Thiết Bị Điện & Điện Tử Trong Cơ Khí Công Nghiệp

Trong kỷ nguyên cơ khí hiện đại, thiết bị điện và điện tử trong cơ khí công nghiệp đóng vai trò là hệ thần kinh và mạch máu, quyết định đến hiệu… 67 trang.

• Đề tài: Thiết Bị Điện & Điện Tử Trong Cơ Khí Công Nghiệp

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Các đơn vị hệ SI
• 1.2. Các đơn vị dẫn xuất trong hệ SI
• 1.3. Tiền tố biểu thị lũy thừa của 10
• 1.4. Quy ước dấu thụ động
• 1.5. Sản xuất và phân phối điện xoay chiều
• 1.6. Hệ thống dây điện dân dụng
• 1.7. Hệ thống dây điện dân dụng một pha ba dây
• 1.8. Bộ ngắt mạch khi có sự cố chạm đất (GFCI)
• 1.9. Khái niệm về số phức
• 1.10. Hệ tọa độ Descartes
• 1.11. Hệ tọa độ cực
• 1.12. Chuyển đổi giữa các hệ tọa độ
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỊNH NGHĨA
• 2.1. Khái niệm dòng điện xoay chiều
• 2.2. Dạng sóng dòng điện xoay chiều
• 2.3. Các phép đo dòng điện xoay chiều
• 2.4. Pha của dòng điện xoay chiều
• 3. CHƯƠNG 3: BIỂU DIỄN DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU
• 3.1. Vectơ và dạng sóng xoay chiều
• 3.2. Phương pháp đo độ lệch pha
• 3.3. Vectơ pha Fresnel
• 3.4. Phép cộng hai vectơ pha
• 4. CHƯƠNG 4: CÔNG SUẤT DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU
• 4.1. Công suất tức thời
• 4.2. Công thức công suất hình sin
• 4.3. Mối quan hệ giữa i(t), v(t) và p(t)
• 4.4. Công suất trung bình và công suất phản kháng
• 4.5. Mối quan hệ giữa các thành phần công suất
• 4.6. Khái niệm công suất trung bình
• 4.7. Khái niệm công suất phản kháng
• 4.8. Công suất đối với tải thuần trở
• 4.9. Công suất đối với tải thuần cảm
• 4.10. Công suất đối với tải thuần dung
• 4.11. Hệ số công suất và hệ số phản kháng
• 4.12. Định nghĩa giá trị hiệu dụng (RMS)
• 4.13. Giá trị hiệu dụng của hàm sin
• 4.14. Công thức công suất theo giá trị hiệu dụng
• 4.15. Công suất phức
• 4.16. Tính toán công suất
• 5. CHƯƠNG 5: MÁY BIẾN ÁP
• 6. CHƯƠNG 6: ĐÁP ỨNG TỰ NHIÊN CỦA MẠCH RLC SONG SONG
• 7. CHƯƠNG 7: ĐÁP ỨNG TỰ NHIÊN CỦA MẠCH RLC NỐI TIẾP

Tóm tắt

I. Vai Trò Cốt Lõi của Thiết Bị Điện Điện Tử Công Nghiệp

Trong kỷ nguyên cơ khí hiện đại, thiết bị điện và điện tử trong cơ khí công nghiệp đóng vai trò là hệ thần kinh và mạch máu, quyết định đến hiệu suất, độ chính xác và khả năng vận hành của toàn bộ hệ thống. Nền tảng của các thiết bị này bắt nguồn từ những nguyên lý cơ bản về mạch điện xoay chiều (AC). Theo tài liệu "AC Electric Circuit & Theory" của TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nguyên tắc tạo ra điện áp xoay chiều dựa trên Định luật cảm ứng điện từ Faraday, khi một cuộn dây quay trong từ trường, tạo ra một tín hiệu điện hình sin. Tín hiệu này, với các đặc tính như biên độ, tần số và pha, chính là nguồn năng lượng cho mọi hoạt động máy móc. Từ nền tảng lý thuyết này, ngành tự động hóa công nghiệp đã phát triển các thiết bị tinh vi để điều khiển và biến đổi nguồn năng lượng đó thành các chuyển động cơ học hữu ích. Các thành phần như bộ điều khiển logic khả trình (PLC), biến tần (inverter), và động cơ servo không chỉ đơn thuần là các linh kiện, mà là những bộ phận thông minh giúp chuyển đổi ý đồ của người vận hành thành hành động chính xác của máy móc. Sự kết hợp giữa lý thuyết điện tử sâu sắc và ứng dụng cơ khí thực tiễn đã tạo nên những dây chuyền sản xuất tự động hiệu quả, có khả năng hoạt động liên tục với sai số tối thiểu. Hiểu rõ bản chất và vai trò của từng thiết bị là yêu cầu tiên quyết để thiết kế, vận hành và bảo trì thiết bị điện công nghiệp một cách tối ưu, đảm bảo dây chuyền sản xuất luôn hoạt động ổn định và hiệu quả.

1.1. Từ lý thuyết mạch điện AC đến tự động hóa công nghiệp

Mọi hệ thống cơ khí công nghiệp hiện đại đều vận hành dựa trên nguồn điện xoay chiều (AC). Việc hiểu rõ các khái niệm cơ bản như điện áp hiệu dụng (RMS), công suất tác dụng (Average Power) và công suất phản kháng (Reactive Power) được trình bày trong tài liệu của TS. Ngô Hà Quang Thịnh là cực kỳ quan trọng. Các giá trị này không chỉ là lý thuyết suông mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả sử dụng năng lượng và độ bền của thiết bị. Ngành tự động hóa công nghiệp chính là cầu nối, ứng dụng các nguyên lý này để tạo ra các hệ thống điều khiển thông minh. Ví dụ, một nguồn điện công nghiệp (power supply) chất lượng cao sẽ cung cấp điện áp ổn định, trong khi các thiết bị như biến tần giúp điều chỉnh tần số dòng điện để thay đổi tốc độ động cơ, một ứng dụng trực tiếp từ lý thuyết về dạng sóng AC. Do đó, việc nắm vững nền tảng lý thuyết là bước đầu tiên để làm chủ công nghệ tự động hóa.

1.2. Phân loại các thiết bị điện tử công nghiệp phổ biến

Thế giới thiết bị điện & điện tử trong cơ khí công nghiệp rất đa dạng, có thể phân loại thành các nhóm chính. Nhóm điều khiển bao gồm "bộ não" của hệ thống như bộ điều khiển logic khả trình (PLC), máy tính công nghiệp (IPC), và các bộ điều khiển chuyên dụng cho máy CNC. Nhóm chấp hành thực hiện các lệnh điều khiển, nổi bật là động cơ servo, động cơ bước, van điện từ và các cơ cấu truyền động khác. Nhóm cảm biến đóng vai trò là "giác quan", thu thập dữ liệu từ môi trường với các thiết bị như cảm biến công nghiệp, bao gồm cảm biến tiệm cận và cảm biến quang. Nhóm giao diện người-máy có màn hình HMI và hệ thống SCADA, cho phép giám sát và điều khiển toàn bộ quy trình. Cuối cùng, nhóm đóng cắt và bảo vệ, chứa trong tủ điện điều khiển, gồm các thiết bị đóng cắt (contactor, rơ le, aptomat), có nhiệm vụ bảo vệ hệ thống khỏi các sự cố điện.

II. Thách Thức Khi Vận Hành Thiết Bị Điện Điện Tử Công Nghiệp

Việc tích hợp và vận hành thiết bị điện & điện tử trong cơ khí công nghiệp mang lại hiệu quả vượt trội nhưng cũng đi kèm với không ít thách thức. Một trong những vấn đề hàng đầu là an toàn điện công nghiệp. Môi trường nhà xưởng với nhiều máy móc công suất lớn, độ ẩm và bụi bẩn tiềm ẩn nguy cơ chập cháy, rò rỉ điện, gây nguy hiểm cho con người và thiết bị. Việc trang bị các thiết bị bảo vệ như GFCI (Ground Fault Circuit Interrupter) được đề cập trong tài liệu gốc là một giải pháp cơ bản nhưng hiệu quả. Thách thức thứ hai là tối ưu hóa năng lượng. Hiệu suất của hệ thống không chỉ phụ thuộc vào công suất máy mà còn liên quan đến hệ số công suất (Power Factor). Một hệ thống có hệ số công suất thấp sẽ gây lãng phí năng lượng dưới dạng công suất phản kháng, làm tăng chi phí vận hành. Đây là một giải pháp tiết kiệm năng lượng quan trọng mà nhiều doanh nghiệp cần quan tâm. Cuối cùng, độ tin cậy và tuổi thọ của thiết bị là một bài toán phức tạp. Các linh kiện điện tử nhạy cảm với sự biến đổi của nhiệt độ, độ ẩm và nhiễu điện từ. Việc không có kế hoạch bảo trì thiết bị điện công nghiệp định kỳ có thể dẫn đến hỏng hóc đột ngột, gây gián đoạn sản xuất và thiệt hại kinh tế nghiêm trọng. Việc xây dựng một sơ đồ mạch điện điều khiển rõ ràng và tuân thủ các quy trình bảo trì nghiêm ngặt là yếu tố sống còn.

2.1. Vấn đề an toàn điện công nghiệp và các biện pháp phòng ngừa

An toàn là ưu tiên tuyệt đối trong môi trường công nghiệp. Các nguy cơ từ thiết bị điện & điện tử bao gồm điện giật, hồ quang điện, và cháy nổ. Để đảm bảo an toàn điện công nghiệp, cần áp dụng đồng bộ nhiều biện pháp. Trước hết, hệ thống phải được nối đất đúng kỹ thuật. Các tủ điện điều khiển phải được thiết kế chắc chắn, có khóa an toàn và biển cảnh báo rõ ràng. Việc sử dụng các thiết bị đóng cắt như aptomat chống rò, rơ le nhiệt là bắt buộc để tự động ngắt mạch khi có sự cố. Ngoài ra, nhân viên vận hành cần được đào tạo bài bản về quy trình làm việc an toàn, sử dụng đúng dụng cụ bảo hộ và tuân thủ nghiêm ngặt các quy định khi sửa chữa hoặc bảo trì hệ thống.

2.2. Bài toán tối ưu hóa năng lượng và hiệu suất hoạt động

Chi phí năng lượng chiếm một phần đáng kể trong giá thành sản phẩm. Tối ưu hóa việc sử dụng điện là một giải pháp tiết kiệm năng lượng hiệu quả. Một trong những nguyên nhân gây lãng phí chính là hệ số công suất thấp, thường xảy ra ở các tải có tính cảm kháng như động cơ. Để giải quyết vấn đề này, các doanh nghiệp thường lắp đặt tụ bù công suất. Bên cạnh đó, việc sử dụng biến tần (inverter) để điều khiển tốc độ động cơ thay vì các phương pháp cơ khí truyền thống cũng giúp giảm tiêu thụ điện năng đáng kể, đặc biệt trong các ứng dụng như bơm, quạt và hệ thống khí nén. Việc giám sát năng lượng tiêu thụ qua hệ thống SCADA cũng giúp phát hiện sớm các khu vực hoạt động kém hiệu quả để có biện pháp khắc phục kịp thời.

III. Bí Quyết Điều Khiển Chính Xác với Thiết Bị Điện Điện Tử

Để đạt được độ chính xác cao trong gia công cơ khí và vận hành dây chuyền, việc lựa chọn và phối hợp các thiết bị điện & điện tử trong cơ khí công nghiệp đóng vai trò quyết định. Trái tim của mọi hệ thống điều khiển hiện đại là bộ điều khiển logic khả trình (PLC). PLC nhận tín hiệu đầu vào từ các cảm biến công nghiệp, xử lý chúng theo một chương trình được lập trình sẵn và xuất tín hiệu điều khiển đến các cơ cấu chấp hành. Để con người có thể giao tiếp với hệ thống phức tạp này, màn hình HMI (Human-Machine Interface) được sử dụng. HMI cung cấp một giao diện đồ họa trực quan, cho phép người vận hành giám sát trạng thái, thay đổi thông số và ra lệnh cho máy móc một cách dễ dàng. Ở quy mô lớn hơn, hệ thống SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) được triển khai để thu thập dữ liệu và điều khiển tập trung nhiều hệ thống máy móc hoặc cả một nhà máy. Toàn bộ các thiết bị này được kết nối và bảo vệ bên trong tủ điện điều khiển. Bên trong tủ, các thiết bị đóng cắt như contactor, rơ le và aptomat hoạt động như những người lính gác, đảm bảo dòng điện được cung cấp một cách an toàn và ổn định đến đúng nơi, đúng thời điểm, tạo nên một hệ thống điều khiển tự động hóa hoàn chỉnh và đáng tin cậy.

3.1. Bộ điều khiển logic khả trình PLC Trái tim hệ thống

Nếu coi dây chuyền sản xuất tự động là một cơ thể, thì PLC chính là bộ não. Đây là một thiết bị vi xử lý chuyên dụng, được thiết kế để hoạt động bền bỉ trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt. Nhiệm vụ của PLC là thực thi các thuật toán điều khiển logic, tuần tự, định thời, đếm và tính toán để tự động hóa một quy trình. So với các hệ thống điều khiển bằng rơ le truyền thống, PLC linh hoạt hơn rất nhiều, cho phép thay đổi logic điều khiển một cách dễ dàng thông qua phần mềm mà không cần đi lại dây phức tạp. Việc lựa chọn PLC phù hợp phụ thuộc vào số lượng đầu vào/ra (I/O), tốc độ xử lý và các chuẩn giao tiếp cần thiết cho ứng dụng.

3.2. Màn hình HMI và hệ thống SCADA Giao diện giám sát

Màn hình HMI là cửa sổ để người vận hành nhìn vào và tương tác với quy trình máy móc. Nó hiển thị các thông số vận hành như nhiệt độ, áp suất, tốc độ dưới dạng số, đồ thị hoặc sơ đồ, đồng thời cho phép người dùng nhấn các nút ảo để khởi động/dừng máy, cài đặt sản phẩm. Trong khi đó, hệ thống SCADA là một cấp độ giám sát cao hơn, thường chạy trên máy tính. SCADA không chỉ kết nối với một máy mà có thể thu thập dữ liệu từ nhiều PLC và thiết bị khác nhau trong toàn nhà máy, cung cấp một cái nhìn tổng thể về hoạt động sản xuất, lưu trữ dữ liệu lịch sử và tạo báo cáo, hỗ trợ đắc lực cho việc quản lý và ra quyết định.

IV. Phương Pháp Tối Ưu Truyền Động Dùng Thiết Bị Điện Công Nghiệp

Truyền động là quá trình biến đổi năng lượng điện thành chuyển động cơ học, và việc tối ưu hóa quá trình này là chìa khóa để nâng cao hiệu suất. Thiết bị điện & điện tử trong cơ khí công nghiệp cung cấp các công cụ mạnh mẽ để thực hiện điều này. Trong đó, biến tần (inverter) là một thiết bị không thể thiếu. Bằng cách thay đổi tần số của dòng điện xoay chiều cấp cho động cơ, biến tần cho phép điều khiển tốc độ động cơ một cách mượt mà và chính xác, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm hao mòn cơ khí. Đối với các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cực cao về vị trí và tốc độ, như trong máy CNC hay robot, động cơ servo là lựa chọn hàng đầu. Hệ thống servo bao gồm một động cơ, một bộ điều khiển (servo drive) và một bộ mã hóa (encoder) phản hồi vị trí, tạo thành một vòng lặp điều khiển kín giúp duy trì vị trí mong muốn với sai số gần như bằng không. Để các hệ thống truyền động này hoạt động thông minh, chúng cần "đôi mắt" và "đôi tai", đó chính là vai trò của cảm biến công nghiệp. Các loại cảm biến như cảm biến tiệm cận (phát hiện vật thể kim loại) hay cảm biến quang (phát hiện vật thể bằng ánh sáng) cung cấp thông tin thời gian thực về môi trường xung quanh, giúp hệ thống đưa ra quyết định chính xác.

4.1. Vai trò của biến tần inverter trong điều khiển tốc độ

Biến tần là một thiết bị điện tử công suất có khả năng thay đổi tần số (f) và điện áp (V) của nguồn cấp cho động cơ không đồng bộ ba pha. Việc điều khiển tốc độ động cơ thông qua biến tần mang lại nhiều lợi ích: khởi động mềm giúp giảm sốc cơ khí, dừng chính xác, đảo chiều quay dễ dàng và quan trọng nhất là tiết kiệm điện năng. Trong các ứng dụng tải có moment thay đổi như bơm và quạt, việc giảm tốc độ động cơ thông qua biến tần có thể làm giảm mức tiêu thụ năng lượng theo hàm bậc ba, mang lại hiệu quả kinh tế to lớn. Đây được xem là một trong những giải pháp tiết kiệm năng lượng phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay.

4.2. Động cơ servo Giải pháp cho chuyển động chính xác cao

Khi các ứng dụng yêu cầu kiểm soát chính xác về vị trí, tốc độ và moment, động cơ servo là câu trả lời. Khác với động cơ thông thường, hệ thống servo luôn có cơ chế phản hồi (feedback) từ encoder. Bộ điều khiển servo drive liên tục so sánh vị trí thực tế (từ encoder) với vị trí mong muốn (từ lệnh điều khiển) và điều chỉnh dòng điện vào động cơ để triệt tiêu sai số. Vòng lặp kín này cho phép động cơ servo giữ vị trí một cách vững chắc, tăng/giảm tốc nhanh và di chuyển đến các tọa độ định trước với độ chính xác lên đến micromet. Do đó, chúng là thành phần không thể thiếu trong robot công nghiệp, máy CNC và các máy móc đóng gói tốc độ cao.

4.3. Cảm biến công nghiệp Mắt thần của dây chuyền sản xuất

Cảm biến công nghiệp là thiết bị chuyển đổi các đại lượng vật lý (như khoảng cách, ánh sáng, nhiệt độ, áp suất) thành tín hiệu điện để PLC hoặc bộ điều khiển có thể hiểu được. Chúng đóng vai trò là cơ quan cảm giác của máy móc. Ví dụ, một cảm biến tiệm cận có thể phát hiện một chi tiết kim loại đã vào đúng vị trí để robot gắp, trong khi một cảm biến quang có thể đếm số lượng sản phẩm đi qua băng tải. Việc lựa chọn đúng loại cảm biến cho từng nhiệm vụ cụ thể là rất quan trọng để đảm bảo dây chuyền sản xuất tự động hoạt động một cách chính xác và đáng tin cậy, tránh sai sót và va chạm.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn Thiết Bị Điện Tử trên Dây Chuyền Sản Xuất

Lý thuyết về thiết bị điện & điện tử trong cơ khí công nghiệp được thể hiện rõ nét nhất qua các ứng dụng thực tiễn. Một dây chuyền sản xuất tự động điển hình là một bản giao hưởng của các thiết bị này. Ví dụ, trong một dây chuyền đóng chai, cảm biến quang phát hiện chai rỗng đi tới, gửi tín hiệu về PLC. PLC sau đó điều khiển van điện từ của hệ thống khí nén để chiết rót sản phẩm, đồng thời điều khiển động cơ servo để vặn nắp chai với lực siết được lập trình sẵn. Toàn bộ quá trình được giám sát trên màn hình HMI. Tương tự, trong một máy CNC, bộ điều khiển đọc bản vẽ CAD/CAM và xuất ra các chuỗi xung điều khiển các bộ truyền động động cơ servo trên các trục X, Y, Z, di chuyển dao cắt với độ chính xác micro-mét. Tất cả các hệ thống này đều cần một sơ đồ mạch điện điều khiển chi tiết và logic, là kim chỉ nam cho việc lắp đặt, vận hành và khắc phục sự cố. Một trong những ứng dụng quan trọng khác là triển khai các giải pháp tiết kiệm năng lượng. Bằng cách lắp đặt biến tần cho các động cơ lớn và sử dụng hệ thống giám sát SCADA để theo dõi, các nhà máy có thể giảm đáng kể hóa đơn tiền điện, góp phần vào sản xuất bền vững.

5.1. Tích hợp thiết bị điện trong máy CNC và robot công nghiệp

Trong các máy CNC và robot, sự tích hợp chặt chẽ của thiết bị điện & điện tử là yếu tố quyết định độ chính xác. Bộ điều khiển trung tâm (CNC controller) phối hợp hoạt động của nhiều trục động cơ servo cùng một lúc để tạo ra các đường chuyển động phức tạp. Các biến tần điều khiển tốc độ của động cơ trục chính (spindle). Hệ thống cảm biến vị trí, cảm biến lực đảm bảo an toàn và độ chính xác trong quá trình gia công hoặc thao tác. Các thiết bị đóng cắt và bảo vệ trong tủ điện điều khiển đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định trước các biến động của nguồn điện.

5.2. Case study Giải pháp tiết kiệm năng lượng cho nhà máy

Một nhà máy sản xuất thép sử dụng hệ thống quạt công suất lớn để làm mát. Ban đầu, các quạt này chạy ở tốc độ tối đa liên tục, gây lãng phí năng lượng lớn. Sau khi phân tích, một giải pháp tiết kiệm năng lượng được đề xuất: lắp đặt biến tần cho mỗi động cơ quạt và tích hợp cảm biến nhiệt độ. Hệ thống PLC sẽ đọc dữ liệu từ cảm biến nhiệt độ và tự động điều chỉnh tốc độ quạt thông qua biến tần để duy trì nhiệt độ trong ngưỡng cho phép. Kết quả, nhà máy đã giảm được hơn 40% lượng điện tiêu thụ cho hệ thống quạt, thu hồi vốn đầu tư chỉ sau 18 tháng và giảm đáng kể chi phí vận hành, cho thấy hiệu quả to lớn của việc ứng dụng các thiết bị điện tử công nghiệp thông minh.

VI. Tương Lai Ngành Thiết Bị Điện Điện Tử trong Cách Mạng 4

Ngành thiết bị điện & điện tử trong cơ khí công nghiệp đang bước vào một giai đoạn phát triển mới với cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0. Các thiết bị không còn hoạt động độc lập mà được kết nối với nhau thông qua mạng Internet vạn vật công nghiệp (IIoT). Một cảm biến công nghiệp giờ đây không chỉ gửi tín hiệu đến PLC mà còn có thể đẩy dữ liệu trực tiếp lên đám mây để phân tích. Các hệ thống SCADA đang dần được thay thế bởi các nền tảng phân tích dữ liệu lớn (Big Data) và trí tuệ nhân tạo (AI), có khả năng dự đoán hỏng hóc thiết bị trước khi chúng xảy ra (bảo trì dự đoán). Động cơ servo và biến tần ngày càng thông minh hơn, tích hợp sẵn các thuật toán tối ưu hóa năng lượng và khả năng tự chẩn đoán lỗi. Xu hướng này đòi hỏi các kỹ sư không chỉ am hiểu về điện và cơ khí mà còn phải có kiến thức về mạng, lập trình và khoa học dữ liệu. Trong bối cảnh đó, việc lựa chọn một nhà phân phối thiết bị điện công nghiệp uy tín, không chỉ cung cấp sản phẩm chất lượng mà còn có khả năng tư vấn các giải pháp công nghệ 4.0, sẽ là một lợi thế cạnh tranh quan trọng cho các doanh nghiệp sản xuất trong tương lai.

6.1. Xu hướng tích hợp IIoT và trí tuệ nhân tạo AI

Internet vạn vật công nghiệp (IIoT) cho phép các thiết bị điện & điện tử giao tiếp với nhau và với các hệ thống cấp cao hơn. Dữ liệu từ hàng ngàn cảm biến trên dây chuyền sản xuất tự động được thu thập và phân tích bởi AI. Các thuật toán AI có thể phát hiện các quy luật ẩn, tối ưu hóa thông số vận hành theo thời gian thực để đạt hiệu suất cao nhất, hoặc dự báo khi nào một động cơ servo cần được bảo trì dựa trên các dấu hiệu rung động và nhiệt độ bất thường. Sự kết hợp này biến nhà máy truyền thống thành nhà máy thông minh (Smart Factory), linh hoạt và hiệu quả hơn.

6.2. Lựa chọn nhà phân phối thiết bị điện công nghiệp uy tín

Trước sự đa dạng và phức tạp của công nghệ, việc lựa chọn đối tác cung cấp thiết bị trở nên quan trọng hơn bao giờ hết. Một nhà phân phối thiết bị điện công nghiệp uy tín không chỉ bán sản phẩm mà còn là nhà tư vấn giải pháp. Các tiêu chí lựa chọn bao gồm: cung cấp sản phẩm chính hãng từ các thương hiệu lớn, có đội ngũ kỹ sư am hiểu kỹ thuật để hỗ trợ lựa chọn, lắp đặt và khắc phục sự cố, có chính sách bảo hành rõ ràng và dịch vụ hậu mãi tốt. Một nhà cung cấp có năng lực tư vấn các giải pháp tự động hóa công nghiệp tiên tiến sẽ giúp doanh nghiệp đi tắt đón đầu, áp dụng công nghệ mới một cách hiệu quả và bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình và bài giảng học phần "Thiết Bị Điện & Điện Tử Trong Cơ Khí Công Nghiệp" (tên tiếng Anh: Electrical & Electronic Equipment for Industrial Machinery), với chuyên đề trọng tâm "Lý thuyết & Mạch điện xoay chiều AC" (AC Electric Circuit & Theory), là tài liệu học tập chính quy được biên soạn bởi TS. Ngô Hà Quang Thịnh thuộc Bộ môn Cơ điện tử, Khoa Kỹ thuật Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia TP.HCM. Học phần đóng vai trò nền tảng kỹ thuật cơ sở trong khung chương trình đào tạo kỹ sư Cơ điện tử và Kỹ thuật Cơ khí, thiết lập cầu nối giữa các nguyên lý vật lý điện từ học và việc vận hành thiết bị cơ điện công nghiệp.

Mục tiêu học tập của tài liệu tập trung trang bị cho người học hệ thống kiến thức toàn diện về hệ thống đơn vị đo lường quốc tế SI, quy ước dấu thụ động (Passive Sign Convention), cơ sở toán học số phức, mô hình sóng và vector pha Fresnel trong dòng điện xoay chiều, cũng như phương pháp tính toán các thành phần công suất điện xoay chiều (tức thời, tác dụng, phản kháng, biểu kiến). Đồng thời, tài liệu cung cấp nền tảng phân tích máy biến áp (Transformer) và đáp ứng tự nhiên (Natural Response) của các mạch điện RLC nối tiếp và song song trong hệ thống công nghiệp.

Tài liệu được cấu trúc theo phương pháp tiếp cận diễn dịch: đi từ các chuẩn mực đơn vị và công cụ toán học giải tích, phát triển lên lý thuyết tạo sóng xoay chiều theo định luật Faraday, tiếp tục hoàn thiện công cụ vector pha để phân tích mạch, và kết thúc bằng việc giải quyết bài toán năng lượng, máy biến áp và quá độ mạch RLC. Điểm đặc sắc của bài giảng là sự tích hợp chặt chẽ giữa toán học giải tích mạch với các ứng dụng công nghiệp thực tế như mạng điện dân dụng ba dây một pha và thiết bị chống dòng rò GFCI (Ground Fault Circuit Interrupter).

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Cấu trúc nội dung bài giảng được tổ chức thành 7 phần logic và tuần tự:

1. Giới thiệu và Chuẩn mực Kỹ thuật (Introduction):

   • Giới thiệu Hệ đơn vị quốc tế SI (Système international d'unités, ban hành năm 1960) với 7 đơn vị cơ bản: mét ($m$), kilôgam ($kg$), giây ($s$), ampe ($A$), kenvin ($K$), mol ($mol$), và candela ($cd$).
   • Các đơn vị dẫn xuất (Derived units) và quy tắc tiền tố lũy thừa cơ số 10 chia hết cho 3 với số cơ sở từ 1 đến 1.000 (phục vụ tính toán kỹ thuật).
   • Quy ước dấu thụ động (Passive Sign Convention): Thiết lập chiều dòng điện tham chiếu trùng với chiều sụt áp để xác định phương trình quan hệ $v = +R \cdot i$.
   • Mạng lưới truyền tải và phân phối điện AC; sơ đồ đấu nối điện dân dụng một pha 3 dây (Single Phase Three-Wire Residential Wiring) và nguyên lý ngắt mạch chạm đất GFCI.

2. Cơ sở Toán học Số phức (Complex Numbers & Coordinates):

   • Định nghĩa số phức $z$ biểu diễn trên mặt phẳng phức $\mathbb{C}$.
   • Tọa độ Descartes: phần thực $x = \text{Re}{z}$ và phần ảo $y = \text{Im}{z}$.
   • Tọa độ cực (Polar Coordinates): mô-đun $r = |z|$ và góc pha $\theta = \angle z$.
   • Thuật toán chuyển đổi tương đương giữa hệ tọa độ Descartes $(x, y)$ và hệ tọa độ cực $(r, \theta)$.

3. Định nghĩa và Đặc tính Dòng điện xoay chiều (Definition & AC Waveform):

   • Cơ chế phát sinh điện áp xoay chiều dựa trên định luật cảm ứng điện từ Faraday khi quay cuộn dây trong từ trường.
   • Dạng sóng hình sin: $v(t) = V_m \sin(\omega t + \Phi)$, xác định các đại lượng biên độ điện áp ($V_m$), tần số góc ($\omega$), pha ban đầu ($\Phi$), chu kỳ ($T$) và tần số ($f = 1/T$).
   • Các đại lượng đo lường AC: Biên độ đỉnh (Peak amplitude), biên độ đỉnh-đỉnh (Peak-to-peak), giá trị trung bình (Average value), và giá trị hiệu dụng RMS (Root Mean Square) tương đương công tác dụng của DC.

4. Biểu diễn và Tính toán Dòng điện xoay chiều (How to Perform AC Current):

   • Khái niệm độ lệch pha (Phase shift) và điều kiện so sánh pha giữa hai tín hiệu hình sin (cùng tần số, cùng biểu diễn dạng sin/cosin).
   • Xác định pha: $\Delta\varphi > 0$ ($V_1$ sớm pha hơn $V_2$), $\Delta\varphi < 0$ ($V_1$ trễ pha hơn $V_2$), và $\Delta\varphi = 0$ (đồng pha). Đo độ lệch pha qua độ trễ thời gian $t_d$ trên dao động ký số.
   • Biểu diễn vector pha Fresnel dựa trên chuyển động tròn đều của điểm $M(R, \omega)$ trên hệ tọa độ Descartes: $x_M = R\cos(\omega t + \varphi)$, $y_M = R\sin(\omega t + \varphi)$.
   • Phương pháp cộng vector pha (Addition of Phasors): Phân tích vector thành phần thực (trục ngang) và phần ảo (trục đứng) để tìm vector tổng $V_T$.

5. Công suất Dòng điện xoay chiều (Power of AC Current):

   • Công suất tức thời: $p(t) = v(t) \cdot i(t)$.
   • Công suất tác dụng / trung bình (Average Power - $P$) và Công suất phản kháng (Reactive Power - $Q$).
   • Đặc tính công suất trên các loại tải: Tải thuần trở (Resistive load), tải thuần cảm (Inductive load), và tải thuần dung (Capacitive load).
   • Hệ số công suất (Power Factor - $\text{PF} = \cos\theta$) và hệ số phản kháng.
   • Công thức công suất theo giá trị RMS và Công suất phức (Complex Power - $S = P + jQ$).

6. Máy biến áp (Transformer):

   • Nguyên lý biến đổi điện áp và dòng điện xoay chiều dựa trên hiện tượng cảm ứng tương hỗ giữa các cuộn dây.

7. Đáp ứng tự nhiên của Mạch RLC (Natural Response of RLC Circuits):

   • Phân tích đáp ứng quá độ tự nhiên của mạch RLC mắc song song (Parallel RLC circuit).
   • Phân tích đáp ứng quá độ tự nhiên của mạch RLC mắc nối tiếp (Series RLC circuit).

Kiến thức nền tảng được xây dựng

• Lý thuyết cảm ứng điện từ: Định luật Faraday giải thích nguồn gốc sinh ra điện áp cảm ứng từ chuyển động cơ học trong từ trường.
• Quy ước lý thuyết mạch chuẩn hóa: Quy chuẩn dấu thụ động xác định tính chất tiêu thụ hay phát năng lượng của phần tử mạch.
• Đại số số phức và Hình học vector: Cầu nối toán học cho phép biến đổi bài toán giải phương trình vi phân biến thiên theo thời gian $t$ thành bài toán đại số giải tích trên mặt phẳng phức $\mathbb{C}$.
• Cân bằng năng lượng điện từ: Mô hình phân rã công suất toàn phần thành công suất sinh công hữu ích ($P$) và công suất tích lũy điện trường/từ trường ($Q$).

Kỹ năng phát triển

• Kỹ năng kỹ thuật: Tính toán tham số mạch xoay chiều (RMS, đỉnh, đỉnh-đỉnh, góc pha); thực hiện phép cộng trừ vector pha bằng phương pháp giải tích phần thực - phần ảo; xác định công suất phức của phụ tải công nghiệp.
• Kỹ năng phân tích: Đọc và phân tích đồ thị dạng sóng sin; so sánh quan hệ góc pha (sớm pha, trễ pha) từ dữ liệu đo đạc thời gian trễ $t_d$; phân biệt tác động của tải cảm và tải dung lên góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện.
• Kỹ năng ứng dụng thực tế: Đọc hiểu sơ đồ cấp nguồn 1 pha 3 dây dân dụng và công nghiệp; nắm vững cơ chế bảo vệ an toàn chống dòng rò của bộ ngắt mạch GFCI.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình áp dụng phương pháp sư phạm kỹ thuật hiện đại, kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết định lượng, công cụ giải tích toán học và sơ đồ hóa trực quan:

• Phương pháp giảng dạy: Giảng viên triển khai nội dung thông qua hệ thống slide bài giảng chuẩn hóa quốc tế (ngôn ngữ tiếng Anh), sử dụng hình vẽ kỹ thuật mô tả mặt phẳng phức, vòng tròn lượng giác Fresnel và đồ thị sóng sin theo trục thời gian. Các khái niệm trừu tượng (như số phức, vector pha) đều được gắn liền với chuyển động cơ học (điểm quay tròn) và thiết bị phát điện thực tế.
• Bài tập và ví dụ mẫu: Tài liệu tích hợp các bài toán tính toán cụ thể theo từng bước. Ví dụ điển hình trong bài giảng là bài toán cộng hai vector điện áp: $$\vec{V}_2 = 30,\text{V} \text{ (nằm trên trục hoành tham chiếu)}$$ $$\vec{V}1 = 20,\text{V} \text{ (lệch pha } 60^\circ \text{ so với } \vec{V}2, \text{ biểu diễn: } 10 + j17.32,\text{V})$$ Quy trình giải chi tiết được trình bày bằng việc cộng thành phần thực ($V{\text{Horizontal}} = 30 + 10 = 40,\text{V}$) và thành phần ảo ($V{\text{Vertical}} = 0 + 17.32 = 17.32,\text{V}$) để suy ra vector tổng $\vec{V}_T$.
• Phương pháp đánh giá: Đánh giá người học thông qua khả năng giải quyết các bài toán mạch xác lập trạng thái sin, tính toán công suất phức $S$, xác định hệ số công suất $\text{PF}$, và giải bài toán đáp ứng tự nhiên của mạch RLC.
• Hướng dẫn tự học: Người học cần ôn tập trước đại số số phức (chuyển đổi giữa dạng đại số và dạng lượng giác/cực), nắm vững các hàm lượng giác cơ bản, rèn luyện kỹ năng vẽ vector pha và tự giải lại các bước phân tích công suất tức thời sang công suất hiệu dụng.

---

Điểm nổi bật và cập nhật

• Chuẩn hóa đo lường quốc tế: Bài giảng bắt đầu trực tiếp từ quy chuẩn đơn vị SI (1960) và các quy tắc tiền tố khoa học chia hết cho 3, giúp sinh viên làm quen với chuẩn mực trình bày số liệu kỹ thuật quốc tế.
• Kết hợp đo lường thực nghiệm: Khái niệm lệch pha không chỉ được định nghĩa bằng lý thuyết toán học mà còn gắn liền với phương pháp đo trên dao động ký số (Digital Oscilloscope) thông qua việc xác định chu kỳ $T$ và độ trễ thời gian $t_d$.
• Hệ thống hóa toàn diện về công suất: Tài liệu phân tách rành mạch công thức công suất trên 3 loại tải cơ bản ($R, L, C$), làm rõ bản chất công suất tác dụng tiêu tán trên điện trở và công suất phản kháng dao động trên cuộn cảm/tụ điện, kết hợp biểu diễn công suất phức $S$.
• Nhấn mạnh an toàn điện và mạng lưới phân phối: Đưa cấu hình mạng điện thực tế (Single Phase Three-Wire) và thiết bị an toàn chống rò điện GFCI vào chương trình giảng dạy cơ sở, tạo liên kết trực tiếp giữa lý thuyết mạch và tiêu chuẩn an toàn máy công nghiệp.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

• Sinh viên chuyên ngành: Sinh viên bậc Đại học năm thứ 2 hoặc năm thứ 3 thuộc các ngành Kỹ thuật Cơ điện tử (Mechatronics Engineering), Kỹ thuật Cơ khí (Mechanics Engineering), Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, và Kỹ thuật Hệ thống Công nghiệp.
• Điều kiện tiên quyết (Prerequisites):
  • Giải tích và Đại số tuyến tính (đặc biệt là giải tích hàm lượng giác, số phức và phương trình vi phân bậc hai).
  • Vật lý đại cương phần Điện - Từ học (hiện tượng cảm ứng điện từ, định luật Faraday, các đại lượng điện trường và từ trường).
• Giảng viên: Sử dụng bài giảng làm khung tài liệu giảng dạy chính quy, chuẩn bị bài tập trên lớp, bài tập lớn và đề thi học phần Thiết bị điện & Điện tử trong cơ khí.
• Tự học và Tham khảo: Kỹ sư thiết kế cơ khí, kỹ sư vận hành máy công nghiệp có nhu cầu củng cố lý thuyết mạch xoay chiều, phân tích phụ tải điện và nâng cao hệ số công suất cho nhà máy.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phục vụ cho học phần nào và dành cho đối tượng nào?

Tài liệu phục vụ cho học phần Thiết Bị Điện & Điện Tử Trong Cơ Khí Công Nghiệp (Subject: Electrical & Electronic Equipment for Industrial Machinery), chuyên đề AC Electric Circuit & Theory, dành cho sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí và Kỹ thuật Cơ điện tử tại Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG-HCM.

2. Cần chuẩn bị những kiến thức nền tảng nào trước khi tiếp cận tài liệu?

Người học cần nắm vững toán học số phức (dạng Descartes và dạng tọa độ cực), lượng giác học, phương pháp giải phương trình vi phân cơ bản, cùng lý thuyết vật lý về cảm ứng điện từ của Faraday.

3. Phương pháp vector pha Fresnel được áp dụng như thế nào trong bài giảng?

Fresnel mô hình hóa hàm sin/cos của dòng điện và điện áp xoay chiều thành một điểm chuyển động tròn đều có bán kính $R$ và vận tốc góc $\omega$ trên mặt phẳng Descartes, từ đó cho phép biểu diễn đại lượng xoay chiều dưới dạng vector pha cố định trong không gian phức để thực hiện các phép cộng, trừ biên độ và góc pha.

4. Giá trị RMS có ý nghĩa gì đối với việc tính toán công suất AC?

Giá trị hiệu dụng RMS (Root Mean Square) biểu diễn độ lớn của điện áp hoặc dòng điện xoay chiều tương đương với dòng điện một chiều (DC) về mặt phát sinh công suất nhiệt trên cùng một điện trở, giúp chuẩn hóa các công thức tính toán công suất trung bình và công suất phức.

5. Thiết bị GFCI được đề cập trong tài liệu có vai trò gì?

GFCI (Ground Fault Circuit Interrupter) là thiết bị ngắt mạch tự động khi phát hiện sự mất cân bằng dòng điện giữa dây nóng và dây trung tính (dòng rò chạm đất), có vai trò bảo vệ an toàn cho con người và thiết bị trong các hệ thống điện dân dụng và công nghiệp.

---

Kết luận

Bộ tài liệu bài giảng "Thiết Bị Điện & Điện Tử Trong Cơ Khí Công Nghiệp - Chuyên đề: Lý Thuyết & Mạch Điện Xoay Chiều AC" của TS. Ngô Hà Quang Thịnh là tài liệu học thuật cơ sở, cung cấp hệ thống lý thuyết mạch xác lập sin, phương pháp biểu diễn vector pha và tính toán công suất điện công nghiệp một cách định lượng và chuẩn xác.

Lộ trình học tập đề xuất bắt đầu từ việc nắm vững chuẩn đơn vị SI và quy ước dấu thụ động, tiếp cận biểu diễn toán học số phức/vector Fresnel, phân tích các thành phần công suất trên các loại tải ($R, L, C$), và hoàn thiện qua chuyên đề máy biến áp cùng quá độ mạch RLC. Người học có thể trao đổi học thuật trực tiếp với tác giả biên soạn qua email [e-mail] thuộc Khoa Kỹ thuật Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG-HCM.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Ho Chi Minh City National University Ho Chi Minh City University of Technolog Faculty of Mechanics Engineering Department of Mechatronics Engineering BK TP.HCM Subject: Electrical & Electronic Equipment for Industrial Machinery AC Electric Circuit & Theory PhD. Ngo Ha Quang Thinh, [e-mail] = Introduction = Definition =" How to perform AC current = Power of AC current = Transformer = Natural Response of a Parallel RLC circuit = Natural Response of a Series RLC circuit PhD. Ngo Ha Quang Thinh, [e-mail] Introduction > Abbreviation from French “Systtme Internatlonal đumtés”, established in 1960. > The SI Units are based on 7 defined quantities: length (m), mass (kg), time (s), current (A), temperature (K), amount (mol), luminous intensity (cd).

> SI units enable engineers to communicate in a meaningful way about quantitative results. Ngo Ha Quang Thinh, [e-mail] &> Derived units in SI Quantity Unit Name (Symbol) Formula Frequency hertz (Hz) “" Force newton (N) kg - m/ s Energy or work joule (J) N-m Power watt (W) J/s Electric charge coulomb (C) A-s Electric potential volt (V) J/C Electric resistance ohm (22) V/A Electric conductance siemens (S) A/V Electric capacitance farad (F) C/V Magnetic flux weber (Wb) V.s Inductance henry (H) Wb/A PhD. Ngô Hà Quang Thịnh, [e-mail] & Prefixes to Signify Powers of 10 > Engineers often use powers divisible by 3, and base numbers between 1 and 1,000 Prefix Symbol Power atto a 10-13 femto f 107 centi c 10ˆ deci d 107! PhD. Ngo Ha Quang Thinh, [e-mail] & Prefixes to Signify Powers of 10 Prefix Symbol Power deka da 10 hecto h 10° tera - 102 PhD.

Ngo Ha Quang Thinh, nhqthinh@hcmut. fy Passive Sign Convention > If the reference current through the element is in the direction of the reference voltage drop across the element, we can use a positive sign in the i-v relation of the element. Let the reference current and voltage of the resistor satisfy the passive sign convention, — we have v = +R x i, though the values of v, 1 can be >0 or <0. zt TH V T PhD.

Ngô Hà Quang Thịnh, [e-mail] 3 Generation & Distribution of AC Power Power Station Power Transformers @ GENERATION @ TRANSMISSION Transmission Substation Distribution I Í Substation @ COMMERCIAL & INDUSTRIAL @DISTRIBUTION BUSINESS CONSUMERS @ DISTRIBUTION AUTOMATION DEVICES ? Se RESIDENTIAL CONSUMERS PhD. Ngo Ha Quang Thinh, [e-mail] <M Residential Wiring Step-down transformer Circuit Circuit = Circuit Wall of # | #2 #3 poe 120 V 120 V 240 V Switch ` Watt-hour meter PhD. Ngo Ha Quang Thinh, [e-mail] BK > Single Phase Three-Wire Residential Wiring To other houses aa a atc Black | (hot) B : | ; + 120 V 120 V Tor ! 120 V lights appliance | (neutral) w pris — | aur appliance | | — Ground lia app ! : R| !9Y | 120v 120V Red (hot) lights appliance | Transformer ! House PhD. Ngô Hà Quang Thịnh, [e-mail] BK >7 Cround Fault Circuit Interrupter (GFCI) Earth ground PhD.

Ngô Hà Quang Thịnh, [e-mail] ; What is a Complex Number > A complex number z is a point (or vector) on a two-dimensional plane, known as the complex plane and represented by C. Ngo Ha Quang Thinh, nhqthinh@hcmut. = > Cartesian Coordinates > The Cartesian coordinates of z are - x = Re{z}: the real part of z - y =Im{z}: the imaginary part of z > The corresponding axes are known as the real and imaginary axes, respectively PhD. Ngo Ha Quang Thinh, [e-mail] BK = fy Polar Coordinates > The polar coordinates of z are - r =|z|: the modulus or magnitude of z - 8 =Zz: the angle of z Imaginary axis P(x, y) s Real axis PhD.

Ngo Ha Quang Thinh, nhqthinh@hcmut. I > Converting Between Coordinates > The Cartesian coordinate pair (x, y) is also equivalent to the polar coordinate pair (r, 8) where r is the (non-negative) length of the vector corresponding to (x, y) and 0 is the angle of the vector relative to positive real time x=rcos@ * y=rsin@ ° Z=x+jJY =rcos 8+jrsin 8=r(cos 8 +7sin 8) © |z| =r =v(x?+y?) * tan@ = (y/x) * © =arctan(y/x)+ (0 or IT) (IT is added iff x is negative) PhD. Ngo Ha Quang Thinh, [e-mail] Definition BK » What is Alternating Current coil rotated current _ maximum forward current number of turns + turn 1 turn maximum reverse current DOOD coil position L > Consider that a machine is constructed to rotate a set of wire coils with the turning of a shaft in the magnetic field. > In accordance with Faraday’s Law of electromagnetic induction, AC voltage will be produced across the wire coils when shaft is rotated.

Ngo Ha Quang Thinh, [e-mail] &> AC Waveform Vector rotation. > Voltage, current or flux signal and so on are related to time in sine function: - = V(t) =V,sin(wt + ¢) Ay = Am SIN(@t + ở) Pat — — — where toa aaa.: amplitude of voltage [VỊ ¬- Sinuseical Wavetoun in w: angular frequency [rad/s] _ the Time Domain ®: initial phase whent=0_ [rad] > Period T or frequency f of current, voltage are determined in the following: _ 20 1 Ww W T 2n [T] = [s] [f] = [Hz] [w] = [rad/s] PhD. Ngo Ha Quang Thinh, [e-mail] BK > AC Measurements OSCILLOSCOPE vertical RMS = 0. Ngo Ha Quang Thinh, [e-mail] BK ca AC Measurements > Peak amplitude is the height of an AC waveform as measured from the zero mark to the highest positive or lowest negative point on a graph > Peak-to-peak amplitude is the total height of an AC waveform as measured from maximum positive to maximum negative peaks on a graph > A waveform’s average value is often calculated as the mathematical mean of all the points’ absolute values or flux signal > “RMS” stands for Root Mean Square, and is a way of expressing an AC quantity of voltage or current in terms functionally equivalent to DC PhD.

Ngo Ha Quang Thinh, [e-mail] BK ›» AC Phase Phase shift = 90 degrees Ais ahead of B (A “leads” B) Phase shift = 90 d > The two waves shown ees Bis ahead of A above (A versus B) are of (B “leads” A) the same amplitude and A Phase shift = 180 degrees frequency, but they are out - ¬ A and B waveforms are of step with each other. In B murror-images of each other technical terms, this is called a phase shift. Phase shift = 0 degrees A and B waveforms are in perfect step with each other PhD. Ngo Ha Quang Thinh, [e-mail] How to Perform AC Current BK ca Vector and AC Waveform > Conditions to compare the different phase: When comparing the error of phase, the signals (sine current or voltage) need to satisfy the following conditions.

+ The same frequency of signals + Both of the signals are performed in sine (or cosine) Consider that there are two sine signals: VA = m1SÌn(60£ + Ø1) V2 = Vin2sin(wt + @2) If Aq is the error of phase, then it can be established as following: Ap = $1 — 2 Ag > 0: V, leads V, Ag <0: V, leads V, Ag =0: V, equals V, PhD. Ngo Ha Quang Thinh, [e-mail] fy Vector and AC Waveform Waveform Vector representation PhD. Ngo Ha Quang Thinh, [e-mail] na Vector and AC Waveform Waveforms Phase relations Vector representations (of "A" waveform with reference to "B" waveform) Phase shift = 0 degrees AB A and B waveforms are ——— AB in perfect step with each other A Phase shift = 90 degrees Ais ahead of B 90 degrees (A"leads"B) ————— ————= L. -B Phase shift=90 degrees — [------ =B B is ahead of A -90 degrees (B "leads" A) A Phase shift = 180 degrees 180 degrees A and B waveforms are A ——------ =B mirror-images of each other PhD.

Ngo Ha Quang Thinh, [e-mail] 5 How to Measure the Phase Shift ty T > Measure the period T between repeat. Digital scopes often measure f= 1/T automatically. > Measure t,, the smallest time difference between occurrences of the feature on the two waveforms. > The phase difference is then: ta — = 360° |lØi — Ø2| T PhD.

Ngô Hà Quang Thịnh, [e-mail] BK > Vector Phase: Fresnel ® ™ > Consider that a point (named i as M) moves around the circle / (angular velocity w, radius R) x ° 0-2z / > Center point of a circle is \ _/ k z/2 NV” named as O ° > At t=0, the angle between fr OM and x axis is @p 3z/2 > At time t, the angle between OM and x axis is a We have, Œ = @f + (0 > The coordinate of M point in XY Descartes can be described: Xy = R cos(at + @) yu =R sin(ot + ©) > In accordance with Fresnel, there is a relationship between sine AC and vector phase V = Vy, sin(at + @) hay V = V,, cos(@t + @) PhD. Ngo Ha Quang Thinh, [e-mail] na Addition of Two Phasors V; sin(ot *4) —+—=—=—=———— a ae tủ V;= 30V > Consider that two signals V, and V, are illustrated as following Vi = Vi msin(wt + ở) = 20sin(øt£ + ở) Ứ; = Ứ;wsin(øt£) = 30sin(wt) > Assume that V, is the sum vector of V, and V,, we can obtain V, in the following method PhD. Ngo Ha Quang Thinh, [e-mail] fy Addition of Two Phasors 43.32V V;=30V Horizontal _ component = 40V > Consider that two signals V, and V, are illustrated as following > V, of 30 volts in the reference direction along the horizontal zero axis, then it has a horizontal component but no vertical component > V_ of 20 volts leads V, by 60° then, it has both horizontal and vertical components (V, = 10 + j17. Ngo Ha Quang Thinh, [e-mail] na Addition of Two Phasors > The resultant voltage, VT is found by adding together the horizontal and vertical components as follows.

© Visorizontal = Sum of real parts of V, and V, =30 + 10 = 40 volts © Vvertica| = Sum of imaginary parts of V, and V, =O + 17. Ngo Ha Quang Thinh, [e-mail] Power of AC Current BK fy Instantaneous Power > “Instantaneous” power is the product of the instantaneous terminal voltage and current p(t) = tv(t) - i(t) > Positive sign is used if the passive sign convention is satisfied (current is in the direction of voltage drop) PhD. Ngo Ha Quang Thinh, [e-mail] = Sinusoidal Power Formula Absolute timing is unimportant v(t) = Ve cos( at + ó).xnn89 984 na cos + vale cos(2a@t + 0) TOC RTT RTT Ree c.sssssssssssssssssssesssss99000066 *rnnssssaeennsasssnnnS® Constant, P„„ Oscillating at frequency 2@ PhD. Ngo Ha Quang Thinh, [e-mail] & Relation among i(t), v(t), p(t) PhD.

Ngô Hà Quang Thịnh, [e-mail] fy Average Power & Reactive Power VI Tạ p() = 2. COS Ó +—” In ”cos(2at+@) = „ c. + c0S2ø cosØ — sin 2a sin ý) ° In-phase ' Qưadraburo where P= cos @, || O= sin @. Average power || Reactive power (volt- (watt, or W) ampere reactive, or VAR) PhD.

Ngo Ha Quang Thinh, [e-mail] & Relation Among Components of Power in-phase: P(1+cos2@/) v's 0 r ZL PhD. Ngô Hà Quang Thịnh, [e-mail] m The power transformed from electric to non- electric energy or vice versa. = The average of instantaneous power p(f). m The average of P(1+cos2@f), which is a power component in-phase with the current i(¢).

= The circuit dissipates (delivers) electric energy if P>0(P<0). Ngo Ha Quang Thinh, nhqthinh@hcmut. = > What is Reactive Power m The power exchanged among (1) the magnetic field in an inductor, (2) the electric field in a capacitor, and (3) the electric source.