Bài giảng Cơ sở kỹ thuật điện: Chương 6 - TS. Nguyễn Việt Sơn

Bài giảng cung cấp cho người học các kiến thức: Khái niệm về mạng một cửa Kirchhoff, phương trình và sơ đồ tương đương mạng một cửa có nguồn, điều kiện đưa công suất cực đại ra khỏi mạng một cửa. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN Chương 6: Mạng cửa Kirchhoff tuyến tính I Khái niệm mạng cửa Kirchhoff II Phương trình sơ đồ tương đương mạng cửa có nguồn III Điều kiện đưa cơng suất cực đại khỏi mạng cửa CuuDuongThanCong.com Cơ sở kỹ thuật điện - Nguyễn Việt Sơn - 2010 https://fb.com/tailieudientucntt Chương 6: Mạng cửa Kirchhoff tuyến tính I.1 Khái niệm  Thực tế thường gặp thiết bị điện động lực làm nhiệm vụ trao đổi động lượng hay tín hiệu điện từ ra/vào cửa ngõ Ví dụ: Máy phát điện cung cấp động lượng cực; máy thu nhận lượng tín hiệu đưa vào cực; đường dây truyền tin; dụng cụ đo lường …  Tuy thiết bị có cấu trúc bên khác nhau, điều mà ta quan tâm chung q trình lượng tín hiệu cửa ngõ Như hệ thống coi vùng lượng quan sát dựa trình phản ứng hành vi cửa ngõ, khơng quan tâm đến kết cấu tính vùng bên hệ  Để mô tả trình ta bổ xung vào phần tử R, L, C … mạch Kirchhoff phần tử mạng cửa Kirchhoff CuuDuongThanCong.com Cơ sở kỹ thuật điện - Nguyễn Việt Sơn - 2010 https://fb.com/tailieudientucntt Chương 6: Mạng cửa Kirchhoff tuyến tính I.1 Khái niệm  Định nghĩa: Mạng cửa Kirchhoff kết cấu mạch có cửa ngõ để trao đổi động lượng tín hiệu điện từ với phần khác mạch (Cửa ngõ phận sơ đồ mạch ta đưa vào lấy tín hiệu Với biến nhánh mạch Kirchhoff, cửa ngõ thường cặp đỉnh) i(t)  Biến trạng thái cửa: i(t), u(t) u(t)  Điều kiện mạng cửa: Dòng điện chảy vào cực dòng điện chảy cực  Mơ hình tốn học:  Q trình lượng tín hiệu cửa ngõ mạng cửa thể quan hệ cặp biến trạng thái cửa u(t) i(t)  Với mạch Kirchhoff, quan hệ phương trình vi tích phân thường miền thời gian f (u, u ', u '', , i, i ', i '', , t )  CuuDuongThanCong.com Cơ sở kỹ thuật điện - Nguyễn Việt Sơn - 2010 https://fb.com/tailieudientucntt Chương 6: Mạng cửa Kirchhoff tuyến tính I.2 Phân loại Mạng cửa tuyến tính  Theo phương trình trạng thái: Mạng cửa phi tuyến (khơng xét)  Theo khả trao nhận động lượng điện từ cửa:  Mạng cửa không nguồn: Là mạng cửa khơng có khả tự đưa động lượng khỏi cửa ngõ i Chú ý: Mặc dù kết cấu bên mạng cửa chứa u phần tử nguồn e(t), j(t) kết cấu bị ngắn mạch trước cửa khơng khả trao động lượng điện từ bên ngồi mạng cửa coi mạng cửa khơng nguồn i  Mạng cửa có nguồn: Là mạng cửa chứa tự đưa u động lượng khỏi cửa ngõ, mạng cửa có chứa phần tử nguồn e(t), j(t) chúng không bị triệt tiêu CuuDuongThanCong.com Cơ sở kỹ thuật điện - Nguyễn Việt Sơn - 2010 https://fb.com/tailieudientucntt Chương 6: Mạng cửa Kirchhoff tuyến tính I.2 Phân loại  Cách xác định: i(t) =  Hở mạch cửa (i = 0)  đo điện áp cửa u0(t):  Nếu u0(t) =  mạng cửa không nguồn V u0(t)  Nếu u0(t) ≠  mạng cửa có nguồn  Ngắn mạch cửa (u = 0)  đo dòng điện cửa i0(t):  Nếu i0(t) =  mạng cửa không nguồn  Nếu i0(t) ≠  mạng cửa có nguồn CuuDuongThanCong.com Cơ sở kỹ thuật điện - Nguyễn Việt Sơn - 2010 i0(t) A u(t) = https://fb.com/tailieudientucntt CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN Chương 6: Mạng cửa Kirchhoff tuyến tính I Khái niệm mạng cửa Kirchhoff II Phương trình sơ đồ tương đương mạng cửa có nguồn II.1 Phương trình trạng thái mạng cửa Kirchhoff tuyến tính II.2 Sơ đồ tương đương mạng cửa có nguồn III Điều kiện đưa công suất cực đại khỏi mạng cửa CuuDuongThanCong.com Cơ sở kỹ thuật điện - Nguyễn Việt Sơn - 2010 https://fb.com/tailieudientucntt Chương 6: Mạng cửa Kirchhoff tuyến tính II.1 Phương trình trạng thái mạng cửa Kirchhoff tuyến tính I  Xét mạng cửa tuyến tính với kích thích điều hòa  Theo tính chất mạch tuyến tính, quan hệ biến trạng thái cửa có dạng hệ phương trình tuyến tính đại số ảnh phức:    U  A I B     I  C.U  D  Xét phương trình (1):    U (1) (2)  Xét phương trình (2):    Khi I  (hở mạch cửa)  B  U h [V ] Khi U  (ngắn mạch cửa) D  I N Vậy B điện áp hở mạch cửa Vậy D dòng điện ngắn mạch cửa   Mạng cửa không nguồn D  IN     Mạng cửa có nguồn    Mạng cửa không nguồn B Uh     Mạng cửa có nguồn  (1)  [V ]  A.[ A]  [V ] A[Ω], trở kháng vào nhìn từ cửa CuuDuongThanCong.com Cơ sở kỹ thuật điện - Nguyễn Việt Sơn - 2010 [ A] (2)  [ A]  C.[V ]  [ A] C[Si], tổng dẫn vào nhìn từ cửa https://fb.com/tailieudientucntt Chương 6: Mạng cửa Kirchhoff tuyến tính II.1 Phương trình trạng thái mạng cửa Kirchhoff tuyến tính  Mơ hình tốn học mạng cửa Kirchhoff tuyến tính:     U  Z vao I  U h      I  Yvao U  J N I  U  Như mạng cửa tuyến tính có nguồn hồn tồn đặc trưng cặp thông số   ( Z , U h ) (Y , I N ) CuuDuongThanCong.com Cơ sở kỹ thuật điện - Nguyễn Việt Sơn - 2010 https://fb.com/tailieudientucntt Chương 6: Mạng cửa Kirchhoff tuyến tính II.2 Sơ đồ tương đương mạng cửa có nguồn a Định lý Thevenil     Xét phương trình: U  Z vao I  U h  Phương trình có dạng luật Kirchhoff 2, ứng với sơ đồ nối tiếp mạng cửa có nguồn với:  Tổng trở vào Zvao tổng trở mạng nhìn từ cửa    U h điện áp hở mạch xét cửa (với mạng cửa khơng nguồn, ta có U h  )  Phát biểu: Có thể thay tương đương mạng cửa tuyến tính có nguồn nguồn điện có suất điện động điện áp cửa hở mạch mắc nối tiếp với tổng trở tổng trở vào mạng cửa   Cách tính tổng trở vào: I tai  Ngắn mạch nguồn áp, hở mạch nguồn dòng  Tính tổng trở tương đương mạng cửa CuuDuongThanCong.com Cơ sở kỹ thuật điện - Nguyễn Việt Sơn - 2010    I Zvao Uh  Z vao  Ztai U tai    Ztai U  Uh Uh Ztai Z vao  Ztai https://fb.com/tailieudientucntt Chương 6: Mạng cửa Kirchhoff tuyến tính II.2 Sơ đồ tương đương mạng cửa có nguồn b Định lý Norton     Xét phương trình: I  Yvao U  J N  Phương trình có dạng luật Kirchhoff 1, ứng với sơ đồ song song mạng cửa có nguồn với:  Tổng dẫn vào Yvao tổng dẫn mạng nhìn từ cửa    J N dòng điện ngắn mạch xét cửa (với mạng cửa không nguồn, ta có J N  )  Phát biểu: Có thể thay tương đương mạng cửa tuyến tính có nguồn nguồn điện tương đương ghép nguồn dòng mắc song song với tổng dẫn vào mạng cửa  Cách tính tổng dẫn vào:  U tai  Ngắn mạch nguồn áp, hở mạch nguồn dòng  Tính tổng dẫn tương đương mạng cửa CuuDuongThanCong.com  I  Ytai U  I tai Cơ sở kỹ thuật điện - Nguyễn Việt Sơn - 2010  IN  Yvao  Ytai  IN  Ytai Yvao  Ytai https://fb.com/tailieudientucntt  Yvao JN 10 Chương 6: Mạng cửa Kirchhoff tuyến tính II.2 Sơ đồ tương đương mạng cửa có nguồn c Quan hệ sơ đồ Thevenil Norton Sơ đồ Thevenil  Sơ đồ Norton I Zvao  Ztai     I   U h U  Z vao I  U h U Ytai U     I  Yvao U  J N Yvao JN  I tai  Uh  Z vao  Ztai  U tai   Uh Ztai Z vao  Ztai  Y  vao  Z vao     U  h I  N  Z vao  CuuDuongThanCong.com Cơ sở kỹ thuật điện - Nguyễn Việt Sơn - 2010  I tai   IN Ytai Yvao  Ytai Công thức chuyển hai sơ đồ  U tai   IN Yvao  Ytai  Z  vao  Yvao     I  N U  h  Yvao  https://fb.com/tailieudientucntt 11 Chương 6: Mạng cửa Kirchhoff tuyến tính  II.2 Sơ đồ tương đương mạng cửa có nguồn J Z1 Z2  Ví dụ: Tính dòng điện điện áp Z3   Cắt nhánh 3: E1 I3  Z3 E2   Tính U h theo phương pháp nút     E Y  E2 Y2  J 1 đó: Y1  Uh A  1 ; Y2  Z1 Z2 Y1  Y2    Tính tổng trở vào: Z vao A Z Z  Z1 // Z  Z1  Z Z1 Z2   E1 E2  Thay mạng cửa sơ đồ Thevenil:  Suy ra:       0   E Y  E2 Y2  J U  Z3 I  1 Z3 (Y1  Y2 ).( Z vao  Z3 )   CuuDuongThanCong.com Cơ sở kỹ thuật điện - Nguyễn Việt Sơn - 2010 J  Uh E Y  E2 Y2  J I3   1 Z vao  Z3 (Y1  Y2 ).( Z vao  Z3 )   Zvao  Uh https://fb.com/tailieudientucntt  I3 Z3 12 Chương 6: Mạng cửa Kirchhoff tuyến tính  II.2 Sơ đồ tương đương mạng cửa có nguồn J Z1 Z2  Ví dụ: Tính dòng điện điện áp Z3  Cắt nhánh 3:  E1 I3  Z3 E2   Tính I N     I N  J  Y1 E1  Y2 E đó: Y1  1 ; Y2  Z1 Z2  Tính tổng dẫn vào: Y  Y // Y  Y  Y vao 2 Z1 Z2   E1 E2   J IN  Thay mạng cửa sơ đồ Norton:  Suy ra:      IN I3 IN I3  Y3 ; U   Y3  Yvao Y3 Y3  Yvao CuuDuongThanCong.com Cơ sở kỹ thuật điện - Nguyễn Việt Sơn - 2010 I3   JN https://fb.com/tailieudientucntt Yvao Y3 13 CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN Chương 6: Mạng cửa Kirchhoff tuyến tính I Khái niệm mạng cửa Kirchhoff II Phương trình sơ đồ tương đương mạng cửa có nguồn III Điều kiện đưa công suất cực đại khỏi mạng cửa CuuDuongThanCong.com Cơ sở kỹ thuật điện - Nguyễn Việt Sơn - 2010 https://fb.com/tailieudientucntt 14 Chương 6: Mạng cửa Kirchhoff tuyến tính III Điều kiện đưa cơng suất cực đại khỏi mạng cửa  Cho mạng cửa có nguồn cung cấp cho tải Zt biến động Nguồn  I Tải Zt  Theo định lý Thevenil, ta thay mạng cửa  nguồn tương đương (U h , Z ng )  Zng  Khi cơng suất đưa đến tải là: U h2 Rt P  Rt I  Rt  U h2 Z ( Rng  Rt )2  ( X ng  X t ) 2 t  Uh I, P Zt  Để công suất đưa đến tải cực đại thì:  X ng  X t   Rt   max  ( R  R )2 t  ng CuuDuongThanCong.com Rng=const Cơ sở kỹ thuật điện - Nguyễn Việt Sơn - 2010    d  dR  t X ng  X t    Rt 0    ( R  R ) t  ng   X ng   X t   Rng  Rt https://fb.com/tailieudientucntt 15 Chương 6: Mạng cửa Kirchhoff tuyến tính III Điều kiện đưa cơng suất cực đại khỏi mạng cửa  Vậy điều kiện đưa công suất cực đại khỏi mạng cửa là:  I Nguồn ^ Tải Zt Z ng  Zt   Công suất đưa tải là: U h2 Rng U h2 Rt U h2 Pt    ( Rng  Rt )2 (2.Rng ) 4.Rng Zng  Uh I, P Zt  Hiệu suất truyền lượng từ nguồn tương đương đến tải: Pt Rt I    50% Png ( Rng  Rt ).I  Thực tế Zng Rt thường không thỏa mãn điều kiện  để thỏa mãn điều kiện thường phải nối thêm phận trung gian có thơng số thích hợp nguồn tải Q trình gọi hòa hợp nguồn với tải CuuDuongThanCong.com Cơ sở kỹ thuật điện - Nguyễn Việt Sơn - 2010 https://fb.com/tailieudientucntt 16 ... mạng cửa có nguồn CuuDuongThanCong.com Cơ sở kỹ thuật điện - Nguyễn Việt Sơn - 2010 i0(t) A u(t) = https://fb.com/tailieudientucntt CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN Chương 6: Mạng cửa Kirchhoff tuyến tính I Khái... Y3 Y3  Yvao CuuDuongThanCong.com Cơ sở kỹ thuật điện - Nguyễn Việt Sơn - 2010 I3   JN https://fb.com/tailieudientucntt Yvao Y3 13 CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN Chương 6: Mạng cửa Kirchhoff tuyến tính... mạng cửa CuuDuongThanCong.com Cơ sở kỹ thuật điện - Nguyễn Việt Sơn - 2010 https://fb.com/tailieudientucntt 14 Chương 6: Mạng cửa Kirchhoff tuyến tính III Điều kiện đưa cơng suất cực đại khỏi mạng