CHƯƠNG 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ MẠCH ĐIỆN Mã chương: MH 07 - 1 Giới thiệu Nguồn điện một chiều và xoay chiều được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp dân dụng. Vấn đề tính toán các thông số kỹ thuật trong mạch điện này để khai thác, sử dụng hiệu quả thiết bị điện là một trong những yêu cầu cơ bản của người công nhân các nghề kỹ thuật công nghiệp. Đối với người công nhân nghề công nghệ ô tô cũng không ngoài các yêu cầu đó. Các kiến thức, kỹ năng đạt được trong chương này sẽ là tiền đề để tiếp thu các mô đun/ môn học khác.
Mục tiêu Học xong chương này người học có khả năng: - Trình bày được khái niệm, nguyên lý sản sinh ra dòng điện một chiều, các đại lượng cơ bản và các định luật cơ bản của mạch điện một chiều. - Nhận dạng được máy phát một chiều và kiểm tra tính toán được mạch điện một chiều. - Trình bày được nguyên lý sản sinh ra sức điện động xoay chiều và các đại lượng cơ bản đặc trưng cho dòng điện xoay chiều hình sin. - Trình bày được quan hệ về trị số và về pha giữa dòng điện và điện áp trong mạch điện xoay chiều khi có thuần điện trở, thuần điện cảm và thuần điện dung.
- Trình bày được ý nghĩa của hệ số công suất và các biện pháp nâng cao hệ số công suất. - Trình bày được sơ đồ đấu nối hệ thống điện xoay chiều ba pha kiểu hình sao (Y) và hình tam giác ( ) và các mối quan hệ giữa các đại lượng pha và dây. Nội dung chính 1. Mạch điện một chiều 1.
Những khái niệm cơ bản về mạch điện một chiều 1. Dòng điện một chiều Dòng điện một chiều là dòng điện có chiều và cường độ không thay đổi theo thời gian. Nguồn điện một chiều Nguồn điện là thiết bị phát ra điện năng. Về nguyên lý, nguồn điện là thiết bị biến đổi các dạng năng lượng như cơ năng, hoá năng, nhiệt năng… thành điện năng.
Pin, acquy Biến đổi hóa năng thành điện năng. Pin Mặt Trời Hoạt động dựa vào hiện tượng quang điện, biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng. Máy phát điện một chiều Máy phát điện biến đổi cơ năng đưa vào trục của máy thành điện năng ở các cực của dây quấn. + Lớp - - - p- - - - - Etx Iqđ chặn + + + +n+ + + + G g - Hình 1.1: Cấu tạo pin Mặt Trời Hình 1.2: Hình dáng máy điện một chiều 5 d.
Bộ nguồn điện tử công suất Bộ nguồn điện tử công suất không tạo ra điện năng mà chỉ biến đổi điện áp xoay chiều (lấy từ lưới điện) thành điện áp một chiều lấy ra ở 2 cực.3: Bộ nguồn biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều 1. Tải Tải là các thiết bị tiêu thụ điện năng và biến đổi điện năng thành các dạng năng lượng khác như cơ năng, hoá năng, nhiệt năng, quang năng… 1. Mạch điện Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện (nguồn, tải, dây dẫn) nối lại với nhau thành một vòng khép kín trong đó dòng điện có thể chạy qua. Mạch điện phức tạp có nhiều nhánh, nhiều mạch vòng và nhiều nút.
Nhánh: là bộ phận của mạch điện gồm có các phần tử nối tiếp nhau trong đó có cùng dòng điện chạy qua. Nút: là chỗ gặp nhau của các nhánh (từ 3 nhánh trở lên). Mạch vòng: là lối đi khép kín qua các nhánh.4: Nút và vòng của mạch điện Hình 1.4 là ví dụ về mạch điện. Nguồn điện là máy phát điện (MF) cung cấp điện cho tải là đèn (Đ) và động cơ điện (ĐC), mạch điện có 3 nhánh (1, 2, 3), 2 nút (A, B) và 3 mạch vòng (a, b, c).
Các đại lượng đặc trưng và các định luật của dòng điện một chiều 1. Các đại lượng đặc trưng a. Cường độ dòng điện Cường độ dòng điện là đại lượng đặc trưng cho tác dụng mạnh yếu của dòng điện. Cường độ dòng điện được tính bằng lượng điện tích chạy qua tiết diện thẳng của vật dẫn trong một đơn vị thời gian.
I = q/t Đơn vị của dòng điện là ampe (A). Điện áp Điện áp là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích lũy năng lượng của dòng điện. Trong mạch điện, tại các điểm đều có một điện thế φ. Hiệu điện thế giữa hai điểm gọi là điện áp U, đơn vị là vôn (V).
φA φB Ta có: UAB = φA - φB trong đó: φA: điện thế tại A φB: điện thế tại B UAB UAB: hiệu điện thế giữa A và B Qui ước: Chiều điện áp là chiều từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp. Đơn vị điện áp là vôn (V), kí hiệu: U c. Sức điện động Mỗi nguồn điện có đại lượng đặc trưng cho khả năng sinh công của nó, gọi là sức điện động. Kí hiệu: E, đơn vị là vôn (V).
Sức điện động của nguồn điện được tính bằng công do nguồn điện sinh ra khi làm chuyển dời một đơn vị điện tích dương giữa hai cực của nguồn điện. Điện năng tiêu thụ Lượng điện năng mà một đoạn mạch tiêu thụ khi có dòng điện chạy qua để chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác được đo bằng công của lực điện thực hiện khi dịch chuyển có hướng các điện tích.t Đơn vị của A là Jun (J) nếu đơn vị của t là giây (s) Đơn vị của A là kWh nếu đơn vị của t là giờ (h) Đơn vị của P là W e. Công suất Công suất mạch ngoài là đại lượng đặc trưng cho khả năng thu và phát năng lượng điện trường của dòng điện.I2 t Công suất của nguồn điện bằng công suất tiêu thụ điện năng của toàn mạch.I Đơn vị của công suất là oát (W) Nếu U = 1V, I = 1A thì P =1W 1kW = 1000W 1MW = 1000 000W 1. Các định luật cơ bản a.
Định luật Ôm + Định luật Ôm đối với đoạn mạch Cường độ dòng điện trong một đoạn mạch tỉ lệ thuận với điện áp hai đầu đoạn mạch và tỉ lệ nghịch với điện trở của đoạn mạch. U Từ công thức: I = suy ra: U = IR R I: cường độ dòng điện (A) U: hiệu điện thế (V) R: điện trở (Ω) + Định luật Ôm cho toàn mạch: 7 Giả sử có mạch điện như hình vẽ: R E, r Hình 1.5: Mạch kín Cường độ dòng điện trong mạch kín tỉ lệ thuận với sức điện động của nguồn điện và tỉ lệ nghịch với điện trở toàn mạch E I Rr b. Định luật Kiếcshốp 1 (Kirchhoff 1) Tổng đại số các dòng điện tại một nút bằng không. I = 0 Trong đó nếu qui ước các dòng điện đi tới nút mang dấu dương, thì các dòng điện rời khỏi nút mang dấu âm, hoặc ngược lại.
Ví dụ: tại nút ở hình 1.6, định luật Kiếcshốp 1 được viết: I1 – I2 – I3 = 0 ta có thể viết lại: I1 = I2 + I3 Hình 1.6: Dòng điện nút Định luật Kirchhoff 1 nói lên tính chất liên tục của dòng điện. Trong một nút không có hiện tượng tích lũy điện tích, có bao nhiêu điện tích tới nút thì cũng có bấy nhiên điện tích rời khỏi nút. Định luật Kiếcshốp 2 (Kirchhoff 2) Trong một mạch vòng bất kì tổng đại số các sức điện động bằng tổng đại số các điện áp rơi trên các điện trở trong vòng. E = U Qui ước dấu: các sức điện động và dòng điện có chiều trùng với chiều đi vòng sẽ lấy dấu dương, ngược lại mang dấu âm.
8 Áp dụng định luật Kirchhoff 2 cho mạch vòng hình 1.R3 Định luật Kirchhoff 2 nói lên tính chất thế của dòng điện. Trong một mạch điện xuất phát từ một điểm trên một mạch vòng kín và trở lại vị trí xuất phát thì lượng tăng thế bằng 0.7: Mạch vòng dòng điện d. Định luật Jun – Lenxơ Nhiệt lượng toả ra trên một vật dẫn khi có dòng điện không đổi chạy qua tỉ lệ thuận với điện trở của vật, với bình phương cường độ dòng điện và với thời gian dòng điện chạy qua. Các khái niệm cơ bản về dòng điện xoay chiều 2.
Định nghĩa dòng điện xoay chiều và nguyên lý sản sinh ra sức điện động xoay chiều hình sin 2. Định nghĩa Dòng điện xoay chiều là dòng điện có i chiều và cường độ biến đổi (hay còn gọi là biến I m thiên) theo thời gian, dòng điện xoay chiều thường biến đổi tuần hoàn, cứ sau mỗi khoảng + Im thời gian nhất định, nó lại lặp lại quá trình biến T/2 thiên cũ, khoảng thời gian ngắn nhất để dòng t điện lặp lại quá trình biến thiên cũ gọi là chu kì T của dòng điện xoay chiều. Nguyên lý sản sinh ra sức điện -Im động xoay chiều hình sin Sức điện động xoay chiều hình sin được T tạo ra trong máy phát điện xoay chiều một pha hoặc ba pha.7 Về nguyên tắc, máy phát điện xoay chiều một pha gồm có hệ thống cực từ gọi là phần cảm đặt ở stato và một bộ dây gọi là phần ứng đặt trên rôto. Dựa trên định luật cảm ứng điện từ: Xét máy phát điện xoay chiều đơn giản.
Cho một khung dây quay trong từ trường của nam châm vĩnh cửu, khung dây sẽ cắt các đường sức từ trường và cảm ứng trong khung dây một sức điện động cảm ứng xoay chiều. Nối đầu ra của khung dây với tải thì sẽ có dòng điện xoay chiều chạy qua tải. Dòng điện cung cấp cho tải thông qua vành trượt và chổi than. Khi công suất điện lớn, lấy cách điện như vậy gặp nhiều khó khăn ở chỗ tiếp xúc giữa vành trượt và chổi than.
Trong công nghiệp, máy phát điện xoay chiều được chế tạo như sau: dây quấn đứng yên trong các rãnh của lõi thép là phần tĩnh và nam châm N-S là phần quay. 9 Khi tác dụng lực cơ học vào trục làm nam châm N-S quay, trong dây quấn phần tĩnh sẽ cảm ứng ra sức điện động xoay chiều hình sin. Dây quấn đứng yên nên việc lấy điện cung cấp cho tải rất an toàn và thuận lợi. Mô hình của máy phát điện xoay chiều vẽ trên hình 1.8: Nguyên lý máy phát điện xoay chiều 2.
Các đại lượng đặc trưng cho dòng điện xoay chiều 2. Chu kì – tần số - pha a. Chu kì là khoảng thời gian ngắn nhất để dòng điện lặp lại quá trình biến đổi cũ. Kí hiệu T; đơn vị là giây (s).
Tần số là số chu kì mà dòng điện thực hiện được trong một đơn vị thời gian (tính bằng giây). Ta có f = 1/T (đơn vị Héc: Hz) Dòng điện có tần số 1Hz là dòng điện thực hiện được 1 chu kì trong 1 giây. 1kHz = 103 Hz 1MHz = 106 Hz c.