Upload
others
View
5
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
Trao đổi trực tuyến tại:
http://www.mientayvn.com/chat_box_li.html
Mục đích:
Chƣơng 4
NHỮNG TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐIỆN TUYẾN TÍNH
Cung cấp cho sinh viên kiến thức về các
tính chất của mạch điện tuyến tính và áp dụng
chúng để phân tích mạch điện
Yêu cầu sinh viên phải nắm đƣợc:
- Ba tính chất cơ bản của mạch điện tuyến tính:
Tính chất xếp chồng; Tính chất tuyến tính; Tính
chất tƣơng hỗ; cách áp dụng các tính chất này
để phân tích mạch điện.
- Khái niệm và cách xác định các thông số
phức trong mạch điện tuyến tính.
4.1 TÍNH CHẤT XẾP CHỒNG
(TÍNH CHỒNG CHẤT NGHIỆM)
Chƣơng 4
NHỮNG TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA
MẠCH ĐIỆN TUYẾN TÍNH
4.2 TÍNH CHẤT TUYẾN TÍNH
4.3 CÁC TH«NG SỐ PHỨC TRONG MẠCH ĐIỆN
TUYẾN TÍNH Ở CHẾ ĐỘ XÁC LẬP ĐIỀU HOÀ
4.4 TÍNH CHẤT TƢƠNG HỖ
4.1 TÍNH CHẤT XẾP CHỒNG (TÍNH CHỒNG CHẤT NGHIỆM)
4.1.1 Phát biểu
Trong mạch tuyến tÝnh dßng vµ ¸p trªn 1 nh¸nh nµo
®ã cña nhiều nguồn t¸c ®éng bằng tổng đại số c¸c
dßng vµ ¸p trªn nh¸nh ®ã do từng nguồn t¸c ®éng.
Nếu các nguồn cùng tần số thì xếp chồng ở dạng
phức, còn các nguồn khác tần số thì xếp chồng dạng
tức thời.
Chó ý: C«ng suất kh«ng cã tÝnh xếp chồng
M¹ch ®iÖn phi tuyÕn kh«ng cã tÝnh xÕp chång
4.1.2 Chứng minh
Để đơn giản ta dùng mạch điện: gồm
3 phần tử R-L-C nối tiếp và có hai nguồn
e1 và e2 đồng thời cùng tác động hình a.
R i1 i2
L
i C
L
C
e1
e2
e1L
C
e2
R R
a) b) c)
i1
= +
Ta phải chứng minh i = + i2
4.1.2 Chứng minhR
L
i C
e1
e2
a)
Phƣơng trình Kiếchốp
2 cho sơ đồ hình a:
diL
dtRi +
1idt
C+ = e1 + e2
(a)
Ta đã biết nghiệm của phƣơng trình vi
phân tuyến tính dạng (a) có tính chất xếp
chồng với các nguồn - tức là nếu i1 và i2
lần lƣợt nghiệm đúng phƣơng trình với
vế phải là mỗi hàm e1, e2 riêng rẽ thì
nghiệm của phƣơng trình với vế phải là
tổng của (e1+e2 ) sẽ bằng tổng (i1+i2).
1diL
dtRi1 + (b) 1
1i dt
C = e1
Thật vậy: nếu i1 và i2 lần lƣợt nghiệm đúng:
2diL
dtRi2 + = e2 2
1i dt
C (c)
Cộng từng vế (b) và (c) ta đƣợc:
= e1+ e2
)1 2d(i + iL
dtR(i1 +i2) + 1 2
1(i + i )dt
C (d)
So sánh (d) và (a)
diL
dtRi +
1idt
C+ = e1 + e2
(a)
= e1+ e2
)1 2d(i + iL
dtR(i1 +i2) + 1 2
1(i + i )dt
C (d)
ta rút ra: i = i1 + i2
Chứng minh tính chất xếp chồng cho các
đáp ứng điện áp khác nhƣ ur; uL; uC: tự đọc
* Chú ý:
- Công suất không có tính xếp chồng vì
nó tỷ lệ bậc 2 với dòng điện:
p = Ri2 2
1 2R(i +i )
- Mạch phi tuyến không có tính chất
xếp chồng.
- Cách loại bỏ nguồn: với nguồn điện áp
cắt bỏ đi, đoạn cắt bỏ đƣợc nối ngắn
mạch; với nguồn dòng điện cắt bỏ hẳn.
a)
Z1 Z2
Z3
1E
I1 I3 I2
VÝ dụ:
J
Jb) c)
I11I31 I21
Z1 Z2
Z3Z3
Z1 Z2
1E
I12 I32 I22
= +
J
J
NÕu kh¸c ω th×:
I I I I I I I I I 1 11 12 2 22 21 3 31 32; + ; += - = =
NÕu cïng ω th×: J 1E ,
i1= i11- i12; i2= i22+ i21; i3= i31+ i32
J 1E ,
4.1.3 Ứng dụng tính chất xếp chồng để
phân tích mạch điện- Việc ứng dụng tính chất xếp chồng để
phân tích (giải) mạch điện gọi là phƣơng
pháp xếp chồng.
- Phƣơng pháp này ứng dụng trong việc phân
tích mạch điện tuyến tính khi mà việc phân
tích mạch dƣới tác dụng của mỗi nguồn riêng
rẽ đơn giản hơn việc phân tích mạch dƣới tác
dụng đồng thời của nhiều nguồn, trƣờng hợp
mạch có nhiều nguồn không cùng tần số
(nguồn không sin) tác động và mạch 3 pha.
- Nội dung phƣơng pháp: xét đáp ứng với
từng nguồn tác động riêng rẽ sau đó xếp
chồng các kết quả đó lại.
a. Trƣờng hợp trong mạch có nhiều
nguồn cùng tần số đồng thời cùng tác
động: khi cho từng nguồn tác dụng riêng
rẽ ta dùng số phức để tính các đáp ứng
và dùng số phức để xếp chồng kết quả.
b. Trƣờng hợp trong mạch có nhiều
nguồn cùng tác động nhƣng các
nguồn không cùng tần số: khi cho
từng nguồn tác dụng riêng rẽ ta dùng
số phức để tính các đáp ứng, nhƣng
khi xếp chồng kết quả phải xếp chồng
dƣới dạng tức thời (ta xét kỹ trƣờng
hợp này tại chƣơng 7).
Ví dụ : Tính dòng điện trong các nhánh
của mạch điện sau bằng phƣơng pháp
xếp chồng?
Z1 Z2
Z31E
2E
1I
3I
2I
Z1 Z2
Z31E
2E
11I
31I
21I
Z1 Z2
Z3 2E
1E
22I
31I
12I
+
Z1
Z2Z31E
11I
31I
21I
1E
2ECho nguồn tác động riêng, cho bằng số 0
11I =
21I =
31I =
1
2 31
2 3
E
Z .ZZ +
Z + Z
1
1 23
E=
Z + Z
2311
2
ZI =
Z
311
2 3
ZI .
Z + Z
211
2 3
ZI .
Z + Z
2E
1ECho nguồn tác động riêng, cho bằng số 0
Z1
Z2
Z3 2E
22I
31I
12I
22I =
12I =
31I =
2
1 32
1 3
E
Z .ZZ +
Z + Z
2
2 13
E=
Z + Z
322
1 3
ZI .
Z + Z
122
1 3
ZI .
Z + Z
Xếp chồng kết quả ta đƣợc dòng trong các
nhánh do cả 2 nguồn đồng thời sinh ra
Z1 Z2
Z31E
2E
1I
3I
2I
Z1
Z2
Z3 2E
31I
12I
Z1
Z2Z31E
11I
31I
21I
22I
1 11 12I =I - I
2 22 21I =I - I
3 31 32I =I + I
4.2 TÍNH CHẤT TUYẾN TÍNH
4.2.1 Định nghĩa 2 đại lƣợng tuyến tính
Hai lƣợng x(t), y(t) của một hệ thống
đƣợc gọi là có quan hệ tuyến tính với nhau
nếu chúng liên hệ nhau bởi phƣơng trình
vi phân tuyến tính có dạng tổng quát:
n n-1
n n-1 0n n-1
d x d xa + a + ... + a x =
dt dt
m m-1
m m-1 0m m-1
a y d y= b + b + ... + b y
dt dt(4.1)
Trong đó: các hệ số a0 . . . an; b0 . . . bm là
những hằng số hoặc hàm thời gian.
Trong giáo trình ta chỉ xét khi chúng là
hằng số, lúc đó ta có phƣơng trình vi
phân tuyến tính hệ số hằng.
Nếu x(t), y(t) là những hàm điều hoà ta có
thể biểu diễn quan hệ tuyến tính trên dƣới
dạng số phức:
n n-1
n n-1 0a jω +a jω + ... +a X =
m m-1m m-1 0= b (jω) +b (jω) + ... + b Y
AX = BY
BX = Y
A X = KYhay
và quan hệ tuyến tính với nhau qua
hệ số phức K gọi là hệ số truyền đạt.
X Y
(4.2)
AX = BY
4.2.2 Quan hệ tuyến tính giữa các
lƣợng trong mạch điện tuyến tính
a. Trong mạch có một nguồn tác động
+ Phát biểu: trong mạch điện tuyến
tính có một nguồn kích thích duy nhất tác
động, đáp ứng dòng điện hoặc điện áp trên
mọi phần tử đều liên hệ tuyến tính với
nguồn kích thích và với các đáp ứng khác
tức là giữa chúng lấy quan hệ đôi một luôn
có quan hệ dạng X = KY
+ Chứng minh: xét mạch đơn giản hình 4.3LRi
Ce
Hình 4.3
-Phƣơng trình Kiếchôp 2
cho mạch:
Ri + Li’ + 1
idtC
= e (1)
*(1) có dạng giống (4.1) cho ta quan hệ
tuyến tính giữa đáp ứng là dòng điện i
với kích thích là e.
- Đạo hàm 2 vế (1): Ri’ + L i’’ + = e’ (2)i
C
thay i = uR/R vào (2) ta đƣợc:
(2),, , ,R R R
L 1u +u + u =e
R RC
*(2) cho ta quan hệ tuyến tính giữa đáp
ứng là điện áp uR với kích thích là e.
- Thay vào (1):,Ci=Cu {Ri + Li’ +
1idt
C= e} (1)
LC + RC + uC = e,,Cu ,
Cu (3)
*(3) cho ta quan hệ tuyến tính giữa đáp
ứng là điện áp uC với kích thích là e.
* Cân bằng (1) với (3) cho ta quan hệ
tuyến tính giữa đáp ứng dòng điện i với
đáp ứng điện áp uC:
+ Biểu diễn dạng phức của các quan
hệ tuyến tính trên:
- Nếu kích thích e và các đáp ứng
dòng điện hoặc điện áp có dạng sin ta
biểu diễn đƣợc quan hệ tuyến tính giữa
mọi lƣợng đáp ứng với nhau và với
kích thích dƣới dạng (4.2):
E,J X = KY
= KE ¦ = KJ ¦
1 2 ¦ = A ¦
hoặc
và(4.3)
(a)
(b)
Ví dụ:
- Chuyển về dạng phức:{Ri + Li’ + 1
idtC
= e} (1)
1(R + jωL- j )I = E
ωC
L C{R+ j(x - x )}I = E
ZI = EE
I = = KEZ
cho ta quan hệ = KE ¦
b. Trong mạch có nhiều nguồn:
+ Trong mạch có nhiều nguồn hình sin
cùng tần số: Theo tính chất xếp chồng
các đáp ứng, mỗi đáp ứng sẽ gồm
những thành phần ứng với mỗi nguồn
tác dụng riêng rẽ, nói khác đi nó liên hệ
tuyến tính với tất cả các nguồn:
1 1 2 2 k kn n K E + K E + .... + K E + ... = K E¦= (4.4)
+ Trong mạch có nhiều nguồn hình sin
cùng tần số nhƣng có 1 nguồn có khả
năng biến đổi đƣợc (trị số hoặc góc pha)
còn các nguồn khác đều không đổi, ta
chứng minh đƣợc rằng mỗi đáp ứng bất
kỳ đều liên hệ tuyến tính với ít nhất 1
lƣợng khác theo dạng:
X
Y
X=AY+B (4.4)
+ Trong mạch có nhiều nguồn hình sin
cùng tần số nhƣng có 2 nguồn có khả
năng biến đổi đƣợc (trị số hoặc góc pha)
còn các nguồn khác đều không đổi, ta
chứng minh đƣợc rằng mỗi đáp ứng bất
kỳ đều liên hệ tuyến tính với ít nhất 2
lƣợng và khác theo dạng:
X
Y
X=AY+BZ + C
Z
(4.5)
Một máy phát điện một
chiều nối với tải Rt cố định hình
4.4. Làm thí nghiệm ta đo đƣợc
các giá trị quan hệ giữa điện áp U
và dòng điện I nhƣ sau:
c. Ứng dụng
Áp dụng tính chất tuyến tính để tính các đáp
ứng dòng điện, điện áp hoặc để tìm quan hệ giữa
2 hay 3 lƣợng bất kỳ trong mạch.
U
Rt
I
Hình 4.4
MP
Ví dụ
- Khi U = 118V thì I = 4A
- Khi U = 116V thì I = 2A.
- Tìm quan hệ tuyến tính giữa áp U và dòng điện I?
- Hỏi điện áp U bằng bao nhiêu để có I = 2,5A
- Đây là bài toán có một phần tử biên
động, áp dụng ta viết đƣợc
quan hệ tuyến tính giữa dòng điện và điện
áp dƣới dạng:
X=AY+B
Giải:
I = AU + B (a)
2 = A .116 + B
4 = A .118 + B
Giải ra ta đƣợc: A = 1s; B = -114A,
thay vào (a) ta có quan hệ tuyến tính giữa
điện áp U và dòng điện I: I = U -114
Để có I = 2,5A, điện áp: U = 2,5 + 114 = 116,5V
4.3 CÁC THÔNG SỐ PHỨC TRONG MẠCH ĐIỆN
TUYẾN TÍNH Ở CHẾ ĐỘ XÁC LẬP ĐIỀU HOÀ
4.3.1 Tổng trở vào Zkk, tổng dẫn vào Ykk
a. Khái niệm
kkU
Hình 4.5
kI
Giả sử trong mạch điện hình 4.5
chỉ để một nguồn kích thích
duy nhất ở lối vào thứ k nào đó
còn các nguồn khác bằng
không.
Theo quan hệ tuyến tính dạng hoặc
- điện áp và dòng trên lối vào đó
phải tỷ lệ với nhau thông qua một hệ số
phức có thứ nguyên tổng dẫn hoặc tổng trở:
kI = KE ¦
= KJ ¦
kU
k kk kkI =Y .U
k
kk
k
IY =
Uk
kU
kI
k kk kU =Z .I
k
kk
k
UZ =
IYkk; Zkk- gọi là tổng dẫn; tổng trở vào
nhìn từ lối vào thứ k.
b. Ý nghĩa của Zkk và Ykk .
+ Từ ta thấy khi thì : 0j0
kU =1.e V k kk kkI =Y .U
(A)k kkI =Y
Vậy, Ykk nói lên mức độ áp ứng dòng điện
ở nhánh k khi kích thích là nguồn điện áp
chuẩn 1V đặt ở lối vào thứ k.
+ Từ ta thấy khi thì :A 0j0
kI =1.e k kk kU =Z .I
(V)k kkU =Z
Vậy, Zkk nói lên mức độ áp ứng điện
áp ở nhánh k khi kích thích là nguồn
dòng điện chuẩn 1A bơm vào lối vào
thứ k.
4.3.2 Tổng trở, tổng dẫn tƣơng hỗ Zlk, Ylk
a. Khái niệm ý nghĩa của Ylk
lI
Zk Zl
kU lk
lI =
l
lkk
IY =
U
lk kY U
Ylk - gọi là tổng dẫn
tƣơng hỗ giữa nhánh l
với nhánh thứ k.
+ Ylk là một thông số của mạch, nó nói lên
phản ứng dòng điện ở nhánh l dƣới tác dụng
của điện áp đặt ở nhánh k. Về trị số, Ylk bằng
đáp ứng dòng điện ở nhánh l khi kích thích là
điện áp chuẩn 1V đặt ở nhánh k.
a. Khái niệm ý nghĩa của Ylk
kI
lk
lU
lU
lk k= Z I
l
lkk
UZ =
I
Zlk -Tổng trở tƣơng hỗ
giữa cặp nút thứ l với
cặp nút thứ k.
+ Zlk là một thông số của mạch, nó nói lên
phản ứng điện áp trên cặp nút thứ l dƣới
tác dụng nguồn dòng đặt ở cặp nút thứ k.
Về trị số, Zlk bằng đáp ứng điện áp trên
cặp nút thứ l khi kích thích là dòng điện
chuẩn 1A bơm vào cặp nút thứ k.
Ví dụ: tính tổng trở vào từ nhánh 1 và tổng
dẫn tƣơng hỗ giữa nhánh 2 và nhánh 1 trong
mạch điện sau
1E
Z1 Z2
Z3
Z1 Z2
Z3
1I
2I
2 311 1
1 2 2 3 1 32 31
2 3
Z + ZEI = = E
Z Z + Z Z + Z ZZ .ZZ +
Z + Z
2 3 32 1 1
2 3 2 1 2 2 3 1 3
Z .Z Z1I = I . = E
Z + Z Z Z Z + Z Z + Z Z
Giải:
cần tìm
Z11; Y21
11
2 31
2 3
2 31
1 2 2 3 1 3
EI = =
Z .ZZ +
Z + Z
Z + ZE
Z Z + Z Z + Z Z
2 3 32 1 1
2 3 2 1 2 2 3 1 3
Z .Z Z1I = I . = E
Z + Z Z Z Z + Z Z + Z Z
1E
Z1 Z3
Z2
1I
2I
11Z =
1
1
E=
I
1 2 2 3 1 3
2 3
Z Z + Z Z + Z Z
Z + Z
21Y =
2
1
I=
E
3
1 2 2 3 1 3
Z
Z Z + Z Z + Z Z
Ví dụ : Tính tổng trở tƣơng hỗ Z21 giữa 2
cặp nút 2-2' và 1-1' trong mạch điện sau
1
2'
2
1'
1nZ2nZ
Zd
Giải:
ta bơm vào cặp nút 1-1' một nguồn
dòng điện và tính điện áp ở cặp nút 2-2':
1
2'
2
1'
1nZ2nZ
Zd1I
1I
2U
1
2'
2
1'
1nZ2nZ
Zd1I
1I
2U
; 22 n 2U = Z I
1 2
1 2 2
n d n
2 1n d n d n
Z (Z + Z ) 1I = I . .
Z + Z + Z Z + Z
1
1 2
n
2 1n d n
ZI = I .
Z + Z + Z
1 2
1 2
n n
2 1n d n
Z .ZU = I .
Z + Z + Z
2
211
UZ = =
I
1 2
1 2
n n
n d n
Z .Z
Z + Z + Z
4.3.3 Hệ số truyền áp Ku, hệ số truyền dòng Ki
kU
Zl
kI
lU
k l
lI
l u kU =K .U
l
uk
Uhay K =
U
l i kI =K .I
l
ik
Ihay K =
I
- Ku, Ki - các hệ số truyền đạt điện áp,
dòng điện từ phía thứ k sang phía thứ lKu, (Ki) nói lên mức độ truyền đạt tín hiệu
điện áp (dòng điện) từ lối vào k đến lối vào
l, chúng phụ thuộc kết cấu, thông số của
mạch và tổng trở nối vào thứ l nếu có.
Ví dụ 4.5: Tìm Ku , Ki từ nhánh 1 đến
nhánh 2 trong sơ đồ sau
Z1 Z2
Z3
1E
Z1
Z2Z3
1I
2I
2U
;2 31 1
1 2 2 3 1 3
Z + ZI = E
Z Z + Z Z + Z Z 3
2 11 2 2 3 1 3
ZI =E
Z Z + Z Z + Z Z
2 32 2 2 1
1 2 2 3 1 3
Z .ZU = Z I =E
Z Z + Z Z + Z Z
1E
Z1
Z2Z3
1I
2I
2U
2 31 1
1 2 2 3 1 3
Z + ZI = E
Z Z + Z Z + Z Z
32 1
1 2 2 3 1 3
ZI =E
Z Z + Z Z + Z Z
2 32 2 2 1
1 2 2 3 1 3
Z .ZU = Z I =E
Z Z + Z Z + Z Z
2 32
u1 2 2 3 1 31
Z .ZUK = =
Z Z + Z Z + Z ZE
32
i2 31
ZIK =
Z + ZI
4.4 TÍNH CHẤT TƢƠNG HỖ
4.4.1 Phát biểu
Trong mạch tuyến tính tổng dẫn
(hoặc tổng trở) tƣơng hỗ của nhánh
(hoặc cặp nút) thứ k đối với nhánh (hoặc
cặp nút) thứ l tức Ykl (Zkl) bằng tổng dẫn
(hoặc tổng trở) tƣơng hỗ của nhánh
(hoặc cặp nút) thứ l đối với nhánh (hoặc
cặp nút) thứ k tức Ylk (Zlk):
kl lk
kl lk
Y = Y
Z = Z
- Từ đó suy ra nếu nguồn điện áp đặt
trong nhánh k gây nên đáp ứng dòng
điện ở nhánh l là nào đó thì khi đặt ở
nhánh l thì nó sẽ sinh ra trong nhánh k
một dòng đúng bằng
I
I
U
U
k l k lU I I U
k l
I
Tƣơng tự nếu có một nguồn dòng
bơm vào cặp nút k gây trên cặp nút l một
điện áp nào đó thì khi bơm nguồn
dòng vào cặp nút thứ l thì nó sẽ sinh ra
trên cặp nút thứ k điện áp đúng bằng .
I
U
U
I
Uk l
U
I
4.4.3 Chứng minh: tự đọc
4.4.4 Ứng dụng tính chất tƣơng hỗ.
- Khi cần tính các cặp thông số Ylk,
Ykl cũng nhƣ Zlk, Zkl cho một mạch, dựa
vào tính chất tƣơng hỗ ta chỉ cần tính
một lƣợng (chọn lƣợng dễ tính hơn) rồi
suy ra lƣợng kia, làm nhƣ vậy khối
lƣợng tính toán giảm đáng kể.
- Tính chất tƣơng hỗ đôi khi cũng đƣợc
ứng dụng để tính mạch điện, bổ sung vào
các phƣơng pháp cơ bản đã xét.
Ví dụ Tính dòng I5 và tổng dẫn tƣơng hỗ giữa
nhánh 5 và nhánh 6 trong mạch điện sau. Biết
R1 = R2 = R3 = 20 ; R4 = 30 ; R5 = 8 ; E6 = 6V
R1 R3
R2 R4
'6I
R5
6E
Giải:
R1 R3
R2 R4
6E
R5
5I
5I='6I
R1 R3
R2 R4
'6I
R5
6E'4I
'3I
6E
'5I
R1
R3
R2
R4
R5
,6
51 3 2 4
51 3 2 4
EI = = 0,2A
R .R R .RR + +
R + R R + R
, ,2
4 52 4
RI = I = 0,08A
R + R
, ,1
3 51 3
RI = I = 0,1A
R + R
I’6 = I’3 - I’4 =
= 0,1 - 0,08 = 0,02A
Vấn đề cần nhớ
- Nắm vững ba tính chất cơ bản của
mạch điện tuyến tính và biết cách áp
dụng chúng để phân tích mạch điện.
- Khái niệm và cách xác định các thông
số phức trong mạch điện tuyến tính.