MẠCH điện AC (AC CIRCUITS)

Tài liệu này trình bày toàn bộ hiểu biết về mạch điện AC như: dạng sóng và lý thuất mạch AC, tần số, chu kỳ, pha, ứng dụng số phức, mạch cộng hưởng, công suất xoay chiều, các linh kiện xoay chiều như tụ cuộn dây, tụ điện, điện trở...

MẠCH ĐIỆN AC Dạng sóng lý thuyết mạch AC Dạng sóng hình sin AC tạo cách quay cuộn dây từ trường điện áp, dòng điện xoay chiều tạo thành sở Lý thuyết AC Dòng điện chiều D.C thường gọi dạng dòng điện điện áp chạy xung quanh mạch điện theo hướng, làm cho trở thành nguồn cung cấp đơn hướng Nói chung, dòng điện chiều điện áp sản xuất nguồn điện, pin, máy phát điện, pin mặt trời số tên khác Một điện áp dòng điện chiều có cường độ cố định (biên độ) hướng xác định liên quan đến Ví dụ: + 12V đại diện cho 12 volt theo hướng tích cực -5V đại diện cho volt theo hướng tiêu cực Chúng ta biết nguồn DC không thay đổi giá trị chúng theo thời gian, chúng giá trị không đổi chảy theo hướng ổn định liên tục Nói cách khác, DC trì giá trị cho thời điểm nguồn cung cấp DC đơn hướng không thay đổi trở nên âm trừ kết nối bị đảo ngược mặt vật lý Một ví dụ mạch điện chiều dòng điện chiều đơn giản hiển thị bên Dạng sóng mạch DC Mặt khác, hàm xoay chiều dạng sóng AC định nghĩa dạng thay đổi cường độ hướng theo cách nhiều theo thời gian biến thành dạng sóng hai chiều Hàm AC đại diện cho nguồn điện nguồn tín hiệu có hình dạng dạng sóng AC thường theo dạng hình sin tốn học định nghĩa là: A (t) = Amax * sin (2πƒt) Thuật ngữ AC Dòng điện xoay chiều, thường đề cập đến dạng sóng biến đổi theo thời gian với phổ biến gọi Dạng sóng hình sin Các dạng sóng hình sin thường gọi mơ tả ngắn Sóng sin Cho đến nay, sóng hình sin loại sóng AC quan trọng sử dụng kỹ thuật điện Hình dạng thu cách vẽ giá trị tọa độ tức thời điện áp dòng điện theo thời gian gọi Dạng sóng AC Một dạng sóng AC liên tục thay đổi cực tính sau nửa chu kỳ xen kẽ giá trị cực đại dương giá trị cực đại âm tương ứng theo thời gian với ví dụ phổ biến điều nguồn cung cấp điện áp xoay chiều gia đình mà sử dụng nhà Điều có nghĩa Dạng sóng AC tín hiệu phụ thuộc thời gian, với loại tín hiệu phụ thuộc thời gian phổ biến dạng sóng định kỳ Dạng sóng định kỳ AC sản phẩm tạo máy phát điện quay Nói chung, hình dạng dạng sóng định kỳ tạo cách sử dụng tần số đặt với tín hiệu hài hòa có tần số biên độ khác nhau, hướng dẫn khác Điện áp dòng điện xoay chiều khơng thể lưu trữ pin tế bào dòng điện chiều (DC), việc tạo đại lượng cách sử dụng máy phát máy phát dạng sóng cần thiết dễ dàng rẻ nhiều Loại hình dạng dạng sóng AC phụ thuộc vào máy phát thiết bị tạo chúng, tất dạng sóng AC bao gồm đường điện áp chia dạng sóng thành hai nửa đối xứng Các đặc điểm Dạng sóng AC định nghĩa là:  Các đặc trưng dạng sóng AC  Chu kỳ, (T) khoảng thời gian tính giây mà dạng sóng để lặp lại từ đầu đến cuối Đây gọi Thời gian định kỳ dạng sóng sóng hình sin Độ rộng xung sóng vng  Tần số, (ƒ) số lần dạng sóng lặp lại khoảng thời gian giây Tần số nghịch đảo khoảng thời gian, (= / T) với đơn vị tần số Hertz, (Hz)  Biên độ (A) cường độ độ lớn dạng sóng tín hiệu đo vơn ampe Trong hướng dẫn chúng tơi Dạng sóng, chúng tơi xem xét loại dạng sóng khác nói Dạng sóng biểu diễn trực quan biến đổi điện áp dòng điện vẽ theo sở thời gian Nói chung, dạng sóng AC, đường sở nằm ngang biểu thị điều kiện không điện áp dòng điện Bất kỳ phần dạng sóng AC nằm trục nằm ngang biểu thị điện áp dòng điện chạy theo hướng Tương tự, phần dạng sóng nằm trục nằm ngang biểu thị điện áp dòng điện chạy theo hướng ngược lại với dạng sóng Nói chung dạng sóng AC hình sin, hình dạng dạng sóng phía trục giống hình dạng bên Tuy nhiên, hầu hết tín hiệu AC khơng phải nguồn cấp bao gồm dạng sóng âm thanh, điều khơng phải lúc Các dạng sóng tín hiệu chu kỳ phổ biến sử dụng Kỹ thuật điện điện tử Dạng sóng hình sin Tuy nhiên, dạng sóng xoay chiều AC khơng phải lúc có hình dạng mịn giống hàm lượng giác Sin Cosin Các dạng sóng AC có hình dạng Sóng phức, Sóng vng Sóng tam giác chúng hiển thị bên  Các dạng sóng chu kỳ Thời gian để Dạng sóng AC hồn thành mơ hình đầy đủ từ nửa dương đến nửa âm trở lại đường sở lần gọi Chu kỳ chu kỳ hoàn chỉnh chứa nửa chu kỳ dương nửa chu kỳ âm Thời gian dạng sóng để hoàn thành chu kỳ đầy đủ gọi Thời gian định kỳ dạng sóng ký hiệu biểu tượng “T” Số chu kỳ hoàn chỉnh tạo vòng giây (chu kỳ / giây) gọi Tần số, ký hiệu ƒ dạng sóng AC Tần số đo Hertz, (Hz) đặt theo tên nhà vật lý người Đức Heinrich Hertz Do đó, thấy mối quan hệ tồn chu kỳ (dao động), thời gian tần số định kỳ (chu kỳ giây), có ƒ số chu kỳ giây, chu kỳ riêng lẻ phải / ƒ giây để hoàn thành  Mối quan hệ tần số chu kỳ Ví dụ: Thời gian định kỳ dạng sóng 50Hz Tần số dạng sóng AC có thời gian định kỳ 10mS Tần suất sử dụng để biểu thị theo chu kỳ giây viết tắt thành từ cps, ngày định phổ biến đơn vị gọi Hertz Đối với nguồn cung cấp điện nước, tần số 50Hz 60Hz tùy theo quốc gia cố định tốc độ quay máy phát Nhưng hertz đơn vị nhỏ nên tiền tố sử dụng biểu thị thứ tự cường độ dạng sóng tần số cao kHz, MHz chí GHz  Các tiền tố tần số  Biên độ dạng sóng AC Ngồi việc biết chu kỳ tần số đại lượng xoay chiều, tham số quan trọng khác dạng sóng AC Biên độ, gọi giá trị cực đại đỉnh biểu thị thuật ngữ Vmax cho điện áp Imax cho dòng điện Giá trị cực đại giá trị lớn điện áp dòng điện mà dạng sóng đạt nửa chu kỳ đo từ đường sở không Không giống điện áp dòng điện chiều có trạng thái ổn định đo tính tốn Định luật Ohm, đại lượng xoay chiều liên tục thay đổi giá trị theo thời gian Đối với dạng sóng hình sin túy, giá trị cực đại giống cho hai nửa chu kỳ (+ Vm = -Vm) dạng sóng khơng hình sin phức tạp, giá trị cực đại đỉnh khác cho nửa chu kỳ Đơi khi, dạng sóng xoay chiều đưa giá trị Vp-p cực đại đến cực đại đơn giản khoảng cách tổng điện áp giá trị cực đại đỉnh + Vmax giá trị cực đại tối thiểu -Vmax chu kỳ hồn chỉnh  Giá trị trung bình dạng sóng AC Giá trị trung bình trung bình điện áp DC liên tục giá trị cực đại đỉnh điện áp DC khơng đổi Giá trị trung bình thay đổi chu kỳ làm việc điện áp DC thay đổi Trong sóng hình sin túy giá trị trung bình tính tồn chu kỳ, giá trị trung bình nửa dương nửa âm triệt tiêu lẫn Vì vậy, giá trị trung bình trung bình dạng sóng AC tính đo nửa chu kỳ điều hiển thị bên  Giá trị trung bình dạng sóng khơng SIN Để tìm giá trị trung bình dạng sóng, cần tính diện tích bên dạng sóng cách sử dụng quy tắc giữa, quy tắc hình thang quy tắc Simpson thường thấy toán học Có thể dễ dàng tìm thấy khu vực gần dạng sóng bất thường cách sử dụng quy tắc Đường sở trục không chia thành số phần ví dụ đơn giản chúng tơi giá trị chín, (từ V1 đến V9) Các dòng thứ tự vẽ xác giá trị trung bình trung bình cuối Giá trị trung bình phép cộng tất giá trị tức thời cộng lại với sau chia cho tổng số Điều đưa Trong đó: n với số lượng giá trị trung bình thực tế sử dụng Đối với dạng sóng hình sin thuần, giá trị trung bình trung bình ln 0,637 * Vmax mối quan hệ với giá trị trung bình dòng điện  Giá trị hiệu dụng RMS dạng sóng AC Giá trị trung bình dạng sóng AC mà chúng tơi tính là: 0,637 * Vmax KHÔNG giống giá trị mà sử dụng cho nguồn cung cấp DC Điều không giống nguồn cung cấp DC khơng đổi có giá trị cố định, dạng sóng AC thay đổi liên tục theo thời gian khơng có giá trị cố định Do đó, giá trị tương đương cho hệ thống dòng điện xoay chiều cung cấp lượng điện cho tải mạch tương đương DC gọi giá trị hiệu dụng Giá trị hiệu dụng sóng hình sin tạo hiệu ứng làm nóng I2 * R tương tự tải cung cấp nguồn cung cấp DC không đổi Giá trị hiệu dụng sóng hình sin thường gọi Giá trị trung bình gốc đơn giản giá trị RMS tính bậc hai giá trị trung bình (trung bình) bình phương điện áp dòng điện Đó Vrms Irms cho bậc hai trung bình tổng tất giá trị trung bình bình phương sóng hình sin Giá trị RMS cho dạng sóng AC tìm thấy từ cơng thức giá trị trung bình sửa đổi sau hiển thị Trong đó: n số lượng tọa độ Đối với dạng sóng hình sin túy, Giá trị RMS luôn nhau: / √2 * Vmax 0,707 * Vmax mối quan hệ với giá trị RMS dòng điện Giá trị RMS cho dạng sóng hình sin ln lớn giá trị trung bình ngoại trừ dạng sóng hình chữ nhật Trong trường hợp này, hiệu ứng làm nóng khơng đổi nên giá trị trung bình RMS giống Một bình luận cuối giá trị R.M.S hầu hết đồng hồ vạn năng, kỹ thuật số tương tự (trừ có quy định khác) đo giá trị R.M.S điện áp dòng điện khơng phải trung bình Do đó, sử dụng đồng hồ vạn hệ thống dòng điện chiều, số đọc I = V / R hệ thống dòng điện xoay chiều, số đọc với Irms = Vrms / R Ngoài ra, ngoại trừ tính tốn cơng suất trung bình, tính tốn RMS điện áp cực đại, sử dụng VRMS để tìm giá trị IRMS điện áp cực đại Vp để tìm dòng điện cực đại, giá trị Ip Khơng trộn chúng lại với giá trị Trung bình, RMS Đỉnh sóng hình sin hồn tồn khác kết bạn chắn khơng xác  Hệ số dạng (form factor) hệ số đỉnh (Crest factor) Mặc dù sử dụng ngày này, Form Factor Crest Factor sử dụng để cung cấp thơng tin hình dạng thực tế dạng sóng AC Yếu tố hình thức tỷ lệ giá trị trung bình giá trị RMS đưa Đối với dạng sóng hình sin túy, Hệ số dạng 1,11 Yếu tố đỉnh tỷ lệ giá trị RMS giá trị Đỉnh dạng sóng cho Đối với dạng sóng hình sin túy, Hệ số đỉnh ln 1,414  Ví dụ: Một dòng điện xoay chiều gồm ampe chảy qua điện trở 40Ω Tính điện áp trung bình điện áp cực đại nguồn cung cấp Tính giá trị điện áp RMS: Giá trị điện áp trung bình là: Giá trị điện áp đỉnh là: Việc sử dụng tính tốn giá trị Trung bình, R.M.S, Hệ số dạng hệ số đỉnh sử dụng với loại dạng sóng định kỳ bao gồm hình tam giác, hình vng, hình cưa hình dạng điện áp / dòng điện bất thường phức tạp khác Chuyển đổi giá trị hình sin khác đơi gây nhầm lẫn bảng sau cung cấp cách thuận tiện để chuyển đổi giá trị sóng hình sin sang giá trị khác  Bảng chuyển đổi tham số dạng sóng SIN Các dạng sóng hình SIN Khi dòng điện chạy qua dây dẫn điện, từ trường tròn tạo xung quanh dây cường độ có liên quan đến giá trị dòng điện Nếu dây dẫn đơn di chuyển quay từ trường đứng yên, EMF (lực điện động) tạo dây dẫn chuyển động dây dẫn qua từ thông Từ điều này, thấy mối quan hệ tồn Điện Từ tính mang lại cho chúng ta, Michael Faraday phát tác dụng Cảm ứng điện từ, nguyên lý mà máy điện sử dụng để tạo Dạng sóng hình sin cho nguồn cung cấp Trong phần Cảm ứng điện từ chúng tơi nói dây dẫn di chuyển qua từ trường vĩnh cửu cắt dòng từ thơng nó, EMF tạo Tuy nhiên, dây dẫn di chuyển song song với từ trường trường hợp điểm A B, khơng có dòng từ bị cắt khơng có EMF dẫn vào dây dẫn, dây dẫn di chuyển theo góc vng với từ trường trường hợp điểm C D, lượng từ thông tối đa bị cắt tạo lượng EMF cảm ứng tối đa Ngoài ra, dây dẫn cắt từ trường góc khác điểm A C, 90o, lượng EMF cảm ứng nằm giá trị giá trị cực đại Do đó, lượng emf gây dây dẫn phụ thuộc vào góc dây dẫn từ thông cường độ từ trường Một máy phát điện xoay chiều sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ Faraday để chuyển đổi lượng học quay thành lượng điện với dạng sóng hình sin Một máy phát điện đơn giản bao gồm cặp nam châm vĩnh cửu tạo từ trường cố định cực bắc cực nam Bên từ trường vòng dây hình chữ nhật xoay quanh trục cố định cho phép cắt từ thơng góc khác hình  Máy phát điện AC với vòng dây Khi cuộn dây quay ngược chiều kim đồng hồ quanh trục trung tâm vng góc với từ trường, vòng dây cắt đường lực từ thiết lập hai cực bắc nam góc khác vòng lặp quay Lượng EMF cảm ứng vòng lặp thời điểm tỷ lệ thuận với góc quay vòng dây Khi vòng dây quay, electron dây chảy theo hướng xung quanh vòng lặp Bây vòng dây quay qua điểm 180o di chuyển qua đường sức từ theo hướng ngược lại, electron vòng dây thay đổi chảy theo hướng ngược lại Khi hướng chuyển động electron xác định cực tính điện áp cảm ứng Vì vậy, thấy vòng dây cuộn vật lý quay vòng hồn chỉnh, 360o, dạng sóng hình sin đầy đủ tạo với chu kỳ dạng sóng tạo cho vòng quay cuộn dây Khi cuộn dây quay từ trường, kết nối điện tạo cho cuộn dây chổi than vòng trượt sử dụng để truyền dòng điện gây cuộn dây Lượng EMF gây cuộn dây cắt đường sức từ xác định ba yếu tố sau:    Tốc độ - tốc độ mà cuộn dây quay bên từ trường Sức mạnh - sức mạnh từ trường Chiều dài - chiều dài cuộn dây dây dẫn qua từ trường Chúng ta biết tần số nguồn cung cấp số lần chu kỳ xuất giây tần số đo Hertz Vì chu kỳ cảm ứng tạo ra, vòng quay đầy đủ cuộn dây thơng qua từ trường bao gồm cực bắc cực nam hình trên, cuộn dây quay với tốc độ không đổi, số chu kỳ không đổi tạo giây với tần số không đổi Vì vậy, cách tăng tốc độ quay cuộn dây, tần số tăng lên Do đó, tần số tỷ lệ thuận với tốc độ quay, (ƒ ∝ N) Ν = r.p.m Ngồi ra, máy phát cuộn dây đơn giản có hai cực, cực bắc cực nam, cho cặp cực Nếu thêm nhiều cực từ vào máy phát để có tổng cộng bốn cực, hai bắc hai nam, với vòng quay cuộn dây, hai chu kỳ tạo cho tốc độ quay Do đó, tần số tỷ lệ thuận với số lượng cặp cực từ, (f ∝ P) máy phát P = số lượng cặp cực nam châm Do đó, từ hai kiện này, nói đầu tần số từ máy phát AC là: Ở đây, N số vòng quay phút (r.p.m), P số cặp cực bắc nam  Điện áp tức thời EMF gây cuộn dây lúc tùy thuộc vào tần suất tốc độ mà cuộn dây cắt đường sức từ hai cực điều phụ thuộc vào góc quay Theta (θ) thiết bị tạo Do dạng sóng AC liên tục thay đổi giá trị biên độ nó, nên dạng sóng lúc có giá trị khác với thời điểm tức thời Ví dụ: giá trị 1ms khác với giá trị 1,2ms, v.v Các giá trị thường gọi Giá trị tức thời Vi Do đó, giá trị tức thời dạng sóng hướng thay đổi tùy theo vị trí cuộn dây từ trường Các giá trị tức thời dạng sóng hình sin đưa dạng “giá trị tức thời = Giá trị tối đa x sin θ” điều khái quát công thức Rõ ràng là, cuộn cảm không tiêu thụ tiêu tán công suất thực nào, nên có điện áp dòng điện sử dụng cos (θ) biểu thức: P = V * I * cos (θ) cho cuộn cảm khơng Kết dòng điện điện áp trường hợp công suất ảo, thường gọi Công suất phản kháng (Q) đo volt-amperes phản kháng, (VAr), Kilo-voltamperes phản kháng (KVAr), v.v Voltamperes phản kháng VAr không nên nhầm lẫn với watts (W) sử dụng cho công suất thực VAr đại diện cho kết vôn - ampe lệch pha 90o với Để xác định công suất trung bình phản kháng theo tốn học, hàm sin sử dụng Do đó, phương trình cho cơng suất phản kháng trung bình cuộn cảm trở thành: Giống công suất thực (P), công suất phản kháng (Q) phụ thuộc vào điện áp dòng điện, mà góc pha chúng Do đó, kết điện áp cấp thành phần dòng điện lệch pha 90o với điện áp hình vẽ Trong nửa dương dạng sóng điện áp góc 0o 90o, dòng điện dẫn âm điện áp cung cấp dương Do đó, kết vôn ampe cho công suất âm Trong khoảng từ 90o đến 180o, hai dạng sóng điện áp dòng điện có giá trị dương dẫn đến công suất dương Công suất dương cho thấy cuộn dây tiêu thụ lượng điện từ nguồn cung cấp Trong nửa âm dạng sóng điện áp khoảng từ 180o đến 270o, có điện áp âm dòng dương cho thấy cơng suất âm Công suất âm cuộn dây đưa lượng điện lưu trữ trở lại nguồn cung cấp Trong khoảng từ 270o đến 360o, dòng điện cảm ứng điện áp cung cấp âm, dẫn đến khoảng thời gian công suất dương Do đó, chu kỳ đầy đủ dạng sóng điện áp, có hai lần cơng suất dương âm giống hệt có giá trị trung bình nên khơng có cơng suất thực sử dụng công suất luân phiên đến từ nguồn Điều có nghĩa tổng cơng suất thực cuộn cảm chu kỳ tồn phần khơng, cơng suất phản kháng cuộn cảm không thực công việc thực tế  Công suất AC mạch điện dung Một mạch điện dung túy (có độ tự cảm 0, L = điện trở vô hạn, R = ∞) C Farads, có đặc tính trì hỗn thay đổi điện áp Tụ điện lưu trữ lượng điện dạng điện trường điện mơi, đó, tụ điện không tiêu tán lượng mà thay vào lưu trữ Trong mạch điện dung túy, điện áp tăng pha với dòng điện cần phải sạc điện lên tụ điện trước Điều làm cho dạng sóng điện áp đạt đến giá trị cực đại đỉnh thời gian sau giá trị dòng điện Kết mạch điện dung thuần, dòng điện luôn sớm pha (ICE) điện áp 90o (π/ 2) hiển thị Dạng sóng cho thấy điện áp dòng điện qua tụ điện hàm thời gian Dòng điện tối đa, Im xảy phần tư chu kỳ (90o) trước giá trị tối đa (đỉnh) điện áp Ở đây, dòng điện hiển thị với giá trị cực đại dương bắt đầu chu kỳ điện áp qua 0, giảm xuống giá trị cực đại âm dạng sóng điện áp giá trị cực đại 90o Các pha dịch ngược lại mạch cảm ứng Do đó, mạch điện dung thuần, góc pha θ = -90o phương trình cơng suất phản kháng trung bình tụ trở thành: Trong ,V * I * sin (θ) sóng hình sin âm Ngồi ra, ký hiệu cho công suất phản kháng điện dung QC có đơn vị đo, phản ứng volt-ampere (VAR) cuộn cảm Do đó, thấy giống mạch cảm ứng trên, tụ điện không tiêu thụ làm tiêu tan công suất thực hay thực nào, P Trong nửa dương dạng sóng điện áp góc 0o 90o, hai dạng sóng điện áp dòng điện có giá trị dương dẫn đến tiêu thụ lượng dương Trong khoảng từ 90o đến 180o, dòng tụ điện âm điện áp cung cấp dương Do đó, sản phẩm volt-ampere cho cơng suất âm Công suất âm cuộn dây đưa lượng điện lưu trữ trở lại nguồn cung cấp Trong nửa âm dạng sóng điện áp khoảng từ 180o đến 270o, dòng điện tụ điện điện áp cung cấp có giá trị âm dẫn đến khoảng thời gian có cơng suất dương Thời kỳ cơng suất dương cuộn dây tiêu thụ lượng điện từ nguồn cung cấp Trong khoảng từ 270o đến 360o, có điện áp âm dòng dương cho thấy lần cơng suất âm Do đó, chu kỳ đầy đủ dạng sóng điện áp, tình trạng tương tự tồn mạch cảm ứng chỗ có hai dạng cơng suất dương âm giống hệt có giá trị trung bình khơng Do đó, cơng suất truyền từ nguồn tới tụ xác với công suất trả nguồn tụ nên lượng thực sử dụng hết nguồn điện luân phiên đến từ nguồn Điều có nghĩa tổng cơng suất tụ điện chu kỳ tồn phần khơng, cơng suất phản kháng tụ điện khơng thực công việc thực tế  Ví dụ 2: Một cuộn dây điện từ có điện trở 30 ohms độ tự cảm 200mH kết nối với nguồn cung cấp 230VAC, 50Hz Tính: (a) trở kháng solenoids, (b) dòng điện tiêu thụ điện từ, (c) góc pha dòng điện điện áp đặt vào, (d) cơng suất trung bình mà điện từ tiêu thụ Dữ liệu cho: R = 30Ω, L = 200mH, V = 230V ƒ = 50Hz (a) Trở kháng (Z) cuộn dây điện từ: (b) Dòng điện (I) tiêu thụ cuộn dây điện từ: (c) Góc pha θ: (d) Cơng suất AC trung bình tiêu thụ cuộn dây điện từ:  Tổng hợp công suất điện AC Ở đây, thấy mạch điện xoay chiều, điện áp dòng điện chạy mạch hồn tồn thụ động thường khơng pha đó, chúng sử dụng để thực công việc thực tế Chúng ta thấy mạch điện chiều (DC), công suất điện với số lần điện áp dòng điện, P = V * I, tính tốn theo cách tương tự mạch điện xoay chiều cần tính đến lệch pha Trong mạch điện trở thuần, dòng điện điện áp pha tất lượng điện tiêu thụ điện trở, thường nhiệt Kết là, khơng có nguồn điện đưa trở lại nguồn mạch nguồn Tuy nhiên, mạch điện cảm điện dung có chứa điện kháng (X), dòng điện dẫn rơi điện áp xác 90o (góc pha) để công suất lưu trữ trở nguồn Do đó, cơng suất trung bình tính chu kỳ đầy đủ không Công suất điện tiêu thụ điện trở (R) gọi công suất thực công suất tác dụng đơn giản thu cách nhân điện áp rms với dòng điện rms Cơng suất lưu trữ điện kháng (X) gọi công suất phản kháng có cách nhân điện áp, dòng điện sin góc pha chúng Ký hiệu cho góc pha (Theta) đại diện cho hiệu mạch điện xoay chiều liên quan đến tổng trở kháng phản kháng (Z) chống lại dòng điện mạch Hệ số công suất tam giác công suất Công suất điện tiêu thụ mạch điện xoay chiều biểu diễn ba cạnh tam giác vuông, thường gọi tam giác công suất Chúng thấy hướng dẫn công suất mạch điện xoay chiều chứa điện trở điện dung điện trở điện cảm, hai, chứa công suất thực cơng suất phản kháng Vì vậy, để tính tổng cơng suất tiêu thụ, cần biết độ lệch pha dạng sóng hình sin điện áp dòng điện Trong mạch điện xoay chiều, dạng sóng điện áp dòng điện có dạng hình sin nên biên độ chúng thay đổi liên tục theo thời gian Vì biết cơng suất điện áp nhân với dòng điện (P = V * I), công suất cực đại xảy hai dạng sóng điện áp dòng điện xếp Đó đỉnh điểm giao chúng xảy lúc Khi điều xảy ra, hai dạng sóng gọi sóng đồng pha Ba thành phần mạch điện xoay chiều ảnh hưởng đến mối quan hệ điện áp dạng sóng dòng điện, độ lệch pha chúng xác định tổng trở mạch điện trở, tụ điện cuộn cảm Trở kháng (Z) mạch điện xoay chiều tương đương với điện trở tính mạch DC, với trở kháng tính ohms Đối với mạch điện xoay chiều, trở kháng thường định nghĩa tỷ lệ điện áp dòng điện pha tạo thành phần mạch Pha đường thẳng vẽ theo cách biểu thị điện áp biên độ dòng điện theo chiều dài độ lệch pha so với đường pha khác vị trí góc so với pha khác Mạch điện xoay chiều chứa điện trở điện kháng kết hợp với để tạo tổng trở (Z) làm hạn chế dòng điện chạy quanh mạch Nhưng trở kháng mạch điện xoay chiều không tổng đại số giá trị ohmic điện trở điện kháng điện trở điện kháng lệch pha với 90o Nhưng sử dụng độ lệch pha 90o làm cạnh tam giác góc vng, gọi tam giác trở kháng, với trở kháng cạnh huyền xác định định lý Pythagoras Mối quan hệ hình học điện trở, điện kháng trở kháng thể cách trực quan cách sử dụng tam giác trở kháng hiển thị Lưu ý trở kháng tổng vectơ điện trở điện kháng, khơng có độ lớn (Z) mà có góc pha (Φ), đại diện cho độ lệch pha điện trở điện kháng Cũng lưu ý hình tam giác thay đổi hình dạng thay đổi điện kháng (X) tần số thay đổi Tất nhiên, điện trở (R) ln khơng đổi Chúng ta đưa ý tưởng tiến thêm bước cách chuyển đổi tam giác trở kháng thành tam giác công suất đại diện cho ba phần tử công suất mạch điện xoay chiều.Định luật Ohms cho biết mạch điện chiều, cơng suất (P), tính watt, với bình phương (I2) dòng điện nhân với điện trở (R) Vì vậy, nhân ba cạnh tam giác trở kháng với I2 để thu tam giác công suất tương ứng là: Công suất tác dụng P = I2R Watts, (W) Công suất phản kháng Q = I2X Volt-amperes Phản kháng, (VAr) Công suất biểu kiến S = I2Z Volt-amperes, (VA)  Công suất tác dụng mạch AC Công suất tác dụng (P), gọi cơng suất thực, thực công việc thực tế mạch điện Công suất thực, đo watt, xác định công suất tiêu thụ phần điện trở mạch Khi cơng suất thực (P) mạch điện xoay chiều giống công suất P mạch điện chiều Vì vậy, giống mạch điện chiều, ln tính I2 * R, R tổng thành phần điện trở mạch Vì điện trở không tạo chênh lệch pha (dịch pha) điện áp dạng sóng dòng điện nên tất lượng hữu ích truyền trực tiếp đến điện trở chuyển thành nhiệt, ánh sáng cơng việc.Do cơng suất tiêu thụ điện trở công suất thực, cơng suất trung bình mạch Để tìm giá trị tương ứng công suất thực, giá trị điện áp dòng điện rms nhân với cosin góc pha Φ hiển thị Cơng suất thực P = I2R = V * I * cos (Φ) Watts, (W) Nhưng chúng khơng có độ lệch pha điện áp dòng điện mạch điện trở, nên độ lệch pha hai dạng sóng (0) Do đó: Trong cơng suất thực (P) tính watt, điện áp (V) tính rms volt dòng điện (I) tính ampe rms Do đó, Cơng suất thực phần tử điện trở I2 * R đo watt, bạn đọc đồng hồ lượng tiện ích bạn có đơn vị tính Watts (W), Kilowatts (kW) Megawts (MW) Lưu ý công suất thực P luôn dương  Công suất phản kháng mạch điện AC Công suất phản kháng (Q), (đôi gọi công suất không watt) công suất tiêu thụ mạch điện xoay chiều không thực cơng việc hữu ích có ảnh hưởng lớn đến dịch pha điện áp dạng sóng dòng điện Cơng suất phản kháng liên kết với điện cảm tạo cuộn cảm tụ điện chống lại tác động công suất thực Công suất phản kháng không tồn mạch DC Không giống công suất thực (P) làm tất công việc, công suất phản kháng (Q) lấy lượng khỏi mạch tạo làm giảm từ trường cảm ứng trường điện từ, làm cho cơng suất thực khó cung cấp lượng trực tiếp đến mạch tải Công suất lưu trữ cuộn cảm từ trường cố gắng kiểm sốt dòng điện, lượng lưu trữ điện trường cố gắng kiểm soát điện áp Kết tụ điện tạo công suất phản kháng cuộn cảm tiêu thụ công suất phản kháng Điều có nghĩa hai tiêu thụ trả lại lượng cho nguồn để lượng thực tiêu thụ Để tìm cơng suất phản kháng, điện áp dòng điện rms nhân với sin góc pha Φ hiển thị Công suất phản kháng Q = I2X = V * I * sin (Φ) volt-amperes phản kháng, (VAr) Vì có chênh lệch pha 90o dạng sóng điện áp dòng điện điện kháng (cảm ứng điện dung), nhân V * I với sin () tạo thành phần thẳng đứng lệch pha 90o với nhau, thế: Trong cơng suất phản kháng (Q) tính volt-ampe phản kháng, điện áp (V) tính rms volt dòng điện (I) tính ampe rms Do đó, cơng suất phản kháng đại diện cho tích vơn ampe lệch pha 90o với nhau, nói chung, có góc pha nào, điện áp dòng điện Do đó, cơng suất phản kháng phần tử phản kháng I2X có đơn vị phản kháng voltamperes (VAr), Kilovolt-amperes phản kháng (kVAr) Megavolt-amperes phản kháng (MVAr)  Công suất biểu kiến mạch AC Chúng ta thấy công suất tác dụng bị tiêu tan điện trở công suất phản kháng cung cấp cho điện kháng Do đó, dạng sóng điện áp dòng điện khơng pha khác biệt thành phần điện trở mạch phản kháng Do đó, có mối quan hệ tốn học công suất thực (P) công suất phản kháng (Q), gọi cơng suất biểu kiến Tích điện áp rms V cung cấp cho mạch điện xoay chiều dòng điện rms I chảy vào mạch gọi kết qur volt-ampere (VA) đưa ký hiệu S có độ lớn thường gọi công suất biểu kiến Công suất phức không tổng đại số công suất thực công suất phản kháng cộng lại với nhau, mà thay vào tổng vectơ P Q tính volt-amps (VA) Đó cơng suất phức mơ tả tam giác công suất Giá trị rms kết voltampere biết đến phổ biến công suất biểu kiến, rõ ràng, tổng cơng suất tiêu thụ mạch công suất thực làm việc nhiều Vì cơng suất biểu kiến tạo thành từ hai phần, công suất điện trở công suất pha công suất thực tính watt cơng suất phản kháng cơng suất lệch pha volt-ampe, phép cộng vector hai thành phần lượng dạng tam giác công suất Một tam giác điện có bốn phần: P, Q, S Ba phần tử tạo nên công suất mạch điện xoay chiều biểu thị đồ họa ba cạnh tam giác vng góc, giống tam giác trở kháng trước Phía ngang (liền kề) đại diện cho cơng suất thực mạch (P), phía dọc (đối diện) đại diện cho công suất phản kháng mạch (Q) cạnh huyền biểu thị công suất biểu kiến (S) tam giác công suất hiển thị Ở đây: P công suất tác dụng (I2 * R) thực công việc đo watt, W Q Công suất phản kháng (I2 * X) đo volt-ampe phản kháng, VAr S công suất biểu kiến (I2 * Z) đo volt-ampe, VA Φ Là góc lệch pha tính theo độ Góc pha lớn, cơng suất phản kháng lớn Cos (Φ) = P / S = W / VA = hệ số công suất, p.f (Φ) = Q / S = VAr / VA Φ) = Q / P = VAr / W  Hệ số công suất mạch AC Hệ số công suất cos (Φ) phần quan trọng mạch điện xoay chiều biểu thị dạng trở kháng mạch công suất mạch Hệ số công suất định nghĩa tỷ lệ công suất thực (P) so với công suất biểu kiến (S) thường biểu thị dạng giá trị thập phân, ví dụ 0,95 tỷ lệ phần trăm: 95% Hệ số công suất xác định góc pha dạng sóng điện áp V dòng điện I độ lớn giá trị rms dòng điện điện áp Lưu ý góc pha khác biệt dòng điện điện áp hay điện áp dòng điện Mối quan hệ tốn học đưa là: Chúng tơi nói trước mạch điện trở thuần, dạng sóng điện áp dòng điện pha với nên cơng suất thực tiêu thụ giống công suất biểu kiến độ lệch pha độ (0o) Vì vậy, hệ số công suất là: Hệ số công suất, pf = cos 0o = 1.0 Đó số lượng watts tiêu thụ giống số volt-ampe tiêu thụ tạo hệ số công suất 1, 100% Trong trường hợp này, gọi hệ số tiêu thụ thống Chúng tơi nói mạch điện kháng thuần, dạng sóng điện áp dòng điện lệch pha 90o Khi độ lệch pha chín mươi độ (90o), hệ số cơng suất là: Hệ số công suất, pf = cos 90o = Đó số watt tiêu thụ khơng có điện áp dòng điện cung cấp tải điện kháng Rõ ràng giảm thành phần công suất phản kháng VAr tam giác công suất khiến cải thiện hệ số công suất theo hướng tốt (=1) Cũng mong muốn có hệ số cơng suất cao điều làm cho việc sử dụng hiệu mạch cung cấp dòng điện cho tải Do đó, viết mối quan hệ công suất thực, công suất biểu kiến hệ số công suất mạch là: Một mạch cảm ứng điện áp dòng điện có độ trễ so với điện áp (ELI) cho có hệ số cơng suất trễ pha mạch điện dung dòng điện dẫn so với điện áp (ICE) cho có hệ số cơng suất sớm pha  Ví dụ 1: Một cuộn dây độ tự cảm 180mH điện trở 35Ω kết nối với nguồn cung cấp 100V 50Hz Tính: a) trở kháng cuộn dây, b) dòng điện, c) hệ số cơng suất d) công suất biểu kiến tiêu thụ Cũng vẽ tam giác công suất kết cho cuộn dây Dữ liệu cho: R = 35Ω, L = 180mH, V = 100V ƒ = 50Hz (a) Trở kháng (Z) cuộn dây: (b) Dòng điện (I) tiêu thụ cuộn dây: (c) Hệ số công suất góc pha, Φ: (d) Cơng suất biểu kiến (S) tiêu thụ cuộn dây: (e) Tam giác công suất cho cuộn dây: Như mối quan hệ tam giác cơng suất ví dụ đơn giản chứng minh, mức 0,5263 52,63% hệ số công suất, cuộn dây cần 150 VA công suất để tạo 79 Watts cơng việc hữu ích Nói cách khác, với hệ số công suất 52,63%, cuộn dây cần thêm khoảng 89% dòng điện để thực cơng việc, nhiều dòng điện bị lãng phí Thêm tụ điện hiệu chỉnh hệ số cơng suất (ví dụ 32.3uF) cuộn dây, để tăng hệ số công suất lên 0,95, 95%, làm giảm đáng kể công suất phản kháng tiêu thụ cuộn dây tụ điện hoạt động máy phát dòng điện phản kháng, làm giảm tổng lượng tiêu thụ dòng điện  Tổng hợp hệ số công suất tam giác công suất Chúng ta thấy đây, ba thành phần lượng điện, Công suất thực, Công suất phản kháng Công suất biểu kiến mạch điện xoay chiều biểu diễn ba cạnh tam giác gọi Tam giác cơng suất Vì ba phần tử biểu thị tam giác vng, nên mối quan hệ chúng định nghĩa là: S2 = P2 + Q2, đó: P cơng suất thực tính watt (W), Q cơng suất phản kháng tính volt-ampe phản kháng (VAr) S cơng suất biểu kiến tính volt-ampe (VA) Chúng ta thấy mạch điện xoay chiều, đại lượng cos (Φ) gọi hệ số công suất Hệ số công suất mạch điện xoay chiều định nghĩa tỷ lệ công suất thực (W) tiêu thụ mạch so với công suất biểu kiến (VA) tiêu thụ mạch Do đó, điều mang lại cho chúng ta: Hệ số cống suất = Công suất thực / Công suất biểu kiến, p.f = W / VA Khi cosin góc kết dòng điện điện áp hệ số cơng suất Nói chung, hệ số cơng suất biểu thị phần trăm, ví dụ 95%, biểu thị dạng giá trị thập phân, ví dụ 0,95 Khi hệ số công suất 1,0 (đơn vị) 100%, cơng suất thực tiêu thụ cơng suất biểu kiến mạch, góc pha dòng điện điện áp 0o là: cos-1 (1.0) = 0o Khi hệ số công suất (0), góc pha dòng điện điện áp 90o : cos-1 (0) = 90o Trong trường hợp này, công suất thực tế tiêu thụ mạch AC dòng điện mạch Trong mạch điện xoay chiều thực tế, hệ số cơng suất nằm khoảng từ đến tùy thuộc vào thành phần thụ động tải kết nối Đối với tải điện trở tải cảm ứng, hệ số công suất độ trễ pha Trong mạch điện dung, hệ số công suất sớm pha Do đó, mạch điện xoay chiều xác định để có hệ số cơng suất thống nhất, trễ pha sớm pha Hệ số công suất có giá trị (0) tiêu thụ lượng lãng phí làm giảm hiệu suất mạch, mạch tải có hệ số cơng suất gần với (1.0) thống (100%), hiệu Điều mạch tải có hệ số cơng suất thấp đòi hỏi nhiều dòng điện so với mạch tải có hệ số cơng suất gần 1.0 (thống nhất) ... biến đổi điện áp dòng điện vẽ theo sở thời gian Nói chung, dạng sóng AC, đường sở nằm ngang biểu thị điều kiện không điện áp dòng điện Bất kỳ phần dạng sóng AC nằm trục nằm ngang biểu thị điện áp... dụ: Một dòng điện xoay chiều gồm ampe chảy qua điện trở 40Ω Tính điện áp trung bình điện áp cực đại nguồn cung cấp Tính giá trị điện áp RMS: Giá trị điện áp trung bình là: Giá trị điện áp đỉnh... theo hướng với độ dốc giống dương âm Trong mạch điện xoay chiều, khả mô tả mối quan hệ điện áp sóng hình sin mạch quan trọng tạo thành sở phân tích mạch điện xoay chiều  Dạng sóng Cosine Vậy biết