Bài giảng Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff - Nguyễn Việt Sơn
CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN 1
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff
I. Khái niệm về mô hình trường - mô hình hệ thống.
II. Các hiện tượng cơ bản trong mô hình mạch Kirchhoff.
III. Các luật cơ bản trong mô hình mạch Kirchhoff.
IV. Nội dung bài toán mạch.
1
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff
I. Khái niệm về mô hình trường - mô hình hệ thống.
Mạch điện gồm một hệ thống các thiết bị nối ghép với nhau cho phép trao đổi năng lượng và tín
hiệu.
Thiết bị điện
u(t), i(t), p(t) …
E(x, y, z, t), H(x,y,z,t) …
c
6000(km)
Mô hình hệ thống
Mô hình trường
f
Mô hình mạch
tín hiệu
Hình vẽ mô phỏng
thiết bị điện
Luật
Mạch hóa
Mô hình mạch (năng
Hệ phương trình
toán học
Sơ đồ mạch
lượng) Kirchhoff
Luật Ohm
l << λ
Xét sự truyền đạt năng lượng
giữa các thiết bị điện
gtb >> gmoi truong
Luật Kirchhoff 1,
2
Hữu hạn các trạng thái.
Luật bảo toàn công suất
2
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN 1
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff.
I. Khái niệm về mô hình trường - mô hình hệ thống.
II. Các hiện tượng cơ bản trong mô hình mạch Kirchhoff.
II.1. Nguồn điện.
II.2. Phần tử tiêu tán trong mạch điện R.
II.3. Kho điện. Điện dung C.
II.4. Kho từ. Điện cảm L.
III. Các luật cơ bản trong mô hình mạch Kirchhoff.
IV. Nội dung bài toán mạch.
3
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff
II. Các hiện tượng cơ bản trong mạch Kirchhoff.
Mô hình mạch Kirchhoff được xem xét trên phương diện truyền đạt năng lượng giữa các thiết bị
trong một mạch điện.
Có rất nhiều hiện tượng trong các thiết bị điện: Hiện tượng tiêu tán, hiện tượng tích phóng điện từ,
hiện tượng tạo sóng, phát sóng, khuếch đại, chỉnh lưu, điều chế … nhưng thực tế cho thấy thường
tồn tại một nhóm đủ hiện tượng cơ bản, từ đó hợp thành mọi hiện tượng khác, đó là:
Hiện tượng tiêu tán: Năng lượng điện từ đưa vào một vùng và biến chuyển thành những dạng
năng lượng khác như nhiệt năng, cơ năng, quang năng … tiêu tán đi, không hoàn nguyên lại nữa.
Ví dụ : Bếp điện, bóng đèn neon, động cơ kéo …
Hiện tượng phát: Là hiện tượng biến các dạng năng lượng khác thành dạng năng lượng điện từ.
Hiện tượng phát tương ứng với một nguồn phát.
Ví dụ : Pin, acqui, nhà máy thủy điện, nhiệt điện, cối xay gió …
Hiện tượng tích phóng của kho điện: Năng lượng điện từ tích vào một vùng tập trung điện
trường như lân cận các bản tụ điện hoặc đưa từ vùng đó trả lại trường điện từ.
Hiện tượng tích phóng của kho từ: Năng lượng điện từ tích vào một vùng tập trung từ trường
như lân cận một cuộn dây có dòng điện hoặc đưa trả từ vùng đó.
4
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff
II. Các hiện tượng cơ bản trong mạch Kirchhoff.
Mô hình mạch Kirchhoff nghiên cứu quá trình truyền đạt năng lượng và tìm cách mô hình hóa các
hiện tượng trao đổi năng lượng bằng những phần tử sao cho quan hệ giữa các biến trạng thái trên
chúng cho phép biểu diễn quá trình truyền đạt năng lượng tại vùng mà chúng được thay thế.
Với 4 quá trình năng lượng cơ bản khảo sát được trong mạch Kirchhoff, mô hình mạch Kirchhoff sẽ
có 4 phần tử cơ bản, đó là :
Nguồn điện (nguồn suất điện động, nguồn dòng) ↔ Hiện tượng phát
Phần tử tiêu tán (điện trở R, điện dẫn g) ↔ Hiện tượng tiêu tán
Phần tử kho điện (điện dung C) ↔ Hiện tượng tích phóng của kho điện
Phần tử kho từ (điện cảm L, hỗ cảm M) ↔ Hiện tượng tích phóng của kho từ
5
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff
II.1. Nguồn điện.
Trong mô hình mạch Kirchhoff, các thiết bị thực hiện quá trình chuyển hóa các dạng năng lượng
khác thành điện năng được gọi là nguồn điện.
Quy ước: Chiều dòng điện chảy trong nguồn chảy từ nơi có điện áp thấp đến nơi có điện áp cao.
Pnguon = u . i < 0 phát công suất
Pnguon = u . i > 0 nhận công suất
Phân loại:
Nguồn độc lập: Các trạng thái của nguồn (biên độ, tần số, hình dáng, góc pha …) chỉ tùy
thuộc vào quy luật riêng của nguồn mà không phụ thuộc vào trạng thái bất kỳ trong mạch.
Ví dụ: Nguồn áp, nguồn dòng …
Nguồn lệ thuộc: Các trạng thái của nguồn bị phụ thuộc (điều khiển) bởi một trạng thái nào đó
trong mạch điện.
Ví dụ: Nguồn áp bị điều khiển bởi dòng, nguồn áp bị điều khiển bởi áp; nguồn dòng bị điều
khiển bởi dòng, nguồn dòng bị điều khiển bởi áp …
6
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff
II.1. Nguồn điện.
Nguồn áp:
Định nghĩa: Nguồn áp e(t) là một phần tử sơ đồ mạch Kirchhoff có đặc tính duy trì trên hai
cực của nó một hàm điện áp, còn gọi là sức điện động e(t) xác định theo thời gian, và không
phụ thuộc vào dòng điện chảy qua nó.
Biến trạng thái: Điện áp trên hai cực của nguồn. Đối với một nguồn áp lý tưởng, giá trị của
điện áp trên hai cực của nguồn không phụ thuộc vào giá trị của tải nối với nguồn.
e(t)
e(t)
Phương trình trạng thái: u(t) = - e(t)
Ký hiệu:
Rng
i(t)
i(t)
u(t)
u(t)
Nguồn thực
Nguồn lý tưởng
(Rng ≠ 0)
(Rng = 0)
(Chiều của mũi tên là chiều quy ước của dòng điện sinh ra bởi nguồn)
Cách nối: Nguồn áp được nối trong nhánh của mạch điện (tránh ngắn mạch nguồn áp)
7
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff
II.1. Nguồn điện.
Nguồn dòng:
Định nghĩa: Nguồn dòng j(t) là một phần tử sơ đồ mạch Kirchhoff có đặc tính bơm qua nó một
hàm dòng điện i(t) xác định, không tùy thuộc vào điện áp trên hai cực của nó.
Biến trạng thái: Dòng điện chảy qua nguồn. Đối với một nguồn dòng lý tưởng, giá trị của
dòng điện sinh ra bởi nguồn không phụ thuộc vào giá trị của tải nối với nguồn.
Phương trình trạng thái: i(t) = j(t)
j(t)
j(t)
Rng
i(t)
i(t)
Ký hiệu:
Nguồn thực
(Rng < ∞)
Nguồn lý tưởng
(Rng = ∞)
(Chiều của mũi tên là chiều quy ước của dòng điện sinh ra bởi nguồn)
Cách nối: Nguồn dòng được nối vào hai cặp đỉnh của mạch điện (tránh hở mạch nguồn dòng)
8
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff
II.2. Phần tử tiêu tán - Điện trở R - Điện dẫn g.
Hiện tượng: Khi có một dòng điện chạy qua một vật dẫn điện vật dẫn nóng lên do có sự chuyển
hóa điện năng thành nhiệt năng. Ví dụ: Bếp điện, bàn là …
Định nghĩa: Điện trở là phần tử đo khả năng tiêu tán của vật dẫn.
Biến trạng thái: u(t), i(t).
i(t)
u(t)
u(t)
i(t)
Phương trình trạng thái:
Thứ nguyên:
Ký hiệu:
g
r
i(t)
R
[A]
[V]
g
[Si]
r
[]
u(t)
[V]
[A]
Đơn vị dẫn xuất: 1KΩ = 103Ω
Phân loại: Dựa theo mối quan hệ giữa 2 biến trạng thái.
i(t)
u(t)
Tuyến tính:
g
const
r
const
u(t)
i(t)
Phi tuyến:
g G(u,i)
r R(u,i)
9
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff
II.3. Kho điện - Điện dung C.
Hiện tượng: Xét 2 vật dẫn đặt tương đối gần nhau, có bề mặt đối nhau rộng và ngăn cách nhau bởi
chân không hoặc chất điện môi. Nếu đặt lên chúng một điện áp u(t) thì trong lân cận bề mặt vật dẫn
sẽ tập trung một điện trường hình thành một kho điện.
Định nghĩa: Điện dung C là thông số đặc trưng cho khả năng phóng - nạp điện của kho điện.
Biến trạng thái: u(t), i(t).
Phương trình trạng thái:
du(t)
i(t) C
dq(t) q u(t)
dt
Ký hiệu:
i(t)
[F]
.
1
dt
u t
C
u(t)
i(t)dt
i(t)
C
[Culon]
Thứ nguyên:
C
u(t)
[V]
Đơn vị dẫn xuất: 1µF = 10-6F
1nF = 10-9F
Năng lượng:
q
Phân loại: Dựa theo mối quan hệ giữa 2 biến trạng thái.
q
Tuyến tính:
C const
1
dwE u.dq u .du .C.du2
u
u
2
Phi tuyến:
C C(q,u)
10
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff
II.4. Kho từ - Điện cảm L - Hỗ cảm M.
Hiện tượng: Khi một dây dẫn hoặc một cuộn dây có dòng điện i(t) chảy qua trong vùng lân cận
của vật dẫn tập trung một từ trường (kho từ).
Định nghĩa: Điện cảm L là thông số đặc trưng cho khả năng tích lũy năng lượng từ trường cuộn dây
di(t)
Biến trạng thái: u(t), i(t).
Phương trình trạng thái:
u(t) L.
d i
dt
u(t)
.
1
dt
i t
i(t)
u(t).dt
L
[Wb]
Ký hiệu:
Thứ nguyên:
L
[H]
[A]
Đơn vị dẫn xuất: 1mH = 10-3H
L
i(t)
u(t)
Phân loại: Dựa theo mối quan hệ giữa 2 biến trạng thái.
i
Năng lượng:
Tuyến tính:
L const
i
1
.di .L.di2
Phi tuyến:
L L(i,)
dwL i.d i
2
11
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff
II.4. Kho từ - Điện cảm L - Hỗ cảm M.
Hiện tượng tự cảm:
Ψ(t)
L
i(t)
Xét một cuộn dây L, có dòng điện biến thiên i(t).
utc(t)
Theo luật Lenx: Dòng điện i(t) sinh ra từ thông ψ(t)
biến thiên có chiều chống lại sự biến thiên của dòng điện
sinh ra nó (chiều của từ thông được xác định theo quy tắc
vặn nút chai).
Từ thông biến thiên sinh ra một sức điện động tự cảm utc(t) trên cuộn dây.
d
dt
di(t)
Ψ(t)
utc (t)
L
dt
L
i(t)
Ngược lại, xét một cuộn dây L, và tồn tại một từ thông
ψ(t) móc vòng qua cuộn dây.
Nếu mạch kín, từ thống ψ(t) sẽ sinh ra một dòng điện tự cảm itc(t) biến thiên có chiều chống lại
sự biến thiên của từ thông sinh ra nó (chiều của dòng điện tự cảm được xác định theo quy tắc vặn
nút chai)
12
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff
II.4. Kho từ - Điện cảm L - Hỗ cảm M.
Hiện tượng hỗ cảm:
Ψ21(t)
Ψ11(t)
L1
u11(t)
L2
u21(t)
i1(t)
Xét 2 cuộn dây L1 và L2 đặt đủ gần nhau trong không gian, cuộn dây L1 có dòng điện biến
thiên i1(t).
Theo luật cảm ứng điện từ: i1(t) sinh ra từ thông ψ11(t) biến thiên móc vòng qua các vòng dây
của cuộn L1 sinh ra điện áp tự cảm u11(t).
di1(t)
u11(t) L .
1
dt
Do L2 đặt đủ gần L1, có một phần từ thông ψ21(t) móc vòng qua các cuộn dây L2 sinh ra sức
điện động cảm ứng u21(t).
d21 di
di
1
1
21 . M21.
M21: hệ số hỗ cảm của cuộn L2 do i1 gây ra
u21(t)
dt
i1 dt
dt
13
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff
II.4. Kho từ - Điện cảm L - Hỗ cảm M.
Hiện tượng hỗ cảm:
Ψ12(t)
Ψ21(t)
Ψ11(t)
Ψ22(t)
L1
L2
i1(t)
i2(t)
u22(t)
u11(t)
u21(t)
u12(t)
u1(t)
u2(t)
Tương tự, nếu trong cuộn dây L2 có dòng điện biến thiên i2(t) chạy qua sinh ra từ thông
ψ22(t) biến thiên móc vòng qua các vòng dây của L2 sinh ra điện áp cảm ứng u22(t)
di2 (t)
u22 (t) L2.
dt
Một phần của nó ψ12(t) móc vòng qua các vòng dây của cuộn dây L1 sinh ra sức điện động
cảm ứng u12(t) trên cuộn L1
d12 12 di2
di2
dt
M12: hệ số hỗ cảm của cuộn L1 do i2 gây ra
u12 (t)
.
M12.
dt
i2 dt
di
di2
dt
1
u1(t) u11(t) u12 (t) L . M12
Điện áp tổng trên 2 cuộn dây:
1
dt
M12 M21 k. L .L2
1
di2
di1
k: hệ số quan hệ không
gian giữa L1 và L2
u2 (t) u22 (t) u21(t) L2.
M21
dt
dt
14
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff
II.4. Kho từ - Điện cảm L - Hỗ cảm M.
Cực tính của cuộn dây:
Thực tế, các cuộn dây không có cực tính, tuy nhiên để xác định được chiều của các điện áp tự
cảm và hỗ cảm, người ta đưa vào khái niệm cực tính của cuộn dây.
Trong không gian, việc xác định chiều của từ thông được thực hiện theo quy tắc vặn nút chai:
Nếu biết chiều của dòng điện so với vị trí của cuộn dây (chảy qua cuộn dây theo chiều thuận hay
ngược kim đồng hồ) thì ta sẽ xác định được chiều điện áp cảm ứng.
Khi mô hình hóa cuộn dây trong sơ đồ mạch Kirchhoff, chúng ta mất đi thông tin về không
gian (chiều quấn của cuộn dây) để xác định được chiều điện áp hay từ thông, người ta dùng
dấu * để đánh dấu. Vậy ta sẽ biết được chiều của dòng điện so với vị trí của cuộn dây (chảy từ cực
có * sang cực kia hoặc ngược lại). Chiều điện áp tự cảm và điện áp hỗ cảm sẽ luôn cùng chiều
với chiều của dòng điện sinh ra nó.
Ví dụ 1: Xét 2 cuộn dây L1 và L2 đặt cạnh nhau, giữa chúng có hỗ cảm M12 = M21 = M. Tính u1(t), u2(t).
di
di2
dt
u1(t) u11(t) u12 (t) L1 1 M12
M
L1
L2
i1(t)
i2(t)
dt
*
*
u11(t)
u21(t)
u22(t)
di2
di1
dt
u12(t)
u2 (t) u22 (t) u21(t) L2
M21
dt
u1(t)
u2(t)
15
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff
II.4. Kho từ - Điện cảm L - Hỗ cảm M.
Ví dụ 2: Tính điện áp trên 2 cuộn dây L1 và L2 trong các trường hợp sau.
i2(t)
L2
i1(t)
M
M
L1
L2
i(t)
*
*
L1
u(t) = ???
M12
L1
L2
i1(t)
i2(t)
*
*
u1(t) = ???
u2(t) = ???
M23
M12
L3
u3(t) = ???
i3(t)
16
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN 1
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff
I. Khái niệm về mô hình trường - mô hình hệ thống.
II. Các hiện tượng cơ bản trong mô hình mạch Kirchhoff.
III. Các luật cơ bản trong mô hình mạch Kirchhoff.
III.1. Luật Ohm.
III.2. Luật Kirchhoff 1 & 2.
III.3. Luật cân bằng công suất.
IV. Nội dung bài toán mạch.
17
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff
III.1. Luật Ohm.
Phát biểu: Luật Ohm biểu diễn mối quan hệ giữa hai biến trạng thái dòng điện và điện áp trên cùng
một nhánh.
Số phương trình: Mạch Kirchhoff có n nhánh Có (n) phương trình luật Ohm.
Ví dụ 1: Xét mạch điện nối tiếp như hình vẽ. Viết phương trình quan hệ dòng - áp.
C
1
C
L
di(t)
i(t) R
uC (t)
i(t).dt
uR (t) R.i(t)
uL (t) L
B
A
dt
uR
uL
uC
uAB(t)
d 1
uAB (t) uR (t) uL (t) uC (t) R L dt .i(t)
dt C
ZAB
i(t)
A
B
ZAB
1
uAB(t)
i(t)
.uAB (t)
d 1
R L dt
ZAB: Tổng trở tương đương của nhánh AB
YAB: Tổng dẫn tương đương của nhánh AB
YAB
18
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff
III.1. Luật Ohm.
Ví dụ 2: Xét mạch điện song song như hình vẽ. Viết phương trình quan hệ dòng - áp.
1
duAB (t)
ig (t) g.uAB (t)
iL (t) uAB (t).dt
iC (t) C.
L
i(t)
ig
A
dt
iL
iC
1
L
d
uAB(t)
g
C
L
i(t) ig (t) iL (t) iC (t) g dt C .uAB (t)
dt
YAB
B
i(t)
1
A
uAB (t)
.i(t)
1
d
g dt C
uAB(t)
YAB
ZAB
YAB: Tổng dẫn tương đương của nhánh AB
ZAB: Tổng trở tương đương của nhánh AB
B
19
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff
III.2. Luật Kirchhoff 1 và Kirchhoff 2.
Luật Kirchhoff 1: Tổng các dòng điện tại một nút bằng không, với quy ước:
Dòng điện đi vào nút mang dấu âm.
Dòng điện đi ra nút mang dấu dương.
i (t) 0
k
nut
Luật Kirchhoff 2: Tổng điện áp rơi trong một vòng kín bằng tổng các nguồn áp có trong vòng kín
ấy, với quy ước:
Điện áp (nguồn áp) cùng chiều với chiều của vòng kín thì mang dấu dương
Điện áp (nguồn áp) ngược chiều với chiều của vòng kín thì mang dấu âm.
u (t) e (t)
k
k
vong
vong
Chú ý: Mạch Kirchhoff có (n) nhánh và (d) đỉnh Số phương trình đủ cho:
Luật Kirchhoff 1: (d - 1) phương trình.
Luật Kirchhoff 2: (n - d +1) phương trình.
Tổng: (n) phương trình đủ số phương trình để giải và tính mạch Kirchhoff có (n) nhánh.
20
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
Tải về để xem bản đầy đủ
24 trang
25160
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff - Nguyễn Việt Sơn", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_co_so_ky_thuat_dien_1_chuong_1_khai_niem_ve_mo_hin.pdf
