Bài giảng Trường điện từ - Chương 5: Lý thuyết và ứng dụng của đường dây
Đường dây với nguồn điều hòa
Với tác động điều hòa
Ứng dụng trong hệ thống năng lượng và viễn thông .
Chỉ khảo sát với mô hình đường dây không tổn hao .
Tính toán các thông số đdây
Đường dây không tổn hao, chiều dài 100m, làm việc ở tần số 100
kHz,có các thông số đơn vị : L0 = 0,2772 µH/m và C0 = 0,18 nF/m.
Xác định vp, β và Z0 của đường dây ?
Dùng hệ pt nghiệm đdây
Mạch chứa đường dây không tổn
hao, biết Ů2 = 30 0o(V), Z2 = 45
và tần số làm việc 1 MHz. Xác
định điện áp đầu đường dây ?
Trang 1
Trang 2
Trang 3
Trang 4
Trang 5
Trang 6
Trang 7
Trang 8
Trang 9
Trang 10
Tải về để xem bản đầy đủ
Bạn đang xem 10 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Trường điện từ - Chương 5: Lý thuyết và ứng dụng của đường dây", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
Tóm tắt nội dung tài liệu: Bài giảng Trường điện từ - Chương 5: Lý thuyết và ứng dụng của đường dây
phức thì y ≠ 0 (ta có thể xác định). EM-Ch5 37 b) Mạch vòng đơn: 1in bY Y Y Xác định x và y từ: Sẽ có 2 nghiệm (của x và y) . Ta có thể chọn sao cho 0 < x < /2 . Z0 Z0 Z2 x y Z0 Y1 Yb 0 2 0 0 0 2 0 ( )1 1 ( ) ( ) Z jZ tg x j Z Z tg y Z Z jZ tg x Mạch vòng đơn EM-Ch5 38 VD 5.2.6: Hoà hợp đường dây Giải Các đường dây không tổn hao cách điện không khí, làm việc ở tần số 50 MHz và Z2 = 150 . Tìm trở kháng đặc tính Z0 và chiều dài đường dây biến áp để không có phản xạ trên đường dây Z01? /4 3 m + _ Em Zn Z2 Z01 = 300 Z0 Z02 = 150 15 m 8 6 3.10 6 ( ) 50.10 m Bước sóng: Trở kháng đặc tính của đường dây biến áp: 0Z 300.150 212,1 Chiều dài đường dây biến áp là 1,5 m. EM-Ch5 39 5.2.5: Sóng đứng Như ta đã biết, áp và dòng tại một điểm bất kỳ trên đường dây là sự xếp chồng của sóng tới và phản xạ tại điểm đó. + jβd j2βd 2 2 + jβd j2βd 2 2 U( ) U 1 I( ) I 1 d e e d e e Quá trình này làm xuất hiện các điểm có biên độ áp hay dòng rất lớn hoặc rất bé, và qui luật đó không thay đổi theo thời gian (có nghĩa đứng yên). Hiện tượng này gọi là hiện tượng sóng đứng trên đường dây. Đây là hiện tượng vật lý tự nhiên của đường dây khi truyền đi tín hiệu điều hòa. EM-Ch5 40 a) Biên độ áp – dòng trên đường dây: + 2 2 2 2U U 1 2 cos( 2 )d + 2 2 2 2I I 1 2 cos( 2 )d U I U 2 U 1 I 1 I 2 d d ℓ ℓ EM-Ch5 41 b) Các giá trị cực đại & cực tiểu: U I U2 U1 I1 I2 d d ℓ ℓ + max 2 2U U (1 ) + min 2 2U U (1 ) max max 0I U Z min min 0I U Z min min maxZ U I max max minZ U I EM-Ch5 42 c) Vị trí các điểm cực đại – cực tiểu: U I U 2 U 1 I 1 I 2 d d ℓ ℓ maxcos( 2 ) 1d mincos( 2 ) 1d Cực đại: max2 0, 2 ..d maxd 2 2 k Cực tiểu: min2 , 3 ..d mind 2 4 2 k Chọn k thỏa: 0 dmax,dmin ℓ. Có nhiều giá trị dmax và dmin . 1 mind 1 maxd 2 maxd EM-Ch5 43 d) Hệ số sóng đứng: max max 2 min min 2 U I 1 SWR U I 1 2 SWR 1 SWR 1 EM-Ch5 44 e) Biểu đồ sóng đứng: /2 line: U1 = U2 : ổn áp. max-min = /4 max-max = /2 /4 line : đầu max cuối min . d d R2 > Z0: cuối là max áp. R2 < Z0: cuối là min áp. EM-Ch5 45 VD 5.2.7: Hiện tượng sóng đứng Z0 Z2 ℓ = 1,25 + _ Zn Vẽ dạng phân bố điện áp trên đường dây không tổn hao, dài bằng 1,25 bước sóng. Nguồn áp có biên độ sđđ 100 V, Zn = 50 + j50 [ ] , trở kháng sóng Z0 = 100 [ ] , tải cuối đường dây Z2 = 200 [ ]. Giải Trở kháng vào: 2100 50( ) 200 inZ Tính I1, U1, U + 1 , 2 , Umax, Umin. Tải trở Z2 > Z0 : cuối đường dây là điểm max điện áp . EM-Ch5 46 VD 5.2.7: Hiện tượng sóng đứng EM-Ch5 47 f) Thiết bị đo sóng đứng (VSWR Meter) Là một cáp đồng trục có Z0 đã biết, dài 1m hay , bên ngoài có khắc vạch vị trí. Một probe trở kháng cao, có thể trượt dọc cáp, lấy tín hiệu áp đưa đến bộ chỉ thị. EM-Ch5 48 Đo tải đường dây dùng VSWR meter: 2 SWR 1 SWR 1 1 min 4 θ d λ 1. Cho ngắn mạch tải: 2. Cho tải ZL : Đo: dmin 1 vaø SWR 2 L 0 2 1 θ Z Z ( ) 1 θ EM-Ch5 49 VD 5.2.8: Thiết bị đo sóng đứng Giải Đường dây không tổn hao, trở kháng đặc tính 50 , tải Z2. Biết hệ số sóng đứng trên đường dây là 3, khoảng cách giữa 2 điểm cực tiểu liên tiếp là 20cm và điểm cực tiểu áp đầu tiên cách tải 5 cm. Xác định: (a) Hệ số phản xạ tại cuối đường dây ? (b) Giá trị tải Z2 ? Z0 Z2 ℓ + _ Zn Ė a) Hệ số phản xạ: 2 3 1 0,5 ; 3 1 4 θ 5 90 2.20 o 2 0,5 90 o b) Tải cuối đdây: 2 1 0,5 90 Z 50 30 j40 ( ) 1 0,5 90 o o EM-Ch5 50 VD 5.2.9: Biểu đồ sóng đứng Giải z=0 z=1m Biểu đồ sóng đứng trên đường dây không tổn hao như hình bên. a) Tính SWR, và f ? b) Xác định ZL ? EM-Ch5 51 VD 5.2.9: Biểu đồ sóng đứng (tt) Giải z=0 z=1m a) Tính SWR, và f : max min U 5 U 3 SWR 2(0,684 0, 284) 0,8m 810 0,8 f 125 MHz EM-Ch5 52 VD 5.2.9: Biểu đồ sóng đứng (tt) z=0 z=1m b) Tải cuối đường dây: 2 5/3 1 0,25 ; 5/3 1 4 θ (1 0,684) 104,4 2.0,4 o 2 0,25 104,4 o L 1 0,25 104,4 Z 50 1 0,25 104,4 39,5 j20,4 ( ) o o EM-Ch5 53 5.2.6 Công suất trên đường dây KTH: 111 1 Re 2 P U I 222 1 Re 2 P U I Công suất tại đầu, cuối đường dây: Z2 Z0; ℓ + _ Zn Em 1 2 P1 P2 Do đường dây không tổn hao nên: P1 = P2 P = 0 Công suất trung bình tại z: 1 Re U I 2 zP EM-Ch5 54 Công suất tới và phản xạ : P+ P- Z2 Z0; ℓ + _ Zn Em 1 2 P1 P2 + - dP P P Công suất tại một điểm là xếp chồng của công suất sóng tới và sóng phản xạ: P+ = 1 2 (U+) 2 Z0 P- = 1 2 (U-) 2 Z0 EM-Ch5 55 VD 5.2.10: Công suất trên đường dây Giải Đường dây không tổn hao, chiều dài 50cm, bước sóng làm việc λ = 100cm, có các thông số đơn vị : L0 = 0,17 µH/m và C0 = 70 pF/m. Biết Z2 = 50 + j20 , Zn = 50 và Ė = 10 0 o (V). Xác định: (a) Tần số tín hiệu trên đường dây ? (b) Áp dòng tại đầu và cuối đường dây ? (c) Công suất phức phát ra của nguồn, nhận tại cuối đường dây và hiệu suất của hệ ? Z0 Z2 ℓ + _ Zn Ė 6 0 0 12 0 0,17.10 Z 49,3 ( ) 70.10 L C 6 12 8 p 0 0v 1/ 1/ 0,17.10 .70.10 2,899.10 (m/s)L C a) Tính Z0 , vp và f : 8 pf v /λ 2,899.10 /1 290 MHz EM-Ch5 56 VD 5.2.10: Công suất trên đường dây (tt) Z0 Z2 ℓ + _ Zn Ė b) Tính trở kháng vào: đường dây bán sóng nên: in 2Z 50 j20 Z Suy ra: 1 10 0 I 98 11,3 (mA) 50 50 j20 o o o 1 in 1U Z I 5, 28 10,5 (V) Góc điện :βℓ = (2π/λ)ℓ = π = 180o. o 2 1 0 1U U cos(β ) jZ I sin(β ) 5,28 190,5 (V) 1 2 1 0 U I j sin(β ) I cos(β ) 98 168,7 (mA) Z o EM-Ch5 57 VD 5.2.10: Công suất trên đường dây (tt) Z0 Z2 ℓ + _ Zn Ė c) Công suất phức phát ra bởi nguồn và công suất phức nhận tại cuối đường dây: 1 1 o o E 12 2 S E.I 10 0 .0,098 11,3 0,48 j0,096 VA 1 1 o o 2 2 22 2 S U .I 5,28 190,5 .0,098 168,7 0,24 j0,096 VA Hiệu suất của hệ: 0,24 50% 0,48 EM-Ch5 58 VD 5.2.11: Công suất trên đường dây a) Tách Z2 khỏi mạch : Giải Đường dây không tổn hao, chiều dài ℓ = λ/4, trở kháng đặc tính Z0 = 75Ω. Biết Zn = 50 và Ė = 30 0 o (V). Z0 = 75Ω Z2 ℓ + _ Zn Ė 2 2’ Xác định: (a) Sơ đồ tương đương Thevenin cho phần mạch bên trái 2-2’ ? (b) Trở kháng Z2 để nó nhận công suất cực đại ? Cho biết giá trị Pmax ? (c) So sánh với trường hợp hòa hợp đường dây ? Z0 λ/4 + _ Zn Ė 2 2’ Ů1 + _ ŮOC + _ Xác định Ůoc : đường dây λ/4 hở mạch cuối có trở kháng vào: 2 0 2 Z in Z Z 0 30 0 1 50 I 0,6 0 (A) o o 1U 0 EM-Ch5 59 VD 5.2.11: Công suất trên đường dây (tt) Trở kháng Thevenin: Góc điện :βℓ = (2π/λ)ℓ = π/2 = 90o. o OC 1 0 1U U cos(β ) jZ I sin(β ) 45 90 (V) Z0 λ/4 Zn 2 2’ Zth 275 th 50 Z 112,5 b) Để nhận Pmax : 2Z 112,5 21 45 max 8 112,5 P 2,25 W Z2 + _ Zth Ůoc 2 2’ EM-Ch5 60 VD 5.2.11: Công suất trên đường dây (tt) c) Trường hợp hòa hợp đường dây: 1 2 2 1 1 in2 P P I Re{Z } 2,16 W Z0 = 75Ω Z0 ℓ + _ Zn Ė 2 2’ in 0Z Z 75 30 0 1 50+75 I 0,24 0 (A) o o Công suất nhận trên tải cuối đường dây: EM-Ch5 61 5.3 Đường dây với nguồn xung Đường dây tác động với nguồn xung Ứng dụng trong điện tử số vàmáy tính . Chỉ khảo sát với mô hình đường dây không tổn hao . Miền thời gian EM-Ch5 62 5.3.1 Đường dây tải thuần trở : S t = 0 Rg Eg Z0 , vp RL z = 0 z = ℓ 0 0 0 L Z C p 0 0 r r 1 c v μ εL C p Timedelay T v Mạch: Đdây KTH R0 = 0 G0 = 0 Bài toán : Đường dây EM-Ch5 63 a) Xác định sóng tới (+ wave): S t = 0 Rg Eg Z0 , vp RL z = 0 z = ℓ Tại t = 0+ : đầu đường dây chỉ có sóng tới . Sơ đồ tương đương: Rg Eg Z0 z = 0 u+ i+ + - + 0 g g 0 u E R Z Z + + 0 u i Z EM-Ch5 64 b) Xác định sóng phản xạ (- wave): Z0 , vp RL z = ℓ uL iL + - L L Lu R *i L 0 L+ + L 0 u R Z u R Z i i Hệ số phản xạ tại cuối đường dây trong miền thời gian + + L 0 0 u u (u u ) R * Z Z Tại t = ℓ/vp, sóng đến cuối đường dây. Sóng phản xạ dòng: 0 u i Z EM-Ch5 65 c) Xác định sóng tới lần thứ 2(++ wave): 1 g g 1u E R *i Rg Eg Z0 , vp z = 0 u1 i1 + - ++ g 0 g g 0 R Zu u R Z Hệ số phản xạ tại đầu đường dây trong miền thời gian + ++ + ++ g g 0 0 0 u u u (u u u ) E R * Z Z Z Tại t = 2ℓ/vp, sóng về lại đầu đường dây. EM-Ch5 66 d) Áp – dòng trên đường dây tại xác lập: iSS Rg Eg RL z = 0 z = ℓ uSS + - g SS g L E i R R SS L SSu R *i EM-Ch5 67 Các tìm u+, u-, i+, i- tại xác lập : Rg V0 z = l RL z = 0 ISS I – SS ISS I – SS VSS V – SS VSS V – SS + – + – (+) (–) V SS V – SS V0 – Rg ISS I – SS B.C. at z 0 V SS V – SS RL ISS I – SS B.C. at z l I SS V SS Z0 ( ) wave I – SS – V – SS Z0 (–) wave Bốn phương trình cho 4 ẩn số: V SS , V – SS , I SS , I – SS EM-Ch5 68 VD 5.3.1: Tìm sóng tới và phản xạ 25 z = lz = 0 ISS I – SS ISS I – SS VSS V – SS VSS V – SS + – + –100 V Z0 = 50 75 Tìm u+, u-, i+, i- tại xác lập – + ++++++++ – – – – – – – – 1 A 25 100 V 75 V 75 V SS V – SS 100 – 25 I SS I – SS V SS V – SS 75 I SS I – SS I SS V SS 50 , I – SS – V – SS 50 Ta có 4 phương trình: V SS 62.5 V , V – SS 12.5 V I SS 1.25 A , I – SS – 0.25 A Giải ra: EM-Ch5 69 5.3.2 Giản đồ thời gian khoảng cách (giản đồ bounce): EM-Ch5 70 a) Ví dụ minh họa: Ngay sau khi đóng khóa : +i 1A +u 60V S t = 0 40 100V Z0 = 60 T = 1 s RL z = 0 z = ℓ 120 1/ 3L Khi sóng truyền đến cuối đdây : u & i 1/ 5S Khi sóng truyền về đầu đdây : ++ ++u & i Quá trình cứ tiếp diễn liên tục cho đến khi áp – dòng trên đdây ổn định : quá trình truyền sóng minh họa bằng giản đồ bounce. EM-Ch5 71 b) Giản đồ bounce điện áp: Ta có: S t = 0 40 100V Z0 = 60 T = 1 s RL z = 0 z = ℓ 120 1/ 3L1/ 5S z t +u 60V u 20V ++u 4V u 4/3V 0V 80V T 3T 2T 4T 60V 76V EM-Ch5 72 c) Giản đồ bounce dòng điện: Ta có: S t = 0 40 100V Z0 = 60 T = 1 s RL z = 0 z = ℓ 120 1/ 3L1/ 5S z t +i 1A i 1/3A ++i 1/15A i 1/ 45A 0A 2/3A T 3T 2T 4T 1A 9/15A EM-Ch5 73 d) Công dụng của giản đồ bounce : d1) Vẽ áp, dòng tại 1 điểm z0 theo t : z 0 t 2T 4T T 3T ℓ u ++ u - - u + u - z0 t1 t3 t2 t4 Vẽ đường // trục t , tại z0 . Xác định các thời điểm: t1, t2 Dựng đồ thị u, i(z0, t) dùng: +u u u +i i i EM-Ch5 74 VD 5.3.2: Tìm u(z0, t), i(z0, t) Đường dây không tổn hao, có Z0 = 50Ω, vp = 10 8 m/s, chiều dài ℓ = 100m. Biết e(t) = 12.u(t) V, R1 = 100Ω, R2 = 200Ω. Xác định áp và dòng tại đầu và cuối đường dây khi 0 < t < 6µs ? Giải Dựng giản đồ bounce áp: 100 50 1 1 100 50 3 8 100 10 T 1μs 200 50 3 2 200 50 5 50+ 100 50 u 12 4V 3 12 5 5 u 4 V 12 1 4 5 3 5 u V z 0 t 2µ 4µ 1µs 3µs ℓ 4/5 12/25 4 12/5 EM-Ch5 75 VD 5.3.2: Tìm u(z0, t), i(z0, t) (tt) Áp tại đầu đường dây: z 0 t 2µ 4µ 1µs 3µs ℓ 4/5 12/25 4 12/5 u1(t) 0 2 4 6 t(µs) 4V 7,2V 7,84V Áp tại cuối đường dây: u2(t) 0 1 3 5 t(µs) 6,4V 7,68V EM-Ch5 76 VD 5.3.2: Tìm u(z0, t), i(z0, t) (tt) Dựng giản đồ bounce dòng: 4+ 50 i 80mA 12/5 50 i 48mA z 0 t 2µ 4µ 1µs 3µs ℓ 4/5 12/25 4 12/5 = 50Ω z 0 t 2µ 4µ 1µs 3µs ℓ 16mA -9,6mA 80mA -48mA EM-Ch5 77 VD 5.3.2: Tìm u(z0, t), i(z0, t) (tt) = 50Ω z 0 t 2µ 4µ 1µs 3µs ℓ 16mA -9,6mA 80mA -48mA Dòng tại đầu đường dây: i1(t),mA 0 2 4 6 t(µs) 80 48 41,6 Dòng tại cuối đường dây: i2(t),mA 0 2 4 6 t(µs) 32 38,4 EM-Ch5 78 d2) Vẽ áp – dòng theo z tại t0 : Vẽ đường // trục z , tại t0 để : Giới hạn phạm vi giản đồ bounce , và xác định một vị trí z0 . Ta có: z 0 t 2T 4T T 3T ℓ u ++ u + u - t0 z0 + ++u u u u i. Khi z < z0 : +u u u i. Khi z > z0 : Vẽ đồ thị theo z EM-Ch5 79 VD 5.3.3: Tìm u(z, t0), i(z, t0) Dựng giản đồ bounce áp: 40 60 1 40 60 0,2 120 60 1 2 120 60 3 60+ 40 60 u 100 60V 1 3 u 60 20V u 4V z 0 t 2µ 4µ 1µs 3µs ℓ -4V -4/3V 60V 20V Đường dây không tổn hao, e(t) = 100.u(t) V, R1 = 40Ω, R2 = 120Ω. Xác định phân bố áp và dòng tại t0 = 2,5µs ? Giải = 60Ω, T = 1µs EM-Ch5 80 VD 5.3.3: Tìm u(z, t0), i(z, t0) (tt) Phân bố áp tại t0 = 2,5µs: = 60Ω, T = 1µs t z 0 2µ z0 1µs 2,5µs ℓ -4V 60V 20V Có z0 = ℓ/2. u(z),V 0 ℓ/2 z 80 76 ℓ EM-Ch5 81 VD 5.3.3: Tìm u(z, t0), i(z, t0) (tt) Dựng giản đồ bounce dòng: z 0 t 2µ 4µ 1µs 3µs ℓ -4V -4/3V 60V 20V = 60Ω, T = 1µs 60+ 60 i 1A 20 60 i 1/3A z 0 t 2µ 4µ 1µs 3µs ℓ -1/15A 1/45A 1A -1/3A EM-Ch5 82 VD 5.3.3: Tìm u(z, t0), i(z, t0) (tt) Phân bố dòng tại t0 = 2,5µs: = 60Ω, T = 1µs t z 0 2µ z0 1µs 2,5µs ℓ -1/15A 1A -1/3A Có z0 = ℓ/2. i(z),A 0 ℓ/2 z 2/3 3/5 ℓ EM-Ch5 83 VD 5.3.4: Khi tác động xung chữ nhật Giải Đường dây không tổn hao, e(t) = 100[u(t) – u(t – 1µs)]V, R1 = 40Ω, R2 = 120Ω. Xác định: (a) Giản đồ bounce điện áp? (b) Điện áp tại cuối đường dây ? (c) Phân bố áp tại t0 = 2,25µs ? = 60Ω, T = 1µs a) Dựng giản đồ bounce áp: Dùng xếp chồng: e(t) 100 0 1µs t = e1(t) 100 0 1µs t e2(t) -100 0 1µs t + EM-Ch5 84 VD 5.3.4: Khi tác động xung chữ nhật = 60Ω, T = 1µs Với tín hiệu e2(t), giản đồ bounce đơn giản là trễ đi 1µs và đảo dấu các giá trị sóng điện áp. 0 2 4 1 3 z = 0 z = l 1 0 2 4 0 3 80 0 60 0 16 0 16 15 – 0 – –60 –4 4 4/15 20 –20 20 –4/3 4/3 –4 4 3 – 60 V 16 3 z 1 1– 5 2 1 3 EM-Ch5 85 VD 5.3.4: Khi tác động xung chữ nhật = 60Ω, T = 1µs 0 2 4 1 3 z = 0 z = l 1 0 2 4 0 3 80 0 60 0 16 0 16 15 – 0 – –60 –4 4 4/15 20 –20 20 –4/3 4/3 –4 4 3 – 60 V 16 3 z S – 1 5 2 1 3 t, s b) Áp tại cuối đường dây: Khi 0 < t < 1µs: u2 = 0. Khi 1 < t < 2µs: u2 = 80V. Khi 2 < t < 3µs: u2 = 0. Khi 3 < t < 4µs: u2 = – 16/3 V. u2(t) V 0 1 3 5 t(µs) 80 -16/3 EM-Ch5 86 VD 5.3.4: Khi tác động xung chữ nhật = 60Ω, T = 1µs 0 2 4 1 3 z = 0 z = l 1 0 2 4 0 3 80 0 60 0 16 0 16 15 – 0 – –60 –4 4 4/15 20 –20 20 –4/3 4/3 –4 4 3 – 60 V 16 3 z S – 1 5 2 1 3 t, s c) Tại t0 = 2,25µs: đường t = t0 cắt giản đồ bounce tại 2 điểm. Có: z1 = ℓ/4 &z2 = 3ℓ/4. Khi 0 < z < z1: u(z) = 16V. z1 z2 Khi z1 < z < z2: u(z) = 20V. Khi z2 < z < ℓ: u(z) = 0. u (z) V 0 3ℓ/4 z 16 20 ℓ ℓ/4
File đính kèm:
- bai_giang_truong_dien_tu_chuong_5_ly_thuyet_va_ung_dung_cua.pdf