Điện điện tử - Chương 4: Mạch điện ba pha

CHƯƠNG 4: MẠCH ĐIỆN BA PHA §.4 ­ 1 kh¸i niƯm chung Ngµy nay trong c«ng nghiƯp dïng rÊt réng r·i ®iƯn năng dßng ®iƯn hinh sin ba pha. Đéng c¬ ®iƯn ba pha cã cÊu t¹o ®¬n giản vµ ®Ỉc tÝnh tèt h¬n ®éng c¬ mét pha. ViƯc truyỊn tải ®iƯn năng b»ng m¹ch ®iƯn ba pha tiÕt kiƯm ®­ỵc d©y dÉn h¬n viƯc truyỊn tai ®iƯn năng b»ng dßng ®iƯn mét pha. M¹ch ®iƯn ba pha bao gåm nguån ®iƯn ba pha, ®­êng d©y truyỊn t¶i vµ c¸c phơ tải ba pha ĐĨ t¹o ra nguån ®iƯn ba pha, ta dïng m¸y ph¸t ®iƯn ®ång bé ba pha CẤU TẠO CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA : PHẦN TĨNH GỒM CÁC RÃNH, TRONG CÁC RÃNH ĐẶT BA DÂY QUẤN AX, BY, CZ CÓ CÙNG SỐ VÒNG DÂY VÀ LỆCH NHAU MỘT GÓC 2 /3 TRONG KHÔNG GIAN. MỖI DÂY QUẤN ĐƯỢC GỌI LÀ MỘT PHA. 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 ĐIỆN N – S . C X S B Y N A n Z NGUYÊN LÍ LÀM VIỆC: KHI QUAY RÔTO, TỪ TRƯỜNG LẦN LƯỢT QUÉT CÁC DÂY QUẤN XTATO VÀ CAỶM ỨNG VÀO TRONG DÂY QUẤN XTATO CÁC SỨC ĐIỆN ĐỘNG HỠNH SIN CÙNG BIÊN ĐỘ, CÙNG TẦN SỐ VÀ LỆCH PHA NHAU MỘT GÓC 2  /3. NẾU CHỌN PHA ĐẦU CỦA SỨC ĐIỆN ĐỘNG EA CỦA DÂY QUẤN AX BẰNG KHÔNG, THỠ BIỂU THỨC TỨC THỜI SỨC ĐIỆN ĐỘNG BA PHA LÀ: SỨC ĐIỆN ĐỘNG PHA A: EA = E SINT SỨC ĐIỆN ĐỘNG PHA B: EB = E SIN( T ­ 2  /3) SỨC ĐIỆN ĐỘNG PHA C: EC = E SIN ( T ­ 4  /3)= E SIN ( T +2  /3) HOẶC BIỄU DIỄN BẰNG SỐ PHỨC: EA =EE J0 EB =EE ­J(2 /3) E C=E E J(2 /3) 2 2 2 2 C X S B Y N A n ZeBe A 2/3 n2/ 3 n O e e C 2/ 3 n w t 1 20 ° 120° 12 0° EA EA EA Nguồn điện gồm ba sức điện động hỡnh sin cùng biên độ, cùng tần số, lệch pha nhau 2  /3 gọi là nguồn ba pha đối xứng. ẹối với nguồn đối xứng ta có: eA +eB+eC = 0 hoặc A + B+ C = 0E EE Thường quen ký hiệu đầu pha là A,B,C cuối pha là X,Y,Z. Nếu tổng trở phức của các pha taỷi bằng nhau ZA = ZB = ZC thỡ ta có taỷi đối xứng. Mạch điện ba pha gồm nguồn, taỷi và đường dây đối xứng gọi là mạch điện ba pha đối xứng. Nếu không thoừa mãn điều kiện đã nêu gọi là mạch ba pha không đối xứng. Thường ba pha của nguồn được nối với nhau, ba pha của taỷi cũng được nối với nhau và có đường dây ba pha nối liền giửừa nguồn và taỷi, dẫn điện naờng từ nguồn đến taỷi. Dòng điện chạy trên đường dây pha từ nguồn đến taỷi gọi là dòng điện dây kí hiệu là Id, điện áp giửừa các đường dây pha gọi là điện áp dây, kí hiệu là Ud. Thông thường có hai cách nối: nối hinh sao, và nối hinh tam giác. 4­ 2 CÁCH NỐI HINH SAO 1. Cách nối . Muốn nối hỡnh sao ta nối ba điểm cuối pha với nhau tạo thành điểm trung tính . ẹối với nguồn, ba điểm X, Y, Z nối với nhau tạo thành điểm trung tính O của nguồn . ẹối với taỷi, ba điểm cuối X’, Y’, Z’ nối với nhau tạo thành trung tính của taỷi O’. Ic C B o Up UA A IB IOUd UAB Id IA C' Up O' A' B UC UB B' UBC C 3 0° A UAB O UA UCA UAB • C¸c quan hÖ gi÷a ®¹i l­îng d©y vµ pha trong c¸ch nèi h×nh sao ®èi xøng . a. Quan hÖ giöõa dßng ®iÖn d©y vµ pha . Can cø vµo m¹ch ®iÖn ta thÊy quan hÖ giöa dßng ®iÖn d©y Id vµ dßng ®iÖn pha Ip nh­ sau : Id = Ip Quan hÖ giöõa ®iÖn ¸p d©y vµ ®iÖn ¸p pha : ACCA CBBC BAAB UUU UUU UUU       Ic C B o Up UA A IB IOUd UAB Id IA C' Up O' A' B UC UB B' UBC C 30 ° A UAB O UA UCA UAB TTừ đồ thị điện áp ta thấy rõ : ­ Về trị số, điện áp dây Ud lớn hơn điện áp pha Up là lần. TThật vậy xét tam giác OAB: AB = 2.OA.cos 300 =2.OA. /2= . OA AB là Ud, OA là Up ; Ud= Up 3 3 3 3 Ic C B o Up UA A IB IOUd UAB Id IA C' Up O' A' B UC UB B' UBC C 30 ° A UAB O UA UCA UAB Về pha, điện áp dây AB, BC, CA lệch pha nhau một góc 120 0 và vượt trửựụực điện áp pha tương ứng một góc 300 . UUU 4­ 3 CÁCH NỐI HINH TAM GIÁC •C¸ch nèi Muèn nèi hình tam gi¸c ta lÊy ®Çu pha nµy nèi víi cuèi pha kia. VÝ dô A nèi víi Z, B nèi víi X, C nèi víi Y •C¸c quan hÖ gi÷a ®¹i l­îng d©y vµ ®¹i l­îng pha trong c¸ch nèi h×nh tam gi¸c ®èi xøng . Quan hÖ giöõa dßng ®iÖn d©y vµ pha nh­ sau: ¸p dông ®Þnh luËt KiÕchèp 1 t¹i c¸c nót ta cã: BCCAC ABBCB CAABA III III III       C EC 3 0° IBC IcA IA O IcA IAB EB B Ip EA IB Id IC Ud C ICA Up IAB B IBC Ip A IAId A Từ đồ thị ta thấy rõ : Về trị số dòng điện dây Id lớn gấp lần dòng điện Ip . Thật vậy xét tam giác OEF : EF = 2.OE.cos300 = 2. OE. /2 = OE. ẹộ dài EF là dòng điện Id, độ dài OE là dòng điện Ip . vậy ta có quan hệ Id = Ip 3 3 3 3 Về pha, dòng điện dây A, B, C lệch pha nhau một góc 120 0 và chậm sau dòng điện pha tương ứng một góc 300 .( ví dụ như : AB chậm sau A một góc 30 0) I I I I I C EC 3 0 ° IBC IcA IA O IcA IAB EB B Ip EA IB Id IC Ud C ICA Up IAB B IBC Ip A IAId A 4­ 4.CÔNG SUẤT MẠCH ĐIỆN BA PHA 1. CÔNG SUẤT TÁC DỤNG. CÔNG SUẤT TÁC DỤNG P CỦA MẠCH BA PHA BẰNG TỔNG CÔNG SUẤT TÁC DỤNG CỦA CÁC PHA. GỌI PA, PB, PC TƯƠNG ỨNG LÀ CÔNG SUẤT TÁC DỤNG CỦA PHA A, B, C TA CÓ : P= PA + PB+ PC = UA IA COSA + UB IB COS  B + UC IC COS  C KHI MẠCH BA PHA ĐỐI XỨNG: ẸIỆN ÁP PHA : UA= UB= UC=UP DÒNG ĐIỆN BA PHA: IA= IB= IC=IP COS  A= COS  B= COS  C= COS  TA CÓ P= 3 UP IP COS  = 3 RP I 2 P ; TRONG ĐÓ RP LÀ ĐIỆN TRỞ PHA. THAY ĐẠI LƯỢNG PHA BẰNG ĐẠI LƯỢNG DÂY: ẸỐI VỚI NỐI SAO : IP=ID ; UP = UD/ ẸỐI VỚI NỐI TAM GIÁC : IP = ID/ ; UP= UD P= UD ID COS   LÀ GÓC LỆCH PHA GIỮA ĐIỆN ÁP PHA VÀ DÒNG ĐIỆN 3 3 3 •C«ng suÊt ph¶n kh¸ng C«ng suÊt phaûn kh¸ng Q cña ba pha lµ: Q= QA + QB +QC = UA IAsin  A+ UB IB sin  B + UC IC sin  C Khi ®èi xøng ta cã: Q =3 Up Ip sin  =3 Xp I 2 p ; trong ®ã Xp lµ ®iÖn kh¸ng pha hoÆc Q= Ud Id sin .3 •C«ng suÊt biÓu kiÕn Khi ®èi xøng, c«ng suÊt biÓu kiÕn ba pha: S= = 3 Up Ip= Ud Id 22 QP  3 4­ 5. CÁCH GIẢI MẠCH ĐIỆN BA PHA ĐỐI XỨNG • Gi¶i m¹ch ®iÖn ba pha t¶i nèi h×nh sao ®èi xøng A, Khi kh«ng xÐt tæng trë ®­êng d©y pha . ®iÖn ¸p ®Æt lªn mçi pha t¶i lµ: Up = Ud/ ; Tæng trë pha taûi Zp= trong ®ã Rp, Xp lµ ®iÖn trë vµ ®iÖn kh¸ng mçi pha taûi . Ud lµ ®iÖn ¸p d©y cña m¹ch ®iÖn ba pha . 3 22 pp XR  A B C Zp Zp Zp Ud Id =Ip Ip Up Dòng điện pha của taỷi Ip= Up/ Zp= Up// = Ud/ Góc lệch pha  giửừa điện áp pha và dòng điện pha là  = arctgXp/Rp, vi taỷi nối hinh sao nên dòng điện dây bằng dòng điện pha Id = Ip 22 pp XR  22 pp XR  3 B, Khi cã xÐt tỉng trë cđa ®­êng d©y pha C¸ch tÝnh to¸n cịng t­¬ng tù, nh­ng phai gép tỉng trë ®­êng d©y víi tỉng trë pha tải ®Ĩ tÝnh dßng ®iƯn pha vµ d©y : Id = Ip = Ud/ ; trong ®ã Rd , Xd ®iƯn trë vµ ®iƯn kh¸ng ®­êng d©y. )()( 22 pXdXpRdR 3 C B A Id =Ip XpXd RpRd 4. GIẢI MẠCH ĐIỆN BA PHA TẢI NỐI TAM GIÁC ĐỐI XỨNG. A, KHI KHÔNG XÉT TỔNG TRỞ ĐƯỜNG DÂY. ẸIỆN ÁP PHA TAỶI BẰNG ĐIỆN ÁP DÂY UD = UP ; DÒNG ĐIỆN PHA TAỶI LÀ: IP= UP/ ZP = UP// ; GÓC LỆCH PHA  GIỬỪA ĐIỆN ÁP PHA VÀ DÒNG ĐIỆN PHA TƯƠNG ỨNG. ẸỒ THỊ VECTƠ VẼ TRÊN HỠNH :  = ARCTGXP/RP. DÒNG ĐIỆN DÂY : ID = IP 22 pp XR  3 BC B C Up Ud Ip A Id A Ip Up B, Khi có xét tổng trở đường dây . Trên hỡnh vẽ ta biến đổi tương đương tam giác thành hỡnh sao như sau: Tổng trở mỗi pha lúc đấu tam giác  =Rp + jXp Biến đổi sang hỡnh sao = /3= (Rp + jXp)/3 Dòng điện dây là: Id= Ud/ Dòng điện pha của tai khi nối tam giác Ip = Id/ Z Z Z 3 )3/()3/( 22 pXdXpRdR 3 AIdA B Ud C C Up B Rp Xp Rd Xd 4­ 6. Cách giai mạch điện ba pha taỷi nối hỡnh sao không đối xứng Khi taỷi ba pha không đối xứng ( A B  C) thỡ dòng điện và điện áp trên các pha taỷi sẽ không đối xứng. Lúc đó ta coi một mạch điện như một mạch phức tạp có nhiều nguồn sức điện động và giaỷi theo phương pháp trỡnh bày ụỷ trên. Ta xét một số trường hợp sau: ZZ Z •T¶i nèi h×nh sao cã d©y trung tÝnh tæng trë o ®Ó giaûi m¹ch ®iÖn trªn, ta nªn dïng ph­¬ng ph¸p ®iÖn ¸p hai nót . ta cã ®iÖn ¸p giöõa hai ®iÓm trung tÝnh O’ vµ O. Z C B A IA ZA IB IC O Io ZB ZC Zo O' O’O = ( A A + B B+ C C)/ ( A + B+ C+ o) trong đó A= 1/ A; B=1/ B; C=1/ C; o=1/ 0 là tổng dẫn phức các pha của taỷi và dây trung tính . Trường hợp nguồn đối xứng thi A = p; B= p e ­j120; C= p e ­j240 thay vào công thức trên ta có: O’O = p ( A + B e ­j120 + C e ­j240 )/ ( A + B+ C+ o) Sau khi tính được O’O ta tính điện áp trên các pha taỷi : ’A= A­ O’O ’B= B ­ O’O ’C = C ­ O’O Và dòng điện A= ’A/ A= ’A A; B= ’B/ B= ’B B; C = ’C/ C= ’C C; O= O’O / 0 = O’O o; hoặc O= A+ B+ C U U Y U Y U YYYYY Y ZYZYZYZ UUU  U U U U U Y Y Y YYYY U UUU UU U U U U I U Z U Y I U Z U YI U Z U Y I U Z U Y I I II •Khi tæng trë d©y trung tÝnh 0 = 0 DiÓm trung tÝnh cña taûi O’ trïng víi ®iÓm trung tÝnh cña nguån O vµ ®iÖn ¸p trªn c¸c pha cña taûi b»ng ®iÖn ¸p pha t­¬ng øng cña nguån . Rá rµng lµ nhê cã d©y trung tÝnh ®iÖn ¸p pha trªn taûi vÉn ®èi xøng. TÝnh dßng ®iÖn trong c¸c pha, ta ¸p dông ®Þnh luËt ¤m cho tõng pha riªng rÏ: A= A/ A; IA = UA/zA B= B/ B; IB = UB/zB C = C/ C; IC = UC/zC Z I U ZI U Z I U Z 4­ 7. CÁCH GIAI MẠCH ĐIỆN BA PHA TA NỐI HINH TAM GIÁC KHÔNG ĐỐI XỨNG TRƯỜNG HỢP TAỶI KHÔNG ĐỐI XỨNG NỐI HINH TAM GIÁC, NGUỒN ĐIỆN CÓ ĐIỆN ÁP DÂY LÀ AB BC, CA . NẾU KHÔNG XÉT TỔNG TRỞ CÁC DÂY DẪN PHA, ĐIỆN ÁP ĐẶT LÊN CÁC PHA TAỶI LÀ ĐIỆN ÁP DÂY NGUỒN DO ĐÓ TA TÍNH ĐƯỢC DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC PHA TAỶI . AB= AB/ AB; IAB = UAB / ZAB; BC= BC/ BC; IBC =UBC / ZBC; CA= CA/ CA ; ICA =UCA / ZCA U U U I UI U Z I U Z B C A C IA ZBC B A IBC IC IB ZAB ZCA IAB ICA ÁP DỤNG ĐỊNH LUẬT KIẾCHỐP 1 TẠI CÁC NÚT TA CÓ DÒNG ĐIỆN DÂY: TẠI NÚT A: A= AB ­ CA TẠI NÚT B: B= BC­ AB TẠI NÚT C: C = CA ­ BC NẾU TRƯỜNG HỢP CÓ XÉT TỔNG TRỞ D CỦA CÁC DÂY DẪN PHA TA NÊN BIẾN ĐỔI TƯƠNG ĐƯƠNG TAỶI NỐI TAM GIÁC THÀNH HỠNH SAO. II I I II III Z B C A C IA ZBC B A IBC IC IB ZAB ZCA IAB ICA