Giáo trình giải quyết các vấn đề trong mạch điện nghề kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ ĐIỆN VÀ XÂY DỰNG BẮC NINH GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: GIẢI QUYẾT CÁC VẤN ĐỀ TRONG MẠCH ĐIỆN NGHỀ: KỸ THUẬT MÁY LẠNH VÀ ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG, TRUNG CẤP (Ban hành kèm theo Quyết định số:… /QĐ-CĐXD-ĐTHTQT ngày…… tháng……năm 2023 Hiệu trưởng trường Cao đẳng Cơ điện Xây dựng Bắc Ninh) Bắc Ninh, năm 2023 Giải vấn đề mạch điện TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục tích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Giải vấn đề mạch điện môn học sở nghề KTML&ĐHKK thực sau học sinh học xong mơn học chung, mơn An tồn vệ sinh lao động Giáo trình Giải vấn đề mạch điện biên soạn dựa chương trình khung nhà trường dung cho nghề Kỹ thuật máy lạnh điều hịa khơng khí áp dụng cho hệ Cao đẳng Trung cấp Giáo trình biên soạn làm tài liệu học tập, giảng dạy nên giáo trình xây dựng mức độ đơn giản dễ hiểu Nội dung giáo trình biên soạn với nội dung gồm chương Chương 1: Các khái niệm điện mạch điện Chương 2: Định luật ôm, điện Chương 3: Các hiệu ứng dòng điện Chương 4: Nguồn lượng chuyển hóa lượng Chương 5: Mạch điện nối tiếp Nội dung giáo trình nhằm cung cấp cho người học kiến thức cần thiết để xử lý vấn đề mạch điện chiều điện áp thấp theo quy trình kỹ thuật đảm bảo an toàn cho người thiết bị Mặc dù giáo trình tham khảo nhiều tài liệu kế thừa kinh nghiệm giảng dạy lần biên soạn khó tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận nhiều ý kiến đóng góp thầy giáo, bạn đọc để giáo trình hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn! Bắc Ninh, ngày tháng năm 2023 Tham gia biên soạn Chủ biên Lê Minh Cường -2- Giải vấn đề mạch điện MỤC LỤC TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN - LỜI GIỚI THIỆU - Chương 1: NHỮNG KHÁI NHIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN - 1.1 Mạch điện mơ hình: - 1.1.1 Mạch điện: - 1.1.2 Các tượng điện từ - 1.1.3 Mô hình mạch điện - 1.2 Các khái niệm mạch điện - 11 1.2.1 Dòng điện chiều quy ước mạch điện - 11 1.2.2 Cường độ dòng điện - 13 1.2.3 Mật độ dòng điện - 13 1.2.4 Điện áp u(t) - 14 1.2.5 Công suất - 15 1.3 Các phép biến đổi tương đương - 15 1.3.1 Nguồn áp ghép nối tiếp - 15 1.3.2 Nguồn áp mắc song song : - 16 1.3.3 Biến đổi nguồn tương đương - 16 Chương : ĐỊNH LUẬT ÔM, ĐIỆN NĂNG - 19 2.1 Định luật Ohm - 19 2.1.1 Định luật Ohm cho đoạn mạch - 19 2.1.2 Định luật Ohm cho toàn mạch - 20 2.2 Công suất điện mạch điện chiều - 22 2.3 Định luật Jun – Lenz - 22 2.4 Định luật Faraday - 23 2.5 Điện - 26 2.5.1 Khái niệm: - 26 2.5.2 Cơng thức tính điện tiêu thụ: - 26 2.5.3 Cách tiết kiệm điện năng: - 27 2.6 Năng lượng: - 27 2.7 Cơng dịng điện: - 27 2.8 Công suất dòng điện: - 28 -3- Giải vấn đề mạch điện Chương 3: CÁC HIỆU ỨNG CỦA DÒNG ĐIỆN - 31 3.1 Tác động sinh lý dòng điện: - 31 3.2 Các nguyên tắc tạo dòng điện: - 32 3.3 Cách sử dụng tác động dòng điện phổ biến: - 32 3.3.1 Tác dụng nhiệt: - 33 3.3.2 Tác dụng phát sáng: - 33 3.3.3 Tác dụng hóa học: - 33 3.3.4 Tác dụng sinh lý: - 34 3.3.5 Tác dụng từ: - 34 3.3.6 Tác dụng dịng điện mơi trường nước: - 35 3.3.7 Tác dụng dòng điện mơi trường khí: - 35 3.3.8 Tác dụng dịng điện mơi trường chân khơng: - 36 3.3.9 Ứng dụng dòng điện van điện từ: - 36 3.4 Cơ chế khiến kim loại bị ăn mòn - 37 3.4.1 Khái niệm: - 37 3.4.2 Hai dạng ăn mòn kim loại: - 37 3.4.3 So sánh ăn mịn hóa học ăn mịn điện hóa học - 38 3.5 Chống ăn mòn kim loại - 39 3.5.1 Phương pháp bảo vệ bề mặt: - 39 3.5.2 Phương pháp điện hóa: - 40 3.6 Bảo vệ mạch điện - 40 3.7 Thiết bị bảo vệ: - 40 3.7.1 Cầu chì - 40 3.7.2 Nam châm điện - 41 3.7.3 Rơ le dòng điện - 42 3.7.4 Rơ le điện áp - 42 3.7.5 Rơ le nhiệt - 43 3.7.6 Thiết bị chống dò - 43 Chương 4: NGUỒN NĂNG LƯỢNG VÀ SỰ CHUYỂN HÓA - 44 NĂNG LƯỢNG - 44 4.1 Những khái niệm từ trường: - 44 4.1.1 Lực từ cực nam châm: - 45 4.1.2 Lực điện từ: - 45 4.1.3 Cảm ứng điện từ: - 46 -4- Giải vấn đề mạch điện 4.2 Cường độ từ cảm, cường độ từ trường, từ thông - 46 4.2.1 Véc tơ cường độ từ cảm 𝑩 - 46 4.2.2 Véc tơ cường độ từ trường 𝑯 - 46 4.2.3 Từ thông : - 47 4.3 Vật liệu sắt từ: - 48 4.4 Định luật cảm ứng điện từ - 49 4.4.1 Sức điện động cảm ứng từ từ thơng xun qua vịng dây biến thiên - 49 4.4.2 Sức điện động cảm ứng dẫn chuyển động từ trường - 51 4.5 Lực điện từ - 52 4.6 Định luật mạch từ - Tính tốn mạch từ - 53 4.6.1 Định luật dịng điện tồn phần áp dụng cho mạch từ: - 53 4.6.2 Định luật Ôm cho mạch từ: - 56 Chương 5: MẠCH ĐIỆN NỐI TIẾP - 60 5.1 Các phương pháp giải mạch điện chiều - 60 5.1.1 Phương pháp biến đổi điện trở - 60 5.1.2 Phương pháp xếp chồng - 66 5.1.3 Các phương pháp ứng dụng định luật Kirchooff - 68 5.2 Dòng điện xoay chiều hình sin - 78 5.2.1 Khái niệm dòng điện xoay chiều - 78 5.3 Giải mạch xoay chiều không phân nhánh - 85 5.3.1 Giải mạch R-L-C - 85 5.3.2 Giải mạch có nhiều phần tử mắc nối tiếp - 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO - 102 - -5- Giải vấn đề mạch điện GIÁO TRÌNH MƠN HỌC Tên mơn học: Giải vấn đề mạch điện Mã môn học: MH 11 Vị trí, tính chất mơn học: - Vị trí: Mơn học giải vấn đề mạch điện môn học sở nghề Kỹ thuật máy lạnh Điều hịa khơng khí thực sau học sinh học xong môn học chung môn như; MĐ 07, MH 08, MH09, MH10 - Tính chất: Là Mơn học thuộc nhóm mơn sở để thực môn học chuyên ngành Môn học khái quát tượng toán mạch điện Mục tiêu môn học: - Về kiến thức: Trang bị cho người học phương pháp giải vấn đề mạch điện chiều điện áp thấp - Về kỹ năng: Xử lý vấn đề mạch điện chiều điện áp thấp theo quy trình kỹ thật đảm bảo an toàn cho người thiết bị - Về lực tự chủ trách nhiệm: + Làm việc độc lập làm việc theo nhóm, giải vấn đề phức tạp điều kiện làm việc thay đổi; + Hướng dẫn giám sát người khác thực nhiệm vụ xác định, chịu trách nhiệm với kết công việc thân nhóm; + Lập kế hoạch, điều phối quản lý nguồn lực, đánh giá chất lượng cơng việc sau hồn thành kết thực thành viên nhóm Nội dung môn học: Chương 1: NHỮNG KHÁI NHIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN Giới thiệu: Chương cung cấp kiến thức khái niệm mạch điện dòng điện, cường độ dịng điện, điện áp, cơng suất phép biến đổi tương đương Mục tiêu: - Trang bị cho người học khái niệm chung mạch điện; - Hiểu khái niệm mạch điện bản; - Nghiêm túc, tỉ mỉ, chủ động, sáng tạo học tập cơng việc Nội dung chính: -6- Giải vấn đề mạch điện 1.1 Mạch điện mơ hình: 1.1.1 Mạch điện: a Khái niệm : Mạch điện tập hợp thiết bị điện nối ghép với dây dẫn tạo thành vịng kín, q trình truyền đạt lượng điện từ thực nhờ phân bố dịng áp nhánh Ví dụ mạch điện hình vẽ 1.1: Hình 1.1: Sơ đồ mạch điện đơn giản b Cấu trúc mạch điện Mạch điện gồm phần tử sau: Nguồn điện, phụ tải (tải), dây dẫn * Nguồn điện : - Về nguyên lý, nguồn điện thiết bị biến đổi dạng lượng : Cơ năng, hoá năng, nhiệt v.v thành điện Ví dụ: Máy phát điện, pin, ắc qui v.v… Trên mạch điện, nguồn điện biểu thị sức điện động (sđđ); ký hiệu E biểu diễn sau: + Nguồn chiều : - + E e E Nguồn xoay chiều : * Dây dẫn Dây dẫn để dẫn dòng điện (truyền tải lượng điện) từ nguồn đến vật tiêu thụ điện * Phụ tải (thiết bị tiêu thụ điện) Là thiết bị tiêu thụ điện biến đổi điện thành dạng lượng khác năng, nhiệt năng, quang v.v… -7- Giải vấn đề mạch điện Ví dụ : Động điện tiêu thụ điện biến điện thành Bàn là, bếp điện biến điện thành nhiệt Bóng đèn biến điện thành quang c Phần tử phụ trợ Các phần tử phụ trợ bao gồm thiết bị đo lường, đóng cắt bảo vệ Các thiết bị đo lường : Đồng hồ Vôn kế, Ampe kế, công tơ điện v.v… Các thiết bị đóng cắt: Cầu dao v.v… Các thiết bị bảo vệ: áp tơ mát, cầu chì, rơle nhiệt v.v… 1.1.2 Các tượng điện từ Xét theo quan điểm lượng trình điện từ mạch điện quy hai tượng lương bản: Hiện tượng biến đổi lượng Hiện tượng tích phóng lượng điện từ 1.1.2.1 Hiện tượng biến đổi lượng a Biến đổi thành điện Là tượng biến lượng thành dạng lượng điện từ Hiện tượng phát tương ứng với nguồn phát b Biến đổi điện thành Năng lượng điện từ đưa vào vùng chuyển biến thành (hoặc nhiệt năng, quang ) tiêu tán đi, khơng hồn ngun lại VD : bếp điện, bóng đèn , động kéo 1.1.2.2 Hiện tượng tích phóng lượng - Hiện tượng tích phóng kho điện: Năng lượng điện từ tích vào vùng tập trung điện trường lân cận tụ điện đưa từ vùng trả lại trường điện từ - Hiện tượng tích phóng kho từ: Năng lượng điện từ tích vào vùng tập trung từ trường lân cận cuộn dâycó dịng điện đưa trả từ vùng 1.1.3 Mơ hình mạch điện 1.1.3.1 Phần tử điện trở Là phần tử tiêu tán Khi có dịng điện chạy qua vật dẫn điện làm cho vật nóng lên có chuyển hóa điện thành nhiệt VD: bếp điện, bàn ĐN: Điện trở phần tử đo khả R a b tiêu tán vật dẫn Ký hiệu: R , r (hình 1.2 ) Đơn vị: Ω Hình 1.2 -8- Giải vấn đề mạch điện 1.1.3.2 Phần tử điện cảm - Khái niệm điện cảm: Khi cho dòng điện i chạy qua cuộn dây có số vịng W vùng lân cận cuộn dây xuất từ trường thể lượng từ thông (thông lượng)  = W móc vịng qua cuộn dây (hình 1.3a) tích lũy khơng gian lân cận cuộn dây lượng từ trường WM Khi dòng điện i thay đổi từ thơng  cũngg thay đổi, nghĩa   f i( t ) i u w  a) L iL b) uL Hình 1.3  i gọi điện cảm có i đơn vị henri (H = 103 mH) Nó đặc trưng cho phản ứng từ thông tác dụng dịng điện kích thích Trên sơ đồ điện cảm ký hiệu hình 1.3b Tỷ số L  Quan hệ điện áp với dòng điện: Được xác định theo định luật Lenxơ : u L  eL  L diL dt (1 – ) Công suất điện từ tích lũy khơng gian lân cận cuộn dây: diL2 PM  uLiL  L 2dt (1 – ) 1.1.3.3 Phần tử điện dung q -q + - Khái niệm điện dung: Khi đặt điện a) áp uC vào hai cực tụ điện + cực tụ tích điện tích q trái dấu (hình 1.4a), điện mơi hai cực có điện trường tích chứa lượng b) WE, điện áp thay đổi điện tích q cũngg q thay đổi, nghĩa q  f [u ( t )] Tỷ số C  , có u c Hình 1.4 đơn vị Fara (1F = 106 μF) Nó đặc trưng cho phản ứng nạp điện tích q cực tụ điện dưới tác dụng điện áp kích thích Trên sơ đồ điện dung C ký hiệu hình 1.4b Quan hệ điện áp dòng điện: Theo định luật dòng điện chuyển dịch: iC  C duC dt (1 – ) Công suất điện trường tích lũy điện mơi cực tụ điện: duC2 PE  uC iC  C 2dt (1 – ) Chú ý: * Nếu r, L, C số gọi phần tử tuyến tính -9- Giải vấn đề mạch điện * Nếu r, L, C khác số gọi phần tử phi tuyến 1.1.3.4 Phần tử nguồn a Phần tử nguồn độc lập: 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 e(t) b a 1.5a ) + a) - Nguồn áp: Nguồn điện áp u(t) hay u(t) nguồn sđđ e(t) có chiều ngược nhau, thơng số đặc trưng cho khả sinh j(t) trì hai cực nguồn b a điện áp biến thiên theo thời gian theo  b) quy luật đó, khơng phụ thuộc u(t) vào mạch ngồi Hình 1.5 Thường biểu điễn nguồn áp nguồn sđđ ký hiệu hình 1.5a, có mũi tên hướng từ điểm có điện thấp đến điểm có điện cao Nghĩa là: e ab = φb – φa = uba = - uab (1–5) Chiều dương dòng điện chạy nguồn phụ thuộc vào chế độ làm việc nguồn: Khi nguồn phát lượng chiều dịng điện nguồn chiều với sđđ, nguồn nhận lượng chiều dịng điện ngược chiều với sđđ Ta thường chọn chiều dòng điện nguồn trùng với chiều sđđ để tiện cho việc tính tốn cơng suất nguồn pf = eabiab ( - ) + Phần tử nguồn dòng j(t) - Ký hiệu phần tử nguồn dịng ( hình 1-5b ) - Nguồn dịng điện j(t): Là thông số đặc trưng cho khả đưa trì mạch ngồi dịng điện biến thiên theo thời gian theo quy luật khơng phụ thuộc vào mạch ngồi Ký hiệu nguồn dịng hình 1.4b, mũi tên kép chiều nguồn dịng Cơng suất nguồn dịng phát tính p(t) = u(t).j(t) (1 - 7) Chú ý: Theo định nghĩa nguồn điện ta thấy nguồn áp có tổng trở khơng cịn nguồn dịng có tổng trở vơ b Phần tử nguồn phụ thuộc: phần tử nguồn mà chúng phụ thuộc vào dịng điện hay điện áp mạch + Phần tử nguồn áp phụ thuộc áp: u1: (hình 1.6a) : Nguồn áp u2 phụ thuộc vào u1 mạch Hình 1.6a Với u2 = α.u1 ; α: không thứ nguyên - 10 - Giải vấn đề mạch điện i  0,48 2Sin(314t  300 ) A P  U I  231.0,48  110W  - Cơng suất tiêu thụ bóng đèn: Hoặc P = I2.r = 484.(0,48)2 = 110(W) Điện tiêu thụ: WĐ = P.t = 110.4 = 440 Wh = 0,44 KWh 5.3.1.2 Mạch điện xoay chiều cảm a Mạch điện: Mạch điện xoay chiều cảm (hình 5.41) U mạch điện xét đến thành phần điện cảm L, bỏ qua thành phần R C b Tính chất * Quan hệ dịng điện điện áp i L Hình 5.41 Giả sử đặt vào nhánh cảm L (hình 5.41) điện áp xoay chiều u làm xuất dòng điện xoay chiều i = Im.sint, biến thiên qua cuộn dây tạo nên sức điện động tự cảm eL tỷ lệ với tốc độ biến thiên dòng điện: eL   L i t (5-24)  i   đạt giá trị cực đại điểm  t  Tốc độ biến thiên dòng điện  i=0 đạt giá trị cực tiểu i đạt giá trị cực đại Áp dụng định luật kiêcShôp II cho mạch: u + eL = ir = (vì r coi 0), từ ta có: u = - eL (5-25) Mà eL= - ELm.cost (5-26) với ELm = .L.Im biên độ sức điện động (3.31) So sánh u = -eL eL= - ELm.cost với cost  Sin(t   ) Ta có: u = Um Sin(t   ) (5-27) Hình 5.42 - 88 - Giải vấn đề mạch điện So sánh biểu thức u i ta thấy mạch xoay chiều điện cảm áp vượt pha trước dịng điện góc п/2 hay 900 Trong mạch xoay chiều điện cảm, u eL hai đại lượng đối pha biên độ * Định luật Ôm- Cảm kháng Ở biểu thức eL= - ELm.cost u = Um Sin(t   ) ta thấy biên độ ELm Um phụ thuộc vào hệ số tự cảm L, tốc độ biến thiên dịng điện i Nếu tần số ự lớn chu kỳ T bé nên dòng điện biến thiên nhanh, độ  i    lớn  t  Như vậy, biên độ suất điện động tự cảm E Lm tỉ lệ với biên độ dòng điện, tần số góc hệ số tự cảm: ELm = Um = L ωUm  I m  Um L , lượng Lự có vai trị điện trở mạch trở Do đó, Lự gọi trở kháng điện cảm mạch xoay chiều, hay gọi tắt cảm kháng (đơi cịn gọi điện kháng), ký hiệu XL XL = Lω = 2πfL (5-28) Cảm kháng tỉ lệ với hệ số tự cảm tần số dòng điện xoay chiều Um Từ Im = Um chia vế cho XL ta được: Im  I  U XL XL (5-29) Định luật: Trong nhánh cảm, trị số hiệu dụng dòng điện tỷ lệ thuận với trị số hiệu dụng điện áp tỷ lệ nghịch với cảm kháng nhánh I Biểu thức U XL Trong đó: U điện áp hiệu dụng (V) I dòng điện hiệu dụng (A) XL cảm kháng () c Công suất Công suất tức thời : p = u.i = Um.Im.sin(t +  ).sint = Um.Im.cost.sint = U.I.sin2t (5-30) (Dùng công thức biến đổi cost.sint = sin2t) - 89 - Giải vấn đề mạch điện Cơng suất tức thời hình sin có tần số gấp đơi tần số dịng điện Từ đồ thị cơng suất (hình 5.43) ta thấy - Ở 1/4 chu kỳ thứ thứ ba u, i dấu nên p = u.i > Cuộn cảm nhận lượng nguồn tích luỹ p,i i p T/2 T t dạng từ trường WM = Li2 Hình 5.43 - Ở 1/4 chu kỳ thứ hai thứ tư u, i trái dấu nên p = u.i < Cuộn cảm trả lại lượng cho nguồn WM = (năng lượng cuộn dây 0) Như vậy: Nhánh cảm không tiêu thụ lượng mà có trao đổi lượng nguồn từ trường Để đặc trưng cho mức độ trao đổi lượng mạch người ta dùng đại lượng gọi công suất phản kháng (hay công suất vô công), ký hiệu Q QL = U.I = I2.XL = U2 (Đơn vị VAR) XL (5-31) (Bội số 1KVAR = 103VAR; 1MVAR = 103KVAR) Điện vô công WX = Q.t ( đơn vị VARh) (Bội số 1KVARh = 103VARh; 1M VARh = 103KVARh) d.Ví dụ: Cuộn dây có hệ số tự cảm L = 31,84 mH, điện trở không đáng kể, đặt vào điện áp xoay chiều: u = 220 sin314t V Tìm dòng điện mạch Giải Từ biểu thức điện áp ta có: ω= 314 rad/s ; Um = 220 (V)  U = 220 (V) Cảm kháng mạch: XL = ωL = 314 31,84.10-3 =10 (Ω) Hiệu dụng dòng điện là: I  U 220   22 (A) XL 10 Dòng điện chậm pha sau điện áp góc  hay 900 Biết góc pha đầu điện áp  hay -900  Vậy biểu thức dòng điện là: i = 220 sin(314t - ) (A) nên góc pha đầu dịng điện - - 90 - Giải vấn đề mạch điện 5.3.1.3 Mạch điện xoay chiều dung a) Mạch điện: Mạch có thành phần điện dung C, bỏ qua thành phần điện cảm, điện trở tổn hao gọi mạch dung (hình 5.44) b, Tính chất * Quan hệ dịng điện điện áp i C U Hình 5.44 Giả sử đặt vào mạch điện (hình 5.44) điện áp xoay chiều u=Umsint Vì mạch có thành phần tụ điện nên điện áp nguồn đặt toàn vào tụ uc=u Trong mạch có dịng điện qua tụ i  q mặt khác ta có : Điện tích cực tụ q=c.uc=c.u i  C u t t ta có i tỷ lệ với độ biến thiên điện áp Thay u vào biểu thức ta có i  C U m sin t  t Dòng điện qua tụ tỉ lệ với điện dung tụ tỉ lệ với tốc độ biến thiên điện áp Để xét trình xảy mạch, ta chia chu kỳ thành nhiều khoảng ∆t xét tốc độ biến thiên trung bình khoảng ∆t (hình 5.45) Hình 5.45 + Ở phần tư chu kỳ thứ điện áp, điện áp tăng từ lên cực đại, tụ bắt đầu trình nạp điện, từ đồ thị ta thấy số điện áp dương giảm dần ∆u1>∆u2>∆u3… >∆un>0  u1  u   t t u n 0 t Dòng điện qua tụ dương giảm dần trị số từ cực đại 0, 1/4 chu kỳ dòng điện áp chiều + Ở 1/4 chu kỳ thứ điện áp, điện áp dương giảm từ cực đại 0, số điện áp âm có trị số tăng dần ∆u  φ > 0, mang tính cảm, điện áp vượt pha trước dịng điện góc φ = 900 - Nếu XL < XC UL < UC tg φ <  φ < 0, mang tính dung, điện áp chậm sau dịng điện góc φ = 900 Nếu biết điện áp chung U góc lệch pha φ ta xác định điện áp thành phần Ta có: cos  U R  U R  U cos (5-40) UX  U X  U sin  U (5-41) U sin   * Định luật ôm- Tổng trở – Tam giác trở kháng Từ biểu thức: U  U R2  U L  U C   IR 2  IX L  IX C 2  U  I R2  X L  X C  Lượng R   X L  X C 2 có vai trò điện trở mạch, ta gọi trở kháng toàn phần (tổng trở), ký hiệu Z đơn vị (Ω) Z  R   X L  X C   U  IZ  I U Z (5-42) Định luật ôm: Hiệu dụng dòng điện xoay chiều tỉ lệ thuận với hiệu dụng điện áp đặt vào nhánh, tỉ lệ nghịch với tổng trở nhánh Lượng XL - XC gọi trở kháng phản kháng ký hiệu X; X  X L  X C  2fL  2fC từ ta có điện áp phản kháng mạch UX = UL - UC = I(XL - XC) Chia cạnh tam giác điện áp cho dòng điện ta có tam giác đồng dạng có ba cạnh ba thành phần trở kháng gọi tam giác trở kháng hay tam giác tổng trở (hình 5.49) R φ Z X X Z φ R Hình 5.49 Cạnh huyền: U Z I ; hai cạnh góc vng: UR U  R; X  X I I - 95 - Giải vấn đề mạch điện Trong đó, Z thành phần tổng trở; R trở kháng tác dụng; X trở kháng phản kháng c Công suất – Tam giác công suất Từ tam giác điện áp, lấy cạnh nhân với dịng điện tam giác đồng dạng có cạnh ba thành phần công suất, gọi tam giác cơng suất (hình 5.50) UI =S (Với S = UI = I2 Z) S Q UI cos φ = I R = P UIsin φ = I2X =Q φ Q = QL – QC = I2(XL - XC) (5-43) Trong đó: S cơng suất biểu kiến, đơn vị VA; P KVA P công suất tác dụng, đơn vị W; KW; Hình 5.50 MW Q công suất phản kháng, đơn vị VAR; KVAR Từ tam giác công suất biết hai thành phần P Q, ta xác định công suất tồn phần S góc pha ử, nhờ hệ thức: S P2  Q2  tg  Q QL  QC  P P P  Q L  QC  (5-44) (5-45) Nếu biết công suất tồn phần S góc pha φ, ta xác định cơng suất tồn phần: P = S cos φ; Q = S.sin φ Chú ý: Nếu mạch điện xoay chiều có tổng trở mắc nối tiếp mối quan hệ đại lượng mạch xác định sau: Giả sử mạch điện có hai tổng trở Z1, Z2 mắc nối tiếp Z1 có thành phần tác dụng r1, thành phần phản khỏng X1; tương tự Z2 có r2 X2 Dịng điện qua Z1 tạo sụt ỏp u1 với hai thành phần: u1r đồng pha với i, u1X lệch pha với i gúc 900 Tương tự, dòng điện qua Z2 tạo sụt u2 với hai thành phần: u2r đồng pha với i, u2X lệch pha với i gúc 900 Điện áp chung: u = u1 + u2 Hay U  U  U Điện áp chung cũngg có hai thành phần Ur UX xác định sau: Ur = U1r + U2r = I(r1 + r2) = Ir UX = U1X + U2X = I(X1 + X2) = IX - 96 - Giải vấn đề mạch điện Ở đây, r = r1 + r2 X= X1 + X2 trở kháng tác dụng phản kháng chung, tổng trở kháng tác dụng phản kháng tổng trở Trường hợp tổng quát ta có: r = r1 + r2 +……+ rn = ∑ri (5-46) X = X1 + X2 +……+ Xn = ∑Xi (5-47) Từ đó, tổng trở chung mạch Z  r  X (5-48) Góc lệch pha dịng điện điện áp chung mạch: tg  X r (5-49) Các thành phần tam giác trở kháng công suất xác định từ tam giác điện áp Ví dụ: Cho mạch điện R – L – C mắc nối tiếp có: r = 12 Ω, L = 160 mH, C = 127 μF Đặt vào mạch điện nguồn điện xoay chiều có điện áp U = 127 V, tần số f = 50 Hz Tính dịng điện thành phần tam giác điện áp, tam giác công suất, vẽ đồ thị véctơ Giải Các thành phần trở kháng: XL = 2πfL = 2.3,14.50.160.10-3 = 50 (Ω) XC  1   25() 2fC 2.3,14.50.127.10 6 X = XL – XC = 50 – 25 = 25 (Ω) Z  r  X  12  25  27,7() Dòng điện mạch: I  U 127   4,6( A) Z 27,7 Các thành phần tam giác điện áp: + Điện áp điện trở: Ur = I.r = 4,6 12 = 55,2 (V) + Điện áp cuộn dây: UL = I.XL = 4,6.50 = 230 (V) + Điện áp tụ điện: UC = I.XC = 4,6.50 = 115 (V) + Điện áp phản kháng: UX = I.X = 4,6.25 = 115 (V) Góc lệch pha dịng áp: tg  φ =64020’ Hình 5.51 X 25   2,08    640 20' r 12 φ > 0, nên điện áp vượt pha trước dòng điện Đồ thị véc tơ vẽ (hình 5.51) Cơng suất tác dụng: P = I2r = 4,62.12 = 254 (W) Công suất phản kháng: Q = I2X = 4,62 25 = 529 (VAR) Công suất biểu kiến: S = IU = 4,6.127 = 534 (VA) - 97 - Giải vấn đề mạch điện 5.3.2.2 Mạch cộng hưởng Hiện tượng cộng hưỏng có nhiều ứng dụng kỹ thuật như: để tạo điện áp lớn (trên cuộn cảm hay tụ điện) điện áp nguồn bé, thường dùng thí nghiệm, dùng mạch lọc theo tần số, ứng dụng kỹ thuật nắn điện hay thông tin… Tuy nhiên, xảy cộng hưởng mạch điện khơng ứng với chế độ làm việc bình thường, dẫn đến hậu có hại như: điện áp cục cuộn dây hay tụ điện lớn, vượt trị số cho phép, làm nuy hiểm cho thiết bị người vận hành Bây giờ, nghiên cứu mạch cộng hưởng điện áp để làm rõ điều Cộng hưởng điện áp: a Hiện tượng tính chất: * Hiện tượng : Trong mạch điện xoay chiều không phân nhánh, thành phần U L UC ngược pha nhau, trị số chúng ngược dấu thời điểm có tác dụng bù trừ Nếu trị số hiệu dụng UL = UC chúng triết tiêu điện áp nguồn thành phần đặt vào điện trở U = UR , ta nói mạch có tượng cộng hưởng điện áp * Tính chất : Khi mạch cộng hưởng ta có : UL = UC => XL = XC Khi : Z  R2  X L  X C   R tg  X L  XC     R Kết luận : Trong mạch cộng hưởng điện áp dòng điện điện áp đồng pha nhau, tổng trở điện trở 𝑈𝐿ሶ 𝑈𝐶ሶ ሶ 𝑈𝐿 𝑈𝑅ሶ b) a) 𝑈𝐶ሶ Hình 5.52: a Đồ thị véc tơ mạch b Đồ thị hình sin mạch - 98 - Giải vấn đề mạch điện Ta có nhận xét sau: + Dịng điện mạch cộng hưởng : 𝐼 = với U cho 𝑈 𝑍 = 𝑈 𝑟 có giá trị lớn ứng + Nếu điện trở r nhỏ so với XL XC điện áp điện cảm UL điện dung UC lớn so với điện áp điện trở Ur (cũng điện áp nguồn U) Tỉ số XL hay XC với r gọi hệ số phẩm chất mạch cộng hưởng, ký hiệu q q X L IX L U L U L    r Ir Ur U (5-50) q X C IX C U C U C    r Ir Ur U (5-51) Hệ số phẩm chất q cho biết cộng hưởng, điện áp cục cuộn cảm hay tụ điện gấp lần điện áp nguồn + Công suất tức thời mạch, cuộn cảm tụ điện: pL=i.uL=-i.uC=-pC Như vậy, thời điểm pLvà pC trị số ngược dấu - Khi pL > 0, pC < nghĩa cuộn dây tích luỹ lượng từ trường tụ điện phóng lượng điện trường ngược lại Vậy, mạch cộng hưởng xẩy trao đổi lượng hoàn toàn điện trường từ trường lượng nguồn tiêu hao điện trở r b Điều kiện cộng hưởng Từ biểu thức: UL = UC  XL = XC, ta thấy mạch muốn xảy cộng hưởng cần thoả mãn điều kiện: L   , rút điều kiện cộng hưởng tần số: C  0 LC Lượng Mà f    gọi tần số góc riêng mạch LC (5-52)     f nên lưọng f   gọi tần số riêng 2 2 LC 2 LC 2 mạch Vậy, để có mạch cộng hưởng điện áp tần số riêng mạch với tần số nguồn điện, tức  = 0 hay f = f0 Dòng điện: I  U đạt giá trị lớn điểm cộng hưởng Z c Ứng dụng: - 99 - Giải vấn đề mạch điện Hiện tượng cộng hưởng điện áp có nhiều ứng dụng thực tế: - Chọn tần số cộng hưởng Radio tạo điện áp lớn cuộn cảm hay tụ điện điện áp nguồn nhỏ, dùng phịng thí nghiệm, mạch lọc theo tần số … - Tuy nhiên, xảy cộng hưởng mạch không ứng vối chế độ làm việc bình thường dẫn đến hậu có hại điện áp cục cuộn dây, tụ điện tăng trị số cho phép gây nguy hiểm cho người thiết bị CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG Câu hỏi Câu 1: Phát biểu định luật Kiêcshôp? Câu 2: Các bước giải mạch điện phương pháp dòng điện nhánh? Câu 3: Các bước giải mạch điện phương pháp điện điểm nút? Bài tập Bài 1: Một tải có điện trở R = 19 đấu vào nguồn điện chiều có E= 100V, điện trở r0 = 1 Tính dịng điện I, điện áp U cơng suất P tải Bài Cho nguồn điện chiều có sức điện động E = 50V; điện trở r0 = 0,1 Nguồn điện cung cấp cho tải có điện trở R Biết công suất tổn hao nguồn điện 10W Tính dịng điện I, điện áp U cực nguồn điện, điện trở R công suất P tải tiêu thụ Bài Một nguồn điện có sức điện động E điện trở r0 = 0,5, cung cấp điện cho tải có điện trở R Biết điện áp tải U = 95V; cơng suất tải tiêu thụ P = 950W Tính E R Bài Bốn điện trở R1, R2, R3, R4 mắc nối tiếp đầu vào nguồn điện áp U = 12V (điện trở khơng) Dịng điện mạch I= 25mA, điện áp điện trở R1, R2, R3 2,5V; 3V; 4,5V Bài Vẽ sơ đồ cách đấu dây, cách mắc ampe kế, vôn kế để đo đại lượng Tính điện áp U4 điện trở R4 Tính điện trở R1, R2, R3, R4 Bài 6.Để có điện trở tương đương 150, người ta đấu song song hai điện trở R1 = 330 R2 Tính R2 Bài Hai điện trở R1 = 100; R2 = 47 đấu song song, biết dòng điện mạch I = 100mA Tính dịng điện qua điện trở R1, R2 - 100 - Giải vấn đề mạch điện Bài Cho mạch điện hình vẽ (Hình 5.53) Hãy giải mạch điện phương pháp sau: R3 R1 A - Phương pháp dòng điện nhánh - Phương pháp điện nút (chọn điểm nút R2 E1 E3 B có điện khơng) B Cho: E1 = 200V, E2 = 170V ; R1 = 1, R2 = , R3 =  Hình 5.53 Bài : Cho mạch điện hình vẽ (Hình 5.54) E1= 15V, E2= 16V, E3= 16V A R1 = 1, R2 = , R3 = , R4=  a Tính dịng điện nhánh phương pháp điện áp nút b Tính cơng suất tiêu thụ nhánh 72 giờ? - 101 - I I I R1 R2 R3 E1 E2 E3 B Hình 5.54 I4 UAB R4 Giải vấn đề mạch điện TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Giáo trình Điện kỹ thuật, Trường Cao đẳng Cơ điện Xây dựng Bắc Ninh; [2] Giáo trình Mạch điện, Trường Cao đẳng Cơ điện Xây dựng Bắc Ninh; [3] Giáo trình Cơ sở kỹ thuật điện , Tổng cục dạy nghề 2015; [4] Kỹ thuật điện, Đặng Văn Đào, NXB giáo dục 1999; [5] Cơ sở kỹ thuật điện, Hoàng Hữu Thận, NXB Giao thông vận tải, 2000; [6] Cơ sở lý thuyết mạch, Nguyễn Bình Thành, Đại học Bách khoa Hà Nội, 1980 - 102 -