BÀI GIẢNG MẠCH ĐIỆN - CHƯƠNG 1 pot

Định nghĩa mạch điệnMạch là một mô hình diễn tả sự phân bố khoanh vùng của các quá trình năng lượng và tín hiệu điện từ trong một thiết bị điện, nó được ghép bởi một số hữu hạn các vật d

Trang 1

Chương 1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN

mạch

§1-2 Các thông số trạng thái và các quá trình năng lượng trong nhánh

§1-3 Các thông số đặc trưng cơ bản của mạch

§1-4 Các luật cơ bản của mạch điện-Các luật Kirhof

§1-5 Phân loại bài toán mạch

Trang 2

§ 1-1 Mạch điện và kết cấu hình học của mạch 1 Định nghĩa mạch điện

2 Kết cấu hình học của mạch

Chương 1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN

Trang 3

§ 1-1 Mạch điện và kết cấu hình học của mạch 1 Định nghĩa mạch điện

Trang 4

1 Định nghĩa mạch điện

Mạch là một mô hình diễn tả sự phân bố khoanh vùng của các quá

trình năng lượng (và tín hiệu) điện từ trong một thiết bị điện, nó được ghép

bởi một số hữu hạn các vật dẫn trong đó các quá trình chuyển hoá, tích luỹ,

truyền đạt, năng lượng (và tín hiệu) điện từ được đặc trưng bởi các điện áp

u(t) và dòng điện i(t) phân bố theo thời gian t

Từ đó ta định nghĩa mạch điện theo quan điểm năng lượng:

Mô hình mạch và mô hình trường khác nhau ở chỗ: ở mô hình mạch

các thông số chỉ phân bố theo thời gian, còn ở mô hình trường các thông số

phân bố trong không gian theo thời gian, song giữa chúng có quan hệ

khăng khít với nhau thông qua biểu thức: u   Edl i  và Hdl

Trang 5

+ Nhánh:

Mô hình mạch có kết cấu hình khung, vì vậy về mặt hình học nó gồm

các yếu tố là: nhánh, nút, vòng, cây và bù cây Trong đó; nhánh, nút và

vòng là 3 yếu tố hình học cơ bản của mạch:

Là một đoạn mạch gồm những phần tử ghép nối tiếp nhau, trong đó có

cùng một dòng điện chạy, không biến thiên theo toạ độ không gian dọc

theo nhánh và chỉ biến thiên theo thời gian t (trên hình 1.1 là: nhánh

1,2,3,4) Ký hiệu số nhánh của mạch điện bằng chữ m=4

Trang 7

+ Cây: là một phần của mạch gồm các nhánh (gọi là cành) nối đủ các nút

theo một kết cấu hở không có vòng nào Số lượng cành trong cây là n-1 (trên hình 12a,b,c thể hiện là các nét liền)

Hình1.2a,b,c

+ Bù cây: phần mạch còn lại bù với cây để tạo thành mạch hoàn chỉnh gọi

là bù cây Số lượng bù cây là m –n+1 (trên hình 12a,b,c thể hiện là các nét đứt)

Trang 8

§ 1-2 Các thông số trạng thái và các quá trình năng lượng trong nhánh

1 Dòng điện i(t):

2 Điện áp u(t)

2 Công suất điện từ p(t)

Trang 9

§ 1-2 Các thông số trạng thái và các quá trình năng lượng trong nhánh

1 Dòng điện i(t):

2 Công suất điện từ p(t)

Trang 10

1 Dòng điện i(t)

Xét sơ đồ mạch hình 1.3:

Là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích tự do, chiều của dòng điện

là chiều chuyển động của các điện tích dương Trong mạch điện, chiều dương của dòng điện được chọn tuỳ ý, ví dụ nhánh ab trên hình 1.3, nếu ta qui ước dòng chạy từ a đến b là dương (iab > 0) thì dòng chảy từ b đến a sẽ âm (iba < 0)

Ta gọi hiệu điện thế giữa hai nút là điện áp rơi trên phần tử nối 2 nút đó Tương tự như dòng điện, trong mạch điện chiều dương của điện áp được chọn tuỳ ý Nếu uab = a - b > 0 thì uba = b - a < 0 Thông thường, chiều dương của điện áp được chọn trùng với chiều dương của dòng điện

Trang 11

1 Công suất p(t)

Hay còn gọi là công suất tiếp nhận p(t) được định nghĩa bằng tích các giá trị tức thời của điện áp và dòng điện:p(t) = u(t)i(t) Công suất điện từ

cũng có thể dương hoặc âm tuỳ thuộc vào việc qui ước chiều và giá trị

của điện áp và dòng điện trong nhánh:

Chú ý: Trong một mạch điện có nhiều nhánh thì bộ thông số uk(t) ,

ik(t) cũng đặc trưng cho quá trình năng lượng trong mạch Lúc đó công

suất tiếp nhận được tính: p(t) = u1i1 + u2i2 + + unin

Trang 12

§ 1-3 Các thông số đặc trưng cơ bản của mạch

1 Những hiện tượng năng lượng cơ bản xảy ra trong mạch

2 Các thông số đặc trưng cho hiện tượng nguồn

3 Thông số đặc trưng cho hiện tượng tiêu tán-điện trở R

4 Thông số đặc trưng cho hiện tượng tích phóng năng

lượng từ trường - Điện cảm L

lượng điện trường - Điện dung C

6 Sơ đồ mạch điện.

Trang 13

§ 1-3 Các thông số đặc trưng cơ bản của mạch

2 Các thông số đặc trưng cho hiện tượng nguồn

3 Thông số đặc trưng cho hiện tượng tiêu tán-điện trở R

lượng từ trường - Điện cảm L

lượng điện trường - Điện dung C

6 Sơ đồ mạch điện.

Trang 14

Các quá trình năng lượng xẩy ra trong mạch điện có thể phân thành hai loại chính:

+ Hiện tượng chuyển hoá: là quá trình chuyển năng lượng từ dạng này

đến dạng khác nó phân làm hai loại:

- Hiện tượng tạo nguồn: hay còn gọi là hiện tượng nguồn là quá trình biến

các nguồn năng lượng khác nhau như: nhiệt năng, hoá năng, cơ năng, v.v thành điện năng :

- Hiện tượng tiêu tán: là quá trình chuyển năng lượng điện thành các dạng

năng lượng khác nhau như: nhiệt năng, hoá năng, cơ năng, v.v

Trang 15

+ Hiện tượng tích luỹ: là quá trình cất giữ năng lượng điện từ vào không

gian xung quanh thiết bị điện mà không tiêu tán Khi trường điện từ tăng lên thì năng lượng điện từ được tích luỹ thêm vào không gian Khi trường điện từ giảm

đi năng lượng đó lại được đưa ra cung cấp cho các phần tử khác Vì vậy hiện tượng tích luỹ còn gọi là hiện tượng tính phóng

Trang 16

2 Các thông số đặc trưng cho hiện tượng nguồn.

Để đặc trưng cho hiện tượng tạo nguồn, ta dùng nguồn áp u(t) và nguồn dòng j(t)

+ Nguồn áp u(t) hay nguồn sức động điện e(t) là một

thông số của mạch điện, nó đặc trưng cho khả năng duy trì

trong mạch một điện áp hay một sức điện động biến thiên

theo qui luật nhất định, không phụ thuộc mạch ngoài Tuỳ

theo mạch ngoài mà dòng điện trong mạch có những giá trị

khác nhau Ký hiệu nguồn áp như hình 1.4a thì u(t) = e(t)

Trang 17

+ Nguồn dòng J(t) là một thông số của mạch điện, nó

đặc trưng cho khả năng duy trì trong mạch một dòng điện

J(t) biến thiên theo qui luật nào đó không phụ thuộc vào

mạch ngoài Tuỳ theo mạch ngoài mà điện áp trên hai cực

của nguồn có những giá trị khác nhau Ký hiệu nguồn dòng

Trang 18

- V m t toán h c quan h gi a ngu n áp v ngu n dòng nói chung ề mặt toán học quan hệ giữa nguồn áp và nguồn dòng nói chung ặt toán học quan hệ giữa nguồn áp và nguồn dòng nói chung ọc quan hệ giữa nguồn áp và nguồn dòng nói chung ệ giữa nguồn áp và nguồn dòng nói chung ữa nguồn áp và nguồn dòng nói chung ồn áp và nguồn dòng nói chung à nguồn dòng nói chung ồn áp và nguồn dòng nói chung

không ph i l quan h dóng ôi 1-1 ải là quan hệ dóng đôi 1-1 à nguồn dòng nói chung ệ giữa nguồn áp và nguồn dòng nói chung đôi 1-1

- Trong thực tế, tuỳ theo trường hợp cụ thể mà dùng khái niệm nguồn

áp hay nguồn dòng cho phù hợp Trong đa số các trường hợp ta dùng khái niệm nguồn áp, song trong một số trường hợp như nguồn nạp ắc qui, nguồn của các bể mạ, bể điện phân… thường sử dụng khái niệm nguồn dòng

Trang 19

3 Thông số đặc trưng cho hiện tượng tiêu tán - điện trở R.

Hiện tượng tiêu tán trong nhánh được đặc trưng bởi thông số gọi là điện

trở của nhánh, ký hiệu là R (hình 1.5) R đặc trưng riêng cho quá trình tiêu

tán của nhánh Trên phần tử đó công suất tiếp nhận trong mọi trường hợp

đều không âm, nghĩa là điện áp và dòng điện qua R luôn cùng chiều nhau

Chúng liên hệ với nhau qua biểu thức của định luật Ôm: uR = R.i hay R uiR (1.1)

Điện trở R có thể là hằng số hoặc là hàm của dòng điện Trong trường hợp đơn giản nhất R là hằng số (R = const) và gọi là điện trở tuyến tính Đơn vị của điện trở là 

R

Ru

Trang 20

3 Thông số đặc trưng cho hiện tượng tiêu tán - điện trở R.

* ý nghĩa của điện trở và điện dẫn:

Trong kỹ thuật ta còn dùng thông số nghịch đảo của điện trở, gọi là

điện dẫn, ký hiệu là g, với , đơn vị của g là Simen (S) Khi đó quan

hệ giữa điện áp và dòng điện còn có thể viết:

R

1

g 

) 2 1 ( u

g u R

1

i  

+ Về mặt vật lý: Từ công thức 1.1 nói lên độ lớn bé của áp trên nhánh

thuần trở dưới tác dụng của nguồn dòng kích thích Từ (1.2) nói lên độ lớn của dòng điện qua nhánh dưới tác dụng của nguồn áp trên nhánh điện dẫn g

+ Về mặt năng lượng: ta có p = u i = Ri2 = gu2 nói lên mức độ tiêu tán công suất dưới tác động của dòng điện i

Trang 21

4 Thông số đặc trưng cho hiện tượng tích phóng năng lượng từ trường - Điện cảm L

Trong kỹ thuật ta còn dùng thông số nghịch đảo của điện trở, gọi là

điện Khi có dòng điện chảy qua cuộn dây, trong lòng cuộn dây và ở vùng

lân cận cuộn dây tồn tại một từ trường, từ trường này xuyên qua cuộn dây

với một thông lượng nào đó gọi là từ thông  và không gian xung quanh

cuộn dây tích luỹ một năng lượng từ trường WM Dòng điện càng lớn, số

vòng dây càng nhiều thì từ thông và năng lượng từ trường càng lớn (hình

u(t)

Trang 22

Theo định luật Lenx-Faraday ta có điện áp trên

Hình 1.6

p(t)

L i(t)

uL(t)

) 4 1

( dt

di

L dt

di di

d dt

d

uL     

Trong đó gọi là điện cảm của cuộn dây, đơn vị là Henry (H)

i di

d L

Về mặt năng lượng, điện cảm L cũng nói lên khả năng tích luỹ năng lượng

từ trường vào không gian quanh cuộn dây

Thật vậy: từ biểu thức

dt

di Li i dt

di L i.

u

Trang 23

Hình 1.6

p(t)

L i(t)

uL(t)

Ta có năng lượng từ trường tích lũy trong không

2

1 Lidi pdt

di

W d 2 L Ldi

Trang 24

4 Thông số đặc trưng cho hiện tượng tích phóng năng lượng điện trường-Điện dung C

Khi đặt một điện áp u vào hai bản cực của tụ điện trên các bản cực tụ sẽ

được nạp những điện tích ±q và trong không gian giữa hai bản cực sẽ có

một điện trường với cường độ E và do đó tích luỹ năng lượng điện trường

(dt

dq

i 

Trang 25

4 Thông số đặc trưng cho hiện tượng tích phóng năng lượng điện trường-Điện dung C

Vì q là hàm của điện áp u nên:

(dt

du.C

.dt

du.du

dqdt

dq C

Về ý nghĩa năng lượng điện dung C nói lên khả năng tích luỹ năng

lượng điện trường vào không gian giữa 2 bản cực của tụ điện

Trang 26

- Quá trình năng lượng:

Công suất tức thời đưa vào nhánh:

t 2 sin Q t 2 sin I

x t 2 sin I U t cos 2 I t sin 2 U i

u

Công suất tiêu tán trung bình trong một chu kỳ P:

0 dt t 2 sin Q

T

1 dt p T

1

0

T 0

Trang 29

1 Quan hệ dòng điện, điện áp

ur

r

Theo luật Kirhof 2 ta có: u = ur + uL + uC (2.17)

Giả thiết dòng điện trong mạch , ta được:i I 2 sint

) 2 t sin(

2 U ) 2 t sin(

2 U t sin 2 U

) 2 t sin(

2 I x ) 2 t sin(

2 I x t sin 2 rI u

u u u

C L

r

C L

; U U 0

; U U

Trang 30

trong nhánh

Đồ thị véc tơ thể hiện trên hình

2-15 (vẽ cho trường hợp UL >UC)

2

2 L L

2 2

C L

2 r 2

I x

x r

I x I x rI

U U

Trang 31

trong nhánh

- Góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện:

r

x arctg r

x x

arctg U

U U

Vậy điện áp trên nhánh r- L – C nối tiếp có độ lớn gấp z lần dòng điện trong nhánh, lệch pha với dòng điện trong nhánh một góc , hay cặp số (z ;) đặc trưng cho phản ứng của nhánh r- L – C nối tiếp về độ lớn và góc pha

Trang 32

1 Quan hệ dòng điện, điện áp trong nhánh

Từ công thức của :

- Khi xL > xC  >0 điện áp vượt trước dòng điện - mạch có tính chất điện cảm

- Khi xL < xC  <0 điện áp chậm pha so với dòng điện - mạch có tính chất

y 

Trang 33

2- Tam giác tổng trở

Từ các công thức và , ta có thể biểu diễn 4 lượng

r, x, z và  bằng một tam giác vuông có cạnh huyền là z , hai cạnh góc vuông

là r, x, góc hợp bởi cạnh huyền z và cạnh góc vuông r là , gọi là tam giác tổng trở, hình 2-16

2 2

Cách biểu diễn này cho ta hình ảnh cụ thể

và quan hệ giữa các thông số của một nhánh,

cũng rất tiện cho tính toán Từ tam giác tổng trở

ta có thể tính được 2 trong 4 lượng r, x, và ,

khi biết 2 lượng còn lại

z

Trang 36

1 Các loại công suất

a, Công suất tác dụng P

Ta gọi công suất tiêu tán trung bình trong nhánh P = rI 2 là công suất tác dụng, hiểu theo nghĩa là nó có hiệu lực biến điện năng thành các dạng năng lượng khác và sinh công Có đơn vị oatt kí hiệu w

b, Công suất phản kháng Q

Người ta gọi biên độ dao động công suất của các kho trong một nhánh Q = xI 2 là công sất phản kháng, có đơn vị Var, nó nói lên khả năng dao động năng lượng của các kho lớn hay nhỏ

Dựa vào tam giác tổng trở, ta còn có:

Trang 37

Dựa vào tam giác tổng trở, ta còn có:

Q = xI 2 = z sinI 2 = UIsin

- sin > 0  > 0 mạch mang tính chất cảm: Q > 0.

- sin < 0  < 0 m ch mang tính ch t dung: Q < 0 ạch mang tính chất dung: Q < 0 ất dung: Q < 0

c, Công suất toàn phần (biểu kiến) S

Trong kỹ thuật dòng xoay chiều còn dùng một khái niệm nữa là công suất công

suất toàn phần (biểu kiến), định nghĩa là tích UI:

S = UI Đơn vị S quy định là VA

Trang 38

d, Quan hệ giữa các loại công suất P, Q, S

xuất phát từ các công thức: P UI cos S sin







UI sin S sin Q

Và do đó ta có: S 2 = P 2 + Q 2  S  P 2 Q 2

Và ta có thể biểu diễn 4 lượng P, Q, S và  bằng một tam giác vuông,

có cạnh huyền là S, hai cạnh góc vuông là P và Q, góc hợp bởi cạnh huyền

S với cạnh góc vuông P là , gọi là tam giác công suất Tam giác công suất đồng dạng với tam giác tổng trở

Trang 39

2 Hệ số công suất

+ ý nghĩa của việc nâng cao hệ số công suất cos :

Một nhánh có các thông số r, L, C xác định thì hệ số công suất cos

cũng xác định Cos là chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng về mặt năng lượng của nhánh hay của một tải Hệ số công suất càng cao thì sự mất mát năng lượng và sụt áp trên đường dây ít, hiệu suất truyền tải của đường dây cao hơn, nguồn phát được sở dụng triệt để hơn.

+ Biện pháp nâng cao hệ số công suất cos:

Biện pháp đơn giản nhất là mắc song song với các tải (thường có tính chất điện cảm) những tụ điện chuyên dùng để nâng cao hệ số công suất cos (còn gọi là bù tụ điện tĩnh), hình 2-19a

Trang 40

2 Hệ số công suất

Biện pháp đơn giản nhất là mắc song song với

các tải (thường có tính chất điện cảm) những tụ

điện chuyên dùng để nâng cao hệ số công suất

cos (còn gọi là bù tụ điện tĩnh), hình 2-19a

Định dạng
Số trang	41
Dung lượng	453 KB