Giáo trình Mạch điện (Trình độ: Trung cấp) - Trường Cao đẳng Nghề Kỹ thuật Công nghệ Bà Rịa Vũng Tàu

nối tiếp và song song Hình 1.6: Đấu hỗn hợp các nguồn điện 1.3.4.2. Nguồn dòng điện Nguồn dòng điện J (t) đặc trưng cho khả năng của nguồn điện tạo nên và duy trì một dòng điện cung cấp cho mạch ngoài Hình 1.7: Ký hiệu nguồn dòng điện 1.3.4.3. Phần tử điện trở - Điện trở R đặc trưng cho quá trình tiêu thụ điện năng và biến đổi điện năng sang dạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng, cơ năng vv. Quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên điện trở: UR =R.I Đơn vị của điện trở là Ω (ohm) Các ước số và bội số của  là: m, , M, K. 1 = 10-6M 1 = 10-3K 1 = 103m 1 = 106 Công suất điện trở tiêu thụ: P = RI2 - Đối với dây dẫn: Trong đó: -  là điện trở suất của vật dẫn (mm2/m = 10-6m) - l là chiều dài (m) - S là tiết diện (mm2) S l R . E2 - + - +En U + _ E1 10 Vậy: Điện trở của vật dẫn tỷ lệ thuận với chiều dài, tỷ lệ nghịch với tiết diện và phụ thuộc vào vật liệu làm nên vật dẫn đó. * Nghịch đảo của điện trở gọi là điện dẫn: g l S l S R g .. 11    Trong đó: -  là điện dẫn suất (Sm/mm2),  = 1/ Điện dẫn suất phụ thuộc vào bản chất dẫn điện của từng vật liệu, điện dẫn suất càng lớn thì vật đẫn điện càng tốt. Đơn vị: S (Simen) (1S = 1/) 1.3.4.5. Phần tử điện cảm Khi có dòng điện i chạy trong cuộn dây W vòng sẽ sinh ra từ thông móc vòng với cuộn dây ψ = Wφ Điện cảm của cuộc dây: L = ψ /i = Wφ/i Đơn vị điện cảm là Henry (H). Nếu dòng điện i biến thiên thì từ thông cũng biến thiên và theo định luật cảm ứng điện từ trong cuộn dây xuất hiện sức điện động tự cảm: eL = - dψ /dt = - L di/dt Quan hệ giữa dòng điện và điện áp: uL = - eL = L di/dt Công suất tức thời trên cuộn dây: pL= uL.i = Li di/dt Điện cảm L đặc trưng cho quá trình trao đổi và tích lũy năng lượng từ trường của cuộn dây. 1.3.4.6. Phần tử điện dung Khi đặt điện áp uc hai đầu tụ điện sẽ có điện tích q tích lũy trên bản tụ điện.: q = C .uc Nếu điện áp uc biến thiên sẽ có dòng điện dịch chuyển qua tụ điện: i= dq/dt = C .duc /dt. Đơn vị: F(Fara) các bội số khác: F, nF, pF 1F = 106F 1F = 109nF 1F = 1012pF Điện dung C đặc trưng cho hiện tượng tích lũy năng lượng điện trường (phóng tích điện năng) trong tụ điện. 11 2.Các phép biến đổi trong mạch điện 2.1.Điện trở mắc nối tiếp, song song 2.1.1.Điện trở mắc nối tiếp - Là cách ghép sao cho chỉ có một dòng điện duy nhất chạy qua các phần tử (Hình 1.8 a). - Dòng điện: I = I1 = I2 = = In - Điện áp: U = U1 + U2 + + Un - Điện trở: R = R1 + R2 + + Rn Hình 1.8 a: Đấu nối tiếp các điện trở Hình 1.8 b: Đấu song song các điện trở 2.1.2.Đấu song song điện trở (ghép phân nhánh) -Là cách ghép sao cho tất cả các phần tử đều đặt vào cùng một điện áp (Hình 1.8 b). - Điện trở: 1 𝑅 = 1 𝑅1 + 1 𝑅2 + ⋯ 1 𝑅𝑛 - Điện áp: U = U1 = U2 = = Un - Dòng điện: I = I1 + I2 + + In 2.2. Biến đổi tam giác – sao, sao – tam giác 2.2.1. Biến đổi  - Y và Y -  -Đấu sao (): Là cách đấu 3 điện trở có một đầu đấu chung, 3 đầu còn lại đấu với 3 điểm khác của mạch (Hình 1.9.a). .. U + - R1 R2 Rn I Rn R1 R2 I 12 RCA RBC RAB A C B RA RC RB Hình 1 - 14 a b A C B -Đấu tam giác (): Là cách đấu 3 điện trở thành một tam giác kín, mỗi cạnh tam giác là một điện trở, mỗi đỉnh tam giác là một nút của mạch điện được nối tới các nhánh khác của mạch điện (Hình 1.9.b). Trong nhiều trường hợp việc thay đổi 3 điện trở đấu hình tam giác thành 3 điện trở đấu hình sao tương đương hoặc ngược lại sẽ làm cho việc phân tích mạch điện được dễ dàng hơn. -Điều kiện để biến đổi là không làm thay đổi dòng điện, điện áp của các phần mạch điện còn lại. -Biến đổi sao – tam giác ( - ). Công thức biến đổi từ hình sao sang hình tam giác: -Biến đổi tam giác – sao (  - Y). Công thức biến đổi từ hình tam giác sang hình sao: CABCAB BCCA C CABCAB ABBC B CABCAB CAAB A RRR .RR R RRR .RR R RRR .RR R       Hình 1.9.a: Tải đấu kiểu sao Hình 1.9.b: Tải đấu kiểu tam giác C BA BAAB R RR RRR .  A CB CBBC R RR RRR .  B AC ACCA R RR RRR .  13  Trường hợp các điện trở bằng nhau: RY = RB = RC = RA; R = RBC = RCA = RAB - Đối với mạch chuyển đổi từ sao sang tam giác ta có: R = 3 RY - Đối với mạch chuyển đổi từ tam giác sang sao ta có Ví dụ: Cho mạch điện như hình vẽ: Hình 1.10 Biết E = 4,4 V, R1 = 20, R2 = 60, R3 = 120, R4 = 8, R5 = 44 Xác định dòng điện trong nhánh chinh I = ? Giải: - Thay một tam giác nào đó giả sử tam giác ABD gồm 3 điện trở R1, R2, R3 thành 3 điện trở đấu sao là: RA, RB, RD ta có: - Điện trở tương đương của đọan CO là: RCO = (R4 nt RB) // (R5 nt RD)  2 3 1 2 3 . 60.120 36 20 60 120 C R R R R R R         -Dòng điện chạy trong mạch chính là: 3    R R B E R2 R3 R1 R4 R5 I D A C Hình 1.10: Mạch điện ví dụ                16 3612448 3644128. 54 54 DB DB CO RRRR RRRR R       6 1206020 60.20. 321 21 RRR RR RA       12 1206020 120.20. 321 31 RRR RR RB 14 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Bài 1: Trình bày khái niệm mạch điện? Giải thích các phép biến đổi trong mạch điện? Bài 1: Đoạn mạch gồm điện trở R1=100 Ω mắc nối tiếp với điện trở R2=300 Ω. Tính điện trở tương đương? Bài 2: Cho đoạn mạch gồm điện trở R1 = 100 Ω mắc nối tiếp với điện trở R2 = 200 Ω. Hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch là 12V. Tính hiệu điện thế giữa hai đầu điện trở R2? Bài 3: Hai điện trở R1=100 và R2=47 đấu song song. Biết dòng điện trong mạch chính I=100mA. Tính dòng điện qua điện trở R1, R2? Bài 4: Để có điện trở tương đương 150 , người ta đấu song song hai điện trở R1=330 và R2. Tính R2?       2,0 616 4,4 ACO RR E I 15 BÀI 2: MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU Giới thiệu: Các định luật và các phương pháp giải mạch điện một chiều rất quan trọng trong việc giải các bài toán về mạch điện, nó được ứng dụng nhiều ở lĩnh vực điện, điện tử. Bài học này trang bị cho người học kiến thức về các định luật và các phương pháp giải mạch điện một chiều như phương pháp biến đổi điện trở, phương pháp xếp chồng dòng điện, phương pháp dòng điện nhánh, phương pháp dòng điện vòng cho người học. Mục tiêu: Sau khi học xong bài này người học có khả năng: -Trình bày được các định luật và biểu thức cơ bản trong mạch điện một chiều. -Trình bày được các phương pháp giải mạch điện một chiều, vận dụng giải được các dạng bài toán cơ bản của mạch điện một chiều bằng phương pháp biến đổi điện trở, phương pháp xếp chồng dòng điện. -Trình bày được các định luật Kirhooff để giải mạch điện một chiều, vận dụng giải được các dạng bài toán cơ bản trong mạch điện một chiều bằng phương pháp dòng điện nhánh, phương pháp dòng điện vòng. -Rèn luyện tính nghiêm túc, cẩn thận, chính xác và khả năng làm việc nhóm trong công việc. Người học tự đánh giá được kết quả công việc mình làm theo yêu cầu công việc mà giáo viên đưa ra. NỘI DUNG 1.Các định luật và biểu thức cơ bản trong mạch một chiều. 1.1.Định luật Ohm 1.1.1.Định luật Ohm cho một đoạn mạch Nếu đặt vào hai đầu đoạn mạch AB một hiệu điện thế U, có dòng điện chạy qua đoạn mạch (Hình 2.1). Hình 2.1: Đoạn mạch AB Nội dung định luật: Cường độ dòng điện chạy qua đoạn mạch tỷ lệ thuận với hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch và tỷ lệ nghịch với điện trở của đoạn mạch đó. Trong đó: U: Điện áp giữa hai đầu đoạn mạch (V) R: Điện trở của đoạn mạch (Ω) I: Cường độ dòng điện trong mạch (A) 1.1.2.Định luật Ohm cho toàn mạch Xét mạch điện như hình vẽ (Hình 2.2). R U I  I A A B U 16 Gồm một nguồn điện có sức điện động E và nội trở r0 cung cấp cho tải R qua một đường dây có điện trở là Rd Khi mạch điện kín sẽ có dòng điện I chạy trong mạch và gây sụt áp trên các phần tử của mạch. Áp dụng định luật ohm cho từng đoạn mạch, ta có: - Điện áp đặt vào phụ tải: U = I.Rt - Điện áp đặt vào đường dây: Ud = I.Rd - Điện áp đặt vào nội trở: U0 = I.r0 Sức điện động nguồn bằng tổng các điện áp trên các đoạn mạch E = U + Ud + U0 = I.Rt + I.Rd + I.r0 = I.(Rt + Rd + r0) Gọi R = (Rt + Rd + r0) là tổng trở của toàn mạch, ta có: E = I.R Nội dung định luật: Cường độ dòng điện chạy trong mạch kín tỷ lệ thuận với sức điện động của nguồn và tỷ lệ nghịch với tổng trở toàn mạch điện. Ví dụ: Cho mạch điện như Hình 2.3, có: E = 231V; r0 = 0,1; Rd = 1; Rt = 22. Xác định dòng điện qua tải, điện áp trên tải? Điện áp đầu đường dây? Giải Ta có tổng trở của toàn mạch là: R = Rt + Rd + r0 = 22 + 1 + 0,1 = 23.1 () Áp dụng định luật Ohm cho toàn mạch ta có dòng điện chạy qua tải là: R E I    10 1,23 231 R E I E ro Rt Rd I + _ E ro Rt Rd I + _ Hình 2.2: Mạch điện kín Hình 2.3: Mạch điện ví dụ 17 Điện áp trên tải là: U = I.R = 10.22 = 220 (V) Điện áp đặt vào điện trở đường dây là: Ud = I.Rd = 10.1 = 10 (V) Điện áp đầu đường dây là: Uđđd = U + Ud = 220 + 10 = 230 (V) 1.2. Công suất và điện năng trong mạch một chiều 1.2.1 Công của dòng điện Khi đặt một hiệu điện thế U vào hai đầu đoạn mạch AB, trong mạch có dòng điện I chạy qua (Hình 2.4). Công làm dịch chuyển lượng điện tích q từ A đến B được tính bằng công thức sau: A = q.U = U.I.t Trong đó: - q: là lượng điện tích dịch chuyển (C) - I: là cường độ dòng điện chạy trong đoạn mạch (A) - U: là hiệu điện thế giữa đầu đoạn mạch (V) - t: là thời gian dòng điện chạy trong đoạn mạch(s) Vậy: Công của dòng điện sinh ra trong đoạn mạch bằng tích của hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch với cường độ dòng điện và thời gian dòng điện chạy qua đoạn mạch. Đơn vị: J (Jun) hoặc Cal(Calo) 1J = 0,24 Cal 1.2.2.Công suất của dòng điện Công suất của dòng điện là đại lượng đặc trưng cho tốc độ sinh công của dòng điện, có độ lớn bằng công của dòng điện sinh ra trong một giây. Ký hiệu: P Trong đó: - U: là hiệu điện thế (V) - I: là cường độ dòng điện (A) Đơn vị: W (Oát) Bội số của W là: KW, MW. 1KW = 103 W 1MW = 106W Trong mạch điện, một nhánh, một phần tử có thể nhận năng lượng hoặc phát năng lượng. IU t A P . I A B U R Hình 2.4: Đoạn mạch AB 18 p = u.i > 0 nhánh nhận năng lượng p = u.i < 0 nhánh phát nănglượng Đơn vị đo của công suất là W (Oát) hoặc KW 1.2.3. Định luật Jun – Lenxơ Khi có dòng điện chạy qua vật dẫn, các điện tích sẽ va chạm với các nguyên tử, phân tử và truyền bớt động năng cho chúng, làm tăng mức chuyển động nhiệt của các nguyên tử, phân tử. Kết quả vật dẫn bị dòng điện đốt nóng đó là tác dụng phát nhiệt của dòng điện. -Nhiệt lượng tỏa ra trên vật dẫn khi có dòng điện chạy qua : Q = I2.R.t (J) = 0.24 I2.R.t (Cal) Biểu thức này do nhà bác học Jun người Anh và nhà bác học Lenxơ người Pháp xác lập. Nội dung định luật: Nhiệt lượng tỏa ra từ một vật dẫn khi có dòng điện chạy qua tỷ lệ thuận với bình phương cường độ dòng điện, với điện trở vật dẫn và thời gian dòng điện chạy qua. -Tác dụng nhiệt của dòng điện được ứng dụng để chế tạo các dụng cụ đốt nóng bằng dòng điện như: Đèn sợi đốt, bàn ủi, bếp điện, mỏ hàn, nồi cơm điện v.v Mặt khác nó cũng có thể làm cháy hỏng cách điện, làm giảm tuổi thọ của máy điện và thiết bị điện. 2. Các phương pháp giải mạch điện một chiều 2.1. Giải mạch điện bằng phương pháp biến đổi điện trở Phương pháp biến đổi điện trở chủ yếu dùng để giải mạch điện có một nguồn. Dùng các phép biến đổi tương đương, đưa mạch điện phân nhánh về mạch điện không phân nhánh và do đó có thể tính dòng, áp bằng định luật Ohm. Ngoài ra còn dùng phối hợp với các phương pháp khác để đơn giản hóa sơ đồ làm cho việc giải mạch điện dễ dàng hơn. 2.1.1. Lý thuyết liên quan Bước 1: -Vận dụng các phép biến đổi tương đương để đưa mạch điện phức tạp: gồm các điện trở mắc nối tiếp, song song, đấu sao, đấu tam giác về mạch điện không phân nhánh. -Nếu các điện trở mắc song song thì xác định điện trở tương đương bằng 1 2 3 1 m nR     1 1 1 1 = R R R R -Nếu các điện trở nối tiếp Rm = Rl + R2+ R3+ + Rn -Nếu đấu sao, tam giác thì tùy vào mạch để vận dụng công thức biến đổi sao - tam giác hoặc tam giác – sao để giúp cho mạch điện đơn giản hơn. Bước 2: Áp dụng định luật Ohm cho mạch không phân nhánh tìm ra dòng điện qua nguồn, cũng là dòng điện mạch chính. 19 Im = Um Rm Bước 3: Tìm dòng điện ở các nhánh rẽ dựa vào định luật Ohm cho đoạn mạch hoặc sử dụng công thức chia dòng. 2.1.2.Bài tập vận dụng Ví dụ: Ba bóng đèn có điện trở R1 = 60 ; R2 = 120 ; R3 = 150 ; đấu song song, đặt vào điện áp U = 120V. Tính điện trở tương đương, dòng điện qua mỗi bóng trong mạch chính? Giải: Điện trở tương đương của ba bóng:       6,31 19 600 150.120.60 60.150150.120120.60 ... .. 133221 321 RRRRRR RRR R Dòng điện qua mỗi bóng:  A R U I 2 60 120 1 1   A R U I 1 120 120 2 2   A R U I 8,0 150 120 3 3  Dòng điện qua mạch chính:  AIIII 8,38,012321  2.2. Giải mạch điện bằng phương pháp xếp chồng dòng điện 2.2.1.Lý thuyết liên quan Phương pháp xếp chồng có thể sử dụng để xác định dòng điện trong mạch có nhiều nguồn điện. Phương pháp này dựa trên cơ sở là tuyến tính có tính xếp chồng dòng điện. Nếu trong một nhánh có nhiều dòng điện do các nguồn khác nhau cung cấp, thì dòng điện tổng của nhánh sẽ bằng tổng đại số các dòng điện qua nhánh đó (hình 2.5.a) 20 Hình 2.5: Minh họa phương pháp xếp chồng dòng điện Phương pháp: Bước 1: Cho các nguồn sức điện động E1 tác dụng đơn độc (Hình 2.5.b), các sức điện động còn lại được nối tắt. Giải mạch điện một nguồn bằng phương pháp biến đổi điện trở, ta tính được dòng điện trong các nhánh do E1 tạo ra kí hiệu I1’ I2’ I3’ Bước 2: Lặp lại bước 1 cho nguồn sức điện động E2 tác dụng đơn độc (Hình 2.5.c), ta tính được dòng điện trong các nhánh do E2 gây ra. kí hiệu I1’’ , I2’’ , I3’’ Cứ thế cho đến sức điện động cuối cùng của mach. Bước 3: Cộng đại số tất cả các dòng điện trong mỗi nhánh ta sẽ được dòng điện kết quả của nhánh. I1 = I1’ + I2’ + I3’ +... I2= I1’’ +I2’’ +I3’’ +... 2.2.2.Bài tập vận dụng: Cho mạch điện như hình 2.6 a. Biết: U=220v, R1 =2 , R2 =2Ω, R3 =10Ω. Xác định dòng điện và điện áp trên các phần tử của mạch điện ? Giải: Cho E1 tác dụng còn E2 được nối tắt (Hình 2.6 b) Ta có R2// R3 E2 I3 E1 R1 I1 R3 R2 I2 Hình 2.5.a I2’ I1’ E2 E1 R1 I3’ R3 R2 Hình 2.5.b E2 2 I2’’ R1 I3’’ I1’’ R3 R2 Hình 2.5.c = + E2 I3 E1 R1 I1 R3 R2 I2 Hình 2.6 a I2’ I1’ E2 E1 R1 I3’ R3 R2 Hình 2.6 b E2 2 I2’’ R1 I3’’ I1’’ R3 R2 Hình 2.6 c = + Hình 2.6.a: Bài tập vận dụng 21 2 3 23 23 2 3 2 3 *1 1 1 R R R R R R R R       10*2 20 5 10 2 12 3     Khi cho E1 tác động : ' 1 1 23 1 220 220*3 60( ) 5 11 2 3 E I A R R       ' ' 23 2 1 2 60*5 300 50( ) 2*3 6 R I I A R     ' ' 23 3 1 3 60*5 300 10( ) 10*3 30 R I I A R     Khi cho E2 tác động (Hình 2.6.c) R1 // R2 1 2 12 12 1 2 1 2 *1 1 1 R R R R R R R R       2*2 4 1 2 2 4     R12 = 1Ω '' 2 3 12 3 220 220 20( ) 1 10 11 E I A R R       ' ' 12 2 3 2 20*1 10( ) 2 R I I A R    '' '' 12 1 3 1 20*1 10( ) 2 R I I A R    Dòng điện qua các nhánh I1 = I1’ + (- I1’’) = 60-10=50(A) I2 = I2’ + I2’’= 50+10=60(A) I3 = (-I3’) + I3’’= ( -10) +20=10(A) 2.3. Giải mạch điện một chiều vận dụng định luật Kirhooff 2.3.1. Các định luật Kirhooff  Các khái niệm: Hình 2.7: Mạch điện ví dụ 22 Nhánh: Là một bộ phận của mạch điện, gồm các phần tử nối tiếp nhau trong đó có cùng một dòng điện chạy qua. Ví dụ: Nhánh AB, CD & EF như hình 2.7. Nút: là chỗ gặp nhau của 3 nhánh trở lên. Ví dụ: nút A, nút B như hình 2.7 Vòng: Là tập hợp các nhánh bất kì tạo thành một vòng kín.  Các định luật Kirhooff Định luật kirhooff 1 Tổng đại số các dòng điện tại một nút bằng không. Quy ước: dòng điện đi tới nút mang dấu (+), dòng điện đi ra khỏi nút mang dấu (-) Ví dụ: Viết phương trình kirhooff 1 cho nút A của mạch điện hình 2.8. I1 – I2 - I3 = 0 I1 = I2 + I3 Do đó định luật kirhooff 1 có thể phát biểu theo cách khác như sau: tại một nút, tổng các dòng điện đi tới nút bằng tổng các dòng điện đi ra khỏi nút. Như vậy định luật kirhooff 1 nói lên tính chất liên tục của dòng điện. Trong một nút không có hiện tượng tích lũy điện tích, có bao nhiêu trị số dòng điện tới nút thì cũng có bấy nhiêu trị số dòng điện ra khỏi nút. Định luật Kirhooff 2 Đi theo một vòng kín với chiều tùy ý, tổng đại số các sức điện động bằng tổng đại số các điện áp rơi trên các phần tử có trong mạch vòng. Để viết được phương trình định luật Kirhooff 2 phải chọn chiều dương cho mạch vòng (thuận hoặc ngược chiều kim đồng hồ). Quy ước: Những dòng điện và sức điện động cùng chiều dương quy ước thì mang dấu (+), ngược chiều dương quy ước mang dấu (-). 1 0 n k k i    1 1 1 . n m m i k k k i k k E u I R        D B F E2 I3 E1 R1 I1 R3 R2 I2 C A E Hình 2.8: mạch điện minh họa 23 Ví dụ: Viết phương trình định luật Kirhooff 2 cho mạch vòng I và II của hình 2.9. Giải Chọn chiều dương của mạch vòng theo mũi tên như hình vẽ. Vòng I: E1, I1, I2 cùng chiều với mạch vòng nên mang dấu (+). Vòng II: I3 cùng chiều với mạch vòng nên mang dấu (+), I2 và E2 ngược chiều với mạch vòng nên mang dấu (-), ta có: -E2 = - I2. R2 + I3. R3 2.3.1.1. Giải mạch điện một chiều sử dụng định luật kirhooff 2.3.1.2. Giải mạch bằng phương pháp dòng điện nhánh Phương pháp dòng điện nhánh để giải thích mạch điện dựa vào hai định luật Kirhooff 1 và Kirhooff 2 để viết phương trình nút và vòng biểu diễn mối tương quan giữa các dòng điện trong các nhánh làm ẩn số với các thông số kết cấu mạch điện đã biết. Do đó phương pháp này còn gọi là phương pháp hệ phương trình kirhooff hay phương pháp hệ phương trình vòng – nút. 2.3.1.2.1. Lý thuyết liên quan Bước 1: Phân tích mạch điện -Xác định số nhánh và qui ước chiều dòng điện mỗi nhánh, mỗi dòng điện nhánh là một ẩn số. -Xác định số nút và số vòng độc lập. + Nếu mạch có n nút ta có n – 1 nút độc lập. + Nếu mạch có m nhánh và n nút thì ta có: m – (n – 1) vòng độc lập, mỗi mạch vòng qui ước chiều dương thuận hoặc ngược chiều kim đồng hồ (vòng độc lập là những vòng không chứa nhánh bên trong, còn gọi là mắt lưới). Bước 2: Thành lập hệ phương trình Kirhooff. -Viết phương trình kirhooff 1 cho n – 1 nút độc lập. -Viết phương trình kirhooff 2 cho m – (n – 1) vòng độc lập. 1 1 1 2 2E I R I R  D B F E2 I3 E1 R1 I1 R3 R2 I2 C A E Hình 2.9: Mạch điện ví dụ 24 Chú ý: Nếu mạch có m nhánh, số phương trình cần phải viết là m phương trình. Bước 3: Giải hệ phương trình đã viết, tìm được nghiệm các dòng điện nhánh, nếu nhánh nào có giá trị dòng điện âm thì chiều thực của dòng điện đó ngược chiều đã chọn. Đặc điểm của phương pháp: có thể giải được mạch điện phức tạp, nhiều nguồn, nhưng nếu số nhánh nhiều thì hệ phương trình nhiều ẩn, thời gian tính toán lâu. 2.3.1.2.2. Bài tập vận dụng Cho mạch điện như hình 2-10: Biết: E1 = 125 V, E2 = 90 V, R1 = 3, R2 = 2, R3 = 4. Tìm dòng điện trong các nhánh và điện áp đặt trên R3? Giải: -Chọn chiều dòng điện I1, I2, I3 như hình vẽ, mạch điện có số nút là: n = 2, nên có n -1 = 2 – 1 = 1 nút độc lập. -Ta viết được một phương trình Kirhooff 1 cho nút A: I1 = I2 + I3 -Vì mạch điện có m = 3 nhánh nên ta có m – (n – 1) = 2 vòng độc lập. -Chọn chiều dương của các mạch vòng theo chiều mũi tên như nhình vẽ. Ta viết được hai phương trình Kirhooff 2 cho vòng I và vòng II. + Vòng I. + Vòng II. Giải hệ phương trình 3 ẩn: Rút I2, I3 từ phương trình (2) và (3) thay vào phương trình (1) Ta có: Thay số và giải phương trình ta có: I1=15(A) 1 1 1 3 3E I R I R  2 3 3 2 2E I R I R  1 2 3 1 1 1 3 3 2 3 3 2 2 I I I E I R I R E I R I R         1 3 3 1 1 3 3 2 2 3 3 2 2 2 1 3 3 2 3 3 3 1 2 0 E I R I R I R E E I R I R R E I R E I R I R R             B A I2 E2 E1 R1 I1 R2 R3 I3 II I Hình 2-10: Mạch điện bài tập 25 I2=-5(A) I3=20(A) Như vậy chiều thực của dòng điện I2 ngược chiều đã chọn. 2.3.1.3. Giải mạch điện bằng phương pháp dòng điện vòng 2.3.1.3.1.Lý thuyết liên quan Phương pháp dòng điện vòng dựa vào định luật Kirhooff 2. Phương pháp giải mạch: -Tùy ý chọn chiều dòng điện nhánh và dòng điện vòng -Lập m- n +1 phương trình Kirhooff 2 cho m - n +1 vòng độc lập -Giải hệ m- n + 1 phương trình tìm các dòng điện vòng -Từ các dòng điện vòng suy ra các dòng điện nhánh (Dòng điện nhánh bằng tổng đại số các dòng điện vòng chạy trên nhánh đó) Với: m là số nhánh, n là số nút của mạch điện Dòng điện vòng là dòng điện mạch vòng tưởng tượng chạy khép kín trong các vòng độc lập. 2.3.1.3.2. Bài tập vận dụng Bài tập: Cho mạch điện như hình 2.11, biết E1 =10 V, E2=5V, R1 =47 , R2 = 82 , R3 =22 .Tìm dòng điện trong các nhánh? Giải: Ta giải bằng phương pháp dòng điện vòng, chọn các vòng là các mắt với các vòng tương ứng Ia, Ib, từ đó ta lập được hệ phương trình (1), (2) . Ia (R1+ R3) +Ib R3 = E1 (1) IaR3 + Ib(R2+ R3) = E2 (2) Thay số vào ta có: 69Ia + 22Ib =10 (3) 22Ia+ 104Ib=5 (4) Giải hệ phương trình ta có: Ia=0,1393(A) Ib=0,0186(A) Dòng điện trong các nhánh :    Ib Ia B A I2 E2 E1 R1 I1 R2 R3 I3 Hình 2.11: Mạch điện bài tập 26 I1 =Ia =0,1393 A I2= Ib=0,0186 (A) I3= Ia + Ib =0,1393 + 0,0186 =0,1579(A) CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Bài 1: Trình bày các định luật và biểu thức cơ bản trong mạch điện một chiều? Bài 2: Trình bày các phương pháp giải mạch điện một chiều? Bài 3: Cho mạch điện có điện áp nguồn là U = 218V cung cấp cho tải có dòng điện chạy qua là I = 2,75A, trong thời gian 3 giờ. Biết giá tiền điện là 500đ/1kWh. Tính công suất tiệu thụ của tải, điện năng tiêu thụ và tiền phải trả? Bài 4: Cho mạch điện như hình vẽ (Hình 2.12). Viết phương trình theo định luật Kirhooff 1 tại nút A? Hình 2.12: Mạch điện bài 4 Bài 5: Cho mạch điện như hình vẽ (Hình 2.13) Viết phương trình theo định luật Kirhooff 2 cho vòng I, vòng II ? Hình 2.13: Mạch điện bài 5 Bài 6:Cho mạch điện như hình vẽ (Hình 2.14) có E1= 35V, E2= 95V, E3= 44V, R1=50 , R2=10 , R3=12 . Tìm dòng điện trong các nhánh    27 Bài 7: Cho mạnh điện như hình vẽ (Hình 2.14): Biết E1= 20 V, E2 = 20 V, R1=R2=1Ω, R3 = 9,5 Ω. Hãy tìm dòng điện trong các nhánh mạch bằng phương pháp dòng điện nhánh? I2 r4 E2 I3 D A E4 I4 E1 I1 r 3 r2 A C F E Hinh 2.14: Mạch điện bài 6 E1 E2 R R R Hình 2.15: Mạch điện bài 7 28 BÀI 3: MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU MỘT PHA. Giới thiệu: Trong kỹ thuật và đời sống, dòng điện xoay chiều được dùng rộng rãi vì nó có nhiều ưu điểm so với dòng điện một chiều. Dòng điện xoay chiều dễ dàng truyền tải đi xa, dễ dàng thay đổi điện áp nhờ máy biến áp. Khi cần thiết dễ dàng biến đổi dòng xoay chiều thành dòng một chiều nhờ các thiết bị nắn điện. Bài học này trang bị cho người học kiến thức về các khái niệm dòng xoay chiều, cách giải mạch điện xoay chiều không phân nhánh. Mục tiêu: Sau khi học xong bài này người học có khả năng: -Hiểu được khái niệm của dòng điện xoay chiều. -Trình bày được cách giải mạch điện xoay chiều không phân nhánh. -Giải được các dạng bài toán của mạch điện xoay chiều không phân nhánh như mạch xoay chiều thuần điện trở, mạch xoay chiều thuần cảm, mạch xoay chiều thuần dung và mạch R-L-C mắc nối tiếp. -Rèn luyện tính nghiêm túc, cẩn thận, chính xác và khả năng làm việc nhóm trong công việc. Người học tự đánh giá được kết quả công việc mình làm theo yêu cầu công việc mà giáo viên đưa ra. NỘI DUNG 1.Khái niệm về dòng điện xoay chiều 1.1.Dòng điện xoay chiều và dòng xoay chiều hình sin -Dòng điện xoay chiều là dòng điện thay đổi cả chiều và trị số theo thời gian. -Dòng điện xoay chiều biến đổi tuần hoàn, nghĩa là cứ sau một khoảng thời gian nhất định nó lặp lại quá trình biến thiên cũ. -Dòng điện xoay chiều biến thiên theo quy luật hình sin theo thời gian gọi là dòng điện xoay chiều hình sin. Biểu thức của dòng điện, điện áp hình sin: i = Imax sin (ωt + φi) u = Umax sin (ωt + φu) 29 i1 Im i = Imsint t o T Hình 3.1: Đồ thị dòng điện xoay chiều hình sin. Trong đó: i, u: trị số tức thời của dòng điện, điện áp. Imax, Umax: trị số cực đại (biên độ) của dòng điện, điện áp. φi, φu: Pha ban đầu của dòng điện, điện áp. Góc lệch pha giữa các đại lượng là hiệu số pha đầu của chúng. Góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện thường kí hiệu là φ: φ = φu - φi φ > 0 điện áp vượt trước dòng điện φ < 0 điện áp chậm pha so với dòng điện φ = 0 điện áp trùng pha với dòng điện Chu kỳ:Khoảng thời gian ngắn nhất để dòng điện lặp lại quá trình biến thiên cũ gọi là chu kỳ của dòng điện xoay chiều. ký hiệu : T(s). Tần số: số chu kỳ dòng điện thực hiện được trong một giây gọi là tần số của dòng điện xoay chiều. ký hiệu: f (Hz) 1 1 T f  1.2. Các đại lượng đặc trưng  Giá trị tức thời: Trị số của dòng điện, điện áp hình sin ở 1 thời điểm t bất kỳ gọi là trị số tức thời và được biểu diễn là: i = Imsin (t + i) u = Um sin (t + u)  Giá trị cực đại: Giá trị lớn nhất của trị số tức thời trong một chu kỳ gọi là trị số cực đại hay biên độ của lượng xoay chiều: Im, Um, Em  Giá trị hiệu dụng: 30 - Biểu thức trị số hiệu dụng: m m I707.0 2 I I  m m U707.0 2 U U  m m E707.0 2 E E  2.Giải mạch xoay chiều một pha không phân nhánh 2.1. Mạch điện xoay chiều thuần điện trở Là mạch điện có thành phần điện trở rất lớn, còn các thành phần điện cảm, điện dung rất bé có thể bỏ qua. Trong thực tế mạch bóng đèn, bếp điện, tủ sấy...được coi là mạch thuần trở. 2.1.1.Quan hệ giữa dòng điện và điện áp -Đặt điện áp xoay chiều tUu m sinR  vào hai đầu mạch thuần trở, trong mạch có dòng điện i chạy qua. Ở mọi thời điểm theo định luật Ohm ta có: 𝑖 = 𝑢 𝑅 = 𝑢𝑚 𝑅 sin ⍵𝑡 Đặt Im = Um R là biên độ dòng điện  𝑖 = 𝐼𝑚 sin ⍵t Trong mạch xoay chiều thuần điện trở dòng điện và điện áp biến thiên cùng tần số và trùng pha nhau. -Quan hệ trị hiệu dụng (định luật Ohm) Chia hai vế của Im = Um R cho √2 ta có: I = U R Trong mạch xoay chiều thuần điện trở, trị hiệu dụng của dòng điện tỉ lệ thuận với trị hiệu dụng của điện áp đặt vào nhánh, tỉ lệ nghịch với điện trở nhánh. -Biểu diễn véc tơ dòng điện I và điện áp UR I UR a b u,i i 0 t u Hình 3.2.a: Véc tơ dòng điện I và điện áp UR Hình 3.2.b: Đồ thị hình sin 31 2.1.2.Công suất -Công suất tức thời đưa vào đoạn mạch thuần điện trở: tIUtIUiuP mmR  22 sin...2sin.  Vì 2 2cos1 sin 2 t t     Nên   tIUIUtIU t IUPR   2cos..2cos1.. 2 2cos1 ...2    -Công suất tác dụng P: R U IRIUP 2 2..  Hình 3.3: Công suất mạch thuần trở Ví dụ: Một bóng đèn có ghi 220V, 100W mắc vào mạch xoay chiều có điện áp:  Vtu )30314sin(.2231 0 Xác định dòng điện qua đèn, công suất và điện năng đèn tiêu thụ trong 4h. Coi bóng đèn như nhánh thuần điện trở. Giải: Điện trở đèn ở chế độ định mức:   484 100 22022 dm dm P U R (Udm, Pdm là điện áp và công suất định mức ghi trên bóng) Trị số hiệu dụng của dòng điện tính theo định luật Ohm:  A R U I 48,0 484 231  Vì u và i đồng pha nhau nên biểu thức của dòng điện là:  AttIi )30314sin(.2.48,0)sin(.2   Công suất bóng tiêu thụ:  WIRP 110)48,0.(484. 22  Điện năng bóng tiêu thụ trong 4h:  WhtPW 4404.110.  2.2. Mạch điện xoay chiều thuần dung - Là mạch điện có thành phần điện dung rất lớn còn các thành phần R, L rất nhỏ có thể bỏ qua. - Thực tế dây cáp dẫn điện, tụ điện có thể xem là mạch điện thuần dung. p 0 t P 32 2.2.1. Quan hệ dòng điện và điện áp - Đặt điện áp xoay chiều u = Umsint vào hai đầu tụ điện (Hình 3.4). Hình 3.4: Mạch điện thuần dung Xuất hiện dòng điện chạy qua mạch: i = dt dq = C dt du = C dt ωt)sind(Um = C.. Umcost = C.. Umsin(t + 2  ) Đặt Im = C.. Um : là biên độ dòng điện i =Imsin(t + 2  ) Trong mạch xoay chiều thuần dung, dòng điện và điện áp biến thiên cùng tần số, song dòng điện vượt pha trước điện áp một góc 2  hay 900. * Quan hệ trị hiệu dụng (Định luật Ohm): Chia hai vế của Im = C.. Um cho 2 ta được: I = C.. U hay I = CX U Với: Xc = ωC 1 = fC2 1  : Là dung kháng của mạch, đơn vị:  u i C 33 * Đồ thị véc tơ và đồ thị tức thời:( Hình 3.5 a.b) C Hình 3.5:Đồ thị véc tơ và đồ thị tức thời 2.2.2. Công suất * Công suất tức thời: p = ui = UmImsint cost = UIsin2t Công suất tức thời biến thiên với tần số gấp đôi tần số dòng điện - Từ đồ thị (Hình 3.5.c) ta thấy : + Ở ¼ chu kỳ thứ nhất và thứ ba của điện áp, u và i cùng chiều, p > 0, tụ tích điện, năng lượng của nguồn được tích lũy trong điện trường của tụ. + Ở ¼ chu kỳ thứ hai và thứ tư của điện áp, u và i ngược chiều, p < 0, tụ phóng điện, năng lượng được phóng trả về nguồn. Quá trình cứ tiếp diễn tương tự. * Công suất tác dụng : p =  T 0 pdt T 1 = 0 Mạch điện thuần dung không có hiện tượng tiêu tán năng lượng, chỉ có hiện tượng trao đổi năng lượng giữa nguồn và điện trường một cách chu kỳ. * Công suất phản kháng: Q - Đặc trưng cho mức độ trao đổi năng lượng của điện dung: Q = U.I = I2XC (VAR) Ví dụ : Tụ điện có điện dung FC 80 , tổn hao không đáng kể, mắc vào nguồn điên áp xoay chiều U=380V, tần số f = 50Hz. Xác định dòng điện và công suất phản kháng của nhánh. Giải: u,i i 0 t u U I O p 0 t _ p a b 34 Dung kháng của nhánh:  610.80.50.14,3.2 1 2 11 fCC X C  Trị số hiệu dụng của dòng điện: )(5,9 40 380 A X U I C  Nếu lấy pha ban đầu của điện áp 0u thì 2  i Trị số tức thời của dòng điện: ) 2 314sin(.2.5,9   ti (A) Công suất phản kháng: var62,33620)5,9.(40. 22 KVarIXQ c  2.3. Mạch điện xoay chiều thuần cảm - Là mạch điện có thành phần điện cảm rất lớn, còn các thành phần điện trở, điện dung rất bé có thể bỏ qua. - Trong thực tế máy biến áp không tải, mạch điện cuộn kháng trong hộp số quạt trần có thể xem là mạch điện thuần cảm. 2.3.1. Quan hệ dòng điện và điện áp. -Đặt vào hai đầu mạch thuần cảm điện áp xoay chiều u (Hình 3.6), trong mạch xuất hiện dòng điện: i = Imsint. Hình 3.6: Mạch điện thuần cảm Dòng điện biến thiên làm xuất hiện sức điện động tự cảm: eL = -L dt di . Điện áp nguồn đặt vào mạch: U = -e1 = L dt di = L dt ωt)sind(Im = LImcost = LImsin(t + 2  ) Đặt Um = LIm: là biên độ điện áp  u =Umsin(t + 2  ) u i eL 35 Trong mạch xoay chiều thuần cảm, dòng điện và điện áp biến thiên cùng tần số, song điện áp vượt pha trước dòng điện một góc 2  hay 900. *Quan hệ trị hiệu dụng (Định luật Ôm): Chia hai vế của Um = LIm cho 2 ta có : U =LI = XLI hay I = LX U Với XL =L = 2fL: là cảm kháng của mạch ( đơn vị là  ) - Nếu đặt cuộn dây thuần cảm vào nguồn một chiều thì: I = LX U =  , vì dòng một chiều có f = 0  XL = 2f = 0 * Đồ thị véc tơ và đồ thị hình sin: ( Hình 3.7.a,b) a 2.3.2. Công suất. * Công suất tức thời: p = ui = UmImtt = ωt2sin. 2 IU mm = UIsin2t Công suất tức thời biến thiên với tần số gấp đôi tần số dòng điện. Nhìn đồ thị (Hình 3.7c), ta thấy: + Ở ¼ chu kỳ thứ nhất và thứ ba, dòng điện tăng, u và i cùng chiều, p = u i> 0, năng lượng từ nguồn được tích lũy trong từ trường cuộn dây. U I O u,i u 0 t b c Hình 3.7: Đồ thị véc tơ và đồ thị hình sin 36 + Ở ¼ chu kỳ thứ hai và thứ tư, dòng điện giảm, u và i ngược chiều, p = ui < 0, mạch phóng trả năng lượng về nguồn và mạch ngoài. Quá trình cứ tiếp diễn tương tự. * Công suất tác dụng: p =   T 0 0 pdt T 1 Vậy mạch điện thuần cảm không có hiện tượng tiêu tán năng lượng mà chỉ có hiện tượng trao đổi năng lượng một cách chu kỳ giữa nguồn và từ trường của cuộn dây. * Công suất phản kháng: Q - Đặc trưng cho mức độ trao đổi năng lượng của cuộn cảm: Q = UI = I2XL = L 2 X U Đơn vị: VAR ( Vôn – Ampe – phản kháng) KVAR ( Kilô vôn – Ampe – phản kháng) MVAR (Mêga vôn – Ampe – phản kháng) 1KVAR = 103VAR 1MVAR = 106VAR Ví dụ: Một cuộn dây thuần điện cảm L=0,015H, đóng vào nguồn điện có điện áp u,  Vtu        3 314sin.2100  Tính trị số hiệu dụng I, và góc pha ban đầu dòng điện i Giải: Điện kháng của cuộn dây:   71,4015,0.314LX L  Trị sô hiệu dụng của dòng điện:  A X U I L 23,21 71,4 100  Góc pha ban đầu của dòng điện: 623 23         i iiu Trị số tức thời của dòng điện: 𝑖 = 21,23√2 . sin (314𝑡 − 𝛱 6 ) 2.4. Giải mạch xoay chiều R-L-C mắc nối tiếp 2.4.1. Quan hệ dòng điện và điện áp Đặt điện áp xoay chiều vào mạch R- L – C nối tiếp (Hình 3.8 a), dòng điện chạy qua mạch i = Imsint gây ra những điện áp uR,uL,uC trên các phần tử R – L – C. + Điện áp giáng trên điện trở R: uR = URmsint, UR = I.R 37 + Điện áp giáng trên điện điện cảm L: uL = ULmsin(t + ) 2  , UL = I.XL + Điện áp giáng trên điện điện cảm L: uC = UCmsin(t - ) 2  , UC = I.XC Vì mạch nối tiếp nên: u = uR + uL + uC U = UR + UL + UC Các đại lượng dòng và áp đều biến thiên hình sin với cùng tần số, do đó có thể biểu diễn trên cùng một đồ thị véc tơ (Hình 3.8 b). Vì dòng điện chung cho các phần tử, nên trước hết ta vẽ véc tơ I sau đó dựa vào các kết luận về góc lệch pha và trị hiệu dụng để vẽ các véc tơ điện áp: UR,UL,UC. R u L u R C u L u C i  I UR UL - UC = UX ULUC U UL 0 UC a b Hình 3.8.a: Mạch R-L-C mắc nối tiếp Hình 3.8.b: Đồ thị véc tơ mạch R-L-C nối tiếp Các thành phần U, UR ,UX, tạo thành một tam giác vuông được gọi là tam giác điện áp. - Từ tam giác điện áp: 2 X 2 R 2 CL 2 R UU)U(UUU  UX = UL – UC: là thành phần điện áp phản kháng - Góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp (): R XX IR )XI(X U UU U U tg CLCL R CL R X       - Biểu thức điện áp có dạng: u = Umsin(t + ) + Nếu XL > XC thì  > 0, mạch có tính chất điện cảm, dòng điện chậm pha sau điện áp một góc . 38 + Nếu XL < XC thì  < 0, mạch có tính chất điện dung, dòng điện sớm pha hơn điện áp một góc . + Nếu XL = XC thì  = 0, dòng điện trùng pha với điện áp, lúc này mạch có hiện tượng cộng hưởng điện áp. * Quan hệ trị hiệu dụng: Ta có: Z U I I.Z)X(XRI)IX(IX(IR))U(UUU 2 CL 22 CL 22 CL 2 R   Trong đó: 22 XR  2 CL 2 )X(XRZ là tổng trở của mạch () X = XL – XC là điện kháng của mạch () - Nếu chia mỗi cạnh của tam giác điện áp cho I ta được tam giác vuông đồng dạng gọi là tam giác trở kháng (Hình 3.9). Từ tam giác trở kháng, chúng ta xác định được: 22 XR  2 CL 2 )X(XRZ R XX R X tg CL   R= Zcos X= Zsin 2.4.2. Công suất  Công suất tác dụng (P) P = UIcos = I2R (W) Đặc trưng cho hiện tượng biến đổi điện năng sang các dạng năng lượng khác như cơ năng, nhiệt năng  Công suất phản kháng (Q) Q = UIsin (VAR) Đặc trưng cho mức độ trao đổ năng lượng giữa nguồn với từ trường cuộn dây và điện trường của tụ điện.  Công suất biểu kiến hay công suất toàn phần (S) ZIUIS 2 Đơn vị: VA Bội số là KVA ,MVA 1KVA = 103VA 1MVA = 106VA -Quan hệ P, Q, S được mô tả bằng một tam giác vuông gọi là tam giác công suất  Z XL – XC = X R Hình 3.9: Tam giác trở kháng 39 Từ tam giác công suất, ta có: 22 QPS  P = S.cos Q = P.sin P Q tg  2.4.3.Cộng hưởng điện áp  Hiện tượng: Trong mạch xoay chiều, thành phần điện áp UL và UC ngược pha nhau, nếu tại thời điểm nào đó UL = UC thì mạch xảy ra hiện tượng cộng hưởng điện áp.(Hình 3.11) Khi đó: UL = UC  XL = XC R)X(XRZ 2CL 2  00 R XX tg CL     Nghĩa là tổng trở bằng điện trở, dòng điện đồng pha với điện áp.  Điều kiện cộng hưởng: Từ UL = UC  XL = XC  ωC 1 ωL  Tần số góc cộng hưởng: 0 1   LC Và tần số cộng hưởng: 0 2 1 2 f LC f    0 và f0 được gọi tần số riêng của mạch cộng hưởng, chỉ phụ thuộc vào kết cấu của mạch.  Vậy điều kiện để có cộng hưởng là tần số sức điện động nguồn bằng tần số riêng của mạch:  = 0 hay f = f0 Ở đây  và f là tần số sức điện động nguồn.  Ứng dụng: Hiện tượng cộng hưởng điện áp có nhiều ứng dụng trong thực tế. Chọn tần số cộng hưởng trong Radio tạo ra điện áp lớn trên cuộn cảm hay tụ điện khi điện áp nguồn nhỏ, dùng trong phòng thí nghiệm, mạch lọc theo tần số  S Q P Hình 3.10: Tam giác công suất U = UR UL UC 0 Hình 3.11: Đồ thị véc tơ 40 Tuy nhiên, nếu xảy ra cộng hưởng trong mạch không ứng vối chế độ làm việc bình thường sẽ dẫn đến hậu quả có hại như điện áp cục bộ trên cuộn dây, trên tụ điện tăng quá trị số cho phép gây nguy hiểm cho người và thiết bị. Ví dụ : Cho mạch R-L-C nối tiếp nhau như hình vẽ. Điện áp nguồn U = 200V, f = 50Hz. Xác định C để mạch có cộng hưởng nối tiếp. Tính dòng điện I và điện áp trên các phần tử và UR, UL và UC . Hình 3.12: Mạch điện ví dụ Giải: Để có cộng hưởng nối tiếp thì:   500CL XX Điện dung C của mạch điện: F XfX C CC 610.37,6 500.50.2 1 .2 11   Dòng điện khi cộng hưởng:  A R U I 2 100 200  Điện áp trên điện trở bằng điện áp nguồn:  VUUR 200 Điện áp trên điện cảm:  VIXU LL 10002.500.  Điện áp trên điện dung:  VIXU CC 10002.500.  CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Bài 1: Trình bày khái niệm của dòng điện xoay chiều? Bài 2: Trình bày cách giải mạch điện xoay chiều không phân nhánh? Bài 3: Cho đoạn mạch xoay chiều thuần điện trở. Biết biểu thức hiệu điện thế là )() 2 cos(0 VtUu    . Tìm biểu thức cường độ dòng điện qua đoạn mạch trên? Bài 4: Cho đoạn mạch xoay chiều thuần điện cảm. Biết biểu thức hiệu điện thế là )() 2 cos(0 VtUu    . Tìm biểu thức cường độ dòng điện qua đoạn mạch trên?  R=100 C X X =500 L 41 Bài 5: Cho đoạn mạch xoay chiều thuần điện dung. Biết biểu thức hiệu điện thế là )() 2 cos(0 VtUu    . Tìm biểu thức cường độ dòng điện qua đoạn mạch trên? Bài 3: Một cuộn dây thuần điện cảm L= 0,015H đóng vào nguồn điện có điện áp 100 2 sin(314 ). 3 u t    Tìm biểu thức cường độ dòng điện qua đoạn mạch trên? Bài 6: Trị số tức thời của dòng điện chạy qua tụ điện có điện dung C=2.10-3 F là ). 4 314sin(2100   ti Tính điện áp tức thời đặt lên tụ? Bài 7: Cho mạch điện có R=7Ω nối tiếp với một cuộn dây có L=0,08H và một tụ điện C=150µF, đặt vào điện áp xoay chiều 220V, tần số 50Hz. Tìm dòng điện trong mạch, các thành phần của tam giác điện áp, tam giác công suất? 42 BÀI 4: MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA Giới thiệu: Mạng điện 3 pha được sử dụng trong nhà máy, xí nghiệp để cấp điện cho các tải 3 pha, một pha.Việc phân tích và xác định các đại lượng trong mạng 3 pha là rất quan trọng. Bài học này trang bị cho người học kiến thức cơ bản về mạch điện xoay chiều 3 pha. Mục tiêu: Sau khi học xong bài này người học có khả năng: -Trình bày được khái niệm chung của mạng điện ba pha. -Trình bày được các dạng sơ đồ đấu dây trong mạch ba pha cân bằng, các định nghĩa, cách đấu dây, mối quan hệ giữa các đại lượng dây và pha trong cách đấu dây hình sao và cách đấu dây hình tam giác. -Trình bày được biểu thức tính công suất trong mạch điện ba pha. -Giải được các bài toán cơ bản trong mạch điện ba pha cân bằng. -Rèn luyện tính nghiêm túc, cẩn thận, chính xác và khả năng làm việc nhóm trong công việc. Người học tự đánh giá được kết quả công việc mình làm theo yêu cầu công việc mà giáo viên đưa ra. NỘI DUNG 1.Khái niệm chung -Hệ thống mạch điện 3 pha là tập hợp ba mạch điện một pha nối với nhau tạo thành một hệ thống năng lượng điện từ chung, trong đó sức điện động ở mỗi mạch đều có dạng hình sin, có cùng tần số nhưng lệch pha nhau 0120 hay 1/3 chu kỳ. -Sức điện động của mỗi pha được gọi là sức điện động pha. -Nguồn điện gồm ba sức điện động hình sin cùng biên độ, cùng tần số, lệch pha nhau 2π/3 gọi là nguồn ba pha đối xứng. -Hệ thống ba pha cân bằng (đối xứng) phải thỏa mãn đồng thời các điều kiện: Nguồn đối xứng, đường dây đối xứng, tải đối xứng. +Nếu không thỏa mãn đồng thời cả 3 điều kiện trên, hệ thống 3 pha sẽ trở thành bất đối xứng. -Nếu coi góc pha đầu của sức điện động pha A bằng không, ta có: Sức điện động pha A: eA = Emax sinωt Sức điện động pha B: eB = Emax sin(ωt - 2π/3) Sức điện động pha C: eC = Emax sin (ωt - 4π/3) = Emax sin (ωt + 2π/3) -Đồ thị dạng sóng và véc tơ của mạng ba pha đối xứng như hình 4.1: 43 Ý nghĩa của hệ thống điện ba pha: Để truyền dẫn năng lượng điện đến phụ tải, ta chỉ cần dùng ba dây hoặc bốn dây. Do đó, tiết kiệm được năng lượng và vật liệu. Ngoài ra, hệ ba pha dễ dàng tạo ra từ trường quay nên làm cho việc chế tạo động cơ điện đơn giản và kinh tế hơn. 2.Sơ đồ đấu dây trong mạch ba pha cân bằng 2.1. Các định nghĩa - Dây nối với các điểm đầu A, B, C gọi là dây pha, dây nối với điểm trung tính gọi là dây trung tính. - Mạch điện gồm 3 dây pha A, B, C (L1, L2, L3) và dây trung tính O(N) gọi là mạng 3 pha 4 dây, mạch chỉ có 3 dây A, B, C gọi là mạng 3 pha 3 dây. - Dòng điện chạy trên cuộn dây pha gọi là dòng pha: IP - Dòng điện chạy trên các pha nguồn gọi là dòng dây: Id - Dòng điện chạy trên dây trung tính kí hiệu: I0 (IN): dòng trung tính - Điện áp đo giữa 1 dây pha và trung tính gọi là áp pha: UP - Điện áp đo giữa 2 dây pha gọi là áp dây: Ud 2.2. Đấu dây hình sao 2.2.1.Cách đấu Đấu sao là đấu 3 điểm X,Y,Z (hoặc A,B,C) lại với nhau tạo thành điểm trung tính O (N), 3 điểm kia đấu vào mạng 3 pha. Hình 4.1: Đồ thị dạng sóng và véc tơ mạng ba pha đối xứng 44 2.2.2.Quan hệ giữa đại lượng dây- pha trong cách đấu hình sao - Quan hệ giữa dòng điện dây và pha: => Id = Ip - Quan hệ giữa điện áp dây và điện áp pha: Điện áp pha: UA = A – X = A – 0 UB = B –Y = B – 0 UC = C – Z = C – 0 Điện áp dây: UAB = A – B = (A – 0) – (B – 0) = UA - UB UBC = B – C = (B – 0) – (C – 0) = UB – UC UCA = C – A = (C – 0) – (A – 0) = UC – UA UAB = UBC = UCA = Ud = √3.Up => Ud = √3.Up Về pha, điện áp dây UAB, UBC, UCA lệch pha nhau một góc 1200 và vượt trước điện áp pha tương ứng một góc 300 - Đối với mạng 3 pha đối xứng thì: A = B = C = . Hình 4.2: Đấu hình sao 22 22 22 CC P dCPC BB P dBPB AA P dAPA XR U II XR U II XR U II       0  CBAO IIII 45 - Đối với mạng 3 pha không đối xứng thì: 2.3. Đấu dây hình tam giác 2.3.1.Cách đấu Điểm cuối cuộn dây pha A đấu với điểm đầu cuộn dây pha B, điểm cuối cuộn dây pha B đấu với điểm đầu cuộn dây pha C, điểm cuối cuộn dây pha C đấu với điểm đấu cuộn dây pha A, tất cả tạo thành 1 tam giác kín (Hình 4.3.a, b), 3 đỉnh tam giác nối với 3 dây dẫn gọi là 3 dây pha. 2.3.2.Quan hệ giữa các đại lượng dây- pha trong cách đấu tam giác -Quan hệ điện áp: Khi điện áp 3 pha là đối xứng: UA = UB = UC = Up Từ sơ đồ đấu tam giác, ta có: Ud = Up -Quan hệ dòng điện: Khi trở kháng 3 pha đối xứng: RA = RB = RC = R, XA = XB = XC = X Thì: IAB = IBC = ICA = Ip A = B = C =  Nghĩa là dòng điện 3 pha cũng đối xứng. Áp dụng định luật Kirhooff 1 cho các điểm A, B, C, ta có: IA = IAB - ICA IB = IBC – IAB IC = ICA – IBC Trong kiểu đấu tam giác: pd I3I  PCBA IIII  0  CBAO IIII Hình 4.3: Đấu tam giác 46 Hình 4 - 7 e A e B eC A C B IBC IABICA IA IB IC ZB ZA ZC 3. Công suất mạch điện ba pha cân bằng 3.1. Công suất tác dụng Công suất tác dụng của mạch ba pha bằng tổng công suất tác dụng của các pha. Gọi PA, PB, PC tương ứng là công suất tác dụng của các pha A, B, C, ta có: Công suất tác dụng của mỗi pha: PA = UAIAcosA PB = UBIBcosB PC = UCICcosC Ở đây: UA, UB, UC: là các điện áp pha. IA, IB, IC: là dòng điện các pha. A, B, C: là góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp mỗi pha. Công suất tác dụng của ba pha: P = PA + PB + PC  Khi mạch 3 pha đối xứng: IA = IB = IC = Ip UA = UB = UC = Up A = B = C =P Do đó P3P = 3UPIPcosP Chúng ta đã biết quan hệ giữa dòng và áp trong các mạch như sau: Mạch nối hình sao: Pd UU 3 ; Pd II  Mạch nối hình tam giác: Pd UU  ; Pd II 3 Cả hai cách nối dều có quan hệ: pPdd UIIU 3 Công suất mạch 3 pha cân bằng được tính theo công thức: Pdd COSUIP 3 Để đơn giản người ta thường viết gọn: Hình 4.3: Hệ thống 3 pha tải đấu tam giác 47 COSUIP 3 Hoặc: P = 3RpI2p. Trong đó: Rp là điện trở pha 3.2 Công suất phản kháng Gọi QA, QB, QC tương ứng là công suất phản kháng của các pha A, B, C, ta có: - Công suất phản kháng mỗi pha: QA = UAIAsinA QB = UBIBsinB QC = UCICsinC -Công suất phản kháng của ba pha: Q = QA + QB + QC  Khi mạch 3 pha đối xứng: tương tự trên ta có: Pdd SinUIQ 3 hay: SinUIQ 3 Hoặc: Q = 3XpI2p, trong đó Xp: điện kháng pha 3.3 Công suất biểu kiến Gọi SA, SB, SC tương ứng là công suất biểu kiến của các pha A, B, C, ta có: - Công suất biểu kiến mỗi pha: SA = UA.IA SB = UB.IB SC = UC.IC - Công suất biểu kiến của ba pha: S = SA + SB + SC  Khi mạch 3 pha đối xứng: tương tự trên ta có: ppdd UIUIS 33  hay: jQPUIS  ..3 Hoặc: S = 3ZpI2p, trong đó Zp: tổng trở pha Z R jX  = 22 XR  3.4. Điện năng * Điện năng tác dụng trong thời gian t: Wr = P.t = (UAIAcosA + UBIBcosB + UCICcosC)t (Wh) * Điện năng phản kháng trong thời gian t: Wx = Q.t = (UAIAsinA + UBIBsinB + UCICsinC)t (VARh) Khi mạch 3 pha đối xứng: * Điện năng tác dụng trong thời gian t: Wr = P.t = 3UpIpcos = 3 UdIdcos. * Điện năng phản kháng trong thời gian t: 48 Wx = Q.t = 3UpIpsin = 3 UdIdsin. 4.Giải mạch điện ba pha cân bằng 4.1. Giải mạch điện ba pha có tải nối hình sao đối xứng Đối với mạch ba pha đối xứng bao gồm nguồn đối xứng, tải và các dây pha đối xứng. Khi giải mạch ba pha đối xứng ta chỉ cần tính toán trên một pha rồi suy ra các pha kia  Khi không xét tổng trở đường dây pha: - Điện áp trên mỗi pha tải: -Tổng trở pha tải: trong đó Rp, Xp là điện trở và điện kháng mỗi pha tải. Ud là điện áp dây -Dòng điện pha của tải: Tài nối hình sao: Id = Ip  Khi có xét tổng trở của đường dây pha: Cách tính toán cũng tương tự: trong đó Rd, Xd là điện trở và điện kháng đường dây. *Ví dụ: Có động cơ ba pha, cuộn dây mỗi pha ở trạng thái làm việc ổn định, có điện trở 8 và cảm kháng 6, nối sao, đặt vào nguồn điện áp ba pha đối xứng có Ud = 380V. Xác định dòng điện qua mỗi cuộn dây, hệ số công suất mỗi pha? Giải: - Phụ tải ba pha đối xứng, trở kháng mỗi pha là: - Điện áp mỗi pha là:   1068 2222 XRZ 49 - Dòng điện qua mỗi pha là: - Hệ số công suất mỗi pha là: 4.2.Giải mạch điện ba pha có tải đấu tam giác đối xứng  Khi không xét tổng trở đường dây: Ta có: Ud = Up Dòng điện pha tải Ip: Dòng điện dây:  Khi có xét tổng trở đường dây: Tổng trở mỗi pha lúc nối tam giác: ZΔ = Rp+jXp Tổng trở biến đổi sang hình sao: Dòng điện dây Id: Dòng điện pha của tải: Ví dụ: Cho ba cuộn dây giống nhau có R = 8, X = 6 nối hình tam giác đặt vào điện áp ba pha đối xứng có Ud = 220V. Tìm dòng điện trong các pha, dòng điện dây, hệ số công suất và tính các thành phần công suất và điện năng tiêu thụ trong một ngày đêm? Giải:  V U U dP 220 3 380 3    22 10 220 Z U I PP 8,0 10 8 cos  Z R  50 Theo bài ra ta có trở kháng mỗi pha là: - Điện áp mỗi pha là: - Dòng điện qua mỗi pha là: - Dòng điện dây là: - Hệ số công suất mỗi pha là: - Công suất tác dụng ba pha là: P3P = 3PP = 3 UPIPcos = 3.220.22.0,8 = 11616 (W) - Công suất phản kháng ba pha là: Q3P = 3QP = 3UPIPsin = 3.220.22.0,6 = 8712 (VAR) - Công suất toàn phần là: S3P = 3SP = 3UPIP = 3.220.22 = 14520 (VA) - Điện năng tiêu thụ trong một ngày đêm là: CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Bài 1: Trình bày khái niệm chung của mạng điện ba pha? Bài 2: Trình bày các dạng sơ đồ đấu dây trong mạch ba pha cân bằng, các định nghĩa, cách đấu dây, mối quan hệ giữa các đại lượng dây và pha trong cách đấu dây hình sao và cách đấu dây hình tam giác? Bài 3: Cho mạch điện có tổng trở Z = 10Ω, Ud = 220V, mắc hình tam giác. Tính dòng điện pha, dòng điện dây? Bài 4: Cho ba cuộn giống nhau có R=10Ω, X=10Ω, nối hình sao, đặt vào điện áp 3 pha đối xứng có Ud=220. Tính dòng điện các pha, dòng điện dây và hệ số công suất? Bài 5: Phụ tải ba pha đối xứng, trở kháng mỗi pha là R=5Ω, X= 5√3 Ω, đấu tam giác, đặt vào điện áp 3 pha đối xứng có Ud=100 V. Tìm dòng điện trong mạch và các thành phần công suất của mạch?   1068 2222 XRZ  VUU dP 220   22 10 220 Z U I PP   3822.73,13 Pd II 8,0 10 8  Z R Cos 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Thị Cư, Mạch điện 1, NXB Giáo dục, 1996. [2] Hoàng Hữu Thận, Cơ sở Kỹ thuật điện, NXB Giao thông vận tải,2000. [3] Nguyễn Bình Thành, Cơ sở lý thuyết mạch điện, Đại học Bách khoa Hà Nội, 1980. [4] Hoàng Hữu Thận, Kỹ thuật điện đại cương, NXB Đại học và Trung học chuyên nghiệp Hà Nội, 1976. [5] Hoàng Hữu Thận, Bài tập Kỹ thuật điện đại cương, NXB Đại học và Trung học chuyên nghiệp Hà Nội, 1980. [6] Phạm Thị Cư , Bài tập mạch điện 1, Trường Đại học Kỹ thuật TPHCM, 1996