện áp giữa hai dây pha với nhau - Điện áp pha(UP): Là điện áp của một pha với dây trung tính - Dòng điện dây(Id): Là dòng điện chạy trên đường dây nối từ nguồn đến tải - Dòng điện pha(IP): Là dòng điện chạy trên các đường dây pha của nguồn hoặc của tải 68 - Dòng điện chạy trong dây trung tính gọi là dòng điện trung tính (I0) - Nếu mạch có ba đường dây gọi là mạch ba pha ba dây. Nếu mạch ba pha có bốn đường dây gọi là mạch ba pha bốn dây 3.3 Mạch 3 pha đối xứng 3.3.1 Định nghĩa Đặc điểm mạch ba pha đối xứng: Hệ thống 3 pha đối xứng là hệ thống mạch xoay chiều 3 pha có nguồn đối xứng, tải đối xứng và đường dây đối xứng + Nguồn đối xứng: eA + eB + eC = 0 Lệch pha nhau 1 góc 120O + Tải đối xứng: ZA = ZB = ZC + Đường dây đối xứng: ZdA = ZdB = ZdC 3.3.2 Mạch ba pha đối xứng nối hình sao-sao (Y - Y) Id IP eA UP ZA Ud O O’ eB ZB e C ZC Hình 3-5: Mạch ba pha đối xứng nối hình sao- sao Là mạch điện ba pha có nguồn đấu Y và tải đấu Y - Quan hệ giữa dòng điện dây và dòng điện pha Id = IP - Quan hệ điện áp dây và điện áp pha Từ sơ đồ mạch điện ta thấy: uAB = uA - uB * uBC = uB - uC uCA = uC - uA Biểu diễn (*) dưới dạng đồ thị Vectơ 69   UAB UA A  UAB  -UB H 1200  O 300 UC  U B B Hình 3-6: Quan hệ điện áp lượng dây, lượng pha trong mạch nối sao Xét: ∆ OAB có AB = 2ì HA 3 = 2 ì OA ì cos30O = 2 ì OA = 3 ì OA 2 AB là Ud , OA là UP Ud = 3U P Vậy: - Về trị số Ud = 3U P π - Về pha, điện áp UAB , UBC , UCA lệch pha nhau một góc 2 /3 và vượt pha trước điện áp pha một góc 30O 3.3.3 Mạch ba pha đối xứng nối hình tam giác-tam giác ( - ) Có nguồn nối ∆ và tải nối ∆ - Sơ đồ mạch Id IP IP UP e Ud Z Hình 3-7: Mạch ba pha đối xứng nối hình tam giác tam giác 70 - Quan hệ giữa điện áp dây và điện áp pha Ud = UP - Quan hệ dòng điện dây và dòng điện pha Chứng minh tương tự ta có: ì Id = 3 I P 3.3.4 Mạch 3 pha đối xứng nối phức tạp - Mạch nối sao tam giác (Y - ∆): Là mạch có nguồn đấu Y tải nối ∆ e Ztải Hình 3-8: Mạch ba pha đối xứng nguồn nối Y tải nối  - Mạch nối tam giác - Sao (∆ - Y): Là mạch có nguồn nối ∆ tải nối Y Ztải e ∆ - Y Hình 3-9: Mạch ba pha đối xứng nguồn nối  tải nối Y 71 3.4 Công suất mạch xoay chiều 3 pha 3.4.1 Công suất tác dụng + Với mạch không đối xứng P3P = PB + PA + PC ϕ ϕ ϕ = UAIAcos A + UBIBcos B +UCICcos C (W) + Với mạch đối xứng ϕ 2 P3P = 3UP IPcos = 3R P I P (w) Trong đó: RP điện trở pha U = d Thay: IP = Id ; U Với mạch đấu Y P 3 I = d ∆ UP = Ud ; I Với mạch đấu P 3 = ϕ P3P 3U d I d cos (w) ϕ là góc lệch pha giữa dòng điện pha và điện áp pha của pha tương ứng 3.4.2 Công suất phản kháng + Với mạch không đối xứng Q3f = QB + QA + QC ϕ ϕ ϕ Q3f = UAIABsin + UBIBCsin + UCICAsin (VAr) + Với mạch đối xứng ϕ ϕ 2 Q3P = 3UPIPsin = 3U dI d sin = 3XP IP (VAr) 3.4.3 Công suất toàn phần (biểu kiến) + Với mạch không đối xứng S3P = SA+SB +SC = UAIA + UBIC +UCIC (VA) + Với mạch đối xứng 2 S3P = 3UPIP = 3U dI d =3ZP IP (VA) 72 3.5 Phương pháp giải mạch điện xoay chiều ba pha đối xứng: 3.5.1 Giải mạch điện ba pha tải nối hình sao đối xứng a. Khi không xét đến tổng trở đường dây pha (hình 3-10) Zp Id=Ip A U ϕ p Ud B Ip C Hình 3-10 Điện áp đặt lên mỗi pha là: U d UP = 3 Tổng trở pha tải 2 + 2 ZP = R P X P RP, XP - Là điện trở, điện kháng mỗi pha của tải Ud - Là điện áp dây của mạch điện ba pha Dòng điện pha của tải U U P = d IP = Z 2 + 2 P 3 R P X P Góc lệch pha ϕ giữa điện áp pha và dòng điện pha là X ϕ =arctg P RP Vì tải nối hình sao nên dòng điện dây bằng dòng điện pha IP = Id b. Khi có xét tổng trở đường dây pha Cách tính toán cũng tương tự, nhưng tổng trở đường dây với tổng trở pha mắc nối tiếp trong một pha để tính dòng điện pha và dòng điện dây: 73 U d Id = IP = + 2 + + 2 3 (Rd X P ) (X d X P ) Trong đó Rd, Xd -là điện trở, điện kháng đường dây (hình 3-11) R X R X A d d p p B C Hình 3-11 3.5.2 Giải mạch điện ba pha tải nối tam giác đối xứng a. Khi không xét tổng trở đường dây (hình 3-12) Id Up A ϕ U Zp Ip p Ud I B p C Hình 3-12 Điện áp pha bằng điện áp dây Ud = UP Dòng điện pha của tải là U U P = d IP = Z 2 + 2 P R P X P Góc lệch pha ϕ giữa điện áp pha và dòng điện pha tương ứng X ϕ = arctg P RP Dòng điện dây: Id = 3I P 74 b. Khi có tổng trở đường dây (hình 3-13) R X I A d d d Ip Up Zp p Ud B C Hình 3-13 Ta phải biến đổi tương đương tam giác thành sao như sau: Tổng trở mỗi pha lúc nối tam giác là: 2 + 2 Z∆= R P X P Khi biến đổi sang hình sao thì tổng trở mỗi pha là: 2 + 2 Z ∆ R P X P ZΥ = = 3 3 Sau đó giải như đã xét ở trên mạch Y-Y có tổng trở đường dây. Dòng điện dây là: U d Id = R X 3 (R + P )2 + (X + P )2 d 3 d 3 Vậy dòng điện pha của tải khi nối tam giác là: I d IP = 3 3.5.3 Giải mạch điện ba pha tải nối phức tạp a) Khi không có tổng trở đường dây Tính riêng cho từng tải Ví dụ: Mạch ba pha đối xứng Ud = 220V cung cấp cho hai tải như hình 3.15 75 I R1 X1 A Id d1 Ud Id2 B C Tải 2 Ip2 Hình 3-14 Ω Ω Tải 1 nối sao có R1= 4 ; X1=3 ϕ Tải 2 nối hình tam giác có P2= 7Kw, cos =0,6 hiệu suất là 0,9 Tính: a) Dòng điện trong các pha của tải b) Dòng điện trên đường dâyId1,Id2 c) Dòng điện dây tổng Id d) Công suất P3p, Q3p, S3pcủa toàn mạch Bài giải: Vì điện áp dây đặt trực tiếp lên các tải nên ta tính được ngay dòng điện trên các tải U 220 + Tải 1 nối sao nên I = I = d = = 25,4A d p 2 2 3 * Z1 3 * 4 + 3 2 2 P1= 3R1*I p1 =3*4*25,4 = 7742 (W) 2 2 Q1= 3X1*I p1 =3*3*25,4 = 5806 (Var) + Tải 2 có công suất cơ trên trục đông cơ là 7Kw vậy công suất động cơ tiêu thụ là P2 = P2/0,9 =7777 W P 2 = 7777 = Dòng điện Id2 = 34,04A 3 *U d *cos 3 * 220*0,6 76 I d 34,04 Dòng điện pha Ip2 = = 19,65A 3 3 ϕ 0 , Công suất phản kháng Q2= P2*tg =7777*tg53 10 =10369 Var + Công suất toàn mạch: Công suất tác dụng: P3p = P1+P2 =7742+7777 =15519 w Công suất phản kháng Q3p = Q1+Q2 = 5806+10369 =16175 Var 2 + 2 = Công suất toàn phần S3p = P3 p Q3 p 22421 VA + Dòng điện tổng trên đường dây: S = 3 p = I d 58,84 A 3 *U d b) Khi có tổng trở đường dây Khi có tổng trở đường dây thì phải đưa các tải về cùng cách đấu là đấu sao sau đó tách một pha từ ba pha để tính cho một pha rồi suy cho ba pha. 3.5.4. Các ví dụ về giải mạch xoay chiều ba pha Ví dụ 1: Mạch ba pha đối xứng Ud = 220V cung cấp cho hai tải (hình 3. 15) Ω Ω Tải 1 nối Y có R1 = 4 , X1 = 3 ϕ Tải 2 là động cơ có: P2 = 7 kW, cos = 0,6 Hiệu suất η = 0,9 nối tam giác (∆) I z1 A d Id1 IP1 Ud B C Tải 1 Id2 Tải 2 IP2 Hình 3 - 15 77 Tính: 1) Dòng điện trong các pha của tải 2) Dòng điện trên đường dây Id1, Id2 3) Dòng điện tổng trên đường dây Id 4) Công suất tác dụng P, công suất phản kháng Q, công suất biểu kiến S của toàn mạch Giải: Vì diện áp Ud đặt trực tiếp lên các tải nên ta tính ngay được các dòng điện 1) Vì tải 1 nối Y nên U 220 I = I d = = 25,4A d1 P1 2 + 2 3 *z1 3 * 4 3 = 2 = 2 = P1 3R1I P1 3*4*25,24 7742W 2 2 Q1 = 3X1I P1 = 3*3*25,24 = 5806 VA 2) Với tải 2 là động cơ không đồng bộ ba pha P2 = 7 kW là công suất cơ trên trục động cơ, công suất điện động cơ tiêu thụ là P 7000 P = 2 = = 7777 W 2d η 0,9 Dòng điện dây I2d của động cơ là I 34,04 I = d2 = = 19,65 A P 2 3 3 Công suất phản kháng của động cơ ϕ 0 Q2đ = P2đ tg = 7777*tg53 10’ = 10369 VAr 3) Công suất toàn mạch P = P1 + P2đ = 7742 +7777 = 15.519 W Q = Q1 + Q2đ = 5806 + 10369 = 16.175 VAr S = P 2 + Q 2 = 15.5192 +16.1752 = 22.421VAr 4) Dòng điện tổng trên đường dây = S 22.421 = I d 58,84 A 3U d 3 *220 78 Ví dụ 2 Ω Ω Tải ba pha đối xứng nối Y có R = 3 , X = 4 nối vào lưới có Ud = 220V. Xác định dòng điện, điện áp, công suất trong mạch? R X A Ud B Giải: C Khi làm việc bình thường tải đối xứng điện áp pha của tải là: U 220 U = d = = 127 V P 3 3 Theo sơ đồ bên ta có U 127 = = P = = I d I P 25,4 A z 32 + 42 = 2 = 2 = P 3RI P 3*3*25,4 5806 (W) = 2 = = Q 3XI P 3*4*25,4 7742 (VAr) Ví dụ 3: Động cơ ba pha , cuộn dây mỗi pha ở trạng thái làm việc ổn định, có điện trở 8Ω và cảm kháng 6Ω, đấu thành hình sao, đặt vào nguồn điện áp ba pha đối xứng, có Ud = 220V. Xác định dòng điện qua các cuộn dây, điện áp đặt vào mỗi cuộn dây và hệ số công suất mỗi pha? Giải: Trở kháng ba pha là đối xứng, ta có trở kháng mỗi pha z = R 2 + X 2 = 82 + 62 = 10 Ω Điện áp đặt vào mỗi cuộn dây là điện áp pha U 220 U = d = = 127 V f 3 1,73 Dòng điện mỗi pha U 127 I = f = = 12,7 A f z 10 79 Hệ số công suất mỗi pha cosϕ = R/2 = 8/10 = 0,8 Ví dụ 4: Mạch điện ba pha Uf = 125V có mắc các bóng đèn trở kháng các pha là: Ω Ω zA = zB = RA = RB = 12,5 , zC = RC = 25 . Tìm dòng điện trong các pha? Giải: Mạch ba pha lấy được điện áp pha, nên có dây trung tính, do đó; ūA UfA = UfB = UfC = Uf Ī Dòng điện các pha đồng pha với điện áp A ĪB U 125 I = I = f = = 10 A ĪC A B ĪO R A 12,5 Ī 125 C ĪB I = = 5 A ūC ūB C 25 Hình vẽ trên là đồ thị vectơ dòng điện và điện áp. Từ đồ thị ta thấy IO = 5 A và ngược pha với dòng điện qua C. Ví dụ 5: Ba cuộn dây giống nhau có R = 8Ω, X = 6Ω nối hình tam giác đặt vào điện áp ba pha đối xứng có Ud = 220V. Tìm dòng điện các pha, dòng điện dây và hệ số công suất? Giải: Trở kháng mỗi pha Z = R 2 = X 2 = 82 + 62 =10 Ω Phụ tải đấu tam giác nên Uf = Ud = 220 V Dòng điện mỗi pha U 220 I = f = = 22 A f z 10 Dòng điện dây = = ≈ I d 3I f 1,73*22 38 A 80 Hệ số công suất cosϕ = R/2 = 8/10 = 0,8 So sánh với kết quả đã tính ở ví dụ 4 ta thấy: nếu điện áp ba pha của nguồn không đổi và trở kháng cuộn dây không đổi thì khi chuyển từ cách đấu sao sang đấu tam giác, dòng điện trên đường dây tăng lên ba lần (38/12,7 ≈ 3). Ví dụ 6: Tính công suất mạch ba pha ở ví dụ 4 Giải: Dòng điện ở các pha đồng pha với dòng điện nên: ϕ ϕ ϕ cos A = cos B = cos C = 1 Và: U3f=UAIA+UBIB+UCIC =125*10+125*10+125*5=3150W=31,5kW Công suất phản kháng ba pha ϕ ϕ ϕ Q3f = QA + QB + QC = UAIAsin A+UBIBsin B+UCICsin C (VAr) Công suất biểu kiến ba pha: S3f = UAIA+UBIB+UCIC Điện năng tác dụng ba pha trong thời gian t (h) ϕ ϕ ϕ WR3p = P3f t = (UAIAcos A+UBIBcos B+UCICcos C)t (Wh) Điện năng phản kháng ba pha ϕ ϕ ϕ W3P = Q3f t = (UAIAsin A+UBIBsin B+UCICsin C )t (VArh) Ví dụ 7: Tính công suất tác dụng, phản kháng biểu kiến và điện năng (tác dụng) trong một ngày đêm của ví dụ 5? Giải: Công suất tác dụng ba pha ϕ ≈ P3f = 3U d I d cos = 3 *220*38*0,8 11.550 W = 11,55 kW Vì cosϕ = 0,8 nên sinϕ = 1− cos 2 ϕ = 0,6; ta có: ϕ ≈ Q3f = 3U d I d sin = 3 *220*38*0,6 8.660 VAr = 8,66 kVAr Công suất biểu kiến ≈ S3f = 3U d I d = 3 *220*38 14.440 VAr = 14,44 kVAr Trong một ngày đêm, t = 24h, điện năng mà mạch tiêu thụ sẽ là: 81 WR = P3f t = 11,55*24 = 277,2 kWh Ví dụ 8: Động cơ ba pha đấu hình tam giác, làm việc với điện áp (dây) 220V, cosϕ = 0,8 có công suất là 3kW. Xác định dòng điện dây và pha? Giải ϕ Từ : P3f = 3U d I d cos ta có P 3*102 Suy ra: I = 3f = = 10 A d ϕ 3U d cos 3 *220*0,8 I Dòng điện pha: I = d ≈ 5,8 A f 3 82 câu hỏi ôn và bài tập chương 3 1. Trình bày khái niệm chung về mạch điện xoay chiều ba pha? 2. Nêu cách nối nguồn và tải ba pha? Phân biệt lượng dây, lượng pha trong mạch ba pha? 3. Nêu đặc điểm, công suất và phương pháp giải mạch điện ba pha đối xứng? Ω Ω 4. Tải ba pha đối xứng nối Y có R= 3 , X = 4 , nối vào lưới có Ud=220V. Xác định dòng điện, điện áp, công suất trong mạch bình thường 5. Vẽ sơ đồ đấu các phụ tải sau: - 6 bóng đèn có ghi 220V-60w - Một động cơ xoay chiều ba pha có UP =220V (Đ1) - Một động cơ xoay chiều ba pha có Ud =220V (Đ2) Vào lưới xoay chiều ba pha có điện áp dây bằng 220V. 6. Ba cuộn dây giống nhau, mỗi cuộn có R = 10, X = 10Ω, đấu hình sao, đặt vào điện áp pha cân bằng có Ud = 220V. Tìm dòng điện trong mỗi cuộn, công suất mạch tiêu thụ, vẽ đồ thị vectơ. Đáp số: Id = If = 8,97 A; P = 2,42 kW 7. Động cơ ba pha đấu sao, nối vào lưới điện áp (dây) là 380V, tiêu thụ công suất P=10kW, cosϕ = 0,8. Xác định dòng điện của động cơ? Đáp số: Id = If =19A 8. Phụ tải ba pha đối xứng, trở kháng mỗi pha R = 5Ω, X = 5 3 Ω, đấu tam giác, đặt vào điện áp ba pha có Ud = 100V. Xác định dòng điện và công suất (tác dụng và phản kháng) mạch tiêu thụ, vẽ đồ thị véctơ? Đáp số: If =10A; Id = 17,3A; P = 1,5kW; Q = 2,6kVAr 9. Cũng cho mạch điện như bài tập 8 nhưng đổi từ đấu tam giác sang đấu sao thì dòng điện và công suất là bao nhiêu? Nhận xét. 83 1 1 Đáp số: I = I ∆ ≈ 5,77 A ; P = P∆ ≈ 0,5 kW dY 3 d Y 3 10. Động cơ ba pha đấu tam giác, đặt vào lưới ba pha điện áp dây 220V, tiêu thụ công suất P = 5,28kW. Tìm hệ số công suất của động cơ? Đáp số: cosϕ = 0,58 11. Lưới điện ba pha điện áp Ud = 120V, cung cấp cho phụ tải chiếu sáng ba Ω Ω pha đấu tam giác: RAB = 10 ; RCB = RCA = 20 . Xác định các điện áp đặt vào phụ tải trong trường hợp pha B bị cháy đứt. Vẽ đồ thị vectơ? Đáp số: UAB = 40V; UBC = 80V; UCA = Ud = 120V (các dòng điện đồng pha điện áp tương ứng UAB và UBC ngược pha với UCA). 12. Vẽ sơ đồ đấu các phụ tải sau tạo thành mạch ba pha đối xứng: - 6 bóng đèn có ghi 220V-40w - Một động cơ xoay chiều ba pha có Uđm =380V (Đ1) - Một động cơ xoay chiều ba pha có Uđm =220V (Đ2) Vào lưới xoay chiều ba pha có điện áp dây bằng 380V. 13. Động cơ ba pha đấu tam giác, đặt vào lưới ba pha điện áp dây 220V, tiêu thụ công suất P = 5,28kW vối cosϕ = 0,58. Xác định dòng điện dây và dòng điện pha? Đáp số: Id =17,3A IP = 10A 14. Lưới điện ba pha điện áp Ud = 120V, cung cấp cho phụ tải chiếu sáng ba Ω pha đấu tam giác gồm 12 bóng : Có RAB = RCB = RCA = 20 . Xác định các điện áp đặt vào phụ tải 15. Động cơ ba pha đấu tam giác, đặt vào lưới ba pha điện áp dây 120V, tiêu thụ công suất P = 3kW, dòng điện dây là 25A. Tìm hệ số công suất của động cơ? Đáp số: cosϕ = 0,58 16. Vẽ sơ đồ đấu các phụ tải sau tạo thành mạch ba pha đối xứng: - 36 bóng đèn có ghi 220V-40w 84 - 3 động cơ xoay chiều một pha có Uđm =380V (Đ1) - 6 động cơ xoay chiều một pha có Uđm =220V (Đ2) 17. Ba cuộn dây giống nhau, mỗi cuộn có R = 20, X = 30Ω, đấu hình tam giác, đặt vào điện áp pha cân bằng có Ud = 380V. Tìm dòng điện trong mỗi cuộn, công suất mạch tiêu thụ, vẽ đồ thị vectơ. 18. Một phụ tải ba pha đối xứng, trở kháng mỗi pha R = 5Ω, X = 5 3 Ω, đấu sao, đặt vào điện áp ba pha có Ud = 100V. Xác định dòng điện và công suất (tác dụng và phản kháng) mạch tiêu thụ, vẽ đồ thị véctơ? 85 Chương 4: Máy biến áp 4.1 Khái quát chung về máy điện 4.1.1 Định nghĩa và phân loại a) Định nghĩa Máy điện là thiết bị điện từ làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ. Cấu tạo chia 2 phần + Mạch từ (Lõi thép) + Dây quấn Dùng để biến đổi cơ năng thành điện năng (máy phát) và biến đổi điện năng thành các dạng năng lượng khác (Động cơ) hoặc dùng biến đổi điện áp, dòng điện, tần số ứng dụng: Sử dụng nhiều trong các ngành kinh tế, công nghiệp, giao thông vận tải, trong y tế, sinh hoạt b) Phân loại: - Theo công suất - Theo cấu tạo - Theo chức năng - Theo dòng điện - Theo nguyên lý biến đổi năng lượng + Máy phát điện tĩnh + Máy điện quay Máy Điện Máy Máy điện tĩnh điện quay Máy điện Máy Xoay chiều Điện 1 chiều Máy điện Máy điện K. Đồng Bộ Đồng Bộ Máy phát Động cơ Máy phát Động cơ Máy phát Động cơ Máy một biến áp Không không Đồng ... theo khe hở không khí giữa Stato và Roto. ở đỉnh các cực từ có từ cảm cực đại 5.2.3. Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ Cho dòng điện kích từ (dòng điện không đổi) vào dây quấn kích từ sẽ tạo nên từ trường Rotor, khi quay Rotor bằng động cơ sơ cấp (hoặc bằng ngoại lực) từ trường của Rotor sẽ cắt qua dây quấn phần ứng Stator và cảm ứng Suất điện động xoay chiều hình sin có trị số hiệu dụng φ EO = 4,44 f W1 kdq O Trong đó EO : Suất điện động 3 pha W1 : Số vòng dây trong 1 pha kdq: Hệ số dây quấn φ O : Từ thông cực từ Rotor 100 IKt + - n Hình 5-6: Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ Nếu Rotor có P đôi cực khi Rotor quay được 1 vòng Suất điện động phần ứng sẽ biến thiên P chu kỳ f =Pn (n đo bằng vòng/S) f = Pn/60 (n đo bằng vòng/phút) 5.3 Máy điện 1 chiều 5.3.1. Cấu tạo * Stator (hình 5-7): Gồm một khối thép đúc hình trụ rỗng mặt trong hình trụ có phay rãnh để đặt dây quấn gọi là dây quấn cực từ Stator được ép vào vỏ máy 101 Hình 5-7: Cấu tạo máy điện một chiều * Rotor (hình 5-7): Gồm các lá thép KTĐ ghép cách điện với nhau tạo thành hình trụ giữa hình trụ có đặt trục chính là trục của máy + Dây quấn Rotor: Gồm các phần tử được nối với nhau theo một qui luật nhất định thông qua các phiếu góp + Phiếu góp: làm bằng các phiến đồng ghép cách điện với nhau được gắn đồng trục với trục rotor + Chổi điện(chổi than): Làm bằng than Graphit và được gắn cố định vào vỏ máy φ KT Cực từ Cuộn cảm Cổ góp Cuộn ứng Chổi than Rôto Stato Cuộn cảm Cực từ Hình 5-8: Mặt cắt ngang máy điện một chiều 102 5.3.2 Nguyên lý làm việc: a) Chế độ máy phát Dùng 1 ngoại lực (hoặc một động cơ sơ cấp) quay phần ứng (khung dây abcd) thanh dẫn rotor chuyển động trong từ trường Stator (N-S) theo định luật cảm ứng điện từ trong khung dây xuất hiện 1 SĐĐ cảm ứng có chiều xác định bằng qui tắc bàn tay phải có chiều như hình 5-9 Hình 5-9: Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều Do chổi than A lấy điện cố định ở những phần tử có vị trí tương đối với cực N nên A là chổi có cực tính dương(+). Tương tự Chổi B có cực tính âm (-) Do đó điện áp lấy ra trên 2 chổi than A và B là nguồn điện áp 1 chiều cung cấp cho phụ tải b)Chế độ động cơ: Đưa điện áp 1 chiều vào phần ứng nhờ chổi than A và B vào thanh dẫn abcd, thanh dẫn mang dòng điện nằm trong từ trường Stator nên chịu tác dụng một lực điện từ có chiều được xác định bằng qui tắc bàn tay trái. Kết quả là thanh dẫn quay theo chiều như hình 5-9 => Roto quay => động cơ làm việc Hình 5-10: Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều 103 5.4 Một số loại máy điện đặc biệt 5.4.1 Động cơ bước a) Cấu tạo: Giống động cơ đồng bộ dùng để biến đổi lệch điều khiển dưới dạng xung điều khiển thành góc quay xác định của trục động cơ hay là sự di chuyển xác định của cơ cấu chấp hành mà không có cảm biến phản hồi Có ba loại đông cơ bước: - Loại có rôto bằng nam châm vĩnh cửu (hình 5-9) - Loại động cơ có rôto từ trường cưỡng bức - Loại động cơ bước tổ hợp b) Nguyên lý làm việc Các cực của động cơ bước được đấu riêng biệt và lần lượt đóng với nguồn một chiều. Rôto được dịch từng bước từ cực này sang cực khác khi các cực của động cơ được đóng ngắt theo một chuỗi xung liên tục. Tốc độ của động cơ được điều khiển bởi tốc độ đóng ngắt các chuỗi xung. Bước (góc) dịch chuyển của động cơ có thể đạt tới dưới một độ (micro bước). Động cơ bước thường dùng trong điều khiển vị trí hở mạch, không cần đến cảm biến vị trí. Nhưng nó cũng có thể dùng để điều khiển mạch kín cùng với cảm biến vị trí. A A θ =180 IA=Imax Stato IB= O S O 0 IA=Imax B N S B O N A’ a. Vị trí xuất phát b. Một bước đầy Hình 5-11: Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ bước 104 5.4.2 Máy phát điện hàn a) Máy phát điện hàn có cuận kích từ độc lập và kkử từ nối tiếp * Cấu tạo: + Phần tĩnh – Hệ thống từ(Stator): Được cấu tạo bởi các cặp cực từ nhằm mục đích tạo ra các dòng từ thông. Các cặp cực từ được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện ghép cách điện với nhauvà trên nó quấn các cuộn dây kích thích. Trên đó mỗi cặp cực từ hình thành một từ thông. hay nói cách khác có bao nhiêu cặp cực từ thì có bấy nhiêu từ thông. Các cặp cực từ được ghép cố định và là một phần của phần tĩnh của máy + Phần ứng(Rotor): - Rotor lồng sóc - Rotor dây quấn + Cổ góp: Gồm các thanh bằng đồng ghép cách điện với nhau và đồng trục với trục của Rotor * Nguyên lý hoạt động: + VR φ H U- H - a b φ C C Vật hàn Hình 5-12: Sơ đồ nguyên lý máy phát điện hàn có cuộn kích từ độc lập và khử từ nối tiếp + H cuộn dây kích từ được cấp nguồn một chiều ổn định thông qua biến trở VR, VR dùng điều chỉnh dòng kích từ + C cuộn khử từ với từ trường ngược từ trường cuộn kích từ khi máy làm việc - Khi không tải trên cuộn dây C chưa có dòng điện 105 Ta có dòng điện hàn Ih = 0 φ Từ thông trên cuộn H H ≠ 0 φ Từ thông trên cuộn khử từ C c = 0 φ Điện thế không tải của máy Uxx = E = C H φ H phụ thuộc vào WH và dòng trên cuộn H Ikt WH là số vòng dây của cuộn dây kích từ H I w Φ = kt h Vậy H RM RM là từ trở của máy phụ thuộc khe hở từ giữa Rotor và Stator I w = kt h Nên U xx C RM C Là hằng số chế tạo của máy phát - Khi có tải (có dòng hàn chạy qua cuộn dây C) φ Từ thông trên cuộn H H ≠ 0 φ Từ thông trên cuộn khử từ C c ≠ 0 φ Từ thông của phần ứng ư ≠ 0 φ φ điện áp làm việc Ulv = C( H - C) - Ihr (r là điện trở trong của mạch phần ứng)  I w I w  =  kt H − h C  − U lv C  I h r  RM RM  Từ công thức trên ta thấy khi đang làm việc thì dòng điện Ikt và các đại lượng RM WH, WC không thay đổi vì vậy khi Ih tăng thì Ulv giảm nên Ih tỷ lệ nghịch với Ulv - Khi ngắn mạch φ Khi ngắn mạch dòng điện tăng đội biến làm cho C tăng giá trị từ thông tổng φ φ φ trong mạch tiến tới không( t = H - C = 0). Suất điện động cảm ứng rất nhỏ hầu như chỉ đủ bù cho sụt áp bên trong của máy Unm =0 (vì E = Ihr) ∆U +U Vậy I = nm mà U = 0 nm R + r nm ∆ Nên I = U nm R + r 106 Vậy khi ngắn mạch điện áp mạch ngoài bằng không dòng ngắn mạch được tạo bởi độ sụt áp ∆U = (0,8ữ 1,2)V. Nhưng vì điện trở mạch ngoài tiến tới không hay tổng trở mạch trong và mạch ngoài rất nhỏ do đó dòng điện tiến tới giá trị xác định Inm b) Máy phát điện hàn có cuận kích từ song song và cuộn khử từ nối tiếp * Sơ đồ nguyên lý VR φ H H c a b φ C C Vật hàn Hình 5-13: Sơ đồ nguyên lý máy phát điện hàn có cuộn kích từ song song và kkử từ nối tiếp Trên sơ đồ ta thấy cuộn dây kích từ H được cấp nguồn từ chổi than chính a và chổi phục chổi phụ c được đặt giữa hai chổi chính ab. Cuộn khử từ có wC = wư (wư là số vòng dây cuộn dây phần ứng) * Nguyên lý hoạt động + Khi không có tải φ c = 0 φ pư = 0 φ φ Uab =Uac + Ucb= C iư nên Uac = Ucb =C iư /2 Điện áp không tải của máy có thể điều chỉnh được bằng biến trở VR điều chỉnh dòng kích từ + Khi có tải (có dòng điện làm việc chạy trong cuộn dây wC và cuộn dây phần ứng wƯ) φ C ≠ 0 φ pư ≠ 0 107 φ φ φ ULV =Uac+Ucb = C/2 ( H - C + pư) =C/2 (Ikt wH/RM – ICwC/RM+ Ihwpư/RM) Theo cách chế tạo thì wC = wpư nên ULV =Uac = C/2 Ikt wH/RM Như vậy điện thế trên 2 cực ac không phụ thuộc vào dòng điện hàn Xét điện áp làm việc trên chổi cb φ φ φ ULV =Uac+Ucb = C/2 ( H - C - pư) =C/2 (Ikt wH/RM – ICwC/RM- Ihwpư/RM) nên ULV =Ucb = C/2 (Ikt wH/RM - 2ICwC/RM) = C/2 (Ikt wH/RM - 2IhwC/RM) Từ công thức trên ta thấy nếu dong Ih tăng thì Ucb giảm nên Uab càng giảm. Khi φ φ dòng điện hàn tăng đến một giá trị nào đó mà tổng từ thông C, pư có giá trị φ tuyệt đối bằng H nên Ulv = U ac =Ucb Vì điện áp trên cực ac còn nên Ih có thể tăng làm cho trị tuyệt đối φ φ φ C + pư > H Khi đó điện áp làm việc đổi dấu + Khi ngắn mạch Dòng điện tăng đột biến làm cho trị tuyệt đối điện áp trên 2 chổi than c và b bằng trị tuyệt đối trên 2 chổi than a và c nên Unm = 0 và dòng ngắn mạch được xác định ∆ I = U nm R + r câu hỏi ôn chương 5 1. Trình bày khái niệm chung về máy điện quay? 2. Trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc và ứng dụng của của máy điện không đồng bộ? 3. Trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc và ứng dụng của của máy điện đồng bộ? 4. Trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc và ứng dụng của của máy điện một chiều? 5. Trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc và ứng dụng của máy điện đặc biệt? 108 Chương 6: Kỹ thuật đo lường điện 6.1 Khái niệm chung về đo lường điện 6.1.1. Định nghĩa Đo là một quá trình so sánh đại lượng chưa biết với đại lượng cùng loại đã biết chọn làm mẫu gọi là đơn vị 6.1.2 Các phương pháp đo Để đo các đại lượng điện người ta thường dùng ba phương pháp đo * Phương pháp đo trực tiếp Là phương pháp trong đó đại lượng cần đo được xác định trực tiếp theo chỉ số của máy đo Ví dụ: Đo dòng điện bằng Ampe kế, đo điện áp bằng vôn kế * Phương pháp đo gián tiếp Là phương pháp trong đó đại lượng cần đo không được đo định trực tiếp mà chỉ được tính trên cơ sở những trị số của những đại lượng có liện quan đến đại lượng đo Ví dụ: Đo điện trở bằng cách đo dòng điện và điện áp đi qua vật cần đo sau đó tính điện trở (R = U/I) *Phương pháp đo so sánh Là phương pháp đo đại lượng cần đo được so sánh với đại lượng cùng loại nhưng kết quả đo không được xác định trực tiếp trên mặt dụng cụ đo mà thông qua tính toán dựa trên các thông số có trên mặt dụng cụ đo Ví dụ: Đo điện trở, điện cảm, điện dung bằng cầu đo 6.1.3 Kết cấu chung của một dụng cụ đo a) Phân loại dụng cụ đo -Dụng cụ đo cơ điện -Dụng cụ đo kiểu điện tử -Dụng cụ đo chỉ thị số -Dụng cụ đo có sử dụng vi sử lý 109 b) ý nghĩa của các ký hiệu cho trên bảng (Bảng ký hiệu) Ký hiệu quy ước ý nghĩa A V Am pe kế, Vôn kế KWh, ϕ , H Công tơ điện, pado kế, tần số kế Dụng cụ đo mạch một chiều ∼ Dụng cụ đo mạch xoay chiều ∼ Dụng cụ đo mạch một chiềuxoay chiều 3V, hoặc ≈∼ Dụng cụ đo mạch xoay chiều ba pha , 2KV, Điện áp thử cách điện 2KV Đặt thẳng đứng hoặc Đặt nằm ngang 0 600 Đặt nghiêng 60 0,2 Cấp chính xác Cơ cấu từ điện Cơ cấu điện từ Cơ cấu cảm ứng Cơ cấu điện động Cơ cấu sắt điện động c) Cấu tạo chung của đồng hồ đo điện Một dụng cụ đo cơ điện gồm hai phần chính + Cơ cấu đo - Cơ cấu kiểu từ điện 110 - Cơ cấu kiểu điện từ - Cơ cấu kiểu điện động - Cơ cấu kiểu cảm ứng - Cơ cấu đo kiểu sắt điện động + Các chi tiết khác - Vỏ: Có thể làm bằng nhựa hoặc kim loại. Trên vỏ có lắp các chi tiết của đồng hồ như mặt đồng hồ, các núm điều chỉnh, các cực điện, các cơ cấu đo - Mặt đồng hồ: Thường được chế tạo bằng nhôm, sơn trắng trên mặt, có thang đo và những ký hiệu quy ước. Những ký hiệu quy ước để hiểu thêm về cấu tạo và cách sử dụng đồng hồ. 6.2 Các dụng cụ đo cơ bản 6.2.1 Dụng cụ đo điện áp (Vôn mét) a. Vôn kế từ điện * Đặc điểm: - Cuộn dây nằm ở phần động nên số vòng dây hữu hạn chỉ có thể đo được giá trị điện áp cỡ nhỏ mV hoặc nhỏ hơn 50V - Làm việc trực tiếp với lưới điện một chiều. Muốn đo ở lưới xoay chiều cần có bộ chỉnh lưu - Độ chính xác cao được sử dụng nhiều trong phòng thí nghiệm và trong các mạch điện tử * Phương pháp mở rộng thang đo: để mở rộng thang đo cho vôn kế từ điện người ta thường ghép nối tiếp cuộn dây của cơ cấu với các điện trở phụ Rf1 Rf2 Rf3 Rf4 C 1 2 3 4 0 5 UX Hình 6 -1: Sơ đồ mở rộng thang đo của vôn kế từ điện 111 Điện trở phụ cần tính để mở rộng thang đo. Nếu điện áp cần đo lớn hơn điện áp định mức của cơ cấu m lần thì điện trở phụ của cơ cấu sẽ là: Rf = (m-1)Rcc b. Vôn kế điện từ * Đặc điểm: Cuộn dây nằm ở phần tĩnh nên số vòng dây có thể thay đổi theo yêu cầu của điện áp cần đo. Độ chính xác không cao lắm. * Mở rộng thang đo: giống như phương pháp mở rộng thang đo của vôn kế từ điện tức là phải nối thêm điện trở phụ nối tiếp với cơ cấu đo c. Vôn mét điện động * Đặc điểm: - Có hai cuộn dây ở cả phần tĩnh và phần động nên khi sử dụng làm vôn mét ta đấu nối tiếp hai cuộn động và hai cuộn tĩnh lại với nhau - Số vòng dây của cuộn tĩnh có thể thay đổi nên giới hạn đo của vôn kế này rộng hơn so với vôn kế điện từ * Phương pháp mở rộng giới hạn đo: ta vẫn dùng phương pháp đấu thêm các điện trở phụ nối tiếp với cơ cấu. Giá trị của điện trở phụ là: Rf = (m-1) Rcc 0 5 UX 4 3 1 2 RCC Rf1 Rf2 Rf3 Rf4 Hình 6 -2: Sơ đồ mở rộng thang đo của vôn kế điện từ d. Máy biến áp đo lường * Đặc điểm: Có hai cuộn dây - Cuộn dây sơ cấp mắc song song với tải hoặc song song với điện áp cần đo - Cuộn dây thứ cấp có số vòng ít hơn và được mắc song song với đồng hồ vôn kế 112 UX W1 W2 1 V 2 Hình 6 -3: Sơ đồ đo điện áp dùng máy biến áp đo lường * Nhiệm vụ của máy biến áp đo lường: biến đổi trị số điện áp lớn xuống trị số điện áp U2đm = 100V cung cấp cho dụng cụ đo áp và cuộn áp của dụng cụ đo khác 6.2.2 Dụng cụ đo dòng điện (Am pe mét) a. Am pe kế từ điện: * Đặc điểm: - Có cơ cấu đo là cơ cấu từ điện nên dây dẫn của Ampekế từ điện rất nhỏ, thường dùng đo trực tiếp các dòng điện cỡ nhỏ - Muốn đo dòng điện lớn hơn mA ta phải mở rộng giới hạn đo - Ampekế từ điện chỉ làm việc trực tiếp ở lưới điện một chiều. Khi làm việc với lưới xoay chiều phải thông qua bộ chỉnh lưu - Độ chính xác của Ampekế từ điện rất cao vì thế người ta thường dùng để chế tạo các dụng cụ đo dùng trong phòng thí nghiệm * Mở rộng giới hạn đo ta dùng phương pháp nối song song cuộn dây của cơ cấu với một điện trở gọi là điện trở SUN RS IX IS ICC CC Hình 6 -4: Sơ đồ mở rộng thang đo của am pe kế từ điện 113 RS = RCC/n-1 Trong đó: dòng điện cần đo IX lớn hơn dòng định mức của cuộn dây trong cơ cấu ICC là n lần IX = nICC b. Ampekế điện từ: * Đặc điểm: - Cuộn dây của cơ cấu nằm ở phần tĩnh nên dây dẫn có thể thay đổi được theo yêu cầu của đại lượng đo - Ampe kế điện từ có giới hạn đo rộng cỡ kA - Ampekế diện từ làm việc trực tiếp cả với dòng một chiều và dòng xoay chiều * Mở rộng giới hạn đo: với phương pháp thay đổi tiết diện cuộn dây để đo dòng điện lớn thì dây dẫ phải có đường kính to làm dụng cụ có kích thước cồng kềnh vì thế người ta dùng phương pháp thay đổi cách nối cuộn dây để mở rộng giới hạn đo W/4 W/4 W/4 W/4 0 IX a) IX IX c) b) Hình 6 -5: Sơ đồ mở rộng thang đo của am pe kế điện từ ở hình b IX = 4Iđmcc ở hình c IX = 2Iđmcc c. Ampekế điện động: * đặc điểm: 114 - Cơ cấu đo điện động dùng làm đồng hồ thường nối tiếp hai cuộn dây - Cuộn dây động có tiết diện nhỏ do vậy giới hạn đo hẹp. Muốn đo dòng có trị số lớn phải mở rộng giới hạn đo - Ampekế điện động có thể đo trực tiếp với dòng một chiều và xoay chiều * Phương pháp mở rộng giới hạn đo: Thay đổi cách đấu hai cuộn dây (đấu song song hai cuộn dây với nhau) và mắc nối tiếp với các cuộn dây là các điện trở phụ. d. Máy biến dòng: * Nhiệm vụ: dùng để biến đổi dòng điện trị số lớn xuống dòng điện có trị số nhỏ để phù hợp với các đồng hồ đo * Đặc điểm cấu tạo: + Mạch từ: Làm bằng những lá thếp kỹ thuật điện ghép cách điện với nhau tạo thành mạch từ khép kín + Cuộn dây: có hai cuộn dây Cuộn dây W1 là cuộn sơ cấp có tiết diện lớn ssó vòng ít được đấu nối tiếp với tải Cuộn dây W2 có tiết diện nhỏ số vòng nhiều đầu ra được nối với đồng hồ Ampe và các cuộn dòng của các dụng cụ đo khác IX ITảI W1 W2 I2 A Hình 6 - 6: Sơ đồ đo dòng điện dùng máy biến dòng đo lường 115 6.3.3 Dụng cụ đo điện trở a) ôm mét * Đặc điểm : - Đo được điện trở nhỏ và điện trở trung bình - Ôm kế có cơ cấu chính là cơ cấu từ điện * Có hai loại : + Ôm kế có mạch mắc nối tiếp + Ôm kế có mạch mắc song song b) Đo bằng mêgômmét (MΩ) * Đặc điểm : - Mêgômmét là dụng cụ đo điện trở cỡ lớn (cỡ MΩ) - Có cơ cấu tỷ lệ kế từ điện * Cấu tạo R2 ∞ N L1 Rx Máy phát Tay quay S L2 0 R2 Hình 6-7: Cấu tạo và nguyên lý làm việc của mêgôm mét Mêgôm mét gồm có nguồn cao áp cung cấp từ máy phát điện khi quay máy phát với tóc độ ổn định (50 đến 70)vòng/phút thì điện áp máy phát có thể có trị số 500 đến 1000V và chỉ thị là một logommét từ điện. Chỉ thị logommét từ điện như hình vẽ gồm hai khung dây, một khung tạo mô men quay và một khung dây tạo mô men phản kháng đặt lệch nhau một góc trong không gian 116 Chú ý khi dùng mêgômmét thì không được chạm vào cọc có điện áp của máy phát. c) Cầu đo điện trở: R3, R2 dùng chỉnh thô R4 Dùng chỉnh tinh R1 Là R cần đo C ≡ R1 RX R2 I1 G I2 A IC B I4 I R3 R4 I 3 D M U Rđ/c Hình 6-8: Cầu đo điện trở một chiều * Cầu đo một chiều (Wheatston) dùng để đo điện trở trung bình Cấu tạo gồm : - Có bốn vai cầu, mỗi vai tương ứng với một điện trở là R1, R2,R3,R4 - Hai đỉnh cầu AB được nối vào nguồn một chiều bằng pin hoặc ac- qui - Hai đỉnh CD được nối vào một điện kế - Điện trở điều chỉnh(Rđ/c) có nhiệm vụ khống chế dòng vào cầu để phù hợp với điện trở cần đo. 117 * Đo điện trở bằng cầu đo xoay chiều C Z ≡Z 1 X Z2 I1 G I2 A IG B I4 Z I Z3 4 I 3 D M u∼ Hình 6-9: Cầu đo điện trở một chiều 6.2.4 Dụng cụ đo công suất( Oát mét) + Để đo công suất tác dụng và công suất phản kháng thì ta dùng oát kế điện động a) Đặc điểm của oát kế điện động: - Là loại dụng cụ đo loại điện động có hai cuộn dây(cuộn tĩnh và cuộn động) - Tùy theo mạch đo là mạch một chiều hay mạch xoay chiều một pha hoặc ba pha mà ta dùng các oát kế khác nhau. - Đo ở mạch một chiều hay mạch xoay chiều một pha thì ta dùng oát kế một phần tử. Còn đo ở mạch xoay chiều ba pha ta dùng oát kế một phần tử hoặc oát kế hai phần tử hoặc oát kế ba phần tử b) Cấu tạo oát kế điện động, oát kế sắt điện động một phần tử: + Cuộn dây phần tĩnh có số vòng dây ít được mắc nối tiếp giữa nguồn và tải gọi là cuộn dòng + Cuộn dây phần động có số vòng dây lớn,tiết diện nhỏ được mắc song song với nguồn và song song với tải gọi là cuộn áp. 118 6.2.5Dụng cụ đo điện năng (Công tơ mét) 1. Cấu tạo Gồm ba phần (hình 6.10) 1. Hệ thống từ 2. Trục 3. Bánh răng truyền động 4. Trống số 5. Nam châm hãm P tải 6. Đĩa nhôm Nguồn Hình 6-10: Cấu tạo công tơ mét một pha + Phần tĩnh: Gồm hai nam châm điện A, B - Nam châm A: Có lõi thép (1) làm bằng các lá thép kỹ thuật điện. Dây quấn(WA) là các vòng dây điện từ có số vòng lớn đường kính dây nhỏ, mắc song song với tải gọi là cuộn áp. - Nam châm B: Có lõi thép làm bằng các lá thép kỹ thuật điện. Dây quấn(WB) là các vòng dây điện từ có số vòng ít đường kính dây lớn, mắc nối tiếp với tải gọi là cuộn dòng. Hai nam châm này đặt sát đĩa nhôm (6) ở hai điểm khác nhau +Phần động gồm: - Đĩa nhôm (6) quay được nhờ gắn trên trục quay (2) -Trục đặt trên hai gối đỡ 119 - Đầu trên của trục được chế tạo thành nhông (vít vô tận), nhông này ăn khớp với bộ bánh răng (3) và trống số (4) + Các bộ phận khác: - Hệ thống bánh răng (bằng nhựa) để truyền chuyển động từ trục đến trống số. - Trống số trên mặt có ghi các số thập phân (từ 0 đến 9). Tổng hợp các con số của vành trống cho ta kết quả đo. - Nam châm vĩnh cửu (5) chế tạo hình móng ngựa ôm sát đĩa nhôm (6) để tạo sự quay mịn cho đĩa nhôm. 2. Nguyên lý làm việc Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ và sự tác dụng tương tác giữa các lực từ. Khi đặt một điện áp xoay chiều vào cuộn dây WA trong cuộn dây WA xuất Φ hiện dòng điện IA dòng điện này sinh ra từ thông A móc vòng trong lõi thép qua đĩa nhôm 6 sinh ra một từ trường tương tác với từ trường của nam châm điện A. Kết quả là sinh ra một lực FAtác dụng vào đĩa nhôm. Đồng thời trong cuộn dây WB xuất hiện dòng điện IB. Một cách tương tự dòng điện IB sinh ra một lực FB tác dụng vào đĩa nhôm ở vị trí và chiều trên đĩa nhôm như hình 6.11 FB 6 FA Hình 6-11: Lực điện từ tác dụng lên đĩa nhôm Kết quả là đĩa nhôm chịu tác dụng của một ngẫu lực làm đĩa nhôm quay dẫn đến trục quay, nhông xoắn quay làm cho hệ thống bánh răng quay dẫn đến hệ thống trống số quay hiện thị giá trị số đo. 3. ứng dụng Cơ cấu đo cảm ứng dùng để chế tạo ra dụng cụ đo điện năng trong một khoảng thời gian gọi là công tơ điện xoay chiều một pha hoặc ba pha. 6.3 Đo các đại lượng điện 120 6.3.1. Đo dòng điện - Dùng đồng hồ Ampe kế mắc nối tiếp với phụ tải cần đo dòng điện - Đo dòng một chiều dùng ampemet một chiều (kiểu từ điện) - Đo dòng xoay chiều dùng ampemet xoay chiều (kiểu điện từ, điện động) - Muốn mở rộng giới hạn đo ta đấu song song điện trở sơn (RS) với cơ cấu đo A Rt RS Hình 6-12: Sơ đồ đấu đồng hồ ampe mét vào mạch - Khi dòng cần đo quá lớn so với giới hạn đo của cơ cấu đo thì ta phải dùng máy biến dòng để chuyển đổi dòng cần đo về phù hợp với giới hạn đo của cơ cấu đo. IX I2đm= 5A I2 A Hình 6-13: Sơ đồ đo dòng điện trị số lớn 6.3.2. Đo điện áp - Dùng vôn kế đo điện áp - Vôn kế được mắc song song với phụ tải, nguồn cần đo điện áp. Điện trở của Vôn kế phải rất lớn để dòng điện qua vôn kế càng nhỏ càng tốt. - Đo điện áp một chiều có thể dùng vôn kế một chiều hoặc xoay chiều. Muốn đo chính xác ta dùng vôn kế kiểu từ điện - Muốn mở rộng giới hạn đo ta mắc nối tiếp điện trở phụ với cuộn dây cơ cấu đo. Rp chọn sao cho vôn kế chỉ chịu điện áp nhỏ hơn mức cho phép 121 V R V R Rp Hình 6.14: Sơ đồ mạch đo điện áp - Đo điện áp xoay chiều dùng vôn kế xoay chiều kiểu điện từ - Khi điện áp cần đo quá lớn so với giới hạn đo của cơ cấu đo thì ta phải dùng máy biến áp đo lường để chuyển đổi điện áp cần đo về phù hợp với giới hạn đo của cơ cấu đo. U2đm= 100V W A 1 X a x W2 V Hình 6-15: Sơ đồ mạch đo điện áp trị số lớn 6.3.3 Đo điện trở a. Đo gián tiếp bằng Ampekế và Vônkế Dựa theo định luật Ôm R = U/I Cách xác định R bằng cách sử dụng Ampekế và Vônkế A A + + U V RX U V RX - - Hình 6-16: Sơ đồ mạch đo gián tiếp điện trở nhỏ và trung bình Trong cả hai cách đấu trên đều có sai số do điện trở của Ampe kế và Vônkế ∞ Ω Ω không đạt trạng thái lý tưởng (RV = và RA =0 ) 122 b. Đo điện trở bằng Ômkế Ôm kế là dụng cụ từ điện với nguồn cung cấp là pin và có các điện trở mẫu. Nhờ vào quan hệ định luật Ôm ( R=U/I) như vậy khi U là giá trị không đổi thì R thay đổii dẫn đến I thay đổi nên góc quay của cơ cấu thay đổi trên cơ sở đó ta chế tạo Ôm kế. Tuỳ theo cách đấu cơ cấu trong Ôm kế ta có hai kiểu Ôm kế như sau *. Ôm kế mạch nối tiếp RP CC U0 RX=0 RX Hình 6.17: Sơ đồ mạch đo điện trở dùng Ôm kế mạch nối tiếp Ôm kế mạch nối tiếp khi đo điện trở cần đo được mắc nối tiếp với cơ cấu đo Trong đó RP là điện trở phụ đảm bảo khi Rx = 0 dòng qua cơ cấu là lớn nhất (lệch hết thang chia độ) để bù lại sai số do điện trở trong của nguồn tăng lên trong quá trình sử dụng để đảm bảo chính xác của dụng cụ. Điện trở trong của Ôm kế được xác định ↑ RΩ = RCC + RP = RCC + RP + rng ↓ = const Rct : là điện trở của cơ cấu chỉ thị Ictmax : dòng định mức của cơ cấu chỉ thị Khi Rx = 0 thì Ictmax = U0 /( RCT+R0) ≠ Khi Rx 0 thì Ict = U0 /( RCT+R0+ Rx) ∞ Với Rx = thì ICT = 0 Từ đó ta thấy rằng khi chia độ thì ngược với dụng cụ đo áp vì lúc này điện áp là cố định dòng điện tỷ lệ nghịch với điện trở cần đo. Và để tránh sai số gây ra do điện áp cung cấp bị suy hao người ta mắc thêm biến trở để điều chỉnh khi Rx =0. 123 Cách sử dụng: - Trước khi đo ta cần chập hai đầu que đo và chỉnh kim chỉ 0 sau đó mới tiến hành đo (chỉnh 0) - Mắc RX cần đo như hình vẽ 6.17 * Ôm kế mạch song song Ôm kế mạch song song có cấu tạo tương tự như Ôm kế mạch nối tiếp nhưng điện trở cần đo được mắc song song với cơ cấu chỉ thị. So với ôm kế nối tiếp thì Ôm kế song song có thể đo được các điện trở có giá trị nhỏ hơn. ∞ Hoạt động : khi chưa có Rx ( Rx = ) thì dòng đi qua cơ cấu là lớn nhất. ≈ Khi Rx = 0 dòng qua cơ cấu chỉ thị Ic 0. Như vậy thang chia độ của Ôm kế mạch song song được chia giống như Vônkế Rp R Rm Rx C Uo K Hình 6-18: Sơ đồ mạch đo điện trở dùng Ôm kế mạch song song Cách sử dụng: ở đây để khắc phục sai số do nguồn cung cấp biến đổi gây ra thì ta cũng phải tiến hành điều chỉnh trước khi đo nhưng đây là trường hợp chỉnh ∞ (khi hai đầu đo để hở) c. Xác định điện trở bằng cầu đo Cầu đo để xác định điện trở là cầu một chiều. Có hai loại cầu dùng xác định điện trở trong đó cầu đơn xác định điện trở có giá trị trung bình, còn cầu kép xác định điện trở có giá trị rất nhỏ (loại điện trở đặc biệt điện trở 4 đầu ra) * Cầu đơn: Cầu đơn là một thiết bị dùng để xác định điện trở có tính chính xác cao. 124 Cấu tạo của cầu (hình 6.19): A R2 R1 I1 G I1 D B I2 N-2 I2 R3 RX C Un N-1 Hình 6-19: Cấu tạo của cầu đơn Trong đó các điện trở R1,R2,R3 là các điện trở mẫu còn điện trở Rx là điện trở cẫn xác định giá trị, có điện kế G là cơ cấu chỉ thị. Để xác định điện trở Rx ta điều chỉnh một trong các điện trở mẫu để G chỉ thị 0, lúc đó cầu đo đang ở trạng thái cân bằng (Uab = 0) không có dòng đi qua điện kế nên dòng đi qua điện trở R1, R2 là I1 và dòng đi qua điện trở R3 và Rx là I2 và ta có I1.R2 = I2.R3 I1R1 = I2Rx Từ trên ta rút ra biểu thức : RxR2 = R1R3 vậy Rx được xác định: Rx = R1.R3/R2 * Cầu kép Là thiết bị dùng để đo điện trở rất nhỏ mà cầu đơn trong quá trình đo không thuận tiện và có sai số lớn do điện trở dây dẫn và điện trở tiếp xúc gây ra. 125 E E R1 R1 G R2 G R2 F Rf F R R3 4 Rx RM R Rc d R A Rdn D x R M + _ C B E E + _ a) b) Hình 6.20: Cấu tạo cầu kép Nguyên tắc thực hiện: Điều chỉnh các vai cầu sao cho IG = 0, lúc này cầu cân bằng thì ta sẽ xác định được giá trị RX cần đo. Giải thích sơ đồ và cách xác định RX: ở sơ đồ trên R1, R2, R3, R4, là các vai cầu, RM là điện trở mẫu đưa vào để so sánh, RX là điện trở cần do. Điện trở RM, RX ta chọn loại điện trở có bốn đầu dây. Điện trở cần đo là RX (Rtx, Rdn, Rdd) Rdn là điện trở tương đương do điện trở tiếp xúc tại điểm C, điểm D và các đoạn dây nối tới các vị trí điểm C và D. Khi cầu cân bằng (có IG = 0) ta xác định được RX như sau: Để xácđịnh được RX ta phải dùng phương pháp biến đổi tương đương nhóm điện trở nối tam giác là R3, R4, Rdn và nhóm điện trở nối sao Rf, Rd, RC. Công thức tính các điện trở tương đương như sau ở nhóm Y điện trở: R R R = 3 4 f + + R3 R 4 R dn R R R = 3 dn c + + R3 R 4 R dn 126 R R R = 4 dn d + + R3 R 4 R dn Khi IG =0 theo cầu đơn ở điểm B ta xác định RX R1(Rd+RM) = R2(RX+Rc) Thay giá trị của Rd và Rc vào biểu thức ta có R R R R R ( 4 dn +R ) = R (R + 3 dn ) 1 + + M 2 X + + R3 R 4 R dn R3 R 4 R dn Thực hiện phép biến đổi để rút gọn ta tính được R R R R R R = 1 R + 4 dn ( 1 − 3 ) X M + + R 2 R3 R 4 R dn R 2 R 4 R R R 1 = 3 1 Nếu khi thiết lập mà ta chọn tỷ số thì lúc đó RX = RM R 2 R 4 R 2 Như vậy kết quả của điện trở cần đo không có mặt của Rdn nên phép đo cho kết quả chính xác. d. Mêgôm mét R R F 1 2 R Rf X Hình 6.21: Sơ đồ đo điện trở dùng mêgôm mét 127 Góc quay của cơ cấu đo tỷ lệ với tỷ số của hai dòng điện chạy qua hai khung dây trong đó dòng điện I1 đi qua khung dây W1, điện trở R1, dòng điện I2 qua khung dây W2 điện trở R2, Rx và R3. Ta có: I1 = Uo/(R1+r1) I2 = Uo/(R2+r2+Rx+R3) r1,r2 : điện trở của khung dây Dưới tác động của lực điện từ giữa từ trường và dòng điện qua các khung sẽ tạo ra mô mem quay M1 và mô mem cản M2. ở tại thời điểm cân bằng M1=M2 ta có : α = F(F1/F2)= F[(R2+R3+r2+Rx)/(R1+r1)] Các giá trị R1,R2,R3 và r1,r2 là hằng số nên góc quay tỷ lệ với Rx và không phụ thuộc vào điện áp cung cấp 6.3.4. Đo điện năng a. Đo điện năng một pha (dùng công tơ một pha - cơ cấu cảm ứng) Sơ đồ mạch đo * KWh W *  ∼ R 1 Hình 6.22: Sơ đồ nguyên lý mạch đo điện năng một pha b. Đo điện năng mạch ba pha * Mạch ba pha bốn dây Dùng công tơ mét ba pha ba phần tử mắc như hình vẽ 128 * ZA A * * ZB B * * Z C C * O Hình 6.23: Sơ đồ nguyên lý mạch đo điện năng ba pha mạch ba pha bốn dây * Mạch ba pha ba dây Dùng công tơ mét ba pha hai phần tử mắc như sơ đồ hình vẽ * * * * A Phụ B tải C Hình 6.24: Sơ đồ nguyên lý mạch đo điện năng ba pha mạch ba pha ba dây Mỗi phần tử một cuộn dòng, một cuộn áp và một đĩa nhôm riêng hay cả hai phần tử tác dụng lên một đĩa nhôm. 129 câu hỏi ôn chương 6 1. Trình bày khái niệm chung về đo lường điện? 2. Trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc và ứng dụng của các cơ cấu đo cơ bản? 3. Trình bày phương pháp đo điện áp. Để mơ rộng giớ hạn đo điện áp người ta thực hiện như thế nào?. 4. Trình bày phương pháp đo dòng điện. Để mở rộng giới hạn đo dòng điện người ta thực hiện như thế nào? 5. Trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc và ứng dụng của công tơ mét một pha và ba pha để đo điện năng tiêu thụ? 6. Hãy vẽ mạch xoay chiều một pha có đầy đủ các phẩn tử R, L, C nối tiếp và hỗn hợp. Đấu các thiết bị đo các đại lượng dòng, điện áp, điện năng tiêu thụ của toàn mạch, điện áp trên từng phần tử. 7. Hãy vẽ mạch xoay chiều ba pha đối xứng có có tải một pha và ba pha. Đấu các thiết bị đo các đại lượng dòng, điện áp, điện năng tiêu thụ của toàn mạch, đo dòng điện, điện áp dây và pha trên từng tải. 130 Tài liệu tham khảo [1] Đặng Văn Đào & Lê Văn Doanh; Kỹ thuật điện; Nhà xuất bản Khoa học & kỹ thuật; 1997 [2] Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu; Máy điện tập I, tập II; Nhà xuất bản Khoa học & kỹ thuật; [3] Ngô Tiến Đắc; Tìm dụng cụ đo điện; Nhà xuất bản Khoa học & kỹ thuật; 1978 [4] Đặng Văn Đào & Lê Văn Doanh; Cơ sở lý thuyết mạch; Nhà xuất bản Giáo dục; 1992 [5] Hoàng Hữu Thận; Kỹ thuật điện đại cương; Nhà xuất bản Đại học và giáo dục chuyên nghiệp [6] Nguyễn Quân; Giáo trình mạch điện 1,2; Trường Đại học quốc gia TP- HCM; 2002 [7] Phương Xuân Nhàn, Hồ Anh Túy; Lý thuyết mạch; Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật; 1993 [8] Nguyễn Bình Thành, Nguyễn trần Quần, Phạm Khắc Chương; Cơ sở lý thuyết mạch; Nhà xuất bản GD; 1992 [9] Nguyễn Quân; Lý thuyết mạch; Đại học bách khoa TP - HCM; 1994 131