Bài giảng Kỹ thuật điện 1 - Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff - Nguyễn Việt Sơn

cho phép biểu diễn quá trình truyền đạt năng lượng tại vùng mà chúng được thay thế.
 Với 4 quá trình năng lượng cơ bản khảo sát được trong mạch Kirchhoff, mô hình mạch Kirchhoff sẽ
có 4 phần tử cơ bản, đó là :
 Nguồn điện (nguồn suất điện động, nguồn dòng) ↔ Hiện tượng phát
 Phần tử tiêu tán (điện trở R, điện dẫn g) ↔ Hiện tượng tiêu tán
 Phần tử kho điện (điện dung C) ↔ Hiện tượng tích phóng của kho điện
 Phần tử kho từ (điện cảm L, hỗ cảm M) ↔ Hiện tượng tích phóng của kho từ
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
6
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff
II.1. Nguồn điện.
 Trong mô hình mạch Kirchhoff, các thiết bị thực hiện quá trình chuyển hóa các dạng năng lượng
khác thành điện năng được gọi là nguồn điện.
 Quy ước: Chiều dòng điện chảy trong nguồn chảy từ nơi có điện áp thấp đến nơi có điện áp cao.
Pnguon = u . i < 0 phát công suất
Pnguon = u . i > 0 nhận công suất
 Phân loại:
 Nguồn độc lập: Các trạng thái của nguồn (biên độ, tần số, hình dáng, góc pha ) chỉ tùy
thuộc vào quy luật riêng của nguồn mà không phụ thuộc vào trạng thái bất kỳ trong mạch.
Ví dụ: Nguồn áp, nguồn dòng 
 Nguồn lệ thuộc: Các trạng thái của nguồn bị phụ thuộc (điều khiển) bởi một trạng thái nào đó
trong mạch điện.
Ví dụ: Nguồn áp bị điều khiển bởi dòng, nguồn áp bị điều khiển bởi áp; nguồn dòng bị điều
khiển bởi dòng, nguồn dòng bị điều khiển bởi áp 
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
7
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff
II.1. Nguồn điện.
 Nguồn áp:
 Định nghĩa: Nguồn áp e(t) là một phần tử sơ đồ mạch Kirchhoff có đặc tính duy trì trên hai
cực của nó một hàm điện áp, còn gọi là sức điện động e(t) xác định theo thời gian, và không
phụ thuộc vào dòng điện chảy qua nó. 
 Biến trạng thái: Điện áp trên hai cực của nguồn. Đối với một nguồn áp lý tưởng, giá trị của
điện áp trên hai cực của nguồn không phụ thuộc vào giá trị của tải nối với nguồn.
 Phương trình trạng thái: u(t) = - e(t)
 Ký hiệu:
(Chiều của mũi tên là chiều quy ước của dòng điện sinh ra bởi nguồn)
 Cách nối: Nguồn áp được nối trong nhánh của mạch điện (tránh ngắn mạch nguồn áp)
i(t)
e(t)
u(t)
Nguồn lý tưởng
(Rng = 0)
Nguồn thực 
(Rng ≠ 0)
i(t)
e(t)
u(t)
Rng
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
8
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff
II.1. Nguồn điện.
 Nguồn dòng:
 Định nghĩa: Nguồn dòng j(t) là một phần tử sơ đồ mạch Kirchhoff có đặc tính bơm qua nó một
hàm dòng điện i(t) xác định, không tùy thuộc vào điện áp trên hai cực của nó. 
 Biến trạng thái: Dòng điện chảy qua nguồn. Đối với một nguồn dòng lý tưởng, giá trị của
dòng điện sinh ra bởi nguồn không phụ thuộc vào giá trị của tải nối với nguồn.
 Phương trình trạng thái: i(t) = j(t)
 Ký hiệu:
(Chiều của mũi tên là chiều quy ước của dòng điện sinh ra bởi nguồn)
 Cách nối: Nguồn dòng được nối vào hai cặp đỉnh của mạch điện (tránh hở mạch nguồn dòng)
j(t)
i(t)
Nguồn lý tưởng 
(Rng = ∞)
j(t)
i(t) Rng
Nguồn thực 
(Rng < ∞)
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
9
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff
II.2. Phần tử tiêu tán - Điện trở R - Điện dẫn g.
 Hiện tượng: Khi có một dòng điện chạy qua một vật dẫn điện vật dẫn nóng lên do có sự chuyển
hóa điện năng thành nhiệt năng. Ví dụ: Bếp điện, bàn là 
 Định nghĩa: Điện trở là phần tử đo khả năng tiêu tán của vật dẫn.
 Biến trạng thái: u(t), i(t).
 Phương trình trạng thái:
 Thứ nguyên:
Đơn vị dẫn xuất: 1KΩ = 103Ω
 Phân loại: Dựa theo mối quan hệ giữa 2 biến trạng thái.
 Tuyến tính:
 Phi tuyến:
( )
( )
u t
r
i t


( )
( )
i t
g
u t


[V]
[ ]
[A]
r 
[ ]
[ ]
[ ]
A
g Si
V
R
u(t)
i(t)
 Ký hiệu:
( )
( )
u t
r const
i t
( )
( )
i t
g const
u t
( , )r R u i ( , )g G u i 
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
10
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff
II.3. Kho điện - Điện dung C.
 Hiện tượng: Xét 2 vật dẫn đặt tương đối gần nhau, có bề mặt đối nhau rộng và ngăn cách nhau bởi
chân không hoặc chất điện môi. Nếu đặt lên chúng một điện áp u(t) thì trong lân cận bề mặt vật dẫn
sẽ tập trung một điện trường hình thành một kho điện.
 Định nghĩa: Điện dung C là thông số đặc trưng cho khả năng phóng - nạp điện của kho điện.
 Biến trạng thái: u(t), i(t).
 Phương trình trạng thái:
 Thứ nguyên:
Đơn vị dẫn xuất: 1µF = 10-6F 1nF = 10-9F
 Phân loại: Dựa theo mối quan hệ giữa 2 biến trạng thái.
 Tuyến tính:
 Phi tuyến:
( ) ( )
( ) .
dq t q u t
i t
dt u t
 
 
( )
( )
du t
i t C
dt
1
( ) ( )u t i t dt
C
[Culon]
[ ]
[V]
C F 
 Ký hiệu:
C
u(t)
i(t)
q
C const
u
( , )C C q u 
21. . . .
2
E
q
dw u dq u du C du
u


 Năng lượng:
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
11
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff
II.4. Kho từ - Điện cảm L - Hỗ cảm M.
 Hiện tượng: Khi một dây dẫn hoặc một cuộn dây có dòng điện i(t) chảy qua trong vùng lân cận
của vật dẫn tập trung một từ trường (kho từ).
 Định nghĩa: Điện cảm L là thông số đặc trưng cho khả năng tích lũy năng lượng từ trường cuộn dây
 Biến trạng thái: u(t), i(t).
 Phương trình trạng thái:
 Thứ nguyên:
Đơn vị dẫn xuất: 1mH = 10-3H
 Phân loại: Dựa theo mối quan hệ giữa 2 biến trạng thái.
 Tuyến tính:
 Phi tuyến:
( ) .
d i
u t
dt i t
  
 
( )
( ) .
di t
u t L
dt
1
( ) ( ).i t u t dt
L
[Wb]
[ ]
[A]
L H 
L const
i

( , )L L i  
L
u(t)
i(t)
 Ký hiệu:
21. . . .
2
Ldw i d i di L di
i




 Năng lượng:
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
12
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff
II.4. Kho từ - Điện cảm L - Hỗ cảm M.
 Hiện tượng tự cảm:
i(t)
L
utc(t)
 Xét một cuộn dây L, có dòng điện biến thiên i(t).
 Theo luật Lenx: Dòng điện i(t) sinh ra từ thông ψ(t) 
biến thiên có chiều chống lại sự biến thiên của dòng điện 
sinh ra nó (chiều của từ thông được xác định theo quy tắc 
vặn nút chai).
 Từ thông biến thiên sinh ra một sức điện động tự cảm utc(t) trên cuộn dây.
( )
( )tc
d di t
u t L
dt dt

 Ngược lại, xét một cuộn dây L, và tồn tại một từ thông
ψ(t) móc vòng qua cuộn dây.
i(t)
L
 Nếu mạch kín, từ thống ψ(t) sẽ sinh ra một dòng điện tự cảm itc(t) biến thiên có chiều chống lại
sự biến thiên của từ thông sinh ra nó (chiều của dòng điện tự cảm được xác định theo quy tắc vặn
nút chai)
Ψ(t)
Ψ(t)
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
13
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff
II.4. Kho từ - Điện cảm L - Hỗ cảm M.
 Hiện tượng hỗ cảm:
1
11 1
( )
( ) .
di t
u t L
dt
i1(t)
L1 L2
Ψ21(t)
Ψ11(t)
u11(t) u21(t)
 Xét 2 cuộn dây L1 và L2 đặt đủ gần nhau trong không gian, cuộn dây L1 có dòng điện biến
thiên i1(t).
 Theo luật cảm ứng điện từ: i1(t) sinh ra từ thông ψ11(t) biến thiên móc vòng qua các vòng dây
của cuộn L1 sinh ra điện áp tự cảm u11(t).
 Do L2 đặt đủ gần L1, có một phần từ thông ψ21(t) móc vòng qua các cuộn dây L2 sinh ra sức
điện động cảm ứng u21(t).
21 21 1 1
21 21
1
( ) . .
d di di
u t M
dt i dt dt
 

M21: hệ số hỗ cảm của cuộn L2 do i1 gây ra
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
14
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff
II.4. Kho từ - Điện cảm L - Hỗ cảm M.
 Hiện tượng hỗ cảm:
Ψ12(t)
i1(t)
L1 L2
Ψ21(t)
u11(t) u21(t)
Ψ11(t) Ψ22(t)
i2(t)
u22(t)u12(t)
u1(t) u2(t)
2
22 2
( )
( ) .
di t
u t L
dt
 Tương tự, nếu trong cuộn dây L2 có dòng điện biến thiên i2(t) chạy qua sinh ra từ thông
ψ22(t) biến thiên móc vòng qua các vòng dây của L2 sinh ra điện áp cảm ứng u22(t)
 Một phần của nó ψ12(t) móc vòng qua các vòng dây của cuộn dây L1 sinh ra sức điện động
cảm ứng u12(t) trên cuộn L1
12 12 2 2
12 12
2
( ) . .
d di di
u t M
dt i dt dt
 

M12: hệ số hỗ cảm của cuộn L1 do i2 gây ra
 Điện áp tổng trên 2 cuộn dây:
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
12 21 1 2. .M M k L L 
k: hệ số quan hệ không
gian giữa L1 và L2
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
15
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff
II.4. Kho từ - Điện cảm L - Hỗ cảm M.
 Cực tính của cuộn dây:
Thực tế, các cuộn dây không có cực tính, tuy nhiên để xác định được chiều của các điện áp tự
cảm và hỗ cảm, người ta đưa vào khái niệm cực tính của cuộn dây.
Trong không gian, việc xác định chiều của từ thông được thực hiện theo quy tắc vặn nút chai: 
Nếu biết chiều của dòng điện so với vị trí của cuộn dây (chảy qua cuộn dây theo chiều thuận hay 
ngược kim đồng hồ) thì ta sẽ xác định được chiều điện áp cảm ứng.
Khi mô hình hóa cuộn dây trong sơ đồ mạch Kirchhoff, chúng ta mất đi thông tin về không
gian (chiều quấn của cuộn dây) để xác định được chiều điện áp hay từ thông, người ta dùng
dấu * để đánh dấu. Vậy ta sẽ biết được chiều của dòng điện so với vị trí của cuộn dây (chảy từ cực
có * sang cực kia hoặc ngược lại). Chiều điện áp tự cảm và điện áp hỗ cảm sẽ luôn cùng chiều
với chiều của dòng điện sinh ra nó.
i1(t) i2(t)
L1 L2
**
M
u12(t)
u2(t)
u21(t)u11(t)
u1(t)
u22(t)
Ví dụ 1: Xét 2 cuộn dây L1 và L2 đặt cạnh nhau, giữa chúng có hỗ cảm M12 = M21 = M. Tính u1(t), u2(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
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
16
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff
II.4. Kho từ - Điện cảm L - Hỗ cảm M.
Ví dụ 2: Tính điện áp trên 2 cuộn dây L1 và L2 trong các trường hợp sau.
i(t)
L1 L2
**
M
u(t) = ???
i1(t)
L2
*L1
* M
u
(t) =
 ?
?
?
i2(t)
i1(t)
L1 L2
**
M12
u3(t) = ???
L3
*
i3(t)
i2(t)
M12 M23
u2(t) = ???u1(t) = ???
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
17
CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN 1
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff
I. Khái niệm về mô hình trường - mô hình hệ thống.
II. Các hiện tượng cơ bản trong mô hình mạch Kirchhoff.
III. Các luật cơ bản trong mô hình mạch Kirchhoff.
III.1. Luật Ohm.
III.2. Luật Kirchhoff 1 & 2.
III.3. Luật cân bằng công suất.
IV. Nội dung bài toán mạch.
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
18
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff
III.1. Luật Ohm.
 Phát biểu: Luật Ohm biểu diễn mối quan hệ giữa hai biến trạng thái dòng điện và điện áp trên cùng
một nhánh.
 Số phương trình: Mạch Kirchhoff có n nhánh Có (n) phương trình luật Ohm.
uAB(t)
LR Ci(t)
A B
uCuLuR
( ) . ( )Ru t R i t 
( )
( )L
di t
u t L
dt
1
( ) ( ).Cu t i t dt
C
Ví dụ 1: Xét mạch điện nối tiếp như hình vẽ. Viết phương trình quan hệ dòng - áp.
1
( ) ( ) ( ) ( ) . ( )
AB
AB R L C
Z
d
u t u t u t u t R L dt i t
dt C
ZAB BA
uAB(t)
i(t)
1
( ) . ( )
1
AB
AB
Y
i t u t
d
R L dt
dt C
 ZAB: Tổng trở tương đương của nhánh AB
YAB: Tổng dẫn tương đương của nhánh AB
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
19
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff
III.1. Luật Ohm.
Ví dụ 2: Xét mạch điện song song như hình vẽ. Viết phương trình quan hệ dòng - áp.
iCiL
ig
uAB(t) Lg C
A
B
i(t)
( ) . ( )g ABi t g u t 
1
( ) ( ).L ABi t u t dt
L
( )
( ) . ABC
du t
i t C
dt
1
( ) ( ) ( ) ( ) . ( )
AB
g L C AB
Y
d
i t i t i t i t g dt C u t
L dt
1
( ) . ( )
1
AB
AB
Z
u t i t
d
g dt C
L dt
YAB
B
A
uAB(t)
i(t)
ZAB: Tổng trở tương đương của nhánh AB
YAB: Tổng dẫn tương đương của nhánh AB
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
20
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff
III.2. Luật Kirchhoff 1 và Kirchhoff 2.
 Luật Kirchhoff 1: Tổng các dòng điện tại một nút bằng không, với quy ước:
 Dòng điện đi vào nút mang dấu âm.
 Dòng điện đi ra nút mang dấu dương.
 Luật Kirchhoff 2: Tổng điện áp rơi trong một vòng kín bằng tổng các nguồn áp có trong vòng kín
ấy, với quy ước:
 Điện áp (nguồn áp) cùng chiều với chiều của vòng kín thì mang dấu dương
 Điện áp (nguồn áp) ngược chiều với chiều của vòng kín thì mang dấu âm.
( ) 0k
nut
i t 
( ) ( )k k
vong vong
u t e t  
 Chú ý: Mạch Kirchhoff có (n) nhánh và (d) đỉnh Số phương trình đủ cho:
 Luật Kirchhoff 1: (d - 1) phương trình.
 Luật Kirchhoff 2: (n - d +1) phương trình.
 Tổng: (n) phương trình đủ số phương trình để giải và tính mạch Kirchhoff có (n) nhánh.
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
21
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff
III.2. Luật Kirchhoff 1 và Kirchhoff 2.
Ví dụ: Lập phương trình mạch theo luật Kirchhoff 1 và 2 cho mạch điện sau.
e3(t)
j4(t)
L3
C3
i3(t)
i1(t)
e1(t)
C1L1R1 R4
C2
R2
i2(t)
i4(t)
L2
Số đỉnh: d = 3. Số nhánh: n = 4
Số pt luật Ohm: n = 4 pt
Số pt luật K1: d - 1 = 2 pt.
Số pt luật K2: n - d + 1 = 2 pt
2n pt ↔ 2n biến (inh, unh)
Phương trình luật Ohm:
1 1 1 1
1
1
( ) ( ). ( )
d
u t R L dt i t
dt C
 2 2 2 2
2
1
( ) ( ). ( )
d
u t R L dt i t
dt C
3 3 3
3
1
( ) ( ). ( )
d
u t L dt i t
dt C
 4 4 4( ) . ( )u t R i t 
Phương trình luật Kirchhoff 1:
1 2 4 4( ) ( ) ( ) ( ) 0i t i t i t j t 3 4 4( ) ( ) ( ) 0i t i t j t 
Phương trình luật Kirchhoff 2:
1 2 1( ) ( ) ( )u t u t e t 
2 3 4 3( ) ( ) ( ) ( )u t u t u t e t 
Chọn biến là dòng các nhánh:
1 2 4 4
3 4 4
1 1 1 2 2 2 1
1 2
2 2 2 3 3 4 4 3
2 3
0
0
1 1
( ). ( ). ( )
1 1
( ). ( ). . ( )
i i i j
i i j
d d
R L dt i R L dt i e t
dt C dt C
d d
R L dt i L dt i R i e t
dt C dt C
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
22
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff
III.3. Luật cân bằng công suất.
 Phát biểu: Tổng công suất trong một hệ cô lập bằng không.
( ) 0k
hekin
p t 
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
23
CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN 1
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff
I. Khái niệm về mô hình trường - mô hình hệ thống.
II. Các hiện tượng cơ bản trong mô hình mạch Kirchhoff.
III. Các luật cơ bản trong mô hình mạch Kirchhoff.
IV. Nội dung bài toán mạch.
Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010
24
Chương 1: Khái niệm về mô hình mạch Kirchhoff
V. Nội dung bài toán mạch.
 Sơ đồ mạch Kirchhoff mô tả với các biến nhánh cùng các luật K1, K2 và luật Ohm mở rộng được
sử dụng nhằm nghiên cứu các quá trình năng lượng trên các thiết bị điện.
 Có hai loại bài toán mạch:
 Bài toán tổng hợp: Là bài toán cho biết tính quy luật của quan hệ giữa các tín hiệu dòng, áp
hoặc cho biết những nghiệm dòng, áp cần có ứng với những kích thích cụ thể. Yêu cầu cần lập
phương trình của hệ hoặc lập sơ đồ mạch với kết cấu và thông số cụ thể cho phép thực hiện
được những quy luật đó.
 Bài toán phân tích mạch: Là bài toán cho một thiết bị điện hoặc sơ đồ mạch của nó với kết
cấu và thông số đã biết, cần lập phương trình mạch, dựa vào đó khảo sát các hiện tượng và
quan hệ giữa các biến hoặc tìm lời giải về một số biến, dòng áp cụ thể. Bài toán phân tích liên
quan tới việc khảo sát định tính, định lượng một hệ phương trình vi tích phân hoặc giải nghiệm
cụ thể.
 Chương trình học này chú trọng xét bài toán phân tích và chỉ nêu sơ lược về bài toán tổng hợp.