Giáo trình Kỹ thuật điện (Nghề: Điện tử công nghiệp - Trình độ: Cao đẳng/Trung cấp) - CĐ Kỹ thuật Công nghệ Quy Nhơn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:83

Thêm vào BST

Báo xấu

9
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình "Kỹ thuật điện (Nghề: Điện tử công nghiệp - Trình độ: Cao đẳng/Trung cấp)" biên soạn với mục tiêu giúp người học 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!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Kỹ thuật điện (Nghề: Điện tử công nghiệp - Trình độ: Cao đẳng/Trung cấp) - CĐ Kỹ thuật Công nghệ Quy Nhơn

UBND TỈNH BÌNH ĐỊNH TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ QUY NHƠN GIÁO TRÌNH Môn học: KỸ THUẬT ĐIỆN NGHỀ: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP - CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo Quyết định số: 99/QĐ-CĐKTCNQN ngày 14 tháng 3 năm 2018 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Kỹ thuật Công nghệ Quy Nhơn Bình Định, năm 2018
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. 2
LỜI GIỚI THIỆU Để thực hiện biên soạn giáo trình đào tạo nghề Điện tử công nghiệp ở trình độ Trung cấp và Cao Đẳng, giáo trình Kỹ thuật điện là một trong những giáo trình môn học đào tạo chuyên ngành được biên soạn theo nội dung chương trình khung. Nội dung biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, tích hợp kiến thức và kỹ năng chặt chẽ với nhau, logic. Trong quá trình sử dụng giáo trình, tùy theo yêu cầu cũng như khoa học và công nghệ phát triển có thể điều chỉnh thời gian, bổ sung những kiến thức mới và trang thiết bị phù hợp với điều kiện giảng dạy. Tuy nhiên, tùy theo điều kiện cơ sở vật chất và trang thiết bị, giáo viên khoa có thề sử dụng cho phù hợp. Mặc dù đã cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng được mục tiêu đào tạo nhưng không tránh được những khiếm khuyết. Rất mong nhận được đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo, bạn đọc để nhóm biên soạn sẽ hiệu chỉnh hoàn thiện hơn. Các ý kiến đóng góp xin gửi về Trường Cao Đẳng kỹ thuật công nghệ Quy Nhơn, 172 An Dương Vương, TP. Quy Nhơn. Tham gia biên soạn Nguyễn Văn Đại Nguyễn Giang Long 3
MỤC LỤC Trang CHƯƠNG 1: MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU ................................................... 6 1.1. Những khái niệm cơ bản về mạch điện...................................................... 6 1.2. Các phương pháp phân tích mạch điện....................................................13 1.3. Giải mạch điện bằng phương pháp dòng điện vòng ...........................19 1.4. Giải mạch điện bằng phương pháp xếp chồng dòng điện ..................20 CHƯƠNG 2: MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN ............................26 2.1. Các đại lượng đặc trưng cho dòng điện hình sin.....................................26 2.2. Trị số hiệu dụng của dòng điện hình sin...................................................29 2.3. Biểu diễn dòng điện hình sin bằng véc tơ.................................................30 2.4. Dòng điện hình sin trong nhánh thuần điện trở...................................... 33 2.5. Dòng điện hình sin trong nhánh thuần điện cảm.................................... 36 2.6. Dòng điện hình sin trong nhánh thuần điện dung...................................38 2.7. Giải bài tập dòng điện hình sin trong nhánh R-L-C nối tiếp.................41 2.8. Công suất của dòng điện hình sin............................................................. 44 2.9. Phương pháp nâng cao hệ số công suất....................................................46 CHƯƠNG 3: MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU 3 PHA ................................... 50 3.1. Hệ thống mạch điện ba pha....................................................................... 50 3.2. Cách nối hình sao........................................................................................51 3.3. Cách nối hình tam giác...............................................................................53 3.4. Công suất mạch điện ba pha......................................................................54 3.5. Giải mạch điện ba pha đối xứng............................................................... 55 CHƯƠNG 4: MÁY ĐIỆN ...........................................................................60 4.1. Khái niệm chung về máy điện................................................................... 60 4.2. Máy biến áp.................................................................................................64 4.3. Máy điện không đồng bộ............................................................................68 4.4. Giải bài tập máy điện không đồng bộ ................................................... 75 4.5. Máy điện một chiều.................................................................................... 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................................83 4
GIÁO TRÌNH MÔN HỌC Tên môn học: Kỹ thuật điện Mã môn học: MH 08 Vị trí, tính chất, vai trò và ý nghĩa của môn học: - Vị trí: môn học được bố trí dạy ngay từ đầu khóa học, trước khi học các môn chuyên môn. - Tính chất: Là môn học cơ sở cung cấp cho người học kiến thức về mạch điện một chiều, mạch điện xoay chiều; kiến thức về máy điện. Mục tiêu của môn học: Sau khi học xong mô đun này học viên có năng lực: - Kiến thức: + 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. - Kỹ năng: + Tính toán được các thông số kỹ thuật trong mạch điện một chiều, xoay chiều; + Trình bày được cấu tạo, nguyên lý làm việc của máy điện. - Năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Tích cực, tư duy trong giải bài tập tại lớp và tự học. Nội dung môn học: Số Thời gian (giờ) Tên các bài trong môn học TT TS LT TH KT 1 Chương 1: Mạch điện một chiều 18 11 6 1 2 Chương 2: Mạch điện xoay chiều hình sin 9 6 3 0 3 Chương 3: Mạch điện xoay chiều 3 pha 18 12 6 0 4 Chương 4: Máy điện 45 29 15 1 Tổng cộng 90 58 30 2 5
CHƯƠNG 1: MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU Mã chương: MH8-01 Thời gian: 18 giờ (LT: 03; TH: 04; Tự học:10; KT: 01) Giới thiệu: Trong thực tế mạch điện một chiều được ứng dụng nhiều ở lĩnh vực điện, điện tử, dòng điện một chiều tương đối ổn định và việc nghiên cứu để giải mạch điện một chiều là cơ sở để chuyển đổi và giải các mạch điện biến đổi khác về dạng mạch điện một chiều và các cách biến đổi, các phương pháp giải mạch điện một chiều được nghiên cứu kỹ. 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 giải mạch điện; - Vận dụng được các phương pháp khi giải mạch điện, ý nghĩa hệ số công suất. Nội dung chính 1.1. Những khái niệm cơ bản về mạch điện 1.1.1. Mạch điện, kết cấu hình học của mạch điện 1.1.1.1. Khái niệm mạch điện Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện nối với nhau bằng các dây dẫn tạo thành những mạch kín trong đó dòng điện có thể chạy qua. Mạch điện thường gồm các phần tử sau: Nguồn điện, phụ tải (tải), dây dẫn. Hình 1.1 là một ví dụ về mạch điện, trong đó: Nguồn điện là máy phát điện MF, tải gồm động cơ điện ĐC và bóng đèn Đ, các dây dẫn truyền tải điện năng từ nguồn đến tải. Hình 1.1: Mô hình mạch điện * Nguồn điện: Nguồn điện là thiết bị điện 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, v.v… thành điện năng. Ví dụ: Pin, ắc quy biến đổi hóa năng thành điện năng. Máy 6
phát điện biến đổi cơ năng thành điện năng. Pin mặt trời biến đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng, v.v… *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 v. v…Ví dụ: Động cơ điện tiêu thụ điện năng và biến điện năng thành cơ năng. Bàn là, bếp điện biến điện năng thành nhiệt năng. Bóng đèn biến điện năng thành quang năng… * Dây dẫn: Dây dẫn dùng để dẫn điện từ nguồn đến phụ tải. Ngoài các thành phần cơ bản trên, mạch điện còn có các thiết bị phụ trợ để bảo vệ và điều khiển như cầu dao, áp tô mát, cầu chì, rơle… 1.1.1.2. Kết cấu hình học của mạch điện Kết cấu hình học của mạch điện gồm: - Nhánh: Nhánh là một đoạn mạch có các phần tử ghép nối tiếp với nhau trong đó có cùng dòng điện chạy qua. Trên mạch hình 1-1 có 3 nhánh 1,2,3 - Nút: Nút là điểm gặp nhau của từ ba nhánh trở lên. Trên mạch hình 1-1 có 2 nút A, B. - Mạch vòng: Mạch vòng là nối đi khép kín qua các nhánh. Trên mạch hình 1-1 có 3 vòng V1, V2, V3. Mạch vòng độc lập là mạch vòng phải kép kín qua một nhánh mới chưa tham gia vào trong các vòng đã chọn. Trên mạch hình 1-1 có 2 vòng độc lập V1, V2. Mạch điện đơn giản là mạch điện có một nhánh, không có nút và có một mạch vòng. Mạch điện phức tạp là mạch điện có nhiều nhánh, nhiều mạch vòng và nhiều nút. 1.1.2. Các đại lượng đặc trưng cho quá trình năng lượng trong mạch điện Để đặc trưng cho quá trình năng lượng trong một nhánh hoặc một phần tử của mạch điện ta dùng hai đại lượng: Dòng điện i và điện áp u. Hình 1.2: Chiều điện áp và dòng điện * Dòng điện: - 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/dt (1.1) - Chiều dòng điện quy ước là chiều chuyển động của các điện tích dương (ion dương), ngược với chiều chuyển động của các ion âm hoặc electron (điện tử). Trên một nhánh chiều dương quy ước của dòng điện được chọn tùy ý và ký hiệu bằng mũi tên như hình 1.2. 7
- Đơn vị đo của dòng điện là ampe. Ký hiệu là A * Điện áp: Tại mỗi điểm trong mạch điện có một điện thế. Hiệu điện thế (hiệu thế) giữa hai điểm gọi là điện áp. Như vậy điện áp giữa hai điểm a và b có điện thế φa , φb là: uab = φa - φb = ua - ub (1.2) - Chiều điện áp quy ước là chiều từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp. - Điện áp giữa hai cực của nguồn điện khi hở mạch ngoài (dòng điện I = 0) được gọi là sức điện động E. - Đơn vị đo của điện áp, sức điện động là von. Ký hiệu là V *Công suất tức thời Công suất tức thời: p t u t .i t (1.3) 1.1.3. Mô hình mạch điện, các thông số Hình 1.3: Các phần tử mạch điện Kí hiệu của nguồn điện áp độc lập: Hình 1.4: Kí hiệu của nguồn điện áp độc lập Kí hiệu của nguồn điện áp phụ thuộc: u1 u1 u2 α i1 ri1(volts) u2 u2 = u1 u2 = R.I1 Hình 1.5: Kí hiệu của nguồn điện áp phụ thuộc Dòng điện của nguồn sẽ phụ thuộc vào tải mắc vào nó. Nguồn dòng Nguồn dòng độc lập là phần tử hai cực mà dòng điện của nó không phụ thuộc vào điện áp trên hai cực nguồn: i(t)=j(t) Kí hiệu của nguồn độc lập: 8
Hình 1.6: Kí hiệu của nguồn độc lập Kí hiệu của nguồn phụ thuộc: i2 i2 u1 gu1 u2 i1 β i1(A) i2 = gu1 i2 = i1 Hình 1.7: Kí hiệu của nguồn phụ thuộc 1.1.4. Phân loại và các chế độ làm việc của mạch điện *Phân loại - Mạch điện một chiều - Mạch điện xoay chiều * Chế độ làm việc - Chế độ xác lập: Là quá trình, trong đó dưới tác động của nguồn, dòng điện và điện áp trên các nhánh đạt trạng thái ổn định, dòng và áp trên các nhánh biến thiên theo quy luật giống với quy luật biến thiên của nguồn. - Chế độ quá độ: là quá trình chuyển tiếp từ chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác, thời quan quá độ thường rất ngắn. 1.1.5. Các định luật về mạch điện 1.1.5.1. Định luật Ohm * Định luật ôm đối vơi đoạn mạch chỉ có điên trở Định luật: Cường độ dòng điện chạy qua đoạn mạch có có điện trở R: - tỉ lệ thuận với hiệu điện thế hai đầu đoạn mạch. - tỉ lệ nghịch với điện trở. I R U (1.4) A B I U R Nếu có R và I, hiệu điện thế tính như sau: U = VA - VB = I.R (1.5) I.R: gọi là độ giảm thế (độ sụt thế hay sụt áp) trên điện trở. Công thức của định luật ôm cũng cho phép tính điện trở: Đặc tuyến V - A (vôn - ampe) 9
Đó là đồ thị biểu diễn I theo U còn gọi là đường đặc trưng vôn - ampe. I O U Hình 1.8: Đặc tuyến V - A Đối với vật dẫn kim loại (hay hợp kim) ở nhiệt độ nhất định đặc tuyến V –A là đoạn đường thẳng qua gốc các trục: R có giá trị không phụ thuộc U. (vật dẫn tuân theo định luật ôm). Ví dụ 1: Khi đặt điện áp U = 24V vào một đoạn mạch, thấy có dòng điện I = 6A đi qua. Tính điện trở của đoạn mạch đó. U 24 Giải: Điện trở của đoạn mạch, ta có: r 4 I 6 * Định luật ôm cho toàn mạch Cường độ dòng điện trong mạch kín: Giả sử có mạch điện không phân nhánh như hình 1.9, nguồn có sức điện động E, điện trở trong là R0, cung cấp cho tải có điện trở là R, qua một đường dây có điện trở là Rd, dòng điện trong mạch là I. Hình 1.9: Mạch điện không phân nhánh Áp dụng định luật Ohm cho từng đoạn mạch ta có Điện áp trên tải: U I .R Điện áp trên đường dây: U d I . Rd Điện áp trên điện trở trong của nguồn: U 0 I . R0 E U0 Ud U I R0 Rd R I .R Ở đây: R R0 Rd R : là tổng trở của toàn mạch Từ đó: E E I R R0 Rn 10
Trong đó : Rn Rd R : là điện trở mạch ngoài Vậy: “Dòng điện trong mạch tỷ lệ với sức điện động của nguồn và tỷ lệ nghịch với điện trở tương đương của toàn mạch” Ví dụ 2. Mạch điện ở trên có E = 231V, R 0 = 0,1Ω, R = 22Ω, Rd = 1Ω. Hãy xác định dòng điện trong mạch, điện áp đặt vào tải và điện áp trên hai cực của nguồn. Giải: Áp dụng định luật Ohm cho toàn mạch để tính dòng điện: E E 231 I 10 A R R0 Rd R 0,1 22 1 Điện áp đặt vào tải: U I . R 10.22 220 V Điện áp rơi trên đường dây: Ud I . Rd 10.1 10V Điện áp rơi trên điện trở trong của nguồn: U0 I . R0 10.0,1 1V 1.1.5.2. Hai định luật Kiếchốp * Định luật Kiếchốp I: Tổng đại số các dòng điện tại một nút (hoặc vòng kín) bất kỳ bằng không ik 0 (1.6) nut Trong đó, ta có thể quy ước: Các dòng điện có chiều dương đi vào nút thì lấy dấu +, còn đi ra khỏi nút thì lấy dấu –. Hoặc có thể lấy dấu ngược lại. Có thể phát biểu định luật K1 dưới dạng: Tổng các dòng điện có chiều dương đi vào một nút bất kỳ thì bằng tổng các dòng điện có chiều dương đi ra khỏi nút. Với mạch điện có d nút thì ta chỉ viết được (d-1) phương trình K1 độc lập với nhau cho (d-1) nút. Phương trình K1 viết cho nút còn lại có thể được suy ra từ (d-1) phương trình K1 trên. Ví dụ 3: Ta xét 1 nút của mạch điện gồm có 1 số dòng điện đi tới nút A và cũng có 1 số dòng điện rời khỏi nút A. 11
Hình 1.10: Biểu diễn dòng điện tại nút A Như vậy, trong 1 giây, điện tích di chuyển đến nút phải bằng điện tích rời khỏi nút. Bởi vì, nếu giả thiết này không thoả mãn thì sẽ làm cho điện tích tại nút A thay đổi. Vì thế: “Tổng số học các dòng điện đến nút bằng tổng số học các dòng điện rời khỏi nút” Đây chính là nội dung của định luật Kirchhoff 1 Nhìn vào mạch điện ta có: I1 I3 I5 I2 I4 I1 I 2 I3 I4 I5 0 Tổng quát, ta có định luật phát biểu như sau: “Tổng đại số các dòng điện đến một nút bằng 0” n Ii 0 i 1 Quy ước: - Nếu các dòng điện đi tới nút là dương thì các dòng điện rời khỏi nút sẽ mang dấu âm hoặc ngược lại. * Định luật Kiếchốp II: Định luật Kirchhoff II phát biểu cho 1 vòng kín Tổng đại số các sụt áp trên một vòng kín thì bằng không uk 0 (1.7) vong Người ta chứng minh được rằng: với một mạch có d nút, n nhánh thì số phương trình độc lập có được từ định luật K2 là (n-d+1). Đối với mạch điện phẳng có d nút, n nhánh thì số mắc lưới là (n-d+1). Do đó: (n-d+1) phương trình K2 độc lập nhau có thể đạt được bằng cách viết (n-d+1) phương trình K2 viết cho (n-d+1) mắt lưới. Ví dụ 4: Cho một mạch điện như hình vẽ gồm 4 nhánh: 12
Hình 1.11: Sơ đồ mạch vòng Ta có I 1 . R1 I 2 . R2 I 3 . R3 I 4 . R4 E1 E2 E3 0 Trong đó, chiều dương của mạch vòng được chọn như hình vẽ Như vậy, “Đi theo 1 vòng khép kín, theo 1 chiều tùy ý, tổng đại số các điện áp rơi (sụt áp) trên các phần tử bằng tổng đại số các suất điện động trong mạch vòng, trong đó những suất điện động và dòng điện có chiều trùng với chiều đi vòng sẽ lấy dấu (+), còn ngược lại mang dấu (-)” R. I E 1.2. Các phương pháp phân tích mạch điện 1.2.1. Phương pháp biến đổi tương đương * Phương pháp biến đổi điện trở . - Điện trở mắc nối tiếp: Điện trở tương đương được tính bởi: Hình 1.15: Các điện trở mắc nối tiếp Rm = Rl + R2+ R3+ … + Rn Im = Il = I2 = I3 =… = In Um = Ul + U2+ U3+… + Un Ví dụ 8: Cần ít nhất mấy bóng đèn 24V-12W đấu nối tiếp khi đặt vàp điện áp U = 120V .Tính điện trở tương đương và dòng điện qua mạch Giải: Với bóng đèn 24V không thể đấu trực tiếp vào mạch điện áp 120V được mà phải đấu nối tiếp nhiều bóng đèn có điện áp 24V. Và phải đảm bảo không vượt quá điện áp của mạng. Các bóng đèn giống nhau nên khi đấu nối tiếp, điện áp đặt vào mỗi bóng là như nhau. Ở đây, ta cần số bóng đèn là: 120 n 5 24 13
Lấy n = 5 bóng: Điện trở của mỗi bóng là: 2 U2 U dm 24 2 P U .I R 48 R Pdm 12 Điện trở tương đương của toàn mạch: Rtd n . R 5.48 240 Dòng điện trong mạch: U 120 I 0,5 A Rtd 240 - Biến đổi song song các điện trở: Điện trở tương đương được anh bởi: R1 R2 R3 Rn Hình 1.16: Các điện trở mắc song song 1 1 1 1 1 = + + + + Rm R1 R2 R3 Rn Im = Il + I2 + … + In Um = Ul = U2 = U3 = … = Un - Đấu nối tiếp các nguồn điện Đấu nối tiếp là cách đấu cực âm của phần tử thứ nhất với cực dương của phần tử thứ hai, cực âm của phần tử thứ hai đấu với cực dương của phần tử thứ ba …Cực dương của phần tử thứ nhất và cực âm của phần tử cuối cùng là hai cực của bộ nguồn. E1 E2 E3 Hình 1.17: Đấu nối tiếp nguồn Gọi s.đ.đ của mỗi phần tử là E0; S.đ.đ chung của cả bộ: E n . E0 Từ đó, nếu đã biết U là điện áp yêu cầu của tải thì xác định được số phần tử nối tiếp: n U Gọi r f t là điện trở trong của mỗi phần tử E0 r0 là điện trở trong của bộ nguồn, chính là điện trở tương đương của n điện trở nối tiếp r0 n . r f t 14
Dòng điện qua bộ nguồn cũng là dòng điện qua mỗi phần tử nên dung lượng mỗi phần tử bằng với dung lượng nguồn. - Đấu song song các nguồn điện… Đấu song song là cách đấu các cực dương với nhau, các cực âm với nhau, tạo thành hai cực của bộ nguồn. Hình 1.18 : Đấu song song nguồn S.đ.đ của cả bộ nguồn chính là s.đ.đ của mỗi phần tử: E E 0 Điện trở trong của bộ nguồn là điện trở tương đương của m điện trở đấu song rf t song: r0 Dòng điện tương đương của cả bộ nguồn là tổng dòng điện qua m mỗi phần tử: I m. I f t Từ đó, nếu biết I là dòng điện yêu cầu của tải, xác định được số mạch nhánh cần I đấu song song: m I f t . cp Trong đó: I f t . cp là dòng điện lớn nhất cho phép của mỗi phần tử - Mắc các điện trở hỗn hợp: Mắc hỗn hợp có nghĩa là trong mạch điện có nhánh mắc nối tiếp, có nhánh mắc song song mà thực tế ta rất hay gặp. Như sơ đồ dưới đây: Hình 1.19: Đấu các điện trở hỗn hợp Điện trở song song đưa về điện trở tương đương: 1 1 1 R1 R2 R1 . R2 ⇒ Rtd Rtd R1 R2 R1 . R2 R1 R2 Mạch hỗn hợp được viết lại: R1 . R2 Rtđ nối tiếp R3 ⇒ RTM Rtd R3 R3 R1 R2 15
Như vậy, đối với sơ đồ mắc hỗn hợp trên đây, ta đã lập được công thức tính của nó Rn Nếu R1 R2 R3 .... Rn R thì R n Ví dụ 9: Cho mạch điện như hình vẽ với các số liệu sau: R 1 = R2 = R3 = 30Ω ; R4 = 15Ω ; I1 = 0,5A a) Tính điện trở tại 2 điểm A và B b) Tính cường độ dòng điện qua mỗi điện trở c) Tính điện áp trên mỗi điện trở và điện áp giữa hai điểm A và C Hình 1.20: Sơ đồ mạch điện điện trở mắc hỗn hợp Giải: a) Điện trở tại 2 điểm A và B: 1 1 1 1 R1 // R2 // R3 ⇒ Rt R1 R2 R3 R1 30 Vì R1 = R2 = R3 nên: Rt 10 n 3 Điện trở của toàn mạch: R Rt R4 10 15 25 Vì mạch là nối song song nhau nên điện áp tại các nhánh là không đổi b) Do R1 = R2 = R3 = 30Ω I1 = I2 = I3 = 0,5Ω Cường độ dòng điện qua mạch chính: I I1 I2 I3 3. I 1 3.0,5 1,5 A c) Điện áp trong đoạn mạch song song: U1 U2 U3 I1 .R1 0,5.30 15 V Điện áp trên điện trở R4: U4 I .R4 1,5.15 22,5 V Điện áp trong toàn mạch chính: 16
U I .R 1,5.25 37,5 V Hay: U U1 U 4 15 22,5 37,5 V 1.2.2. Phương pháp dòng điện nhánh Nếu có m điểm nút sẽ lập được (m-1) phương trình độc lập. Gọi số nhánh của mạch điện là n thì ta có n ẩn số vì dòng điện mỗi nhánh là 1 ẩn Như vậy, số phương trình còn lại cần lập là: n – (m-1) = M Giải mạch điện bằng phương pháp dòng nhánh nói chung gồm các bước sau: Bước 1: Xác định số nút m = ?, số nhánh n = ? Bước 2: Quy ước chiều dòng điện nhánh, mỗi dòng là 1 ẩn. Bước 3: Viết phương trình Kirchhoff 1 cho (m-1) nút đã chọn Bước 4: Viết phương trình Kirchhoff 2 cho n- (m-1) mạch vòng Bước 5: Giải hệ n phương trình đã thiết lập, ta tìm ra được đáp số của dòng điện các nhánh. Đối với đáp số âm, ta nên hiểu là chiều thực tế ngược với chiều đã chọn ban đầu Ví dụ 10: Cho mạch điện như hình vẽ có: E 1 = 125V; E2 = 90V; R1 = 3Ω; R2 = 2Ω; R3 = 4Ω. Tìm dòng điện trong các nhánh và điện áp đặt vào tải R3 Hình 1.21: Sơ đồ mạch điện nhánh Giải: Bước 1: m = 2, n = 3 Bước 2: Chọn chiều dòng điện I1 , I2 , I3 như hình vẽ Bước 3: Viết phương trình Kirchhoff 1 cho điểm A : I1 I2 I3 0 1 Bước 4: Viết phương trình Kirchhoff 2 cho mạch vòng: I 1 . R1 I 3 . R3 E1 2 I 2 . R2 I 3 . R3 E2 3 E1 I 3 . R3 2 I1 R1 17
I 3 . R3 E 2 3 I2 R2 Giải hệ phương trình ta tìm được: I3 20 A ; I1 15 A ; I2 5 A Như vậy, chiều thực của I2 ngược với chiều đã chọn Điện áp đặt vào tải R3: 1.2.3. Phương pháp điện thế nút Ta có sơ đồ mạch điện như hình vẽ Hình 1.23: Sơ đồ mạch điện Nói chung, giải mạch điện bằng phương pháp điện thế nút gồm các bước sau: Bước 1: Xác định số nút m Bước 2: Chọn 1 nút bất kỳ có điện thế biết trước. Bước 3: Tính tổng dẫn của các nhánh nối từ mỗi nút và tính tổng dẫn chung của các nhánh giữa hai nút và điện dẫn của các nhánh có nguồn Bước 4: Thành lập hệ phương trình điện thế nút Bước 5: Giải hệ phương trình ta được điện thế của mỗi nút Bước 6: Tính dòng điện trong các nhánh Ví dụ 12: Cho mạch điện như hình vẽ có : E1 = 125V; E2 = 10V; R1 = 3Ω; R2 = 2Ω; R3 = 4Ω . Tìm dòng điện trên các nhánh điện áp đặt vào tải R 3 bằng pp điện thế nút Hình 1.24: Sơ đồ mạch điện 18
Giải: Giả thiết B 0 , U AB A Điện áp giữa hai nút A và B E.g 125 90 A E1 . g1 E 2 . g 2 3 2 U AB 80 V g AA g1 g 2 g 3 1 1 1 3 2 4 Dòng điện trong các nhánh: E1 U AB 125 80 I1 15 A R1 3 E 2 U AB 90 80 I2 5 A R2 2 U AB 80 I3 20 A R3 4 1.3. Giải mạch điện bằng phương pháp dòng điện vòng 1.3.1. Lý thuyết liên quan Xét một mạch điện như hình vẽ: Gọi I 1 ; I 2 ; I 3 ; I 4 ; I 5 là dòng điện của mỗi nhánh Gọi I a ; I b ; I c là dòng điện của mỗi vòng Nhìn trên hình vẽ, ta thấy: Hình 1.25: Sơ đồ mạch điện vòng I1 Ia ; I2 Ib ; I3 Ic I4 Ia Ic ; I5 Ic Ib Áp dụng định luật Kirchhoff II: Đối với vòng ADBA: I a R1 I a R 4 I c R4 E1 (1) Đối với vòng BECB: I b R2 IbR5 I c R5 E2 ( 2) Đối với vòng ABCA: I a R4 IbR5 I c R3 I c R4 I c R5 0 (3) 19
Giải hệ phương trình (1) , (2) , (3) ta xác định được I a ; I b ; I c 1.3.2. Trình tự thực hiện - Bước 1: Xác định (m – n + 1) mạch vòng độc lập và tuỳ ý vẽ chiều dòng điện mạch vòng, thông thường nên chọn chiều các dòng điện mạch vòng giống nhau, thuận tiện cho việc lập hệ phương trình. - Bước 2: Viết phương trình Kirchhoff II cho mỗi mạch vòng theo các dòng điện mạch vòng đã chọn - Bước 3: Giải hệ phương trình vừa thiết lập, ta có dòng điện mạch vòng - Bước 4: Tính dòng điện các nhánh theo dòng điện mạch vòng như sau: dòng điện mỗi nhánh bằng tổng đại số dòng điện mạch vòng chạy qua nhánh ấy. 1.3.3. Thực hành Từng người học thực hiện giải bài tập theo trình tự các bước nêu trên. Bài tập: Xác định dòng điện các nhánh của mạch điện như hình vẽ 1.25. Biết E1 120 V ; E 2 110 V ; r1 r2 1 ; r3 2 ; r4 9 ; r5 4 Hướng dẫn giải Lập được hệ phương trình (1, 2, 3) như ở trên Thay số vào, ta có: Ia 1 9 I c 9 120 (4) Ib 1 4 I c 4 110 (5) Ia 9 Ib 4 Ic 2 9 4 0 (6) Từ (4) và (5) rút ra I a ; I b rồi thay vào (6) ta tính được I c 5,4 A 120 5,4 . 9 Thay vào (4) rút ra: I a 16,86 A 10 110 5,4 . 4 Thay vào (5) rút ra: I b 17,68 A 5 Dòng điện trong các nhánh: I1 Ia 16,86 A ; I2 Ib 17,68 A ; I3 Ic 5,4 A I4 Ia Ic 16,86 5,4 11,46 A I5 Ic Ib 17,68 5,4 23,08 A 1.4. Giải mạch điện bằng phương pháp xếp chồng dòng điện 1.4.1. Lý thuyết liên quan Phương pháp xếp chồng có thể sử dụng để xác định dòng điện trong mạch có nhiều nguồn điện. Dòng điện qua mỗi nhánh bằng tổng đại số các dòng điện qua nhánh do tác dụng riêng rẽ của từng s.đ.đ. Nguyên lý xếp chồng được ứng dụng để nghiên cứu mạch điện có nhiều nguồn tác dụng. 20