Mạch điện và đo lường
L I NÓI Đ U Kỹ thuật n ngành kỹ thuật ng dụng hi n t ợng n t đ biến đổi l ợng, đo l ng, điều n, xử lý tín hi u Năng l ợng n ngày tr nên r t cần thiết đóng vai trị vơ quan trọng đ i s ng s n xu t c a ng i Bài gi ng n tử môn Kỹ thuật n đ ợc biên soạn dành cho sinh viên ngành kỹ thuật không chuyên Đi n thuộc tr ng Đại học Th y S n Nha Trang Nội dung gi ng gồm ba phần chính: Ph n I: M ch n đo l ng n Gồm ch ng cung c p kiến th c c b n mạch n ( thông s , mô hình, định luật c b n), ph ng pháp tính tốn mạch n pha ba pha chế độ xác lập, đồng th i gi i thi u c c u đo l ng n đại l ng không n Ph n II: Máy n Trình bày nguyên lý, c u tạo, tính kỹ thuật ng dụng c a loại máy n c b n th ng gặp Ph n III: Thí nghi m K thu t n Gồm thí nghi m giúp sinh viên c ng c phần lý thuyết học sử dụng thành thạo thiết bị n dụng cụ đo thực tế Tác gi xin chân thành c m n Ban ch nhi m khoa Khai Thác – Hàng H i, Bộ môn Đi n – Đi n tử hàng h i, Trung tâm Công ngh phần mềm thuộc Tr ng Đại Học Th y S n Nha Trang quan tâm tạo điều ki n cho tác gi hoàn thành gi ng KS NGUY N TU N HÙNG PH N I M CH ĐI N VÀ ĐO L CH NG I NH NG KHÁI NI M C M CH ĐI N NG B NV 1.1 M CH ĐI N, K T C U HÌNH H C C A M CH ĐI N 1.1.1 M ch n Mạch n tập hợp thiết bị n n i v i dây dẫn (phần tử dẫn) tạo thành vịng kín dịng n có th chạy qua Mạch n th ng gồm loại phần tử sau: nguồn n, phụ t i (t i), dây dẫn D©y dẫn mf đ a b Đc c Hình 1.1.a a Nguồn n: Nguồn n thiết bị phát n Về nguyên lý, nguồn n thiết bị biến đổi dạng l ợng nh c năng, hóa năng, nhi t thành n Hình 1.1.b b T i: T i thiết bị tiêu thụ n biến đổi n thành dạng l ợng khác nh c năng, nhi t năng, quang v…v (hình 1.1.c) Hình 1.1.c c Dây dẫn: Dây dẫn làm kim loại (đồng, nhôm ) dùng đ truyền t i n t nguồn đến t i 1.1.2 K t c u hình h c c a m ch n a Nhánh: Nhánh đoạn mạch gồm phần tử ghép n i tiếp nhau, có dịng n chạy t đầu đến đầu b Nút: Nút m gặp c a t ba nhánh tr lên c Vòng: Vòng l i khép kín qua nhánh d Mắt l i : vịng mà bên khơng có vịng khác 1.2 CÁC Đ I L NG Đ C TR NG QUÁ TRÌNH NĔNG L TRONG M CH ĐI N NG Đ đặc tr ng cho trình l ợng cho nhánh phần tử c a mạch n ta dùng hai đại l ợng: dòng n i n áp u Công su t c a nhánh: p = u.i 1.2.1 Dòng n Dòng n i trị s t c độ biến thiên c a l ợng n tích q qua tiết di n ngang vật dẫn: i = dq/dt i A B UAB Hình 1.2.a Chiều dịng n quy tr c chiều chuy n động c a n tích d ng n ng 1.2.2 Đi n áp Hi u n (hi u thế) hai m gọi n áp Đi n áp hai m A B: uAB = uA - uB Chiều n áp quy c chiều t m có n cao đến m có n th p 1.2.3 Chi u d ng dòng n n áp i + Ung U - t Hình 1.2.b Khi gi i mạch n, ta tùy ý vẽ chiều dòng n n áp nhánh gọi chiều d ng Kết qu tính tốn có trị s d ng, chiều dịng n (đi n áp) nhánh y trùng v i chiều vẽ, ng ợc lại, dòng n (đi n áp) có trị s âm, chiều c a chúng ng ợc v i chiều vẽ 1.2.4 Công su t Trong mạch n, nhánh, phần tử có th nhận l ợng phát l ợng p = u.i > nhánh nhận l ợng p = u.i < nhánh phát năngl ợng Đ n vị đo c a công su t W (t) KW 1.3 MƠ HÌNH M CH ĐI N, CÁC THÔNG S Mạch n thực bao gồm nhiều thiết bị n có thực Khi nghiên c u tính tốn mạch n thực, ta ph i thay mạch n thực mơ hình mạch n Mơ hình mạch n gồm thông s sau: nguồn n áp u (t) e(t), nguồn dòng n J (t), n tr R, n c m L, n dung C, hỗ c m M 1.3.1 Ngu n n áp ngu n dòng n a Nguồn n áp Nguồn n áp đặc tr ng cho kh tạo nên trì n áp hai cực c a nguồn u( t) u( t) e( t) Hình 1.3.1.a Hình 1.3.1.b Nguồn n áp đ ợc bi u di n s c n động e(t) (hình1.3.1.b) Chiều e (t) t m n th p đến m n cao Chiều n áp theo quy c t m có n cao đến m n th p: u(t) = - e(t) b Nguồn dòng n Nguồn dòng n J (t) đặc tr ng cho kh c a nguồn n tạo nên trì dịng n cung c p cho mạch ngồi ( hình 1.3.1.c) J( t) Hình 1.3.1.c 1.3.2 Đi n tr R Đi n tr R đặc tr ng cho trình tiêu thụ n biến đổi n sang dạng l ợng khác nh nhi t năng, quang năng, c v…v Quan h dòng n n áp n tr : uR =R.i (hình1.3.2.) Đ n vị c a n tr Ω (ôm) Công su t n tr tiêu thụ: p = Ri2 i R uR Hình 1.3.2 Đi n dẫn G: G = 1/R Đ n vị n dẫn Simen (S) Đi n tiêu thụ n tr kho ng th i gian t : Khi i = const ta có A = R i2.t 1.3.3 Đi n c m L Khi có dịng n i chạy cuộn dây W vịng sinh t thơng móc vịng v i cuộn dây ψ = Wφ (hình 1.3.3) Đi n c m c a dây: L = ψ /i = Wφ./i Đ n vị n c m Henry (H) Nếu dòng n i biến thiên t thơng biến thiên theo định luật c m ng n t cuộn dây xu t hi n s c n động tự c m: eL = - dψ /dt = - L di/dt Quan h dòng n n áp: uL = - eL = L di/dt Hình 1.3.3 Cơng su t t c th i cuộn dây: pL= uL i = Li di/dt Năng l ợng t tr ng c a cuộn dây: Đi n c m L đặc tr ng cho trình trao đổi tích lũy l ợng t tr cuộn dây ng c a 1.3.4 Đi n dung C Khi đặt n áp uc hai đầu tụ n (hình 1.3.4), có n tích q tích lũy b n tụ n.: q = C uc Nếu n áp uC biến thiên có dịng n dịch chuy n qua tụ n: i= dq/dt = C duc /dt Ta có: C i uC Hình 1.3.4 Cơng su t t c th i c a tụ n: pc = uc i =C uc duc /dt Năng l ợng n tr ng c a tụ n: Đi n dung C đặc tr ng cho hi n t ợng tích lũy l ợng n tr ( phóng tích n năng) tụ n Đ n vị c a n dung F (Fara) µF ng 1.3.5 Mơ hình m ch n Mơ hình mạch n đ ợc gọi s đồ thay mạch n , kết c u hình học trình l ợng gi ng nh mạch n thực, song phần tử c a mạch n thực đ ợc mơ hình thông s R, L, C, M, u, e,j Mô hình mạch n đ ợc sử dụng r t thuận lợi vi c nghiên c u tính toán mạch n thiết bị n 1.4 PHÂN LO I VÀ CÁC CH Đ LÀM VI C C A M CH ĐI N 1.4.1 Phân lo i theo lo i dòng n a Mạch n chiều: Dòngđi n chiều dòng n có chiều khơng đổi theo th i gian Mạch n có dịng n chiều chạy qua gọi mạch n chiều Dịng n có trị s chiều không thay đổi theo th i gian gọi dịng n khơng đổi (hình 1.4.a) b Mạch n xoay chiều: Dòng n xoay chiều dịng n có chiều biến đổi theo th i gian Dòng n xoay chiều đ ợc sử dụng nhiều nh t dịng n hình sin (hình 1.4.b) i i I O t t Hình 1.4.a Hình 1.4.b 1.4.2 Phân lo i theo tính ch t thông s R, L, C c a m ch n a Mạch n tuyến tính: T t c phần tử c a mạch n phần tử tuyến tính, nghĩa thơng s R, L, C s , không phụ thuộc vào dòng n i n áp u chúng b Mạch n phi tính: Mạch n có ch a phần tử phi tuyến gọi mạch n phi tuyến Thông s R, L, C c a phần tử phi tuyến thay đổi phụ thuộc vào dòng n i n áp u chúng 1.4.3 Ph thu c vào trình nĕng l ch đ xác l p ch đ đ ng m ch ng i ta phân a Chế độ xác lập: Chế độ xác lập q trình, d i tác động c a nguồn, dòng n n áp nhánh đạt trạng thái ổn định chế độ xác lập, dòng n, n áp nhánh biến thiên theo quy luật gi ng v i quy luật biến thiên c a nguồn n b Chế độ độ: Chế độ độ trình chuy n tiếp t chế độ xác lập sang chế độ xác lập khác chế độ độ, dòng n n áp biến thiên theo quy luật khác v i quy luật biến thiên chế độ xác lập 1.4.4 Phân lo i theo tốn v m ch n Có hai loại tốn mạch n: phân tích mạch tổng hợp mạch Nội dung tốn phân tích mạch cho biết thông s kết c u mạch n, cần tính dịng, áp cơng su t nhánh Tổng hợp mạch toán ng ợc lại, cần ph i thành lập mạch n v i thông s kết c u thích hợp, đ đạt yêu cầu định tr c dòng, áp l ợng 1.5 HAI Đ NH LU T KI CH P Định luật Kiếch p hai định c b n đ nghiên c u tính tốn mạch n 1.5.1 Đ nh lu t KI CH P Tổng đại s dịng n nút khơng: ∑i=0 th ng quy c dịng n có chiều t i nút mang d u d n có chiều r i kh i nút mang d u âm ng ợc lại Ví dụ : Tại nút A hình 1.5.1, định luật Kiếch p đ ợc viết: i1 + i2 – i3 – i4 = i4 i3 i1 i2 Hình 1.5.1 ng, dòng 1.5.2 Đ nh lu t KI CH P Đi theo vịng khép kín, theo chiều d ng tùy ý, tổng đại s n áp r i phần tử R ,L, C tổng đại s s c n động có vịng; s c n động dịng n có chiều trùng v i chiều d ng c a vòng mang d u d ng, ng ợc lại mang d u âm Ví dụ: Đ i v i vịng kín hình 1.5.2, định luật Kiếch p 2: i1 R1 i4 e2 e4 R2 R i2 R3 i3 Hình 1.5.2 R1 i1 + R2 i2 –R3 i3 +R4i4 = –e2 – e3 + e4 e3 CH NG II DÒNG ĐI N HÌNH SIN 2.1 CÁC Đ I L NG Đ C TR NG CHO DỊNG ĐI N HÌNH SIN Bi u th c c a dòng n, n áp hình sin: i = Imax sin (ωt + ϕi) u = Umax sin (ωt + ϕu) i, u : trị s t c th i c a dòng n, n áp Imax, Umax : trị s cực đại (biên độ) c a dòng n, n áp ϕi, ϕu : pha ban đầu c a dịng n, n áp Góc l ch pha đại l ợng hi u s pha đầu c a chúng Góc l ch pha n áp dòng n th ng kí hi u ϕ: ϕ = ϕu - ϕi ϕ > n áp v ợt tr c dòng n ϕ < n áp chậm pha so v i dòng n ϕ = n áp trùng pha v i dòng n 2.2 TR S HI U D NG C A DÒNG ĐI N HÌNH SIN Trị s hi u dụng c a dịng n hình sin dịng chiều I cho chạy qua n tr R tạo cơng su t Dịng n hình sin chạy qua n tr R, l ợng n W tiêu thụ chu kỳT: Cơng su t trung bình chu kỳ: V i dòng n chiều ta có cơng su t P = I2R Tacó : Ta có: Trong thực tế, giá trị đọc c c u đo dòng n I, đo n áp U, đo cơng su t P c a dịng n hình sin trị s hi u dụng c a chúng Các giá trị U, I, P ghi nhãn mác c a dụng cụ thiết bị n trị s hi udụng 10 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 ... H2 L2 = W1 i1 – W2.i2 6.3 CÁC V T LI U CH T O MÁY ĐI N Vật li u chế tạo máy n gồm: Vật li u dẫn n, vật li u dẫn t , vật li u cách n vật li u kết c u 6.3.1 V t li u d n n Dây qu n máy n th ng đồng... 45 Các loại men, s n cách n 6.3.4 Vật li u kết c u Vật li u kết c u vật li u đ chế tạo chi tiết chịu tác động c học nh trục, ổ trục, v máy, nắp máy Các vật li u kết c u th ng gang, thép lá, thép... c: Ta có: Kết luận: Cơng su t t c th i c a nhánh dung: pC = uC iC = - UC IC sin 2ωt Mạch dung không tiêu tán l ợng: Công su t ph n kháng c a n dung: QC = - UC IC = - XCI2 2.8 DỊNG ĐI N HÌNH SIN