Giáo trình Mạch điện (Nghề Điện công nghiệp CĐTC)

UỶ BAN NHÂN DÂN TỈNH ĐỒNG THÁP TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ ĐỒNG THÁP GIÁO TRÌNH MƠN HỌC/MƠ ĐUN: MẠCH ĐIỆN NGÀNH, NGHỀ: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG, TRUNG CẤP (Ban hành kèm theo Quyết định Số: 257 /QĐ-TCĐN-ĐT ngày 13 tháng năm 2017 Hiệu trưởng Trường Cao đẳng nghề Đồng Tháp) Đồng Tháp, năm 2017 LỜI NĨI ĐẦU Nhằm mục đích hỗ trợ cho việc dạy học môn chuyên ngành kỹ thuật trường Cao Đẳng Nghề Đồng Tháp, đồng thời giúp sinh viên – học sinh tự nghiên cứu, vận dụng, hệ thống hóa kiến thức tự kiểm tra, đánh giá kiến thức học Trường Cao Đẳng Nghề Đồng Tháp tổ chức biên soạn giáo trình “Mạch điện” Nội dung giáo trình biên soạn theo chương trình khung trình độ cao đẳng nghề Bộ Lao Động Thương Binh Xã Hội kết hợp với nội dung nhằm đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng đào tạo phục vụ nghiệp cơng nghiệp hóa, đại hóa Tuy tác giả có nhiều cố gắng q trình biên soạn, giáo trình chắn khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận góp ý, bổ sung quý độc giả đồng nghiệp để giáo trình có chất lượng tốt TP HCM, ngày 30 tháng 09 năm 2017 Người biên soạn Chương I: Các khái niệm mạch điện CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN Mạch điện mơ hình 1.1 Mạch điện Mạch điện: hệ gồm thiết bị điện, điện tử ghép lại thành vòng kín códòng điện, xảy trình truyền đạt, biến đổi nă ng lượng,… Mỗi phần tử mạch thực chức xác định gọi phần tử mạch điện Có loại phần tử nguồn phụ tải Nguồn điện: thiết bị tạo điện Về nguyên lý, nguồn điện thiết bị biến đổi dạng lượng năng, hóa năng, nhiệt năng,… thành điện Ví dụ: Máy phát điện, ắc quy, pin mặt trời … Phụ tải: thiết bị tiêu thụ lượng biến đổi điện thành dạng lượng khác năng, nhiệt năng, quang năng, … Ví dụ: động điện, bếp điện, đèn điện… - Cực phần tử điện đầu Phần tử cực, cực, cực, … - Trên cực phần tử có dòng điện, điện áp công suất 1.2 Các tượng điện từ Các tượng điện từ thiết bị điện gồm nhiều như: tiêu tán, phóng thích, tạo sóng, tạo xung, phát năng, khuếch đại, chỉnh lưu… Tuy nhiên, xét thực tiễn phân tích q trình trao đổi lượng thành nhóm tượng sau đây: - Hiện tượng tiêu tán lượng ứng với vùng tiêu tán vùng biến lượng điện từ thành dạng lượng khác như: năng, nhiệt năng… (tức vùng tiêu thụ lượng trường điện từ) - Hiện tượng phát ứng với vùng (nguồn) phát vùng biến dạng lượng khác thành lượng điện từ - Hiện tượng tích phóng lượng điện trường vùng lượng điện từ tập trung vào vùng điện trường không gian cực tụ Chương I: Các khái niệm mạch điện điện, cuộn dây… 1.3 Mơ hình mạch điện Mô hình mạch dùng lý thuyết mạch điện, xây dựng từ phần tử mạch lý tưởng sau đây: 1.3.1 Phần tử điện trở R: Là phần tử đặt trưng cho tượng tiêu tán lượng điện từ Công suất tiêu tán P = RI - Ký hiệu phần tử điện trở R (hình 1-1) - Với quan hệ u = Ri(V) - Đơn vị điện trở R Ohm[  ] 1.3.2 Phần tử điện cảm L: phần tử đặt trưng cho tượng tích phóng lượng từ trường - Năng lượng từ trường: W  1/ 2* Li - Ký hiệu phần tử điện cảm L (hình 1-2) - L thông số mạch điện đặc trưng cho tượng phong tích lượng trường từ, gọi điện cảm - Đơn vị điện cảm L Henry [H] 1.3.4 Phần tử điện dung C: phần tử đặt trưng cho tượng tích phóng lượng điện trường Ký hiệu phần tử điện dung C(hình 1-3) Năng lượng điện trường: W  1/ 2* CU - Đơn vị điện dung C Fara [F] 1.3.5 Phần tử nguồn độc lập: Là phần tử đặt trưng cho tượng nguồn, phần tử nguồn gồm hai loại: Phần tử nguồn áp e(t) - Ký hiệu phần tử nguồn áp (hình 1-4) - Với quan hệ u(t) = e(t), e(t) không phụ thuộc dòng điện i(t) chảy qua phần tử gọi sức điện ñoäng Chương I: Các khái niệm mạch điện Phần tử nguồn dòng j(t) - Ký hiệu phần tử nguồn dòng (hình 1-5) - Với quan hệ i(t) = j(t), j(t) không phụ thuộc điện áp u(t) đặt cực phần tử - e(t) j(t) hai thông số mạch điện đặt trưng cho tượng nguồn, có khả phát nguồn 1.3.6 Phần tử nguồn phụ thuộc: phần tử nguồn mà chúng phụ thuộc vào dòng điện hay điện áp mạch Phần tử nguồn áp phụ thuộc áp: (hình 1-6a) (VCVS – Voltage Controlled Voltage source) - Nguồn áp u2 phụ thuộc vào u1 mạch - Với u2 =  u1;  : không thứ nguyên Phần tử nguồn áp phụ thuộc dòng: (hình 1-6b) (CCVS – Current Controlled Voltage source) - Nguồn áp u2 phụ thuộc vào dòng i1của mạch - Với u2 = r.i1; r: thứ nguyên  (Ohm) Phần tử nguồn dòng phụ thuộc áp: (hình 1-6c) (VCCS – Voltage Controlled Current source) - Phần tử nguồn dòng phụ thuộc phát dòng điện i2 phụ thuộc vào điện áp u1 theo hệ thức Nguồn dòng i2 phụ thuộc vào u1 mạch - Với i2=gu1 : g thứ nguyên S(Siemen) hay  1 Phần tử nguồn dòng phụ thuộc dòng:(hình1-6d) (CCVS – Current Controlled Current source) - Nguồn dòng i2 phụ thuộc vào dòng i1 maïch Chương I: Các khái niệm mạch điện - Với i2 =  i1:  không thứ nguyên Các khái niệm mạch điện 2.1 Cường độ dịng điện  Dòng điện: dòng điện tích dịch chuyển có hướng  Chiều dòng điện chiều chuyển động dòng điện tích dương  Cường độ dòng điện: (gọi tắt dòng điện) lượng điện tích chuyển qua bề mặt (tiết diện ngang dây dẫn) đơn vị thời gian  Đơn vị cường độ dòng điện Ampere (A)  Ký hiệu: i  Trong tính toán i đại lượng đại số kèm theo chiều dương qui ước  Sau giải: o Nếu i dương: Chiều thực dòng điện trùng với chiều dương qui ước o Nếu i âm: Chiều ngược lại Ví dụ: Dòng điện chiều (DC) Dòng điện xoay chiều (AC) 2.2 Điện áp  Là công sinh đơn vị điện tích dương dịch chuyển từ A đến B  Với UAB = ϕA - ϕB; ϕA ϕB điện điểm A B  Đơn vị : Volt (V)  Ký hiệu : U Chương I: Các khái niệm mạch điện Trong tính toán điện áp U lượng đại số theo chiều xác định, ví dụ UAB Khi UAB > A cao B UAB < B cao A Ví dụ: Điện áp chiều (DC) Điện áp xoay chiều (AC) 2.3 Cơng suất: Ký hiệu (P) Trong mạch điện, nhánh, phần tử nhận lượng phát lượng Khi chọn chiều dòng điện điện áp nhánh trùng nhau, sau tính toán công suất P nhánh ta có kết luận sau trình lượng nhánh Ở thời điểm nếu:  P = ui > 0: (Nhánh nhận lượng)  P = ui < 0: (Nhánh phát lượng) Khi dòng điện có đơn vị A (ampe) điện áp có đơn vị V (vôn) đơn vị công suất W (Oát) Ví dụ: Cơng suất chiều Công suất xoay chiều Các phép biến đổi tương đương 3.1 Biến đổi điện trở Chương I: Các khái niệm mạch điện - Điện trở ghép nối tiếp - Điện trở ghép song song 3.2 Biến đổi nguồn - Các nguồn áp nối tiếp A B Chương I: Các khái niệm mạch điện Chọn chiều dương chiều từ A đến B nên E1, E3 mang dấu “dương” (vì có chiều với chiều dương chọn) E2 có dấu “âm” (vì có chiều ngược với chiều dương chọn) Nếu chọn chiều “dương” chiều ngược lại từ B đến A dấu E1, E3 E2 ngược lại - Các nguồn dòng song song Do mạch tương đương sau biến đổi chọn chiều dòng điện chiều hướng lên chiều với J1 J3 nên J1 J3 có dấu “dương” Ngược lại J2 có dấu “âm” 3.3 Phép biến đổi - tam giác Chương VI: Mạng hai cửa - Mạch khuếch đại op-amp CHƯƠNG VI: MẠNG HAI CỬA MẠCH KHUẾCH ĐẠI OP-AMP Mạng hai cửa 1.1 Khái niệm mạng hai cửa Mạng hai cửa mạch điện trao đổi lượng, tín hiệu điện từ với bên qua hai cửa Mỗi cửa cặp cực lượng, tín hiệu đưa vào lấy Mạng hai cửa phần mạch điện lại tách nhánh để khảo sát phụ thuộc dòng áp nhánh 1.2 Các dạng phương trình trạng thái mạng hai cửa Phương trình mạng hai cửa phương trình phụ thuộc dòng áp I1,U1 cửa 11’và I2,U2 cửa 22’ tùy thuộc cách chọn hàm biến phương trình nhận được6 dạng phương trình trạng thái mạng cửa 1.2.1 Hệ phương trình trạng thái dạng Z 59 Chương VI: Mạng hai cửa - Mạch khuếch đại op-amp Biểu diễn U1 , U theo I1 , I U1  Z11 I  Z12 I U  Z 21 I  Z 22 I Theo dạng ma trận:     U    Z I1      U  I  Với Z Z   11  Z 21 Z12  Z 22  Chiều U1 , U , I1 , I hình chiều dương Z11 , Z12 , Z 21 , Z 22 không phụ thuộc dòng, áp mà phụ thuộc vào kết cấu thông số phần tử Trở kháng vào cửa 1, cửa hở mạch: Z11  U1 I1 I 0 Trở kháng cửa tương hỗ cửa cửa 2, cửa hở mạch: Z12  U1 I2 I 0 Trở kháng cửa tương hỗ cửa cửa 1, cửa hở mạch: Z 21  U2 I1 I 0 Trở kháng vào cửa 2, cửa hở mạch: Z 22  U2 I2 I 0 60 Chương VI: Mạng hai cửa - Mạch khuếch đại op-amp 1.2.2 Hệ phương trình trạng thái dạng Y Biểu diễn U1 , U theo I1 , I I1  Y11 U  Y12 U I  Y21 U  Y22 U Theo dạng ma trận:     I    Y U      I  U  Với Y Y   11 Y21 Y12  Y22   Z  Z3 Z3  Y Z  ( Z1  Z3 )( Z  Z3 )  Z32   Z3 Z1  Z3  1 Nếu Z1  Z  khơng tồn ma trận Y Chiều U1 , U , I1 , I hình chiều dương Y11 , Y12 , Y21 , Y22 khơng phụ thuộc dịng, áp mà phụ thuộc vào kết cấu thông số phần tử Dẫn nạp vào cửa 1, cửa hở mạch (S), (  1 ): Y11  I1 U1 U 0 Dẫn nạp cửa tương hỗ cửa cửa 2, cửa hở mạch (S), (  1 ): 61 Chương VI: Mạng hai cửa - Mạch khuếch đại op-amp I1 Y12  U2 U 0 Dẫn nạp cửa tương hỗ cửa cửa 1, cửa hở mạch (S), (  1 ): Y21  I2 U1 U 0 Dẫn nạp vào cửa 2, cửa hở mạch (S), (  1 ): I2 Y22  U2 U 0 1.2.3 Hệ phương trình trạng thái dạng H Biểu diễn U1 , U theo I1 , I U1  H11 I  H12 U I  H 21 I  H 22 U Theo dạng ma trận:   U   H   I    I1    U  Với H H   11  H 21 Chiều U1 , U , I1 , I hình chiều dương 62 H12  H 22  Chương VI: Mạng hai cửa - Mạch khuếch đại op-amp H11 , H12 , H 21 , H 22 : đặc trưng cho mạng hai cửa, không phụ thuộc dòng, áp mà phụ thuộc vào kết cấu thông số phần tử Trở kháng vào cửa 1, cửa ngắn mạch (  ): H11  U1 I1 U 0 Hàm truyền đạt áp từ cửa đến cửa 1, cửa hở mạch: H12  U1 U2 I 0 Hàm truyền đạt dòng từ cửa đến cửa 2, cửa ngắn mạch: H 21  I2 I1 U 0 Dẫn nạp vào cửa 2, cửa hở mạch (S), (  1 ): : H 22  I2 U2 I 0 1.2.4 Hệ phương trình trạng thái dạng G 63 Chương VI: Mạng hai cửa - Mạch khuếch đại op-amp Biểu diễn U1 , U theo I1 , I I1  G11 U  G12 I I  G21 U  G22 I Theo dạng ma trận:     I    G U      U  I  Với G G   11 G21 G12  G22  G  H 1 (det[ H ]  0) H  G 1 (det[G ]  0) Chiều U1 , U , I1 , I hình chiều dương G11 , G12 , G21 , G22 : thông số G, đặc trưng cho mạng hai cửa, khơng phụ thuộc dịng, áp mà phụ thuộc vào kết cấu thông số phần tử Dẫn nạp vào cửa 1, cửa hở mạch (S), (  1 ): G11  I1 U1 I 0 Hàm truyền đạt dòng từ cửa đến cửa 1, cửa ngắn mạch: G12  I1 I2 U 0 Hàm truyền đạt dòng từ cửa đến cửa 2, cửa hở mạch: G21  U2 U1 I 0 Trở kháng vào cửa 2, cửa ngắn mạch (  ): 64 Chương VI: Mạng hai cửa - Mạch khuếch đại op-amp U2 G22  I2 U 0 1.2.5 Hệ phương trình trạng thái dạng A Biểu diễn U1 , U theo I1 , I U1  A11 U  A12 I I1  A21 U  A22 I Theo dạng ma trận:     U   A U      I    I  Với A A   11  A21 A12  A22  Chiều U1 , U , I1 , I hình chiều dương A11 , A12 , A21 , A22 : thông số A (thông số truyền đạt), đặc trưng cho mạng hai cửa, khơng phụ thuộc dịng, áp mà phụ thuộc vào kết cấu thông số phần tử A11  U1  U2 I 0 G21 Không thứ nguyên A12  U1   I2 U 0 Y21 Đơn vị đo  65 Chương VI: Mạng hai cửa - Mạch khuếch đại op-amp A21  I1 Z 21  U2 I 0 Đơn vị đo (S), (  1 ) A22  I1   I2 U 0 H 21 Không thứ nguyên 1.2.6 Hệ phương trình trạng thái dạng B Biểu diễn U1 , U theo I1 , I U  B11 U  B12 I I  B21 U  B22 I Theo dạng ma trận:     U    B U      I    I  Với B B   11  B21 B12  B22  Lưu ý: [B] nghịch đảo [A] Chiều U1 , U , I1 , I hình chiều dương B11 , B12 , B21 , B22 : thông số B (thông số truyền đạt ngược), đặc trưng cho mạng hai cửa, khơng phụ thuộc dịng, áp mà phụ thuộc vào kết cấu thông số phần tử 66 Chương VI: Mạng hai cửa - Mạch khuếch đại op-amp B11  U2  U1 I 0 H12 Không thứ nguyên B12  U2   I1 U 0 Y12 Đơn vị đo  B21  I2  U1 I 0 Z12 Đơn vị đo (S), (  1 ) B22  I2   I1 U 0 G12 Không thứ nguyên Mạng khuếch đại Op-amp 2.1 Khái niệm sơ đồ tương đương Trong chương này, ta khảo sát op-amp trạng thái lý tưởng Sau đặc tính op-amp lý tưởng:  Ðộ lợi vịng hở A (open loop gain) vô cực  Băng tần rộng từ 0Hz đến vô cực  Tổng trở vào vô cực  Tổng trở  Các hệ số λ vô cực  Khi ngõ vào volt, ngõ volt Ðương nhiên op-amp thực tế đạt trạng thái lý tưởng 67 Chương VI: Mạng hai cửa - Mạch khuếch đại op-amp Ký hiệu V0 + A(V1  V2 ) - Mạch tương đương Từ đặc tính ta thấy: A v0  v1  v2 Nên v0 xác định chưa bão hịa v1 = v2  Zi→ ∞ Ω nên khơng có dịng điện chạy vào op-amp từ ngõ vào  Z0→ Ω nên ngõ v0 khơng bị ảnh hưởng mắc tải  Vì A lớn nên phải dùng op-amp với hồi tiếp âm Với hồi tiếp âm, ta có hai dạng mạch khuếch đại sau: 2.1.1 Mạch khuếch đại đảo: (Inverting Amplifier) Dạng mạch bản: 68 Chương VI: Mạng hai cửa - Mạch khuếch đại op-amp Do Op-amp lý tưởng nên: v1=v2=0 ii  i f  vi v  Zi Zf Suy độ lợi điện mạch: Av  Zf v0  vi Zi Nhận xét:  Khi Zf Zi điện trở v0 vi lệch pha 180 (nên gọi mạch khuếch đại đảo ngõ vào ( - ) gọi ngõ vào đảo)  Zf đóng vai trị mạch hồi tiếp âm Zf lớn (hồi tiếp âm nhỏ) độ khuếch đại mạch lớn  Khi Zf Zi điện trở op-amp có tính khuếch đại điện chiều 2.1.2 Mạch khuếch đại không đảo: (Non_inverting Amplifier) Sơ đồ mạch: Ta có: v1 = v2 = vi Và i f = ii if  ii  v0  v2 Zf v v v2 v   Zi Zf Zi 69 Chương VI: Mạng hai cửa - Mạch khuếch đại op-amp Suy ra: Av  Zf v0  1 vi Zi Nhận xét:  Zf, Zi có dạng  v0 vi có dạng  Khi Zf, Zi điện trở ngõ v0 có pha với ngõ vào vi (nên  mạch gọi mạch khuếch đại không đảo ngõ vào ( + ) gọi ngõ vào khơng đảo)  Zf đóng vai trò hồi tiếp âm Ðể tăng độ khuếch đại A V, ta tăng  Zf giảm Zi  Mạch khuếch đại tín hiệu chiều Zf Zi điện trở Mạch  giữ ngun tính chất khơng đảo có cơng thức với trường hợp tín hiệu xoay chiều 2.1.3 Mạch khuếch đại đệm Khi Zf = Ta có: AV =  v0 = vi Zi = ∞ Ta có AV=1 v0=vi Lúc mạch gọi mạch “voltage follower” thường dùng làm mạch đệm (buffer) có tổng trở vào lớn tổng trở nhỏ mạch cực thu chung BJT 70 PHỤ LỤC Trang Chương 1: Khái niệm mạch điện 1 Mạch điện mơ hình Các khái niệm mạch điện Các phép biến đổi tương đương Chương 2: Mạch điện chiều 10 Khái niệm mạch điện chiều 10 Các định luật 11 Các phương pháp giải mạch điện chiều 15 Chương 3: Dòng điện xoay chiều hình sin 23 Khái niêm dịng điện xoay chiều hình sin 23 Giải mạch điện xoay chiều không phân nhánh 26 Giải mạch điện xoay chiều phân nhánh 30 Chương 4: Mạng ba pha 40 Khái niệm chung 40 Sơ đồ đấu dây mạng ba pha 42 Công suất mạng ba pha cân 46 Phương pháp giải mạng ba pha cân 47 Chương 5: Giải mạch điện nâng cao 51 Mạng ba pha bất đối xứng 51 Giải mạng ba pha có nhiều nguồn tác động 55 Giải mạng có thơng số nguồn phụ thuộc 57 Chương 6: Mạng hai cửa – Mạng khuếch đại Op-amp 59 Mạng hai cửa 59 Mạng khuếch đại Op-amp 67 Tài liệu tham khảo 71 Giáo Trình Mạch Điện TÀI LIỆU THAM KHẢO PGS.TS Đặng Văn Đào – PGS.TS Lê Văn Doanh, Giáo trình Kỹ Thuật Điện, NXB Giáo dục, 2004 Hoàng Hữu Thận, Cơ sở Kỹ Thuật Điện, NXB Giao Thông Vận Tải, 2000 PGS.TS Đặng Văn Đào – PGS.TS Lê Văn Doanh, Bài tập Kỹ Thuật Điện, NXB Giáo dục, 2006 82 ... Các khái niệm mạch điện CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN Mạch điện mơ hình 1.1 Mạch điện Mạch điện: hệ gồm thiết bị điện, điện tử ghép lại thành vòng kín códòng điện, xảy trình truyền... II: Mạch điện chiều Viết phương trình sau: Số phương trình K1 (n-1)= Số phương trình K2 (m-n+1)= Viết phương trình K1 cho nút A, B C i1 - i2 - i6 = i2 + i3 + i4 = i6 - i5 - i4 = Vieát phương trình. .. thấp Chiều điện áp qui ước chiều có điện cao đến chiều có điện Điện áp hai cực nguồn điện hở mạch ngồi (dịng điện I=0) gọi sức điện động E 10 Chương II: Mạch điện chiều 1.3 Công suất Công suất