BÀI GIẢNG ĐIỆN KỸ THUẬT pdf

BÀI GIẢNG ĐIỆN KỸ THUẬT CHƯƠNG I: MẠCH ĐIỆN I-Những khái niệm cơ bản về mạch điện I.1-Mạch điện  Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện nối với nhau bằng các dây dẫn tạo thành những vòng kín trong đó dòng điện có thể chạy qua.  Mạch điện gồm các phần tử sau: - Nguồn điện: là thiết bị phát ra điện: máy phát - Phụ tải: là thiết bị tiêu thụ điện - Dây dẫn: cho dòng điện đi qua I.2-Kết cấu hình học của mạng điện: Hình vẽ  Nhánh: là bộ phận của mạch điện gồm các phần tử nối tiếp nhau trong đó có cùng dòng điện chạy qua. Hình trên gồm 4 nhánh.  Nút: là chỗ gặp nhau của từ 3 nhánh trở lên. Hình trên có 2 nút  Vòng:Là lối đi khép kín qua các nhánh. Mạch trên có 6 vòng a,b,c,d,e,f. I.3-Các đại lượng và thông số đặc trưng về năng lượng của mạch điện I.3.1-Dòng điện  Là dòng điện tích chuyển động có hướng. Độ lớn được đo là cường độ dòng điện là tốc độ biến thiên lượng điện tích qua tiết diện ngang dây dẫn i = dt da  Dòng điện ký hiệu bằng các chữ I, I, I o …, đơn vị là A  Chiều dòng điện quy ước là chiều chuyển động của điện tích dương trong điện trường Nếu không xác định được chiều, ta tùy ý vẽ chiều nếu kết quả đúng thì chiều là đúng, âm thì ngược lại. I.3.2-Điện áp  Tại mỗi điểm trong mạch ta có một điện thế. Hiệu điện thế giữa 2 điểm gọi là điện áp U AB = φ A – φ B  Điện áp ký hiệu bằng các chữ u, U, U o … đơn vị là vôn (V)  Chiều điện quy ước là chiều từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp Nếu không xác định được chiều ta vẽ tùy ý chiều. Nếu kết quả dương thì chiều chọn là đúng, nếu âm thì ngược lại I.3.3-Công suất  Trong mạch điện một nhánh nếu chọn chiều dòng điện và điện áp trùng nhau sau khi tính công suất p nếu: p = u.i > 0 nhánh nhận năng lượng p = u.i < 0 nhánh phát năng lượng Nếu chọn ngược lại nhau giữa u và I thì kết luận ngược lại  Đơn vị công suất là W (oát) I.3.4-Điện trở R i R  Dòng điện i đi qua một phụ tải sẽ bị cản trở được đặc trưng bằng điện trở R và gây ra một điện áp U R . Theo định luật ôm ta có U R = R.i  Điện trở ký hiệu R, đơn vị là ôm (Ω) Đại lượng nghịch đảo điện trở là điện dẫn g = R 1 đơn vị là simen: S = Ω 1 I.3.5-Điện cảm L i L  Khi cho dòng điện i chạy qua một cuộn dây nó sẽ sinh ra một từ trường có từ thông Ф. Từ trường mạnh hay yếu phụ thuộc vào tính chất cuộn dây được đặc trưng bằng hệ số tự cảm L Đơn vị của L là Henry (H)  Nếu dòng điện i thay đổi thì từ trường thay đổi thì trong cuộn dây phát sinh một sức điện động tự cảm e L = -L dt di I.3.6-Điện dung C i C U C  Khi đặt điện áp U C lên tụ điện C nó sẽ được nạp điện với điện tích q = C.U C Trong đó C là điện dung, đơn vị là F (fara)  Nếu U C biến thiên sẽ tạo ra dòng điện i: i = dt dq = C dt dU C → U C = ∫ t idt C 0 1 II-Hai định luật Kiếc hốp II.1-Định luật Kiếc hốp 1  Trong mạch điện tổng đại số các dòng điện tại một nút i 1 A i 3 i 4 bằng không. =Σi 0 i 2 Với quy ước vào nút (+), ra nút (-) hoặc ngược lại Tại A: i = i 1 – i 2 – i 3 + i 4 = 0 → i 1 + i 4 = i 2 + i 3 Phát biểu cách khác: Tổng các dòng điện tới nút bằng tổng các dòng điện ra khỏi nút  Định luật 1 nói lên tính liên tục của dòng điện, trong một nút không có hiện tượng tích lũy điện tích II.2-Định luật Kiếc hốp 2  Đi theo một vòng kín với chiều tùy ý tổng đại số có điện áp … trên các phần tử bằng không. =Σu 0 Thay thế điện áp … với các sức điện động với e = -u ta có uΣ = eΣ Phát biểu cách khác: Đi theo một vòng kín theo một chiều tùy ý tổng đại số của điện áp … trên các phần tử bằng tổng đại số các sức điện động trong vòng  Định luật 2 nói lên tính chất tế của mạch. Trong mạch xuất phát từ một điểm theo một vòng kín trở về vị trí xuất phát thì tổng lượng tăng thế bằng không. i 3  Ví dụ: mạch điện như hình sau ta có: i 1 Vòng a: i 1 z 1 + e 1 + i 2 z 2 = 0 z 1 i 2 b z 3 Vòng b: -i 2 z 2 - i 3 z 3 + e 3 = 0 a z 2 III-Dòng điện xoay chiều hình sin một pha III.1-Khái niệm và các thông số cơ bản Dòng điện xoay chiều hình sin một pha có dạng: i = I 0(max) sin(ωt+φ i )  Trị số tức thời là trị số tại một thời điểm nào đó được ký hiệu bằng chữ thường: i, u, e Trị số cực đại ký hiệu bằng chữ in I 0 , U 0(max) …  (ωt + φ i ), (ωt + φ u ) … là góc pha, φ i , φ u là góc pha ban đầu      ω là tần số góc đơn vị là rad/s: ω = 2πf  T là chu kỳ: là khoảng thời gian ngắn nhất để dòng điện lặp lại trị số và chiều biến thiên  f là tần số: số chu kỳ trong 1 giây f = T 1 ; T = f 1  Trong mạch các đại lượng dòng điện, điện áp hay các dòng điện khác nhau có sự lệch pha nhau. Góc lệch pha là hiệu số pha ban đầu của chúng φ = φ u – φ i Nếu: φ > 0 điện áp vượt trước dòng điện φ < 0 điện áp chậm sau dòng điện φ = 0 điện áp trùng pha với dòng điện  Trị số hiệu dụng: ký hiệu bằng chữ in I, U, E … o Vì i, u thay đổi rất nhanh nên cái ta quan tâm là tác dụng của dòng điện gây ra trong một thời gian lâu dài, các đại lượng đó là trị số hiệu dụng: “ Cường độ hiệu dụng của dòng điện xoay chiều là cường độ của một dòng không đổi mà nếu chúng lần lượt đi qua 1 điện trở trong thời gian như nhau thì chúng tỏa ra những nhiệt lượng bằng nhau” o Ta có: U = 2 0 U ; I = 2 0 I ; E = 2 0 E III.2-Biểu diễn dòng điện hình sin bằng vectơ:  Dòng điện hình sin biểu diễn trên đồ thị không thuận tiện khi so sánh hay tính toán. Vì thế người ta thường dùng một đại lượng véc tơ để biểu diễn chúng  Cách biểu diễn: Trên hệ trục tọa độ xOy, ta quy ước vẽ véc tơ có gốc tọa độ O, độ lớn bằng trị số hiệu dụng và góc tạo với trục Ox 20 o là góc pha ban đầu Ví dụ dòng điện hình trên: I = 10 2 sin(ωt + 20 o )  Khi biểu diễn bằng đại lượng véc tơ thì các định luật vẫn đúng nhưng dưới dạng véc tơ: Định luật kiếc hốp 1: ∑ I = 0 Định luật kiếc hốp 2: ∑ U = 0 Khi thực hiện các phép tính ta dùng các phép tính về véc tơ III.3-Dòng điện hình sin trong nhánh thuần trở (R)  Sơ đồ: Cho dòng điện I = I o(max) sinωt đi qua R  Định luật ôm – trị số hiệu dụng: U R = i.R = R.I o sinωt = U o sinωt → U R = 2 U o = R.I  Đồ thị véc tơ: véc tơ dòng điện và điện áp trùng phương nhau vì trùng pha  Công suất: P R (t) = U max(o) I max(o) sin 2 ωt ≥ 0 Điện trở liên tục tiêu thụ điện năng biến sang dạng năng lượng khác → đây là công suất tác dụng P = T 1 ∫ T tR dt P 0 )( = RI 2 Đồ thị: (hình vẽ) III.4-Dòng điện hình sin trong nhánh thuần cảm - Sơ đồ: i L L U L Cho dòng i L = I o sinωt qua L -Định luật ôm-trị số hiệu dụng: U L = L dt di = L dt td I )sin( 0 ω = ωLI o sin(ωt + 2 π ) → U L = 2 0 U = 2 0 LI ω = X L I Trong đó X L = Lω có thứ nguyên điện trở gọi là cảm kháng -Đồ thị véc tơ: U L Dòng điện và điện áp cùng tần số nhưng dòng điện chậm sau điện áp 1 góc 2 π Л/2 I L -Công suất: P L (t) = U o I o sin(ωt + 2 π )sinωt = U L I sin2ω + có sự trao đổi năng lượng từ 0 → 2 π … năng lượng P L >0 + Từ 2 π → π năng lượng trả lại nguồn + Công suất tác dụng = 0 → P L = dt T T L P ∫ 0 1 = 0 + Người ta dùng công suất cảm kháng để biểu thị sự trao đổi năng lượng: Q L = X L .I 2 . Đơn vị là … -Đồ thị: (hình vẽ) III.5-Dòng điện hình sin trong mạch thuần dung: (C) -Sơ đồ: i C U C Cho dòng i=I o sinωt đi qua C -Định luật ôm-trị số hiệu dụng: U C = ∫ idt C 1 = ) 2 sin( 1 0 π ω ω −t C I → U C = X C .I Trong đó X C = C ω 1 có thứ nguyên điện trở gọi là dung kháng (Chú ý: Trong tụ điện: i C U C q = C.U C khi U C thay đổi thì U thay đổi mà i = dt d c dt dq U C = → dU C = idt C 1 → U C = ∫ idt C 1 ) -Đồ thị véc tơ: i C Dòng điện và điện áp cùng tần số nhưng dòng điện vượt trước một góc 2 π -Công suất: P C = dtt T T C P )( 1 0 ∫ = 0 U C Công suất tác dụng bằng không → không có công suất tác dụng Có quá trình trao đổi năng lượng P C (t) = U C .i = t I U C ω 2sin 2 Để biểu thị cường độ quá trình trao đổi năng lượng nguồn … dùng công suất phản kháng φ C = -U C .I = -X C I 2 -Đồ thị: (hình vẽ) III.6-Dòng điện hình sin trong nhánh R-L-C nối tiếp -Sơ đồ: i R L C U R U L U C U -Định luật ôm - trị số hiệu dụng Mắc nối tiếp nên dòng i chung còn điện áp bằng tổng các điện áp: U = UUU CLR ++ Ta vẽ đồ thị véc tơ: U C U L U = ( ) UU U CL R − + 2 2 = I ( ) XX R CL − + 2 2 U φ = I.Z i U R Với Z = ( ) XX R CL − + 2 2 có thứ nguyên là Ω gọi là tổng trở. Nếu đặt X = X L – X C ta có: Z = XR 22 + Trong đó X gọi là điện kháng. -Tam giác tổng trở: R X R, Z, X lập thành tam giác tổng trở: φ R -Điện áp lệch pha với dòng điện một góc φ. Với tgφ = R X RR XX UU CLCL = − = − -Tính chất mạch điện: -Khi X = X L -X C = 0 với φ = 0 có hiện tượng cộng hưởng dòng điện cực đại I = R U -X L > X C → φ > 0 mạch có tính chất điện cảm -X L < X C → φ < 0 mạch có tính chất điện dung II.7-Công suất dòng điện hình sin Có 3 loại công suất sau: a.Công suất tác dụng: (P) -Là công suất đặc trưng cho sự biến đổi năng lượng điện năng thành dạng khác. -Cách tính: P = U.I.cosφ P = IR nn 2 ∑ b.Công suất phản kháng ζ: -Đặc trưng cho cường độ trao đổi năng lượng điện từ trường: ζ = U.Isinφ ζ = ζ L + ζ C = ∑∑ − XXIX nCnnLn 22 c.Công suất biểu kiến: (S) -Là tổng công suất điện năng tiêu thụ của mạch ( công suất toàn phần) S = U.I = ζ 2 2 + P -Tam giác công suất: 3 thành phần R, P, ζ tạo thành S ζ 1 tam giác công suất φ P d.Nâng cao hệ số công suất cosφ: -Trong biểu thức P = U.I.cosφ thì cosφ được gọi là hệ số công suất. cosφ tăng thì P tăng do đó làm tăng khả năng sử dụng công suất nguồn. -Mặt khác I = ϕ cos P nên cosφ lớn → I nhỏ → tổn hao điện năng ít, tiết kiệm dây dẫn vì tiết diện nhỏ.     !" # $%&$'()# *+,)-.,/012%3# *45/6&+7,8-   [...]... (S): S = 3UPIP = 3 UdId V Các phương pháp phân tích mạch điện Phân tích mạch điện là bài toán cho biết kết cấu mạch điện, biết các thông số cần tìm các thông số dòng điện, điện áp, công suất Sau đây là một số phương pháp cơ bản: 1 Phương pháp bằng Véc tơ: * Điều kiện: - Đối với các mạch đơn giản - Chỉ có một nguồn * Phương pháp: - Dựa vào đầu bài vẽ đồ thị véc tơ - Dựa vào các công thức đã biết và đồ... = ΣY n Chú ý: Sức điện động ngược chiều với điện áp lấy dâu dương, cùng chiều lấy đâu âm * Phương pháp: - Chọn chiều dòng điện và điện áp tùy ý • - Tìm U AB - Tìm dòng điện nhánh - Biện luận 8 Giải mạch 3 pha: - Phương pháp chung là tách giải từng pha Sau đây chỉ nghiên cứu mạch đối xứng a – Tải mô hình sao (Y) * Khi không có tổng trở dây dẫn: • • UP = Ud 3 2 2 Z P = RP + X P Dòng điện pha và góc ϕ... tính: 1 Dòng điện trong các phụ tải 2 Dòng điện dây Id1, Id2 3 Công suất P, Q, S toàn mạch 4 Dòng điện tổng trên đường dây Giải: (1) Tải 1 nối Y: nên: • Id1 = Ip1 = Ud 3Z 1 = 220 3 4 2 + 3 2 = 25,4 A 2 P1 = 3R1 I p1 = 3.4.25,4 2 = 7742 W 2 Q1 = 3 X L1 I P1 = 3.3.25.4 2 = 5806VA (2) Tải 2: P2 = 7 kw Là công suất cơ trên trục, còn công suất điện tiêu thụ là: P2 đ = p 2 7000 = = 7777 W η 0,9 Dòng điện I d... Chọn chiều dòng điện tùy ý - Viết phương trình cho nút và vòng - Giải hệ phương trình - Biện luận • • Chú ý: Chiều I và E cùng chiều là (+), ngược chiều là (-) 7 Phương pháp điện áp 2 nút: * Điều kiện: Phương pháp dùng khi: Mạch phức tạp, nhiều nhánh song song, có 2 nút và nhiều nguồn * Ví dụ: Cho mạch như hình vẽ Tìm dòng điện các nhánh Giải: - Mạch song song cho nên các nhánh đều chung điện áp UAB... ra 1pha - Rô to: Là một nam châm điện hoặc vĩnh cửu - Nguyên lý làm việc: Khi Ro to quay từ trường sẽ quyét lên các cuộn dây và cảm ứng vào 3 cuộn dây 3 sức điện động, đầu số, nhưng lệch pha nhau 120 o * Các biểu thức tức thời: eA = E 2 Sin cos t eB = E 2 Sin(cos t − 120 o ) eC = E 2 Sin(cos t − 240 o ) * Nguồn đối xứng và không đối xứng; - Nếu nguồn 3 pha gồm 3 sức điện động hình sin cùng biên độ,... (X L − X C ) JωC    Gọi là tồng số phức: * Định luật Kiếc hốp 2 • • ∑ Z I = ∑ E *Y = 1 Z Gọi là tổng dẫn phức 5 Ứng dụng số phức để giải mạch điện: Ví dụ: • • a - Cho phần tử U = 220∠270 o (v) và I = 4∠ − 23o Viết biểu thức tức thời của điện áp và dòng điện Tính các thông số của mạch Tính P, Q, S Giải: - Biểu thức tức thời: • U = 220 2 Sin(ωt + 37 o ) • I = 4 2 Sin(ωt − 23o ) - Tổng trở: • Z= U... có: R = 10Ω ; L=31,8mH Đặt vào cuộn điện áp hình Sin U=100V; f=50H 2 Tính dòng I và công suất cuộn dây Giải: Tacó: XL= ωL = 2πf L = 10Ω Tổng trở cuộn dây: Z = R + JX L = 10 + 10 J = 14∠45 Gọi pha ban đầu của điện áp = 0 • Thì: I = U = 100∠0 o = 7,1∠ − 45 Z 14,1∠45 • Công suất: P = R.I2 = UICos ϕ = 100 7,1 Cos 45o = 500W Q = XL.I2 = UISin ϕ = 500VAr 6 Phương pháp dòng điện nhánh: * Điều kiện: Phương pháp... Q2 đ = 5806 + 10369 = 16175VAr S = P 2 + Q 2 = 15519 2 + 16175 2 = 22421VAr (4) Dòng điện tổng trên đường dây: Id = δ 22421 = = 58,84 A 3U d 3.220 * Dây cuốn: - Dây cuốn là dây điện từ lõi bằng đồng hay nhôm, có tiết diện tròn hay dẹt - Cách quấn: Dây được quấn thành từng lớp vòng nọ sát vòng kia, giữa các lớp có cách điện Có thể dây quấn cùng trên một trục hoặc các trục riêng rẽ * Các bộ phận phụ khác:... bộ phận khác: Vỏ để bảo vệ và đường dây biến áp Trên vỏ có sứ xuyên cao áp, thấp áp để cách điện với vỏ, còn có bình đựng dầu Bu lông đai ốc kẹp chặt b Sơ đồ và nguyên lý của Máy biến áp: Sau đây ta xét sơ đồ và nguyên lý làm việc của máy biến áp 1 pha Máy biến áp 1 pha Trong đó W1, I1, U1 Số vòng dòng điện, điện áp cuộn sơ cấp W2, I2, U2: của mạch thứ cấp Nguyên lý làm việc: ... dòng điện nhánh: * Điều kiện: Phương pháp dùng khi: Mạch có nhiều nút, nhiều nhánh, nhiều nguồn * Ví dụ: Cho mạch như hình vẽ Cho e1 = e3 =120 2 Sinωt Z1 = Z 2 = Z 3 = 2 + J Tìm dòng điện các nhánh Giải: Chọn chiều dòng điện như hình vẽ • • • Viết phương trình cho nút A: (1) I 1 - I 2 - I 3= 0 • • Viết phương trình cho vòng : (2) Z 1 I 1 + Z 2 I 2 = E1 • • Vòng a: (3) Z 2 I 2 + Z 3 I 3 = − E3 Thay . BÀI GIẢNG ĐIỆN KỸ THUẬT CHƯƠNG I: MẠCH ĐIỆN I-Những khái niệm cơ bản về mạch điện I.1-Mạch điện  Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện nối với nhau bằng các dây. kín trong đó dòng điện có thể chạy qua.  Mạch điện gồm các phần tử sau: - Nguồn điện: là thiết bị phát ra điện: máy phát - Phụ tải: là thiết bị tiêu thụ điện - Dây dẫn: cho dòng điện đi qua I.2-Kết. mạch điện I.3.1-Dòng điện  Là dòng điện tích chuyển động có hướng. Độ lớn được đo là cường độ dòng điện là tốc độ biến thiên lượng điện tích qua tiết diện ngang dây dẫn i = dt da  Dòng điện