QUÂN KHU 2 TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ SỐ 2 BỘ QUỐC PHÒNG GIÁO TRÌNH MÔN HỌC MẠCH ĐIỆN NGHỀ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ TRUNG CẤP Vĩnh Phúc, năm 2017 2 3 QUÂN KHU 2 TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ SỐ 2 BỘ QUỐC PHÒNG GIÁO[.]
CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN – MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU
Các phương pháp giải mạch một chiều
II Chương 2 Điện từ trường 6 6
1 Những khái niệm cơ bản về từ trường 2 2
2 Định luật cảm ứng điện từ 2 2
3 Định luật lực điện từ 1 1
III Chương 3 Dòng điện xoay chiều hình sin 16 12 4
1 Khái niệm về dòng điện xoay chiều 2 2
2 Giải mạch xoay chiều không phân nhánh 8 6 2
3 Biểu diễn lượng hình sin bằng số phức 4 2 2
4 Phương pháp nâng cao hệ số công suất 2 2
IV Chương 4 Mạch ba pha 18 13 5
2 Sơ đồ đấu dây trong mạng ba pha cân bằng 5 5
3 Công suất mạng ba pha cân bằng 2 2
4 Phương pháp giải mạng ba pha đối xứng 7 3 4
5 Phương pháp giải mạng ba pha không đối xứng 3 2 1
Kiểm tra hết môn học 1 1
CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN – MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU Giới thiệu:
Trong thực tế mạch điện một chiều được ứng dụng ở nhiều lĩnh vực điện, điện tử Dòng điện một chiều tương đối ổn định.Trong chương này sẽ giới thiệu các khái niệm cơ bản về mạch điện, các ký hiệu và mô hình toán học của mạch điện Đồng thời cung cấp các định luật cơ bản trong lý thuyết mạch Sau đó áp dụng các định luật cơ bản này để giải một số bài tập mạch điện một chiều.
- Phân tích được nhiệm vụ, vai trò của các phần tử cấu thành mạch điện như: nguồn điện, dây dẫn, phụ tải, thiết bị đo lường, đóng cắt vv.
- Giải thích được cách xây dựng mô hình mạch điện, các phần tử chính trong mạch điện Phân biệt được phần tử lý tưởng và phần tử thực.
- Tính toán được các thông số (điện trở, dòng điện, điện áp, công suất, điện năng, nhiệt lượng) của mạch DC cơ bản.
- Rèn luyện tính cẩn thận, tỉ mỉ trong tính toán
1 Mạch điện và mô hình mạch điện một chiều
Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện (nguồn, tải, dây dẫn…) được nối với nhau trong đó dòng điện có thể chạy qua.
Ví dụ: Máy phát (1) cung cấp điện cho đèn (2) và động cơ điện (3).
+ Nguồn điện: Là thiết bị phát ra điện năng Về nguyên lý, nguồn điện là thiết bị biến đổi các dạng năng lượng khác thành điện năng Ví dụ: máy phát điện biến đổi cơ năng thành điện năng, ắc quy biến đổi hóa năng sang điện năng…
+ Phụ tải: là thiết bị tiêu thụ điện năng, biến đổi năng lượng điện thành các dạng năng lượng khác Ví dụ: động cơ điện biến đổi điện năng thành cơ năng, đèn điện biến đổi điện năng sang quang năng, bàn là, bếp điện biến đổi điện năng sang nhiệt năng v.v
+ Dây dẫn: làm nhiệm vụ truyền tải năng lượng điện từ nguồn đến nơi tiêu thụ.
+ Ngoài ra còn có các phần tử khác như: phần tử làm thay đổi áp và dòng trong các phần khác của mạch như máy biến áp, máy biến dòng, phần tử làm giảm hoặc tăng cường các thành phần nào đó của tín hiệu các bộ lọc, bộ khuếch đại, v.v…
1.1.2 Cấu trúc của mạch điện
Mạch điện được kết cấu bởi các yếu tố hình học: Nhánh, nút, vòng a Nhánh Nhánh là bộ phận của mạch điện gồm có các phần tử nối tiếp nhau trong đó có cùng dòng điện chạy qua. b Nút Nút là điểm gặp nhau của các nhánh (từ 3 nhánh trở lên). c Mạch vòng Mạch vòng là lối đi khép kín qua các nhánh.
Ví dụ: Mạch điện hình 1.1.gồm có 3 nhánh (1,2,3), 2 nút (A,B) và 3 mạch vòng (a,b,c).
1.2 Mô hình mạch điện một chiều
Khi tính toán, mạch điện thực được thay thế bằng một sơ đồ gọi là mô hình mạch điện, trong đó các phần tử thực được thay bằng các phần tử lý tưởng
Sức điện động E là phần tử lý tưởng, có trị số bằng điện áp U đo được giữa 2 cực của nguồn khi hở mạch ngoài Chiều của sức điện động quy ước từ nơi có điện thế thấp đến nơi có điện thế cao.
Ký hiệu sức điện động như trên hình 1.2
1.2.2 Điện trở R Điện trở R đặc trưng cho một vật dẫn về mặt cản trở dòng điện chạy qua.
Về hiện tượng năng lượng, điện trở R đặc trưng cho tiêu tán, biến đổi điện năng tiêu thụ thành các dạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng
Ký hiệu điện trở như trên hình 1.3
1.2.3 Thiết lập mô hình mạch điện
Sơ đồ thay thế nguồn điện 1 chiều gồm sức điện động E nối tiếp với điện trở trong Rn (Hình 1.4).
+ Sơ đồ thay thế tải:
- Các tải như động cơ điện 1 chiều, ắc quy ở chế độ nạp được thay thế bằng sơ đồ gồm sức điện động E nối tiếp với điện trở trong Rn, trong đó chiều E ngược với chiều I (Hình 1.5)
- Các tải như bàn là, bếp điện, bóng đèn được thay thế bằng điện trở R của chúng.
2 Các đại lượng cơ bản trong mạch điện.
2.1 Dòng điện và chiều qui ước của dòng điện
Dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích Trong các môi trường khác nhau điện tích đặc trưng cho môi trường thì bản chất của dòng điện cũng phụ thuộc vào môi trường đó.
Người ta quy ước chiều của dòng điện chạy trong vật dẫn ngược với chiều chuyển động của điện tử
2.2 Cường độ dòng điện Đại lượng đặc trưng cho độ lớn của dòng điện là cường độ dòng điện.
Cường độ dòng điện là lượng điện tích được đo bằng tỷ số giữa lượng điện tích chuyển qua tiết diện thẳng của một dây dẫn và thời gian điện tích chuyển qua.
Q: là điện tích qua tiết diện thẳng của dây dẫn trong thời gian t t: Thời gian điện tích Q chạy qua
I: Cường độ dòng điện (Đơn vị của cường độ dòng điện là Ampe, ký hiệu là (A).
Trong hệ đơn vị đo SI thì đơn vị đo của cường độ dòng điện là ampe (A). Đơn vị đo thời gian t là giây (s), của điện tích Q là Culong (C).
Tại mỗi điểm trên mạch điện có một điện thế Hiệu điện thế giữa hai điểm
A và B nào đó của mạch điện gọi là điện áp.
UAB = VA - VB Điện áp ký hiệu là: U Đơn vị là: Volt (V)
Chiều dương của điện áp được quy định từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp.
Khi dòng điện chạy qua các thiết bị như bóng đèn => làm bóng đèn sáng, chạy qua động cơ => làm động cơ quay như vậy dòng điện đã sinh ra công. Công của dòng điện gọi là điện năng, ký hiệu là W, Công thức tính điện năng là:
W = U x I x tTrong đó W là điện năng tính bằng June (J)
U là điện áp tính bằng Vol (V)
I là dòng điện tính bằng Ampe (A) t là thời gian tính bằng giây (s)
Trong thực tế ta thường dùng đơn vị Wh, KWh ( Kilo wat giờ)
Công suất của dòng điện là điện năng tiêu thụ trong một giây, công suất được tính bởi công thức:
P = W / t = (U I t ) / t = U.I Theo định luật ôm ta có P = U.I = U 2 / R = R.I 2
Trong mạch điện một nhánh, một phần tử có thể nhận năng lượng hoặc phát năng lượng.
Công suất của nguồn sức điện động là: P = E.I
Công suất của mạch ngoài là: P = U.I Đơn vị công suất là Walt, ký hiệu là (W)
3 Các phép biến đổi tương đương.
Trong thực tế đôi khi cần làm đơn giản một phần mạch thành một mạch tương đương đơn giản hơn Việc biến đổi mạch tương đương thường được làm để cho mạch có ít phần tử, ít số nút, ít số vòng và nhánh hơn mạch trước đó làm giảm đi số phương trình phải giải.
Mạch tương đương được định nghĩa như sau:
Hai mạch được gọi là tương đương nếu quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên các cực của hai phần tử là như nhau.
Một phép biến đổi tương đương sẽ không làm thay đổi dòng điện và điện áp trên các nhánh ở các phần của sơ đồ không tham gia vào phép biến đổi.
Sau đây là một số phép biến đổi tương đương thông dụng :
3.1 Điện trở ghép nối tiếp, song song
3.1.1 Điện trở ghép nối tiếp: Điện trở ghép nối tiếp sẽ tương đương với một phần tử điện trở duy nhất có trị số bằng tổng các điện trở các phần tử đó.
Hình 1.6 Công thức: Rtđ = R1+R2 + …+Rn
Ví dụ: Cho 3 điện trở mắc nối tiếp:
Tính điện trở tương đương?
Lời giải Điện trở tương đương: Rtđ = 3+2+5 = 10 (Ω)
3.1.2 Điện trở ghép song song Điện trở ghép song song sẽ tương đương với một phần tử điện trở duy nhất có điện dẫn bằng tổng điện dẫn các phần tử đó (với g 1
Ghi chú : Đối với 2 điện trở R1, R2 ghép song song biến đổi thanh 1 điện trở tương đương ta áp dụng công thức: Rtđ = R R 1 R 2
Ví dụ: Để có điện trở tương đương 150Ω, người ta đấu song song hai điện trở R1 330Ω và R2.
Từ công thức tính điện trở tương: Rtđ = R R 1 R 2
Suy ra điện trở R2 có giá trị: R2 = R R 1 R tđ
Các điện trở đấu sao là 3 điện trở có 1 đầu ghép chung gọi là điểm trung tính, 3 đầu còn lại vào 3 điểm khác nhau của mạch điện.
ĐIỆN TỪ TRƯỜNG
Hiện tượng tự cảm
III Chương 3 Dòng điện xoay chiều hình sin 16 12 4
1 Khái niệm về dòng điện xoay chiều 2 2
2 Giải mạch xoay chiều không phân nhánh 8 6 2
3 Biểu diễn lượng hình sin bằng số phức 4 2 2
4 Phương pháp nâng cao hệ số công suất 2 2
IV Chương 4 Mạch ba pha 18 13 5
2 Sơ đồ đấu dây trong mạng ba pha cân bằng 5 5
3 Công suất mạng ba pha cân bằng 2 2
4 Phương pháp giải mạng ba pha đối xứng 7 3 4
5 Phương pháp giải mạng ba pha không đối xứng 3 2 1
Kiểm tra hết môn học 1 1
CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN – MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU Giới thiệu:
Trong thực tế mạch điện một chiều được ứng dụng ở nhiều lĩnh vực điện, điện tử Dòng điện một chiều tương đối ổn định.Trong chương này sẽ giới thiệu các khái niệm cơ bản về mạch điện, các ký hiệu và mô hình toán học của mạch điện Đồng thời cung cấp các định luật cơ bản trong lý thuyết mạch Sau đó áp dụng các định luật cơ bản này để giải một số bài tập mạch điện một chiều.
- Phân tích được nhiệm vụ, vai trò của các phần tử cấu thành mạch điện như: nguồn điện, dây dẫn, phụ tải, thiết bị đo lường, đóng cắt vv.
- Giải thích được cách xây dựng mô hình mạch điện, các phần tử chính trong mạch điện Phân biệt được phần tử lý tưởng và phần tử thực.
- Tính toán được các thông số (điện trở, dòng điện, điện áp, công suất, điện năng, nhiệt lượng) của mạch DC cơ bản.
- Rèn luyện tính cẩn thận, tỉ mỉ trong tính toán
1 Mạch điện và mô hình mạch điện một chiều
Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện (nguồn, tải, dây dẫn…) được nối với nhau trong đó dòng điện có thể chạy qua.
Ví dụ: Máy phát (1) cung cấp điện cho đèn (2) và động cơ điện (3).
+ Nguồn điện: Là thiết bị phát ra điện năng Về nguyên lý, nguồn điện là thiết bị biến đổi các dạng năng lượng khác thành điện năng Ví dụ: máy phát điện biến đổi cơ năng thành điện năng, ắc quy biến đổi hóa năng sang điện năng…
+ Phụ tải: là thiết bị tiêu thụ điện năng, biến đổi năng lượng điện thành các dạng năng lượng khác Ví dụ: động cơ điện biến đổi điện năng thành cơ năng, đèn điện biến đổi điện năng sang quang năng, bàn là, bếp điện biến đổi điện năng sang nhiệt năng v.v
+ Dây dẫn: làm nhiệm vụ truyền tải năng lượng điện từ nguồn đến nơi tiêu thụ.
+ Ngoài ra còn có các phần tử khác như: phần tử làm thay đổi áp và dòng trong các phần khác của mạch như máy biến áp, máy biến dòng, phần tử làm giảm hoặc tăng cường các thành phần nào đó của tín hiệu các bộ lọc, bộ khuếch đại, v.v…
1.1.2 Cấu trúc của mạch điện
Mạch điện được kết cấu bởi các yếu tố hình học: Nhánh, nút, vòng a Nhánh Nhánh là bộ phận của mạch điện gồm có các phần tử nối tiếp nhau trong đó có cùng dòng điện chạy qua. b Nút Nút là điểm gặp nhau của các nhánh (từ 3 nhánh trở lên). c Mạch vòng Mạch vòng là lối đi khép kín qua các nhánh.
Ví dụ: Mạch điện hình 1.1.gồm có 3 nhánh (1,2,3), 2 nút (A,B) và 3 mạch vòng (a,b,c).
1.2 Mô hình mạch điện một chiều
Khi tính toán, mạch điện thực được thay thế bằng một sơ đồ gọi là mô hình mạch điện, trong đó các phần tử thực được thay bằng các phần tử lý tưởng
Sức điện động E là phần tử lý tưởng, có trị số bằng điện áp U đo được giữa 2 cực của nguồn khi hở mạch ngoài Chiều của sức điện động quy ước từ nơi có điện thế thấp đến nơi có điện thế cao.
Ký hiệu sức điện động như trên hình 1.2
1.2.2 Điện trở R Điện trở R đặc trưng cho một vật dẫn về mặt cản trở dòng điện chạy qua.
Về hiện tượng năng lượng, điện trở R đặc trưng cho tiêu tán, biến đổi điện năng tiêu thụ thành các dạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng
Ký hiệu điện trở như trên hình 1.3
1.2.3 Thiết lập mô hình mạch điện
Sơ đồ thay thế nguồn điện 1 chiều gồm sức điện động E nối tiếp với điện trở trong Rn (Hình 1.4).
+ Sơ đồ thay thế tải:
- Các tải như động cơ điện 1 chiều, ắc quy ở chế độ nạp được thay thế bằng sơ đồ gồm sức điện động E nối tiếp với điện trở trong Rn, trong đó chiều E ngược với chiều I (Hình 1.5)
- Các tải như bàn là, bếp điện, bóng đèn được thay thế bằng điện trở R của chúng.
2 Các đại lượng cơ bản trong mạch điện.
2.1 Dòng điện và chiều qui ước của dòng điện
Dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích Trong các môi trường khác nhau điện tích đặc trưng cho môi trường thì bản chất của dòng điện cũng phụ thuộc vào môi trường đó.
Người ta quy ước chiều của dòng điện chạy trong vật dẫn ngược với chiều chuyển động của điện tử
2.2 Cường độ dòng điện Đại lượng đặc trưng cho độ lớn của dòng điện là cường độ dòng điện.
Cường độ dòng điện là lượng điện tích được đo bằng tỷ số giữa lượng điện tích chuyển qua tiết diện thẳng của một dây dẫn và thời gian điện tích chuyển qua.
Q: là điện tích qua tiết diện thẳng của dây dẫn trong thời gian t t: Thời gian điện tích Q chạy qua
I: Cường độ dòng điện (Đơn vị của cường độ dòng điện là Ampe, ký hiệu là (A).
Trong hệ đơn vị đo SI thì đơn vị đo của cường độ dòng điện là ampe (A). Đơn vị đo thời gian t là giây (s), của điện tích Q là Culong (C).
Tại mỗi điểm trên mạch điện có một điện thế Hiệu điện thế giữa hai điểm
A và B nào đó của mạch điện gọi là điện áp.
UAB = VA - VB Điện áp ký hiệu là: U Đơn vị là: Volt (V)
Chiều dương của điện áp được quy định từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp.
Khi dòng điện chạy qua các thiết bị như bóng đèn => làm bóng đèn sáng, chạy qua động cơ => làm động cơ quay như vậy dòng điện đã sinh ra công. Công của dòng điện gọi là điện năng, ký hiệu là W, Công thức tính điện năng là:
W = U x I x tTrong đó W là điện năng tính bằng June (J)
U là điện áp tính bằng Vol (V)
I là dòng điện tính bằng Ampe (A) t là thời gian tính bằng giây (s)
Trong thực tế ta thường dùng đơn vị Wh, KWh ( Kilo wat giờ)
Công suất của dòng điện là điện năng tiêu thụ trong một giây, công suất được tính bởi công thức:
P = W / t = (U I t ) / t = U.I Theo định luật ôm ta có P = U.I = U 2 / R = R.I 2
Trong mạch điện một nhánh, một phần tử có thể nhận năng lượng hoặc phát năng lượng.
Công suất của nguồn sức điện động là: P = E.I
Công suất của mạch ngoài là: P = U.I Đơn vị công suất là Walt, ký hiệu là (W)
3 Các phép biến đổi tương đương.
Trong thực tế đôi khi cần làm đơn giản một phần mạch thành một mạch tương đương đơn giản hơn Việc biến đổi mạch tương đương thường được làm để cho mạch có ít phần tử, ít số nút, ít số vòng và nhánh hơn mạch trước đó làm giảm đi số phương trình phải giải.
Mạch tương đương được định nghĩa như sau:
Hai mạch được gọi là tương đương nếu quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên các cực của hai phần tử là như nhau.
Một phép biến đổi tương đương sẽ không làm thay đổi dòng điện và điện áp trên các nhánh ở các phần của sơ đồ không tham gia vào phép biến đổi.
Sau đây là một số phép biến đổi tương đương thông dụng :
3.1 Điện trở ghép nối tiếp, song song
3.1.1 Điện trở ghép nối tiếp: Điện trở ghép nối tiếp sẽ tương đương với một phần tử điện trở duy nhất có trị số bằng tổng các điện trở các phần tử đó.
Hình 1.6 Công thức: Rtđ = R1+R2 + …+Rn
Ví dụ: Cho 3 điện trở mắc nối tiếp:
Tính điện trở tương đương?
Lời giải Điện trở tương đương: Rtđ = 3+2+5 = 10 (Ω)
3.1.2 Điện trở ghép song song Điện trở ghép song song sẽ tương đương với một phần tử điện trở duy nhất có điện dẫn bằng tổng điện dẫn các phần tử đó (với g 1
Ghi chú : Đối với 2 điện trở R1, R2 ghép song song biến đổi thanh 1 điện trở tương đương ta áp dụng công thức: Rtđ = R R 1 R 2
Ví dụ: Để có điện trở tương đương 150Ω, người ta đấu song song hai điện trở R1 330Ω và R2.
Từ công thức tính điện trở tương: Rtđ = R R 1 R 2
Suy ra điện trở R2 có giá trị: R2 = R R 1 R tđ
Các điện trở đấu sao là 3 điện trở có 1 đầu ghép chung gọi là điểm trung tính, 3 đầu còn lại vào 3 điểm khác nhau của mạch điện.
DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN
Giải mạch xoay chiều không phân nhánh
3 Biểu diễn lượng hình sin bằng số phức 4 2 2
4 Phương pháp nâng cao hệ số công suất 2 2
IV Chương 4 Mạch ba pha 18 13 5
2 Sơ đồ đấu dây trong mạng ba pha cân bằng 5 5
3 Công suất mạng ba pha cân bằng 2 2
4 Phương pháp giải mạng ba pha đối xứng 7 3 4
5 Phương pháp giải mạng ba pha không đối xứng 3 2 1
Kiểm tra hết môn học 1 1
CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN – MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU Giới thiệu:
Trong thực tế mạch điện một chiều được ứng dụng ở nhiều lĩnh vực điện, điện tử Dòng điện một chiều tương đối ổn định.Trong chương này sẽ giới thiệu các khái niệm cơ bản về mạch điện, các ký hiệu và mô hình toán học của mạch điện Đồng thời cung cấp các định luật cơ bản trong lý thuyết mạch Sau đó áp dụng các định luật cơ bản này để giải một số bài tập mạch điện một chiều.
- Phân tích được nhiệm vụ, vai trò của các phần tử cấu thành mạch điện như: nguồn điện, dây dẫn, phụ tải, thiết bị đo lường, đóng cắt vv.
- Giải thích được cách xây dựng mô hình mạch điện, các phần tử chính trong mạch điện Phân biệt được phần tử lý tưởng và phần tử thực.
- Tính toán được các thông số (điện trở, dòng điện, điện áp, công suất, điện năng, nhiệt lượng) của mạch DC cơ bản.
- Rèn luyện tính cẩn thận, tỉ mỉ trong tính toán
1 Mạch điện và mô hình mạch điện một chiều
Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện (nguồn, tải, dây dẫn…) được nối với nhau trong đó dòng điện có thể chạy qua.
Ví dụ: Máy phát (1) cung cấp điện cho đèn (2) và động cơ điện (3).
+ Nguồn điện: Là thiết bị phát ra điện năng Về nguyên lý, nguồn điện là thiết bị biến đổi các dạng năng lượng khác thành điện năng Ví dụ: máy phát điện biến đổi cơ năng thành điện năng, ắc quy biến đổi hóa năng sang điện năng…
+ Phụ tải: là thiết bị tiêu thụ điện năng, biến đổi năng lượng điện thành các dạng năng lượng khác Ví dụ: động cơ điện biến đổi điện năng thành cơ năng, đèn điện biến đổi điện năng sang quang năng, bàn là, bếp điện biến đổi điện năng sang nhiệt năng v.v
+ Dây dẫn: làm nhiệm vụ truyền tải năng lượng điện từ nguồn đến nơi tiêu thụ.
+ Ngoài ra còn có các phần tử khác như: phần tử làm thay đổi áp và dòng trong các phần khác của mạch như máy biến áp, máy biến dòng, phần tử làm giảm hoặc tăng cường các thành phần nào đó của tín hiệu các bộ lọc, bộ khuếch đại, v.v…
1.1.2 Cấu trúc của mạch điện
Mạch điện được kết cấu bởi các yếu tố hình học: Nhánh, nút, vòng a Nhánh Nhánh là bộ phận của mạch điện gồm có các phần tử nối tiếp nhau trong đó có cùng dòng điện chạy qua. b Nút Nút là điểm gặp nhau của các nhánh (từ 3 nhánh trở lên). c Mạch vòng Mạch vòng là lối đi khép kín qua các nhánh.
Ví dụ: Mạch điện hình 1.1.gồm có 3 nhánh (1,2,3), 2 nút (A,B) và 3 mạch vòng (a,b,c).
1.2 Mô hình mạch điện một chiều
Khi tính toán, mạch điện thực được thay thế bằng một sơ đồ gọi là mô hình mạch điện, trong đó các phần tử thực được thay bằng các phần tử lý tưởng
Sức điện động E là phần tử lý tưởng, có trị số bằng điện áp U đo được giữa 2 cực của nguồn khi hở mạch ngoài Chiều của sức điện động quy ước từ nơi có điện thế thấp đến nơi có điện thế cao.
Ký hiệu sức điện động như trên hình 1.2
1.2.2 Điện trở R Điện trở R đặc trưng cho một vật dẫn về mặt cản trở dòng điện chạy qua.
Về hiện tượng năng lượng, điện trở R đặc trưng cho tiêu tán, biến đổi điện năng tiêu thụ thành các dạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng
Ký hiệu điện trở như trên hình 1.3
1.2.3 Thiết lập mô hình mạch điện
Sơ đồ thay thế nguồn điện 1 chiều gồm sức điện động E nối tiếp với điện trở trong Rn (Hình 1.4).
+ Sơ đồ thay thế tải:
- Các tải như động cơ điện 1 chiều, ắc quy ở chế độ nạp được thay thế bằng sơ đồ gồm sức điện động E nối tiếp với điện trở trong Rn, trong đó chiều E ngược với chiều I (Hình 1.5)
- Các tải như bàn là, bếp điện, bóng đèn được thay thế bằng điện trở R của chúng.
2 Các đại lượng cơ bản trong mạch điện.
2.1 Dòng điện và chiều qui ước của dòng điện
Dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích Trong các môi trường khác nhau điện tích đặc trưng cho môi trường thì bản chất của dòng điện cũng phụ thuộc vào môi trường đó.
Người ta quy ước chiều của dòng điện chạy trong vật dẫn ngược với chiều chuyển động của điện tử
2.2 Cường độ dòng điện Đại lượng đặc trưng cho độ lớn của dòng điện là cường độ dòng điện.
Cường độ dòng điện là lượng điện tích được đo bằng tỷ số giữa lượng điện tích chuyển qua tiết diện thẳng của một dây dẫn và thời gian điện tích chuyển qua.
Q: là điện tích qua tiết diện thẳng của dây dẫn trong thời gian t t: Thời gian điện tích Q chạy qua
I: Cường độ dòng điện (Đơn vị của cường độ dòng điện là Ampe, ký hiệu là (A).
Trong hệ đơn vị đo SI thì đơn vị đo của cường độ dòng điện là ampe (A). Đơn vị đo thời gian t là giây (s), của điện tích Q là Culong (C).
Tại mỗi điểm trên mạch điện có một điện thế Hiệu điện thế giữa hai điểm
A và B nào đó của mạch điện gọi là điện áp.
UAB = VA - VB Điện áp ký hiệu là: U Đơn vị là: Volt (V)
Chiều dương của điện áp được quy định từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp.
Khi dòng điện chạy qua các thiết bị như bóng đèn => làm bóng đèn sáng, chạy qua động cơ => làm động cơ quay như vậy dòng điện đã sinh ra công. Công của dòng điện gọi là điện năng, ký hiệu là W, Công thức tính điện năng là:
W = U x I x tTrong đó W là điện năng tính bằng June (J)
U là điện áp tính bằng Vol (V)
I là dòng điện tính bằng Ampe (A) t là thời gian tính bằng giây (s)
Trong thực tế ta thường dùng đơn vị Wh, KWh ( Kilo wat giờ)
Công suất của dòng điện là điện năng tiêu thụ trong một giây, công suất được tính bởi công thức:
P = W / t = (U I t ) / t = U.I Theo định luật ôm ta có P = U.I = U 2 / R = R.I 2
Trong mạch điện một nhánh, một phần tử có thể nhận năng lượng hoặc phát năng lượng.
Công suất của nguồn sức điện động là: P = E.I
Công suất của mạch ngoài là: P = U.I Đơn vị công suất là Walt, ký hiệu là (W)
3 Các phép biến đổi tương đương.
Trong thực tế đôi khi cần làm đơn giản một phần mạch thành một mạch tương đương đơn giản hơn Việc biến đổi mạch tương đương thường được làm để cho mạch có ít phần tử, ít số nút, ít số vòng và nhánh hơn mạch trước đó làm giảm đi số phương trình phải giải.
Mạch tương đương được định nghĩa như sau:
Hai mạch được gọi là tương đương nếu quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên các cực của hai phần tử là như nhau.
Một phép biến đổi tương đương sẽ không làm thay đổi dòng điện và điện áp trên các nhánh ở các phần của sơ đồ không tham gia vào phép biến đổi.
Sau đây là một số phép biến đổi tương đương thông dụng :
3.1 Điện trở ghép nối tiếp, song song
3.1.1 Điện trở ghép nối tiếp: Điện trở ghép nối tiếp sẽ tương đương với một phần tử điện trở duy nhất có trị số bằng tổng các điện trở các phần tử đó.
Hình 1.6 Công thức: Rtđ = R1+R2 + …+Rn
Ví dụ: Cho 3 điện trở mắc nối tiếp:
Tính điện trở tương đương?
Lời giải Điện trở tương đương: Rtđ = 3+2+5 = 10 (Ω)
3.1.2 Điện trở ghép song song Điện trở ghép song song sẽ tương đương với một phần tử điện trở duy nhất có điện dẫn bằng tổng điện dẫn các phần tử đó (với g 1
Ghi chú : Đối với 2 điện trở R1, R2 ghép song song biến đổi thanh 1 điện trở tương đương ta áp dụng công thức: Rtđ = R R 1 R 2
Ví dụ: Để có điện trở tương đương 150Ω, người ta đấu song song hai điện trở R1 330Ω và R2.
Từ công thức tính điện trở tương: Rtđ = R R 1 R 2
Suy ra điện trở R2 có giá trị: R2 = R R 1 R tđ
Các điện trở đấu sao là 3 điện trở có 1 đầu ghép chung gọi là điểm trung tính, 3 đầu còn lại vào 3 điểm khác nhau của mạch điện.
Biểu diễn đại lượng hình sin bằng số phức
3.1.Cách biểu diễn số phức
Trong mặt phẳng toạ độ phức, số phức được biểu diễn dưới 2 dạng sau: a Dạng đại số
Trong đó a là phần thực; jb là phần ảo. j = √ −1 là đơn vị ảo (trong toán học đơn vị ảo ký hiệu là i,ở đây để khỏi nhầm lẫn với dòng điện i, ta ký hiệu là j) b Dạng mũ
Trong đó: C là mô đun (độ lớn); α là acgumen (góc) c Đổi từ dạng mũ sang dạng đại số
C = Ce jα = C∠α = a +jb a = Ccosα; b = Csinα; d.Đổi từ dạng đại số sang dạng mũ a + jb = Ce jα
Việc đổi này có thể thực hiện dễ dàng trên máy tình
3.2 Một số phép tính đối với số phức a.Cộng, trừ
Gặp trường hợp phải cộng,(trừ) số phức, ta biến đổi chúng về dạng đại số, rồi cộng (trừ) phần thực với phần thực, phần ảo với phần ảo
Khi phải nhân, chia, ta nên đưa về dạng mũ: Nhân (chia) hai số phức, ta nhân (chia) môđun còn acgumen (góc) thì cộng (trừ) cho nhau.
Nhân cũng có thể thực hiện dưới dạng đại số như bình thường
(a + jb)(c + jd) = ac + jbc + jad +j2ad = (ac- bd) + j(bc + ad) vì j 2 =-1
3.3 Biểu diễn các đại lượng điện hình sin bằng số phức
Cách biểu diễn các đại lượng điện hình sin bằng số phức như sau:
Môđun (độ lớn) của số phức là trị số hiệu dụng; acgumen (góc) của số phức là pha ban đầu
Dòng điện phức: I ˙ = I∠φi Điện áp phức : U ˙ = U∠φu
Tổng trở phức của nhánh R, L,C nối tiếp
3.4 Viết các định luật dưới dạng số phức a Định luật ôm
I ˙= U Z ˙ b Định lụât Kiecshop 1 cho một nút
❑ I ˙ = 0 c Định lụât Kiecshop 2 cho mạch vòng kín machvòng ∑
Các quy ước về dấu tương tự như đã làm ở mạch điện một chiều, điều chú ý ở đây là các đại lượng phải viết dưới dạng số phức
Ví dụ 7: Chuyển các biểu thức sau sang dạng số phức i=√ 2.sin100 πt (A), u"0.sin(100 πt +30 0 )(V), e0.sin(100 πt −60 0 )(V)
Công suất dòng điện hình sin
Trong mạch điện xoay chiều R, L, C nối tiếp có 2 qúa trình năng lượng sau:
- Quá trình tiêu thụ điện năng và biến đổi sang dạng năng lượng khác. Thông số đặc trưng cho qúa trình này là điện trở R.
- Qúa trình trao đổi, tích luỹ năng lượng điện từ trường trong mạch Thông số đặc trưng cho qúa trình này là điện cảm L và điện dung C.
Tương ứng với 2 quá trình ấy, người ta đưa ra khái niệm công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q.
Công suất tác dụng P là công suất điện trở R tiêu thụ, đặc trưng cho qúa trình biến đổi điện năng sang dạng năng lượng khác.
Từ đồ thị vectơ hình 3.13
UR = RI = Ucos Thay vào ta có:
Công suất tác dụng là công suất trung bình trong một chu kỳ.
4.2.Công suất phản kháng: Để đặc trưng cho cường độ quá trình trao đổi, tích luỹ năng lượng điện từ trường, người ta đưa ra khái niệm công suất phản kháng
UX = XI = Usin Thay vào ta có:
Nhìn vào biểu thức trên thấy rõ công suất phản kháng của mạch gồm:
QL = XLI2 Công suất phản kháng của điện dung Qc
4.3.Công suất biểu kiến: Để đặc trưng cho khả năng của thiết bị và nguồn thực hiện hai qúa trình năng lượng xét ở trên, người ta đưa ra khái niệm công suất biểu kiến S được định nghĩa như sau:
Biểu thức của P, Q có thể viết theo S như sau:
Từ 2 công thức này thấy rõ, cực đại của công suất tác dụng P (khi cos
= 1), cực đại của công suất phản kháng Q (khi sin = 1) là công suất biểu kiến
S Vậy S nói lên khả năng của thiết bị Trên nhãn của máy phát điện, máy biến áp, người ta ghi công suất biểu kiến S định mức.
Quan hệ giữa P, Q, S được mô tả bằng một tam giác vuông (hình 3.16) trong đó S là cạnh huyền, P, Q là 2 cạnh góc vuông.
P, Q, S có cùng thứ nguyên, song để phân biệt ta cho các đơn vị khác nhau: Đơn vị của P: W, kW, MW Đơn vị của Q: VAr, kVAr, MVAr Đơn vị của S: VA, kVA, MVA
Phương pháp nâng cao cos ϕ
Hệ số cos ϕ là chỉ tiêu kỹ thuật rất quan trọng nó có ý nghĩa rất lớn về mặt kinh tế:
- Mỗi một máy điện được chế tạo với một công suất biểu kiến nhất định
Sđm, từ đó nó có thể cung cấp một công suất tác dụng P = Sđm.cos ϕ
- Nếu cos ϕ =1→ P = Sđmlà công suất lớn nhất mà máy có thể cung cấp.
- Nếu cos ϕ giảm, khả năng phát công suất P giảm Do vậy muốn tận dụng khả năng làm việc của thiết bị thì cos ϕ phải lớn,vì P là hằng số→I P
U.cosϕ, cos ϕ ↓,→ I↑ ,→dẫn đến tác hại.
- Dòng điện lớn phải dùng dây dẫn lớn, làm tăng kim loại màu và vốn dầu tư xây dựng đường dây
- Tổn hao năng lượng trên dây dẫn tỷ lệ với bình phương dòng điện ΔA = RI 2 t → I ↑→ ΔA ↑↑
5.2.Biện pháp nâng cao cos ϕ :
Ta có: cos ϕ √ P 2 P + Q 2 →muốn năng cao cos ϕ phải tìm cách giảm Q
ZL: tải điện cảm (trong sinh hoạt và công nghiệp ZL là chủ yếu)
Muốn ZL↓, không sử dụng các thiết bị có tính chất cảm kháng làm việc ở chế độ không tải hoặc non tải.
Muốn ZC↑ dùng tụ điện mắc song song tải (biện pháp bù)
Khi chưa mắc tụ điện dòng điện trên đường dây I = dòng điện qua tải I1→ hệ số công suất của mạch là cosϕ 1 Khi có tụ bù (mắc tụ // mạch ) dòng điện trên đường dây sẽ là: I
I làm bóng đèn sáng, chạy qua động cơ => làm động cơ quay như vậy dòng điện đã sinh ra công. Công của dòng điện gọi là điện năng, ký hiệu là W, Công thức tính điện năng là:
W = U x I x tTrong đó W là điện năng tính bằng June (J)
U là điện áp tính bằng Vol (V)
I là dòng điện tính bằng Ampe (A) t là thời gian tính bằng giây (s)
Trong thực tế ta thường dùng đơn vị Wh, KWh ( Kilo wat giờ)
Công suất của dòng điện là điện năng tiêu thụ trong một giây, công suất được tính bởi công thức:
P = W / t = (U I t ) / t = U.I Theo định luật ôm ta có P = U.I = U 2 / R = R.I 2
Trong mạch điện một nhánh, một phần tử có thể nhận năng lượng hoặc phát năng lượng.
Công suất của nguồn sức điện động là: P = E.I
Công suất của mạch ngoài là: P = U.I Đơn vị công suất là Walt, ký hiệu là (W)
3 Các phép biến đổi tương đương.
Trong thực tế đôi khi cần làm đơn giản một phần mạch thành một mạch tương đương đơn giản hơn Việc biến đổi mạch tương đương thường được làm để cho mạch có ít phần tử, ít số nút, ít số vòng và nhánh hơn mạch trước đó làm giảm đi số phương trình phải giải.
Mạch tương đương được định nghĩa như sau:
Hai mạch được gọi là tương đương nếu quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên các cực của hai phần tử là như nhau.
Một phép biến đổi tương đương sẽ không làm thay đổi dòng điện và điện áp trên các nhánh ở các phần của sơ đồ không tham gia vào phép biến đổi.
Sau đây là một số phép biến đổi tương đương thông dụng :
3.1 Điện trở ghép nối tiếp, song song
3.1.1 Điện trở ghép nối tiếp: Điện trở ghép nối tiếp sẽ tương đương với một phần tử điện trở duy nhất có trị số bằng tổng các điện trở các phần tử đó.
Hình 1.6 Công thức: Rtđ = R1+R2 + …+Rn
Ví dụ: Cho 3 điện trở mắc nối tiếp:
Tính điện trở tương đương?
Lời giải Điện trở tương đương: Rtđ = 3+2+5 = 10 (Ω)
3.1.2 Điện trở ghép song song Điện trở ghép song song sẽ tương đương với một phần tử điện trở duy nhất có điện dẫn bằng tổng điện dẫn các phần tử đó (với g 1
Ghi chú : Đối với 2 điện trở R1, R2 ghép song song biến đổi thanh 1 điện trở tương đương ta áp dụng công thức: Rtđ = R R 1 R 2
Ví dụ: Để có điện trở tương đương 150Ω, người ta đấu song song hai điện trở R1 330Ω và R2.
Từ công thức tính điện trở tương: Rtđ = R R 1 R 2
Suy ra điện trở R2 có giá trị: R2 = R R 1 R tđ
Các điện trở đấu sao là 3 điện trở có 1 đầu ghép chung gọi là điểm trung tính, 3 đầu còn lại vào 3 điểm khác nhau của mạch điện.