- Trang Chủ
- Điện - Điện tử
- Giáo trình Điện kỹ thuật (Nghề: Điện công nghiệp - Cao đẳng) - Trường Cao đẳng nghề Xây dựng
Xem mẫu
- Trường Cao đẳng nghề Xây dựng Giáo trình Điện kỹ thuật
BỘ XÂY DỰNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ XÂY DỰNG
GIÁO TRÌNH
MÔN HỌC: ĐIỆN KỸ THUẬT
NGÀNH/NGHỀ: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP
TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG
Ban hành kèm theo quyết định số: …. /QĐ … ngày … tháng … năm …
của Hiệu trưởng
Quảng Ninh, năm 2021
-1-
- Trường Cao đẳng nghề Xây dựng Giáo trình Điện kỹ thuật
LỜI NÓI ĐẦU
Để đáp ứng nhu cầu giảng dạy, học tập môn học Mạch Điện là một môn
học cơ sở chuyên ngành cho học sinh ngành Điện – Điện tử hệ Cao đẳng và
Trung cấp và các ngành có liên quan. Giáo trình Điện kỹ thuật được biên soạn dựa
trên các giáo trình Cơ sở kỹ thuật điện, Cơ sở lý thuyết mạch điện, Kỹ thuật điện
đại cương.
Giáo trình gồm 3 chương theo chương trình môn học:
Chương I: Các khái niệm cơ bản về mạch điện
Chương II: Mạch điện một chiều
Chương III: Dòng điện xoay chiều hình sin
Giáo trình được dùng làm tài liệu giảng dạy và học tập của giảng viên và
sinh viên ngành Điện công nghiệp, cũng có thể được dùng làm tài liệu tham
khảo cho sinh viên, công nhân kỹ thuật học tập ở các ngành nghề Điện khác.
Tác giả hi vọng cuốn giáo trình này sẽ trở thành tài liệu không thể thiếu của sinh
viên ngành Điện.
Do vấn đề đưa ra khá đa dạng, phong phú. Mặc dù tác giả đã có nhiều có
gắng nhưng không tránh khỏi thiếu sót, rất mong được các bạn đồng nghiệp và
độc giả đóng góp ý kiến để lần tái bản sau giáo trình sẽ hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn !
Tác giả
-2-
- Trường Cao đẳng nghề Xây dựng Giáo trình Điện kỹ thuật
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................ 1
MỤC LỤC ...................................................................................................................... 3
CHƯƠNG I: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN ...................................... 5
2.1.MẠCH ĐIỆN VÀ MÔ HÌNH ................................................................................ 5
2.1.1. Mạch điện .......................................................................................................5
2.1.2. Các hiện tượng điện từ ...................................................................................6
2.1.5. Mô hình mạch điện.........................................................................................7
2.2. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG MẠCH ĐIỆN ......................................... 17
2.2.1. Dòng điện và quy ước chiều dòng điện .......................................................17
2.2.2. Cường độ dòng điện .....................................................................................18
2.2.3. Mật độ dòng điện .........................................................................................19
2.3. CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI TƯƠNG ĐƯƠNG ......................................................... 19
2.3.1. Nguồn áp ghép nối tiếp ................................................................................19
2.3.2. Nguồn dòng ghép song song ........................................................................20
2.3.3. Điện trở ghép nối tiếp, song song ................................................................20
2.3.4. Biến đổi và ..............................................................................22
Hình 1.18: Biến đổi và .....................................................................22
2.3.5. Biến đổi tương đương giữa nguồn áp và nguồn dòng .................................24
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG I.................................................................................. 25
CHƯƠNG II: MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU ................................................................. 26
2.1. CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ BIỂU THỨC CƠ BẢN TRONG MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU ....... 26
2.1.1. Định luật Ôm ................................................................................................26
2.1.2. Công suất và điện năng trong mạch một chiều ............................................28
2.1.3. Định luật Joule – Lentz (Định luật và ứng dụng) ........................................32
2.1.4. Định luật Faraday (Hiện tượng – Định luật - Ứng dụng) ............................33
2.1.5. Hiện tượng nhiệt điện (Hiện tượng và ứng dụng) ........................................35
2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI MẠCH MỘT CHIỀU .......................................... 36
2.2.1. Phương pháp biến đổi điện trở .....................................................................36
2.2.2. Phương pháp xếp chồng dòng điện ..............................................................38
2.2.3. Các phương pháp ứng dụng định luật Kiếc hốp ..........................................40
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG II ................................................................................ 48
CHƯƠNG III: DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SINE ......................................... 50
2.1. KHÁI NIỆM VỀ DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU ................................................. 50
2.1.1. Dòng điện xoay chiều ..................................................................................50
2.1.2. Chu kỳ và tần số của dòng điện xoay chiều .................................................50
2.1.3. Dòng điện xoay chiều hình sin .....................................................................50
2.1.4. Các đại lượng đặc trưng ..............................................................................50
-3-
- Trường Cao đẳng nghề Xây dựng Giáo trình Điện kỹ thuật
2.1.5. Pha và sự lệch pha ........................................................................................52
2.1.6. Biểu diễn lượng hình sin bằng đồ thị véc - tơ .............................................53
2.2. GIẢI MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU KHÔNG PHÂN NHÁNH ......................... 55
2.2.1. Giải mạch R - L - C ......................................................................................55
2.2.2. Giải mạch nhiều phần tử mắc nối tiếp ........................................................63
2.2.3. Cộng hưởng điện áp .....................................................................................64
2.3. GIẢI MẠCH XOAY CHIỀU PHÂN NHÁNH ................................................... 67
2.3.1. Phương pháp đồ thị Véc tơ (Phương pháp Fresnel) .....................................67
2.3.2. Phương pháp tổng dẫn..................................................................................68
2.3.3. Phương pháp biên độ phức..........................................................................70
2.3.4. Cộng hưởng dòng điện .................................................................................74
2.3.5. Phương pháp nâng cao hệ số công suất ......................................................75
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG III ............................................................................... 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 79
-4-
- Trường Cao đẳng nghề Xây dựng Giáo trình Điện kỹ thuật
CHƯƠNG I: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN
2.1. MẠCH ĐIỆN VÀ MÔ HÌNH
2.1.1. Mạch điện
a. Khái niệm
Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện nối với nhau bằng dây dẫn tạo
thành những vòng kín trong đó dòng điện có thể chạy qua. Mạch điện gồm ba
phần tử cơ bản là nguồn điện, vật tiêu thụ điện, dây dẫn và các thiết bị phụ trợ
như: thiết bị đóng cắt, đo lường, bảo vệ, tự động…
Hình 1.1: Sơ đồ mạch điện gồm có nguồn điện, Ampe kế, Bóng đèn, Công tắc
b. Các phần tử của mạch điện
- Nguồn điện
Các thiết bị để biến đổi các dạng năng lượng khác thành điện năng gọi là
nguồn điện như:
- Biến đổi hóa năng thành điện: Pin, Ăcquy…
- Biến đổi cơ năng thành điện: Máy phát điện…
- Biến đổi nhiệt năng thành điện: Cặp nhiệt điện…
- Biến đổi quang năng thành điện: Pin quang điện ….
Trên sơ đồ nguồn điện được biểu thị bằng một sức điện động (s.đ.đ), ký
hiệu là E, có chiều đi từ cực âm (-) về cực dương (+) của nguồn và 1 điện trở
trong r0 (còn gọi là nội trở).
- Dây dẫn
Dây dẫn làm bằng kim loại (Đồng, Nhôm…) để dẫn dòng điện (truyền tải
điện năng) từ nguồn điện tới nơi tiêu thụ.
Trên sơ đồ dây dẫn được biểu thị bằng 1 điện trở đường dây, ký hiệu là rd.
-5-
- Trường Cao đẳng nghề Xây dựng Giáo trình Điện kỹ thuật
-.Vật tiêu thụ điện (Phụ tải)
Các thiết bị tiêu thụ điện năng và biến đổi năng lượng điện thành các dạng
năng lượng khác, như quang năng (Đèn điện), nhiệt năng (Bếp điện, Lò điện,
Hàn điện…), cơ năng (Nam châm điện, Động cơ điện…), hoá năng (bình điện
phân, mạ điện… ). Công suất tiêu thụ điện của vật tiêu thụ gọi là phụ tải - gọi tắt
là tải.
Trên sơ đồ, các phụ tải như Đèn điện, Bếp điện, Lò điện… được biểu thị
bằng 1 điện trở R, còn các phụ tải như động cơ điện, bình mạ điện, bình điện
phân… được biểu thị bằng 1 sức điện động E (còn gọi là sức phản điện) và điện
trở trong r0.
-. Các thiết bị phụ trợ:
- Đóng cắt và điều khiển mạch điện như: Cầu dao, Máy cắt…
- Đo lường các đại lượng trong mạch như: Ampe mét, Vôn mét…
- Bảo vệ mạch điện như: Cầu chì, Rơle…
2.1.2. Các hiện tượng điện từ
2.1.3. Hiện tượng biến đổi năng lượng
. Hiện tượng tiêu tán năng lượng ứng với vùng tiêu tán là vùng biến năng lượng
điện từ thành các dạng năng lượng khác như : cơ năng, nhiệt năng...(tức là vùng
tiêu thụ mất năng lượng của trường điện từ).
. Hiện tượng phát ứng với vùng (nguồn) phát là vùng biến các dạng năng lượng
khác thành năng lượng điện từ.
2.1.4. Hiện tượng tích - phóng năng lượng
a. Hiện tượng tích phóng năng lượng điện trường ứng với vùng kho điện (Tụ
điện) là vùng năng lượng điện từ tập trung vào vùng điện trường của một không
gian như các bản cực tụ điện hoặc ngược lại đưa từ vùng đó trả lại nguồn trường
điện từ.
b. Hiện tượng tích - phóng năng lượng từ trường ứng với vùng kho từ (cuộn dây)
là vùng năng lượng điện từ tích từ trường vào không gian như lân cận một cuộn
dây có dòng điện, hoặc đưa trả từ vùng đó trở lại nguồn trường điện từ.
-6-
- Trường Cao đẳng nghề Xây dựng Giáo trình Điện kỹ thuật
2.1.5. Mô hình mạch điện
Mô hình mạch điện còn gọi là sơ đồ thay thế mạch điện, trong đó kết cấu
hình học và quá trình năng lượng giống như ở mô hình thực, song các phần tử
của mạch điện thực đã được lý tưởng hoá bằng các thông số R, L, C, e, j. Mô
hình mạch điện được sử dụng trong việc nghiên cứu và tính toán mạch điện và
thiết bị điện.
a. Phần tử điện trở
- Điện trở của vật dẫn
Dòng điện tử di chuyển trong vật dẫn sẽ va chạm vào các nút mạng tinh
thể, mất bớt động năng do điện trường cung cấp và do đó giảm tốc độ di chuyển.
Kết quả là dòng điện sẽ nhỏ. Như vậy, dòng điện qua vật dẫn sẽ gặp một sức cản
trở, gọi là điện trở của vật dẫn.
Cùng một cường độ điện trường, nếu điện trở của vật dẫn càng lớn thì
dòng điện càng nhỏ, tức dòng điện tỷ lệ nghịch với điện trở của vật dẫn.
Điện trở của vật dẫn phụ thuộc vào những yếu tố sau:
1. Tiết diện của dây dẫn S: nếu tiết diện càng lớn thì mật độ điện tử tự do di
chuyển càng nhỏ, tức là các điện tử tự do càng ít bị va chạm với nhau và với nút
mạng tinh thể, nên ít gặp cản trở của vật dẫn. Do đó điện trở của vật dẫn tỷ lệ
nghịch với tiết diện.
2. Chiều dài của vật dẫn (ℓ): nếu vật dẫn càng dài thì điện tử càng bị va
chạm nhiều, nên tốc độ di chuyển càng chậm. Như vậy, vật dẫn càng dài, điện
trở của nó càng lớn.
3. Vật liệu làm vật dẫn: do kết cấu mạng tinh thể của các kim loại khác
nhau, nên sự cản trở của chúng đối với dòng điện cũng khác nhau. Thực tế
chứng tỏ bạc dẫn điện tốt nhất rồi đến Đồng, Nhôm v.v... Vì thế, vật liệu dẫn
điện thường làm bằng đồng, nhôm để có điện trở nhỏ (ít làm bằng bạc vì bạc
đắt).
Để đặc trưng cho khả năng dẫn điện của vật liệu, người ta dùng đại lượng
gọi là điện dẫn suất ký hiệu là (gamma). Điện dẫn suất càng lớn thì vật liệu
dẫn điện càng tốt. Lượng nghịch đảo của điện dẫn suất gọi là điện trở suất ký
hiệu là (rô)
-7-
- Trường Cao đẳng nghề Xây dựng Giáo trình Điện kỹ thuật
1
(1-1)
Ngoài ra, điện trở của một chất là điện trở suất của vật dẫn làm bằng chất
đó, có chiều dài là một đơn vị độ dài và tiết diện là một đơn vị diện tích.
Từ đó, nếu ký hiệu điện trở của vật dẫn là r, ta sẽ có:
l
r (1-2)
s
Đơn vị của điện trở là Ω
- Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ
Khi nhiệt độ của vật dẫn tăng lên, các nút mạng tinh thể kim loại sẽ dao
động mạnh xung quanh vị trí cân bằng sẽ tăng sự cản trở các điện tử tự do di
chuyển, nghĩa là điện trở của vật dẫn tăng lên. Như vậy, điện trở của vật dẫn
bằng kim loại sẽ tăng lên khi nhiệt độ tăng.
Gọi điện trở ở nhiệt độ θ0 là r0
Điện trở ở nhiệt độ θ là r
Thì quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ xác định bằng biểu thức:
r = r0 [1 + α (θ - θ0)] (1-3)
Ở đây α gọi là hệ số thay đổi điện trở vì nhiệt, cho trong bảng 1-1 và θ tính
ra độ C (hoặc độ K)
Ví dụ 1-1: Cuộn dây máy biến áp (bằng dây đồng), ở nhiệt độ 15 0C, có điện trở
là 2Ω. Tính điện trở cuộn dây ở nhịêt độ làm việc là 750C.
Giải:
Tra bảng 1-1, với dây đồng α = 0,004 /0C.
Áp dụng công thức (1-3) tính điện trở cuộn dây ở 750C:
r = r0 [1 + α (θ - θ0)] = 2 [1 + 0,004 (75-15)] = 2,48
Tức là r đã biến thiên = 24% trị số ban đầu.
Chú ý: Đối với một số chất như than, dung dịch điện phân, khi nhiệt độ tăng, độ
dẫn điện lại tăng lên, điện trở giảm xuống. Khi đó hệ số α có giá trị âm: Vì khi
nhiệt độ tăng, mức độ điện phân trong dung dịch hoặc số lượng điện tử tự do
trong than tăng lên và tính dẫn điện của vật liệu tăng theo nhiệt độ.
-8-
- Trường Cao đẳng nghề Xây dựng Giáo trình Điện kỹ thuật
Bảng 1.1: Đặc tính của một số vật dẫn thông dụng
Điểm chảy Điện trở suất mm2/m Hệ số thay đổi điện
Tên vật liệu 0
C (ρ) trở vì nhiệt (α)
Nhôm 657 0,029 0,004
Đồng thanh 900 0,021 0,004 - 0,4
Đồng 1083 0,0175 0,004
Constantan 1200 0,4 - 0,51 0,000005
Mangannin 960 0,42 0,000006
Nicrôm 1360 1,1 0,00015
Vônfram 3370 0,056 0,00464
Thép 1400 0,13 - 0,25 0,006
b. Phần tử điện cảm
Khi dây dẫn có dòng điện chạy qua thì xung quanh nó có một từ trường.
Từ trường xung quanh một dây dẫn phụ thuộc vào dòng điện qua nó và dòng
điện trong các dây dẫn khác nếu chúng có không gian gần nhau. Theo Len -
Faraday: khi từ thông qua cuộn dây biến thiên thì trong cuộn dây sẽ xuất hiện
sức điện động cảm ứng.
Hiện tượng tự cảm :
dψ
e (1-4)
dt
Sức điện động sinh ra trong cuộn dây chỉ do bởi sự biến thiên của dòng i k
gọi là sức điện động tự cảm.
Gọi ψ =L.i (1-5)
Trong đó: L là hệ số tự cảm có thứ nguyên Henry (H).
Ta có công thức Mắcxoen là :
di
eL L
dt (1-6)
Điện cảm L nói lên khả năng nạp từ thông móc vòng lên cuộn dây (L = ψ
khi i = 1A) nó đo dung tích nạp từ thông của cuộn cảm.
-9-
- Trường Cao đẳng nghề Xây dựng Giáo trình Điện kỹ thuật
Hiện tượng hỗ cảm:
Cho 2 cuộn dây đặt gần nhau có dòng điện i 1 và i2 đi qua, nếu dòng điện i1
biến thiên thì từ thông hỗ cảm ψ12 biến thiên, làm xuất hiện (s.đ.đ) cảm ứng
trong cuộn thứ hai e12, còn gọi là (s.đ.đ) hỗ cảm. Giả sử trong thời gian t dòng
điện biến thiên một lượng i1, từ thông hỗ cảm sẽ biến thiên một lượng là:
ψ12 = M i1
Do đó (s.đ.đ) hỗ cảm theo công thức Măcxoen sẽ là:
di1
e12 M (1-7)
dt
Ngược lại, nếu i2 biến thiên sẽ gây ra sự biến thiên của từ thông hỗ cảm
ψ21 làm xuất hiện s.đ.đ hỗ cảm e2:
di2
e21 M (1-8)
dt
Như vậy, (s.đ.đ) hỗ cảm là (s.đ.đ) cảm ứng xuất hiện trong cuộn dây do sự
biến thiên dòng điện ở cuộn dây có quan hệ hỗ cảm với nó. (S.đ.đ) hỗ cảm tỷ lệ
với tốc độ biến thiên dòng điện và hệ số hỗ cảm giữa các cuộn dây.
Dấu (-) trong các công thức (1-7) và (1-8) thể hiện định luật Len xơ.
c. Phần tử điện dung
a. Khi đặt điện áp u lên trên hai bản cực của tụ điện thì trong lân cận hai bản cực
sẽ xuất hiện một điện trường. Trong những điều kiện thông thường điện tích q
nạp lên các bản cực phụ thuộc vào điện áp u. Hệ số đặc trưng cho khả năng tích
điện của tụ gọi là điện dung của cặp vật dẫn (hai bản cực) hoặc của tụ điện.
i C
Hình 1.2
Ký hiệu :
q
C(u) (1-9)
t
b. Thông số điện dung C: Điện dung C là thông số đặc trưng cho tụ điện.
- 10 -
- Trường Cao đẳng nghề Xây dựng Giáo trình Điện kỹ thuật
q
Từ C thấy rõ C thông số đặc trưng cho dung tích nạp điện của tụ
u
dưới tác dụng của điện áp (C bằng q khi u = 1V) chỉ khả năng nạp điện tích của
tụ điện, C càng lớn khả năng nạp điện tích của tụ càng lớn.
* Tụ điện có thể mắc thành bộ nếu thông số của tụ điện không thoả mãn với yêu
cầu sử dụng. Có 2 cách mắc tụ điện cơ bản:
- Mắc nối tiếp: là mắc bản cực âm của tụ trước với bản cực dương của tụ sau,
bản cực dương của tụ đầu và bản cực âm của tụ cuối sẽ là 2 bản cực của cả bộ tụ
và đặt vào điện áp U. Khi đó điện áp và điện dung của cả bộ tụ điện là:
Ub = U1 + U2 + … + Un
1 1 1 1
.....
C b C1 C 2 Cn
- Mắc song song: là cách mắc các cực của tụ cùng tên với nhau và đặt vào điện
áp U các tụ điện đều có chung một điện áp, khi đó điện dung của cả bộ tụ điện là:
Ub = U1 = U2 = …= Un
Cb = C1 + C2 + … + Cn s
- Trong trường hợp cần tăng cả điện dung và điện áp thì ta phải dùng cách mắc
hỗn hợp.
Hình 1.3 : Mắc nối tiếp tụ điện Hình1.4: Mắc song song tụ điện
Hình 1.5: Mắc tụ hỗn hợp
- 11 -
- Trường Cao đẳng nghề Xây dựng Giáo trình Điện kỹ thuật
d. Phần tử nguồn
Nguồn điện là thiết bị duy trì dòng điện trong mạch.
Vì vậy cần duy trì một điện áp ở hai đầu nguồn điện. Ta xét chi tiết quá
trình hình thành điện áp này như sau:
Giả sử nguồn điện được biểu thị bởi dây dẫn thẳng AB. Muốn hình thành
một hiệu thế giữa hai điểm AB, cần có một lực ngoài Fn tác dụng lên các điện
tích tự do trong dây dẫn, ở đây là các điện tử. Lực ngoài F n có thể là lực hóa học
(ở Pin và Acquy), lực khuếch tán nhiệt (ở Pin nhiệt điện), lực điện từ (ở Máy
phát điện) v..v… Dưới tác dụng của lực ngoài, các điện tử sẽ di chuyển về phía
đầu B, do đó đầu B tích điện âm và đầu A tích điện dương. Gọi điện tích di
chuyển là q, thì lực ngoài Fn sẽ tương đương với lực của điện trường, tạm gọi là
trường ngoài.
Có cường độ n tính theo:
Fn
n
q
Vectơ n hướng ngược với chiều di chuyển của điện tử.
Khi hình thành các điện tích ở hai đầu A và B, bên trong vật dẫn AB sẽ
hình thành một điện trường trong 0 có chiều từ A về B. Điện trường này sẽ tác
dụng lên điện tử một lực F, tính theo: Fe = 0 . q
Hai lực Fe và Fn ngược chiều nhau. Các điện tích sẽ đạt trạng thái cân bằng động
khi hai lực này cân bằng nhau. Lúc đó điện tích +Q và –Q ở hai đầu A và B của
nguồn sẽ không thay đổi:
Fe = Fn suy ra e = n
Như vậy muốn duy trì điện áp ở hai cực của nguồn, nguồn phải duy trì
một nguồn ngoài n và do đó trường này sẽ thực hiện công để di chuyển các điện
tích ngược với chiều tác dụng của lực điện trường. Công này sẽ do các dạng
năng lượng khác như hóa, nhiệt, cơ thực hiện.
Điện áp trên hai cực của nguồn do nguồn ngoài duy trì, được gọi là sức điện
động (s.đ.đ) của nguồn, ký hiệu là E. Coi điện trường giữa đoạn AB là đều ta có:
E = n . l
- 12 -
- Trường Cao đẳng nghề Xây dựng Giáo trình Điện kỹ thuật
Trong đó:
l: là chiều dài đường sức giữa A và B
Mặt khác, điện trường e cũng tạo ra điện áp UAB giữa hai điểm AB. Khi
không có dòng điện ngoài ta có:
UAB = A - B = e . lAB = n . l = E
Vậy sức điện động (s.đ.đ) của nguồn điện bằng điện áp trên hai cực của
nguồn khi hở mạch ngoài (tức không có dòng điện qua nguồn).
Ta có hai loại nguồn : nguồn áp (nguồn s.đ.đ) và nguồn dòng.
a. Nguồn áp - u(t); nguồn s.đ.đ - e(t)
Nguồn áp u(t) hay nguồn (s.đ.đ) e(t) là nguồn có đặc tính duy trì trên các
cực một hàm áp xác định theo thời gian, không phụ thuộc dòng chảy qua nó. Về
mặt vật lý (s.đ.đ) chính là công của lực nguồn để làm dịch chuyển đơn vị điện
tích dương ở trong nguồn từ cực có điện thế thấp sang cực có điện thế cao (công
này là do cơ năng của động cơ sơ cấp quay máy phát điện tạo ra). Với định
nghĩa nguồn áp như vậy ta có phương trình trạng thái là:
u(t) = - e(t). (1-10)
Biểu diễn như hình:1-6.
Trong đó chiều của e(t) trong nguồn từ nơi có
thế thấp đến nơi có thế cao. Ngược lại áp
trên cực máy phát có chiều từ điểm điện thế
cao đến điểm có điện thế thấp. Hình 1.6: Định nghĩa nguồn áp
− Nếu nguồn e(t) phát ra dòng i(t) với chiều dương trùng chiều dương (s.đ.đ) e(t)
thì công suất tiếp nhận là:
p = u.i = -e.i
Công suất phát ra là pf = -p (theo định luật bảo toàn)
→ pf = -p = -(-e.i) = e.i (1-11)
Từ công thức (1-11) ta thấy e là thông số đo khả năng phát của nguồn - chính
bằng công suất phát ra khi nguồn cho ra dòng điện 1A.
- 13 -
- Trường Cao đẳng nghề Xây dựng Giáo trình Điện kỹ thuật
− Trên thực tế điện áp u(t) trên cực của nguồn
phụ thuộc dòng điện qua nguồn nên coi u = e
với bất kỳ dòng nào qua nguồn thì đó là nguồn
lý tưởng.
Hình 1.7: Sơ đồ biểu diễn
Thực tế nếu phải kể thêm tiêu thụ khá nhỏ trong
trạng thái nguồn
nguồn thì phương trình trạng thái của nguồn là :
u = e - r.i (1-12).
Lúc này biểu diễn nguồn bằng sơ đồ hình 1.8
Quan hệ u = e - r.i là đặc tính ngoài của máy phát điện như hình 1.8
Hình 1.8a: Đặc tính ngoài lý thuyết Hình 1.8b: Đặc tính ngoài thực tế
Các máy điện thường có tính thuận nghịch. Khi i ngược chiều e thì nguồn
sẽ thu năng lượng điện từ để biến đổi ra các dạng năng lượng khác (Cơ năng,
Nhiệt năng...)
pf = -e.i (1-13)
Lúc này nguồn thành một phần tử thu (động cơ điện).
Khi e, i cùng chiều thì nguồn sẽ là máy phát điện.
b. Nguồn dòng j(t) : Nguồn dòng j(t) là nguồn có đặc tính cho ra một hàm dòng j (t)
xác định không tùy thuộc áp trên các cực. Từ đó dẫn ra phương trình trạng thái
của nguồn dòng là :
i(t) = j(t)
Nguồn dòng được biểu diễn như hình 1.9.
Trên thực tế i(t) phụ thuộc điện áp trên cực,
cho nên định nghĩa nguồn dòng trên là lý
tưởng. Hình 1.9
Ở đây chúng ta thấy không tồn tại đặc tính
- 14 -
- Trường Cao đẳng nghề Xây dựng Giáo trình Điện kỹ thuật
V-A riêng của nguồn dòng vì cùng j(t) đã cho
có thể ứng với vô số giá trị điện áp trên cực.
Từ phương trình trạng thái (1-13) thấy
toán tử dẫn của nguồn dòng y = 0 nên cách
nối chính tắc của nguồn dòng là nối thẳng
vào các đỉnh của sơ đồ, việc nối tiếp vào
Hình 1.10
nguồn dòng một điện trở hữu hạn là vô nghĩa.
Nếu kể đến tổn thất trong nguồn ta có thể đi từ phương trình:
u = e - r.i → i = e/r - u/r → i = j - g.u (1-14)
Với j = e/r, g = 1/r.
Từ đây có sơ đồ biểu diễn như hình 1.10.
Với chiều dương u, j chọn như hình vẽ, ta sẽ có nguồn dòng phát ra công suất:
pf = - u.j.
Từ công thức này thấy rõ ý nghĩa của thông số j đo khả năng phát của
nguồn dòng. Nó chính bằng pf khi đặt dưới điện áp là 1V.
-Tính tương đương của hai loại nguồn :
Từ hai sơ đồ nguồn áp (hình 1. 8) và nguồn dòng (hình 1.10) nếu j = e/r, g
= 1/r thì hai sơ đồ trên là tương đương nhau.
Nghĩa là khi cùng điện áp u (hay dòng điện i) thì dòng i (hay áp u) của hai
sơ đồ là như nhau. Từ đó có thể biến đổi tương đương giữa hai nguồn áp và
nguồn dòng.
Rõ ràng tùy theo quan hệ giữa điện trở trong của nguồn năng lượng r và điện trở
của phụ tải R mà mô tả nó bằng nguồn (s.đ.đ) hay nguồn dòng. Khi điện trở
trong r
- Trường Cao đẳng nghề Xây dựng Giáo trình Điện kỹ thuật
* Ghép các nguồn điện hóa học
Khi thông số của nguồn điện không đáp ứng được các thông số của mạch
điện thì người ta sẽ tiến hành ghép các nguồn điện hóa học lại với nhau, điều
kiện để ghép các nguồn điện hóa học là các nguồn phải có cùng sức điện động
E0 và có cùng điện trở trong r0.
+ Ghép nối tiếp: là cách ghép cực dương của nguồn này với cực âm của nguồn
kia. Hình 1.11
Giả sử ta có n nguồn ghép nối tiếp với nhau, lúc này sức điện động và điện
trở trong của cả bộ là:
Ebé = n.E0 ; rbé = n. r0
Hình 1.11: Ghép nối tiếp nguồn nguồn 1 chiều
Vậy khi ghép nối tiếp ta có sức điện động của cả bộ tăng lên nhưng dòng
điện trong mạch lại không tăng. Cách ghép này sử dụng trong trường hợp cần có
bộ nguồn tăng sức điện động nhưng giữ nguyên dòng điện.
+ Ghép song song: là cách ghép chung các cực có cùng cực tính của nguồn lại
với nhau. Hình 1.12
Giả sử ta có m nguồn ghép song song với nhau thì sức điện động và điện
r
trở trong của cả bộ sẽ là: Ebộ = E0 ; rbộ = 0
m
Vậy với cách ghép song song ta thấy sức điện động của cả bộ không đổi,
tuy nhiên dòng điện trong mạch tăng lên. Vì vậy cách ghép này sử dụng khi
trong mạch cần dòng điện tăng nhưng giữ nguyên sức điện động.
- 16 -
- Trường Cao đẳng nghề Xây dựng Giáo trình Điện kỹ thuật
Hình 1.12: Ghép song song nguồn 1 chiều
+ Ghép hỗn hợp: cách ghép này sử dụng khi mạch cần tăng cả sức điện động và
dòng điện. Hình 1.13
Hình 1.13: Ghép hỗn hợp nguồn 1 chiều
e. Phần tử thật
Phần tử thật của mạch điện có thể được mô tả gần đúng bằng cách ghép
một hay nhiều phần tử lý tưởng với nhau theo một cách nào đó để mô tả gần
đúng hoạt động của các phần tử trong thực tế.
2.2. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG MẠCH ĐIỆN
2.2.1. Dòng điện và quy ước chiều dòng điện
* Định nghĩa: Dòng điện tích chuyển dời có hướng dưới tác dụng của lực điện
trường gọi là dòng điện.
- 17 -
- Trường Cao đẳng nghề Xây dựng Giáo trình Điện kỹ thuật
* Quy ước chiều dòng điện: Theo quy ước, chiều dòng điện là chiều chuyển
động của các điện tích dương. Như vậy, trong vật dẫn dòng điện sẽ đi từ nơi có
điện thế cao đến nơi có điện thế thấp. Ngược lại, bên trong nguồn điện dòng
điện đi từ cực có điện thế thấp đến cực có điện thế cao. Cực có điện thế cao của
nguồn gọi là cực dương (+), cực có điện thế thấp hơn là cực âm (-).
2.2.2. Cường độ dòng điện
Để xác định độ lớn của dòng điện, người ta dùng đại lượng gọi là cường độ
dòng điện.
* Định nghĩa: Cường độ dòng điện là lượng điện tích qua tiết diện của dây dẫn
trong một đơn vị thời gian tính bằng giây (s).
Nếu trong thời gian t, lượng điện tích qua tiết diện dây dẫn q, thì cường
độ dòng điện xác định bằng biểu thức:
q
I (1-15)
t
Trong đó:
I là cường độ dòng điện (đơn vị là Ampe - A).
Trong hệ đơn vị đo lường hợp pháp Việt Nam, q tính ra Culông, t tính ra
giây thì I tính ra Ampe - ký hiệu A.
Nếu q = 1C, t = 1s thì I = 1A. Vậy Ampe là cường độ của dòng điện mà
mỗi giây có điện tích 1 Culông qua tiết diện dây dẫn. Bội số của ampe là
kiloAmpe (kA) ước số là miliAmpe (mA) và microAmpe (µA).
1kA = 1000A = 103 A
1mA = 0,001A = 10-3 A
1 A = 0,000001A = 10-6 A = 10-3 mA
Ví dụ 1-2: Tụ điện tích điện đến 5.10-6 C, rồi tụ phóng điện trong thời gian
0,001s. Tính cường độ dòng điện trung bình trong thời gian phóng điện của tụ.
Giải:
Áp dụng công thức (1-15) để tính trị số cường độ dòng điện phóng trung bình
của tụ:
- 18 -
- Trường Cao đẳng nghề Xây dựng Giáo trình Điện kỹ thuật
q 5.10 6
I = = 5.10-3 A = 3 mA
t 0,001
Ví dụ 1-3: Tính điện tích nạp vào bộ ắc quy trong thời gian 30 phút, biết dòng
điện nạp là 10A.
Giải:
Đổi thời gian: t = 30 phút = 1800s.
Từ (1-15) rút ra biểu thức tính điện tích nạp vào ắc quy:
q = It = 10.1800 = 18000C.
Chú ý: Cường độ dòng điện cũng thường được gọi tắt là dòng điện.
2.2.3. Mật độ dòng điện
* Định nghĩa: Mật độ dòng điện là đại lượng đo bằng tỷ số giữa dòng điện qua
dây dẫn và tiết diện dây
I
s
Ở đây (đen-ta) là ký hiệu của mật độ dòng điện.
Nếu S có đơn vị đo là mm2 thì I có đơn vị đo là Ampe. Vậy ý nghĩa của
mật độ dòng điện chính là cường độ dòng điện qua một đơn vị tiết diện dây dẫn.
Trong thực hành: I tính ra A; S tính ra mm2, nên đơn vị tính của mật độ
dòng điện là A/mm2.
2.3. CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI TƯƠNG ĐƯƠNG
2.3.1. Nguồn áp ghép nối tiếp
Nguồn áp ghép nối tiếp sẽ tương đương với một nguồn sức điện động duy
nhất có trị số bằng tổng đại số các sức điện động đó.
e td e k
Trong cả hai hình 1.14 ta đều có uab = e1 + e2 + e3
- 19 -
- Trường Cao đẳng nghề Xây dựng Giáo trình Điện kỹ thuật
Hình 1.14 : Nguồn áp ghép nối tiếp
2.3.2. Nguồn dòng ghép song song
Nguồn dòng ghép song song sẽ tương đương với một nguồn dòng duy nhất
có trị số bằng tổng đại số các nguồn dòng đó:
jtd jk
Trong cả hai hình 1.15 ta đều có i = -j1 + j2 - j3
a a
i i
j3 jtđ=-j1+ j2- j3
j1 j2
b
b
Hình 1.15: Nguồn dòng ghép song song
2.3.3. Điện trở ghép nối tiếp, song song
a. Đấu nối tiếp
Đấu nối tiếp điện trở - phụ tải là cách đấu sao cho chỉ có một dòng điện
duy nhất chạy qua tất cả các phần tử của mạch.
Hình 1.16 vẽ mạch điện có ba điện trở đấu nối tiếp.
Hình 1.16: Đấu nối tiếp các điện trở
Điện áp đặt vào từng điện trở:
U1 = I.R1 ; U2 = I.R2 ; U3 = I.R3 (1-16)
- 20 -
nguon tai.lieu . vn
