Các khái niệm cơ bản của mạch điện

Microsoft PowerPoint Chuong 1 Mach AC 1 pha ppt KYÕ THUAÄT ÑIEÄN COÂNG TRÌNH Kỹ thuật điện công trình 401007 1 Bài giảng môn học TAØI LIEÄU THAM KHAÛO 1 Giáo trình Điện Công Trình Trần Thị Mỹ Hạnh, NXB Xây Dựng 2010 2 Điện Kỹ Thuật Nguyễn Kim Đính, NXB Đại học quốc gia Tp HCM 3 Cung Cấp Điện Nguyễn Xuân Phú, Nguyễn Công Hiền, Nguyễn Bội Khuê – NXB Khoa Học Kỹ Thuật, 1998 4 An toàn điện Quyền Huy Ánh, NXB Đại học quốc gia Tp HCM 5 TCXDVN 394 2007 Thiết kế lắp đặt trang thiết bị điện trong cô.

Trang 1

KỸ THUẬT ĐIỆN CÔNG TRÌNH

Kỹ thuật điện cơng trình 401007 1

Bài giảng mơn học

Trang 2

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1/ Giáo trình Điện Cơng Trình - Trần Thị Mỹ Hạnh, NXB Xây Dựng 2010.

2/ Điện Kỹ Thuật - Nguyễn Kim Đính, NXB Đại học quốc gia Tp.HCM

3/ Cung Cấp Điện - Nguyễn Xuân Phú, Nguyễn Cơng Hiền, Nguyễn Bội Khuê – NXB Khoa Học Kỹ Thuật, 1998.

4/ An tồn điện - Quyền Huy Ánh, NXB Đại học quốc gia Tp.HCM.

5/ TCXDVN-394-2007 : Thiết kế lắp đặt trang thiết bị điện trong cơng trình xây dựng – Phần an tồn điện.

6/ TCXDVN-46-2007 : Chống sét cho cơng trình xây dựng – Hướng dẫn thiết kế, kiểm tra và bảo trì hệ thống.

Trang 3

NỘI DUNG

Chương 1 : Các khái niệm cơ bản của mạch điện

Chương 2 : Mạch điện xoay chiều 3 pha

Chương 3 : Nguyên lý, ứng dụng và tính toán cơ bản của các loại máy điện

Chương 4 : Tính toán xác định phụ tải trong 1 hệ thống điện công nghiệp

Chương 5 : Sơ đồ nối điện

Chương 6 : Tính toán, lựa chọn dây dẫn

Chương 7 : Ngắn mạch và khí cụ bảo vệ

Chương 8 : Chống sét cho công trình điện

Chương 9: An toàn điện

Chương 10 : Hệ thống các bản vẽ thiết kế điện

Trang 4

CHƯƠNG 1

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

CỦA MẠCH ĐIỆN

Trang 5

1.1 KHÁI NIỆM VÀ CẤU TRÚC HÌNH HỌC CỦA MẠCH ĐIỆN

1/ Khái niệm

Mạch điện gồm nhiều phần tử được nối lại tạo thành những vòng khép kín sao cho dòng điện có thể chạy qua

Các phần tử của mạch điện bao gồm :

- Nguồn điện : biến các dạng năng lượng khác (cơ năng, nhiệt năng…) thành điện năng

- Tải : biến điện năng thành các dạng năng lượng khác

Trang 6

2/ Cấu trúc hình học của mạch

Nhánh : là một đường duy nhất gồm một hay nhiều phần tửghép nối tiếp; trong đó có cùng một dòng điện chạy qua

Nút (hay ỉnh): là điểm nối giữa ba nhánh trở lên

Vòng : là tập hợp nhiều nhánh tạo thành một vòng kín

Vòng mắt lưới : là vòng mà bên trong không còn chứa một

vòng nào khác

Trang 7

1.2 CÁC ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐIỆN

1/ Dòng điện

Dòng điện là lượng điện tích di chuyển qua tiết diện của phần tử trong một đơn vị thời gian

Đơn vị của dòng điện là Ampere – A

Chiều qui ước của dòng điện là chiều chuyển động của các điện tích dương

dt dq

i =

Trang 8

2/ Điện áp

Điện áp qua phần tử là công để mang điện tích +1C đi qua phần tử từ đầu này sang đầu kia Đó cũng là hiệu điện thế giữa

2 đầu của phần tử

Đơn vị của điện áp là Volt – V

uAB = uA – uB, trong đó uA, uB là điện thế của nút A và B so với nút chuẩn nào đó trong mạch

Chiều qui ước của điện áp là chiều từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp

Trang 9

3/ Công suất

Nếu chọn chiều dòng điện và điện áp trên phần tử đócùng chiều, công suất tiêu thụ của phần tử được tính bằng :

p = u iNếu :

p > 0 hay chiều thực tế của u và i trùng nhau : phần tửtiêu thụ công suất (tải)

p < 0 hay chiều thực tế của u và i ngược nhau : phần tửphát ra công suất (nguồn phát)

Trang 10

i t u dt

t p W

).

( ).

(

Trang 11

1.3 CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐIỆN

1/ Nguồn áp lý tưởng (độc lập)

Nguồn áp lý tưởng là nguồn có khả năng tạo nên và duy trìmột điện áp u không đổi giữa hai đầu, và không phụ thuộc vào dòng điện qua nguồn

Nó được biểu diễn bằng một sức điện động e có chiều ngược chiều với u

e = u = uA – uB và không phụ thuộc i

Trang 12

2/ Nguồn dòng lý tưởng (độc lập)

Nguồn dòng lý tưởng là nguồn có khả năng tạo nên và duy trì một dòng điện không đổi chạy qua nhánh của nguồn dòng vàkhông phụ thuộc và điện áp ở hai đầu nguồn dòng đó

j = i và không phụ thuộc vào u

Trang 13

3/ Điện trở

Điện áp và dòng điện trên điện trở thỏa quan hệ theo định luật Ohm

vàđơn vị : R [Ω]; i [A] và u [V]

i R

Trang 14

.

G R

u i.

R i.

u p

2 2

G = 1 =

u G

i =

Trang 15

4/ Cuộn cảm

Quan hệ dòng và áp của cuộn dây :

L là điện cảm, đơn vị của L là Henry (H)Năng lượng từ trường tích lũy trong cuộn dây :

di L

uL L L 1 L

) (

2

1 )

( t L i 2 t

Trang 16

5/ Tụ điện

Quan hệ dòng và áp của tụ điện

C là điện dung, đơn vị của C là Farad (F)Năng lượng điện trường tích lũy trong tụ điện :

du C

) (

2

1 )

( t C u 2 t

Trang 18

1.4 CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐIỆN

1/ Định luật Kirchoff 1 (ĐK1)

Tại một nút bất kỳ, tổng đại số các dòng điện bằng không

trong đó : - Dòng đến nút thì cộng

- Dòng rời nút thì trừ

Trang 19

Đi dọc theo 1 vòng kín bất kỳ và theo một chiều nào đó, tổng đại số các điện áp bằng không.

trong đó : - Áp cùng chiều thì cộng

- Áp ngược chiều thì trừ

2 2 1

1 2

1 E i R i R

E − = R − R

Trang 20

Cách phát biểu thứ hai của ĐK2

Đi dọc theo 1 vòng kín bất kỳ và theo một chiều nào đó, tổng đại số các sức điện động bằng tổng đại số các điện áp trên các điện trở

trong đó :

- E nào cùng chiều thì cộng, E nào ngược chiều thì trừ

- i nào cùng chiều thì cộng, i nào ngược chiều thì trừ

∑

vòng vòng

R i E

Trang 21

1.4 HAI ĐỊNH LUẬT KIRCHOFF (Kiếcshốp)

nào cùng chiều thì ta cộng, điện áp nào ngược chiều thì ta trừ

UAB = Ucùng chiều - Ungược chiều

Trang 22

VÍ DỤ

Tìm giá trị điện trở R trên hình vẽ :

Trang 23

VÍ DỤ

Tính dòng điện I3 và các sức điện động E1, E3 trong mạch điện như hình vẽ Cho biết I2 = 10A; I1=4A; R1 = 1 Ω; R2 = 2Ω; R3 = 5Ω

Trang 24

1.5 DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN

Imax, Umax : trị cực đại

ψi, ψu : góc pha ban đầuω: tần số góc [rad/s]

Trang 25

1/ Khái niệm :

Chu kỳ T[s]: là khoảng thời gian ngắn nhất mà dòng điện sin lặp lại trị số và chiều biến thiên

Tần số f : là số chu kỳ thực hiện được trong 1 giây

Quan hệ giữa tần số và tần số góc :

ω = 2πfGóc lệch pha giữa điện áp và dòng điện :

ϕ = ψu - ψigóc ϕ phụ thuộc vào thông số của mạch điện (tải) :

ϕ > 0 : điện áp nhanh pha hơn dòng điện

ϕ < 0 : điện áp chậm pha hơn dòng điện

ϕ = 0 : điện áp trùng pha với dòng điện

] [

1

Hz T

f =

Trang 26

2/ Trị hiệu dụng của dòng điện hình sin :

Trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện hình sin được tính bằng :Suy ra, biểu thức sin viết theo trị hiệu dụng :

*Chú ý : Để phân biệt cần chú ý các ký hiệu :

i, u – trị tức thời, ký hiệu chữ thường

I, U – trị hiệu dụng, ký hiệu chữ in hoa

Imax, Umax – trị cực đại (biên độ)

Trị hiệu dụng là đại lượng quan trọng của mạch điện xoay chiều Các số ghi trên các dụng cụ và thiết bị thường là trị hiệu dụng Giá trị đo được của ampere kế và vôn kế xoay chiều cũng là trị hiệu dụng Trị hiệu dụng thường được dùng trong các công thức tính toán và đồ thị vector

2 2

max max I

i = ω +ψ

( t u)

sin 2 U

Trang 27

2/ Biểu diễn dòng và áp hình sin bằng vector :

Từ biểu thức trị số tức thời

Độ dài vector (module) bằng trị hiệu dụng

Góc của vector (argumen) bằng góc pha ban đầu

( t i )

sin 2

I

i = ω + ψ u = U 2 sin ( ω t + ψu)

Trang 28

2/ Biểu diễn dòng và áp hình sin bằng vector :

Việc biểu diễn bằng vectơ thuận tiện cho việc so sánh hoặc thực hiện các phép tính cộng, trừ dòng điện, điện áp

Định luật Kirrchoff 1 biểu diễn bằng vector :

Định luật Kirrchoff 2 biểu diễn bằng vector :

Dựa vào cách biểu diễn các đại lượng và định luật Kirrchoff bằng vector, ta có thể giải mạch điện xoay chiều hình sin bằng đồ thị vector

Trang 29

3/ Quan hệ giữa dòng điện và điện áp trong 1 nhánh :

a) Nhánh thuần điện trở R :

Góc pha ban đầu : ⇒ dòng và áp trùng pha

Góc lệch pha giữa áp và dòng :

Trang 30

b) Nhánh thuần điện cảm L :

điện 1 góc 900

L

L L

X

U

I =

L L

L X I

U =

° +

= iL 90

uL ψ ψ

Trang 31

b) Nhánh thuần điện dung C :

điện 1 góc 900

C

C C

Trang 32

c) Nhánh R-L-C ghép nối tiếp :

Khi dòng điện qua nhánh R-L-C nối tiếp là :

Sẽ gây ra các điện áp uR, uL, uC Điện áp ở hai đầu của nhánh là : u = uR + uL +uC

Biểu diễn bằng vectơ, ta có : U = U R + U L + U C

t sin 2

I

Trang 33

Từ đồ thị vectơ, ta tính được trị số hiệu dụng của điện áp nguồn u :

( )2 ( )2 ( )2 2 ( )2

R U U IR I X I X I R X X U

U = + − = + − = + −

Trang 34

Ta có :

- Quan hệ giữa trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện trong nhánh R-L-C nối tiếp :

hoặc

nối tiếp, đơn vị là Ω

gọi là điện kháng của mạch

- Góc lệch pha giữa giữa điện áp và dòng điện :

Z I

Z = + −

C

L X

ϕ

Trang 35

4/ Công suất của dòng điện hình sin

Xét một tải tổng quát có :

a) Công suất tác dụng P

CS tác dụng P đặc trưng cho quá trình biến đổi điện năng sang dạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng, cơ năng v.v…

CS tác dụng P có thể được tính bằng tổng công suất tác dụng

trên các điện trở của các nhánh mạch điện :

trong đó : Rn, In các điện trở và dòng điện đi qua điện trở tương ứng

( t i)

sin 2

I

i = ω + ψ

( t u )

sin 2 U

u = ω +ψ

n n n

n I I R I R I R R

P = ∑ 2 = 12 1 + 22 2 + + 2

Trang 36

b) Công suất phản kháng Q :

CS phản kháng Q đặc trưng cho quá trình trao đổi, tích lũy năng lượng điện từ trường

CS phản kháng Q có thể được tính bằng tổng công suất phản kháng của điện cảm và điện dung của mạch điện :

trong đó : XLn, XCn, In lần lượt là cảm kháng, dung kháng và dòng điện tương ứng của mỗi nhánh

∑

∑ +∑ = −

= Q L Q C X Ln.I n2 X Cm.I m2Q

( t i)

sin 2

I

i = ω + ψ

( t u )

sin 2 U

u = ω +ψ

Trang 37

c) Công suất biểu kiến (hay toàn phần) S :

S[VA]; U[V]; I[A]

CS biểu kiến S đặc trưng cho khả năng của thiết bị hoặc nguồn thực hiện 2 quá trình năng lượng xét ở trên

Công suất biểu kiến S còn được gọi là công suất toàn phần Trên nhãn của máy phát điện, máy biến áp, người ta ghi công suất biểu kiến S định mức

2 2

.I P Q U

( t i)

sin 2

I

i = ω + ψ

( t u )

sin 2 U

u = ω +ψ

Trang 38

c) Công suất biểu kiến (hay toàn phần) S :

S[VA]; U[V]; I[A]

Quan hệ giữa P, Q, S được mô tả

bằng một tam giác vuông còn gọi

là tam giác công suất

2 2

.I P Q U

( t i)

sin 2

I

i = ω + ψ

( t u )

sin 2 U

u = ω +ψ

Trang 39

Xét các trường hợp riêng lẻ

Mạch thuần trở R

ϕR = 0; PR = UR.IR = R.IR2 = UR2 / R ; QR = 0Vậy R chỉ tiêu thụ P, không tiêu thụ Q

Mạch thuần cảm L :

ϕL = 900; PL = 0; QL = UL.IL = XL.IL2 = UL2 / XLVậy L không tiêu thụ P, tiêu thụ Q

Mạch thuần dung C :

ϕC = -900 ; PC = 0; QC = -UC.IC = -XC.IC2 =- UC2 / XCVậy C không tiêu thụ P, phát ra Q

Trang 40

5/ Đo công suất tác dụng P

Để đo công suất tác dụng P,

người ta thường dùng Watt kế

kiểu điện động (Hình 2.10) gồm

2 cuộn dây :

- Cuộn dòng điện : là phần

tĩnh có tiết diện dây quấn lớn,

số vòng ít, mắc nối tiếp với tải

- Cuộn điện áp : là phần

động có tiết diện dây quấn nhỏ,

số vòng nhiều, mắc song song

với điện áp tải

Trang 41

1.6 SỐ PHỨC

1 Định nghĩa và biểu diễn hình học

Đơn vị ảo là j được định nghĩa : j2 = -1

a) Dạng đại số A = a + jb

a, b là các số thực và được gọi là phần thực và phần ảo của sốphức A

Trang 42

1.6 SỐ PHỨC

b) Dạng mũ – dạng cực

r = |OA| : module hay độ dài (bán kính) của vectơ OA

θ : góc giữa vectơ OA và trục thực còn gọi là argumen của sốphức A

Trang 43

1.6 SỐ PHỨC

Số phức A* = a – jb = r∠-θ được gọi là số phức liên hiệp của

A Như vậy A* sẽ đối xứng với A qua trục thực

Trang 44

1.6 SỐ PHỨC

c) Đổi từ dạng đại số sang dạng cực (dạng mũ)

= a jb r A

2 2

b a

Trang 45

1.6 SỐ PHỨC

d) Đổi từ dạng cực sang đại số

Biết :

Suy ra : a = r cosθ ; b = r sinθ

jb a

Trang 46

A A

r

r r

r B

A

θ

θθ

Trang 47

- Dạng đại số :

Cho : A = a + jb và B = c + jdA.B = (a+jb).(c+jd) = a.c + j a.d + j b.c + j2 b.d

= (ac – bd) + j (ad + bc)

2 2

*

))(

(

))(

(

d c

ad bc

j bd

ac jd

c jd c

jd c

jb a

B B

B A B

A

+

−+

+

=

−+

−

+

=

Trang 48

1.7 BIỂU DIỄN MẠCH HÌNH SIN BẰNG SỐ PHỨC

1 Điện áp phức và dòng điện phức :

Từ điện áp sin :

Suy ra điện áp phức :

Tương tự, dòng điện sin :

Suy ra dòng điện phức :

) sin(

2 )

Trang 49

I

U

Z = ; ϕ =ψ −ψ

ϕ ψ

ψ ψ

U I

U

i u

Nếu viết dưới dạng vuông góc :

R là phần thực của Z

X là phần ảo của Z

jX R

Z = +

Z

)/(

;

2 2

R X acrtg X

Trang 50

I

U

Z = ; ϕ =ψ −ψ

ϕ ψ

ψ ψ

U I

C C

C

L L

L R

jX X

Z

jX X

Z

R R

Trang 51

I U j I

U

S I

U I

U

+

=+

ϕ ϕ

ψ ψ

sin cos

Trang 52

4 Biểu diễn các định luật dưới dạng phức :

I Z

hay

Tiêu đề	Các khái niệm cơ bản của mạch điện
Tác giả	Trần Thị Mỹ Hạnh, Nguyễn Kim Đính, Nguyễn Xuân Phú, Nguyễn Công Hiền, Nguyễn Bội Khuê, Quyền Huy Ánh
Trường học	Đại học quốc gia Tp.HCM
Chuyên ngành	Kỹ thuật điện công trình
Thể loại	bài giảng
Năm xuất bản	2010
Thành phố	Tp.HCM

Định dạng
Số trang	52
Dung lượng	512,33 KB