Giáo trình điện kỹ thuật (nghề điện tử công nghiệp trình độ trung cấp)

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 công nghiệp biên soạn dựa theo chương trình khung đã xây dựng ban hành năm 2021 của trường Cao đẳng nghề Cần Thơ dành cho nghề Điện tử công nghiệp hệ Trung cấp 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 MH 08-01: Tĩnh điện Chương MH 08-02: Mạch điện chiều Chương MH 08-03: Từ trường cảm ứng điện từ Chương MH 08-04: Dịng điện xoay chiều hình sin Giáo trình tài liệu giảng dạy tham khảo tốt cho nghề điện tử dân dụng, 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 hoàn thiện Cần Thơ, ngày tháng năm 2021 Tham gia biên soạn Chủ biên: Đỗ Hữu Hậu Nguyễn Tuấn Khanh MỤC LỤC Trang TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN LỜI GIỚI THIỆU GIÁO TRÌNH MÔN HỌC Khái niệm điện trường 1.1 Điện tích 1.2 Khái niệm điện trường Điện - Hiệu điện 10 2.1 Công của lực điện trường 10 2.2 Điện 10 2.3 Hiệu điện 11 Tác dụng của điện trường lên vật dẫn điện môi 11 3.1 Vật dẫn điện trường 11 3.2 Điện môi điện trường 11 CHƯƠNG 2: MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU 13 Khái niệm mạch điện chiều 13 1.1 Dòng điện dòng điện chiều 13 1.2 Chiều qui ước của dòng điện 13 1.3 Cường độ mật độ dòng điện 13 Mơ hình mạch điện 14 2.1 Mạch điện 14 2.2 Các phần tử cấu thành mạch điện 14 Các định luật biểu thức mạch điện chiều 15 3.1 Định luật Ohm 15 3.2 Công suất điện mạch điện chiều 17 3.3 Định luật Joule – lenz 18 3.4 Định luật Faraday 18 3.5 Hiện tượng nhiệt điện 19 Các phương pháp giải mạch chiều 19 4.1 Phương pháp biến đổi điện trở 19 4.2 Phương pháp xếp chồng dòng điện 20 4.3 Phương pháp áp dụng định luật Kirchooff 20 CHƯƠNG 3: TỪ TRƯỜNG VÀ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ 23 Đại cương từ trường 23 1.1 Tương tác từ 23 1.2 Khái niệm từ trường 23 1.3 Đường sức từ 23 Từ trường của dòng điện 24 2.1 Từ trường của dây dẫn thẳng 24 2.2 Từ trường của vòng dây, ống dây 24 Các đại lượng đặc trưng của từ trường 24 3.1 Sức từ động 24 3.2 Cường độ từ trường, cường độ từ cảm 24 3.3 Vật liệu từ 25 Lực từ 25 4.1 Công thức Amper 25 4.2 Qui tắc bàn tay trái 26 4.3 Lực từ tác dụng lên hai dây dẫn thẳng song song 26 Hiện tượng cảm ứng điện từ 27 5.1 Từ thông 27 5.2 Công của lực điện từ .27 5.3 Hiện tượng cảm ứng điện từ 28 5.4 Sức điện động cảm ứng 29 Hiện tượng tự cảm hỗ cảm 30 6.1 Từ thông móc vịng hệ số tự cảm 30 6.2 Sức điện động tự cảm .31 6.3 Dòng điện Foucault 31 CHƯƠNG 4: DỊNG ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN 33 Khái niệm dòng điện xoay chiều 33 1.1 Dòng điện xoay chiều .33 1.2 Chu kỳ tần số của dòng điện xoay chiều 33 1.3 Dịng điện xoay chiều hình sin .33 1.4 Các đại lượng đặc trưng 33 1.5 Pha lệch pha 34 Giải mạch điện xoay chiều không phân nhánh 35 2.1 Giải mạch xoay chiều thuần trở, thuần cảm, thuần dung .35 2.2 Giải mạch xoay chiều RLC 39 2.3 Công suất hệ số công suất mạch điện xoay chiều .40 2.4 Cộng hưởng điện áp 41 Mạch xoay chiều pha 42 3.1 Hệ thống pha cân 42 3.2 Sơ đồ đấu dây mạng pha 42 3.3 Công suất mạng pha 45 3.4 Phương pháp giải mạch pha cân 45 Giải mạch xoay chiều phân nhánh .47 4.1 Giải mạch phương pháp đồ thị véc tơ 47 4.2 Giải mạch phương pháp Số phức 49 4.3 Cộng hưởng dòng điện 52 4.4 Phương pháp nâng cao hệ số công suất 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO .58 GIÁO TRÌNH MÔN HỌC Tên môn 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 mơn chun mơn 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 môn 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 thơng 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 chun mơn + Sinh viên có thái độ nghiêm túc, tỉ mỉ, xác học tập Nội dung môn học: Tổng số Số TT Tên chương, mục Chương 1: Tĩnh điện Khái niệm điện trường 1.1 Điện tích 1.2 Khái niệm điện trường Điện - hiệu điện 2.1 Công của lực điện trường 2.2 Điện 2.3 Hiệu điện Tác dụng của điện trường lên vật dẫn điện môi 0.5 Thời gian (giờ) Lý Thực thuyết hành, thí nghiệm, thảo luận, tập 0.5 1.5 1.5 1 Kiểm tra 3.1 Vật dẫn điện trường 3.2 Điện môi điện trường Chương 2: Mạch điện chiều Khái niệm mạch điện chiều 1.1 Dòng điện dòng điện chiều 1.2 Chiều qui ước của dòng điện 1.3 Cường độ mật độ dịng điện Mơ hình mạch điện 2.1 Mạch điện 2.2 Các phần tử cấu thành mạch điện Các định luật biểu thức mạch điện chiều 3.1 Định luật Ohm 3.2 Công suất điện mạch điện chiều 3.3 Định luật Joule – lenz 3.4 Định luật Faraday 3.5 Hiện tượng nhiệt điện Các phương pháp giải mạch điện chiều 4.1 Phương pháp biến đổi điện trở 4.2 Phương pháp xếp chồng dòng điện 4.3 Phương pháp áp dụng định luật Kirchooff Kiểm tra Chương 3: Từ trường cảm ứng điện từ Đại cương từ trường 1.1 Tương tác từ 1.2 Khái niệm từ trường 1.3 Đường sức từ Từ trường của dòng điện 2.1 Từ trường của dây dẫn thẳng 2.2 Từ trường của vòng dây, ống dây Các đại lượng đặc trưng của từ trường 3.1 Sức từ động 3.2 Cường độ từ trường, cường độ từ cảm 3.3 Vật liệu từ Lực từ 4.1 Công thức Amper 4.2 Qui tắc bàn tay trái 4.3 Lực từ tác dụng lên hai dây dẫn thẳng song song Hiện tượng cảm ứng điện từ 5.1 Từ thông 10 0.5 0.5 0.5 0.5 1 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 1.5 5 1 0.5 5.2 Công của lực điện từ 5.3 Công của lực điện từ 5.4 Sức điện động cảm ứng Hiện tượng tự cảm hỗ cảm 6.1 Từ thông móc vịng hệ số tự cảm 6.2 Sức điện động tự cảm Chương 4: Dịng điện xoay chiều hình sin Khái niệm dòng điện xoay chiều 1.1 Dòng điện xoay chiều 1.2 Chu kỳ tần số của dòng điện xoay chiều 1.3 Dòng điện xoay chiều hình sin 1.4 Các đại lượng đặc trưng 1.5 Pha lệch pha Giải mạch xoay chiều không phân nhánh 2.1 Giải mạch xoay chiều thuần trở, thuần cảm, thuần dung 2.2 Giải mạch xoay chiều RLC 2.3 Công suất hệ số công suất mạch điện xoay chiều 2.4 Cộng hưởng điện áp Mạch xoay chiều pha 3.1 Hệ thống pha cân 3.2 Sơ đồ đấu dây mạng pha 3.3 Công suất mạng pha 3.4 Phương pháp giải mạch pha cân Giải mạch xoay chiều phân nhánh 4.1 Giải mạch phương pháp đồ thị véc tơ 4.2 Giải mạch phương pháp Số phức 4.3 Cộng hưởng dòng điện 4.4 Phương pháp nâng cao hệ số công suất Kiểm tra Cộng 1.5 0.5 12 1 3 30 15 13 1 CHƯƠNG 1: TĨNH ĐIỆN Mã chương: MH 08-01 Giới thiệu: Hiện 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, công 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 + Hướng vào - Độ lớn: F  k q1.q2 > (q1; q2 dấu) q1.q2 < (q1; q2 trái dấu) q1 q  r  N m     C  Trong đó: k hệ số k = 9.109 Đơn vị: q: Coulomb (C) r: mét (m) F: Newton (N) 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 q Đơn vị: E(V/m)   q > 0: F phương, chiều với E   q < 0: F phương, ngược chiều với E + Đường sức điện trường: 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 khơng bao giờ cắt - Nơi có cường độ điện trường lớn đường sức vẽ mau ngược lại Hình 1.1: 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 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 1.2): Công của lực điện trường: AMN  k q q0  1      rM rN  Hình 1.2: 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 trưịng AMN  Trong đó: WM  q q0    rM q q0    rM  q q0    rM  WM  WN WN  C 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 10 Vậy: hệ pha đấu sao, điện áp dây có trị số gấp lần điện áp pha nhanh pha điện áp pha 30 Nối phụ tải thành hình Mạch ba pha phụ tải đấu Giả sử tải pha có tổng trở Z A , Z B , Z C đấu tạo thành đầu A’, B’, C’ điểm trung tính O’ Hình 4.11: Hệ thống điện pha tải nối Nguồn cung cấp hình có pha A, B, C điểm trung tính O Điện áp pha của nguồn điện áp pha của tải: ' U A  U A' ; U B  U B' ; U C  U C Dòng điện chạy dây pha: U U U I A  A IB  B IC  C ZA ; ZB ; ZC Áp dụng định luật Kirchhoff 1: IO  IA  IB  IC Nếu dòng điện ba pha đối xứng thì: IO  IA  IB  IC  Nối hình tam giác Nối cuộn dây máy phát điện thành hình tam giác Nối cuộn dây máy phát điện thành hình tam giác nối điểm đầu của pha với điểm cuối của pha Nối phụ tải thành hình tam giác IA A I AB ZCA Ud = 220V I B C I ZAB I CA ZBC B I BC C Hình 4.12: Hệ thống điện pha tải nối tam giác dây Khi đấu phụ tải theo hình tam giác, điện áp đặt vào pha điện áp 44 Dòng điện pha: U U IBC  BC IAB  AB Z AB Z BC ; U ICA  CA Z CA ; Áp dụng định luật Kirchhoff nút A, B, C: IA  IAB  ICA ; IB  IBC  IAB ; IC  ICA  IBC Từ đồ thị, ta có: I d  I A  2.I AB cos 300  I p Id  I p Nghĩa là: mạch đấu tam giác đối xứng, dòng điện dây gấp lần dòng điện pha dòng điện dây chậm sau dòng điện pha tương ứng góc 30 3.3 Cơng śt mạng pha Cơng suất của mạch: - Công suất tác dụng pha: PC  U C I C cos C PA  U A I A cos A ; PB  U B I B cos B ; Công suất phản kháng pha: QA  U A I A sin A ; QB  U B I B sin  B ; QC  U C I C sin  C Cơng suất tồn phần pha: S C  U C I C S B  U B I B S A  U A I A ; ; SC  PC  jQC S B  PB  jQB ; S A  PA  jQA ; Công suất chung cho ba pha: P  PA  PB  PC Q  Q A  QB  QC S  S A  S B  SC 3.4 Phương pháp giải mạch pha cân Giải mạch ba pha cân trở kháng dây trung tính khơng đảng kể IA A A' Up U'p Ud O Z O' Z IO B C C' Z B' IB IC Hình 4.13: Hệ thống điện pha nối có trung tính Phụ tải đối xứng: Z A  Z B  Z C  Z  R  jX Khi đó, dòng điện ba pha đối xứng: j120 IA  I A ; IB  I B e  j120 ; IC  I C e Dòng điện dây trung tính: IO  IA  IB  IC  0 45 Do đó, tải ba pha đối xứng khơng cần đến dây trung tính Quan hệ điện áp: U d  3U p Quan hệ dịng điện: Id  I p Góc lệch pha áp pha dòng điện pha tương ứng:   arctg X R Giải mạch ba pha cân dây trung tính có trở kháng đáng kể Trong mạch ba pha có dây trung tính khơng đáng kể điện áp pha của tải điện áp pha của nguồn Trong trường hợp trở kháng của dây trung tính đáng kể mà tải ba pha khồn đối xứng, dòng điện chạy qua dây trung tính gây nên sụt áp: U OO'  I O Z OO' Điện áp điểm trung tính xác định theo phương pháp điện nút:  E Y  E A YA  E B YB  E C YC U OO'  YA  YB  YC  YO Y Trong đó: 1 1 YO  YC  YB  YA  ZA ; ZB ; ZC ; Z OO ' E A  U A ; E B  U B ; E C  U C Điện áp tải xác định từ đồ thị vectơ: U A'  U A  U OO' ; U B'  U B  U OO' ; U C'  U C  U OO' Dòng điện pha phụ tải: U ' U ' U ' I A  A IB  B IC  C ZA ; ZB ; ZC Dịng điện dây trung tính: ' I  U OO ' O Z OO ' Công suất của pha: PA  U A I A cos A ; PB  U B I B cos B ; PC  U C I C cos C Công suất phản kháng pha: QA  U A I A sin A ; QB  U B I B sin  B ; QC  U C I C sin  C Cơng suất tồn phần pha: S C  U C I C S B  U B I B S A  U A I A ; ; S B  PB  jQB S A  PA  jQA ; Công suất chung cho ba pha: P  PA  PB  PC Q  Q A  QB  QC S  U AI A  U B I B  UC IC  P2  Q2 46 ; SC  PC  jQC Giải mạch xoay chiều phân nhánh 4.1 Giải mạch phương pháp đồ thị véc tơ Mạch điện có hai nhánh song song Xét mạch điện có hai nhánh song song, nhánh gồm điện trở R1 , X ; R2 , X đặt vào điện áp xoay chiều u  U m sin  t Tổng trở góc lệch pha nhánh: Z1  R1  X 2 Z  R2  X ; ; Dòng điện nhánh: U I1   U y1 Z1 ; tg1  X1 R1 tg  X2 R2 I2  U  U y2 Z2 với y1 ; y tổng dẫn nhánh Tổng dẫn nhánh nghịch đảo của tổng trở nhánh Phương pháp véc tơ Tam giác dòng điện nhánh Xét nhánh gồm điện trở R nối tiếp với điện kháng X, đặt vào điện áp xoay chiều u Thành phần tác dụng của dòng điện IR đồng pha với điện áp I I IX IR R   g b X IR A B U I  g IX y C Hình 4.14: Tam giác tác dụng - Thành phần tác dụng của IR đồng pha với điện áp R I R  I cos  U  U g Z Trong đó: g điện dẫn tác dụng của nhánh R R g  Z R X2 - Thành phần phản kháng Ix lệch pha điện áp góc 90 X I X  I sin   U  U b Z Trong đó: b điện dẫn phản kháng của nhánh 47 b X X  2 Z R X2 * Tam giác ABC gọi tam giác dòng điện nhánh I tg  X 2 I  IR  IX IR ; b I R  I cos ; I X  I sin * Tam giác điện dẫn: b tg  2 y  g b ; g g  y cos ; b  y sin  Công suất nhánh: P  U I cos  U I R  U g Q  U I sin   U I X  U b S  U.I  U y Mạch có trở kháng đấu hỡn hợp Hình 4.15: Mạch trở kháng hỗn hợp Xét mạch điện gồm hai trở kháng Z1 Z2 đấu song song, nối tiếp với trở kháng Z3 đặt vào điện áp xoay chiều Các thành phần điện dẫn tác dụng phản kháng: R R g1  12 g  22 Z1 ; Z2 b1  X1 b2  X2 Z1 ; Z2 Điện dẫn tương đương: 2 g12  g1  g ; b12  b1  b2 ; y12  g  b Tổng trở, điện trở, điện kháng nhánh tương đương: g b 2 R12  g12 Z12  122 X 12  b12 Z12  122 Z12  y12 ; y12 y12 ; Trở kháng Z Z12 nối tiếp nên: R  R3  R12 X  X  X 12 Z  R  X ; ; X U tg  I  I3  Z ; R Dòng điện mạch chính: Dịng điện nhánh: X tg12  12 U 12  I Z12  I Z12 R 12 ; 48 U 12 X tg1  Z1 ; R1 X U I  12 tg  R2 Z2 ; I1  4.2 Giải mạch phương pháp Số phức 4.2.1 Những vấn đề chung số phức Một số phức ký hiệu sau: Z a  jb đó: a gọi phần thực của Z, b phần ảo của Z, a b số thực j gọi đơn vị ảo, j  j b gọi số ảo Ví dụ: Z   j ; Z    j Cách biểu diễn số phức Trong mặt phẳng, lấy hệ toạ độ vng góc, trục hồnh biểu diễn số thực gọi trục thực, ký hiệu +1, trục tung biểu diễn số ảo gọi trục ảo, ký hiệu  j Hình 4.16: Đồ thị số phức OM  Z gọi modul của số phức (trị hiệu dụng) Chiều dài vectơ Góc  tính từ trục thực đến vectơ OM theo chiều dương (ngược chiều kim đồng hồ) gọi acgumen của số phức (pha ban đầu) Có hai cách để biểu diễn số phức:  a) Dạng đại số: C  a  j b j  b) Dạng mũ: C  C e  C  Trong đó: C modul (trị hiệu dụng)  acgumen (góc pha ban đầu) c) Đổi từ dạng mũ sang dạng đại số: C  C e j  C   a  j b a  C cos Trong đó: b  C sin  d) Đổi từ dạng đại số sang dạng mũ: a  j b  C e j Trong đó: C  a2  b2   arctg b a Cộng số phức 49 Quy tắc: Muốn cộng số phức, ta cộng phần thực với nhau, phần ảo với   Cho C1  a1  j b1 ; C  a2  j b2    Thì: C  C1  C2  a1  a2   j b1  b2  Trừ số phức Quy tắc: Muốn trừ số phức, ta trừ phần thực với nhau, phần ảo với   Cho C1  a1  j b1 ; C  a2  j b2    Thì: C  C1  C2  a1  a2   j b1  b2  Nhân số phức - Dạng đại số:   Cho C1  a1  j b1 ; C  a2  j b2  C  C   a  jb  a  jb  C 1 2  a1 a  b1b2   j a1b2  b1 a  Chia số phức - Dạng đại số:   Cho C1  a1  j b1 ; C  a2  j b2 a  j b1  a2  j b2  a1a2  b1b2 a2b1  a1b2 C a  j b1 C   j   a2  j b2  a22  a22 a22  b22 C a2  j b2 a2  j b2  - Dạng mũ: j j   Cho C1  C1 e ; C2  C2 e C1 C1.e j1 C1 j 1 2    e C   C2 C2 e j2 C2 Biểu diễn đại lượng hình sin số phức Trong mạch điện hình sin, tần số tần số góc chung cho đại lượng hình sin nên đại lượng hình sin đặc trưng hai thơng số: biên độ góc pha ban đầu Do đó, dùng số phức để biểu diễn đại lượng hình sin: i  I sin t   i   I  I  i  I e ji u  U sin t     U  U   I e ju u u Định luật Ohm dạng phức   Cho mạch điện có trở kháng R, X đặt vào điện áp u  U sin  t   u i  I sin t  i  dòng điện mạch Chuyển dạng phức: i  I sin t   i   I  I  i  I e ji u  U sin t     U  U   U e ju u u U U e ju U j u i    e Z  I e ji I I Suy ra: 50 U I  Z Định luật Ohm dạng phức: Định luật Kirchhoff dạng phức Các định luật Kirchoff viết dạng phức Muốn vậy, từ sơ đồ thực của mạch điện, ta chuyển sơ đồ phức với thông số đại lượng dạng phức Với cách chuyển đó, định luật Kirchoff phát biểu sau: Định luật Kirchoff I: Tổng đại số phức dòng điện nút  I  nut Định luật Kirchoff II: Đi theo vịng kín, tổng đại số phức sức điện động tổng đại số phức điện áp đặt vào phức tổng trở nhánh  E   ZI vong vong 4.2.2 Giải mạch điện phương pháp dòng điện nhánh Các bước tiến hành: - Thành lập sơ đồ phức, chọn ẩn số phức dòng điện nhánh, chiều tuỳ ý chọn Các nguồn sức điện động thay phức sức điện động Còn nhánh biểu diễn phức tổng trở nhánh - Thành lập hệ phương trình Kirchhoff cho nút phương trình Kirchhoff cho vịng - Giải hệ phương trình phức để tìm dịng điện nhánh Từ đó, tìm góc pha, điện áp công suất nhánh 4.2.3 Giải mạch điện phương pháp dòng điện vòng Các bước tiến hành:    - Thành lập sơ đồ phức, chọn ẩn số dòng điện vòng I a , I b , I c … thường chọn vòng mắt lưới - Thành lập phương trình Kirchhoff có kể đến sụt áp dòng điện vòng khác tham gia nhánh - Giải hệ phương trình để tìm dịng vịng - Dòng nhánh tổng đại số dòng vòng qua nhánh 4.2.4 Giải mạch điện phương pháp điện thé nút Các bước tiến hành sau: - Thành lập sơ đồ phức Chọn ấn số điện nút, có Nút chọn làm gốc có điện - Thành lập hệ (n-1) nút cịn lại - Giải hệ phương trình để tìm ẩn cịn lại Sau đó, tìm dịng điện nhánh nối nút - Phương pháp dùng cho mạch có nhiều nhánh nối song song vào nút Hình 4.17: Mạch có nhiều nhánh 51  Giả thiết ta đã biết điện áp U AB , ta tính dịng điện nhánh E  U AB I1   E1  U AB .Y1 Z1 U I2   AB  U AB Y2 Z2 E  U AB  E  U AB .Y3 I3  Z3    Áp dụng định luật Kirchhoff ta có: I1  I  I     Thay I1 , I , I vào phương trình ta có: U AB Y1  Y2  Y3   E1.Y1  E Y3 E Y  E Y3  U AB  1 Y1  Y2  Y3 Tổng quát: U AB   E Y Y n n n Trong đó: Là tổng dẫn phức của nhánh n Trong biểu thức trên, sức điện động ngược chiều với điện áp lấy dấu dương, chiều với điện áp lấy dấu âm 4.3 Cộng hưởng dòng điện Sơ đồ tương đương của tụ điện có tổn hao: C I UR UC  U Hình 4.18: Sơ đồ tương đương tụ Tụ điện có điện mơi lỏng rắn tụ điện có tổn hao Vì hai cực của tụ điện đặt vào điện áp xoay chiều, phần tử điện môi bị phân cực lưỡng cực bị đổi hướng liên tục gây tổn hao lượng Do có tổn hao nên dịng điện qua tụ điện lệch với áp góc nhỏ 90 Góc   900   phụ với góc lệch pha gọi góc tổn hao điện mơi: Tổn hao điện môi đặc trưng điện trở tương đương R Có hai kiểu sơ đồ: * Sơ đồ tương đương nối tiếp: R C Hình 4.19: Mạch nối tiếp Công suất tổn hao tụ: P  U I cos  U I R  I R U R tg  R   R  X C tg UC XC 52 I2 tg C Tức là: Công suất tổn hao tỷ lệ với tang của góc tổn hao điện mơi R P  tg  X C U I * Sơ đồ tương đương song song: R' IR  P  U I cos  I X C tg  I IC C' Hình 4.20: Mạch song song Công suất tổn hao mạch P  U I cos  U I R  U2 R' IR X'C U / R'   '  tg  IC U / X 'C R  P  U I cos  U 2C ' tg X'C  R  tg C ' tg ' Do góc  nhỏ nên tổng dẫn chung của mạch:     y   '   C ' P  C ' R   P  U I cos  U 2C ' tg  U y ' tg Sơ đồ tương đương cuộn dây có tổn hao: Ở tần số thấp, cuộn dây có tổn hao thay điện trở R nối tiếp với điện cảm L Ở tần số cao, sơ đồ thay phải kể đến điện dung ký sinh vòng dây Để đơn giản, thay cuộn dây gồm hai nhánh song song: nhánh thứ sơ đồ tương đương cuộn dây tần số thấp, nhánh thứ hai điện dung tương đương của điện dung ký sinh 4.3.1 Mạch dao động song song khơng có tổn hao Mạch điện gồm cuộn dây tụ điện mắc song song gọi mạch dao động song song Nếu cuộn dây tụ điện có tổn hao bỏ qua gọi mạch dao động song song không tổn hao Mạch gồm nhánh thuần điện cảm song song với nhánh thuần điện dung ' IL I IC U IL  IC Hình 4.21: Mạch cộng hưởng LC 53 Điện dẫn tác dụng phản kháng của nhánh: b  bL  bC   C  y12  g  b  b g  g1  g  ; L Dòng điện nhánh 1: IL chậm sau U góc 90 Dịng điện nhánh thứ 2: IC nhanh U góc 90    I Dòng điện nhánh chung:  I L  I L - 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   bL  bC  L    C  - Điều kiện cộng hưởng: Trong đó:  tần số riêng của mạch dao động LC  0 Khi tần số của nguồn điện tần số riêng xảy tượng cộng hưởng dịng điện 4.3.2 Mạch dao động song song có tổn hao Trong thực tế, mạch dao động có tổn hao I I  I1 I2 R1 R2 L1 C2 I1 I R1 I1 IL IC I R2 Hình 4.22: mạch dao động có tổn hao Dùng phương pháp điện dẫn thay nhánh hai thành phần điện dẫn tác dụng phản kháng R R g1  12 g  22 Z1 ; Z2 bL  XL L X C  bC  C2  2 Z1 R1  L  ; Z2  R2C2  Khi bL = bC =0 ta có mạch cộng hưởng dịng điện - I= IL - IC =0 ; dịng điện mạch có tính th̀n tác dụng - có cộng hưởng QL = QC -> Q=0, nguồn cung cấp lượng tiêu hao điện dẫn tác dụng 2 - Tổng dẫn của mạch: y12  g  b  g - Điều kiện cộng hưởng: L C bL  bC   2 R1  L   R2C2  54    0  0  C2 R1  L1 L1C2 C2 R2  L1   L1C2 Nếu R1 = R2 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 công 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 10000  14300kVA Nếu nâng cao hệ số cos của phụ tải lên tới 0,9 ta 0.7 10000  11110kVA , giưa ngun nguồn có cơng cần chọn nguồn có cơng suất suất 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: P  rd I  rd P2 U cos2  Ta thấy rằng, nâng cao hệ số cos của phụ tải dịng điện tổn thất công 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, khố K mở (chưa có nhánh tụ điện) dịng điện đường dây I dòng điện qua tải I  I1 Hệ số cơng suất cos1 Hình 4.23: Tam giác công suất mạch 55 + Sau bù, khố K đóng, dịng điện qua phụ tải khơng đổi trị số góc pha dòng điện chạy đường dây lúc tổng của dòng điện phụ tải dòng điện qua tụ điện I= I1 - IC Hệ số công suất của mạch cos  cos1 Hình 4.24: Tam giác cơng suất Nhìn vào đồ thị vectơ ta thấy rõ, dòng 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  C Q1  Q  QC  P.tg1  P.tg  C U P tg1  tg  U Ngồi 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 cơng suất thiết bị … làm cho hệ số công suất cos của xí nghiệp nâng cao Những trọng tâm cần ý chương - Khái niệm dịng điện xoay chiều - Cơng suất hệ số công suất mạch điện xoay chiều - Giải mạch phương pháp Số phức Bài tập mở rộng nâng cao Bài Tải ba pha đối xứng, trở kháng pha R  8 ; X  6 , đấu hình sao, mắc vào nguồn điện áp ba pha đối xứng có U d  220V Xác định dịng điện pha, hệ số cơng suất công suất tác dụng ba pha Bài Một nguồn áp ba pha đối xứng cung cấp điện cho hai tải song song, Tải đấu hình đối xứng với tổng trở pha: Z1= 8-8j, Tải đấu hình tam giác đối tổng trở pha: Z2 = 24+24j Điện áp dây của nguồn 240V Bỏ qua tổng trở đườngdây Tính dịng điện đường dây Bài Cho mạch ba pha đối xứng hình vẽ: 56 Tính dịng điện dây,dịng pha, cơng suất tác dụng tải ? Bài Phụ tải ba pha gồm ba cuộn dây giống có R  8 ; X  6 ,, nối hình tam giác, đặt vào điện áp ba pha đối xứng có U d  220V Tính dịng điện pha, dịng điện dây, hệ số công suất công suất tác dụng ba pha Nội dung và phương pháp đánh giá chương 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 Điều kiện để hồn thành mơn học để dự thi kết thúc môn học: + Người học tham dự 70% thời gian học lý thuyết đầy đủ học tích hợp, học thực hành, thực tập + Điểm trung bình chung điểm kiểm tra đạt từ 5,0 điểm trở lên theo thang điểm 10; + Người học có giấy xác nhận khuyết tật theo quy định hiệu trưởng xem xét, định ưu tiên điều kiện dự thi sở sinh viên phải bảo đảm điều kiện điểm trung bình điểm kiểm tra + Số lần dự thi kết thúc môn học theo quy định khoản Điều 13 Thông tư 09/2017/TT-BLĐTBXH, ngày 13 tháng năm 2017 Điều kiện để công nhận, cấp chứng nhận đạt môn học đào tạo Người học công nhận cấp chứng nhận đạt môn học có điểm trung bình mơn học theo thang điểm 10 đạt từ 4,0 trở lên 57 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 58