Giáo trình kỹ thuật điện- Chương 1: Những khái niệm cơ bản về mạch điện ppsx

Ch ươ ng 1 NH NG KHÁI NI M C B N V M CH ĐI N Ữ Ệ Ơ Ả Ề Ạ Ệ

§1-5 Phân lo i bài toán m ch ạ ạ

1 Đ nh nghĩa m ch đi n ị ạ ệ

M ch là m t mô hình di n t s phân b khoanh vùng c a các quá ạ ộ ễ ả ự ố ủ

trình năng lượng (và tín hi u) đi n t trong m t thi t b đi n, nó đệ ệ ừ ộ ế ị ệ ược

ghép b i m t s h u h n các v t d n trong đó các quá trình chuy n hoá, ở ộ ố ữ ạ ậ ẫ ể

tích lu , truy n đ t, năng lỹ ề ạ ượng (và tín hi u) đi n t đệ ệ ừ ược đ c tr ng b i ặ ư ở

các đi n áp u(t) và dòng đi n i(t) phân b theo th i gian t.ệ ệ ố ờ

T đó ta đ nh nghĩa m ch đi n theo quan đi m năng lừ ị ạ ệ ể ượng:

Mô hình m ch và mô hình trạ ường khác nhau ch : mô hình m ch ở ỗ ở ạ

các thông s ch phân b theo th i gian, còn mô hình trố ỉ ố ờ ở ường các thông

s phân b trong không gian theo th i gian, song gi a chúng có quan h ố ố ờ ữ ệ

khăng khít v i nhau thông qua bi u th c: ớ ể u =ứ ∫ Edl i = và∫ Hdl

Là m t đo n m ch g m nh ng ph n t ghép n i ti p nhau, trong đó ộ ạ ạ ồ ữ ầ ử ố ế

có cùng m t dòng đi n ch y, không bi n thiên theo to đ không gian ộ ệ ạ ế ạ ộ

d c theo nhánh và ch bi n thiên theo th i gian t (trên hình 1.1 là: nhánh ọ ỉ ế ờ

+ Cây: là m t ph n c a m ch g m các nhánh (g i là cành) n i đ các ộ ầ ủ ạ ồ ọ ố ủnút theo m t k t c u h không có vòng nào S lộ ế ấ ở ố ượng cành trong cây là n-1 (trên hình 12a,b,c th hi n là các nét li n) ể ệ ề

Hình1.2a,b,c

+ Bù cây: ph n m ch còn l i bù v i cây đ t o thành m ch hoàn ch nh ầ ạ ạ ớ ể ạ ạ ỉ

g i là bù cây S lọ ố ượng bù cây là m –n+1 (trên hình 12a,b,c th hi n là các nét ể ệ

đ t) ứ

§ 1-2 Các thông s tr ng thái và các quá trình ố ạ năng l ượ ng trong nhánh

1 Dòng đi n i(t): ệ

2 Đi n áp u(t) ệ

2 Công su t đi n t p(t) ấ ệ ừ

§ 1-2 Các thông s tr ng thái và các quá trình ố ạ năng l ượ ng trong nhánh

1 Dòng đi n i(t): ệ

2 Đi n áp u(t) ệ

2 Công su t đi n t p(t) ấ ệ ừ

1 Dòng đi n i(t) ệ

Xét s đ m ch hình 1.3:ơ ồ ạ

Là dòng chuy n d i có hể ờ ướng c a các đi n tích t do, chi u c a dòng ủ ệ ự ề ủ

đi n là chi u chuy n đ ng c a các đi n tích dệ ề ể ộ ủ ệ ương Trong m ch đi n, chi u ạ ệ ề

dương c a dòng đi n đủ ệ ược ch n tuỳ ý, ví d nhánh ab trên hình 1.3, n u ta ọ ụ ếqui ước dòng ch y t a đ n b là dạ ừ ế ương (iab > 0) thì dòng ch y t b đ n a s ả ừ ế ẽ

âm (i2 Đi n áp u(t)ba < 0).ệ

Ta g i hi u đi n th gi a hai nút là đi n áp r i trên ph n t n i 2 nút đó ọ ệ ệ ế ữ ệ ơ ầ ử ố

Tương t nh dòng đi n, trong m ch đi n chi u dự ư ệ ạ ệ ề ương c a đi n áp đủ ệ ược

ch n tuỳ ý N u uab = ọ ế ϕa - ϕb > 0 thì uba = ϕb - ϕa < 0 Thông thường, chi u ề

dương c a đi n áp đủ ệ ược ch n trùng v i chi u dọ ớ ề ương c a dòng đi n ủ ệ

1 Công su t p(t) ấ

Hay còn g i là công su t ti p nh n p(t) đọ ấ ế ậ ược đ nh nghĩa b ng tích ị ằcác giá tr t c th i c a đi n áp và dòng đi n:p(t) = u(t)i(t) Công su t ị ứ ờ ủ ệ ệ ấ

đi n t cũng có th dệ ừ ể ương ho c âm tuỳ thu c vào vi c qui ặ ộ ệ ước chi u ề

và giá tr c a đi n áp và dòng đi n trong nhánh:ị ủ ệ ệ

Chú ý: Trong m t m ch đi n có nhi u nhánh thì b thông s uộ ạ ệ ề ộ ố k(t) ,

ik(t) cũng đ c tr ng cho quá trình năng lặ ư ượng trong m ch Lúc đó công ạ

su t ti p nh n đấ ế ậ ược tính: p(t) = u i + u i + + u i

§ 1-3 Các thông s đ c tr ng c b n c a m ch ố ặ ư ơ ả ủ ạ

1 Nh ng hi n t ữ ệ ượ ng năng l ượ ng c b n x y ra trong ơ ả ả

m ch ạ

2 Các thông s đ c tr ng cho hi n t ố ặ ư ệ ượ ng ngu n ồ

3 Thông s đ c tr ng cho hi n t ố ặ ư ệ ượ ng tiêu tán-đi n tr ệ ở

R

4 Thông s đ c tr ng cho hi n t ố ặ ư ệ ượ ng tích phóng năng

l ượ ng t tr ừ ườ ng - Đi n c m L ệ ả

5 Thông s đ c tr ng cho hi n t ố ặ ư ệ ượ ng tích phóng năng

l ượ ng đi n tr ệ ườ ng - Đi n dung C ệ

6 S đ m ch đi n ơ ồ ạ ệ

§ 1-3 Các thông s đ c tr ng c b n c a m ch ố ặ ư ơ ả ủ ạ

1 Nh ng hi n t ữ ệ ượ ng năng l ượ ng c b n x y ra trong ơ ả ả

m ch ạ

2 Các thông s đ c tr ng cho hi n t ố ặ ư ệ ượ ng ngu n ồ

3 Thông s đ c tr ng cho hi n t ố ặ ư ệ ượ ng tiêu tán-đi n tr ệ ở

R

4 Thông s đ c tr ng cho hi n t ố ặ ư ệ ượ ng tích phóng năng

l ượ ng t tr ừ ườ ng - Đi n c m L ệ ả

5 Thông s đ c tr ng cho hi n t ố ặ ư ệ ượ ng tích phóng năng

l ượ ng đi n tr ệ ườ ng - Đi n dung C ệ

6 S đ m ch đi n ơ ồ ạ ệ

1 Nh ng hi n t ữ ệ ượ ng năng l ượ ng c ơ

- Hi n t ệ ượ ng t o ngu n: ạ ồ hay còn g i là hi n tọ ệ ượng ngu n là quá trình ồ

bi n các ngu n năng lế ồ ượng khác nhau nh : nhi t năng, hoá năng, c năng, ư ệ ơv.v thành đi n năng :ệ

- Hi n t ệ ượ ng tiêu tán: là quá trình chuy n năng lể ượng đi n thành các ệ

d ng năng lạ ượng khác nhau nh : nhi t năng, hoá năng, c năng, v.v ư ệ ơ

1 Nh ng hi n t ữ ệ ượ ng năng l ượ ng c ơ

+ Hi n t ệ ượ ng tích lu : ỹ là quá trình c t gi năng lấ ữ ượng đi n t vào ệ ừkhông gian xung quanh thi t b đi n mà không tiêu tán Khi trế ị ệ ường đi n t ệ ừtăng lên thì năng lượng đi n t đệ ừ ược tích lu thêm vào không gian Khi ỹ

trường đi n t gi m đi năng lệ ừ ả ượng đó l i đạ ược đ a ra cung c p cho các ph n ư ấ ầ

t khác Vì v y hi n tử ậ ệ ượng tích lu còn g i là hi n tỹ ọ ệ ượng tính phóng

2 Các thông s đ c tr ng cho hi n ố ặ ư ệ

Đ đ c tr ng cho hi n tể ặ ư ệ ượng t o ngu n, ta dùng ngu n áp u(t) và ngu n ạ ồ ồ ồdòng j(t)

+ Ngu n áp u(t) hay ngu n s c đ ng đi n e(t) ồ ồ ứ ộ ệ là

m t thông s c a m ch đi n, nó đ c tr ng cho kh năng ộ ố ủ ạ ệ ặ ư ả

duy trì trong m ch m t đi n áp hay m t s c đi n đ ng ạ ộ ệ ộ ứ ệ ộ

bi n thiên theo qui lu t nh t đ nh, không ph thu c m ch ế ậ ấ ị ụ ộ ạ

ngoài Tuỳ theo m ch ngoài mà dòng đi n trong m ch có ạ ệ ạ

nh ng giá tr khác nhau Ký hi u ngu n áp nh hình 1.4a ữ ị ệ ồ ư

2 Các thông s đ c tr ng cho hi n ố ặ ư ệ

+ Ngu n dòng J(t) ồ là m t thông s c a m ch đi n, nó ộ ố ủ ạ ệ

đ c tr ng cho kh năng duy trì trong m ch m t dòng đi n ặ ư ả ạ ộ ệ

J(t) bi n thiên theo qui lu t nào đó không ph thu c vào ế ậ ụ ộ

m ch ngoài Tuỳ theo m ch ngoài mà đi n áp trên hai c c ạ ạ ệ ự

c a ngu n có nh ng giá tr khác nhau Ký hi u ngu n dòng ủ ồ ữ ị ệ ồ

- T các đ nh nghĩa trên ta d dàng th y r ng ngu n áp có t ng tr trong ừ ị ễ ấ ằ ồ ổ ở

b ng không còn ngu n dòng có t ng tr trong b ng vô cùng.ằ ồ ổ ở ằ

dùng khái ni m ngu n áp, song trong m t s trệ ồ ộ ố ường h p nh ngu n n p ợ ư ồ ạ

c qui, ngu n c a các b m , b đi n phân

ắ ồ ủ ể ạ ể ệ … thường s d ng khái ni m ử ụ ệ

ngu n dòng.ồ

3 Thông s đ c tr ng cho hi n t ố ặ ư ệ ượ ng

Hi n tệ ượng tiêu tán trong nhánh được đ c tr ng b i thông s g i là ặ ư ở ố ọ

đi n tr c a nhánh, ký hi u là R (hình 1.5) R đ c tr ng riêng cho quá trình ệ ở ủ ệ ặ ư

tiêu tán c a nhánh Trên ph n t đó công su t ti p nh n trong m i trủ ầ ử ấ ế ậ ọ ường

h p đ u không âm, nghĩa là đi n áp và dòng đi n qua R luôn cùng chi u ợ ề ệ ệ ề

nhau Chúng liên h v i nhau qua bi u th c ệ ớ ể ứ

c a đ nh lu t Ôm: uủ ị ậ R = R.i hay R = uiR (1.1)

Đi n tr R có th là h ng s ho c là hàm c a dòng đi n Trong ệ ở ể ằ ố ặ ủ ệ

trường h p đ n gi n nh t R là h ng s (R = const) và g i là đi n tr ợ ơ ả ấ ằ ố ọ ệ ởtuy n tính Đ n v c a đi n tr là ế ơ ị ủ ệ ở Ω

3 Thông s đ c tr ng cho hi n t ố ặ ư ệ ượ ng

* ý nghĩa c a đi n tr và đi n d n: ủ ệ ở ệ ẫ

Trong k thu t ta còn dùng thông s ngh ch đ o c a đi n tr , g i là ỹ ậ ố ị ả ủ ệ ở ọ

đi n d n, ký hi u là g, v i , đ n v c a g là Simen (S) Khi đó quan ệ ẫ ệ ớ ơ ị ủ

g u R

1

+ V m t v t lý: ề ặ ậ T công th c 1.1 nói lên đ l n bé c a áp trên ừ ứ ộ ớ ủnhánh thu n tr dầ ở ưới tác d ng c a ngu n dòng kích thích T (1.2) nói lên ụ ủ ồ ừ

đ l n c a dòng đi n qua nhánh dộ ớ ủ ệ ưới tác d ng c a ngu n áp trên nhánh ụ ủ ồ

đi n d n g.ệ + V m t năng lẫề ặ ượ ng: ta có p = u i = Ri2 = gu2 nói lên m c đ ứ ộ

tiêu tán công su t dấ ưới tác đ ng c a dòng đi n i.ộ ủ ệ

4 Thông s đ c tr ng cho hi n t ố ặ ư ệ ượ ng

c m L ảTrong k thu t ta còn dùng thông s ngh ch đ o c a đi n tr , g i là ỹ ậ ố ị ả ủ ệ ở ọ

đi n Khi có dòng đi n ch y qua cu n dây, trong lòng cu n dây và vùng ệ ệ ả ộ ộ ở

lân c n cu n dây t n t i m t t trậ ộ ồ ạ ộ ừ ường, t trừ ường này xuyên qua cu n ộ

dây v i m t thông lớ ộ ượng nào đó g i là t thông ọ ừ Ψ và không gian xung

quanh cu n dây tích lu m t năng lộ ỹ ộ ượng t trừ ường WM Dòng đi n càng ệ

l n, s vòng dây càng nhi u thì t thông và năng lớ ố ề ừ ượng t trừ ường càng

l n (hình 1.6) ớ

Hình 1.6

p(t) L i(t)

u(t)

4 Thông s đ c tr ng cho hi n t ố ặ ư ệ ượ ng

c m L ảTheo đ nh lu t Lenx-Faraday ta có đi n áp trên ị ậ ệ

Hình 1.6

p(t) L i(t)

uL(t))

4 1

( dt

di

L dt

di di

d dt

d L

V m t năng lề ặ ượng, đi n c m L cũng nói lên kh năng tích lu năng ệ ả ả ỹ

lượng t trừ ường vào không gian quanh cu n dây ộ

Th t v y: t bi u th cậ ậ ừ ể ứ i Lidtdi

dt

di L i.

u

4 Thông s đ c tr ng cho hi n t ố ặ ư ệ ượ ng

Hình 1.6

p(t) L i(t)

uL(t)

Ta có năng lượng t trừ ường tích lũy trong

không gian cu n dây L là:ộ 2

2

1 Lidi pdt

di

W d 2 L Ldi

Chú ý r ng trên ph n t đi n c m, công su t đi n t có th dằ ầ ử ệ ả ấ ệ ừ ể ương ho c ặ

âm, tương ng ph n t này có th nh n năng lứ ầ ử ể ậ ượng ho c phóng năng ặ

lượng

4 Thông s đ c tr ng cho hi n t ố ặ ư ệ ượ ng tích

C Khi đ t m t đi n áp u vào hai b n c c c a t đi n trên các b n c c ặ ộ ệ ả ự ủ ụ ệ ả ự

t s đụ ẽ ược n p nh ng đi n tích ±q và trong không gian gi a hai b n c c ạ ữ ệ ữ ả ự

s có m t đi n trẽ ộ ệ ường v i cớ ường đ E và doộ đó tích lu năng lỹ ượng đi n ệ

4 Thông s đ c tr ng cho hi n t ố ặ ư ệ ượ ng tích

6.1

(dt

du.C

.dt

du.du

dqdt

dq C

V ý nghĩa năng l ề ượ đi n dung C nói lên kh năng tích lu năng ng ệ ả ỹ

lượng đi n trệ ường vào không gian gi a 2 b n c c c a t đi n.ữ ả ự ủ ụ ệ

x t 2 sin I

U t cos 2 I t sin 2 U i

u

p C = C C = C ω C ω = C C ω = C C 2 ω = C ω

Công su t tiêu tán trung bình trong m t chu kỳ P:ấ ộ

0 dt t 2 sin Q

T

1 dt p T

1 P

T 0

T 0

C

C U I x I

G iọ là công su t ph n kháng (đ n v : Var)ấ ả ơ ị

Ch ươ ng 2

§ 2-4 Ph n ng c a nhánh r-L-C n i ti p đ i v i ả ứ ủ ố ế ố ớ kích thích d ng sin ạ

1 Quan h dòng đi n, đi n áp trong ệ ệ ệ

nhánh

2 Tam giác t ng tr ổ ở

Ch ươ ng 2

§ 2-4 Ph n ng c a nhánh r-L-C n i ti p đ i v i ả ứ ủ ố ế ố ớ kích thích d ng sin ạ

1 Quan h dòng đi n, đi n áp trong ệ ệ ệ

nhánh

2 Tam giác t ng tr ổ ở

1 Quan h dòng đi n, đi n áp ệ ệ ệ

r

Theo lu t Kirhof 2 ta có: u = uậ r + uL + uC (2.17)

Gi thi t dòng đi n trong m ch , ta đả ế ệ ạ i = I 2 sinωt ược:

) 2 t sin(

2 U ) 2 t sin(

2 U t sin 2 U

) 2 t sin(

2 I x ) 2 t sin(

2 I x t sin 2 rI u

u u u

C L

r

C L

r L C

π

− ω +

π + ω +

π + ω +

ω

= +

; U U 0

; U U

1 Quan h dòng đi n, đi n áp ệ ệ ệ

2

2 L L

2 2

C L

2 r 2

I x

x r

I x I x rI

U U

U U

− +

=

=

− +

=

− +

2

x r

x x

r I

1 Quan h dòng đi n, đi n áp ệ ệ ệ

trong nhánh

- Góc l ch pha gi a đi n áp và dòng đi n:ệ ữ ệ ệ

r

x arctg r

x x

arctg U

U U

1 Quan h dòng đi n, đi n áp trong nhánh ệ ệ ệ

T công th c c a ừ ứ ủ ϕ:

- Khi xL > xC ⇒ ϕ >0 đi n áp v ệ ượ t tr ướ c dòng đi n - m ch có tính ch t đi n ệ ạ ấ ệ

c m ả - Khi xL < xC ⇒ ϕ <0 đi n áp ch m pha so v i dòng đi n - m ch có tính ch t ệ ậ ớ ệ ạ ấ

đi n dung ệ

- Khi xL = xC ⇒ ϕ =0 đi n áp trùng pha v i dòng đi n - m ch t a nh thu n ệ ớ ệ ạ ự ư ầ

tr ở

Ta th y các c p s ph n ng ( ấ ặ ố ả ứ z ; ϕ ) và (y; ϕ ) hoàn toàn quy t đ nh b i các giá ế ị ở

tr r, x c a nhánh, các công th c 2-19, 2-20 là công th c t ng quát cho m i nhánh: ị ủ ứ ứ ổ ọ

thu n tr , thu n c m, thu n dung, cũng nh m i k t h p r - L, r - C ho c L – C ầ ở ầ ả ầ ư ọ ế ợ ặ

n i ti p ố ế

T ng d n y: - đ n v : simen (s)ổ ẫ y = 1z ơ ị

2 2

= ϕ

nhánh, cũng r t ti n cho tính toán T tam giác ấ ệ ừ

t ng tr ta có th tính đổ ở ể ược 2 trong 4 lượng r,

x, và ϕ, khi bi t 2 lế ượng còn l i ạ

z

1 Các lo i công su t ạ ấ

a, Công su t tác d ng P ấ ụ

Ta g i công su t tiêu tán trung bình trong nhánh P = rI ọ ấ 2 là công su t tác d ng, ấ ụ

hi u theo nghĩa là nó có hi u l c bi n đi n năng thành các d ng năng l ể ệ ự ế ệ ạ ượ ng khác và sinh công Có đ n v oatt kí hi u w ơ ị ệ

b, Công su t ph n kháng Q ấ ả

Ng ườ i ta g i biên đ dao đ ng công su t c a các kho trong m t nhánh Q = xI ọ ộ ộ ấ ủ ộ 2

là công s t ph n kháng, có đ n v Var, nó nói lên kh năng dao đ ng năng l ấ ả ơ ị ả ộ ượ ng c a ủ các kho l n hay nh ớ ỏ

D a vào tam giác t ng tr , ta còn có: ự ổ ở

1 Các lo i công su t ạ ấ

D a vào tam giác t ng tr , ta còn có: ự ổ ở

Q = xI 2 = z sin ϕ I 2 = UIsin ϕ

- sin ϕ > 0 ⇒ ϕ > 0 m ch mang tính ch t c m: Q > 0 ạ ấ ả

- sin ϕ < 0 ⇒ ϕ < 0 m ch mang tính ch t dung: Q < 0 ạ ấ

c, Công su t toàn ph n (bi u ki n) S ấ ầ ể ế

Trong k thu t dòng xoay chi u còn dùng m t khái ni m n a là công su t công ỹ ậ ề ộ ệ ữ ấ

su t toàn ph n (bi u ki n), đ nh nghĩa là tích UI: ấ ầ ể ế ị

S = UI

Đ n v S quy đ nh là VA ơ ị ị

= UI sin S sin Q

Và do đó ta có: S 2 = P 2 + Q 2 ⇒ S = P 2 + Q 2

Và ta có th bi u di n 4 lể ể ễ ượng P, Q, S và ϕ b ng m t tam giác vuông, ằ ộ

có c nh huy n là S, hai c nh góc vuông là P và Q, góc h p b i c nh ạ ề ạ ợ ở ạhuy n S v i c nh góc vuông P là ề ớ ạ ϕ, g i là tam giác công su t Tam giác ọ ấcông su t đ ng d ng v i tam giác t ng tr ấ ồ ạ ớ ổ ở

2 H s công su t ệ ố ấ

+ ý nghĩa c a vi c nâng cao h s công su t cos ủ ệ ệ ố ấ ϕ :

M t nhánh có các thông s r, L, C xác đ nh thì h s công su t cos ộ ố ị ệ ố ấ ϕ

cũng xác đ nh Cos ị ϕ là ch tiêu k thu t quan tr ng v m t năng l ỉ ỹ ậ ọ ề ặ ượ ng

c a nhánh hay c a m t t i H s công su t càng cao thì s m t mát ủ ủ ộ ả ệ ố ấ ự ấ năng l ượ ng và s t áp trên đ ụ ườ ng dây ít, hi u su t truy n t i c a đ ệ ấ ề ả ủ ườ ng dây cao h n, ngu n phát đ ơ ồ ượ ở ụ c s d ng tri t đ h n ệ ể ơ

+ Bi n pháp nâng cao h s công su t cos ệ ệ ố ấ ϕ:

Bi n pháp đ n gi n nh t là m c song song v i các t i (thệ ơ ả ấ ắ ớ ả ường có tính

ch t đi n c m) nh ng t đi n chuyên dùng đ nâng cao h s công su t ấ ệ ả ữ ụ ệ ể ệ ố ấcosϕ (còn g i là bù t đi n tĩnh), hình 2-19a.ọ ụ ệ

2 H s công su t ệ ố ấ

Bi n pháp đ n gi n nh t là m c song song ệ ơ ả ấ ắ

v i các t i (thớ ả ường có tính ch t đi n c m) ấ ệ ả

nh ng t đi n chuyên dùng đ nâng cao h s ữ ụ ệ ể ệ ố

công su t cosấ ϕ (còn g i là bù t đi n tĩnh), ọ ụ ệ

2 H s công su t ệ ố ấ

- Khi đã bù: Theo lu t Kirhof 1 dòng đi n ậ ệ

trên đường dây: và h p v i đi n áp ợ ớ ệ

t

b < ϕ ⇒ cosϕ > cosϕϕ

Hình 2-19b

x y

2 t b

t t

U

P U

tg tg

cos

I U

I

ω

= ω

ϕ

− ϕ ϕ

= ω

=

⇒