VIENIDMY Đăng nhập Vào luyện thi

Trang chủ › Giáo trình › Thợ điện hạng 1 第一種電気工事士 (thi lý thuyết)

Lý thuyết điện cơ bản & Xoay chiều 3 pha

Thợ điện hạng 1 第一種電気工事士 (thi lý thuyết) · 第一種電気工事士(学科試験) · Bài học do Tokutei Pass tự biên soạn dựa trên giáo trình chính thức; không sao chép nguyên văn.

Định luật Coulomb, cường độ điện trường và điện dung của tụ điện phẳng

Trong phần thi Lý thuyết Kỹ sư công trình điện Hạng 1 (Dai-isshu Denki Kojishi), câu số 1 luôn là bài toán tính toán về tĩnh điện hoặc điện từ. Đây là mảng kiến thức quan trọng không có ở Hạng 2, nhưng chỉ cần nắm chắc dạng công thức là bạn chắc chắn lấy trọn điểm.

Lực tĩnh điện F (N) tác dụng giữa hai điện tích điểm Q1 (C) và Q2 (C) đặt trong không khí tỷ lệ thuận với tích hai điện tích "Q1 × Q2" và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách r (m) "r²". Quy luật này được gọi là định luật Coulomb.

Khi đặt hai tấm kim loại (bản cực) song song cách nhau một khoảng d (m) và cấp điện áp V (V), giữa hai bản cực sẽ xuất hiện một điện trường đều. Cường độ điện trường E (V/m) được tính bằng công thức "E = V ÷ d" và tỷ lệ nghịch với khoảng cách d.

Điện dung C (F) của tụ điện phẳng tỷ lệ thuận với diện tích bản cực S (m²) và hằng số điện môi ε (epsilon) của vật liệu cách điện, đồng thời tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa hai bản cực d (m) theo công thức C = ε × S ÷ d. Bản cực càng rộng và khe hở càng hẹp thì càng tích trữ được nhiều điện tích.

Định luật Coulomb, cường độ điện trường và điện dung của tụ điện phẳng

Điểm cần nhớ


  • Định luật Coulomb: Lực tĩnh điện F tỷ lệ thuận với tích điện tích "Q1 × Q2" và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách "r²" (khoảng cách tăng 2 lần thì lực giảm còn 1/4).

  • Cường độ điện trường E (V/m) của tụ điện phẳng tính bằng "E = V ÷ d" (bắt buộc đổi khoảng cách d ra đơn vị mét m).

  • Điện dung C (F) biểu thị bằng "C = ε × S ÷ d"; khi chèn chất điện môi có hằng số điện môi tương đối εr vào giữa bản cực thì điện dung tăng gấp εr lần.

  • Ví dụ: Tụ điện phẳng có khoảng cách giữa hai bản cực d = 4mm (0,004m) được đặt điện áp một chiều V = 200V → Cường độ điện trường E = 200 ÷ 0,004 = 50.000V/m = 50kV/m
Từ vựngNghĩa
định luật Coulomb
cường độ điện trường (E = V ÷ d)
điện dung (C)
hằng số điện môi (ε)

Ghép tụ điện nối tiếp - song song, phân áp và năng lượng tĩnh điện

Khi đặt điện áp V (V) vào tụ điện có điện dung C (F), điện tích Q (C: Coulomb) tích trữ được là "Q = C × V", và năng lượng tĩnh điện W (J: Joule) tích trữ bên trong tụ điện được tính bằng công thức "W = 0,5 × C × V² = 0,5 × Q × V".

Điểm cần đặc biệt lưu ý khi đi thi là quy đổi đơn vị. Vì điện dung thường được cho theo đơn vị "μF (microfarad = 10⁻⁶F)", nên khi điện áp V ở mức vài trăm đến vài nghìn Volt, bạn phải nhân với 10⁻⁶ để đổi sang đơn vị chuẩn là Joule (J).

Khi ghép nhiều tụ điện với nhau, công thức tính điện dung tương đương C ngược hẳn với công thức ghép điện trở. Mắc song song làm tăng diện tích bản cực nên bằng tổng "C = C1 + C2", còn mắc nối tiếp thì tính bằng tích chia tổng "C = (C1 × C2) ÷ (C1 + C2)".

Khi mắc nối tiếp 2 tụ điện C1 và C2 vào nguồn điện áp V, cả hai tụ điện đều tích trữ cùng một lượng điện tích Q bằng nhau. Do đó, điện áp đặt lên mỗi tụ điện được chia theo tỷ lệ nghịch với điện dung: tụ nào có điện dung nhỏ hơn sẽ chịu điện áp cao hơn.

Điểm cần nhớ


  • Điện tích tích trữ tính bằng "Q = C × V (C)", năng lượng tĩnh điện tính bằng "W = 0,5 × C × V² (J)" (lưu ý 1μF = 10⁻⁶F).

  • Điện dung tương đương ngược với điện trở: mắc song song thì cộng "C1 + C2", mắc nối tiếp 2 tụ thì dùng "(C1 × C2) ÷ (C1 + C2)".

  • Trong mạch tụ mắc nối tiếp, điện tích Q bằng nhau và điện áp phân bố theo tỷ lệ nghịch với điện dung: "V1 = V × C2 ÷ (C1 + C2)".

  • Ví dụ: Nạp điện áp một chiều V = 500V vào tụ điện có điện dung C = 20μF → Năng lượng tĩnh điện W = 0,5 × (20 × 10⁻⁶) × 500² = 2,5J
Từ vựngNghĩa
năng lượng tĩnh điện (W = 0,5CV²)
điện tích (Q = CV)
điện dung tương đương (điện dung tổng hợp)
phân áp theo tỷ lệ nghịch của điện dung

Cảm ứng điện từ, hệ số tự cảm và đặc tính cuộn dây có lõi sắt

Khi từ thông φ (Weber: Wb) xuyên qua cuộn dây biến thiên theo thời gian, trong cuộn dây sẽ xuất hiện sức điện động cảm ứng e (V) theo chiều chống lại sự biến thiên đó (định luật Lenz). Đây là định luật cảm ứng điện từ Faraday — nguyên lý của máy biến áp và máy phát điện.

Độ lớn của sức điện động sinh ra khi dòng điện I (A) chạy trong chính cuộn dây đó biến thiên được biểu thị qua hệ số tự cảm L (Henry: H) theo công thức "e = L × (ΔI ÷ Δt)". Năng lượng từ trường tích trữ trong cuộn dây là "W = 0,5 × L × I² (J)".

Hệ số tự cảm L của cuộn dây tỷ lệ thuận với độ từ thẩm μ (mu) và tiết diện S của lõi sắt, tỷ lệ nghịch với chiều dài mạch từ l, đồng thời tỷ lệ thuận với "bình phương số vòng dây N (N²)". Nếu tăng số vòng dây lên gấp 2 lần thì hệ số tự cảm L tăng gấp 4 lần.

Do đó, khi cấp điện áp xoay chiều V (tần số f) vào cuộn dây có lõi sắt, dòng điện "I = V ÷ XL" bị giới hạn bởi cảm kháng "XL = 2πfL". Nếu rút lõi sắt ra trong lúc đang cấp điện thì độ từ thẩm μ giảm mạnh làm L và XL giảm sút, dẫn đến dòng điện I tăng vọt rất lớn.

Điểm cần nhớ


  • Sức điện động tự cảm là "e = L × (ΔI ÷ Δt) (V)", và năng lượng từ trường tích trữ trong cuộn dây là "W = 0,5 × L × I² (J)".

  • Hệ số tự cảm L (H) của cuộn dây tỷ lệ thuận với độ từ thẩm μ và bình phương số vòng dây "N²".

  • Khi rút lõi sắt ra khỏi cuộn dây đang nối với nguồn xoay chiều, hệ số tự cảm L giảm mạnh làm dòng điện I tăng lên rất lớn.

  • Ví dụ: Cuộn dây có hệ số tự cảm L = 0,4H đang có dòng điện I = 5A chạy qua → Năng lượng từ trường tích trữ W = 0,5 × 0,4 × 5² = 5J
Từ vựngNghĩa
định luật cảm ứng điện từ
hệ số tự cảm (L)
độ từ thẩm (μ)
năng lượng điện từ (W = 0,5LI²)

Định luật Kirchhoff (mạch 2 nguồn) và mạch cầu Wheatstone

Ở câu số 2 luôn có 1 bài toán tính mạch điện một chiều. Đề thi Hạng 1 không chỉ hỏi ghép nối tiếp - song song đơn thuần mà rất hay ra mạch điện một chiều có 2 nguồn áp hoặc bài toán tìm hiệu điện thế (điện áp Vab) giữa 2 nút của mạch cầu.

Định luật Kirchhoff 1 (định luật dòng điện) phát biểu rằng "tại một nút nối, tổng dòng điện đi vào bằng tổng dòng điện đi ra"; định luật Kirchhoff 2 (định luật điện áp) phát biểu rằng "trong một vòng kín bất kỳ, tổng sức điện động bằng tổng các độ sụt áp (I × R)".

Trong mạch cầu Wheatstone gồm 4 điện trở R1, R2, R3, R4 ghép hình thoi, khi tích hai điện trở ở hai cạnh đối diện bằng nhau "R1 × R4 = R2 × R3" thì mạch đạt trạng thái cân bằng, và dòng điện chạy qua điện kế (hoặc ampe kế) ở nhánh giữa bằng 0 A.

Với bài toán tìm hiệu điện thế Vab giữa 2 điểm a–b ở giữa một mạch cầu không cân bằng, hãy chọn một điểm chuẩn (0 V), tính riêng điện thế Va của điểm a và điện thế Vb của điểm b theo tỷ lệ phân áp trên từng nhánh, rồi lấy hiệu "Vab = |Va − Vb|" là giải ra ngay lập tức.

Điểm cần nhớ


  • Định luật Kirchhoff 1: "Dòng điện đi vào nút = dòng điện đi ra khỏi nút"; Định luật 2: "Tổng sức điện động = tổng sụt áp trong vòng kín".

  • Điều kiện cân bằng cầu Wheatstone là tích hai cạnh đối diện bằng nhau "R1 × R4 = R2 × R3"; khi đó dòng điện ở nhánh giữa bằng 0 A.

  • Điện áp Vab giữa 2 điểm a–b được tìm nhanh bằng cách tính điện thế phân áp Va và Vb trên từng nhánh nối tiếp rồi trừ cho nhau.

  • Ví dụ: Nguồn 100V cấp cho nhánh trái gồm 20Ω nối tiếp 30Ω và nhánh phải gồm 25Ω nối tiếp 25Ω → Điện thế điểm giữa là Va = 100 × 30 ÷ 50 = 60V và Vb = 100 × 25 ÷ 50 = 50V, suy ra hiệu điện thế Vab = 60 − 50 = 10V
Từ vựngNghĩa
định luật Kirchhoff
mạch cầu Wheatstone
điều kiện cân bằng (R1 × R4 = R2 × R3)
hiệu điện thế (Vab)

Dòng xoay chiều hình sin (chu kỳ, tần số, tần số góc) và kháng điện khi đổi tần số

Câu số 3 kiểm tra về mạch điện xoay chiều 1 pha. Thời gian để dòng xoay chiều hình sin thực hiện trọn vẹn 1 chu kỳ sóng gọi là "chu kỳ T (s: giây)", và số chu kỳ sóng lặp lại trong 1 giây gọi là "tần số f (Hz: Hertz)", liên hệ với nhau qua công thức "f = 1 ÷ T".

Góc (tính bằng radian) mà pha sóng tiến thêm trong 1 giây gọi là "tần số góc (vận tốc góc) ω (omega: rad/s)", tính bằng "ω = 2πf = 2π ÷ T (π ≈ 3,14)". Khi tần số f = 50Hz (chu kỳ T = 20ms = 0,02s), tần số góc bằng "ω = 2 × 3,14 × 50 = 314 rad/s".

Giá trị cực đại Vm của sóng hình sin bằng √2 lần giá trị hiệu dụng V (Vm = √2 × V ≈ 1,41 × V), còn giá trị trung bình Vav bằng 2 ÷ π lần giá trị cực đại. Mọi con số 100V hay 200V dùng trong thực tế đều là "giá trị hiệu dụng".

Cảm kháng của cuộn dây "XL = ωL = 2πfL (Ω)" tỷ lệ thuận với tần số f, còn dung kháng của tụ điện "XC = 1 ÷ (ωC) = 1 ÷ (2πfC) (Ω)" tỷ lệ nghịch với tần số f. Khi tần số nguồn đổi từ 50Hz sang 60Hz (tăng 1,2 lần), XL tăng lên 1,2 lần còn XC giảm xuống 1 ÷ 1,2 lần.

Điểm cần nhớ


  • Tần số là "f = 1 ÷ T (Hz)", tần số góc là "ω = 2πf (rad/s)"; với f = 50Hz (T = 20ms) thì "ω ≈ 314 rad/s".

  • Giá trị cực đại của dòng xoay chiều hình sin bằng √2 lần giá trị hiệu dụng: "Vm = √2 × V".

  • Cảm kháng "XL = 2πfL" của cuộn dây tỷ lệ thuận với tần số f, còn dung kháng "XC = 1 ÷ (2πfC)" của tụ điện tỷ lệ nghịch với tần số f.

  • Ví dụ: Mạch nối tiếp có XL = 10Ω, XC = 12Ω ở 50Hz khi chuyển sang nguồn 60Hz (gấp 1,2 lần) → Giá trị mới là XL' = 10 × 1,2 = 12Ω và XC' = 12 ÷ 1,2 = 10Ω, nên kháng điện tổng hợp X = 12 − 10 = 2Ω
Từ vựngNghĩa
chu kỳ (T) và tần số (f)
tần số góc / vận tốc góc (ω = 2πf)
cảm kháng (XL)
dung kháng (XC)

Mạch xoay chiều 1 pha R-L-C nối tiếp/song song, cộng hưởng và mạch chỉnh lưu bán sóng

Trong mạch mắc nối tiếp điện trở R với kháng điện XL, XC, tổng trở Z (Ω) được tính bằng "Z = √(R² + (XL − XC)²)" và hệ số công suất là "cosθ = R ÷ Z". Khi XL = XC thì xảy ra cộng hưởng nối tiếp, hai thành phần kháng triệt tiêu nhau nên "Z = R và hệ số công suất cosθ = 1 (100%)".

Ngược lại, trong mạch mắc song song nhánh điện trở R với nhánh kháng điện X, mỗi nhánh đều chịu chung điện áp nguồn V. Vì dòng qua điện trở "IR = V ÷ R" và dòng qua kháng điện "IX = V ÷ X" lệch pha nhau 90 độ, nên dòng điện tổng là "I = √(IR² + IX²)" và hệ số công suất là "cosθ = IR ÷ I".

Ngoài ra, dạng bài xuất hiện liên tục ở câu số 4 là tính công suất tiêu thụ P của "mạch chỉnh lưu bán sóng" gồm nguồn xoay chiều (giá trị hiệu dụng V) mắc nối tiếp với 1 "đi-ốt bán dẫn" lý tưởng và điện trở R.

Vì đi-ốt chỉ cho dòng điện đi qua theo một chiều (chiều thuận), nên trong 1 chu kỳ xoay chiều chỉ có nửa chu kỳ dương có dòng điện chạy qua, còn nửa chu kỳ âm dòng điện bằng 0 A. Do đó, công suất trung bình P tiêu thụ trên điện trở R giảm xuống đúng bằng "một nửa (1/2)" so với khi không có đi-ốt: "P = V² ÷ (2 × R) (W)".

Mạch xoay chiều 1 pha R-L-C nối tiếp/song song, cộng hưởng và mạch chỉnh lưu bán sóng

Điểm cần nhớ


  • Trong mạch R-X song song, lập tam giác vuông dòng điện để tính dòng tổng "I = √(IR² + IX²)" và hệ số công suất "cosθ = IR ÷ I".

  • Ở trạng thái cộng hưởng khi XL = XC, dòng phản kháng hoặc áp phản kháng triệt tiêu nhau nên hệ số công suất toàn mạch cosθ = 1 (100%).

  • Trong mạch chỉnh lưu bán sóng dùng 1 đi-ốt, dòng điện chỉ chạy trong nửa chu kỳ nên công suất tiêu thụ trên điện trở R bằng một nửa: "P = V² ÷ (2 × R) (W)".

  • Ví dụ: Nối tiếp 1 đi-ốt và điện trở R = 10Ω vào nguồn xoay chiều hình sin có giá trị hiệu dụng V = 100V → Công suất tiêu thụ P = 100² ÷ (2 × 10) = 500W (chú ý bẫy đáp án sai 1.000W!)
Từ vựngNghĩa
tổng trở (Z) và hệ số công suất (cosθ)
trạng thái cộng hưởng (XL = XC)
mạch chỉnh lưu bán sóng
đi-ốt bán dẫn

Mạch điện xoay chiều 3 pha 3 dây đối xứng (đấu Y, đấu Δ và biến đổi Δ-Y)

Câu số 5 luôn là bài toán tính mạch điện xoay chiều 3 pha. Trong cách đấu hình sao (Y結線), dòng điện dây Il bằng dòng điện pha Ip (Il = Ip), còn điện áp dây Vl bằng √3 lần điện áp pha Vp (Vl = √3 × Vp, suy ra Vp = Vl ÷ √3).

Ngược lại, trong cách đấu hình tam giác (Δ結線), điện áp dây Vl bằng điện áp pha Vp (Vl = Vp), còn dòng điện dây Il bằng √3 lần dòng điện pha Ip (Il = √3 × Ip). Công suất 3 pha P ở cả hai cách đấu đều là "P = √3 × Vl × Il × cosθ = 3 × Ip² × R (W)".

Thủ thuật giải nhanh cực kỳ quan trọng ở Hạng 1 là "biến đổi tương đương Δ-Y". Một bộ phụ tải đấu Δ gồm 3 điện trở mỗi pha RΔ (Ω) hoàn toàn tương đương với một bộ phụ tải đấu Y có giá trị điện trở giảm xuống còn "1 phần 3 (RY = RΔ ÷ 3)" (ngược lại, đổi tải từ Y sang Δ thì dòng điện và công suất tăng gấp 3 lần).

Nhờ phép biến đổi này, đối với các mạch có thêm điện trở đường dây r hoặc mạch hỗn hợp ghép song song cả tải Y lẫn tải Δ, bạn chỉ cần quy đổi tải Δ về tải Y theo công thức "RY = RΔ ÷ 3" rồi giải trên mạch tương đương 1 pha là tìm được ngay dòng điện dây Il.

Mạch điện xoay chiều 3 pha 3 dây đối xứng (đấu Y, đấu Δ và biến đổi Δ-Y)

Điểm cần nhớ


  • Đấu sao (Y): "Vp = Vl ÷ √3, Il = Ip"; Đấu tam giác (Δ): "Vp = Vl, Il = √3 × Ip"; Công suất 3 pha: "P = √3 × Vl × Il × cosθ = 3 × Ip² × R".

  • Biến đổi tương đương Δ-Y: Tổng trở ZΔ của tải đấu Δ có thể thay thế bằng tải đấu Y có giá trị bằng 1/3 là "ZY = ZΔ ÷ 3".

  • Khi ghép song song một tải Y (mỗi pha R) và một tải Δ (mỗi pha R) vào cùng nguồn áp dây V, nhánh Δ ăn dòng gấp 3 lần nhánh Y và tổng dòng điện dây là "4V ÷ (√3R)".

  • Ví dụ: Nguồn 3 pha áp dây V = 200V cấp cho tải đấu Y có mỗi pha R = 8Ω, XL = 6Ω (Z = 10Ω) → Áp pha Vp = 200 ÷ 1,73 ≈ 115,6V, dòng dây Il = 115,6 ÷ 10 ≈ 11,6A, sụt áp trên điện trở R là VR = 11,6 × 8 ≈ 92,5V
Từ vựngNghĩa
đấu sao (Y結線)
đấu tam giác (Δ結線)
biến đổi tương đương Δ-Y (RY = RΔ ÷ 3)
công suất tiêu thụ 3 pha

Điểm hay ra thi & cách nhớ

Ở bài toán tụ điện câu số 1, bước quyết định ăn điểm là đổi đơn vị "1μF = 10⁻⁶F" và "1mm = 10⁻³m". Khi tính năng lượng tĩnh điện "W = 0,5 × C × V²", trong 4 phương án lựa chọn luôn có bẫy quên nhân 0,5 (lớn gấp đôi đáp án đúng) nên phải hết sức cẩn thận.

Bài toán "mạch chỉnh lưu bán sóng dùng 1 đi-ốt" ở câu số 4 là câu cho điểm xuất hiện rất thường xuyên. Vì đi-ốt chỉ cho nửa sóng trên đi qua nên hãy chọn ngay công suất tiêu thụ P bằng đúng một nửa mạch xoay chiều thông thường: "P = V² ÷ (2R)".

Ở câu số 5 về xoay chiều 3 pha, đề thi cũng rất hay hỏi công thức chữ của công suất P hoặc dòng điện I. Khi tổng trở 1 pha của tải đấu Δ là "Z = √(R² + X²)", dòng điện pha là "Ip = V ÷ Z" và tổng công suất tiêu thụ 3 pha là "P = 3 × Ip² × R = 3V²R ÷ (R² + X²)".

Điểm cần nhớ


  • Bộ 3 công thức tụ điện: Cường độ điện trường "E = V ÷ d (V/m)", Điện tích "Q = CV (C)", Năng lượng tĩnh điện "W = 0,5CV² (J)".

  • Điều kiện cân bằng cầu Wheatstone: Khi tích hai điện trở đối diện bằng nhau "R1 × R4 = R2 × R3" thì dòng điện qua nhánh giữa bằng 0 A.

  • Khi tần số f đổi từ 50Hz → 60Hz (gấp 1,2 lần), cảm kháng XL của cuộn dây "tăng 1,2 lần" còn dung kháng XC của tụ điện "giảm 1 ÷ 1,2 lần".

  • Quy tắc vàng mạch chỉnh lưu bán sóng: Có thêm 1 đi-ốt mắc nối tiếp thì công suất tiêu thụ trên điện trở R giảm còn một nửa "P = V² ÷ (2R)".

  • Quy tắc biến đổi Δ-Y: Điện trở RΔ đấu tam giác tương đương với "RY = RΔ ÷ 3" đấu sao; nếu cùng giá trị điện trở thì đấu Δ có dòng dây và công suất gấp 3 lần đấu Y.
Từ vựngNghĩa
quy đổi đơn vị (μF, mm)
công suất chỉnh lưu bán sóng (V² ÷ 2R)
cộng hưởng nối tiếp và cộng hưởng song song
mạch tương đương 1 pha

Lý thuyết điện cơ bản

Luyện câu hỏi chương này trong app

Tài liệu tham khảo chính thức

Zalo