Nguyên lý kỹ thuật điện điện tử 502 theo CT City and guinds ok

Mục đích:Sau khi kết thúc mô đun này, người học hiểu thêm về các quy định của kỹ thuật điện và điện tử. Những quy định này là nền tảng cho việc nghiên cứu hay các ứng dụng chuyên ngành trong lĩnh vực kỹ thuật điện và điện tử. Thông qua đơn vị này, người học sẽ nắm vững hơn về các mạng điện một chiều phức tạp, độ nhạy của mạch RLC để xen kẽ dạng sóng và hiệu suất của các mạng nhiều cổng. Người học sẽ áp dụng các kiến thức được học để giải quyết các vấn đề có liên quan đến kỹ thuật điện và điện tử.

Trang 1

GIÁO TRÌNH

LILAMA TECHNICAL & TECHNOLOGY COLLEGE 2

Address: Km 32 National Road 51, Long thanh District

Dong nai Province, Viet nam

ĐT: 061 355 8700 Fax: 061 355 8711

GIÁO TRÌNH NGUYÊN LÝ KỸ THUẬT ĐIỆN VÀ ĐIỆN TỬ

MÃ SỐ MÔN HỌC: 9209–02- 502

Đông Nai 2016

Trang 2

NGUYÊN LÝ KỸ THUẬT ĐIỆN VÀ ĐIỆN TỬ

MÃ SỐ MÔN HỌC: 9209–02- 502

Thời gian đào tạo: 95 giờ (35 giờ lý thuyết, 60 giờ thực hành)

Mục đích:Sau khi kết thúc mô đun này, người học hiểu thêm về các quy định của kỹ thuật

điện và điện tử Những quy định này là nền tảng cho việc nghiên cứu hay các ứng dụng chuyên ngành trong lĩnh vực kỹ thuật điện và điện tử

Thông qua đơn vị này, người học sẽ nắm vững hơn về các mạng điện một chiều phức tạp,

độ nhạy của mạch RLC để xen kẽ dạng sóng và hiệu suất của các mạng nhiều cổng Người học sẽ áp dụng các kiến thức được học để giải quyết các vấn đề có liên quan đến kỹ thuật điện và điện tử

Sau khi kết thúc mô đun này, người học có khả năng:

1.1 Tạo mô hình một mạch tương đương cho các mạch điện trở bán dẫn

1.2 Đánh giá giới hạn hiệu suất của mạch một chiều theo các điều kiện thiết kế cho sẵn 1.3 Đánh giá hiệu suất mạch trong điều kiện biến

Nội dung chi tiết

Dòng điện giới hạn hiệu suất, truyền công suất

Sau khi kết thúc mô đun này, người học có thể:

2 Hiểu được độ nhạy của mạch RLC khi luân phiên các hình thức sóng

Tiêu chí đánh giá

2.1 Tạo mô hình mạch RLC động

2.2 Phân tích đáp ứng tần số của mạch RLC điều chỉnh

2.3 Phân tích các yếu tố hiệu chỉnh hệ số công suất

2.4 Đánh giá hiệu ứng tạm thời trên mạch RLC

2.5 Đánh giá việc sử dụng thực tế của hiệu ứng tạm thời

3 Hiểu các khái niệm của lý thuyết điện từ

Trang 3

3.1 Phân tích điện trường tĩnh

3.2 Phân tích từ trường tĩnh

3.3 Đánh giá thời gian thay đổi điện trường và từ trường

3.4 Giải quyết các vấn đề liên quan đến sóng điện từ và đường dây truyền tải

Thời gian thay đổi điện trường và từ trường

Luật Faraday (dòng có nguồn gốc hình thức tích phân), Định lý của Stoke, phương trình Maxwell, ứng dụng của mạch và các lĩnh vực lý thuyết

Sóng và đường dây truyền tải điện

Đồng trục, hai dây và đường dây truyền tải ắc quy, vô tuyến truyền thông, trở kháng của đường dây tải điện, hệ số phản xạ, đường truyền có khe, biểu đồ smith, thông số tán xạ

Mục tiêu

4 Biết cách phân tích hệ thống điện khi mô hình hóa như mạng hai cổng

4.1 Giải thích các thông số được sử dụng trong mô hình hai cổng

4.2 Giải thích sự bắt nguồn của đầu vào và đầu ra phương trình tham số mô hình

Thông số

Z ( mô hình trở kháng); Y (mô hình dẫn nạp) và h (mô hình hỗn hợp); đại số ma trận cơ bản

Mục tiêu

5 Có thể phân tích các hệ thống điện khi mô hình hóa như mạng hai cổng

5.1 chuyển đổi các giá trị mạch sử dụng các thông số từ các mô hình khác nhau

5.2 giải quyết các vấn đề liên quan đến độ khuyếch đại của mô hình mạng hai cổng

Trang 4

CHƯƠNG 1 QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ TRONG MẠCH ĐIỆN

1 KHÁI NIỆM

Quá trình quá độ là quá trình biến đổi dòng điện ban đầu thành giá trị xác lập

Xét mạch điện như hình vẽ:

Trong đó: K là khóa dùng đóng mở mạch điện

Trước khi khóa K đóng i = 0 gọi là giá trị ban đầu

Khóa K đóng trong một thời gian dài thì dòng điện đạt đến giá trị xác lập là= E / R

Quá trình biến đổi từ giá trị ban đầu đến giá trị xác lập được gọi là quá trình quá độ

2 Mạch RL

2.1 Current growth in an L − R circuit

Tại t = 0 đóng khoá K lại Tìm cường độ dòng điện i(t) chạy trong mạch điện

Problem 8 A relay has an inductance of 100mH and a resistance of 20Ω It is connected to

a 60V, d.c supply determine the value of current flowing at a time equal to two time constants and the time for the current to grow to 1.5A

Trang 5

Before the current/time characteristic can be drawn, the time constant and steady-state value

of the current have to be calculated

Trang 6

2.2 Current decay in an L-R circuit

Problem 12 A coil having an inductance of 6H and a resistance

of R is connected in series with a resistor of 10 to a 120V d.c supply The time constant of the circuit is 300ms When steady-state conditions have been reached, the supply is replaced instantaneously by a short-circuit Determine:

(a) the resistance of the coil, (b) the current flowing in the circuit one second after the

shorting link has been placed in the circuit and (c) the time taken for the current to fall to 10 per cent of its initial value

Trang 7

3 Mạch RC

3.1 Charging a capacitor

Problem 1 A 15μF uncharged capacitor is connected in series with a 47kΩ resistor across a

120V d.c supply determine the capacitor voltage at a time equal to one time constant after being connected to the supply, and also two seconds after being connected to the supply Also, find the time for the capacitor voltage to reach one half of its steady-state value

To construct an exponential curve, the time constant of the circuit and steady-state value need to be determined

Trang 8

Problem 2 A 4μF capacitor is charged to 24V and then discharged through a 220kΩ

resistor determine the value of capacitor voltage, resistor voltage and current 1.5s after discharge has started

Problem 3 A 20μF capacitor is connected in series with a 50k resistor and the circuit is

connected to a 20V d.c supply Determine: (a) the initial value of the current flowing, (b) the time constant of the circuit, (c) the value of the current one second after connection, (d) the value of the capacitor voltage two seconds after connection and (e) the time after

connection when the resistor

voltage is 15V

Trang 9

Problem 5 A circuit consists of a 10μF capacitor connected in series with a 25 k resistor with a switchable 100 V d.c supply When the supply is connected, calculate (a) the time constant, (b) the maximum current, (c) the voltage across the capacitor after 0.5 s, (d) the current flowing after one time constant, (e) the voltage across the resistor after 0.1 s, (f) the time for the capacitor voltage to reach 45 V and (g) the initial rate of voltage rise

Trang 10

3.2 Discharging a capacitor

When a capacitor is charged, and the switch is then moved to position B, the electrons stored in the capacitor keep the current flowing for a short time Initially, at the instant of moving from A to B, the current flow is such that the capacitor voltage vC is balanced by an equal and opposite voltage v R =i R Since

initially v C = v R =V, then i = I =V/R During the transient decay, v C =v R

Finally the transients decay exponentially to zero, i.e v C = v R =0 The equations

representing the transient curves during the discharge period of a series connected C-R circuit are:

Problem 6 A capacitor is charged to 100V and then discharged through a 50k resistor If

the time constant of the circuit is 0.8s, determine: (a) the value of the capacitor, (b) the time for the capacitor voltage to fall to 20V, (c) the current flowing when the capacitor has been discharging for 0.5s and (d) the voltage drop across the resistor when the capacitor has been discharging for one second

Trang 11

4 ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP TOÁN TỬ LAPLACE GIẢI BÀI TOÁN QUÁ ĐỘ

BẢNG BIẾN ĐỔI LAPLACE

Trang 12

Nếu biết hàm ảnh

(2.32)

ta có thể tìm được hàm gốc theo công thức sau::

(2.33) Trong đó '

2 P (P K ) là đạo hàm của đa thức P 2 (p) tại điểm P = P K

Trang 13

Cho mạch vòng kín gồm R - L - C nối tiếp đặt vào điện áp u ta có::

Chuyển sang biến đổi Laplace ta được :

Trang 14

Công thức trên tương ứng với sơ đồ toán tử của hình (26) dưới đây

Trong đó: L.i(0) và

đặc trưng cho điều kiện đầu của bài toán

4.2 Sơ đồ toán tử Laplace

4.3 Thuật toán tính quá trình quá độ bằng phương pháp toán tử

Bước 1: Xác định các điều kiện ban đầu

Bước 2: Lập sơ đồ toán tử, giải sơ đồ toán tử theo các phương pháp đã biết tìm I(p) Bước 3: Dùng biến đổi Laplace ngược để tìm hàm gốc i(t)

4.4 Bài toán quá độ với các điều kiện ban đầu bằng 0

Ví dụ 7 Cho mạch điện như hình vẽ

Tại t = 0 đóng khoá K, tìm i(t)

Lời giải

Bước 1: Xác định điều kiện ban đầu

Theo đề bài tại t = 0 đóng khóa K để tìm i(t) Trước khi khóa K đóng thì mạch điện hở Vì thế các điều kiện ban đầu đều bằng không

Bước 2: Biến đổi các thông số

Trước khi muốn giải một bài toán quá trình quá độ ta phải biến đổi các thông số về dạng Laplace và đại số hóa mạch điện (tức là đưa mạch điện về sơ đồ tương đương dưới dạng Laplace)

Trang 15

Sơ đồ tương đương Laplace:

Bước 3: Tính toán các giá trị theo biến đổi Laplace

Ta có: Tổng trở của mạch điện là như sau:

Cường độ dòng điện chạy qua mạch:

Bước 4: Phân tích

Tìm A và B bằng cách lấy giới hạn

Thời gian quá độ là:

Trang 16

4.5 Bài toán quá độ với các điều kiện ban đầu khác 0

a Cuộn dây Coil

b Đối với tụ điện

Điện áp ban đầu trên tụ:

Ví dụ 8 : Cho mạch điện như hình vẽ

Yêu cầu:

Tại t = 0 mở khóa K, tìm cường độ dòng điện i(t) chạy trong mạch điện

Lời giải

Tại t = 0 mở khóa K, do đó trước t = 0 thì mạch điện đang hoạt động Vậy ta phải xác định điều kiện ban đầu:

+ Xác định dòng điện đi qua cuộn dây trước khi khóa K mở ra:

Trang 17

Đại số hóa mạch điện (tức là biến đổi mạch điện về sơ đồ tương đương dưới dạng Laplace)

Sơ đồ tương đương:

Bước 3: Tính toán các thông số theo Laplace

Tìm A và B bằng cách lấy giới hạn

Trang 18

Ví dụ 9 : Cho mạch điện như hình vẽ

Yêu cầu:

Tại t = 0 đóng khóa K, tìm cường độ dòng điện i(t) chạy trong mạch điện?

Lời giải

Tại t = 0 đóng khóa K, do đó trước t = 0 thì mạch điện đang hoạt động Vì vậy ta phải xác định điều kiện ban đầu

Cường độ dòng điện chạy qua mạch khi khóa K chưa đóng lại:

Đại số hóa mạch điện (đưa về mạch điện tương đương dưới dạng Laplace)

Mạch điện tương đương dưới dạng Laplace :

Bước 3: Tính toán các thông số theo Laplace

Trang 19

R 0

Tại thời điểm t=0 khóa K đóng lại Hãy xác định:

- Biểu thức điện áp quá độ trên tụ điện (tụ chưa được tích điện trước khi K đóng)

- Dòng điện quá độ trong mạch

- Xác định hằng số thời gian của mạch và vẽ dạng uCqđ(t), iqđ(t)

+ Tại t=0 khóa K đóng lại, mạch điện xảy ra quá trình quá độ Điện áp quá độ trên tụ điện được xác định theo phương pháp tích phân kinh điển gồm các bước:

+ Bước 1: Giải mạch điện khi t<0

Khi t<0 khóa K đang mở, điện áp trên tụ điện bằng 0

 uC(0-) = 0

+ Bước 2: Giải mạch khi t>0

Điện áp quá độ trên tụ điện có dạng: uCqđ(t) = uCxl(t)+ uCtd(t)

Trang 20

t 0

10A

u C

t 0



+ Bước 3: Tìm sơ kiện

Theo định luật đóng –cắt về dòng điện: uC(0+) = uC(0-) = 0

A e e

dt

t du

6

.10

50000

10.200)

()

Trang 21

5 PHÂN TÍCH MẠCH TRONG MIỀN TẦN SỐ

5.1 Hàm truyền đạt

Ta có thể xác định được tất cả các dòng điện và điện áp trên các phần tử mạch, ở mọi trạng thái của mạch Trong thực tế đôi khi người ta không quan tâm đến toàn bộ mạch, mà chỉ chú

ý đến một bộ phận nào đó Trong trường hợp như vậy người ta tìm ra một cách khác để mô

tả mạch, trong đó chỉ chú ý đến các đại lượng mà ta cần tìm và quan hệ của nó với nguồn tác động Mạch trong trường hợp này được xét với khái niệm “tác động - đáp ứng” (hay là nhân quả), cũng đồng nghĩa với khái niệm truyền đạt “Vào -Ra”

5.2 ĐỊNH NGHĨA HÀM TRUYỀN ĐẠT

Giả thiết rằng, tại t = 0 mạch được tác động bởi nguồn áp hay nguồn dòng (ký hiệu là hàm x(t), và đại lượng cần xét là dòng hoặc áp ở đầu ra ký hiệu là y(t)) Với x(t) và y(t) xuất hiện trên các cực của mạch Khi điều kiện đầu bằng 0, hàm truyền đạt được định nghĩa như sau:

Y(p) = L[y(t)]

X(p) = L[x(t)]

Hàm truyền đạt là một hàm đặc trưng cho các tính chất của mạch, một khi đã biết W(P) ta

có thể tìm được đáp ứng của mạch đối với một tác động bất kỳ theo biểu thức sau::

Y(p) = W(p).X(p)

y(t) = L–1[Y(p)]

Để quan hệ giữa x(t) và y(t) là đơn trị, thì điều kiện đầu phải bằng 0.

Hàm truyền của 2 cực là trở kháng hay dẫn nạp tùy theo các đại lượng vào ra được chọn là dòng hay áp Khi x(t) = u(t) và y(t) = i(t), thì hàm truyền của 2 cực sẽ là dẫn nạp.

Khi x(t) = i(t) và y(t) = u(t), thì hàm truyền của 2 cực sẽ là trở kháng:

(Chú thích: Từ “hàm truyền đạt” hay “truyền đạt” thường được dùng cho mạng hai cửa (4 cực) vì nó mang ý nghĩa truyền đạt tín hiệu Khi dùng cho 2 cực, nó chỉ có ý nghĩa là trở kháng hay dẫn nạp của 2 cực đó)

Ví dụ 11 : Cho mạch điện như hình vẽ

u1(t): tín hiệu vào của mạch (x(t))

u2(t): tín hiệu ra của mạch (y(t))

Tính hàm truyền

Trang 22

Lời giải

Bước 1: Đưa mạch về sơ đồ toán tử Laplace

X(p) = U1(p)

Y(p) = U2(p)

Step 2 : Determine the voltage transfer function :

Example 12 : For the circuit as shown

Count voltage transfer function W ( p )

Trang 23

U R R

I O

CHƯƠNG 4: DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN 4.1 Introduction:

Dòng điện xoay chiều là dòng điện thay đổi cả chiều và trị số theo thời gian

Dòng điện xoay chiều thường là dòng điện biến đổi tuần hoàn, nghĩa là cứ sau một khoảng thời gian nhất định, nó lặp lại quá trình biến thiên cũ

Khoảng thời gian ngắn nhất để dòng điện lặp lại quá trình biến thiên cũ gọi là chu kỳ

Ký hiệu: T, Đơn vị: sec(s)

KHz Hz

MHz

Hz KHz

3 6

3

10 10

1

10 1

(*) (4.4)

(4.5) (4.6)

4.3 Giải mạch điện xoay chiều không phân nhánh

a Mạch điện xoay chiều thuần điện trở

Trong nhánh thuần điện trở, trị hiệu dụng của dòng điện tỉ lệ thuận với trị hiệu dụng của điện áp đặt vào nhánh, tỉ lệ nghịch với điện trở nhánh

R U

Trang 24

U O

L U

O

b Mạch điện xoay chiều thuần điện cảm

t I

L dt

t I

d L dt

di L e

)

2 sin(

2 )

2 sin(

2

c Mạch điện xoay chiều thuần điện dung

So sánh giữa biểu thức điện áp u và dòng điện ta thấy: dòng điện

và điện áp có cùng tần số song lệch pha nhau một góc

C dt

t U

d C dt

2 cos

.

2 2

1



(4.22)

X c

1



4.4 Giải mạch xoay chiều RLC

dòng điện iI 2 sint qua nhánh R-L-C mắc nối tiếp sẽ tạo nên thành phần điện áp

giáng tương ứng

t U

.

2

.  

t U

.

2

.  

t U

u C C  UC I.X C (4.27)

C L

R u u

u

u   (4.28)

C L

L

L L X U

Trang 25

Q  L C (4.35)



sin I U X

U X   (4.36)

(4.37)

c) Công suất biểu kiến S:

2 2

.I P Q U

sin cos

S Q

(4.39)

P : W, kW, MW

Q : Var, kVAr, MVAr

S : VA, kVA, MVA

Ví dụ 1: Một cuộn dây có điện trở R = 10, điện cảm L 0 , 318 101H  1 101H,

mắc nối tiếp với C 1 103F, có U = 200V, f = 50Hz

1 2

1 50 2

1 2

.

1

R



sin I2 U I X

2 2

Q P

Trang 26

U

C U

I

U L  L  20 10 2  200 2

 V X

0



   mạch có tính thuần trở d) Các thành phần trong tam giác công suất:

 W 4000 20

10 2  2 

R I P

L C



(4.41)

Ví dụ 2: Cho mạch R-L-C nối tiếp nhau như hình vẽ Điện áp nguồn U = 200V, f =

50Hz Xác định C để mạch có cộng hưởng nối tiếp Tính dòng điện I và điện áp trên các phần tử và UR , UL và UC

f X

C

C C

6

10 37 , 6 500 50 2

1

U R   200

Điện áp trên điện cảm:

 V I

X

U L  L  500 2  1000

Điện áp trên điện dung:

 V I

Trang 27

sc là dòng điện tạo bởi mạch A với nguồn v bị nối

Hệ thức diễn tả mạch A trong trường hợp tổng quát nên nó đúng trong mọi trường hợp

Trường hợp a, b để hở (Open circuit), dòng i = 0 A, phương trình thành:

Nội dung của định lý được phát biểu như sau:

Một mạch lưỡng cực A có thể được thay bởi một nguồn hiệu thế v

oc nối tiếp với một điện trở R

th còn được gọi là điện trở tương đương của mạch A thụ động

* Và định lý Norton được phát biểu như sau:

Một mạch lưỡng cực A có thể được thay thế bởi một nguồn dòng điện i

sc song song với điện trở R

th Trong đó i

sc là dòng điện ở lưỡng cực khi nối tắt và R

th là điện trở tương đương mạch A thụ động

Thí dụ

Vẽ mạch tương đương Thevenin và Norton của phần nằm trong khung của mạch

Giải:

Trang 29

Thí dụ : Tìm dòng điện i trong mạch

Định dạng
Số trang	58
Dung lượng	2,73 MB