Giáo trình Mạch điện - Nghề Điện dân dụng
1
BỘ LAO ĐỘNG - THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI
TỔNG CỤC DẠY NGHỀ
GIÁO TRÌNH
Tên môn học: Mạch điện
NGHỀ: ĐIỆN DÂN DỤNG
TRÌNH ĐỘ TRUNG CẤP NGHỀ
Ban hành kèm theo Quyết định số: 120 /QĐ- TCDN
Ngày 25 tháng 02 năm 2013 của Tổng cục trưởng Tổng cục dạy nghề.
Hà Nội, năm 2012
2
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể
được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và
tham khảo.
Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh
doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.
Tổng cục dạy nghề cảm ơn và hoan nghênh các thông tin giúp cho việc tu
sửa và hoàn thiện tốt hơn tài liệu này.
3
LỜI GIỚI THIỆU
Trong quá trình đào tạo cho các học sinh nghề Điện dân dụng, những khái
niệm cơ bản ban đầu về các hiện tượng, các quá trình xảy ra trong các trang thiết
bị mà sau này các em sẽ học là vô cùng cần thiết. Môn học Mạch điện sẽ trang
bị cho các học sinh ngành điện nói riêng và khối kỹ thuật nói chung các khái
niệm, định luật về điện, kiến thức về điện từ, cảm ứng điện từ. Giúp cho các em
biết tính toán một số bài toán về điện, phân tích và tính toán một số mạch điện
đơn giản dựa trên cơ sở của các định luật đã học.
Có thể nói Mạch điện là một trong những môn học cơ sở nền tảng cho các
môn học về điện sau này nên đòi hỏi các em phải nắm vững những khái niệm,
định luật và các công thức tính toán trong các mạch điện, mạch từ, các mạch
điện một chiều và xoay chiều trên cơ sở các định luật, định lý về mạch điện. Các
em phải biết vận dụng các kiến thức đã học vào việc tính toán các mạch điện từ,
cũng như việc phân tích và tính toán mạch điện.
Để quá trình dạy học môn Mạch điện thuận tiện và hiệu quả hơn, giáo trình
Mạch điện được biên soạn.
Những kiến thức mà giáo trình mạch điện cung cấp giúp cho người học học
tốt hơn các môn học và mô đun: Kỹ thuật điện tử cơ bản, trang bị điện, máy biến
áp, động cơ điện và máy phát điện (nói chung) … trong chương trình đào tạo
nghề Điện dân dụng.
Cấu trúc cơ bản của giáo trình bao gồm 3 chương:
Chương 1: Mạch điện một chiều;
Chương 2: Từ trường và cảm ứng điện từ;
Chương 3: Mạch điện xoay chiều.
Trong quá trình biên soạn, nhóm tác giả đã tham khảo các tài liệu và giáo
trình khác như ở phần cuối giáo trình đã thống kê.
Chúng tôi rất cảm ơn các cơ quan hữu quan của TCDN, BGH và các thày
cô giáo trường CĐN Bách nghệ Hải Phòng và một số giáo viên có kinh nghiệm,
cơ quan ban ngành khác đã tạo điều kiện giúp đỡ cho nhóm tác giả hoàn thành
giáo trình này.
Lần đầu được biên soạn và ban hành, giáo trình chắc chắn sẽ còn khiếm
khuyết; rất mong các thày cô giáo và những cá nhân, tập thể của các trường đào
tạo nghề và các cơ sở doanh nghiệp quan tâm đóng góp để giáo trình ngày càng
hoàn thiện hơn, đáp ứng được mục tiêu đào tạo của môn học nói riêng và ngành
điện dân dụng cũng như các chuyên ngành kỹ thuật nói chung.
Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ:
Trường Cao đẳng nghề Bách Nghệ Hải Phòng
Khoa Điện – Điện tử
Số 196/143 Đường Trường Chinh - Quận Kiến An - TP Hải Phòng
4
Email: khoadienbn@gmail.com
Hà Nội, ngày…..tháng…. năm……
Tham gia biên soạn
1. Chủ biên: Nguyễn Long Biên
2. Nguyễn Văn Thước
3. Ngô Quang Học
4. Trần Thị Lan Anh
5
MỤC LỤC
TRANG
Lời giới thiệu
Mục lục
1
4
Chương 1: Mạch điện một chiều
1. Khái niệm dòng điện và mạch điện
1.1.Dòng điện
1.2.Mạch điện
5
5
5
2. Các định luật cơ bản về mạch điện
2.1.Định luật Ôm
2.2.Định luật Jun-Lenxơ
2.3.Định luật Kiếchốp (Kirchoff)
3. Nguồn điện
3.1.Khái niệm nguồn điện
3.2.Nguồn điện một chiều
4. Phương pháp giải mạch điện phức tạp
4.1.Phương pháp dòng điện nhánh
4.2.Phương pháp dòng điện vòng
4.3.Phương pháp điện áp hai nút
4.4.Phương pháp xếp chồng
10
10
10
11
12
12
13
14
14
16
18
20
Chương 2: Từ trường – Cảm ứng điện từ
1. Từ trường
1.1. Khái niệm từ trường, đường cảm ứng từ.
1.2. Các đại lượng từ cơ bản.
1.3. Từ trường của một số dây dẫn mang dòng điện
1.4. Lực tương tác
1.5. Lực tác dụng giữa hai dây dẫn có dòng điện.
2. Mạch từ
2.1. Khái niệm mạch từ
2.2. Định luật dòng điện toàn phần
2.3. Tương quan B, H và đường cong từ hoá
3. Cảm ứng điện từ
3.1. Định luật cảm ứng điện từ
3.2. Suất điện động cảm ứng
3.3. Hiện tượng tự cảm
23
23
23
24
26
27
28
29
29
30
30
31
31
32
34
34
35
3.4. Hiện tượng hỗ cảm
3.5. Dòng điện xoáy
Chương 3: Mạch điện xoay chiều
37
1. Mạch điện xoay chiều một pha.
1.1. Định nghĩa và nguyên lý tạo ra dòng điện xoay chiều hình sin.
1.2. Cách biểu diễn đại lượng xoay chiều hình sin.
37
37
40
6
1.3. Mạch điện xoay chiều thuần trở.
1.4. Mạch điện xoay chiều thuần cảm.
1.5. Mạch điện xoay chiều thuần dung.
41
41
42
1.6. Mạch điện xoay chiều có điện trở, điện cảm, điện dung mắc nối tiếp. 42
1.7. Mạch điện xoay chiều có điện trở, điện cảm, điện dung mắc song song.43
2. Mạch điện xoay chiều ba pha.
2.1. Khái niệm dòng điện xoay chiều ba pha.
2.2. Các đại lượng trong mạch điện ba pha.
2.3. Đấu dây mạch điện xoay chiều ba pha.
2.4. Giải mạch điện ba pha.
3. Hệ số công suất.
3.1. Ý nghĩa hệ số công suất.
3.2. Biện pháp nâng cao hệ số công suất.
47
47
48
49
52
55
55
56
7
MÔN HỌC MẠCH ĐIỆN
Mã số môn học: MH 08
Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học: Môn học được bố trí sau khi
học sinh học xong các môn học chung, trước các mô đun nghề. Đây là môn học
lý thuyết cơ sở giúp cho học sinh có khái niệm ban đầu về chuyên ngành điện.
Môn học cung cấp những kiến thức cơ bản về các bộ phận cấu thành mạch điện
một chiều và xoay chiều, những phương pháp biểu diễn và giải mạch điện từ
đơn giản đến phức tạp bằng các phương pháp khác nhau dựa trên những cơ sở lý
thuyết khác nhau. Học tốt môn học này, học sinh sẽ có cơ sở để tiếp thu tốt hơn
các môn học cơ sở và chuyên ngành khác của chương trình đào tạo chuyên
ngành Điện dân dụng.
Mục tiêu môn học:
* Về kiến thức:
- Trình bày được các định luật cơ bản về mạch điện, các phương pháp giải
mạch điện một chiều, xoay chiều.
- Xác định đúng chiều dòng điện cảm ứng, véc tơ cảm ứng điện từ và véc tơ
lực điện từ trong ống dây, dây dẫn thẳng, vòng dây đặt trong từ trường nam
châm vĩnh cửu.
- Giải thích được một số hiện tượng điện từ trong các thiết bị điện dân dụng.
* Về kỹ năng:
- Vận dụng được các biểu thức để tính toán các thông số kỹ thuật trong
mạch điện một chiều, xoay chiều, mạch ba pha ở trạng thái xác lập.
- Phân tích được sơ đồ mạch đơn giản, biến đổi được mạch phức tạp
thành các mạch điện đơn giản.
*Về thái độ:
- Kiên nhẫn, tập trung, tỷ mỷ, chính xác, có tư duy sáng tạo, trách nhiệm.
Nội dung môn học:
Thời gian
Kiểm tra*
(LT hoặc
Số
TT
Tên chương mục
Mạch điện một chiều
Tổng Lý Thực hành
số thuyết Bài tập
TH)
1
I
17
10
6
- Khái niệm dòng điện và mạch điện
- Các định luật cơ bản về mạch điện
- Nguồn điện
2
2
0
0
3
3
2
2
1
1
0
0
8
- Phương pháp giải mạch điện phức
tạp
9
4
4
1
II Từ trường – Cảm ứng điện từ
- Từ trường
15
5
4
6
13
8
4
1
45
12
4
4
4
8
4
3
1
30
2
1
0
1
5
4
1
0
13
1
0
0
1
0
0
0
0
2
- Mạch từ
- Cảm ứng điện từ
III Mạch điện xoay chiều
- Mạch điện xoay chiều 1 pha
- Mạch điện xoay chiều 3 pha
- Hệ số công suất
Cộng
9
CHƯƠNG 1
MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU
Mã chương: MH08.01
Giới thiệu:
Khái niệm, định nghĩa về dòng điện, mạch điện, nguồn điện là những
khái niệm, định nghĩa cơ bản nhất trong ngành điện. Khi tìm hiểu và giải các
mạch điện, chúng ta không thể bỏ qua các định luật cơ bản về mạch điện. Từ đó
áp dụng các định luật cơ bản này để giải các mạch điện từ đơn giản đến phức tạp
bằng các phương pháp thích hợp khác nhau, tùy theo đặc điểm của từng mạch cụ
thể. Chương đầu tiên này sẽ cung cấp cho học sinh những kiến thức cơ bản về
những điều đã đề cập ở trên.
Mục tiêu:
- Trình bày được các khái niệm về dòng điện, mạch điện, nguồn điện và
các phương pháp giải mạch điện một chiều.
- Giải được các mạch điện một chiều phức tạp.
- Tuân thủ các bước giải mạch điện.
- Tỉ mỉ, chính xác, có tư duy logic, trách nhiệm trong công việc.
Nội dung chính:
1. Khái niệm dòng điện và mạch điện
Mục tiêu:
- Trình bày được khái niệm dòng điện và mạch điện.
- Xác định được số nhánh, nút, mạch vòng của một mạch điện đã cho.
1.1.Dòng điện
1.1.1. Khái niệm về dòng điện
Dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích trong điện trường.
Tùy theo từng môi trường khác nhau mà bản chất dòng điện trong đó sẽ khác
nhau. Ví dụ: Nếu trong kim loại thì dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của
các electron tự do; trong chất điện phân là dòng chuyển dời có hướng của các
ion dương và ion âm; trong không khí là dòng chuyển dời có hướng của các điện
tích dương và điện tích âm ...
1.1.2. Tác dụng của dòng điện
Dòng điện có các tác dụng:
- Tác dụng nhiệt: Khi có dòng điện chạy qua các vật dẫn thì các vật dẫn bị
phát nóng. Người ta sử dụng tác dụng nhiệt của dòng điện để chế tạo các thiết bị
như máy sấy, nồi cơm điện, lò nướng điện ...
- Tác dụng quang: Khi có dòng điện chạy qua các vật dẫn thì các vật dẫn bị
phát sáng. Người ta sử dụng tác dụng quang của dòng điện để chế tạo bóng đèn
sợi nung.
- Tác dụng hóa học: Khi có dòng điện chạy qua các dung dịch hóa học sẽ làm
cho tính chất hóa học của chúng thay đổi. Người ta sử dụng tác dụng hóa học
của dòng điện để điện phân, nạp ắc quy ...
1.1.3. Cường độ và mật độ dòng điện
Người ta biểu diễn độ “mạnh”, “yếu” của dòng điện thông qua tham số cường
độ dòng điện.
10
Cường độ dòng điện là trị số của dòng điện tính bằng tốc độ biến thiên của
lượng điện tích q qua tiết diện ngang của vật dẫn, đơn vị tính của cường độ dòng
điện là Ampe (A):
i = ꢀꢁ
A
(1- 1)
ꢀꢂ
Chiều quy ước của dòng điện là chiều chuyển động của các điện tích dương
trong điện trường.
Trong tính toán mạch điện, người ta còn sử dụng khái niệm mật độ dòng điện.
Mật độ dòng điện là trị số của dòng điện tính bằng tốc độ biến thiên của
lượng điện tích q qua một đơn vị diện tích của tiết diện ngang của vật dẫn, đơn
vị tính của mật độ dòng điện là A/mm2.
Nếu tiết diện ngang của vật dẫn là S thì mật độ dòng điện được tính:
ꢃꢄ
σ = ꢅ.ꢃꢆ A/mm2
(1- 2)
1.2.Mạch điện
1.2.1. Khái niệm về mạch điện
Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện nối với nhau bằng các dây dẫn tạo
thành mạch kín theo một quy luật đã được thiết kế trước, trong đó có dòng điện
chạy qua. Mạch điện thường bao gồm các phần tử: nguồn điện, phụ tải, dây dẫn.
Hình 1- 1 là một ví dụ về mạch điện.
- Nguồn điện: Nguồn điện là thiết bị biến đổi các dạng năng lượng khác
như cơ năng, nhiệt năng, hóa năng ... thành điện năng.
- Tải: Tải là các thiết bị tiêu thụ điện năng và biến đổi điện năng thành
các dạng năng lượng khác như cơ năng, nhiệt năng, quang năng ...
- Dây dẫn: Dây dẫn làm bằng vật liệu dẫn điện tốt (đồng,nhôm...) dùng
để truyền tải điện năng từ nguồn đến tải.
Dây dẫn
ĐC
MF
Hình 1.1: Mạch điện Nguồn điện
1.2.2. Mô hình mạch điện
Phụ tải
Để tiện lợi khi tính toán thiết kế và khảo sát các quá trình điện từ xảy ra
trong mạch điện người ta sử dụng mô hình mạch điện. Mạch điện thực tế với các
thiết bị điện được thay thế bằng mô hình mạch với các phần tử lý tưởng đặc
trưng cho một quá trình nào đó. Mô hình mạch bao gồm:
- Các phần tử tích cực: nguồn áp u(t), nguồn dòng i(t) lý tưởng;
- Các phần tử thụ động: điện trở R, điện cảm L, điện dung C lý tưởng;
- Dây dẫn lý tưởng.
1. Nguồn áp u(t).
Nguồn áp u(t) hay máy phát điện áp, còn được gọi là nguồn sức điện động
e(t) đặc trưng cho khả năng tạo nên và duy trì một điện áp không đổi trên hai
11
cực của nguồn. Đặc tính quan trọng của nguồn áp là có điện trở nội r = 0 , hiệu
điện thế trên hai cực của nguồn là không đổi và không phụ thuộc vào giá trị phụ
tải. Ký hiệu quy ước của nguồn áp như hình 1-2, a. Ta có giá trị của nguồn áp:
u(t) = - e(t)
(1-3)
2. Nguồn dòng điện i(t).
Nguồn dòng điện i(t) hay máy phát dòng, đặc trưng cho khả năng tạo nên
và duy trì một dòng điện không đổi trong mạch. Đặc tính quan trọng của nguồn
dòng là có nội trở r = ∞ và giá trị của dòng điện trong mạch không phụ thuộc
vào phụ tải. Ký hiệu quy ước của nguồn dòng chỉ ra trên hình 1- 2, b.
Trên thực tế, các bộ nguồn đều có một nội trở hữu hạn nào đó. Do vậy,
khi thay thế trong mô hình mạch, chúng được biểu diễn ở dạng một nguồn sức
điện động e(t) mắc nối tiếp với một một điện trở r (hình 1- 2 c), hoặc ở dạng một
nguồn dòng điện i (t) mắc song song với một điện trở r (hình 1- 2 d).
r
i(t)
r
i(t)
e(t)
u(t)
e(t)
d)
b)
c)
Hình 1- 2 . Ký hiệu quy ước nguồn áp và nguồn dòng
a, b – Nguồn áp và nguồn dòng lý tưởng; c, d – Nguồn áp và nguồn dòng thực tế
3. Điện trở R.
Điện trở R đặc trưng cho vật dẫn về mặt cản trở dòng điện. Về mặt năng
lượng điện trở R đặc trưng cho quá trình tiêu thụ điện năng và biến điện năng
thành các dạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng, cơ năng, …
Quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên điện trở là: uR = R.i
Công suất thoát ra trên điện trở:
(1-4)
(1-5)
p = R.i2
Trong hệ đơn vị SI đơn vị điện trở là ôm ().
Ký hiệu:
4. Cuộn dây L.
Là phần tử có khả năng tích – phóng năng lượng dưới dạng từ trường.
Một cuộn dây có dòng điện i chạy qua sẽ sinh ra từ trường. Từ thông gửi qua n
vòng của cuộn dây là Y = n.F. Điện cảm của cuộn dây được định nghĩa là:
Y n. F
L = =
ꢇ
ꢇ
Trong hệ đơn vị SI đơn vị điện cảm (L) là henri (H)
Năng lượng từ trường được tích lũy trên cuộn cảm:
12
ꢈ
WM = ꢊꢇ2
ꢉ
ꢃꢋ
Quan hệ giữa dòng và áp trên cuộn cảm: u = ꢊ (V)
ꢀꢂ
Ký hiệu:
5. Tụ điện C.
Là phần tử có khả năng tích – phóng năng lượng dưới dạng điện trường.
Khi nối hai đầu của một tụ điện có điện dung C vào nguồn điện áp u, tụ điện sẽ
được tích điện. Độ lớn của điện tích q:
q = C u
(1-6)
Trong hệ đơn vị SI đơn vị điện dung (C) là fara (F).
Năng lượng điện trường được tích lũy trên tụ điện:
ꢈ
WE = ꢌꢍ2
ꢉ
ꢃꢎ
Quan hệ giữa dòng và áp trên tụ điện: i = ꢌ (V)
ꢀꢂ
Ký hiệu:
6. Dạng các phần tử thụ động trên thực tế:
Trên thực tế không có phần tử nào là thuần điện trở CR, thuần dung C,
r
thuần cảm L cả. Để tiện cho tính toán giải mạch điện ta đã chấp nhận sai số mô
hình coi các phần tử chỉ mang tính chất đặt trưng của chúng. Khi nghiên cứu
sâu, mô hình chính xác hơn ta có thể mô phỏng gần đúng các phần tử như sau:
a. Phần tử điện trở:
Cr
R
Lr
rL
b. Phần tử điện cảm:
c. Phần tử điện dung:
L
CL
LC
LC
C
7. Mô hình mạch điện.
Mô hình mạch điện là sơ đồ thay thế tương đương các phần tử của mạch
điện bằng các phần tử mô hình lý tưởng e, i, R, L, C sao cho kết cấu hình học và
các quá trình năng lượng xảy ra trong mạch giống như ở mạch điện thực. Để
thiết lập mô hình mạch ta phân tích các quá trình năng lượng xảy ra trong từng
phần tử mạch và thay thế chúng bằng các phần tử tương đương. Khi phân tích
cần chú ý rằng, tùy thuộc vào điều kiện làm việc của mạch điện, đặc biệt là dải
tần công tác mà sơ đồ thay thế sẽ khác nhau.
Ví dụ: Ta xét một mạch điện thực tế gồm một máy phát cung cấp điện cho
phụ tải là một bóng đèn mắc song song với một cuộn dây theo sơ đồ hình 1-3, a.
13
Khi chuyển sang sơ đồ thay thế đối với dòng điện xoay chiều, máy phát điện
được thay thế bằng (Ef ,Lf ,Rf). Phụ tải là bóng đèn thay thế bằng Rz, còn cuộn
dây bằng L, R; dây dẫn nối giữa các phần tử được thay bằng phần tử tập trung
Ld , Rd (hình 1-3, b). Tuy nhiên khi chuyển sang sơ đồ thay thế đối với dòng
điện một chiều, do các phần tử kháng bằng không nên sơ đồ thay thế có dạng
đơn giản hơn (hình 1-3, c).
Hình 1- 3 . Mạch điện và mô hình mạch điện
a – Sơ đồ thực tế.
b – Sơ đồ tương đương cho mạch điện xoay
chiều.
c – Sơ đồ tương đương cho mạch điện một
chiều.
1.2.3. Nhánh, nút và mạch vòng của mạch điện:
Nhánh (n): Là một đoạn của mạch điện chỉ bao gồm các phần tử của mạch
điện mắc nối tiếp với nhau và có dòng điện đi qua.
Nút (d): Là nơi giao nhau của từ 3 nhánh mạch điện trở lên.
Mạch vòng (c) - còn được gọi là “mắt”: Là lối đi khép kín qua các nhánh
của mạch điện.
Ví dụ: Cho mạch điện như trên hình 1-4:
Hình 1- 4 . Mạch điện và các nhánh, nút, mạch vòng
Mạch bao gồm 5 nhánh (n = 5) AB, AC, CB, CD và BD; kết nối với nhau tạo
thành 4 nút (d = 4) A, B, C và D; mạch có 3 mạch vòng (ACBA), (BCDB) và
(ACDBA).
14
2. Các định luật cơ bản về mạch điện
Mục tiêu:
- Trình bày được nội dung các định luật đã học.
- Áp dụng được các định luật để giải các bài toán về mạch điện thông thường.
2.1.Định luật Ôm
2.1.1 Định luật Ôm cho đoạn mạch:
Xét một đoạn mạch như trên hình 1.5:
Điện áp đặt lên hai đầu đoạn mạch có giá trị U, điện trở tương đương của
đoạn mạch có giá trị là R, dòng điện chạy trong đoạn mạch có giá trị là I.
I
U
R
Hình 1.5: Định luật Ôm cho đoạn mạch.
Định luật Ôm cho đoạn mạch phát biểu như sau:
Trong một đoạn mạch kín, dòng điện đi qua đoạn mạch tỷ lệ thuận với điện
áp đặt trên hai đầu đoạn mạch và tỷ lệ nghịch với điện trở của đoạn mạch đó.
U
ꢏ =
R
2.1.2 Định luật Ôm cho toàn mạch:
Xét một mạch điện như trên hình 1.6:
Nguồn điện của mạch có giá trị sức điện động (s.đ.đ) là E, điện trở tương
đương của toàn mạch có giá trị là Rtm, dòng điện chạy trong mạch chính có giá
trị là I.
I
E
Rtm
Hình 1.6: Định luật Ôm cho toàn mạch.
Định luật Ôm cho toàn mạch phát biểu như sau:
Trong một mạch điện kín, dòng điện đi qua mạch chính tỷ lệ thuận với s.đ.đ
bộ nguồn của mạch điện và tỷ lệ nghịch với điện trở của toàn mạch.
E
ꢏ =
Rtm
Ví dụ: Cho mạch điện như hình 1.6. Biết E = 24 V, Rtm = 12 . Tính giá trị
dòng điện I.
Giải: Theo định luật Ôm cho toàn mạch, ta có:
E
24
ꢏ =
=
= 2 (A)
Rtm 12
Đáp số: I = 2A.
2.2. Định luật Jun - Lenxơ (Joule -Lenzo ):
Đây là định luật cơ bản về mối quan hệ giữa điện và nhiệt, sử dụng để tính
toán nhiệt lượng cung cấp (hoặc tỏa ra) cho các thiết bị khi có dòng điện đi qua.
2.2.1. Định luật Jun - Lenxơ:
15
Nội dung định luật: Nhiệt lượng tỏa ra ở dây dẫn khi có dòng điện chạy
qua tỉ lệ thuận với bình phương cường độ dòng điện, với điện trở của dây dẫn
và thời gian dòng điện chạy qua.
Biểu thức của định luật Jun –Len-Xơ: Q = I2Rt
Trong đó: I: Tính bằng ampe (A); R: Tính bằng ôm ()
t: Tính bằng giây (s) thì Q đo bằng jun (J)
Nếu đo nhiệt lượng Q bằng đơn vị calo thì biểu thức của định luật Jun-Len-Xơ
sẽ là : Q = 0,24.I2Rt
2.2.2. Ứng dụng:
Một bài toán được đặt ra là: Một ấm điện có ghi 220V-1000W được sử dụng
với hiệu điện thế 220V để đun sôi 2 lít nước từ nhiệt độ ban đầu t1 = 200 C. Bỏ
qua nhiệt lượng làm nóng vỏ ấm và nhiệt lượng toả ra môi trường. Tính thời
gian đun sôi nước, biết nhiệt dung riêng của nước c = 4200J/kg.K.
Để giải bài toán này ta áp dụng định luật bảo toàn năng lượng và định luật Jun
- Lenxơ.
Theo định luật bảo toàn năng lượng: Năng lượng do nguồn điện sinh ra (A)
bằng với nhiệt lượng (Q) mà 2 lít = 2kg nước nhận được để làm tăng nhiệt độ từ
t1 = 200C lên t2 = 1000C. Ta có: A = Q
A = P.t = 1000.t
Q = I2.R.t = m.c.(t2 - t1) = 2.4200.(100 - 20)
m.c. t t
1
2.4200.80
1000
2
t
672 s
P
Như vậy thời gian để đun sôi nước trong bài toán đặt ra là 11 phút 12 giây.
2.3. Định luật Kiếc - khốp (Kirchoff):
Định luật Kiếc - khốp 1 và 2 là hai định cơ bản để nghiên cứu và tính toán
mạch điện.
2.3.1. Định luật Kiếc - khốp 1 (Định luật dòng điện điểm nút - KI)
Nội dung định luật: Trong mạch điện, tổng đại số các dòng điện tại một nút
bằng không: ∑i = 0
Trong đó quy ước các dòng điện có chiều đi tới nút sẽ mang dấu dương,các
dòng điện có chiều rời khỏi nút sẽ mang dấu âm.
Ví dụ: Tại nút A hình 1.7, định luật Kiếc khốp 1 được viết:
i1 + i2 – i3 – i4 = 0
i4
I3
A
I2
I1
Hình 1.7: Định luật KI
2.3.2. Định luật Kiếc - khốp 2 (Định luật thế mạch vòng - KU).
16
Nội dung định luật: Trong một mạch vòng khép kín, theo chiều đã chọn,
tổng đại số các điện áp rơi trên các phần tử R, L, C bằng tổng đại số các
ꢕ
ꢑ
∑
nguồn s.đ.đ có trong mạch vòng đó. ꢐꢒꢈ Uꢐ = ꢓ Eꢔ
ꢖꢒꢈ
Trong đó những sức điện động và dòng điện có chiều trùng với chiều của
mạch vòng sẽ mang dấu dương, ngược lại mang dấu âm (chiều điện áp rơi trên
các phần tử trùng với chiều dòng điện đi qua phần tử đó).
Ví dụ: Đối với vòng kín C trong hình 1.8, định luật Kiếc - khốp 2 sẽ được viết:
R1
i1
i4
e2
e
C
R2
i2
R4
e
R3 i3
Hình 1.8: Định luật Kiếc khốp 2 (KU)
R1 i1 + R2 i2 – R3 i3 + R4i4 = – e2 – e3 + e4
Cách phát biểu thứ 2 của định luật Kiếc – khốp 2: Trong một mạch vòng khép
kín, tổng đại số các điện áp rơi trên các phần tử trong mạch vòng bằng
không (trong đó chiều của các điện áp rơi trên các nguồn sức điện động ngược
với chiều của s.đ.đ đó).
Biểu thức của định luật Kiếc – khốp theo cách phát biểu thứ 2 của mạch vòng đã
chọn trên hình 1.8 được viết:
R1 i1 + R2 i2 – R3 i3 + R4i4 + e2 + e3 - e4 = 0
2.3.3. Bài tập ứng dụng:
- Bài 1: Dùng định luật Ôm để tính dòng điện I trong mạch điện hình
1.1BT:
+
Biết: U = 80V, R = 1,25 , R1 = 6 , R2 = 10 .
I
R
Hình 1.1 BT
U
R1
R2
R1
R3
-
- Bài 2:
Cho mạch điện trên hình 1.2 BT.
Biết: E1 = 200V, E2 = 600V
R1 = 2 , R2 = 10 , R3 = 20
E1
R2
E2
Xác định số nhánh, nút, mạch vòng của
mạch điện và dùng định luật Kiếc - khốp
để tính dòng điện trong các nhánh?
Hình 1.2
17
R1
R3
- Bài 3:
Cho mạch điện trên hình 1.3 BT.
Biết:
R2
E1 = 12V, E2 = 24V , E3 = 15V
E1
E3
R1 = 3
R4 = 4
, R2 = 6
, R5 = 10
, R3 = 9
,
E2
R4
R5
Tính dòng điện trong các nhánh?
Hình 1.3 BT
- Bài 4: Xác định số nhánh, nút, mạch vòng và tìm dòng điện trong các
nhánh ở mạch điện hình 1.4 BT.
10
Ω
40
Ω
I2
I1
20Ω
0.4V
I3
0,03A
Hình 1.4 BT
3. Nguồn điện
Mục tiêu:
- Trình bày được khái niệm các loại nguồn điện một chiều, xoay chiều.
- Đấu ghép được nguồn thành bộ để có bộ nguồn đạt các yêu cầu kỹ thuật.
3.1. Khái niệm nguồn điện:
Là thiết bị tạo ra điện năng. Về nguyên lý, nguồn điện là thiết bị biến đổi
các dạng năng lượng như cơ năng, hóa năng, nhiệt năng,… thành điện năng.
Ví dụ:
- Máy phát điện,
Hình 1.9: Máy phát điện là nguồn điện
- Ắc quy,
18
Hình 1.10: Ắc - quy là nguồn điện
- Pin mặt trời …
Hình 1.11: Pin mặt trời là nguồn điện
3.2. Nguồn điện một chiều
Là loại nguồn điện cung cấp dòng điện một chiều cho phụ tải. Nguồn điện
một chiều có thể là máy phát điện một chiều, ắc – quy, pin mặt trời.
Hình 1.12: Một số loại nguồn điện một chiều thông dụng
3.3. Đấu ghép nguồn thành bộ:
Nguyên tắc đấu ghép nguồn thành bộ (ta sẽ dùng ký hiệu của nguồn điện
trong quá trình khảo sát việc đấu ghép nguồn thành bộ):
3.3.1. Đấu ghép nối tiếp các nguồn áp thực tế:
A
A
R
r
r
r
r
E(t)
e(t)
e(t)
e(t)
e(t)
B
B
Hình 1.13: Đấu ghép nối tiếp các nguồn áp
Xét trường hợp có n nguồn áp (khi mắc nguồn thành bộ nên chọn các
nguồn có giá trị s.đ.đ và dung lượng nguồn giống nhau) có giá trị s.đ.đ của
nguồn là e(t), nội trở của nguồn là r, mắc nối tiếp với nhau như ở hình 1.13. Khi
19
đó ta sẽ được một nguồn điện tương đương có giá trị s.đ.đ là E(t), nội trở của
nguồn tương đương là R. Trong đó:
ꢗ
ꢗ
( )
( )
E t = ꢓ eꢐ t ;
R = ꢓ rꢐ
ꢘꢒꢈ
ꢘꢒꢈ
Từ các biểu thức trên ta thấy:
Khi mắc nối tiếp các nguồn áp, s.đ.đ tương đương của bộ nguồn tăng lên,
đồng thời nội trở tương đương của bộ nguồn cũng tăng lên, do vậy dung lượng
(số A.h) của bộ nguồn không tăng.
3.3.2. Đấu ghép song song các nguồn áp thực tế:
A
A
R
r
r
r
r
E(t)
e(t)
e(t)
e(t)
e(t)
B
B
Hình 1.14: Đấu ghép song song các nguồn áp
Xét trường hợp có n nguồn áp (khi mắc nguồn thành bộ nên chọn các
nguồn có giá trị s.đ.đ và dung lượng nguồn giống nhau) có giá trị s.đ.đ của
nguồn là e(t), nội trở của nguồn là r, mắc song song với nhau như ở hình 1.14.
Khi đó ta sẽ được một nguồn điện tương đương có giá trị s.đ.đ là E(t), nội trở
của nguồn tương đương là R. Trong đó:
r
( )
E t = ꢙ(ꢚ);
R =
n
Từ các biểu thức trên ta thấy:
Khi mắc nối tiếp các nguồn áp, s.đ.đ tương đương của bộ nguồn không
thay đổi, nhưng nội trở tương đương của bộ nguồn giảm đi n lần, do vậy dung
lượng (số A.h) của bộ nguồn sẽ được tăng lên.
Kết luận:
Khi cần tăng s.đ.đ của bộ nguồn ta thực hiện mắc nối tiếp các bộ nguồn,
khi cần tăng dung lượng cho bộ nguồn ta thực hiện mắc song song các nguồn áp
với nhau. Khi cần tăng cả giá trị s.đ.đ và dung lượng của bộ nguồn ta thực hiện
mắc hỗn hợp các nguồn áp với nhau.
3.3.3. Bài tập ứng dụng:
- Bài 1: Một ắc quy có Udm = 12 V, dung lượng 5 A.h; hãy tiến hành đấu
ghép để được một bộ nguồn một chiều có Udm = 60 V, cung cấp cho tải có dòng
tải định mức là 3 A.
- Bài 2: Một ắc quy có Udm = 12 V, dung lượng 3 A.h; hãy tiến hành đấu
ghép để được một bộ nguồn một chiều có Udm = 48 V, cung cấp cho tải có dòng
tải định mức là 2 A.
- Bài 3: Một ắc quy có Udm = 20 V, dung lượng 45 A.h; hãy tiến hành
20
đấu ghép để được một bộ nguồn một chiều có Udm = 60 V, cung cấp cho tải có
dòng tải định mức là 25 A.
- Bài 4: Một ắc quy có Udm = 20 V, dung lượng 2 A.h; hãy tiến hành đấu
ghép để được một bộ nguồn một chiều có Udm = 20 V, cung cấp cho tải có dòng
tải định mức là 30 A.
- Bài 5: Một ắc quy có Udm = 12 V, dung lượng 3 A.h; hãy tiến hành đấu
ghép để được một bộ nguồn một chiều có Udm = 12 V, cung cấp cho tải có dòng
tải định mức là 20 A.
- Bài 6: Một ắc quy có Udm = 12 V, dung lượng 3 A.h; hãy tiến hành đấu
ghép để được một bộ nguồn một chiều có Udm = 60 V, cung cấp cho tải có dòng
tải định mức là 15 A.
- Bài 7: Một ắc quy có Udm = 12 V, dung lượng 3 A.h; hãy tiến hành đấu
ghép để được một bộ nguồn một chiều có Udm = 48 V, cung cấp cho tải có dòng
tải định mức là 25 A.
- Bài 8: Một viên pin Cd-Ni có Udm = 1,2 V, dung lượng 500 mA.h; hãy
tiến hành đấu ghép để được một bộ nguồn một chiều có Udm = 3,6 V, cung cấp
cho tải có dòng tải định mức là 1,5 A.
- Bài 9: Một viên pin có Udm = 1,5 V, dung lượng 150 mA.h; hãy tiến
hành đấu ghép để được một bộ nguồn một chiều có Udm = 12 V, cung cấp cho
tải có dòng tải định mức là 1 A.
4. Phương pháp giải mạch điện phức tạp
Mục tiêu:
- Trình bày được nội dung và đặc điểm của các phương pháp giải mạch điện.
- Vận dụng để giải được các bài tập mạch điện phức tạp.
4.1. Phương pháp dòng điện nhánh
4.1.1. Phương pháp giải:
Phương pháp dòng nhánh áp dụng định luật Kiếc khốp 1 và 2 để viết các
phương trình với các ẩn số là dòng điện các nhánh. Các bước giải:
1 – Xác định số nhánh, nút và mạch vòng của mạch điện đã cho.
2 – Viết (d-1) phương trình định luật Kiếc khốp 1 (KI)
3 - Viết (n-d+1) phương trình định luật Kiếc khốp 2 (KU)
4 – Giải hệ n phương trình để tìm ra các dòng điện nhánh và các đại lượng
khác theo yêu cầu.
Ví dụ: Tìm dòng điện i(t) trong mạch hình 1-15 bằng phương pháp dòng điện
nhánh. Với giá trị các điện trở cho trên hình và e(t) = 6sin (100t) (V).
R=1
Ω
i(t)
A
i5
R5=2Ω
R1=2
Ω
II
I
R2=1
Ω
i1
i2
C
D
e(t)
i
3
III
Hình 1.15: Giải mạch điện bằng phương
pháp dòng điện nhánh.
R4=1
Ω
R3=2
Ω
i4
B
Tải về để xem bản đầy đủ
72 trang
10/01/2024
4100
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Mạch điện - Nghề Điện dân dụng", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_mach_dien_nghe_dien_dan_dung.pdf
