BỘ QUỐC PHÒNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ SỐ 20 - o0o - GIÁO TRÌNH ĐIỆN KỸ THUẬT Thời gian 60h (Dành cho ngành Điện tử công nghiệp) Biên soạn: Nguyễn Tạo Lập (Tài liệu lưu hành nội bộ) Nam Định, tháng 01 năm 2013 LỜI NÓI ĐẦU Kỹ thuật điện ngành kỹ thuật ứng dụng tượng điện từ để biến đổi lượng, đo lường, điều khiển, xử lý tín hiệu, bao gồm việc tạo ra, biến đổi sử dụng điện năng, tín hiệu điện từ hoạt động thực tế người Điện có ưu điểm bật sản xuất tập trung với nguồn cơng suất lớn, truyền tải xa phân phối tới nơi tiêu thụ với tổn hao tương đối nhỏ Điện dễ dàng biến đổi thành dạng lượng khác Mặt khác, trình biến đổi lượng tín hiệu điện từ dễ dàng tự động hoá điều khiển từ xa, cho phép giải phóng lao động chân tay lao động trí óc người Năm 1875 Ch.Coulomb nghiên cứu định luật tĩnh điện Năm 1800 A.Volta dựa sở phát minh L.Galvani chế tạo pin Năm 1819 C.H.Oersted nghiên cứu tác dụng học dòng điện Năm 1826 G.S.Ohm tìm quan hệ dịng điện điện áp mạch không phân nhánh Mốc quan trọng phải kể đến năm 1831 M.Faraday phát minh định luật cảm ứng điện từ, năm 1833 H.Lentz tìm chiều dòng điện cảm ứng Định luật cảm ứng điện từ sở lý luận cho xuất loại máy điện thiết bị điện Năm 1847 G.R.Kirchhoff phát biểu định luật dòng điện điện áp mạch phân nhánh Năm 1896 A.S.Popov chế tạo máy thu vô tuyến đầu tiên, ngành kỹ thuật điện tử đời Từ năm 50 kỉ 20 với hoàn thiện kỹ thuật bán dẫn vi điện tử ngành kỹ thuật điện tử tin học có bước phát triển nhảy vọt góp phần thúc đẩy q trình nghiên cứu biến đổi lượng điện từ Gần ngành điện tử công suất lĩnh vực hội tụ kỹ thuật điện kỹ thuật điện tử đẫ phát triển mạnh mẽ, kỹ thuật điện điện tử hồ nhập Giáo trình Điện kỹ thuật viết dựa chương trình khung Tổng cục Dạy nghề dành cho ngành Điện tử công nghiệp Nội dung giáo trình đúc rút từ kinh nhiệm làm việc thực tế giảng dạy Trường tham khảo tài liệu khác Do kiến thức có hạn nên giáo trình cịn nhiều thiếu sót, mong nhận phản hồi đồng nghiệp người đọc đề lần chỉnh sửa sau tốt MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC Chương 1: TĨNH ĐIỆN Khái niệm điện trường 1.1 Điện tích 1.2 Khái niệm điện trường Điện - Hiệu điện 2.1 Công lực điện trường 2.2 Điện 2.3 Hiệu điện Tác dụng điện trường lên vật dẫn điện môi 3.1 Vật dẫn điện trường 3.2 Điện môi điện trường Bài tập, thí nghiệm chương 11 Chương 2: MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU 13 Khái niệm dòng điện chiều mạch điện 13 1.1 Dòng điện dòng điện chiều 13 1.2 Qui ước dòng điện 14 1.3 Cường độ mật độ dòng điện 14 Mạch điện phần tử mạch điện 16 2.1 Mạch điện 16 2.2 Các phần tử cấu thành mạch điện 17 Các định luật biểu thức mạch điện chiều 17 3.1 Định luật Ohm 17 3.2 Công suất điện mạch điện chiều 19 3.3 Định luật Joule – lenz 19 3.4 Định luật Faraday 20 3.5 Hiện tượng nhiệt điện 22 3.6 Định luật Kirchoff 23 Các phương pháp giải mạch chiều 26 4.1 Phương pháp biến đổi điện trở 26 4.2 Phương pháp xếp chồng dòng điện 31 4.3 Phương pháp áp dụng định luật Kirchooff 32 Bài tập chương 35 Chương 3: TỪ TRƯỜNG VÀ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ 40 Đại cương từ trường 40 1.1 Tương tác từ 40 1.2 Khái niệm từ trường 41 1.3 Đường sức từ 42 Từ trường dòng điện 42 2.1.Từ trường dây dẫn thẳng 42 2.2 Từ trường vòng dây, ống dây 43 Các đại lượng đặc trưng từ trường 44 3.1 Sức từ động 44 3.2 Cường độ từ trường 44 3.3 Cường độ từ cảm 45 3.4 Vật liệu từ 46 Lực từ 49 4.1 Công thức Amper 49 4.2 Qui tắc bàn tay trái 50 4.3 Lực từ tác dụng lên hai dây dẫn thẳng song song 50 Hiện tượng cảm ứng điện từ 51 5.1 Từ thông 51 5.2 Công lực điện từ 52 5.3 Hiện tượng cảm ứng điện từ 53 5.4 Sức điện động cảm ứng 55 Hiện tượng tự cảm hỗ cảm 56 6.1 Từ thơng móc vịng hệ số tự cảm 56 6.2 Sức điện động tự cảm 58 6.3 Hệ số hỗ cảm 59 6.4 Sức điện động hỗ cảm 59 6.5 Dòng điện Foucault 60 Câu hỏi ôn tập 62 Chương 4: DỊNG ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN 63 Khái niệm dòng điện xoay chiều 63 1.1 Dòng điện xoay chiều 63 1.2 Chu kỳ tần số dòng điện xoay chiều 65 1.3 Các đại lượng đặc trưng 66 Giải mạch điện xoay chiều không phân nhánh 70 2.1 Giải mạch xoay chiều trở, cảm, dung 70 2.2 Giải mạch xoay chiều RLC 75 2.3 Công suất hệ số công suất mạch điện xoay chiều 76 2.4 Cộng hưởng điện áp 82 Mạch xoay chiều pha 85 3.1 Hệ thống pha cân 85 3.2 Các đại lượng mạch điện xoay chiều ba pha 87 3.3 Sơ đồ đấu dây mạng pha 88 3.4 Công suất mạng pha 94 3.5 Phương pháp giải mạch pha cân 95 Giải mạch xoay chiều phân nhánh 97 4.1 Giải mạch phương pháp đồ thị 97 4.2 Cộng hưởng dòng điện 107 4.3 Phương pháp nâng cao hệ số công suất 109 Ứng dụng mạch điện xoay chiều công nghiệp 112 Câu hỏi tập chương 115 Chương 5: MẠCH ĐIỆN PHI TUYẾN 118 Mạch điện phi tuyến 118 1.1 Khái niệm 118 1.2 Một số linh kiện phi tuyến thường gặp 119 Mạch có dịng điện khơng sin 124 2.1 Khái niệm 124 2.2 Nguyên nhân 124 Mạch lọc điện 125 3.1 Khái niệm 125 3.2 Các dạng mạch lọc thông dụng 125 DANH MỤC HÌNH VẼ 129 TÀI LIỆU THAM KHẢO 130 Chương 1: TĨNH ĐIỆN Khái niệm điện trường 1.1 Điện tích Mơn khoa học nghiên cứu tương tác điện tích đứng yên gọi Tĩnh điện học.Điện tích thuộc tính vật chất a) Khái quát: Điện tích tính chất khơng đổi số hạt hạ nguyên tử, đặc trưng cho tương tác điện từ chúng Điện tích tạo trường điện từ chịu ảnh hưởng trường điện từ Sự tương tác điện tích với trường điện từ, chuyển động đứng yên so với trường điện từ này, nguyên nhân gây lực điện từ, lực tự nhiên Điện tích cịn hiểu "hạt mang điện" Theo quy ước, có hai loại điện tích: điện tích âm điện tích dương Điện tích electron âm, ký hiệu -e cịn điện tích proton dương, ký hiệu +e với e giá trị điện tích nguyên tố Các hạt mang điện dấu (cùng dương âm) đẩy Ngược lại, hạt mang điện khác dấu hút b)Tính chất: Điện tích đại lượng bất biến tương đối tính, điều có nghĩa vật (hoặc hạt) mạng điện tích q đứng n, mang điện tích q chuyển động Điều kiểm chứng thực nghiệm, điện tích hạt nhân heli (gồm proton neutron, hạt nhân di chuyển nhanh) quan sát gấp đơi điện tích hạt nhân deuteri (gồm proton neutron, xem chuyển động chậm so với hạt nhân helium) Điện tích tn theo định luật bảo tồn điện tích: Tổng điện tích hệ kín khơng thay đổi theo thời gian, không phụ thuộc vào biến đổi hệ c) Thí nghiệm: Một vật bị nhiễm điện (mang điện tích) có khả hút vật khác Nếu hai vật bị nhiễm điện chúng hút hay đẩy nhau? Thí nghiệm 1: - Kẹp hai mảnh nilơng vào thân bút chì nhấc lên Quan sát xem chúng có hút hay đẩy khơng Hình 1.1 Thí nghiệm điện tích =>Hai mảnh nilông không hút hay đẩy - Trải hai mảnh nilông xuống mặt bàn, dùng miếng len cọ xát chúng nhiều lần Cầm thân bút chì nhấc lên, quan sát xem chúng hút hay đẩy Kết luận: Hai vật giống nhau, cọ xát mang điện tích loại đặt gần chúng đẩy Thí nghiệm 2: Hình 1.1 Thí nghiệm điện tích Bố trí thí nghiệm hình, hai nhựa sẫm màu giống Đặt hai lên trục nhọn để quay dể dàng nhựa sẫm màu cọ xát vải khô dặt vào trục quay Đưa đầu hủy tinh cọ xát mảnh lụa lại gần đầu cọ xát nhựa sẫm màu Quan sát xem chúng đẩy hay hút =>Thanh nhựa bị thủy tinh hút nhựa sẫm màu thủy tinh sau cọ xát chúng hút chúng mang điện tích khác loại 1.2 Khái niệm điện trường a) Khái niệm: vật lý học đại cho thấy xung quanh điện tích có mơi trường vật chất gọi điện trường Một tính chất điện trường có điện tích đăẹt điện trường điện tích chịu tác dụng lực điện Nhờ có điện trường mà hai điện tích tác dụng vào Tác dụng xảy sau: điện tích xung quanh có điện trường điện trường điện tích tác dụng vào điện tích lực Chính dựa vào tính chất điện trường mà ta biết có mặt nghiên cứu đặc trưng Điện trường dạng vật chất tồn xung quanh điện tích tác dụng lực điện lên điện tích khác đặt b) Cường độ điện trường Cường độ điện trường điểm đại lượng vật lý đặc trưng cho điện trường phương diện tác dụng lực, đo thương số lực điện trường tác dụng lên điện tích thử đặt điểm độ lớn điện tích thử Điện - Hiệu điện Thực nghiệm chứng tỏ trường tĩnh điện có tính chất Nghĩa dịch chuyển điện tích điểm điện trường không phụ thuộc vào đường cong dịch chuyển mà phụ thuộc vào điểm đầu điểm cuối dịch chuyển, đường dịch chuyển đường cong khép kín cơng lực tĩnh điện để di chuyển điện tích khơng 2.1 Cơng lực điện trường Điện trường tác dụng lực lên điện tích làm cho điện tích di chuyển điện trường, lực điện thực cơng gọi công lực điện trường 2.2 Điện Trong điện học, điện trường vô hướng điện trường; tức građiên điện véctơ ngược hướng độ lớn với điện trường Cũng trường vơ hướng, điện có giá trị tùy theo quy ước điện điểm lấy mốc Trong kỹ thuật điện điện tử học, khái niệm hiệu điện hay điện áp thường dùng so sánh điện hai điểm, nói điện điểm lấy điểm mốc có điện 2.3 Hiệu điện Hiệu điện hai điểm điện trường đại lượng trị số công lực tĩnh điện để dịch chuyển đơn vị điện tích dương từ điểm đầu đến điểm cuối Hay giá trị sô sánh điện hai điểm Tác dụng điện trường lên vật dẫn điện môi 3.1 Vật dẫn điện trường Trong vật dẫn có hạt mang điện tích chuyển động tự gọi điện tích tự Trong vật dẫn kim loại êlectrơn tự Dưới ta xét tính chất vật dẫn trạng thái cân điện bên khơng có dịng điện tích chuyển động a) Điện trường vật dẫn: Ở điểm bên vật dẫn cân điện, cường độ điện trường khơng Bởi vì, cường độ điện trường điểm khác khơng, điện trường tác dụng lực lên điện tích tự gây dòng điện Tại điểm mặt vật dẫn cân điện, cường độ điện trường vng góc với mặt vật dẫn Bởi vì, vectơ cường độ điện trường khơng vng góc với mặt vật dẫn, có thành phần hướng dọc theo mặt vật dẫn, có thành phần hướng dọc theo mặt vật gây lực làm di chuyển điện tích tự b) Điện vật dẫn: Vì điểm bên vật dẫn cân điện, cường độ điện trường không nên công lực điện làm di chuyển điện tích hai điểm vật dẫn khơng Điều có nghĩa hiệu điện hai điểm vật dẫn khơng điện điểm vật dẫn Ta nói vật dẫn cân điện vật đẳng thể c) Sự phân bố điện tích vật dẫn: Nếu vật dẫn cân điện có mang điện tích điện tích phân bố mặt ngồi vật Thật điểm vật có điện tích thừa, gây điện trường, gây di chuyển điện tích Tuy nhiên phân bố điện tích mặt ngồi vật dẫn khơng đều: điện tích tập trung nhiều chỗ lồi vật Do cường độ điện trường điểm khác mặt vật dẫn khác nhau: cường độ điện trường mạnh chỗ lồi nhọn Điều giải thích tượng “rò điện” mũi nhọn Hiện tượng “rò điện” ứng dụng việc làm cột trống sét Trong kĩ thuật người ta tìm biện pháp chống “rị điện” máy móc dụng cụ hoạt động điện cao (các kim loại bịt đầu cầu kim loại chẳng hạn) Những tính chất nêu cho vật dẫn trạng thái cân điện Các tính chất cho vật dẫn rỗng phần rỗng khơng có điện tích Tính chất vật dẫn cân điện áp dụng để làm chắn tĩnh điện Để bảo vệ dụng cụ đo lường máy móc xác khỏi chịu ảnh hưởng điện trường ngoài, người ta đặt chúng vào hộp kim loại gọi chắn tĩnh điện Trong trường hợp thực tế chắn tĩnh điện cần lưới kim loại, không cần phải kín 3.2 Điện mơi điện trường Khác với vật dẫn, điện mơi khơng có điện tích tự Mọi êlectrơn liên kết chặt chẽ với nguyên tử Tuy vậy, điện môi cấu tạo hạt điện (êlectrôn hạt nhân)nếu có tính chất điện xác định Một biểu rõ mà ta biết là: lực tương tác hai điện tích điểm đặt điện mơi giảm lần so vối chân khơng Đó tác dụng điện trường điện tích gây ra, điện mơi có bién đổi, làm xuất cường độ điện ngược chiều làm giảm cường độ điện trường điện tích Nếu xét khối điện mơi đặt điện trường (điện trường hai kim loại tích điện trái dấu chẳng hạn) ta thấy chung hồ điện hai mặt điện mơi vng góc với phương cường độ điện trường có xuất điện tích trái dấu khơng thể tách riêng gọi điện tích liên kết Hiện tượng gọi phân cực điện môi Sự phân cực loại điện môi khác xảy khác nhau, số điện mơi khác 10 mạch cộng hưởng điện áp? Khi có cộng hưởng dịng, thành phần tam giác điện áp mạch bao nhiêu? Bài tập 4: Cho Mạch điện R-L-C nối tiếp Cho biết giá trị ba điện áp Vẽ đồ thị véc tơ xác định điện áp thứ tư tính hệ số cos mạch trường hợp sau: a UR = 10V, U L= 20V, U C =10V Tính U =? b UL = 110V, U C = 150V, U = 50V Tính U R =? c UL = 10V, U R = 10V, U = 5V Tính U C =? Bài tập 5: Một dịng điện xoay chiều có: I =5A, tần số f = 50Hz a) Hãy tính chu kì, tần số góc giá trị cực đại dòng điện? b) Biểu diễn dòng điện dạng hàm số sin Bài tập 6: Một mạch điện xoay chiều có điện trở 10, điện kháng 15,7 mắc nối tiếp vào lưới điện có điện áp U = 110V, f = 50Hz Tính dịng điện mạch hệ số công suất mạch Bài tập 7: Một mạch điện xoay chiều gồm có: R = 3.14, L = 0,08H, C = 150F mắc nối tiếp vào lưới điện có điện áp U = 220V, f = 50Hz a) Tính dịng điện chạy mạch b) Tính cơng suất tác dụng, công suất phản kháng, công suất biểu kiến hệ số công suất mạch c) Nếu giá trị điện trở, điện cảm khơng đổi điện dung tụ điện để góc lệch pha dòng điện điện áp = 300 Bài tập 8: Một mạch điện xoay chiều gồm có: R = 11, L = 0,318H, C = 31,8F mắc nối tiếp vào lưới điện có điện áp U = 220V a) Với tần số dòng điện mạch có cộng hưởng điện áp b) Tính dịng điện điện áp thành phần mạch có cộng hưởng Bài tập 9: Một nguồn điện ba pha nối Sao, Upn = 120V cung cấp điện cho tải nối có dây trung tính Tải có điện trở pha Tính Ud, Id, Ip, I0, P mạch ba pha? Bài tập 10: Một nguồn điện ba pha đối xứng nối Sao cung cấp điện cho tải ba pha đối xứng nối tam giác Biết dòng điện pha nguồn Ipn = 17,32A, điện trở pha tải Tính điện áp pha nguồn cơng suất P nguồn cung cấp cho tải ba pha? Bài tập 11: Một tải ba pha đối xứng đấu hình tam giác, biết R p = 15; Xp = 6, đấu vào mạng điện ba pha có Ud = 380V Tính Ip, Id, P, Q tải? 116 Bài tập 12: Một động điện ba pha đấu sao, đấu vào mạng ba pha Ud = 380V Biết dòng điện dây Id = 26,81A; hệ số công suất 0,85 Tính dịng điện pha động cơ, cơng suất động tiêu thụ? Bài tập 13: Một động đồng có số liệu sau: Cơng suất định mức Pđm = 14kW; hiệu suất đm = 0,88; hệ số công suất cosđm = 0.89; Y/-380/220V Người ta đấu động vào mạng 220V.127V a, Xác định cách đấu dây động cơ? b, Tính cơng suất điện động tiêu thụ định mức? c, Tính dịng điện dây dòng điện pha động cơ? Bài tập 14: Một động điện đấu hình sao, làm việc với mạng điện có Ud = 380V; động tiêu thụ cơng suất điện 20kW; cos = 0,885 Tính cơng suất phản kháng động tiêu thụ, dòng điện dây dòng điện pha động cơ? Bài tập 15: Tải pha đối xứng nối hình có: R = 3, X = nối vào lưới điện có Ud = 220V - Vẽ sơ đồ nối dây ti? - Xác định dòng điện, điện áp, công suất m¹ch? Bài tập 16: Một động có ba cuộn dây giống với R = 8; XL = 6 nối hình đặt điện áp pha đối xứng có Ud = 380V Tính dịng điện dây, dịng điện pha, công suất hệ số công suất cos ca mch Bi 17: ộng điện xoay chiều pha có ba cuộn dây giống nối hình Y víi: R = 3, X = 4 nèi vµo l­íi ®iƯn cã U d = 220V - Vẽ sơ đồ nối dây tải lượng dõy, lng pha? - Xác định dòng điện dõy, dũng in pha ca ti, điện áp, hệ số công suất công suất mạch? 117 Chng 5: MCH IN PHI TUYẾN Mạch điện phi tuyến 1.1 Khái niệm Khái niệm mạch điện mạch phi tuyến nói riêng thường dùng phổ biến kĩ thuật điện kĩ thuật điện phần lớn tốn q trình điện từ, điện thiết bị điện động lực, đo lường, truyền tin v.v…Và thường coi tốn hệ thống gắn với tốn tồn lưu thơng dịng điện, dịng tín hiệu hay lượng hệ thống a, Khái niệm: Mạch phi tuyến mạch ghép loại trở kháng điện trở, điện cảm, điện dung, mà có phần tử phi tuyến Phần tử gọi phi tuyến trị số thay đổi theo giá trị dịng điện điện áp qua b, Phân loại: Các phần tử phi tuyến chia làm loại - Loại không điều khiển: Đèn sợi đốt, ốt điện tử bán dẫn, cuộn dây lõi thép - Loại có điều khiển: Triốt điện tử bán dẫn, khuếch đại từ Các phần tử phi tuyến có điều khiển thường có cực có cuộn dây điều khiển để mắc vào mạch điều khiển c, Ứng dụng: Các phần tử phi tuyến sử dụng nhiều mạch xoay chiều vào mục đích sau: - Dùng biến đổi: Để biến điện xoay chiều thành chiều ngược lại - Ổn định điện áp - Nhân chia tần số - Khuếch đại tín hiệu - Điều chế loại tín hiệu dạng mong muốn vv Lĩnh vực ứng dụng phần tử phi tuyến ngày mở rộng Sau ta nghiên cứu số phần tử phi tuyến Phương pháp giải mạch điện phi tuyến số ví dụ quan trọng mạch xoay chiều có phần tử phi tuyến d, Tính chất mạch phi tuyến 118 - Mạch phi tuyến khơng có quan hệ tỷ lệ đơn giản kích thích đáp ứng Kích thích thay đổi đáp ứng thay đổi nhiều gọi chuyển trạng thái đột ngột (trigơ) - Mạch phi tuyến khơng có tính xếp chồng - Mạch phi tuyến có tính tạo tần: Nghĩa ứng với tần số kích thích đáp ứng có nhiều tần số khác Người ta ứng dụng tính tạo tần để chỉnh lưu, biến điện dao động sóng, nhân chia tần số 1.2 Một số linh kiện phi tuyến thường gặp 1.2.1 Điện trở phi tuyến *) Điện trở phi tuyến không điều khiển: Là điện trở mà trị số phụ thuộc vào dịng áp Trên sơ đồ mạch điện, điện trở phi tuyến ký hiệu hình vẽ a Đặc tuyến Vơn- Am pe: R( i ) Hình 5.1 Điện trở phi tuyến Để đặc trưng cho điện trở phi tuyến ta dùng đặc tuyến V-A, quan hệ biến dịng áp điện trở - Điện trở phi tuyến có quán tính: Là điện trở phi tuyến có quan hệ hiệu dụng U( I ) phi tuyến, quan hệ tức thời u ( i) tuyến tính - Điện trở phi tuyến khơng qn tính: u ( i ) phi tuyến Ví dụ: Đặc tuyến V- A điốt (Hình 5.2.) điện trở nhiệt hình 5.3 i I u Hình 5.2 U Hình 5.3 119 Ngồi cịn phân ra: - Điện trở phi tuyến đối xứng: Là điện trở phi tuyến có đặc tính đối xứng qua gốc toạ độ - Điện trở phi tuyến không đối xứng: Là điện trở phi tuyến có đặc tính khơng đối xứng qua gốc toạ độ b Điện trở tĩnh động: U M U   I I Hình 5.4 Điện trở phi tuyến Ngồi việc dùng khái niệm đặc tính V- A để thể điện trở phi tuyến, người ta dùng khái niệm điện trở tĩnh điện trở động Rtĩnh  U  tg I Rđộng  du M  tg di Nói chung R tĩnh hay sử dụng với mạch phi tuyến có qn tính chiều, Rđộng thường sử dụng với mạch phi tuyến xoay chiều thường có Rtĩnh  Rđộng, Rtĩnh ln dương, cịn Rđộng dương, âm tuỳ thuộc vào độ dốc đường cong *) Điện trở phi tuyến có điều khiển: Là điện trở phi tuyến mà trị số khơng phụ thuộc vào trạng thái dịng, áp mà cịn phụ thuộc vào lượng khác (có thể điện khơng điện) gọi lượng điều khiển - Tác dụng điều khiển nhằm thay đổi trị số điện trở theo quy luật định để thực mục đích như: Đóng, mở mạch, khuếch đại tín hiệu, tạo sóng vv - Đặc trưng cho điện trở có điều khiển có họ đặc tuyến V- A: 120 Ví dụ: Đặc tuyến V- A đèn cực bán dẫn hình 5.5 Ic C iB1 iB2 iB3 B U E Hình 5.5 Điện trở phi tuyến 1.2.2 Điện cảm phi tuyến Điện cảm phi tuyến thường gặp điện cảm cuộn dây lõi thép Điện cảm phi tuyến chia làm loại: L(i) Hình 5.6 Điện cảm phi tuyến *) Điện cảm phi tuyến không điều khiển: Là điện cảm cuộn dây lõi thép, ta có sơ đồ thay cho cuộn dây lõi thép hình vẽ Hình 5.7 Trong đó: R1: Đặc trưng cho tổn hao dây quấn (hay tổn hao đồng) R2: Điện trở phi tuyến đặc trưng cho tổn hao sắt R1 R2 L(i) Hình 5.7 L(i): Điện cảm phi tuyến đặc trưng cho từ thông (B)  M    I I(H) Hình 5.8 Trong thực tế tuỳ theo mức độ xác tốn mà ta bỏ qua R 1, R2 121 a Đặc tính  (i): Để đặc trưng cho điện trở phi tuyến dùng đặc tính (i) tương tự quan hệ B(H) Ví dụ: b Điện cảm tĩnh điện cảm động:  Ltĩnh =  tg (mạch có qn tính) i Lđộng = d M  tg (mạch khơng có qn tính) di *) Điện cảm phi tuyến có điều khiển: Iđk  i wlv u wđk Rđk Uđk Hình 5.9 Là điện cảm cuộn dây lõi thép mà lõi thép cuộn làm việc cịn có cuộn điều khiển, cuộn dây điều khiển đặt vào điện áp điều khiển điện áp chiều Uđk tương ứng dòng điện chiều dòng điện xoay chiều với tần số nhỏ nhiều so với tần số cuộn làm việc Cuộn làm việc đặt điện áp xoay chiều u, biến trở R đk để điều chỉnh dòng điện Iđk mạch điều khiển Hình 5.9 Bằng cách thay đổi dòng điện điều khiển I đk, ta thay đổi mức độ bão hồ mạch từ thay đổi trị số điện cảm cuộn dây làm việc Đặc tính L= f(Iđk ) Hình 5.10 L L=f(Iđk) Iđk Hình 5.10 122 1.2.3 Điện dung phi tuyến *) Định nghĩa: Điện dung phi tuyến điện dung tụ điện có điện mơi phi tuyến (Điện mơi xéc nhét) có = (E) Ký hiệu điện dung phi tuyến hình 7- Ở tần số đủ thấp điện dung phi tuyến thay bởii điện trở phi tuyến R (i) nối song song với điện dung C (u) C(u) Hình 5.11 R (i): Đặc trưng cho tổn hao tụ tượng trễ C (u ): Đặc trưng cho khả tích luỹ lượng điện trường Đặc trưng cho điện dung phi tuyến quan hệ q theo u: q (u ) *) Điện dung tĩnh điện dung động: q M R(i) C(u)  q  Hình 5.12 U u Hình 5.13 Ctĩnh= q  tg ; U Cđộng= d M  tg du * Chú ý: Trong thực tế phần tử nhiều có tính phi tuyến, tuỳ theo trường hợp cụ thể mà ta coi chúng tuyến tính hay phi tuyến Một vài phần tử bắt buộc phải coi phi tuyến như: Các van điện, cuộn dây lõi thép thiết bị ổn áp sắt từ, mạng điện làm việc chế độ bão hồ 123 Mạch có dịng điện không sin 2.1 Khái niệm a, Khái niệm: Hàm chu kỳ không sin hàm chu kỳ biến thiên theo thời gian khơng theo quy luật hình sin Ví dụ: Hình 5.14: Ví dụ mạch có chu kỳ khơng sin b, Trị hiệu dụng hệ số đặc trưng dịng chu kỳ khơng sin: Cũng giống dịng điện hình sin, để đo khả sinh cơng dịng chu kỳ khơng sin ta dùng trị hiệu dụng với định nghĩa: I  I K 0 Tương tự: U   K  U K2 E  K 0  I 02  I 12  I 32   I K2   E K 0 K c, Công suất dịng điện chu kỳ khơng sin: - Cơng suất tác dụng: Là cơng suất tiêu tán trung bình chu kỳ   k 0 k 0 P = R.I2 = R  I k2   Pk - Công suất phản kháng:   K 1 k 1 Q   Q K   U K I K sin  k - Công suất biểu kiến: S  UI    K 0 K 0  U K2  I K2 2.2 Nguyên nhân Sự xuất dịng điện biến đổi chu kì khơng theo quy luật hình sin thường sức điện động (hoặc điện áp) không sin tác động vào mạch điện tuyến 124 tính sức điện động (hoặc điện áp) hình sin tác động vào mạch điện phi tuyến (ví dụ mạch điện có cuộn dây lõi thép bão hồ) Các nguồn chu kì khơng sin thường gặp: nguồn dao động cưa, chữ nhật, nguồn chỉnh lưu nửa chu kì, … Mạch lọc điện 3.1 Khái niệm Xét mạng điện hai cửa, thấy rõ thông số đặc trưng chúng tùy thuộc kết cấu, thơng số mạng có tính chọn lựa tần số Những mạng hai cửa mà truyền đạt có tính chọn lựa tần số theo luật đặc biệt: Cho truyền đạt qua cách dễ danggf phổ tín hiệu dịng (áp) thuộc dải tần gọi dải thơng làm tắt tín hiệu thuộc dải tần khác gọi dải chắn Mạng hai cửa đặc biết gọi mạch lọc điện Trong kỹ thuật điện thông tin tải ba, kỹ thuật dao động, kỹ thuật tạo xung, chỉnh lưu, cần nghiên cứu sử dụng thiết kế lọc điện 3.2 Các dạng mạch lọc thơng dụng Mạch lọc điện có nhiều loại phân lọa theo nhiều cách khác Nếu phân chia theo dải tần số có loại mạch lọc sau: ฀ Mạch lọc thông thấp ฀ Mạch lọc thông cao ฀ Mạch lọc thông dải ฀ Mạch lọc chặn dải ฀ Mạch lọc pha Khi biểu diễn mạch lọc tần số thông qua hệ số truyền đạt điện áp nói mạch lọc lý tởng mạng cực có hệ số truyền đạt K = dải thông K = ngồi dải thơng Nghĩa mạch lọc lý tưởng khơng gây suy giảm tín hiệu dải thơng triệt tiêu hồn tồn tín hiệu ngồi dải thơng Mạch có vùng chuyển tiếp thẳng đứng khơng gây di pha tín hiệu Với lọc lý tưởng ta có dạng đặc tuyến sau:  Mạch lọc thông thấp: Mạch lọc thông thấp cho qua tần số từ tới f c chặn tất tần số từ fc trở lên f c gọi tần số cắt mạch 125 Hình 5.12  Mạch lọc thơng cao: Mạch lọc thông cao chặn tất tần số từ tới f c cho qua tất tần số từ tần số cắt f c trở Hình 5.13  Mạch lọc thông dải: Mạch lọc thông dải cho qua tần số nằm khoảng từ f tới f2 chặn tất tần số nằm ngồi dải Độ rộng dải thơng tính tần số trung tâm f  f1 f Hình 5.14  Mạch lọc chặn dải: Mạch lọc chặn dải cho qua tần số nằm khoảng nhỏ f1 lớn f2, chặn tất tần số nằm khoảng f – f2 Độ rộng dải chặn tính B = f2 – f1 Tần số trung tâm f  f1 f 126 Hình 5.15  Mạch lọc pha: Mạch lọc pha khơng có dải chặn, cho qua tất tần số đầu vào đầu có dịch pha Hình 5.16  Mạch lọc thụ động: Là mạch chứa phần tử thụ động R, L, C mà phần tử tích cực BJT hay khếch đại tuyến tính Các mạch hầu hết làm việc tần số cao ( >1MHz) khu vực tần số thấp mạch có kết cấu nặng nề hệ số phẩm chất giảm Một số mạch thụ động thường gặp đặc tuyến truyền đạt chúng sau: Hình 5.17: Mạch lọc thụ động thơng thấp 127 Hình 5.18 : Mạch lọc thụ động thơng cao Hình 5.19: Mạch lọc thụ động thơng dải Hình 5.20 : Mạch lọc thụ động chặn dải 128 DANH MỤC HÌNH VẼ TT KH TÊN HÌNH VẼ GHI CHÚ 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 129 TÀI LIỆU THAM KHẢO Điện kỹ thuật Nguyễn Viết Hải - NXB lao động Xã Hội – Hà Nội – Năm 2004 Cơ sở kỹ thuật điện Hoàng Hữu Thận NXB kỹ thuật Hà Nội Năm 1980 Giáo trình kỹ thuật điện Vụ trung học chuyên nghiệp DN - NXB Giáo Dục –Năm 2005 Mạch điện Phạm Thị Cư (chủ biên) - NXB Giáo dục - 1996 Cơ sở lý thuyết mạch điện Nguyễn Bình Thành - Đại học Bách khoa Hà Nội - 1980 Kỹ thuật điện đại cương Hoàng Hữu Thận - NXB Đại học THCN - Hà Nội - 1976 Bài tập Kỹ thuật điện đại cương Hoàng Hữu Thận - NXB Đại học THCN - Hà Nội - 1980 130 ... đổi lượng điện từ Gần ngành điện tử công suất lĩnh vực hội tụ kỹ thuật điện kỹ thuật điện tử đẫ phát triển mạnh mẽ, kỹ thuật điện điện tử hồ nhập Giáo trình Điện kỹ thuật viết dựa chương trình khung... đầu tiên, ngành kỹ thuật điện tử đời Từ năm 50 kỉ 20 với hoàn thiện kỹ thuật bán dẫn vi điện tử ngành kỹ thuật điện tử tin học có bước phát triển nhảy vọt góp phần thúc đẩy q trình nghiên cứu... lực điện trường Điện trường tác dụng lực lên điện tích làm cho điện tích di chuyển điện trường, lực điện thực cơng gọi công lực điện trường 2.2 Điện Trong điện học, điện trường vô hướng điện