Hệ thống điện và máy điện: gói ôn nước rút

Bảng công thức, các bước phương pháp chính cho từng chủ đề và 10 bài tập, kèm lời giải đầy đủ ở cuối.

Bài mới Quay lại môn học

Trong cửa sổ in, hãy chọn “Lưu dưới dạng PDF” để giữ một bản trên thiết bị của bạn.

1Công thức và phương pháp

Công suất ba pha

Nối sao (Y): V_L = √3·V_ph, I_L = I_ph
Nối tam giác (Δ): V_L = V_ph, I_L = √3·I_ph
Tổng công suất tác dụng: P = √3·V_L·I_L·cos φ = 3·I_ph²·R
Công suất biểu kiến và phản kháng: S = √3·V_L·I_L, Q = P·tan φ
Tụ điện bù: Q_C = P(tan φ₁ − tan φ₂), C = Q_C/(3ωV²)
Điện áp trên mỗi tụ điện: Δ: V_L Y: V_L/√3
Công suất vào của động cơ: P_in = P_out/η

Máy biến áp

Tỉ số vòng dây: a = N₁/N₂ = V₁/V₂
Tỉ số dòng điện: I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a
Dòng điện định mức: I = S/V
Tổng trở quy đổi: Z₁′ = a²·Z_L
Tổn hao đồng khi non tải: P_cu = x²·P_cu,fl
Hiệu suất: η = x·S·pf/(x·S·pf + P_core + x²·P_cu,fl)
Hiệu suất cực đại: x = √(P_core/P_cu,fl)

Công suất xoay chiều và hệ số công suất

Công suất tác dụng: P = V·I·cos φ
Công suất phản kháng: Q = V·I·sin φ
Công suất biểu kiến: S = V·I = √(P² + Q²)
Hệ số công suất: pf = cos φ = P/S
Tụ điện bù: Q_C = P(tan φ₁ − tan φ₂), C = Q_C/(ωV²)

Tổng trở xoay chiều và phasor

Tổng trở: Z_R = R, Z_L = jωL, Z_C = 1/(jωC)
Tần số góc: ω = 2πf
Độ lớn và góc: |Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Định luật Ohm dạng phasor: V = I·Z

Phương pháp

Đổi tần số: ω = 2πf.
Tìm từng điện kháng: X_L = ωL và X_C = 1/(ωC).
Cộng các tổng trở như điện trở, với Z = R + jX.
Tìm độ lớn |Z| = √(R² + X²) và góc φ = atan(X/R), rồi dùng định luật Ohm với phasor.

Động cơ một chiều

Mạch phần ứng: V = E + I_aR_a
Sức điện động ngược và mômen: E = k·ω, T = k·I_a
Tốc độ: ω = 2π·n/60, ω = (V − I_aR_a)/k
Tốc độ không tải và mômen hãm: ω₀ = V/k, T_stall = k·V/R_a
Các công suất: P_in = V·I_a, P_dev = E·I_a = T·ω, P_out = P_dev − P_rot
Khởi động: I_start = V/(R_a + R_st)
Độ điều chỉnh tốc độ: SR = (n₀ − n_FL)/n_FL
Công suất phát triển cực đại: P_max = V²/(4R_a)
Truyền động bằng bộ băm xung: V_a = D·V_dc

Phương pháp

Vẽ mạch phần ứng: nguồn V, điện trở R_a và sức điện động ngược E mắc nối tiếp.
Dùng V = E + I_a·R_a để liên hệ điện áp, dòng điện và sức điện động ngược.
Dùng E = k·ω cho tốc độ và T = k·I_a cho mômen, với ω = 2π·n/60.
Với công suất và hiệu suất, bắt đầu từ V·I_a, trừ tổn thất đồng I_a²·R_a rồi đến các tổn thất quay.

2Bài tập

1.Công suất ba phaTrung bình

Một động cơ cảm ứng ba pha cho công suất cơ đầu ra 18,5 kW khi đầy tải. Ở tải này hiệu suất của nó là 95% và hệ số công suất là 0,84 trễ. Nguồn có điện áp dây 690 V. Tìm dòng điện dây I_L.

P_out = 18,5 kWη = 95%cos φ = 0,84V_L = 690 V

I_L = A

2.Công suất ba phaKhó

Một tải ba pha cân bằng lấy 200 kW với hệ số công suất 0,65 trễ từ nguồn 690 V (điện áp dây), 60 Hz. Một bộ tụ điện ba pha mắc song song với tải phải nâng hệ số công suất tổng lên 0,9 trễ. Công suất tác dụng giữ nguyên. Các tụ điện được nối sao (Y). Tìm điện dung C_ph của mỗi tụ theo µF.

P = 200 kWpf₁ = 0,65pf₂ = 0,9V_L = 690 Vf = 60 Hz

C_ph = µF

3.Máy biến ápTrung bình

Một máy biến áp lý tưởng có tỉ số vòng dây N₁:N₂ = 5:1 được đặt 600 V vào cuộn sơ cấp. Một điện trở 8 Ω được nối qua cuộn thứ cấp. Tìm dòng điện sơ cấp I₁.

N₁:N₂ = 5:1V₁ = 600 VR_L = 8 Ω

I₁ = A

4.Máy biến ápKhó

Một máy biến áp một pha 75 kVA có tổn thất lõi 375 W và tổn thất đồng 750 W ở tải định mức. Ở tải nào S_η,max, theo kVA, hiệu suất của nó cao nhất?

S = 75 kVAP_core = 375 WP_cu,fl = 750 W

S_η,max = kVA

5.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtTrung bình

Một tải có trở kháng Z = 12 + j5 Ω được nối với nguồn một pha 120 V (hiệu dụng). Tìm công suất biểu kiến S.

V = 120 VZ = 12 + j5 Ω

S = VA

6.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtKhó

Một máy biến áp một pha 10 kVA cấp cho một tải 6 kW với hệ số công suất 0,75 trễ pha. Có thể thêm bao nhiêu công suất thực ΔP dưới dạng tải điện trở (hệ số công suất bằng 1) trước khi máy biến áp đạt định mức kVA?

S_max = 10 kVAP₁ = 6 kWpf₁ = 0,75

ΔP = kW

7.Tổng trở xoay chiều và phasorTrung bình

Một mạch RLC nối tiếp với L = 50 mH phải cộng hưởng ở 2000 Hz. Tìm điện dung C cần thiết.

f₀ = 2000 HzL = 50 mH

C = µF

8.Tổng trở xoay chiều và phasorKhó

Một mạch RLC nối tiếp được nối với nguồn 230 V (hiệu dụng), 200 Hz. Tìm dòng điện hiệu dụng I.

V = 230 V (rms)f = 200 HzR = 25 ΩL = 20 mHC = 4,7 µF

I = A

9.Động cơ một chiềuTrung bình

Một động cơ một chiều cung cấp 7,5 kW công suất cơ ở 1500 rpm. Tìm mômen trên trục T.

P = 7,5 kWn = 1500 rpm

T = N·m

10.Động cơ một chiềuKhó

Một động cơ một chiều 24 V có điện trở phần ứng 0,25 Ω. Tìm điện trở khởi động nối tiếp R_st để giới hạn dòng khởi động ở 25 A.

V = 24 VR_a = 0,25 ΩI_max = 25 A

R_st = Ω

3Dung dịch

1.Công suất ba pha

Đáp số: I_L = 19,4 A

Công suất điện đầu vào

P_in = P_out/η = 18,5/0,95 = 19,47 kW

Dòng điện đường dây

I_L = P_in/(√3·V_L·cos φ) = 19474/(√3·690·0,84) = 19,4 A

Đáp số

I_L = 19,4 A

2.Công suất ba pha

Đáp số: C_ph = 763,1 µF

Hệ ba pha cân bằng: trong nối sao (Y), điện áp dây bằng √3 lần điện áp pha, V_L = √3·V_ph, và dòng điện dây bằng dòng điện pha. Trong nối tam giác (Δ), điện áp dây bằng điện áp pha và dòng điện dây bằng √3 lần dòng điện pha, I_L = √3·I_ph. Tổng công suất bằng ba lần công suất của một pha: P = 3·V_ph·I_ph·cos φ = √3·V_L·I_L·cos φ. Bù hệ số công suất: tụ điện cung cấp công suất phản kháng tại chỗ, Q_C = P·(tan φ₁ − tan φ₂). Mỗi tụ trong ba tụ cung cấp Q_C/3 = V²·ω·C, trong đó V là điện áp trên tụ đó: V_L trong bộ nối tam giác (Δ), V_L/√3 trong bộ nối sao (Y).

Công suất phản kháng trước và sau

Công suất tác dụng không đổi, nên mỗi hệ số công suất xác định công suất phản kháng: Q = P·tan φ.

Q₁ = 200·tan(acos 0,65) = 200·1,169 = 233,8 kvar

Q₂ = 200·tan(acos 0,9) = 200·0,4843 = 96,86 kvar

Công suất phản kháng từ các tụ điện

Q_C = Q₁ − Q₂ = 137 kvar

Điện dung mỗi pha

Trong bộ nối sao (Y), mỗi tụ được nối giữa một dây pha và điểm sao.

V = 690/√3 = 398,4 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s

C_ph = (Q_C/3)/(ω·V²) = 45654/(377·398,4²) = 763,1 µF

Đáp số

C_ph = 763,1 µF

3.Máy biến áp

Đáp số: I₁ = 3 A

Máy biến áp lý tưởng: điện áp tỉ lệ với số vòng dây và dòng điện theo tỉ lệ nghịch: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a và I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, nên công suất vào bằng công suất ra, V₁·I₁ = V₂·I₂. Một tổng trở tải Z ở thứ cấp trông như a²·Z khi nhìn từ sơ cấp.

Điện áp và dòng điện thứ cấp

V₂ = 600/5 = 120 V

I₂ = 120/8 = 15 A

Dòng điện sơ cấp

Máy biến áp lý tưởng không có tổn thất: V₁·I₁ = V₂·I₂.

I₁ = I₂/5 = 3 A

Đáp số

I₁ = 3 A

Kiểm tra: tải nhìn từ sơ cấp là a²·R_L = 200 Ω, và 600/200 cho cùng dòng điện.

4.Máy biến áp

Đáp số: S_η,max = 53,03 kVA

Tổn thất của máy biến áp: tổn thất lõi (từ trễ và dòng điện xoáy) phụ thuộc vào điện áp và như nhau ở mọi tải. Tổn thất đồng ở các cuộn dây tỉ lệ với bình phương dòng điện, nên ở một phần x của tải định mức nó là x²·P_cu,fl. Hiệu suất η = P_out/(P_out + P_core + P_cu), với P_out = x·S·pf. Hiệu suất cao nhất ở tải mà tổn thất đồng bằng tổn thất lõi.

Tổn thất đồng bằng tổn thất lõi

x²·750 = 375 → x = √(375/750) = 0,7071

Tải ở hiệu suất cực đại

S_η,max = x·S = 0,7071·75 = 53,03 kVA

Đáp số

S_η,max = 53,03 kVA

5.Công suất xoay chiều và hệ số công suất

Đáp số: S = 1108 VA

Công suất xoay chiều: công suất biểu kiến S = V·I (VA) tách thành công suất tác dụng P = S·cos φ (W), thực hiện công có ích, và công suất phản kháng Q = S·sin φ (var), dao động qua lại giữa nguồn và tải. Hệ số công suất là cos φ. Một tụ điện mắc song song cung cấp công suất phản kháng tại chỗ, nên dòng điện trên đường dây giảm với cùng công suất tác dụng.

Dòng điện

|Z| = √(12² + 5²) = 13 Ω

I = V/|Z| = 120/13 = 9,231 A

Công suất biểu kiến

S = V·I = 120·9,231 = 1108 VA

Đáp số

S = 1108 VA

6.Công suất xoay chiều và hệ số công suất

Đáp số: ΔP = 2,485 kW

Công suất phản kháng của tải hiện có

Q₁ = 6·tan(arccos 0,75) = 5,292 kvar

Tổng công suất thực lớn nhất

Ở định mức đầy đủ S = S_max, và Q không đổi do tải điện trở.

P = √(S_max² − Q₁²) = √(10² − 5,292²) = 8,485 kW

Công suất thực thêm vào

ΔP = 8,485 − 6 = 2,485 kW

Đáp số

ΔP = 2,485 kW

7.Tổng trở xoay chiều và phasor

Đáp số: C = 0,1267 µF

Mạch xoay chiều với phasor: điện trở, cuộn cảm và tụ điện có tổng trở lần lượt là R, jωL và 1/(jωC), với ω = 2πf. Khi nối tiếp, các tổng trở cộng như điện trở, nhưng là số phức. Dòng điện và điện áp hiệu dụng tuân theo định luật Ohm với |Z|.

Điều kiện cộng hưởng

Tại cộng hưởng, cảm kháng và dung kháng triệt tiêu nhau: ωL = 1/(ωC).

ω₀ = 2π·2000 = 12566 rad/s

C = 1/(ω₀²·L) = 1/(12566²·0,05) = 0,1267 µF

Đáp số

C = 0,1267 µF

8.Tổng trở xoay chiều và phasor

Đáp số: I = 1,572 A

Điện kháng

ω = 2πf = 2π·200 = 1257 rad/s

X_L = ωL = 1257·0,02 = 25,13 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(1257·4,7·10⁻⁶) = 169,3 Ω

Tổng trở

Khi nối tiếp, các tổng trở cộng như số phức: Z = R + j(X_L − X_C).

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(25² + (−144,2)²) = 146,3 Ω

Dòng điện

Cùng một dòng điện chạy qua mọi phần tử của mạch nối tiếp.

I = V/|Z| = 230/146,3 = 1,572 A

Đáp số

I = 1,572 A

9.Động cơ một chiều

Đáp số: T = 47,75 N·m

Động cơ một chiều: phần ứng là một điện trở R_a mắc nối tiếp với sức điện động ngược E, nên V = E + I_a·R_a. Sức điện động ngược tăng theo tốc độ, E = k·ω, và mômen tăng theo dòng điện, T = k·I_a, với cùng hằng số động cơ k (V·s/rad = N·m/A) trong hệ SI. Đổi tốc độ bằng ω = 2π·n/60. Công suất phát triển là E·I_a = T·ω; công suất vào là V·I_a, và tổn thất đồng I_a²R_a cùng tổn thất quay tạo nên chênh lệch. Tốc độ giảm theo đường thẳng với mômen, ω = V/k − R_a·T/k², từ tốc độ không tải V/k đến không tại mômen hãm k·V/R_a. Khi đứng yên E = 0, nên dòng khởi động V/R_a lớn trừ khi có điện trở hạn chế nó.

Tốc độ theo rad/s

ω = 2π·1500/60 = 157,1 rad/s

Mômen xoắn

T = P/ω = 7500/157,1 = 47,75 N·m

Đáp số

T = 47,75 N·m

10.Động cơ một chiều

Đáp số: R_st = 0,71 Ω

Tổng điện trở

R_a + R_st = 24/25 = 0,96 Ω

Điện trở khởi động

R_st = 0,96 − 0,25 = 0,71 Ω

Đáp số

R_st = 0,71 Ω

Điện trở được cắt ra từng bước khi động cơ tăng tốc và sức điện động ngược tăng.

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-systems