Những khái niệm cơ bản về mạch điện

Khoa Điện-Điện Tử

Bài Giảng: Điện Kỹ Thuật
GV: Phạm Chí Hiếu
Bộ môn Kỹ thuật điện tử
Khoa Điện-Điện Tử
Trường ĐH Bà Rịa-Vũng Tàu
1


Các tài liệu tham khảo:
1. GT.Kỹ Thuật Điện

- Vụ THCN-Dạy Nghề

2. Kỹ Thuật Điện+BT

- Nguyễn Kim Đính

3. Mạch Điện 1+BT

- Phạm Thị Cư

4. Mạch Điện 1

- ĐH.SPKT.TPHCM

2


Nội dung môn học

 Chương 1. Những khái niệm cơ bản về mạch điện
 Chương 2. Mạch xác lập điều hoà
 Chương 3. Các phương pháp phân tích mạch điện
 Chương 4. Mạng điện ba pha
 Chương 5. Mạng hai cửa

3


Chương 1. Những khái niệm cơ bản về mạch điện
I. Giới hạn và phạm vi ứng dụng của lý thuyết mạch:
+ Mô hình mạch: được áp dụng trong những trường hợp kích
thước hình học của hệ rất nhỏ so với bước sóng điện từ của tín
hiệu. Khi đó các biến chỉ phụ thuộc vào thời gian mà không phân
bố trong không gian, như dòng điện và điện áp trên các cực. Các
phương trình sử dụng trong mô hình mạch là các phương trình
của định luật Kirchhoff…Bản chất của quá trình điện từ trong
các phần tử được mô tả bởi phương trình đại số hoặc vi tích phân
trong miền thời gian thông qua các biến dòng điện và áp điện
trên các cực của phần tử.

4


II. Mạch điện và mô hình:
1. Mạch điện:
Mạch điện: là một hệ thống gồm các thiết bị điện, điện tử ghép
lại thành vòng kín có dòng điện, trong đó xảy ra các quá trình
truyền đạt, biến đổi năng lượng hay tín hiệu điện từ đo bởi các đại
lượng dòng điện và điện áp. Mỗi phần tử trong mạch thực hiện một

chức năng xác định gọi là phần tử mạch điện. Có 3 loại phần tử
chính là nguồn, phụ tải và dây dẫn.
Nguồn điện: là thiết bị tạo ra điện năng. Về nguyên lý, nguồn
điện là thiết bị biến đổi các dạng năng lượng như cơ năng, hóa
năng, nhiệt năng thành điện năng. Ví dụ: Máy phát điện, ắc quy, pin
mặt trời.
Phụ tải: là các thiết bị tiêu thụ năng lượng và biến đổi điện năng
thành các dạng năng lượng khác như cơ năng, nhiệt năng, quang
năng. Ví dụ: động cơ điện, bếp điện, đèn điện.
Dây dẫn: Dây dẫn làm bằng kim loại (đồng, nhôm) dùng để
truyền tải điện năng từ nguồn đến tải.
5


2. Mô hình gần đúng các phần tử thực:
Thực tế không có phần tử nào là thuần điện trở R, thuần dung
kháng C và thuần cảm kháng L hay thuần nguồn e(t), j(t). Để tiện
cho tính toán giải mạch điện ta đã chấp nhận sai số mô hình coi các
phần tử chỉ mang tính chất đặt trưng của chúng. Khi nghiên cứu
sâu, mô hình chính xác hơn ta có thể mô phỏng gần đúng các phần
tử như sau:
6


7


3. Kết cấu hình học của mạch điện:
Nhánh: là một đoạn mạch gồm các phần tử ghép nối tiếp nhau, trong
đó có cùng một dòng điện chạy từ đầu này đến đầu kia.

Nút: là điểm giao nhau của từ ba nhánh trở lên.
Vòng: là lối đi khép kín qua các nhánh.
Ví dụ:
Sơ đồ mạch điện như hình 1.1 gồm 3 nhánh (nhánh 1: từ a → MF →
b, nhánh 2: từ a → ĐC → b, nhánh 3: từ a → Đ → b), 2 nút a, b và 3
vòng.
4. Các đại lượng cơ bản của mạch điện:
Để đặc trưng cho quá trình năng lượng cho một nhánh hoặc một
phần tử của mạch điện ta dùng hai đại lượng: dòng điện i và điện áp u.
Công suất của nhánh: p = u.i
4.1. Cường độ dòng điện:
- Dòng điện: là dòng chuyển dịch có hướng của các điện tích.
- Chiều dòng điện: là chiều chuyển động dòng điện tích dương trong
điện trừơng.
8


- Cường độ dòng điện: (gọi tắt là dòng điện) là lượng điện tích
chuyển qua một bề mặt nào đó (tiết diện ngang của dây dẫn) trong
một đơn vị thời gian.
- Đơn vị: Ampere (A).
- Ký hiệu: i
- Trong tính toán i là đại lượng đại số kèm theo chiều dương qui
ước.
+ Nếu i dương: chiều thực của dòng điện trùng với chiều dương qui
ước.
+ Nếu i âm: chiều ngược lại.

9

4.2. Điện áp:
- Là công sinh ra khi 1 đơn vị điện tích dương dịch chuyển từ A
đến B. Với
là điện thế tại điểm A và B.
- Đơn vị: Volt (V)
- Ký hiệu: U
Trong tính toán điện áp U là lượng đại số theo chiều xác định, ví dụ
UAB. Khi UAB > 0 thế A cao hơn thế B và UAB < 0 thế B cao hơn thế
A.

10


4.3. Công suất:
Trong mạch điện, một nhánh, một phần tử có thể nhận năng
lượng hoặc phát năng lượng. Khi chọn chiều dòng điện và điện áp
trên nhánh trùng nhau, sau khi tính toán công suất p của nhánh ta có
kết luận sau về quá trình năng lượng của nhánh. Ở thời điểm nào đó
nếu:
p = ui > 0 (nhánh nhận năng lượng).
p = ui < 0 (nhánh phát năng lượng).
Khi dòng điện có đơn vị A (ampe) và điện áp có đơn vị V (volt)
thì đơn vị công suất là W(oát).

11


5. Các phần tử của mạch điện:
Mô hình mạch dùng trong lý thuyết mạch điện được xây dựng từ các

phần tử lý tưởng sau đây:
5.1. Các phần tử hai cực:
5.1.1. Điện trở R:
Là phần tử đặt trưng cho hiện tượng tiêu tán năng lượng điện từ.
Công suất tiêu tán: P = RI2
- Ký hiệu phần tử điện trở R(hình 1-3)
- Với quan hệ:
u = Ri (V)
- Đơn vị điện trở R là ohm[Ω]
Người ta còn đưa ra khái niệm điện dẫn như sau:
Y = 1/R (đơn vị: 1/Ω = S: Siemen)
12


5.1.2. Điện cảm L:
- Ký hiệu phần tử điện cảm L (hình 1-4)
- Đơn vị điện cảm L là Henry [H].
- Quan hệ dòng và áp:

di (t )
u (t )  L
(V )
dt

(1-1)

Là phần tử đặt trưng cho hiện tượng tích phóng năng lượng từ
trường. Năng lượng tích trữ từ t0 đến t là:
i (t )
t

t
t
di
1
WL (t )  �
p (t ).dt  �
u (t ).i (t ).dt  L �
i .dt  L �
idi  L [i 2 (t )  i 2 (t 0 )]
dt
2
t0
t0
t0
i ( t0 )
- Nếu cho i (t0) = 0 thì:
2

1 2
WL (t )  Li (t )
2

Từ (1-1), ta thấy điện áp giữa 2 đầu cuộn dây tỉ lệ với sự biến thiên
của dòng điện theo thời gian. Như vậy, trong mạch điện 1 chiều thì
điện áp giữa 2 đầu cuộn dây bằng 0 và nếu đặt cuộn dây trong mạch
điện coi như bị nối tắt.
13


5.1.3. Điện dung C:

Là phần tử đặt trưng cho hiện tượng tích phóng năng lượng điện trường.
- Ký hiệu phần tử điện dung C (hình 1-5)
- Đơn vị điện dung C là Fara [F]
- Quan hệ dòng và áp:

du (t )
i (t )  C
( A)
dt

(1.2)

- Năng lượng điện trường
u (t )
t
du
1
Wc (t )  C �
u .dt  C �
u.du  C[u 2 (t )  u 2 (t 0 )]
dt
2
t0
u ( t0 )
- Nếu cho U2(t0) = 0 thì:

1
WC (t )  CU 2 (t )
2
Từ (1-2), ta thấy dòng điện qua tụ tỉ lệ sự biến thiên điện áp trên tụ

theo thời gian.
14


5.1.4. Nguồn độc lập:
Là phần tử đặt trưng cho hiện tượng nguồn. Ý nghĩa của “độc lập”
là giá trị của nguồn không phụ thuộc bất kỳ phần tử nào trong mạch
điện. Phần tử nguồn gồm hai loại:
+ Phần tử nguồn áp e(t)
- Ký hiệu phần tử nguồn áp (hình 1-6)
- Với quan hệ u(t) = e(t), trong đó e(t)
không phụ thuộc dòng điện i(t) chạy qua
phần tử và được gọi là sức điện động.
+ Phần tử nguồn dòng j(t)
- Ký hiệu phần tử nguồn dòng (hình 1-7)
- Với quan hệ i(t) = j(t), trong đó j(t) không
phụ thuộc điện áp u(t) đặt trên 2 cực của
phần tử
e(t) và j(t) là hai thông số cơ bản của mạch điện đặt trưng cho hiện
tượng nguồn, do có khả năng phát của nguồn.
15


5.2. Các phần tử bốn cực:
5.2.1. Nguồn phụ thuộc:
Là phần tử nguồn mà chúng phụ thuộc vào dòng điện hay điện áp
nào đó của mạch điện. Gồm:
+ Phần tử nguồn áp phụ thuộc áp: (hình 18a) (VCVS – Voltage Controlled Voltage
source). Nguồn áp u2 phụ thuộc vào u1 theo
hệ thức:

u2 = αu1 (với α không thứ nguyên.)
+ Phần tử nguồn áp phụ thuộc dòng:
(hình 1-8b) (CCVS – Current Controlled
Voltage source). Nguồn áp u2 phụ thuộc
vào dòng i1 theo hệ thức:
u2 = r.i1 (với r: thứ nguyên (Ω).)
16


+ Phần tử nguồn dòng phụ thuộc áp:
(hình 1-8c) (VCCS – Voltage
Controlled Current source). Phần tử
nguồn dòng phụ thuộc này phát ra dòng
điện i2 phụ thuộc vào điện áp u1 theo hệ
thức:
i2=gu1 (với g thứ nguyên
S (Siemen) hay Ω-1)
+ Phần tử nguồn dòng phụ thuộc dòng:
(hình 1-8d) (CCVS – Current Controlled
Current source). Nguồn dòng i2 phụ thuộc
vào dòng i1 theo hệ thức:
i2 = βi1

(với β không thứ nguyên.)
17


5.2.3. Máy biến áp lý tưởng:

Mức độ ghép hỗ cảm giữa hai cuộn dây được xác định qua hệ

số ghép k, được định nghĩa:
M
với k ≤ 1
k
(1.3a)
L1 L2
Khi hệ số ghép k=1, suy ra hệ số hỗ cảm:
M  L1 L2

(1.3b)

Hỗ cảm: hiện tượng hỗ cảm là hiện tượng xuất hiện từ trường trong
cuộn dây do dòng điện trong cuộn dây khác tạo nên. Thông số đặt
trưng cho hiện tượng hỗ cảm là hệ số hỗ cảm M.
Trong cùng lõi thép hệ số tự cảm 2 cuộn dây tỷ lệ bình phương số
vòng dây. Nếu bỏ qua điện trở dây quấn và từ thông rò ra ngoài không
khí thì được gọi là máy biến áp lý tưởng
18


2

L2 �n2 �
(n1/n2): Tỉ số vòng dây
� �
L1 �n1 �
Có 4 trường hợp để tính điện áp trên các cuộn dây:
Trường hợp 1:

Trường hợp 2:

19


Trường hợp 3:

Trường hợp 4:

20


6. Phân loại các chế độ làm việc của mạch điện:
6.1. Phân loại theo loại dòng điện trong mạch:
6.1.1. Mạch điện một chiều:
Dòng điện một chiều là dòng điện có chiều không thay đổi theo
thời gian. Mạch điện có dòng điện một chiều gọi là mạch điện một
chiều.
6.1.2. Mạch điện xoay chiều:
Dòng điện xoay chiều là dòng điện có chiều thay đổi theo theo
thời gian. Dòng điện xoay chiều được sử dụng nhiều nhất là dòng
điện sin, biến đổi hàm sin theo thời gian.
6.2. Phân loại theo tính chất các thông số mạch:
6.2.1. Mạch điện tuyến tính:
Khi các phần tử trong mạch là R,L,C là hằng số, không phụ
thuộc vào giá trị dòng điện i và điện áp u trên chúng (phần tử tuyến
tính).
21


6.2.2. Mạch điện phi tuyến:

Khi các phần tử trong mạch là R,L,C là phần tử phi tuyến, phụ
thuộc vào giá trị dòng điện i và điện áp u trên chúng.
6.3. Phân loại theo quá trình năng lượng trong mạch:
6.3.1. Chế độ xác lập:
Chế độ xác lập là chế độ, trong đó dưới tác động của các nguồn,
dòng điện và điện áp trên các nhánh đạt trạng thái ổn định.
6.3.2. Chế độ quá độ:
Chế độ quá độ là quá trình chuyển tiếp từ chế độ xác lập này
sang chế độ xác lập khác. Chế độ quá độ diễn ra sau khi đóng cắt
hoặc thay đổi thông số của mạch có chứa cuộn dây L và tụ điện C.
Thời gian quá độ thường rất ngắn.

22


7. Phép biến đổi tương đương:
7.1 Biến đổi điện trở: (hình 1-9a,b)

23


7.2. Biến đổi nguồn: (hình 1-10a,b)

24


7.3. Biến đổi sao – tam giác: (hình 1-11)

Tổng quát :

RAB
�

* Nếu:

RA  RB  RC  R�
� RAB  RBC  RCA  R
� R  3.R�

RA RB  RB RC  RC RA

RC

RBC 
RCA

RA RB  RB RC  RC RA
RA

RA RB  RB RC  RC RA

RB
25