Microsoft word CHUONG0

Microsoft Word CHUONG0 doc ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Nguyễn Ngân GIÁO TRÌNH CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN I ĐÀ NẴNG – 2004 (LƯU HÀNH NỘI BỘ) Giaïo trçnh Cåí såí Kyî thuáût âiãûn I Trang Træåìng Â[.]

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Nguyễn Ngân GIÁO TRÌNH CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN I ĐÀ NẴNG – 2004 (LƯU HÀNH NỘI BỘ) Giaïo trỗnh Cồớ sồớ Kyợ thuỏỷt õióỷn I Trang LI NĨI ĐẦU Cơ sở Kỹ thuật điện (CSKTĐ) mơn học sở Kỹ thuật quan trọng chương trình đào tạo Kỹ sư ngành Kỹ thuật điện Nó cung cấp sở lý luận chung nhất, phương pháp để tính tốn, giải thích tượng điện từ thiết bị điện Đặc điểm mơn học dựa phương pháp luận mơ hình tốn học để mơ tả q trình xét; nên cơng cụ tốn học đại số phức, phép tính vectơ, phép tính tốn tử, phương trình vi phân, phép tính gần sử dụng phổ biến Ngoài cần kiến thức vật lý để hiểu sâu sắc biểu thức giải thích tượng Giáo trình CSKTĐ biên soạn theo đề cương chi tiết thông qua dựa theo kinh nghiệm giảng dạy nhiều năm Khoa Điện - Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng Giáo trình gồm phần mở đầu 19 chương in thành hai tập I II Ở tập I trình bày đặc trưng, phương pháp tính tốn, tổng hợp tượng hệ tuyến tính hệ số chế độ xác lập điều hòa pha ba pha Trình bày quan hệ tuyến tính, lý thuyết mạng cửa, lý thuyết mạng hai cửa, mạch lọc điện Ở tập II trình bày đặc trưng, phương pháp tính tốn mạch phi tuyến chế độ xác lập giải thích số tượng thường gặp, ứng dụng thực tế chúng Một nội dung quan trọng trình bày đặc trưng q trình q độ (QTQĐ), phương pháp tính QTQĐ mạch điện tuyến tính phi tuyến, tượng thường gặp QTQĐ mạch cấp 1, Phần cuối tập II trình bày đường dây dài - coi dạng mạch đặc biệt - Mạch thơng số rãi Cuối tập có số đề tập đáp số tương ứng với chương giáo trình để sinh viên tự làm đối chiếu kết Chúng xin chân thành cảm ơn bạn đồng nghiệp, tổ chức thuộc Khoa Điện giúp đỡ nhiều để sách hồn thành Chúng tơi đặc biệt cảm ơn giảng viên Phan Văn Hiền Trần Đình Quế đọc thảo chế cho sách Giáo trình xuất lần đầu, chắn cịn nhiều thiếu sót; chúng tơi mong đóng góp để cải tiến ngày tốt Các ý kiến đóng góp xin gửi Khoa Điện - Trường Đại học Kỹ thuật - 54 Nguyễn Lương Bằng - phường Hòa Khánh - quận Liên Chiểu - thành phố Đà Nẵng tác giả Nguyễn Ngân - 138 Lý Tự Trọng - điện thoại : 0511.825151 Tác giả Nguyễn Ngân Giảng viên cao cấp CHƯƠNG MỞ ĐẦU KHÁI NIỆM VỀ MƠ HÌNH MẠCH VÀ LÝ THUYẾT MẠCH §1 Mơ hình tốn học mơ tả vật thể vật lý, kỹ thuật Phương pháp luận mơ hình tốn học − Muốn sử dụng, điều khiển, cải tạo vật thể vật lý kỹ thuật cần phải nhận thức, hiểu biết tổ chức, cấu trúc, chế, quy luật hoạt động Deleted: - Khoa  Trỉåìng Âải Hc Bạch Khoa iãûn - Bäü män Thiãút bở õióỷn Giaùo trỗnh Cồớ sồớ Kyợ thuỏỷt õióỷn I Trang − Vật thể vật lý hoạt động khơng gian, thời gian gọi q trình, vật thể vật lý có nhiều q trình, q trình điện từ, cơ, nhiệt Về nguyên tắc vô nhiều trình Vì cần nhận thức hiểu biết vật thể tức nhận thức hiểu biết trình (về nguyên tắc nhận thức số hữu hạn q trình vật thể) − Quá trình mang đặc điểm, quy luật riêng vật thể gọi tượng Một vật thể thể qua nhiều tượng − Mỗi ngành quan tâm đến số tượng mơ tả q trình Những tượng gọi tượng bản, nhận thức vật thể nhận thức tượng mà ta quan tâm Để sử dụng tốt nhận thức cần mô tả cơng thức tốn học Vậy biểu thức tốn học mơ tả nhận thức q trình gọi mơ hình tốn học q trình Nó cách quan niệm hình dung chủ quan ta tốn học loại trình Đặc điểm mơ hình tốn học − Vì mơ hình mơ tả định lượng nhận thức người vật thể nên mơ hình tốn học có tính chủ quan Nó sản phẩm tư người, phản ánh trình độ khoa học kỹ thuật thời đại Nó tùy thuộc vào yêu cầu việc vận dụng thực tiễn Ví dụ tùy theo độ tiện dụng độ xác mà q trình điện từ thiết bị điện miêu tả hệ phương trình Macxuel phương trình Laplace hệ phương trình Kirhof (KF), phương trình lại coi tuyến tính hay phi tuyến − Bên cạnh tính chủ quan, mơ hình tốn học phải có tính khách quan định Nó phải phản ánh quy luật khách quan trình với độ xác cần thiết, cần kinh qua kiểm nghiệm thực tiễn công tác, phải xây dựng đủ chặt chẽ logic − Do có tính chủ quan khách quan nên loại q trình vật thể có nhiều mơ hình tốn học tùy theo yêu cầu độ xác Ngược lại q trình khác lại chung mơ hình tốn học Ý nghĩa mơ hình tốn học Mơ hình tốn học có ý nghĩa quan trọng − Về mặt nhận thức : mô hình tốn học giúp ta nhận thức, hiểu biết vật thể − Về mặt thực tiễn công tác : mơ hình sở lý luận dùng vào việc xét, sử dụng, khống chế vật thể − Về mặt lý luận : mơ hình tốn học khơng sở lý luận mà nội dung đối tượng lý thuyết Ví dụ : xét trình điện từ Thiết bị điện (TBĐ) lập cách mơ tả tốn học khác làm thành nội dung sở cho nhũng lý thuyết khác Ta thấy sức mạnh, độ xác lý thuyết định sức mạnh, độ xác mơ hình tốn học Mặt khác nội dung lý thuyết việc nghiên cứu cách vận dụng mơ hình tốn học để phân tích tìm thêm tượng trình, sử dụng trình vào mục đích thực tiễn để khống chế, tổng hợp q trình cần thiết §2 Cách xây dựng mơ hình tốn học Từ định nghĩa mơ hình tốn học ta thấy phải qua bước để xây dựng mô sau : Phân tích, liệt kê nhóm đủ tượng bản, tượng từ hợp thành tượng khác thuộc mặt ta xét Trỉåìng Âải Hc Bạch Khoa iãûn - Bäü män Thiãút bë âiãûn Deleted: - Khoa  Giaùo trỗnh Cồớ sồớ Kyợ thuỏỷt õióỷn I Trang Chọn định nghĩa biến trạng thái Đó hàm hay vectơ x(r,t ) phân bố thời gian khơng gian để đo q trình Ví dụ : E(r,t), B(r,t), , uk(t), ik(t) Mô tả toán học chế tượng bản, phương trình liên hệ biến trạng thái Gọi phương trình trạng thái Mơ tả việc hợp thành trình cụ thể, thường cách kết hợp phương trình trạng thái phương trình cân nói chung hệ phương trình trạng thái Kiểm nghiệm lại mơ hình thực tiễn hoạt động vật thể xét §3 Hai mơ hình tốn học - Hệ thống trường Theo cách phân bố không, thời gian biến trạng thái xếp mơ hình tốn học thành hai loại : Mơ hình hệ thống (mơ hình Mạch ) : Là mơ hình q trình đo hữu hạn biến trạng thái xk(t) phân bố thời gian mà không phân bố khơng gian Vì biến phụ thuộc thời gian nên tương tác biến quan hệ nhân trước sau thời gian, quan hệ trước sau, trạng thái t chịu ảnh hưởng trạng thái trước t kể khởi đầu to Vì khơng có quan hệ nhân không gian; biến ảnh hưởng tức thời, coi vận tốc truyền tương tác mơ hình vơ lớn Về mặt tốn học, hệ phân bố thời gian thường hệ vi tích phân, vi sai phân đại số thời gian ứng với toán sơ kiện (điều kiện đầu) Trong thực tế hay gặp hệ thống mà trình ngồi dạng biến thiên theo thời gian cịn gắn với lưu thông (chảy, truyền đạt) trạng thái phận hệ thống Ví dụ : thiết bị động lực có truyền đạt lượng, có dịng điện chảy, hệ thống thông tin - đo lường - điều khiển hệ thống rơle có truyền đạt tín hiệu, hệ thống máy tính có truyền đạt số ta gọi mơ hình mơ hình mạch, dạng phổ biến mơ hình hệ thống Đến định nghĩa mạch điện hệ thiết bị điện ta xét q trình truyền đạt biến đổi lượng hay tín hiệu điện từ, đo số hữu hạn biến dòng, áp, từ thơng, điện tích phân bố thời gian Mơ hình trường : Là mơ hình trình đo số hữu hạn biến x(r,m,t, ) phân bố không gian thời gian Về mặt tương tác, quan hệ nhân trước sau cịn thêm quan hệ khơng gian Trạng thái điểm khơng gian (r,m,t ) cịn chịu ảnh hưởng trạng thái lân cận điểm đó, kể bờ So Về mặt tốn học hệ phân bố khơng gian thời gian mơ tả phương trình đạo hàm riêng phần không gian thời gian ứng với tốn vừa có sơ kiện vừa có biên kiện (bờ) Xét trình tùy vào yêu cầu độ xác mà dùng mơ hình trường hay mơ hình mạch §4 Lý thuyết mạch điều kiện mạch hóa Các điều kiện mạch hóa điều kiện cần thỏa mãn để xây dựng mơ hình mạch mơ tả q trình Các điều kiện mạch hóa bao gồm : Đối với trình xét, vật thể phải hệ thống theo nghĩa nêu Có thể định nghĩa số hữu hạn biến trạng thái phân bố thời gian xk(t) để đo trình xét Deleted: - Khoa  Trỉåìng Âải Hc Bạch Khoa iãûn - Bäü mọn Thióỳt bở õióỷn Giaùo trỗnh Cồớ sồớ Kyợ thuỏỷt âiãûn I Trang Có thể mơ tả q trình hệ hữu hạn phương trình trạng thái riêng theo thời gian §5 Phân loại mơ hình hệ thống Căn theo phép tính tác động lên biến hệ phương trình, xếp mơ hình hệ thống thành loại : Mơ hình mạch truyền đạt : Loại ứng với phương trình vi phân có phép tính phép tốn tử T phép tính đạo hàm, tích phân quan hệ hàm số Nói chung phép làm ứng với hàm hay vectơ x(t) với hàm hay vectơ y(t) biểu diễn hình M-1 y x T T Hình M-1 Mơ hình mạch động lượng ( Mơ hình mạch KF) : Loại ứng với phương trình vi phân với phép tốn tử T đặc biệt trình đo cặp biến xk(t), yk(t) với nội tích xk.yk = pk lượng hay động lượng thỏa mãn luật bảo tồn liên tục Trong hệ thống có truyền đạt lượng phận.(Có thể coi mơ hình lượng trường hợp riêng mơ hình truyền đạt - mạch quan tâm đến tín hiệu) Mơ hình mạch lơgic : Loại ứng với hệ phương trình đại số lơgic với phép tác động lên biến quan hệ hàm logic L Đó phép làm ứng với hai giá trị (0,1) x với hai giá trị (0,1) y Biểu diễn hình M-2 y x L L Hình (x) M-2 Mơ hình mạng vận trù : Loại ứng với hệ phương trình phiếm hàm có phép tác động lên biến phép phiếm hàm F Đó cách làm ứng hàm x(t) với số a[x(t)] để đánh giá trình x(t) Biểu diễn cơng thức sau : < F , x(t) > = a[x(t)] §6 Mơ tả q trình thời gian (mơ hình mạch) sơ đồ hình học, gọi graph Vì q trình khơng phụ thuộc khơng gian nên dùng hình vẽ khơng gian để biểu diễn mạch Vì q trình phụ thuộc thời gian, q trình có v = ∞ trình tức thời nên hình thành vùng lượng - nên TBĐ coi chắp nối vùng lượng với Mỗi vùng lượng phần tử mạch điện chắp nối phần tử thành sơ đồ nghiệm hệ phương trình mạch Vậy mạch điện có kết cấu khung gồm phần tử lắp nối thành sơ đồ mạch Các yếu tố hình học sơ đồ gồm : Deleted: - Khoa  Trỉåìng Âải Hc Baïch Khoa iãûn - Bäü män Thiãút bë âiãûn Giaïo trỗnh Cồớ sồớ Kyợ thuỏỷt õióỷn I Trang Phần tử : Là phần mạch mà ta không đặt vấn đề chia nhỏ thêm - biểu diễn vùng lượng : R, L, C, Z, Y, e, j Nhánh : Là tập hợp phần tử mà có dịng chảy Đỉnh (nút) : Là chỗ gặp nhánh Vịng : Là đường kín qua nhánh Hình hình học chắp nối phần tử có định nghĩa biến quy luật liên hệ biến, biểu diễn hệ phương trình thời gian Nó sơ đồ mạch - đồng với mơ hình mạch gọi graph Có nhiều loại graph : graph lượng, graph tín hiệu, graph định chiều, graph khơng định chiều Ngồi định nghĩa thêm số yếu tố hình học khác : Cây mạch điện : Là tập hợp nối đủ đỉnh không tạo vịng kín Trong graph số hữu hạn có nhiều khác ứng với graph Mỗi nhánh gọi cành Nếu mạch có m nhánh, d đỉnh số cành k1 = d-1(nếu graph đơn liên), k1= d-l (nếu graph đa liên l số liên) Graph đơn liên đỉnh liên thông với Bù mạch điện : Là tập nhánh graph ghép nối với tương ứng để hợp thành graph cho Nhánh bù gọi bù cành Số bù cành bù : k2= m - k1= m -d +1 (ứng với graph đơn liên), k2 = m - d + l ứng với graph đa liên Số cành số bù cành tùy thuộc vào d, m, l graph, tức tùy thuộc vào cấu trúc mạch Ta thấy chúng liên quan chặt chẽ với số biến số phương trình độc lập viết theo luật KF Từ định nghĩa cây, bù ta thấy : − Các áp cành làm thành tập đủ áp nhánh độc lập Hay số áp nhánh độc lập số cành k1 = d-1 − Các dòng bù cành bù làm thành tập đủ dòng nhánh độc lập Hay số dòng nhánh độc lập số bù cành k2 = m-d+1 Ví dụ hình vẽ M-3.1 graph với m = 8, d = 5, l = 1, M-3.2 cây, M-3.3 bù : §7 Hai tốn mạch điện Hình MHình MHình MCó hai dạng tốn : tốn phân tích tốn tổng hợp Bài tốn phân tích mạch điện : Là tốn cho biết sơ đồ (kết cấu, thơng số), biết kích thích tác động vào mạch (thường nguồn) cần phải xác định áp, dịng, cơng suất nhánh (thường gọi đáp ứng) Bài toán tổng hợp mạch điện : Đây tốn biết kích thích (coi nguồn phát), biết đáp ứng nhánh ( thường yêu cầu sử dụng đó) Cần phải xác định cấu trúc thông số mạch để thỏa mãn quan hệ kích thích đáp ứng biết §8 Phân loại mạch điện Có hai cách phân loại : Theo tính chất mạch điện chia làm hai loại mạch điện : Deleted: - Khoa  Trỉåìng Âải Hc Bạch Khoa ióỷn - Bọỹ mọn Thióỳt bở õióỷn Giaùo trỗnh Cồớ såí K thût âiãûn I Trang Mạch điện tuyến tính : Gồm tất phần tử mạch tuyến tính, ứng với hệ phương trình vi phân tuyến tính (trường hợp đặc biệt hệ phương trình đại số tuyến tính) Mạch điện phi tuyến : Là mạch điện có chứa phần tử phi tuyến, ứng với hệ phương trình vi phân (hay đại số) phi tuyến Theo chế độ làm việc mạch điện ta chia cácloại : Mạch điện xác lập : Là mạch điện làm việc bình thường, ổn định Mạch điện độ : Là mạch điện chưa đạt đến trạng thái làm việc xác lập ổn định mà chuyển từ trạng thái sang trạng thái khác Deleted: - Khoa  Trỉåìng Âải Hc Bạch Khoa iãûn - Bäü män Thiãút bë âiãûn