BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 1 CHƯƠNG 01 TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐIỆN CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI MẠCH MỘT CHIỀU (DC) Trước khảo sát định nghĩa mạch điện, cần nhắc lại ý niệm vật lý sau: Trong vật dẫn điện, electron nằm tầng ngồi ngun tử có khả di chuyển tác dụng nhiệt ( nhiệt độ môi trường ) gọi “ electron tự do” Trong vật liệu cách điện, electron tầng không tự chuyển động Tất kim loại chất dẫn điện Dòng điện dòng chuyển động electrons qua vật dẫn 1.1 KHÁI NIỆM VỀ MẠCH ĐIỆN – CÁC PHẦN TỬ HÌNH THÀNH MẠCH ĐIỆN: Mạch điện mạch vịng hình thành liên tục (khơng gián đoạn) vật dẫn, cho phép dòng electrons qua cách liên tục, khơng có điểm mở đầu khơng có điểm kết thúc Mạch điện gọi gián đoạn (hở mạch) vật dẫn khơng tạo thành mạch vịng khép kín electrons khơng thể di chuyển liên tục qua chúng Sơ đồ khối mô tả thành phần mạch điện trình bày hình 1.1 HÌNH 1.1: Sơ đồ khối mơ tả thành phần mạch điện Các phần tử tạo thành mạch điện thường quan tâm là: Phần Tử Nguồn Phần Tử Tải Phần Tử Nguồn bao gồm thiết bị biến đổi dạng lượng: năng, hóa , quang năng, nhiệt sang điện ( máy phát điện, pin , accu .) Phần Tử Tải bao gồm thiết bị hay linh kiện nhận điện để chuyển hóa thành dạng lượng khác như: nhiệt (điện trở), (động điện),hóa (bình điện giải) … Trong số mạch điện khơng chứa thành phần chuyển đổi Chức thành phần chuyển đổi dùng biến đổi thông số điện áp nguồn cung cấp (như trường hợp máy biến áp) biến đổi thông số tần số (trường hợp biến tần) Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện Thực Tập Điện- 2009 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 1.2 CẤU TRÚC CỦA MẠCH ĐIỆN : Khi liên kết phần tử mạch điện dẫn đến khái niệm sau: Nhánh, Nút, Vòng, Mắt lưới + - + - NHÁNH: đường chứa hay nhiều phần tử liên kết với theo phương pháp đấu nối tiếp CHÚ Ý: theo định nghĩa nhánh chứa phần tử nguồn phần tử tải (xem hình 1.2) NÚT : giao điểm tổi thiểu ba nhánh mạch điện Trong hình 1.3 ta có nút : a, b, c,d Định nghĩa nút trên, xác định theo quan niệm cổ điển; tương ứng với phương pháp giải mạch dùng tay không sử dụng phần mềm hổ trợ dùng máy tính Trong trường hợp áp dụng phần mềm Pspice hay Orcad để giải tích mạch , nút xem giao điểm hai nhánh VÒNG: tập hợp nhiều nhánh tạo thành hệ thống kín qua nút lần Trong hình 1.4 1.5 trình bày vịng tự chọn cách kết hợp nhánh có mạch tạo thành hệ kín Tùy thuộc vào phương pháp tổ hợp nhánh có mạch hình thành nhiều vòng khác MẮT LƯỚI : xem vịng nói cách khác: mắt lưới vịng mà bên khơng tìm thấy vịng khác Trong hình 1.6, có mắt lưới hay vòng Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện Thực Tập Điện- 2009 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 1.3 CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ ĐẶC TRƯNG TÍNH CHẤT CỦA MẠCH ĐIỆN : Các tính chất mạch điện đặc trưng đại lượng sau : dịng điện, điện áp, cơng suất điện 1.3.1 DÒNG ĐIỆN : Trong trường hợp tổng quát, ta xem dòng điện tức thời i qua phần tử hàm theo biến số thời gian t Cường độ dòng điện i(t) định nghĩa tốc độ biến thiên lượng điện tích dq qua tiết diện phần tử khỏang thời gian khảo sát dt () i t = () dq t (1.1) dt Trong , đơn vị đo điện tích [q] = [Coulomb]; [t] = [s] ; [ i ] = [A] Như vậy, kết luận: mục đích mạch điện di chuyển điện tích với tốc độ mong muốn dọc theo đường định trước Sự chuyển động điện tích tạo thành dịng điện Dịng dịch chuyển điện tích dây dẫn cho khái niệm dịng điện hình thành dây dẫn dq + + Khi qui ước hướng dòng điện ngược với hướng chuyển dịch electron (điện tích âm) Chúng ta xem hướng dòng điện hướng chuyển dịch điện tích dương A + THÍ DỤ 1.1: Cho điện tích qua phần tử xác định theo quan hệ: q = 6t2 − 12t mC a/ Xác định dòng điện i thời điểm t = t = 3s b/ Suy tổng điện tích truyền qua phần tử khoảng thời gian tính từ lúc t=1s đến t = 3s GIẢI: a/ Áp dụng quan hệ (1.1) suy ra: i= dq d 6t2 − 12t = 12t − 12 = dt dt ) ( mA  Suy ra: Lúc t = : i = -12 mA lúc t = 3s : i = 24 mA b/ Với quan hệ q theo thời gian t cho đầu bài; xác định lượng điện tích truyền qua phần tử theo phép tính sau: Q = qt = − qt = ( Q = 6t2 − 12t ) t=3 ( − 6t2 − 12 t ) t=0 = 6.32 − 12.3 = 18 mC 1.3.2 ĐIỆN ÁP : Theo lý thuyết tỉnh điện, điện tạo điểm cơng cần thiết để di chuyển điện tích +1 C từ điểm xa vô cực đến điểm khảo sát Thường qui ước điện điểm xa vô cực 0V Điện chênh lệch (hay hiệu điện thế) hai điểm A, B định nghĩa : v AB = v A − vB (1.2 ) Trong đó: vAB : hiệu điện hai điểm A, B vA : điện điểm A vB : điện điểm B Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện Thực Tập Điện- 2009 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG Thuật ngữ hiệu điện điểm A,B gọi điện áp hai điểm A, B Dòng điện i qua phần tử tải trường hợp theo hướng từ đầu có điện cao (ký hiệu qui ước dùng dấu +) đầu có điện thấp ( ký hiệu qui ước dùng dấu - ) Trong mạch điện ta sử dụng ký hiệu sau biểu diễn cho điện áp v dòng i qua phần tử i + v = va – vb - 1.3.3 CÔNG SUẤT : Với định nghĩa hiệu điện trên; hiểu hiệu điện hai đầu phần tử cơng cần thiết để di chuyển điện tích 1C từ đầu sang đầu lại Như vậy, hai đầu phần tử tồn điện áp v (t) để hình thành dịng điện i(t) qua phần tử; ta nói phần tử cấp điện (vì hình thành cơng di chuyển điện tích qua phần tử) Điện cung cấp cho phần tử đơn vị thời gian gọi công suất; gọi p(t) cơng suất, ta có quan hệ: () () () p t = v t i t (1.3) Trong đơn vị đo : [v]=[V] ; [i] = [A] ; [p] = [W] Chúng ta cần quan tâm đến vấn đề công suất tiêu thụ (nhận vào) phần tử công suất cung cấp (phát ra) từ phần tử Khi khảo sát vấn đề cần biết : Đầu dương thực điện áp phần tử Chiều dương thực tế dòng điện qua phần tử + + E - TRƯỜNG HỢP MẠCH MÔT CHIỀU: VR R I Xét mạch điện đơn giản bao gồm: phần tử nguồn pin hay accu có sức điện động E phần tử tải điện trở R, xem hình 1.7 Trong mạch điện xác định đầu điện + thực hai đầu phần tử ; hướng dịng điện thực tế - HÌNH 1.7 qua mạch điện Chúng ta thực qui ước sau vào hướng dòng điện điện áp đặt hai đầu phần tử  p > : phần tử tiêu thụ công suất  p < : phần tử phát công suất i i - + v p = v.i < Phaàn tử phát lượng + v p = v.i > - Phần tử tiêu thụ lượng TRƯỜNG HỢP MẠCH TỔNG QUÁT: Trong mạch điện qui ước hướng dòng điện qua phần tử từ đầu dương gỉa thiết điện áp phần tử; trường hợp ta nói phần tử thỏa qui ước dấu thụ động Công suất xác định phần tử gọi công suất tức thời thể p ý nghĩa mô tả sau: p(t1) > Với qui ước dấu thụ động ta có: p(t1) p(t) t2 t1 t p(t2) p(t2) < HÌNH 1.8 Tại thời điểm t1 công suất p(t1) >0 ; phần tử thực tế tiêu thụ công suất Tại thời điểm t2 công suất p(t2) phần tử cung cấp công suất Khi p(t) < phần tử tiêu thụ công suất 1.3.4 ĐIỆN NĂNG : Khi phần tử có công suất p(t) khỏang thời gian dt điện tiêu thụ ( hay phát ra) phần tử : dw(t) = p(t).dt (1.4 ) Ta tính dw quan hệ khác sau : dw(t) = v(t).i(t).dt (1.5 ) Trường hợp tồng quát, khỏang thời gian khảo sát tính từ thời điểm to đến thời điểm t , điện xác định theo quan hệ sau: w= t t v(t).i(t).dt (1.6 ) Trong công thức trên, đơn vị đo lường xác định sau: [ w ] = [ J ] ; [ v ] = [V] ; [ i ] = [A] ; [ t ] = [ s ] 1.4 PHẦN TỬ NGUỒN : Đối với phần tử nguồn ta phân lọai sau :  Nguồn áp độc lập , nguồn áp phụ thuộc  Nguồn dòng độc lập, nguồn dòng phụ thuộc 1.4.1 NGUỒN ÁP ĐỘC LẬP: Nguồn áp độc lập lọai nguồn áp có khả trì điện áp v hai đầu nguồn độc lập phần tử lại mạch dòng điện qua nguồn vs(t) +v Vo - + HÌNH 1.9 v Trong sơ đồ mạch biểu diễn nguồn áp độc lập ký hiệu trình bày hình 1.9 Nguồn áp độc lập xác định hai yếu tố: Hàm vs(t) gọi hàm nguồn nguồn áp độc lập Một cặp dấu +, - ghi bên nguồn cho biết đầu dương giả thiết nguồn áp Nguồn áp độc lập có hàm nguồn thỏa dạng sau, xem hình 1.10a 1.10b Nguồn áp khơng đồi ( nguồn DC) Nguồn áp xoay chiều hình sin Nguồn áp dạng hàm mủ thời gian Nguồn áp dạng sóng cưa vs v s (t ) = Vo V  v s (t ) =  o .t  T  vs (t ≥ ) Vo Vo (0 ≤ t ≤ T ) t t Hàm nguồn dạng số (nguồn áp chiều DC) chu kỳ T T 2T Hàm nguồn dạng cưa Hình 1.10a: Các dạng điện áp chiều áp cưa Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện Thực Tập Điện- 2009 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG vs Vo v s (t ) = Vo −t e T (0 ≤ t ) T : thời vs v s (t ) = Vo sin(ωt ) (0 ≤ ωt ≤ 2π ) chu kyø T = Vo t 2π ω t Hàm nguồn dạng mủ - Vo Hàm nguồn dạng sin HÌNH 1.10b: Các dạng nguồn áp độc lập với theo thời gian t 1.4.2 NGUỒN DỊNG ĐỘC LẬP : Nguồn dịng độc lập có khả trì dịng điện i qua nhánh chứa nguồn tuân theo hàm cho trước thời gian t, bất chấp phần tử lại mạch mà nguồn kết nối vào Dòng điện i(t) nguồn dòng, độc lập với điện áp đặt ngang qua hai đầu nguồn dòng CHÚ Ý : Trong thực tế, nguồn dòng thường gặp mạch tương đương thay cho linh kiện bán dẫn, hay mạch bốn cực Trong sơ đồ mạch biểu diễn nguồn dòng độc lập ký hiệu trình bày hình is(t) 1.11 Nguồn dịng độc lập xác định hai yếu tố: Hàm is(t) gọi hàm nguồn nguồn dòng độc lập Một mủi tên vẽ bên nguồn cho biết chiều dương giả thiết nguồn dịng HÌNH 1.11 Các dạng hàm nguồn nguồn dịng thay đổi theo thời gian có dạng tương tự trình bày cho nguồn áp hình 1.10 + v - 1.4.3 NGUỒN ÁP PHỤ THUỘC : Nguồn áp phụ thuộc hay nguồn áp bị điều khiển lọai nguồn áp có giá trị điện áp v hai đầu nguồn, phụ thuộc hay bị điều khiển điện áp dòng điện nơi khác mạch Chúng ta chia nguồn áp phụ thuộc thành hai dạng: Nguồn áp phụ thuộc áp vs Nguồn áp phụ thuộc dòng - + Ký hiệu nguồn áp phụ thuộc trình bày hình 1.12 1.4.4 NGUỒN DỊNG PHỤ THUỘC : HÌNH 1.12 Nguồn dịng phụ thuộc hay nguồn dịng bị điều khiển lọai nguồn dịng có giá trị dòng điện i qua nguồn, phụ thuộc hay bị điều khiển điện áp dòng điện nơi khác mạch Chúng ta chia nguồn dòng phụ thuộc thành hai dạng: Nguồn dòng phụ thuộc áp Nguồn dòng phụ thuộc dòng Ký hiệu nguồn dịng phụ thuộc trình bày hình 1.13 is HÌNH 1.13 Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện Thực Tập Điện- 2009 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 1.5 PHẦN TỬ TẢI CỦA MẠCH ĐIỆN: Các phần tử tải mạch bao gồm phần tử : phần tử trở R , phần tử cảm có độ tự cảm L , phần tử dung có điện dung C Đặc tính phần tử tóm tắt sau: i 1.5.1 ĐIỆN TRỞ- ĐỊNH LUẬT OHM : Gọi i dòng điện qua điện trở v điện áp xuất hai đầu R , dấu điện áp v hướng dòng i trình bày hình 1.14 Điện trở R thỏa quan hệ áp dòng (định luật Ohm) sau : v(t) = R.i(t) R + u - HÌNH 1.14 (1.7 ) Trong đó: [ v ] = [V] ; [ R ] = [ Ω ] ; [ i ] = [A] Công suất tức thời tiêu thụ phần tử R xác định theo quan hệ sau : p(t) = v(t).i(t) = R.i2 (t) = v (t) R (1.8) Trong :[p]=[w] ; [i]= [A] ; [v]=[V] ; [R] = [Ω] Trong số toán mạch, định nghĩa đại lượng điện dẫn G giá trị nghịch đảo điện trở, ta có quan hệ : G= R (1.9) Đơn vị đo điện dẫn G Siemens [S] ; số tài liệu Mỹ đơn vị điện dẫn Mho (℧) Từ quan hệ (1.8) (1.9) có: i2 (t) p(t) = = G.v (t) G (1.10) Khi sử dụng phần tử điện trở R cần quan tâm đến khái niệm sau: Ngắn mạch kiện mà vị trí ngắn mạch xem có điện trở R = 0Ω ; hay giá trị điện dẫn vô lớn G = ∞ Tóm lại vị trí ngắn mạch xem tương đương vật dẫn điện lý tưởng Hở mạch kiện mà vị trí hở mạch xem tương đương với điện dẫn G = S ( hay ℧) ; giá trị điện trở R = ∞ Tóm lại vị trí hở mạch xem tương đương vật cách điện lý tưởng 1.5.2 ĐIỆN CẢM- HIỆN TƯỢNG TỰ CẢM : a b E HÌNH 1.15 Trước khảo sát quan hệ dòng áp xuất phần tử điện cảm; nhớ lại kiến thức tượng tự cảm Xét mạch hình 1.15 K R L Đóng khóa K vị trí a, ta quan sát thấy bóng đèn không cháy sáng tức thời mà độ sáng tim đèn ửng hồng sáng lên hẳn Khi hệ thống mạch điện họat động , đèn cháy sáng, ta bật thật nhanh khóa K sang vị trí B (tách nguồn pin hay accu có sức điện động E khỏi mạch tải), bóng đèn khơng biến độ sáng tức thời mà ánh sáng lu dần tắt hẳn Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện Thực Tập Điện- 2009 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG a b E a i K i K R b + R E L v L e - + HÌNH 1.16 : Chiều dòng điện qua mạch hai trạng thái khóa K e = −L di dt Ta nói khóa K vị trí B mạch xuất nguồn áp ; phần tử điện cảm hình thành sức điện động thời điểm Theo lý thuyết điện từ, cuộn cảm hình sức đien động tự cảm Theo định luật cảm ứng điện từ sức điện động tự cảm dạng sức điện động cảm ứng; áp dụng cơng thức Faraday ta có quan hệ sau: (1.11 ) Từ quan niệm trên, ta rút nhận xét khảo sát chiều dòng điện qua mạch hình 1.16 theo hai trường hợp: khóa K a khóa K b Trong thí nghiệm trên, kiện bóng đèn khơng tắt tức thời, có nghĩa dịng điện mạch khơng triệt tiêu tức thời thời điểm chuyển mạch, nói khác dịng điện qua mạch khơng đổi hướng Từ đó, rút mối tương quan điện áp v đặt đầu điện cảm (khi xem điện cảm phần tử tải) với sức điện động tự cảm e ( xem điện cảm phần tử nguồn) sau : e = − v = −L di dt hay v=L di dt (1.12 ) Khi xem phần tử điện cảm phần tử tải, công suất tức thời p nhận phần tử : p(t) = v(t).i(t) = L di i(t) dt dw = p(t).dt = L.i(t).di Từ , xác định lượng tích trử từ trường điện cảm khỏang thời gian t0 đến lúc t theo quan hệ sau: t t dw = L o t t i(t).di = L[i (t) − i (to )] 2 o Nếu chọn, mức lượng thời điểm t0 w(t0) tương ứng giá trị dòng điện i(to) = ; ta suy quan hệ sau : w(t) = L.i (t) (1.13) 1.5.3 TỤ ĐIỆN- HIỆN TƯỢNG NẠP ĐIỆN : Tương tự trường hợp khảo sát tính chất cuộn cảm, trước khảo sát tính chất tụ điện, ta nhớ lại tượng phân cực điện mơi bên tụ điện phẳng tích điện phóng điện mạch chứa tụ điện Với tụ điện phẳng, có hai cực kim lọai phẳng bố trí đối diện song song nhau, khỏang không gian hai cực điện môi Khi đặt điện áp v hai cực, khỏang không gian hai cực xuất điện trường E làm phân tử điện môi bị phân cực thành phần tử lưởng cực điện Do tượng hưởng ứng tỉnh điện, cực kim lọai tụ điện tích điện tích đối tính với lưởng cực điện điện môi (trong trạng thái phân cực lưởng cực điện vị trí gần sát cực) Dịng điện tích di chuyển mạch ngòai tụ để cấp điện tích đến cực tụ gọi dịng điện nạp điện tích cho tụ ; tượng nạp điện tích quan sát hình 1.8 Dịng điện nạp điện tích cực tụ (dịng điện hình thành mạch ngòai tụ) xác định theo quan hệ sau : i = dq dt Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện Thực Tập Điện- 2009 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG a./ Đặt điện áp u lên hai cực tụ điện làm xuất điện trường E b./ Điện trường tạo phân cực điện môi đưa đến tượng hưởng ứng tỉnh điện E + + - + + + - E E + + - + + + + - + + - - + + + + - c./ Hiện tượng hưởng ứng tỉnh điện làm xuất điện tích cực tụ điện + + - - i -+ -+ - + -+ -+ -+ -+ -+ -+ + -+ -+ v i -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ - + + -+ + -+ + -+ -+ - + -+ -+ -+ -+ - + -+ -+ -+ + -+ -+ -+ + -+ -+ -+ - - v v HÌNH 1.17: Hiện tượng nạp điện tích cực tụ điện sinh dòng nạp điện tích mạch ngịai Trong q điện lượng chạy mạch ngòai giá trị với lượng điện tích tích cực, ta cịn có quan hệ : q = C.v Từ suy : i = C dv dt (1.14 ) Công suất tức thời nhận phần tử tụ điện xác định theo quan hệ sau : p(t) = v(t).i(t) = v(t).C dv dt p(t).dt = C.v(t).dv Năng lượng tích trử điện trường tụ điện khỏang thời gian t0 đến lúc t theo quan hệ sau: t t dw = C o t t v(t).dv = C[v o (t) − v (to )] Nếu chọn, mức lượng thời điểm t0 w(t0) tương ứng giá trị dòng điện i(to) = 0; ta suy quan hệ sau : w(t) = C.v (t) (1.15) 1.6 CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐIỆN : Các định luật sử dụng giải mạch bao gồm hai định luật:  Định luật bảo tịan điện tích nút, hay định luật Kirchhoff  Định luật bảo tòan điện áp vòng, hay định luật Kirchhoff Tất định luật dựa định luật bảo tòan lượng Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện Thực Tập Điện- 2009 10 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 1.6.1 ĐỊNH LUẬT KIRCHHOFF (ĐL K1): Định luật phát biểu theo hai phương pháp :  PHƯƠNG PHÁP ĐẠI SỐ: Tổng giá trị đại số dòng điện nút = Theo cách phát biểu này, qui ước : Dịng điện vào nút có giá trị dương Dịng điện đổ khỏi nút có giá trị âm  PHƯƠNG PHÁP SỐ HỌC: Tổng giá trị dòng điện vào nút = Tổng giá trị dòng điện khỏi nút CHÚ Ý: Trong trình giải mạch (thường mạch DC) chưa biết rõ hướng dòng điện nhánh, ta chọn tùy ý hướng chuyển dịch cho dòng điện nhánh Khi giải kết quả: Nếu giá trị tính có giá trị dương dịng điện có hướng thực tế chọn Nếu giá trị tính có giá trị âm dịng điện có hướng thực tế ngược với hướng chọn 1.6.2 ĐỊNH LUẬT KIRCHHOFF (ĐL K2): Định luật phát biểu theo hai phương pháp :  PHƯƠNG PHÁP ĐẠI SỐ: Tổng giá trị điện áp dọc theo vòng = Theo cách phát biểu này, muốn viết phương trình định luật Kirchhoff2 cần thực qui trình sau : Chọn chiều dịng điện chạy vòng khảo sát (chọn tùy ý) Xác định điện áp xuất hai đầu phần tử Bắt đầu từ phần tử mạch (được chọn làm chuẩn), theo chiều dòng điện để viết phương trình điện áp Nếu điện áp phần tử hướng với điện áp phần tử chuẩn giá trị dương, điện áp phần tử ngược với hướng điện áp phần tử chuẩn giá trị âm  PHƯƠNG PHÁP SỐ HỌC: Nếu mạch ta xác định phân biệt phần tử nguồn phần tử tiêu thụ, ta phát biểu sau: Tổng điện áp cung cấp từ nguồn = Tổng điện áp rơi phần tử tiêu thụ + (R1.i ) - V1 R1 + VC Khi áp dụng phương pháp này, ta phải ý đến phương pháp ghép nối tiếp nguồn ( vòng khảo sát ) nối cực tính hay ngược cực tính - C + - + - - + V2 + R2 L i VL - + - (R2 i ) THÍ DỤ 1.1: Viết phương trình định luật Kirchhoff cho mạch vịng sau đây: V3 Đầu tiên vẽ dòng điện i qua mạch vòng Xác định dấu điện áp phần tử (khong phải phần tử nguồn); dấu điện áp xác định dựa theo hướng dòng điện qua mạch vừa vẽ Bắt đầu từ nguồn áp V1 (chọn làm chuẩn), theo chiều dịng điện i, tacó thể viết phương trình định luật Kirchhoff sau: V1 − (R1.i) − v c − V2 − vL + V3 − (R2 i) = Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện Thực Tập Điện- 2009 138 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG Zo = 30, 865 + 85, 912.j = 91, 288 ∠70o24  Ω  • TỔNG TRỞ PHỨC MẠCH SƠ CẤP Z1 Gọi Z1 = R1 + j.X t1 tổng trở phức mạch sơ cấp, ta có : Z1 = 0, 158 + j.0, 333 = 0, 3686 ∠ 64062  Ω  • Áp dụng cầu phần áp suy áp phức Vab , ta có: • Vab = • Vab = NHẬN XÉT: • Zo.V1dm = Zo + Z1 91, 288 ∠ 70o24 440 ∠ 0o ( 30, 865 + 85, 912.j) + ( 0,158 + 0, 333.j) 40166, 77∠ 70o24 ( 31, 023 + 86, 245.j) = 40166, 77∠ 70o24 o 91, 655∠ 70 22 ≅ 438, 24∠ 0o02  V  Áp hiệu dụng Vab thực chất sức điện động hiệu dụng E1, từ kết cho thấy Vab áp sơ cấp V1đm gần trùng pha với nhau, đồng thời giá trị hiệu dụng xấp xỉ Do số trường hợp tính toán tỉ số biến áp ta xem E1 ≅ V1dm • TÌ SỐ BIẾN ÁP Kba: Áp dụng quan hệ (4.19), ta có: Kba = E1 E2 Vab = V20 = Vab V2dm = 438, 24 = 1, 992 ≅ 220 Nếu xem E1 ≅ V1dm ta có kết tính tốn cho tỉ số biến áp sau: Kba = V1dm V20 = V1dm V2dm = 440 =2 220 • • DỊNG PHỨC KHƠNG TẢI I10 Áp dụng định luật Ohm suy ra: • I10 = • V1dm Z1 + Zo = 440 = 1, 625 − 4, 517.j = 4, 8∠ − 70o21  A  31, 023 + 86, 245.j I Dòng hiệu dụng không tải : I10 = 4,8 A I10 % =  10  100 ≅ 8, 45%   I   1dm  • HỆ SỐ CƠNG SUẤT KHƠNG TẢI cos ϕo • • o Với giá trị phức V1dm = 440∠  V  I10 = 4, 8∠ − 70o21  A  suy hệ số công suất không tải xác định theo quan hệ sau:  •  cos ϕo = cos  arg  I10   = cos −70o21 ≅ 0, 3386       ( ) Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện Thực Tập Điện- 2009 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 139 • • THÀNH PHẦN DÒNG PHỨC I c : Áp dụng định luật Ohm suy ra: • Vab 438, 24 ∠ 70o24 IC = = = 1, 623∠ 70o2  A  270 RC • • • THÀNH PHẦN DỊNG PHỨC Im : Áp dụng định luật Ohm suy ra: • Im • Vab 438, 24 ∠ 70o24 438, 24 ∠ 70o24 = = = = 4, 518∠ − 19o76  A  o j.Xm 97.j 97 ∠ 90 • TỔN HAO KHƠNG TẢI Po : Với mạch tương đương xác, ta suy tổn hao không tải gồm hai thành phần: tổn hao thép đặc trưng Rc tổn hao dây quấn sơ cấp R1 Ta có: Po = Pth + Pj10 = RC.IC2 + R1.I10 = 270.1, 6232 + 0, 158.4, 82 Po = 711, 215 + 3, 64 = 714, 855 ≅ 715 W NHẬN XÉT: Với kết tìm cho thấy: chế độ không tải , tổn hao dây quấn sơ cấp có giá trị thấp so với tổn hao lỏi thép Do số trường hợp cần tính tốn nhanh cách gần đúng, ta xem tổn hao khơng tải tổn hao thép 4.3.5 THÍ NGHIỆM NGẮN MẠCH CỦA MÁY BIẾN ÁP : 4.3.5.1.CÁC ĐẶC ĐIỂM Ở CHẾ ĐỘ NGẮN MẠCH VÀ THÍ NGHIỆM NGẮN MẠCH: R1 j.X t1 R'2 • I10 • • V1dm I1 • E1 RC j.Xm j.X 't2 Chế độ ngắn mạch biến áp xãy tổng trở tải phía thứ • • E '2 I '2 Z 't = HÌNH 4.29: Mạch tương đương lúc ngắn mạch thứ cấp • V '2 cấp có giá trị Z t = Ω Trong trường hợp áp sơ cấp trì định mức, dòng thứ sơ cấp biến áp có giá trị cao Dịng sơ cấp lúc ngắn mạch có ( ) thể lên đến mức 10 ÷ 30 I1dm Trong thí nghiệm ngắn mạch cần giảm thấp áp cấp vào sơ cấp để tránh tình trạng dịng sơ cấp có giá trị lớn dẫn đến tình trạng q nhiệt làm hư hỏng cách điện dây quấn Vi tổn hao dây quấn sơ thứ cấp thay đổi phụ thuộc vào giá trị bình phương dòng hiệu dụng sơ thứ cấp, nên tải thay đổi tổn hao biến động theo độ lớn tính chất tải Trong thí nghiệm ngắn mạch, muốn xác định tổn hao tổng dây quấn biến áp dòng qua dây đạt giá trị định mức Tổn hao dây quấn giá trị tải thường gọi tổn hao đồng Ký hiệu dung cho tổn hao đồng dây quấn sơ cấp Pj1 thứ cấp Pj2 Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện Thực Tập Điện- 2009 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 140 4.3.5.2.TRÌNH TỰ THỰC HIỆN THÍ NGHIỆM NGẮN MẠCH: Khi thực thí nghiệm ngắn mạch, tiến hành theo bước sau: Ngắn mạch thứ cấp hay nối tắt hai đầu thứ cấp dây dẫn có I2n = I2dm I1n = I1dm tông trở Z t = Ω Lắp thiết bị đo phía sơ cấp theo mạch hình 4.30 Điều chỉnh giảm thấp áp vào sơ cấp biến áp đến mức V1n cho dòng ngắn mạch qua dây quấn sơ thứ cấp giá trị định mức Đọc giá trị thiết bị đo V2 = V V1 = V1n HÌNH 4.30: sơ đồ thí nghiệm ngắn mạch máy biến áp MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA BIẾN ÁP LÚC THÍ NGHIỆM NGẮN MẠCH: Tại thí nghiệm ngắn mạch giảm thấp áp cấp vào sơ cấp, ta rút nhận xét sau: j.X t1 R1 • I10 • I1dm • V1n Giá trị thực tế áp V1n thấp so với áp định mức V1đm, thông j.X 't2 R'2 ( I '2dm Z 't = RC j.Xm ) thường V1n = 5% ÷ 15% V1dm Do áp Vab đặt ngang qua hai đầu điện trở RC giảm thấp Ngồi tổn hao thép tỉ lệ thuận với • ( Vab ) nên tổn hao thép xem khơng đáng kể thí nghiệm ngắn mạch HÌNH 4.31 j.X t1 R1 R'2 j.X 't2 j.Xn Rn Từ phương trình cân dịng • • • • • I1n = I1dm • V1n • I1n = I1dm V1n HÌNH 4.32 : Mạch tương đương biến áp thí nghiệm ngắn mạch • • điện I1 − I'2 = I10 , lúc thí nghiệm ngắn mạch áp Vab giảm thấp nên dòng hiệu dụng I10 ≅ suy dịng I1 = I1n = I1dm dịng I2 = I2n = I2dm Mạch tương đương biến áp thí nghiệm ngắn mạch thu gọn theo hình 4.32 Trong đó: Rn = R1 + R'2 (4.47) Xn = X t1 + X 't2 (4.48) Zn = Rn + j.Xn (4.49) Zn tổng trở ngắn mạch, Rn thành phần điện trở ngắn mạch, Xn thành phần điện kháng ngắn mạch Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện Thực Tập Điện- 2009 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 141 Với mạch tương đương thu gọn hình 4.32, đo thông số: V1n , Pn I1n thực phép tính sau để suy thành phần tổng trở ngắn mạch Zn = Rn = V1n I1n = V1n (4.50) I1dm Pn (4.51) I12n Xn = Zn2 − Rn2 (4.52) MỤC TIÊU CỦA THÍ NGHIỆM NGẮN MẠCH Thơng qua thí nghiệm ngắn mạch với số liệu nhận từ thiết bị đo sơ thứ cấp (chủ yếu phía sơ cấp) cho phép ta xác định thông số sau : Tỉ số biến áp dựa vào tỉ số dòng điện ngắn mạch sơ thứ cấp Tổn hao đồng định mức hay tổn hao dây quấn sơ thứ cấp tương ứng với giá trị dòng hiệu dụng qua dây quấn định mức Hệ số công suất ngắn mạch đo sơ cấp Các thông số mạch tương đương : Rn Xn hay tổng trở ngắn mạch CHÚ Ý: Với thí nghiệm ngắn mạch xác định gián tiếp giá trị điện kháng ngắn mạch Xn , tách riêng thành phần điện kháng tản từ sơ cấp X t1 thành phần điện kháng tản từ thứ cấp quai sơ cấp X 't2 THÍ DỤ 4.4: Cho máy biến áp pha 500 KVA ; 2300 V / 230 V Khi thực thí nghiệm ngắn mạch với thiết bị lắp sơ cấp, số liệu đo gồm : V1n = 94,5 V ; Pnm = 8220 W ; I1n = 217 A Xác định thành phần Rn Xn tổng trở ngắn mạch GIẢI: Khi biết thông số định mức biến áp, ta thử xác định dòng định mức sơ cấp Dịng điện giá trị dịng điện cần đạt phía sơ cấp thí nghiệm ngắn mạch I1dm = Sdm V1dm = 500000 = 217, 39 A 2300 Giá trị tìm phù hợp với số liệu ghi nhận lúc thực thí nghiệm ngắn mạch Tổng trở ngắn mạch biến áp: Thành phần điện trở ngắn mạch: Znm = Rn = V1n I1dm Pn I12n = = 94, ≅ 0, 4355 Ω 217 8220 2172 ≅ 0, 1746 Ω Thành phần điện kháng ngắn mạch: Xn = Zn2 − Rn2 = 0, 43552 − 0, 1762 ≅ 0, 3984 Ω Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện Thực Tập Điện- 2009 142 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG Với phân tích thí nghiệm khơng tải thí nghiệm, vận hành máy biến áp cần xác định nhanh gần số liệu, ta xem như: Chênh lệch áp gây tổng trở Z1 = R1 + j.X t1 phía sơ cấp nhỏ Tổn hao thép không thay đổi theo độ lớn tải Tổn hao thép phụ thuộc áp nguồn sơ cấp tỉ lệ thuận với bình phương áp sơ cấp Với giả thiết trên, ta có mạch tương đương dạng gần biến áp qui thứ sơ cấp chuyển đổi từ mạch xác trình bày hình 4.33 Mạch gần suy cách chuyển mạch từ hóa phía nguồn sơ cấp j.X t1 R1 • I1 R'2 I '2 I10 • V1dm RC j.Xm • I1 • V '2 Z 't • V1dm • I10 • • • j.Xn Rn j.X 't2 RC I '2 j.Xm • V '2 Z 't HÌNH 4.33 : Mạch tương đương qui thứ sơ cấp máy biến áp dạng gần THÍ DỤ 4.5: Cho máy biến áp pha 50 KVA ; 2400 V / 600 V ; 50 Hz Các số liệu ghi nhận từ thí nghiệm sau: THÍ NGHIỆM KHƠNG TẢI: thiết bị đo lắp phía thứ cấp (hạ áp) cấp nguồn vào phía thứ cấp hở mạch thứ cấp V2dm = 600 V ; I20 = 3,34 A ; Po = 484 W THÍ NGHIỆM NGẮN MẠCH: thiết bị đo lắp phía sơ cấp (cao áp) cấp nguồn vào phía sơ cấp ngắnmạch thứ cấp V1n = 76,4 V ; I1n = 20,8 A ; Pn = 754 W Xác định thông số mạch tương đương dạng gần qui thứ sơ cấp GIẢI: THÔNG SỐ MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG TỪ THÍ NGHIỆM KHƠNG TẢI: Với phương pháp thí nghiệm khơng tải cho đầu bài, thay lắp thiết bị đo vào sơ cấp, hở mạch thứ cấp cấp áp sơ cấp định mức ta lại thực ngược lại Sư kiện thường áp dụng thực tế thiết bị đo chế tạo với điện áp thấp từ 600 V trở xuống, tính chất vật liệu cách điện dùng thiết bị đo Như với áp sơ cấp 2400 V khó tìm thiết bị đo có khả chịu đựng cấp điện áp Điều quan trọng cần lưu ý, thực điện áp cao cho thí nghiệm khó khăn để đảm bảo an tồn cho người q trình thí nghiệm Ngồi muốn tạo điện áp cao cần phải có thiết bị tạo nguồn cao áp để cấp vào biến áp thực thí nghiệm Như vậy, tiến hảnh thí nghiệm khơng tải từ phía thứ cấp muốn xác định thơng số RC Xm mạch tương đương qui sơ cấp, ta thực theo hai phương pháp sau: • PP1: Xác định số liệu RC Xm phía thứ cấp qui đổi sơ cấp theo (4.47) (4.48) • PP2: Qui đổi số liệu thí nghiệm đo thứ sơ xác định thông số Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện Thực Tập Điện- 2009 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 143 PHƯƠNG PHÁP 1: Xác định thôngsố RC Xm theo thí nghiệm khơng tải phía thứ cấp RC2 = Điện trở đặc trưng tổn hao thép: V22dm Po 6002 = = 743, 802 Ω 484 V 600 Dòng hiệu dụng IC2 (qua nhánh chứa RC2): IC2 = 2dm = = 0, 8067 A 743, 802 RC2 Dòng hiệu dụng Im2 (qua nhánh chứa Xm2) Im2 = I20 − I2C2 = V 3, 342 − 0, 80672 = 3, 241 A 600 Điện kháng từ hóa: Xm2 = 2dm = = 185, 12 Ω 3, 241 Im2 Tì số biến áp: Kba = E1 E2 ≅ V1dm V2dm = 2400 =4 600 Điện trở đặc trưng tổn hao thép qui sơ cấp: RC = Kba RC2 = 42.743, 802 = 11900, 832 Ω ≅ 11, kΩ Điện kháng từ hóa qui sơ cấp: Xm = Kba Xm2 = 42.185, 12 = 2961, 92 Ω ≅ 2962 Ω PHƯƠNG PHÁP 2: Trong thí nghiệm khơng tải theo phân tích trên, cơng suất tác dụng tiêu thụ biến áp thực chất tổn hao thép cấp áp vào dây quấn định mức Như tổn hao đo thí nghiệm khơng tải thực phía sơ cấp hay phía thứ cấp có giá trị Tóm lại xem hệ số công suất không tải lúc thực thí nghiệm khơng tải phía sơ hay thứ cấp có giá trị gần nhau, ta suy quan hệ sau: Po = V1dm.I10 cos ϕ10 = V2dm.I20 cos ϕ20 Hay: I10 cos ϕ10 I20 cos ϕ20 = V2dm V1dm Tóm lại: V  I10 ≅  2dm  • I20 V   1dm  Từ số liệu thí nghiệm khơng tải phía thứ cấp ta qui số liệu thí nghiệm khơng tải phía sơ cấp sau: V   600  I10 ≅  2dm  • I20 =   3, 34 = 0, 835 A V  2400    1dm  Tổn hao không tải : Po = 484 W áp cấp vào sơ cấp là: V1dm = 2400 V , thơng số nhánh từ hóa xác định sau: Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện Thực Tập Điện- 2009 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 144 Điện trở đặc trưng tổn hao thép: RC = V12dm Po = 24002 = 11900, 826 Ω ≅ 11, kΩ 484 V1dm IC = Dòng hiệu dụng IC (qua nhánh chứa RC): RC = 2400 ≅ 0, 20167 A 11900, 826 Dòng hiệu dụng Im (qua nhánh chứa Xm) Im = I10 − I2C = 0, 8352 − 0, 201672 = 0, 81028 A V 2400 Điện kháng từ hóa: Xm = 1dm = = 2961, 93 ≅ 2962 Ω 0, 81028 Im Kết tìm từ hai phương pháp tính hồn tồn trùng khớp THƠNG SỐ MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG TỪ THÍ NGHIỆM NGẮN MẠCH: Znm = Tổng trở ngắn mạch biến áp: Rn = Thành phần điện trở ngắn mạch: V1n I1n Pn I12n = = 76, = 3, 673 Ω 20, 754 20, 82 ≅ 1, 7428 Ω Thành phần điện kháng ngắn mạch: Xn = Zn2 − Rn2 = 3, 6732 − 1, 74282 ≅ 3, 233 Ω THÍ DỤ 4.6: ( Với máy biến áp cho thí dụ 4.5 thứ cấp mang tải có tổng trở phức là: ) Zt = 6, + 4, 8.j  Ω  ; áp dụng mạch tương đường gần để tính áp V2 biến áp mang tải GIẢI: Rn = 1, 743 Ω • I1 • I10 • • I1 I2 • I '2 • V1dm RC = 11, kΩ j.Xn = 3, 233.j Ω j.Xm • V '2 = 2, 962.j kΩ Z 't • V1ñm = 2400 V V2 ) ( ) ( ) Z t = 6, + 4, 8.j  Ω  Tổng trở tài qui qui sơ cấp: ( Z 't = Kba Zt = 42 6, + 4, 8.j = 102, + 76, 8.j  Ω  Áp dụng cầu phân áp suy áp phức tải qui đổi: • V '2 = • Z 't V1dm Zn + Z 't 102, + 76, 8.j ) 2400 ∠0o ( = ( 1, 743 + 3, 233.j) + ( 102, + 76, 8.j) Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện Thực Tập Điện- 2009 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 145 Suy ra: • V '2 = 2338, 74904 − 27, 4344.j = 2338, 91∠ − 0o67  V  Áp hiệu dụng thứ cấp biến áp (áp dụng công thức qui đổi áp sơ cấp): • V '2 • V2 = Kba = 2338, 91 ≅ 584, 73 V 4.4 GIẢN ĐỒ PHÂN BỐ NĂNG LƯỢNG VÀ HIỆU SUẤT CỦA MÁY BIẾN ÁP: 4.4.1 GIẢN ĐỒ PHÂN BỐ NĂNG LƯỢNG : j.X t1 R1 I10 I1 V1dm j.X 't2 R'2 • • • Khi biến áp mang tải bất kỳ, phân bố thành phần công suất tác dụng tóm tắt giản đồ lượng, hình 4.34 Giản đồ xây dựng dựa vào mạch điện tương đương máy biến áp • I '2 • V '2 RC j.Xm Z 't cos ϕ2 P2 = V2 I2 cos ϕ2 P1 = V1dm.I1.cos ϕ1 Po ≅ Pthep = Rc Ic2 Pj1 + Pj2 = R1.I12 + R2 I22 HÌNH 4.34 : Giản đồ lượng máy biến áp CƠNG SUẤT ĐIỆN P1 : cơng suất tác dụng cấp vào sơ cấp từ nguồn CÔNG SUẤT TẢI P2 : công suất tác dụng từ thứ cấp cấp đến tải, cơng suất tác dụng tiêu thụ tải TỔN HAO ĐỒNG PJ1 VÀ PJ2 : thành phần công suất tác dụng tiêu thụ điện trở dây quấn sơ thứ cấp TỔN HAO THÉP PTHÉP: bao gồm tổn hao lỏi thép dịng xóay Foucault từ trễ Gọi η hiệu suất biến áp, định nghĩa sau: η= P2 P1 (4.53) Các thành phần tổn hao dây quấn biến áp tổn hao lỏi thép gọi tổn hao tổng biến áp, ta có ký hiệu sau:  Toånhao = P1 − P2 = Pj1 + Pj2 + Ptheùp (4.54) Thành phần tổn hao thép xem tổn hao đo thí nghiệm khơng tải thành phần tổn hao không thay đổi theo tải phụ thuộc vào áp nguồn cấp vào sơ cấp Thành phần tổn hao đồng hay dây quấn có giá trị thay đổi dịng điện sơ thứ cấp thay đổi Nói cách khác thành phần tổn hao đồng thay đổi tải thay đổi Thành phần tổn hao thường xác định theo giá trị Pn công suất tác dụng đo thí nghiệm ngắn mạch Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện Thực Tập Điện- 2009 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 146 Ta có: Pj1 + Pj2 = R1.I12 + R'2 I'22 = R1.I12 + ( Kba R2 )  I    K   ba  Pj1 + Pj2 = R1.I12 + R2 I22 = R1.I12 + R'2 I'22 (4.55) Áp dụng định nghĩa hệ số tải theo (4.17) ta có: ( ) + R ( K I ) = K ( R I + R I ) Pj1 + Pj2 = R1 K t I1dm Pj1 + Pj2 t t 2dm 2 1dm 2 2dm (4.56) Với Pn công suất tác dụng đo thí nghiệm ngắn mạch, Pn tổn hao dây quấn biến áp dịng qua dây quấn có giá trị dịng định mức Như Pn tổn hao đồng định mức biến áp Tóm lại quan hệ (4.56) ghi lại sau: Pj1 + Pj2 = K2t Pn (4.57) 4.4.2 BIỂU THỨC HIỆU SUẤT: Với định nghĩa hiệu suất theo (4.53) ta viết lại sau: η= P2 P1 = P2 ( ) P2 + Pj1 + Pj2 + Ptheùp (4.58) Tại tải ta viết lại quan hệ sau: η= S2 cos ϕ2 ( ) S2 cos ϕ2 + Pj1 + Pj2 + Pthép (4.59) Trong cos ϕ2 hệ số cơng suất phía thứ cấp hệ số cơng suất tải S2 công suất biểu kiến cấp đến tải từ thứ cấp Áp dụng định nghĩa hệ số tải ta có: η= K t Sdm.cos ϕ2 ( ) K t Sdm cos ϕ2 + Pj1 + Pj2 + Ptheùp (4.60) Từ quan hệ (4.57) (4.60) ta có: η= K t Sdm.cos ϕ2 K t Sdm cos ϕ2 + K2t Pn + Po (4.61) THÍ DỤ 4.7: Với máy biến áp cho thí dụ 4.5 thứ cấp mang tải có hệ số sơng suất 0,8 trễ Xác định hiệu suất biến áp nửa tải định mức (ứng Kt = 0,5) GIẢI: Trong thí dụ 4.5 ta có số liệu sau: Sđm = 50 KVA ; V1đm = 2400 V ; V2đm = 600 V , thành phần tổn hao đo từ thí nghiệm : Po = 484 W , Pn = 754 W Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện Thực Tập Điện- 2009 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 147 Áp dụng quan hệ (4.61) ta có kết sau: η= K t Sdm.cos ϕ2 K t Sdm cos ϕ2 + K2t Pn + Po = 0, 5.50000.0, 0, 5.50000.0, + 0, 52.754 + 484 Suy ra: η= 20000 20000 = = 0, 96746 20000 + 188, + 484 20672, Ta ghi η% : hiệu suất tính theo % theo quan hệ sau: η% = η.100  %  Tóm lại: η ≅ 96, 75 % 4.4.3 HIỆU SUẤT CỰC ĐẠI: Với quan hệ hiệu suất tìm theo (4.61) cho thấy: biết trước thông số định mức biến áp hiệu suất hàm số theo biến số Kt , hệ số cơng suất tải ( ) đóng vai trị thông số Hàm hiệu suất η = f K t theo biến số K t có dạng hàm hữu tỉ Ta phân tích ( ) hàm số η = f K t sau ( ) xác định ∀Kt , Miền xác định : hàm η = f K t K t ∈ 0, 1 ( ) có dạng uv Đạo hàm: hàm η = f K t ( ) u = Sñm.cos ϕ2 K t Đặt: ( ( ) ) v = Pn K2t + Sñm.cos ϕ2 K t + Po   ( ) + (S u' = Sñm.cos ϕ2 ( ) v ' = Pn K t ñm cos ϕ2 ) Đạo hàm viết theo dạng sau:   Sñm.cos ϕ2 dη vu'− uv '   = = • Po − Pn K2t  2     dK t v P K + Sñm cos ϕ2 K t + Po  n t  ( ( ) tam thức bậc thiếu Po − ( Pn ) K2t    ( ) ) Đạo hàm triệt tiêu Po − Pn K2t = ; đồng thời dấu đạo hàm dấu Kt dη dK t ( ) η = f Kt -∞ − − Ta có bảng biến thiên hàm số sau: Po Po Pn +∞ Pn + + − ηmax 0+ Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện Thực Tập Điện- 2009 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 148 ĐỒ THỊ CỦA ĐẶC TUYẾN HIỆU SUẤT THEO HỆ SỐ TẢI Đường hiệu suất nhận trục hòanh làm đường tiệm cận ngang Đường biểu diễn hiệu suất xác định theo hai dạng sau: Po < ; đường biểu diễn trình bày hình 4.35 TRƯỜNG HỢP 1: Khi < TRƯỜNG HỢP : Khi < <  0 <   η ηmax Pn Kt = Po Pn ; đường biểu diễn trình bày hình 4.36  < 1  Pn  Po η ηmax  0 < <   Po   Pn   Kt Kt Po 1 Pn ( ) HÌNH 4.35: Đồ thị η = f K t theo trường hợp Kt = Po Pn ( ) HÌNH 4.36: Đồ thị η = f K t theo trường hợp Với kết trên, rút nhận xét sau: Khi < Po Pn < hiệu suất biến áp đạt cực đại lúc K t = ( Po = K2t Pn Giá trị K2t Pn Po Pn Tại lúc ta có: ) tổn hao dây quấn hệ số tải tìm tổn hao đồng hệ số tải tương ứng Tóm lại biến áp đạt hiệu suất cực đại giá trị tải có tính chất: tổn hao thép tổn hao đồng Khi < < Po Pn ; hiệu suất biến áp cực đại K t > 1; biến áp trạng thái tải Vì hiệu suất hàm đồng biến theo hệ số tải phạm vi khảo sát , nên hiệu suất biến áp đạt giá trị lớn lúc K t = Hiệu suất biến áp cực đại lúc đầy tải hay tải định mức Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện Thực Tập Điện- 2009 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 149 THÍ DỤ 4.8: Cho máy biến áp pha : 500KVA ; 2300 V / 230 V có tổn hao đo thí nghiệm khơng tải thí nghiệm ngắn mạch : P0 = 2250 W ; Pn = 8220 W Xác định hiệu suất máy biến áp trường hợp sau: a./ TRƯỜNG HỢP 1: Hệ số công suất tải 0,8 trễ ; hệ số tải 0,2 ; 0,4 ; 0,5 ; 0,6; 0,8 ; Xác định hệ số tải ứng với hiệu suất cực đại b./ TRƯỜNG HỢP 2: Hệ số tải Kt = 0,75 hệ số công suất tải 0,7 trễ ; ; 0,7 sớm GIẢI: a./ TRƯỜNG HỢP 1: Khi hệ số công suất tải 0,8 trễ , ta có quan hệ hiệu suất sau: η= 400000.K t 8220.K2t + 400000.K t + 2250 Thế giá trị Kt vào quan hệ ta tìm bảng trị số sau: Kt η% 0,2 96,88 0,4 97,82 0,5 97,89 0,6 97,87 0,8 97,71 97,45 Tại lúc hiệu suất cực đại, ta có : P0 Kt = Pnm = 2250 = 0, 5232 8220 Giá trị hiệu suất cực đại đạt trường hợp : ηmax = 400000.K t 8220.K2t + 400000.K t + 2250 = 0, 97895 b./ TRƯỜNG HỢP 2: Khi hệ số tải Kt = 0,75 hệ số công suất phụ tải thay đổi ; hiệu suất xác định theo quan hệ sau: η= K t 500000.cosϕ2 K t 500000.cosϕ2 + 2250 + 8220.K2t Suy ra: η= 375000.cosϕ2 375000.cosϕ2 + 6873, 75 Khi hệ số công suất tải thay đổi ta ghi nhận kết bảng giá trị sau: cosϕ2 η 0,7 trễ 97,66 97,28 0,7 sớm 94,66 Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện Thực Tập Điện- 2009 150 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 4.5 ĐỘ CHÊNH LỆCH ĐIỆN ÁP TẠI THỨ CẤP BIẾN ÁP LÚC MANG TẢI: biến áp mang tải , điện áp đo hai đầu thứ cấp biến áp lúc áp đặt ngang qua hai đầu tải V2 Với V2dm : điện áp thứ cấp định mức áp thứ cấp không tải Độ chênh lệch điện áp thứ cấp xác định theo quan hệ sau: ΔV = V2dm − V2 (4.62) Phần trăm độ chênh lệch áp phía thứ cấp định nghĩa sau: V − V2  ΔV% =  2dm  100   V   (4.62) THÍ DỤ 4.9: Với biến áp cho thí dụ 4.6, xác định phần trăm độ chênh lệch áp phía thứ cấp GIẢI: Từ kết tính tốn thí dụ 4.6, ta có áp hiệu dụng thứ cấp mang tải : • V2 = V2 = 584, 73 V Với áp thứ cấp định mức: V2dm = 600 V , ta suy phần trăm chênh lệch áp thứ cấp theo quan hệ sau: V − V2   600 − 584, 73  ΔV% =  2dm  100 =   100 = 2, 612 %   584, 63 V2     BÀI TẬP CHƯƠNG BÀI TẬP 4.1 Cho máy biến áp : 5KVA, 500V / 100V thử cho kết sau: Hiệu suất cực đại máy phát 3KVA Khi đưa điện áp 100V vào phía hạ áp hở mạch phía cao áp máy tiêu thụ 100W lấy dịng điện 3A Tính hiệu suất máy mang tải định mức với hệ số công suất 0,8 trễ BÀI TẬP 4.2 Cho máy biến áp phân phối : 500 KVA 2300V / 230V thử cho kết sau: Thử khơng tải (đưa điện vào phía hạ áp): V2 = 230V ; I2 = 94 A ; P2 = 2250W Thử ngắn mạch ( đưa điện vào phía cao áp): V1 = 100V ; I1 = 230A ; P1 = 9200W Tính thơng số mạch tương đương quy sơ cấp BÀI TẬP 4.3 Tính lại 4.2 kết thử nghiệm ghi nhận sau : Thử không tải (đưa điện vào phía hạ áp): V2 = 208V ; I2 = 85 A ; P2 = 1800W Thử ngắn mạch ( đưa điện vào phía cao áp): V1 = 95V ; I1 = 218A ; P1 = 8200W Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện Thực Tập Điện- 2009 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 151 BÀI TẬP 4.4 Khi máy biến áp cho 4.3 phát tải định mức với hệ số cơng suất tải cosϕ = Tính hiệu suất máy biến áp theo phương pháp sau: Dùng mạch tương đương xác Dùng mạch tương đương gần BÀI TẬP 4.5 Một máy biến áp 120V – 50Hz tiêu thụ 75W 1,5 A lúc không tải Cho điện trở dây quấn sơ cấp 0,4Ω Xác định: Tổn hao lỏi thép Hệ số công suất lúc không tải BÀI TẬP 4.6 Cho thông số mạch tương đương xác máy biến áp 150 KVA, 2400 V / 240 V : R1= 0,2Ω ; R’2 = 0,2Ω ; Xt1 = 0,45Ω ; X’t2 = 0,45Ω; RC = 10KΩ; Xm = 1,55KΩ Máy phát cơng suất định mức cho tải có hệ số công suất cosϕ = Xác định: Phần trăm sụt áp Hiệu suất máy biến áp BÀI TẬP 4.7 Tính lại 4.6 dùng mạch tương đương gần cho máy biến áp So sánh kết nhận với kết tính tốn 4.6 BÀI TẬP 4.8 Cho máy biến áp: 100 KVA; 2200 V / 220 V – 50Hz thiết kế để làm việc với từ cảm cực đại B = 1,2 T Biết sức điện động cảm ứng 15 V / vòng dây Hãy xác định: Số vòng dây quấn sơ cấp; thứ cấp Tiết diện lỏi thép (mạch từ) máy biến áp BÀI TẬP Cho biến áp: 10KVA; 220 V /110 V – 50Hz thử với dụng cụ đo lắp phía cao áp: Thử khơng tải : 500 W; 220V ; 3,16A Thử ngắn mạch: 400W ; 65V ; 10A Vẽ mạch tương đương gần quy sơ cấp Suy mạch tương đương gần quy thứ cấp BÀI TẬP 4.10 Số vòng dây quấn sơ cấp thứ cấp máy biến áp 100 vòng 80 vòng Tiết diện lỏi thép 32 cm2 Lỏi thép bị bão hòa trị số hiệu dụng từ cảm sin vượt 1,4 T Với nguồn áp sin có tần số 50Hz có điện áp tối đa để biến áp khơng bão hịa, xác định áp thứ cấp lúc BÀI TẬP 4.11 Máy biến áp 50KVA; 2400V / 240V có tổn hao đồng định mức 680W tổn hao thép 760W Xác định: Hiệu suất máy biến áp lúc đầy tải nửa tải, biết hệ số công suất tải cosϕ = Tính hệ số tải hiệu suất máy biến áp đạt giá trị cực đại Tính giá trị hiệu suất cực đại lúc cosϕ = BÀI TẬP 4.12 Máy biến áp 24 KVA, 2400 V / 120 V có tổn hao thép 400W tổn hao định mức 900W Tính hiệu suất máy phát 85 A cho tải có hệ số công suất cosϕ = 0,8 sớm Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện Thực Tập Điện- 2009 152 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG BÀI TẬP 4.13 Máy biến áp 50 KVA đạt hiệu suất cực đại mang tải 35 KVA Tính hiệu suất máy biến áp tải có hệ số cơng suất cosϕ = 0,8 trễ ; biết tổn hao không tải biến áp 200 W BÀI TẬP 4.14 Trong thí nghiệm ngắn mạch máy biến áp: 100 KVA; 12000 V / 240 V; tăng dần điện áp sơ cấp dòng ngắn mạch thứ cấp đạt giá trị định mức Điện áp công suất đo phía sơ cấp lúc 600 V 1200W Hãy xác định: Thông số Rn Xn biến áp Máy biến áp cung cấp 100 KVA điện áp 240V cho tải có hệ số cơng suất cosϕ = 0,8 trễ Tính điện áp hệ số cơng suất phía sơ cấp BÀI TẬP 4.15 Cơng suất không tải đưa vào máy biến áp KVA; 500 V / 100 V 100W điện áp định mức hệ số công suất không tải cosϕo = 0,15 Khi máy mang tải định mức, sụt áp qua điện trở điện kháng tản từ 1% 2% điện áp định mức Tính cơng suất hệ số cơng suất phía sơ cấp máy phát KW cho tải điện áp định mức hệ số công suất tải cosϕ = 0,8 trễ BÀI TẬP 4.16 Công suất không tải đưa vào máy biến áp: 50 KVA; 2300 V / 230 V 2000 VA điện áp định mức hệ số công suất không tải cosϕo = 0,15 Khi máy mang tải định mức, sụt áp qua điện trở điện kháng tản từ 1,2% 1,8% điện áp định mức Tính cơng suất hệ số cơng suất phía sơ cấp máy phát 30KW cho tải điện áp định mức hệ số công suất tải cosϕ = 0,8 trễ BÀI TẬP 4.17 Trong thí nghiệm ngắn mạch biến áp 50KVA; 4400 V / 220 V ; dịng, áp, cơng suất đo phía sơ cấp 10,8 A ; 120 V 544 W Bây cho máy phát dòng định mức điện áp 220V hệ số công suất tải cosϕ = 0,8 trễ Hãy xác định điện áp phải cung cấp vào phía cao áp BÀI TẬP 4.18 Cho máy biến áp có tỉ số biến áp Kba = E1 E2 ≅ V1 V20 = thông số mạch tương đương biến áp sau: PHÍA SƠ CẤP: R1 = 0,5 Ω ; Xt1 = 3,2 Ω ; RC = 350 Ω ; Xm = 98 Ω PHÍA THỨ CẤP: R2 = 0,021 Ω ; Xt2 = 0,12 Ω Xác định mạch tương đương biến áp qui đổi sơ cấp mạch tương đương biến áp qui đổi thứ cấp BÀI TẬP 4.19 Cho thông số mạch tương đương máy biến áp : 150 KVA, 2400 V / 240 V : R1 = 0,2 Ω ; Xt1 = 0,45 Ω ; RC = 10 KΩ ; Xm = 1,55 KΩ ; R2 = 0,002 Ω ; Xt2 = 0,0045 Ω a./ Áp dụng mạch tương đương xác tính ΔV% hiệu suất biến áp lúc tải định mức với hệ số công suất tải 0,8 trễ b./ Tính lại câu a dùng mạch tương đương gần Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện Thực Tập Điện- 2009 ... Điện Thực Tập Điện- 2009 42 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG BÀI TẬP TỪ MỤC 1. 7 ĐẾN 1. 11 4Ω BÀI TẬP 1. 15 Xác định điện áp v1 v2 ĐÁP SỐ: v1 = 10 V ; v2 = 6V 3Ω 2Ω BÀI TẬP 1. 16 8V 6Ω Xác... hình 1. 13 is HÌNH 1. 13 Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện Thực Tập Điện- 2009 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 1. 5 PHẦN TỬ TẢI CỦA MẠCH ĐIỆN:... – Khoa Điện Điện Tử – Phịng Thí Nghiệm Máy Điện Thực Tập Điện- 2009 13 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG BÀI TẬP 1. 3 Tính điện áp v hình 1. 22 ĐÁP SỐ: v = 22 V HÌNH 1. 22 BÀI TẬP 1. 4 Tính