Co dien tu 10 mh10 gt ky thuat dien dien tu sua lai chua dat ok docx 9509

Lý thuyết liên quan Để giải mạch điện bằng phương pháp dòng điện nhánh trước tiên cần phải biếtđược kết cấu hình học của mạch điện nghĩa là biết được số nút n, số nhánh m và sốvòng độc l

dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo.

Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanhthiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm

LỜI GIỚI THIỆU

Nhằm đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của việc dạy và học trong trường nghề,tác giả đã tập hợp các tài liệu và kiến thức liên quan đến môn học Kỹ Thuật Điện –Điện tử vào thành một giáo trình để thuận tiện cho giảng viên, sinh viên học tập vànghiên cứu sát với kiến thức chương trình đào tạo của nghành Cơ Điện Tử

Tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của bạn bè, đồng nghiệp đã tạo điềukiện tốt để tác giả hoàn thành cuốn giáo trình này

Bình Định, ngày 30 tháng 11 năm 2017

Chủ biên

NGUYỄN THÀNH TRUNG

MỤC LỤC

LỜI GIỚI THIỆU 1

GIÁO TRÌNH MÔN HỌC 4

CHƯƠNG 1: MẠCH ĐIỆN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH 5

1.1 MẠCH ĐIỆN, KẾT CẤU VÀ CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG 5

1.1.1 Định nghĩa mạch điện 5

1.1.2 Các yếu tố hình học cơ bản của mạch điện 6

1.1.3 Các thông số trạng thái của quá trình năng lượng trong nhánh 7

1.2 MÔ HÌNH MẠCH ĐIỆN, CÁC THÔNG SỐ 8

1.2.1 Mô hình mạch điện 8

1.2.2 Các thông số đặc trưng cơ bản 8

1.3 CÁC ĐỊNH LUẬT VỀ MẠCH ĐIỆN 10

1.3.1 Định luật ôm 10

1.3.2 Định luật kiêcchop 10

1.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI MẠCH ĐIỆN 11

1.4.1 Phương pháp dòng điện nhánh 11

1.4.2 Phương pháp dòng điện vòng 12

1.4.3 Phương pháp điện áp hai nút 15

BÀI TẬP CHƯƠNG 1 17

CHƯƠNG 2: DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN 19

2.1 ĐỊNH NGHĨA 19

2.2 NGUYÊN LÝ TẠO RA DÒNG XOAY CHIỀU HÌNH SIN 19

2.3 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CỦA DÒNG HÌNH SIN 20

2.4 TÍNH CHẤT CỦA DÒNG HÌNH SIN 22

2.4.1 Mạch điện xoay chiều thuần điện trở 22

2.4.2 Mạch điện xoay chiều thuần điện cảm 22

2.4.3 Mạch điện xoay chiều thuần điện dung 23

2.4.4 Mạch điện xoay chiều R, L, C nối tiếp 24

2.5 CÔNG SUẤT CỦA DÒNG HÌNH SIN VÀ VẤN ĐỀ NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT 26

2.5.1 Công suất và hệ số công suất 26

2.5.2 Biện pháp nâng cao hệ số công suất 27

2.6 PHƯƠNG PHÁP GIẢI MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN 29

2.6.1 Phương pháp véctơ 29

2.6.2 Phương pháp tổng trở 31

BÀI TẬP CHƯƠNG 2 33

CHƯƠNG 3: MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA 34

3.1 HỆ THỐNG MẠCH ĐIỆN BA PHA 34

3.1.1 Định nghĩa 34

3.1.2 Cách tạo ra dòng ba pha 34

3.1.3 Biểu thức - đồ thị của dòng ba pha 35

3.2 NỐI DÂY MẠCH BA PHA 35

3.2.1 Cách nối mạch 3 pha hình sao 35

3.2.2 Cách nối mạch 3 pha hình tam giác 36

3.3 CÔNG SUẤT MẠCH BA PHA 37

3.3.1 Mạch ba pha đối xứng 37

3.3.2 Mạch ba pha không đối xứng 37

3.4 GIẢI CÁC MẠCH BA PHA ĐỐI XỨNG 37

3.4.1 Phân tích mạch ba pha đối xứng 37

3.4.2 Phương pháp giải mạch ba pha đối xứng 37

BÀI TẬP CHƯƠNG 3 40

CHƯƠNG 4: MÁY ĐIỆN 42

4.1 ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN 42

4.1.1 Định nghĩa 42

4.1.2 Phân loại 42

4.2 MÁY BIẾN ÁP 43

4.2.1 Cấu tạo 43

4.2.2 Nguyên lý làm việc 44

4.2.3 Các chế độ làm việc 46

4.2.4 Tính toán thông số máy biến áp 48

4.3 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 49

4.3.1 Cấu tạo 49

4.3.2 Nguyên lý làm việc 51

4.3.3 Phương pháp mở máy và điều chỉnh tốc độ của động cơ không đồng bộ 53

4.3.4 Tính toán thông số động cơ không đồng bộ ba pha 56

4.4 MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 58

4.4.1 Cấu tạo 58

4.4.2 Nguyên lý làm việc 59

4.4.3 Phương pháp mở máy và điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều 60

4.4.4 Tính toán thông máy điện một chiều 62

BÀI TẬP CHƯƠNG 4 63

CHƯƠNG 5: ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 65

5.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ CHẤT BÁN DẪN 65

5.1.1 Khái niệm chung 65

5.1.2 Chất bán dẫn thuần 66

5.1.3 Bán dẫn tạp chất 66

5.2 DIODE BÁN DẪN VÀ CÁC MẠCH ỨNG DỤNG 67

5.2.1 Đặc điểm tiếp giáp P - N 67

5.2.2 Nguyên lý làm việc của Diode bán dẫn 67

5.2.3 Các mạch ứng dụng điển hình của Diode bán dẫn 68

5.3 TRANZITOR VÀ CÁC MẠCH ỨNG DỤNG 71

5.3.1 Cấu tạo của Tranzitor 71

5.3.2 Nguyên lý làm việc 72

5.3.3 Các dạng mạch cơ bản của Tranzitor 74

5.3.4 Tính toán thông số cơ bản mạch khuếch đại bằng tranzitor 76

5.4 PHẦN TỬ NHIỀU MẶT GHÉP P – N 77

5.4.1 Thyristor 77

5.4.2 Triac 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

GIÁO TRÌNH MÔN HỌC Tên môn học: Kỹ thuật điện - điện tử

Mã môn học: MH10

Thời gian thực hiện môn học: 90 giờ (Lý thuyết: 45; Thực hành: 43; Kiểm tra: 02)

Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học:

- Vị trí: Là môn học kỹ thuật cơ sở Môn học được bố trí dạy song song cùngcác môn an toàn lao động, tiếng anh chuyên ngành và sau môn lắp ráp mạch cơ điêntử

- Tính chất: Là mô đun cơ sở cung cấp cho người học những kiến thức, kỹ năngnhằm giải các bài tập mạch điện đồng thời trình bày được cấu tạo, nguyên lý hoạt độngcủa các linh kiện điện tử

- Ý nghĩa: Cung cấp cho người học những kiến thức về kỹ thuật điện và kỹthuật điện tử cơ bản làm nền tảng cho các mô đun sẽ học như đo lường điện – điện tử,lắp ráp mạch điện, lắp ráp mạch điện tử

- Vai trò: Là một trong những môn học cung cấp kiến thức cơ sở của chuyênnghành trang bị cho người học nghề Cơ điện tử

Mục tiêu môn học:

- Về kiến thức:

+ Trình bày được mạch điện và mô hình mạch điện với các thông số đặc trưng

của các phần tử mạch;

+ Trình bày được cấu tạo, nguyên lý làm việc của máy điện;

+ Trình bày các phương pháp để giải các bài toán kỹ thuật điện

- Vềkỹ năng:

+ Giải các bài tập mạch điện một pha, ba pha;

+ Phân tích đúng nguyên lý, nhiệm vụ các linh kiện trong các mạch điện tử cơbản;

- Vềnăng lực tự chủ và trách nhiệm:

+ Làm việc độc lập hoặc làm việc nhóm, giải quyết công việc, vấn đề phức tạptrong điều kiện làm việc thay đổi;

+ Đánh giá chất lượng công việc sau khi hoàn thành và kết qủa thực hiện được

Nội dung mô học:

Số

Thời gian (giờ)

1 Chương1: Mạch điện và các phương pháp phân tíchmạch 12 06 06 0

2 Chương 2: Dòng điện xoay chiều hình sin 18 09 08 01

3 Chương 3: Mạch điện xoay chiều ba pha 21 09 11 01

CHƯƠNG 1: MẠCH ĐIỆN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH

Mã chương: MH10-01

Thời gian: 12 giờ (LT: 02; TH: 05; Tự học: 05)

Giới thiệu:

Chương này bàn đến một số định lý và định luật của mạch điện một chiều Việc

áp dụng các định luật, định lý này giúp ta giải quyết nhanh một số bài toán đơn giảnhoặc biến đổi một mạch điện phức tạp thành một mạch đơn giản hơn, tạo thuận lợi chophân tích mạch điện một chiều Giải quyết tốt các bài toán một chiều sẽ tạo cơ sở tốtcho việc phân tích mạch điện xoay chiều được trình bày ở các chương sau

Hình 1.1 cho ví dụ về một mạch điện Trong mạch điện này chúng ta thấy gồm

có nguồn điện E, công tắc K, các bóng đèn tròn Đ1, Đ2và dây dẫn liên kết giữa nguồnđiện đến các bóng đèn qua công tắc K

Để vận hành mạch điện chúng đóng công tắc K Dòng điện I xuất phát từ nguồn

E đi theo dây dẫn cung cấp dòng điện I1, I2cho bóng đèn Đ1, Đ2

Hình 1.1 Mạch điện bóng đèn trònNhư vậy ta có thể thấy một mạch điện là một kết cấu gồm các phần tử như sau:

a Nguồn điện

Là các thiết bị điện dùng để biến đổi các dạng năng lượng khác sang điện năngcung cấp năng lượng cho mạch điện Các nguồn điện hay gặp trong thực tế:

- Máy phát điện: biến đổi cơ năng thành điện năng

- Pin, ắc quy: Biến đổi năng lượng hoá học thành điện năng

- Pin mặt trời: Biến đổi quang năng thành điện năng

b Phụ tải điện

Là thiết bị điện biến điện năng thành các dạng năng lượng khác như cơ năng,quang năng, nhiệt năng Trên sơ đồ mạch điện hình 1.1 các bóng đèn tròng là phụ tảiđiện, chuyển đổi năng lượng điện thành ánh sáng Trong các mạch điện một chiều cácphụ tải điện được biểu thị bằng một điện trở R

c Dây dẫn

Là vật dẫn bằng kim loại dùng để nối từ nguồn đến phụ tải thường kết cấu dướidạng các đường dây dài có một lõi, nhiều lõi, có vỏ bọc hoặc không có vỏ bọc dùng đểchuyển tải dòng điện từ nguồn điện đến phụ tải

Vậy: mạch điện là một hệ thống gồm các thiết bị điện, điện tử ghép lại bằng cácdây dẫn Trong đó xảy ra các quá trình truyền đạt, biến đổi năng lượng hay tín hiệuđiện từ đo bởi các đại lượng dòng điện, điện áp.

1.1.2 Các yếu tố hình học cơ bản của mạch điện

- Nhánh: là 1 đoạn mạch có chứa một phần tử hoặc nhiều phần tử ghép nối tiếp

nhau, trong đó có cùng một dòng điện chạy thông từ đầu nọ đến đầu kia Số nhánhtrong một mạch điện được ký hiệu là m

Hình 1.2 mô tả một nhánh của mạch điện hình 1.1 Trên nhánh này có chứabóng đèn Đ1và có dòng điện I1đi qua Nhánh nối giữa hai điểm nút A và B

Hình 1.3 Một nút của mạch điện

- Vòng (mạch vòng): là một lối đi xuất phát từ một nút khép kín qua các nhánh

và trở về chính nút đó Một vòng mạch điện là sự kết hợp giữa các nút và các nhánhtrong mạch điện đó

Hình 1.4 mô tả một vòng của mạch điện hình 1.1 Mạch vòng này được kết hợp

từ nhánh thứ nhất chứa bóng đèn Đ1 với nhánh thứ hai chứa bóng đèn Đ2 và hai nútcủa mạch điện là A, B

Hình 1.4 Một vòng của mạch điện

- Vòng độc lập: Trong số các mạch vòng của một mạch điện ta chọn ra một số

lượng vòng gọi là vòng độc lập Tính chất của các vòng độc lập là các vòng nàykhông phải là tổ hợp từ các vòng còn lại Người ta thường ký hiệu số vòng độc lập làv

Nếu trong một mạch điện nếu xác định được số nút n, số nhánh m thì số vòngđộc lập được tính theo biểu thức:

v = m - n + 1

Một mạch điện thực tế có thể được mô hình hoá thành mạch điện nguyên lý vớicác phần tử được tổ hợp sao cho sát với nguyên lý làm việc của thiết bị thật Do vậykhi phân tích các mạch điện thực tế thì ta có thể tiến hành trên các mạch điện đã được

mô hình hoá Bước đầu tiên để phân tích các mạch điện này là cần phải xác định được

số nút, số nhánh và số vòng của mạch điện

Ví dụ 1: Cho mạch điện như hình dưới Hãy cho biết mạch điện trên có bao nhiêu

nhánh, bao nhiêu nút, bao nhiêu vòng và bao nhiêu vòng độc lập?

- Qui ước: chiều dòng điện hướng từ cực dương về cực âm của nguồn hoặc từ

nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp

- Cường độ dòng điện: là đại lượng đặc trưng cho độ lớn của dòng điện.

Cường độ dòng điện được tính bằng lượng điện tích chạy qua tiết diện thẳng của vậtdẫn trong một đơn vị thời gian Đơn vị của dòng điện là ampe (A)

- Bản chất dòng điện trong các môi trường :

+ Trong kim loại: lớp ngoài cùng của nguyên tử kim loại có rất ít electron,

chúng liên kết rất yếu với các hạt nhân và dễ bật ra thành các electron tự do.Dưới tác dụng của điện trường các electron tự do này sẽ chuyển động có hướngtạo thành dòng điện

+ Trong dung dịch: các chất hoà tan trong nước sẽ phân ly thành các ion dương

tự do và các ion âm tự do Dưới tác dụng của điện trường các ion tự do này sẽchuyển động có hướng tạo nên dòng điện

+ Trong chất khí: khi có tác nhân bên ngoài (bức xạ lửa, nhiệt…) tác động, cácphần tử chất khí bị ion hoá tạo thành các ion tự do Dưới tác dụng của điệntrường chúng sẽ chuyển động tạo thành dòng điện

b Điện áp

- Điện áp là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích lũy năng lượng của dòng

điện Trong mạch điện, tại các điểm đều có một điện thế xác định φ Hiệu điện thế giữahai điểm gọi là điện áp ký hiệu là U

Ta có: UAB = φA- φB

Trong đó: φA: điện thế tại điểm A và φB: điện thế tại điểm B UAB: là điện áp hayhiệu điện thế giữa A và B.

- Qui ước: Chiều điện áp là chiều từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế

thấp Đơn vị điện áp là vôn (V)

Hình 1.5 Điện áp và dòng điện trên điện trở

- Nếu dòng điện và điện áp ngược chiều thì dòng điện sinh công âm P < 0 (phần

tử đó thu năng lượng)

- Đơn vị công suất là watt (W, kW, MW)

1.2 MÔ HÌNH MẠCH ĐIỆN, CÁC THÔNG SỐ

- Việc phân tích mạch điện thực tế sẽ được tiến hành trên mạch điện mô hình

- Ở mạch điện mô hình ta dễ dàng thực hiện các phương phân tích mạch, phépbiến đổi tương đương, các sơ đồ thay thế… để giải mạch điện

1.2.2 Các thông số đặc trưng cơ bản

Hình 1.7 Ký hiệu của nguồn áp một chiều độc lập

Hình 1.9 Ký hiệu của nguồn phụ thuộcĐối với loại nguồn áp phụ thuộc ta chia làm hai loại:

- Nguồn áp điều khiển nguồn áp hay nguồn áp phụ thuộc áp: VCVS (Voltage

control voltage source) Ký hiệu như trong hình 1.10

Hình 1.10 Nguồn áp phụ thuộc ápPhần tử này phát ra điện áp U2 phụ thuộc vào điện áp U1 (Khi U1 thay đổi thìđiện áp U2thay đổi theo) theo biểu thức :

U2= αU1Trong đó α là hệ số không có thứ nguyên

- Nguồn áp điều khiển nguồn dòng hay nguồn dòng phụ thuộc áp: VCCS

(Voltage controlled curent source) Ký hiệu như trong hình 1.11

Hình 1.11 Nguồn dòng phụ thuộc ápPhần tử này phát ra dòng I2 phụ thuộc vào điện áp U1(Khi U1thay đổi thì dòngđiện I2thay đổi theo) theo hệ thức:

I2= gU1

Trong đó g là điện dẫn đơn vị là Siemens

- Nguồn dòng điều khiển nguồn dòng hay nguồn dòng phụ thuộc dòng: CCCS

(Current - controlled current source) Ký hiệu như trong hình 1.12 Phần tử này phát radòng I2 phụ thuộc vào dòng I1(Khi I1thay đổi thì dòng điện I2thay đổi theo) theo biểuthức:

I2= β.I1

β là hệ số không có thứ nguyên

Hình 1.12 Nguồn dòng phụ thuộc dòng

- Nguồn dòng điều khiển nguồn áp hay nguồn áp phụ thuộc dòng: CCVS

(Current - controlled voltage source) Ký hiệu như trong hình 1.13 Phần tử này phát rađiện áp U2 phụ thuộc vào dòng điện I1 (Khi I1thay đổi thì điện áp U2 thay đổi theo)theo biểu thức:

Mô tả định luật Ohm như trong hình 1.14

Hình 1.14 Quan hệ giữa dòng và áp trên điện trở R

1.3.2 Định luật kiêcchop

a Định luật Kirchhoff 1

Tổng đại số dòng điện tại 1 nút bằng 0:

Ví dụ 2: Cho mạch điện như hình dưới Xét tại nút A, theo định luật Kirchhoff 1 ta có:

I1+ I2+ I3= 0

Ví dụ 3: Cho mạch điện như hình dưới đây Xét tại nút A, theo định luật Kirchhoff 1 ta

có:

I1- I2+ I3- I4= 0

- Quy ước: Nếu ta qui ước dòng điện đi vào nút A mang dấu cộng (+), thì dòng

điện đi ra nút A mang dấu trừ (-) hoặc ngược lại

b Định luật Kirchhoff 2

Tổng đại số điện áp của các phần tử trong một vòng kín bất kỳ thì luôn bằng 0

- Quy ước: Nếu chọn trước chiều của vòng đang xét thì điện áp rớt trên phần tử

có chiều cùng với chiều vòng thì mang dấu “+” ngược chiều với chiều vòng thì mangdấu “-” Ngược lại sức điện động trong vòng đó nếu cùng chiều với chiều vòng thìmang dấu “-”, ngược chiều với chiều vòng thì mang dấu “+”

Ví Dụ 4: Cho mạch điện như hình dưới, viết định luật kirchhoff 2 cho vòng 1 và vòng

a Lý thuyết liên quan

Để giải mạch điện bằng phương pháp dòng điện nhánh trước tiên cần phải biếtđược kết cấu hình học của mạch điện nghĩa là biết được số nút n, số nhánh m và sốvòng độc lập v của mạch như đã trình bày trong mục 1.1.2 Sau đó áp dụng định luậtKirchhoff 1 và định luật Kirchhoff 2 để viết hệ phương trình gồm các phương trìnhdòng điện và điện áp cho các nút và các vòng của mạch điện với ẩn số là dòng điệntrên các nhánh Giải hệ phương trình này ta sẽ tìm được dòng điện trên các nhánh

b Trình tự thực hiện

Trình tự giải mạch điện bằng phương pháp dòng điện nhánh như sau:

Bước 1: Xác định số nút n, số nhánh m, số vòng độc lập v

Cách xác định đã được trình bày trong mục 1.1.2

Bước 2: Chọn các nút và chiều dòng điện nhánh để viết phương trình dòng điện theo

định luật Kirchhoff 1

Số nút để viết phương trình là n- 1

Bước 3: Chọn các vòng mạch điện và chiều của vòng để viết phương trình điện áp

theo định luật Kirchhoff 2

Số vòng để viết phương trình là v

Bước 4: Lập hệ phương trình dòng nhánh cho mạch điện

Hệ phương trình gồm các phương trình dòng điện cho các nút ở bước 2 và cácphương trình điện áp cho các vòng ở bước 3 với ẩn là các dòng điện nhánh

Bước 5: Giải hệ phương trình

Giải hệ phương trình viết ở bước 4 ta tìm được dòng điện chạy trên các nhánhcủa mạch điện

c Phân tích mạch điện bằng phương pháp dòng điện nhánh

Áp dụng phương pháp dòng điện nhánh để phân tích mạch điện như trong ví dụdưới đây:

Ví dụ 9: Cho mạch điện như hình dưới Biết E1= 12V; E2= 5V; R1= 4Ω; R2= 2Ω; R3

= 6Ω Tình dòng điện chạy trên các nhánh của mạch điện sử dụng phương pháp dòngđiện nhánh

Bước 2: Chọn các nút để viết phương trình dòng điện theo Kirchhoff 1.

Vì số phương trình viết cho các nút là n-1 nên ở đây ta chọn một nút là nút A đểviết phương trình dòng điện theo định luật Kirchhoff 1 Chọn chiều dương quy ướccho các dòng điện nhánh như trong hình ta có:

(1)

Bước 3: Chọn các vòng mạch điện và chiều của vòng để viết phương trình điện áp

theo định luật Kirchhoff 2

Ở đây ta chọn hai vòng dòng điện I và II và chiều của chúng được xác định như ởtrong hình Phương trình điện áp viết cho vòng I và II theo định luật Kirchhoff 2:

Bước 4: Lập hệ phương trình dòng nhánh cho mạch điện

Từ các phương trình (1), (2), (3) ta lập được hệ phương trình:

Bước 5: Giải hệ phương trình

Thay số liệu vào hệ phương trình và tiến hành giải ta có:

Như vậy ta tìm được dòng điện trên các nhánh lần lượt là: I1= 1,5A, I2= -0,5A,

I3= 1A

Phương pháp dòng điện nhánh có số phương trình trong hệ phương trình cầngiải bằng số nhánh của mạch điện, do đó, đối với mạch điện có nhiều nhánh thì việcphân tích và tính toán mạch điện bằng phương pháp này sẽ rất phức tạp Áp dụng cácphương pháp dòng điện mạch vòng hoặc điện thế nút sẽ giúp cho việc phân tích mạchđiện có số lượng nút và nhánh lớn sẽ dễ dàng hơn Cơ sở của các phương pháp nàycũng dựa trên các định luật Kirchhoff 1 và 2

1.4.2 Phương pháp dòng điện vòng

a Lý thuyết liên quan

Giả sử trong mỗi vòng mạch điện có một dòng điện quy ước chạy qua và gọi làdòng điện vòng Dòng điện này chỉ tồn tại trong vòng và chạy qua tất cả các phần tửthuộc vòng Chọn các dòng điện vòng trong mạch điện chính là dòng điện chạy trongcác vòng độc lập của mạch điện đó để làm ẩn số của hệ phương trình Vậy tổng cộng

sẽ có m-n+1dòng điện vòng làm ẩn số của hệ phương trình

Dựa trên các vòng dòng điện đã chọn ta tính toán các thông số của hệ phươngtrình của mạch điện Áp dụng định luật Kirchhoff 2 và các thông số tính toán được tathiết lập hệ phương trình dòng điện vòng cho mạch điện Giải hệ phương trình ta sẽ cóđược các dòng điện vòng và từ đó ta tính được các dòng điện nhánh

b Trình tự thực hiện

Các bước cụ thể để giải mạch điện bằng phương pháp dòng điện vòng như sau:

Bước 1: Xác định số nút n, số nhánh m, số vòng độc lập và chọn, ký hiệu các vòng

độc lập

Cách xác định đã được trình bày trong mục 1.1.2

Bước 2: Chọn chiều dòng điện nhánh, chiều dòng vòng.

Bước 3: Tính thông số của hệ phương trình dòng điện vòng

- Tính tổng trở vòng: trên mỗi vòng độc lập có một tổng trở gọi là tổng trở vòng, nó cógiá trị bằng tổng các điện trở trên các nhánh của vòng

- Tính tổng trở nhánh chung: giữa hai dòng điện vòng nếu có một nhánh chung thì tatính tổng trở cho nhánh chung đó Tổng trở nhánh chung bằng tổng các điện trở nằmtrên nhánh chung

- Tính sức điện động vòng: tổng đại số của các sức điện động trên các nhánh của vònglấy theo chiều vòng

- Tính dòng điện nhánh theo dòng điện vòng

Bước 4: Lập hệ phương trình dòng điện vòng

Dựa vào các thông số tính toán ở bước 3 ta lập hệ phương trình dòng điện vòngcủa mạch điện như sau:

Bước 5: Tính toán các dòng điện nhánh

Giải hệ phương trình viết ở bước 4 ta tìm được các dòng điện vòng Dựa vàomối quan hệ giữa dòng điện nhánh và dòng điện vòng ta tìm được chạy trên các nhánhcủa mạch điện

c Phân tích mạch điện bằng phương pháp dòng điện vòng

Áp dụng phương pháp dòng điện vòng để phân tích mạch điện như trong ví dụdưới đây:

Ví dụ 10: Sử dụng mạch điện trong ví dụ 9 tình dòng điện chạy trên các nhánh của

mạch điện sử dụng phương pháp dòng điện mạch vòng

Bước 2: Chọn chiều dòng điện nhánh, chiều dòng vòng.

Ta chọn chiều dòng điện nhánh và chiều dòng điện vòng như trên hình vẽ của ví

Bước 4: Lập hệ phương trình dòng điện vòng

Bước 5: Tính toán các dòng điện nhánh

Thay số và giải hệ phương trình viết ở bước 4 ta tìm được các dòng điện vòng:

Dựa vào mối quan hệ giữa dòng điện nhánh và dòng điện vòng ta tìm đượcchạy trên các nhánh của mạch điện Ta có:

I1= 1,5A, I2= -0,5A, I3= 1,5 – 0,5 = 1A

Ví dụ 11: Cho mạch điện như hình dưới, áp dụng phương pháp dòng điện mạch vòng

để tính dòng điện chạy trên các nhánh của mạch điện Biết R1= 30 Ω, R2= 12Ω, R3=24Ω, R4= 16Ω, R5= 37Ω, E1= 90 V, E2= 125 V

Giải:

- Số nút của mạch điện n = 3, số nhánh m = 5, số vòng của mạch điện:

v = 5 – 3 + 1 = 3

- Chọn các vòng dòng điện I, II, II, chiều vòng , chiều dòng điện nhánh như trênhình vẽ

1.4.3 Phương pháp điện áp hai nút

a Lý thuyết liên quan

Trong n nút của mạch, chọn một nút làm nút gốc có điện thế bằng 0 Tại mỗinút còn lại của mạch coi như xác định một điện thế cố định Gọi các giá trị điện thếnày là ẩn số Khi đó có tổng cộng n-1 ẩn số, áp dụng định luật Kirchhoff 1 tại n-1 nút

để xây dựng hệ phương trình n-1 ẩn số Đây là hệ phương trình điện áp nút của mạch

b Trình tự thực hiện

Các bước cụ thể để giải mạch điện bằng phương pháp điện thế nút như sau:

Bước 1: Xác định số nút n, chọn nút gốc.

Bước 2: Chọn chiều dòng điện nhánh.

Bước 3: Tính thông số của hệ phương trình điện thế nút

- Tính tổng dẫn nút: trên mỗi nút một tổng dẫn, nó có giá trị bằng tổng các điệndẫn trên các nhánh

- Tính tổng dẫn nhánh chung: giữa hai nút nếu có một nhánh chung thì ta tínhtổng dẫn cho nhánh chung đó

- Tính nguồn dòng điện của nút: tổng đại số của các nguồn dòng điện đi vào và

đi ra khỏi nút Nguồn dòng đi vào mang dấu dương, đi ra mang dấu âm

- Tính toán các dòng điện trên các nhánh bằng các điện thế nút

Bước 4: Lập hệ phương trình điện thế nút

Dựa vào các thông số tính toán ở bước 3 ta lập hệ phương trình điện thế nút củamạch điện như sau:

Trong đó:

Y1 Yn, φ1 φn, J1 Jnlà tổng dẫn, điện thế và dòng điện tại các nút 1 đến nút thứ

n của mạch điện

Y12= Y21, , Y1n=Yn1là tổng dẫn chung của các nút

Bước 5: Tính toán các dòng điện nhánh

Giải hệ phương trình viết ở bước 4 ta tìm được điện thế tại các nút Dựa vàomối quan hệ giữa dòng điện nhánh và điện thế nút tìm được chạy trên các nhánh củamạch điện

c Phân tích mạch điện bằng phương pháp điện áp hai nút

Áp dụng phương pháp điện áp hai nút để phân tích mạch điện như trong ví dụdưới đây:

Ví dụ 12: Sử dụng mạch điện trong ví dụ 9, áp dụng phương pháp điện thế nút để tính

dòng điện chạy trên các nhánh của mạch điện

Giải:

Sử dụng các bước đã trình bày để giải mạch điện như sau:

Bước 1: Số của mạch điện n =2, số nhánh của mạch điện m =3, chọn nút B làm nút

gốc

Bước 2: Chọn chiều dòng điện nhánh như trên hình vẽ.

Bước 3: Tính thông số của hệ phương trình điện thế nút

Vì mạch có 2 nút, nút B làm nút gốc nên còn lại một nút A có tổng dẫn:

Nguồn dòng tại nút A

Quan hệ giữa dòng điện nhánh và điện thế nút

Bước 4: Lập hệ phương trình điện thế nút

Dòng điện trên các nhánh

Ví dụ 13: Cho mạch điện như hình dưới, áp dụng phương pháp điện thế nút để tính

dòng điện chạy trên các nhánh của mạch điện Biết R1= 30 Ω, R2= 12Ω, R3= 24Ω, R4

BÀI TẬP CHƯƠNG 1

Bài 1 dùng phép biến đổi tương đương tìm I1và U trên mạch điện như hình vẽ sau:

Bài 2 Cho mạch điện như hình vẽ sau Tính I1,I2, I3, IX,VX,V1

Bài 3 Cho mạch điện như hình dưới Tìm dòng điện chạy trong các nhánh I1, I2, I3

Bài 4 Cho mạch điện như hình dưới Dùng định luật Kirchhoff 1 và 2 tìm dòng điện I

và điện áp Uab

Bài 5 Cho mạch điện như hình dưới Tìm cường độ dòng điện chạy trong các nhánh

của mạch điện và điện áp U đặt trên điện trở R Biết rằng I = 1A

Bài 6 Cho mạch điện như hình dưới Tìm dòng điện qua các nhánh I1, I2, I3

Bài 7 Cho mạch điện như hình dưới Tìm I1, I2, I3

CHƯƠNG 2: DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN

dễ dàng chuyển tải đi xa, dễ dàng thay đổi cấp điện áp nhờ máy biến áp Máy phát điện

và động cơ điện xoay chiều làm việc tin cậy, vận hành đơn giản, chỉ số kinh tế - kỹthuật cao Ngoài ra trong trường hợp cần thiết, ta có thể dễ dàng biến đổi dòng điệnxoay chiều thành một chiều nhờ các thiết bị chỉnh lưu

Mục tiêu:

- Trình bày được các khái niệm và các đại lượng đặc trưng về dòng điện xoaychiều hình sin;

- Biểu diễn được các đại lượng xoay chiều bằng đồ thị hình sin và đồ thị vectơ ;

- Giải được bài tập mạch điện xoay chiều bằng các phương pháp khác nhau;

i: là trị số tức thời của dòng điện

Imax: là giá trị cực đại của dòng điện (hay là biên độ của dòng điện)

ω: là tần số góc

ψi: là góc pha ban đầu của dòng điện

Hình 2.1 Đồ thị dòng điện xoay chiều hình sin

2.2 NGUYÊN LÝ TẠO RA DÒNG XOAY CHIỀU HÌNH SIN

a Nguyên lý cấu tạo

Hình 2.2 Cấu tạo của máy phát điện xoay chiều hình sin

- Hình 2.2 trình bày cấu tạo của máy phát điện xoay chiều hình sin

- Phần đứng yên là stato gồm có các thanh nam châm vĩnh cữu khác cực tínhđặt đối diện nhau

- Phần quay là rotor gồm khung dây quấn quay được quanh trục, có hai đầu dây

tì lên vành góp

b Nguyên lý hoạt động

- Nguyên tắc: dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ

- Khi cuộn dây quay trong lòng của hai thanh nam châm, điện áp cảm ứng sẽsinh ra giữa 2 đầu cuộn dây Khi mắc tải vào hai đầu chổi than, điện áp này sẽ sinh ramột dòng điện xoay chiều chạy trong mạch điện

- Mối liên hệ giữa dòng điện sinh ra trong cuộn dây và vị trí của nam châmđược chỉ ra trong hình vẽ Dòng điện lớn nhất được sinh ra khi cực N và cực S củanam châm gần với cuộn dây nhất Tuy nhiên, chiều dòng điện ở mỗi nửa vòng quaycủa nam châm lại ngược nhau

- Khi các dòng dây quay với một vận tốc đều xung quanh trục thì điện áp sinh

sẽ biến thiên theo đồ thị hình sin như trong hình vẽ

2.3 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CỦA DÒNG HÌNH SIN

- Chu kỳ: Là khoảng thời gian ngắn nhất để dòng điện lặp lại trị số và chiều

biến thiên cũ Chu kỳ có ký hiệu là T, đơn vị: giây (s).

- Tần số: Là số chu kỳ mà dòng điện thực hiện được trong một đơn vị thời gian

(trong 1giây) Tần số có ký hiệu là f.

Đơn vị là hertz, ký hiệu Hz.

- Tần số góc: Là tốc độ biến thiên của dòng diện hình sin Tần số góc có ký

hiệu là ω, đơn vị là rad / s

Quan hệ giữa tần số góc và tần số: ω= 2 π f

- Trị số tức thời i là trị số ứng với thời điểm t Trong biểu thức i = Imaxsin (ωt +

ψi) ta thấy trị số tức thời phụ thuộc vào biên độ Imaxvà góc pha (ωt + ψi)

- Biên độ Imax (A) là trị số cực đại của dòng điện i, cho biết độ lớn của dòngđiện

- Góc pha (ωt + ψi) nói lên trạng thái của dòng điện ngay tại thời điểm t Ở thờiđiểm t = 0 thì góc pha của dòng điện là ψi ψi gọi là góc pha ban đầu của dòng điện.Góc pha ban đầu ψiphụ thuộc vào thời điểm chọn làm gốc thời gian Hình 2.3 chỉ ragóc pha ban đầu ψikhi chọn các mốc thời gian khác nhau

Hình 2.3 Góc pha của dòng điện ứng với các mốc thời gian khác nhau

- Góc lệch pha φ giữa điện áp và dòng điện

Giả sử cho dòng điện i = Imax sin (ωt + ψi) và điện áp u = Umax sin (ωt + ψu),trong đó Umax và ψu là biên độ và góc pha của điện áp Biểu diễn góc lệch pha giữa u

và i:

φ = (ωt + ψu) - (ωt + ψi) = ψu- ψi

Hình 2.4 Góc lệch pha giữa điện áp và dòng điệnKhi:

φ > 0 điện áp vượt trước dòng điện

φ < 0 điện áp chậm sau dòng điện

φ = 0 điện áp trùng pha với dòng điện

φ = ± π điện áp ngược pha với dòng điện

Hình 2.4 biểu diễn đồ thị điện áp và dòng điện có góc lệch pha ứng với cáctrường hợp

Ví dụ 1: Cho hai đại lượng điều hòa có cùng tần số góc u = 100 sin (2t + 600) (V) và i

= 20 sin (2t + 300) (A) Hãy biểu diễn góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện

Giải:

Ta có: φ = ψu- ψi= 600– 300= 300 Vậy: u nhanh pha hơn i một góc 300

Ví dụ 2: Cho hai đại lượng điều hòa có cùng tần số góc

u = 100 sin (2t + 600) (V) và i = 20 cos 2t (A) Hãy biểu diễn góc lệch pha giữa điện áp

Vậy: u chậm pha hơn i một góc 300

+ Chú ý: để so sánh góc lệch pha giữa 2 đại lượng điều hòa thì chúng phải có cùng tần số góc; cùng dạng sin hoặc dạng cos.

- Trị số hiệu dụng của dòng điện

Trị số hiệu dụng của dòng điện xoay chiều là giá trị tương đương của dòng điệnmột chiều khi chúng đi qua cùng một điện trở trong thời gian một chu kỳ thì toả racùng một năng lượng dưới dạng nhiệt như nhau Kí hiệu bằng chữ in hoa: I, U, E …

- Trị số hiệu dụng của dòng điện hình sin:

- Tương tự ta có trị số hiệu dụng của điện áp và sức điện động xoay chiều hìnhsin là:

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

- i, u: Trị số tức thời, kí hiệu chữ thường.

- I, U: Trị số hiệu dụng, kí hiệu chữ in hoa

- Imaxhay Im, Umaxhay Um: Trị số cực đại (biên độ)

2.4 TÍNH CHẤT CỦA DÒNG HÌNH SIN

2.4.1 Mạch điện xoay chiều thuần điện trở

Mạch điện xoay chiều thuần điện trở là mạch điện xoay chiều có hệ số tự cảmrất nhỏ có thể bỏ qua, không có thành phần điện dung, trong mạch chỉ còn một thànhphần điện trở như bóng đèn, bếp điện…

Hình 2.5 Mạch điện thuần điện trởGiả sử cho dòng điện xoay chiều i = Imsinωt đi qua điện trở R như hình 2.5.Như vậy sẽ có điện áp uRáp đặt giữa 2 đầu điện trở Theo định luật Ohm ta có:

uR= R i

uR= R Imsinωt

Mà:

Um= Im R → uR= Umsinωt

So sánh biểu thức dòng điện i và điện áp uR, ta thấy: góc lệch pha giữa điện áp

và dòng điện: φ = ψu- ψi= 0 (hình 2.6)→ Kết luận: u cùng pha với i

Hình 2.6 Đồ thị của mạch xoay chiều thuần trở

2.4.2 Mạch điện xoay chiều thuần điện cảm

Mạch thuần cảm là mạch điện có cuộn dây có hệ số tự cảm L khá lớn, điện trở

R khá nhỏ có thể bỏ qua Giả sử cho một dòng điện xoay chiều hình sin đi qua cuộndây hình 2.7, dòng điện i có dạng: i = Imsinωt

Hình 2.7 Mạch điện xoay chiều thuần cảmTrong đó uL là điện áp đặt giữa 2 đầu cuộn dây Khi dòng điện i biến thiên điqua cuộn dây L làm điện áp uLgiữa hai đầu cuộn dây biến thiên theo biểu thức:

Với: UmL=Im.L.ω Trong đó XL= ωL với XL: là cảm kháng của cuộn dây có đơn

vị là Ohm(Ω)

So sánh biểu thức giữa dòng điện i đi qua cuộn dây và điện áp uLở hai đầu cuộndây ta thấy uL nhanh pha hơn i một góc π/2 Đồ thị véc tơ và đồ thị biến thên theo thờigian của dòng điện và điện áp trong mạch điện thuần cảm được biểu diễn trong hình2.8

Hình 2.8 Đồ thị véc tơ (a), đồ thị theo thời gian (b) của dòng điện và điện áp trong

mạch thuần cảm

2.4.3 Mạch điện xoay chiều thuần điện dung

Mạch điện xoay chiều thuần điện dung là mạch điện chỉ có điện dung C và điệntrở nhỏ coi như không đáng kể Giả sử khi có dòng điện: i = Im.sinωt đi qua tụ điện Cnhư trong hình 2.9, điện áp trên hai cực của tụ điện là:

Hình 2.9 Mạch điện xoay chiều thuần điện dung

So sánh biểu thức dòng điện i và điện áp uC, ta thấy:

- Quan hệ giữa trị số hiệu dụng của điện áp và dòng điện là:

Với

- XC: được gọi là dung kháng của tụ điện có đơn vị là ohm (Ω)

- Dòng điện i và điện áp uC có cùng tần số, dòng điện i vượt trước điện áp uC

một góc là π/2 (hoặc điện áp chậm sau dòng điện góc pha π/2) Đồ thị vectơ, đồ thịbiến thiên theo thời gian của điện áp và dòng điện trong mạch điện thuân dung được vẽtrên hình 2.10

Hình 2.10 Đồ thị véc tở (a), đồ thị theo thời gian (b) của dòng điện và điện áp trong

mạch điện xoay chiều thuần dung

2.4.4 Mạch điện xoay chiều R, L, C nối tiếp

Mạch xoay chiều không phân nhánh, trường hợp tổng quát có cả ba thành phần

là R, L, C mắc nối tiếp với nhau Giả sử khi đặt điện áp xoay chiều hình sin giữa haiđầu đoạn mạch R, L, C mắc nối tiếp thì sẽ làm xuất hiện một dòng điện xoay chiềucũng biến thiên theo hình sin là: i = Im.sinωt chạy trong mạch (hình 2.11) Dòng điệnnày sẽ gây ra điện áp rơi trên điện trở uR, trên điện cảm uL, trên điện dung uC Các đạilượng dòng điện và điện áp đều biến thiên theo hình sin và cùng một tần số với điện áp

u Do đó có thể biểu diễn chúng trên cùng một đồ thị vectơ trên hình 2.12a

Hình 2.11 Mạch điện xoay chiều R-L-C mắc nối tiếp

Ta có: u = uR+ uL+ uC

Hay biểu diễn bằng vectơ:

Tam giác vuông OAB có cạnh huyền là véc tơ điện áp tổng, hai cạnh góc vuông

là hai điện áp thành phần (tác dụng và phản kháng) được gọi là tam giác điện áp củamạch xoay chiều có R - L - C mắc nối tiếp với nhau

Hình 2.12 Đồ thị vectơ của mạch xoay chiều R-L-C mắc nối tiếp

Từ tam giác điện áp hình 2.12a ta có:

Từ đó ta có:

Đây là định luật Ohm cho mạch xoay chiều có R, L, C mắc nối tiếp nhau

Trong đó:

được gọi là điện kháng của mạch, đơn vị là Ohm (Ω)

được gọi là tổng trở của mạch, đơn vị là Ohm (Ω)

cạnh của một tam giác vuông, trong đó tổng trở Z là cạnh huyền, còn hai cạnh gócvuông là điện trở R và điện kháng X, gọi là tam giác tổng trở (hình 2.12b) Tam giáctổng trở giúp ta dễ dàng nhớ các quan hệ giữa các thông số R, X, Z và góc lệch pha φ.Góc lệch pha φ giữa điện áp và dòng điện được xác định như sau:

- Nếu XL = XC thì UL = UC, φ = 0 → điện áp trùng pha với dòng điện (hình2.13b), mạch R, L, C lúc này có hiện tượng cộng hưởng nối tiếp, dòng điện trongmạch có trị số lớn nhất:

Điều kiện để cộng hưởng nối tiếp là:

2.5.1 Công suất và hệ số công suất

a Công suất tức thời

Công suất tức thời p được tính toán theo điện áp và dòng điện tức thới có biểuthức:

p = u.iTrong đó:

u: là điện áp tức thời tại thời điểm đang xét

i: là dòng điện tức thời tại thời điểm đang xét

b Công suất tác dụng

- Khi điện áp và dòng điện biến thiên điều hoà hình sin thì công suất tác dụngphát ra do dòng điện đi qua thành phần điện trở R trong mạch có dạng: P = I2.R

- Công suất tác dụng trên phần tử điện cảm hoặc điện dung: P = 0

- Công suất tác dụng trên hai đầu đoạn mạch bất kỳ: P = U.I.cosφ

Trong đó:

U là điện áp giữa hai đầu đoạn mạch

I là dòng điện đi qua đoạn mạch

φ là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện của đoạn mạch

Đơn vị của công suất tác dụng là W, kW, MW

c Công suất phản kháng

- Công suất phản kháng giữa hai đầu đoạn mạch bất kỳ có biểu thức:

Q = U.I.sinφ = I2.XTrong đó:

U là điện áp giữa hai đầu đoạn mạch

I là dòng điện đi qua đoạn mạch

φ là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện của đoạn mạch

X = XL– XClà điện kháng của đoạn mạch

- Công suất phản kháng trên điện trở R trong mạch có giá trị: Q = 0

- Công suất phản kháng trên điện cảm trong mạch có giá trị: Q = U.I = I2.XL

- Công suất phản kháng trên điện dung trong mạch có giá trị: Q = - I2.XC

Đơn vị của công suất phản kháng là Var, kVar, MVar

d Công suất biểu kiến S

Ngoài công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q, người ta còn đưa rakhái niệm công suất biểu kiến hay công suất toàn phần S

Hay có thể được tính theo tổng trở Z của mạch điện: S = I2.Z

Công suất biểu kiến đặc trưng cho khả năng làm việc của thiết bị Do nhà chếtạo qui định quan hệ giữa S, P, Q được mô tả bằng một tam giác vuông, trong đó S làcạnh huyền và P, Q là hai cạnh góc vuông gọi là tam giác công suất (hình 2.14) Đơn

vị của S là: VA, kVA, MVA Từ tam giác công suất ta có:

Trong đó:

Hình 2.14 Tam giác công suất trong mạch điện xoay chiều

e hệ số công suất

- Từ tam giác công suất hình 2.14 ta có: P = S.cosφ = U.I.cosφ

- Kết hợp với tam giác tổng trở ta có hệ số công suất:

Hệ số công suất có ý nghĩa rất lớn trong sản xuất, chuyển tải và tiêu thụ điện,cosφ được gọi là hệ số công suất, nó phụ thuộc vào kết cấu mạch điện

Mỗi máy điện đều được chế tạo với một công suất biểu kiến định mức (Sđm) Từ

đó máy có thể cung cấp một công suất tác dụng là P = Sđm.cosφ Do đó muốn tận dụngkhả năng làm việc của máy điện và thiết bị thì hệ số công suất phải lớn

Mỗi hộ tiêu dùng yêu cầu một công suất tác dụng là P xác định Khi đó, dòng

điện chuyển tải đường dây , nếu hệ số công suất càng bé thì dòng điệncàng lớn và điều này dẫn đến tác hại:

- Dòng điện lớn phải dùng dây dẫn lớn dẫn đến tăng vốn đầu tư

- Tổn thất năng lượng đường dây lớn khi dòng điện lớn vì ΔA = I2.R.t

Vì thế, việc nâng cao hệ số công suất sẽ làm giảm vốn đầu tư, xây dựng đườngdây và làm giảm tổn thất năng lượng chuyển tải

Ví dụ 9: Với một máy phát điện có Sđm= 10.000 KVA

- Nếu cosφ = 0,7 thì công suất định mức phát ra:

Pđm= Sđm.cosφ = 10.000 x 0,7 = 7000 KW

- Nếu cosφ = 0,9 thì công suất định mức phát ra:

Pđm= Sđm.cosφ = 10.000 x 0,9 = 9000 KW

2.5.2 Biện pháp nâng cao hệ số công suất

Nâng cao hệ số công suất sẽ tăng được khả năng sử dụng công suất nguồn vàtiết kiệm dây dẫn, giảm được tổn hao điện trên đường dây Như vậy với cùng một côngsuất biểu kiến, cosφ càng lớn (tối đa cosφ = 1) thì công suất tác dụng P càng lớn, do đócosφ đặc trưng cho khả năng tận dụng của thiết bị điện để biến năng lượng của nguồnthành công có ích Mặt khác nếu cần một công suất P nhất định trên đường dây một

pha thì dòng điện trên đường dây là:

Nếu cosφ càng lớn thì I nhỏ dẫn đến tiết diện dây nhỏ hơn, tổn hao điện dâytrên đường dây bé, điện áp rơi trên đường dây cũng giảm

Trong sinh hoạt và trong công nghiệp, tải thường có tính cảm kháng nên làmcho cosφ giảm thấp Để nâng cao cosφ, ta dùng tụ điện nối song song với tải như tronghình 2.15

Khi chưa bù (chưa có nhánh tụ điện), dòng điện trên đường dây I bằng dòngđiện qua tải I1, hệ số công suất của mạch là cosφ1

Khi có bù (có nhánh tụ điện), dòng điện trên đường dây I bằng:

Hình 2.15 Nâng cao hệ số công suất sử dụng tụ điện

Từ đồ thị ta thấy: dòng điện trên đường dây giảm, Cosφ tăng, φ giảm

I < I1; φ < φ1; Cosφ > Cosφ1

Khi chưa bù: Q1= P tgφ1

Khi có bù: Q = P tgφ Khi này, công suất phản kháng trong mạch gồm: Q1củatải và QCcủa tụ bù:

a) Tính dòng điện I1, công suất P, Q, S và cosφ1của tải.

b) Người ta muốn nâng hệ số công suất của mạch điện đạt cosφ = 0,93 Tínhđiện dung C của bộ tụ đấu song song với tải

Giải:

a) Tổng trở tải:

Dòng điện tải I1:

Công suất P của tải: P = R.I2= 6.222= 2904W

Công suất Q của tải: Q = XL.I2= 8.222= 3872Var

a Lý thuyết liên quan

Nhờ tính chất hình học của vectơ ta có thể dễ dàng tính toán cộng, trừ vectơ làđại diện của các hàm sin của dòng điện điện áp trong mạch áp dụng cho phân tíchmạch điện xoay chiều Sau đây là các bước để giải mạch điện hình sin không phânnhánh bằng phương pháp vectơ

b Các bước thực hiện

Để giải mạch điện bằng phương pháp vector ta thực hiện theo các bước nhưsau:

Bước 1: Chọn trục nằm ngang của đồ thị là phương của vectơ dòng điện

- Trong mạch điện không phân nhánh, dòng điện đi qua mạch bằng nhau trêncác phần tử R, L, C nên lấy vectơ dòng điện xuất phát từ gốc của đồ thị kéo dài theophương ngang làm trục pha của của đồ thị

Bước 2: Vẽ véc tơ điện áp rơi trên điện trở, điện cảm, điện dung

- Lấy vectơ dòng điện làm gốc ta vẽ các vectơ điện áp rơi trên phần tử R, L, C

- Chiều dài của các vectơ đại diện cho điện áp rơi trên phần tử R, L, C tỉ lệ vớibiên độ hiệu dụng của điện áp rơi trên phần tử R, L, C

- Góc pha của vectơ điện áp trên điện trở R cùng pha với vectơ dòng điện, gócpha của vectơ điện áp trên điện cảm L sớm pha hơn π/2, góc pha của vectơ điện áp trênđiện dung C trễ pha hơn π/2 so với vectơ dòng điện

- Để dễ dàng cho việc tính toán cộng, trừ hình học vectơ ta vẽ nối tiếp các vectơvới nhau Bắt đầu từ vectơ điện áp của điện trở R, tiếp đến là vectơ điện áp của điệncảm L và sau cùng là vectơ điện áp của điện dung C

Bước 3: Tính vectơ điện áp giữa hai đầu đoạn mạch

- Vectơ có gốc trùng với gốc của đồ thị, có đỉnh trùng với đỉnh của vectơ saucùng sẽ là vectơ của điện áp giữa hai đầu đoạn mạch

- Dựa vào tính chất hình học của vectơ ta tính biên độ và góc pha của các vectơ

Bước 4: Chuyển đại các lượng vectơ về đại lượng hình sin

- Tính toán biên độ và góc pha của các vectơ điện áp trên các phần tử trongmạch điện

- Chuyển đại các lượng vectơ về đại lượng hình sin

c Phân tích mạch điện xoay chiều bằng phương pháp vector

Áp dụng phương pháp vector phân tích mạch điện như ví dụ sau;

Ví dụ 11: Cho mạch điện xoay chiều hình sin như hình dưới Biết

(V); R = 120Ω; L = 100mH Tính dòng điện i(t) của mạchđiện bằng phương pháp đồ thị vectơ

Giải:

Ta thực hiện giải mạch điện bằng phương pháp đồ thị vectơ theo các bước nhưsau:

Bước 1: Chọn trục nằm ngang của đồ thị là phương của vectơ dòng điện

Bước 2: Vẽ véc tơ điện áp rơi trên điện trở, điện cảm

- Đồ thị vectơ của mạch điện được vẽ như hình dưới

- Biên độ hiệu dụng điện áp của điện trở R:

- Biên độ hiệu dụng điện áp của điện cảm L:

Bước 3: Tính vectơ điện áp giữa hai đầu đoạn mạch

Từ đồ thị vectơ ta thấy các vectơ tạo thành một tam giác vuông trong

đó vectơ là cạnh huyền Do vậy ta có:

- Góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện

Bước 4: Chuyển đại các lượng vectơ về đại lượng hình sin

Qua các bước tính toán trên ta có biên độ của vectơ dòng điện i(t) là 1,77A, gócpha φi = -14,670(chậm pha hơn so với điện áp) nên ta có biểu thức của dòng điện i(t)là:

50Ω; L = 200mH, C = 100µF Sử dụng phương pháp vectơ tính dòng điện qua mạchi(t) và điện áp rơi trên các phần tử R, L, C là uR(t), uL(t), uC(t)

Giải:

- Đồ thị vectơ của mạch điện

- Biên độ hiệu dụng điện áp của điện trở R:

- Biên độ hiệu dụng điện áp của điện cảm L:

- Biên độ hiệu dụng điện áp của điện dung C:

- Biên độ hiệu dụng điện áp u(t):

- Biên độ hiệu dụng của dòng điện i(t):

- Góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện

- Góc pha của dòng điện φi= φu– φ = 500– 31,80= 18,20

- Dòng điện qua mạch:

- Biên độ hiệu dụng điện áp của điện trở R:

- Vì cùng pha với nên góc pha điện áp rơi trên điện trở R cùng pha vớidòng điện i(t)

- Điện áp rơi trên điện trở R:

- Biên độ hiệu dụng điện áp của điện cảm L:

- Vì vuông góc với và hướng lên trên nên góc pha điện áp rơi trên điệncảm L:

- Điện áp rơi trên điện cảm L:

- Biên độ hiệu dụng điện áp của điện dung C:

- Vì vuông góc với và hướng xuống nên góc pha điện áp rơi trên điệndung C:

- Điện áp rơi trên điện dung C:

2.6.2 Phương pháp tổng trở

a Lý thuyết liên quan

Phương pháp này dựa trên định luật Ohm áp dụng cho mạch điện xoay chiều.Biết được tổng trở Z của mạch nếu bài toán cho thông số điện áp u(t) giữa hai đầuđoạn mạch ta suy ra được dòng điện i(t) chạy qua đoạn mạch và ngược lại nếu chodòng điện i(t) qua mạch ta sẽ suy ra được điện áp u(t) giữa hai đầu đoạn mạch

Bước 3: Tính biên độ hiệu dụng của điện áp, dòng điện

Áp dụng định luật Ohm cho mạch điện xoay chiều để tính biên độ hiệu dụngcủa điện áp và dòng điện chạy trong mạch

Bước 4: Tính góc pha của các đại lượng điện áp và dòng điện trong mạch

Dựa vào mối quan hệ giữa góc lệch pha của các đại lượng điện áp, dòng điện tatính góc pha của các đại lượng này

Bước 5: Viết biểu thức của các đại lượng điện áp, dòng điện

Từ các thông số tính toán được của biên độ và góc pha ta viết biểu thức hình sincho các đại lượng điện áp và dòng điện có trong mạch.

Để minh họa cho các bước giải trên ta sẽ áp dụng phương pháp tổng trở để giảicác ví dụ 5 và 6

c Phân tích mạch điện xoay chiều bằng phương pháp tổng trở

Áp dụng phương pháp tổng trở tính dòng điện i(t) trong mạch điện xoay chiều ở

Bước 3:Biên độ hiệu dụng của dòng điện

Bước 4: Tính góc pha của các đại lượng điện áp và dòng điện trong mạch

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

Góc pha của dòng điện:

Biểu thức dòng điện trong mạch:

Ví dụ 13: Áp dụng phương pháp tổng trở tính dòng điện i(t) và điện áp rơi trên các

phần tử R, L, C là uR(t), uL(t), uC(t) trong mạch điện xoay chiều ở ví dụ 6

Giải:

- Cảm kháng:

- Dung kháng:

- Tổng trở mạch điện:

- Biên độ hiệu dụng dòng điện i(t):

- Góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện:

- Góc pha của dòng điện:

- Biểu thức dòng điện trong mạch:

- Điện áp trên điện trở R:

- Đối với điện cảm:

; Góc pha:

- Điện áp trên điện cảm L:

- Đối với điện dung:

; Góc pha:

- Điện áp trên điện dung C:

BÀI TẬP CHƯƠNG 2

Bài 1 Cho một mạch điện R – L – C nối tiếp, Ở hai đầu đoạn mạch được đặt một điện

áp xoay chiều: U = 220V, f = 50Hz Biết R = 9Ω, L = 0,03H, C = 220μF Tính:

a Trị số hiệu dụng I và viết biểu thức tức thời dòng điện của mạch

b Hệ số cosφ của mạch

Bài 2 Cho mạch điện R - L - C mắc nối tiếp có U = 127V, R = 12Ω, L = 160mH, C =

127μF, f = 50Hz

a Tính dòng điện, điện áp rơi trên các phần tử R, L, C

b Tính góc lệch pha φ giữa điện áp và dòng điện ở hai đầu đoạn mạch

c Tính công suất P, Q, S và vẽ đồ thị véc tơ

Bài 4 Mạch điện xoay chiều 125V, 50Hz có điện trở R = 7,5Ω nối tiếp với tụ điện C =

320μF (hình dưới) Tính dòng điện và các thành phần của tam giác điện áp, vẽ đồ thịvectơ

Bài 5 Một tải gồm R = 6Ω, XL= 8Ω mắc nối tiếp trong nguồn điện áp U = 220V (hìnhdưới)

a Tính dòng điện I1, công suất P, Q, S và cosφ1của tải

b Người ta muốn nâng hệ số công suất của mạch điện đạt cos φ = 0,93 Tính điệndung C của bộ tụ đấu song song với tải

Bài 7 Cho mạch điện R – L – C mắc nối tiếp đặt vào một điện áp xoay chiều có: u(t) =

20sin(2t + 900)V, R1= 8Ω; R2= 2Ω; L = 6H; C2= 0,25F Tính:

a Trị số hiệu dụng I và viết biểu thức tức thời dòng điện của mạch

b Hệ số cosφ của mạch

CHƯƠNG 3: MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA

số lượng dây dẫn nhiều hơn như hệ thống điện 3pha 3 dây, 3 pha 4 dây, 3pha 5 dây

Hệ thống 3 pha cho khả năng truyền tải năng lượng cao hơn hệ thống một pha

Mục tiêu:

- Trình bày được ưu điểm của mạch điện xoay chiều ba pha;

- Trình bày được các cách nối dây mạch điện ba pha, quan hệ giữa các đại lượngdây và pha của mỗi cách nối dây ;

- Giải được các bài toán về mạch điện xoay chiều ba pha;

Nội dung:

3.1 HỆ THỐNG MẠCH ĐIỆN BA PHA

3.1.1 Định nghĩa

- Nguồn điện xoay chiều ba pha là một hệ thống gồm 3 sức điện động một pha

có cùng biên độ, cùng tần số, nhưng lệch pha nhau 1200hay 1/3 chu kỳ như trong hình3.2 Biểu thức của các sức điện động ba pha:

- Phần quay (rotor) là một nam châm điện có cực N – S.

- Khi quay, từ trường của rotor lần lượt quét qua các cuộn dây trên stator vàcảm ứng thành các sức điện động sin cùng tần số, cùng biên độ, lệch pha nhau 1200

- Biểu thức tức thời của 3 sức điện động:

Hình 3.1 Cấu tạo máy phát điện đồng bộ ba pha

3.1.3 Biểu thức - đồ thị của dòng ba pha

Hình 3.2 Đồ thị dòng điện xoay chiều 3 pha

- Hình 3.2 trình bày đồ thị theo thời gian và đồ thị vector của dòng điện xoaychiều ba pha

- Các dòng điện trong các pha có cùng biên độ nhưng lệch nhau một góc 1200

Biểu thức của dòng điện xoay chiều ba như sau:

iA= Im.sin(ωt) (A)

iB= Im.sin(ωt - 1200) (A)

iC= Im.sin(ωt - 1200) (A)

3.2 NỐI DÂY MẠCH BA PHA

3.2.1 Cách nối mạch 3 pha hình sao

- Mạch điện ba pha mắc hình sao là đấu ba điểm cuối X, Y, Z thành một điểmchung gọi là điểm trung tính (điểm 0) Dây dẫn nối với các điểm đầu A, B, C gọi làdây pha Dây dẫn nối với điểm 0 gọi là dây trung tính hay dây trung hoà

- Nếu mạch chỉ có ba dây pha A, B, C gọi là mạch ba pha ba dây Còn nếu có cảdây trung hoà A, B, C, O thì gọi là mạch ba pha bốn dây (hình 3.3)

- Dòng điện đi trong các cuộn dây pha gọi là dòng điện pha: IP Dòng điện đitrên các dây pha gọi là dòng điện dây: Id Dòng điện đi trong dây trung tính ký hiệu là:

I0 Điện áp giữa hai đầu cuộn dây pha gọi là điện áp pha: UP Điện áp giữa hai dây phagọi là điện áp dây: Ud

Hình 3.3 Máy phát và phụ tải nối hình Y

- Theo như sơ đồ hình sao hình 3.3, dòng điện đi trong cuộn dây pha chính làdòng điện đi trên dây pha tương ứng nên dòng điện dây bằng chính dòng điện pha: Id=

AB là điện áp dây Ud, OA là điện áp pha Up

- Về góc pha: Điện áp dây vượt trước điện áp pha tương ứng một góc 300

- Về trị số: Điện áp dây bằng lần điện áp pha:

3.2.2 Cách nối mạch 3 pha hình tam giác

Mạch ba pha mắc hình tam giác là lấy điểm cuối pha A đấu vào đầu pha B, cuốipha B vào đầu pha C và cuối cuộn pha C đấu vào đầu pha A tạo một mạch vòng hìnhtam giác và ba đỉnh tam giác nối với ba dây dẫn gọi là ba dây pha ( hình 3.5)

Hình 3.5 Máy phát và phụ tải nối hình Δ

Theo sơ đồ đấu tam giác hình 3.5, điện áp đặt vào đầu mỗi pha chính là điện ápdây: Ud= Up Theo định luật Kirchoff 1 tại ba đỉnh A, B, C:

Hình 3.6 Đồ thị véc tơ mạch điện 3 pha đấu ΔDòng điện dây bằng hiệu hai dòng điện pha tương ứng Hình 3.6 vẽ đồ thị vectơdòng điện ba pha đấu Δ đối xứng Từ hình vẽ ta thấy:

- Về góc pha: Dòng điện dây chậm pha sau dòng điện pha một góc 300

- Về trị số: Dòng điện dây bằng lần dòng điện pha:

3.3 CÔNG SUẤT MẠCH BA PHA

3.3.1 Mạch ba pha đối xứng

Đối với mạch ba pha đối xứng, do trị số dòng điện hiệu dụng, điện áp và góclệch pha ở ba pha như nhau nên công suất của các pha cũng bằng nhau

- Công suất tác dụng ba pha.

P3 pha= 3.P1f= 3.UP.IP cosφ = Ud Id cosφ =

+ Nếu mạch ba pha đấu sao thì: Ud= UP, Id= IP

+ Nếu mạch đấu tam giác thì: Id= IP, Ud= UP

- Công suất phản kháng ba pha.

Q3P=3.UP.IP.Sinφ = Ud.Id.sinφ =

- Công suất biểu kiến ba pha

S3P = 3 Up.Ip= Ud.Id=

3.3.2 Mạch ba pha không đối xứng

Cón nhiều nguyên nhân làm mạch 3 pha trở nên không đối xứng:

- Nguồn không đối xứng: các biểu thức của sức điện động trên các pha củanguồn không tuân theo đúng các biểu thức đã mô tả trong mục 3.1.1

- Tải không đối xứng: tải trên các pha không bằng nhau hoặc đứt đường dâypha

- Phân tích mạch ba pha không đối xứng tương tự như phân tích mạch điệnxoay chiều một pha

- Để tính công suất mạch 3 pha không đối xứng ta tính công suất của từng pharồi cộng lại

3.4 GIẢI CÁC MẠCH BA PHA ĐỐI XỨNG

3.4.1 Phân tích mạch ba pha đối xứng

- Khi giải mạch điện ba pha đối xứng người ta thường tính toán dòng điện chạytrên các đường dây pha mắc từ nguồn đến tải và dòng điện chạy trên các pha của tải