Giáo trình KỸ THUẬT ĐIỆN
-
Trường Trung cấp nghề Đức Phổ
LỜI NÓI ĐẦU
Điện kỹ thuật là một môn học cơ sở quan trọng giúp học sinh khối kỹ thuật
nói chung và học sinh ngành điện nói riêng có được kiến thức cơ bản để bước vào
học các môn chuyên ngành sau này. Môn điện kỹ thuật nghiên cứu những ứng dụng
của các hiện tượng điện từ nhằm biến đổi năng lượng và tín hiệu, bao gồm việc
phát, truyền tải, phân phối và sử dụng điện năng trong sản xuất và đời sống.
Giáo trình này trình bày các kiến thức cơ bản về mạch điện, phương pháp
tính toán mạch điện, dòng điện xoay chiều hình sin một pha và ba pha, các kiến thức
về nguyên lý, cấu tạo, đặc tính và ứng dụng các loại máy điện có kèm theo các ví dụ
cụ thể và các bài tập được soạn theo từng các chương lý thuyết, để giúp người học có
thể giải và ứng dụng vào các môn học có liên quan.
Giáo trình gồm 85 tiết, dùng làm tài liệu giảng dạy và học tập của Giáo viên và
học sinh sinh viên trình độ Trung cấp nghề nghề Điện tử dân dụng thuộc khoa CơĐiện trường Trung cấp nghề Đức Phổ.
Nội dung Giáo trình gồm có 7 chương:
- Chương 1: Mạch điện một chiều
- Chương 2: Điện từ và cảm ứng điện từ
- Chương 3: Dòng điện hình sin
- Chương 4: Mạch điện xoay chiều ba pha
- Chương 5: Máy biến áp một pha
- Chương 6: Các loại động cơ điện
- Chương 7: Thiết bị đóng cắt và bảo vệ mạch điện
Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong biên soạn nhưng chắc chắn giáo trình không
thể tránh khỏi những sai sót. Tác giả rất mong được sự góp ý chân thành của quý đồng
nghiệp, học viên, sinh viên và bạn đọc để giáo trình ngày một hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
TÁC GIẢ
Giáo trình KỸ THUẬT ĐIỆN
-
Trường Trung cấp nghề Đức Phổ
MỤC LỤC
Chương 1. MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU
1. Khái niệm về nguồn điện một chiều, phụ tải và máy phát điện..............................................8
1.1. Mạch điện.............................................................................................................................8
1.2. Tải......................................................................................................................................10
1.3. Dây dẫn...............................................................................................................................10
2. Các đại lượng đặc trưng quá trình năng lượng trong mạch điện..........................................10
2.1. Dòng điện...........................................................................................................................10
2.2. Điện áp................................................................................................................................11
2.3. Công suất.............................................................................................................................12
3. Mô hình mạch điện một chiều..............................................................................................12
3.1. Nguồn điện áp và nguồn dòng điện...................................................................................12
3.1.1. Nguồn ổn áp u(t).............................................................................................................12
3.1.2. Nguồn dòng điện i(t).......................................................................................................12
3.2. Điện trở R...........................................................................................................................13
3.3. Thiết lập mô hình mạch điện..............................................................................................13
4. Các định luật của mạch điện.................................................................................................14
4.1. Định luật Ôm (Ohm)..........................................................................................................14
4.1.1. Nhánh thuần điện trở R....................................................................................................14
4.1.2. Nhánh có sức điện động: Có E và điện trở R.................................................................15
4.2. Định luật Kiêc-shốp (Kirchhoff)........................................................................................16
4.2.1. Định luật Kirchhoff 1......................................................................................................16
4.2.2. Định luật Kirchhoff 2......................................................................................................17
5. Các biến đổi tương đương.....................................................................................................17
5.1. Các điện trở mắc nối tiếp...................................................................................................18
5.2. Các điện trở mắc song song...............................................................................................18
5.3. Biến đổi sao thành tam giác và tam giác thành sao...........................................................19
5.4. Định lý Thevenin...............................................................................................................21
5.5. Định lý Norton...................................................................................................................21
6. Nguyên lý xếp chồng............................................................................................................23
6.1. Tính chất............................................................................................................................23
6.2. Các bước tính mạch điện...................................................................................................23
6.3. Ví dụ: Hãy tính dòng điện I2 trong nhánh 2 của điện như (hình 1-22a).............................23
7. Phương pháp giải mạch điện phức tạp..................................................................................24
7.1. Phương pháp dòng điện nhánh...........................................................................................24
Giáo trình KỸ THUẬT ĐIỆN
-
Trường Trung cấp nghề Đức Phổ
7.2. Phương pháp dòng điện mạch vòng...................................................................................26
7.3. Phương pháp điện thế nút..................................................................................................27
Chương 2
ĐIỆN TỪ VÀ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ
1.Những khái niệm cơ bản về từ trường...................................................................................31
1.1. Lực từ giữa các cực của nam châm....................................................................................33
1.2. Lực điện từ.........................................................................................................................33
1.3. Cảm ứng điện từ.................................................................................................................33
2. Cường độ từ cảm - cường độ từ trường - từ thông................................................................33
2.1. Cường độ từ cảm B............................................................................................................33
2.2. Cường độ từ trường H........................................................................................................34
2.3. Từ thông.............................................................................................................................35
3. Định luật cảm ứng điện từ.....................................................................................................36
3.1. Sức điện động cảm ứng khi từ thông xuyên qua vòng dây biến thiên...............................36
3.1.1. Định nghĩa.......................................................................................................................36
3.1.2. Ví dụ................................................................................................................................37
3.2. Sức điện động cảm ứng trong thanh dẫn chuyển động trong từ trường.............................38
3.2.1. Định nghĩa.......................................................................................................................38
3.2.2. Ví dụ................................................................................................................................39
4. Định luật lực điện từ.............................................................................................................40
Chương 3
DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN
1. Khái niệm về dòng điện hình sin..........................................................................................43
1.1. Định nghĩa..........................................................................................................................43
1.2. Biểu thức của dòng điện, điện áp hình sin...........................................................................43
2. Các đại lượng đặc trưng của dòng điện hình sin...................................................................44
2.1. Chu kỳ, tần số....................................................................................................................44
2.2. Trị số tức thời, trị số cực đại..............................................................................................44
2.3. Trị số hiệu dụng.................................................................................................................45
2.4. Pha và sự lệch pha..............................................................................................................46
3. Tính chất của mạch điện xoay chiều.....................................................................................47
3.1. Mạch điện thuần trở (R)....................................................................................................47
3.1.1. Cách xác định mạch điện (R)..........................................................................................47
3.1.2. Ví dụ................................................................................................................................48
3.2. Mạch điện thuần điện cảm (L)...........................................................................................48
3.2.1. Cách xác định mạch điện (L)..........................................................................................48
3.2.2. Ví dụ................................................................................................................................49
3.3. Mạch điện thuần điện dung (C).........................................................................................50
Giáo trình KỸ THUẬT ĐIỆN
-
Trường Trung cấp nghề Đức Phổ
3.3.1. Cách xác định mạch điện (C)..........................................................................................50
3.3.2. Ví dụ................................................................................................................................51
3.4. Mạch R L C mắc nối tiếp...................................................................................................51
4. Công suất của dòng điện xoay chiều hình sin.......................................................................54
4.1. Công suất tác dụng P..........................................................................................................54
4.2. Công suất phản kháng Q....................................................................................................55
4.3. Công suất biểu kiến S........................................................................................................55
5. Biểu diễn dòng điện xoay chiều bằng số phức......................................................................56
5.1. Biểu diễn các đại lượng xoay chiều bằng đồ thị vectơ......................................................56
5.1.1. Cách biểu diễn bằng vectơ..............................................................................................56
5.1.2. Ví dụ................................................................................................................................57
5.2. Biểu diễn các đại lượng xoay chiều bằng số phức.............................................................57
5.2.1. Cách biểu diễn số phức...................................................................................................57
5.2.2. Một số phép tính đối với số phức...................................................................................58
5.2.3. Biểu diễn các đại lượng điện hình sin bằng số phức.......................................................59
5.2.4. Viết các định luật dưới dạng số phức..............................................................................59
5.2.5. Ví dụ................................................................................................................................60
6. Các phương pháp giải các mạch điện xoay chiều hình sin...................................................60
6.1. Phương pháp đồ thị vectơ..................................................................................................60
6.2. Phương pháp số phức.........................................................................................................60
6.3. Bài tập................................................................................................................................61
Chương 4
MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA
1. Khái niệm về nguồn điện ba pha...........................................................................................64
1.1. Nguồn điện ba pha.............................................................................................................64
2. Các cách nối dây máy điện...................................................................................................66
2.1. Cách nối hình sao (Y)........................................................................................................66
2.2. Cách nối hình tam giác......................................................................................................67
3. Công suất của mạch điện ba pha...........................................................................................67
3.1. Công suất tác dụng P..........................................................................................................67
3.2. Công suất phản kháng Q....................................................................................................68
3.3. Công suất biểu kiến S khi mạch đối xứng.........................................................................68
4.1. Cách nối nguồn điện..........................................................................................................69
4.2. Cách nối động cơ điện ba pha............................................................................................70
4.3. Cách nối các tải một pha....................................................................................................71
Chương 5
MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA
1. Khái niệm, cấu tạo và nguyên lý làm việc............................................................................73
Giáo trình KỸ THUẬT ĐIỆN
-
Trường Trung cấp nghề Đức Phổ
1.1. Khái niệm...........................................................................................................................73
1.2. Cấu tạo...............................................................................................................................74
1.3. Nguyên lý làm việc............................................................................................................74
2. Tính toán, thiết kế máy biến áp cảm ứng một pha công suất nhỏ.........................................76
2.1. Tính công suất máy biến áp...............................................................................................76
2.2. Chọn mạch từ máy biến áp................................................................................................77
2.3. Tính số vòng dây................................................................................................................77
2.4. Đường kính dây dẫn...........................................................................................................77
3. Hiện tượng, nguyên nhân và cách khắc phục những hư hỏng thông thường của máy biến áp
dân dụng một pha......................................................................................................................77
3.1. Hiện tượng.........................................................................................................................77
3.2. Nguyên nhân......................................................................................................................78
3.3. Cách khắc phục..................................................................................................................78
Chương 6
CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ ĐIỆN
1. Động cơ điện xoay chiều không đồng bộ.............................................................................80
1.1. Khái niệm về động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha.........................................80
1.2. Từ trường quay của dòng điện xoay chiều không đồng bộ ba pha....................................81
1.3. Cấu tạo, nguyên lý làm việc của máy điện xoay chiều không đồng bộ.............................83
1.3.1. Cấu tạo............................................................................................................................83
1.3.2. Nguyên lý làm việc.........................................................................................................85
1.4. Phương pháp mở máy động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha...........................87
1.4.1. Quá trình mở máy động cơ điện không đồng bộ............................................................87
1.4.2. Các phương pháp mở máy..............................................................................................87
1.5. Hiện tượng, nguyên nhân và cách khắc phục những hư hỏng thông thường của động cơ 91
2. Động cơ điện xoay chiều không đồng bộ một pha...............................................................97
2.1. Khái niệm về động cơ không đồng bộ một pha.................................................................97
2.2. Cấu tạo...............................................................................................................................98
2.2.1. Stato (sơ cấp hay phần ứng)............................................................................................98
2.2.2. Rotor (thứ cấp hay phần quay)........................................................................................99
2.3. Nguyên lý làm việc..........................................................................................................100
2.4. Các loại động cơ điện không đồng bộ một pha thường dùng trong thiết bị điện tử dân
dụng.........................................................................................................................................101
2.4.1. Động cơ có vòng ngắn mạch.........................................................................................101
2.4.2. Động cơ có cuộn phụ...................................................................................................102
2.4.3. Động cơ dùng tụ điện khởi động..................................................................................103
2.5. Hiện tượng, nguyên nhân và cách khắc phục những hư hỏng thông thường của động cơ
.................................................................................................................................................104
2.6. Đấu dây-vận hành thử động cơ........................................................................................104
Giáo trình KỸ THUẬT ĐIỆN
-
Trường Trung cấp nghề Đức Phổ
3. Động cơ điện một chiều......................................................................................................104
3.1. Khái niệm.........................................................................................................................104
3.2. Cấu tạo.............................................................................................................................104
3.3. Nguyên lý làm việc..........................................................................................................105
3.3.1. Từ trường của máy điện một chiều...............................................................................106
3.3.2. Công suất và mômen của máy điện một chiều.............................................................107
3.4. Phương pháp mở máy và điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều..............................107
3.4.1. Mở máy động cơ điện một chiều....................................................................................107
3.4.2. Điều chỉnh tốc độ..........................................................................................................108
3.5. Các loại động cơ điện một chiều......................................................................................108
3.5.1. Động cơ kích từ độc lập................................................................................................108
3.5.2. Động cơ kích từ song song...........................................................................................109
3.5.3. Động cơ kích từ hỗn hợp...............................................................................................110
3.5.4. Động cơ kích từ nối tiếp- động cơ vạn năng.................................................................110
3.6. Hiện tượng, nguyên nhân và cách khắc phục những hư hỏng thông thường của động cơ
.................................................................................................................................................111
Chương 7
THIẾT BỊ ĐÓNG CẮT VÀ BẢO VỆ MẠCH ĐIỆN
1. Các thiết bị đóng cắt và bảo vệ mạch điện..........................................................................112
1.1. Cầu chì.............................................................................................................................112
1.1.1. Cấu tạo..........................................................................................................................112
1.1.2. Nguyên lý hoạt động và phân loại................................................................................113
1.1.3. Tính chọn cầu chì..........................................................................................................115
1.1.4. Hư hỏng và các nguyên nhân hư hỏng..........................................................................117
1.2. Công tắc...........................................................................................................................118
1.2.1. Định nghĩa.....................................................................................................................118
1.2.2. Ký hiệu..........................................................................................................................118
1.2.3. Phân loại........................................................................................................................118
1.2.4. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động (Công tắc 2 cực)............................................................118
1.2.5. Công tắc hộp................................................................................................................119
1.2.6. Công tắc vạn năng.........................................................................................................122
1.2.7. Công tắc hành trình.......................................................................................................123
1.3. Cầu dao............................................................................................................................127
1.3.1. Cấu tạo và ký hiệu.........................................................................................................127
1.3.2. Nguyên lý hoạt động, phân loại....................................................................................129
1.3.3. Hư hỏng và các nguyên nhân hư hỏng..........................................................................130
1.3.4. Sửa chữa cầu dao..........................................................................................................131
1.4. Nút điều khiển (Nút nhấn)..............................................................................................133
Giáo trình KỸ THUẬT ĐIỆN
-
Trường Trung cấp nghề Đức Phổ
1.4.1. Định nghĩa.....................................................................................................................133
1.4.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc......................................................................................133
1.4.3. Phân loại, công dụng.....................................................................................................134
1.4.4. Ký hiệu..........................................................................................................................135
1.4.5. Thông số kỹ thuật..........................................................................................................135
1.4.6. Sửa chữa nút điều khiển................................................................................................135
1.5. Rơle..................................................................................................................................138
1.5.1. Rơle điện từ...................................................................................................................138
1.5.2. Rơle nhiệt......................................................................................................................143
1.5.3. Rơ le trung gian và rơ le tốc độ.....................................................................................149
1.5.4. Rơ le thơi gian...............................................................................................................153
1.6. Công tắc tơ.......................................................................................................................158
1.6.1. Cấu tạo..........................................................................................................................158
1.6.2. Nguyên lý hoạt động.....................................................................................................160
1.6.3. Hư hỏng và các nguyên nhân gây hư hỏng...................................................................161
1.6.4. Sửa chữa công tắc tơ.....................................................................................................161
2. Các thiết bị khởi động.........................................................................................................165
2.1. Khái quát..........................................................................................................................165
2.2. Phân loại...........................................................................................................................165
2.3. Cấu tạo.............................................................................................................................166
2.4. Các yêu cầu......................................................................................................................167
Giáo trình KỸ THUẬT ĐIỆN
-
Trường Trung cấp nghề Đức Phổ
Chương 1
MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU
I. MỤC TIÊU
Sau khi học xong chương này, người học có khả năng:
- Kiến thức:
+ Nêu được các loại mạch điện;
+ Trình bày được các định luật cơ bản của mạch điện, các phép biến đổi tương
đương và nguyên lý xếp chồng.
- Kỹ năng:
+ Phân tích được các loại mạch điện, dạng sóng và dòng điện của các mạch;
+ Sử dụng, vận hành thành thạo các loại mạch điện;
+ Giải được các bài toán mạch điện phức tạp theo phương pháp dòng điện
nhánh, dòng điện mạch vòng và điện thế nút.
- Thái độ:
+ Cẩn thận và chính xác;
+ Học sinh hứng thú yêu thích môn học, chăm chỉ trong quá trình học;
+ Đảm bảo an toàn lao động.
II. ĐỒ DÙNG VÀ TRANG THIẾT BỊ DẠY HỌC
- Giáo án, giáo trình, tài liệu giảng dạy, tài liệu tham khảo;
- Máy tính, projector;
- Các mô hình dùng để thí nghiệm, thực hành.
III. NỘI DUNG
1. Khái niệm về nguồn điện một chiều, phụ tải và máy phát điện
1.1. Mạch điện
- Mạch điện: Là một hệ thống gồm các thiết bị điện, điện tử ghép lại, trong đó
xảy ra các quá trình truyền đạt, biến đổi năng lượng hay tín hiệu điện từ. Mạch điện
được đo bởi các đại lượng: Sức điện động, dòng điện và điện áp.
- Tính chất của mạch điện được đặc trưng bởi trị số của điện trở, điện cảm và
điện dung của các phần tử tạo thành mạch điện.
- Một mạch điện phức tạp bao gồm nhiều nhánh, nhiều mạch vòng và nhiều nút:
Giáo trình KỸ THUẬT ĐIỆN
-
Trường Trung cấp nghề Đức Phổ
+ Nhánh: Là một đoạn mạch gồm những phần tử ghép nối tiếp nhau, trong
đó có cùng 1 dòng điện chạy thông từ đầu nọ đến đầu kia;
+ Nút: Là giao điểm gặp nhau của 3 nhánh trở lên;
+ Vòng (mạch vòng): Là một lối đi khép kín qua các nhánh.
Ví dụ 1: Cho mạch điện như H ình 1.1. Hãy cho biết mạch điện trên có bao
nhiêu nhánh, bao nhiêu nút và bao nhiêu vòng?
R
1
R2
A
I2
I1
I3
E2
E1
R3
B
Hình 1.1. Mạch điện
Trả lời:
- Mạch điện trên gồm 3 nhánh:
+ Nhánh 1: Gồm phần tử R1 mắc nối tiếp với nguồn E1;
+ Nhánh 2: Gồm phần tử R2 mắc nối tiếp nguồn E2;
+ Nhánh 3: Gồm phần tử R3.
- Mạch điện trên gồm 2 nút: A và B
- Mạch điện trên gồm 3 vòng:
+ Vòng 1: Qua các nhánh (1, 3, 1);
+ Vòng 2: Qua các nhánh (2, 3, 2);
+ Vòng 3: Qua các nhánh (1, 2, 1).
Ví dụ 2: Cho mạch điện như Hình 1.2. Hãy cho biết mạch điện trên có bao
nhiêu nhánh, bao nhiêu nút và bao nhiêu vòng?
R1
E1
A
R2
R6
R4
D
B
E2
R5
R3
Hình 1.2. Mạch điện
C
Giáo trình KỸ THUẬT ĐIỆN
-
Trường Trung cấp nghề Đức Phổ
Trả lời:
- Mạch điện trên gồm 6 nhánh:
Nhánh 1: Gồm phần tử R1 mắc nối tiếp với nguồn E1;
Nhánh 2: Gồm phần tử R2 mắc nối tiếp nguồn E2;
Nhánh 3: Gồm phần tử R3;
Nhánh 4: Gồm phần tử R4;
Nhánh 5: Gồm phần tử R5;
Nhánh 6: Gồm phần tử R6.
- Mạch điện trên gồm 4 nút (4 đỉnh): A, B, C, D
- Mạch điện trên gồm 7 vòng:
Vòng 1: Qua các nhánh (1, 6, 4, 1);
Vòng 2: Qua các nhánh (2, 5, 6, 2);
Vòng 3: Qua các nhánh (1, 2, 3);
Vòng 4: Qua các nhánh (1, 2, 4, 5);
Vòng 5: Qua các nhánh (4, 5, 3);
Vòng 6: Qua các nhánh (1, 6, 5, 3, 1);
Vòng 7: Qua các nhánh (2, 6, 4, 3, 2).
1.2. Tải
Tải là các thiết bị tiêu thụ điện năng và biến đổi năng lượng điện thành các dạng
năng lượng khác như cơ năng, nhiệt năng, quang năng v.v....
Ví dụ: Động cơ điện tiêu thụ điện năng và biến điện năng thành cơ năng; bàn
là, bếp điện biến điện năng thành nhiệt năng; bóng điện biến điện năng thành quang
năng....
1.3. Dây dẫn
Dây dẫn được làm bằng kim loại như: Đồng, nhôm, bạc, chì, ... có nhiệm vụ
liên kết và truyền dẫn dòng điện từ nguồn điện đến nơi tiêu thụ.
2. Các đại lượng đặc trưng quá trình năng lượng trong mạch điện
2.1. Dòng điện
- Dòng điện là dòng các điện tích chuyển dời có hướng dưới tác dụng của điện
trường.
Giáo trình KỸ THUẬT ĐIỆN
-
Trường Trung cấp nghề Đức Phổ
Qui ước: Chiều dòng điện hướng từ cực dương về cực âm của nguồn hoặc từ
nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp.
- Cường độ dòng điện I là đại lượng đặc trưng cho độ lớn của dòng điện.
Cường độ dòng điện được tính bằng lượng điện tích chạy qua tiết diện thẳng của
vật dẫn trong một đơn vị thời gian.
I
q
t
(1.1)
Đơn vị của dòng điện là ampe (A).
- Bản chất dòng điện trong các môi trường:
+ Trong kim loại: Lớp ngoài cùng của nguyên tử kim loại có rất ít electron,
chúng liên kết rất yếu với các hạt nhân và dễ bật ra thành các electron tự do. Dưới tác
dụng của điện trường các electron tự do này sẽ chuyển động có hướng tạo thành dòng
điện;
+ Trong dung dịch: Các chất hoà tan trong nước sẽ phân ly thành các ion
dương tự do và các ion âm tự do. Dưới tác dụng của điện trường các ion tự do này sẽ
chuyển động có hướng tạo nên dòng điện;
+ Trong chất khí: Khi có tác nhân bên ngoài (bức xạ lửa, nhiệt…) tác động,
các phần tử chất khí bị ion hoá tạo thành các ion tự do. Dưới tác dụng của điện
trường chúng sẽ chuyển động tạo thành dòng điện.
2.2. Điện áp
Điện áp là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích lũy năng lượng của dòng
điện. Trong mạch điện, tại các điểm đều có một điện thế U* nhất định. Hiệu điện thế
giữa hai điểm gọi là điện áp U.
Ta có:
UAB = UA - UB
(1.2)
Trong đó: UA: Điện thế tại điểm A
UB: Điện thế tại điểm B
UAB: Hiệu điện thế giữa A và B
Qui ước: Chiều điện áp là chiều từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế
thấp. Đơn vị điện áp là vôn (V).
I
R
B
A
UAB
Hình 1.3. Điện áp và dòng điện trên điện trở
Giáo trình KỸ THUẬT ĐIỆN
-
Trường Trung cấp nghề Đức Phổ
2.3. Công suất
- Công suất P là đại lượng đặc trưng cho khả năng thu và phát năng lượng điện
trường của đòng điện. Công suất được định nghĩa là tích số của dòng điện và điện áp:
P = U.I
(1.3)
+ Nếu dòng điện và điện áp cùng chiều thì dòng điện sinh công dương P > 0
(phần tử đó hấp thu năng lượng);
+ Nếu dòng điện và điện áp ngược chiều thì dòng điện sinh công âm P < 0
(phần tử đó phát năng lượng).
- Đơn vị công suất là oát (W).
Đối với mạch điện xoay chiều, công thức tính công suất tác dụng như sau:
P = U.I.cosφ
Trong đó:
(1.4)
U: Là điện áp hiệu dụng.
I: Là dòng điện hiệu dụng.
cos φ : Là hệ số công suất, với φ = Ψ u - Ψ
là góc pha đầu của điện áp và Ψ i là góc pha đầu của dòng điện).
i (với
Ψ
u
3. Mô hình mạch điện một chiều
3.1. Nguồn điện áp và nguồn dòng điện
3.1.1. Nguồn ổn áp u(t)
- Nguồn áp u(t): Trong máy phát điện áp còn được gọi là nguồn sức điện động
e(t): Đặc trưng cho khả năng tạo nên và duy trì một điện áp không đổi trên hai cực của
nguồn.
- Đặc tính quan trọng của nguồn áp là có điện trở nội r = 0, hiệu điện thế trên
hai cực của nguồn là không đổi và không phụ thuộc vào giá trị của phụ tải. Ký hiệu
quy ước của nguồn áp như Hình: 1.4a.
Ta có giá trị của nguồn áp:
u(t) = - e(t)
(1.5)
3.1.2. Nguồn dòng điện i(t)
- Nguồn dòng điện i(t): Trong máy phát dòng đặc trưng cho khả năng tạo nên và
duy trì một dòng điện không đổi trong mạch. Đặc tính quan trọng của nguồn dòng là
có nội trở r = ∞ và giá trị của dòng điện trong mạch không phụ thuộc vào phụ tải. Ký
hiệu quy ước của nguồn dòng chỉ ra trên Hình 1.4b.
Giáo trình KỸ THUẬT ĐIỆN
-
Trường Trung cấp nghề Đức Phổ
- Trong thực tế, các bộ nguồn đều có một điện trở nội hữu hạn nào đó. Do vậy,
khi thay thế trong mô hình mạch chúng được biểu diễn ở dạng một nguồn sức điện
động e(t) mắc nối tiếp với một điện trở r như Hình 1.4c, hoặc ở dạng một nguồn dòng
điện i(t) mắc song song với một điện trở r như Hình 1.4d.
Hình 1.4. Ký hiệu quy ước nguồn áp và nguồn dòng
a, Nguồn áp
c, Nguồn áp
b, Nguồn dòng lý tưởng
d, Nguồn dòng thực tế
3.2. Điện trở R
Điện trở R đặc trưng cho vật dẫn về mặt cản trở dòng điện. Về mặt năng lượng
điện trở R đặc trưng cho quá trình tiêu thụ điện năng và biến điện năng thành các dạng
năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng, cơ năng, …
Quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên điện trở là:
UR = R.I
(1.6)
UR: Được gọi là điện áp rơi trên điện trở
Hình 1.5. Điện trở
Điện trở đo bằng đơn vị (Ω) và được ký hiệu như Hình 1.5
Công suất thoát ra trên điện trở:
P = R.I2
⇒ R
(1.7)
P
2
I
3.3. Thiết lập mô hình mạch điện
- Mô hình mạch là sơ đồ thay thế tương đương các phần tử mạch bằng các phần
tử mô hình lý tưởng e, i, R, L, C sao cho kết cấu hình học và các quá trình năng lượng
xảy ra trong mạch giống như ở mạch điện thực.
Giáo trình KỸ THUẬT ĐIỆN
-
Trường Trung cấp nghề Đức Phổ
- Để thiết lập mô hình mạch ta phân tích các quá trình năng lượng xảy ra trong
từng phần tử mạch và thay thế chúng bằng các phần tử tương đương. Khi phân tích cần
chú ý rằng, tùy thuộc vào điều kiện làm việc của mạch điện, đặc biệt là dải tần công
tác mà sơ đồ thay thế sẽ khác nhau.
Ví dụ: Ta hãy xét một mạch điện thực tế gồm một máy phát cung cấp điện cho
phụ tải là một bóng đèn mắc song song với một cuộn dây theo sơ đồ Hình 1.6 a. Khi
chuyển sang sơ đồ thay thế đối với dòng điện xoay chiều, máy phát điện được thay thế
bằng (Ef, Lf, Rf). Phụ tải là bóng đèn thay thế bằng Rz, còn cuộn dây bằng (Ld, Rd)
(Hình 1.6b). Tuy nhiên khi chuyển sang sơ đồ thay thế đối với điện một chiều, do các
phần tử kháng bằng không nên sơ đồ thay thế có dạng đơn giản hơn (Hình 1.6c).
Hình 1.6. Thiết lập mô hình mạch
a, Sơ đồ thực tế
b, Sơ đồ tương đương đối với điện xoay chiều
c, Sơ đồ tương đương đối với điện một chiều
4. Các định luật của mạch điện
4.1. Định luật Ôm (Ohm)
4.1.1. Nhánh thuần điện trở R
Xét nhánh thuần điện trở như Hình 1.7
Biểu thức tính điện áp trên điện trở:
U = R.I
(1.8)
Biểu thức tính dòng điện qua điện trở:
R
U
Hình 1.7. Nhánh thuần điện trở
Giáo trình KỸ THUẬT ĐIỆN
I
-
U
R
Trường Trung cấp nghề Đức Phổ
(1.9)
Với:
U: Tính bằng (V)
I: Tính bằng (A)
R: Tính bằng (Ω)
Ví dụ: Trong mạch điện Hình 1.8 cho biết I = 210mA; R = 100 Ω. Tính điện áp
trên điện trở U.
Trả lời:
Điện áp trên điện trở
U = R.I = 100.0,21 = 21 V
4.1.2. Nhánh có sức điện động: Có E và điện trở R
U1
U3
U4
R1
I
U2
E
1
R2
E
2
U
Hình 1.8. Nhánh có sức điện động
Xét nhánh có E, R (Hình 1.8)
Biểu thức tính điện áp U:
U = U1 + U2 + U3 + U4
= R1I – E1 + R2I + E2
= (R1 + R2)I – (E1 – E2)
Vậy: U = (∑R)I - ∑E
(1.10)
Trong biểu thức (1.9), quy ước dấu như sau:
Sức điện động E và dòng điện I có chiều trùng với chiều điệp áp U sẽ lấy dấu
dương, ngược lại sẽ lấy dấu âm
Biểu thức dòng điện:
I
U∑E
∑R
(1.11)
Trong biểu thức (1.10) quy ước dấu như sau:
Sức điện động E và điện áp U có chiều trùng với chiều dòng điện sẽ lấy dấu
dương, ngược lại sẽ lấy dấu âm.
Ví dụ: Cho mạch điện như Hình 1.9
Giáo trình KỸ THUẬT ĐIỆN
-
Trường Trung cấp nghề Đức Phổ
Biết E1 = 100V, I1 = 5A. Tính điện áp UAB và dòng điện các nhánh I2, I3.
Trả lời:
Tính điện áp UAB = E1 – R1.I1 = 100-2.5 = 90V
Dòng điện I2:
I 2
U AB 90
30 A
R2 3
I1 R
1
2Ω
A
I2
E
1
R
3
1Ω
R
2
3Ω
I3
E
3
115V
B
Hình 1.9. Mạch điện
Dòng điện I3:
I 3
U AB− E 3 90−115
−25 A
R3
1
Dòng điện I3 < 0, chiều thực của dòng điện I 3 ngược với chiều đã vẽ trên
Hình 1.9
4.2. Định luật Kiêc-shốp (Kirchhoff)
4.2.1. Định luật Kirchhoff 1
Tổng đại số dòng điện tại 1 nút bằng không:
∑ ± i 0
(1.12)
Nếu ta qui ước dòng điện đi vào nút A mang dấu cộng (+), thì dòng điện đi ra
nút A mang dấu trừ (-) hoặc ngược lại.
Ví dụ 1: Cho mạch điện (Hình 1.10) xét tại nút A: Theo định luật Kirchhoff 1 ta
có:
I2
A
I1
I1 + I2 + I3 = 0
I3
Hình 1.10. Mạch điện
Giáo trình KỸ THUẬT ĐIỆN
-
Trường Trung cấp nghề Đức Phổ
Ví dụ 2: Cho mạch điện Hình 1.11 xét tại nút A: Theo định luật Kirchhoff 1 ta
có:
I1
A
I4
I1 – I2 + I3 – I4 = 0
I2
I3
Hình 1.11. Mạch điện
Định luật Kirchhoff 1 nói lên tính liên tục của dòng điện, trong một đơn vị thời
gian bao nhiêu điện tích đi tới một nút thì cũng có bấy nhiêu điện tích đi rời khỏi nút.
4.2.2. Định luật Kirchhoff 2
- Định luật này cho ta biết quan hệ giữa sức điện động, dòng điện và các phần
tử thụ động (R, L và C) trong một mạch vòng khép kín, được phát biểu như sau:
- Đi theo một mạch vòng khép kín và theo một chiều tùy ý, tổng đại số các điện
áp rơi trên các phần tử R, L, C bằng tổng đại số các sức điện động trong vòng; trong
đó những sức điện động và dòng điện có chiều trùng với chiều đi vòng sẽ lấy dấu
dương, ngược lại sẽ mang dấu âm.
∑ ± u0
(1.13)
Ví dụ: Cho mạch điện như hình (Hình 1.12)
Xét vòng 1 (a,b,c,a) theo định luật Kirchhoff 2 ta có:
Uab + Ubc + Uca = 0
Xét vòng 2 (a,d,b,a) theo định luật Kirchhoff 2 ta có:
Uad + Udb + Uba = 0
R1
I1
R2
a
d
I3
I2
E1
R3
Vòng 1
Vòng 2
b
Hình 1.12. Mạch điện vòng
E2
Giáo trình KỸ THUẬT ĐIỆN
-
Trường Trung cấp nghề Đức Phổ
5. Các biến đổi tương đương
Biến đổi tương nhằm mục đích đưa mạch điện phức tạp về dạng đơn giản hơn.
Khi biến đổi tương đương, dòng điện, điện áp tại các bộ phận không bị biến đổi vẫn
giữ nguyên. Dưới đây đưa ra một số biến đổi tương đương thường gặp.
5.1. Các điện trở mắc nối tiếp
Điện trở tương đương Rtđ của các điện trở R1, R2,..., Rn mác nối tiếp như (Hình
1.13) là:
Rtđ = R1 + R2+ …+ Rn
R1
R2
(1.14)
Rn
Rt
đ
Hình 1.13. Điện trở tương đương
của mạch nối tiếp
5.2. Các điện trở mắc song song
Điện trở tương đương Rtđ của các điện trở R1, R2,… Rn mắc song song như
(Hình 1.14) tính như sau:
1
1
1
1
…
Rt đ R1 R 2
Rn
(1.15)
Khi chỉ có hai điện trở R1, R2 mắc song song điện trở tương đương của chúng
là:
Rt đ
R1
R1 . R 2
R1 R2
(1.16)
R2
Rn
Rt
Hình 1.14. Điện trở tương đương
đ
của mạch song song
Ví dụ: Tính dòng điện I trong mạch điện Hình 1.15
Trả lời:
Trước tiên ta tính điện trở tương đương R 23 của 2 điện trở R2 và R3 nối song
song.
Giáo trình KỸ THUẬT ĐIỆN
R23
-
Trường Trung cấp nghề Đức Phổ
R2 . R3
18.2
1,8 Ω
R2 R3 18 2
Sau khi tính được R23 ta có mạch thay thế đơn giản hơn như (Hình 1.15b)
Các điện trở R1, R23, R4 mắc nối tiếp, điện trở tương đương Rab của mạch.
Rab = R1 + R23 + R4 = 2,2 +1,8 +6 = 10 Ω
I
Dòng điện I là:
I
R1
E 110
11 A
Rab 10
R3
A
2,2Ω
E
110V
2Ω
2,2Ω
E
110V
R2
1,8Ω
R1
I
R2
3
1,8Ω
R4
R4
B
6Ω
6Ω
a)
b)
Hình 1.15. Mạch điện
5.3. Biến đổi sao thành tam giác và tam giác thành sao
a, Biến đổi sao thành tam giác Y- ∆
Giả thiết có 3 điện trở R 1, R2, R3 nối hình sao. Biến đổi hình sao thành các điện
trở đấu tam giác như (Hình 1.16)
1
•
R1
R3
3•
•
R1 . R 2
R3
R .R
R23 R2 R3 2 3 1.17
R1
R .R
R 31 R3 R1 3 1
R2
R12 R1 R 2
R2
2
•
•1
R3
1
3
•
Hình 1.16. Biến đổi Y- ∆
Khi nối hình sao đối xứng thì:
R1
2
2
R2
3
•
Giáo trình KỸ THUẬT ĐIỆN
-
Trường Trung cấp nghề Đức Phổ
R1 = R2 = R3 = R thì ta có:
R12 = R23 = R31 = 3R
b, Biến đổi tam giác thành sao ∆ -Y
Giả thiết có 3 điện trở R 12, R23, R31 nối hình tam giác. Biến đổi hình tam giác
thành hình sao
R12 . R31
R 12 R23 R 31
R23 . R12
R2
R12 R23 R31
R31 . R23
R3
R 12 R23 R 31
R1
•1
R3
1
3
•
R1
2
1
•
Hình 1.17. Biến đổi
-Y
•
R1
R3
•
R2
2
•
3•
2
R2
3
(1.18)
∆
Khi hình tam giác đối xứng
R12 = R23 = R31 = R, thì R1 R2 R3
R
3
Ví dụ: Tính dòng điện I chạy qua nguồn của mạch cầu (Hình 1.18a), biết rằng
R1 =12Ω, R2 = R3 = 6Ω, R4 = 21Ω, R0 = 8Ω, E = 240V, Rn = 2Ω.
Trả lời:
Hình: 1.18. Mạch cầu
- Xem thêm -
.DOCX 
170 
423 
133 
