Bài giảng cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn PPT

Giáo viên: Ths. Nguyễn Việt Sơn Bộ môn: Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệpC1 - 108 - Đại học Bách Khoa Hà Nội Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchoff. Chương 2: Mạch tuyến tính ở chế độ xác lập điều hòa. Chương 3: Phương pháp cơ bản tính mạch tuyến tính ở chế độ xác lập điều hòa-Graph Kirchoff Chương 4: Tính chất cơ bản của mạch điện tuyến tính Chương 5: Mạch điện tuyến tính có kích thích chu kỳ Chương 6: Mạng một cửa Kirchoff tuyến tính. Chương 7: Mạng hai cửa tuyến tính Chương 8: Mạch điện 3 pha. Chương 9: Khái niệm cơ bản về quá trình quá độ trong hệ thống Chương 10: Các phương pháp tính quá trình quá độ trong mạch tuyến tính hệ số hằng.

CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN Giáo viên: Ths Nguyễn Việt Sơn Bộ môn: Kỹ thuật đo Tin học công nghiệp C1 - 108 - Đại học Bách Khoa Hà Nội CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN Nội dung chương trình: Chương 1: Khái niệm mơ hình mạch Kirchoff I Khái niệm mơ hình trường - mơ hình hệ thống II Các tượng mơ hình mạch Kirchoff III Các luật mơ hình mạch Kirchoff IV Nội dung tốn mạch Chương 2: Mạch tuyến tính chế độ xác lập điều hòa I Hàm điều hòa đại lượng đặc trưng II Số phức - Biểu diễn hàm điều hòa miền ảnh phức III Phản ứng nhánh với kích thích điều hịa IV Dạng ảnh phức luật mơ hình mạch Kirchoff Cơ sở kỹ thuật điện CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN Nội dung chương trình: Chương 3: Phương pháp tính mạch tuyến tính chế độ xác lập điều hòa-Graph Kirchoff I Phương pháp dòng nhánh II Phương pháp nút III Phương pháp dòng vòng IV Khái niệm graph Kirchoff V Các định lý lập phương trình Kirchoff VI Ma trận cấu trúc A, B VII Lập phương trình ma trận cấu trúc Chương 4: Tính chất mạch điện tuyến tính I Khái niệm chung II Tính chất tuyến tính III Khái niệm hàm truyền đạt IV Truyền đạt tương hỗ không tương hỗ Cơ sở kỹ thuật điện CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN Nội dung chương trình: Chương 5: Mạch điện tuyến tính có kích thích chu kỳ I Khái niệm nguồn kích thích chu kỳ II Cách phân tích mạch điện tuyến tính có kích thích chu kỳ III Trị hiệu dụng - cơng suất dịng chu kỳ IV Hàm truyền đạt đặc tính tần số Chương 6: Mạng cửa Kirchoff tuyến tính I Khái niệm mạng cửa Kirchoff II Phương trình sơ đồ tương đương mạng cửa có nguồn III Điều kiện đưa cơng suất cực đại khỏi mạng cửa Cơ sở kỹ thuật điện CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN Nội dung chương trình: Chương 7: Mạng hai cửa tuyến tính I Khái niệm mạng hai cửa II Mơ tả toán học mạng hai cửa - Phương pháp tính số đặc trưng III Tính chất mạng cửa tuyến tính tương hỗ IV Hàm truyền đạt dòng - áp Tổng trở vào mạng hai cửa Vấn đề hòa hợp nguồn tải mạng hai cửa V Mạng hai cửa phi hỗ Chương 8: Mạch điện pha I Khái niệm II Mạch pha đối xứng khơng đối xứng tải tĩnh III Tính đo công suất mạch điện pha IV Mạch pha có tải động - Phương pháp thành phần đối xứng V Một số cố mạch điện pha Cơ sở kỹ thuật điện CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN Nội dung chương trình: Chương 9: Khái niệm trình độ hệ thống I Quá trình độ hệ thống II Tính liên tục mở rộng tính khả vi trình III Sơ kiện phương pháp tính sơ kiện Chương 10: Các phương pháp tính trình q độ mạch tuyến tính hệ số I Phương pháp tích phân kinh điển II Phương pháp tích phân Duyamen hàm Green III Phương pháp tốn tử Laplace Cơ sở kỹ thuật điện CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN Tài liệu tham khảo: Cơ sở kỹ thuật điện & - Nguyễn Bình Thành - Nguyễn Trần Quân - Phạm Khắc Chương - 1971 Cơ sở kỹ thuật điện - Quyển - Bộ môn Kỹ thuật đo Tin học cơng nghiệp - 2004 Giáo trình lý thuyết mạch điện - PGS - TS Lê Văn Bảng - 2005 Fundamentals of electric circuits - David A.Bell - Prentice Hall International Edition - 1990 Electric circuits - Norman Blabanian - Mc Graw Hill - 1994 Methodes d’etudes des circuit electriques - Fancois Mesa - Eyrolles - 1987 An introduction to circuit analysis a system approach - Donald E.Scott - Mc Cơ sở kỹ thuật điện Graw Hill - 1994 CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN Chương 1: Khái niệm mơ hình mạch Kirchoff I Khái niệm mơ hình trường - mơ hình hệ thống II Các tượng mô hình mạch Kirchoff III Các luật mơ hình mạch Kirchoff IV Nội dung tốn mạch Cơ sở kỹ thuật điện CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN Chương 1: Khái niệm mơ hình mạch Kirchoff I Khái niệm mơ hình trường - mơ hình hệ thống II Các tượng mơ hình mạch Kirchoff III Các luật mơ hình mạch Kirchoff IV Nội dung tốn mạch Cơ sở kỹ thuật điện Chương 1: Khái niệm mơ hình mạch Kirchoff I Khái niệm mơ hình trường - mơ hình hệ thống  Mạch điện gồm hệ thống thiết bị nối ghép với cho phép trao đổi lượng tín hiệu Thiết bị điện u(t), i(t), p(t) … E(x, y, z, t), H(x,y,z,t) … c λ = = 6000(m) f Mơ hình hệ thống Mơ hình trường Mơ hình mạch tín hiệu Hình vẽ mơ thiết bị điện Mơ hình mạch Kirchoff Xét truyền đạt lượng thiết bị điện Cơ sở kỹ thuật điện Luật Mạch hóa (năng lượng) Sơ đồ mạch  l > gmoi truong  Luật Kirchoff 1,  Hữu hạn trạng thái  Luật bảo tồn cơng suất Hệ phương trình tốn học 10 Chương 10: Các phương pháp tính q trình q độ mạch tuyến tính hệ số III.2 Các định lý quan hệ ảnh - gốc a Đạo hàm gốc   u(t) Xét cuộn dây: uL (t ) = L  L i(t) Ứng dụng: d i (t ) = l.i ' (t ) dt Chuyển sang miền ảnh: iL(t) IL (p) U L ( p ) = L.[ p.I L ( p ) − i ( −0)] uL(t) I L ( p) = U L ( p ) = p.L.I L ( p) − L.i ( −0)] L.i(-0) I(p) i (−0) U L ( p ) + p p.L p.L I(p) p.L U(p) Cơ sở kỹ thuật điện UL (p) iL (−0) p U(p) 282 Chương 10: Các phương pháp tính trình q độ mạch tuyến tính hệ số III.2 Các định lý quan hệ ảnh - gốc b Tích phân gốc   Xét hàm f(t) 1(t).f(t) F(p) t ∫ 1(t ) f (t ).dt Tích phân f(t): −0  Ứng dụng: uC (t ) = u (0) +  Xét tụ điện  Chuyển sang miền ảnh iC(t) U C ( p) = IC(p) u (−0) I C ( p ) + C p.C p uC (−0) p iC(t) ∫ iC (t ).dt C IC(p) p.C F ( p ) p uC(t) uC(t) UC(p) I C ( p ) = p.C.U C ( p ) − C.uC (−0) p.C I(p) UC(p) Cơ sở kỹ thuật điện C C.uC(-0) UC(p) 283 Chương 10: Các phương pháp tính q trình độ mạch tuyến tính hệ số III.2 Các định lý quan hệ ảnh - gốc b Định lý dịch gốc  Xét hàm f(t)  Vậy: 1(t ) f (t ) F ( p) 1(t − T ) f (t − T ) e − T p F ( p ) Ví dụ: e(t) 1(t ).e(t ) = 10.1(t ) − 10.1(t − 0.2) 10 t 10 10 −0.2 p 10 → − e = (1 − e −0.2 p ) p p p Cơ sở kỹ thuật điện 0.2 284 Chương 10: Các phương pháp tính q trình q độ mạch tuyến tính hệ số III.2 Các định lý quan hệ ảnh - gốc c Định lý dịch ảnh  Xét hàm f(t)  Vậy: 1(t ) f (t ) F ( p) 1(t ) f (t ).e ma.t F ( p ± a) 1(t ) f (t ) F ( p) p F ( ) a a a.F (a p) d Định lý đồng dạng  Xét hàm f(t)  Vậy: 1(t ) f (a.t ) t 1(t ) f ( ) a e Đạo hàm ảnh  Xét hàm f(t)  Vậy: Cơ sở kỹ thuật điện 1(t ) f (t ) 1(t ).( −t ) f (t ) F ( p) d F ( p) dp 285 Chương 10: Các phương pháp tính q trình q độ mạch tuyến tính hệ số III.2 Các định lý quan hệ ảnh - gốc f Tích phân ảnh   1(t ) f (t ) 1(t ) f (t ) t ∫ F ( p).dp 1(t ) f (t ) F ( p) ∫ f (τ ) f (t − τ ).dτ F1 ( p ).F2 ( p ) 1(t ) f (t ) lim1(t ) f (t ) F ( p) lim p.F ( p ) lim1(t ) f (t ) lim p.F ( p) Xét hàm f(t) Vậy: p F ( p) g Định lý tích xếp  Xét hàm f(t) t  Vậy: −0 g Định lý giá trị bờ  Xét hàm f(t)  Vậy: t →0 t →∞ Cơ sở kỹ thuật điện p →∞ p →0 286 Chương 10: Các phương pháp tính q trình q độ mạch tuyến tính hệ số III.3 Cách tìm gốc theo ảnh Laplace a Phép tích phân Riman-Mellin a + j∞ t p 1(t ) f (t ) = F ( p ) e dp ∫ 2.π j a − j∞ b Tra bảng quan hệ ảnh - gốc cos(a.t ) ↔ p p2 + a2 t↔ p sin(a.t ) ↔ a p2 + a2 δ (t ) ↔ e − a.t ↔ 1(t ) ↔ Cơ sở kỹ thuật điện 1 p p+a 287 Chương 10: Các phương pháp tính q trình q độ mạch tuyến tính hệ số III.3 Cách tìm gốc theo ảnh Laplace c Dùng công thức Hevixaide  Khi xét mạch, ta thường gặp phân thức hữu tỉ dạng: b0 + b1 p + b2 p + + bm p m F1 ( p) F ( p) = = n a0 + a1 p + a2 p + + an p F2 ( p )  a0 …an, b0 …bm: số thực Công thức Hevixaide cho gốc ảnh Laplace F(p) đa thức tử số F1(p) có bậc nhỏ đa thức mẫu số F2(p) (m < n) (trong trường hợp m ≥ n, ta thực phép chia đa thức)   Nếu F2(p) = có nghiệm thực, đơn: p1, p2 Nếu F2(p) = có nghiệm thực kép: p1 = p2 = pk 1(t ) f (t ) = A1.e p1 t + A2 e p2 t với  Ak = lim p → pk F1 ( p ) F2' ( p ) (k = 1,2) Nếu F2(p) = có phức: p1,2 = - α ± j.β 1(t ) f (t ) = Ak e với Cơ sở kỹ thuật điện Ak = lim p → pk −α t cos( β t + ϕk ) 1(t ) f (t ) = ( A1 + A2 t ).e p.t với A1 = lim p → pk d  F1 ( p ) 2 ( p − p ) k   dp  F2 ( p )   F ( p)  A2 = lim  ( p − pk )  p → pk F ( p )   F1 ( p) = Ak ϕk ' F2 ( p) 288 Chương 10: Các phương pháp tính q trình q độ mạch tuyến tính hệ số F1 ( p ) p2 + E ( p) = = p.( p + 4) F2 ( p ) III.3 Cách tìm gốc theo ảnh Laplace c Dùng cơng thức Hevixaide Ví dụ: Tìm hàm gốc ảnh sau I ( p) = 20 F ( p) = ( p + 5).( p + 6) F2 ( p) F2 ( p ) = → p1 = −5 p2 = −6 F2' ( p) = p + 11 → 1(t ).i (t ) = A1.e −5.t + A2 e −6.t 20 = 20 p →−5 p + 11 A1 = lim 20 = −20 p →−6 p + 11 A2 = lim → 1(t ).i (t ) = 20.(e −5.t − e −6.t ) Cơ sở kỹ thuật điện F2 ( p ) = → p1 = p2 = p3 = −4 F2' ( p ) = p + 16 p + 16 → 1(t ).e(t ) = A0 + ( A1 + A2 t ).e −4.t F1 ( p) = p →0 F ' ( p ) A0 = lim d  F1 ( p ) 2 ( p + 4) =   p →−4 dp F ( p )   A1 = lim F1 ( p) −9 ( p + 4) = p →−4 F ( p ) 2 A2 = lim 7  → 1(t ).e(t ) = +  − t ÷.e −4.t 8  289 Chương 10: Các phương pháp tính q trình q độ mạch tuyến tính hệ số III.3 Cách tìm gốc theo ảnh Laplace c Dùng cơng thức Hevixaide Ví dụ: Tìm hàm gốc ảnh sau U ( p) = 100 F1 ( p ) = p + p + 10 F2 ( p ) F2 ( p) = → p1,2 = −1 ± j.3 F2' ( p) = p + → 1(t ).i (t ) = A e −t cos(3.t + ϕ ) 100 100 100 = = −900 p →−1+ j 2.( p + 1) j.6 A = lim π → 1(t ).i(t ) = 33.333.e cos(3.t − ) −t Cơ sở kỹ thuật điện 290 Chương 10: Các phương pháp tính q trình q độ mạch tuyến tính hệ số III.4 Tính q trình q độ phương pháp toán tử Laplace a Sơ đồ toán tử  Sơ đồ toán tử sơ đồ mạch chế độ kích thích j(t), e(t) chuyển sang miền ảnh J(p), E(p); phần tử R, L, C chuyển sang miền ảnh kèm theo sơ kiện   e(t) E(p) j(t) J(p) Kích thích mạch: Các phần tử iR(t) IR(p) R uR(t) iL(t) R UR(p) U R ( p ) = R.I R ( p ) L iC(t) uL(t) IL(p) L.i(-0) p.L UL(p) U L ( p ) = p.L.I L ( p) − L.i ( −0)] Cơ sở kỹ thuật điện C uC(t) p.L IL(p) iL (−0) p I L ( p) = IC(p) p.C UC(p) UL(p) uC (−0) p p.C I(p) C.uC(-0) UC(p) uC (−0) U C ( p) = I C ( p ) + I C ( p) = p.C.U C ( p) − C.uC (−0) p C p U L ( p) i (−0) + p p.L 291 Chương 10: Các phương pháp tính q trình q độ mạch tuyến tính hệ số III.4 Tính q trình q độ phương pháp toán tử Laplace b Các luật miền ảnh Laplace  Luật Ohm:  Luật Kirchoff 1: U ( p ) = Z I ( p )   I ( p) = Y U ( p ) ∑ I ( p) = nut  Luật Kirchoff 2: ∑ U ( p) = ∑ E ( p) vong Cơ sở kỹ thuật điện (có tính đến sơ kiện) vong Miền thời gian Miền ảnh Laplace Hệ phương trình Hệ phương trình vi tích phân + sơ kiện đại số ảnh phức + sơ kiện 292 Chương 10: Các phương pháp tính q trình q độ mạch tuyến tính hệ số III.4 Tính q trình q độ phương pháp tốn tử Laplace c Trình tự giải tốn q trình q độ  Tìm sơ kiện độc lập mạch t = -0: uC(-0) ; iL(-0)  Xét mạch chế độ cũ tính đáp ứng uC(t), iL(t)  Thay t = -0 để tính sơ kiện độc lập uC(-0), iL(-0)  Lập sơ đồ toán tử cho mạch điện chế độ  Lập giải phương trình mạch miền ảnh Laplace để tìm nghiệm X(p)   Lập phương trình mạch theo phương pháp: Dịng nhánh, dòng vòng, đỉnh, mạng cửa, cửa … Tìm nghiệm độ xqd(t)  Tra bảng quan hệ ảnh - gốc  Dùng công thức Hevixaide Cơ sở kỹ thuật điện 293 Chương 10: Các phương pháp tính q trình q độ mạch tuyến tính hệ số III.4 Tính q trình q độ phương pháp tốn tử Laplace R1 R2 c Trình tự giải tốn q trình q độ Ví dụ: Tìm iCqd(t) đóng mạch từ vị trí sang vị trí 2, biết: e1 (t ) = 100.sin10 t (V ) ; e2 (t ) = 100.e −20.t e1(t) (V ) R1 = 10Ω ; R2 = 100Ω ; X C = 10Ω Giải:   Tìm sơ kiện độc lập uC(-0): UC = e2(t) → uC (−0) = −50(V ) E1max 100 = −450 j.ω.C R1 + j.ω.C uC (t ) = Lập sơ đồ toán tử: u (−0) E2 ( p ) − C 1,5 p + 10 F ( p) p I ( p) = = = 1 ( p + 20)( p + 100) F2 ( p ) R+ p.C F1 ( p ) A = lim = −0, 25 p →−20 F ' ( p ) → 1(t ).iCqd (t ) = A1.e −20.t + A2 e −100.t → 1(t ).iCqd (t ) = −0, 25.e −20.t + 1, 75.e −100.t Cơ sở kỹ thuật điện C F1 ( p) = 1, 75 p →−100 F ' ( p ) 100 sin(103.t − 450 ) R2 p.C uC (−0) p A2 = lim 294 E2(p) Chương 10: Các phương pháp tính q trình q độ mạch tuyến tính hệ số III.4 Tính q trình q độ phương pháp tốn tử Laplace R1 c Trình tự giải tốn q trình q độ * L1 i2 i1 Ví dụ: Tính dịng q độ mạch, biết: R3 E = 10 V = const ; R1 = 5Ω; R3 = R2 = 10Ω; L1 = 2H; L2 = 2H; M=1H E Giải:  R2 K L2 Tìm sơ kiện độc lập: * E 10 i1 (−0) = = = 1( A) R1 + ( R2 // R3 ) + i2 (−0) =  i1 (−0) = 0.5( A) Lập sơ đồ toán tử: I ( p) = I ( p) = E ( p ) + L1.i1 (−0) − M i2 (−0) + L2 i2 (−0) − M i1 (−0) R1 + R2 + p.L1 + p.L2 − p.M 0.75 p + → 1(t ).i (t ) = 0, 667 + 0, 0833.e −7,5.t ( A) p.( p + 7.5) Cơ sở kỹ thuật điện L1.i1(-0) * p.L1 -2.p.M M.i2(-0) R1 R2 10 p p.L2 M.i1(-0) L2.i2(-0) I(p) 295 * Chương 10: Các phương pháp tính q trình q độ mạch tuyến tính hệ số III.4 Tính q trình q độ phương pháp toán tử Laplace d Nhận xét chung phương pháp   Ưu điểm:  Giải tốn q trình q độ với nguồn kích thích (tăng không nhanh hàm e mũ)  Chỉ cần tính sơ kiện độc lập t = -  Giải trực tiếp nghiệm độ  Có thể thay cho phương pháp tích phân Nhược điểm:  Khi F2(p) đa thức bậc cao, ta phải dùng phương pháp gần để tìm nghiệm pk Cơ sở kỹ thuật điện 296