(NB) Giáo trình Kỹ thuật điện - điện tử với mục tiêu giúp các bạn có thể mô tả được mạch điện và mô hình mạch điện với các thông số đặc trưng của các phần tử mạch; Hiểu và vận dụng được các phương pháp thích hợp để giải các bài toán kỹ thuật điện; Mời các bạn cùng tham khảo nội dung giáo trình phần 1 dưới đây.
Mạch điện kết cấu và các đại lượng đặc trưng
Mô hình mạch điện, các thông số
Dòng điện hình sin và các đại lượng đặc trưng
1.5 Tính chất của dòng hình sin
1.6 Công suất của dòng hình sin và vấn đề nâng cao hệ số công
1.7 Các phương pháp giải mạch điện
1.8 Thực hành kết nối, kiểm tra và tính toán các thông số của
2 Chương 2: Mạch điện xoay chiều ba pha
2.1 Hệ thống mạch điện ba pha
2.2 Cách nối mạch điện ba pha
2.3 Công suất mạch ba pha
2.4 Thực hành kết nối và tính toán các thông số của mạch ba pha đấu sao và đấu tam giác
3.1 Định nghĩa và phân loại máy điện
3.3 Máy điện không đồng bộ
4 Chương 4: Kỹ thuật điện tử
4.1 Đại cương về chất bán dẫn
4.2 Diode bán dẫn và các mạch ứng dụng
4.3 Tranzitor và các mạch ứng dụng
4.5 Phần tử nhiều mặt ghép P –
Chương 1 Mạch điện và các phương pháp phân tích mạch Mục tiêu
- Mô tả được mạch điện và mô hình mạch điện với các thông số đặc trưng của các phần tử mạch
- Trình bày được các định luật về mạch điện, từ đó biết áp dụng vào các bài toán mạch
- Trình bày được khái niệm dòng hình sin và tính chất của dòng hình sin
- Hiểu và giải quyết được vấn đề nâng cao hệ số công suất
- Vận dụng được các phương pháp khi giải mạch điện
- Trình bày được cấu tạo, nguyên lý làm việc của các máy điện
- Có ý thức tự giác, tính kỷ luật cao, tinh thần trách nhiệm trong công việc
1.1 Mạch điện kết cấu và các đại lượng đặc trưng Để đặc trưng cho quá trình năng lượng cho Một nhánh hoặc Một phần tử của Mạch điện ta dùng hai đại lượng: dòng điện i và điện áp u
Dòng điện i về trị số bằng tốc độ biến thiên của lượng điện tích q qua tiết diện ngang Một vật dẫn: i = dq/d
Chiều dòng điện quy ước là chiều chuyển động của điện tích dương trong điện trường
Hiệu điện thế (hiệu thế) giữa hai điểm gọi là điện áp Điện áp giữa hai điểm A và B: uAB = uA- uB
Chiều điện áp quy ước là chiều từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp
Chiều dương dòng điện và điện áp
Khi giải mạch điện, người ta có thể tự do xác định chiều dòng điện và điện áp trong các nhánh, gọi là chiều dương Nếu kết quả tính toán cho giá trị dương, chiều dòng điện (hoặc điện áp) trong nhánh đó sẽ trùng với chiều đã vẽ Ngược lại, nếu giá trị là âm, chiều của dòng điện (hoặc điện áp) sẽ ngược lại với chiều đã xác định.
Trong mạch điện, mỗi nhánh hoặc phần tử có thể nhận hoặc phát năng lượng Nếu công suất p = u.i > 0, nhánh đó nhận năng lượng, trong khi p = u.i < 0 cho thấy nhánh phát năng lượng Đơn vị đo công suất là Oát (W) hoặc Kilô Oát (KW).
MÔ HÌNH MẠCH ĐIỆN, CÁC THÔNG SỐ
Mạch điện thực bao gồm nhiều thiết bị điện cụ thể Để nghiên cứu và tính toán trên mạch điện thực, cần phải thay thế nó bằng mô hình mạch điện.
Mô hình mạch điện gồm các thông số sau: nguồn điện áp u (t) hoặc e(t), nguồn dòng điện P (t), điện trở R, điện cảm L, điện dung C, hỗ cảm M
NGUỒN ĐIỆN ÁP VÀ NGUỒN DÒNG ĐIỆN
Nguồn điện áp đặc trưng cho khả năng tạo nên và duy trì Một điện áp trên hai cực của nguồn
Nguồn điện áp còn được biểu diễn bằng Một sức điện động e(t)
Chiều e (t) từ điểm điện thế thấp đến điểm điện thế cao Chiều điện áp theo quy ước từ điểm có điện thế cao đến điểm điện thế thấp: u(t) = - e(t)
Nguồn dòng điện P (t) đặc trưng cho khả năng của nguồn điện tạo nên và duy trì Một dòng điện cung cấp cho Mạch ngoài
Điện trở R thể hiện quá trình tiêu thụ điện năng và chuyển đổi nó thành các dạng năng lượng khác như nhiệt, quang, và cơ năng Mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên điện trở được mô tả bằng công thức uR = R.i, trong đó đơn vị của điện trở là ôm (Ω).
Công suất điện trở tiêu thụ: p = Ri 2
Hình 1.5 điện trở Điện dẫn G: G = 1/R Đơn vị điện dẫn là SiMen (S) Điện năng tiêu thụ trên điện trở trong khoảng thời gian t :
Khi i = const ta có A = R i 2 t ĐIỆN CẢM L
Khi có dòng điện i chạy trong cuộn dây W vòng sẽ sinh ra từ thông Móc vòng với cuộn dây
(hình 1.3.3) Điện cảM của cuộc dây: 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:
Quan hệ giữa dòng điện và điện áp:
Công suất tức thời trên cuộn dây:
Năng lượng từ trường của cuộn dây: Điện cảm L đặc trưng cho quá trình trao đổi và tích lũy năng lượng từ trường của cuộn dây
Khi đặt điện áp uc hai đầu tụ điện (hình 1.3.4), sẽ có điện tích q tích lũy trên bản tụ điện.:
Nếu điện áp u C biến thiên sẽ có dòng điện dịch chuyển qua tụ điện:
Công suất tức thời của tụ điện:
Năng lượng điện trường của tụ điện: Điện dung C đặc trưng cho hiện tượng tích lũy năng lượng điện trường
( phóng tích điện năng) trong tụ điện Đơn vị của điện dung là FI (FIara) hoặc MFI
Mô hình mạch điện, hay còn gọi là sơ đồ thay thế mạch điện, phản ánh cấu trúc hình học và quá trình năng lượng tương tự như mạch điện thực tế Tuy nhiên, các thành phần của mạch điện thực đã được mô phỏng bằng các thông số điện trở (R).
Mô hình Mạch điện được sử dụng rất thuận lợi trong việc nghiên cứu và tính toán Mạch điện và thiết bị điện
1.2 Mô hình mạch điện, các thông số Để miêu tả các hiện tượng năng lượng trong một thiết bị điện ta dùng sơ đồ điện Sơ đồ điện gồm các phần tử e,j,r,L,C là những phần tử cụ thể hóa những thông số đặc trưng các hiện tượng năng lượng, ghép lại theo kết cấu thiết bị điện Như vậy sẽ miêu tả được hình dáng kết cấu và quá trình năng lượng trong thiết bị điện
Hình 1.8 các thông số mạch điện
Một số khái niệm cơ bản:
– Nút: Điểm đấu nối của nhiều hơn 1 phần tử Bậc của nút bằng số phần tử đấu vào nút
– Nhánh: Chuỗi liên tiếp các phần tử mắc nối tiếp (các nút trung gian chỉ có bậc 2)
– Vòng: Một đường đi qua các nhánh và khép kín trong mạch điện (xuất phát từ 1 điểm nút nào đó và quay lại chính điểm xuất phát)
– Dòng điện nhánh: Dòng điện chạy qua các phần tử của nhánh
Điện thế nút là điện áp đo được giữa một nút trong mạch điện và một điểm "đất" chung cho toàn bộ mạch Điểm "đất" thường được chọn là một trong những nút của mạch điện.
Khi chọn chiều dòng điện nhánh, ưu tiên các nhánh có nguồn, với chiều dòng nhánh cùng chiều mũi tên nguồn; các nhánh còn lại có thể chọn tùy ý Đối với chiều điện áp, cần xác định rõ để đảm bảo tính chính xác trong mạch điện.
Trên các nguồn: Ngược chiều mũi tên nguồn
Trên các tải: Chọn chiều cùng chiều dòng nhánh
1.3 Các định luật về mạch điện
Chương này đề cập đến hai định luật quan trọng làm cơ sở cho việc phân giải mạch, đó là các định luật Kirchhoff
Bài viết này đề cập đến một số định lý liên quan đến mạch điện, cho phép giải quyết nhanh chóng các bài toán đơn giản và biến đổi mạch điện phức tạp thành các mạch đơn giản hơn Việc áp dụng các định lý này sẽ hỗ trợ hiệu quả trong việc sử dụng các định luật Kirchhoff để phân tích và giải mạch.
Để đơn giản hóa, chúng ta sẽ xem xét mạch điện chỉ bao gồm điện trở và các nguồn điện, được gọi là mạch DC Các phương trình mô tả loại mạch này chủ yếu là các phương trình đại số, không bao gồm các phần tử như cuộn cảm (L).
C, ta cần đến các phương trình vi tích phân)
Khi khảo sát và áp dụng các định lý, chúng ta chỉ tập trung vào cấu trúc của mạch mà không xem xét bản chất của các thành phần, vì vậy các kết quả trong chương này có thể áp dụng cho nhiều trường hợp tổng quát hơn.
Trong mạch DC, đáp ứng của mạch luôn tương tự như kích thích, vì vậy để đơn giản hóa, chúng ta sử dụng các nguồn độc lập với giá trị không đổi thay vì các hàm theo thời gian.
Một mạch điện bao gồm nhiều phần tử kết nối với nhau, tạo thành các nhánh Giao điểm giữa hai hoặc nhiều nhánh được gọi là nút, thường được coi là điểm giao của ba nhánh trở lên.
- Nếu xem mỗi phần tử trong mạch là một nhánh mạch này gồm 5 nhánh và 4 nút
Khi xem nguồn hiệu thế nối tiếp với R1 là một nhánh, và hai phần tử L cùng R2 là một nhánh khác, ta có thể hình dung mạch điện này gồm ba nhánh và hai nút, với dòng điện chạy qua các phần tử này là giống nhau.
Cách sau thường được chọn vì giúp việc phân giải mạch đơn giản hơn
Tính chất của dòng điện hình sin
BIỂU DIỄN DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN BẰNG VÉCTƠ
Các đại lượng hình sin có thể được biểu diễn dưới dạng véctơ, trong đó độ lớn (môđun) tương ứng với trị số hiệu dụng, và góc với trục Ox thể hiện pha đầu của các đại lượng Véctơ dòng điện đại diện cho dòng điện, trong khi véctơ điện áp thể hiện điện áp.
Tổng và hiệu của các hàm sin có thể được biểu diễn thông qua tổng và hiệu của các véc tơ tương ứng Định luật Kirchhoff 1 được thể hiện dưới dạng véc tơ, trong khi Định luật Kirchhoff 2 cũng được diễn đạt dưới dạng véc tơ.
Dựa vào biểu diễn các đại lượng và hai định luật Kiếchốp bằng véctơ, ta có thể giải quyết mạch điện trên đồ thị thông qua phương pháp đồ thị véctơ Việc biểu diễn dòng điện hình sin bằng số phức cho phép phân tích mạch điện một cách hiệu quả hơn.
Cách biểu diễn véc tơ gặp nhiều khó khăn khi giải Mạch điện phức tạp
Khi giải Mạch điện hình sin ở chế độ xác lập Một công cụ rất hiệu quả là biểu diễn các đại lượng hình sin bằng số phức
Kí hiệu của đại lượng phức
Số phức biểu diễn các đại lượng hình sin ký hiệu bằng các chữ in hoa, có dấu chấm ở trên
Biến đổi dạng số phức dạng Mũ sang đại số:
Biến đổi số phức dạng đại số sang số Mũ: a+ Pb = C.e P P trongđó:
Một số phép tính đối với số phức
(a+Pb).(c+Pd) = ac + Pbc + Pad + P 2 bd= (ac-bd) + P(bc+ad)
Tổng trở phức và tổng dẫn phức
Tổng trở phức kí hiệu là Z:
Mô đun của tổng trở phức kí hiệu là z:
27 Định luật ÔM dạng phức: Định luật Kiếchốp dạng phức Định luật Kiếchốp 1 dưới dạng phức: Định luật Kiếchốp 2 dưới dạng phức:
Các phương pháp giải mạch điện
Thực hành kết nối, kiểm tra và tính toán các thông số của mạch điện
và tính toán các thông số của
2 Chương 2: Mạch điện xoay chiều ba pha
2.1 Hệ thống mạch điện ba pha
2.2 Cách nối mạch điện ba pha
2.3 Công suất mạch ba pha
2.4 Thực hành kết nối và tính toán các thông số của mạch ba pha đấu sao và đấu tam giác
3.1 Định nghĩa và phân loại máy điện
3.3 Máy điện không đồng bộ
4 Chương 4: Kỹ thuật điện tử
4.1 Đại cương về chất bán dẫn
4.2 Diode bán dẫn và các mạch ứng dụng
4.3 Tranzitor và các mạch ứng dụng
4.5 Phần tử nhiều mặt ghép P –
Chương 1 Mạch điện và các phương pháp phân tích mạch Mục tiêu
- Mô tả được mạch điện và mô hình mạch điện với các thông số đặc trưng của các phần tử mạch
- Trình bày được các định luật về mạch điện, từ đó biết áp dụng vào các bài toán mạch
- Trình bày được khái niệm dòng hình sin và tính chất của dòng hình sin
- Hiểu và giải quyết được vấn đề nâng cao hệ số công suất
- Vận dụng được các phương pháp khi giải mạch điện
- Trình bày được cấu tạo, nguyên lý làm việc của các máy điện
- Có ý thức tự giác, tính kỷ luật cao, tinh thần trách nhiệm trong công việc
1.1 Mạch điện kết cấu và các đại lượng đặc trưng Để đặc trưng cho quá trình năng lượng cho Một nhánh hoặc Một phần tử của Mạch điện ta dùng hai đại lượng: dòng điện i và điện áp u
Dòng điện i về trị số bằng tốc độ biến thiên của lượng điện tích q qua tiết diện ngang Một vật dẫn: i = dq/d
Chiều dòng điện quy ước là chiều chuyển động của điện tích dương trong điện trường
Hiệu điện thế (hiệu thế) giữa hai điểm gọi là điện áp Điện áp giữa hai điểm A và B: uAB = uA- uB
Chiều điện áp quy ước là chiều từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp
Chiều dương dòng điện và điện áp
Khi giải mạch điện, người ta có thể tùy ý xác định chiều dương cho dòng điện và điện áp trong các nhánh Nếu kết quả tính toán cho giá trị dương, nghĩa là chiều dòng điện hoặc điện áp trong nhánh đó phù hợp với chiều đã vẽ Ngược lại, nếu giá trị âm xuất hiện, chiều của dòng điện hoặc điện áp sẽ ngược lại với chiều đã xác định.
Trong mạch điện, mỗi nhánh hoặc phần tử có khả năng nhận hoặc phát năng lượng Khi công suất p = u.i > 0, nhánh đó nhận năng lượng, trong khi p = u.i < 0 cho thấy nhánh phát năng lượng Đơn vị đo công suất là Oát (W) hoặc Kilô Oát (KW).
MÔ HÌNH MẠCH ĐIỆN, CÁC THÔNG SỐ
Mạch điện thực bao gồm nhiều thiết bị điện cụ thể Khi tiến hành nghiên cứu và tính toán trên mạch điện thực, cần phải sử dụng mô hình mạch điện để thay thế cho mạch điện thực.
Mô hình mạch điện gồm các thông số sau: nguồn điện áp u (t) hoặc e(t), nguồn dòng điện P (t), điện trở R, điện cảm L, điện dung C, hỗ cảm M
NGUỒN ĐIỆN ÁP VÀ NGUỒN DÒNG ĐIỆN
Nguồn điện áp đặc trưng cho khả năng tạo nên và duy trì Một điện áp trên hai cực của nguồn
Nguồn điện áp còn được biểu diễn bằng Một sức điện động e(t)
Chiều e (t) từ điểm điện thế thấp đến điểm điện thế cao Chiều điện áp theo quy ước từ điểm có điện thế cao đến điểm điện thế thấp: u(t) = - e(t)
Nguồn dòng điện P (t) đặc trưng cho khả năng của nguồn điện tạo nên và duy trì Một dòng điện cung cấp cho Mạch ngoài
Điện trở R là yếu tố quan trọng trong việc tiêu thụ điện năng và chuyển đổi điện năng thành các dạng năng lượng khác như nhiệt, quang, và cơ năng Mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên điện trở được biểu diễn qua công thức uR = R.i, trong đó đơn vị của điện trở là ôm (Ω).
Công suất điện trở tiêu thụ: p = Ri 2
Hình 1.5 điện trở Điện dẫn G: G = 1/R Đơn vị điện dẫn là SiMen (S) Điện năng tiêu thụ trên điện trở trong khoảng thời gian t :
Khi i = const ta có A = R i 2 t ĐIỆN CẢM L
Khi có dòng điện i chạy trong cuộn dây W vòng sẽ sinh ra từ thông Móc vòng với cuộn dây
(hình 1.3.3) Điện cảM của cuộc dây: 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:
Quan hệ giữa dòng điện và điện áp:
Công suất tức thời trên cuộn dây:
Năng lượng từ trường của cuộn dây: Điện cảm L đặc trưng cho quá trình trao đổi và tích lũy năng lượng từ trường của cuộn dây
Khi đặt điện áp uc hai đầu tụ điện (hình 1.3.4), sẽ có điện tích q tích lũy trên bản tụ điện.:
Nếu điện áp u C biến thiên sẽ có dòng điện dịch chuyển qua tụ điện:
Công suất tức thời của tụ điện:
Năng lượng điện trường của tụ điện: Điện dung C đặc trưng cho hiện tượng tích lũy năng lượng điện trường
( phóng tích điện năng) trong tụ điện Đơn vị của điện dung là FI (FIara) hoặc MFI
Mô hình Mạch điện, hay còn gọi là sơ đồ thay thế Mạch điện, là một phương pháp thể hiện cấu trúc hình học và quá trình năng lượng tương tự như trong Mạch điện thực Tuy nhiên, các phần tử của Mạch điện thực được mô phỏng bằng các thông số điện trở R.
Mô hình Mạch điện được sử dụng rất thuận lợi trong việc nghiên cứu và tính toán Mạch điện và thiết bị điện
1.2 Mô hình mạch điện, các thông số Để miêu tả các hiện tượng năng lượng trong một thiết bị điện ta dùng sơ đồ điện Sơ đồ điện gồm các phần tử e,j,r,L,C là những phần tử cụ thể hóa những thông số đặc trưng các hiện tượng năng lượng, ghép lại theo kết cấu thiết bị điện Như vậy sẽ miêu tả được hình dáng kết cấu và quá trình năng lượng trong thiết bị điện
Hình 1.8 các thông số mạch điện
Một số khái niệm cơ bản:
– Nút: Điểm đấu nối của nhiều hơn 1 phần tử Bậc của nút bằng số phần tử đấu vào nút
– Nhánh: Chuỗi liên tiếp các phần tử mắc nối tiếp (các nút trung gian chỉ có bậc 2)
– Vòng: Một đường đi qua các nhánh và khép kín trong mạch điện (xuất phát từ 1 điểm nút nào đó và quay lại chính điểm xuất phát)
– Dòng điện nhánh: Dòng điện chạy qua các phần tử của nhánh
Điện thế nút là điện áp giữa một nút trong mạch điện và một điểm "đất" chung Điểm "đất" thường là một nút khác trong mạch điện.
Khi chọn các chiều dòng điện nhánh, ưu tiên các nhánh có nguồn, đảm bảo chiều dòng nhánh cùng chiều với mũi tên nguồn; các nhánh còn lại có thể lựa chọn tùy ý Đồng thời, cần xác định chiều điện áp một cách hợp lý.
Trên các nguồn: Ngược chiều mũi tên nguồn
Trên các tải: Chọn chiều cùng chiều dòng nhánh
1.3 Các định luật về mạch điện
Chương này đề cập đến hai định luật quan trọng làm cơ sở cho việc phân giải mạch, đó là các định luật Kirchhoff
Trong bài viết này, chúng ta sẽ thảo luận về một số định lý liên quan đến mạch điện Việc áp dụng những định lý này không chỉ giúp giải quyết nhanh chóng các bài toán đơn giản mà còn cho phép biến đổi mạch điện phức tạp thành những mạch đơn giản hơn Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc áp dụng các định luật Kirchhoff trong quá trình phân tích và giải mạch.
Để đơn giản hóa, chúng ta chỉ xem xét mạch điện bao gồm toàn điện trở và các loại nguồn, được gọi là mạch DC Các phương trình mô tả loại mạch này chủ yếu là các phương trình đại số, trong khi mạch có chứa cuộn cảm (L) sẽ phức tạp hơn.
C, ta cần đến các phương trình vi tích phân)
Khi khảo sát và áp dụng các định lý, chúng ta chỉ tập trung vào cấu trúc của mạch mà không xem xét bản chất của các thành phần, vì vậy các kết quả trong chương này có thể áp dụng cho nhiều trường hợp tổng quát hơn.
Trong các mạch DC, đáp ứng của mạch thường có dạng tương tự như kích thích Do đó, để đơn giản hóa, chúng ta sử dụng các nguồn độc lập có giá trị không đổi thay vì các hàm theo thời gian.
Một mạch điện bao gồm hai hoặc nhiều phần tử được kết nối với nhau, tạo thành các nhánh Giao điểm giữa hai hoặc nhiều nhánh được gọi là nút, và thường được coi là giao điểm của ba nhánh trở lên.
- Nếu xem mỗi phần tử trong mạch là một nhánh mạch này gồm 5 nhánh và 4 nút
Khi xem nguồn hiệu thế nối tiếp với R1 là một nhánh, trong khi hai phần tử L và R2 tạo thành một nhánh khác, ta có thể xác định rằng mạch điện này bao gồm ba nhánh và hai nút, với dòng điện chạy qua các phần tử này là giống nhau.
Cách sau thường được chọn vì giúp việc phân giải mạch đơn giản hơn
