KY THUAT DIEN - CHUONG 1

Giáo trình kỹ thuật điện Chương Mạch điện chiều 1.1 Mạch điện phần tử mạch điện 1.1.1 Khái niệm mạch điện Mạch điện tập hợp thiết bị điện nối với dây dẫn thành vịng khép kín có dịng điện chạy qua Mạch điện bao gồm: nguồn điện, vật tiêu thụ điện (phụ tải) dây dẫn điện thiết bị đóng cắt, bảo vệ, đo lường… Hình vẽ để biểu diễn mạch điện ký hiệu theo tiêu chuẩn 9JIC, IEC, IEEE) gọi sơ đồ mạch điện Nguồn điện: thiết bị biến đổi dạng lượng khác thành lượng điện pin, ắc quy (năng lượng hóa học); máy phát điện chiều, máy phát điện gió (năng lượng học); pin mặt trời (năng lượng mặt trời- quang học)… a Ắc quy b Pin lượng mặt trời c Máy phát điện gió Hình 1.1: Một số hình ảnh nguồn điện Phụ tải (hay tải): thiết bị điện tiêu thụ điện biến đổi thành dạng lượng khác quang (đèn điện), (động điện), nhiệt (bếp điện) a Bóng đèn b Quạt trần Hình 1.2: Một số hình ảnh phụ tải Dây dẫn: dùng để dẫn dòng điện từ nguồn điện đến phụ tải c Động điện Giáo trình kỹ thuật điện Hình 1.3: Dây dẫn điện Các thiết bị đóng cắt, bảo vệ, đo lường: thiết bị đóng cắt: cầu dao, cơng tắc…; thiết bị bảo vệ: cầu chì, áp tơ mát (CB), rơ le bảo vệ…, thiết bị đo lường: vôn kế, ampe kế, watt kế, điện kế… Cầu dao Công tắc (a) Thiết bị đóng cắt CB Cầu chì (b) Thiết bị bảo vệ Ampe kế Volt kế Watt kế (c) Thiết bị đo lường Hình 1.4: Các thiết bị đóng cắt, bảo vệ, đo lường 1.1.2 Các phần tử mạch điện 1.1.2.1 Điện trở: Điện trở đại lượng đặc trưng cho khả cản trở dịng điện (là đại lượng tiêu thụ điện) Hình 1.5: Một số hình ảnh điện trở Ký hiệu R R (a) Ký hiệu theo tiêu chuẩn JIC (b) Ký hiệu theo tiêu chuẩn IEC Hình 1.6: Ký hiệu điện trở Giáo trình kỹ thuật điện Đơn vị tính Ohm (Ω) Công suất tiêu thụ: P = R.I2 (W, kW) Trong I dịng điện chạy qua điện trở, đơn vị tính Ampere (A, kA) 1.1.2.2 Cuộn dây Điện cảm L cuộn dây đặc trưng cho khả tạo nên từ trường Đơn vị điện cảm Henry (H, mH) Trong mạch điện chiều, cuộn dây xem dây dẫn a Cuộn cảm lõi ferit b Cuộn cảm lõi khơng khí Hình 1.7: Cuộn cảm Ký hiệu: Giáo trình kỹ thuật điện * L Hình 1.8: Ký hiệu cuộn dây Nếu cuộn dây có ký hiệu dấu * đầu cuộn dây 1.1.2.3 Tụ điện Tụ điện đặc trưng cho tượng tích phóng lượng điện trường Hình 1.9: Tụ điện Ký hiệu C C C + a) Tụ khơng cực tính b) Tụ có cực tính Hình 1.10: Ký hiệu tụ điện C điện dung tụ điện đơn vị Farad (F, μF, nF) 1.1.4.5 Nguồn điện áp Nguồn điện áp độc lập phần tử hai cực mà điện áp khơng phụ thuộc vào giá trị dịng điện cung cấp từ nguồn sức điện động nguồn Ngoài gọi sức điện động (điện áp lúc không tải) Ký hiệu: U U + - + - Hình 1.11: nguồn áp 1.1.4.6 Nguồn dịng điện Nguồn dòng độc lập phần tử hai cực mà dịng điện khơng phục thuộc vào giá trị điện áp hai cực nguồn I Hình 1.12: nguồn dịng độc lập 1.1.3 Kết cấu hình học mạch điện Nhánh: đoạn mạch gồm hai phần tử trở lên ghép nối tiếp nhau, có dịng điện chạy qua Nút: giao điểm ba nhánh trở lên Giáo trình kỹ thuật điện Vịng (mạch vịng): đường khép kín qua nhánh Ví dụ 1.1: Cho mạch điện hình vẽ Cho biết mạch điện bao gồm nhánh, nút, vòng? R1 I2 I1 A R2 I3 + U1 - R3 + U2 - B Hình 1.13: Ví dụ nhánh - nút - vòng Mạch điện gồm: nhánh:  Nhánh 1: gồm phần tử R1 mắc nối tiếp với nguồn U1  Nhánh 2: gồm phần tử R2 mắc nối tiếp nguồn U2  Nhánh 3: gồm phần tử R3 nút: A B vòng:  Vòng 1: qua nhánh (1, 3, 1)  Vòng 2: qua nhánh (2, 3, 2)  Vòng 3: qua nhánh (1, 2, 1) 1.1.4 Các đại lượng đặc trưng cho q trình lượng mạch điện 1.1.4.1 Dịng điện Dịng điện dịng điện tích chuyển dời có hướng tác dụng điện trường Qui ước: Chiều dòng điện hướng từ cực dương cực âm nguồn từ nơi có điện cao đến nơi có điện thấp Cường độ dịng điện I đại lượng đặc trưng cho độ lớn dòng điện Cường độ dịng điện tính lượng điện tích chạy qua tiết diện thẳng vật dẫn đơn vị thời gian I dq dt (1.1) Đơn vị dòng điện ampe (kA, A, mA) Bản chất dịng điện mơi trường : - Trong kim loại: : lớp nguyên tử kim loại có electron, chúng liên kết yếu với hạt nhân dễ bật thành electron tự Dưới tác dụng điện trường electron tự chuyển động có hướng tạo thành dịng điện Giáo trình kỹ thuật điện Dịng chuyển dời electron Hình 1.14: Dịng điện kim loại - Trong dung dịch: chất hòa tan nước phân ly thành ion dương tự ion âm tự Dưới tác dụng điện trường ion tự chuyển động có hướng tạo nên dịng điện Hình 1.15: Dịng điện dung dịch điện phân - Trong chất khí: có tác nhân bên ngồi (bức xạ lửa, nhiệt…) tác động, phần tử chất khí bị ion hố tạo thành ion tự Dưới tác dụng điện trường chúng chuyển động tạo thành dòng điện Hình 1.16 Dịng điện chất khí 1.1.4.2 Hiệu điện Có thể minh họa dịng điện dịng nước Dịng nước chảy từ nơi cao đến nơi thấp Tương tự dịng điện từ nơi có điện cao đến nơi có điện thấp Giáo trình kỹ thuật điện Thế cao Thế thấp Hình 1.17: Thế dòng thác Trong mạch điện, điểm có điện  định Hiệu điện hai điểm tính sau: I φA R φB UAB Hình 1.18: Hiệu điện hai điểm A, B U AB   A   B (1.2) Trong đó:  A : điện điểm A  B : điện điểm B U AB : hiệu điện A B Hiệu điện đại lượng đặc trưng cho khả tích lũy lượng dịng điện Đơn vị điện áp vôn (V) 1.1.4.2 Công suất Công suất đại lượng đặc trưng cho khả tiêu thụ điện phụ tải khả cung cấp điện nguồn điện Đơn vị công suất watt (W) P  U I (1.3) Trong đó: U: điện áp (V) I : dòng điện (A) 1.2 Các định luật mạch điện 1.2.1 Định luật Ohm Dòng điện tỉ lệ thuận với hiệu điện tỉ lệ nghịch với điện trở I + - Hình 1.19: Đoạn mạch dùng mơ tả định luật Ohm Giáo trình kỹ thuật điện I U R (1.4) 1.2.2 Định luật Kirchhoff (K1) Tổng đại số dòng điện nút  I 0 K (1.5) Nút IK dịng điện vào nút từ nút Quy ước: dòng điện vào nút lấy dấu dương, dòng điện từ nút lấy dấu âm Ví dụ 1.2: Cho nút A I1 A I3 I2 Hình 1.20: Ví dụ minh họa định luật Kirchhoff I1  I  I  (1.6) 1.2.3 Định luật Kirchhoff (K2) Tổng đại số điện áp rơi phần tử vịng kín U K 0 (1.7) Vòng Trong UK điện áp rơi triên phần tử vịng kín R1 - I1 + I2 - R2 + I3 + U1 - V1 + R3 - V2 + U2 - Hình 1.21: Ví dụ minh họa định luật Kirchhoff Chọn chiều vòng chiều kim đồng hồ ngược chiều kim đồng hồ Chiều vịng vào cực dương giá trị điện áp dương ngược lại Ví dụ 1.3: Cho mạch điện hình 1.17, Viết phương trình định luật Kirchhoff Giải: Chọn chiều dương cho mạch vòng hình vẽ: Định luật K2 cho vịng (V1): I1 R1  I R3  U1  Giáo trình kỹ thuật điện Định luật K2 cho vịng (V2):  I R2  I R3  U  1.3 Các phương pháp ghép nối nguồn điện Trong thực tế ta ghép nối nguồn điện chiều để tăng dung lượng đạt mức điện áp phù hợp với nhu cầu sử dụng Ghép nối tiếp nguồn điện dung lượng: cần điện áp chiều lớn điện áp nguồn điện riêng lẻ, ta ghép nối tiếp nguồn điện để đạt mức điện áp phù hợp với nhu cầu sử dụng + A I U1 U2 U3 +- +- +- B Hình 1.22: nguồn áp ghép nối tiếp UAB = U1 + U2 + U3 (1.8) Ví dụ 1.4: Ghép nối tiếp ắc quy có điện áp 12V thành nguồn điện có điện áp 36V để cung cấp cho phụ tải có điện áp 36V I Phụ tải + Ắc quy + Ắc quy + Ắc quy Hình 1.23: Ví dụ ghép nối tiếp ắc quy Ghép song song nguồn điện điện áp: cần tăng dung lượng, điện áp không đổi ta mắc song song nguồn điện chiều U1 I1 +A I U2 I2 +- B U3 I3 +Hình 1.24: nguồn áp ghép song song UAB = U1 = U2 = U3 (1.9) I = I1 +I2 + I3 (1.10) Ví dụ 1.5: Ghép song song ắc quy 12V dung lượng để cung cấp cho bóng đèn có điện áp định mức 12V tăng lần thời gian cấp nguồn thắp sáng cho đèn Giáo trình kỹ thuật điện I X + Ắc quy + Ắc quy + Ắc quy Hình 1.25: Ví dụ ghép song song ắc quy Ghép hỗn hợp nguồn điện: ta ghép hỗn hợp nguồn điện chiều để đạt thông số phù hợp điện áp dung lượng nguồn I1 A I I2 E1 E2 +- +- E3 E4 +- +- E5 E6 +- +- I3 B Hình 1.26: nguồn áp ghép hỗn hợp UAB = U1 + U2 = U3 + U4 = U5 + U6 (1.11) I = I1 +I2 + I3 (1.12) Ví dụ 1.6: Ghép hỗn hợp Ắc quy 12V dung lượng để tăng dung lượng điện áp nguồn cung cấp I + Ắc quy + Ắc quy + Ắc quy + Ắc quy + Ắc quy + Ắc quy Phụ tải Hình 1.27: Ví dụ ghép hỗn hợp ắc quy 1.4 Ứng dụng nguồn điện chiều 1.4.1 Tổng quan: - Nguồn điện chiều ứng dụng rộng rãi thực tế như: ăc quy dùng cho ô tô, xe máy, hệ thống lượng mặt trời,… - Pin lượng dùng cho điện thoại, thiết bị đo,… 10 Giáo trình kỹ thuật điện - Nguồn chiều dùng cho mạch điện tử - Nguồn chiều dùng để kích từ cho máy phát - Ứng dụng xi mạ kim loại, điện phân,… 1.4.2 Ứng dụng ắc quy: 1.4.2.1 Các loại ắc quy thông dụng Ắc quy axit Đây loại ắc quy a xít chì Dung dịch a xít Phía ắc quy đóng thêm đầu chụp bịt kín khơng cho axit ngồi Sau khoảng năm sử dụng dung dịch ắc quy cạn acquy khơng cịn khả tích điện trì dịng phóng Hình 1.28: Ăc quy a xít Ắc quy khơ Bên ắc quy khơng dùng a xít Sulfuric mà gel a xít Sản phẩm thiết kế đặc thù cho ngành hàng không, ngành Viễn thông, nơi cần ổn định cao Vì ưu điểm nên loại ắc quy thường có giá thành cao Hình 1.29: Ăc quy khô 1.4.2.2 Dung lượng ắc quy Dung lượng ắc quy số AH ghi nhãn ắc quy Thơng số nói lên khả phóng dịng điện ắc quy Ví dụ: Trên nhãn ắc quy có ghi 100AH Về lý thuyết, điều có nghĩa ắc quy phóng dịng điện 100A hết lượng Tuy nhiên thực tế, cho phép sử dụng tối đa khoảng 70-80% dung lượng để đảm bảo đặc tính tuổi thọ ắc quy Thời gian sử dụng ắc quy tính theo cơng thức: t = (A.V η)/P (1.13) Trong đó: t: thời gian sử dụng ắc quy (h) 11 Giáo trình kỹ thuật điện A: dung lượng ắc quy (Ah) V: điện áp ắc quy (V) P: công suất tải (W) η: hệ số sử dụng ắc quy Ví dụ 1.7: Một ắc quy 12V, dung lượng 100Ah, cấp nguồn cho phụ tải có cơng suất 100W Hỏi thời gian ắc quy cho thể cấp nguồn cho phụ tải vận hành liên tục chế độ định mức Biết hệ số sử dụng ắc quy 0,7 Thời gian sử dụng t = (12Vx 100Ah x 0,7) /100(W) = 8,4 = 24 phút 12 Giáo trình kỹ thuật điện Bài tập chương 1.1 Cho mạch điện hình vẽ: 2Ω I3 I1 R1 R3 I2 + 9V A R2 1,5Ω 3Ω a) Tính dịng điện nhánh? b) Tính hiệu điện hai đầu điện trở? c) Tính tổng cơng suất tiêu thụ điện trở? Đáp số: a) I1 = 3A, I2 = 1A, I3 = 2A b) UR1 = 6V, UR2 = 3V, UR3 = 3V c) P = 27W 1.2 Cho mạch điện hình vẽ: 1Ω I1 R1 + 9V A 2Ω I3 R3 I2 R2 + - 2Ω a) Tính dịng điện nhánh? b) Tính hiệu điện hai đầu điện trở? c) Tính tổng công suất tiêu thụ điện trở? Đáp số: a) I1 = 0,75A, I2 = 4,125A, I3 = 3,375A b) UR1 = 0,75V, UR2 = 8,25V, UR3 = 6,75V c) P = 57,375W 1.3 Cho mạch điện hình vẽ: 13 15V A Giáo trình kỹ thuật điện 3Ω I1 R1 1Ω I3 A R3 I2 R2 + 9V A 2Ω + 5V A B a) Tính dịng điện nhánh? b) Tính hiệu điện hai điểm AB? c) Tính tổng cơng suất tiêu thụ điện trở? Đáp số: a) I1 = 2A, I2 = 1A, I3 = 3A b) UAB = 3V c) P = 23W 1.4 Cho mạch điện hình vẽ: 3Ω I1 R1 + 12V A I3 A I2 R2 9Ω R3 3Ω + 3V A + 15V A B a) Tính I1, I2, I3? b) Tìm hiệu điện hai điểm AB? c) Tính tổng cơng suất tiêu thụ điện trở? Đáp số: a) I1 = 2A, I2 = 3A, I3 = 1A b) UR1 = 6V, UR2 = 9V, UR3 = 9V 1.5 Một ắc quy 12V, 9AH cấp nguồn cho đèn 12V- 3W Hệ số sử dụng ắc quy 0,7 a) Hãy tính dịng điện chạy dây dẫn cấp nguồn cho đèn? b) Tính thời gian sử dụng ắc quy với tải đèn trên? c) Hãy tính thời gian nạp cho ắc quy ắc quy xả 70% dòng nạp lựa chọn 1A? Bỏ qua hiệu suất sạc ắc quy Đáp số: a) I = 0,25A b) 25,2 = 25 12 phút c) 6,3 = 18 phút 14 Giáo trình kỹ thuật điện 1.6 Một bình ắc quy 12V cấp nguồn cho đèn dây tóc 6V – 3W a) Hãy vẽ sơ đồ nối dây đèn với ắc quy để đèn sáng bình thường? b) Tính dịng điện chạy dây dẫn cấp nguồn cho đèn? Đáp số: a) Sinh viên tự vẽ b) I = 0,5A 1.7 Cho hai bình ắc quy, bình có thơng số sau: 12V, 80Ah Hãy vẽ sơ đồ kết nối hai bình ắc quy để cấp nguồn cho động DC 100W-12V Nếu động vận hành định mức thời gian cấp nguồn cho động hệ thống ắc quy bao lâu? Biết hệ số sử dụng ăc quy 0,7 Bỏ qua lượng tiêu thụ khởi động động Đáp số: Hình vẽ: sinh viên tự vẽ t = 13,44 1.8 Một quạt sử dụng điện chiều có cơng suất 10W, điện áp định mức 12V Hãy chọn ắc quy phù hợp để cấp nguồn cho quạt Biết quạt hoạt động trung bình 10 giờ/ 24 sau 48 ắc quy nạp lần Đáp số: 24AH 1.9 Một acquy có cung cấp dịng điện 5A liên tục phải nạp lại Tính cường độ dịng điện mà acquy cung cấp liên tục thời gian 12 phải nạp lại Đáp số: 15A 1.10 Một acquy có suất điện động 12V, cung cấp dịng điện 2A liên tục phải nạp lại Biết hệ số sử dụng ắc quy 0,7 Tính dung lượng acquy Đáp số: 20AH 1.11 Hai bóng đèn điện áp chiều có ghi (6V-3W) (6V-6W) mắc hai bóng đèn nối tiếp với vào hiệu điện 12V khơng Vì sao? Đáp số: Sinh viên tự giải thích 1.12 Bóng đèn có ghi 220V-100W bóng đèn có ghi 220V-25W Mắc song song hai bóng đèn vào điện 220V a) Nêu ý nghĩa ghi đèn Tính điện trở R1 R2 đèn b) Tính cường độ dịng điện qua đèn Đáp số: 15A a) 0,35A b) 0,11A 15 ... 1. 1: Cho mạch điện hình vẽ Cho biết mạch điện bao gồm nhánh, nút, vòng? R1 I2 I1 A R2 I3 + U1 - R3 + U2 - B Hình 1. 13: Ví dụ nhánh - nút - vịng Mạch điện gồm: nhánh:  Nhánh 1: gồm phần tử R1... U + - + - Hình 1. 11: nguồn áp 1. 1.4.6 Nguồn dòng điện Nguồn dòng độc lập phần tử hai cực mà dòng điện khơng phục thuộc vào giá trị điện áp hai cực nguồn I Hình 1. 12: nguồn dịng độc lập 1. 1.3... Kirchhoff I1  I  I  (1. 6) 1. 2.3 Định luật Kirchhoff (K2) Tổng đại số điện áp rơi phần tử vịng kín U K 0 (1. 7) Vịng Trong UK điện áp rơi triên phần tử vòng kín R1 - I1 + I2 - R2 + I3 + U1 - V1 +