Giáo trình Kỹ thuật điện (Phần 1)

Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 1 Lêi nãi ®Çu Năng lượng điện là nguồn động lực chủ yếu của nền sản xuất hiện đại, nước ta cũng như các nước khác trên thế giới đang không ngừng phát triển ngành kỹ nghệ sản xuất truyền tải, sử dụng điện năng. Sản lượng điện tính theo đầu người là một trong những chỉ tiêu cơ bản để đánh giá trình độ phát triển kinh tế của một nước. Kỹ thuật điện 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 và phân phối, sử dụng điện năng trong sản xuất và đời sống. Ngày nay điện năng được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực vì những ưu điểm cơ bản sau: - Điện năng được sản xuất tập trung với các nguồn công suất lớn. - Điện năng có thể truyền tải đi xa với hiệu suất cao. - Dễ dàng biến đổi điện năng thành các dạng năng lượng khác. - Nhờ điện năng có thể tự động hoá mọi quá trình sản xuất, nâng cao năng suất lao động So với các dạng năng lượng khác như cơ, nhiệt, thuỷ, khí... điện năng được phát hiện chậm hơn vì con người không cảm nhận trực tiếp được các hiện tượng điện từ. Tuy nhiên với việc phát hiện và sử dụng điện năng đã thúc đẩy cách mạng khoa học công nghệ tiến như vũ bão sang kỷ nguyên điện khí hoá, tự động hoá. Việt Nam có tiềm năng to lớn về năng lượng nhưng do hậu quả chiến tranh kéo dài và cơ chế quản lý quan liêu bao cấp nên sản xuất còn lạc hậu. Năm 1975 cả nước chỉ sản xuất 1,5 tỷ kWh, năm 2003 đạt tới 41 tỷ kWh với sản lượng điện bình quân 500 kWh / 1 người 1 năm. Theo lộ trình phát triển tới năm 2010 sẽ đạt 70 tỷ kWh, năm 2020 sẽ đạt 170 tỷ kWh. Để đáp ứng nhu cầu phụ tải điện đến năm 2015 Việt Nam sẽ tiến hành xây dùng 61 nhà máy điện với tổng công suất 21.658 MW, trong đó có 32 nhà máy thuỷ điện với tổng công suất 7.975 MW, 17 nhà máy điện tuabin khí với tổng công suất 9.783 MW và 12 nhà máy nhiệt điện than với tổng công suất 3.900 MW. Hệ thống truyền tải điện siêu cao áp 500 kV Bắc- Nam đã đi vào vận hành, tuyến 500 kV thứ hai đang được xây dựng. Vốn đầu tư trung bình 2,16 tỷ USD mỗi năm. Ngành sản xuất các thiết bị điện đang được đầu tư phát triển. Các máy biến áp 110 kV, 25 MVA và 63 MVA ®ang được sản suất hàng loạt. Máy biến áp 220 kV, 125 MVA đầu tiên đi vào sản xuất từ năm 2004 tại công ty Thiết bị điện Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 2 Đông Anh. Các động cơ điện với công suất tới 1000 kW được chế tạo ở các Công ty chế tạo Việt Hung, Công ty chế tạo điện cơ Hà Nội, Thủ Đức. Giáo trình được biên soạn dựa trên cơ sở người học đã học môn Vật lý ở bậc phổ thông, ngoài ra còn các kiến thức liên quan như môn Giải tích... Nhằm đáp ứng nhu cầu của người học và để thuận tiện cho việc học tập của sinh viên hệ cao đẳng nghề học khoa Điện đạt được kết quả cao. Giáo trình Mạch Điện được biên soạn dựa trên chương trình khung của Bộ Giáo Dục vµ ®µo t¹o, với kinh nghiệm giảng dạy nhiều năm ở bộ môn Kỹ thuật điện cña tr­êng Cao ®¼ng nghÒ Nam §Þnh cùng với sự kế thừa những tinh hoa của các tác giả có nhiều năm kinh nghiệm biên soạn chương trình như PGS. TS Đặng Văn Đào, PGS. TS Lê Văn Doanh. gs Hoµng H÷u ThËn. Biên soạn cho lần đầu xuất bản, trình độ hiểu biết cßn có hạn, kinh nghiệm giảng dạy chưa nhiều, chắc chắn còn nhiều hạn chế. Rất mong được sự góp ý của các thầy c« giáo, b¹n ®ång nghiÖp và các bạn sinh viên để cuốn sách ngày càng tốt hơn. Xin bµy tá lßng c¶m ¬n ®Õn c¸c thÇy c« gi¸o Khoa §iÖn - §iÖn tö. Tr­êng C§ nghÒ Nam §Þnh ®· ®ãng gãp ý kiÕn vµ kinh nghiÖm, ®Ó cuèn s¸ch ®­îc hoµn thµnh ®óng thêi gian. T¸c gi¶ NguyÔn Thµnh Nam Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 3 Ch­¬ng 1 C¸c kh¸i niÖm c¬ b¶n vÒ m¹ch ®iÖn Bµi 1.1. M¹ch ®iÖn vµ m« h×nh 1. M¹ch ®iÖn Maïch ñieän laø toå hôïp caùc thieát bò ñieän bao goàm nguoàn, phuï taûi ñöôïc noái vôùi nhau baèng daây daãn theo moät caùch thöùc nhaát ñònh thoâng qua caùc thieát bò phuï trôï . Nguån ®iÖn : Nôi saûn sinh ra naêng löôïng ñieän ñeå cung caáp cho m¹ch. Nguoàn ñieän coù theå laø nguoàn moät chieàu hoaëc xoay chieàu. + Nguoàn moät chieàu: Pin, acquy, maùy phaùt ñieän moät chieàu... + Nguoàn xoay chieàu: Laáy töø löôùi ñieän, maùy phaùt ñieän xoay chieàu. Caùc nguoàn ñieän coâng suaát lôùn thöôøng ñöôïc truyeàn taûi töø caùc nhaø maùy ñieän (nhieät ñieän, thuûy ñieän, ñieän nguyeân töû...). Caùc nguoàn ñieän moät chieàu thöôøng ñöôïc ñaëc tröng baèng suaát ñieän ñoäng E, ñieän trôû noäi r (®iÖn trë trong). Vôùi nguoàn xoay chieàu thöôøng bieåu dieãn baèng coâng suaát P (coâng suaát maùy phaùt) vaø hieäu ñieän theá loái ra U. * Phô t¶i: Laø caùc thieát bò söû duïng ñieän naêng ñeå chuyeån hoùa thaønh moät daïng naêng löôïng khaùc, nhö duøng ñeå thaép saùng (quang naêng), chaïy caùc ñoäng cô ñieän (cô naêng), duøng ñeå chaïy caùc loø ñieän (nhieät naêng)... . Caùc thieát bò tieâu thuï ñieän thöôøng ñöôïc goïi laø phuï taûi (hoaëc taûi) vaø kyù hieäu baèng ñieän trôû R hoaëc baèng trôû khaùng Z. * D©y dÉn: Coù nhieäm vuï lieân keát vaø truyeàn daãn doøng ñieän töø nguoàn ñieän ñeán nôi tieâu thuï. * C¸c thiÕt bÞ phô trî : nhö caùc thieát bò ñoùng caét (caàu dao, coâng taéc...), caùc maùy ño (ampekeá, voân keá, o¸t keá), caùc thieát bò baûo veä(caàu chì, aptoâmaùt ..) 2. C¸c hiÖn t­îng ®iÖn tõ . NGUåN §IÖN pHô T¶I thiÕt bÞ phô trî H×nh 1-1 M¹ch ®iÖn Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 4 a) HiÖn t­îng biÕn ®æi n¨ng l­îng. * BiÕn ®æi c¬ n¨ng thµnh ®iÖn: Cho mét d©y dÉn th¼ng dµi l, chuyÓn ®éng víi tèc ®é lµ v trong mÆt ph¼ng vu«ng gãc víi c¸c ®­êng søc cña mét tõ tr­êng ®Òu. Trong d©y dÉn cã s®® c¶m øng E = B.v.l, chiÒu x¸c ®Þnh theo quy t¾c bµn tay ph¶i. Nèi d©y dÉn víi mét m¹ch ngoµi cã ®iÖn trë r, trong m¹ch cã dßng ®iÖn lµ I. Dßng ®iÖn nµy ®i trong d©y dÉn, lµm xuÊt hiÖn lùc ®iÖn tõ F cã trÞ sè: F = B.I.l, chiÒu x¸c ®Þnh theo quy t¾c bµn tay tr¸i. Ta thÊy lùc F ng­îc chiÒu víi chiÒu chuyÓn ®éng, nªn cã t¸c dông h·m chuyÓn ®éng cña d©y dÉn. §Ó d©y dÉn tiÕp tôc chuyÓn ®éng ®Òu, ta ph¶i t¸c dông vµo d©y dÉn mét lùc b»ng vµ ng­îc chiÒu víi lùc F, nhê mét ®éng c¬ s¬ cÊp. C«ng suÊt c¬ ®éng c¬ s¬ cÊp truyÒn cho d©y dÉn lµ: Pc¬ = F.v = BI.l.v = Bvl. I = E.I = P®iÖn Nh­ vËy, d©y dÉn chuyÓn ®éng trong tõ tr­êng ®· cã t¸c dông biÕn c«ng suÊt c¬ cña ®éng c¬ s¬ cÊp thµnh c«ng suÊt ®iÖn cung cÊp cho phô t¶i. §ã lµ nguyªn t¾c míi cña m¸y ph¸t ®iÖn. * BiÕn ®æi ®iÖn n¨ng thµnh c¬ n¨ng: Gi¶ sö cã d©y dÉn ®Æt trong tõ tr­êng ®Òu, c­êng ®é tõ c¶m lµ B. Nèi d©y dÉn víi mét nguån ngoµi cã s ® ® lµ E f ®iÖn trë nguån lµ rf . Trong d©y dÉn cã dßng ®iÖn F r I I EF rF E Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 5 lµ I, lµm xuÊt hiÖn lùc ®iÖn tõ t¸c dông lªn d©y dÉn: F = B.I.l ChiÒu x¸c ®Þnh theo quy t¾c bµn tay tr¸i. Gi¶ sö, d­íi t¸c dông cña lùc F, d©y dÉn chuyÓn ®éng víi tèc ®é v theo ph­¬ng cña lùc. Ph­¬ng nµy c¾t vu«ng gãc víi ®­êng søc, nªn trong d©y dÉn sÏ xuÊt hiÖn s®® c¶m øng cã trÞ sè lµ: E = Bvl. ChiÒu x¸c ®Þnh theo quy t¾c bµn tay ph¶i. Ta thÊy E cã chiÒu ng­îc víi dßng ®iÖn I (vµ do ®ã ng­îc víi chiÒu s ® ® EF cña nguån) gäi lµ søc ph¶n ®iÖn . Gäi ®iÖn trë cña d©y dÉn lµ ro , ta cã: U - E = I.r0 hay U = E + I.r0 Nh©n hai vÕ víi dßng ®iÖn I ta cã: UI = EI + I2.ro = B.v.l.I + I 2.ro = F.v + I 2.ro Hay: P®iÖn = Pc¬ +  Po Trong ®ã: P®iÖn = UI lµ c«ng suÊt cña nguån cÊp cho ®éng c¬. Pc¬ = F.v lµ c«ng suÊt c¬ cña ®éng c¬.  Po = I 2.ro lµ tæn thÊt trªn ®iÖn trë trong cña ®éng c¬. Nh­ vËy: d©y dÉn mang dßng ®iÖn ®Æt trong tõ tr­êng ®· nhËn c«ng suÊt ®iÖn cña nguån biÕn thµnh c«ng suÊt c¬. §ã lµ nguyªn lý lµm viÖc cña ®éng c¬ ®iÖn. b) HiÖn t­îng tÝch phãng n¨ng l­îng Qu¸ tr×nh n¹p ®iÖn vµ phãng ®iÖn cña tô. * Qu¸ tr×nh n¹p ®iÖn §ãng m¹ch gåm tô ®iÖn C chøa ®iÖn tÝch nèi tiÕp víi ®iÖn trë r vµo nguån ®iÖn ¸p mét chiÒu U. Tô ®iÖn b¾t ®Çu qu¸ tr×nh n¹p ®iÖn. §iÖn tÝch ë 2 cùc t¨ng tõ gi¸ trÞ r D C i U + - Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 6 kh«ng trë lªn. Gi¶ sö trong thêi gian v« cïng nhá dt, ®iÖn tÝch t¨ng ®­îc mét l­îng lµ dq, th× dßng ®iÖn trong m¹ch (dßng ®iÖn n¹p) cã trÞ sè lµ: dt dq i  §iÖn tÝch n¹p vµo tô, nªn ë 2 b¶n cùc cña tô cã trÞ sè ®iÖn ¸p lµ UC = q.C, ë ®©y q lµ ®iÖn tÝch trªn cùc tô t¹i thêi ®iÓm xÐt. Tõ ®ã: q = C.UC Thay vµo biÓu thøc dßng ®iÖn: dt dU Ci C NghÜa lµ: dßng ®iÖn n¹p cña tô ®iÖn tØ lÖ víi tèc ®é biÕn thiªn ®iÖn ¸p trªn tô. U = i.r + UC Thay vµo ta cã: U - UC = r . dt dU C C =  dt dUC Trong ®ã: ( t«) = r.C lµ h»ng sè thêi gian cña m¹ch. T¹i thêi ®iÓm ®Çu t = 0, UC = 0, nªn U - UC = U nªn tèc ®é t¨ng ®iÖn ¸p lµ lín nhÊt. Dßng ®iÖn n¹p cã trÞ sè lín nhÊt. Khi UC ®· t¨ng lªn, hiÖu U - UC gi¶m, nªn tèc ®é t¨ng ®iÖn ¸p UC gi¶m dÇn, dßng ®iÖn n¹p còng gi¶m dÇn. Nh­ vËy: trong qu¸ tr×nh tô ®iÖn n¹p ®iÖn, dßng ®iÖn n¹p gi¶m dÇn tõ cùc ®¹i vÒ kh«ng, cßn ®iÖn ¸p trªn tô t¨ng dÇn tõ kh«ng lªn gi¸ trÞ æn ®Þnh lµ U. §iÖn ¸p trªn ®iÖn trë: Ur = i.r = U - UC Dßng ®iÖn trong m¹ch: r U i r §iÖn ¸p trªn tô kh«ng t¨ng tøc thêi tíi gi¸ trÞ ®iÖn ¸p nguån, mµ ph¶i tr¶i qua mét qu¸ tr×nh qu¸ ®é. VÒ lý thuyÕt qu¸ tr×nh kÐo dµi v« tËn. Trªn thùc tÕ, khi t =5 th× UC = 0,99U, vµ cã thÓ coi qu¸ tr×nh qu¸ ®é ®· kÕt thóc. * Qu¸ tr×nh phãng ®iÖn: Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 7 Tô ®iÖn ®ang n¹p ®Çy, ®iÖn ¸p trªn tô lµ U. KhÐp kÝn m¹ch qua ®iÖn trë r, ®iÖn tÝch trªn c¸c cùc sÏ phãng qua m¹ch, t¹o thµnh dßng ®iÖn phãng i. Gi¶ sö trong thêi gian dt, ®iÖn tÝch trªn cùc tô gi¶m 1 l­îng lµ dq, dßng ®iÖn phãng sÏ lµ: dt dq i  DÊu ©m biÓu thÞ cho ®iÖn tÝch gi¶m trong qu ¸tr×nh phãng. BiÕt q = c.UC , trong ®ã UC lµ ®iÖn ¸p trªn 2 cùc ë thêi ®iÓm xÐt. Tõ ®ã; dt dU Ci C Nh­ vËy: dßng ®iÖn phãng ®iÖn cña tô tû lÖ víi tèc ®é biÕn thiªn ®iÖn ¸p trªn tô, nh­ng tr i¸ dÊu. Ta thÊy dßng ®iÖn phãng ng­îc chiÒu víi dßng ®iÖn n¹p . BiÕt ®iÖn ¸p trªn tô ®iÖn còng lµ ®iÖn ¸p gi¸ng trªn ®iÖn trë: UC = i.r. Ta cã: UC = i.r = - rc dt dUC  dt dUC DÊu ©m thÓ hiÖn lµ ®iÖn ¸p UC gi¶m dÇn trong qu ¸ tr×nh phãng. Nh­ vËy, tèc ®é gi¶m ®iÖn ¸p trªn tô tû lÖ víi ®iÖn ¸p trªn tô. T¹i thêi ®iÓm ®Çu khi míi phãng ®iÖn, ®iÖn ¸p UC cã gi ¸ trÞ lín nhÊt UC = U, nªn ®iÖn ¸p gi¶m nhanh nhÊt, dßng ®iÖn phãng cã gi ¸ trÞ lín nhÊt. Khi ®iÖn ¸p UC gi¶m dÇn, tèc ®é gi¶m sÏ chËm l¹i, trÞ sè dßng ®iÖn phãng còng gi¶m theo. (H×nh vÏ). Khi tô ®iÖn phãng ®iÖn, ®iÖn ¸p trªn tô còng nh­ dßng ®iÖn phãng gi¶m dÇn tõ trÞ sè lín nhÊt vÒ kh«ng. 3. M« h×nh m¹ch Ñeå tieän lôïi khi tính toaùn thieát keá vaø khaûo saùt caùc quaù trình ñieän töø xaûy ra trong maïch ñieän ngöôøi ta söû duïng phöông phaùp moâ hình. Maïch ñieän thöïc teá t  2 3 4 0 20 40 60 80 100% i,UC §å thÞ dßng ®iÖn phãng r D C i U + - + - + - S¬ ®å m¹ch Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 8 vôùi caùc thieát bò ñieän ñöôïc thay theá baèng moâ hình maïch vôùi caùc phaàn töû lyù töôûng ñaëc tröng cho moät quaù trình naøo ñoù. Moâ hình maïch chöùa caùc phaàn töû tích cöïc (active): nguoàn aùp u(t), nguoàn doøng i(t) vaø caùc phaàn töû thuï ñoäng (passive): ñieän trôû R, ñieän caûm L vaø ñieän dung C. Moâ hình maïch laø sô ñoà thay theá töông ñöông caùc phaàn töû maïch baèng caùc phaàn töû moâ hình lyù töôûng e, i, R, L, C sao cho keát caáu hình hoïc vaø caùc quaù trình naêng löôïng xaûy ra trong maïch gioáng nhö ôû maïch ñieän thöïc. Ñeå thieát laäp moâ hình maïch ta phaân tích caùc quaù trình naêng löôïng xaûy ra trong töøng phaàn töû maïch vaø thay theá chuùng baèng caùc phaàn töû töông ñöông. Khi phaân tích caàn chuù yù raèng, tuøy thuoäc vaøo ñieàu kieän laøm vieäc cuûa maïch ñieän, ñaëc bieät laø daûi taàn coâng taùc maø sô ñoà thay theá seõ khaùc nhau. VÝ dô: Ta haõy xeùt moät maïch ñieän thöïc teá goàm moät maùy phaùt cung caáp ñieän cho phuï taûi laø moät boùng ñeøn maéc song song vôùi moät cuoän daây theo sô ñoà (hình Khi chuyeån sang sô ñoà thay theá ñoái vôùi doøng ñieän xoay chieàu, maùy phaùt ñieän ñöôïc thay theá baèng (Ef ,Lf ,Rf). Phuï taûi laø boùng ñeøn thay theá baèng Rz, coøn cuoän daây baèng (L , R), D©y dÉn thay thÕ b»ng( Rd, Ld) (hình b). Tuy nhieân khi chuyeån sang sô ñoà thay theá ñoái vôùi ñieän moät chieàu, do caùc phaàn töû khaùng baèng khoâng neân sô ñoà thay theá coù daïng ñôn giaûn hôn (hình c). Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 9 a. §iÖn trë. Ñieän trôû R ñaëc tröng cho vaät daãn veà maët caûn trôû doøng ñieän. Veà maët naêng löôïng ñieän trôû R ñaëc tröng cho quaù trình tieâu thuï ñieän naêng vaø bieán ñieän naêng thaønh caùc daïng naêng löôïng khaùc nhö nhieät naêng, quang naêng, cô naêng, Hình dáng và ký hiệu : Trong thiết bị điện tử điện trở là một linh kiện quan trọng, chúng được làm từ hợp chất cacbon và kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo ra được các loại điện trở có trị số khác nhau. Hình dạng của điện trở trong thiết bị điện tử. Ký hiệu của điện trở trên các sơ đồ nguyên lý. Quan heä giöõa doøng ñieän vaø ñieän aùp treân ñieän trôû laø: uR = R.i Coâng suaát thoaùt ra treân ñieän trôû: p = R.i2 Trong heä ñôn vò SI ñôn vò ñieän trôû laø oâm (. ) b. §iÖn c¶m L Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 10 Cấu tạo của cuộn cảm. Cuộn cảm gồm một số vòng dây quấn lại thành nhiều vòng, dây quấn được sơn emay cách điện, lõi cuộn dây có thể là không khí, hoặc là vật liệu dẫn từ như Ferrite hay lõi thép kỹ thuật . Cuộn dây lõi không khí Cuộn dây lõi Ferit Ký hiệu cuộn dây trên sơ đồ : L1 là cuộn dây lõi không khí, L2 là cuộn dây lõi ferit, L3 là cuộn dây có lõi chỉnh, L4 là cuộn dây lõi thép kỹ thuật Mét cuén d©y cã dßng ®iÖn ch¹y qua sÏ sinh ra tõ tr­êng. Tõ th«ng göi qua n vßng cña cuén d©y ψ = n.Φ. §iÖn c¶m cña cuén d©y ®­îc ®Þnh nghÜa lµ: Khi doøng ñieän bieán thieân trong cuoän daây xuaát hieän moät söùc ñieän ñoäng töï caûm eL Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 11 Quan heä giöõa doøng ®iÖn vµ ®iÖn aùp treân cuoän caûm: C«ng suÊt trªn cuén d©y: N¨ng l­îng tõ tr­êng tÝch lòy trong cuén d©y Trong hÖ ®¬n vÞ SI: ®¬n vÞ ®iÖn c¶m lµ henry (H) c. §iÖn dung C Cấu tạo của tụ điện . Cấu tạo của tụ điện gồm hai bản cực đặt song song, ở giữa có một lớp cách điện gọi là điện môi. Người ta thường dùng giấy, gốm , mica, giấy tẩm hoá chất làm chất điện môi và tụ điện cũng được phân loại theo tên gọi của các chất điện môi này như Tụ giấy, Tụ gốm, Tụ hoá. Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 12 Cấu tạo tụ gốm Cấu tạo tụ hoá Hình dáng thực tế của tụ điện. Hình dạng của tụ gốm. Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 13 Hình dạng của tụ hoá Khi nèi hai ®Çu cña mét tô ®iÖn cã ®iÖn dung C vµo nguån ®iÖn ¸p u, tô ®iÖn sÏ ®­îc tÝch ®iÖn. §é lín cña ®iÖn tÝch q : q = Cu Quan hÖ gi÷a dßng ®iÖn vµ ®iÖn ¸p trªn tô ®iÖn lµ: N¨ng l­îng tÝch lòy trªn tô ®iÖn: Trong hÖ ®¬n vÞ SI: ®¬n vÞ ®iÖn dung lµ Fara (F) d. PhÇn tö nguån * Nguån ®iÖn ¸p Nguoàn aùp u(t) hay maùy phaùt ñieän aùp coøn ñöôïc goïi laø nguoàn söùc ñieän ñoäng e(t) ñaëc tröng cho khaû naêng taïo neân vaø duy trì moät ñieän aùp khoâng ñoåi treân hai cöïc cuûa nguoàn. Ñaëc tính quan troïng cuûa nguoàn aùp laø coù ñieän trôû noäi r = 0, hieäu ñieän theá treân hai cöïc cuûa nguoàn laø khoâng ñoåi vaø khoâng phuï thuoäc vaøo giaù trò cuûa phuï taûi. Kyù hieäu quy öôùc cuûa nguoàn aùp nhö hình a. Ta coù giaù trò cuûa nguoàn aùp: u(t) = - e(t) * Nguån dßng ®iÖn i(t). Nguoàn doøng ñieän i(t) hay maùy phaùt doøng ñaëc tröng cho khaû naêng taïo neân Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 14 vaø duy trì moät doøng ñieän khoâng ñoåi trong maïch. Ñaëc tính quan troïng cuûa nguoàn doøng laø coù noäi trôû r = vaø giaù trò cuûa doøng ñieän trong maïch khoâng phuï thuoäc vaøo phuï taûi. Kyù hieäu quy öôùc cuûa nguoàn doøng chæ ra treân hình b. Trong thöïc teá, caùc boä nguoàn ñeàu coù moät ñieän trôû noäi höõu haïn naøo ñoù. Do vaäy, khi thay theá trong moâ hình maïch chuùng ñöôïc bieåu dieãn ôû daïng moät nguoàn söùc ñieän ñoäng e(t) maéc noái tieáp vôùi moät moät ñieän trôû r (hình c), hoaëc ôû daïng moät nguoàn doøng ñieän i (t) maéc song song vôùi moät ñieän trôû r (hình d). Bµi 1.2. c¸c kh¸i niÖm c¬ b¶n trong m¹ch ®iÖn 1. Dßng ®iÖn vµ chiÒu qui ­íc cña dßng ®iÖn. Dßng ®iÖn : §Æt vËt dÉn trong ®iÖn tr­êng, d­íi t¸c dông cña lùc ®iÖn tr­êng, c¸c ®iÖn tÝch d­¬ng sÏ di chuyÓn tõ n¬i cã ®iÖn thÕ cao ®Õn n¬i cã ®iÖn thÕ thÊp h¬n, cßn c¸c ®iÖn tÝch ©m di chuyÓn ng­îc l¹i, tõ n¬i cã ®iÖn thÕ thÊp ®Õn n¬i cã ®iÖn thÕ cao h¬n, t¹o thµnh dßng ®iÖn. VËy: Dßng ®iÖn lµ dßng c¸c ®iÖn tÝch chuyÓn dêi cã h­íng d­íi t¸c dông cña lùc ®iÖn tr­êng ChiÒu dßng ®iÖn : Ng­êi ta quy ­íc chiÒu dßng ®iÖn lµ chiÒu di chuyÓn cña c¸c ®iÖn tÝch d­¬ng, tøc lµ h­íng tõ n¬i cã ®iÖn thÕ cao ®Õn n¬i cã ®iÖn thÕ thÊp h¬n. §ã còng lµ chiÒu cña ®iÖn tr­êng. Nh­ vËy trong vËt dÉn, dßng ®iÖn sÏ ®i tõ n¬i cã ®iÖn thÕ cao ®Õn n¬i cã ®iÖn thÕ thÊp. Ng­îc l¹i, trong nguån ®iÖn, dßng ®iÖn ®i tõ cùc cã ®iÖn thÕ thÊp ®Õn cùc cã ®iÖn thÕ cao h¬n. Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 15 2. C­êng ®é dßng ®iÖn §Ó x¸c ®Þnh ®é lín cña dßng ®iÖn, ng­êi ta dïng ®¹i l­îng gäi lµ c­êng ®é dßng ®iÖn, ®­îc ®Þnh nghÜa nh­ sau: §Þnh nghÜa: C­êng ®é dßng ®iÖn lµ l­îng ®iÖn tÝch qua tiÕt diÖn cña d©y dÉn trong mét ®¬n vÞ thêi gian (tÝnh b»ng gi©y). NÕu trong thêi gian t, l­îng ®iÖn tÝch qua tiÕt diÖn d©y dÉn q, th× c­êng ®é dßng ®iÖn x¸c ®Þnh b»ng biÓu thøc: t q i  ë ®©y q lµ ®iÖn tÝch qua tiÕt diÖn d©y dÉn trong thêi gian t. NÕu ®iÖn tÝch di chuyÓn qua d©y dÉn kh«ng ®Òu theo thêi gian sÏ t¹o ra dßng ®iÖn cã c­êng ®é thay ®æi( ký hiÖu lµ i ). Gi¶ sö trong thêi gian rÊt nhá dt, cã l­îng ®iÖn tÝch dq qua tiÕt diÖn d©y th× c­êng ®é dßng ®iÖn sÏ lµ: dt dq i  Trong hÖ ®o l­êng SI ®¬n vÞ ®iÖn tÝch lµ Cu l«ng, thêi gian lµ gi©y, th× ®¬n vÞ dßng ®iÖn lµ Am pe ( kÝ hiÖu lµ A ) Béi sè cña Am pe lµ ki l« ampe (kA), ­íc sè lµ mili ampe (mA), vµ micro ampe (A) 1 kA = 1000 A; 1 mA = 0,001 A; 1A = 0,000 001 A VÝ dô: Tô ®iÖn tÝch ®iÖn ®Õn trÞ sè q = 5. 10- 6 C, råi phãng trong thêi gian 0.001 s. TÝnh c­êng ®é dßng ®iÖn trung b×nh trong thêi gian phãng. Gi¶i: ¸p dông c«ng thøc: A t q i 3 3 6 10.5 10 10.5     3. MËt ®é dßng ®iÖn C­êng ®é dßng ®iÖn qua mét ®¬n vÞ diÖn tÝch tiÕt diÖn ®­îc gäi lµ mËt ®é dßng ®iÖn, kÝ hiÖu lµ  ( ®en ta) s i  S lµ diÖn tÝch tiÕt diÖn d©y. §¬n vÞ mËt ®é dßng ®iÖn trong hÖ SI lµ: A/mm2 hoÆc A/cm2 C­êng ®é dßng ®iÖn däc theo mét ®o¹n d©y dÉn lµ nh­ nhau ë mäi tiÕt diÖn nªn Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 16 chç nµo tiÕt diÖn nhá th× mËt ®é dßng ®iÖn sÏ lín, vµ ng­îc l¹i. Bµi 1.3: C¸c ®Þnh luËt vµ biÓu thøc c¬ b¶n trong m¹ch mét chiÒu 1. §Þnh luËt ¤m. a) ®Þnh luËt ¤m cho mét ®o¹n m¹ch. NÕu 2 ®Çu vËt dÉn cã mét hiÖu ®iÖn thÕ th× cã dßng ®iÖn ch¹y qua vËt dÉn. C­êng ®é dßng ®iÖn I trong vËt dÉn phô thuéc vµo hiÖu ®iÖn thÕ U ë hai ®Çu cña nã. §èi víi mçi vËt dÉn, ng­êi ta ph¸t hiÖn thÊy cã mét sù phô thuéc hµm sè x¸c ®Þnh( gäi lµ ®Æc tr­ng v«n- am pe) Gi÷a I vµ U . Giooc ¤m , ng­êi §øc lµ ng­êi ®Çu tiªn thiÕt lËp ®­îc b»ng thùc nghiÖm mèi liªn hÖ gi÷a I vµ U ®èi víi vËt dÉn ®ång chÊt b»ng kim lo¹i, cã d¹ng ®¬n gi¶n I = kU Trong ®ã k lµ hÖ sè tØ lÖ vµ lµ mét ®¹i l­îng kh«ng ®æi ®èi víi ®o¹n m¹ch chøa vËt dÉn ®· cho ( k ®­îc gäi lµ ®é dÉn ®iÖn ) Lµm thÝ nghiÖm víi dung dÞch ®iÖn ph©n ( víi cùc d­¬ng tan ) ta còng thu ®­îc kÕt qu¶ t­¬ng tù . §ã lµ ®Þnh luËt ¤m cho mét ®o¹n m¹ch ph¸t biÓu nh­ sau: C­êng ®é dßng ®iÖn trong mét ®o¹n m¹ch tØ lÖ thuËn víi hiÖu ®iÖn thÕ gi÷a hai ®Çu ®o¹n m¹ch ®ã §¹i l­îng nghÞch ®¶o cña k ®Æc tr­ng cho vËt dÉn vÒ tÝnh c¶n trë dßng ®iÖn ®­îc gäi lµ ®iÖn trë R cña vËt dÉn. k R 1  Do ®ã c«ng thøc cña ®Þnh luËt ¤m ®­îc viÕt nh­ sau R U I  VËy: C­êng ®é dßng ®iÖn trong mét ®o¹n m¹ch tØ lÖ thuËn víi ®iÖn ¸p U vµ tØ lÖ nghÞch víi ®iÖn trë cña ®o¹n m¹ch. 0 U I = k.U I Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 17 * §iÖn trë, ®¬n vÞ ®iÖn trë. Dßng ®iÖn tö di chuyÓn trong vËt dÉn sÏ va ch¹m víi c¸c nót m¹ng tinh thÓ mÊt bít ®éng n¨ng do diÖn tr­êng cung cÊp, vµ do ®ã sÏ gi¶m tèc ®é di chuyÓn, kÕt qu¶ lµ dßng ®iÖn sÏ nhá. Nh­ vËy dßng ®iÖn sÏ gÆp mét søc c¶n trë, gäi lµ ®iÖn trë cña vËt dÉn. Víi cïng mét c­êng ®é ®iÖn tr­êng nÕu ®iÖn trë vËt d·n cµng lín th× dßng ®iÖn cµng nhá. Tøc dßng ®iÖn tØ lÖ nghÞch víi ®iÖn trë vËt dÉn. R = I U §iÖn trë vËt dÉn ®Æc tr­ng cho tÝnh chÊt ®iÖn cña nã. V× vËy th«ng th­êng ®¸ng lÏ nãi “ vËt dÉn cã ®iÖn trë R” ta cã thÓ nãi gän “ ®iÖn trë R”. Trong c¸c m¹ch ®iÖn ng­êi ta còng hay dïng c¸c biÕn trë, lµ nh÷ng dông cô cã ®iÖn trë thay ®æi ®­îc. Trong c«ng thøc trªn nÕu U = 1V, I = 1 A th× R b»ng mét ®¬n vÞ ®iÖn trë. Trong hÖ SI, ®¬n vÞ ®iÖn trë lµ ¤m kÝ hiÖu lµ  1 «m () = )(1 )(1 Aampe Vvon Kil««m (K) = 1000  Mªga«m (M) = 1.000.000  Mili«m ( m) = 10-3  = 000.1 1  Micr««m ( ) = 10-6  = 000.000.1 1  Bµi tËp vÝ dô 1 Mét bãng ®Ìn cã ®iÖn trë 20  ®Æt vµo ®iÖn ¸p U = 6 V, tÝnh dßng ®iÖn qua bãng ®Ìn. Gi¶i: Dßng ®iÖn qua bãng ®Ìn. I = R U = 20 6 = 0,3 A. Bµi tËp vÝ dô 2 §Ó x¸c ®Þnh ®iÖn trë cña cuén d©y, ng­êi ta ®Æt nã vµo ®iÖn ¸p 120 V, thÊy dßng ®iÖn qua lµ 2,5 A. tÝnh ®iÖn trë. Gi¶i: §iÖn trë cuén d©y: R = )(48 5,2 120  I U Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 18 b) §Þnh luËt ¤m cho toµn m¹ch. Gi¶ sö cã m¹ch ®iÖn víi nguån ®iÖn cã søc ®iÖn ®éng E, néi trë ro Cung cÊp cho phô t¶i R qua ®­êng d©y cã ®iÖn trë rd , dßng diÖn trong m¹ch lµ I, ¸p dông ®Þnh luËt ¤m cho tõng ®o¹n m¹ch ta cã : - §iÖn ¸p ®Æt trªn t¶i: U= I. R - Sôt ¸p trªn ®­êng d©y : Ud = I. rd - Sôt ¸p trªn ®iÖn trë trong cña nguån : U0 = I. ro . Muèn duy tr× dßng ®iÖn I th× s®® cña nguån ph¶i c©n b»ng víi c¸c sôt ¸p trong m¹ch. E= U + Ud + U0 = I ( R + rd + r0 ) = I.R Trong ®ã: R = R + rd + r0 VËy: Dßng ®iÖn trong m¹ch tØ lÖ thuËn víi s®® cña nguån vµ tØ lÖ nghÞch víi ®iÖn trë toµn m¹ch.   R E I Bµi tËp vÝ dô: Cho m¹ch ®iÖn nh­ h×nh vÏ trªn, víi E=231 V, r0 =0,1 , rd = 1 , R = 2, H·y x¸c ®Þnh dßng ®iÖn trong m¹ch, ®iÖn ¸p ®Æt vµo phô t¶i, sôt ¸p trªn ®­êng d©y, sôt ¸p trong nguån. Bµi gi¶i : Dßng ®iÖn trong m¹ch: 0rrR E I d   )(10 1,0122 231 A   E U0 rd C R I ro U A B D Ud Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 19 §iÖn ¸p ®Æt vµo t¶i U= I . R = 10 . 22 = 220 V Sôt ¸p trªn ®­êng d©y Ud = I . rd = 10.1 = 10 V Sôt ¸p trong nguån U0 = I . r0 = 10 . 0,1 = 1 V 2. C«ng suÊt vµ ®iÖn n¨ng trong m¹ch mét chiÒu a) C«ng cña dßng ®iÖn. Trong m¹ch ®iÖn kÝn bao giê còng cã 2 qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ n¨ng l­îng kh¸c nhau: t¹i nguån ®iÖn c¸c d¹ng n¨ng l­îng kh¸c nh­ ho¸, c¬, nhiÖt, quang, ®­îc biÕn ®æi thµnh ®iÖn n¨ng, cßn ë ngoµi nguån ®iÖn, ®iÖn n¨ng l¹i ®­îc biÕn ®æi thµnh c¸c d¹ng n¨ng l­îng kh¸c nh­ nhiÖt, c¬, ho¸, quang, Sè ®o n¨ng l­îng chuyÓn ho¸ Êy biÓu thÞ c«ng cña dßng ®iÖn . C«ng cña dßng ®iÖn lµ c«ng cña lùc ®iÖn chuyÓn dÞch c¸c ®iÖn tÝch trong m¹ch ®iÖn. Gi¶ sö trªn mét ®o¹n m¹ch cã ®iÖn ¸p U, dßng ®iÖn lµ I, trong thêi gian t, l­îng ®iÖn tÝch chuyÓn qua m¹ch ®iÖn lµ : q = I.t Tõ ®Þnh nghÜa vÒ ®iÖn ¸p ta cã : A = q . U =U.I.t Trong hÖ ®o l­êng SI th× c«ng A tÝnh ra jun ( J ) VËy : C«ng cña dßng ®iÖn s¶n ra trªn 1 ®o¹n m¹ch tØ lÖ víi ®iÖn ¸p hai ®Çu ®o¹n m¹ch, víi dßng ®iÖn qua m¹ch vµ thêi gian duy tr× dßng ®iÖn b) C«ng suÊt cña dßng ®iÖn C«ng suÊt lµ c«ng trong mét ®¬n vÞ thêi gian . kÝ hiÖu lµ P t A P  IU t tIU . ..  Trong ®ã: §iÖn ¸p U tÝnh b»ng (V), Dßng ®iÖn I tÝnh b»ng (A) §¬n vÞ c«ng suÊt tÝnh b»ng o¸t, kÝ hiÖu lµ W Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 20 1kW = 1000 W 1MW = 1.000.000 W Tõ c«ng thøc trªn ta cã c«ng thøc tÝnh c«ng theo c«ng suÊt A = P.t Trong ngµnh ®iÖn ta th­êng dïng ®¬n vÞ lµ o¸t- giê ( Wh ), hay kil«o¸t- giê ( kWh ) O¸t giê lµ c«ng cña dßng ®iÖn s¶n ra trªn mét ®o¹n m¹ch cã c«ng suÊt lµ 1 o¸t trong thêi gian lµ 1 giê Quan hÖ gi÷a c¸c ®¬n vÞ c«ng nh­ sau: 1Wh = 1W . 3600s = 3600 Ws = 3600 J c) Quan hÖ gi÷a c«ng, c«ng suÊt, vµ ®iÖn trë trong mét ®o¹n m¹ch XÐt mét ®o¹n m¹ch, cã ®iÖn trë r ®iÖn ¸p U vµ dßng ®iÖn I, ba ®¹i l­îng nµy quan hÖ víi nhau b»ng ®Þnh luËt ¤m. C«ng suÊt cña dßng ®iÖn trªn ®o¹n m¹ch lµ:  r U UIUP .. rI r U .2 2  Ta cã biÓu thøc tÝnh ®iÖn n¨ng. A = P.t = I2.r.t = r U2 . t Bµi tËp vÝ dô1: Mét bãng ®Ìn cã ®iÖn ¸p ®Þnh møc 220 V, c«ng suÊt ®Þnh møc 100 W a, TÝnh ®iÖn trë bãng ®Ìn ( ë tr¹ng th¸i lµm viÖc). b, NÕu bãng ®ã ®Æt vµo ®iÖn ¸p U =110 V th× c«ng suÊt tiªu thô lµ bao nhiªu( gi¶ thiÕt ®iÖn trë bãng lµ kh«ng ®æi ) Bµi gi¶i: a, §iÖn trë cña ®Ìn ë tr¹ng th¸i lµm viÖc.  dm dm P R U 2 484 100 220 2   b, Khi ®Æt vµo ®iÖn ¸p U = 110 V ta cã Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 21 )(25 484 1102 WP  d) C«ng suÊt cña nguån ®iÖn - C«ng cña nguån ®iÖn lµ sè ®o n¨ng l­îng chuyÓn ho¸ c¸c d¹ng n¨ng l­îng kh¸c thµnh ®iÖn. kÝ hiÖu lµ: Ang Ang = E.q = E.I.t C«ng suÊt cña nguån : IE t A P ngt . Cã Pt = P + Pd + P0 = P P: lµ c«ng suÊt tiªu thô trªn t¶i Pd: lµ c«ng suÊt tæn hao trªn ®­êng d©y P0: lµ c«ng suÊt tæn thÊt trong nguån. NghÜa lµ: trong m¹ch ®iÖn c«ng suÊt cña nguån ph¸t ra b»ng tæng c«ng suÊt cña dßng ®iÖn (c«ng suÊt tiªu thô ) trªn toµn m¹ch. Bµi tËp vÝ dô 2: Mét bé pin cã s®® E = 6 V, cung cÊp cho bãng ®Ìn ®iÖn trë 10. Dßng ®iÖn qua m¹ch lµ 0,4 A. TÝnh c«ng suÊt tiªu thô trªn ®iÖn trë trong cña bé pin, vµ trÞ sè ®iÖn trë ®ã. §iÖn trë d©y nèi kh«ng ®¸ng kÓ. Bµi gi¶i: C«ng suÊt ph¸t cña nguån: Pf = E.I = 6.0,4 = 2,4 W. C«ng suÊt tiªu thô cña bãng ®Ìn. P = I2.r = 0,42. 10 = 1,6 W. C«ng suÊt tiªu thô trªn ®iÖn trë trong P0 = Pf – P = 2,4 – 1,6 = 0,8 W. BiÕt P0 = I 2 .r0 , tõ ®ã ®iÖn trë trong lµ: )(5 4,0 8,0 220  I P r Bµi tËp vÝ dô 3: Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 22 BÕp ®iÖn m¾c vµo ®iÖn ¸p 120 V cã dßng ®iÖn 3A qua trong 20 phót. X¸c ®Þnh c«ng suÊt, ®iÖn n¨ng. §¸p sè: P = 360 W, A = 120 Wh Bµi tËp vÝ dô 4: BÕp ®iÖn m¾c vµo ®iÖn ¸p 120 V, cã dßng ®iÖn 3 A qua trong thêi gian 20 phót. X¸c ®Þnh c«ng suÊt, ®iÖn n¨ng vµ nhiÖt l­îng. §¸p sè P = 360 W. A = 120 Wh, Q = 104 kCal. 3. §Þnh luËt Jun-Lenx¬ a) Sù ph¸t nhiÖt cña dßng ®iÖn , ®Þnh luËt Jun - Lenx¬ Dßng ®iÖn tÝch chuyÓn ®éng trong vËt dÉn lµm va ch¹m víi c¸c ph©n tö vËt dÉn, truyÒn bít n¨ng l­îng cho c¸c ph©n tö, lµm t¨ng møc chuyÓn ®éng nhiÖt trong vËt dÉn. Nh­ vËy, dßng ®iÖn qua vËt dÉn sÏ lµm nãng vËt dÉn, tøc ®iÖn n¨ng ®· chuyÓn ho¸ thµnh nhiÖt. Gäi ®iÖn trë vËt dÉn lµ r, th× c«ng cña dßng ®iÖn qua vËt dÉn trong thêi gian t lµ: A= I2.r.t (J). biÕt 1 J = 0,24 calo, nªn nhiÖt l­îng do c«ng A chuyÓn ho¸ lµ: Q = 0,24 A = 0.24 I2.r.t ( calo) HoÆc Q = 0,24 t r U2 (calo) §Þnh luËt nµy do 2 nhµ b¸c häc lµ Jun (ng­êi Anh) vµ Len x¬ (ng­êi Nga) t×m ra b»ng thùc nghiÖm, nªn gäi lµ ®Þnh luËt Jun- Len x¬. §Þnh luËt: NhiÖt l­îng do dßng ®iÖn to¶ ra trªn ®iÖn trë tØ lÖ víi b×nh ph­¬ng c­êng ®é dßng ®iÖn, víi trÞ sè ®iÖn trë vµ thêi gian dßng ®iÖn ch¹y qua. øng dông : T¸c dông nhiÖt cña dßng ®iÖn ®­îc øng dông rÊt réng r·i ®Ó lµm c¸c dông cô ®èt nãng b»ng dßng ®iÖn, nh­ ®Ìn ®iÖn cã sîi nung, bÕp ®iÖn, bµn lµ ®iÖn, lß sÊy, má hµn ®iÖn. Nguyªn t¾c c¬ b¶n cña c¸c dông cô nµy lµ dïng mét phÇn tö ®èt nãng ®Ó cho dßng ®iÖn ch¹y qua. NhiÖt to¶ ra ë phÇn tö ®èt nãng sÏ ra nhiÖt cho c¸c bé phËn chÝnh cña dông cô, hoÆc sÏ ph¸t s¸ng (®Ìn ®iÖn ). b) Sù ®èt nãng d©y dÉn NhiÖt ®é lµm viÖc cña d©y dÉn phô thuéc vµo c¸c yÕu tè sau: - TrÞ sè dßng ®iÖn qua d©y dÉn, v× nhiÖt l­îng tØ lÖ víi b×nh ph­¬ng dßng ®iÖn - §iÖn trë cña d©y dÉn. Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 23 - §­êng kÝnh d©y dÉn. NÕu ®­êng kÝnh d©y dÉn cµng lín th× nhiÖt l­îng to¶ ra m«i tr­êng cµng dÔ vµ nhiÖt ®é lµm viÖc cµng thÊp. - NhiÖt ®é cña m«i tr­êng, nÕu m«i tr­êng cµng l¹nh th× nhiÖt ®é lµm viÖc cµng thÊp NÕu nhiÖt ®é lµm viÖc cao qu¸ th× thiÕt bÞ sÏ nãng qu¸ møc, c¸ch ®iÖn dÔ bÞ háng, bÞ ch¸y, c¬ tÝnh cña d©y bÞ yÕu ®i, thËm chÝ d©y cã thÓ bÞ ch¶y ®øt. Do ®ã mçi lo¹i thiÕt bÞ ®iÖn ®Òu cã quy ®Þnh mét nhiÖt ®é lµm viÖc giíi h¹n, gäi lµ nhiÖt ®é cho phÐp . Dßng ®iÖn t­¬ng øng víi nhiÖt ®é cho phÐp gäi lµ dßng ®iÖn cho phÐp . Khi lµm viÖc b×nh th­êng kh«ng ®­îc ®Ó dßng ®iÖn lµm viÖc v­ît qu¸ dßng ®iÖn cho phÐp. ILV  ICP Trong ®ã: ILV lµ dßng ®iÖn lµm viÖc ICP lµ dßng ®iÖn cho phÐp ®èi víi thiÕt bÞ ®iÖn dßng ®iÖn cho phÐp còng lµ dßng ®iÖn ®Þnh møc c) HiÖn t­îng ng¾n m¹ch, cÇu ch× Ng¾n m¹ch lµ hiÖn t­îng nèi t¾t 2 ®iÓm cña m¹ch cã ®iÖn thÕ kh¸c nhau b»ng mét d©y dÉn cã ®iÖn trë kh«ng ®¸ng kÓ . Khi ®ã dßng ®iÖn qua ®iÓm ng¾n m¹ch sÏ rÊt lín, lµm nãng qu¸ møc d©y dÉn, v­ît qu¸ nhiÖt ®é cho phÐp , dÉn ®Õn ch¸y háng d©y dÉn vµ thiÕt bÞ - Khi ch­a x¶y ra ng¾n m¹ch th× dßng ®iÖn trong m¹ch lµ: RR E I   0 - Khi ng¾n m¹ch hai ®iÓm AB, dßng ®iÖn trong m¹ch lµ IN = 0R E Th­êng th× R  R0 nªn IN  I. §Ó tr¸nh khi cã dßng ®iÖn v­ît qu¸ dßng ®iÖn cho phÐp nh­ khi ng¾n m¹ch, dÔ lµm ch¸y d©y dÉn, háng thiÕt bÞ, ng­êi ta ph¶i dïng c¸c thiÕt bÞ b¶o vÖ ThiÕt A R B cc ro E IN I Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 24 bÞ b¶o vÖ ®¬n gi¶n nhÊt vµ phæ biÕn nhÊt lµ cÇu ch×, ®Æt nèi tiÕp trong m¹ch ®iÖn cÇn b¶o vÖ. Bé phËn chÝnh cña cÇu ch× lµ d©y ch¶y, lµm b»ng c¸c chÊt dÔ ch¶y ®øt nh­ Ch×, KÏm, Nh«m, §ång. Khi dßng ®iÖn qua m¹ch t¨ng cao, nhiÖt l­îng to¶ ra ë d©y ch¶y ®ñ lµm ch¶y ®øt nã, lµm m¹ch ®iÖn bÞ ng¾t. Bµi tËp vÝ dô: ¸c qui cã s®® 2,2 V, néi trë 0,05 , cung cÊp cho phô t¶i cã r =0,95 , tÝnh dßng ®iÖn qua t¶i vµ dßng ®iÖn ng¾n m¹ch. ( §¸p sè I = 2,2 A, IN = 44 A ) 4. c¸c ®Þnh luËt kirchooff a. c¸c yÕu tè kÕt cÊu cña m¹ch ®iÖn. C¸c yÕu tè kÕt cÊu cña m¹ch ®iÖn ®ã lµ nót vµ nh¸nh. - Nh¸nh lµ phÇn ®o¹n m¹ch chØ cã mét dßng ®iÖn duy nhÊt ch¹y qua. - Nót lµ ®iÓm gÆp nhau cña Ýt nhÊt 3 nh¸nh trë lªn. M¹ch kh«ng cã ®iÓm nót gäi lµ m¹ch kh«ng ph©n nh¸nh. M¹ch kh«ng ph©n nh¸nh chØ t¹o thµnh 1 nh¸nh duy nhÊt, tøc lµ chØ t¹o thµnh 1 dßng ®iÖn duy nhÊt ch¹y qua tÊt c¶ c¸c phÇn tö cña nã. Ng­îc l¹i m¹ch cã ®iÓm nót gäi lµ m¹ch ®iÖn ph©n nh¸nh. Trªn h×nh vÏ, c¸c ®iÓm A, B, C, D lµ c¸c ®iÓm nót. Thùc ra, bèn ®iÓm G, D, C, F chØ lµ mét ®iÓm nót duy nhÊt, v× chóng cã cïng mét ®iÖn thÕ. Còng v©y, c¸c ®iÓm H, A lµ mét, c¸c ®iÓm B, E lµ mét. Nªn m¹ch ®iÖn nµy cã 3 ®iÓm nót lµ A, B, C (hoÆc A, B, D). Tîp hîp tÊt c¶ c¸c nh¸nh t¹o thµnh mét vßng kÝn , gäi lµ mét m¹ch vßng. Ch¼ng h¹n m¹ch vßng AHGD, ABCD, HEFG... C¸c m¹ch vßng kh«ng chøa nh¸nh bªn trong gäi lµ m¾t l­íi hay m¾t. VÝ dô : m¾t BEFC, ABCD. rd r r0 E - + I H A B E D G C F E1 E2 r1 r3 r4 r5 r2 M¹ch ®iÖn ph©n nh¸nh M¹ch ®iÖn kh«ng ph©n nh¸nh Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 25 b. C¸c ®Þnh luËt Kirchooff. §Þnh luËt Kirchooff 1. Ta xÐt mét nót cña m¹ch ®iÖn. Cã 1 sè dßng ®iÖn ®i tíi nót vµ 1 sè dßng ®iÖn rêi khái nót. Trong 1 gi©y, ®iÖn tÝch di chuyÓn ®Õn nót ph¶i b»ng ®iÖn tÝch rêi khái nót. Thùc vËy, nÕu gi¶ thiÕt nµy kh«ng tháa m·n th× ®iÖn tÝch t¹i nót A sÏ thay ®æi,(t¨ng hoÆc gi¶m), lµm ®iÖn thÕ ë A thay ®æi, ph¸ vì tr¹ng th¸i c©n b»ng cña m¹ch. V× thÕ tæng sè häc c¸c dßng ®iÖn ®Õn nót ph¶i b»ng tæng sè häc c¸c dßng ®iÖn rêi khái nót. §ã lµ néi dung cña ®Þnh luËt Kirchooff 1 §èi víi nót A cã : I1 + I3 + I5 = I2 + I4 NÕu ta quy ®Þnh dßng ®iÖn h­íng tíi nót lµ d­¬ng, dßng ®iÖn rßi khái nót lµ ©m th× ta cã: I1 + I3 + I5 - I2 - I4 = 0. Tæng qu¸t ta cã ®Þnh luËt Kirchooff 1 ph¸t biÓu nh­ sau. §Þnh luËt: Tæng ®¹i sè c¸c dßng ®iÖn ®i ®Õn 1 ®iÓm nót b»ng 0  I = 0 §Þnh luËt Kirchooff 2. Trong mçi m¹ch vßng cña m¹ch ®iÖn, nÕu ta xuÊt ph¸t tõ mét ®iÓm, ®i qua tÊt c¶ c¸c phÇn tö cña vßng ( gåm c¸c s ® ® vµ c¸c sôt ¸p trªn tõng ®o¹n m¹ch ) råi trë l¹i ®iÓm xuÊt ph¸t th× ta l¹i cã ®iÖn thÕ ban ®Çu. Nh­ vËy, ta cã nhËn xÐt lµ tæng c¸c s ® ® trong m¹ch vßng sÏ c©n b»ng víi sôt ¸p trªn tõng ®o¹n m¹ch. §ã lµ c¬ së cña ®Þnh luËt Kirchooff 2. §Þnh luËt: §i theo mét vßng bÊt kú , tæng ®¹i sè c¸c s ® ® b»ng tæng ®¹i sè c¸c sôt ¸p trªn c¸c phÇn tö cña vßng. I1 I5 I4 I3 I2 A Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 26  E =  I R §Ó viÕt ®­îc ph­¬ng tr×nh Kirchooff 2. ta ph¶i chän chiÒu d­¬ng cho vßng (thuËn hay ng­îc chiÒu kim ®ång hå, tïy theo sù thuËn tiÖn ®èi víi tõng m¹ch vßng) Nh÷ng s ® ® vµ ®iÖn ¸p nµo cïng chiÒu quy ­íc sÏ mang dÊu d­¬ng (+), ng­îc chiÒu quy ­íc sÏ mang dÊu ©m ( - ). Ch­¬ng 2. M¹ch ®iÖn mét chiÒu Bµi 2.1: c¸c ph­¬ng ph¸p gi¶i m¹ch mét chiÒu I. Ph­¬ng ph¸p biÕn ®æi ®iÖn trë. Ph­¬ng ph¸p biÕn ®æi ®iÖn trë chñ yÕu ®Ó gi¶i m¹ch ®iÖn cã mét nguån. Néi dung c¬ b¶n lµ dïng c¸c biÕn ®æi t­¬ng ®­¬ng, ®­a m¹ch ®iÖn ph©n nh¸nh vÒ m¹ch ®iÖn kh«ng ph©n nh¸nh vµ do ®ã cã thÓ tÝnh to¸n dßng ¸p b»ng ®Þnh luËt ¤m. Ngoµi ra, nã cßn dïng phèi hîp víi c¸c ph­¬ng ph¸p kh¸c ®Ó ®¬n gi¶n hãa s¬ ®å, lµm cho viÖc gi¶i m¹ch ®iÖn ®­îc ®¬n gi¶n h¬n. 1. §Êu nèi tiÕp ®iÖn trë §Êu nèi tiÕp ®iÖn trë ( phô t¶i) lµ c¸ch ®Êu sao cho chØ cã mét dßng ®iÖn duy nhÊt ch¹y qua tÊt c¶ c¸c phÇn tö. §iÖn ¸p ®Æt vµo tõng ®iÖn trë U1 = I.R1 U2 = I.R2 U3 = I.R3 Cã U = U1 + U2 + U3 Tøc lµ ®iÖn ¸p nguån b»ng tæng ®iÖn ¸p r¬i trªn c¸c ®iÖn trë. U = I ( R1 + R2 + R3 ) U U1 U2 U3 R1 R2 R3 I Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 27 I = 321 RRR U  §Æt: R = R1 + R2 + R3 R gäi lµ ®iÖn trë toµn m¹ch. VËy khi ®Êu nèi tiÕp ®iÖn trë t­¬ng ®­¬ng toµn m¹ch b»ng tæng c¸c ®iÖn trë ®Êu nèi tiÕp. C«ng suÊt tiªu thô trªn tõng ®iÖn trë : P1 = I 2.R1 ; P2 = I 2.R2 ; P3 = I 2.R3 C«ng suÊt toµn m¹ch: P P = P1 + P2 + P3 Bµi tËp vÝ dô : Hai bãng ®Ìn: 120 V- 60 W vµ 120 V- 100W, ®Êu nèi tiÕp ®Æt vµo ®iÖn ¸p 220 V . TÝnh dßng ®iÖn , ®iÖn ¸p ®Æt vµo tõng bãng, c«ng suÊt tõng bãng tiªu thô. Cã nhËn xÐt g×. Bµi gi¶i. §iÖn trë cña mçi bãng ®Ìn: R1 = 24060 1202 1 1 2  dmP dmU  R2 = 144 100 1202 2 2 2  dmP dmU  Dßng ®iÖn qua m¹ch I = 573,0 384 220 21  RR U A §iÖn ¸p ®Æt vµo tõng bãng ®Ìn U1 = I. R1 = 0,573 . 240 = 137,5 V U2 = I. R2 = 0,573 . 144 = 82,5 V C«ng suÊt mçi bãng tiªu thô. P1 = U1 . I = 137,5 . 0,573 = 78,8 W P2 = U2 . I = 82,5 . 0,573 = 47,2 W Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 28 NhËn xÐt: Khi ®Êu nèi tiÕp hai bãng ®Ìn cïng ®iÖn ¸p ®Þnh møc, bãng nµo cã c«ng suÊt ®Þnh møc nhá h¬n sÏ s¸ng h¬n. Bãng 1 bÞ qu¸ t¶i nªn dÔ ch¸y, bãng 2 chØ s¸ng mê, do ®ã khi ®Êu nèi tiÕp nªn chän lo¹i cïng ®iÖn ¸p vµ cïng c«ng suÊt. Bµi tËp: §Ó bãng ®Ìn lo¹i 120 V - 60 W s¸ng b×nh th­êng ë m¹ng ®iÖn cã hiÖu ®iÖn thÕ lµ 220 V ng­êi ta m¾c nèi tiÕp víi nã mét ®iÖn trë phô R. T×m ®iÖn trë phô ®ã. Gi¶i: Ta cã: U®m = 120 V, P®m = 60 W R® = 24060 1202 1 1 2  dmP dmU 2. §Êu song song ®iÖn trë §Êu song song ®iÖn trë lµ c¸ch ®Êu sao cho tÊt c¶ c¸c ®iÖn trë ®Òu ®Æt vµo cïng mét ®iÖn ¸p, nh­ vËy ®Êu song song lµ c¸ch ®Êu ph©n nh¸nh, mçi ®iÖn trë lµ mét nh¸nh. Dßng ®iÖn qua mçi nh¸nh: 1 1 R U I  2 2 R U I  3 3 R U I  Ta cã: U R3 R2 I3 I2 I1 R1 I Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 29 I = I1 + I2 + I3 = U ( 321 111 RRR  ) §Æt  R 1 321 111 RRR  Rót ra ®­îc: 313221 321 .. RRRRRR RRR R   Trong ®ã R lµ ®iÖn trë t­¬ng ®­¬ng toµn m¹ch Ta cã: R U I  Khi ®Êu song song ®iÖn trë, nghÞch ®¶o ®iÖn trë t­¬ng ®­¬ng b»ng tæng nghÞch ®¶o c¸c ®iÖn trë ®Êu trong m¹ch. §Êu song song ®iÖn trë th­êng gÆp nhiÒu trong cuéc sèng, vÝ dô c¸c m¹ng ®iÖn sinh ho¹t, c¸c phô t¶i ®Êu song song nhau.vv C«ng suÊt ë mçi nh¸nh: P1 = 1 2 R U ; P2 = 2 2 R U ; P3 = 3 2 R U Bµi tËp vÝ dô: Hai ®iÖn trë R1 = 4 , R2 = 6 , ®Êu song song, ®Æt vµo ®iÖn ¸p U, biÕt dßng ®iÖn trong m¹ch chÝnh I = 10 A. - TÝnh dßng ®iÖn ë m¹ch nh¸nh, ®iÖn trë toµn m¹ch, ®iÖn ¸p U. Bµi gi¶i: Dßng ®iÖn mçi nh¸nh: 6 64 6 10 21 2 1      RR R II A 4 64 4 10 21 1 1      RR R II A §iÖn trë t­¬ng ®­¬ng: )(4,2 64 6.4. 21 21 A RR RR R      §iÖn ¸p ®Æt vµo c¸c ®iÖn trë. Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 30 U = I1. R1 = I2. R2 = I.R = 10.2,4 = 24 V 3. M¹ch ®iÖn cã c¸c ®iÖn trë ®Êu hçn hîp M¹ch ®iÖn cã c¸c ®iÖn trë ®Êu song song vµ nèi tiÕp gäi lµ m¹ch ®Êu hçn hîp. Bµi to¸n gi¶i m¹ch ®iÖn mét nguån cã c¸c ®iÖn trë ®Êu hçn hîp gåm c¸c b­íc sau: B­íc 1: - §­a m¹ch ®iÖn ph©n nh¸nh vÒ m¹ch kh«ng ph©n nh¸nh b»ng c¸ch thay c¸c nh¸nh song song b»ng 1 nh¸nh cã ®iÖn trë t­¬ng ®­¬ng. B­íc 2: - ¸p dông ®Þnh luËt ¤m cho m¹ch kh«ng ph©n nh¸nh t×m ra dßng ®iÖn qua m¹ch chÝnh (qua nguån). B­íc 3: - T×m dßng ®iÖn ë m¹ch rÏ. Bµi tËp vÝ dô : Cho m¹ch ®iÖn nh­ h×nh vÏ. Cã: R1 = 0,12 ; R2 = 2 ; R3 = 10 ; R4 = 20 ; R5 = 50 ; BiÕt U = 120 V. - X¸c ®Þnh dßng vµ ¸p trªn c¸c phÇn tö cña m¹ch. Gi¶i : Thùc hiÖn biÕn ®æi s¬ ®å m¹ch ®iÖn trªn vÒ m¹ch ®iÖn kh«ng ph©n nh¸nh ®Ó ®¬n gi¶n ho¸ m¹ch ®iÖn: + I Rbc R2 R1 b c U a d - R5 I5 R3 R4 R1 R2 b c I I3 I4 U d a Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 31 §iÖn trë t­¬ng ®­¬ng : 17,0 1111 543  RRRRBC . RBC = 5,88 . §iÖn trë t­¬ng ®­¬ng toµn m¹ch: R = R1 + R2 = RBC = 0,12 + 2 + 5,88 = 8 . Dßng ®iÖn m¹ch chÝnh: 15 8 120  R U I A. §iÖn ¸p trªn c¸c phÇn tö. U1 = I. R1 = 15 . 0,12 = 1,8 V U2 = I. R2 = 15 . 2 = 30 V U3 = U4 = U5 = I . RBC = 15 . 5,88 = 88,2 V. Dßng ®iÖn ë m¹ch rÏ: )(82,8 10 2,88 3 3 A R U I BC  )(41,4 20 2,88 4 4 A R U I BC  )(76,1 50 2,88 5 5 A R U I BC  Bµi 2.2. Ph­¬ng ph¸p dßng ®iÖn nh¸nh. Phöông phaùp doøng ñieän nhaùnh söû duïng hai ñònh luaät Kirchhoff ñeå thieát laäp heä phöông trình giaûi maïch ñieän. Soá nhaùnh cuûa maïch ñieän baèng soá aån soá phaûi tìm. Neáu maïch coù N nhaùnh töùc laø öùng vôùi N aån soá ta phaûi thieát laäp ít nhaát N Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 32 phöông trình ñoäc laäp. Giaû söû maïch coù n nuùt ta seõ thieát laäp ñöôïc n -1 phöông trình ñoäc laäp cho nuùt, coøn laïi N-(n -1) phöông trình vieát cho maét. Caùc böôùc ñeå giaûi baøi toaùn nhö sau: Böôùc 1. Chän c¸c dßng ®iÖn nh¸nh lµm Èn sè, chiÒu ®· chän tr­íc. ViÖc chän chiÒu c¸c dßng nh¸nh lµ tïy ý. NÕu kÕt qu¶ tÝnh ra lµ sè ©m th× chiÒu thùc cña dßng ®iÖn ng­îc víi chiÒu ®· chän, cã gi¸ trÞ b»ng trÞ sè tuyÖt ®èi cña kÕt qu¶ tÝnh ®­îc. Böôùc 2. Thµnh lËp hÖ ph­¬ng tr×nh dßng nh¸nh nh­ sau: + Chän ( n-1) nót ®Ó viÕt ph­¬ng tr×nh ®iÓm nót (ph­¬ng tr×nh Kirchhoff 1 ). +Chän m = N-(n - 1) m¹ch vßng ®Ó viÕt ph­¬ng tr×nh vßng (ph­¬ng tr×nh Kirchhoff 2 ). NÕu kh«ng cã g× ®Æc biÖt th× c¸c vßng nªn chän c¸c m¾t ®Ó tiÖn lîi cho viÖc thµnh lËp ph­¬ng tr×nh. KÕt qu¶ ta ®­îc N ph­¬ng tr×nh bËc nhÊt chøa ®ñ N Èn. Böôùc 3. Giaûi heä phöông trình dßng nh¸nh ñeå tìm ra ñaùp soá laø caùc doøng ñieän nhaùnh. Bµi tËp vÝ dô: Cho m¹ch ®iÖn nh­ h×nh vÏ: Cã E1= 125 V; E2 = 90 V; R1 = 3 ; R2 = 2 ; R3 = 4 ; - T×m dßng ®iÖn trong c¸c nh¸nh vµ ®iÖn ¸p ®Æt vµo R3. Bµi gi¶i: Chän Èn sè lµ c¸c dßng ®iÖn nh¸nh I1, I2, I3, cã chiÒu nh­ h×nh vÏ. ë ®©y sè nót lµ n = 2, sè nh¸nh N = 3, sè m¾t m = 2, nªn cã mét ph­¬ng tr×nh nót vµ 2 ph­¬ng tr×nh m¹ch vßng. Ph­¬ng tr×nh nót A lµ: I1 - I2 - I3 = 0 (1) Ph­¬ng tr×nh vßng CABDC víi chiÒu d­¬ng theo chiÒu kim ®ång hå: R3 R1 R2 A B C E F D + I2 I3 I1 _- - + E1 E2 Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 33 I1r1 + I3r3 = E1 (2) Ph­¬ng tr×nh vßng ABFEA víi chiÒu d­¬ng ng­îc chiÒu kim ®ång hå: - I2r2 + I3r3 = E2 (3). Gi¶i hÖ (1), (2), (3). nh­ sau: Tõ (2) rót ra: 1 331 1 r rIE I   Tõ (3) rót ra: 2 332 2 r rIE I   §em thay vµo (1). 03 2 332 1 331     I r rIE r rIE Thay sè vµo tÝnh ra ®­îc : I3 = 20 A. I1 = 15 A, I2 = - 5 A. Nh­ vËy chiÒu cña I2 ng­îc chiÒu ®· chän ( mòi tªn nÐt ®øt ) §iÖn ¸p ®Æt vµo r3: UAB = I3r3 = 4. 20 = 80 V. Bµi 2.3. Ph­¬ng ph¸p dßng ®iÖn vßng Ñoái vôùi caùc maïch ñieän phöùc taïp, khi soá nhaùnh lôùn, vieäc aùp duïng caùc ñònh luaät Kirchhoff seõ maát nhieàu thôøi gian do phaûi giaûi moät soá löôïng lôùn caùc phöông trình. Baøi toaùn seõ ñôn giaûn ñaùng keå khi aùp duïng phöông phaùp doøng maïch voøng. Phöông phaùp naøy söû duïng ñònh luaät 2 Kirchhoff vôùi caùc quy öôùc veà doøng ñieän voøng nhö sau: * Trong moãi maét coù moät doøng ñieän voøng chaïy kheùp kín. * Toång ñaïi soá ñieän aùp rôi (suït aùp) treân caùc toång trôû cuûa voøng do caùc doøng ñieän voøng gaây ra baèng toång ñaïi soá caùc s.ñ.ñ cuûa voøng. Daáu cuûa doøng ñieän vaø s.ñ.ñ. laáy daáu döông khi taùc ñoäng cuøng chieàu voøng vaø ngöôïc laïi laáy daáu aâm. - §­êng lèi gi¶i m¹ch ®iÖn gåm c¸c b­íc sau: B­íc 1: Chän M m¹ch vßng ( th­êng chän lµ c¸c m¾t) mçi vßng cho mét dßng vßng t­¬ng øng, ký hiÖu lµ Ia, Ib, Ic,....{ M = n - (m - 1)} lµ sè m¾t cña s¬ ®å. ChiÒu d­¬ng cña dßng vßng chän tïy ý. B­íc 2: Thµnh lËp hÖ M ph­¬ng tr×nh m¹ch vßng . §èi víi mçi vßng cÇn xÐt tÊt Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 34 c¶ c¸c sôt ¸p do tÊt c¶ c¸c dßng vßng cã ®i qua mét phÇn hay toµn bé s¬ ®å g©y ra. B­íc 3: Gi¶i hÖ M ph­¬ng tr×nh trªn, ta ®­îc M dßng vßng . Sau ®ã xÕp chång c¸c dßng vßng cïng ®i qua mét nh¸nh ta ®­îc dßng nh¸nh. Cô thÓ lµ: - NÕu nh¸nh chØ cã mét dßng vßng duy nhÊt ®i qua th× dßng nh¸nh b»ng dßng vßng. - NÕu nh¸nh cã tõ hai dßng vßng ®i qua th× dßng nh¸nh b»ng tæng ®¹i sè c¸c dßng vßng ®ã. VÝ dô : Cho m¹ch ®iÖn nh­ h×nh vÏ. BiÕt E1 = 120 V, E2 = 110 V; r1 = r2 = 1  ; r3 = 2  ; r4 = 9  ; r5 = 4  ; - X¸c ®Þnh c¸c dßng ®iÖn nh¸nh. M¹ch ®iÖn nµy cã 5 nh¸nh, do ®ã cã 5 Èn lµ 5 dßng nh¸nh I1, I2, I3, I4, I5, V× dßng ®iÖn tuyÕn tÝnh cã tÝnh xÕp chång nªn ta coi nh­ trong m¹ch cã 3 dßng ®iÖn khÐp kÝn trong tõng vßng ®éc lËp ®ã, lµ c¸c dßng ®iÖn vßng Ia , Ib , Ic . Dßng vßng Ia ch¹y trong vßng ADBA , qua c¸c ®iÖn trë r1, r4 . Dßng vßng Ib ch¹y trong vßng BCEB , qua c¸c ®iÖn trë r2, r5 . Dßng vßng Ic ch¹y trong vßng ABCA , qua c¸c ®iÖn trë r3, r4, r5, NÕu biÕt 3 dßng vßng ta cã thÓ tÝnh ®­îc dßng nh¸nh. Trªn s¬ ®å ta cã ngay: r3 r1 r5 r2 r4 E2 E1 I2 I3 I5 I1 I4 IC Ib Ia D B C A E Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 35 I1 = Ia ; I2 = Ib ; I3 = Ic . Dßng I4 lµ xÕp chång qua 2 dßng ®iÖn Ia vµ Ic ng­îc chiÒu nhau. Chän I4 cïng chiÒu Ia ta cã : I4 = Ia - Ic Dßng I5 lµ xÕp chång qua 2 dßng ®iÖn Ib vµ Ic cïng chiÒu nhau, ta cã: I5 = Ib + Ic §Ó tÝnh c¸c dßng vßng, ta lËp 3 ph­¬ng tr×nh m¹ch vßng theo ®Þnh luËt Kirchhoff 2. - §èi víi vßng ADBA søc ®iÖn ®éng E1 c©n b»ng víi c¸c sôt ¸p Iar1 , Iar4 ,vµ Icr4 do Ic g©y ra trªn ®iÖn trë r4 , ng­îc chiÒu d­¬ng cña vßng. Iar1 + Iar4 - Icr4 = E1 ( 1) - §èi víi vßng BCEB søc ®iÖn ®éng E2 c©n b»ng víi c¸c sôt ¸p Ibr2 , Ibr5 ,vµ sôt ¸p Icr5 do Ic g©y ra trªn ®iÖn trë r5 , cïng chiÒu d­¬ng cña vßng. Ibr2 + Ibr5 + Icr5 = E2 (2) - §èi víi vßng ABCA cã c¸c sôt ¸p sau: Icr3 , Icr4 , Icr5 , Ibr5 cïng chiÒu d­¬ng, cßn sôt ¸p Iar4 ng­îc chiÒu d­¬ng. Icr3 + Icr4 + Icr5 + Ibr5 - Iar4 = 0 (3) Thay sè vµo c¸c ph­¬ng tr×nh (1), (2), (3), ta cã: 10 Ia - 9 Ic = 120 ( 4) 5 Ib + 4 Ic = 110 (5 ) 15 Ic + 4 Ib - 9 Ia = 0 (6) Tõ ph­¬ng tr×nh (4), (5) rót ra Ia , vµ Ib råi thay vµo (6) ta tÝnh ®­îc Ic = 5,4 A. Thay Ic = 5,4 A vµo ph­¬ng tr×nh (4), (5) t×m ®­îc Ia = 16,86 A ; Ib = 17,68 A. Dßng ®iÖn c¸c nh¸nh: I1 = Ia = 16,86 A ; I2 = Ib = 17,68 A ; I3 = Ic = 5,4 A I4 = Ia – Ic = 16,86 - 5,4 = 11,46 A. I5 = Ib + Ic = 17,68 + 5,4 = 23,08 A. Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 36 Bµi 2.4. Ph­¬ng ph¸p xÕp chång dßng ®iÖn. Phöông phaùp xeáp choàng ñöôïc aùp duïng ñeå xaùc ñònh doøng ñieän trong maïch coù nhieàu nguoàn ñieän taùc ñoäng. Phöông phaùp naøy ruùt ra töø tính chaát cô baûn cuûa heä phöông trình tuyeán tính. Neáu trong moät nhaùnh coù nhieàu doøng ñieän do caùc nguoàn khaùc nhau cung caáp, thì doøng ñieän toång baèng toång ñaïi soá caùc doøng ñieän qua nhaùnh do taùc duïng rieâng reõ cuûa töøng söùc ñieän ñoäng (luùc ñoù caùc söùc ñieän ñoäng khaùc ñöôïc coi nhö baèng khoâng). Ñieän aùp treân moãi nhaùnh cuõng baèng toång ñaïi soá caùc ñieän aùp gaây neân do taùc duïng rieâng reõ cuûa töøng söùc ñieän ñoäng Gi¶ sö m¹ch ®iÖn cã 2 nguån nh­ trªn h×nh vÏ, ®Ó tÝnh c¸c dßng ®iÖn nh¸nh I1, I2, I3, tr­íc hÕt ta cho E1 t¸c ®éng, cßn nguån E2 ®­îc lo¹i bá b»ng c¸ch nèi l¹i . Nguån E1 sÏ t¹o ra dßng ®iÖn I ’ 1 , I ’ 2 , I ’ 3 trong c¸c nh¸nh. Sau ®ã ta cho E2 t¸c dông, cßn E1 lo¹i bá, trong c¸c nh¸nh cã dßng I ’’ 1 , I ’’ 2 , I ’’ 3 . M¹ch ®iÖn trªn cã thÓ dÔ dµng b»ng ph­¬ng ph¸p biÕn ®æi ®iÖn trë. Cuèi cïng céng ®¹i sè c¸c dßng ®iÖn trªn cïng mét nh¸nh , ta sÏ cã dßng ®iÖn chÝnh thøc trong nh¸nh ®ã, lµ dßng ®iÖn do 2 nguån E1 , vµ E2 cïng t¸c dông. Tæng qu¸t, gi¶i m¹ch ®iÖn b»ng ph­¬ng ph¸p xÕp chång dong ®iÖn gåm c¸c R3 R1 R2 I’2 I’3 I’1 + _- E1 M¹ch chØ cã nguån E1 t¸c ®éng R3 R1 R2 I’’2 I’’3 I’’1 + _- E2 M¹ch chØ cã nguån E2 t¸c ®éng E2 R3 R1 R2 I2 I3 I1 - + + _- E1 M¹ch ®iÖn ®Çy ®ñ Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 37 b­íc sau: B­íc 1: Cho s ® ® E1 t¸c dông ®¬n ®éc, c¸c s ® ® cßn l¹i ®­îc lo¹i bá (nèi t¾t l¹i) gi¶i m¹ch ®iÖn mét nguån b»ng ph­¬ng ph¸p biÕn ®æi ®iÖn trë , ta tÝnh ®­îc dßng ®iÖn trong c¸c nh¸nh do E1 g©y ra, ký hiÖu I ’ 1 , I ’ 2 , I ’ 3 ... B­íc 2: LÆp l¹i b­íc 1 , cho s ® ® E2 t¸c ®éng, ta tÝnh ®­îc dßng ®iÖn trong c¸c nh¸nh do E2 g©y ra, ký hiÖu lµ I ’’ 1 , I ’’ 2 , I ’’ 3 ... B­íc 3: Céng ®¹i sè tÊt c¶ c¸c dßng ®iÖn trong mçi nh¸nh , ta sÏ ®­îc kÕt qu¶ dßng ®iÖn cña nh¸nh. I1 = I ’ 1 + I ’’ 1 + I1 ’’’+... I2 = I ’ 2 + I ’’ 2 + I2 ’’’+... I3 = I3 ’ + I3 ’’ + I3 ’’’+ ... Bµi 2.5. Ph­¬ng ph¸p ®iÖn thÕ nót. §Ó gi¶m bít ph­¬ng tr×nh khi gi¶i m¹ch ®iÖn, ta kh«ng chän trùc tiÕp dßng nh¸nh lµm Èn sè, mµ chän mét th«ng sè trung gian lµ thÕ nót. (M¹ch ®iÖn ba ®iÓm nót) Gi¶ sö ta cã m¹ch ®iÖn cã 3 ®iÓm nót nh­ h×nh vÏ. NÕu ta biÕt ®iÖn thÕ c¸c ®iÓm A , B vµ C , ta dÔ dµng tÝnh ra ®­îc dßng ®iÖn nh¸nh. H¬n n÷a, ta cã thÓ tïy ý cho mét nót cã thÕ b»ng kh«ng. vÝ dô nót C, cã C = 0 , khi ®ã ta chØ cÇn t×m hai thÕ nót A vµ B. Dßng ®iÖn trong c¸c nh¸nh sÏ lµ: r2 E2 r3 r1 E1 E4 E6 r5 r4 r6 I6 I5 I4 I3 I2 I1 A B C Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 38 11 1 1 1 ).( gE r UE I A AC    22 2 2 2 ).( gE r UE I AB BA     3 3 3 ).( g r U I BA AB   44 4 4 4 ).( gE r UE I A AC    5 5 5 .g r U I B BC  66 6 6 6 ).( gE r UE I B BC    Tæng qu¸t ®èi víi nh¸nh thø i cã s ® ® Ei h­íng tõ nót N ®Õn nót M, dßng ®iÖn I1 chän chiÒu d­¬ng cïng chiÒu víi s ® ®, sÏ lµ: Cßn ®èi víi nh¸nh kh«ng nguån: jLK j KL j g r U I )(   ¸p dông ®Þnh luËt Kirchhoff I ®èi víi ®iÓm A : I1 - I2 - I3 + I4 = 0 Thay biÓu thøc c¸c dßng ®iÖn vµo: Ei M N I1 ri 11 1 1 1 ).( g E r U E I N M MN    L K Ij rj Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 39 (E1 - A) g1 - (E2 - B + A) g2 - (A - B) g3 + (E4 - A) g4 = 0. ChuyÓn vÕ vµ rót gän: ( g1 + g2 + g3 + g4 ) A - ( g2 + g3) B = E1g1 - E2g2 + E4g4 ( a) §Æt : gAA= g1 + g2 + g3 + g4 =  A ig lµ tæng ®iÖn dÉn c¸c nh¸nh nèi tíi nót A. gAB = g2+g3 =  AB ig lµ tæng ®iÖn dÉn nèi trùc tiÕp gi÷a hai nót AB. E1g1 - E2g2 + E4g4 =  A gE lµ tæng nguån dßng h­íng tíi nót A. Ta cã: gAA A - gAB B =  A gE (b). T­¬ng tù , ¸p dông ®Þnh luËt kirchooff I cho nót B: I2 + I3 + I6 - I5 = 0 ( E2 - B + A)g2 + (A - B) g3 + ( E6 - B) g6 - B g5 = 0 ( g2 + g3 + g5 + g6 ) B - (g2 + g3) A = E2g2 + E6g6 (c) §Æt: gBB = g2 + g3 + g5 + g6 =  A ig lµ tæng ®iÖn dÉn nãi tíi nót B GAB = g2 + g3 =  B ig E2g2 + E6g6 =  B gE lµ tæng nguån dßng h­íng tíi nót B. Ta cã : gAB A + gBB B =  B gE (d). Gi¶i hÖ hai ph­¬ng tr×nh (b) vµ (d) víi hai Èn lµ A vµ B ta t×m ®­îc ®iÖn thÕ c¸c nót. Sau ®ã tÝnh ra dßng ®iÖn nh¸nh. Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 40 Ch­¬ng 3 dßng ®iÖn xoay chiÒu h×nh sin Trong s¶n xuÊt vµ ®êi sèng, dßng ®iÖn xoay chiÒu ®­îc dïng rÊt réng r·i v× nã cã nhiÒu ­u ®iÓm so víi dßng ®iÖn mét chiÒu. Dßng ®iÖn xoay chiÒu dÔ dµng chuyÓn t¶i ®i xa, dÔ thay ®æi ®iÖn ¸p lµm viÖc nhê m¸y biÕn ¸p. M¸y ph¸t ®iÖn vµ ®éng c¬ ®iÖn xoay chiÒu lµm viÖc tin cËy, vËn hµnh ®¬n gi¶n, chØ tiªu kinh tÕ vµ kü thuËt cao. Ngoµi ra, trong tr­êng hîp cÇn thiÕt ta cã thÓ biÕn ®æi nguån ®iÖn xoay chiÒu thµnh mét chiÒu nhê c¸c thiÕt bÞ n¾n ®iÖn Doøng ñieän xoay chieàu hình sin ñöôïc öùng duïng roäng raõi trong nhieàu lónh vöïc khaùc nhau cuûa ñieän kyõ thuaät. Naêng löôïng ñieän trong haàu heát caùc tröôøng hôïp ñeàu ñöôïc saûn xuaát, phaân phoái vaø tieâu thuï döôùi daïng ñieän xoay chieàu. Ñieàu ñoù ñöôïc giaûi thích bôûi nhöõng öu ñieåm cuûa doøng xoay chieàu. Bµi 3.1: Kh¸i niÖm vÒ dßng ®iÖn xoay chiÒu 1. Dßng ®iÖn xoay chiÒu. Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 41 Dßng ®iÖn xoay chiÒu lµ dßng ®iÖn biÕn ®æi c¶ chiÒu vµ trÞ sè theo thêi gian. Dßng ®iÖn xoay chiÒu th­êng lµ dßng ®iÖn biÕn ®æi tuÇn hoµn, nghÜa lµ cø sau mét kho¶ng thêi gian nhÊt ®Þnh, nã lÆp l¹i qu¸ tr×nh biÕn thiªn cò. 2. Chu kú vµ tÇn sè cña dßng ®iÖn xoay chiÒu + Chu kú: Lµ kho¶ng thêi gian ng¾n nhÊt ®Ó dßng ®iÖn lÆp l¹i qu¸ tr×nh biÕn thiªn cò. Nh­ vËy, chu kú lµ kho¶ng thêi gian cÇn thiÕt ®Ó dßng ®iÖn tõ mét gi¸ trÞ d­¬ng ban ®Çu nµo ®ã, ®æi dÊu qua ©m, biÕn thiªn, råi l¹i ®æi dÊu thµnh d­¬ng, vµ ®¹t ®Õn gi¸ trÞ d­¬ng lóc tr­íc. Chu kú kÝ hiÖu lµ: T ®¬n vÞ lµ ®¬n vÞ thêi gian (s) + TÇn sè: lµ sè chu kú mµ dßng ®iÖn thùc hiÖn ®­îc trong 1 gi©y TÇn sè kÝ hiÖu lµ: f ®¬n vÞ lµ Hec ( Hz ) Béi sè cña Hz lµ kilohec KHz, vµ mªgahec MHz 1KHz = 1000 Hz, 1MHz = 1000.000 Hz T f 1  Dßng ®iÖn cã tÇn sè 1 Hz lµ dßng ®iÖn thùc hiÖn mét chu kú trong mét gi©y. TÇn sè cµng lín th× dßng ®iÖn biÕn thiªn cµng nhanh. N­íc ta vµ rÊt nhiÒu n­íc trªn thÕ giíi ®Òu qui ®Þnh tÇn sè cña dßng ®iÖn c«ng nghiÖp lµ 50 Hz. Mü vµ 1 sè n­íc T©y- ¢u dïng dßng ®iÖn c«ng nghiÖp tÇn sè lµ 60 Hz. Dßng ®iÖn ©m thanh cã tÇn sè ®Õn vµi kil«hÐc. Dßng ®iÖn dïng trong kü thuËt v« tuyÕn ®iÖn cã tÇn sè tõ vµi chôc kil«hÐc ®Õn hµng mªgahÐc gäi lµ dßng ®iÖn cao tÇn. 3. Dßng ®iÖn xoay chiÒu h×nh sin Dßng ®iÖn xoay chiÒu biÕn thiªn theo quy luËt h×nh sin theo thêi gian gäi lµ dßng ®iÖn xoay chiÒu h×nh sin. o t i Im - Im _ + _ + _ t1 i1 Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 42 Trªn ®å thÞ ta thÊy, t¹i mçi thêi ®iÓm t dßng ®iÖn cã mét trÞ sè t­¬ng øng, ta gäi lµ trÞ sè tøc thêi cña dßng ®iÖn. trÞ sè tøc thêi cña dßng ®iÖn kÝ hiÖu lµ : i dt dq i dq lµ l­îng ®iÖn tÝch qua tiÕt diÖn d©y trong thêi gan lµ dt t¹i thêi ®iÓm t, T­¬ng tù ta cã trÞ sè tøc thêi cña ®iÖn ¸p lµ : u trÞ sè tøc thêi cña søc ®iÖn ®éng lµ : e Trªn ®å thÞ ta thÊy trong qu¸ tr×nh biÕn thiªn dßng ®iÖn ®¹t gi¸ trÞ lín nhÊt, gäi lµ trÞ sè cùc ®¹i hay biªn ®é cña dßng ®iÖn. kÝ hiÖu lµ Im T­¬ng tù cã: Biªn ®é cña ®iÖn ¸p lµ Um Biªn ®é cña søc ®iÖn ®éng lµ Em Dßng ®iÖn xoay chiÒu h×nh sin lµ dßng ®iÖn xoay chiÒu ®¬n gi¶n nhÊt, nªn ®­îc dïng rÊt réng r·i. Tõ ®©y nÕu kh«ng cã gi¶i thÝch g× thªm th× thuËt ng÷ dßng ®iÖn xoay chiÒu lµ chØ dßng ®iÖn xoay chiÒu h×nh sin. 4. Nguyªn lý t¹o ra søc ®iÖn ®éng xoay chiÒu h×nh sin. a) CÊu t¹o: Gåm 2 phÇn chÝnh - PhÇn tÜnh (stato) hay phÇn c¶m - PhÇn ®éng (roto) hay phÇn øng M¸y ph¸t ®iÖn xoay chiÒu 1 pha ®¬n gi¶n nhÊt gåm phÇn c¶m cã 1 ®«i cùc tõ N-S , cßn phÇn øng gåm 1 khung d©y. Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 43 HÖ thèng cùc tõ ®­îc chÕ t¹o sao cho trÞ sè tõ c¶m B ph©n bè trªn mÆt cùc däc theo khe hë r« to - stato ( gäi lµ khe hë kh«ng khÝ).theo qui luËt h×nh sin. nghÜa lµ khi khung d©y ë vÞ trÝ bÊt kú , trong khe hë , tõ c¶m ë vÞ trÝ ®ã lµ: B = Bm sin   lµ gãc gi÷a mÆt ph¼ng trung tÝnh oo, vµ mÆt ph¼ng khung d©y Bm lµ trÞ sè cùc ®¹i cña tõ c¶m. b) Nguyªn t¾c ho¹t ®éng Khi lµm viÖc ro to m¸y ph¸t ®iÖn d­îc mét ®éng c¬ s¬ cÊp kÐo vµ quay víi tèc ®é lµ  (rad/s) . Mçi c¹nh cña khung d©y sÏ quay víi tèc ®é lµ v , c¾t vu«ng gãc víi ®­êng søc tõ, bªn trong mçi c¹nh sÏ xuÊt hiÖn s.®.® lµ: ed = B.v.l Gi¶ sö t¹i thêi ®iÓm ban ®Çu ( t = 0 ), khung d©y n»m trªn mÆt ph¼ng trung tÝnh oo’ , th× t¹i thêi ®iÓm t, khung d©y ë vÞ trÝ:  =  t C­êng ®é tõ c¶m ë vÞ trÝ ®ã lµ: t =t N S O O’ o e  2 §å thÞ s®® phÇn øng Nguyªn t¾c cÊu t¹o MF§ 1 pha Em -Em Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 44 B = Bm.sin  = Bm sin t. Thay vµo biÓu thøc trªn ed = B.v.l = Bm l.v. sin t. Mét vßng d©y gåm cã 2 c¹nh t¸c dông nªn s.®.® vßng: eV = 2ed = 2 Bm l.v. sin t. NÕu khung d©y cã w vßng th× s.®.® c¶ khung d©y lµ. e = w.eV = w. 2 Bm l.v. sin t. §Æt: Em = w.2 Bm l.v Suy ra: e = Em sin t. Nh­ vËy ë 2 ®Çu khung d©y ta lÊy ®­îc s.®.® biÕn thiªn theo quy luËt h×nh sin 5. C¸c ®¹i l­îng ®Æc tr­ng Doøng ñieän xoay chieàu hình sin laø doøng ñieän bieán thieân ñieàu hoøa theo quy luaät haøm sin: i = Im sin ( t + i) u = Um sin (t + u ) Trong ñoù: i, u – laø giaù trò töùc thôøi cuûa doøng ñieän vaø ñieän aùp I0, U0 laø trò sè cöïc ñaïi (bieân ñoä) cuûa doøng ñieän vaø ñieän aùp. Vµ (t + i ), (t + u) laø goùc pha (hay goïi taét laø pha) cuûa doøng ñieän vaø ñieän aùp, cho pheùp xaùc ñònh trò soá cuûa doøng ñieän vaø ñieän aùp ôû thôøi ñieåm t. i vaø u laø pha ban ñaàu (t = 0). Coù giaù trò phuï thuoäc vaøo goác thôøi gian maø ta choïn.  laø taàn soá goùc cuûa doøng ñieän hình sin, ñôn vò laø rad/s. Khi l­îng h×nh sin biÕn thiªn hÕt mét chu kú : t = T, th× gãc pha biÕn hiªn hÕt mét gãc ®Çy 3600 hay 2 rad. VËy : T = 2 Tõ ®ã : f2 2     T Mét l­îng h×nh sin ®­îc hoµn toµn x¸c ®Þnh nÕu biÕt: + Biªn ®é ( Em, Um, Im...) + Tèc ®é gãc  , hoÆc chu kú T, hoÆc tÇn sè f Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 45 + Gãc pha ®Çu  * TrÞ sè hiÖu dông cña l­îng h×nh sin. TrÞ sè tøc thêi chØ ®Æc tr­ng cho t¸c dông cña l­îng h×nh sin ë tõng thêi ®iÓm. §Ó ®Æc tr­ng cho t¸c dông trung b×nh cña l­îng h×nh sin trong mçi chu kú vÒ mÆt n¨ng l­îng, ng­êi ta ®­a vµo kh¸i niÖm vÒ trÞ sè hiÖu dông. TrÞ sè hiÖu dông cña dßng ®iÖn xoay chiÒu lµ gi¸ trÞ t­¬ng ®­¬ng víi dßng ®iÖn mét chiÒu khi ®i qua cïng mét ®iÖn trë, trong mçi chu kú, chóng cïng táa ra mét n¨ng l­îng d­íi d¹ng nhiÖt nh­ nhau. TrÞ sè hiÖu dông ký hiÖu b»ng ch÷ in hoa: I, U, E. Gi¶ sö xÐt t¸c dông cña dßng ®iÖn i trªn mét ®iÖn trë R. C«ng suÊt t¸c dông ®­îc tÝnh Vôùi doøng ñieän moät chieàu coâng suaát tieâu taùn treân ñieän trôû R laø: P = R I 2 Neáu trong cuøng moät thôøi gian, coâng suaát taùc duïng nhieät treân ñieän trôû R ñoái vôùi caû hai doøng ñieän laø nhö nhau ta coù: Giaù trò I ñöôïc goïi laø trò hieäu duïng cuûa doøng ñieän xoay chieàu. Neáu thay i = I0 sin ωt vaøo ta coù: Töông töï, ta ñöôïc trò soá hieäu duïng cuûa ñieän aùp vaø söùc ñieän ñoäng: 2 mUU  Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 46 2 mEE  Nhö vaäy, coù theå vieát laïi nhö sau: Trò hieäu duïng thöôøng ñöôïc ghi treân caùc duïng cuï vaø caùc thieát bò tieâu thuï ñieän, cho ta bieát caáp ñieän aùp söû duïng vaø doøng ñieän cho pheùp. 6. Pha vµ sù lÖch pha. a) Pha, pha ®Çu. PhÇn øng m¸y ph¸t ®iÖn th­êng cã nhiÒu khung d©y ®Æt r¶i r¸c trªn mÆt lâi thÐp . Nh­ vËy , t¹i thêi ®iÓm t = 0, nÕu 1 khung d©y ë ®óng mÆt ph¼ng trung tÝnh th× khung d©y bÊt kú kh¸c sÏ c¸ch mÆt ph¼ng trung tÝnh 1 gãc lµ , khi roto quay, t¹i thêi ®iÓm t, khung d©y sÏ ë vÞ trÝ:  =  t +  Vµ biÓu thøc s.®.® trong tr­êng hîp tæng qu¸t lµ: e = Em sin (  t +  ) L­îng ( t + ) ®Æc tr­ng cho d¹ng biÕn thiªn cña s.®.® h×nh sin nãi chung (c­êng ®é, ®iÖn ¸p) ®­îc gäi lµ gãc pha hay pha cña l­îng h×nh sin. T¹i thêi ®iÓm t = 0 gãc pha b»ng , nªn  ®­îc gäi lµ gãc pha ®Çu. b) Hai l­îng lÖch pha, ®ång pha, ®èi pha. Gi¶ sö cã hai l­îng h×nh sin víi biÓu thøc: e1 = Em sin ( t + 1 ) e2 = Em sin ( t + 2 ) Ta thÊy e1 vµ e2 cã d¹ng biÕn thiªn t­¬ng tù nhau, nh­ng e1 lu«n chËm sau e2 mét kho¶ng thêi gian hay 1 gãc nµo ®ã, nh­ ®¹t cùc ®¹i chËm h¬n, triÖt tiªu chËm h¬nvv. L­îng sai kh¸c ®ã chÝnh lµ hiÖu cña 2 gãc pha cña e1 vµ e2 vµ ®­îc gäi lµ gãc lÖch pha gi÷a chóng. kÝ hiÖu lµ :   = ( t + 2 )- ( t + 1 ) = 2 - 1 Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 47 NÕu   0, tøc 2  1 ta b¶o e2 v­ît tr­íc e1, ng­îc l¹i , nÕu   0, tøc 2  1 ta b¶o e2 chËm sau e1. NÕu 2 = 1 th×  = 0 , ta b¶o e1 vµ e2 ®ång pha.NÕu  = 2 -  = 180 0 ta b¶o 2 l­îng ®ã ®èi pha, thêi gian gi÷a 2 l­îng ®èi pha lµ 1 nöa chu kú. 7. BiÓu diÔn l­îng h×nh sin b»ng ®å thÞ vÐc t¬ Mét l­îng h×nh sin th«ng th­êng ph¶i cã ®ñ 3 ®¹i l­îng ( biªn ®é, tÇn sè, gãc pha ®Çu). BiÓu thøc chung lµ: i = Im sin ( t +  ). Ta biÕt hµm sè sin chÝnh lµ tung ®é ®iÓm cuèi b¸n kÝnh vÐc t¬ trªn ®­êng trßn l­îng gi¸c khi b¸n kÝnh nµy quay quanh gèc täa ®é víi tèc ®é gãc kh«ng ®æi. Gi¶ sö trªn h×nh trßn l­îng gi¸c ta lÊy mét b¸n kÝnh vÐc t¬ OM, cã ®é dµi b»ng biªn ®é cña l­îng h×nh sin theo mét tû lÖ xÝch chän tr­íc, ch¼ng h¹n OM = Em, b¸n kÝnh nµy lµm víi trôc hoµnh mét gãc b»ng gãc pha ®Çu, ch¼ng h¹n e , cho b¸n kÝnh vÐc t¬ OM quay quanh gèc 0 víi tèc ®é b»ng tèc ®é gãc cña l­îng h×nh sin . T¹i thêi ®iÓm t bÊt kú, vÐc t¬ OM lµm víi trôc hoµnh mét gãc.  =  t + e Tung ®é ®iÓm cuèi b¸n kÝnh vÐc t¬ lµ: t 0 e e 0 t T 2 e1 e2 Hai l­îng ®èi pha Hai l­îng lÖch pha 1 e2 e1 0 +e Hai l­îng ®ång pha e2 e1 t  2 Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 48 y = OM sin = Em sin ( t + e ) = e (BiÓu diÔn l­îng h×nh sin d­íi d¹ng vÐc t¬) Nh­ vËy, l­îng h×nh sin bÊt kú: a = Am sin ( t + a ) . §­îc biÓu diÔn d­íi d¹ng mét vÐc t¬ quay nh­ sau: - Chän tû lÖ xÝch thÝch hîp. - VÏ hÖ trôc täa ®é , lÊy tõ gèc mét b¸n kÝnh vÐc t¬ OM lµm víi trôc hoµnh mét gãc  lµ gãc pha ®Çu ; ®é dµi cña OM b»ng biªn ®é Am cña l­îng h×nh sin theo tû lÖ xÝch ®· chän; - Cho vÐc t¬ OM quay quanh gèc víi tèc ®é  lµ tèc ®é gãc cña l­îng h×nh sin, theo chiÒu ng­îc kim ®ång hå; - VÐc t¬ OM chÝnh lµ vÐc t¬ biÓu diÔn l­îng h×nh sin, ®­îc gäi lµ ®å thÞ vÐc t¬ cña nã. Tõ ®å thÞ vÐc t¬ ta cã thÓ x¸c ®Þnh ®­îc: + Biªn ®é ( Em, Um, Im...) + Tèc ®é gãc  , còng nh­ chu kú T, tÇn sè f + Gãc pha ®Çu  Tøc lµ hoµn toµn x¸c ®Þnh ®­îc l­îng h×nh sin. Bµi 3.2. Gi¶i m¹ch xoay chiÒu kh«ng ph©n nh¸nh 1. M¹ch thuÇn ®iÖn trë. M¹ch thuÇn trë lµ m¹ch cã ®iÖn trë r, c¸c thµnh phÇn ®iÖn c¶m L, ®iÖn dung C kh«ng cã, hoÆc rÊt nhá so víi ®iÖn trë r ta cã thÓ bá qua. x Am = 3 y 0 1   o M Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 49 VÝdô : m¹ch cña bãng ®Ìn sîi ®èt, lß ®iÖn, bÕp ®iÖnvv * Quan hÖ dßng ¸p. Gi¶ sö ®Æt vµo 2 ®Çu m¹ch 1 ®iÖn ¸p xoay chiÒu u = Um sin  t Khi ®ã trong m¹ch sÏ cã dßng ®iÖn i , ë mçi thêi ®iÓm, theo ®Þnh luËt ¤m ta cã: r tU r u i m sin  ®Æt : r U I mm  Ta cã: i = Im sin t So s¸nh biÓu thøc cña dßng ®iÖn vµ ®iÖn ¸p ta thÊy gãc pha ®Çu cña 2 l­îng ®ã ®Òu b»ng 0. Gãc lÖch pha gi÷a dßng vµ ¸p:  = u - i = 0 Nªn dßng ®iÖn vµ ®iÖn ¸p ®ång pha. Biªn ®é dßng ®iÖn vµ ®iÖn ¸p quan hÖ víi nhau theo ®Þnh luËt ¤m. U R I Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 50 * §Þnh luËt ¤m I = r U * C«ng suÊt. TrÞ sè trung b×nh cña c«ng suÊt trong 1 chu kú gäi lµ c«ng suÊt t¸c dông cña dßng ®iÖn xoay chiÒu. kÝ hiÖu lµ : P, ®¬n vÞ lµ ( w, kw) P = U.I = I2. r = r U 2 C«ng suÊt t¸c dông cßn gäi lµ c«ng suÊt h÷u c«ng ( c«ng suÊt cã Ých ) Bµi tËp vÝ dô: Mét bãng ®Ìn cã ghi 220 V- 100 W, m¾c vµo m¹ch xoay chiÒu cã ®iÖn ¸p u = 231 2 sin ( 314t + 300 ) V - X¸c ®Þnh dßng ®iÖn trong m¹ch vµ c«ng suÊt bãng tiªu thô 2. M¹ch thuÇn ®iÖn c¶m M¹ch xoay chiÒu cã cuén d©y , hÖ sè tù c¶m L kh¸ lín , cßn ®iÖn trë ®ñ bÐ cã thÓ bá qua, ®­îc gäi lµ m¹ch thuÇn ®iÖn c¶m. * Quan hÖ dßng ®iÖn vµ ®iÖn ¸p Gi¶ sö ®Æt vµo hai ®Çu m¹ch ®iÖn 1 ®iÖn ¸p xoay chiÒu u, trong m¹h xuÊt hiÖn dßng ®iÖn i, cã biÓu thøc: i = Im sin  t y 0 §å thÞ vÐc t¬ U I x 0 u, i §å thÞ h×nh sin i u t Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 51 Dßng ®iÖn i biÕn thiªn lµm xuÊt hiÖn s.®.® tù c¶m eL trong cuén d©y, x¸c ®Þnh theo: eL = - L dt di mµ: u = - eL Suy ra : u = L dt di = dt tILd m )sin(  u = L Im cos  t = L Im sin ( t + 90 0 ) V §Æt Um = L Im Suy ra u = Um sin ( t + 90 0 ) V So s¸nh biÓu thøc cña dßng ®iÖn vµ ®iÖn ¸p ta thÊy trong m¹ch thuÇn ®iÖn c¶m, ®iÖn ¸p v­ît tr­íc dßng ®iÖn 1 gãc 900 ( §å thÞ vÐc t¬) L eL i U x UL I 0 y 900 Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 52 (§å thÞ h×nh sin) * §Þnh luËt ¤m, c¶m kh¸ng Cã: L U I  §Æt: XL = L Trong ®ã XL ®­îc gäi lµ c¶m kh¸ng, hay ®iÖn kh¸ng. ®¬n vÞ lµ  Suy ra: LX U I  * C«ng suÊt ph¶n kh¸ng. Trong m¹ch thuÇn ®iÖn c¶m kh«ng tiªu thô n¨ng l­îng, v× mét nöa chu kú m¹ch nhËn n¨ng l­îng tÝch luü vµo trong cuén d©y d­íi d¹ng n¨ng l­îng tõ tr­êng, mét nöa chu kú sau, m¹ch phãng tr¶ n¨ng l­îng l¹i cho nguån cho ®Õn khi n¨ng l­îng cuén d©y b»ng kh«ng. trong m¹ch chØ cã sù trao ®æi n¨ng l­îng gi÷a nguån vµ tõ tr­êng. §Ó ®Æc tr­ng cho møc ®é trao ®æi n¨ng l­îng ®ã ng­êi ta dïng 1 ®¹i l­îng gäi lµ c«ng suÊt ph¶n kh¸ng. kÝ hiÖu lµ Q QL = U.I = I 2. XL §¬n vÞ lµ VAr ( v«n - ampe- ph¶n kh¸ng ) 1kVAr = 1000 VAr 1 MVAr = 1.000.000 VAr 3. M¹ch thuÇn ®iÖn dung M¹ch ®iÖn cã tô ®iÖn víi ®iÖn dung C, ®iÖn trë kh«ng ®¸ng kÓ gäi lµ m¹ch thuÇn ®iÖn dung. * Quan hÖ dßng ®iÖn vµ ®iÖn ¸p Gi¶ sö ®Æt vµo ®iÖn ¸p xoay chiÒu u = Um sin  t NÕu tô ®iÖn ®Æt vµo ®iÖn ¸p 1 chiÒu th× dßng ®iÖn chØ tån t¹i trong thêi gian qu¸ ®é ( khi tô n¹p ®iÖn lóc ®ãng , vµ phãng ®iÖn lóc ng¾t ) ng­îc l¹i ë m¹ch Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 53 xoay chiÒu dßng ®iÖn tån t¹i trong suèt qu¸ tr×nh cã ®iÖn ¸p. V× m¹ch kh«ng cã ®iÖn trë nªn ®iÖn ¸p nguån ®Æt toµn bé vµo tô: u = uC . §iÖn tÝch trªn cùc tô ®iÖn lµ: q = C. uC = C. u Dßng ®iÖn qua tô: i = dt duC dt dq C. Suy ra: i = C. d dt tU M )sin(  i = C  Um cos  t §Æt Im = C  Um Ta cã: i = Im cos  t = Im sin ( t + 90 0 ) A So s¸nh biÓu thøc cña dßng vµ ¸p ta thÊy trong m¹ch thuÇn ®iÖn dung, dßng ®iÖn v­ît tr­íc ®iÖn ¸p 1 gãc 900 §å thÞ vÐc t¬ (§å thÞ h×nh sin) * §Þnh luËt ¤m, dung kh¸ng Tõ c«ng thøc : Im = C  Um chia 2 vÕ cho 2 . Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 54 Ta cã: I = C  U §Æt CX C   1 Suy ra: CX U I  (biÓu thøc ®Þnh luËt ¤m) XC gäi lµ dung kh¸ng, ®¬n vÞ lµ  * C«ng suÊt ph¶n kh¸ng T­¬ng tù nh­ m¹ch thuÇn c¶m trong m¹ch thuÇn dung kh«ng tiªu thô n¨ng l­îng ,c«ng suÊt t¸c dông b»ng kh«ng . §Ó ®Æc tr­ng cho møc ®é trao ®æi n¨ng l­îng gi÷a nguån vµ ®iÖn tr­êng, ng­êi ta ®­a vµo kh¸i niÖm c«ng suÊt ph¶n kh¸ng (v« c«ng ) QC = U.I = I 2.XC (VAr ) 4. M¹ch R - L - C m¾c nèi tiÕp. a,Quan hÖ dßng ®iÖn vµ ®iÖn ¸p. M¹ch xoay chiÒu kh«ng ph©n nh¸nh trong tr­êng hîp tæng qu¸t cã ®ñ 3 thµnh phÇn R , L, C, nèi tiÕp. Gi¶ sö ®Æt vµo ®iÖn ¸p xoay chiÒu, trong m¹ch cã dßng ®iÖn i = Im sin  t Dßng ®iÖn nµy ®i qua c¸c thµnh phÇn ®iÖn trë ®iÖn c¶m ®iÖn dung sÏ gi¸ng trªn ®ã nh÷ng thµnh phÇn ®iÖn ¸p t­¬ng øng. R L C U Ur UL UC I Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 55 - Thµnh phÇn Ur gi¸ng trªn ®iÖn trë, gäi lµ thµnh phÇn ®iÖn ¸p t¸c dông, ®ång pha víi dßng diÖn, trÞ sè x¸c ®Þnh theo ®Þnh luËt ¤m: Ur = I.r. - Thµnh phÇn UL gi¸ng trªn ®iÖn c¶m , v­ît pha tr­íc dßng ®iÖn 90 0, trÞ sè x¸c ®Þnh theo ®Þnh luËt ¤m: UL =I.XL. - Thµnh phÇn UC gi¸ng trªn ®iÖn dung , chËm pha sau dßng ®iÖn 90 0, trÞ sè x¸c ®Þnh theo ®Þnh luËt ¤m: UC =I.XC. - §iÖn ¸p ®Æt vµo m¹ch b»ng tæng 3 ®iÖn ¸p thµnh phÇn. u = uR + uL + uC Hay céng vÐc t¬:   CLR UUUU UR lµ thµnh phÇn t¸c dông UX = UL - UC lµ thµnh phÇn ph¶n kh¸ng. Tam gi¸c vu«ng cã 2 c¹nh gãc vu«ng lµ 2 thµnh phÇn ®iÖn ¸p, c¹nh huyÒn lµ ®iÖn ¸p tæng, ®­îc gäi lµ tam gi¸c ®iÖn ¸p cña m¹ch xoay chiÒu kh«ng ph©n nh¸nh. Tõ tam gi¸c ®iÖn ¸p ,theo ®Þnh lý pitago ta cã )( 22222 CLrxr UUUUUU  0 t u, i u i §å thÞ h×nh sin §å thÞ vÐc t¬ Tam gi¸c ®iÖn ¸p U I UR  UX=UL-UC Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 56 VÒ pha, ®iÖn ¸p lÖch víi dßng ®iÖn 1 gãc pha . x¸c ®Þnh theo hµm sè l­îng gi¸c. r CL r x U UU U U tg   BiÓu thøc h×nh sin ®iÖn ¸p: u = Um sin ( t +  ) Phuï thuoäc vaøo ñoä lôùn vaø daáu cuûa goùc leäch pha ϕ ta coù caùc tröôøng hîp sau: – Khi ϕ > 0, UL>Uc hay XL>XC, maïch coù ñaëc tính caûm khaùng. Doøng ñieän chaäm pha hôn ñieän aùp moät goùc ϕ . – Khi ϕ < 0, UL <UC, hay XL<XC , maïch coù ñaëc tính dung khaùng. Doøng ñieän nhanh pha hôn ñieän aùp moät goùc ϕ. Tõ tam gi¸c ®iÖn ¸p nÕu biÕt hai trong bèn l­îng U, Ur , Ux,  ta sÏ t×m ®­îc hai l­îng kia b»ng c¸ch gi¶i tam gi¸c vu«ng. VÝ dô biÕt U vµ  th×: Ur = U cos Ux = U sin b, §Þnh luËt ¤m ,tæng trë, tam gi¸c trë kh¸ng Tõ ®å thÞ vÐc t¬ cã: Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 57 ( Tam gi¸c trë kh¸ng) X = XL- XC gäi lµ trë kh¸ng ph¶n kh¸ng ( ®¬n vÞ lµ  ) Ta thaáy: ñieän trôû R, c¶m khaùng X vaø toång trôû Z hôïp thaønh ba caïnh cuûa moät tam giaùc vuoâng goïi laø tam giaùc toång trôû. Nhôø tam giaùc toång trôû ta deã daøng xaùc ñònh ñöôïc moái lieân heä giöõa caùc ñaïi löôïng R, L, Z, goùc leäch pha ϕ. c, C«ng suÊt - tam gi¸c c«ng suÊt. Trong tröôøng hôïp toång quaùt, khi taûi cuûa maïch ñieän xoay chieàu bao goàm caùc phaàn töû R, L, C, trong maïch seõ xaûy ra hai quaù trình naêng löôïng sau: Quaù trình tieâu thuï ñieän naêng vaø bieán ñoåi sang caùc daïng naêng löôïng khaùc (chuû yeáu laø nhieät naêng) treân caùc phaàn töû ñieän trôû hoaït ñoäng R cuûa maïch. Quaù trình naøy ñöôïc ñaëc tröng baèng coâng suaát taùc duïng P. Quaù trình trao ñoåi, tích luõy vaø giaûi phoùng naêng löôïng ñieän töø tröôøng treân caùc phaàn töû ñieän caûm L vaø ñieän dung C cuûa maïch. Quaù trình naøy ñöôïc ñaëc tröng baèng coâng suaát phaûn khaùng Q. - Coâng suaát taùc duïng P. Coâng suaát taùc duïng P laø coâng suaát tieâu thuï treân ñieän trôû R cuûa maïch. Coù giaù trò baèng coâng suaát tieâu thuï trung bình trong moät chu kyø: Tõ tam gi¸c ®iÖn ¸p ta coù: Ur = Ucosϕ, do ñoù ta coù: P = R I 2 = UI cosϕ Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 58 Tröôøng hôïp maïch coù nhieàu ñieän trôû hoaït ñoäng thì coâng suaát taùc duïng treân toaøn maïch baèng toång caùc coâng suaát tieâu thuï rieâng reõ treân töøng ñieän trôû: - Coâng suaát phaûn khaùng Q. Coâng suaát phaûn khaùng Q duøng ñeå ñaëc tröng cho quaù trình trao ñoåi,tích luõy naêng löôïng ñieän töø tröôøng treân caùc phaàn töû ñieän caûm L vaø ñieän dung C cuûa maïch. Q = X I 2 = ( XL – XC) I 2 Ta coù theå vieát: Q = XL I 2– XC I 2 = QL – QC Tröôøng hôïp maïch goàm nhieàu phaàn töû L vaø C thì coâng suaát phaûn khaùng cuûa maïch baèng toång coäng suaát phaûn khaùng treân caùc phaàn töû rieâng reõ: Tõ tam gi¸c trë kh¸ng ta coù X = ( XL – XC) =Z sin ϕ, do ñoù ta coù theå vieát: Q = I 2 Z sin ϕ = UI sin ϕ . - Coâng suaát bieåu kieán S. Ñeå ñaëc tröng cho khaû naêng cuûa thieát bò vaø nguoàn thöïc hieän hai quaù trình naêng löôïng noùi treân ngöôøi ta ñöa ra khaùi nieäm coâng suaát toaøn phaàn hay coâng suaát bieåu kieán S : C«ng suÊt biÓu kiÕn cña mét nh¸nh b»ng tÝch gi÷a dßng ®iÖn qua nh¸nh vµ ®iÖn ¸p ®Æt vµo nh¸nh. S = U.I = I2.z Ta thaáy cöïc ñaïi cuûa coâng suaát taùc duïng P (khi cosϕ = 1) coù giaù trò baèng coâng suaát bieåu kieán S. Cöïc ñaïi cuûa coâng suaát phaûn khaùng Q (khi sinϕ = 1) baèng coâng suaát bieåu kieán S. Nhö vaäy S cho bieát khaû naêng cuûa thieát bò ñieän. Giaù trò ñònh möùc cuûa coâng suaát bieåu kieán S thöôøng ñöôïc ghi treân nh·n cuûa caùc maùy ñieän. Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 59 -Tam gi¸c c«ng suÊt. ( Tam gi¸c c«ng suÊt ) Tõ tam gi¸c c«ng suÊt ta cã: S2 = P2 + Q2 P = S cos  Q = S sin  Moái quan heä giöõa P, Q vaø S ñöôïc theå hieän baèng ba caïnh cuûa moät tam giaùc vuoâng, goïi laø tam giaùc coâng suaát. P, Q vaø S coù cuøng thöù nguyeân, nhöng ñeå phaân bieät ngöôøi ta duøng caùc ñôn vò khaùc nhau: – Ñôn vò cuûa P lµ (W, kW, MW.) – Ñôn vò cuûa Q lµ (VAR,kVAR, MVAR.) – Ñôn vò cuûa S lµ (VA, kVA, MVA.) Bµi tËp vÝ dô: Cho m¹ch ®iÖn R L C nèi tiÕp cã U = 127 V, r = 12 , L = 160 mH, C = 127 F, f = 50 Hz. - TÝnh dßng ®iÖn , c¸c thµnh phÇn tam gi¸c ®iÖn ¸p vµ c«ng suÊt. Bµi gi¶i: C¸c thµnh phÇn trë kh¸ng: XL = L. = 2f L = 2. 3,14. 50. 160. 10 -3= 50 .   2510.127.50.14,3.2 1 2 11 6fCC X C  X = XL – XC = 50 – 25 = 25 . 7,272512 2222  xrz . Dßng ®iÖn trong m¹ch. Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 60 A z U I 6,4 7,27 127  C¸c thµnh phÇn tam gi¸c ®iÖn ¸p: §iÖn ¸p trªn ®iÖn trë: Ur = I.R = 4,6. 12 =55,2 V. §iÖn ¸p trªn ®iÖn c¶m : UL = I. XL = 4,6. 50 = 230 V. §iÖn ¸p trªn ®iÖn dung: UC = I. XC = 4,6. 25 = 115 V. §iÖn ¸p ph¶n kh¸ng: Ux = I.X = 4,6. 25 = 115 V. Gãc lÖch pha gi÷a dßng vµ ¸p 08,2 12 25  r x tg Suy ra  = 64020’ ë ®©y  > 0 nªn ®iÖn ¸p v­ît pha tr­íc dßng ®iÖn. C«ng suÊt t¸c dông: P = I2.R = 4,62. 12 = 254 W. C«ng suÊt ph¶n kh¸ng: Q = I2. X = 4,62. 25 = 529 VAr. C«ng suÊt biÓu kiÕn: S = U. I = 127. 4,6 = 584 VA. Bµi 3.3. Ph­¬ng ph¸p n©ng cao hÖ sè c«ng suÊt 1. ý nghÜa cña hÖ sè c«ng suÊt. Trong bieåu thöùc coâng suaát taùc duïng P = UI cosϕ , cosϕ ñöôïc goïi laø heä soá coâng suaát cña m¹ch xoay chiÒu. Giaù trò cuûa cosϕ phuï thuoäc vaøo caùc thoâng soá cuûa maïch ñieän. Trong maïch RLC maéc noái tieáp ta coù: Trong m¹ch thuÇn t¸c dông ( x = 0 ), th× cos = 1. Trong m¹ch thuÇn c¶m kh¸ng (r = 0) th× cos = 0. Nãi chung trong thùc tÕ 0  cos  1. Trong m¹ch cã phô t¶i ®Ìn hoÆc lß ®iÖn trë, th× hÖ sè c«ng suÊt gÇn b»ng 1, cßn phô t¶i lµ ®éng c¬, m¸y biÕn ¸p... th× cos nhá h¬n 1. Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 61 Heä soá coâng suaát laø chæ tieâu raát quan troïng, coù yù nghóa raát lôùn veà kinh teá nhö sau: – Naâng cao heä soá coâng suaát seõ taêng ñöôïc khaû naêng söû duïng coâng suaát cuûa nguoàn (maùy phaùt ñieän, maùy bieán aùp ) cung caáp cho phuï taûi. Chaúng haïn, moät maùy phaùt ñieän coù coâng suaát ñònh möùc laø Sñm = 10000 kVA, neáu heä soá coâng suaát cuûa taûi cosϕ = 0,5 thì coâng suaát taùc duïng cuûa maùy phaùt cho taûi P = Sñm cosϕ = 10000.0,5 = 5000 kW. Neáu cosϕ = 0,9 thì coâng suaát taùc duïng P = 10000.0,9 = 9000 kW. Nhö vaäy khi cosϕ caøng cao, coâng suaát phaùt ra caøng nhieàu hôn. – Khi caàn truyeàn taûi moät coâng suaát P nhaát ñònh treân ñöôøng daây, doøng ñieän chaïy treân daây laø: cosU P I  NÕu cos cµng nhá th× dßng ®iÖn cµng lín. §iÒu ®ã dÉn ®Õn c¸c t¸c h¹i: Dßng ®iÖn lín ph¶i dïng d©y dÉn lín , lµm tèn kim lo¹i mµu vµ t¨ng vèn ®Çu t­ x©y dùng ®­êng d©y. Tæn thÊt ®iÖn n¨ng trªn ®­êng d©y tû lÖ víi b×nh ph­¬ng dßng ®iÖn.  A = I2r t Gäi r lµ ®iÖn trë cña nguån ®iÖn vµ d©y dÉn th× tæn thÊt c«ng suÊt sÏ lµ: P = I2r NÕu dßng ®iÖn lín th× tæn thÊt n¨ng l­îng nhiÒu , kh«ng cã lîi vÒ mÆt kinh tÕ. Nh­ vËy viÖc n©ng cao hÖ sè c«ng suÊt cã ý nghÜa rÊt lín vÒ hiÖu qu¶ kinh tÕ. V× thÕ trong kü thuËt kü thuËt s¶n xuÊt truyÒn t¶i vµ cung cÊp ®iÖn ng­êi ta lu«n t×m c¸ch n©ng cao cos , gäi lµ n©ng cao hay c¶i thiÖn cos. 2. Mét sè biÖn ph¸p c¶i thiÖn hÖ sè c«ng suÊt. Tõ tam gi¸c c«ng suÊt ta cã: 22 cos QP P S P   Nh­ vËy, vÒ nguyªn t¾c, muèn n©ng cao cos cña mét phÇn tö nµo ®ã ph¶i gi¶m c«ng suÊt ph¶n kh¸ng Q qua nã. Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 62 C¸c hé tiªu thô ®iÖn, v× nhiÒu nguyªn nh©n, lu«n cã xu h­íng tiªu thô nhiÒu c«ng suÊt ph¶n kh¸ng, do ®ã viÖc n©ng cao cos cuèi cïng ®Òu quy vÒ 2 h­íng: * H­íng thø nhÊt lµ gi¶m c«ng suÊt ph¶n kh¸ng cña t¶i( BiÖn ph¸p chñ ®éng) tøc lµ t×m c¸ch n©ng cao cos cña tõng thiÕt bÞ dïng ®iÖn, vÝ dô ®éng c¬ kh«ng ®Ó ch¹y non t¶i qu¸, m¸y biÕn ¸p kh«ng nªn ®Ó kh«ng t¶i...vv. Gi¶i quyÕt theo h­íng nµy ph¶i qu¸n triÖt c¶ 3 kh©u: Khi l¾p ®Æt thiÕt bÞ ®iÖn cÇn chän c«ng suÊt ®éng c¬ vµ m¸y biÕn ¸p phï hîp, khi vËn hµnh cÇn h¹n chÕ viÖc tiªu thô Q qu¸ nhiÒu lµm xÊu cos chung, khi söa ch÷a cÇn ®¶m b¶o c¸c th«ng sè cña m¹ch tõ. * H­íng thø hai lµ s¶n suÊt c«ng suÊt ph¶n kh¸ng t¹i n¬i tiªu thô hay gÇn n¬i tiªu thô, gäi lµ ph­¬ng ph¸p bï cos (biÖn ph¸p thô ®éng). Cã thÓ dïng ®éng c¬ ®ång bé, m¸y bï ®ång bé, hoÆc tô ®iÖn ®Ó s¶n xuÊt ra Q cÇn thiÕt bï cho phô t¶i. Ph­¬ng ph¸p bï ®¬n gi¶n nhÊt lµ dïng tô ®iÖn C m¾c song song víi phô t¶i Z ( gäi lµ bï tÜnh) Khi chöa maéc tuï ñieän buø, doøng chaïy treân ñöôøng daây laø It heä soá coâng suaát cuûa maïch laø cost. Khi maéc theâm tuï ñieän buø song song vôùi taûi, doøng chaïy treân ñöôøng daây laø I, heä soá coâng suaát cuûa maïch laø cosϕ   Ct III Töø ñoà thò ta thaáy doøng ñieän I giaûm cos taêng leân: I < It ;   t vaø cos  cost Giaù trò ñieän dung cuûa tuï buø ñöôïc tính nhö sau: Vì coâng suaát taùc duïng cuûa taûi laø khoâng ñoåi neân coâng suaát phaûn khaùng cuûa maïch laø: – Khi chöa buø: Qt = P tgt – Khi maéc tuï buø: Q = Qt + QC = P tg ϕt + QC = P tg Töø ñoù: QC = - P (tgt – tg ) . Maët khaùc, coâng suaát QC cuûa tuï ñieän ñöôïc tính: U IC IL Itx Ix IR IC It I  t b) Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 63 QC = - UC IC = -U.U.ωC = - U 2 C Ta cã: )( . 12   tgtg U P C  B»ng c¸ch tÝnh tô C thÝch hîp , ta cã thÓ n©ng cos ®Õn trÞ sè tïy ý, tèi ®a cã thÓ b»ng 1. Bµi tËp vÝ dô: §éng c¬ lµm viÖc víi ®iÖn ¸p xoay chiÒu U = 220 V, f = 50 Hz, cost = 0,6, tiªu thô c«ng suÊt P = 20 kw. X¸c ®Þnh trÞ sè tô ®iÖn m¾c song song víi ®éng c¬, ®Ó n©ng cos lªn 0,9. Gi¶i: Dßng ®iÖn qua ®éng c¬. )(152 6,0.220 20000 cos A U P I t t   øng víi cost = 0,6 tra b¶ng l­îng gi¸c, ta cã t = 53 010’, vµ sint = 0,8. øng víi cos = 0,9 ta cã  = 26050’ vµ sin = 0.436. Dßng ®iÖn ph¶n kh¸ng cña ®éng c¬: Itx = It sint = 152. 0,8 = 121,6 A Khi cos = 0,9 dßng ®iÖn t­¬ng øng lµ: )(101 9,0.220 20000 cos A U P I   Dßng ®iÖn ph¶n kh¸ng lóc ®ã lµ: Ix= I sin = 101. 0,436 = 44 A. Nh­ vËy, dßng ®iÖn ®iÖn dung ph¶i cã t¸c dông gi¶m dßng ®iÖn ph¶n kh¸ng tõ Itx xuèng Ix. Ic = Itx - It = 121,6 - 44 = 77,6 A BiÕt dßng ®iÖn dung: fUCCU X U I C C  2 Suy ra: Bµi 3.4. Céng h­ëng ®iÖn ¸p. 1. HiÖn t­îng vµ tÝnh chÊt. Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 64 Trong m¹ch xoay chiÒu kh«ng ph©n nh¸nh , hai thµnh phÇn uL, vµ uc ng­îc pha nhau, trÞ sè cña chóng ng­îc dÊu nhau ë mäi thêi ®iÓm vµ cã t¸c dông bï trõ nhau. NÕu trÞ sè hiÖu dông UL = UC th× chóng sÏ triÖt tiªu nhau, vµ ®iÖn ¸p nguån chØ cßn mét thµnh phÇn ®Æt vµo ®iÖn trë U = UR , ta b¶o m¹ch cã hiÖn t­îng céng h­ëng ®iÖn ¸p. Khi m¹ch céng h­ëng ta cã: uL = uC hay UL = UC suy ra XL = XC Khi ®ã Z = 22 )( CL XXr  = r. tg = 0  r XX CL suy ra  = 0 Trong m¹ch cã céng h­ëng ®iÖn ¸p , dßng vµ ¸p ®ång pha, tæng trë b»ng ®iÖn trë. Dßng ®iÖn trong m¹ch céng h­ëng: r U z U I  SÏ cã gi¸ trÞ lín nhÊt øng víi ®iÖn ¸p U ®· cho. Neáu XL = XC >> R thì trò hieäu duïng cuûa ñieän aùp treân caùc phaàn töû L vaø C coù theå lôùn hôn ñieän aùp U nhieàu laàn, do ñoù coäng höôûng coøn goïi laø coäng höôûng ñieän aùp. Tû sè gi÷a XL (hay XC) víi r gäi lµ hÖ sè phÈm chÊt cña m¹ch céng h­ëng, kÝ hiÖu lµ q. U U U U rI XI r X q L r LLL  . . HÖ sè phÈm chÊt q cho biÕt khi céng h­ëng, ®iÖn ¸p côc bé trªn cuén c¶m hay tô ®iÖn sÏ gÊp nhiÒu lÇn ®iÖn ¸p nguån. (§å thÞ vÐc t¬ m¹ch céng h­ëng) C«ng suÊt tøc thêi trªn cuén c¶m vµ tô ®iÖn UC UL UC UL I UR U 0 = Gi¸o tr×nh Kü thuËt ®iÖn NguyÔn Thµnh Nam Khoa §iÖn - §iÖn Tö C§ NghÒ Nam §Þnh 65 pL= i.uL = - i.uC = - pC Nh­ vËy ë mäi thêi ®iÓm, pL vµ pC b»ng nhau vÒ trÞ sè nh­ng ng­îc nhau vÒ dÊu. Khi pL > 0 th× pC < 0 tøc cuén d©y tÝch lòy n¨ng l­îng tõ tr­êng th× tô ®iÖn phãng n¨ng l­îng ®iÖn tr­êng. ng­îc l¹i khi pL 0 tøc cuén d©y phãng n¨ng l­îng tõ tr­êng th× tô ®iÖn tÝch n¨ng l­îng ®iÖn tr­êng.Nh­ vËy khi m¹ch céng h­ëng x¶y ra sù trao ®æi n¨ng l­îng hoµn toµn gi÷a ®iÖn tr­êng vµ tõ tr­êng, cßn n¨ng l­îng nguån chØ tiªu hao trªn ®iÖn trë r. 2. §iÒu kiÖn céng h­ëng. Ta thÊy m¹ch muèn x¶y ra céng h­ëng, cÇn tháa m·n ®iÒu kiÖn: C L   1  Rót ra ®iÒu kiÖn céng h­ëng vÒ tÇn sè: 0 . 1   CL 0 ®­îc gäi lµ tÇn sè gãc riªng cña m¹ch. BiÕt 0 .2 1 2 f CL f    f0 ®­îc gäi lµ tÇn sè riªng cña m¹ch. VËy ®iÒu kiÖn céng h­ëng lµ tÇn sè nguån ®iÖn b»ng tÇn sè riªng cña m¹ch:  = 0 hay f = f0 HiÖn t­îng céng h­ëng cã nhiÒu øng dông trong thùc tÕ kü thuËt, vÝ dô ®Ó t¹o ra ®iÖn ¸p lín ( trªn cuén c¶m hay tô ®iÖn ) khi ®iÖn ¸p nguån vÉn bÐ, th­êng dïng trong thÝ nghiÖm, dïng trong m¹ch läc theo tÇn sè, øng dông trong kü thuËt n¾n ®iÖn hay th«ng tin... Tuy nhiªn nÕu x¶y ra céng h­ëng trong m¹ch ®iÖn kh«ng øng víi chÕ ®é lµm viÖc b×nh th­êng, sÏ dÉn ®Õn hËu qu¶ cã h¹i, nh­ ®iÖn ¸p côc bé trªn cuén d©y hay tô ®iÖn qu¸ lín , v­ît qu¸ trÞ sè cho phÐp , lµm nguy hiÓm cho ng­êi vËn hµnh vµ thiÕt bÞ.