GIÁO TRÌNH MẠCH điện

BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG XÂY DỰNG THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH GIÁO TRÌNH LƯU HÀNH NỘI BỘ MẠCH ĐIỆN TP HỒ CHÍ MINH 2018 BÀI MỞ ĐẦU KHÁI QUÁT CHUNG VỀ MẠCH ĐIỆN Tổng quát mạch điện Mạch điện môn học sở kỹ thuật quan trọng q trình đào tạo cơng nhân lành nghề, kỹ sư ngành kỹ thuật điện cơng nghiệp, tự động hóa Nó nhằm mục đích trang bị sở lý luận có hiệu lực cho ngành kỹ thuật điện mà cịn vận dụng cho nhiều ngành kỹ thuật khác Kỹ thuật điện ngành kỹ thuật ứng dụng tượng điện từ để biến đổi lượng, đo lường, điều khiển, xử lý tín hiệu bao gồm việc tạo ra, biến đổi sử dụng điện năng, tín hiệu điện từ hoạt động thực tế người So với tượng vật lý khác cơ, nhiệt, quang tượng điện từ phát chậm giác quan người không cảm nhận trực tiếp tượng Tuy nhiên việc khám phá tượng điện từ thúc đẩy mạnh mẽ cách mạng khoa học kỹ thuật chuyển sang lĩnh vực điện khí hóa, tự động hóa Điện có ưu điểm bật sản xuất tập trung với nguồn cơng suất lớn, truyền tải xa phân phối đến nơi tiêu thụ với tổn hao tương đối nhỏ Điện dễ dàng biến đổi thành dạng lượng khác Mặt khác trình biến đổi lượng tín hiệu điện từ dễ dàng tự động hóa điều khiển từ xa, cho phép giải phóng lao động chân tay lao động trí óc người Các mơ hình tốn mạch điện 2.1 Mơ hình tốn học q trình a Mơ hình tốn học q trình Muốn sử dụng, khống chế, cải tạo vật thể vật lý kỹ thuật loại q trình ví dụ q trình điện từ, nhiệt, điều kiện phải nhận thức tốt loại trình Mơ hình tốn học cách mơ tả loại q trình mơn tốn học Có thể xây dựng mơ hình tốn học theo cách: định nghĩa biến trạng thái trình, tìm nhóm đủ tượng bản, mơ tả tốn học chế tượng cách hợp thành q trình khác Theo mơ hình tốn học q trình xếp vật thể thành trường, môi trường hay hệ thống Mạch điện hệ thống thể dịng truyền đạt, lưu thơng lượng hay tín hiệu Mơ hình tốn học thường dùng để mơ tả q trình điện từ thiết bị điện mơ hình mạch Kirchooff mơ hình mạch truyền đạt b Ý nghĩa mơ hình tốn học Về nhận thức, xây dựng tốt mơ hình tốn học cho trình vật thể giúp ta hiểu đắn vật thể Về thực tiễn công tác, mơ hình tốn học tốt sở lý luận tốt dùng vào việc xét, sử dụng, khống chế loại trình vật thể Về mặt lý luận ngày mơ hình tốn học khơng sở lý luận mà cịn nội dung đối tượng lý thuyết 2.2 Các xây dựng mơ hình tốn học a Cách nhận thức loại tượng Ta gọi trình diễn biến hoạt động vật thể vật lý – kỹ thuật – kinh tế thời gian t khơng gian (khơng gian hình học r khơng gian thơng số khác µ,λ nhiệt độ, áp suất, giá ) Muốn có khái niệm tổ chức chế hoạt động vật thể phải quan sát trình cụ thể Nhưng vơ số hồn cảnh cụ thể, vật thể lại có vơ số q trình khác nhau, nguyên tắc quan sát hết Vì từ số hữu hạn trình lý tưởng thể đặc điểm quy luật vật thể Ta gọi tượng Về ngun tắc có nhiều tượng, ví dụ thiết bị điện có tượng tiêu tán, tích phóng lượng điện từ, tượng tạo sóng, phát sóng, khuếch đại, chỉnh lưu điều chế thực tế cho thấy thường tồn nhóm đủ tượng Đó tượng từ hợp thành tượng khác b Cách lập mơ hình tốn học cho loại q trình Từ cách nhận thức trình ta suy cách xây dựng mơ hình tốn học cho q trình sau: Chọn định nghĩa biến trạng thái Đó thường hàm hay vecto phân bố thời gian khơng gian Ví dụ để đo q trình điện từ ta định nghĩa vecto cường độ từ trường, điện trường Quan sát trình phân tích tìm nhóm đủ tượng Mơ tả tốn học chế tượng Thông thường ta mô tả chúng phương trình liên hệ biến trạng thái, ta gọi phương trình trạng thái Mơ tả việc hợp thành trình cụ thể, cách kết hợp phương trình trạng thái phương trình cân hệ phương trình trạng thái Kiểm nghiệm lại mơ hình thực tiễn hoạt động vật thể 2.3 Hai loại mơ hình tốn học Theo cách phân bố khơng gian, thời gian biến trạng thái xếp mơ hình tốn học thành hao loại mơ hình hệ thống mơ hình trường - Một loại mơ hình có trình đo số hữu hạn biến trạng thái phân thời gian mà không phân bố không gian Về tương tác, biến quan hệ nhân trước sau thời gian: trạng thái t chịu ảnh hưởng trạng thái trước t, khởi đầu t0 Về tốn học q trình mơ tả hệ phương trình vi phân, tích phân đại số thời gian, ứng với toán có điều kiện đầu Ta quy ước gọi vật thể mà q trình hoạt động mơ tả mơ hình túy hệ thống mơ hình chúng mơ hình hệ thống Trong thực tế hay gặp hệ thống mà q trình ngồi dạng biến thiên theo thời gian gắn với lưu thông (chảy, truyền đạt) trạng thái giữ phận hệ thống Ví dụ thiết bị động lực có truyền đạt lượng, có dịng điện chảy, hệ thống thơng tin - đo lường – điều khiển, hệ thống rơle có truyền đạt tín hiệu, hệ thống máy tính có truyền đạt số Ta gọi chung hệ thống mạch (circuit): mạch lượng, mạch truyền tin, mạch điều khiển, mạch tính tốn gọi mơ hình chúng mơ hình mạch, dạng riêng phổ biến mơ hình hệ thống Cụ thể mạch điện hệ thiết bị điện ta xét trình truyền đạt, biến đổi lượng hay tín hiệu điện từ, đo số hữu hạn biến dòng, áp, từ thơng, điện tích phân bố thời gian - Một loại mơ hình khác q trình coi đo số hữu hạn biến x(r, ,t) phân bố không gian thời gian cách hình thức đo tập không đếm biến trạng thái thời gian ứng với vơ số điểm khơng gian Về tương tác ngồi quan hệ nhân trước sau thêm quan hệ nhân không gian: trạng thái điểm khơng gian cịn chịu ảnh hưởng trạng thái lân cận điểm đó, bờ S0 Về tốn học q trình thường mơ tả hệ phương trình đạo hàm riêng thời gian không gian, ứng với tốn có điều kiện đầu điều kiện bờ Ta gọi vật thể mà trình hoạt động gọi trường (hoặc môi trường) gọi mơ hình chúng mơ hình trường Khi xét loại q trình, tùy cách nhìn nhận dùng trường mơ hình trường mơ hình hệ thống, coi vật trường hệ thống hay mạch Vấn đề cho mơ hình phù hợp với thực tế khách quan với mức độ cần thiết 2.4 Mơ hình hệ thống, mơ hình mạch - Thứ nhất, mơ hình hệ thống hệ phương trình xác định riêng thời gian, mô tả quy luật loại q trình hệ thống a) Mơ hình mạch truyền đạt hay truyền tin: loại ứng với phương trình vi phân vi tích phân có phép tính phép tốn tử T b) Mơ hình mạch lơgic: loại ứng với hệ phương trình đại số loogic với phép tác động lên biến quan hệ hàm lơgic L Đó phép làm ứng với hai giá trị 0,1 biến x với hai giá trị 0,1 biến y biểu diễn tín hiệu từ x sang y c) Mơ hình mạng vận trù: loại ứng với hệ phương trình phiếm hàm có phép tác động lên biến phép phiếm hàm F Đó cách làm ứng hàm x(t) với số a[x(t)] để đánh gia q trình x(t) d) Mơ hình mạch động lượng hay mơ hình mạch Kirchooff: loại ứng với hệ phương trình vi phân hay đại số loại (a).Ở trình đo cặp biến xk(t), yk(t) với xk yk lượng hay động động lượng thường thỏa mãn luật bảo toàn liên tục Trong hệ thống có truyền đạt lượng phận - Thứ hai, mơ hình hệ thống sơ đồ hệ thống hay sơ đồ mạch mơ tả q trình xét Đó hệ thống mạch biến trạng thái khơng phân bố khơng gian, nên dành hình học để lập cách mơ tả tốn học q trình xét Ta gọi chung cách mơ tả hình học sơ đồ q trình Cụ thể graph, hình chắp nối ký hiệu hình học, dùng để mơ tả theo cách phân bố biến, phép tính lên biến, quan hệ biến hệ phương trình trạng thái trình Vì lý thuyết hệ thống lý thuyết mạch sơ đồ đồng với hệ phương trình trạng thái Mặt khác sơ đồ cịn thường dùng mô tả cấu trúc chắp nối phận vật thể xét Về mặt sơ đồ cịn mơ tả rõ hệ phương trình Chình theo thói quen người ta thường hiểu sơ đồ theo nghĩa mô tả cấu trúc vật thể theo nghĩa mơ hình tốn học, tất nhiên cách hiểu khơng đầy đủ Ứng với loại mơ hình hệ thống xếp sơ đồ vào loại: sơ đồ mạch truyền đạt, sơ đồ mạch lôgic, sơ đồ mạng vận trù sơ đồ mạch Kirchooff - Trong kỹ thuật chế tạo linh kiện hoạt động giống phần tử sơ đồ, lắp ghép lại hệ thống linh kiện hoạt động giống hệt sơ đồ Hệ thống mơ tương tự sơ đồ mạch mơ tương tự q trình xét CHƯƠNG CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN Mã chương: MH08 - 01 Giới thiệu: Ở chương ta làm quen với khái niệm mạch điện, phép biến đổi tương đương nhằm đưa mạch điện dạng đơn giản Mục tiêu: - Phân tích nhiệm vụ, vai trị phần tử cấu thành mạch điện như: nguồn điện, dây dẫn, phụ tải, thiết bị đo lường, đóng cắt - Giải thích cách xây dựng mơ hình mạch điện, phần tử mạch điện Phân biệt phần tử lý tưởng phần tử thực - Phân tích giải thích khái niệm mạch điện, hiểu vận dụng biểu thức tính tốn Nội dung chính: - Mạch điện mơ hình - Các khái niệm mạch điện - Các phép biến đổi tương đương Mạch điện mơ hình Mục tiêu: - Phân tích nhiệm vụ, vai trị phần tử cấu thành mạch điện như: nguồn điện, dây dẫn, phụ tải, thiết bị đo lường, đóng cắt - Giải thích tượng điện từ xảy mạch điện - Nhận biết thiết bị sử dụng dụng cụ đo mạch điện 1.1 Mạch điện Mạch điện tập hợp thiết bị điện (nguồn, tải, dây dẫn ) nối lại với dây dẫn tạo thành mạch vịng kín, dịng điện chạy qua Mạch điện thường gồm thành phần sau: nguồn điện, phụ tải, dây dẫn a Nguồn điện: thiết bị phát điện Về nguyên lý, nguồn điện thiết bị biến đổi dạng lượng khác ( năng, quang năng, nhiệt ) thành điện Ví dụ: Pin, ăcquy biến đổi hố thành điện Máy phát điện biến đổi thành điện Pin mặt trời biến đổi lượng xạ mặt trời thành điện b Phụ tải (tải): thiết bị tiêu thụ điện biến đổi điện thành dạng lượng khác ( năng, nhiệt năng, quang ) Ví dụ: Động điện tiêu thụ điện biến điện thành Bàn là, bếp điện biến điện thành nhiệt Bóng điện biến điện thành quang c Dây dẫn: có nhiệm vụ truyền tải điện (từ nguồn tới phụ tải tiêu thụ) dùng để nối thành phần mạch điện Ngồi yếu tố mạch điện cịn có thiết bị phụ trợ khác để: Đóng cắt điều khiển mạch điện cầu dao, aptomat, côngtăc Đo lường đại lượng mạch điện ampe kế, vơn kế, ốt kế Bảo vệ mạch điện cầu chì, rơle, aptơmát 1.2 Các tượng điện từ Các tượng điện từ có nhiều dạng như: tượng chỉnh lưu, tách sóng, tạo hàm, tạo sóng, biến áp, khuếch đại… Tuy nhiên xét theo quan điểm lượng trình điện từ mạch điện quy hai tượng lượng tượng biến đổi lượng tượng tích phóng lượng điện từ 1.2.1 Hiện tượng biến đổi lượng Hiện tượng biến đổi lượng gồm hai loại: Hiện tượng nguồn: tượng biến đổi dạng lượng năng, hoá năng… thành lượng điện từ Hiện tượng tiêu tán: tượng biến đổi lượng điện từ thành dạng lượng khác nhiệt, cơ, quang, hố năng… tiêu tán khơng hồn trở lại mạch 1.2.2 Hiện tượng tích phóng lượng Hiện tượng tích phóng lượng điện từ tượng mà lượng điện từ tích phóng vào vùng khơng gian có tồn trường điện từ đưa từ vùng trở lại bên ngồi Để thuận tiện cho trình nghiên cứu, người ta coi tồn trường điện từ thống gồm mặt thể điện trường từ trường Vì tượng tích phóng lượng điện từ gồm tượng tích phóng lượng điện trường tượng tích phóng lượng từ trường Dịng điện trường điện từ có liên quan chặt chẽ với nên thiết bị xảy tượng: biến đổi tích phóng lượng Nhưng thiết bị tượng lượng xảy mạch tượng lượng Ví dụ: ta xét phần tử điện trở thực, tụ điện, cuộn dây, ắcquy Trong điện trở thực: chủ yếu xảy tượng tiêu tán biến đổi lượng trường điện từ thành nhiệt Nếu trường điện từ biến thiên khơng lớn bỏ qua dịng điện dịch (giữa vòng dây quấn lớp điện trở) so với dòng điện dẫn bỏ qua sức điện động cảm ứng so với sụt áp điện trở, nói cách khác bỏ qua tượng tích phóng lượng tích phóng lượng điện từ Trong tụ điện chủ yếu là: tượng tích phóng lượng điện trường Ngồi điện mơi cốt tụ có độ dẫn điện hữu hạn nên tụ xảy tượng tiêu tán biến đổi điện thành nhiệt Trong cuộn dây chủ yếu là: tượng tích phóng lượng từ trường Ngồi dịng điện gây tổn hao nhiệt dây dẫn cuộn dây nên cuộn dây xảy tượng tiêu tán Trong cuộn dây cịn xảy tượng tích phóng lượng điện trường thương yếu bỏ qua tần số làm việc không lớn Trong ăcquy là: xảy tượng nguồn biến đổi từ hoá sang điện năng, đồng thời xảy tượng tiêu tán biến đổi từ điện thành nhiệt 1.3 Mơ hình mạch điện Mạch điện gồm nhiều phần tử, làm việc nhiều tượng điện từ xảy phần tử Khi tính tốn người ta thay mạch điện thực mơ hình mạch điện Mơ hình mạch điện sơ đồ thay mạch điện thực, q trình lượng điện từ kết cấu hình học giống mạch thực Mơ hình mạch điện gồm nhiều phần tử lý tưởng đặc trưng cho trình điện từ mạch ghép nối với tuỳ theo kết cấu mạch Sau ta xét phần tử lý tưởng mơ hình mạch điện 1.3.1 Phần tử điện trở Đặc trưng cho vật dẫn mặt cản trở dòng điện Về lượng, điện trở R đặc trưng cho trình biến đổi tiêu thụ điện thành dạng lượng khác năng, quang năng, nhiệt Kí hiệu: R Hình 1.1 Kí hiệu điện trở Đơn vị điện trở Ω (ôm), kΩ = 103 Ω Cho dòng điện i chạy qua điện trở R gây sụt áp điện trở u R Theo định luật Ơm quan hệ dịng điện i điện áp uR là: uR = i.R Công suất tiêu thụ điện trở p = uR.i = i2.R Như điện trở R đặc trưng cho công suất tiêu tán điện trở Điện tiêu thụ điện trở khoảng thời gian t t t A = ∫ pt = ∫ i Rt i = const có A = i2Rt Đơn vị điện Wh (oát giờ), bội số kWh Điện dẫn G: Đặc trưng cho cho vật dẫn mặt dẫn điện, đại lượng nghịch đảo điện trở G= R Đơn vị: S (Simen) 1.3.2 Phần tử điện cảm Điện cảm L đặc trưng cho tượng tích phóng lượng từ trường cuộn dây L Kí hiệu: Hình 1.2 Kí hiệu điện cảm Đơn vị điện cảm H (Henry) mH = 10-3 H, µH = 10-6 H, MH = 106 H Khi có dịng điện i chạy qua cuộn dây có w vịng dây, sinh từ thơng móc vịng qua cuộn dây ψ = w.φ Điện cảm cuộn dây định nghĩa L = ψ wφ = i i Nếu dòng điện i biến thiên từ thơng biến thiên theo định luật cảm ứng điện từ cuộn dây xuất sức điện động tự cảm eL = - dψ di = −L dt dt Điện áp cuộn dây: uL = - eL = L di dt Công suất cuộn dây: pL = uL.i = i L di dt t t o 2 Năng lượng từ trường tích luỹ cuộn dây: W = ∫ p L dt = ∫ Lidt = Li 1.3.3 Phần tử điện dung Điện dung C đặc trưng cho tượng tích luỹ lượng điện trường tụ điện C Kí hiệu: Hình 1.3 Kí hiệu điện dung Đơn vị điện dung Fara (F) Khi đặt điện áp uC lên tụ điện có điện dung C tụ điện nạp điện với điện tích q: q = C.uC Nếu điện áp uC biến thiên có dịng điện chuyển dịch qua tụ điện du dq d = (Cu C ) = C C i= dt dt dt t từ suy uC = idt C ∫0 Nếu thời điểm t = mà tụ điện có điện tích ban đầu điện áp tụ t uC = ∫ idt + u C (0) C0 điện là: Công suất tụ điện: Pc = u c i = Cu c du c dt Năng lượng tích luỹ điện trường tụ điện t u 0 WE = ∫ p c dt = ∫ Cu c du c = Cu 1.3.4 Phần tử nguồn a) Nguồn điện áp u (t) Nguồn điện áp đặc trưng cho khả tạo lên trì điện áp hai cực nguồn + Kí hiệu: e(t) u(t) Hình 1.4 Kí hiệu nguồn điện áp Nguồn điện áp biểu diễn sức điện động e(t) Điện áp đầu cực u(t) sức điện động :u(t) = e(t) Chiều e(t) từ điểm điện thấp đến điểm điện cao Chiều u(t) từ điểm điện cao đến điểm điện thấp, chiều điện áp đầu cực nguồn ngược với chiều sức điện động Đơn vị : V(vơl) b) Nguồn dịng điện j (t) Để tạo điện áp đặt vào mạch điện, người ta dùng nguồn điện Ví dụ: pin, acquy cung cấp điện áp không đổi (theo thời gian), máy phát điện xoay chiều cung cấp điện áp hình sin có tần số f = 50 Hz dùng cơng nghiệp sinh hoạt Nguồn dịng điện đặc trưng cho khả nguồn điện tạo lên trì dịng điện cung cấp cho mạch ngồi Kí hiệu: vịng trịn với mũi tên kép 10 j(t) 1 1 đó: Y A = Z , Y B = Z , YC = Z , YO = Z tổng dẫn phức pha tải dây O A B C trung tính 0 Khi nguồn ba pha đối xứng: U A = U p , U B = U p ∠ − 120 , U C = U p ∠120 ta có: Y + YB ∠ − 120 + YC ∠120 U OO ' = U P A Y A + YB + YC ∑ E Y ∑ Y ; U C ' = U C − U O 'O Sau tính điện áp trung tính nguồn với trung tính tải: U O 'O = Tính điện áp pha tải: U A ' = U A − U O 'O ; U B ' = U B − U O 'O    ZA ZB ZC U U U Tính dịng điện pha tải: I A = A ; I B = B ; IC = C Tính dịng điện dây trung tính: I N = I A + IB + IC b Trường hợp 2: xét đến tổng trở dây pha Zd Hình 5.2 Tải nối hình có Zd Phương pháp tính tốn trên, lúc tổng trở pha phải gồm tổng trở dây dẫn Zd , Y = , Y = , Y = A Z A + Z d B Z B + Z d C Z C + Z d c Trường hợp 3: Khi tổng trở dây trung tính Z O = Khi điểm trung tính tải O’ trùng với điểm trung tính nguồn O nên U O 'O = Điện áp pha tải điện áp pha tương ứng nguồn U A = E A ; U B = E B ; U C = E C Nhờ có dây trung tính nên điện áp pha tải đối xứng Đển tính dịng điện pha ta áp dụng định luật Ohm cho pha riêng rẽ U U U I = A ; I = B ; I = C A ZA B ZB C ZC d Trường hợp đặc biệt dây trung tính bị đứt khơng có dây trung tính Khi Z = ∞ (hở mạch dây trung tính), tính theo cơng thức chung 97 Điện áp U O 'O lớn, điện áp pha tải khác điện áp pha nguồn nhiều gây nên áp pha 1.1.2 Tải nối hình tam giác a Trường hợp 1: Khi khơng xét đến tổng trở dây dẫn pha Điện áp đặt lên pha tải điện áp dây nguồn dịng điện pha tải xác định sau: Hình 5.3 Tải nối hình tam giác , , Áp dụng định luật Kirchoff ta tính dịng điện dây: , , b Trường hợp 2: Khi kể đến tổng trở dây dẫn pha Biến đổi tổng trở mắc hình tam giác thành hình sao: Giải mạch điện theo phương pháp điện áp hai nút để xác định dòng điện dây Xác định điện áp pha, dòng điện pha tải nối hình tam giác 1.2 Đồ thị tơ pơ Dùng đồ thị vecto, ta biểu diễn vịng áp nhánh mạch điện, đó, ta xác định trị số góc pha đại lượng Tuy nhiên, nhiều trường hợp, cần xác định điện áp đoạn mạch, phân bố điện điện áp sơ đồ, người ta dùng đồ thị Tôpô thuận tiện nhiều Đồ thị tôpô mạch điện đồ thị vecto điện điểm sơ đồ đặt nối tiếp với Cách lập đồ thị tôpô sau: +j a C i b u~ c iR c L R2 e R1 jXL iR1 e d a uea Hình 5.4 Đồ thị tơpơ 98 b i +1 -jXC Bước 1: Đánh số ký hiệu điểm sơ đồ, chia nhánh thành phần nhánh, ví dụ điểm a,b,c,d,e, Bước 2: Xuất phát từ điểm cuối nhánh (điểm e), coi điểm không ( ϕ e = ), đặt gốc tọa độ Điện điểm (điểm d) xác định theo sụt áp Ude: • • • • U de = ϕ d − ϕ e = I r2 • • • • • Từ đó: ϕ d = ϕ e + U de = ϕ e + I r2 • • • Vecto I r2 đồng pha với I , có điểm cuối e, điểm d xác định ϕ d đồ thị tơpơ • • • • Bước 3: Tiếp tục, đoạn dc có sụt áp Ucd: U cd = ϕ c − ϕ d = j I X L • • • Suy ra: ϕ c = ϕ d + j I XL • • • Vecto j I XL vượt trước I góc 900, có điểm cuối d, điểm c xác định ϕ C đồ thị tôpô Bước 4: Cứ tiếp tục ta xác định ϕ b , ϕ a đồ thị tôpô Ta có nhận xét sau: - Đồ thị tơpơ biểu diễn rõ ràng phức điện điểm sơ đồ so với điểm gốc (điểm e coi khơng) Trên đồ thị tơpơ, ta dễ dàng xác định • điện áp hai điểm mạch điện Cụ thể điện áp U ec biểu diễn → vecto ec hướng từ c tới e - Nếu hết vịng kín, ta trở lại điểm xuất phát đồ thị tô pô khép kín Như vậy, mạch vịng sơ đồ ứng với vịng kín đồ thị tơpơ Mỗi nút biểu thị điện đồ thị tơpơ, điểm điểm giao vịng kín biểu diễn mạch vịng chứa nút Nói khác đi, nút sơ đồ tương ứng với nút đồ thị tôpô Như vậy, đồ thị tôpô mô tả đầy đủ kết cấu hình học mạch : số nút, số nhánh, số vịng, cách nối phần tử 1.3 Công suất mạng ba pha không đối xứng Công suất tác dụng P: mạch ba pha tổng công suất tác dụng pha cộng lại Gọi PA, PB, PC tương ứng công suất tác dụng pha A, B, C ta có: P = PA + PB + PC = UA IA cosϕA + UB IB cosϕ + UC IC cosϕC Công suất phản kháng Q ba pha tổng công suất phản kháng pha cộng lại: Q = QA + QB + QC = UA IAsin ϕA + UB IBsin ϕB + UC ICsin ϕC 99 Công suất biểu kiến ba pha tổng công suất biểu kiến pha cộng lại: S = SA + SB + SC = UA IA + UB IB + UC IC Để đo công suất mạch điện ba pha không đối xứng ta dùng ốt kế để đo cơng suất pha Công suất ba pha là: P3P = PA +PB + PC Ta dùng hai ốt kế nối dây theo sơ đồ sơ đồ oát kế thứ có điện áp dây UAC dịng điện IA, cịn ốt kế thứ hai có điện áp dây UBC     dòng điện IB Số hai oát kế là: U AC I A + U BC I B (*)       Mặt khác U AC = U A − U C , U BC = U B − U C Thế vào phương trình (*) ta có: (U  A ) ( ) ( ) ( )                − U C I A + U B − U C I B = U A I A + U B I B − U C I A + I B mà I A + I B = − I C       U A I A + U B I B + U C I C = PA + PB + PC Suy Sơ đồ * A * W * B * W C * * W Mạch ba pha không đối xứng O * A * Mạch ba pha không đối xứng W * B * W C 5.5 Đo công suất mạch ba pha không đối xứng Giải mạch xoay chiều có nhiều nguồn tác động Mục tiêu: Giải toán mạch xoay chiều có nhiều nguồn tác động 2.1 Giải mạch xoay chiều phương pháp dòng nhánh Các bước thực hiện: Bước 1: Xác định số nhánh m=?, số nút n=?, chọn chiều dương cho dòng điện nhánh Bước 2: Viết phương trình Kirchooff cho (n - 1) nút chọn Bước 3: Viết phương trình Kirchooff cho (m - n +1) mạch vòng Bước 4: Lập giải hệ phương trình Kirchooff ta tìm dịng điện nhánh Ví dụ 5.1: Cho mạch điện biết E = 100∠00 (V ) , E = 100∠900 (V ) 100 I1 Z Z = Z = 50 + 30 j (Ω) Z = 100(Ω ) I3 Z I Z  E  E Tìm I1 , I2 , I3 ? Hình 5.6 Mạch điện ví dụ 5.1 Giải: Bước 1: Mạch điện có m = 3, n = chọn chiều dòng điện nhánh I1 , I2 , I3 Bước 2: Phương trình Kirchooff cho n - = - = nút A I1 − I2 + I3 = (1) Bước 3: Phương trình Kirchooff cho m - n +1= - +1 = mạch vòng I1.Z + I2 Z = E (2) I3 Z + I2 Z = E (3) Bước 4: Hệ phương trình  I1 − I2 + I3 =  ( 50 + 30 j ) I1 + 100 I2 = 100∠0 = 100    100 I + ( 50 + 30 j ) I = 100∠90 = 100 j  I1 − I2 + I3 =  ⇔( + j ) I1 + 10 I2 = 10   (  10 I + + j ) I = 10 j  I1 = 0,51 − j ( A)  ⇔  I = 0,44 − 0,34 j ( A)  I = −0,07 + 1.34 j ( A)  2.2 Giải mạch xoay chiêug phương pháp dòng vòng Các bước thực hiện: Bước 1: Xác định số nhánh m=?, số nút n=?, chọn chiều dương cho dòng điện mạch vịng Bước 2: Viết phương trình Kirchooff cho (m-n+1) mạch vòng theo dòng điện mạch vòng Bước 3: Giải hệ phương trình Kirchooff Bước 4: Tính dịng điện nhánh sau: “Dòng điện nhánh tổng đại số dòng điện mạch vòng qua nhánh ấy” Ví dụ 5.2: Cho mạch điện biết I1 101 Z  E I Z I3 Z  E E = 100∠00 (V ) , E = 100∠900 (V ) Z = Z = 50 + 30 j (Ω) Z = 100(Ω ) Tìm I1 , I2 , I3 ? Hình 5.7 Mạch điện ví dụ 5.7 Giải: Bước 1: Mạch điện có m = 3, n = chọn chiều dòng điện mạch vòng Ia, Ib Bước 2: Phương trình Kirchooff cho m - n +1= - +1 = mạch vòng I1 ( Z + Z ) + I Z = E I ( Z + Z ) + I Z = E Bước 3: Hệ phương trình (150 + 30 j ) I1 + 100 I = 100∠0 = 100  100 I + (150 + 30 j ) I = 100∠90 = 100 j (15 + j ) I1 + 10 I = 10 ⇔  10 I + (15 + j ) I = 10 j  I1 = 0,51 − j ( A) ⇔ I = 0,44 − 0,34 j ( A)   I = −0,07 + 1.34 j ( A)  102 Giải mạch có thơng số nguồn phụ thuộc Mục tiêu: Giải tốn mạch điện có thơng số nguồn phụ thuộc Các nguồn độc lập tạo điện áp dịng điện hồn tồn khơng bị ảnh hưởng phần lại mạch, nguồn phụ thuộc tạo dòng điện điện áp phụ thuộc vào dòng điện điện áp nơi mạch Các đầu vào bên trái tượng trưng điện áp dòng điện điều khiển nguồn phụ thuộc Các đầu bên phải dòng điện điện áp nguồn bị điều khiển Các số r, g, α, β hệ số điều khiển 3.1 Dạng nguồn áp phụ thuộc a) Nguồn áp phụ thuộc dòng.(CCVS: Current Controlled Voltage Source) + + Ri - i1 u2 - Hình 5.8 Nguồn áp phụ thuộc dòng Phần tử phát điện áp u2 phụ thuộc vào dòng điện i1 theo hệ thức: u2=R.i1 Đơn vị đo R Ohm ( Ω ) b) Nguồn áp phụ thuộc áp.(VCVS: Votage Control Voltage Source) + u1 + - + αu - u2 - Hình 5.9 Nguồn áp phụ thuộc áp Phần tử phát điện áp u2: u2=α.u1 α: khơng có thứ ngun 3.2 Dạng nguồn dịng phụ thuộc a) Nguồn dòng phụ thuộc áp.(VCCS: Voltage Controlled Current Source) u1 + - Gu1 i2 Hình 5.10 Nguồn dịng phụ thuộc áp Phần tử phát dòng điện i2 phụ thuộc vào điện áp u1 theo hệ thức: i2 = G.u1 103 Đơn vị đo G Siemen (S) mho ( 1/Ω ) b) Nguồn dòng phụ thuộc dòng.CCCS: Current Controlled Current Source) i1 βi1 i2 Hình 5.11 Nguồn dịng phụ thuộc dịng Phần tử phát dòng điện i2 phụ thuộc vào dòng điện i1 theo hệ thức i2 = β.i1 β: khơng có thứ nguyên Các nguồn phụ thuộc thường dùng mơ hình linh kiện điện tử transistor, op-amp mạch điện tử chứa chúng * Các nguồn phụ thuộc thường dùng mơ hình linh kiện điện tử transistor, op-amp mạch điện tử chứa chúng Ví dụ: Mơ hình đơn giản mạch điện tử khuếch đại tín hiệu dùng transisto IB C B β.RE β.IB Ro E E Hình 5.12 Mạch khuếch đại tín hiệu dùng transistor 104 THỰC HÀNH TẠI XƯỞNG Nội dung: Lắp ráp, kiểm tra, đo đạc thông số mạch điện xoay chiều ba pha đối xứng, khơng đối xứng Hình thức tổ chức thực hiện: Được tổ chức thực hành xưởng thực tập Sinh viên quan sát thao tác mẫu giáo viên Thực tập theo nhóm từ đến sinh viên Thí nghiệm mạch ba pha phụ tải ba pha nối hình * Vật tư, thiết bị: STT Vật tư, thiết bị Công tắc Ampe kế ÷ 5A Vơn kế xoay chiều ÷ 250V Bóng đèn Biến áp tự ngẫu ba pha ÷ 250 V - 10A Dây nối Số lượng 04 03 04 12 01 a Sơ đồ A A V B A V O ' V C A V O Hình 5.13 Sơ đồ thí nghiệm mạch ba pha phụ tải ba pha nối hình b Các bước thực hiện: Bước 1: Kiểm tra thiết bị Bước 2: Lắp ráp mạch theo sơ đồ Bước 3: Kiểm tra mạch theo sơ đồ Bước 4: Cấp nguồn xoay chiều cho mạch Bước 5: Tiến hành đo đạc tính tốn Lấy số liệu ghi vào bảng kết hai trường hợp: Trường hợp 1: Mạch có dây trung tính 105 1) Tải có dây trung tính 2) Tải khơng có dây trung tính ( rút bớt bóng đèn pha) 3) Bố trí tải đứt dây pha (rút cầu chì pha bất kì) Chế Kết đo Kết tính P độ UA UB UC UAB UBC UCA IA IB IC I0 U0 PA PB PC tải (V) (V) (V) (V) (V) (V) (A) (A) (A) (A) (V) (W) (W) (W) (W) Trường hợp 2: Mạch khơng có dây trung tính 1) Tải ba pha 2) Tải không ba pha (rút bớt bóng đèn pha) 3) Bố trí tải đứt dây pha (rút cầu chì pha bất kì) 4) Ngắn mạch pha tải (nối tắt pha tải) Chế Kết đo Kết tính IC U0 PA PB PC P độ UA UB UC UAB UBC UCA IA IB tải (V) (V) (V) (V) (V) (V) (A) (A) (A) (V) (W) (W) (W) (W) Yêu cầu tính tốn: Dựa cơng thức học giáo trình, tính kết theo u cầu bảng c Nhận xét, so sánh kết luận Xây dựng biểu đồ vecto điện áp dòng điện chế độ làm việc tải Lưu ý: tiến hành thiếu dụng cụ đo, ta tiến hành đo pha, dây Thí nghiêm mạch ba pha phụ tải ba pha nối hình tam giác * Vật tư, thiết bị: STT Vật tư, thiết bị Số lượng Cơng tắc 03 Ampe kế ÷ 5A 06 Vơn kế xoay chiều ÷ 250V 03 Bóng đèn 12 ABiến áp tự ngẫu ba pha ÷ 250 V - 10A 01 A A Dây nối V a Sơ đồ B A V C V A 106 A A Hình 5.14 Sơ đồ thí nghiệm mạch ba pha phụ tải ba pha nối hình tam giác b Các bước thực hiện: Bước 1: Kiểm tra thiết bị Bước 2: Lắp ráp mạch theo sơ đồ Bước 3: Kiểm tra mạch theo sơ đồ Bước 4: Cấp nguồn xoay chiều cho mạch Bước 5: Tiến hành đo đạc tính tốn Lấy số liệu ghi vào bảng kết trường hợp sau: 1) Tải ba pha 2) Tải khơng ba pha (bớt bóng đèn pha) 3) Tải ba pha đứt dây cung cấp điện (rút bớt cầu chì) 4) Tải ba pha đứt pha tải (hở mạch pha tải bất kì) Chế Kết đo Kết tính IC U0 PA PB PC P độ UA UB UC UAB UBC UCA IA IB tải (V) (V) (V) (V) (V) (V) (A) (A) (A) (V) (W) (W) (W) (W) Yêu cầu tính tốn: Dựa cơng thức học giáo trình, tính kết theo yêu cầu bảng c Nhận xét, so sánh kết luận Xây dựng biểu đồ vecto điện áp dòng điện chế độ làm việc tải Lưu ý: tiến hành thiếu dụng cụ đo, ta tiến hành đo pha, dây Thí nghiệm đo cơng suất mạch điện ba pha * Vật tư, thiết bị: STT Vật tư, thiết bị Số lượng Công tắc 04 Ampe kế ÷ 5A 03 Vơn kế xoay chiều ÷ 250V 01 Wốt kế pha ÷ KW 01 Biến áp tự ngẫu ba pha ÷ 250 V - 10A 01 Bóng đèn 12 107 Dây nối a Sơ đồ Mạch ba pha đối xứng có cơng suất pha, ta cần đo công suất pha nhân cơng suất ba pha: P3P = 3.P1P = 3.W W: số oát kế pha * A * W Mạch ba B pha đối C xứng O Hình 5.14 Sơ đồ đo công suất mạch ba pha đối xứng b Các bước thực hiện: Bước 1: Kiểm tra thiết bị Bước 2: Lắp ráp mạch theo sơ đồ Bước 3: Kiểm tra mạch theo sơ đồ Bước 4: Cấp nguồn xoay chiều cho mạch Bước 5: Tiến hành đo đạc tính tốn Lấy số liệu ghi vào bảng kết hai trường hợp: Thứ tự Lần Lần Kết đo Kết tính P3pha P3pha * Đo công suất mạch điện ba pha không đối xứng - Để đo công suất mạch điện ba pha không đói xứng ta dùng ốt kế để đo cơng suất pha Công suất ba pha là: P3P = PA +PB + PC - Ta dùng hai oát kế nối dây theo sơ đồm sơ đị ốt kế thứ có điện áp dây UAC dịng điện IA , cịn ốt kế thứ hai có điện áp dây UBC     dịng điện IB Số hai ốt kế là: U AC I A + U BC I B (*)       Mặt khác U AC = U A − U C , U BC = U B − U C Thế vào phương trình (*) ta có: (U  A ) ( ) ( ) ( )                − U C I A + U B − U C I B = U A I A + U B I B − U C I A + I B mà I A + I B = − I C       U A I A + U B I B + U C I C = PA + PB + PC Suy a Sơ đồ A B C O * * W * * W * * W 108 Mạch ba pha không đối xứng * A * W * * B W Mạch ba pha không đối xứng C b Các bước thực hiện: Bước 1: Kiểm tra thiết bị Bước 2: Lắp ráp mạch theo sơ đồ Bước 3: Kiểm tra mạch theo sơ đồ Bước 4: Cấp nguồn xoay chiều cho mạch Bước 5: Tiến hành đo đạc tính toán Lấy số liệu ghi vào bảng kết hai trường hợp: Thứ tự Lần Lần Kết đo P3pha Kết tính P3pha 109 Câu hỏi tập 5.1 Các biểu thức công suất P, Q, S mạch ba pha không đối xứng 5.2 Vai trị dây trung tính mạch điện ba pha tải không đối xứng 5.3 Một mạng điện pha dây 380V/220V cung cấp điện cho 60 đèn phóng điện cao áp cơng suất đèn P = 250W; công suất chấn lưu 25W, hệ số công suất cosϕ = 0,85 (các đèn bù), điện áp đèn Uđm = 220V Đèn phân cho pha a Xác định dòng điện dây pha làm việc bình thường Tính dịng điện dây trung tính I0 b Khi đèn pha A bị cắt điện Xác định dòng điện dây I B, IC dịng điện I0 dây trung tính đèn pha B C làm việc bình thường c Khi đèn pha A đèn pha B bị cắt điện Xác định dòng điện I C dòng điện I0 dây trung tính đèn pha C làm việc bình thường Đáp số: a IA = IB = IC = Id = 29,4A; I0 = b IB = IC = 29,4A không đổi; I0 = 29,4A c IC = 29,4A không đổi; I0 = 29,4A 5.4 Một mạng điện pha dây 380V/220V, tải pha nói dây pha dây trung tính Tải pha A pha B trở R A = RB = 10Ω; tải pha C cuộn dây RC = 5Ω; XL = 8,666Ω Tính dịng điện pha IA, IB, IC dịng điện dây trung tính I0 Đáp số: IA = IB = IC = 22A; I0 = 22A 110 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Thị Cư (chủ biên), Mạch điện 1, NXB Giáo dục, 1996 [2] Hoàng Hữu Thận, Cơ sở Kỹ thuật điện, NXB Giao thơng vận tải, 2000 [3] Nguyễn Bình Thành, Cơ sở lý thuyết mạch điện, Đại học Bách khoa Hà Nội, 1980 [4] Hoàng Hữu Thận, Kỹ thuật điện đại cương, NXB Đại học Trung học chuyên nghiệp, 1976 [5] Hoàng Hữu Thận, Bài tập Kỹ thuật điện đại cương, NXB Đại học Trung học chuyên nghiệp, 1980 [6] Phạm Thị Cư, Bài tập mạch điện 1, Trường Đại học Kỹ thuật TPHCM, 1996 [7] Đặng Văn Đào, Lê Văn Doanh, Kỹ thuật điện Lý thuyết 100 giải, NXB khoa học kỹ thuật Hà Nội, 1995 [8] PGS.TS Lê Văn Bảng, Giáo trình lý thuyết mạch điện, NXB giáo dục, 2005 111 ... mạch điện thực mơ hình mạch điện Mơ hình mạch điện sơ đồ thay mạch điện thực, q trình lượng điện từ kết cấu hình học giống mạch thực Mơ hình mạch điện gồm nhiều phần tử lý tưởng đặc trưng cho trình. .. thành mạch điện như: nguồn điện, dây dẫn, phụ tải, thiết bị đo lường, đóng cắt - Giải thích tượng điện từ xảy mạch điện - Nhận biết thiết bị sử dụng dụng cụ đo mạch điện 1.1 Mạch điện Mạch điện. .. đến điện cảm LC dây nối Các khái niệm mạch điện Mục tiêu: - Trình bày khái niệm dòng điện mật độ dòng điện - Trình bày khái niệm điện áp - Trình bày khái niệm biểu thức cơng suất điện 2.1 Dòng điện