Giáo trình Kỹ thuật điện-điện tử - Nghề: Cơ điện tử - CĐ Nghề Công Nghiệp Hà Nội

Chia sẻ: Cuahuynhde Cuahuynhde | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:58

Thêm vào BST

Báo xấu

78
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

(NB) Giáo trình Kỹ thuật điện-điện tử với mục tiêu chính là Mô tả được mạch điện và mô hình mạch điện với các thông số đặc trưng của các phần tử mạch; Hiểu và vận dụng được các phương pháp thích hợp để giải các bài toán kỹ thuật điện; Tính toán được hệ thống dòng ba pha; Trình bày được cấu tạo, nguyên lý làm việc của máy điện; Phân tích đúng nguyên lý các mạch điện tử cơ bản

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Kỹ thuật điện-điện tử - Nghề: Cơ điện tử - CĐ Nghề Công Nghiệp Hà Nội

TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Tác giả : Bùi Thị Bình GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ NGHỀ: CƠ ĐIỆN TỬ (Lưu hành nội bộ) Hà Nội năm 2012 1
Tuyên bố bản quyền Giáo trình này sử dụng làm tài liệu giảng dạy nội bộ trong trường cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội Trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội không sử dụng và không cho phép bất kỳ cá nhân hay tổ chức nào sử dụng giáo trình này với mục đích kinh doanh. Mọi trích dẫn, sử dụng giáo trình này với mục đích khác hay ở nơi khác đều phải được sự đồng ý bằng văn bản của trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội 1
LỜI NÓI ĐẦU Trong chương trình đào tạo của các trường trung cấp nghề, cao đẳng nghề... thực hành nghề giữ một vị trí rất quan trọng: rèn luyện tay nghề cho học sinh. Việc dạy thực hành đòi hỏi nhiều yếu tố: vật tư thiết bị đầy đủ đồng thời cần một giáo trình nội bộ, mang tính khoa học và đáp ứng với yêu cầu thực tế. Nội dung của giáo trình “Ký thuật điện-điện tử - nghề ôt ô” đã được xây dựng trên cơ sở kế thừa những nội dung giảng dạy của các trường, kết hợp với những nội dung mới nhằm đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng đào tạo phục vụ sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước,. Giáo trình nội bộ này do các nhà giáo có nhiều kinh nghiệm nhiều năm làm công tác trong ngành đào tạo chuyên nghiệp. Giáo trình được biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, bổ sung nhiều kiến thức mới và biên soạn theo quan điểm mở, nghĩa là, đề cập những nội dung cơ bản, cốt yếu để tùy theo tính chất của các ngành nghề đào tạo mà nhà trường tự điều chỉnh cho thích hợp và không trái với quy định của chương trình khung đào tạo cao đẳng nghề. Tuy các tác giả đã có nhiều cố gắng khi biên soạn, nhưng giáo trình chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự tham gia đóng góp ý kiến của các bạn đồng nghiệp và các chuyên gia kỹ thuật đầu ngành. Xin trân trọng cảm ơn! 2
I. VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT MÔN HỌC: - Vị trí: Là môn học kỹ thật cơ sở. Môn học được bố trí dạy trước hoặc song song so với môn học chuyên môn, nhằm hỗ trợ cho các môn chuyên môn. - Tính chất: Là môn học bắt buộc trong chương trình đào tạo nghề Cơ điện tử. II. MỤC TIÊU MÔN HỌC: - Mô tả được mạch điện và mô hình mạch điện với các thông số đặc trưng của các phần tử mạch - Hiểu và vận dụng được các phương pháp thích hợp để giải các bài toán kỹ thuật điện - Tính toán được hệ thống dòng ba pha - Trình bày được cấu tạo, nguyên lý làm việc của máy điện - Phân tích đúng nguyên lý các mạch điện tử cơ bản - Có ý thức tự giác, tính kỷ luật cao, tinh thần trách nhiệm trong công việc - Chủ động và sáng tạo trong học tập. III. NỘI DUNG MÔN HỌC: 1. Nội dung tổng quát và phân phối thời gian: Thời gian Số Bài tập/ Kiểm tra Tổng Lý TT Tên chương, mục Thực (LT hoặc số thuyết hành TH) I Bài mở đầu 1 1 II Mạch điện và các phương pháp 15 10 4 1 phân tích mạch Mạch điện, kết cấu và các đại lượng đặc trưng Mô hình mạch điện, các thông số Các định luật về mạch điện Dòng điện hình sin và các đại lượng đặc trưng Tính chất của dòng hình sin Bài tập Công suất của dòng hình sin và vấn đề nâng cao hệ số công suất Các phương pháp giải mạch điện Thực hành Kiểm tra III Mạch điện xoay chiều ba pha 9 5 4 Hệ thống mạch điện ba pha 3
Cách nối mạch điện ba pha Công suất mạch ba pha Bài tập thực hành Kiểm tra IV Máy điện 10 5 4 1 Định nghĩa và phân loại máy điện Máy biến áp Máy điện không đồng bộ Máy điện một chiều V Kỹ thuật điện tử 10 7 2 1 Đại cương về chất bán dẫn Diode bán dẫn và các mạch ứng dụng Tranzitor và các mạch ứng dụng Khuếch đại Phần tử nhiều mặt ghép P-N Thực hành Kiểm tra Cộng 45 28 14 3 *Thời gian kiểm tra lý thuyết được tính vào giờ lý thuyết, kiểm tra thực hành được tính bằng giờ thực hành. 4
Bài mở đầu Mục tiêu: Tình bày được vai trò, nhiệm vụ cần đạt được của môn học. Vai trò, nhiệm vụ của môn học: - Tính toán được hệ thống dòng ba pha - Trình bày được cấu tạo, nguyên lý làm việc của máy điện - Phân tích đúng nguyên lý các mạch điện tử cơ bản - Mô tả được cấu tạo, phân tích nguyên lý của các loại máy điện - Mô tả được mạch điện và mô hình mạch điện với các thông số đặc trưng của các phần tử mạch - Hiểu và vận dụng được các phương pháp thích hợp để giải các bài toán kỹ thuật điện -Tính toán quấn lại máy Biến áp, ĐC KĐB 3 pha, ĐC KĐB 1 pha bị cháy hỏng theo số liệu có sẵn. - Phân tích nguyên nhân hư hỏng các loại máy điện và đề ra phương pháp sửa chữa,thay thế phù hợp. - Phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo và tư duy khoa học trong công việc - Có ý thức tự giác, tính kỷ luật cao, tinh thần trách nhiệm trong công việc - Chủ động và sáng tạo trong học tập. Chương 1: Mạch điện và các phương pháp phân tích mạch Mục tiêu: - Mô tả được mạch điện và mô hình mạch điện với các thông số đặc trưng của các phần tử mạch - Trình bày được các định luật về mạch điện, từ đó biết áp dụng vào các bài toán mạch. - Trình bày được khái niệm dòng hình sin và tính chất của dòng hình sin - Hiểu và giải quyết được vấn đề nâng cao hệ số công suất - Vận dụng được các phương pháp khi giải mạch điện - Trình bày được cấu tạo, nguyên lý làm việc của các máy điện - Có ý thức tự giác, tính kỷ luật cao, tinh thần trách nhiệm trong công việc 1. Mạch điện,kết cấu và các đại lượng đặc trưng 1.1. Định nghĩa mạch điện M¹ch ®iÖn lµ tËp hîp c¸c thiÕt bÞ ®iÖn (nguån, t¶i, d©y dÉn) nèi víi nhau trong ®ã dßng ®iÖn cã thÓ ch¹y qua (h×nh 1.6) M¹ch ®iÖn phøc t¹p cã nhiÒu nh¸nh, nhiÒu m¹ch vßng vµ nhiÒu nót. 5
1.Nh¸nh. Nh¸nh lµ bé phËn cña m¹ch ®iÖn gåm cã c¸c phÇn tö nèi tiÕp nhau trong ®ã cã cïng dßng ®iÖn ch¹y qua. 2.Nót. Nót lµ chç gÆp nhau cña c¸c nh¸nh (tõ 3 nh¸nh trë lªn) 3.M¹ch vßng. M¹ch vßng lµ lèi ®i khÐp kÝn qua c¸c nh¸nh. 1.2: Các yếu tố hình học cơ bản của mạch điện. *.Nh¸nh. Nh¸nh lµ bé phËn cña m¹ch ®iÖn gåm cã c¸c phÇn tö nèi tiÕp nhau trong ®ã cã cïng dßng ®iÖn ch¹y qua. *.Nót. Nót lµ chç gÆp nhau cña c¸c nh¸nh (tõ 3 nh¸nh trë lªn) *.M¹ch vßng. M¹ch vßng lµ lèi ®i khÐp kÝn qua c¸c nh¸nh. 1.3. Các thông số trạng thái của quá trình năng lượng trong nhánh 1.3. 1. Dßng ®iÖn Dßng ®iÖn i cã trÞ sè b»ng tèc ®é biÕn thiªn cña ®iÖn l-îng Q qua tiÕt diÖn ngang cña vËt dÉn. dQ i = (1-1) dt ®¬n vÞ lµ ampe, A Ng-êi ta quy -íc chiÒu cña dßng ®iÖn ch¹y trong vËt dÉn ng-îc víi chiÒu chuyÓn ®éng cña ®iÖn tö (h×nh 1.7) 1.3. 2. §iÖn ¸p T¹i mçi ®iÓm trong m¹ch ®iÖn cã mét ®iÖn thÕ . HiÖu ®iÖn thÕ gi÷a 2 ®iÓm gäi lµ ®iÖn ¸p U, ®¬n vÞ lµ von, V. §iÖn ¸p gi÷a 2 ®iÓm A vµ B (h×nh 1.8) lµ: UAB = A - B (1-2) ChiÒu ®iÖn ¸p quy -íc lµ chiÒu tõ ®iÓm cã ®iÖn thÕ cao ®Õn ®iÓm cã ®iÖn thÕ thÊp. §iÖn ¸p gi÷a 2 cùc cña nguån ®iÖn khi hë m¹ch ngoµi (dßng ®iÖn I = 0) ®-îc gäi lµ søc ®iÖn ®éng E. 1.3. 3. C«ng suÊt C«ng suÊt cña nguån søc ®iÖn ®éng lµ: P = EI (1-3) C«ng suÊt cña m¹ch ngoµi lµ: P = UI (1-4) §¬n vÞ cña c«ng suÊt lµ o¸t, W. 6
2. Mô hình mạch điện, các thông số 2.1. Mô hình mạch điện a. Nguån ®iÖn S¬ ®å thay thÕ cña nguån ®iÖn gåm søc ®iÖn ®éng E nèi tiÕp víi ®iÖn trë trong Rn (h×nh 1.12) Khi gi¶i m¹ch ®iÖn cã c¸c phÇn tö tranzito, nhiÒu khi nguån ®iÖn cã s¬ ®å E thay thÕ lµ nguån dßng ®iÖn J = m¾c Rn song song víi ®iÖn trë Rn (h×nh 1.13). b. S¬ ®å thay thÕ t¶i - C¸c t¶i nh- ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu, acquy ë chÕ ®é n¹p ®iÖn ®-îc thay thÕ b»ng s¬ ®å gåm søc ®iÖn ®éng E nèi tiÕp víi ®iÖn trë trong Rn (h×nh 1.14) trong ®ã chiÒu E ng-îc chiÒu víi I. - C¸c t¶i nh- bµn lµ ®iÖn, bÕp ®iÖn, bãng ®Ìn… ®-îc thay thÕ b»ng ®iÖn trë R cña chóng (h×nh 1.15) 2.2. Các thông số đặc trưng cơ bản * Søc ®iÖn ®éng E. Søc ®iÖn ®éng E lµ phÇn tö lý t-ëng, cã trÞ sè b»ng ®iÖn ¸p U ®o ®-îc gi÷a 2 cùc cña nguån khi hë m¹ch ngoµi. ChiÒu cña søc ®iÖn ®éng quy -íc tõ ®iÖn thÕ thÊp ®Õn ®iÖn thÕ cao (cùc ©m tíi cùc d-¬ng) (h×nh 1.9) ChiÒu cña ®iÖn ¸p quy -íc tõ ®iÖn thÕ cao ®Õn ®iÖn thÕ thÊp, do ®ã nÕu chiÒu vÏ nh- h×nh 1.9 th×: U = E (1-5) * Nguån dßng ®iÖn J Nguån dßng ®iÖn J lµ phÇn tö lý t-ëng cã trÞ sè b»ng dßng ®iÖn ng¾n m¹ch gi÷a 2 cùc cña nguån (h×nh 1.10) * §iÖn trë R §iÖn trë R ®Æc tr-ng cho mét vËt dÉn vÒ mÆt c¶n trë dßng ®iÖn ch¹y qua. VÒ hiÖn t-îng n¨ng l-îng, ®iÖn trë R ®Æc tr-ng cho tiªu t¸n, biÕn ®æi ®iÖn n¨ng tiªu thô thµnh c¸c d¹ng n¨ng l-îng kh¸c nh- nhiÖt n¨ng, quang 7
n¨ng…(h×nh 1.11). C«ng suÊt cña ®iÖn trë P = RI2 (1-6) 3. Các định luật về mạch điện 3.1. Định luật ôm Nh¸nh thuÇn ®iÖn trë R XÐt nh¸nh thuÇn ®iÖn btrë (h×nh 1.18) BiÓu thøc tÝnh ®iÖn ¸p trªn ®iÖn trë: U = RI (1-7) BiÓu thøc tÝnh dßng ®iÖn qua ®iÖn trë: U I = (1-8) R U - tÝnh b»ng V I - tÝnh b»ng A R - tÝnh b»ng  VÝ dô 2: Trong m¹ch ®iÖn h×nh 1.19, biÕt I = 210mA; R = 100. TÝnh ®iÖn ¸p trªn ®iÖn trë U. Lêi gi¶i: §iÖn ¸p trªn ®iÖn trë: U = RI = 100.0,21 = 21V 3.2. Các định luật kiêchop * §Þnh luËt Kiªcsh«p 1 §Þnh luËt nµy cho ta quan hÖ gi÷a c¸c dßng ®iÖn t¹i mét nót, ®-îc ph¸t biÓu nh- sau: Tæng ®¹i sè nh÷ng dßng ®iÖn ë mét nót b»ng kh«ng. Trong ®ã quy -íc dßng ®iÖn ®i tíi nót lÊy dÊu d-¬ng, dßng ®iÖn rêi khái nót lÊy dÊu ©m (h×nh 1.22) Inót = 0 (1-11) ë h×nh 1.22 th×: I1 + (-I2) + (-I3) = 0 2.2:. §Þnh luËt Kiªcsh«p 2 §Þnh luËt nµy cho ta quan hÖ gi÷a søc ®iÖn ®éng, dßng ®iÖn vµ ®iÖn trë trong mét m¹ch vßng khÐp kÝn, ®-îc ph¸t biÓu nh- sau: §i theo mét m¹ch vßng khÐp kÝn theo mét chiÒu tuú ý chän, tæng ®¹i sè 8
nh÷ng søc ®iÖn ®éng b»ng tæng ®¹i sè c¸c ®iÖn ¸p r¬i trªn c¸c ®iÖn trë cña m¹ch vßng. RI = E (1-12) Quy -íc dÊu: c¸c søc ®iÖn ®éng, dßng ®iÖn cã chiÒu trïng chiÒu m¹ch vßng lÊy dÊu d-¬ng, ng-îc l¹i lÊy dÊu ©m. ë m¹ch vßng h×nh 1.23: R1I1 - R2I2 + R3I3 = E1 + E2 - E3 4. Dòng điện hình sin và các đại lượng đặc trưng 4.1. Định nghĩa Dßng ®iÖn xoay chiÒu h×nh sin lµ dßng ®iÖn biÕn ®æi mét c¸ch chu kú theo qui luËt h×nh sin víi thêi gian, ®îc biÓu diÔn b»ng ®å thÞ h×nh sin trªn h×nh 3.3. i = Imaxsin (t + i) (3.1) 4.2. Nguyên lý tạo ra dòng xoay chiều hình sin Người ta t¸c dông lùc c¬ häc vµo trôc lµm cho khung d©y quay, c¾t ®êng søc tõ trêng cña nam ch©m NS, trong khung d©y sÏ c¶m øng søc ®iÖn ®éng xoay chiÒu h×nh sin. Dßng ®iÖn cung cÊp cho t¶i th«ng qua vßng trît vµ chæi than (h×nh3.1). Khi c«ng suÊt ®iÖn lín, lÊy c¸ch ®iÖn như vËy gÆp nhiÒu khã kh¨n ë chç tiÕp xóc gi÷a vµnh trît vµ chæi than. Trong c«ng nghiÖp, m¸y ph¸t ®iÖn xoay chiÒu ®ược chÕ t¹o nh sau: d©y quÊn ®øng yªn trong c¸c r·nh cña lâi thÐp lµ phÇn tÜnh vµ nam ch©m NS lµ phÇn quay. 9
Khi t¸c dông lùc c¬ häc vµo trôc lµm nam ch©m NS quay, trong d©y quÊn ë phÇn tÜnh sÏ c¶m øng ra søc ®iÖn ®éng xoay chiÒu hiõnh sin. D©y quÊn ®øng yªn nªn viÖc lÊy ®iÖn cung cÊp cho t¶i rÊt an toµn vµ thuËn lîi. M« h×nh cña m¸y ph¸t ®iÖn xoay chiÒu vÏ trªn h×nh 3.2. CÊu t¹o chi tiÕt cña m¸y ph¸t ®iÖn xoay chiÒu ®îc viÕt trong s¸ch m¸y ®iÖn. 4.3. Các đại lượng đặc trưng của dòng hình sin *Chu kú T, tÇn sè f, tÇn sè gãc  Chu kú T lµ kho¶ng thêi gian ng¾n nhÊt ®Ó dßng ®iÖn lÆp l¹i trÞ sè vµ chiÒu biªn thiªn. TÇn sè f lµ sè chu kú cña dßng ®iÖn trong mét gi©y. 1 f = (3-2) T §¬n vÞ cña tÇn sè lµ hÐc, ký hiÖu lµ Hz. * TÇn sè gãc  lµ tèc ®é biªn thiªn cña dßng ®iÖn h×nh sin, ®¬n vÞ lµ rad/s. Quan hÖ gi÷a tÇn sè gãc  vµ tÇn sè f lµ:  = 2f (3- 3) * TrÞ sè tøc thêi cña dßng ®iÖn TrÞ sè tøc thêi lµ trÞ sè øng víi mçi thêi ®iÓm t. Trong biÓu thøc (3-1) trÞ sè tøc thêi phô thuéc vµo biªn ®é Imax vµ gãc pha (t + i) - Biªn ®é Imax lµ trÞ sè cùc ®¹i, nãi lªn dßng ®iÖn lín hay nhá. - Gãc pha (t + i) nãi lªn tr¹ng th¸i cña dßng ®iÖn ë thêi ®iÓm t, ë thêi ®iÓm t = 0 gãc pha cña dßng ®iÖn lµ i , i ®îc gäi lµ gãc pha ban ®Çu ( hoÆc gäi ng¾n gän lµ pha ®Çu) cña dßng ®iÖn. Gãc pha ®Çu  phô thuéc vµo thêi ®iÓm chän lµm gèc thêi gian (thêi ®iÓm t =0). Gãc pha ®Çu lµ ®o¹n NO trong ®ã N lµ ®iÓm dßng ®iÖn ®i qua trÞ sè kh«ng tõ ©m ®Õn d¬ng, gÇn ®iÓm gèc O nhÊt. Trªn h×nh 3.5 chØ ra gãc pha ®Çu i khi chän gèc to¹ ®é kh¸c nhau. 10
* Gãc lÖch pha  gi÷a ®iÖn ¸p vµ dßng ®iÖn ë trªn ®· xÐt biÓu thøc trÞ sè tøc thêi cña dßng ®iÖn i = Imaxsin(t + i) Mét c¸ch t¬ng tù, ta cã biÓu thøc trÞ sè tøc thêi cña ®iÖn ¸p u = Umaxsin((t + u) Trong ®ã Umax, u - biªn ®é, pha ®Çu cña ®iÖn ¸p. §iÖn ¸p vµ dßng ®iÖn biÕn thiªn cïng tÇn sè, song phô thuéc vµo tÝnh chÊt m¹ch ®iÖn, gãc pha cña chóng cã thÓ kh«ng trïng nhau, ngêi ta gäi gi÷a chóng cã sù lÖch pha. Gãv  thêng ®îc dïng ®Ó ký hiÖu gãc lÖch pha gi÷a ®iÖn ¸p vµ dßng ®iÖn.  = u - i (3-4) Khi  > 0 - ®iÖn ¸p vît tríc dßng ®iÖn (hoÆc dßng ®iÖn chËm sau ®iÖn ¸p).  < 0 - ®iÖn ¸p chËm sau dßng ®iÖn (hoÆc dßng ®iÖn vît tríc ®iÖn ¸p).  = 0 - ®iÖn ¸p trïng pha víi dßng ®iÖn. 5. Tính chất của dòng hình sin 5.1. Mạch điện xoay chiều có điện trở thuần 1) M¹ch ®iÖn M¹ch ®iÖn xoay chiÒu thuÇn trë lµ m¹ch ®iÖn chØ cã ®iÖn trë thuÇn, hÖ sè tù c¶m L kh«ng ®¸ng kÓ vµ ®iÖn dung C = 0 Trong thùc tÕ m¹ch ®iÖn chØ cã bãng ®Ìn sîi ®èt, lß ®iÖn, bÕp ®iÖn, bµn lµ… ®-îc coi lµ m¹ch ®iÖn thuÇn trë. 2) Quan hÖ gi÷a dßng ®iÖn vµ ®iÖn ¸p Gi¶ sö ®Æt ®iÖn ¸p xoay chiÒu u = Um.sint vµo m¹ch ®iÖn. Khi ®ã trong m¹ch cã dßng ®iÖn i. u Um U i  . sin t ; §Æt I m  m ta cã i  I m sin t R R R 11
So s¸nh biÓu thøc u vµ i ta thÊy: + Dßng ®iÖn i vµ ®iÖn ¸p u cïng pha (®ång pha) + Biªn ®é dßng ®iÖn Im vµ ®iÖn ¸p Um quan hÖ víi nhau theo ®Þnh luËt «m Um Im  , chia c¶ hai vÕ cho 2 ta ®-îc dßng ®iÖn hiÖu dông R U I R §å thÞ h×nh sin vµ ®å thÞ vÐct¬ 3) C«ng suÊt trong m¹ch ®iÖn thuÇn trë  C«ng suÊt trong m¹ch ®iÖn xoay chiÒu thuÇn trë ®-îc tÝnh to¸n t-¬ng tù nh- trong m¹ch ®iÖn mét chiÒu, c«ng suÊt nµy gäi lµ c«ng suÊt t¸c dông.  BiÓu thøc: U2 2 P  U.I   I .R R 5.2. Mạch điện xoay chiều có điện cảm thuần 1) M¹ch ®iÖn M¹ch ®iÖn xoay chiÒu chØ cã cuén d©y, hÖ sè tù c¶m L kh¸ lín, ®iÖn trë nhá kh«ng ®¸ng kÓ, ®iÖn dung C = 0 §iÖn c¶m L ®Æc tr-ng cho qu¸ tr×nh trao ®æi vµ tÝch luü n¨ng l-îng tõ tr-êng cña cuén d©y 2) Quan hÖ gi÷a dßng ®iÖn vµ ®iÖn ¸p Ta ®Æt vµo hai ®Çu ®o¹n m¹ch mét ®iÖn ¸p xoay chiÒu u th× trong m¹ch xuÊt hiÖn dßng ®iÖn i  I m sin t Dßng ®iÖn biÕn thiªn lµm xuÊt hiÖn søc ®iÖn ®éng tù c¶m: i e L   L.   Li ' t ¸p dông ®Þnh luËt Kiechèp II cho ®o¹n m¹ch: uL + eL = I.r = 0  uL = - eL Tøc lµ ®iÖn ¸p vµ søc ®iÖn ®éng tù c¶m cã trÞ sè b»ng nhau nh-ng chiÒu ng-îc nhau ë mäi thêi ®iÓm. 12
Ta cã u  eL  L.i'  L.Im..cost  L.Im. sin(t  900 ) 0 §Æt Um= L.I m.  u  Um sin(t  90 ) So s¸nh biÓu thøc u vµ i ta thÊy: + §iÖn ¸p u v-ît tr-íc (sím pha) dßng ®iÖn mét gãc 900 hay /2 rad + Quan hÖ gi÷a trÞ sè hiÖu dông cña dßng ®iÖn vµ ®iÖn ¸p: Ta cã Um= L.I m. §¹i l-îng L ®-îc gäi lµ trë kh¸ng ®iÖn c¶m hay gäi t¾t lµ c¶m kh¸ng, ký hiÖu XL, ®¬n vÞ (). XL = L = 2f.L  Um = ImXL  U = I.XL L lµ ®iÖn c¶m, ®¬n vÞ lµ henry (H) hoÆc (H) 1H = 10-6 (H) Trong m¹ch ®iÖn thuÇn c¶m dßng ®iÖn tØ lÖ thuËn víi ®iÖn ¸p gi÷a hai ®Çu ®o¹n m¹ch vµ tØ lÖ nghÞch víi trë kh¸ng cña ®o¹n m¹ch ®ã: U I XL  2  /2 3 / 2 §å thÞ h×nh sin vµ ®å thÞ vÐct¬ 3) C«ng suÊt Trong m¹ch ®iÖn cã tÝnh chÊt ®iÖn c¶m, c«ng suÊt ®-îc gäi lµ c«ng suÊt ph¶n kh¸ng. - KÝ hiÖu: QL ; §¬n vÞ: (VAR) - BiÓu thøc: QL = I2 . XL Trong ®ã: QL: C«ng suÊt ph¶n kh¸ng (VAR) XL: Trë kh¸ng cña cuén d©y () I : Gi¸ trÞ hiÖu dông cña dßng ®iÖn trong m¹ch (A) 5.3. Mạch điện xoay chiều có điện dung thuần 1) M¹ch ®iÖn 13
Lµ m¹ch ®iÖn chØ cã tô ®iÖn, trÞ sè ®iÖn trë R vµ ®iÖn c¶m L kh«ng ®¸ng kÓ. §iÖn dung C ®Æc tr-ng cho hiÖn t-îng tÝch luü n¨ng l-îng ®iÖn tr-êng (phãng ®iÖn n¨ng trong tô ®iÖn 2) Quan hÖ gi÷a dßng ®iÖn vµ ®iÖn ¸p Khi ®Æt mét ®iÖn ¸p xoay chiÒu vµo m¹ch thuÇn dung, ®iÖn ¸p trªn tô ®iÖn lµ: u U 2 sin t hay u = Umsint Trong tô ®iÖn cã hiÖn t-îng tÝch vµ phãng ®iÖn mét c¸ch tuÇn hoµn ë mét thêi ®iÓm t nµo ®ã, ®iÖn tÝch q cña tô lµ: q  C.u  C.U 2 sin t q Vµ dßng ®iÖn qua tô lµ: i   .C.U 2 cos t   .C.U 2 sin(t   / 2) t §Æt Im = .C.U 2  i  I m sin( t   / 2) Tõ biÓu thøc gi÷a dßng ®iÖn vµ ®iÖn ¸p ta thÊy: + §iÖn ¸p u chËm pha so víi dßng ®iÖn mét gãc 900 hay /2 + Quan hÖ trÞ sè hiÖu dông cña dßng ®iÖn vµ ®iÖn ¸p Trong m¹ch ®iÖn thuÇn dung dßng ®iÖn tØ lÖ thuËn víi ®iÖn ¸p vµ tØ lÖ nghÞch víi dung kh¸ng cña ®o¹n m¹ch ®ã. U - BiÓu thøc: I XC Trong ®ã: U,I: Gi¸ trÞ hiÖu dông cña ®iÖn ¸p vµ dßng ®iÖn XC: Dung kh¸ng cña ®o¹n m¹ch () 1 §¹i l-îng X C  gièng nh- mét ®iÖn trë gäi lµ dung kh¸ng, .C ®¬n vÞ () C lµ ®iÖndung, ®¬n vÞ lµ Fara (F) hoÆc F: 1F = 10-6(F) 3/2 2 0 /2  UC §å thÞ h×nh sin vµ ®å thÞ vÐct¬ 3) C«ng suÊt 14
C«ng suÊt trong m¹ch thuÇn dung ®-îc gäi lµ c«ng suÊt ph¶n kh¸ng - KÝ hiÖu: QC ; §¬n vÞ: VAR - BiÓu thøc: QC = I2 . XC Trong ®ã: QC: C«ng suÊt ph¶n kh¸ng cña tô ®iÖn (VAR) XC: Dung kh¸ng () I : Gi¸ trÞ hiÖu dông cña dßng ®iÖn (A) 5.4. Mạch điện xoay chiều có R, L, C nối tiếp 1) M¹ch ®iÖn Lµ m¹ch ®iÖn gåm 3 phÇn tö R, L, C cã gi¸ trÞ lín m¾c nèi tiÕp. 2) Quan hÖ gi÷a dßng ®iÖn vµ ®iÖn ¸p. §Æt vµo hai ®Çu ®o¹n m¹ch mét ®iÖn ¸p u  U m sin t . Th× trong m¹ch cã dßng ®iÖn xoay chiÒu i. Dßng y ®iÖn nµy ®i qua c¸c phÇn tö R, L, C. Ta cã: UL UR = I.R, u vµ i ®ång pha UC UL UL = I.XL, u sím pha h¬n i mét gãc U UX 900 0 ) UR I x UC = I.XC, u chËm pha so víi i mét gãc 900 UC Ta vÏ ®-îc ®å thÞ vÐct¬ tæng U (h×nh vÏ)     Do m¹ch m¾c nèi tiÕp nªn: U  U R  U L  U C §Æt U 2X  U 2L  U 2C Nh×n trªn ®å thÞ ta thÊy U lµ c¹nh huyÒn cña mét tam gi¸c: U  U 2R  U 2X Trong ®ã: UR = U.cos; UX = U.Sin Nh×n vµo ®å thÞ th× ®iÖn ¸p sÏ lÖch pha víi dßng ®iÖn mét gãc . i  I m sin( t  ) . KÕt luËn: Trong m¹ch R- L- C m¾c nèi tiÕp. §iÖn ¸p lÖch pha so víi dßng ®iÖn mét gãc  ®-îc tÝnh theo c«ng thøc UX UL  UC XL  XC tg     UR UR R - NÕu UL > UC th× tg > 0   > 0: u sÏ sím pha h¬n so víi i mét gãc  15
- NÕu UL < UC th× tg < 0   < 0: u sÏ chËm pha so víi i mét gãc  - NÕu UL = UC th× tg = 0   = 0: u vµ i cïng pha (®ång pha). Khi ®ã c«ng suÊt trong m¹ch cùc ®¹i. 3) §Þnh luËt «m trong m¹ch R, L, C m¾c nèi tiÕp U U BiÓu thøc: I   Z R 2  (X L  X C ) 2 Trong ®ã: U, I: Gi¸ trÞ hiÖu dông cña ®iÖn ¸p vµ dßng ®iÖn Z : Tæng trë cña ®o¹n m¹ch 2 Z  R 2  X L  X C  4) C«ng suÊt R P = UI.cos  ; Trong ®ã cos   lµ hÖ sè c«ng suÊt Z * Bài tập về mạch điện thuần trở, thuần cảm, thuần dung, mạch RLC nối tiếp 5) Bµi tËp 1. Cho nguån ®iÖn cã u = 120 2 sin  t ch¹y qua m¹ch ®iÖn R, L, C cã R= 30  , L = 0,2 H, C = 50 F; f = 50 Hz. Tính: a. Tæng trë cña m¹ch, tÝnh trÞ sè hiÖu dông cña dßng ®iÖn b. ViÕt biÓu thøc cña dßng ®iÖn ch¹y trong m¹ch 2. Cho m¹ch ®iÖn RLC cã R = 140  ; L = 1 H; C = 25 F ; I = 0,5 A; f = 50 Hz. a. TÝnh trÞ sè hiÖu dông cña ®iÖn ¸p ®Æt vµo m¹ch. b. ViÕt biÓu thøc hiÖu ®iÖn thÕ vµ biÓu thøc c-êng ®é dßng ®iÖn trong m¹ch. c. Ph¶i thay tô ®iÖn cã ®iÖn dung b»ng bao nhiªu ®Ó c«ng suÊt trong m¹ch cùc ®¹i? TÝnh c«ng suÊt cùc ®¹i ®ã. 6. Công suất của dòng hình sin và vấn đề nâng cao hệ số công suất 6.1. Công suất và hệ số công suất * C«ng suÊt t¸c dông P 5C«ng suÊt t¸c dông P lµ c«ng suÊt ®iÖn trë R tiªu thô, ®Æc trng cho qóa tr×nh biÕn ®æi ®iÖn n¨ng sang d¹ng n¨ng lîng kh¸c nh ®iÖn n¨ng, quang n¨ng… P = RI2 (3-16) Tõ ®å thÞ vect¬ h×nh 3.16b UR = RI = Ucos Thay vµo (3-16) ta cã: P = RI2 = URI = UIcos (3-17) C«ng suÊt t¸c dông lµ c«ng suÊt trung b×nh trong mét chu 16
kú. * C«ng suÊt ph¶n kh¸ng Q §Ó ®Æc trng cho cêng ®é qu¸ tr×nh trao ®æi, tÝch luü n¨ng lîng ®iÖn tõ trêng, ngêi ta ®a ra kh¸i niÖm c«ng suÊt ph¶n kh¸ng Q. Q = XI2 = (XL - XC)I2 (3-18) Tõ ®å thÞ vect¬ h×nh 3.16b UX = XI = Usin Thay vµo (3-18) ta cã: Q = XI2 = UXI = Usin (3-19) Nh×n vµo (3-18) thÊy râ c«ng suÊt ph¶n kh¸ng cña m¹ch gåm: QL = XLI2 (3-20) C«ng suÊt ph¶n kh¸ng cña ®iÖn dung Qc QC = XCI2 (3-21) *. C«ng suÊt biÓu kiÕn S §Ó ®Æc trng cho kh¶ n¨ng cña thiÕt bÞ vµ nguån thùc hiÖn hai qóa tr×nh n¨ng lîng xÐt ë trªn, ngêi ta ®a ra kh¸i niÖm c«ng suÊt biÓu kiÕn S ®îc ®Þnh nghÜa nh sau: S = UI = P2  Q2 (3-22) BiÓu thøc cña P, Q cã thÓ viÕt theo S nh sau: P = UIcos = Scos Q = UIsin = Ssin Tõ 2 c«ng thøc nµy thÊy râ, cùc ®¹i cña c«ng suÊt t¸c dông P (khi cos = 1), cùc ®¹i cña c«ng suÊt ph¶n kh¸ng Q (khi sin = 1) lµ c«ng suÊt biÓu kiÕn S. VËy S nãi lªn kh¶ n¨ng cña thiÕt bÞ. Trªn nh·n cña m¸y ph¸t ®iÖn, m¸y biÕn ¸p, ngêi ta ghi c«ng suÊt biÓu kiÕn S ®Þnh møc. Quan hÖ gi÷a P, Q, S ®îc m« t¶ b»ng mét tam gi¸c vu«ng (h×nh 3.22) trong ®ã S lµ c¹nh huyÒn, P, Q lµ 2 c¹nh gãc vu«ng. P, Q, S cã cïng thø nguyªn, song ®Ó ph©n biÖt ta cho c¸c ®¬n vÞ kh¸c nhau: §¬n vÞ cña P: W, kW, MW §¬n vÞ cña Q: VAr, kVAr, MVAr §¬n vÞ cña S: VA, kVA, MVA 6.2. Biện pháp nâng cao hệ số công suất Trong biÓu thøc c«ng suÊt t¸c dông P = UI cos, cos ®îc coi lµ hÖ sè c«ng suÊt. HÖ sè c«ng suÊt phô thuéc vµo th«ng sè cña m¹ch ®iÖn. 17
Trong nh¸nh R, I, C nèi tiÕp. R cos = R  ( X L  X C )2 2 P hoÆc cos = P  Q2 2 HÖ sè c«ng suÊt lµ chØ tiªu kü thuËt quan träng, cã ý nghÜa rÊt lín vÒ kinh tÕ nh sau: - N©ng cao hÖ sè c«ng suÊt sÏ tËn dông tèt c«ng suÊt nguån (m¸y ph¸t ®iÖn, m¸y biÕn ¸p…)cung cÊp cho t¶i. VÝ dô mét m¸y ph¸t ®iÖn cã c«ng suÊt ®Þnh møc S®m = 10000kVA, nÕu hÖ sè c«ng suÊt cña t¶i cos = 0,5, c«ng suÊt t¸c dông cña m¸y ph¸t cho t¶i P = S®mcos = 10000 . 0,5 = 5000kW. NÕu cos = 0,9 th× P = 10000 . 0,9 = 9000kW. Râ rµng lµ khi cos cao m¸y ph¸t ra nhiÒu c«ng suÊt h¬n. - Khi cÇn truyÒn t¶i mét c«ng suÊt P nhÊt ®Þnh trªn ®êng d©y th× dßng ®iÖn ch¹y trªn ®êng d©y lµ: P I = U cos NÕu cos cao th× dßng ®iÖn I sÏ gi¶m, dÉn ®Õn gi¶m tæn hao ®iÖn n¨ng, gi¶m ®iÖn ¸p r¬i trªn ®êng d©y vµ cã thÓ chän d©y dÉn tiÕt diÖn nhá h¬n. C¸c t¶i trong c«ng nghiÖp vµ sinh ho¹t thêng cã tÝnh ®iÖn c¶m (cuén d©y ®éng c¬ ®iÖn, m¸y biÕn ¸p, chÊn lu…) nªn cos thÊp. §Ó n©ng cao cos ta thêng dïng tô ®iÖn nèi song song víi t¶i (h×nh 3.24a). 7. Các phương pháp giải mạch điện 7.1. Phương pháp dòng điện nhánh 7.1.1. Các bước giải Bưíc 1: X¸c ®Þnh sè nót n = ……………, sè nh¸nh m = ………………Sè Èn cña hÖ ph¬ng tr×nh b»ng sè nh¸nh m. Bưíc 2: Tuú ý vÏ chiÒu dßng ®iÖn mçi nh¸nh. Bưíc 3: ViÕt ph¬ng tr×nh Kiªcsh«p 1 cho (n-1) nót ®· chän. Bưíc 4: ViÕt ph¬ng tr×nh Kiªcsh«p 2 cho (m-(n-1)) = (m - n + 1) m¹ch vßng ®éc lËp. 18
Bưíc 5: Gi¶i hÖ thèng m ph¬ng tr×nh ®· thiÕt lËp, ta cã dßng ®iÖn c¸c nh¸nh. 7.1.2. Ví dụ áp dụng * ¸p dông phương ph¸p dßng ®iÖn nh¸nh, tÝnh dßng ®iÖn trong c¸c nh¸nh cña m¹ch ®iÖn h×nh 1.38. Lêi gi¶i: Bưíc 1: M¹ch ®iÖn cã 2 nót A vµ B, sè nót n = 2; m¹ch cã 3 nh¸nh 1, 2, 3, sè nh¸nh m = 3. Bưíc 2: VÏ chiÒu dßng ®iÖn c¸c nh¸nh I1, I2, I3 nh h×nh 1.38 Bưíc 3: Sè nót cÇn viÕt ph¬ng tr×nh Kiªcsh«p 1 lµ n - 1 = 2 - 1 = 1. Chän nót A. Ph¬ng tr×nh Kiªcsh«p 1 viÕt cho nót A lµ: I1 - I2 + I3 = 0 (1) Bưíc 4: Chän (m - n + 1) = 3 - 2 + 1 = 2 m¹ch vßng Chän 2 m¹ch vßng ®éc lËp a, b nh h×nh vÏ. ViÕt ph¬ng tr×nh Kiªcsh«p 2 cho m¹ch vßng a vµ b. Phư¬ng tr×nh Kiªcsh«p 2 cho m¹ch vßng a lµ: 47I1 + 22I2 = 10 (2) M¹ch vßng b 22I2 + 68I3 = 5 (3) Bíc 5: Gi¶i hÖ phư¬ng tr×nh ta cã dßng ®iÖn c¸c nh¸nh I1 = 138mA I2 = 160mA I3 = 22mA 7.2. Phương pháp dòng điện vòng 7.2.1. Các bước giải Bưíc 1: X¸c ®Þnh (m-n+1) m¹ch vßng ®éc lËp vµ tuú ý vÏ chiÒu dßng ®iÖn m¹ch vßng, th«ng thêng nªn chän chiÒu c¸c dßng ®iÖn m¹ch vßng gièng nhau, thuËn tiÖn cho lËp hÖ phư¬ng tr×nh. Bưíc 2: ViÕt phư¬ng tr×nh Kiªcsh«p 2 cho mçi m¹ch vßng tuú theo c¸c dßng ®iÖn m¹ch vßng ®· chän. Bưíc 3: Gi¶i hÖ phư¬ng tr×nh võa thiÕt lËp, ta cã dßng ®iÖn m¹ch vßng. Bưíc 4: TÝnh dßng ®iÖn c¸c nh¸nh theo dßng ®iÖn m¹ch vßng nh 19