Bài giảng Cơ sở lý kỹ thuật điện 1 - Chương 2: Mạch tuyến tính ở chế độ xác lập điều hòa - Nguyễn Việt Sơn

Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010 1 CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN 1 Chương 2: Mạch tuyến tính ở chế độ xác lập điều hòa. I. Hàm điều hòa và các đại lượng đặc trưng. II. Số phức - Biểu diễn hàm điều hòa trong miền ảnh phức III. Phản ứng của một nhánh với kích thích điều hòa. IV. Dạng ảnh phức của các luật cơ bản trong mô hình mạch Kirchhoff. Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010 2 Chương 2: Mạch tuyến tính ở chế độ xác lập điều hòa I. Hàm điều hòa và các đại lượng đặc trưng.  Hàm điều hòa là các hàm mà biểu diễn toán học của nó có dạng sin hoặc cos của biến thời gian t. Ví dụ: i(t) = Im.sin(ωt + φ) hoặc e(t) = Em.cos(ωt + φ) Emφ e(t) t T  Các thông số đặc trưng:  Cặp thông số biên độ - pha làm thành một cặp thông số đặc trưng của hàm điều hòa.  Giá trị biên độ cực đại: Im, Em. Giá trị hiệu dụng: I, E. Quan hệ: Im = I. ; Em = E.2 2  Góc pha: ωt + φ (rad) Góc pha ban đầu: φ [rad] cho biết trạng thái ban đầu của hàm điều hòa khi t = 0 Tần số góc: ω [rad/s] đo tốc độ biến thiên của hàm điều hòa. Chu kỳ: Tần số: 2 [ ]T s    1 [ ] 2 f Hz T     Nếu các hàm điều hòa có cùng tần số thì chúng được phân biệt bởi 2 thông số duy nhất: Biên độ - Pha ban đầu. Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010 3 Chương 2: Mạch tuyến tính ở chế độ xác lập điều hòa I. Hàm điều hòa và các đại lượng đặc trưng.  Biểu diễn các hàm điều hòa bằng đồ thị vector: 1 1 1( ) . 2.sin( )i t I t    Mỗi hàm điều hòa đặc trưng bởi 2 thông số: Trị hiệu dụng và góc pha (I, ωt + φ) cho phép biểu diễn bằng những vector trên mặt phẳng pha:  Độ dài vector tỷ lệ với trị hiệu dụng của hàm điều hòa.  Góc giữa vector với trục hoành tỷ lệ với góc pha (ωt + φ). 0  Nếu các hàm điều hòa cùng tần số chúng đặc trưng bởi cặp thông số trị hiệu dụng - góc pha ban đầu (I, φ) Cho phép ta thực hiện các phép toán cộng trừ các hàm điều hòa cùng tần số. sin ( , ) 2. . ( ) cos I t I t      I1 1 1 1I  I2 2 2 2I  Ví dụ: 1 1 1 1 1 1 1 1( ) . 2.sin( ) ( , )i t I t I I t         2 2 2 2 2 2 2 2( ) . 2.sin( ) ( , )i t I t I I t         2 2 2( ) . 2.sin( )i t I t   Ví dụ: 1I  2I  I  1 2( ) ( ) ( )i t i t i t  Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010 4 CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN 1 Chương 2: Mạch tuyến tính ở chế độ xác lập điều hòa I. Hàm điều hòa và các đại lượng đặc trưng. II. Số phức - Biểu diễn hàm điều hòa trong miền ảnh phức II.1. Khái niệm. II.2. Các phép toán cơ bản. III.3. Biểu diễn các hàm điều hòa trong miền ảnh phức. III. Phản ứng của một nhánh với kích thích điều hòa. IV. Dạng ảnh phức của các luật cơ bản trong mô hình mạch Kirchhoff. Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010 5 Chương 2: Mạch tuyến tính ở chế độ xác lập điều hòa II.1. Khái niệm  Nguồn gốc: Giải phương trình bậc 2, có Deltal âm.  Số phức là một cặp 2 thành phần, số thực a, và số ảo j.b, với định nghĩa nó là tổng a + j.b, trong đó j2 = -1, và a, b là những số thực. 0 Im Re V  V  a b  Biểu diễn trên mặt phẳng phức:  Dạng đại số:  Dạng modul-góc: .V a j b    .. jV V e V     2 2V a b b arctg a     .cos .sin a V b V      Quan hệ:  Số phức liên hợp: 1 1 1 2 2 2 . . V a j b V a j b       V1 và V2 là 2 số phức liên hợp nếu 1 2 1 2 a a b b     Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010 6 Chương 2: Mạch tuyến tính ở chế độ xác lập điều hòa II.2. Các phép toán cơ bản.  Phép cộng - trừ.  Phép nhân - chia.  Phép nghịch đảo.  ... Ví dụ: 1 1 1 1 1.V a j b V      2 2 2 2 2.V a j b V      3 1 2 1 2 1 2( ) .( )V V V a a j b b          4 1 2 1 2 1 2. .V V V V V         1 1 5 1 2 22 V V V VV         6 1 1 1 1 1 V VV       Chú ý:  Bất kỳ số phức nào nhân với j thì góc của nó quay ngược chiều kim đồng hồ 1 góc 900. Ví dụ: 210 30 . 1. .10 30 10120 j A j A e        Bất kỳ số phức nào chia cho j thì góc của nó quay thuận chiều kim đồng hồ 1 góc 900. Ví dụ: 10 30 . .10 30 10 60 A A j A j j             j3 = -j Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010 7 Chương 2: Mạch tuyến tính ở chế độ xác lập điều hòa II.3. Biểu diễn các hàm điều hòa trong miền ảnh phức.  Các hàm điều hòa cùng tần số i(t), e(t), j(t), u(t) đặc trưng bởi cặp số: Trị hiệu dụng - góc pha ban đầu  có thể diễn chúng bằng những số phức (ảnh phức của hàm điều hòa) có:  Modul = Trị hiệu dụng.  Pha = Góc pha ban đầu. ( ) 2.sin( )e t E wt E E       Chú ý: Nếu số phức là ảnh của 1 hàm điều hòa trong miền thời gian t E E    thì e(t) = 2.sin( )E t  2.cos( )E t  hoặc Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010 8 Chương 2: Mạch tuyến tính ở chế độ xác lập điều hòa II.3. Biểu diễn các hàm điều hòa trong miền ảnh phức.  Xét hàm điều hòa: ( ) . 2.sin( )i t I t I I        ( ) . . 2.cos( ) . . 2.sin( ) . . 2 di t I t I t I j I dt                  1 1 1 1 ( ). . 2.cos( ) . . 2.sin( ) . . . 2 i t dt I t I t I I j I j                        Miền thời gian Miền ảnh phức Hàm điều hòa Ảnh phức d dt j.ω dt 1 .j Hệ phương trình vi tích phân Hệ phương trình đại số ảnh phức Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010 9 CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN 1 Chương 2: Mạch tuyến tính ở chế độ xác lập điều hòa. I. Hàm điều hòa và các đại lượng đặc trưng. II. Số phức - Biểu diễn hàm điều hòa trong miền ảnh phức III. Phản ứng của một nhánh với kích thích điều hòa. III.1. Kích thích điều hòa. III.2. Mạch thuần trở. III.3. Mạch thuần cảm. III.4. Mạch thuần dung. III.5. Mạch nối tiếp R-L-C III.6. Mạch song song R//L//C IV. Dạng ảnh phức của các luật cơ bản trong mô hình mạch Kirchhoff. Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010 10 Chương 2: Mạch tuyến tính ở chế độ xác lập điều hòa III.1. Kích thích điều hòa.  Các kích thích trong mạch Kirchhoff là các phần tử nguồn điện (nguồn dòng, nguồn áp)  Kích thích điều hòa trong mạch Kirchhoff là các nguồn điện e(t), j(t) có biểu diễn toán học là các hàm điều hòa dạng sin hoặc cos theo thời gian t. ( ) 2.sin( ) ( ) 2.cos( ) e t E t j t J t         III.2. Mạch thuần trở. RiR(t) uR(t) ( ) . ( )u t R i t ( ) 2 sin ( ) ( ) . 2 sin i t I t A u t R I t     RRI  RU  .0. 0( ) . . 0 j R I I e I A U R I R I        RI  RU  dòng - áp cùng pha Công suất tác dụng: 2 2 0 ( ) ( ). ( ) = . (1 cos 2 ) 1 P= ( ) . T T p t u t i t R I t p t dt R I     2.P R I Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010 11 Chương 2: Mạch tuyến tính ở chế độ xác lập điều hòa III.3. Mạch thuần cảm. LiL(t) uL(t) LLI  LU  ( ) ( ) LL di t u t L dt  ( ) . 2 sin ( ) ( ) ( ) . . 2. .cos = . . 2 sin( ) 2 L L L i t I t A di t u t L L I t dt L I t           0( ) . . / 2 . . . . . L L L L L L I I A U L I j X I Z I Z j L             2.L L LQ X I Công suất phản kháng: Đo cường độ của quá trình dao động năng lượng trong kho từ. LI  LU  Điện áp sớm pha hơn dòng điện 1 góc π/2 Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010 12 Chương 2: Mạch tuyến tính ở chế độ xác lập điều hòa  Mạch có hỗ cảm: i1(t) i2(t) L1 L2 ** M u12(t) u2(t) u21(t)u11(t) u1(t) u22(t) 1 2 1 11 12 1 12( ) ( ) ( ) di di u t u t u t L M dt dt     2 1 2 22 21 2 21( ) ( ) ( ) di di u t u t u t L M dt dt     1I  L1 L2 ** M 21U  12U  11U  2I  1I  22U  2U  1U  1 1 2 2 1 11 1 1 1 2 12 12 12 2 ( ) 2 sin( )( ) ; ( ) 2 sin( )( ) ( ) ( ) . . . 2.sin( ) 2 ( ) ( ) . . . 2 sin( ) 2                     i t I t A i t I t A di t u t L L I t dt di t u t M M I t dt 1 1 2 2 11 1 1 12 12 2 0( ); ( ) . . . . . . I I A I I A U j L I U j M I              1 11 12 1 1 12 2 2 22 21 2 2 21 1 . . . . . . . . . . . . U U U j L I j M I U U U j L I j M I                       Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010 13 Chương 2: Mạch tuyến tính ở chế độ xác lập điều hòa III.4. Mạch thuần dung. uC(t) CiC(t) 1 ( ) ( ).C Cu t i t dt C   ( ) . 2 sin ( ) 1 1 ( ) ( ). . . 2.cos I. 2 = .sin( ) .C 2 C C C i t I t A u t i t dt I t C C t             CI  CU  Điện áp chậm pha hơn dòng điện 1 góc π/2 2.C C CQ X I Công suất phản kháng: Đo cường độ của quá trình dao động năng lượng trong kho điện. C CI  CU  0( )CI I A   2 1 1 . . . . . 1 = . . . . . j C C C C C C U I e j I C C I j X I j C               Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010 14 Chương 2: Mạch tuyến tính ở chế độ xác lập điều hòa III.5. Mạch nối tiếp R - L - C. jXL -jXC R R L C RU  CU  LU  RU  CU  LU  φ U  I  I  . . . ( . ). [ ( )]. ( ) R L C L C L C Z L C X U U U U U R I j X I j X I U R j X X I Z R j X X                        Tam giác điện áp Tam giác công suất Tam giác trở kháng Z φ -jQC P jQ L R = |Z|.cosφ X = |Z|.sinφ  Công suất:  Công suất tác dụng: P = R.I2 = U.I.cosφ [W].  Công suất phản kháng: Q = X.I2 = U. I.sinφ [Var].  Công suất toàn phần: ~ ~ 2 2 * ( ) [ ] [ ( )]. . . L C L C S P j Q Q VA S R j X X I Z I U I          φ ~ S Các tam giác đồng dạng với nhau Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010 15 Chương 2: Mạch tuyến tính ở chế độ xác lập điều hòa III.6. Mạch song song R // L // C. R L C I  U  R I  LI  CI  . . . . . . . . . . . . . . . 1 . . . . . . . 1 . . . . [ ( )]. . R C C L L R L C C L I U g U R I j C U j b U I j U j b U L I I I I g j b b U Y U                  U  RI  CI  LI  I  φ Tam giác dòng điện g . Cj b. Lj b Y φ Tam giác tổng dẫn Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010 16 CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN 1 Chương 2: Mạch tuyến tính ở chế độ xác lập điều hòa. I. Hàm điều hòa và các đại lượng đặc trưng. II. Số phức - Biểu diễn hàm điều hòa trong miền ảnh phức III. Phản ứng của một nhánh với kích thích điều hòa. IV. Dạng ảnh phức của các luật cơ bản trong mô hình mạch Kirchhoff. IV.1. Luật Ohm. IV.2. Luật Kirchhoff 1. IV.3. Luật Kirchhoff 2. IV.4. Luật cân bằng công suất. Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010 17 Chương 2: Mạch tuyến tính ở chế độ xác lập điều hòa IV.1. Luật Ohm. . . U Z I I Y U          với Z: tổng trở tương đương của nhánh Y: tổng dẫn tương đương của nhánh IV.2. Luật Kirchhoff 1. ( ) 0 nut I J     (dòng điện đi vào nút mang dấu âm, đi ra nút mang dấu dương) IV.3. Luật Kirchhoff 2. (điện áp cùng chiều vòng mang dấu dương) vong vong U E      Vậy hệ phương trình mạch Kirchhoff tuyến tính ở chế độ xác lập điều hòa khi chuyển sang miền ảnh phức là hệ phương trình đại số tuyến tính ảnh phức. Điều này giúp ta tránh được việc giải hệ phương trình vi tích phân trong miền thời gian. IV.4. Luật cân bằng công suất. ~ 0 0 0 kin kin kin P S Q       