Bài giảng Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Chương 8: Mạch điện ba pha

CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN 1

Chương 8: Mạch điện ba pha.

I. Khái niệm.

II. Mạch ba pha đối xứng và không đối xứng tải tĩnh.

III. Tính và đo công suất mạch điện ba pha.

IV. Mạch ba pha có tải động - Phương pháp thành phần đối xứng

V. Phân tích mạch ba pha không đối xứng bằng phương pháp thành

phần đối xứng.

1

Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010

Chương 8: Mạch điện ba pha

I.1. Định nghĩa.

 Mạch điện ba pha là mạch điện làm việc với nguồn kích thích ba pha.

V

 Nguồn điện ba pha gồm 3 nguồn điện 1 pha có:

e_A(t)

e_C(t)

e_B(t)

 Cùng biên độ hiệu dụng.

 Cùng tần số.

t

 Pha ban đầu lệch nhau 120⁰theo đúng thứ tự.





E_A E 0⁰(V )

e (t)  E .sint(V).





A

m







 E_B E 120⁰(V )

0

e (t)  E .sin(t 120 )(V).



B

m











e_C(t)  E_m.sin(t 120⁰)(V).

E_A

 E_C E 120⁰(V )



 Nhận xét:

120⁰

120⁰

 Tại mọi thời điểm, tổng các suất điện động của 3 dây quấn đều triệt tiêu.



E_C

E_B

e_A(t)  e_B(t)  e_C(t)  0



E_A E_B E_C 0

 Thứ tự pha: Pha B chậm hơn pha A 1 góc 120⁰; pha C sớm hơn pha A 1 góc 120⁰.

2

Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010

Chương 8: Mạch điện ba pha

I.2. Cách tạo nguồn điện ba pha.

 Để tạo ra nguồn điện ba pha, người ta thường dùng máy phát điện xoay chiều đồng bộ ba pha đối

xứng.

 Cấu tạo máy phát điện đồng bộ ba pha đối xứng:

 Stator: Có dạng hình trụ, gắn trên thân máy, trên đó đặt 3 cuộn dây AX, BY, CZ giống nhau và

lệch nhau 1 góc không gian 120⁰.

 Rotor: Có dạng hình trụ tròn, đặt trong stator, có thể quay quanh 1 trục. Trục rotor được gắn

với tuốc bin.

 Hoạt động của máy phát điện đồng bộ ba pha đối xứng:

 Rotor được từ hóa bằng dòng điện 1 chiều lấy từ nguồn kích thích bên ngoài, trở thành một

nam châm điện.

 Rotor quay đều (do tác động của bên ngoài như hơi nước, thủy điện, hoặc động cơ kéo …) với

vận tốc ω. Từ trường nam châm của rotor quét qua mỗi dây quấn stator tạo ra suất điện động

cảm ứng xoay chiều hình sin trên các cuộn dây AX, BY, CZ.

3

Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010

Chương 8: Mạch điện ba pha

I.3. Động cơ không đồng bộ ba pha.

i (t)  I .cost.

 _A

m



i (t)  I .cos(t 120⁰).

a. Từ trường quay.

 _B



m

 Xét 3 cuộn dây stator cấp bởi hệ thống dòng điện 3 pha đối xứng.

i_C(t)  I_m.cos(t  240⁰).



C

Y

C

B

C

A

X

A

B

Z

B

I_m

2

I_m

2

 Tại

t  0  i_A I_m; i_B i_C

 Quy ước: Dòng điện dương là dòng đi ra

khỏi đầu cuộn dây, đi vào cuối cuộn dây.

T

t   i_B I_m; i_A i_C

 áp dụng quy tắc vặn nút chai

3

I_m

2

2T

 Từ trường trong máy điện là từ trường quay.

t 

 i_C I_m; i_A i_B

3

4

Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010

Chương 8: Mạch điện ba pha

I.3. Động cơ không đồng bộ ba pha.

b. Động cơ không đồng bộ ba pha.

 Cấu tạo:

 Stator: Gồm các cuộn dây có tác dụng tạo ra từ trường quay.

 Rotor: Có cấu tạo kiểu lồng sóc đoản mạch. Các thanh dẫn được lắp

xiên so với đường sinh của lồng sóc.

 Nguyên lý hoạt động:

 Từ trường quay do các cuộn dây stator tạo ra cắt các thanh dẫn dây

quấn rotor làm sinh ra các suất điện động cảm ứng.

 Dây quấn rotor nối ngắn mạch nên các suất điện động cảm ứng sinh

ra các dòng điện cảm ứng trong các thanh dẫn.

 Lực tác dụng tương hỗ giữa dòng trong thanh dẫn với từ trường quay làm rotor quay cùng chiều

với chiều quay của từ trường.

5

Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010

Chương 8: Mạch điện ba pha

I.4. Cách đấu dây mạch ba pha.

 Mỗi dây quấn stator có một cực đầu và một cực cuối (cực đầu là cực ở đấy chiều dương dòng điện

đi ra, cực còn lại là cực cuối).

 Có 2 cách đấu dây nguồn điện ba pha:

 Nối hình sao Y:

 Nối 3 cực cuối X, Y, Z chụm lại một điểm O, gọi là điểm trung tính của nguồn.

A

Pha A

e_A(t)

e_B(t)

e_C(t)

Pha A

e_A(t)

e_B(t)

Pha B

Pha C

O

Sơ đồ tương đương

Dây trung tính

X ≡ Y ≡ Z ≡ O

Pha B

Pha C

B

C

e_C(t)

Dây trung tính

Sơ đồ 3 pha - 4 dây

 Mạng 3 pha - 4 dây với tải nối hình sao thường dùng cung cấp điện mạng điện sinh hoạt.

6

Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010

Chương 8: Mạch điện ba pha

I.4. Cách đấu dây mạch ba pha.

 Nối hình tam giác Δ:

 Nối đầu dây của cuộn trước với điểm cuối của cuộn sau.

A≡Z

Pha A

e_C(t)

e_A(t)

Sơ đồ tương đương

e_B(t)

C≡Y

Pha B

Pha C

Pha B

Pha C

B≡X

Sơ đồ 3 pha - 3 dây

 Mạng 3 pha - 3 dây với tải nối hình sao thường dùng để cung cấp điện cho mạng điện

công nghiệp, phục vụ nhu cầu sản xuất, với tải là các động cơ 3 pha.

7

Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010

Chương 8: Mạch điện ba pha

I.4. Cách đấu dây mạch ba pha.

 Các tải của mạng điện 3 pha cũng có thể được đấu nối theo 2 cách: Hình sao Y và hình tam giác Δ

Pha A

Z_A

Z_B

Trung tính tải

O’

Z_C

Pha B

Pha C

Z_B

Pha B

Pha C

Z_C

Sơ đồ hình Δ - 3 pha - 3 dây

Sơ đồ hình Y - 3 pha - 4 dây

 Cách đấu dây của nguồn và tải không phụ thuộc vào nhau và có thể khác nhau.

e_A(t)

e_B(t)

e_C(t)

Z_d

O

Z_d

Tải nối Y

Tải nối Δ

8

3 pha - 3 dây

3 pha - 4 dây

3 pha - 3 dây

Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010

CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN 1

Chương 8: Mạch điện ba pha.

I. Khái niệm.

II. Mạch ba pha đối xứng và không đối xứng tải tĩnh.

II.1. Khái niệm mạch ba pha đối xứng.

II.2. Đặc điểm mạch ba pha đối xứng.

II.3. Cách phân tích mạch ba pha đối xứng.

II.4. Mạch ba pha không đối xứng tải tĩnh.

III. Tính và đo công suất mạch điện ba pha.

IV. Mạch ba pha có tải động - Phương pháp thành phần đối xứng

V. Phân tích mạch ba pha không đối xứng bằng phương pháp thành

phần đối xứng.

9

Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010

Chương 8: Mạch điện ba pha

II.1. Khái niệm mạch ba pha đối xứng.

 Mỗi bộ phận của mạch ba pha đều gồm ba phần hợp lại; mỗi phần hợp thành hệ thống ba pha được

gọi là một pha của mạch điện.

Ví dụ: Máy phát điện có 3 dây quấn, đường dây truyền tải có 3 dây, tải 3 ba gồm 3 tải một pha hợp

thành.

 Mạch điện ba pha đối xứng là mạch điện ba pha có nguồn đối xứng và tải đối xứng, trong đó:

 Nguồn ba pha đối xứng là nguồn có:

 Biên độ bằng nhau.

 Tải ba pha đối xứng là tải có

 Biên độ bằng nhau.

 Pha bằng nhau.

 Tần số bằng nhau.

 Pha ban đầu lệch nhau 120⁰, đúng theo thứ tự pha.

 Khái niệm về đại lượng pha và dây.

 Các dòng điện chảy trên dây dẫn từ nguồn đến tải và điện áp giữa các dây ấy được gọi là dòng

điện dây và điện áp dây. Ký hiệu: I_d, U_d.

 Dòng điện và điện áp trên các pha của nguồn hoặc tải được gọi là dòng điện pha và điện áp

pha. Ký hiệu: I_f, U_f.

10

Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010

Chương 8: Mạch điện ba pha

II.2. Đặc điểm mạch ba pha đối xứng.

a. Mạch nối hình sao Y.



Z_A

Z_B

Z_C

E_A

I _A

O

O’



 Xét điện áp giữa 2 điểm trung tính nguồn và tải:

E_B

I _B



Vì mạch ba pha đối xứng



Y_A.E_AY_B.E_BY_C.E_C

Y_AY_BY_C

E_C

I_C

U_O'O



I _N

Y_AY_BY_CY

A



Trung tính nguồn

và tải trùng nhau

Y.E_AY.E_BY.E_CE_A E_B E_C



 U_O'O



 0

U _AB

E_A



3.Y

3

U_CA

H

 Lập phương trình Kirchhoff 2 cho vòng OAO’O ta



có:

O

E_B



E_AU _AU_O'OU _A

Hệ thống điện áp pha

trên tải đối xứng

E_C

B

C



U _BC

 Tương tự có:

E_BU_B; E_CU_C



0

I_d I _f;U_d 3.U _f.e^j.30

 Từ tam giác OAH ta có quan hệ giữa điện áp dây và điện áp pha:



0

I _N 0

U _AB 3.U _A.e^j.30

U_AB 2.U_A.cos30⁰ 3.U_A



Hệ thống dòng

điện pha đối xứng

 Hệ thống dòng điện trong mạch: I _AY.U _A; I_BY.U_B; I_CY.U_C



 Dòng điện trong dây trung tính:

I _N I _A I_B I_C 0

11

Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010

Chương 8: Mạch điện ba pha

II.2. Đặc điểm mạch ba pha đối xứng.

b. Mạch nối tam giác Δ

A



I _A



I_CA

U_CA

U _AB

Z



Z



I _BC

I _AB



C

B

C

B

I _B

U _BC



I_C



0

I_d 3 I _f.e^j.30; U_dU _f

12

Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010

Chương 8: Mạch điện ba pha

II.3. Cách phân tích mạch ba pha đối xứng.

 Do những đặc điểm trên, quá trình phân tích và giải mạch 3 pha đối xứng có thể đưa về bài toán xét

các biến trạng thái trên một pha. Trạng thái và các quá trình trên 2 pha còn lại cũng hoàn toàn giống

trên pha đang xét nhưng về mặt thời gian chúng sẽ lệch nhau 1/3 chu kỳ.

 Thông thường quá trình phân tích và xét mạch 3 pha thường được thực hiện trên sơ đồ nối tải hình

sao Y. Trong trường hợp nếu tải nối tam giác Δ thì ta có thể dùng công thức chuyển đổi.

 Công thức chuyển Y - Δ:

 Công thức chuyển Δ - Y:

Z₁₂

Z₁

Z₁₃

Z₁

Z₁₃

Z₂Z₃

Z₂₃

Z₂Z₃

Z₂₃

Z₁₂.Z

23

13

Z₁.Z₃

Z₁.Z₂

Z₂

Z₁

Z₁₃ Z₁ Z₃

Z₂.Z₃

Z₁₂ Z₁ Z₂

Z₁₂ Z  Z

13

23

13

23

Z₂

Z₃

Z₁₃.Z

23

Z₃

Z₂₃ Z₂ Z₃

Z₁₂ Z  Z

Z₁

13

23

13

Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010

Chương 8: Mạch điện ba pha

II.3. Cách phân tích mạch ba pha đối xứng.



I _A

A



 Ví dụ: Xét mạch 3 pha có sơ đồ như hình bên.



E_A

I

Z_d

Z₂

I

A₂

B

 Chuyển Δ - Y, xét riêng pha A.

Z₂

O



Z₂



E_B



I _A

1



C

E_A



 Dòng điện dây:

I _A

E_C

Z₂

Z_d (Z₁// )

Z₁

3



Z₁



I _A

Z₂

I _A

 I _A

.

; I _A

.Z₁

1

2



Z₂

3

I

A₂

I _A

A

Z₁

3

.

Z_d



.

Z₂

I

A₂

Z₁

E_A



^{ Dòng điện pha tải Z}₂^:I _Z I _f

2

0

3

3.e^j.30

I _A

1



E_A

 Tổn thất dọc đường dây: U_d Z_d.I_d Z_d.I _A Z_d.

Z₂

Z_d (Z₁// )

3

0

e^{ j.120}(e^j.120)

 Mọi trạng thái dòng - áp ở pha B (C) sẽ quay đi một góc tương ứng là

14

Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010

Chương 8: Mạch điện ba pha

II.4. Mạch ba pha không đối xứng tải tĩnh.

 Nguồn ba pha cung cấp cho các bộ dùng điện 1 pha như thắp sáng, sinh hoạt, các động cơ một pha,

biến áp hàn, lò hồ quang … thường làm việc ở trạng thái không đối xứng (không đối xứng do tải

không đối xứng).

 Khi đó, ta coi mạch ba pha là một mạch phức tạp có 3 nguồn 1 pha tác động  có thể dùng tất cả

các phương pháp để xét: Dòng vòng, thế nút, dòng nhánh, xếp chồng, mạng 1 cửa …

 Phương pháp thế nút thường được sử dụng xét mạch hình sao.



Y_A

Y_B

Y_C

E_A

 Nếu

Z_N 0 U_O'O 0

O

O’



E_A

E_B

E_C

E_B

 I _A

; I _B

; I_C

; I _N I _A I _B I_C



Z_A

Z_B

Z_C

E_C

Y_N

 Nếu đứt hay chập 1 pha thì không ảnh hưởng đến các pha khác.



Y_A.E_AY_B.E_BY_C.E_C

Y_AY_BY_C

Y_A.E_AY_B.E_BY_C.E_C

Y_AY_BY_CY_N

 Nếu

Z_N 

 U_O'O



 U



Z_N 0

O'O



E_AU_O'O

E_BU_O'O



E_AU_O'O

E_BU_O'O

I _A

; I _B

I _A

; I _B

Z_A

Z_B

Z_A



Z_B





E_CU_O'O



E_CU_O'O

I_C

; I _N 0

I_C

; I _N I _A I _B I_C

Z_C

15

Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010

Chương 8: Mạch điện ba pha

II.4. Mạch ba pha không đối xứng tải tĩnh.

 Thực tế nhiều khi ta chỉ biết các điện áp dây mà không biết điện áp của từng pha của nguồn. Lúc đó

có thể thay thế hệ thống điện áp dây bằng một hệ thống ba nguồn hoặc hai nguồn áp tương đương,

miễn sao đảm bảo điện áp dây đã cho.



Ví dụ: Cho mạch điện ba pha được cung cấp bởi hệ thống điện áp dây không đối xứng

mắc hình sao đối xứng.

, tải

U _AB;U _AC



 Ta thay hệ thống điện áp dây không đối xứng bằng sơ đồ với 2 nguồn áp:

 Chọn chiều dòng vòng như hình vẽ.

E_BU _AB; E_CU _AC



Z_A

I _Z

A

B

A



 Lập phương trình mạch theo phương pháp dòng vòng, ta có:

I_v1



E_B

Z_B



I

O

Z_B



I  I_v1

Z_A



I_v2

Z_C







E_C



(Z_A Z_B).I_v1 Z_B.I_v2 E_B



 I_Z I_v2 I_v1

C

B



I _Z

C







Z_B.I_v1 (Z_B Z_C).I_v2 E_C E_B

I  I_v2

Z_C

16

Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010

CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN 1

Chương 8: Mạch điện ba pha.

I. Khái niệm.

II. Mạch ba pha đối xứng và không đối xứng tải tĩnh.

III. Tính và đo công suất mạch điện ba pha.

IV. Mạch ba pha có tải động - Phương pháp thành phần đối xứng

V. Phân tích mạch ba pha không đối xứng bằng phương pháp thành

phần đối xứng.

17

Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010

Chương 8: Mạch điện ba pha

*

Z_A

Z_B

Z_C

P_A

III. Tính và đo công suất mạch ba pha.

A

B

C

N

W

*

 Có thể tính công suất mạch 3 pha bằng cách cộng công

*

P_B

suất của từng pha lại.

W

*

~



P_C

W

S_{3 fa}U _A.I _AU _B.I _BU_C.I_C

P  P  P  P

*

3 fa

A

B

C

Q_{3 fa} Q_AQ_BQ_C

Sơ đồ đo công suất mạch 3 pha - 3 phần tử

 Với mạch 3 pha đối xứng, công suất các pha bằng nhau, nên chỉ cần đo công suất trên một pha.

*

~



S_{3 fa} 3.U _A.I _A

*

P₁

A

W

P  3.P  3.U _f.I _f.cos  3.U_d.I_d.cos



3 fa

1 fa

*

Tải nối

Y hoặc

E₁

*

P₂

B

Q_{3 fa} 3.Q  3.U _f.I _f.sin  3.U_d.I_d.sin

W

1 fa



*

E₂

C

Δ

 Với mạch 3 pha không đối xứng, bằng cách thay hệ

thống ba pha bằng 2 nguồn tương đương, ta có:

Sơ đồ đo công suất mạch 3 pha - 2 phần tử



^



^

P  P  P  P  Re{U _AC.I _A} Re{U_BC.I_B}

3 fa

tai

E₁

E₂

18

Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010

CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN 1

Chương 8: Mạch điện ba pha.

I. Khái niệm.

II. Mạch ba pha đối xứng và không đối xứng tải tĩnh.

III. Tính và đo công suất mạch điện ba pha.

IV. Mạch ba pha có tải động - Phương pháp thành phần đối xứng

IV.1. Khái niệm mạch ba pha có tải động.

IV.2. Hệ điện áp cơ sở của phương pháp thành phần đối xứng.

IV.3. Công thức phân tích và tổng hợp.

IV.4. Tính chất các thành phần đối xứng trong mạch 3 pha.

V. Phân tích mạch ba pha không đối xứng bằng phương pháp thành

phần đối xứng.

19

Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010

Chương 8: Mạch điện ba pha

IV.1. Khái niệm mạch ba pha có tải động.

 Trong hệ thống mạch điện 3 pha, thực tế có các phần tử tải mà hệ số hỗ cảm, tự cảm, và do đó tổng

trở các pha của nó không cố định, chúng thay đổi một cách phức tạp theo mức độ không đối xứng

của trạng thái dòng điện ba pha. Người ta gọi nhưng phần tử đó là tải động.

 Nếu coi hệ thống là tuyến tính, với một trạng thái dòng, áp không đối xứng, ta tìm cách phân tích ra

những hệ thành phần đối xứng theo những dạng chính tắc nào đó sao cho với mỗi hệ thành phần

dòng chính tắc ấy, tổng trở cuộn dây là xác định.

 Khi đó ta có thể dùng tính chất xếp chồng để giải bài toán mạch không đối xứng, bằng cách:

 Phân tích nguồn ba pha không đối xứng ra những thành phần đối xứng dạng chính tắc.

 Tìm đáp ứng đối với mỗi thành phần ấy rồi xếp chồng lại.

 Phương pháp thành phần đối xứng của Fortescue dựa trên sự phân tích chính tắc những hệ dòng áp

ba pha thành những thành phần đối xứng thuận, nghịch và không.

20

Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010

Bài giảng Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Chương 8: Mạch điện ba pha - Nguyễn Việt Sơn