Giáo trình Điện kỹ thuật - Nghề Công nghệ ô tô
BỘ LAO ĐỘNG - THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI
TỔNG CỤC DẠY NGHỀ
GIÁO TRÌNH
Môn học
ĐIỆN KỸ THUẬT
NGHỀ: CÔNG NGHỆ Ô TÔ
TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG
( Ban hành kèm theo Quyết định số:...)
HÀ NỘI 2012
1
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể
được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và
tham khảo.
Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh
doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.
MÃ TÀI LIỆU MH 07
LỜI GIỚI THIỆU
Ngày nay kỹ thuật điện đã phát triển rất mạnh và được ứng dụng rộng
rãi trong mọi lĩnh vực khoa học và đời sống. Chính vì vậy kiến thức kỹ thuật
điện rất cần thiết cho sinh viên trong quá trình đào tạo ngành công nghệ ô tô,
cũng như mọi ngánh khác. Giáo trình này biên soạn để làm tài liệu giảng dạy
cho môn học kỹ thuật điện cho sinh viên hệ cao đẳng chuyên ngành công
nghệ ô tô, ngoài ra cũng là tài liệu tham khảo bổ ích cho học sinh chuyên
ngành khác. Về nội dung giáo trình được đề cập một cách có hệ thống kiến
thức quan trọng theo chương trình khung 2010 cho môn kỹ thuật điện, ngành
công nghệ ô tô. Các chương mục đã được xắp xếp theo một trật tự nhất định
để đảm bảo tính hệ thống chuyên môn.
Giáo trình gồm chương bao gồm:
Chương 1: Đại cương về dòng điện
Chương 2: Máy phát điện
Chương 3: Động cơ điện
Chương 4: Máy biến áp
Chương 5: Khí cụ điều khiển và bảo vệ mạch điện.
Do thời gian có hạn, là một giáo viên chuyên ngành công nghệ ô tô,
hiểu biết về chuyên ngành kỹ thuật điện còn hạn chế, chắc chắn rằng giáo
trình không tránh khỏi thiếu sót rất mong đóng góp ý kiến của các bạn đọc để
kỳ tái bản sau được hoàn hảo hơn.
Xin chân trọng cảm ơn Tổng cục Dạy nghề, khoa Động lực trường Cao
đẳng nghề Cơ khí Nông nghiệp cũng như sự giúp đỡ quý báu của đồng nghiệp
đã giúp tác giả hoàn thành giáo trình này.
Hà Nội, ngày…..tháng…. năm 2012
Tham gia biên soạn
1. Chủ biên: Hoàng Văn Thông
2
MỤC LỤC
ĐỀ MỤC
Lời giới thiệu
Mục lục
TRANG
1
2
Chương 1: Đại cương về dòng điện
Chương 2: Máy phát điện
4
27
33
41
48
62
Chương 3: Động cơ điện
Chương 4: Máy biến áp
Chương 5: Khí cụ điều khiển và bảo vệ mạch điện.
Tài liệu tham khảo
3
CHƯƠNG TRÌNH MÔN HỌC ĐIỆN KỸ THUẬT
Mã số của môn học: MH 07
Thời gian môn học: 45 giờ
(Lý thuyết: 45 giờ; Thực hành: 0 giờ)
Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học:
- Vị trí:
Môn học được bố trí giảng dạy song song với các môn học/ mô đun sau: MH 08,
MH 09, MH 10, MH 11, MH 12, MH13, MH 14, MH 15, MH 16, MH 18, MH 19.
- Tính chất:
Là môn học kỹ thuật cơ sở bắt buộc.
- Ý nghĩa: giúp cho sinh viên có kiến thức cơ bản về kỹ thuật điện, góp phần vào
học các môn chuyên môn điện ô tô được tốt hơn, nâng cao hiệu quả học tập.
- Vai trò: môn học trang bị cho sinh viên những khái niệm, nguyên lý cơ bản của môn
kỹ thuật điện để ứng dụng vào các môn học chuyên môn, ứng dụng vào thực tế.
Mục tiêu của môn học:
+ Hệ thống được kiến thức cơ bản về mạch điện,
+ Trình bày được yêu cầu, nhiệm vụ, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các
loại máy điện dùng trong phạm vi nghề Công nghệ Ô tô,
+ Trình bày được công dụng và phân loại các loại khí cụ điện,
+ Vẽ được sơ đồ dấu dây, sơ đồ lắp đặt các mạch điện cơ bản,
+ Tuân thủ đúng quy định về an toàn khi sử dụng thiết bị điện,
+ Rèn luyện tác phong làm việc cẩn thận.
4
CHƯƠNG 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ DÒNG ĐIỆN
Mã số của chương 1: MH 07 - 01
- Trong bài này trình bày nội dung của dòng điện một chiều và dòng điện điện
động xoay chiều.
Mục tiêu:
- Trình bày được khái niệm, nguyên lý sản sinh ra dòng điện một chiều, các đại
lượng cơ bản và các định luật cơ bản của mạch điện một chiều
- Trình bày được nguyên lý sản sinh ra sức điện động xoay chiều và các đại lượng
cơ bản đăc trưng cho dòng điện xoay chiều
- Trình bày được ý nghĩa của hệ số công suất và các biện pháp nâng cao hệ số
công suất
- Trình bày được sơ đồ đấu nối hệ thống điện xoay chiều ba pha kiểu hình sao (Y)
và hình tam giác (D) và các mối quan hệ giữa các đại lượng pha và dây
- Tuân thủ các quy định, quy phạm về kỹ thuật điện.
Nội dung:
1. MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU
Mục tiêu:
- Trình bày được khái niệm, nguyên lý sản sinh ra dòng điện một chiều, các đại
lượng cơ bản và các định luật cơ bản của mạch điện một chiều.
1.1 Khái niệm và nguyên lý sản sinh ra dòng điện một chiều
1.1.1 Khái niệm mạch điện một chiều
Dòng điện chính là dòng
chuyển động của các hạt mang điện
như điện tử, ion. Chiều của dòng điện
B
được quy ước từ dương sang âm
(ngược với chiều chuyển động của các
A
điện tử từ âm sang dương (hình1.1)
Dòng một chiều là dòng có trị
số và chiều không đổi theo thời gian.
Hình 1.1 Dòng điện một chiều
1.1.2 Nguyên lý sản sinh ra dòng điện một chiều
Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều như hình 1.2a. Máy gồm
có một khung dây a b c d có đầu nối với hai phiến góp. Khung dây và phiến góp
quay quanh trục của nó với tốc độ không đổi trong từ trường của hai cực nam
châm N-S. Các chổi than A, B đặt cố định và luôn tỳ vào phiến góp.
Khi phần ứng quay (khung dây abcd quay) trong từ trường đều của phần
cảm (nam châm S-N), các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt từ trường phần
5
Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều
a. Mô tả nguyên lý máy phát; b. SĐĐ máy phát có một phần tử;
c. SĐĐ máy phát có nhiều phần tử
cảm, theo định luật cảm ứng điện từ, trong khung dây sẽ cảm ứng suất điện động
xoay chiều mà trị số tức thời của nó được xác định theo công thức:
e = Blv trong đó
B: Từ cảm nơi thanh dẫn quét qua (đơn vị: T)
l: Chiều dài dây dẫn nằm trong từ trường (m)
v: Tốc độ dài của thanh dẫn (m/s)
(1-1)
Chiều của suất điện động được xác định theo quy tắc bàn tay phải. Vậy
theo hình 1.2a suất điện động của thanh dẫn ab nằm dưới cực từ N có chiều đi từ b
đến a, còn của thanh dẫn cd nằm dưới cực S có chiều từ d đến c. Nếu nối hai chổi
than A và B với tải thì suất điện động trong khung dây sẽ sinh ra trong mạch ngoài
một dòng điện chạy từ chổi than A đến chổi than B.
Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí của phần tử thay đổi, thanh dẫn ab
ở cực S, thanh dẫn cd ở cực N, suất điện động trong thanh dẫn đổi chiều. Nhờ chổi
than đứng yên, chổi A vẫn tiếp xúc với phiến góp trên, chổi B tiếp xúc với phiến
góp dưới, nên dòng điện ở mạch ngoài không đổi. Nhờ cổ góp và chổi than, điện
áp trên chổi và dòng điện qua tải là điện áp và dòng điện một chiều.
Nếu máy chỉ có một phần tử, điện áp điện cực máy phát như hình 1.2b. Để
điện áp lớn và ít đập mạch (hình1.2c). Dây quấn có nhiều phần tử và nhiều phiến
đổi chiều.
1.2 Các định luật và đại lượng đặc trưng của dòng điện một chiều
1.2.1 Các định luật
R
a. Định luật Ôm cho đoạn mạch
- Nhánh có thuần điện trở:
Xét mạch thuần điện trở (hình1.3), biểu thức
tính dòng điện qua điện trở:
I
U
Hình 1.3
Nhánh thuần trở
I = U/ R
(1-2) trong đó
U: tính bằng Volt (V)
I: Tính bằng Ampe (A)
6
R: Tính bằng Ohm (Ω)
Định luật: Cường độ dòng điện trong một đoạn mạch tỷ lệ thuận với hiệu điện
thế và tỷ lệ nghịch với điện trở qua đoạn mạch đó.
- Nhánh có sức điện động E và điện trở R:
Xét nhánh có E, R (hình 1.4).
Biểu thức tính điện áp
U: U = U1 + U2 + U3 + U4 = R1.I - E4 + R2.I + E2 = (R1 + R2) I - (E4 - E2)
Vậy: U = (SR) I - SE (1-3)
Trong biểu thức (1-3) quy ước
dấu như sau: Sức điện động E và dòng
điện I có chiều trùng với chiều điện áp
U sẽ lấy dấu dương, ngược chiều sẽ lấy
dấu âm.
Biểu thức tính dòng điện:
U + SE
Nhánh sức điện động và R
I =
(1-4)
SR
Trong biểu thức (1-4) quy ước dấu như
sau:
Rd
Sức điện động E và điện áp U có
chiều trùng với chiều dòng điện sẽ lấy
dấu dương, ngược lại sẽ lấy dấu âm.
b. Định luật Ôm cho toàn mạch
Cho mạch điện như hình 1.5 thì
Rn
Rt
E
Hình 1.5
E
I =
(A)(1-5)
I1 R1
R3 I3
A
+
+
Rn Rd Rt
Trong đó:
2
W
1W
I2
I: Cường độ dòng điện trong mạch (A)
E: Sức điện động của nguồn điện (V)
Rn: Điện trở trong của nguồn (W)
Rd: Điện trở dây dẫn (W)
Rt: Điện trở phụ tải (W)
Rd + Rt: Điện trở mạch ngoài (W)
3
W
R2
E2
115v
E1
B
Hình 1.6
Định luật: Cường độ dòng điện trong mạch kín tỷ lệ thuận với sức điện động
của nguồn điện và tỷ lệ nghịch với tổng trở toàn mạch.
VD: Cho mạch điện hình 1.6.
7
Biết E1 = 100 V; I1 = 5A.Tính điện áp UAB và dòng điện các nhánh I2, I3.
Lời giải
Tính điện áp UAB:
UAB = E1 - R1I1 = 100 - 2.5 = 90 V.
90
UAB
R2
Dòng điện I2: I2 =
=
= 30 A.
3
Dòng điện I3:
-
90 - 115
UAB E3
I3 =
=
= - 25 A.
1
R3
Dòng điện I3 < 0, chiều thực của dòng điện I3 ngược với chiều đã vẽ trên hình.
c. Định luật Kirchoff 1
Định luật này cho ta quan hệ giữa các dòng
điện tại một nút, được phát biểu như sau:
Tổng đại số những dòng điện ở một nút bằng
không.
Trong đó quy ước dòng điện đi tới nút lấy dấu
dương, dòng điện rời khỏi nút lấy dấu âm.
(hình 1.7).
Hình 1.7: Dòng điện nút
å I nút = 0
Ở hình 1.7 thì: I1 + (-I2) + (-I3) = 0
d. Định luật Kirchoff 2
(1-6)
Định luật này cho ta quan hệ giữa sức
điện động, dòng điện và điện trở trong một
mạch vòng khép kín, được phát biểu như
sau:
Đi theo một mạch vòng khép kín
theo một chiều tuỳ ý chọn, tổng đại số
những sức điện động bằng tổng đại số các
điện áp rơi (sụt áp) trên các điện trở của
mạch vòng.
Hình1.8: Mạch vòng dòng điện
å RI = å E
(1-7)
Quy ước dấu: Các sức điện động, dòng điện
có chiều trùng chiều mạch vòng lấy dấu
dương, ngược lại lấy dấu âm.
Ở mạch vòng hình 1.8:
R1I1 - R2I2 + R3I3 = E1 - E2 + E3
Hình 1.9: Mạch vòng
Ví dụ : Tính dòng điện I3 và các sức điện
động E1, E2 trong mạch điện hình 1.9, biết:
8
I2 = 10A; I1 = 4A; R1 = 1W; R2 = 2W ;
R3 = 5W.
Lời giải:
Áp dụng định luật Kirchoff 1 tại nút A có:
10 - 4 = 6A
-I1 + I2 - I3 = 0 Þ I3 = I2 - I1 =
Áp dụng định luật Kirchoff 2 cho:
Mạch vòng a:
E1 = R1I1 + R2I2 = 1.4 + 2.10 = 24V
Mạch vòng b:
E2 = R3I3 + R2I2 = 5.6 + 2.10 = 50V
1.2.2 Các đại lượng đặc trưng
a. Dòng điện
Dòng điện i về trị số bằng tốc độ
biến thiên của lượng điện tích q qua tiết
diện ngang của vật dẫn:
I
Hình 1.10
i = dq/ds
Đơn vị: Ampe (A)
UAB
Người ta qui ước chiều của dòng điện chạy
trong vật dẫn ngược chiều với chiều chuyển
động của điện tử (hình 1.10)
b. Điện áp
Tại mỗi điểm trong một mạch điện có
một điện thế j . Hiệu điện thế giữa hai điểm
gọi là điện áp U, đơn vị là Vôn (V)
Điện áp giữa hai điểm A và B hình 1.11 là:
j
j
A
B
Hình 1.11
UAB = j - j
(1-8)
A
B
Chiều điện áp quy ước là chiều từ điểm có
điện thế cao đến điểm có điện thế thấp.
Điện áp giữa hai cực của nguồn điện
khi hở mạch ngoài (dòng điện I = 0) được
gọi là sức điện động E.
E
U
c. Công suất
Công suất của nguồn sức điện động là:
Hình 1.12
Ký hiệu nguồn sức điện động
P = E.I
(1-9)
Công suất của mạch ngoài là:
P = U.I (1-10)
Đơn vị của công suất là oát (W).
9
d. Sức điện động E
Sức điện động E là phần tử lý tưởng, có trị số bằng điện áp U đo được giữa
hai cực của nguồn khi hở mạch ngoài.
Chiều của sức điện động quy ước từ điện thế thấp đến điện thế cao (cực
âm tới cực dương) (Hình 1.12).
Chiều của điện áp quy ước từ điện thế cao đến điện thế thấp, do đó nếu chiều
vẽ như hình 1.12 thì:
U = E
(1-11)
e. Nguồn dòng điện J
Nguồn dòng điện J là phần tử
lý tưởng có trị số bằng dòng điện
ngắn mạch giữa 2 cực của nguồn
(Hình 1.13a).
R
J
f. Điện trở R
Điện trở R đặc trưng cho một
vật dẫn về mặt cản trở dòng điện chạy
Hình 1.13a
Hình 1.13b
qua. Về hiện tượng năng lượng, điện trở R đặc trưng cho tiêu tán, biến đổi điện
năng tiêu thụ thành các dạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng, ...
(Hình 1.13b).
g. Điện cảm L
Cho qua cuộn dây L (hình
1.14) một dòng điện i, thì sẽ sinh ra
từ thông móc vòng với cuộn dây là:
ψ = N.Ф
Điện cảm L của cuộn dây được định
nghĩa là:
(1-12)
Đơn vị của điện cảm là H (Henry)
Hình 1.14 : Điện cảm
Nếu dòng điện i biến thiên theo thời
gian t và cuộn dây cảm ứng suất điện động tự cảm eL khi L = const
Điện áp rơi trên điện cảm:
(1-13)
(1-14)
Công suất cuộn dây nhận:
10
Năng lượng từ trường tích luỹ trong cuộn dây:
(1-15)
vậy:
(1-16)
h. Hỗ cảm M:
Hiện tượng hỗ cảm là hiện
tượng suất hiện từ trường trong
một cuộn dây do dòng điện biến
thiên trong cuộn dây khác tạo nên
(hình 1.15) là hai cuộn dây có liên
hệ hỗ cảm nhau.
Từ thông móc vòng qua cuộn dây
1 gồm hai thành phần
(1-17) trong đó:
ψ11: từ thông móc vòng với cuộn
dây 1 do chính dòng điện i1 tạo nên.
Hình 1.15: Hiện tượng hỗ cảm
ψ12: từ thông móc vòng với cuộn dây 1 do chính dòng điện i2 tạo nên
Tương tự từ thông móc vòng với cuộn dây 2:
(1-18)
ψ22: từ thông móc vòng với cuộn dây 2 do chính dòng điện i2 tạo nên,
ψ21: từ thông móc vòng với cuộn dây 2 do chính dòng điện i1 tạo nên.
Trường hợp trong môi trường là tuyến tính ta có:
(1-19)
(1-20)
Với L1, L2 tương ứng là hệ số cảm của
cuộn dây 1 và 2
M12 = M21 = M là hệ số hỗ cảm của
hai cuộn dây
Thay 1-19 và 1-20 vào 1-17 và 1-18 ta
được:
Hình 1.16: Hai cuộn dây ghép hỗ cảm
(1-21)
(1-22)
11
Việc chọn dấu (+) hoặc dấu (-) trước M trong biểu thức trên phụ thuộc vào chiều
dây cuốn các cuộn dây cũng như chiều i1 và i2. Nếu cực tính của các u1 và u2 và
chiều dương của i1 và i2 được chọn như hình 1-15 thì theo định luật cảm ứng điện
từ Faraday ta có:
(1-23)
(1-24)
Cũng như điện cảm L, đơn vị của hỗ cảm M là Henry (H). Ta thường ký
hiệu hỗ cảm giữa hai cuộn dây bằng chữ M và mũi tên hai chiều như hình 1-16 và
dùng cách đánh dấu hai cực cùng tính của cuộn dây bằng dấu chấm. Để xác định
dấu của phương trình 1-23 và 1-24. Nếu hai dòng i1 và i2 cùng đi vào (hoặc cùng
đi ra) các cực tính đánh dấu ấy thì từ thông hỗ cảm ψ12 và tự cảm ψ11 cùng chiều.
Cực cùng tính phụ thuộc vào chiều quấn dây và các vị trí các cuộn dây.
Từ định luật Lentz, với quy
ước đánh dấu các cực cùng tính như
trên, có thể suy ra qui tắc sau để xác
định dấu (+) hoặc (-) trước biểu thức
M.di /dt của điện áp hỗ cảm.
Nếu dòng điện i có chiều + đi
vào đầu có dấu chấm trong một cuộn
dây và điện áp có cực tính + ở đầu
Hình 1-17
có dấu chấm trong cuộn dây kia thì
điện áp hỗ cảm là M.di/dt, trường
hợp ngược lại - M.di/dt.
Ví dụ như hình 1-16 ta có:
Hình 1-18
Hình 1-17 ta có:
Hình 1-18 ta có:
Hình 1-19: Tụ điện
12
i. Điện dung:
đặt một điện áp Uc lên tụ điện thì qua tụ sẽ có dòng dịch chuyển i và ở hai bản cực
tụ điện tích luỹ điện tích q (hình 1-19)
Điện dung C của tụ điện là:
(1-25)
Đơn vị của tụ điện là Fa ra (F)
Dòng điện i qua tụ là:
(1-26)
Từ 1-19 ta có điện áp rơi trên tụ diện có điện dung C là:
Ở thời điểm t = 0 mà UC(0) = 0 ta có:
Công suất trên tụ C là:
Năng lượng điên trường tích luỹ trong tụ điện:
Vậy điện dung C đặc trưng cho hiện tượng tích luỹ năng lượng điện trường trong
tụ điện.
1.3 NHẬN DẠNG VÀ TÍNH TOÁN LẮP ĐẶT MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.3.1 Mạch điện
Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện (nguồn, tải, dây dẫn) nối với
nhau trong đó dòng điện có thể chạy qua (hình 1.20). Mạch điện phức tạp có
nhiều nhánh, nhiều mạch vòng và nhiều nút.
- Nhánh: Nhánh là bộ phận của mạch
điện gồm có các phần tử nối tiếp nhau
trong đó có cùng dòng điện chạy qua.
- Nút: Nút là chỗ gặp nhau của các
nhánh (từ 3 nhánh trở lên).
- Mạch vòng: Mạch vòng là lối đi
khép
kín
qua
các
nhánh.
Hình 1.20
- Máy phát (MF) cung cấp điện cho đèn
13
(Đ) và động cơ điện (ĐC) gồm có
3 nhánh (1, 2, 3), 2 nút (A, B) và 3
mạch vòng (a, b, c).
1.3.2 Thiết lập mô hình mạch điện
Nguồn điện:
Sơ đồ thay thế của nguồn điện
gồm sức điện động E nối tiếp với điện
trở trong Rn (hình 1.21).
Khi giải mạch điện có các phần tử
tranzito, nhiều khi nguồn điện có sơ đồ
thay thế là nguồn dòng điện J = E / Rn
mắc song song với điện trở Rn (hình 1.22)
Sơ đồ thay thế:
Hình 1.21
Hình 1.22
Mô hình mạch điện là sơ đồ thay
thế mạch điện mà trong đó quá trình
năng lượng và kết cấu hình học giống
như mạch điện thực, song các phần tử
của mạch điện được thay thế bằng các
thông số lý tưởng e, J, R, L, M, C.
Các tải như động cơ điện một
chiều, ắc qui ở chế độ nạp điện được
Rn
E
Hình 1. 23
Hình 1. 24
thay thế bằng sơ đồ gồm sức điện động
E nối tiếp với điện trở trong Rn (hình 1.23),
trong đó chiều E ngược chiều với I.
Các tải như bàn là, bếp điện, bóng đèn, ...
được thay thế bằng điện trở R của chúng
(hình 1.24).
Ví dụ:
Hình 1-25
Thành lập sơ đồ thay thế mạch điện
có mạch điện thực như hình 1-25. Để thành
lập mô hình mạch điện đầu tiên ta liệt kê
các hiện tượng xảy ra trong từng phần tử và
thay thế chúng bằng các thông số lý tưởng
rồi sau nối với nhau tuỳ theo kết cấu hình
học của mạch.
Hình 1-26
Hình 1-26 là sơ đồ thay thế của
mạch hình 1-25 trong đó: nếu máy phát điện (MF) là máy phát điện được thay thế
14
bằng eMF nối tiếp với RMF, đường dây được thay thế bằng Rd, bóng đèn Đ được
thay thế bằng RĐ, cuộn dây Cd được thay thế bằng RCd.
2. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU
Mục tiệu
- Trình bày được nguyên lý sản
sinh ra sức điện động xoay chiều
và các đại lượng cơ bản đăc trưng
cho dòng điện xoay chiều
- Trình bày được ý nghĩa của hệ số
công suất và các biện pháp nâng
cao hệ số công suất
2.1. Khái niệm và nguyên lý sản
Hình 1.27
sinh ra dòng điện xoay chiều
2.1.1 Khái niệm
Dòng điện xoay chiều hình
sin được sử dụng phổ biến trong
sản xuất và đời sống xã hội, ...
2.1.2 Nguyên lý sản sinh ra dòng
điện xoay chiều
N
T¶i
Chæi than
Nguyên lý như ở hình
1.27 người ta tác dụng lực cơ
học vào trục làm cho khung dây
quay, cắt đường sức từ trường của
nam châm NS, trong khung dây sẽ
cảm ứng sức điện động xoay
chiều hình sin.
,
Vµnh truît
S
Hình 1.28
Nguyên lý sinh ra dòng điện
(Phần ứng, quận dây quay)
Dòng điện cung cấp cho tải
thông qua vòng trượt và chổi than
(hình 1.28). Khi công suất điện
lớn, cách lấy điện như vậy gặp
nhiều khó khăn ở chỗ tiếp xúc
giữa vành trượt và chổi
than.Trong công nghiệp, máy phát
điện xoay chiều được chế tạo như
sau: Dây quấn đứng yên trong các
rãnh của lõi thép là phần tĩnh và
nam châm NS là phần quay.
Khi tác dụng lực cơ học vào
trục làm nam châm NS quay,
Hình 1.29
Mô hình máy phát điện xoay chiều
(phần cảm, nam châm quay)
15
trong dây quấn ở phần tĩnh sẽ cảm ứng ra sức điện động xoay chiều hình sin.
Dây quấn đứng yên nên việc lấy điện cung cấp cho tải rất an toàn và thuận
lợi. Mô hình của máy phát điện xoay chiều được vẽ trên (hình 1.29)
2.2 Các đại lượng đặc trưng của dòng điện xoay chiều
Dòng điện xoay chiều hình sin là dòng điện có chiều và trị số biến đổi
một cách tuần hoàn liên tục theo quy luật hình sin với thời gian, được biểu
diễn dưới dạng tổng quát bằng đồ thị hình sin trên (hình 1.30)
i = IMAX sin(wt + y i)
(2-1)
2.2.1 Biên độ của đại lượng hình
sin Xm: Giá trị cực đại của đại lượng
hình sin, nó nói lên đại lượng hình
sin đó lớn hay bé. Để phân biệt trị số
tức thời, được ký hiệu bằng chữ in
thường x(i,u,...). Biên độ được ký
hiệu bằng chữ in hoa Xm (Im, Um, ...)
2.2.2 Góc pha (ωt + ψx)
Hình 1.30
Là xác định chiều và trị số của đại lượng hình sin ở thời điểm t nào đó
2.2.3 Pha ban đầu
Pha ban đầu y x : Xác định chiều và trị số của đại lượng hình sin ở thời
điểm t = 0. (Hình 1.30) vẽ đại lượng hình sin với pha ban đầu bằng 0.
2.2.4 Chu kỳ T, tần số f, tần số góc ω
- Chu kỳ T là khoảng thời gian ngắn nhất để dòng điện lặp lại trị số và chiều
biến thiên. Từ hình 2.4 ta có wT = 2p. Vậy chu kỳ T là: T = 2p/w (2-2)
- Tần số f là số chu kỳ của dòng điện trong một giây: f = 1/T
Đơn vị của tần số f là héc, ký hiệu là Hz.Tần số góc w là tốc độ
(2-3)
- Tần số góc w (rad/s): Là tốc độ biến thiên của góc pha trong một giây.
w = 2pf (rad/s) (2-4)
Lưới điện công nghiệp của nước ta có tần số là f = 50 Hz.
Vậy chu kỳ T = 0,02s và tần số góc w = 2pf = 2p.50 = 100p (rad/s).
2.3 Biểu diễn các đại lượng xoay chiều bằng đồ thị vectơ
Hình 1.31a
Hình 1.31b
16
Đại lượng hình sin tổng quát X( t ) = Xm sin(wt + y ). Gồm 3 thông số
biên độ Xm, tần số góc w và pha ban đầu y . Các thông số được trình bày trên
(hình 1.31a) bằng véc tơ quay
có độ lớn Xm, hình thành góc pha (wt + y )
Xm
với trục hoành, hình chiếu véc tơ trên trục tung cho ta trị số tức thời của đại
lượng hình sin.
Véc tơ ở trên có thể biểu diễn bằng véc tơ đứng yên (tức là thời điểm t = 0)
như (hình 1.31b)
Véc tơ này chỉ có hai thông số biên độ và pha ban đầu và được ký hiệu:
Xm = Xm Ð y
( 2-5)
Ký hiệu chỉ rõ véc tơ tương ứng với đại lượng hình sin:
Xm
X( t ) = Xm sin(wt + y ) và ký hiệu Xm Ð y có nghĩa là véc tơ
có
Xm
biên độ Xm và pha ban đầu y . Vậy nếu w cho trước thì đại lượng hình sin
hoàn toàn xác định khi ta biết biên độ (hay trị số hiệu dụng X) và pha ban
đầu. Như vậy đại lượng hình sin cũng có thể biểu diễn bằng đại lượng véc tơ
có độ lớn bằng trị số hiệu dụng X và pha ban đầu y , như X = X Ð y .
2.4 Ý nghĩa hệ số công suất và cách nâng cao hệ số công suất
2.4.1 Công suất của dòng điện hình sin
Trong mạch điện xoay chiều R, L, C nối tiếp có 2 quá trình năng lượng
sau:
Quá trình tiêu thụ điện năng và biến đổi sang dạng năng lượng khác (tiêu tán,
không còn trong mạch điện). Thông số đặc trưng cho quá trình này là điện trở R.
Quá trình trao đổi, tích luỹ năng lượng điện từ trường trong mạch. Thông số
đặc trưng cho quá trình này là điện cảm L và điện dung C.
Tương ứng với 2 quá trình ấy, người ta đưa ra khái niệm công suất tác
dụng P và công suất phản kháng Q.
a. Công suất tác dụng P
Công suất tác dụng P là công suất điện trở R tiêu thụ, đặc trưng cho quá trình
biến đổi điện năng sang dạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng, ...
P = RI2
(2-6)
Từ đồ thị vectơ ta có:
UR = RI = Ucosj .
Thay vào (2-6) ta được:
P = RI2 = URI = UIcosj
(2-7)
Công suất tác dụng là công suất trung bình trong một chu kỳ.
b. Công suất phản kháng Q
Để đặc trưng cho cường độ quá trình trao đổi tích luỹ năng lượng điện
từ trường, người ta đưa ra khái niệm công suất phản kháng Q.
Q = X.I2 = (XL - XC)I2
(2-8)
17
Từ đồ thị vectơ ta có:
UX = X.I = U.sinj
Thay vào (2-8) ta được: Q = X.I2 = UXI = U.I.sinj
Nhìn (2-8) thấy rõ công suất phản kháng gồm:
(2-9)
Công suất phản kháng của điện cảm QL: QL = XLI2 (2-10)
Công suất phản kháng của điện dung QC: QC = XCI2 (2-11)
c. Công suất biểu kiến S
Để đặc trưng cho khả năng của thiết bị và nguồn thực hiện 2 quá trình
năng lượng xét ở trên, người ta đưa ra khái niệm công suất biểu kiến S được
định nghĩa như sau:
S = U.I = Q2 + P2
Biểu thức của P, Q có thể viết như sau:
(2-12)
S
Q
P = U.I.cosj = S.cosj
Q = U.I.sinj = S.sinj
Từ 2 công thức này thấy rõ, cực đại của
công suất tác dụng P (khi cosj = 1), cực đại
của công suất phản kháng Q (khi sinj = 1)
(2-13)
(2-14)
j
P
Hình 1.32
là công suất biểu kiến S. Vậy S nói lên khả năng của thiết bị. Trên nhãn của
máy phát điện, máy biến áp người ta ghi công suất biểu kiến S định mức.
Quan hệ giữa P, Q, S được mô tả bằng một tam giác vuông (hình 1.32)
trong đó S là cạnh huyền, còn P và Q là 2 cạnh góc vuông.
P = Scosj
Q = Ssinj
S = Q2 + P2
P, Q, S có cùng thứ nguyên, song để phân biệt ta cho các đơn vị khác nhau:
Đơn vị của P: W, kW, MW
Đơn vị của Q: VAr, kVAr, MVAr
Đơn vị của S: VA, kVA, MVA
2.4.2 Nâng cao hệ số công suất
Trong biểu thức công suất tác dụng P = UIcosj , cosj được coi là hệ số
công suất.
Hệ số công suất phụ thuộc vào thông số của mạch điện. Trong nhánh R, L, C nối
tiếp:
R
P
cosj =
hoặc cosj =
R2 + (XL - XC )2
P2 + Q2
Hệ số công suất là chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng, có ý nghĩa rất lớn về mặt kinh
tế như sau:
- Nâng cao hệ số công suất sẽ tận dụng tốt công suất nguồn (máy phát
18
điện, máy biến áp, ...) cung cấp cho tải. Ví dụ: một máy phát điện có công
suất định mức Sđm = 10000 kVA, nếu hệ số công suất của tải cosj = 0,5 công
suất tác dụng của máy phát cho tải P = Sđm cosj = 10000 . 0,5 = 5000 kW.
Nếu cosj = 0,9 thì P = 10000 . 0,9 = 9000 kW. Rõ ràng là khi cosj cao máy
phát ra nhiều công suất hơn.
- Khi cần truyền tải một công suất P nhất định trên đường dây, thì dòng điện
P
chạy trên đường dây là: I =
Ucosϕ
Nếu cosj cao thì dòng điện I sẽ giảm , dẫn đến giảm tổn hao điện năng,
giảm điện áp rơi trên đường dây và có thể chọn dây dẫn tiết diện nhỏ hơn.
Các tải trong nghiệp và sinh hoạt thường có tính điện cảm (cuộn dây
động cơ điện, máy biến áp, chấn lưu, ...) nên cosj thấp. Để nâng cao cosj ta
thường dùng tụ điện nối song song với tải (hình 1.33a).
Khi chưa bù (chưa có nhánh tụ điện) dòng điện sẽ chạy trên đường dây
bằng I, hệ số công suất của mạch (của tải) là cosj .
1
Khi có bù (có nhánh tụ điện) dòng điện chạy trên dây là: I = I1 + IC
Và hệ số công suất của mạch là cosj .
Từ đồ thị (hình 1.33b) ta thấy: I < Il ; j < j và cosj > cosj
1
1
Hình 1.33: Sơ đồ và đồ thị cách đấu tụ song song với tải
Như vậy hệ số cosj đã được nâng cao.
Điện dung C cần thiết để nâng hệ số công suất từ cosj 1 lên cosj được tính như sau:
Vì công suất tác dụng của tải không đổi nên công suất phản kháng của mạch là:
Khi chưa bù :
Q1 = P.tgj
1
Khi có bù bằng tụ điện (tụ điện cung cấp QC):
Q = Q1 + QC = p.tgj + QC = P.tgj
1
Từ đó rút ra công suất QC của tụ điện là:
QC = -P(tgj - tgj )
(2-15)
1
Mặt khác công suất QC của tụ điện được tính là:
19
QC = - UCIC = - U.U.wC = - U2wC
(2-16)
So sánh (2-15) và (2-16) ta tính được điện dung C của bộ tụ điện là:
P
ωU2
C =
(tgj - tgj )
(2-17)
1
3. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA
Mục tiệu:
- Giải thích được sơ đồ cấu tạo và trình bày được nguyên lý sản sinh ra dòng
điện 3 pha
- Trình bày được sơ đồ đấu nối hệ thống điện xoay chiều ba pha kiểu hình sao (Y)
và hình tam giác (D ) và các mối quan hệ giữa các đại lượng pha và dây
3.1 Khái niệm
Mạch điện ba pha là mạch điện mà nguồn điện năng của nó gồm 3 suất
điện động hình sin cùng tần số nhưng lệch nhau một góc a nào đó. Trong thực tế
thường dùng điện năng ba pha gồm ba suất điện động hình sin cùng tần số, cùng
biên độ, và lệch nhau một góc 1200. Nguồn ba pha như vậy được gọi là nguồn ba
pha đối xứng. Mỗi mạch một pha được gọi là pha của mạch ba pha. Mạch ba pha
bao gồm nguồn điện ba pha, đường dây truyền tải và các phụ tải ba pha.
Ngày nay dòng điện xoay chiều 3 pha được sử dụng rộng rãi trong các
ngành sản xuất vì:
- Động cơ điện ba pha có cấu tạo đơn giản và đặc tính tốt hơn động cơ điện một
pha.
- Truyền tải điện năng bằng mạch điện ba pha tiết kiệm được dây dẫn, giảm bớt tổn thất
điện năng và tổn thất điện áp so với truyền tải điện năng bằng dòng điện một pha.
3.2 Nguyên lý sản sinh ra dòng điện xoay chiều ba pha
3.2.1 Sơ đồ cấu tạo
Để tạo ra dòng điện ba pha, người ta dùng các máy phát điện xoay
chiều ba pha. Loại máy phát điện trong các nhà máy điện hiện nay là máy
phát điện đồng bộ (hình 1.34) gồm:
- Ba dây cuốn ba pha đặt trong các rãnh của lõi thép stator (phần
tĩnh). Các dây cuốn này thường ký
A
B
C
A
hiệu là AX (dây cuốn pha A), BY
(dây cuốn pha B), CY (dây cuốn pha
C).Các dây cuốn của các pha có
cùng số vòng dây và lệch nhau một
góc 1200 trong không gian.
Y
N
Z
n
S
C
B
X
Y
Z
X
- Phần quay (còn gọi là rotor) là nam
châm điện N-S.
Hình 1. 34: Cấu tạo máy phát điện
Khi quay rotor, từ trường sẽ lần
lượt quét qua các dây cuốn pha A,
Tải về để xem bản đầy đủ
64 trang
09/01/2024
6980
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Điện kỹ thuật - Nghề Công nghệ ô tô", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_dien_ky_thuat_nghe_cong_nghe_o_to.pdf
