Giáo trình mạch điện

Giáo trình Mạch điện Nguyễn Thành Nam Lời nói đầu Năng lượng điện nguồn động lực chủ yếu sản xuất đại, nước ta nước khác giới không ngừng phát triển ngành kỹ nghệ sản xuất truyền tải, sử dụng điện Sản lượng điện tính theo đầu người tiêu để đánh giá trình độ phát triển kinh tế nước Kỹ thuật điện nghiên cứu ứng dụng tượng điện từ nhằm biến đổi lượng tín hiệu bao gồm việc phát, truyền tải phân phối, sử dụng điện sản xuất đời sống Ngày điện sử dụng rộng rãi lĩnh vực ưu điểm sau: - Điện sản xuất tập trung với nguồn cơng suất lớn - Điện truyền tải xa với hiệu suất cao - Dễ dàng biến đổi điện thành dạng lượng khác - Nhờ điện tự động hố q trình sản xuất, nâng cao suất lao động So với dạng lượng khác cơ, nhiệt, thuỷ, khí điện phát chậm người không cảm nhận trực tiếp tượng điện từ Tuy nhiên với việc phát sử dụng điện thúc đẩy cách mạng khoa học công nghệ tiến vũ bão sang kỷ nguyên điện khí hố, tự động hố Việt Nam có tiềm to lớn lượng hậu chiến tranh kéo dài chế quản lý quan liêu bao cấp nên sản xuất lạc hậu Năm 1975 nước sản xuất 1,5 tỷ kWh, năm 2003 đạt tới 41 tỷ kWh với sản lượng điện bình quân 500 kWh / người năm Theo lộ trình phát triển tới năm 2010 đạt 70 tỷ kWh, năm 2020 đạt 170 tỷ kWh Để đáp ứng nhu cầu phụ tải điện đến năm 2015 Việt Nam tiến hành xây dùng 61 nhà máy điện với tổng cơng suất 21.658 MW, có 32 nhà máy thuỷ điện với tổng công suất 7.975 MW, 17 nhà máy điện tuabin khí với tổng cơng suất 9.783 MW 12 nhà máy nhiệt điện than với tổng công suất 3.900 MW Hệ thống truyền tải điện siêu cao áp 500 kV Bắc- Nam vào vận hành, tuyến 500 kV thứ hai xây dựng Vốn đầu tư trung bình 2,16 tỷ USD năm Ngành sản xuất thiết bị điện đầu tư phát triển Các máy biến áp 110 kV, 25 MVA 63 MVA ®ang sản suất hàng loạt Máy biến áp 220 Khoa §iƯn - §iƯn Tử CĐ Nghề Nam Định Giáo trình Mạch điện Ngun Thµnh Nam kV, 125 MVA vào sản xuất từ năm 2004 công ty Thiết bị điện Đông Anh Các động điện với công suất tới 1000 kW chế tạo Công ty chế tạo Việt Hung, Công ty chế tạo điện Hà Nội, Thủ Đức Giáo trình biên soạn dựa sở người học học môn Vật lý bậc phổ thơng, ngồi kiến thức liên quan mơn Giải tích Nhằm đáp ứng nhu cầu người học để thuận tiện cho việc học tập sinh viên hệ cao đẳng nghề học khoa Điện đạt kết cao Giáo trình Mạch Điện biên soạn dựa chương trình khung ca B Giỏo Dc đào tạo, vi kinh nghim giảng dạy nhiều năm môn Kỹ thuật điện trường Cao đẳng nghề Nam Định cựng vi s kế thừa tinh hoa tác giả có nhiều năm kinh nghiệm biên soạn chương trình PGS TS Đặng Văn Đào, PGS TS Lê Văn Doanh gs Hoàng Hữu Thận Biờn son cho ln u xut bn, trình độ hiểu biết cßn có hạn, kinh nghiệm giảng dạy chưa nhiều, chắn nhiều hạn chế Rất mong góp ý thầy c« giáo, bạn đồng nghiệp v cỏc bn sinh viờn cun sỏch ngy cng tt hn Xin bày tỏ lòng cảm ơn đến thầy cô giáo Khoa Điện - Điện tử Trường CĐ nghề Nam Định đóng góp ý kiến kinh nghiệm, để sách hoàn thành thời gian Tác giả Nguyễn Thành Nam Khoa Điện - Điện Tử CĐ Nghề Nam Định Giáo trình Mạch điện Nguyễn Thành Nam Chương Các khái niệm mạch điện Bài Mạch điện mô hình Mạch điện Maùch ủieọn laứ toồ hụùp thiết bò điện bao gồm nguồn, phụ tải nối với dây dẫn theo cách thức đònh thông qua thiết bò phụ trợ NGUồN ĐIệN thiết bị phụ trợ pHụ TảI Hình 1-1 Mạch điện Nguồn điện : Nụi saỷn sinh naờng lượng điện để cung cấp cho m¹ch Nguồn điện nguồn chiều xoay chiều + Nguồn chiều: Pin, acquy, máy phát điện chiều + Nguồn xoay chiều: Lấy từ lưới điện, máy phát điện xoay chiều Các nguồn điện côn g suất lớn thườn g truyền tải từ nhà máy điện (nhiệt điện, thủy điện, điện nguyên tử ) Các nguồn điện mộ t chiều thường đặc trưng suất điện động E, điện trở nội r (®iƯn trë trong) Với nguồn xoay chiều thường biểu diễn công suất P (công suất máy phát) hiệu điện lối U * Phơ t¶i: Là thiết bò sử dụng điện để chuyển hóa thành dạng lượng khác, dùng để thắp sáng (quang năng), chạy độn g điện (cơ năng), dùng để chạy lò điệ n (nhiệt năng) Các thiết bò tiê u thụ điệ n thường gọi phụ tải (hoặc tải) ký hiệ u điện trở R trở kháng Z * D©y dÉn: Có nhiệm vụ liên kết truyền dẫn dòng điện từ nguồn điện đến nơi tiêu thụ * C¸c thiÕt bị phụ trợ : nhử caực thieỏt bũ ủoựng caột (cầu dao, công tắc ), máy đo (ampekế, vôn kế, o¸t kế …), thiết bò bảo vệ (cầu chì, aptômát ) Khoa §iƯn - §iƯn Tư C§ Nghề Nam Định Giáo trình Mạch điện Nguyễn Thành Nam Các tượng điện từ a) Hiện tượng biến đổi lượng * Biến đổi thành điện: Cho dây dẫn thẳng dài l, chuyển động với tốc độ v mặt phẳng vuông góc với đường sức từ trường Trong dây dẫn có sđđ cảm ứng E = B.v.l, chiều xác định theo quy tắc bàn tay phải Nối dây dẫn với mạch có điện trở r, mạch có dòng điện I Dòng điện dây dẫn, làm xuất lực điện từ F có trị số: F = B.I.l, chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái F I r Ta thấy lực F ngược chiều với chiều chuyển động, nên có tác dụng hãm chuyển động dây dẫn Để dây dẫn tiếp tục chuyển động đều, ta phải tác dụng vào dây dẫn lực ngược chiều với lực F, nhờ động sơ cấp Công suất động sơ cấp truyền cho dây dẫn là: Pc¬ = F.v = BI.l.v = Bvl I = E.I = Pđiện Như vậy, dây dẫn chuyển động từ trường có tác dụng biến công suất động sơ cấp thành công suất điện cung cấp cho phụ tải Đó nguyên tắc máy phát điện * Biến đổi điện thành năng: rF EF I E Khoa §iƯn - §iƯn Tư CĐ Nghề Nam Định Giáo trình Mạch điện Nguyễn Thành Nam Giả sử có dây dẫn đặt từ trường đều, cường độ từ cảm B Nối dây dẫn với nguồn có s đ đ Ef điện trở nguồn rf Trong dây dẫn có dòng điện I, làm xuất lực điện từ tác dụng lên dây dẫn: F = B.I.l Chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái Giả sử, tác dụng lực F, dây dẫn chuyển động với tốc độ v theo phương lực Phương cắt vuông góc với đường sức, nên dây dẫn xuất sđđ cảm ứng có trị số là: E = Bvl Chiều xác định theo quy tắc bàn tay phải Ta thấy E có chiều ngược với dòng điện I (và ngược với chiều s đ đ EF nguồn) gọi sức phản điện Gọi điện trở dây dẫn ro , ta có: U - E = I.r0 hay U = E + I.r0 Nhân hai vế với dòng điện I ta có: UI = EI + I2.ro = B.v.l.I + I2.ro = F.v + I2.ro Hay: Pđiện = Pcơ + Po Trong đó: Pđiện = UI công suất nguồn cấp cho động Pcơ = F.v công suất động Po = I2.ro tổn thất điện trở động Như vậy: dây dẫn mang dòng điện đặt từ trường nhận công suất điện nguồn biến thành công suất Đó nguyên lý làm việc động điện b) Hiện tượng tích phóng lượng Quá trình nạp điện phóng điện tụ * Quá trình nạp điện + i C U r D Khoa Điện - Điện Tử CĐ Nghề Nam Định Giáo trình Mạch điện Nguyễn Thành Nam Đóng mạch gồm tụ điện C chøa ®iƯn tÝch nèi tiÕp víi ®iƯn trë r vào nguồn điện áp chiều U Tụ điện bắt đầu trình nạp điện Điện tích cực tăng từ giá trị không trở lên Giả sử thời gian vô nhỏ dt, điện tích tăng lượng dq, dòng điện mạch (dòng điện nạp) có trị số là: i dq dt Điện tích nạp vào tụ, nên cực tụ có trị số điện áp UC = q.C, q điện tích cực tụ thời điểm xét Từ đó: q = C.UC Thay vào biểu thức dòng điện: i C dUC dt Nghĩa là: dòng điện nạp tụ điện tỉ lệ với tốc độ biến thiên điện áp tụ U = i.r + UC Thay vµo ta cã: U - UC = r C dUC dU = C dt dt Trong đó: ( tô) = r.C số thời gian mạch Tại thời điểm đầu t = 0, UC = 0, nªn U - UC = U nªn tèc độ tăng điện áp lớn Dòng điện nạp có trị số lớn Khi UC tăng lên, hiệu U - UC giảm, nên tốc độ tăng điện áp UC giảm dần, dòng điện nạp giảm dần Như vậy: trình tụ điện nạp điện, dòng điện nạp giảm dần từ cực đại không, điện áp tụ tăng dần từ không lên giá trị ổn định U Điện áp điện trở: Ur = i.r = U - UC Dòng điện mạch: i Ur r Điện áp tụ không tăng tức thời tới giá trị điện áp nguồn, mà phải trải qua trình độ Về lý thuyết trình kéo dài vô tận Trên thực tế, t =5 UC = 0,99U, coi trình độ kết thúc Khoa Điện - Điện Tử CĐ Nghề Nam Định Giáo trình Mạch điện Nguyễn Thành Nam * Quá trình phóng điện: 100% + i i,UC 80 + - + -C 60 U 40 r 20 D - t   Đồ thị dòng điện phóng Sơ đồ mạch Tụ điện nạp đầy, điện áp tụ U Khép kín mạch qua điện trở r, điện tích cực phóng qua mạch, tạo thành dòng điện phóng i Giả sử thời gian dt, điện tích cực tụ giảm lượng dq, dòng điện phóng là: i dq dt Dấu âm biểu thị cho điện tích giảm trình phóng Biết q = c.UC , UC điện áp cực thời điểm xét Từ ®ã; i  C dU C dt Nh­ vËy: dßng ®iƯn phãng ®iƯn cđa tơ tû lƯ víi tèc ®é biến thiên điện áp tụ, trái dấu Ta thấy dòng điện phóng ngược chiều với dòng điện nạp Biết điện áp tụ điện điện áp giáng điện trở: UC = i.r Ta có: UC = i.r = - rc dU dUC  C dt dt Dấu âm thể điện áp UC giảm dần trình phóng Như vậy, tốc độ giảm điện áp tụ tỷ lệ với điện áp tụ Tại thời điểm đầu phóng điện, điện áp UC có giá trị lớn UC = U, nên điện áp giảm nhanh nhất, dòng điện phóng có giá trị lớn Khi điện áp UC giảm dần, tốc độ giảm chậm lại, trị số dòng điện phóng giảm theo (Hình vẽ) Khi tụ điện phóng điện, điện áp tụ dòng điện phóng giảm dần từ trị số lớn không Mô hình mạch Khoa Điện - Điện Tử CĐ Nghề Nam Định Giáo trình Mạch điện Nguyễn Thành Nam Để tiện lợi tính toán thiết kế khảo sát trình điện từ xảy mạc h điện ngườ i ta sử dụng phương pháp mô hình Mạc h điện thực tế với thiết bò điện thay mô hình mạch với phần tử lý tưởng đặc trưng cho trình Mô hình mạch chứa phần tử tích cực (active): nguồn áp u(t), nguồn dòng i(t) phần tử thụ động (passive): điện trở R, điện cảm L điện dung C Mô hình mạch sơ đồ thay tương đương phần tử mạch phần tử mô hình lý tưởng e, i, R, L, C cho kết cấu hình học trình lượng xảy mạch giống mạch điện thực Để thiết lập mô hình mạch ta phân tích trình lượng xảy phần tử mạch thay chúng phần tử tương đương Khi phân tích cần ý rằng, tùy thuộc vào điều kiện làm việc củ a mạch điện , đặc biệt dải tần công tác mà sơ đồ thay khác VÝ dơ: Ta xét mạch điện thực tế gồm máy phát cung cấp điện cho phụ tải bóng đèn mắc song song với cuộn dây theo sơ đồ (hình Khi chuyển sang sơ đồ thay dòng điện xoay chiều, máy phát điện thay (Ef ,Lf ,Rf) Phụ tải bóng đèn thay Rz, cuộn dây (L , R), D©y dÉn thay thÕ b»ng( Rd, Ld) (hình b) Tuy nhiên chuyển sang sơ đồ thay điện mộ t chiều, phần tử kháng không nên sơ đồ thay có dạng đơn giản (hình c) Khoa §iƯn - Điện Tử CĐ Nghề Nam Định Giáo trình Mạch điện Nguyễn Thành Nam a Điện trở ẹieọn trụỷ R đặc trưng cho vật dẫn mặt cản trở dòng điện Về mặt lượng điện trở R đặc trưng cho trình tiêu thụ điện biến điện thành dạng lượng khác nhiệt năng, quang năng, năng, … Hình dáng ký hiệu : Trong thiết bị điện tử điện trở linh kiện quan trọng, chúng làm từ hợp chất cacbon kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo loại điện trở có trị số khác Hình dạng điện trở thiết bị điện tử Ký hiệu điện trở sơ đồ ngun lý Quan hệ dòng điện điện áp điện trở là: uR = R.i Công suất thoát điện trở: p = R.i2 Trong hệ đơn vò SI đơn vò điện trở laứ oõm (. ) b Điện cảm L Cu to cuộn cảm Cuộn cảm gồm số vòng dây quấn lại thành nhiều vòng, dây quấn sơn Khoa Điện - Điện Tử CĐ Nghề Nam Định Giáo trình Mạch điện Nguyễn Thành Nam emay cỏch in, lừi cuộn dây khơng khí, vật liệu dẫn từ Ferrite hay lõi thép kỹ thuật Cuộn dây lõi khơng khí Cuộn dây lõi Ferit Ký hiệu cuộn dây sơ đồ : L1 cuộn dây lõi khơng khí, L2 cuộn dây lõi ferit, L3 cuộn dây có lõi chỉnh, L4 cuộn dây lõi thép kỹ thuật Mét cuén d©y cã dòng điện chạy qua sinh từ trường Từ thông gửi qua n vòng cuộn dây = n. Điện cảm cuộn dây định nghĩa là: Khi dòng điện biến thiên cuộn dây xuất sức điện động tự cảm eL Khoa §iƯn - §iƯn Tư 10 C§ NghỊ Nam §Þnh