Bài 3. Mạch điện xoay chiều ba pha

I. KHÁI NIỆM VÀ NGUYÊN LÍ TẠO RA DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA

1. Khái niệm dòng điện xoay chiều một pha hình sin

- Dòng điện xoay chiều một pha hình sin là dòng điện biến thiên tuần hoàn theo dạng hình sin.

- Biểu thức: i = I_m sin(ωt+ψ) = \(\sqrt{2}\)I sin(ωt+ψ):

+ i là giá trị tức thời của dòng điện.$$

$$+ I_m là giá trị dòng điện cực đại (A).

+ ω là tốc độ góc của dòng điện (rad/s).

+ ψ là góc pha ban đầu của dòng điện (rad).

- \(I=\dfrac{I_m}{\sqrt{2}}\) là giá trị dòng điện hiệu dụng (A).

- \(T=\dfrac{2\pi}{\omega}\) là chu kì của dòng điện (s).

- \(f=\dfrac{1}{T}\) là tần số của dòng điện (Hz).

2. Khái niệm dòng điện xoay chiều ba pha

- Dòng điện xoay chiều ba pha sinh ra trong mạch điện ba pha gồm:

+ Nguồn ba pha.

+ Tải ba pha.

+ Dây ba pha.

- Dòng điện xoay chiều ba pha được sử dụng rộng rãi trong sản xuất và đời sống.

3. Nguyên lí tạo ra dòng điện xoay chiều ba pha

* Sử dụng nguồn điện xoay chiều ba pha được tạo ra từ máy phát điện ba pha.

* Phần tĩnh (stator): lõi thép có rãnh, đặt 3 cuộn dây AX, BY, CZ có cùng:

- Số vòng.

- Kích thước dây.

- Lệch nhau 120°.

=> Mỗi cuộn dây được gọi là một pha: cuộn dây AX, BY, CZ tương ứng với pha A, B, C của máy phát điện.

* Phần quay (rotor): nam châm điện, khi quay sẽ tạo ra từ thông biến thiên.

- Khi nam châm quay với \(\omega\) không đổi, trong cuộn dây mỗi pha xuất hiện sức điện động xoay chiều một pha.

- Do cuộn dây có cùng thông số và đặt lệch nhau một góc 120° nên sức điện động trên các pha A, B, C là e_A, e_B, e_C.

+ Bằng nhau về biên độ và tần số.

+ Pha lệch nhau một góc \(\dfrac{2\pi}{3}\) rad.

=> Gọi là nguồn ba pha đối xứng.

e_A = E_m sin(ωt)

\(e_B=E_msin\left(\omega t-\dfrac{2\pi}{3}\right)\)

\(e_C=E_msin\left(\omega t+\dfrac{2\pi}{3}\right)\)

II. CÁCH NỐI NGUỒN VÀ TẢI BA PHA

1. Nối nguồn điện ba pha

a. Nối hình sao

- Điểm cuối cuộn dây của các pha X, Y và Z được nối với nhau tại O gọi là điểm trung tính của nguồn.

- Điểm đầu A, B và C của các cuộn dây được nối với đường dây truyền tải điện.

- Nguồn ba pha được nối hình sao (Y) có hai loại:

+ Không có dây trung tính.

+ Có dây trung tính.

b. Nối hình tam giác

Điểm cuối của cuộn dây này được nối với điểm đầu của cuộn dây pha kia.

2. Nối tải điện ba pha

a. Nối hình sao

- Tải điện ba pha được nối hình sao không có dây trung tính, có dây trung tính.

- Tổng trở các pha của tải điện là Z_A, Z_B, Z_C.

- O' được gọi là điểm trung tính của tải.

- Tải điện ba pha nối hình sao đối xứng khi Z_A = Z_B = Z_C.

b. Nối hình tam giác

- Tải ba pha được nối theo hình sao hoặc tam giác.

- Tổng trở các pha của tải điện là Z_AB, Z_BC và Z_CA.

- Tải điện ba pha nối hình tam giác đối xứng khí: Z_AB = Z_BC = Z_CA.

3. Nối nguồn ba pha với tải điện ba pha

- Có 4 cách nối nguồn ba pha với tải điện ba pha:

- Phân loại các cách nối giữa nguồn ba pha và tải điện ba pha:

+ Mạch ba pha ba dây: chỉ có ba dây A - A, B - B và C - C. Các dây này gọi là dây pha.

+ Mạch ba pha bốn dây: ngoài ba dây pha còn có đường dây O - O' gọi là dây trung tính.

+ Mạch ba pha bốn dây chỉ có khi nguồn và tải điện đều nối hình sao và có dây trung tính.

- Mạch điện xoay chiều ba pha đối xứng khi:

+ Nguồn đối xứng.

+ Đường dây đối xứng (tổng trở các đường dây bằng nhau).

+ Tải điện đối xứng (tổng trở các pha của tải điện bằng nhau).

III. QUAN HỆ GIÁ TRỊ HIỆU DỤNG CỦA CÁC ĐẠI LƯỢNG DÂY VÀ PHA TRONG MẠCH ĐIỆN BA PHA ĐỐI XỨNG

- Trong mạch điện ba pha đối xứng:

+ Nguồn và dây luôn đối xứng.

=> Chỉ xét quan hệ giá trị hiệu dụng của các đại lượng dây và pha ở tải điện.

- Dòng điện hiệu dụng trên các dây pha gọi là dòng điện dây I_d.

- Điện áp hiệu dụng giữa hai dây pha gọi là điện áp dây U_d.

- Điện áp hiệu dụng trên các tải điện mỗi pha gọi là điện áp pha U_p. 

- Dòng điện hiệu dụng chạy qua các tải điện mỗi pha gọi là dòng điện pha I_p.

- Tổng trở các pha của tải điện bằng nhau được kí hiệu là Z_t.

- Tổng trở Z_t đặc trưng bởi độ lớn z_t và góc pha \(\varphi\):

\(z_t=\sqrt{R^2+X^2}\)

\(tan\varphi=\dfrac{X}{R}\)

- Trong đó:

+ R là điện trở của tải điện (\(\Omega\)).

+ X là điện kháng của tải điện  (\(\Omega\)).

+ L là trị số điện cảm (H).

+ C là trị số điện dung (F).

X = X_L - X_C

\(X_L=\omega L=2\pi fL\)

\(X_C=\dfrac{1}{\omega C}=\dfrac{1}{2\pi fC}\)

1. Tải điện nối hình sao có dây trung tính

Với tải điện ba pha có dây trung tính nối hình sao, quan hệ giá trị hiệu dụng của các đại lượng dây và pha:

I_d = I_p

\(U_d=\sqrt{3}U_p\)

2. Tải điện nối hình tam giác

Với tải điện ba pha đối xứng nối hình tam giác, qua hệ giá trị hiệu dụng của các đại lượng dây và pha:

U_d = U_p

\(I_d=\sqrt{3}I_p\)