Giáo trình Mạch điện (Trường Trung cấp nghề Củ Chi)

Đ� cương bài gi�ng Môn M�ch đi�n 1 CHƯƠNG 1 CAÙC KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN TRONG MAÏCH ÑIEÄN Giới thiệu Để khảo sát các thiết bị điện cần phải tìm ra qui luật các qui luật của các hiện tượng, các quá trình[.]

CHƯƠNG CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG MẠCH ĐIỆN Giới thiệu: Để khảo sát thiết bị điện cần phải tìm qui luật qui luật tượng, trình điện từ xảy thiết bị xác định thơng số trạng thái, thơng số đặc trưng q trình, đồng thời tìm cách mơ tả qui luật phương trình liên hệ thơng số, để có việc ta đưa mơ hình mạch mạch điện vào để đánh giá Mục tiêu: -Phân tích nhiệm vụ, vai trị phần tử cấu thành mạch điện như: nguồn điện, dây dẫn, phụ tải, thiết bị đo lường, đóng cắt - Giải thích cách xây dựng mơ hình mạch điện, phần tử mạch điện Phân biệt phần tử lý tưởng phần tử thực - Phân tích giải thích khái niệm mạch điện, hiểu vận dụng biểu thức tính tốn - Rèn tính cẩn thận, phương pháp học tư nghiêm túc cơng việc Nội dung chính: 1.1 Mạch điện mô hình 1.1.1 Mạch điện Mạch điện tập hợp thiết bị điện nối với dây dẫn tạo thành vịng kín để dịng điện chạy qua Mạch điện gồm ba phần bản: Nguồn điện, phụ tải dây dẫn Ví dụ: Sơ đồ mạch điện đơn giản Rd + _ E I Rt ro Hình 1.1 Sơ đồ mạch điện đơn giản * Nguồn điện: Là thiết bị biến đổi dạng lượng năng, hóa v.v… thành điện Ví dụ: Máy phát điện, pin, ắc qui v.v… - Ký hiệu: + E + _ r0 E _ r0 Hình 1.2 Ký hiệu nguồn điện Trong đó: - E sức điện động nguồn điện, có chiều từ (-) nguồn (+) nguồn - ro điện trở nguồn (nội trở) - Dòng điện nguồn điện tạo có chiều trùng với chiều sức điện động E * Dây dẫn: Để dẫn dòng điện từ nguồn tới nơi tiêu thụ, thường dây đồng nhôm * Phụ tải : Là thiết bị tiêu thụ điện năng, biến đổi điện thành dạng lượng khác năng, nhiệt năng, quang v.v… Ví dụ: Động điện, đèn điện, bàn điện v.v… Khi tính tốn, phụ tải đèn điện, bàn điện v.v… biểu diễn điện trở R (Hình 1-3.a), cịn phụ tải động điện biểu diễn điện trở ro nối tiếp với sức điện động E có chiều ngược với chiều dịng điện I chạy mạch (Hình 1-3.b) + E _ R r0 I a b Hình 1.3 Ký hiệu phụ tải * Ngồi mạch điện cịn có phần tử phụ trợ thiết bị đóng cắt ( Cầu dao, rơ le…), thiết bị bảo vệ( Cầu chì, áp tơ mát…), thiết bị đo lường (Vơn kế, Ampe kế…) 1.1.2: Các tượng điện từ Các tượng cảm ứng điện từ nhiều vẻ, tượng chỉnh lưu, biến áp, khuếch đại… Tuy nhiên xét theo quan điểm lượng q trình điện từ mạch điện quy hai tượng lương : -Hiện tượng biến đổi lượng -Hiện tượng tích phóng lượng điện từ… 1.1.3: Hiện tượng biến đổi lượng Hiện tượng biến đổi lượng chia làm hai loại loại: -Hiện tượng nguồn : tượng biến đổi từ dạng lượng khác năng, hóa năng, nhiệt … thành lượng điện từ -Hiện tượng tiêu tán: tượng biến đổi lượng điện từ thành dạng lượng khác nhiệt, cơ, quang, hóa …tiêu tán khơng hồn trở lại mạch 1.1.4 Hiện tượng tích phóng lượng điện từ Hiện tượng tích phóng lượng điện từ tưởng lượng điện từ tích vào vùng khơng gian có tồn trường điện từ đưa từ vùng trở lại bên ngồi Để thuận tiện cho việc nghiên cứu người ta coi tồn trường điện từ thống gồm hai mặt thể hiện: + Trường điện trường từ Vì tượng tích phóng lượng điện từ gồm tượng tích phóng lượng trường từ tượng tích phóng lượng trường điện Bởi dịng điện trường điện có liên quan chặt chẽ với nên thiết bị điện xẩy hai tượng biến đổi tích phóng lượng thiết bị tưởng lượng xẩy mạch so với tưởng lượng + Ví dụ: Trong tụ điện , tượng lượng chủ yếu xẩy tượng tích phóng lượng trường điện ngồi điện mơi hai cực tụ có độ dẫn hữu hạn nên tụ xẩy tượng tiêu tán biến điện thành nhiệt Trong cuôn dây xẩy chủ yếu tượng tích phóng lượng trường từ ngồi dịng điện dẫn gây tổn hao nhiệt dây dẫn cuộn dây nên cuộn dây xẩy tượng tiêu tán Trong cuộn dây xẩy tượng tích phóng lượng trường điện thường yếu bỏ qua tần số làm việc (và tốc độ biến thiên trường điện từ ) không lớn Trong điện trở thực ,hiện tượng chủ yếu xẩy tượng tiêu tán biến đổi lượng trường từ thành điện năng.nếu trường điện từ biến thiên khơng lớn ,có thể bỏ qua dịng điện dịch (giữa vòng dây quấn lớp điện trở ) so với dòng điện dẫn bỏ qua sức điện động cảm ứng so với sụt áp điện trở, nói cách khác bỏ qua tượng tích phóng lượng điện từ Trong ăc qui xẩy nguồn biến đổi từ hóa sang điện ,đồng thời xẩy tượng tiêu tán 1.1.5 Mơ hình mạch điện Mơ hình mạch dùng lý thuyết mạch điện, xây dựng từ phần tử mạch lý tưởng sau đây: 1.1.5.1 Phần tử điện trở : Là phần tử đặc trưng cho tượng tiêu tán lượng điện từ Kí hiệu phần tử điện R i + u - Hình 1.4 Phần tử điện trở Quan hệ dòng áp hai cực phần tử điện trở dạng u=Ri R thơng số mạch điện đặc trương cho tượng tiêu tán lượng, gọi điện trở Ta biết dòng điện dịng điện tích chuyển dời có hướng, di chuyển vật dẫn điện tích va chạm với phân tử, nguyên tử truyền bớt động cho chúng Đại lượng đặc trưng cho mức độ va chạm gọi điện trở vật dẫn Ký hiệu: R R   l S Trong đó: -  điện trở suất vật dẫn (mm2/m = 10-6m) - l chiều dài (m) - S tiết diện (mm2) Vậy: Điện trở vật dẫn tỷ lệ thuận với chiều dài, tỷ lệ nghịch với tiết diện phụ thuộc vào vật liệu làm nên vật dẫn Đơn vị: (Ơm) Các ước số bội số  là: m, , M, K 1 = 10-6M 1 = 10-3K 1 = 103m 1 = 106 * Nghịch đảo điện trở gọi điện dẫn: g g S 1 S    R  l l Trong đó: -  điện dẫn suất (Sm/mm2),  = 1/ Điện dẫn suất phụ thuộc vào chất dẫn điện tứng vật liệu, điện dẫn suất lớn vật đẫn điện tốt Đơn vị: S (Simen) (1S = 1/) 1.1.5.2 Phần tử điện cảm : Là phần tử đặc trương cho tượng tích phong lượng trường từ L Kí hiệu: i + u - Hình 1.5 Phần tử điện cảm Quan hệ dịng áp phần tử điện cảm thường có dạng u  L di dt L thông số mạch điện đặc trưng cho tượng tích phong lượng trường từ gọi điện cảm - Khi dòng điện qua cuộn dây biến thiên từ thơng móc vịng () cuộn dây thay đổi, tỷ số /I số, gọi hệ số tự cảm hay điện cảm cuộn dây Ký hiệu: L L  I Trong đó: - I dịng điện chạy qua cuộn dây (A) -  từ thơng móc vịng cuộn dây(Wb) Đơn vị: H (Henry) Các ước số H là: mH, H 1H = 103mH 1H = 106H - Điện cảm đại lượng đặc trưng cho khả luyện từ cuộn dây (trao đổi tích lũy lượng từ trường cuộn dây) 1.1.5.3 Phần tử điện dung: Là phần tử đặc trưng cho tượng tích phóng lượng trường điện C i + u - Hình 1.6 Phần tử điện dung: Quan hệ dòng điện điện áp thường có dạng i=Cdu/dt C gọi điện dung thông số mạch điện đặc trương cho tượng tích phóng lượng trường điện Ta biết điện luôn tỷ lệ với điện tích gây điện trường Khi điện tích vật dẫn nhiễm điện tăng lên điện vật tăng theo, tỷ số điện tích điện vật ln số Tỷ số đặc trưng cho khả tích điện vật gọi điện dung vật dẫn Vậy: Điện dung vật dẫn đại lượng đo tỷ số điện tích vật dẫn điện nó, đại lượng đặc trưng cho khả tích điện vật dẫn Ký hiệu: C Trong đó: C q  - q điện tích vật dẫn ( C) -  điện vật dẫn (V) - C điện dung vật dẫn Đơn vị: F (Fara) Các ước số F là: F, nF, pF 1F = 106F 1F = 109nF 1F = 1012pF 1.1.5.4 Phần tử nguồn : Là phần tử đặc trưng cho tượng nguồn Phần tử nguồn gồm loại Phần tử nguồn áp phần tử nguồn dịng Phương trình trạng thài phần tử nguồn áp có dạng u(t) = e(t), đố e(t) khơng phụ thuộc dịng i(t) chảy qua phần tử gọi sức điện động Phương trình trạng thái phần tử nguồn dịng có dạng i(t) = j(t0 j(t) khơng phụ thuộc áp u(t) cực phần tử e(t) j(t) thông số mạch điện đặc trưng cho tượng nguồn, đo khả phát nguồn R, L, C, e, j thông số mạch điện, đặc trương cho chất trình điện từ ( tiêu tán, tích phóng lượng điện trường từ trường tượng nguồn) Các phần tử điện trở, điện cảm, điện dung, nguồn áp, nguồn dòng phần tử lý tưởng mạch điện Chúng phần tử cực, ngồi để tiện lợi xác mơ hình phần tử thực có nhiều cực như: transistor, khuếch đại thuật tốn, biến áp… Người ta cịn xây dựng thêm phần tử lý tưởng nhiều cực như: phần tử nguồn phụ thuộc, phần tử có Z hỗ cảm, máy biến áp lý tưởng… Bao gåm tất thiết bị điện để biến đổi dạng l- ợng khác nh- : Cơ năng, hoá năng, nhiệt năng, thuỷ thành điện Ví dụ : + Pin, ắc quy: Biến đổi hoá thành điện + Máy phát điện: Biến đổi thành điện + Pin mặt trời biến đổi l- ợng xạ mặt trời thành điện Kí hiệu: E, e ẹụn vũ : V (Vôn) Các ước số bội số V laø: V, mV, KV, MV V = 10-6V 1mV = 10-3V 1KV = 103V 1MV = 106V 1.1.5.5 Phần tử thực Một phần tử thực mạch điện mơ hình gần hay tập hợp nhiều phần tử mạch lý tưởng ghép nối với theo cách để mơ tả gần hoạt động phần tử thực tế Hình mơ hình phần tử thực điện trở, tụ điện, cuộn dây Các phần tử lý tưởng điện cảm L, điện dung C, điện trở R theo thứ tự phản ánh trình điện từ xẩy cuộn dây, tụ điện, điện trở thực Ngoài điều kiện cụ thể phải lưu ý đến trình phụ xẩy phần tử thực cách bổ sung thêm vào mơ hình phần tử phụ tương ứng Trong mơ hình cuộn dây, phần tử điện cảm L đặc trương cho trình cuộn dây trình tích phóng lượng trường từ, nhiều trường hợp cần lưu ý đến điện trở rL phản ánh tổn hao lượng cuộn dây lõi thép tần số cao phải kể đến điện dung kí sinh vịng dây Mơ hình tụ điện đa số trương hợp gồm phần tử điện dung C điện trở rC, phần tử điện dung phần tử quan trọng đặc trưng cho trình chủ yếu tụ điện q trình tích phóng lượng trường điện, cịn điện trở r C tính đến tổn hao điện môi Nếu tần số làm việc cao phải lưu ý đến điện cảm lC dây nối Ơ tần số cao mơ hình điện trở thực phải lưu ý điến tham số điện cảm Lr điện dung Cr mà đa số trường hợp bỏ qua Mỗi phần tử mạch lý tượng tương ứng với cách biểu diện hình học ví dụ: hình 1-7 R i + u a) điện trở L i - + i u b) điện cảm - C + u dung c) điện e i j i + + u + - d) nguồn áp u - e) nguồn dịng Hình 1.7 Phần tử thực 1.2 Các khái niệm mạch điện 1.2.1 Dòng điện chiều quy ước dòng điện * Khái niệm Trong vật dẫn (kim loại hay dung dịch điện ly), phần tử điện tích (điện tử tự do, ion +, ion -) chuyển động nhiệt theo hướng số phần tử trung bình qua đơn vị tiết diện thẳng vật dẫn Khi đặt vật dẫn điện trường, tác dụng lực điện trường làm cho điện tích chuyển dời thành dịng, điện tích +q chuyển dịch từ nơi có điện cao đến nơi có điện thấp, cịn điện tích –q dịch chuyển ngược lại, tạo thành dịng điện Vậy: Dịng điện dịng chuyển dời có hướng điện tích tác dụng lực điện trường * Chiều dòng điện: Qui ước chiều dòng điện trùng chiều dịch chuyển điện tích (+) Nghĩa mạch ngồi, dịng điện từ nơi điện cao đến nơi điện thấp * Điều kiện để có dịng điện: Hai đầu dây dẫn hay vật dẫn phải có hiệu điện ( điện áp) Thiết bị trì điện áp nguồn điện Vậy muốn trì dịng điện vật dẫn phải nối chúng với nguồn điện (pin, ăc qui, máy phát…) 1.2.2 Cường độ dòng điện: Đại lượng đặc trưng cho độ lớn dòng điện gọi cường độ dịng điện - Kí hiệu: I Cường độ dịng điện lượng điện tích dịch chuyển qua tiết diện thẳng dây dẫn đơn vị thời gian I q t Trong đó: q: điện tích qua tiết diện thẳng (C) t : thời gian (s) - Đơn vị: A(Ampe) Các ước số bội số A là: A, mA, KA, MA A = 10-6A 1mA = 10-3A 1KA = 103A 1MA = 106A - Nếu lượng điện tích di chuyển qua vật dẫn khơng theo thời gian tạo dịng điện có cường độ thay đổi(dịng điện biến đổi) I q t - Nếu lượng điện tích di chuyển qua vật dẫn theo hướng định, với tốc độ không đổi tạo dòng điện chiều(dòng điện chiều) Dịng điện chiều dịng điện có chiều trị số không đổi theo thời gian 1.2.3 Mật độ dòng điện Mật độ dòng điện trị số dịng điện đơn vị diện tích - Ký hiệu: J - Đơn vị: A/ mm2 1.3 Các phép biến đổi tương đương 1.3.1 Nguồn áp ghép nối tiếp - Thực cần tăng điện áp cung cấp cho tải - Giả sử có n nguồn giống (E, r0), ghép nối tiếp nguồn (Hình 1.8): Ebộ = n.E r0bộ = n r0 +- +- E + … + - - U B A Hình 1.8 Nguồn áp ghép nối tiếp 1.3.2 Nguồn dòng ghép song song +E+ - + + A - U B Hình 1.9 Nguồn dịng ghép song song - Thực cần tăng dòng điện cung cấp cho tải Giả sử có n nguồn giống (E, r0), ghép song song nguồn (Hình 1.9) Ebộ = E r0bo = r0 n 1.3.3 Điện trở ghép nối tiếp, song song 1.3.3.1 Ghép nối tiếp (ghép không phân nhánh) Là cách ghép cho có dịng điện chạy qua phần tử (Hình 1.10 a) I R1 + … R2 U R1 Rn I - R2 a) Rn + A U B b) Hình 1.10 Điện trở ghép nối tiếp, song song - Dòng điện: I = I1 = I = … = I n - Điện áp: U = U1 + U + … + U n - Điện trở: R = R1 + R + … + R n 1.3.3.2 Ghép song song (ghép phân nhánh) Là cách ghép cho tất phần tử đặt vào điện áp (Hình 1.10.b) - Điện áp: U = U1 = U = … = U n - Dòng điện: I = I1 + I + … + I n - Điện trở: n 1 1     R R1 R2 Rn i 1 Ri * Bài tập: Có ba nguồn điện có E = 1.5 V, ro = 1, cần ghép nối tiếp nguồn điện? Khi cần ghép song song nguồn điện? Hãy tính nguồn tổng trường hợp? * Ngồi cịn đấu hỗn hợp điện trở - Là kết hợp đấu nối tiếp đấu song song Ví dụ: Có ba điện trở R1, R2, R3, thực đấu hỗn hợp Hình 1.11.a R2 R1 R3 a) R1 R23 b) Hình 1.11 Điện trở ghép hỗn hợp * Cách giải: + Đưa mạch điện phân nhánh mạch điện không phân nhánh cách thay nhánh song song nhánh có đien trở tương đương ( Hình 1.11.b) + Ap dụng định luật Ơm cho mạch khơng phân nhánh để tìm dịng điện mạch + Tìm dịng điện nhánh 1.3.4 Biến đổi – tam giác ( - ) - Đấu (): cách đấu điện trở có đầu đấu chung, đầu lại đấu với điem khác mạch (Hình 1.12.a) A A RA RAB RCA C C B RBC RB RC B b a Hình - 14 Hình 1.12 Biến đổi – tam giác - Đấu tam giác (): cách đấu điện trở thành tam giác kín, cạnh tam giác điện trở, đỉnh tam giác nút mạch điện nối tới nhánh khác mạch điện (Hình 1.12.b) Trong nhiều trường hợp việc thay đổi điện trở đấu hình tam giác thành điện trở đấu hình tương đương ngược lại làm cho việc phân tích mạch điện dễ dàng Điều kiện để biến đổi khơng làm thay đổi dịng điện, điện áp phần mạch điện lại 1.3.4.1 Biến đổi – tam giác ( - ) - Công thức biến đổi từ hình sang hình tam giác: 10 ... mạch điện đặc trương cho tượng tích phóng lượng trường điện Ta biết điện ln tỷ lệ với điện tích gây điện trường Khi điện tích vật dẫn nhiễm điện tăng lên điện vật tăng theo, tỷ số điện tích điện. .. biểu thức tính tốn mạch điện DC (dịng điện, điện áp, cơng suất, điện năng, nhiệt lượng ) - Tính tốn thơng số (điện trở, dịng điện, điện áp, cơng suất, điện năng, nhiệt lượng) mạch DC nguồn, nhiều... đoạn mạch tỷ lệ thuận với hiệu điện hai đầu đoạn mạch tỷ lệ nghịch với điện trở đoạn mạch I 2.1.1.2 Định luật Ơm cho tồn mạch U R * Xét mạch điện hình vẽ (Hình – 2) Gồm nguồn điện có sức điện