Giáo trình điện kỹ thuật trần thị thu hiền

TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Chủ biên: TRẦN THỊ THU HUYỀN ­­­­­­­***­­­­­­­­­ GIÁO TRÌNH  ĐIỆN KỸ THUẬT  ( Lưu hành nội bộ) HÀ NỘI 2012 LỜI NĨI ĐẦU  Trong chương trình đào tạo của các trường trung cấp nghề, cao đẳng nghề Điện  tử dân dụng thực hành nghề giữ một vị trí rất quan trọng: rèn luyện tay nghề cho học   sinh. Việc dạy thực hành địi hỏi nhiều yếu tố: vật tư thiết bị đầy đủ  đồng thời cần   một giáo trình nội bộ, mang tính khoa học và đáp ứng với u cầu thực tế Nội dung của giáo trình “ĐIỆN KỸ  THUẬT” đã được xây dựng trên cơ  sở  kế  thừa những nội dung giảng dạy của các trường, kết hợp với những nội dung mới   nhằm đáp ứng u cầu nâng cao chất lượng đào tạo phục vụ  sự  nghiệp cơng nghiệp  hóa, hiện đại hóa đất nước,.  Giáo trình được biên soạn ngắn gọn, dễ  hiểu, bổ sung nhiều kiến thức mới và   biên soạn theo quan điểm mở, nghĩa là, đề cập những nội dung cơ bản, cốt yếu để tùy  theo tính chất của các ngành nghề đào tạo mà nhà trường tự điều chỉnh cho thích hợp   và khơng trái với quy định của chương trình khung đào tạo cao đẳng nghề Tuy các tác giả đã có nhiều cố  gắng khi biên soạn, nhưng giáo trình chắc chắn  khơng tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự  tham gia đóng góp ý kiến  của các bạn đồng nghiệp và các chun gia kỹ thuật đầu ngành Xin trân trọng cảm ơn! Tun bố bản quyền Tài liệu này là loại giáo trình nội bộ dùng trong nhà trường với mục đích làm tài liệu  giảng dạy cho giáo viên và học sinh, sinh viên nên các nguồn thơng tin có thể được tham  khảo Tài liệu phải do trường Cao đẳng nghề Cơng nghiệp Hà Nội in ấn và phát hành.  Việc sử dụng tài liệu này với mục đích thương mại hoặc khác với mục đích trên đều  bị nghiêm cấm và bị coi là vi phạm bản quyền Trường Cao đẳng nghề Cơng nghiệp Hà Nội xin chân thành cảm ơn các thơng tin giúp  cho nhà trường bảo vệ bản quyền của mình Nội dung tổng quát và phân phối thời gian:  Số  TT Tên chương, mục Thời gian  Tổng  Lý  Thực  hành, Kiểm  tra* số thuyế t Bài  tập (LT hoặc   TH)         16 10 0.5 0.5     1     0.5 0.5       ­ Các định luật của mạch điện 2   ­ Các biến đổi tương đương     ­ Nguyên lý xếp chồng 1       Mở đầu I         Mạch điện một chiều   ­  Mạch   điện       phần   tử  mạch ­   Các   đại  lượng   đặc  trưng   quá    trình     lượng     mạch  điện   ­ Mơ hình mạch điện một chiều   ­ Phương pháp giải mạch điện  phức tạp ­ Kiểm tra   II Từ  trườ ng và cảm  ứng  điện  từ 14 11 ­ Đại cươ ng về từ tr ường 1.5 0,5 ­ Từ trườ ng của dòng điện 1.5 1,5 ­ Các đại lượ ng đặc trưng của  từ trườ ng 1.5 1,5 ­ Lực từ 2.5 0,5 1 ­ Hiện tượ ng c ảm  ứng điệ n từ 2.5 0,5 ­   Hiện   tượ ng   tự   cảm     hỗ  cảm 2.5 0,5 ­   Dòng   điện   Foucault­   Hiệu  ứng mặt ngồi 1 ­ Kiểm tra Dịng điện hình sin  15 10   ­        Khái niệm về  dịng điện hình  sin   0.5 0.5       ­        Các đại lượng đặc trưng của  dịng điện hình sin  0.5 0.5     ­       Tính chất của mạch điện  xoay chiều  2     ­       Cơng suất của dịng điện xoay  chiều hình sin 2       ­        Biểu   diễn   dòng   điện   xoay  chiều bằng số phức 2       ­        Các   phương   pháp   giải   các  mạch điện xoay chiều hình sin ­ Kiểm tra Mạch điện xoay chiều ba pha 15 11 ­ Khái   niệm     nguồn   điện   ba  pha 1       III   IV     ­ Các cách nối dây máy điện     ­ Công   suất     mạch   điện   ba  pha 1       ­ Cách   nối   nguồn     tải   trong  mạch điện ba pha 1      ­ Động     điện   xoay   chiều  không đồng bộ ba pha ­ Kiểm tra Cộng 60 1 42 14 Ghi chú : Thời gian kiểm tra lý thuyết được tính vào giờ lý thuyết, kiểm tra thực hành   được tính vào giờ thực hành * Chương 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MẠCH ĐIỆN 1. Mạch điện một chiều 1. Định nghĩa: Dịng điện là dịng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện dưới tác dụng của   điện trường Chiều qui ước của dịng điện: là chiều chuyển dời của các hạt mang điện tích dương 2. Bản chất dịng điện trong các mơi trường: a. Dịng điện trong kim loại: b. Dịng điện trong mơi trường điện ly c. Dịng điện trong khơng khí 3. Cường độ dịng điện: Cường độ  dịng điện được tính bằng lượng điện tích chuyển dịch qua một tiết diện   dây dẫn trong một đơn vị thời gian 4. Mật độ dịng điện 5. Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ 6. Điều kiện duy trì dịng điện 1.2. KẾT CẤU HÌNH HỌC CỦA MẠCH ĐIỆN     1.2.1. Phụ tảI ( cịn gọi là thiết bị tiêu thụ điện) Phụ  tải (tải) là các thiết bị  điện tiêu thụ  điện năng để  biến đổi thành các dạng năng  lượng khác như  cơ  năng (động cơ  điện), nhiệt năng (bàn là điện, bếp điện), quang  năng (đèn điện)… Thiết bị tiêu thụ điện được kí hiệu trên sơ đồ là một điện trở R 1.2.2. Nguồn điện: Nguồn điện là các thiết bị  biến đổi các dạng năng lượng khác như  cơ  năng ( máy   phát ), nhiệt năng( than đá, nhiên liệu) như máy phát diesel, quang năng ( như pin mặt   trời), hóa năng ( như ắcqui) thành điện năng cung cấp nguồn điện cho các thiết bị tiêu  thụ điện năng Kí hiệu trên sơ đồ của nguồn điện là một sức điện động E và điện trở trong Ro 1.2.3. Thiết bị truyền dẫn: Thiết bị  truyền dẫn là những thiết bị  truyền dẫn năng lượng điện từ  nguồn đến các   thiết bị tiêu thụ điện Thiết bị truyền dẫn thường là các loại dây dẫn, được làm bằng kim loại dẫn điện như  Cu, Al…, được kí hiệu trên sơ đồ như một điện trở Rd 1.2.4. Các thiết bị khác: Các thiết bị khác của mạch điện như: các phần tử dung để bảo vệ, đo đếm…     1.2. Mạch điện Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện (nguồn, tải, dây dẫn) nối với nhau trong  đó dịng điện có thể chạy qua (hình 1.6) Mạch điện phức tạp có nhiều nhánh, nhiều mạch vịng và nhiều nút 1.Nhánh. Nhánh là bộ  phận của mạch điện gồm có các phần tử  nối tiếp nhau  trong đó có cùng dịng điện chạy qua 2.Nút. Nút là chỗ gặp nhau của các nhánh (từ 3 nhánh trở lên) 3.Mạch vịng. Mạch vịng là lối đi khép kín qua các nhánh Máy phát (MF) cung cấp điện cho đèn (Đ) và động cơ điện (ĐC) gồm có 3 nhánh  (1,2,3), 2 nút (A,B) và 3 mạch vịng (a,b,c) 1.3   CÁC   ĐẠI   LƯỢNG   ĐẶC   TRƯNG   QUÁ   TRÌNH   NĂNG   LƯỢNG   TRONG  MẠCH ĐIỆN 1.3. 1. Dịng điện Dịng điện i có trị  số  bằng tốc độ  biến thiên của  điện lượng Q qua tiết diện ngang của vật dẫn i =  dQ dt (1­1) đơn vị là ampe, A Người ta quy  ước chiều của dịng điện chạy trong  vật dẫn ngược với chiều chuyển động của điện tử  (hình  1.7) 1.3. 2. Điện áp Tại mỗi điểm trong mạch điện có một điện thế    Hiệu điện thế  giữa 2 điểm  gọi là điện áp U, đơn vị là von, V Điện áp giữa 2 điểm A và B (hình 1.8) là: UAB =  A  ­  B (1­2) Chiều điện áp quy ước là chiều từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế  thấp Điện áp giữa 2 cực của nguồn điện khi hở mạch ngồi (dịng điện  I = 0) được gọi là sức điện động E 1.3. 3. Cơng suất Cơng suất của nguồn sức điện động là: P = EI (1­3) Cơng suất của mạch ngồi là: P = UI (1­4) Đơn vị của cơng suất là ốt, W 1.4. MƠ HÌNH MẠCH ĐIỆN ­ CÁC THƠNG SỐ Khi tính tốn, mạch điện thực được thay thế  bằng một sơ  đồ  gọi là mơ hình  mạch điện, trong đó các phần tử được thay thế bằng các phần tử lý tưởng E, J, R 1.4.1. Sức điện động E Sức điện động E là phần tử lý tưởng, có trị số  bằng điện áp U đo được giữa 2   cực của nguồn khi hở mạch ngồi. Chiều của sức điện động quy ước từ điện thế thấp  đến điện thế cao (cực âm tới cực dương) (hình 1.9) Chiều của điện áp quy ước từ điện thế cao đến điện thế thấp, do đó nếu chiều  vẽ như hình 1.9 thì: U = E (1­5) 1.4.2. Nguồn dịng điện J Nguồn dịng điện J là phần tử  lý tưởng có trị  số  bằng dịng điện ngắn mạch   giữa 2 cực của nguồn (hình 1.10) 1.4.3. Điện trở R Điện trở  R đặc trưng cho một vật dẫn về  mặt cản trở dịng điện chạy qua. Về hiện tượng   năng lượng, điện trở  R đặc trưng cho tiêu tán,  biến đổi điện năng tiêu thụ  thành các dạng năng  lượng  khác như  nhiệt năng, quang năng…(hình  1.11) Cơng suất của điện trở P = RI2 (1­6) 10 Q = UIsin  = 100.14,14sin450 = 1000VAr S = UI = 100.14,14 = 1414VA b, Phương pháp cơng suất Để tính dịng điện I trong nhánh chính ta có thể khơng sử  dụng đồ thị vectơ mà   sử dụng phương pháp cơng suất như sau: Từ dịng điện, tính cơng suất P, Q, S của mạch như đã làm ở mục a, sau đó tính  dịng điện I ở mạch chính theo biểu thức: I =  U S 1414 14,14 A 100 c, Phương pháp số phức biểu diễn các đại lượng và định luật bằng số phức áp dụng định luật Ôm IR =  U =  Z 100 500 10 100 U I L =  jX L =  j5 U I C =  jX C =  100 00 j10 10 100 00 900 20 100 00 900 90 10 900 áp dụng Kiêcshôp 1 tại nút A I =  I +  I L +  I C  = 10 0 + 20 ­900 + 10  900 R = 10 + j0 + 0 ­ j20 + 0 + j10 = 10 ­ j10 = 14,14 ­450 Trị số hiệu dụng các dịng điện là: IR = 10A; IL = 20A; IC = 10A; I = 14,14A Cách tính cơng suất P, Q, S, cos  như ở mục a 6.3. Phương pháp dịng điện nhánh ẩn số của hệ phương trình là dịng điện các nhánh 86 Phương pháp này ứng dụng trực tiếp 2 định luật Kiêcshơp  1 và 2, và thực hiện  theo các bước sau: Bước 1: Xác định số  nút n = ……………, số  nhánh m = ………………Số  ẩn của hệ  phương trình bằng số nhánh m Bước 2: Tuỳ ý vẽ chiều dịng điện mỗi nhánh Bước 3: Viết phương trình Kiêcshơp 1 cho (n­1) nút đã chọn Bước 4: Viết phương trình Kiêcshơp 2 cho (m­(n­1)) = (m ­ n + 1) mạch vịng độc lập Bước 5: Giải hệ thống m phương trình đã thiết lập, ta có dịng điện các nhánh Bài tập ví dụ: Cho mạch điện như hình vẽ Tìm dịng điện trong các nhánh Lời giải: Bước 1: Mạch điện có 2 nút A và B, số nút n = 2; mạch có 3 nhánh 1, 2, 3, số nhánh m   = 3 Bước 2: Vẽ chiều dịng điện các nhánh I1, I2, I3 như hình 1.38 Bước 3: Số  nút cần viết phương trình Kiêcshơp 1 là n ­ 1 = 2 ­ 1 = 1. Chọn nút A   Phương trình Kiêcshoop 1 tại nút A ­ I ­ I + I = 0 (1) Bước 4: Chọn (m ­ n + 1) = 3 ­ 2 + 1 = 2  mạch vịng Chọn 2 mạch vịng độc lập a, b như hình vẽ. Viết phương trình Kiêcshơp 2 cho mạch   vịng a và b Phương trình Kiêcshoop 2 cho 2 mạch vịng Mạch vịng 1: Z I Z1 I U 87 I + j10 I =200 00 Mạch vòng 2: Z1 I ­ Z2 I = 0 j10 I + j5 I = 0 Giải hệ 3 phương trình trên ta sẽ có dịng điện  I , I , I Phương pháo dịng điện nhánh giải trực tiếp được các dịng điện các nhánh,   song số phương trình bằng số nhánh m, tườn đối lớn, địi hỏi nhiều thời gian tính tốn   giải hệ phương trình Vì thế  dưới đây đưa ra các phương pháp sử  dụng các  ẩn số  trung gian là dịng  điện mạch vịng, điện thế nút, do đó số phương trình sẽ  được giảm bớt, nhờ vậy tiết   kiệm thời gian tính tốn 6.4. Phương pháp dịng điện mạch vịng  phương pháp này,  ẩn số  trong hệ  phương trình khơng phải là dịng điện các   nhánh, mà là một dịng điện mạch vịng mang ý nghĩa về  tốn học, vì nếu biết được   chúng, có thể dễ dàng tính dịng điện các nhánh Các bước giải theo phương pháp dịng điện mạch vịng như sau: Bước 1: Xác định (m­n+1) mạch vịng độc lập và tuỳ  ý vẽ  chiều dịng điện mạch   vịng, thơng thường nên chọn chiều các dịng điện mạch vịng giống nhau, thuận tiện  cho lập hệ phương trình Bước 2: Viết phương trình Kiêcshơp 2 cho mỗi mạch vịng tuỳ  theo các dịng điện  mạch vịng đã chọn Bước 3: Giải hệ phương trình vừa thiết lập, ta có dịng điện mạch vịng Bước 4: Tính dịng điện các nhánh theo dịng điện mạch vịng như sau: dịng điện mỗi  nhánh bằng tổng đại số dịng điện mạch vịng chạy qua nhánh ấy Ví dụ 11: áp dụng phương pháp dịng điện mạch vịng giải mạch điện hình 1.39 88 Lời giải: Bước 1: Số mạch vịng độc lập m ­ n + 1 = 3 ­ 2 + 1 = 2 mạch vịng Vẽ chiều dịng điện mạch vịng Ia, Ib như hình vẽ Bước 2: Viết phương trình Kiêcshơp 2 cho các mạch vịng Mạch vịng a (47 + 22) Ia ­ 22Ib = 10 69Ia  ­ 22Ib = 10 Mạch vịng b (1) ­22Ia + (22 + 82)Ib = ­5 ­22Ia + 104Ib = ­5 (2) Bước 3: Giải hệ phương trình đã thiết lập 69Ia ­ 22Ib  = 10 ­22Ia + 104Ib = ­5 Sử dụng phương pháp ma trận: 10 22 104  Ia =  69 22 22 104 (10).(104) ( 5).( 22) (69).104 ( 22).( 22) 69 10 22 104 Ib =  69 22 22 104 (69).( 5) ( 22).(10) (69).104 ( 22).( 22) 0,138 A 0,0187 A 89 Bước 4: Tính dịng điện nhánh I1 = Ia =139mA I2 = Ia ­ Ib = 139 ­ (­18,7) = 158mA I3 = Ib = 18,7mA Dịng điện I3