›
›

Tài liệu Kỹ thuật điện 1 (Phần 1)

pdf 43 trang hapham 70
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Tài liệu Kỹ thuật điện 1 (Phần 1)", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdftai_lieu_ky_thuat_dien_1_phan_1.pdf

Nội dung text: Tài liệu Kỹ thuật điện 1 (Phần 1)

  1. LỜI NÓI ĐẦU Kỹ thuật điện là ngành kỹ thuật ứng dụng các hiện tượng điện từ để biến đổi năng lượng, đo lường, điều khiển, xử lý tín hiệu. Năng lượng điện ngày nay trở nên rất cần thiết và đóng vai trò vô cùng quan trọng trong đời sống và sản xuất của con người. Bài giảng điện tử môn Kỹ thuật điện được biên soạn dành cho sinh viên các ngành kỹ thuật không chuyên về Điện thuộc trường Đại học Thủy Sản Nha Trang Nội dung bài giảng gồm ba phần chính: Phần I: Mạch điện và đo lường điện Gồm 5 chương cung cấp các kiến thức cơ bản về mạch điện ( thông số, mô hình, các định luật cơ bản), các phương pháp tính toán mạch điện một pha và ba pha ở chế độ xác lập, đồng thời giới thiệu các cơ cấu đo lường điện và các đại lương không điện Phần II: Máy điện Trình bày nguyên lý, cấu tạo, các tính năng kỹ thuật và các ứng dụng của các loại máy điện cơ bản thường gặp Phần III: Thí nghiệm Kỹ thuật điện Gồm 5 bài thí nghiệm giúp sinh viên củng cố phần lý thuyết đã học và sử dụng thành thạo các thiết bị điện và dụng cụ đo trong thực tế. Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Khai Thác – Hàng Hải, Bộ môn Điện – Điện tử hàng hải, và Trung tâm Công nghệ phần mềm thuộc Trường Đại Học Thủy Sản Nha Trang đã quan tâm và tạo mọi điều kiện cho tác giả hoàn thành bài giảng này. KS. NGUYỄN TUẤN HÙNG 1
  2. PHẤN I. MẠCH ĐIỆN VÀ ĐO LƯỜNG CHƯƠNG I. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN 1.1. MẠCH ĐIỆN, KẾT CẤU HÌNH HỌC CỦA MẠCH ĐIỆN 1.1.1. Mạch điện Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện nối với nhau bằng các dây dẫn (phần tử dẫn) tạo thành những vòng kín trong đó dòng điện có thể chạy qua. Mạch điện thường gồm các loại phần tử sau: nguồn điện, phụ tải (tải), dây dẫn. D©y dÉn mf ® §c a b 1 3 2 c Hình 1.1.a a. Nguồn điện: Nguồn điện là thiết bị phát ra điện năng. Về nguyên lý, nguồn điện là thiết bị biến đổi các dạng năng lượng như cơ năng, hóa năng, nhiệt năng thành điện năng. Hình 1.1.b b. Tải: Tải là các thiết bị tiêu thụ điện năng và biến đổi điện năng thành các dạng năng lượng khác như cơ năng, nhiệt năng, quang năng v v. (hình 1.1.c) 2
  3. Hình 1.1.c c. Dây dẫn: Dây dẫn làm bằng kim loại (đồng, nhôm ) dùng để truyền tải điện năng từ nguồn đến tải. 1.1.2. Kết cấu hình học của mạch điện a. Nhánh: Nhánh là một đoạn mạch gồm các phần tử ghép nối tiếp nhau, trong đó có cùng một dòng điện chạy từ đầu này đến đầu kia. b. Nút: Nút là điểm gặp nhau của từ ba nhánh trở lên. c. Vòng: Vòng là lối đi khép kín qua các nhánh. d. Mắt lưới : vòng mà bên trong không có vòng nào khác 1.2. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG QUÁ TRÌNH NĂNG LƯỢNG TRONG MẠCH ĐIỆN Để đặc trưng cho quá trình năng lượng cho một nhánh hoặc một phần tử của mạch điện ta dùng hai đại lượng: dòng điện i và điện áp u. Công suất của nhánh: p = u.i 1.2.1. Dòng điện Dòng điện i về trị số bằng tốc độ biến thiên của lượng điện tích q qua tiết diện ngang một vật dẫn: i = dq/dt i A B UAB Hình 1.2.a Chiều dòng điện quy ước là chiều chuyển động của điện tích dương trong điện trường. 1.2.2. Điện áp Hiệu điện thế (hiệu thế) giữa hai điểm gọi là điện áp. Điện áp giữa hai điểm A và B: uAB = uA - uB Chiều điện áp quy ước là chiều từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp. 3
  4. 1.2.3. Chiều dương dòng điện và điện áp i + Ung U - t Hình 1.2.b Khi giải mạch điện, ta tùy ý vẽ chiều dòng điện và điện áp trong các nhánh gọi là chiều dương. Kết quả tính toán nếu có trị số dương, chiều dòng điện (điện áp) trong nhánh ấy trùng với chiều đã vẽ, ngược lại, nếu dòng điện (điện áp) có trị số âm, chiều của chúng ngược với chiều đã vẽ. 1.2.4. Công suất Trong mạch điện, một nhánh, một phần tử có thể nhận năng lượng hoặc phát năng lượng. p = u.i > 0 nhánh nhận năng lượng p = u.i < 0 nhánh phát nănglượng Đơn vị đo của công suất là W (Oát) hoặc KW 1.3. MÔ HÌNH MẠCH ĐIỆN, CÁC THÔNG SỐ Mạch điện thực bao gồm nhiều thiết bị điện có thực. Khi nghiên cứu tính toán trên mạch điện thực, ta phải thay thế mạch điện thực bằng mô hình mạch điện. Mô hình mạch điện gồm các thông số sau: nguồn điện áp u (t) hoặc e(t), nguồn dòng điện J (t), điện trở R, điện cảm L, điện dung C, hỗ cảm M. 1.3.1. Nguồn điện áp và nguồn dòng điện a. Nguồn điện áp Nguồn điện áp đặc trưng cho khả năng tạo nên và duy trì một điện áp trên hai cực của nguồn. u( t) u( t) e( t) Hình 1.3.1.a Hình 1.3.1.b Nguồn điện áp còn được biểu diễn bằng một sức điện động e(t) (hình1.3.1.b). Chiều e (t) từ điểm điện thế thấp đến điểm điện thế cao. Chiều điện áp theo quy ước từ điểm có điện thế cao đến điểm điện thế thấp: u(t) = - e(t) 4
  5. b. Nguồn dòng điện 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 ( hình 1.3.1.c) J( t) Hình 1.3.1.c 1.3.2. Điện trở R Điện trở R đặc trưng cho quá trình tiêu thụ điện năng và biến đổi điện năng sang dạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng, cơ năng v v. Quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên điện trở : uR =R.i (hình1.3.2.) Đơn vị của điện trở là Ω (ôm) Công suất điện trở tiêu thụ: p = Ri2 R i uR Hình 1.3.2 Điện dẫn G: G = 1/R. Đơn vị điện dẫn là Simen (S) Điện năng tiêu thụ trên điện trở trong khoảng thời gian t : Khi i = const ta có A = R i2.t 1.3.3. Điện cảm L Khi có dòng điện i chạy trong cuộn dây W vòng sẽ sinh ra từ thông móc vòng với cuộn dây ψ = Wφ (hình 1.3.3) Điện cảm của cuộc dây: L = ψ /i = Wφ./i Đơn vị điện cảm là Henry (H). Nếu dòng điện i biến thiên thì từ thông cũng biến thiên và theo định luật cảm ứng điện từ trong cuộn dây xuất hiện sức điện động tự cảm: eL = - dψ /dt = - L di/dt Quan hệ giữa dòng điện và điện áp: uL = - eL = L di/dt 5
  6. Hình 1.3.3 Công suất tức thời trên cuộn dây: pL= uL .i = Li di/dt Năng lượng từ trường của cuộn dây: Điện cảm L đặc trưng cho quá trình trao đổi và tích lũy năng lượng từ trường của cuộn dây. 1.3.4. Điện dung C Khi đặt điện áp uc hai đầu tụ điện (hình 1.3.4), sẽ có điện tích q tích lũy trên bản tụ điện.: q = C .uc Nếu điện áp uC biến thiên sẽ có dòng điện dịch chuyển qua tụ điện: i= dq/dt = C .duc /dt Ta có: C i uC Hình 1.3.4 Công suất tức thời của tụ điện: pc = uc .i =C .uc .duc /dt Năng lượng điện trường của tụ điện: Điện dung C đặc trưng cho hiện tượng tích lũy năng lượng điện trường ( phóng tích điện năng) trong tụ điện. Đơn vị của điện dung là F (Fara) hoặc µF 6
  7. 1.3.5. Mô hình mạch điện Mô hình mạch điện còn được gọi là sơ đồ thay thế mạch điện , trong đó kết cấu hình học và quá trình năng lượng giống như ở mạch điện thực, song các phần tử của mạch điện thực đã được mô hình bằng các thông số R, L, C, M, u, e,j. Mô hình mạch điện được sử dụng rất thuận lợi trong việc nghiên cứu và tính toán mạch điện và thiết bị điện. 1.4. PHÂN LOẠI VÀ CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA MẠCH ĐIỆN 1.4.1. Phân loại theo loại dòng điện a. Mạch điện một chiều: Dòngđiện một chiều là dòng điện có chiều không đổi theo thời gian. Mạch điện có dòng điện một chiều chạy qua gọi là mạch điện một chiều. Dòng điện có trị số và chiều không thay đổi theo thời gian gọi là dòng điện không đổi (hình 1.4.a) b. Mạch điện xoay chiều: Dòng điện xoay chiều là dòng điện có chiều biến đổi theo thời gian. Dòng điện xoay chiều được sử dụng nhiều nhất là dòng điện hình sin (hình 1.4.b). i i I O t t Hình 1.4.a Hình 1.4.b 1.4.2. Phân loại theo tính chất các thông số R, L, C của mạch điện a. Mạch điện tuyến tính: Tất cả các phần tử của mạch điện là phần tử tuyến tính, nghĩa là các thông số R, L, C là hằng số, không phụ thuộc vào dòng điện i và điện áp u trên chúng. b. Mạch điện phi tính: Mạch điện có chứa phần tử phi tuyến gọi là mạch điện phi tuyến. Thông số R, L, C của phần tử phi tuyến thay đổi phụ thuộc vào dòng điện i và điện áp u trên chúng. 7
  8. 1.4.3. Phụ thuộc vào quá trình năng lượng trong mạch người ta phân ra chế độ xác lập và chế độ quá độ a. Chế độ xác lập: Chế độ xác lập là quá trình, trong đó dưới tác động của các nguồn, dòng điện và điện áp trên các nhánh đạt trạng thái ổn định. Ở chế độ xác lập, dòng điện, điện áp trên các nhánh biến thiên theo một quy luật giống với quy luật biến thiên của nguồn điện b. Chế độ quá độ: Chế độ quá độ là quá trình chuyển tiếp từ chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác. Ở chế độ quá độ, dòng điện và điện áp biến thiên theo các quy luật khác với quy luật biến thiên ở chế độ xác lập. 1.4.4. Phân loại theo bài toán về mạch điện Có hai loại bài toán về mạch điện: phân tích mạch và tổng hợp mạch. Nội dung bài toán phân tích mạch là cho biết các thông số và kết cấu mạch điện, cần tính dòng, áp và công suất các nhánh. Tổng hợp mạch là bài toán ngược lại, cần phải thành lập một mạch điện với các thông số và kết cấu thích hợp, để đạt các yêu cầu định trước về dòng, áp và năng lượng. 1.5. HAI ĐỊNH LUẬT KIẾCHỐP Định luật Kiếchốp 1 và 2 là hai định cơ bản để nghiên cứu và tính toán mạch điện. 1.5.1. Định luật KIẾCHỐP 1 Tổng đại số các dòng điện tại một nút bằng không: ∑i=0 trong đó thường quy ước các dòng điện có chiều đi tới nút mang dấu dương, và các dòng điện có chiều rời khỏi nút thì mang dấu âm hoặc ngược lại. Ví dụ : Tại nút A hình 1.5.1, định luật Kiếchốp 1 được viết: i1 + i2 – i3 – i4 = 0 i 4 i3 i1 i2 Hình 1.5.1 8
  9. 1.5.2. Định luật KIẾCHỐP 2 Đi theo một vòng khép kín, theo một chiều dương tùy ý, tổng đại số các điện áp rơi trên các phần tử R ,L, C bằng tổng đại số các sức điện động có trong vòng; trong đó những sức điện động và dòng điện có chiều trùng với chiều dương của vòng sẽ mang dấu dương, ngược lại mang dấu âm. Ví dụ: Đối với vòng kín trong hình 1.5.2, định luật Kiếchốp 2: R1 i1 i4 e2 e4 R2 R i2 R3 i3 e3 Hình 1.5.2 R1 i1 + R2 i2 –R3 i3 +R4i4 = –e2 – e3 + e4 9
  10. CHƯƠNG II. DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN 2.1. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CHO DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN Biểu thức của dòng điện, điện áp hình sin: i = Imax sin (ωt + ϕi) u = Umax sin (ωt + ϕu) trong đó i, u : trị số tức thời của dòng điện, điện áp. Imax, Umax : trị số cực đại (biên độ) của dòng điện, điện áp. ϕi, ϕu : pha ban đầu của dòng điện, điện áp. Góc lệch pha giữa các đại lượng là hiệu số pha đầu của chúng. Góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện thường kí hiệu là ϕ: ϕ = ϕu - ϕi ϕ > 0 điện áp vượt trước dòng điện ϕ < 0 điện áp chậm pha so với dòng điện ϕ = 0 điện áp trùng pha với dòng điện 2.2. TRỊ SỐ HIỆU DỤNG CỦA DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN Trị số hiệu dụng của dòng điện hình sin là dòng một chiều I sao cho khi chạy qua cùng một điện trở R thì sẽ tạo ra cùng công suất. Dòng điện hình sin chạy qua điện trở R, lượng điện năng W tiêu thụ trong một chu kỳT: Công suất trung bình trong một chu kỳ: Với dòng điện một chiều ta có công suất P = I2R. Tacó : Ta có: Trong thực tế, giá trị đọc trên các cơ cấu đo dòng điện I, đo điện áp U, đo công su ất P của dòng điện hình sin là trị số hiệu dụng của chúng. Các giá trị U, I, P ghi nhãn mác của dụng cụ và thiết bị điện là trị số hiệudụng. 10
  11. 2.3. BIỂU DIỄN DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN BẰNG VÉCTƠ Các đại lượng hình sin được biểu diễn bằng véctơ có độ lớn (môđun) bằng trị số hiệu dụng và góc tạo với trục Ox bằng pha đầu của các đại lượng (hì Véctơdòng điện biểu diễn cho dòng điện: và véctơ điện áp biểu diễn cho điện áp: Tổng hay hiệu của các hàm sin được biểu diễn bằng tổng hay hiệu các véc tơ tương ứng. Định luật Kiếchốp 1 dưới dạng véc tơ: Định luật Kiếchốp 2 dưới dạng véc tơ: Dựa vào cách biểu diễn các đại lượng và 2 định luật Kiếchốp bằng véctơ, ta có thể giải mạch điện trên đồ thị bằng phương pháp đồ thị véctơ. 2.4. BIỂU DIỄN DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN BẰNG SỐ PHỨC Cách biểu diễn véc tơ gặp nhiều khó khăn khi giải mạch điện phức tạp. Khi giải mạch điện hình sin ở chế độ xác lập một công cụ rất hiệu quả là biểu diễn các đại lượng hình sin bằng số phức 2.4.1. Kí hiệu của đại lượng phức Số phức biểu diễn các đại lượng hình sin ký hiệu bằng các chữ in hoa, có dấu chấm ở trên. Số phức có 2 dạng: a. Dạng số mũ: b. Dạng đại số: A= a + jb trong đó j2 = -1 Biến đổi dạng số phức dạng mũ sang đại số: Biến đổi số phức dạng đại số sang số mũ: a+ jb = C.ej ϕ trongđó: ϕ = arctg(b/a) 2.4.2. Một số phép tính đối với số phức a. Cộng, trừ: 11
  12. (a+jb)- (c+jd) = (a-c)+j(b-d) b. Nhân, chia: (a+jb).(c+jd) = ac + jbc + jad + j2bd= (ac-bd) + j(bc+ad) c. Nhân số phức với ±j ej 90 = 1.( cos90 + j sin90) = j; ej -90 = 1[cos (-90) + j sin (-90)] = - j 2.4.3. Tổng trở phức và tổng dẫn phức Tổng trở phức kí hiệu là Z: Z = R +jX Mô đun của tổng trở phức kí hiệu là z: Tổng dẫn phức: 2.4.4. Định luật Ôm dạng phức: 2.4.5. Định luật Kiếchốp dạng phức a. Định luật Kiếchốp 1 dưới dạng phức: b. Định luật Kiếchốp 2 dưới dạng phức: 2.5. DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN TRONG NHÁNH THUẦN ĐIỆN TRỞ Khi có dòng điện i = Imaxsinωt qua điện trở R , điện áp trên điện trở: uR = R.i =URmax sinωt, trongđó: URmax = R.Imax Ta có: UR =R.I hoặc I = UR/ R Biểu diễn véctơ dòng điện I và điện áp UR Dòng điện i = Imaxsinωt biểu diễn dưới dạng dòng điện phức: Điện áp uR = Umaxsinωt biểu diễn dưới dạng điện áp phức: Công suất tức thời của mạch điện: pR(t) = uRi = UR .I(1 – cos2ωt) Ta thấy pR(t) > 0 tại mọi thời điểm, điện trở R luôn tiêu thụ điện năng của nguồn và biến đổi sang dạng năng lượng khác như quang năng và nhiệt năng .v. Công suất tác dụng P là trị số trung bình của công suất tức thời pR trong một chu kỳ. 12
  13. 2 Ta có: P = URI = RI Đơn vị của công suất tác dụng là W (oát) hoặc KW 2.6. DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN TRONG NHÁNH THUẦN ĐIỆN CẢM Khi dòng điện i = Imaxsinωt qua điện cảm L (hình 2.6.a), điện áp trên điện cảm: uL(t) = L di/dt = ULmax sin(ωt + π/2 ) trong đó: ULmax = XLImax ⇒UL = XLI ⇒I = UL/ XL XL = ω L gọi là cảm kháng. Biểu diễn véctơ dòng điện I và điện áp UL (hình 2.6.b) UL L i π/2 I UL b) a) u,i,pL P L UL i 2π O π/2 ωt c) Hình 2.6 13
  14. Dòng điện i = Imaxsinωt biểu diễn dưới dạng dòng điện phức: Điện áp uL = ULmax sin(ωt + π/2 ) biểu diễn dưới dạng điện áp phức: Công suất tức thời của điện cảm: pL(t) = uL. i = UL I sin2ωt Công suất tác dụng của nhánh thuần cảm: Để biểu thị cường độ quá trình trao đổi năng lượng của điện cảm ta đưa ra khái niệm công suất phản kháng QL 2 QL = ULI = XLI Đơn vị công suất phản kháng là Var hoặc KVar 2.7. DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN TRONG NHÁNH THUẦN ĐIỆN DUNG Đặt vào hai đầu tụ điện một điện áp uC : uC = UCmax sin (ωt - π/2) thì điện tích q trên tụ điện: q = C uC = C. UCmax sin (ωt - π/2) Ta có iC = dq/dt = ICmax sinωt trong đó: ICmax = UCmax /XC → IC = UC/XC XC = 1/(Cω) gọi là dung kháng Đồ thị véctơ dòng điện I và điện áp UC Biểu diễn điện áp uC = UCmax sin(ωt - π/2) dưới dạng điện áp phức: Biểu diễn dòng điện iC = ICmax sinωt dưới dạng phức: Ta có: Kết luận: Công suất tức thời của nhánh thuần dung: pC = uC iC = - UC IC sin 2ωt Mạch thuần dung không tiêu tán năng lượng: 2 Công suất phản kháng của điện dung: QC = - UC .IC = - XCI 2.8. DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN TRONG MẠCH R – L – C MẮC NỐI TIẾP VÀ SONG SONG 2.8.1. Dòng điện hình Sin trong nhánh R-L-C nối tiếp Khi cho dòng điện i = Imax sinωt qua nhánh R – L – C nối tiếp sẽ gây ra các điện áp uR , uL, uC trên các phần tử R , L, C. Ta có : u = u R + uL+ uC hoặc Biểu diễn véctơ điện áp U bằng phương pháp véctơ 14
  15. Từ đồ thị véctơ ta có: Trong đó: z gọi là mô đun tổng trở của nhánh R – L - C nối tiếp. X = XL - XC; X là điện kháng của nhánh. Điện áp lệch pha so với dòng điện một góc ϕ: tgϕ = X/R= (XL –XC)/R Biểu diễn định luật Ôm dưới dạng phức: Ta có: Tổng trở phức của nhánh: 2.8.2. Dòng điện hình sin trong mạch R-L-C song song Cho mạch điện gồm điện trở R, điện cảm L, tụ C mắc song song (hình 2.8.2.a.) Áp dụng định luật Kiếchốp 1 tại nút A: i = iR + iL + iC hoặc: Biều diển véctơ I bằng phưong pháp véctơ (hình 2.8.2.b) Trị số hiệu dụng I của dòng điện mạch chính: C iC IC iL L I L I IC – IL R iR ϕ A i U IR b ) u a) Hình 2.8.2 15
  16. Mô đun tổng trở z của toàn mạch: Dòng điện mạch chính I lệch pha so với điện áp U một góc ϕ: Định luật Ôm dưới dạng phức trong mạch R, L,C song song Áp dụng định luật Kiếchốp 1 dạng phức tại nút A: Tổng trở phức của mạch: 2.9. CÔNG SUẤT CỦA DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN Đối với dòng điện xoay chiều có ba loại công suất 2.9.1. Công suất tác dụng P Cho mạch điện (hình 2.9) gồm các thông số R, L,C được đặt vào điện áp u = Umax sin( ωt + ϕ) và dòng điện i = Imax sinωt chạy qua mạch . Công suất tác dụng P: Công suất tức thời p(t) = u.i = UI[ cosϕ - cos(2ωt + ϕ)] Ta có: Công suất tác dụng P có thể được tính bằng tổng công suất tác dụng trên các điện trở của các nhánh của mạch điện: Trong đó Rk, Ik là điện trở, dòng điện trên nhánh thứ k. Công suất tác dụng đặc trưng cho hiện tượng biến đổi điện năng sang các dạng năng lượng khác như nhiệt năng, cơ năng.v.v 16
  17. 2.9.2. Công suất phản kháng Q Để đặc trưng cho cường độ quá trình trao đổi năng lượng điện từ trường, người ta đưa ra khái niệm công suất phản kháng Q. Q = UIsinϕ Công suất phản kháng có thể được tính bằng tổng công suất phản kháng của điện cảm và điện dung của mạch điện : trong đó: XLk, XCk, Ik ần lượt là cảm kháng, dung kháng và dòng điện trên nhánh thứ k. 2.9.3. Công suất biểu kiến S Công suất biểu kiến còn được gọi là công suất toàn phần. P, S, Q có cùng 1 thứ nguyên, nhưng đơnvị của P là W, của Q là VAR và của S là VA. 2.10. NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT COSϕ Ta có P = UIcosϕ ; cosϕ được gọi là hệ số công suất. Nâng cao hệ số cosϕ của tải sẽ nâng cao khả năng sử dụng công suất nguồn điện. Mặt khác nếu cần 1 công suất P nhất định trên đường dây 1 pha thì dòng điện chạy trên đường dây: Khi ta nâng hệ số cosϕ thì dòng điện dây Id sẽ giảm, dẫn đến giảm chi phí đầu tư cho đường dây và tổn hao điện năng trên đườngdây . Để nâng cao cosϕ ta dùng tụ điện nối song song với tải Ta có phụ tải: Z = R +jX, khi chưa bù (chưa có nhánh tụ điện) dòng điện trên đường dây I bằng dòng điện qua tải I1, hệ số công suất cosϕ1 = R/z của tải. Khi có bù (có nhánh tụ điện), dòng điện trên đường dây I: Lúc chưa bù chỉ có công suất Q1 của tải: Q1 = P tgϕ1 Lúc có bù, công suất phản kháng của mạch : Q = Ptgϕ Công suất phản kháng của mạch gồm Q1 của tải và Qc của tụ điện: Q1 + QC = Ptgϕ ⇒ QC = - P (tgϕ1 - tgϕ) (*) Mặt khác công suất phản kháng QC của tụ: 2 Qc = -UC . IC = - U ω C ( ) Từ (*) và ( ) ta tính được giá trị điện dung C để nâng hệ số công suất của mạch điện từ cosϕ1 lên cosϕ: 17
  18. CHƯƠNG III. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỆN 3.1. KHÁI NIỆM CHUNG Phân tích mạch điện là bài toán cho biết kết cấu và thông số của mạch điện ( thông số của nguồn U và E, điện trở R, điện cảm L, điện dung C, tần số f của mạch) và yêu cầu phải tìm dòng điện, điện áp, và công suất trên các nhánh Hai định luật Kiếchốp là cơ sở để giải mạch điện. Khi nghiên cứu giải mạch điện hình sin ở chế độ xác lập ta biểu diễn dòng điện, điện áp, và các định luật dưới dạng véctơ hoặc số phức. Đặc biệt khi cần lập hệ phương trình để giải mạch điện phức tạp ta nên sử dụng phương pháp biểu diễn bằng số phức. 3.2.ỨNG DỤNG BIỂU DIỄN SỐ PHỨC ĐỂ GIẢI MẠCH ĐIỆN Cho mạch điện như hình vẽ 3.2. Cho biết: Tìm dòng điện I, I1, I2 bằng phương pháp biểu diễn số phức Tìm công suất tác dụng P, công suất phản kháng Q, công suất biểu kiến S của mạch điện. X A C C I I 2 I1 X R U& AB L D B Hình 3.2 Giải mạch điện bằng phương pháp số phức: Tổng trở phức nhánh ZCD = R.ZL/ ( R+ ZL) = 5 ( 1+j) (Ω); 18
  19. Tổng trở phức ZAC = - jXC = -10j (Ω); Tổng trở phức toàn mạch ZAB = ZAC +ZCD = 5 ( 1+j) - 10j = 5 ( 1- j) ( Ω); Dòng điện phức mạch chính: Giá trị hiệu dụng dòng điện mạch chính: I = 10 (A) Điện áp phức nhánh CD: Dòng điện phức I1: Giá trị hiệu dụng dòng điện I1 = 10 (A) Dòng điện phức nhánh 2: Giá trị hiệu dụng dòng điện I2 = 10 (A) 2 Công suất tác dụng toàn mạch: P = I2 .R = 100. 10 = 1000(W) Công suất phản kháng của toàn mạch: 2 2 Q = I1 XL – I XC = 100. 10 – 200. 10 = - 1000 (Var) Công suất biểu kiến của toàn mạch : S = UAB.I = 1000 (VA) 3.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI TƯƠNG ĐƯƠNG 3.3.1. Mắc nối tiếp Các tổng trở Z1, Z2, Z3 được mắc nối tiếp Tổng trở tương đương của mạch nối tiếp Ztđ = Z1 +Z2 + Z3 Ta có: Suy ra Ztđ = Z1 +Z2 + Z3 Kết luận: Tổng trở tương đương của các phần tử mắc nối tiếp bằng tổng các tổng trở của các phần tử. Công thức tổng quát: 3.3.2. Mắc song song Các tổng trở Z1, Z2, Z3 được mắc song song Áp dụng định luật kiếchốp 1 tại nút A: (1) Mặc khác : (2) Từ (1) và (2) ta có: Ta có: Ytđ = Y1 +Y2 +Y3 19
  20. Kết luận: Tổng dẫn tương đương của các nhánh song song bằng tổng các tổng dẫn các phần tử trên các nhánh. Công thức tổng quát: 3.3.3. Biến đổi sao - tam giác (Y - ∆) và tam giác – sao ( ∆ -Y) a. Biến đổi từ hình sao sang tam giác (Y - ∆): Nếu Z1 =Z2 = Z3 = ZY ⇒ Z12 =Z23 = Z31 =3.Zy b. Biến đổi từ hình tam giác sang sao ( ∆-Y): Nếu Z12 = Z23 = Z31 = Z∆ ⇒ Z1 =Z2 = Z3 = Z∆/3 3.4. PHƯƠNG PHÁP DÒNG ĐIỆN NHÁNH a. Thuật toán: Xác định số nút n và số nhánh m của mạch điện: - Tùy ý chọn chiều dòng điện nhánh - Viết n -1 phương trình Kiếchốp 1 cho n –1 nút - Viết m – n +1 phương trình Kiếchốp 2 cho các vòng - Giải hệ m phương trình tìm các dòng điện nhánh b. Bài tập: Cho mạch điện như hình vẽ 3.4 Cho biết: Z1 =Z2 =Z3 = 1+j (Ω); Tìm các dòng điện I1,I2 và I3 bằng phương pháp dòng điện nhánh. 20
  21. E& 1 Z1 &I1 a E& &I 2 Z2 2 A B b E& &I 3 3 Z3 Hình 3.4 Giải mạch địện bằng phương pháp dòng điện nhánh Mạch điện có 2 nút (n = 2) và 3 nhánh (m =3) Chọn chiều dòng điện nhánh I1,I2 , I3 và chiều dương cho vòng a, b ( hình 3.4) Viết phương trình Kiếchốp 1 cho nút B: Viết 2 phương trình Kiếchốp 2 cho hai vòng : Vòng a: Vòng b: Thế số vào 3 phương trình (1) (2) và (3) ta giải hệ phương trình được kết quả: Suy ra giá trị hiệu dụng : c. Kết luận 21
  22. Nhược điểm của phương pháp dòng điện nhánh là giải hệ nhiều phương trình với nhiều ẩn số. 3.5. PHƯƠNG PHÁP DÒNG ĐIỆN VÒNG a. Thuật toán • Tùy ý chọn chiều dòng điện nhánh và dòng điện vòng • Lập m- n +1 phương trình Kiếchốp 2 cho m - n +1 vòng độc lập • Giải hệ m- n + 1 phương trình tìm các dòng điện vòng • Từ các dòng điện vòng suy ra các dòng điện nhánh ( Dòng điện nhánh bằng tổng đại số các dòng điện vòng chạy trên nhánh đó) m là số nhánh, n là số nút của mạch điện Dòng điện vòng là dòng điện mạch vòng tưởng tượng chạy khép kín trong các vòng độc lập. b. Bài tập Cho mạch điện như hình 3.4 Cho biết: Z1 =Z2 =Z3 = 1+j (Ω); Tìm các dòng điện I1, I2 và I3 bằng phương pháp dòng điện vòng Giải mạch điện bằng phương pháp dòng điện vòng: Mạch điện có 2 nút (n = 2) và có 3 nhánh (m =3) Chọn chiều dòng điện nhánh I1, I2 , I3 , chiều hai dòng điện vòng Ia, Ib và chiều dương cho vòng a, b (hình 3.5) Viết hai phương trình Kiếchốp 2 cho hai vòng a và b với ẩn số là các dòng điện vòng Ia, Ib Vòng a: Vòng b: Thế số vào ta giải hệ 2 phương trình (1)(2), tìm được dòng điện vòng: Dòng điện trên các nhánh Nhánh 1: Nhánh 2: Nhánh 3: c. Kết luận Phương pháp dòng điện vòng có ưu điểm là giải hệ ít phương trình, ít ẩn số hơn phương pháp dòng điện nhánh, thường được sử dụng để giải bài toán mạch điện phức tạp 3.6. PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN ÁP HAI NÚT a. Thuật toán 22
  23. - Tùy ý chọn chiều dòng điện nhánh và điện áp hai nút - Tìm điện áp hai nút theo công thức tổng quát: trong đó có quy ước các sức điện động Ek có chiều ngược chiều với điện áp UAB thì lấy dấu dương và cùng chiều lấy dấu âm. - Tìm dòng điện nhánh bằng cách áp dụng định luật Ôm cho các nhánh. b. Bài tập Cho mạch điện như hình 3.6 Z1 =Z2 =Z3 = 1+j (Ω); Tìm các dòng điện I1,I2 và I3 bằng phương pháp điện áp 2 nút A &I1 &I 2 &I3 Z 1 Z 2 Z3 U& AB E& 2 E& 3 E& 1 B Hình 3.6 Chứng minh công thức tổng quát : Áp dụng định luật Ôm cho các nhánh Nhánh 1: 23
  24. Nhánh 2: Nhánh 3: Áp dụng định luật Kiếchốp 1 tại nút A: Từ các phương trình trên ta có: Suy ra: Công thức tổng quát nếu mạch có n nhánh và chỉ có hai nút A,B : trong đó có quy ước các sức điện động Ek có chiều ngược chiều với điện áp UAB thì lấy dấu dương và cùng chiều lấy dấu âm. Giải bài toán trên bằng phương pháp điện áp hai nút: Điện áp UAB: Thay số vào ta có: Áp dụng định luật Ôm cho các nhánh của mạch điện : Nhánh 1 : Nhánh 2: Nhánh 3: Kết luận: Phương pháp điện áp hai nút thích hợp giải cho mạch điện có nhiều nhánh nhưng chỉ có hai nút. 3.7. PHƯƠNG PHÁP XẾP CHỒNG Phương pháp này dựa trên nguyên lý xếp chồng sau: Trong một mạch tuyến tính chứa nhiều nguồn, dòng (hoặc áp) trong một nhánh nào đó là tổng đại số ( xếp chồng) của nhiều dòng ( hoặc áp) sinh ra do từng nguồn độc lập làm việc một mình, các nguồn còn lại nghỉ. 24
  25. a. Thuật toán: • Chỉ cho nguồn 1 làm việc, các nguồn 2,3, n nghỉ. Giải mạch thứ nhất này để tìm thành phần I1 của dòng I cần tìm • Tiếp tục với các ngụồn 2,3, n., ta tìm được các thành phần I2,I3, In của I. Khi cả n nguồn cùng làm việc, dòng I cần tìm là: I = I1 +I2 +I3 +I4 + + In. 25
  26. CHƯƠNG 4. MẠCH ĐIỆN BA PHA 4.1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MẠCH ĐIỆN BA PHA Việc truyền tải điện năng bằng mạch điện ba pha tiết kiệm được dây dẫn hơn việc truyền tải bằng dòng điện một pha đồng thời hệ thống điện ba pha có công suất lớn hơn Động cơ điện ba pha có cấu tạo đơn giản và đặc tính tốt hơn động cơ một pha. Để tạo ra nguồn điện ba pha ta dùng máy phát điện đồng bộ ba pha. Ta xét cấu tạo của máy phát điện đồng bộ ba pha đơn giản : Phần tĩnh gồm 6 rãnh, trong các rãnh đặt ba dây quấn AX, BY, CZ có cùng số vòng dây và lệch nhau một góc 2π/3 trong không gian. Dây quấn AX gọi là pha A, dây quấn BY gọi là pha B, dây quấn CZ là pha C. Phần quay là nam châm vĩnh cửu có 2 cực N – S Nguyên lí làm việc của máy phát điện đồng bộ ba pha: Khi quay rôto quay ngược chiều kim đồng hồ, từ trường lần lượt quét các dây quấn stato và cảm ứng vào trong dây quấn stato các sức điện động hình sin cùng biên độ, cùng tần số và lệch pha nhau một góc 2π/3. Sức điện động pha A: eA = Emax sinωt Sức điện động pha B: eB = Emax sin(ωt - 2π/3) Sức điện động pha C: eC = Emax sin (ωt - 4π/3)= Emax sin (ωt + 2π/3) Nguồn điện gồm ba sức điện động hình sin cùng biên độ, cùng tần số, lệch pha nhau 2π/3 gọi là nguồn ba pha đối xứng Đối với nguồn đối xứng ta có: eA+eB+eC=0 hoặc Nếu tổng trở phức của các pha tải bằng nhau ZA = ZB =ZC thì ta có tải đối xứng. Mạch điện ba pha gồm nguồn, tải và đường dây đối xứng gọi là mạch điện ba pha đối xứng. Nếu không thoã mãn một trong các điều kiện đã nêu gọi là mạch ba pha không đối xứng. 4.2. MẠCH ĐIỆN BA PHA PHỤ TẢI NỐI SAO 4.2.1. Cách nối Muốn nối hình sao ta nối ba điểm cuối pha với nhau tạo thành điểm trung tính 4.2.2. Các quan hệ giữa đại lượng dây và pha trong cách nối hình sao đối xứng a. Quan hệ giữa dòng điện dây và pha Id = Ip b. Quan hệ giữa điện áp dây và điện áp pha 26
  27. Ta có: Về độ lớn: UAB = UBC = UCA = Ud = Up 0 Về pha, điện áp dây UAB , UBC , U CA lệch pha nhau một góc 120 và vượt trước điện áp pha tương ứng một góc 300 . 4.3. MẠCH ĐIỆN BA PHA PHỤ TẢI NỐI HÌNH TAM GIÁC 4.3.1. Cách nối Muốn nối hình tam giác ta lấy đầu pha này nối với cuối pha kia. A nối với Z, B nối với X, C nối với Y 4.3.2. Các quan hệ giữa đại lượng dây và đại lượng pha trong cách nối hình tam giác đối xứng a. Quan hệ giữa điện áp dây và điện áp pha Ud = Up b. Quan hệ giữa dòng điện dây và pha Áp dụng định luật Kiếchốp 1 tại các nút Nút A’: Nút B’: Nút C': Từ đồ thị hình 4.3.b ta có : IA = IB = IC = Id IAB = IBC = ICA = Ip Về trị số dòng điện dây ta có : 0 Về pha, dòng điện dây IA, IB, IC lệch pha nhau một góc 120 và chậm pha so với dòng điện pha tương ứng một góc 300 4.4. CÔNG SUẤT MẠCH ĐIỆN BA PHA 4.4.1. Công suất tác dụng P3p= PA + PB+ PC = UA IA cosϕA + UB IB cosϕB + UC IC cosϕC Khi mạch ba pha đối xứng: UA= UB= UC=UP ; IA= IB= IC= IP và cosϕA= cosϕB= cosϕC= cosϕ 2 Ta có: P3p = 3 Up Ip cosϕ = 3 Rp I p ; trong đó Rp là điện trở pha. 27
  28. Đối với nối sao đối xứng: Đối với nối tam giác đối xứng: Công suất tác dụng ba pha viết theo đại lượng dây, áp dụng cho cả trường hợp nối sao và nối tam giác đối xứng: 4.4.2. Công suất phản kháng Q3p = QA + QB +QC = UA IA sinϕA + UB IB sinϕB + UC IC sinϕC 2 Khi mạch ba pha đối xứng : Q3p= 3 Up Ip sinϕ = 3 Xp I p; trong đó Xp là điện kháng pha Hoặc viết theo đại lượng dây: 4.4.3. Công suất biểu kiến Khi mạch ba pha đối xứng, công suất biểu kiến ba pha: 4.5. CÁCH GIẢI MẠCH ĐIỆN BA PHA ĐỐI XỨNG Đối với mạch ba pha đối xứng bao gồm nguồn đối xứng, tải và các dây pha đối xứng. Khi giải mạch ba pha đối xứng ta chỉ cần tính toán trên một pha rồi suy ra các pha kia 4.5.1. Giải mạch điện ba pha tải nổi hình sao đối xứng a. Khi không xét tổng trở đường dây pha Điện áp trên mỗi pha tải: Tổng trở pha tải: trong đó Rp, Xp là điện trở và điện kháng mỗi pha tải . Ud là điện áp dây Dòng điện pha của tải: Tài nối hình sao: Id = Ip b. Khi có xét tổng trở của đường dây pha Cách tính toán cũng tương tự: trong đó Rd , Xd là điện trở và điện kháng đường dây. 28
  29. 4.5.2. Giải mạch điện ba pha tải nổi tam giác đối xứng a. Khi không xét tổng trở đường dây Ta có: Ud = Up Dòng điện pha tải Ip Dòng điện dây: b. Khi có xét tổng trở đường dây Tổng trở mỗi pha lúc nối tam giác: Z∆ = Rp+jXp Tổng trở biến đổi sang hình sao Dòng điện dây Id: Dòng điện pha của tải : 4.6. CÁCH GIẢI MẠCH BA PHA KHÔNG ĐỐI XỨNG Khi tải ba pha không đối xứng ( ZA≠ZB≠ZC ) thì dòng điện và điện áp trên các pha tải sẽ không đối xứng. Trong phần này ta vẫn xem nguồn của mạch ba pha là đối xứng. 4.6.1. Giải mạch điện ba pha tải nổi hình sao không đối xứng a. Tải nối hình sao với dây trung tính có tổng trở Zo (hình 4.6.1.a) &IA A Up ZA &I Zoo’ o'o O’ O ZB Ud ZC C &IC B 29 &IB
  30. Hình 4.6.1.a Dùng phương pháp điện áp hai nút, điện áp giữa hai điểm trung tính O’ và O: trong đó YA= 1/ZA; YB=1/ ZB; YC=1/ ZC; Y0=1/ Z0 là tổng dẫn phức các pha tải và dây trung tính . Vì nguồn đối xứng: Thay vào công thức trên ta có: Điện áp trên các pha tải: Pha A: Pha B: Pha C: Dòng điện các pha tải: Dòng điện trên dây trung tính I0: b. Nếu xét đến tổng trở Zd của các dây dẫn pha Phương pháp tính toán vẫn như trên nhưng với: c. Khi tổng trở dây trung tính Z0 = 0 Nhờ có dây trung tính điện áp pha trên các tải đối xứng. Dòng điện trên các pha tải Pha A: Pha B: Pha C: 30
  31. Dòng điện trên dây trung tính I0: 4.6.2. Giải mạch điện ba pha tải nổi tam giác không đối xứng &I Mạch ba pha tải khôngA đối xứng nối hình tam giácA như hình 4.6.2 A &I AB Z CA ZAB Ud &IC &ICA ZBC C B C &IBC &IB B Hình 4.6.2 Nguồn điện có điện áp dây là UAB, UBC, UCA Nếu không xét tổng trở các dây dẫn pha (Zd =0) điện áp đặt lên các pha tải là điện áp dây nguồn. Dòng điện trên các pha tải: Áp dụng định luật Kiếchốp 1 tại các nút Tại nút A: Tại nút B: Tại nút C: Nếu trường hợp có xét tổng trở Zd của các dây dẫn pha ta nên biến đổi tương đương tải nối tam giác thành hình sao 31
  32. 4.7. CÁCH NỐI NGUỒN VÀ TẢI TRONG MẠCH ĐIỆN BA PHA Nguồn điện và tải ba pha đều có thể nối hình sao hoặc hình tam giác, tùy theo điều kiện cụ thể như điện áp quy định của thiết bị, điện áp của mạng điện và một số yêu cầu kỹ thuật khác. 4.7.1. Cách nối nguồn điện Các nguồn điện dùng trong sinh hoạt thường nối thành hình sao có dây trung tính. Cách nối này có ưu điểm là cung cấp hai điện áp khác nhau : Điện áp pha và điện áp dây 4.7.2. Cách nối động cơ điện ba pha Khi thiết kế người ta đã quy định điện áp cho mỗi dây quấn. Ví dụ động cơ ba pha có điện áp định mức cho mỗi dây quấn pha là 220V (Up =220), do đó trên nhãn hiệu của động cơ ghi là ∆/Y ~ 220/380 V . Nếu ta nối động cơ vào làm việc ở mạng điện có điện áp dây là 380 V thì động cơ phải nối hình sao Nếu động cơ ấy làm việc ở mạng điện 220/127V có điện áp dây là 220 V thì động cơ phải được nối hình tam giác 4.7.3. Cách nối các tải của một pha Điện áp làm việc của tải phải bằng đúng điện áp định mức đã ghi trên nhãn Ví dụ bóng đèn 220V lúc làm việc ở mạng điện 380/220V thì phải nối giữa dây pha và dây trung tính. Cũng bóng đèn ấy nếu làm việc ở mạng 220/127V thì phải nối hai dây pha để mạng điện áp đặt vào thiết bị đúng bằng định mức Tuy nhiên lúc chọn thiết bị trong sinh hoạt, ta cần chọn điện áp thiết bị bằng điện áp pha. 32
  33. CHƯƠNG 5. ĐO LƯỜNG ĐIỆN 5.1. NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐO LƯỜNG ĐIỆN 5.1.1. Định nghĩa Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo với đơn vị của đại lượng đo 5.1.2. Phân loại cách thực hiện phép đo a. Đo trực tiếp Cách đo mà kết quả nhận được trực tiếp từ một phép đo duy nhất b. Đo gián tiếp Cách đo mà kết quả được suy ra từ sự phối hợp kết quả của nhiều phép đo dùng nhiều cách đo trực tiếp 5.1.3. Các loại sai số của phép đo và cấp chính xác a. Sai số tuyệt đối Hiệu số giữa giá trị đo X và giá trị thực Xth : b. Sai số tương đối Tỉ số giữa sai số tuyệt đối và giá trị đo được tính bằng phần trăm: δ %= ∆X/Xđo.100 c. Sai số của dụng cụ đo được đặc trưng bằng sai số tương đối quy đổi γ% =∆X/Xđm.100 Xđm là trị số định mức của thang đo tương ứng d. Sai số phương pháp Sai số sinh ra do sự không hoàn thiện của phương pháp đo và sự không chính xác biểu thức lí thuyết cho ta kết quả của đại lượng đo e. Sai số thiết bị Sai số của thiết bị đo sử dụng trong phép đo, liên quan đến cấu trúc, tình trạng của dụng cụ đo f. Sai số chủ quan Sai số gây ra do người sử dụng. Ví dụ như mắt kém, do cẩu thả, do đọc lệch g. Sai số hệ thống Thành phần sai số của phép đo luôn không đổi hay là thay đổi có quy luật khi đo nhiều lần một đại lượng đo h. Cấp chính xác của dụng cụ đo K =∆Xmax/A.100 ∆Xmax: sai số tuyệt đối lớn nhất; A khoảng thang đo trên dụng cụ đo K< 0.5 là loại dụng cụ đo có cấp chính xác cao, thường làm dụng cụ mẫu . Các dụng cụ đo trong công nghiệp thường có cấp chính xác 1 ÷2.5 i. Độ nhạy của dụng cụ đo S=∆α/ ∆X ∆α : độ biến thiên của chỉ thị đo ∆X: độ biến thiên của đại lượng cần đo 33
  34. 5.2. CƠ CẤU BIẾN ĐỔI ĐIỆN CƠ a. Định nghĩa Dụng cụ đo tương tự ( analog) là loại dụng cụ đo mà chỉ số của nó là đại lượng liên tục tỉ lệ với đại lượng đo liên tục. Trong dụng cụ đo tương tự người ta thường dùng các chỉ thị điện cơ, trong đó tín hiệu vào là dòng điện còn tín hiệu ra là góc quay của kim chỉ thị. Cơ cấu này thực hiện việc biến năng lượng điện từ thành năng lượng cơ học làm quay phần động một góc lệch α so với phần tĩnh. α= f(X) , X : Đại lượng điện b. Nguyên lý làm việc của cơ cấu biến đổi điện cơ Khi cho dòng điện vào một cơ cầu biến đổi cơ điện do tác dụng của từ trường quay lên phần động của cơ cấu mà sinh ra một mô men quay Mq. Mq = dWđt/dα ( Wđt là năng lượng điện từ trường) Nếu ta đặt vào trục của phần động một lò xo cản thì khi phần động quay lò xo bị xoắn lại và sinh ra một mômen cản Mc: Mc = K.α ( hệ số K phụ thuộc vào kích thước và vật liệu chế tạo lò xo) Khi phần động của cơ cấu nằm ở vị trí cân bằng: Mq = Mc ⇒ α = 1/K. dWđt/dα Đây là phương trình đặc tính thang đo Cơ cấu biến đổi kiểu điện cơ có 4 loại: 1. Cơ cấu kiểu từ điện 2. Cơ cấu kiểu điện từ 3. Cơ cấu kiểu điện động 4. Cơ cấu kiểu cảm ứng 5. Cơ cấu kiểu tĩnh điện 5.2.1. Cơ cấu đo kiểu từ điện a. Cấu tạo Nam châm vĩnh cửu (1) có độ từ cảm cao có hai má cực từ. • Lõi thép hình trụ (2) nhằm giảm khe hở không khí giữa hai cực nam châm làm cho từ trường mạnh và phân bố đều. • Cuộn dây động (3) bằng dây đồng tiết diện nhỏ trên khung nhôm – khung nhôm để quấn dây. • Lò xo (4) dùng để tạo mômen phản kháng. • Trục (5) • Kim chỉ thị (6) b. Nguyên lý làm việc Khi có dòng điện một chiều cần đo chạy vào cuộn dây động, từ trường của nó sẽ tác dụng với từ trường của nam châm vĩnh cửu, tạo nên lực F tác dụng lên hai cạnh cuộn dây động và gây ra mômen quay Mq: Mq =F.*D = BLWI .D = Kq .I Mối quan hệ giữa góc lệch α kim chỉ thị và dòng điện cần đo: 34
  35. α = S.I trong đó S là độ nhạy của cơ cấu đo c. Đặc điểm và ứng dụng Ưu điểm: - Có độ chính xác cao vì các phần tử cơ cấu có độ ổn định cao, từ trường cực từ mạnh nên ít bị ảnh hưởng của từ trường ngoài và công suất tiêu thụ nhỏ - Thang đo chia độ đều - Độ nhạy lớn nên đo được các dòng một chiều rất nhỏ. Nhược điểm: - Chỉ đo được dòng một chiều vì góc lệch α tỉ lệ bậc nhất với dòng điện - Tiết diện cuộn dây động nhỏ, nên khả năng quá tải kém - Cấu tạo phức tạp, hư hỏng khó sửa chữa. Ứng dụng: Chế tạo để đo dòng điện và điện áp một chiều: vôn kế, ăm pe kế. Đo các dòng, áp trị số nhỏ như: điện kế, miliămpekế, milivolkế. Đo điện trở : Ôm mét, mêgômét Chế tạo đồng hồ vạn năng. 5.2.2. Cơ cấu đo kiểu điện từ a. Cấu tạo Cơ cấu gồm 2 loại chính: kiểu cuộn dây phẳng và kiểu cuộn dây tròn Ta xét cơ cấu kiểu cuộn dây phẳng như hình 5.2.2 - Cuộn dây phẳng ở phần tĩnh (1) - Lõi thép (2) - Lá sắt từ mềm (3) là phần động, nằm trong lòng cuộn dây phần tĩnh - Bộ phận cản dịu (4) Hình 5.2.2 b. Nguyên lý làm việc Khi cho dòng điện cần đo I vào cuộn dây 1, lá sắt từ 3 sẽ bị đẩy làm kim quay đi một góc α. Trong cuộn dây được tích lũy năng lượng từ trường: 2 WM = LI /2 L: Điện cảm của cuộn dây Mối quan hệ giữa góc lệch của kim chỉ thị α với dòng điện cấn đo I: α = SI2 S: độ nhạy của cơ cấu đo 35
  36. c. Đặc điểm và ứng dụng Ưu điểm: - Đo được dòng xoay chiều và một chiều - Khả năng quá tải lớn do tiết diện dây quấn lớn, đo được dòng và áp lớn - Cấu tạo đơn giản Nhược điểm: - Từ trường bản thân yếu, bị ảnh hưởng của từ trường ngoài. Do tổn hao phu cô và từ trễ, nên độ chính xác không cao, độ nhạy thấp. - Thang đo chia độ không đều. Ứng dụng: Chế tạo các ampe kế và vôn kế một chiều và xoay chiều 5.2.3. Cơ cấu đo kiểu điện động a. Cấu tạo - Phần tĩnh là cuộn dây (1 ) gồm hai nữa cuộn dây đặt cạnh nhau để tạo ra khoảng không gian có từ trường tương đối đều, quấn dây tiết diện lớn. - Phần động là cuộn dây (2 ) có tiết diện nhỏ đặt trong lòng cuộn dây tĩnh. Ngoài ra còn có lò xo và bộ phận cản dịu b. Nguyên lý làm việc Dòng điện cần đo được đưa vào cuộn dây 1( I1) và 2 (I2) tạo nên 2 từ trường đẩy nhau, gây nên mômen quay. Năng lượng từ trường tích lũy trong 2 cuộn dây: 2 2 WM = L1I1 /2 +L2I2 /2 + MI1.I2 L1, L2 : điện cảm của hai cuộn dây; M: hỗ cảm giữa hai cuộn dây Mối quan hệ giữa góc lệch kim chỉ thị α với 2 dòng điện cần đo: α = S. I1 I2 trong đó S là độ nhạy của cơ cấu đo 2 Nếu I1= I2 =I ⇒ α =S I c. Đặc điểm và ứng dụng Ưu điểm: - Không có lõi thép nên không có tổn hao sắt từ, nên độ chính xác cao, chế tạo dụng cụ đo với cấp chính xác đến 0.05. - Đo được dòng một chiều và xoay chiều. Nhược điểm: - Cuộn dây (2) có tiết diện nhỏ, nên khả năng quá tải kém. - Cấu tạo phức tạp - Từ trường của cơ cấu đo bị ảnh hưởng bởi từ trường ngoài. Ứng dụng: Chế tạo vôn kế, ampe kế một chiều và xoay chiều và chế tạo dụng cụ đo công suất (oát kế) là chủ yếu . 5.2.4. Cơ cấu đo kiểu cảm ứng a. Cấu tạo ( hình vẽ 5.2.4) - Phần tĩnh gồm cuộn dây (2) và cuộn dây (3) Cuộn điện áp (2) có số vòng nhiều, tiết diện nhỏ. Cuộn dòng điện (3) có tiết diện lớn, quấn ít vòng - Phần động gồm đĩa nhôm (1) gắn với trục (4) 36
  37. 2 3 I I 1 φ φ 4 Hình 5.2.4 b. Nguyên lý làm việc Cho dòng điện I1 và I2 vào hai cuộn dây (2) và(3) sinh ra từ thông φ1 và φ2 lệch nhau góc ψ . Mômen làm cho đĩa nhôm quay: Mq = Cf.φ1.φ2 sinψ Hai cuộn dây phần tĩnh lần lượt đo dòng I và điện áp U cho nên: φ1 ∼U ; φ2 ∼I ; góc lệch pha ϕ giữa U và I ( vì U nhanh pha so với φ1 góc 90 , I cùng pha 0 với φ2 ) cho nên ϕ = ψ+90 Mq = Cf.φ1.φ2 sin ≈ ψ KU.I.cosϕ = KP Như vậy mômen quay tỉ lệ với công suất P mà tải tiêu thụ . Để thể hiện số vòng quay của đĩa nhôm, người ta gắn vào trục cơ cấu chỉ thị đếm cơ khí. Lượng điện năng tiêu thụ A trong khoảng thời gian ∆t: A = P. ∆t= C.N (N : số vòng quay của đĩa nhôm) c. Đặc điểm và ứng dụng - Điều kiện để mômen quay là phải có hai từ trường - Mômen quay phụ thuộc tần số dòng điện - Chỉ làm việc trong mạch điện xoay chiều Ứng dụng: Chế tạo công tơ đo điện năng 5.3. ĐO DÒNG ĐIỆN VÀ ĐO ĐIỆN ÁP 5.3.1. Đo dòng điện Đo dòng điện bằng cách mắc ampe kế nối tiếp với phụ tải có dòng điện cần đo chạy qua. Điện trở trong của ampe kế càng nhỏ càng tốt Để mở rộng thang đo một chiều, người ta dùng điện trở sơn (shunt) Rs nối song song với cơ cấu đo Ta có I = IS+IA K = I/IA = RA /RS + 1 K: hệ số mở rộng thang đo. Thay đổi RS ta được các hệ số mở rộng thang đo khác nhau RA /RS = 9;99; 999 ⇒K = 10;100;1000; Dòng đi qua cơ cấu đó chỉ bằng 1/10; 1/100;1/1000; với dòng cần đo. Đo dòng xoay chiều dùng các ampemét điện từ hay điện động. 37
  38. Với dòng xoay chiều ta dùng máy biến dòng để mở rộng thang đo. Ampemét điện từ mở rộng thang đo bằng cách chia cuộn dây tĩnh ra nhiều đoạn bằng nhau và tuỳ thuộc việc mắc nối tiếp hay song song ( hình 5.3.1.b ) Khi cần đo dòng xoay chiều bằng dụng cụ đo từ điện người ta phải chỉnh lưu dòng xoay chiều thành một chiều 0 I I2 I3 I 1 4 RS RS RS RS I A Hình 5.3.1.b 5.3.2. Đo điện áp Đo điện áp người ta dùng vôn kế mắc song song với mạch điện có điện áp cần đo. Để kết quả đo chính xác thì điện trở vôn kế càng lớn càng tốt. Để mở rộng thang đo bằng cách mắc thêm điện trở phụ nối tiếp với vôn kế Gọi k= U/UV : hệ số mở rộng thang đo. k = U/UV = 1+Rp/Rv Thay đổi Rp có thể đạt được các giá trị k khác nhau Khi đo điện áp U lớn để mở rộng thang đo người ta dùng máy biến áp điện áp. 5.4. ĐO CÔNG SUẤT Dụng cụ đo công suất là Oát kế (oát mét), đơn vị của công suất là Oát (W). 5.4.1. Đo công suất trong mạch điện sin một pha Oát mét hay dụng cụ đo công suất thường chế tạo theo cơ cấu kiểu điện động Nguyên lý hoạt động: - Cuộn tĩnh 1 mắc nối tiếp với phụ tải và gọi là cuộn dòng, có điện trở rất nhỏ nên thường quấn ít vòng bằng dây cỡ lớn. - Cuộn 2 ở phần động dùng làm cuộn áp, nối song song với phụ tải cần đo . Cuộn dây 2 điện trở rất lớn nên người ta nối thêm một điện trở phụ Rp. Mômen quay tức thời của cuộn dây 2 phần động: mq=kg II IU Dòng điện qua cuộn dây tĩnh 1 là dòng điện phụ tải Ipt=II, còn dòng qua cuộn dây động 2: II =Ipt; IU =U/(R2+Rp) ⇒ IU ∼U ⇒ Mq ∼ Ppt = UI cosϕ Như vậy Mq của oát mét tỉ lệ với công suất tác dụng của phụ tải nên được dùng để đo công suất mạch xoay chiều và cả một chiều. 38
  39. 5.4.2. Đo công suất trong mạch điện ba pha Khi mạch ba pha bốn dây đối xứng, thì chỉ cần dùng một oát kế đo công suất 1 pha rồi nhân 3 : P3p= 3.P1p Nếu là mạch 3 pha 4 dây không đối xứng thì phải dùng 3 oátmét đo rồi cộng kết quả lại. P3p=PA+PB+PC Khi mạch ba pha không có dây trung tính phụ tải bất kỳ, người ta dùng 2 oát kế để đo công suất: P3p=P1+P2 Chứng minh: Công suất tức thời của mạch ba pha: p3p= uAiA+uBiB+uCiC (1) Ta có: iA+iB+iC=0 ⇒ iC= - ( iA+iB) (2) Từ (1) và (2) ta có: p3p = iA (uA-uC)+iB (uB-uC) = iAuAC+iBuBC = p1+p2 Người ta đã chế tạo loại oát kế 3 pha hai phần tử, cách mắc sơ đồ đo tương tự như cách dùng 2 oát kế một pha 5.5. ĐO ĐIỆN TRỞ a. Đo gián tiếp Để đo điện trở ta dùng Ampe kế đo dòng điện I và vônkế đo điện áp U. Điện trở cần đo: Rx = U/I Ta có Rx +RA = U/I, điện trở ampekế gây sai số phép đo. Ta có: I = U/Rx + U/Rv ⇒ Rx = 1/ (I/U –1/Rv) Điện trở vôn kế gây nên sai số phép đo, dùng để đo điện trở có giá trị nhỏ b. Đo bằng Ôm kế (hình 5.5.2) R cc 1 I R E x 2 Rbt Hình 5.5.2 Ôm kế dùng để đo các điện trở có giá trị nhỏ Cấu tạo: - Nguồn pin E - Cơ cấu chỉ thị kiểu từ điện Rcc - Rbt - điện trở dùng để điều chỉnh vị trí không. - Rx - điện trở cần đo 39
  40. Khi nối Rx cần đo vào mạch, dòng điện đi qua cơ cấu đo I: I = E/( Rbt + Rx) E và Rbt không đổi thì I phụ thuộc Rx, đọc được I ta suy ra điện trở Rx Trên thang đo khắc độ theo đơn vị điện trở tương ứng với dòng điện I Sau một thời gian sử dụng E của pin giảm, nên trước khi đo cần ngắn mạch 1, 2 để chỉnh kim về vị trí 0, sau đó mới bắt đầu đo. c. Mêgômét ( lôgômét từ điện) Dùng để đo điện trở lớn như điện trở cách điện Phần tĩnh là một nam châm vĩnh cửu có lõi thép . Phần động gồm hai khung dây 1 có điện trở R1, khung dây 2 có điện trở R2 Nguồn cung cấp có điện áp từ 500 – 1000V do máy phát điện 1 chiều quay tay tạo ra Điện trở phụ dùng để điều chỉnh Rp1 mắc nối tiếp với điện trở R1 , Rp2 mắc nối tiếp với điện trở R2, điện trở cần đo Rx mắc nối tiếp với điện trở Rp1 Dòng điện qua 2 khung dây: I1 =U/(R1+Rp1 +Rx); I2 =U/(R2+Rp2); Góc quay α của mêgômét tỷ lệ với tỷ số của hai dòng: α =f(I1/I2) =f[(R2+Rp2)/ (R1+Rp1 +Rx)] Do R1, Rp1 R2, Rp2 không thay đổi, nên α = f(Rx) d. Cầu đo điện trở Điện trở cần đo là Rx là một nhánh của cầu, các điện trở R1, R2, R3 có thể điều chỉnh được. Điều chỉnh các điện trở R1, R2, R3 cho điện kế G chỉ không, cầu đã cân bằng: Rx/R2 = R3/R1 ⇒ Rx =R2. R3/R1 5.6. KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG CÁC ĐẠI LƯỢNG KHÔNG ĐIỆN 5.6.1. Những khái niệm chung về sự biến đổi đo lường a. Khái niệm chung Các đại lượng không điện như áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, mực chất lỏng, vận tốc của vật, tốc độ quay, có thể đo được một cách chính xác bằng phép đo lường điện. Đồng thời tín hiệu điện được truyền dẫn và điều khiển thuận lợi hơn. Sơ đồ khối của dụng cụ đo lường các đại lượng không điện bao gồm: 1. Cơ cấu chuyển đổi đo lường Để biến đổi các đại lượng không điện thành các đại lượng điện như điện áp, dòng điện, điện trở, điện cảm, điện dung .v.v 2. Các khâu trung gian như khuếch đại, bù các đại lượng điện 3. Các cơ cấu đo lường ở đầu ra có thang chia theo các đại lượng không điện b. Chuyển đổi đo lường Chức năng biến các đại lượng cần đo khác nhau thành các đại lượng điện Có nhiều cách chuyển đổi: 1. Chuyển đổi điện trở 2. Chuyển đổi điện từ 3. Chuyển đổi điện dung 4. Chuyển đổi nhiệt điện Một vài bộ chuyển đổi: 40
  41. 1. Chuyển đổi điện trở - Biến trở Điện trở của biến trở : Rx= R.L/LX LX là khoảng di chuyển của con chạy . Biến trở dùng để đo di chuyển thẳng hoặc nếu có loại biến trở xoay - Chuyển đổi điện trở lực căng Cấu tạo gồm miếng giấy mỏng làm đế, trên đó dán sợi dây mảnh bằng hợp kim platin. Sau đó dán lên chi tiết cần đo biến dạng. Sự biến thiên điện trở chuyển đồi : ∆R/R = K .δ/E K : độ nhạy của chuyển đổi δ : Ứng suất tác dụng lên chuyển đổi cần đo E: môđun đàn hồi 2. Chuyển đổi điện từ Chuyển đổi các di chuyển thẳng hay góc thành thay đổi điện cảm, hỗ cảm và xuất hiện sức điện động 3. Chuyển đổi điện dung (như hình 5.6.1.c) Điện dung của tụ điện C: C = ε. S/d ε: hằng số điện môi S: diện tích bản cực d: khoảng cách giữa hai bản cực Sự di chuyển của khoảng cách giữa hai điện cực, góc quay hay chiều dày điện môi dẫn đến sự biến thiên của tụ điện Hình 5.6.1.c 4. Chuyển đổi nhiệt điện (như hình 5.6.1.d) t0 t0 t0 I II t1 t1 Hình 5.6.1.d Đem hàn hai thanh kim loại không đồng chất I và II, nhiệt độ t1 và t0 khác nhau dẫn đến xuất hiện sức điện động trong mạch gọi là sức nhiệt điện động 41
  42. Trị số sức nhiệt điện động phụ thuộc độ chênh lệch nhiệt độ hai đầu t1, t0 . Cơ cấu dùng để đo nhiệt độ. 5.6.2. Một số mạch đo lường các đại lượng không điện a. Đo ứng suất Ta dán chuyển đổi điện trở lực căng lên điểm cần đo và là một nhánh của mạch cầu như hình 5.6.2.a Sự biến thiên của điện áp ra trên đường chéo được khuếch đại và đưa vào cơ cấu đo A KĐ B Hình 5.6.2.a b. Đo sự di chuyển ( như hình 5.6.2.b) Rt C ∆δ Hình 5.6.2.b Sự di chuyển của vật thể dẫn đến sự thay đổi khoảng cách 2 bản cực của tụ C, dẫn đến thay đổi điện dung C, biến thiên điện áp và tín hiệu được đưa ra cơ cấu đo. Cơ cấu đo sẽ được khắc vạch khoảng di chuyển tương ứng. 5.7. ĐO LƯỜNG SỐ a. Nguyên lý của chỉ thị số 42
  43. Đại lượng đo x(t) sau khi qua bộ biến đổi thành xung (BĐX). Số xung được được đưa vào bộ mã hóa (MH) cơ số 2 sau đó đến bộ giải mã (GM) và đưa ra bộ hiện số như hình 5.7.1 x(t) BĐX MH GM Hình 5.7.1 b. Thiết bị hiện số Có nhiều loại thiết bị hiện số quang học khác nhau nhưng dùng phổ biến nhất là bộ hiện số bằng LED ghép 7 thanh và loại tinh thể lỏng. Điốt phát quang là chất bán dẫn phát sáng khi đặt vào điện áp một chiều, còn tinh thể lỏng dưới tác dụng của điện áp sẽ chuyển pha từ trạng thái trong suốt sang trạng thái mờ và ta có thể nhìn thấy mầu sắc ở nền đằng sau. Tinh thể lỏng tiêu thụ công suất rất nhỏ (0,1µΑ một thanh) còn điốt phát quang là 10mA. Các thiết bị kỹ thuật sử dụng mã cơ số 2. Để đọc thông tin đo thể hiện ra bên ngoài ta biến đổi mã cơ số 2 thành mã cơ số 10 +5V CC a R1 a 3 a 2 b R2 b c R 3 c f b 22 d R4 d g 1 e R e 2 5 e c f f 0 d 2 g R6 g R7 Hình 5.7.2 Thiết bị làm nhiệm vụ này là bộ giải mã Người ta sử dụng 7 vạch từ a đến g bố trí như hình 5.7.2 . Nếu tất cả các vạch đều sáng ta nhận được số 8. Bộ giải mã 7 vạch được chế tạo dưới dạng vi mạch kiểu SN 74247 có các đầu ra hở cực góp. Dùng để điều khiển bộ chỉ thị LED có chung anốt +5V . Để đảm bảo dòng anốt mong muốn cần thêm 7 điện trở bên ngoài. Các bộ giải mã nhị thập phân 7 vạch được chế tạo kết hợp với khối hiển thị dưới dạng vi mạch . Trong vi mạch bố trí các bộ nhớ đệm lưu trữ các biến vào Bộ chỉ thị số gồm nhiều chữ số . Hoạt động của bộ chỉ thị là nối tiếp chứ không phải song song với việc sử dụng cách nối ma trận và chế độ dồn kênh có thể rút gọn đáng kể số dây nối. 43