Giáo trình điện kỹ thuật (nghề điện tử dân dụng trình độ cao đẳng)

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 đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Điện kỹ thuật môn học sở của nghề Điện tử dân dụng biên soạn dựa theo chương trình khung đã xây dựng ban hành năm 2017 của trường Cao đẳng nghề Cần Thơ dành cho nghề Điện tử dân dụng hệ Cao đẳng Giáo trình biên soạn làm tài liệu học tập, giảng dạy nên giáo trình đã xây dựng mức độ đơn giản dễ hiểu, học có thí dụ tập tương ứng để áp dụng làm sáng tỏ phần lý thuyết Khi biên soạn, nhóm biên soạn đã dựa kinh nghiệm thực tế giảng dạy, tham khảo đồng nghiệp, tham khảo giáo trình có cập nhật kiến thức có liên quan để phù hợp với nội dung chương trình đào tạo phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung biên soạn gắn với nhu cầu thực tế Nội dung của mơn học gồm có chương: Chương 1: Tĩnh điện Chương 2: Mạch điện chiều Chương 3: Từ trường cảm ứng điện từ Chương 4: Dòng điện xoay chiều hình sin Chương 5: Mạch điện phi tuyến Giáo trình tài liệu giảng dạy tham khảo tốt cho nghề điện tử công nghiệp, điện tử, điện công nghiệp điện dân dụng Mặc dù đã cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng mục tiêu đào tạo không tránh thiếu sót Rất mong nhận đóng góp ý kiến của thầy, cơ, bạn đọc để nhóm biên soạn điều chỉnh hồn thiện Cần Thơ, ngày tháng năm 2018 Tham gia biên soạn Ths Chủ biên: Đỗ Hữu Hậu Ths Nguyễn Tuấn Khanh MỤC LỤC Trang TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN LỜI GIỚI THIỆU CHƯƠNG 1: TĨNH ĐIỆN Khái niệm điện trường Điện - Hiệu điện Tác dụng của điện trường lên vật dẫn điện môi CHƯƠNG 2: MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU 11 Khái niệm mạch điện chiều 11 Mơ hình mạch điện 12 Các định luật biểu thức mạch điện chiều 14 Các phương pháp giải mạch chiều 17 CHƯƠNG 3: TỪ TRƯỜNG VÀ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ 21 Đại cương từ trường 21 Từ trường của dòng điện 22 Các đại lượng đặc trưng của từ trường 22 Lực từ 24 Hiện tượng cảm ứng điện từ 25 Hiện tượng tự cảm hỗ cảm 28 CHƯƠNG 4: DỊNG ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN 32 Khái niệm dòng điện xoay chiều 32 Giải mạch điện xoay chiều không phân nhánh 35 Mạch xoay chiều pha 44 Giải mạch xoay chiều phân nhánh 48 CHƯƠNG 5: MẠCH ĐIỆN PHI TUYẾN 60 Mạch điện phi tuyến 60 Mạch có dịng điện không sin 64 Mạch lọc điện 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 GIÁO TRÌNH MƠN HỌC Tên mơn học: ĐIỆN KỸ THUẬT Mã môn học: MH 08 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trị mơn học: - Vị trí của mơn học: Là mơn học sở bố trí dạy từ đầu khóa học, trước học môn chuyên môn nghề - Tính chất của mơn học: Là mơn học kỹ thuật sở - Ý nghĩa của môn học: Trang bị kiến thức mạch điện, điện trường, cảm ứng điện từ, điện tích… - Vai trị của mơn học: Là sở để học nghiên cứu môn học chuyên môn nghề Mục tiêu môn học: - Về kiến thức: + Trình bày định luật điện học, ứng dụng kỹ thuật điện + Trình bày khái niệm điện áp, dòng điện chiều, xoay chiều, định luật mạch điện chiều xoay chiều + Trình bày khái niệm từ trường, vật liệu từ, mối liên hệ từ trường đại lượng điện, ứng dụng mạch từ kỹ thuật - Về kỹ năng: + Vận dụng biểu thức để tính tốn thông số kỹ thuật mạch điện chiều, xoay chiều, mạch ba pha trạng thái xác lập + Phân tích sơ đồ mạch đơn giản, biến đổi mạch phức tạp thành mạch điện đơn giản - Về lực tự chủ trách nhiệm: + Có khả tự định hướng, chọn lựa phương pháp tiếp cận thích nghi với học + Có lực đánh giá kết học tập nghiên cứu của + Tự học tập, tích lũy kiến thức, kinh nghiệm để nâng cao trình độ chuyên mơn + Sinh viên có thái độ nghiêm túc, tỉ mỉ, xác học tập Nội dung mơn học: Tổng số Số TT Tên chương, mục Chương 1: Tĩnh điện Khái niệm điện trường Điện - hiệu điện Tác dụng của điện trường lên vật dẫn điện môi Chương 2: Mạch điện chiều 1.Khái niệm mạch điện chiều Mơ hình mạch điện Các định luật biểu thức 12 Thời gian (giờ) Lý Thực thuyết hành, thí nghiệm, thảo luận, tập 0.5 1.5 0.5 0.5 0.5 0.5 Kiểm tra mạch điện chiều Các phương pháp giải mạch điện chiều Chương 3: Từ trường cảm ứng điện từ Đại cương từ trường Từ trường của dòng điện Các đại lượng đặc trưng của từ trường Lực từ Hiện tượng cảm ứng điện từ Hiện tượng tự cảm hỗ cảm Chương 4: Dịng điện xoay chiều hình sin 1.Khái niệm dòng điện xoay chiều 2.Giải mạch xoay chiều không phân nhánh 3.Mạch xoay chiều pha Giải mạch xoay chiều phân nhánh Ứng dụng của mạch điện xoay chiều công nghiệp Chương 5: Mạch điện phi tuyến Mạch điện phi tuyến Mạch điện có dịng điện khơng sin Mạch lọc điện Cộng 3 1 0.5 0.5 0.5 16 45 0.5 1 0.5 0.5 0.5 1.5 1 2 1 25 1 18 CHƯƠNG 1: TĨNH ĐIỆN Mã chương:MH08-01 Giới thiệu: Các tượng nhiễm điện, dẫn điện tương tác điện từ trường diễn thực tế phổ biến với ứng dụng của tượng vào thực tế, để hiểu rõ điều ta nghiên cứu Tĩnh điện, Điện tích, Cơng của lực điện trường, Tác dụng của điện trường lên vật dẫn điện mơi… Mục tiêu: - Trình bày khái niệm điện trường, điện tích, điện thế, hiệu điện - Trình bày ảnh hưởng của điện trường lên vật dẫn điện mơi - Rèn luyện tính tư duy, tinh thần trách nhiệm cơng việc Nội dung chính: Khái niệm điện trường 1.1 Điện tích Điện tích đại lượng vơ hướng, đặc trưng cho tính chất của vật hay hạt mặt tương tác điện gắn liền với hạt hay vật Định luật Coulomb: Hình 1.1 lực tương tác điện tích điểm q1; q2 đặt cách khoảng r mơi trường có số điện mơi ε F12 ; F21 có: - Điểm đặt: Trên điện tích - Phương: Đường nối điện tích - Chiều: + Hướng xa q1.q2 > (q1; q2 dấu) + Hướng vào q1.q2 < (q1; q2 trái dấu) - Độ lớn: F  k q1 q  r (1.1)  N m2     C  Trong : k hệ số k = 9.109 Đơn vị: q : Coulomb (C) r : mét (m) F : Newton (N) (Ghi chú: F lực tĩnh điện) r - Biểu diễn:  F21 r  F21  F12  F12 q1.q2 < q1.q2 >0 Hình 1.1: Lực tương tác điện tích Ý nghĩa: Định luật Coulomb định luật của tĩnh điện học, giúp ta hiểu rõ thêm khái niệm điện tích Nếu hạt vật tương tác với theo định luạt Coulomb ta biết chúng có mang điện tích Định ḷt bảo toàn điện tích: Trong hệ lập điện (hệ khơng trao đổi điện tích với hệ khác) tổng đại số điện tích hệ số 1.2 Khái niệm điện trường + Khái niệm: Là môi trường tồn xung quanh điện tích tác dụng lực lên điện tích khác đặt + Cường độ điện trường: Là đại lượng đặc trưng cho điện trường khả tác dụng lực   F   E   F  q.E Đơn vị: E(V/m) (1.2) q   q > : F phương, chiều với E   q < : F phương, ngược chiều với E + Đường sức điện trường hinh 1.2: Là đường vẽ điện trường cho hướng của tiếp tưyến điểm đường trùng với hướng của véc tơ cường độ điện trường điểm Tính chất đường sức: - Qua điểm điện trường ta vẽ đường sức điện trường - Các đường sức điện đường cong khơng kín,nó xuất phát từ điện tích dương,tận điện tích âm - Các đường sức điện không bao giờ cắt - Nơi có cường độ điện trường lớn đường sức vẽ mau ngược lại Hình 1.2: Đường sức điện trường + Điện trường đều: - Có véc tơ cường độ điện trường điểm - Các đường sức của điện trường đường thẳng song song cách + Véctơ cường độ điện trường E điện tích điểm Q gây điểm M cách Q đoạn r có: - Điểm đặt: Tại M - Phương: Đường nối M Q - Chiều: Hướng xa Q Q > Hướng vào Q Q 0 q q gây lực F điện trường Đặt vào điện trường điện tích thử q0 >  Di chuyển điện tích q0 từ điểm M đến N lực tĩnh điện F thực cơng (Hình 1.4): Công của lực điện trường: AMN  k q q0  1       rM rN  (1.5) Hình 1.4 Di chuyển điện tích q0 từ điểm M đến N Như vậy: “Công của lực điện làm di chuyển điện tích điểm q0 điện trường của điện tích q theo đường cong bất kỳ, không phụ thuộc vào dạng đường cong dịch chuyển, mà phụ thuộc vào vị trí điểm đầu điểm cuối của đường dịch chuyển” * Thế điện tích điện trường: Khi A = 0, theo học trường có tính chất gọi trường Trường tĩnh điện trường nên công của lực trường cường độ giảm của điện tích q0 dịch chuyển từ điểm M đến điểm N của trưòng AMN  q q0  q q0 C    rM q q0    rM  WM  WN (1.6) Trong đó: WM     rM WN  q q0    rN C Trong đó: C số tuỳ ý 2.2 Điện Giả sử có điện tích q di chuyển từ điểm M cho trước đến điểm vô Từ biểu thức: AM  q.q0 q.q0 q.q0   4   rM 4   r 4   rM Chia hai vế của biểu thức cho q0 AM q  q0 4   rM Vế phải của biểu thức không phụ thuộc vào q0 mà phụ thuộc vào điện tích q gây điện trường phụ thuộc vào vị trí đặt điện tích q0 AM Thương số: q đặc trưng cho điện trường ta xét nên gọi điện của điện trường M M  AM  q0  q    rM (1.7) Cho q0 = +1 đơn vị điện tích   M  AM Vậy: “Điện điểm điện trường có giá trị công của lực tĩnh điện dịch chuyển đơn vị điện tích dương từ điểm xa vô cùng” 2.3 Hiệu điện AMN AM AN q q       M   N  U MN q0 q0 q0 4   rM 4   rN Hiệu số (M - N) gọi hiệu điện điểm M N  M  N  AMN q0 (1.8) Nếu lấy q0 = +1 đơn vị điện tích  M   N  AMN Vậy: Đại lượng đo công di chuyển đơn vị điện tích từ M đến N gọi điện áp của điện trường Ký hiệu: U Điện áp hai điểm của trường hiệu điện hai điểm Vì thế, điện áp cịn gọi hiệu điện Tác dụng điện trường lên vật dẫn và điện môi 3.1 Vật dẫn điện trường Khi vật dẫn đặt điện trường mà dịng điện chạy vật ta gọi vật dẫn cân điện (vdcbđ) Bên vdcbđ cường độ điện trường khơng Mặt ngồi vdcbđ: cường độ điện trường có phương vng góc với mặt ngồi Điện điểm vdcbđ Điện tích phân bố mặt ngồi của vật, phân bố không (tập trung chỗ lồi nhọn) 3.2 Điện môi điện trường Khi đặt khối điện mơi điện trường ngun tử của chất điện môi kéo dãn chút chia làm đầu mang điện tích trái dấu (điện môi bị phân cực) Kết khối điện mơi hình thành nên điện trường phụ ngược chiều với điện trường NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHƯƠNG 1: Nội dung: - Về kiến thức: + Một số định luật điện trường + Công thức tính lực tĩnh điện cơng thức tính cường độ điện trường + Điện hiệu điện thế, điều kiện tồn trì dịng điện + Một số vật dẫn điện môi điện trường - Về kỹ năng: + Giải tập lực tĩnh điện, cường độ điện trường, điện hiệu điện - Về lực tự chủ trách nhiệm: Tỉ mỉ, cẩn thận, xác Phương pháp: - Kiến thức: Được đánh giá hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm - Kỹ năng: Đánh giá kỹ tính tốn tập - Về lực tự chủ trách nhiệm: Đánh giá phong cách học tập BÀI TẬP Bài tập 1: Tính lực tương tác hai điện tích điểm có điện tích nhau, q = 10 C, đặt cách đoạn d = 1cm, dầu (  =2) nước (  =6) Bài tập 2: Cho hai điện tích điểm +q –q ( hình 1.5) đặt hai điểm A B, cách khoảng a chân không a) Xác định cường độ điện trường điểm C với C trung điểm của đoạn AB b) Xác định cường độ điện trường điểm D Với D điểm nằm đường trung trực của AB, cách A khoảng a Cho q = 2.10-6C, a = 3cm E' ED D A C E1 E'2 E2 B EC 10 Dòng điện nhánh 1: I L chậm sau U góc 90 Dịng điện nhánh thứ 2: I C nhanh U góc 90    Dòng điện nhánh chung: I  I L  I L (4.122) - Nếu I  I L  I L  mạch có tượng cộng hưởng dòng điện - Nếu I  I L  I L  dịng điện cảm điện dung hồn tồn bù trừ - Cơng suất tác dụng mạch - Khi có cộng hưởng bL  bC nên y  , tổng trở z   1  L     0 (4.123) - Điều kiện cộng hưởng: bL  bC  C LC Trong đó:  tần số riêng của mạch dao động Khi tần số của nguồn điện tần số riêng xảy tượng cộng hưởng dòng điện 4.3.2 Mạch dao động song song có tổn hao Trong thực tế, mạch dao động có tổn hao Hình 4.33 I I1 I I1 I2 R1 R2 L1 C2  I R1 I1 IL IC I R2 Hình 4.33 Dùng phương pháp điện dẫn thay nhánh hai thành phần điện dẫn tác dụng phản kháng R R g1  12 ; g  22 (4.124) Z1 Z2 bL  XL Z1  L XC C  ; bC  2 R1  L  Z2  R2C  Khi bL  bC  ta có mạch cộng hưởng dịng điện - I  I L  I L  ; dịng điện mạch có tính th̀n tác dụng - có cộng hưởng QL  QC  Q  , nguồn cung cấp lượng tiêu hao điện dẫn tác dụng - Tổng dẫn của mạch: y12  g  b  g (4.125) - Điều kiện cộng hưởng: L C bL  bC   2 R1  L   R2C2     0  Nếu R1  R1 0  C2 R1  L1  L1C2 C2 R2  L1 L1C 2 (4.126) 56  4.4 Phương pháp nâng cao hệ số công suất Trong biểu thức công suất tác dụng P  U I cos  cos coi hệ số công suất Việc nâng cao hệ số công suất cos của phụ tải quan trọng có ý nghĩa kinh tế lớn Nâng cao hệ số cos của phụ tải, ta nâng cao khả sử dụng cơng suất của nguồn Ví dụ: Để cung cấp cho phụ tải có cơng suất 10000kW, hệ số cos = 0,7 ta phải chọn nguồn cung cấp (các máy phát điện máy biến áp xí nghiệp) có cơng suất 10000  14300 kVA Nếu nâng cao hệ số cos của phụ tải lên tới 0,9 ta 0,7 10000  11110 kVA , giưa ngun nguồn có cần chọn nguồn có cơng suất 0,9 cơng suất 14300 kVA cung cấp thêm cho số phụ tải khác * Mặt khác, với điện áp công suất truyền tải đường dây định, dịng điện tổn thất cơng suất đường dây tỷ lệ nghịch với hệ số cos Thực vậy, dòng điện chạy đường dây: P P  U I cos   I  U cos  tổn thất công suất điện trở dây dẫn rd là: P2 P  rd I  rd U cos  Ta thấy rằng, nâng cao hệ số cos của phụ tải dịng điện tổn thất cơng suất đường dây giảm, dây dẫn chọn tiết diện dây nhỏ Tất phụ tải sinh hoạt công nghiệp phụ thuộc loại phụ tải có tính chất điện cảm (cuộn dây động điện, máy biến áp, chấn lưu…) nên cos thấp Muốn nâng cao hệ số cos của phụ tải, ta thường ghép song song tụ điện với gọi phương pháp bù tụ điện tĩnh Giả sử lúc đầu phụ tải có Z  R  X L2 + Trước bù, khoá K mở (chưa có nhánh tụ điện) dịng điện đường dây I dịng điện qua tải hình 4.48 I  I1 Hệ số công suất cos1 I K I1  U Z O IC C IR 1 U I1 IL Hình 4.34 + Sau bù, khố K đóng hình 4.49, dịng điện qua phụ tải khơng đổi trị số góc pha dịng điện chạy đường dây lúc tổng của dòng điện phụ tải dòng điện qua tụ điện I  I  I C (4.127) Hệ số công suất của mạch cos   cos 1 57 IR O  1 U I I1 IC IL Hình 4.35 Nhìn vào đồ thị vectơ ta thấy rõ, dịng điện đường dây sau bù I nhỏ dịng điện phụ tải I1 I1 dịng điện đường dây trước bù Để tính trị số điện dung cần bù để nâng cao hệ số công suất từ cos  lên tới cos1 tính sau: Q  Q1  QC  Q1  Q  QC  P tg1  P tg  C U C P tg1  tg  U (4.128) Ngoài phương pháp bù tụ điện tĩnh cịn có nhiều phương pháp khác để nâng cao hệ số cos phương pháp bù đồng Việc tổ chức xếp ca kíp hợp lý, tận dụng công suất thiết bị … làm cho hệ số cơng suất cos của xí nghiệp nâng cao NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHƯƠNG 4: Nội dung: - Về kiến thức: + Dòng điện xoay chiều pha + Giải mạch điện xoay chiều pha +Giải mạch điện xoay chiều pha phân nhánh + Dòng điện xoay chiều pha; mối quan hệ U, I hai cách đấu mạch điện pha + Giải mạch điện pha - Về kỹ năng: + Giải tập mạch điện điện xoay chiều pha + Giải tập mạch điện xoay chiều ba pha - Về lực tự chủ trách nhiệm: Tỉ mỉ, cẩn thận, xác Phương pháp: - Kiến thức: Được đánh giá hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm - Kỹ năng: Đánh giá kỹ tính tốn tập - Về lực tự chủ trách nhiệm: Đánh giá phong cách học tập BÀI TẬP Bài Cho mạch điện hình vẽ: 58 Hình 4.36 Tính dịng điện nhánh V12 ? Bài Cho mạch điện hình vẽ: Hình 4.37 Tính: Ii , Zi , Pi Bài Cho mạch điện hình vẽ: Hình 4.38  , cơng suất tác dụng tồn mạch ? Tìm V X 59 CHƯƠNG 5: MẠCH ĐIỆN PHI TUYẾN Mã chương: MH08-05 Giới thiệu: Bài trước đã xét mạch điện xoay chiều xác lập điều hịa, nhiên thực tế có nhiều mạch điện khơng tuyến tính, chương nghiên cứu mạch điện phi tuyến, để thấy nguyên nhân phi tuyến, đề cách biến đổi, giải mạch điện phi tuyến nghiên cứu số mạch lọc thơng dụng Mục tiêu: - Trình bày khái niệm dòng điện phi tuyến chiều xoay chiều - Nêu số linh kiện phi tuyến tuyến thường gặp - Trình bày nguyên nhân sinh tương phi tuyến mạch điện - Trình bày mạch lọc điện thơng dụng kỹ thuật điện - Rèn luyện tính tư duy, cẩn thận xác Nội dung chính: Mạch điện phi tuyến 1.1 Khái niệm Thông số phi tuyến thơng số có đặc tuyến đặc trưng hàm khơng tuyến tính (hàm phi tuyến)- khơng phải hàm bậc nhất.Ví dụ: - Đặc tuyến Von –Ampe của diot phân cực thuận - Đặc tuyến Von-Ampe của cuộn dây lõi thép làm việc chế độ bão hoà từ - Quan hệ điện dung của diot biến dung varicap điện áp ngược đặn lên C(u)-một hàm phi tuyến Mạch có từ thơng số phi tuyến trở lên-mạch phi tuyến 1.2 Một số linh kiện phi tuyến thường gặp Điện trở phi tuyến Ký hiệu: Hình 5.1: Điện trở phi tuyến Điện trở phi tuyến xác định quan hệ dòng điện điện áp: u = fR(i) hay I = φR(u) (5.1) Trong fR, φR hàm liên tục khoảng (–∞, +∞) φR = f-1R (hàm ngược) Các đặc tuyến mô tả phương trình qua gốc tọa độ nằm góc phần tư thứ thứ ba Hình 5.2: Đặc tuyến điện trở phi tuyến 60 Nếu điện trở có đặc tuyến (1) mà khơng có (2), ta gọi phần tử phụ thuộc dịng (R thay đổi theo i) Nếu điện trở phi tuyến có đặc tuyến (2) mà khơng có (1), phần tử phụ thuộc áp (R thay đổi theo v) Trong trường hợp phần tử phi tuyến có hai đặc tuyến (dòng hàm đơn trị của áp ngược lại) phần tử phi tuyến khơng phụ thuộc Các điện trở khơng tuyến tính thực tế thường gặp bóng đèn dây tóc, diode điện tử bán dẫn … Điện cảm phi tuyến (cuộn dây phi tuyến) Ký hiệu: Hình 5.3: Điện cảm phi tuyến Điện cảm phi tuyến cho đặc tuyến quan hệ từ thơng dịng điện có dạng: Ф = fL(i) u=dФ/dt (5.2) Trong fL hàm liên tục khoảng (–∞, +∞), qua gốc tọa độ (Ф, i) nằm góc phần tư thứ thứ ba Hình 5.4: Đặc tuyến điện cảm phi tuyến Điện dung phi tuyến Ký hiệu: Hình 5.5: Điện dung phi tuyến Điện dung phi tuyến đặc trưng quan hệ phi tuyến điện tích điện áp tụ điện q = fc(u) i=dq/dt (5.3) Trong fc hàm liên tục khoảng (–∞, +∞), có đạo hàm liên tục khắp nơi, qua gốc tọa độ (q, u) nằm góc phần tư thứ thứ ba Hình 5.6: Đặc tuyến điện dung phi tuyến 61 Tùy thuộc vào điều kiện làm việc, người ta phân biệt đặc tuyến của phần tử phi tuyến thành loại sau: - Đặc tuyến tĩnh xác định đo lường phần tử phi tuyến làm việc với trình biến thiên chậm theo thời gian - Đặc tuyến động đo lường phần tử phi tuyến làm việc với q trình điều hịa - Đặc tuyến xung xác định phần tử làm việc với trình đột biến theo thời gian 1.3 Mạch xoay chiều phi tuyến 1.3.1 Mơt số tính chất mạch phi tuyên - Mạch phi tuyên khơng có tính xêp chồng nghiêm - Mạch phi tun có tính tạo (điều chê) tần số - Các tính chất khác Cho mạch điên Hình 5.7 Với u(t) = u1(t) + u2(t) phần tử phi tuyên có tính chất: i = 2.u2 Xác định dịng điên chạy mạch điên Nêu áp dụng nguyên lí xêp chồng, ta có: Hình 5.7 Dịng điên nguồn u1(t) gây i1(t): i1 = 2.u12 Dòng điên nguồn u1(t) gây i1(t): i2 = 2.u22 Như dòng điên tổng i(t) = i1(t) + i2(t) = 2(u12 + u22) Thực tê, dòng điên mạch i(t) = 2.u2 = 2(u1 + u2)2 Nêu u(t) = Umsin(ωt) i = 2.u2 = 2.Um2sin2(ωt) = Um2[1-cos(2ωt)] Có thể thấy tần số dịng điên lần tần số nguồn áp 1.3.2 Các phương pháp phân tích mạch có phần tử phi tuyến Vấn đề đầu tiên cần quan tâm phân tích mạch phi tuyến vấn đề tiệm cận đặc tuyến theo số liệu thực nghiệm Để lập quan hệ giải tích của đặc tuyến theo số liệu thực nghiệm thường sử dụng phương pháp nội suy đoạn hữu hạn của đặc tuyến.Hàm nội suy sử dụng nhiều dạng hàm thông dụng đa thức luỹ thừa Để phân tích phổ của tín hiệu trình biến đổi phi tuyến thường sử dụng phương pháp đồ thị 3,5,7 toạ độ để xác định biên độ sóng hài Phương pháp đồ thị - Hình 5.8 Cách 1: Hình 5.9 từ thơng số phần tử (I = f(u) (5.4)) quan có từ sơ đồ mạch 62 (5.5) Sử dụng đồ thị: Hình 5.9: Ngiệm hệ phương trình phi tuyến Điểm B nghiêm của phương trình Cách 2: Cho sơ đồ mạch: Hình 5.10 Hình 5.10 PTPT Có thể dùng phương pháp đồ thị sau: Hình 5.11: Đồ thị nghiệm phương trình phi tuyến cách Cách nối ghép phần tử phi tuyến (PTPT) nối tiếp: qui tắc cộng áp hình 5.12, hình 5.13 Hình 5.12 Hình 5.13 63 u = u1 + u2 (5.6) Đặc tuyến của phần tử phi tuyến cho sau: Hình 5.14: Đặc tuyến phần tử phi tuyến nối tiếp Nối song song: Qui tắc cộng dòng Hình 5.15, hình 5.16 i= i1 + i2 (5.7) Hình 5.15 Hình 5.16 Đặc tuyến của phần tử phi tuyến cho sau: Hình 5.17: Đặc tuyến phần tử phi tuyến song song Mạch có dịng điện khơng sin 2.1 Khái niệm Thực tế có nhiều dịng điên biến thiên có chu kì khơng theo qui luật hình sin, gọi chung dịng điên không sin 2.2 Nguyên nhân Nguyên nhân gây nên dịng điên khơng sin: Nguồn pha khơng sin (đặc tính máy phát điên đồng bộ: mạch từ, khe hở khơng khí, dạng từ trường, dây quấn, ) Sự biến dạng dạng sóng dịng điên qua chỉnh lưu, nghịch lưu, biến tần, Sự biến dạng dạng sóng dịng điên qua linh kiên bán dẫn; thiết bị, mạch điên có khả điều khiển, 64 Hình 5.18 Đồ thị sóng khơng sin Mạch lọc điện 3.1 Khái niệm Trong kỹ thuật viễn thơng ta thường hay gặp dạng sóng hài gây tác động không tốt tới làm việc của thiết bị, để làm việc của thiết bị ổn định xác ta thường dùng phương pháp lọc, Lọc điện mạng bốn cực thực biến đổi phổ của tín hiệu theo quy luật tốn học q trình biến đổi phi tuyến (biến đổi phổ của tín hiệu) thường gặp tạo dao động hình sin, điều biên,điều tần, biến tần, tách sóng 3.2 Các dạng mạch lọc thơng dụng Mạch lọc điện thực biến đổi phổ của tín hiệu theo quy luật tốn học Mạch lọc thơng dụng thất mạch lọc kháng LC Mạch lọc LC lại chia thành loại “k” loại “m”.Lý thuyết mạch lọc thuần kháng thường xuất phát từ hình 5.19a) Để nhận cơng thức có dạng tốn học thuận tiện, người ta ký hiệu trở kháng nhánh ngang Z1 , nhánh dọc Z2 Từ mạch lọc hình 5.19a) tạo mạch loc đối xứng hình Thình 5.19b) lọc đối xứng hình  hình 5.19c) Hình 5.19 Điều kiện có lọc Z1và Z2 phải khác tính Trường hợp tích tổng trở hai nhánh lọc lọc loại k Lúc Z1Z2=R02=K2=const (5.8) Trong Z1Z có thứ nguyên của điện trở, gọi điện trở danh định của mạch lọc, ký hiệu R0 K +Lọc thông thấp (hay lọc tần số thấp) loại K có nhánh ngang điện cảm, nhánh dọc điện dung hình 5.20 (dải thơng 0 C, dải chặn  C) Hình 5.20 65 Các cơng thức để tính thơng số của mạch lọc thông thấp: Điện trở danh định: R0  C  Tần số cắt: L1 C2 ; fC  L 1C2 (5.9) C  2  L C (5.10) Tổng trở đặc tính: Z CT Z C    f    R     R    c   fc  R0 R0   2    f         c   fc  (5.11) +Lọc thông cao (hay lọc tần số cao) loại K có nhánh ngang điện dung, nhánh dọc điện cảm hình 5.21 (dải thông  C , dải chặn   C ) Hình 5.21 Các cơng thức để tính thông số mạch lọc thông cao: Điện trở danh định: C  Tần số cắt: L2 C1 R0  ; fC  L 1C (5.12) C  2 4 L C (5.13) Tổng trở đặc tính: Z CT Z C   f   R0   c   R0   c     f  R0 R0   2  c   fc  1  1       f  (5.14) +Lọc thông dải(hay lọc dải thơng) loại K có nhánh ngang khung cộng hưởng nối tiếp, nhánh dọc khung cộng hưởng song song, hai nhánh có tần số cộng hưởng  (Hình 5.22) (dải thơng  C1 C2, dải chặn   C1,  C2   ) Hình 5.22 66 Các cơng thức để tính thơng số của mạch lọc thông dải loại k: Điện trở danh định: R0  L1 L2  C2 C1 (5.15) Tần số cắt: C1 R  R  R R             02 L1 L 1C1 L1  L1   L1  R  R0 R       L1 L 1C1 L1  L1  2R Dải thông: = C2- C1= L1 1  Tần số trung tâm 0  L 1C1 L C2  C2   R0   L1 (5.16)    02  (5.17)  C1C2 Tổng trở đặc tính: Z CT  R  F ; Z C  (5.18) R0 (5.19)  F2 X1  F2 4X +Lọc chặn dải (hay lọc chặn dải hay lọc dải chắn) loại K có nhánh ngang khung cộng hưởng song song, nhánh dọc khung cộng hưởng nối tiếp –hình 5.23 (dải thông 0 C1  C2, dải chặn  C1 C2) Các cơng thức để tính thơng số mạch lọc chặn dải loại K: Hình 5.23 L1 L2 R0   C2 C1 Điện trở danh định: (5.20) Tần số cắt (giống lọc thông dải) : C1   R  R  R0 R           02 L1 L 1C1 L1  L1   L1   C2  (5.21) R  R  R0 R           02 L1 L L C L 1  1  L1  Dải chặn: = C2- C1= Tần số trung tâm 0  2R L1 L 1C1 (5.22)  L C2 67  C1C2 (5.23) Tổng trở đặc tính: Z CT  R  F ; Z C  R0 (5.24) 1 F2 Mạch lọc RC Lọc RC thơng thấp (hình 5.24) Tần số cắt:  C  RC (7.39) Hình 5.24 Lọc RC thơng cao (hình 5.25) Tần số cắt: C  4RC (7.42) Hình 5.25 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHƯƠNG 5: Nội dung: - Về kiến thức: + Một số phần tử mạch phi tuyến + Mạch điện phi tuyến đơn giản + Mạch lọc thông dụng - Về kỹ năng: + Giải tập mạch phi tuyến, mạch lọc điện thông dụng - Về lực tự chủ trách nhiệm: Tỉ mỉ, cẩn thận, xác Phương pháp: - Kiến thức: Được đánh giá hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm - Kỹ năng: Đánh giá kỹ tính tốn tập - Về lực tự chủ trách nhiệm: Đánh giá phong cách học tập BÀI TẬP Mạch lọc thơng thấp có tần số cắt 15Khz, điện trở tải 500 Hãy xác định: a) Vẽ sơ đồ hình “Γ”, hình “T” hình “” của mạch lọc, điền hình vẽ trị số thơng số vật lý của mạch b) Tổng trở đặc tính tần số Khz, 10 Khz Mạch lọc thông thấp có tần số cắt 500 Hz, điện trở tải 600 Hãy xác định: 68 a) Vẽ sơ đồ hình “T” hình “” của mạch lọc, điền hình vẽ trị số thông số vật lý của mạch b) Tổng trở đặc tính tần số 120 Hz 320 Hz 3.Cho mạch lọc hình Hình 5.26.Hãy xác định: a) Tần số cắt của mạch lọc b) Điện trở danh định R0 của mạch lọc c) Tổng trở đặc tính tần số 500 Hz Hình 5.26 4.Cho mạch lọc hình Hình 5.27.Hãy xác định: a) Tần số cắt của mạch lọc b) Điện trở danh định R0 của mạch lọc c) Tổng trở đặc tính tần số 500 Hz Hình 5.27 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Điện kỹ thuật Nguyễn Viết Hải - Nhà xuất lao động Xã Hội – Hà Nội – Năm 2004 [2] Cơ sở kỹ thuật điện Hoàng Hữu Thận Nhà xuất kỹ thuật Hà Nội – Năm 1980 [3] Giáo trình kỹ thuật điện Vụ trung học chuyên nghiệp dạy nghề - Nhà xuất Giáo Dục –Năm 2005 [4] Mạch điện Phạm Thị Cư (chủ biên) - Nhà Xuất Giáo dục - 1996 [5] Cơ sở lý thuyết mạch điện Nguyễn Bình Thành - Đại học Bách khoa Hà Nội - 1980 [6] Kỹ thuật điện đại cương Hoàng Hữu Thận - Nhà Xuất Đại học Trung học chyên nghiệp - Hà Nội - 1976 [7] Bài tập Kỹ thuật điện đại cương Hoàng Hữu Thận - Nhà Xuất Đại học Trung học chyên nghiệp - Hà Nội - 1980 70