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

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

1. GIÔÙI THIEÄU MOÂN HOÏC KYÕ THUAÄT ÑIEÄN B Mụctiêumônhọc: Cung cấp cho sinh viên các ngành không chuyên về điệncáckiếnthức sau: - Phân tích mạch điệnmộtchiều, xoay chiều, mạch điệnbaphavàcácphương pháp tổng quát để giải một bài tátoánvề mạch điện. -Tìmhiểuvàphântíchcácvấn đề cơ bảncủa máy biếnápvàđộng cơđiện không đồng bộ,các phương pháp mở máy và điềukhiểntốc độ động cơ không đồng bộ.
2. GIÔÙI THIEÄU MOÂN HOÏC KYÕ THUAÄT ÑIEÄN B Tài liệuthamkhảo [1] Kỹ thuật điện – Nguyễn Kim Đính, NXB Đại học quốc gia TP. HCM, 2005 [2] Bài tậpkỹ thuật điện – NguyễnKimĐính, NXB Đạihọcquốc gia TP. HCM, 2005 [3] Mạch điện1–PhạmThị Cư,NXBĐạihọc quốc gia TP. HCM, 2000
3. NỘI DUNG Chương 1 : Mạch điện một chiều Chương 2 : Mạch điện xác lập điều hòa Chương 3 :Mạch điện3pha Chương 4 : Máy biến áp Chương 5 : Động cơ không đồng bộ
4. CHÖÔNG 1 MACHMAÏCH ÑIEÄN MOÄT CHIEU CHIEÀU
5. 1.1. KHAÙI NIEÄM VAØ CAÁU TRUÙC HÌNH HOÏC CUÛA MACHMAÏCH ÑIEÄN 1/ Khaùi nieäm Maïch ñieän goàm nhieàu phaàn töû ñöôïc noái laïi taïo thaønh nhöõng voøng kheùp kín sao cho doøng ñieäncoùtheå chaïy qua. CaCacùc phaphanàn töû cucuaûa machmaïch ñieän bao gogomàm : - Nguoàn ñieän : bieán caùc daïng naêng löôïng khaùc (cô nanangêng, nhieät nanangêng ) thathanhønh ñieän nanangêng. - Taûi : bieán ñieän naêng thaønh caùc daïng naêng löôïng khaù c.
6. 2/ Caáu truùc hình hoïc cuûa maïch ƒ Nhaùnh : laø moätä ñöôøng duy nhaát goàm moätä hay nhieàu phaàn töû gheùp noái tieáp; trong ñoù coù cuøng moät doøng ñieän chạy qua. ƒ Nuùt (hay đỉnh): laø ñieåm noái giöõa ba nhaùnh trôû leân ƒ VoVongøng : laø taäp hôphôïp nhienhieuàu nhanhanhùnh taotaïo thathanhønh moät vong voøng kín. ƒ Voø ng ma ét löôùi : lølaø voø ng maø øbâ beân t rong kh khâoâng coø n ch hùöùa moät voøng naøo khaùc.
7. A 1 2 3 MF ()(a) Ñ (b) ÑC (c) B
8. 1.2. CAÙC ÑAÏI LÖÔÏNG CÔ BAÛN CUÛA MAÏCH ÑIEÄN 1/ Doøng ñieän Doøng ñieänlaølöôïïgng ñieän tích dichuyeån qua tieát dieän cuûa phaàn töû trong moät ñôn vò thôøi gian. Ñôn vò cucuaûa dodongøng ñieän laø Ampere – A dq i = dt Chieàu qui öôùc cuûa doøng ñieän laø chieàu chuyeån ñoäng cuûa caùc ñieän tích döông.
9. 1.2. CAÙC ÑAÏI LÖÔÏNG CÔ BAÛN CUÛA MAÏCH ÑIEÄN 2/ Ñieän aùp Ñieän aùp qua phaàn töûlaøcoâng ñeå mang ñieän tích +1C ñiquaphaàn töû töø ñaàu naøy sang ñaàu kia. Ñoù cuõng laø hieäu ñieän theá giöõa 2 ñaàu cuûa phaàn töû. Ñôn vò cuûa ñieän aùp laø Volt – V uAB = uA – uB, trong ñoù uA, uB laø ñieän theá cuûa nuùt A vaø B so vôùi nuùt chuaån naøo ñoù trong maïch. ChieChieuàu qui öôöôcùc cucuaûa ñieän aapùp laø chiechieuàu töø ñieñiemåm coù ñieän theá cao ñeán ñieåm coù ñieän theá thaáp.
10. 1.2. CAÙC ÑAÏI LÖÔÏNG CÔ BAÛN CUÛA MAÏCH ÑIEÄN 3/ Coâng suaát Neáu choïn chieàu doøng ñieänvaøñieänaùp treân phaàn töû ñoù cuøng chieàu, coâng suaát tieâu thuï cuûa phaàn töû ñöôïc tính baèng : p = u . i NeNeuáu: : ƒ p > 0 hay chieàu thöïc teá cuûa u vaø i truøng nhau : phaà n töû ti eâ u th uï coâ ng suaát (t aûi) ƒ p < 0 hay chieàu thöïc teá cuûa u vaø i ngöôïc nhau : phaàáààn töû phaùt ra coâng suaát (nguoàn phaùt)
11. 1.2. CAÙC ÑAÏI LÖÔÏNG CÔ BAÛN CUÛA MAÏCH ÑIEÄN 4/ Ñieän naêng Neáuuvaøippïhuï thuoäcthôøigian t. Ñieännaêng tieâu thuï bôûi phaàn töû trong thôøi gian töø t0 ñeán t laø: t t W = ∫ p(t).dt = ∫ u(t).i(t).dt tt00
12. 1.3. CAÙC PHAÀN TÖÛ CÔ BAÛN CUÛA MAÏCH ÑIEÄN 1/ Nguoàn aùp lyù töôûng (ñoäc laäp) Ngguoàn aùp lyùtöôûng laø nguoàn coù khaû naêng taïoneân vaø duy trì moät ñieän aùp u khoâng ñoåi giöõa hai ñaàu, vaø khoâng ppïhuï thuoäc vaøo doøng ñieän qua nguoàn. Noù ñöôïc bieåu dieãn baèng moät söùc ñieän ñoäng e coù chiechieuàu ngöôcngöôïc chiechieuàu vôvôiùi u. e = u = uA –uB vaø khoâng phuï thuoäc i
13. 1.3. CAÙC PHAÀN TÖÛ CÔ BAÛN CUÛA MAÏCH ÑIEÄN 2/ Nguoàn doøng lyù töôûng (ñoäc laäp) Ngguoàn doøng lyù töôûng laø nguoàn coù khaû naêng taïo neân vaø duy trì moät doøng ñieän khoâng ñoåi chaïy qua nhaùnh cuûa nguoàn doøng vaø khoâng ppïhuï thuoäc vaø ñieänaùp ôû hai ñaàu nguoàn doøng ñoù. j = ivai vaø khokhongâng phu ï thuoäc vavaoøou u
14. 1.3. CAÙC PHAÀN TÖÛ CÔ BAÛN CUÛA MAÏCH ÑIEÄN 3/ Ñieän trôû Ñieänaùp vaø doøng ñieäntreânñieäntrôûthoûaquan heä theo ñònh luaät Ohm. R u u = R. i vaø i = R ñôn vò : R [Ω]; i [A] vaø u [V]
15. 1.3. CAÙC PHAÀN TÖÛ CÔ BAÛN CUÛA MAÏCH ÑIEÄN 3/ Ñieän trôû Nggòhòch ñaûo cuûa ñieä n trôû g gïoïi laø ñieä n daãn, ky ù hieä u laø G : 1 i G = = hay i = G.u R u ñôn vò cucuaûa ñieän dadanãn laø Ω-1 hoaëc S (Siemens) Coâng suaát tieâu thuï bôûi ñieän trôû laø : u2 i2 p = u.i = R.i2 = = G.u2 = R G
16. 1.3. CAÙC PHAÀN TÖÛ CÔ BAÛN CUÛA MAÏCH ÑIEÄN 4/ Cuoän caûm QQägpuan heä doøng vaø aùp cuûa cuo äyän daây : di 1 u = L L hay i = u dt L dt L L ∫ L L laø ñieän caûm, ñôn vò cuûa L laø Henry (H) Naêng löôïng töø tröôøng tích luõy trong cuoän daây : 1 W (t) = L.i 2 (t) L 2 L
17. 1.3. CAÙC PHAÀN TÖÛ CÔ BAÛN CUÛA MAÏCH ÑIEÄN 5/ Tuï ñieän QQägpïäuan heä doøng vaø aùp cuûa tuï ñieän du 1 i = C C hay u = i .dt C dt C C ∫ C C laø ñieän dung, ñôn vò cuûa C laø Farad (F) Naêng löôïng ñieän tröôøng tích luõy trong tuï ñieän : 1 W (t) = C.u 2 (t) C 2 c
18. GHI NHÔÙ Chieàu qui öôùc cuûa doøng vaø aùp treân caùc phaàn töû nhö sau : - Nguoàn aùp lyù töôûng : chieàu ñieän aùp ngöôïc chieàu vôùi chieàu cuûa söùc ñieän ñoäng - Nguoàn doøng lyù töôûng : chieàu doøng ñieän cuøng chieàu vôùi chieàu cuûa nguoàn doøng - Caùc phaàn töû thuï ñoäng : ñieän trôû, cuoän caûm, tuï ñieän thì aùp vaø doøng cuøng chieàu
19. 1.4. HAI ÑÒNH LUAÄT KIRCHOFF (Kieácshoáp) 1/ Ñònh luaät Kirchoff 1(ÑK1) Taïi moät nuùt baát kyø, toång ñaïi soá caùc doøng ñieän baèng khoâng ∑i = 0 trong ñoù : - Doøng ñeán nuùt thì coäng nuùt - DoDongøng rôi rôøinu nutùtthì thì tröø Ví duï : A = i – i + i – i + i = 0 ∑i 1 2 3 4 5 A
20. 1.4. HAI ÑÒNH LUAÄT KIRCHOFF (Kieácshoáp) 2/ Ñònh luaät Kirchoff 2(ÑK2) Ñi doïc theo 1 voøng kín baát kyyøvaøtheo moät chieàu naøo ñoù, toång ñaïi soá caùc ñieän aùp baèng khoâng. ∑u = 0 vòng trong ñoù : - AÙp cuøng chieàu thì coäng - AApÙp ngöô ngöôcïc chieu chieàuthì thì tröø Ví duï : ∑u = uR1 + u2 − uR2 − u1 = 0 ( a ) E1 − E2 = iR1.R1 − iR2.R2
21. 1.4. HAI ÑÒNH LUAÄT KIRCHOFF (Kieácshoáp) 1/ Ñònh luaät Kirchoff 2(ÑK2) Caùch phaùt bieåu thöù hai cuûa ÑK2 Ñi doïc theo 1 voøng kín baát kyø vaø theo moät chieàu naøo ñoù, toång ñaïi soá caùc söùc ñieän ñoäng baèng toång ñaïi soá caùc ñieän aùp treân caùc ñieän trôû ∑ E = ∑i.R voøng voøng trong ño ù : - E naøo cuøng chieàu thì coäng, E naøo ngöôïc chieàu thì tröø - inai naoøocu cungøng chiechieuàuthì thì coäng, inai naoøo ngöô ngöôcïc chiechieuàuthì thì tröø
22. 1.4. HAI ÑÒNH LUAÄT KIRCHOFF (Kieácshoáp) 1/ Ñònh luaät Kirchoff 2(ÑK2) AÙppïgò duïng ñònh lua ät Kirrchoff 2 ñeå tìm ñieä äpn aùp taïi 2 ñieåm baát kyø trong maïch ñieän : Khi cacanàn tìm ñieän aapùp taitaïi 2 ñieñiemåm babatát kyø (ví duï nhö UAB) naøo ñoù trong maïch ñieän, ta coù theå öùng duïng ÑK2 nhö sau : Choïn ñöôøng ñi töø ñieåm naøy (A) ñeán ñieåm kia (B) ngang qua cac caùc phaphanàntö töû maø ñaõ biebietáttröô tröôcùcñieäna ñieän apùpTre. Trenân ñöôøng ñi ñieän aùp naøo cuøng chieàu thì ta coäng, ñieän aùp nanaoøo ngöôcngöôïc chieu chieàu thì ta trö ø. UAB = Ucuøng chieàu -Ungöôïc chieàu
23. Ví duï 1.1 Tìm giaù trò ñieän trôû R treân hình veõ :
24. Ví duï 1.2 Tính doøng ñieän I3 vaøcaùcsöùcñieänñoängE1,E3 trong maïch ñieän nhö hình veõ. Cho bieát I2 = 10A; I1=4A; R1 =1 Ω;R2 =2Ω;R3 =5Ω.
25. 1.5. CAÙC PHÖÔNG PHAÙP GIAÛI MAÏCH ÑIEÄN DC 1/ Phöông phaùp bieán ñoåitöôngñöông a) Bieán ñoåi nggägguoàn ñieän töông ñöông Moät nguoàn aùp thöïc teá goàm söùc ñieän ñoäng E noái tietiepápvô vôiùi ñieän trô û Rn coù theå biebienánño ñoiåitha thanhønh nguonguonàndo dongøng J song song vôùi Rn vaø ngöôïc laïi.
26. b) Bieán ñoåi ñieän trôû töông ñöông Ñieän trô û mamacécno noiáitie tiepáp Rtñ = R1 + R2 + +Rn Ñieän trôû maéc song song * Khi chæ coù 2 ñieän trôû R1 vaø R2 maéc song song, ñie äntrôû töông ñöông cuûa chuùng laø: R1 .R2 Rtd = 1 1 1 1 R1 + R2 = + +K+ Rtd R1 R2 Rn
27. b) Bieán ñoåi ñieän trôû töông ñöông BieBienánño ñoiåisao(Y)tha sao (Y) thanhønh tam giac giaùc( (Δ)va) vaø ngöôcngöôïc lailaïi ™ Bieán ñoåi töø sao thaønh tam giaùc Y →Δ R .R Khi hìn h sao ñáiñoái xöùng thì ta R = R + R + 1 2 12 1 2 coù : R3 R .R 2 3 R1 = R2 = R3 = R R23 = R2 + R3 + R1 R12 = R23 = R31 =3R R3.R1 R31 = R3 + R1 + R2
28. b) Bieán ñoåi ñieän trôû töông ñöông BieBienánño ñoiåisao(Y)tha sao (Y) thanhønh tam giac giaùc( (Δ)va) vaø ngöôcngöôïc lailaïi ™ Bieán ñoåi töø tam giaùc thaønh sao Δ→Y R12 .R31 R1 = R12 + R23 + R31 Khi hình tam giaùc ñoái xöùng thì ta coù : R23 .R12 R2 = R12 + R23 + R31 R12 =R23 =R31 =R R .R 31 23 R = R = R = R/3 R3 = 1 2 3 R12 + R23 + R31
29. VÍ DUÏ: Tính doøng ñieän I chaïy qua nguoàn cuûa maïch ñieän nhö hình veõ. Bieát Rn =2Ω; R1=12 Ω; R2 =R3 =6Ω; R4 =21Ω; R0 = 18Ω; E = 240V. R .R 12.6 RÑieän= trôû1 töông2 = ñöông toaøn= 2 maïch:Ω A R + R + R 12 + 6 +18 1 2 0 (R + R ).(R + R ) Rtñ = Rn + RA + ROD = 2 + 2 + 8 = 12ΩB 3 C 4 ROD = R1.R0 12.18 RB + R3 + RC + R4 RDoøngB = ñieän chaïy= qua nguoàn= :6Ω R1 + R2 + R0 12 + 6 +18 (6 + 6).(3 + 21) E 240 = = 8Ω R0.R2I = =18.6 = 20A 6 + 6 + 3 + 21 RC = = = 3Ω Rtñ 12 R1 + R2 + R0 12 + 6 +18
30. 1.5.2. Phöông phaùp doøng ñieän nhaùnh Phöông phaùp naøy öùng duïng tröïc tieáåáp ÑK1 vaø ÑK2 ñeå tìm doøng ñieän trong caùc nhaùnh. Trình töï thöïc hieän : ¾ Böôùc 1 : Xaùc ñònh soá nuùt n, soá nhaùnh m. Suy ra soá phöông trình baèng soá nhaùnh m ¾ Böôùc 2 : Tuøy yù veõ chieàu doøng ñieän cho caùc nhaùnh chöa bieát. ¾ Böôùc 3 : Vieát phöông trình ÑK1 cho (n-1) nuùt ñaõ choïn. ¾ BöôBöôcùc 4 : VieVietát phöông trình ÑK2 cho (m-n+1) machmaïch voøng ñoäc laäp ¾ BöôBöôcùc 5 : GiaGiaiûi heä thothongáng m phöông trình ñaõ thiethietát laäp, ta ñöôïc doøng ñieän trong caùc nhaùnh.
31. Ví duï: AÙp duïng phöông phaùp doøng ñieän nhaùnh, tính doøng ñieän trong cacacùc nhanhanhùnh cucuaûa machmaïch ñieän nhö hình veõ - Böôùc 1 : Maïch ñieän coù n = 2 nuùt , m = 3 nhaùnh. - BöôBöôcùc 2 : Veõ chiechieuàu dodongøng ñieän cacacùc nhanhanhùnh I1, I2, I3 nhö hình - Böôùc 3 : Soá nuùt caàn vieát phöông trình ÑK1 laø : n – 1 = 1. ChonChoïn nunutùtA: A : I1 − I 2 + I 3 = 0 (1)
32. Ví duï: AÙp duïng phöông phaùp doøng ñieän nhaùnh, tính doøng ñieän trong cacacùc nhanhanhùnh cucuaûa machmaïch ñieän nhö hình veõ -Bưôùc 4 : Soá maïch voøng caàn vieát phöông trình ÑK2 laø : m – n+1=3–2+1=2.Tachoïn2maïch voøng (()a) vaø (()b) nhö hình veõ. Phöông trình ÑK2 cho voøng (a) vaø (b) : E1 = R1. I1 + R2.I2 ⇔ 10 = 47.I1 + 22.I2 (2) E3 = R3. I3 + R2.I2 ⇔ 5 = 68.I3 + 22.I2 (3)
33. Ví duï: AÙp duïng phöông phaùp doøng ñieän nhaùnh, tính doøng ñieän trong cacacùc nhanhanhùnh cucuaûa machmaïch ñieän nhö hình veõ - Böôùc 5 : Giaûi heä 3 phöông trình (1), (2), (3) ta ñöôïc caùc doønggä ñieän nhaùnh : I1 = 138 mA I2 = 160 mA I3 = 22 mA
34. 1.5.3. Phöông phaùp doøng maét löôùi (doøng maïch voøng) ÔÛ phöông phaùp naøy, aånsoá trong heä phöông trình khoâng phaûi laø doøng ñieän caùc nhaùnh, maø laø doøng maét löôùi chæ mang yù nghóa toatoanùn hochoïc. Tìm ñöôcñöôïc giaù trò cacacùc dodongøng mamatét löôlöôiùi, töø ñoù deã daøng tính ñöôïc doøng ñieän caùc nhaùnh. Trình töï thöïc hieän : ¾ BöôBöôcùc 1 : Tuyø yù chonchoïn chiechieuàu dodongøng ñieän chaychaïy trong cacacùc nhanhanhùnh. ¾ Böôùc 2 : Xaùc ñònh soá voøng maét löôùi cuûa maïch m. ¾ BöôBöôcùc 3 : ChonChoïn chiechieuàu cucuaûa tatatát caû cacacùc dodongøng mamatét löôlöôiùi theo cucungøng moät chieàu duy nhaát.
35. ¾ Böôùc 4 : Laäp m heä phöông trình theo nguyeân taéc sau : Trong ñoù ƒ Iv1,Iv2, ,Ivm : trò soá caùc voøng maét löôùi, laø aån soá caàn tìm. ƒ R11, R22, , Rmm : (ca(cacùc phaphanàn töû nanamèm tretrenân ñöôñöôngøng checheo)ùo) laø totongång caùc ñieän trôû dính vôùi voøng 1, 2, , m töông öùng. ƒ R12=R21, , R1m = Rm1, R2m = Rm2 (ca(cacùc phaphanàn töû nanamèm ngoangoaiøi ñöôñöôngøng cheùo) laø toång caùc ñieän trôû naèm chung giöõa hai voøng mang chæ soá töông öùng. E, E, , E ƒ ∑ ∑ ∑ : toång ñaïi soá caùc söùc ñieän ñoäng dính vôùi ( 1) ( 2 ) ( m ) voøng töông öùng (E cuøng chieàu thì coäng, E ngöôïc chieàu thì tröø)
36. ¾ Böôùc 4 : Laäp m heä phöông trình theo nguyeân taéc sau : Löu yù : Tröôùc caùc nhoùm naèm treân ñöôøng cheùo thì coù daáu (+) coøn tröôùc caùc nhoùm naèm ngoaøi ñöôøng cheùo thì coù daáu (-). ¾ Böôùc 5 : Giaûi heä phöông trình ta tìm ñöôïc Iv1, Iv2, , Ivm. Suy ra : Doøng nhaùnh = Toång ñaïi soá caùc doøng maét löôùi ngang qua nhaùnh.
37. VÍ DUÏ: AÙp duïng phöông phaùp doøng maét löôùi, giaûi machmaïch ñieän nhö hình veõ.
38. 1.5.4. Phöông phaùp ñieän theá nuùt Phöông phaùp naøy söû duïng aåáån soá trung gian ñieän the á caùc nuùt ñeå thieát laäp heä phöông trình. Bieát ñöôïc ñieän theá caùc nu ùt, ta dãdødeã daøng t íhñính ñöôïc dødoøng ñiäñieän ca ùc n hùhhaùnh. TìTrình töï th öïc hi hiäeän : ¾ Böôùc 1 : Tuyø yù choïn chieàu doøng ñieän chaïy trong caùc nhaùnh. ¾ Böôùc 2 : Xaùc ñònh soá nuùt cuûa maïch. ¾ Böôùc 3 : Choïn moät nuùt baát kyø laøm nuùt chuaån, coù ñieän theá bieát á tröôùc (h(thöôø ng lálaáy ñieä ntháheá ñieå m ñùñoù bèbaèng 0)
39. ¾ Böôùc 4 : Laäp heä phöông trình tính ñieän theá caùc nuùt coøn laïi (giaû söû cacacùc nunutùt coconøn lailaïi laø : A, B, ,N.) theo nguyenguyenân tatacéc sau : Trong ñoù • ϕA, ϕB, ,ϕN : ñieän theá caùc nuùt, laø caùc aån soá caàn tìm. • GAA, GBB, , GNN : (ca(cacùc phaphanàn töû nanamèm tretrenân ñöôñöôngøng checheo)ùo) laø totongång caùc ñieän daãn coù noái tôùi nuùt töông öùng. • GAB=GBA , , GAN=GNA , GBN=GNB : (caùc phaàn töû naèm ngoaøi ñöôøng cheùo) laø toång caùc ñieän daãn noái giöõa 2 nuùt töông öùng. • ∑ J ,∑ J , , ∑ J : toång ñaïi soá caùc nguoàn doøng coù noái vôùi nuùt A B N töông öùng (nguoàn doøng höôùng vaøo nuùt thì coäng, nguoàn doøng höôùng ra khoûi nuùt thì tröø)
40. ¾ Böôùc 4 : Laäp heä phöông trình tính ñieän theá caùc nuùt coøn laïi (giaû söû cacacùc nunutùt coconøn lailaïi laø : A, B, ,N.) theo nguyenguyenân tatacéc sau : Löu yù : Tröôùc caùc nhoùm naèm treân ñöôøng cheùo thì coù daáu (+) coøn tröôùc caùc nhoùm naèm ngoaøi ñöôøng cheùo thì coù daáu (-). ¾ Böôùc 5 : Giaûi heä phöông trình, ta tìm ñöôïc ñieän theá caùc nuùt. Bieát ñöôïc ñieän theá 2 nuùt cuûa moãi nhaùnh, ta tìm ñöôïc doøng thtrong nhanù h.
41. VÍ DUÏ 8 : Duøng phöông phaùp ñieän theá nuùt ñeå giaûi maïch ñieän sau : Biến đổi nguoàn töông ñöông ta ñöôïc