Giáo trình Điện kỹ thuật (Ngành: Điện) - CĐ Kinh tế Kỹ thuật TP.HCM

Giáo trình Điện kỹ thuật gồm 4 chương, cung cấp các kiến thức cơ bản như: Khái niệm cơ bản về mạch điện; Mạch điện xoay chiều một pha; Các phương pháp giải mạch điện; Mạch điện xoay chiều ba pha. Mời các bạn cùng tham khảo!

KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN

Mạch điện là một hệ thống phức tạp bao gồm nhiều phần tử được kết nối với nhau Để sử dụng mạch điện một cách hiệu quả, chúng ta cần nắm rõ khái niệm về nó, cấu trúc của mạng điện, các phần tử kết nối và những định luật mô tả mối quan hệ giữa các đại lượng điện.

Mục tiêu: Sau khi học xong chương này người học có khả năng:

- Trình bày đƣợc kết cấu của mạch điện

- Trình bày đƣợc các phần tử của mạch điện

- Trình bày đƣợc các định luật cơ bản về mạch điện

- Viết được các phương trình dựa vào định luật Kirchoff 1, kirchoff 2

ĐỊNH NGHĨA CƠ BẢN VỀ MẠCH MỘT CHIỀU

Mục tiêu

- Trình bày đƣợc kết cấu của mạch điện

- Xác định được số nhánh, nút, vòng, mắt lưới trong mạch điện phân nhánh.

Nội dung

1.2.1.Định nghĩa cơ bản về mạch điện

Gồm tập hợp các thiết bị điện, điện tử trong đó có sự biến đổi năng lƣợng điện sang các dạng năng lƣợng khác

Cấu tạo mạch điện gồm nguồn điện, phụ tải, dây dẫn ngoài ra còn có các phần tử phụ trợ khác

Nguồn điện là thành phần quan trọng trong mạch điện, có chức năng cung cấp năng lượng điện hoặc tín hiệu điện Nguồn điện thường được chuyển đổi từ các dạng năng lượng khác sang điện năng, chẳng hạn như năng lượng mặt trời, năng lượng gió hoặc năng lượng hóa thạch.

- Máy phát điện (biến đổi cơ năng thành điện năng),

Ắc quy là thiết bị chuyển đổi hóa năng thành điện năng, trong khi phụ tải là thiết bị nhận và sử dụng năng lượng điện hoặc tín hiệu điện Phụ tải có khả năng biến đổi năng lượng điện thành các dạng năng lượng khác, chẳng hạn như nhiệt, cơ hoặc ánh sáng.

- Động cơ điện (biến đổi điện năng thành cơ năng),

Chương 1: Khái niệm cơ bản về mạch điện

- Đèn điện (biến đổi điện năng sang quang năng),

Bàn là và bếp điện là những thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng Dây dẫn có vai trò quan trọng trong việc truyền tải năng lượng điện từ nguồn đến nơi tiêu thụ Ngoài ra, còn có các phần tử khác hỗ trợ trong quá trình này.

- Phần tử làm thay đổi áp và dòng trong các phần khác của mạch (nhƣ máy biến áp, máy biến dòng),

- Phần tử làm giảm hoặc tăng cường các thành phần nào đó của tín hiệu (các bộ lọc, bộ khuếch đại), v.v

1.2.2.Kết cấu hình học của mạch điện a.Nhánh:

Là một đoạn mạch gồm những phần tử ghép nối tiếp nhau, trong đó có cùng một dòng điện chạy qua b.Nút:

Là điểm gặp nhau của từ ba nhánh trở lên c.Vòng:

Là lối đi khép kín qua các nhánh d.Mắt lưới:

Là vòng đặc biệt mà trong đó không chứa nhánh

Bài tập

1.3.1 Hãy cho biết mạch điện sau có bao nhiêu nút, nhánh, mạch vòng và mắt lưới

1.3.2 Hãy cho biết mạch điện sau có bao nhiêu nút, nhánh, mạch vòng và mắt lưới

CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐIỆN

Mục tiêu

- Trình bày đƣợc đặc điểm của điện trở, cuộn dây, tụ điện

- Sử dụng đúng các phần tử điện trở , cuộn dây, tụ điện.

Nội dung

Là đại lƣợng đặc trƣng hiện tƣợng tiêu tán năng lƣợng

Kí hiệu: R đơn vị là Ohm (Ω)

Trong một số bài toán mạch, chúng ta định nghĩa đại lƣợng điện dẫn G là giá trị nghịch đào của điện trở, ta có quan hễ:

𝐺 = Đơn vị đo của điện dẫn là Simens (S)

Ngắn mạch là hiện tượng mà tại vị trí ngắn mạch, điện trở được coi là R = 0Ω, tương đương với điện dẫn vô cùng lớn G = ∞ Nói cách khác, vị trí ngắn mạch hoạt động như một vật dẫn điện lý tưởng.

- Hở mạch là sự kiện mà tại vị trí hở mạch xem như tương đương với điện dẫn G = 0 S

; hay giá trị điện trở R = ∞ Tóm lại tại vị trí hở mạch xem tương đương như một vật cách điện lý tưởng

Cuộn dây đặc trưng cho khả năng tạo nên từ trường.Quan hệ giữa dòng và áp trên hai cực phần tử điện cảm: u dt

Kí hiệu L, đơn vị Henry (H)

Tụ điện đặc trưng cho hiện tượng tích phóng năng lượng điện trường Quan hệ giữa dòng và áp trên hai cực tụ điện: i dt

Ký hiệu : C , đơn vị Fara (F)

Nguồn áp độc lập là nguồn năng lượng có khả năng duy trì điện áp U ổn định giữa hai đầu, bất kể các phần tử khác trong mạch Điều này đảm bảo rằng dòng điện qua nguồn không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài, giúp mạch hoạt động hiệu quả.

Hình 1.5:Nguồn áp độc lập

Nguồn dòng độc lập có khả năng duy trì dòng điện qua nhánh theo hàm cho trước theo thời gian t, bất chấp các phần tử khác trong mạch mà nguồn được kết nối vào.

Hình 1.6 :Nguồn dòng độc lập

Bài tập

2.3.1.Trình bày đặc điểm cuộn dây, điện trở, tụ điện

CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BÀN

Mục tiêu

- Trình bày đƣợc đặc điểm dòng điện một chiều

- Trình bày đƣợc các định luật cơ bản

- Áp dụng đƣợc các định luật trong tính toán mạch điện

Nội dung

3.2.1 Định nghĩa dòng điện một chiều:

Dòng điện một chiều là dòng điện có chiều và độ lớn không đổi theo thời gian

3.2.2.Công và công suất của dòng điện một chiều

Trong một mạch kín bao giờ cũng có hai sự chuyển hóa năng lƣợng là bên trong nguồn điện và bên ngoài nguồn điện

 Trong nguồn điện: có một dạng năng lƣợng nào đó (hóa năng, cơ năng, nội năng…) chuyển hóa thành điện năng

 Bên ngoài nguồn điện: điện năng đƣợc chuyển hóa thành những dạng năng lƣợng khác (nội năng, hóa năng, cơ năng)

Số đo năng lƣợng ấy biểu thị công của dòng điện

Công của dòng điện trong một đoạn mạch được tính bằng cách nhân hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch với cường độ dòng điện và thời gian mà dòng điện lưu thông.

3.2.2.2.Công suất của dòng điện

Công suất của dòng điện biểu thị tốc độ sinh công của nó, và được định nghĩa là lượng công mà dòng điện sinh ra trong một giây.

Công suất của dòng điện trong một đoạn mạch bằng tích hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch với cường độ dòng điện trong đoạn mạch

Nhiệt lượng sinh ra trong một vật dẫn tỉ lệ thuận với điện trở của vật dẫn, bình phương cường độ dòng điện và thời gian mà dòng điện lưu thông qua.

Cường độ dòng điện trong một mạch điện tỷ lệ thuận với điện áp ở đầu mạch và tỷ lệ nghịch với điện trở của mạch Công thức liên quan là U = I * R, trong đó U là điện áp, I là cường độ dòng điện và R là điện trở.

U: Hiệu điện thế hai đầu điện trở

I: Dòng điện qua điện trở

 - Suất điện trở ( m) l- Chiều dài dây dẫn ( m)

Trong thực tế , mặt cắt dây dẫn thường lấy đơn vị là mm 2 lúc đó đơn vị của suất điện trở là mm 2 / m

Mạch kín bao gồm hai phần chính: mạch ngoài, bao gồm dây dẫn và phụ tải, và mạch trong, là nguồn điện Khi mạch được nối kín, dòng điện sẽ chạy trong mạch Điện áp đặt vào mạch ngoài được tính theo công thức U ng = I R, trong đó R là điện trở của mạch ngoài.

Tổn hao điện áp ở mạch trong là U tr = I r (r là điện trở trong) Sức điện động E của nguồn điện bằng tổng các điện áp đó Hình 1.8

Định luật m cho toàn mạch phát biểu rằng cường độ dòng điện trong mạch kín tỷ lệ thuận với sức điện động của nguồn điện và tỷ lệ nghịch với điện trở toàn mạch.

3.2.5.1 nh lu t Kirchoff 1 Định luật này cho ta quan hệ giữa các dòng điện tại một nút, đƣợc phát biểu nhƣ sau:

Tổng đ i số những dòng điện ở một nút bằng k ông r ng đó quy ước dòng điện đi tới n t ấy dấu dư ng dòng điện rời k ỏi n t ấy dấu âm

3.2.5.2 nh lu t Kirchoff 2 Định luật này cho ta quan hệ giữa sức điện động, dòng điện và điện trở trong một mạch vòng khép kín, đƣợc phát biểu nhƣ sau: i t e ột m ch vòng khép kín theo một chiều tùy ý chọn, tổng đ i số những sức điện động bằng tổng đ i số những điện áp r i trên các điện trở của m ch vòng

Hình 1.10: Mạch vòng dòng điện

Quy ước dấu: Các sức điện động có chiều trùng mạch vòng lấy dấu dương, ngược lại lấy dấu âm Ở mạch vòng hình :

Bài tập

3.3.1 Viết phương trình định luật kirchoff 1, kirchoff 2 cho mạch sau:

3.3.4 Một bình ắc quy có sức điện động E = 2,5V, điện trở trong r = 0,1 , cung cấp điện cho một bóng đèn có điện trở R = 50  Tính cường độ dòng điện trong mạch 3.3.5.- Phát biểu nội dung và viết biểu thức định luật m đối với một đoạn mạch và toàn mạch.

MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU MỘT PHA

CHƯƠNG 2: MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU MỘT PHA

Dòng điện xoay chiều một pha hình sin là nguồn năng lượng phổ biến được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống, học tập và nghiên cứu Với tính năng dễ sử dụng, dòng điện này đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Mục tiêu: Sau khi học xong chương này người học có khả năng

-Trình bày đƣợc cách biểu diễn dòng điện hình sin bằng vectơ

-Tính toán đƣợc dòng điện và điện áp trong mạch điện R, L, C mắc nối tiếp

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Cách tạo ra sức điện động xoay chiều hình sin

Sức điện động xoay chiều hình sin đƣợc tạo ra bằng máy phát điện xoay chiều một pha

Máy phát điện xoay chiều một pha bao gồm hai phần chính: một hệ thống cực từ (phần cảm) đứng yên gọi là stato và một bộ dây (phần ứng) nằm trong lõi thép chuyển động (rô to) quay Khi rô to quay, bộ dây cắt qua từ trường của các cực từ, tạo ra điện năng.

Nguyên lý máy phát điện xoay chiều một pha đơn giản

- Phần cảm gồm nam châm có hai cực từ N-S

- Phần ứng gồm một khung dây,

Hai đầu khung dây được kết nối với hai vành đồng, trên đó đặt hai chổi than liên kết với phụ tải, cụ thể là một đèn điện Hệ thống cực từ được thiết kế để từ cảm B phân bố theo quy luật hình sin, như mô tả trong Hình 2.1 về nguyên lý hoạt động của máy phát điện xoay chiều Điều này có nghĩa là, khi khung dây ở bất kỳ vị trí nào trong khe hở giữa rô to và stato, cường độ từ cảm tại vị trí đó sẽ có giá trị nhất định.

B m là trị số cực đại của từ cảm

 là góc giữa mặt phẳng trung tính OO và mặt phẳng khung dây

Chương 2: Mạch điện xoay chiều một pha

Hình 2.2:Góc α giữa mặt phẳng oo’ và khung dây

Khi máy phát điện hoạt động, rô to với khung dây quay với tốc độ , mỗi cạnh của khung dây di chuyển với vận tốc v theo hướng vuông góc với đường sức từ Công thức xác định sức điện động được tạo ra là: e d = B l.v.

Tại thời điểm t = 0, khung dây nằm trên mặt phẳng trung tính Sau đó, tại thời điểm t, khung dây ở vị trí α = ωt, tương ứng với giá trị từ trường: B = Bm sin α = Bm sin ωt.

Ta có biểu thức tinh sức điện động mỗi cạnh dây: e d = B m l.v sint

Vì khung dây có hai cạnh tác dụng ( sinh ra hai sức điện động e d cùng chiều trong mạch vòng) nên sức điện động mỗi vòng: e v d = 2 B m l.v sint

Nếu khung dây có w vòng, sức điện động của hệ khung được tính bằng công thức e = w.e.v = w.2e.d = 2Bm.l.v.w.sin(ωt) Đặt Em = 2Bm.l.v.w, đây được gọi là trị số cực đại hay biên độ của sức điện động.

Sức điện động E = E m sin(ωt) có chiều biến đổi tuần hoàn theo hàm số hình sin Trong mạch kín, sức điện động này tạo ra một dòng điện cũng biến đổi theo hình sin, được gọi là dòng điện hình sin.

Hình 2.4: Nguyên lý tạo dòng xoay chiều hình sin

Các định nghĩa về dòng điện xoay chiều hình sin

Là dòng điện thay đổi chiều và độ lớn theo thời gian

Dòng điện hoặc sức điện động có tri số biến đổi tuần hoàn theo quy luật của hàm sin, được gọi là dòng điện hình sin Công thức mô tả dòng điện, điện áp, sức điện động hoặc trị số của dòng điện là f(t) = Fm.sin(ωt + φ).

 >0: tần số góc, đơn vị đo là rad/s (radian/giây)

 ωt + ψ: góc pha tại thời điểm t, đơn vị đo là radian hoặc độ

 ψ: góc pha ban đầu, đơn vị đo là radian hoặc độ (0≤≤360 0 )

1.2.2.2 C u kỳ tần số biên độ

+ Chu kỳ: là khoảng thời gian ngắn nhất để sức điện động (e) hoặc là dòng điện (i) trở về giá trị cũ

+ Tần số: là số chu kỳ trong một đơn vị thời gian (1giây) ký hiệu: f, đơn vị đo là hec (hz) f  2

Trong công nghiệp, dòng điện xoay chiều với tần số 50 Hz được gọi là tần số công nghiệp Trị số của dòng điện này thay đổi theo thời gian, và trị số tại từng thời điểm được gọi là trị số tức thời, ký hiệu là e, u, i Trị số cực đại, tức trị số tức thời lớn nhất, được gọi là biên độ và được ký hiệu là E m, U m, I m Ngoài ra, pha và sự lệch pha cũng là những khái niệm quan trọng trong hệ thống điện xoay chiều.

Tại thời điểm t = 0, một khung dây nằm ở mặt phẳng trung tính, trong khi một khung dây khác nghiêng một góc ψ so với mặt phẳng này Khi rô to quay, tại thời điểm t, khung dây nghiêng sẽ có vị trí α = ωt + ψ.

Biểu thức dạng tổng quát: e = E m sin (ωt +ψ )

- Lƣợng (ωt +ψ ) đặc trƣng cho dạng biến thiên của lƣợng hình sin đƣợc gọi là góc pha hay pha

- Tại thời điểm t = 0, góc pha bằng ψ, nên ψ gọi là góc p a đầu hay p a đầu của lƣợng hình sin

Tốc độ góc của lượng hình sin được gọi là ω Khi lượng hình sin hoàn thành một chu kỳ (t = T), khung dây quét một góc 2π radian, dẫn đến công thức ωT = 2π, từ đó ta có ω = 2πf.

Nhƣ vậy, tốc độ góc tỉ lệ với tần số Vì thế, ω còn gọi là tần số góc

Sự lệch pha xảy ra khi hai dòng điện hình sin không biến đổi đồng thời, tức là chúng không cùng tăng lên, giảm xuống, không cùng qua trị số bằng không và cực đại, cũng như không cùng đổi chiều Khi hai dòng điện này biến đổi đồng thời, chúng được gọi là cùng pha.

18 biểu diễn hai dòng điện lệch pha nhau 90 o biểu diễn hai dòng điện lệch pha nhau 180 o còn gọi là hai dòng đối pha

Hình 2.5: Hai dòng điện cùng pha

Hinh 2.6: Hai dòng lệch pha 90 0 Hinh2.7: Hai dòng điện lệch pha 180 0

Trị số hiệu dụng của dòng điện

Để đo và đánh giá các giá trị của dòng điện xoay chiều như cường độ dòng điện, hiệu điện thế và sức điện động, người ta sử dụng giá trị hiệu dụng của dòng điện xoay chiều.

Trị hiệu dụng I của dòng điện i(t) biến thiên tuần hoàn trong chu kỳ T tương đương với dòng điện không đổi, khi cả hai đều tạo ra cùng một công suất tiêu tán trung bình trên điện trở R.

Tương tự ta tính được: U 2

1.2.4 Biểu diễn đại lượng hình sin bằng vectơ

Trong kỹ thuật điện, việc biểu diễn dòng điện hình sin bằng biểu thức tức thời hoặc đường cong trị số tức thời không thuận tiện cho việc so sánh và thực hiện các phép tính cộng trừ Để đơn giản hóa, người ta sử dụng véc tơ để biểu diễn các đại lượng sin cùng tần số, với độ lớn bằng trị số hiệu dụng và góc tạo với trục ox tương ứng với pha đầu của chúng.

Bằng cách biểu diễn đó mỗi đại lƣợng sin đƣợc biểu diễn bằng một véc tơ, ngƣợc lại mỗi véc tơ biểu diễn một đại lượng sin tương ứng

Hình 2.8: Véc tơ ứng với góc pha  >0 và  < 0

Biểu diễn các lƣợng hình sin sau đây thành vectơ: i = 10√ sin (ωt + 20 0 ), A u = 20√ sin (ωt - 45 0 ), V

Hình 2.9: Vectơ dòng và vectơ điện áp 1.2.5.Biểu diễn đại lượng hình sin bằng số phức:

-Dạng đại số: a là phần thực jb là phần ảo với j 2 = -1

-Dạng mũ ( dạng cực- dạng module pha):

C là module ( độ lớn) α là Argument ( góc) Hình 2.10

- Biến đổi dạng đại số sang mũ :

1.2.5.2.Qui tắc biểu diễn các đại lƣợng điện hình sin bằng số phức

-Module ( độ lớn ) của số phức là trị số hiệu dụng

-Argument ( góc) của số phức là pha ban đầu

Ví dụ: Dòng điện i=I m sin (ωt + ψ i ) được biểu diễn dưới dạng số phức

1.3.1 Hãy biểu diễn các lƣợng hình sin sau đây sang dạng vectơ i = 10 sin (ωt + 30 0 ) , A u = 110 sin (ωt + 60 0 ), V

1.3.2 Hãy biểu diễn dòng điện, điện áp bằng vec tơ và chỉ ra góc lệch pha, cho biết: i = 20 √ sin (ωt - 10 0 ), A u = 110 √ sin (ωt + 40 0 ), V

1.3.3.Hãy biểu diễn các lƣợng hình sin sau đây sang dạng phức i = 10 sin (ωt + 30 0 ) , A u = 110 sin (ωt + 60 0 ), V

CÁC MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU CƠ BẢN

Mạch thuần điện trở

Xét đoạn mạch thuần trở có điện áp u(t) đặt vào mạch u (t)=U m sin.t (v) i (t ) =   m sin u t U

Vì U m , R là không đổi, đặt IR R

→ i(t) =I m sint → mạch AC thuần trở điện áp và dòng điện cùng pha nhau

Hình 2.12: Mạch thuần trở Hình 2.13: Đồ thị vectơ

Mạch thuần cảm

Nếu qua phần tử điện cảm có dòng điện i L (t) = I Lm sint

Trên nó sẽ xuất hiện điện áp: u L (t)=L ( ) , ( ) t i dt L t di

→ uL(t) = L.I Lm .cost=U Lm cos ) sin( 2

 t  U Lm t  Đặt U Lm = L.I m I m X L = Đơn vị của là Ω

Trong mạch điện xoay chiều thuần cảm điện áp u L (t) nhanh pha hơn i L (t) góc

Hình 2.14: Mạch thuần cảm Hình 2.15: Đồ thị vectơ

Mạch thuần dung

Đặt điện áp uc(t)=U Cm sint ở hai đầu tụ điện C, sẽ có dòng điện i c (t)=C C U t dt t du

Trong mạch điện xoay chiều thuần dung điện áp u c (t) chậm pha hơn i c (t) góc

Hình 2.16: Mạch thuần dung Hình 2.17: Đồ thị vectơ

2.3.1.Đặt ở hai đầu điện trở RP(Ω) hiệu điện thế xoay chiều U"0(V), fP(hz) Tính dòng điện hiệu dụng I, viết biểu thức cường độ dòng điện đi qua mạch

Đối với một cuộn dây có hệ số từ cảm L = 0,1 H và dòng điện xoay chiều I = 0,5 A, hiệu điện thế hiệu dụng ở hai đầu đoạn mạch có thể được tính bằng công thức U = L * (dI/dt) Biểu thức hiệu điện thế tức thời có dạng U(t) = L * (I_0 * ω * cos(ωt + φ)), trong đó I_0 là giá trị cực đại của dòng điện, ω là tần số góc, và φ là pha ban đầu.

2.3.3 Một tụ điện cú điện dung C%(àF), đặt ở hai đầu tụ điện hiệu điện thế xoay chiều U"0(V), fP(hz) Tính dòng điện hiệu dụng qua mạch, biểu thức tức thời của dòng điện

MẠCH XOAY CHIỀU R – L – C

Nhánh điện trở, điện cảm, điện dung mắc nối tiếp

Đặt hai đầu mạch R-L-C hiệu điện thế xoay chiều giả sử cường độ dòng điện qua mạch AB tai thời điểm t là:

U m = U Rm 2  U Lm U Cm  2 I m R 2  X L X C  2 Đặt Z= R 2  X L X C  2 : tổng trở mạch R,L,C mắc nối tiếp U m =I m Z→U=I.Z tg= X L X C

 → hđt ở hai dầu đoạn mạch R-L-C lệ ch pha so với I góc

Hình 2.18: Mạch R-L-C nối tiếp Hình 2.19: Đồ thị vectơ

Nếu: X L >X C →hiệu điện thế nhanh pha hơn dòng điện góc

Nếu: XL

Tiêu đề	Giáo trình Điện Kỹ Thuật
Tác giả	Vương Thị Hồng Vân
Người hướng dẫn	Thạc sĩ Vương Thị Hồng Vân
Trường học	Cao đẳng Kinh tế Kỹ thuật TP.HCM
Chuyên ngành	Điện
Thể loại	Giáo trình
Năm xuất bản	2020
Thành phố	Thành phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	58
Dung lượng	1,43 MB