Thư viện tri thức trực tuyến
Kho tài liệu với 50,000+ tài liệu học thuật
© 2023 Siêu thị PDF - Kho tài liệu học thuật hàng đầu Việt Nam
Giáo trình mạch điện
Nội dung xem thử
Mô tả chi tiết
GIÁ O TRÌN H
MÁC H ĐIÊ N
DÙNG CHO CÁC TRƯỜNG ĐÀO TẠO HỆ CAO ĐANG NGHỀ
VÀ TRUNG CẤP NGHỀ
E
1 0 " ' ĩ u t
E
2 ( t
NGUYÊN
?c LIỆU
) 7 1
gSk NHA XUÃT BÁN GIÁO DỤC VIỆT NAM
ThS. PHẠM VĂN MINH
ThS. VŨ HỮU THÍCH - ThS. NGUYỄN BÁ KHÁ
GIÁ O TRÌN H
MẠCH ĐIỆN
(Dùng cho các trường đào tạo hệ Cao đẳng nghề và Trung cấp nghề )
I
Đ £HQC THÁI NGUYÊN
TRUNG TẤM ỊiỌClíẸU
NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC VIỆT NAM
Công ty cổ phần Sách Đại học - Dạy nghé - Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam
giữ quyền công bố tác phẩm.
684-2009/CXB/19-1243/GD Mã số: 7B769Y9 - DAI
L Ờ I NÓ I Đ Ầ U
Cuốn "Giáo trình Mạch điện" được biên soạn dựa theo chương trình
khung môn học Mạch điện dành cho hệ Trung cấp nghề và Cao đẳng nghề
do Tổng cục Dạy nghề ban hành nhằm trang bị cho học sinh những kiến
thức cơ bản nhất khi tính toán mạch điện.
Chúng tôi đã cố gắng biên soạn giáo trình ở dạng đơn giản và dễ hiểu
nhất. Trong mỗi phần đều dành một thời lượng đáng kể cho các ví dụ áp
dụng, cuối mỗi chương đều có câu hòi và bài tập để học sinh cùng cố kiến
thức nên rất dễ hiểu đối với những người mới tiếp cận với môn học. Đây
cũng là tài liệu tham khảo tốt cho các bạn sinh viên các trường TCCN, cao
đẳng và đại học chuyên ngành thuộc ngành Điện, Điện tử.
Nội dung giáo trình bao gồm 6 chương:
Chương 1. Các khái niệm cơ bản về mạch điện.
Chương 2. Mạch điện một chiều.
Chương 3. Dòng điện xoay chiều hình sin.
Chương 4. Mạch điện xoay chiều ba pha ở chế độ xác lập hình sin.
Chương 5. Giải các mạch điện nâng cao.
Chương 6. Quá trình quá độ trong mạch điện tuyến tính.
Giáo trình được chính thức đưa vào sử dụng cho học sinh hệ Cao đang
nghề và Trung cấp nghề cùa Khoa Điện công nghiệp và Dân dụng trường
Đại học Công nghiệp Hà Nội trong năm học 2Ơ09 - 2010.
Chúng tôi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp Bộ môn Đo lường &
Điều khiển - Khoa Điện trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội đã góp ý, giúp
đỡ chúng tôi hoàn thành tốt cuốn giáo trình này. Các tác già xin chân thành
cám ơn Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam đã tạo điện kiện để cuốn sách sớm
hoàn thành.
Mặc dù rất cố gắng khi biên soạn, song giáo trình cũng khó tránh khỏi
3
nhũng thiếu sót. Rất mong nhận được những góp ý, phê bình từ các thầy. cô
giáo, bạn đọc và đồng nghiệp đề lần tái bàn sau giáo trình được sứa chữa hoàn
thiện hơn.
Mọi góp ý xin gùi về Công ty cồ phần sách Đại học và Dạy nghề -
Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam, tại 25 Hàn Thuyên Hà Nội.
Hoặc gùi về: Bộ môn Đo lường & Điều khiển - Khoa Điện - Đại học
Công Nghiệp Hà Nội, địa chì email: [email protected] hay
nguvenbakha(ạ)yahoo.com
Hà nội, tháng 8 năm 2009
Các tác giả
4
Chương 1
CÁC KHÁI NIỆ M C ơ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN
1.1. MẠCH ĐIỆN
1.1.1. Mạch điện
Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện, được nối với nhau bằng các dây
dẫn thành nhũng vòng kín trong đó có dòng điện đi qua.
Như vậy mạch điện bao gồm:
- Nguồn điện;
- Phụ tải;
- Dây dẫn.
/. Nguồn điện
Nguồn điện là những thiết bị phát ra điện năng, biến đổi năng lượng như
cơ năng, hoa năng, nhiệt nâng ... thành điện năng.
2. Phụ tải
Phụ tải là những thiết bị tiêu thụ điện năng, biến điện năng thành các
dạng năng lượng khác như cơ năng, hoa nàng, quang năng, nhiệt năng ...
3. Dây dẩn
Dây dẫn là dây đẫn điện nối từ nguồn đến các phụ tải hoặc nối giữa các
phụ tải với nhau.
Hình 1.1 là một ví dụ về mạch diện.
Qỳ (^ĐC) (2 ) Đ
Hình 1.1
Trong dó: Nguồn điện là máy phát điện MF, phụ tải gồm động cơ ĐC và
bóng đèn Đ, dây dẫn nối máy phát MF với động cơ Đe và đèn Đ.
5
1.1.2. Kết cấu hình học của mạch điện
Xét về mặt hình học, mạch điện được kết cấu bời: nhánh, nút và vòng.
- Nhánh: Nhánh là mội bộ phận của mạch điện, gồm các phần tử nối
tiếp nhau trong đó có cùng dòng điện chạy qua.
Ví dụ nhánh của mạch điện trên hình 1.2.
ĐI Đ2
Hình 1.2
- Nút: Nút là điểm nối của từ ba nhánh trỏ lên (nút a, b hình 1.1).
- Vòng: Vòng là lối đi khép kín của dòng điện qua các nhánh (vòng v„
v2
hình 1.1)
1.1.3. Các hiện tượng diện từ
Các thiết bị điện khác nhau làm việc theo những nguyên lắc khác nhau,
dưa trên nhiều hiện tượng vật lý khác nhau như: phát nhiệt năng, phát cơ
năng, điện nâng, điều khiển, khuếch đại, tạo sóng, tạo xung... Nhung với
cách nhìn cơ bán thõng qua quá trình năng lượng thì mọi hiện tượng trong
vùng lân cận một nhánh đều có thể quy lại trong hai nhóm hiện tượng: hiện
tượng biến đổi năng lượng và hiện tượng tích phóng năng lượng, ta gọi
chung là hiện tượng điện từ.
/. Hiện tượng biến đổi năng lượng
Hiện tượng biến đổi các dạng năng lượng khác như cơ năng, hoa năng.
nhiệt năng, quang năng ... thành năng lượng điện từ gọi là hiện tượng tích
lũy nâng lượng nguồn, tạo ra nguồn điện.
Hiện tượng chuyến hoa nâng lượng điện từ thành các dạng năng lượng
khác như nhiệt, quang, cơ, hoa ... gọi là hiện lượng tiêu tán.
ĩ. Hiện tượng tích phóng năng lượng
Là hiện tượng tích trữ hoặc giải phóng năng lượng dưới dạng điện từ
trường. Năng lượng điện từ trường này được cất giữ vào trong không gian mà
không chuyển hoa thành dạng năng lượng khác. Ví dụ: cuộn cảm L,
tụ điện c ... Khi trường điện từ tăng lẽn, năng lượng điện từ do các nguồn
cung cấp, tích lũy cất thêm vào không gian xung quanh. Khi trường giảm đi,
nàng lượng tích lũy trong không gian xung quanh lại đưa hoàn trở lại nguồn
và cấp cho những phần từ tiêu tán.
6
1.2. CÁC KHÁI NIỆM Cơ BẢN TRONG MẠCH ĐIỆN
1.2.1. Dòng điện và cường độ dòng điện
ì. Dòng điện
- Dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các ion trong vật dẫn.
- Chiều dòng điện được quy ước là chiều chuyển động của các điện tích
dương (ion dương), ngược với chiều chuyển động của các ion âm hoặc
electron (điện tử).
a b
i(t) , ,
o l—ị Ị o
Hình 1.3
- Ký hiệu chiều dòng điện trên mạch điện là hình mũi tên.
Ví dụ 1.1. Dòng điện có chiều đi từ a -> b. Ký hiệu dòng điện là do ta
quy ước, nên dòng điện i(t) có thể có giá trị (+) hoặc âm (-). Nếu dòng điện
i(t) > 0 (ví dụ i(t) = 5A) thì chiều dòng điện thực tế đi từ a -> b. Ngược lại
nếu i(t) < 0 (ví dụ i(t) = -3A) thì dòng điện trên thực tế đi từ b -> a.
2. Cường độ dòng điện
- Cường độ dòng điện i là giá trị của dòng điện chạy qua dây dẫn tại
thời điểm ta xét.
- Dòng điện trong dây dẫn được định nghĩa là tốc độ biến thiên của điện
tích q qua tiết diện ngang của Ì dãy dẫn trong Ì đơn vị thời gian. Biểu thức
dòng điện là:
., . dq(t) Aq
Đơn vị của cuông độ dòng điện theo hệ đơn vị quốc tế SI là ampe viết
tắt là A.
Dòng điện nói chung có trị số thay đổi theo thời gian, nhưng cũng có
dòng điện không thay đổi theo thời gian.
Ví dụ 1.2. i(t) = 2V2 sin(1007Tt + —) A là biểu thức tín hiệu dòng điện
hình sin, có biên độ cực đại 2V2 A.
7
Tai thời điểm ì, = Os thì i(t, ) = 2x/2 sin(-)= 2V2.—= Vó A
3 2
Tại thời điểm t, = -^-s, thì:
2
600
i(t 2 ) = 2^sin(10Ũ7t.—+ -)= 2x/2 sin(—) = -2sỈ2 - = -Vỉ A
600 3 6 2
Vì i(t,) = Vỏ A > 0 nên tại thời điểm t, dòng diện i(t) có chiểu thực
trùng với chiểu dương đã chọn, tức là tại thời điểm t| dòng diện có trị số là
SA và chạy theo chiều từ a đến b (hình Ì .3).
i(t 2 ) = -yỊĨ\ < 0 nên tại thời điểm t2
dòng điện i(t) có chiều thực ngược
với chiều dương đã chọn, tức là tại thời điếm t2 dòng điện có trị số là -TỈA
và chạy theo chiều từ b đến a.
Trường hợp dòng diện i(t) = ì (hằng số), được gọi là dòng điện không •
đổi (dòng điện một chiều).
1.2.2. Điện áp (hiệu điện thế)
Tại mỗi điểm trên mạch điện có một điện thế. Hiệu điện thế giữa hai
điếm a và b nào đó của mạch điện gọi là điện áp (hay hiệu điện thê) u h(t).
MO = q>a(t) - cp„(t) (1.2)
Trong đó: (pa(t), (ph(t) là điện thế tại các điểm a, b.
(pa
, (pb
được so sánh với điện thế của một điểm o nào đó mà ta gọi là gốc
với giá thiết q>„ = 0.
Đơn vị của điện thế và điện áp trong hệ đơn vị quốc tế SI là von (volt)
viết tắt là V.
Chiều dương của điện áp quy ước lả từ nơi có điện thế cao đến nơi có
điện thế thấp.
Chiều dương diện áp uah
được vẽ bằng một mũi tên hướng từ a đến b (với
<p„(t) > <Pb(0), ký hiệu như hình Ì .4.
a 0 >H Ị o b
MO
Hình 1.4
8
(1.3)
1.2.3. Công suất tức thời
Công suất tức thời: p(t) = u(t).i(t)
Đơn vị công suất tức thời là w.
Khi chọn chiều dòng điện và điện áp trên nhánh trùng nhau, sau khi tính
toán công suất p của nhánh, tại một thời điểm nào đó, dựa vào dấu của p ta
có kết luận sau về quá trình năng lượng của nhánh:
p = lú > 0 => nhánh nhận năng lượng.
p = u.i < 0 => nhánh phát năng lượng.
1.3. MÔ HỈNH MẠCH ĐIỆN
- Mô hình mạch điện là mạch điện trên thực tế đã được lý tưởng hoa
thành các phần tử như nguồn (nguồn dòng, nguồn áp) và các phần tử tải (như
điện trở R, điện cảm L và điện dung C).
- Mô hình mạch điện được dùng để phân tích mạch điện.
1.3.1. Phần tử nguồn
/. Nguồn áp e(t)
Nguồn áp đặc trung cho khả năng tạo nên
và duy ưì một điện áp trên hai cực của nguồn.
Nguồn áp độc lập tạo nên điện áp
không phụ thuộc vào mạch ngoài.
Ký hiệu nguồn áp: Là một sức điện
động (sđđ) e(t) như hình Ì .5.
Đơn vị của nguồn áp: von (V).
Quy ước chiều dương của nguồn áp e(t): từ nơi có
điện thế thấp đến nơi điện thế cao. Như vậy điện áp trẽn 2
cực của nguồn uat)
có chiều ngược với sđđ e(t).
Đặc điểm của nguồn áp: có tổng trở trong vô
cùng nhỏ, nguồn áp lý tường có tổng trở bằng 0.
2. Nguồn dòngj(t)
Nguồn dòng đặc trưng cho khả năng tạo nên và
duy trì một dòng điện cung cấp cho mạch ngoài.
Nguồn dòng độc lập tạo nên dòng điện không phụ
thuộc vào mạch ngoài.
e(t) MO = e(t)
ốb
Hình 1.5
i(t)=j(t)
j(t)
T
ổb
Hình 1.6
9
Ký hiệu nguồn dòng: có độ lớn là j(t) như hình 1.6.
Đơn vị của nguồn dòng j(t): ampe (A).
Đặc điểm của nguồn dòng: có tổng trờ trong vô cùng lớn.
1.3.2. Phần tử điện trở, diện dẫn
a) Điện trởR
Điện trờ R đặc trưng cho hiện tượng tiêu tán năng lượng dưới dạng
nhiệt năng cùa một phần tử.
Ký hiệu R: như hình 1.7.
Đơn vị: ohm (Q) (đọc là ôm).
R
Điện áp trên R: _
uR=R.i(t) (1.4) o—:=- i(t) J =
Công suất tiêu tán tức thời: u (ị)
p(t) = u.i = R.i2
(t) (W) (1.5)
Năng lượng tiêu tán:
Hìn h 1 7
T
A= J*p(t)dt
0
(1.6)
Ví dụ 1.3. Điện trờ R = 4Q có i(t) = 3A khi đó điện áp rơi trên R là:
uR=R.i(t) = 4.3= 12V
b) Điện dẩn G
Điện dẫn G bằng nghịch đảo của điện trờ R:
r-
1
R
(L7>
Đơn vị của điện dẫn G là simen (S).
1.3.3. Phần tứ điện cảm L
Điện cảm thường được ký hiệu là L (như hình 1.8), điện cảm L đạc
trưng cho khả nàng tiêu tán nâng lượng dưới dạng từ trường.
Khi cho dòng điện i(t) qua điện cảm L, tồn tại từ thông \ịi móc vòng qua
các vòng dây và tích lũy năng lượng WM vào không gian bao quanh.
Điện cảm L của cuộn dây được định nghĩa:
ì V
L = ^- =>V|/ = LÌ (1.8)
Đem vị cùa điện cảm là henry (H).
10
Nếu dòng điên i biến thiên thì từ thông cũng biến Ihién và theo định luật
cảm ứng điện từ, trong cuộn dây xuất hiện sức điện động tự cảm.
UL(0 *
uc(t)
Hình 1.8 Hình 1.9
eL=_^ = _Lf!ị (1.9)
L
di dt
Khi đó điện áp tụ cảm trên điện cảm L :
u, = -e, =L- (1.10)
L L dt
Công suất tức thời:
p = u.i
Năng lượng từ trường tích lũy trong cuộn dây:
(1.11)
WM = Jpdt (1.12)
ó
Như vậy điện câm L đặc trưng cho hiện tượng tích lũy năng lượng từ
trường của cuộn dây.
Từ (Ì. 10) ta thấy, khi Ì = ì (hằng số) có UL
= ov, như vậy ờ trạng thái xác
lập đối với dòng một chiều thì điện cảm L đóng vai trò là dây dẫn.
Ví dụ 1.4. cuộn dây có trị số điện cảm L = 0,5H, dòng điện:
iL(t) = 5sin(10t + 30")ABiểu thức điện áp trên L:
m
, diL(t) n gd(5sin(10t + 30")) ..„,.„„ .
u, (t) = L—L
-—= 0,5 — = 25cos(10t + 30 )
dt dt
=>uL(t) = 25sin(10t + 120") V
1.3.4. Phần tứ điện dung c
Phần tử điện dung c (ký hiện c như hình Ì .9) dặc trung cho khả năng tích lũy
năng lượng dưới dạng điện trường. Đơn vị của điện dung là fard, ký hiệu (F).
l i
Khi đặt một điện áp uc
lên 2 bản cực của tụ điện, tồn tại diện tích q trên
2 bản cực, trong không gian giữa các bàn cực sẽ có một điện trường Wp
Độ lớn điện tích: q = c.uc
(113)
Nếu điện áp uc biến thiên thì diện tích q biến thiên, khi đó sẽ có dòng
điện chuyển dịch qua 2 bản cực:
i = dq = c fỊUc ( 1
14)
di dt
Từ dó suy ra: uc=^|idt (115)
Công suất tức thời trên tụ: p = u.i (116)
Năng lượng điện trường tích lũy trên tụ:
w, : = Jpdt (1.17)
Ví dụ 1.5. Điện dung c = 0,02F, được cung cấp dòng điên i(t) = 10sin2t
A. Khi đó điện áp trẽn điện dung C:
Ur = -r fidt = 4 fl 0sin2tdt = —^—cos2t
c
c J c J 0,02.2
=> uc
= -250cos2t = 250sin(2t - 90°)
Nếu đặt điện áp ut
.(t) = u„ (dòng một chiểu) lẻn điện dung c thì dòng
dur
điên qua tu C: í = c —— = OA
M
dt
Như vậy ở trạng thái xác lập diện dung c không có dòng một chiều chạy qua.
1.3.5. Ví dụ về mô hình mạch điện
Mô hình mạch điện hay còn gọi là sơ đồ thay thế mạch điện, các phẩn tử cùa
mạch điện thực được mô hình hoa bằng các phẩn tử lý tưởng như e(t), j(t), R, L, c.
Đổ thành lập mô hình mạch điện, đầu tiên ta liệt kê các hiện tượng
năng lượng xảy ra trong từng thiết bị và thay thế chúng bằng các phần từ lý
tướng và nối lại với nhau tùy theo kết cấu hình học của mạch diện.
Hình l.lOb là sơ đồ thay thế của mạch diện thực hình 1.1 Oa, trong đó
máy phát được thay thế bằng nguồn áp é,, nốitiếp với R|, và L[., đường dây
thay thế bằng Rj, Lj, động cơ được thay thế bằng RJt
Lj c
, bóng đèn sợi đốt
thay thế bằng Rd
.
12
( ^ ) (ĐC )
a)
Hình 1.10
1.4. CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI TƯƠNG ĐƯƠNG
1.4.1. Nguồn áp ghép nối tiếp
Những sức điện động É,, E2
,...E„ nối tiếp trên một nhánh tương đương
vối một sđđ Eu (hình 1.11).
E| En
E,,|
• 0 -
E, d=E,+E2+... + E„= ^E k
k = l
1.4.2. Nguồn dòng ghép song song
J
< 0 © '
(1.18)
Hình 1.12
Những nguồn dòng J,, J2
, J„ ghép song song với nhau tương đương
với một nguồn dòng J,J (hình 1.12).
Jld
=J, +J 2+... + J„ =£j k (1.19)
Nghiêm cấm việc ghép nguồn áp song song và nguồn dòng nốitiếp.
13