Bài giảng Kỹ thuật điện B: Chương 1 - Mạch điện một chiều

Chương 1 giúp người học hiểu về Mạch điện một chiều. Nội dung trình bày cụ thể gồm có: Khái niệm và cấu trúc hình học của mạch điện, các đại lượng cơ bản của mạch điện, các phần tử cơ bản của mạch điện, hai định luật Kirchoff,...

GIỚI THIỆU MÔN HỌC

KỸ THUẬT ĐIỆN B

giải một bài tốn về mạch điện.

- Tìm hiểu và phân tích các vấn đề cơ bản của máy biến áp và động cơ điện khơng đồng bộ, các phương pháp mở máy và điều khiển tốc độ động cơ

ồ khơng đồng bộ.

GIỚI THIỆU MÔN HỌC

KỸ THUẬT ĐIỆN B

Tài liệu tham khảo

[1] Kỹ thuật điện Nguyễn Kim Đính NXB Đại học

[1] Kỹ thuật điện – Nguyễn Kim Đính, NXB Đại học quốc gia TP HCM, 2005

NỘI DUNG NỘI DUNG

Chương 1 : Mạch điện một chiều

Chương 2 : Mạch điện xác lập điều hòa Chương 3 : Mạch điện 3 pha g p

Chương 4 : Máy biến áp

Chương 5 : Động cơ không đồng bộ

CHƯƠNG 1 MACH ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1 KHÁI NIỆM VÀ CẤU TRÚC HÌNH HỌC CỦA

MACH 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 g g p g ä chạy qua.

Các phần tử của mach điện bao gồm :

- Nguồn điện : biến các dạng năng lượng khác (cơnăng nhiệt năng ) thành điện năng

nang, nhiệt nang…) thanh điện nang

- Tải : biến điện năng thành các dạng năng lượng

kh ù

khác

2/ Cấu trúc hình học của mạch

ƒ Nhánh : là một đường duy nhất gồm một hay nhiều ä g y g ä y phần tử ghép nối tiếp; trong đó có cùng một dòng điện chạy qua y q

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

ƒ Vòng : là tập hơp nhiều nhánh tao thành một vòng

ƒ Vong : la tập hợp nhieu nhanh tạo thanh một vong

kín

V ø ét lưới l ø ø ø b â t kh â ø h ù

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

một vòng nào khác.

1.2 CÁC ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐIỆN

1.2 CÁC ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐIỆN

2/ Điện áp

Điện áp qua phần tử là công để mang điện tích ä p q p g g ä +1C đi qua phần tử từ đầu này sang đầu kia Đó cũng là hiệu điện thế giữa 2 đầu của phần tử ä ä g p

Đơn vị của điện áp là Volt – V

uAB = uA – uB, trong đó ug AA, uBB 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.

1.2 CÁC ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐIỆN

3/ Công suất

Nếu chọn chiều dòng điện và điện áp trên phầnï g ä ä p ptử đó cùng chiều, công suất tiêu thụ của phần tử đượctính bằng :g

p = u i

Nếu :

ƒ p > 0 hay chiều thực tế của u và i trùng nhau :

h à tử ti â th â át (t ûi)

phần tử tiêu thụ công suất (tải)

ƒ p < 0 hay chiều thực tế của u và i ngược nhau :

phần tử phát ra công suất (nguồn phát)

1.2 CÁC ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐIỆN

4/ Điện năng

Nếu u và i phụ thuộc thời gian t Điện năng tiêup ï ä g ä g

thụ bởi phần tử trong thời gian từ t 0 đến t là:

i t u dt

t p

1.3 CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐIỆN

à

1/ Nguồn áp lý tưởng (độc lập)

Nguồn áp lý tưởng là nguồn có khả năng tạo nên g p y g g g ï

và duy trì một điện áp u không đổi giữa hai đầu, và

không phụ thuộc vào dòng điện qua nguồn g p ï ä g ä q g

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

e = u = u A – u B và không phụ thuộc i

1.3 CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐIỆN

à

2/ Nguồn dòng lý tưởng (độc lập)

Nguồn dòng lý tưởng là nguồn có khả năng tạo g g y g g g ï nên và duy trì một dòng điện không đổi chạy qua nhánh của nguồn dòng và không phụ thuộc và điện áp g g g p ï ä ä p

ở hai đầu nguồn dòng đó.

j = i và không phu thuộc vào u

1.3 CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐIỆN

1.3 CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐIỆN

.

G R

u i.

R i.

u p

2 2

p

1.3 CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐIỆN

L là điện cảm, đơn vị của L là Henry (H)

Năng lượng từ trường tích lũy trong cuộn dây :

) (

2

1 )

( t L i 2 t

1.3 CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐIỆN

C

C là điện dung, đơn vị của C là Farad (F)

Năng lượng điện trường tích lũy trong tụ điện :

1

) (

2

1 )

( t C u 2 t

GHI NHỚ

Chiều qui ước của dòng và áp trên các phần tửq g p pnhư sau :

- Nguồn áp lý tưởng : chiều điện áp ngược chiều với

chiều của sức điện độngg

- Nguồn dòng lý tưởng : chiều dòng điện cùng chiều

với chiều của nguồn dòng g g

- Các phần tử thụ động : điện trở, cuộn cảm, tụ điện

thì áp và dòng cùng chiều p g g

1.4 HAI ĐỊNH LUẬT KIRCHOFF (Kiếcshốp)

1/ Định luật Kirchoff 1 (ĐK1)

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

- Dòng rời nút thì trừ

1.4 HAI ĐỊNH LUẬT KIRCHOFF (Kiếcshốp)

2/ Định luật Kirchoff 2 (ĐK2)

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

0

- Áp ngươc chiều thì trừ

2 2 1

1 2

1 E i .R i .R

1.4 HAI ĐỊNH LUẬT KIRCHOFF (Kiếcshốp)

1/ Định luật Kirchoff 2 (ĐK2)

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

R i E

trong đo :

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

i nào cùng chiều thì cộng i nào ngươc chiều thì trừ

- i nao cung chieu thì cộng, i nao ngược chieu thì trư

1.4 HAI ĐỊNH LUẬT KIRCHOFF (Kiếcshốp)

1/ Định luật Kirchoff 2 (ĐK2)

Áp dụng định luật Kirrchoff 2 để tìm điện áp p ï g ị ä ä p tại 2 điểm bất kỳ trong mạch điện :

Khi cần tìm điện áp tai 2 điểm bất kỳ (ví du như

UAB) nào đó trong mạch điện, ta có thể ứng dụngĐK2 như sau :

Chọn đường đi từ điểm này (A) đến điểm kia (B) ngang qua các phần tử mà đã biết trước điện áp Trên

ngang qua cac phan tư ma đa biet trươc điện ap Tren đường đi điện áp nào cùng chiều thì ta cộng, điện áp nào ngươc chiều thì ta trừ

nao ngược chieu thì ta trư.

U AB = U cùng chiều - U ngược chiều

Ví dụ 1.1

Tìm giá trị điện trở R trên hình vẽ :

Ví dụ 1.2

Tính dòng điện I3 và các sức điện động E1, E3trong mạch điện như hình vẽ Cho biết I2 = 10A;

I1=4A; R1 = 1 Ω; R2 = 2Ω; R3 = 5Ω

1.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI MẠCH ĐIỆN DC

å

1/ Phương pháp biến đổi tương đương

a) ) Biến đổi nguồn điện tương đương g ä g g

Một nguồn áp thực tế gồm sức điện động E nối tiếp với điện trở R có thể biến đổi thành nguồn dòngtiep vơi điện trơ Rn co the bien đoi thanh nguon dong

J song song với Rn và ngược lại

b) Biến đổi điện trở tương đương

Điện trở mắc nối tiếp

R tđ = R 1 + R 2 + … +R n

Điện trở mắc song song

* Khi chỉ có 2 điện trở R1 và

R2 mắc song song, điện trở tương đương của chúng là:

1 1

1

2

1 td

R R

R

R R

b) Biến đổi điện trở tương đương

Biến đổi sao (Y) thành tam giác (Δ) và ngươc lai

™ Biến đổi từ sao thành tam giác Y → Δ

1 12

.

R R R

R

R R

2 23

.

R R R

R

R R

3 31

.

R

R

R R

R

R = + + 12 23 31

b) Biến đổi điện trở tương đương

Biến đổi sao (Y) thành tam giác (Δ) và ngươc lai

™ Biến đổi từ tam giác thành sao Δ → Y

31

12 R

R R

12 23

31 23

12

31

12 1

R

R R

R R

R

R

+ +

=

Khi hình tam giác đối xứng thì ta có :

23 31

31 23

12

12

23 2

R R

R R

R

R

R R

+ +

=

R 12 = R 23 = R 31 = R

R R R R/3

31 23

12

23

31 3

R R

R

R

R R

+ +

= R 1 = R 2 = R 3 = R/3

VÍ DỤ: Tính dòng điện I chạy qua nguồn của mạch điện như

2 R

R R

Ω

= +

+

= +

+

18 6

12

6 12

0 2

1

2 1

R R

R

R R

R A

Dòng điện chạy qua nguồn : = Ω

+ +

= +

+

18 6

12

18 12

0 2

1

0 1

R R

R

R R

R B

6 18

R

+ +

+

+ +

=

8 ) 21 3

).(

6 6 (

) ).(

(

4 3

4 3

R R

R R

R R

R R

R

C B

C B

OD 12Ω

8 2

2 R

R R

= +

+

18 6

12

6 18

0 2

1

2 0

R R

21 3

6 6

A R

1.5.2 Phương pháp dòng điện nhánh

¾ Bước 3 : Viết phương trình ĐK1 cho (n-1) nút đã chọn.

¾ Bước 4 : Viết phương trình ĐK2 cho (m-n+1) mach

vòng độc lập

¾ Bước 5 : Giải hệ thống m phương trình đã thiết lập ta

¾ Bươc 5 : Giai hệ thong m phương trình đa thiet lập, ta được dòng điện trong các nhánh.

Ví dụ: Áp dụng phương pháp dòng điện nhánh, tính dòng

điện trong các nhánh của mach điện như hình vẽ

điện trong cac nhanh cua mạch điện như hình ve

- Bước 1 : Mạch điện có n = 2 nút , m = 3 nhánh.

- Bước 2 : Vẽ chiều dòng điện các nhánh I Bươc 2 : Ve chieu dong điện cac nhanh I11, I , I22, I , I33 như hình như hình

- Bước 3 : Số nút cần viết phương trình ĐK1 là : n – 1 = 1

3 2

1 − + =

Ví dụ: Áp dụng phương pháp dòng điện nhánh, tính dòng

điện trong các nhánh của mach điện như hình vẽ

điện trong cac nhanh cua mạch điện như hình ve

- Bước 4 : Số mạch vòng cần viết phương trình ĐK2 là : m –

n + 1 = 3 – 2 + 1 = 2 Ta chọn 2 mạch vòng (a) và (b) như ï ï g ( ) ( ) hình vẽ Phương trình ĐK2 cho vòng (a) và (b) :

) 2 (

22

47 10

. 1 2 2 1 2

1

1 R I R I I I

E1 = 1 1 + 2 2 ⇔ = 1 + 2 ( )

) 3 (

22

68 5

. 3 2 2 3 2

3

3 R I R I I I

E = + ⇔ = +

Ví dụ: Áp dụng phương pháp dòng điện nhánh, tính dòng

điện trong các nhánh của mach điện như hình vẽ

điện trong cac nhanh cua mạch điện như hình ve

- Bước 5 : Giải hệ 3 phương trình (1), (2), (3) ta được các

dòng điện nhánh : g ä

I 1 = 138 mA

I 2 = 160 mA

I 2 = 160 mA

I 3 = 22 mA

1.5.3 Phương pháp dòng mắt lưới (dòng mạch vòng)

Ơ phương pháp này, ẩn số trong hệ phương trình không phải là dòng điện các nhánh, mà là dòng mắt lưới chỉ mang ý nghĩa toán hoc Tìm đươc giá trị các dòng mắt lưới từ đó dễ

nghĩa toan học Tìm được gia trị cac dong mat lươi, tư đo de dàng tính được dòng điện các nhánh.

Trình tự thực hiện :

¾ Bước 1 : Tuỳ ý chon chiều dòng điện chay trong các nhánh

¾ Bươc 1 : Tuy y chọn chieu dong điện chạy trong cac nhanh.

¾ Bước 2 : Xác định số vòng mắt lưới của mạch m.

¾ Bước 3 : Chon chiều của tất cả các dòng mắt lưới theo cùng

¾ Bươc 3 : Chọn chieu cua tat ca cac dong mat lươi theo cung một chiều duy nhất.

¾ Bước 4 : Lập m hệ phương trình theo nguyên tắc sau :

Trong đó

Trong đo

ƒ I v1 , I v2 , …, I vm : trị số các vòng mắt lưới, là ẩn số cần tìm.

ƒ R R R : (các phần tử nằm trên đường chéo) là tổng

ƒ R 11 , R 22 , …, R mm : (cac phan tư nam tren đương cheo) la tong

các điện trở dính với vòng 1, 2, …, m tương ứng.

ƒ R 12 =R 21 R 1 = R 1 R 2 = R 2 (các phần tử nằm ngoài đường

ƒ R 12 =R 21 ,…, R 1m = R m1 , R 2m = R m2 (cac phan tư nam ngoai đương chéo) là tổng các điện trở nằm chung giữa hai vòng mang chỉ số tương ứng.

ƒ : tổng đại số các sức điện động dính với

vòng tương ứng (E cùng chiều thì cộng, E ngược chiều thì trừ)

∑

∑

∑

) m ( )

( )

(

E ,

, E ,

E

2 1

¾ Bước 4 : Lập m hệ phương trình theo nguyên tắc sau :

Lưu ý : Trước các nhóm nằm trên đường chéo thì có dấu (+) còn trước các nhóm nằm ngoài đường chéo thì có dấu (-).

¾ Bước 5 : Giải hệ phương trình ta tìm được I v1 , I v2 , …, I vm

Suy ra :

Dòng nhánh = Tổng đại số các dòng mắt lưới ngang qua nhánh.

q

VÍ DỤ: Áp dụng phương pháp dòng mắt lưới, giải

mach điện như hình vẽ

mạch điện như hình ve

1.5.4 Phương pháp điện thế nút

¾ Bước 1 : Tuỳ ý chọn chiều dòng điện chạy trong các nhánh.

¾ Bước 2 : Xác định số nút của mạch.

¾ Bước 3 : Chọn một nút bất kỳ làm nút chuẩn, có điện thế

bi á ù ( h ø l á đi ä h á đi å đ ù b è 0)

biết trước (thường lấy điện thế điểm đó bằng 0)

¾ Bước 4 : Lập hệ phương trình tính điện thế các nút còn lại (giả sử các nút còn lai là : A, B, …,N.) theo nguyên tắc sau :

Trong đó

Trong đo

• ϕA , ϕB , …, ϕN : điện thế các nút, là các ẩn số cần tìm.

• G G G : (các phần tử nằm trên đường chéo) là tổng

• G AA , G BB ,…, G NN : (cac phan tư nam tren đương cheo) la tong các điện dẫn có nối tới nút tương ứng.

• G AB AB = G BA BA ,…, G AN AN = G NA NA , G BN BN =G NB NB : (các phần tử nằm ngoài ( p g đường chéo) là tổng các điện dẫn nối giữa 2 nút tương ứng.

• : tổng đại số các nguồn dòng có nối với nút

A

J , ,

J ,

J

tương ứng (nguồn dòng hướng vào nút thì cộng, nguồn dòng hướng ra khỏi nút thì trừ)

N B

A

¾ Bước 4 : Lập hệ phương trình tính điện thế các nút còn lại

(giả sử các nút còn lai là : A, B, …,N.) theo nguyên tắc sau :

Lưu ý : Trước các nhóm nằm trên đường chéo thì có dấu (+) còn trước các nhóm nằm ngoài đường chéo thì có dấu (-) g g

¾ Bước 5 : Giải hệ phương trình, ta tìm được điện thế các nút

Biết được điện thế 2 nút của mỗi nhánh, ta tìm được dòng

t h ù h

trong nhanh.

VÍ DỤ 8 : Dùng phương pháp điện thế nút để giải mạch điện

sau :

Biến đổi nguồn tương đương ta được