Giáo trình Kỹ thuật điện (Nghề Điện tử công nghiệp Trình độ Cao đẳng, Trung cấp)

UBND TỈNH BÌNH ĐỊNH TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ QUY NHƠN GIÁO TRÌNH Mơn học: KỸ THUẬT ĐIỆN NGHỀ: ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP - CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo Quyết định số: 99/QĐ-CĐKTCNQN ngày 14 tháng năm 2018 Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cơng nghệ Quy Nhơn Bình Định TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Để thực biên soạn giáo trình đào tạo nghề Điện tử cơng nghiệp trình độ Trung cấp Cao Đẳng, giáo trình Kỹ thuật điện giáo trình mơn học đào tạo chuyên ngành biên soạn theo nội dung chương trình khung Nội dung biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, tích hợp kiến thức kỹ chặt chẽ với nhau, logic Trong trình sử dụng giáo trình, tùy theo yêu cầu khoa học công nghệ phát triển điều chỉnh thời gian, bổ sung kiến thức trang thiết bị phù hợp với điều kiện giảng dạy Tuy nhiên, tùy theo điều kiện sở vật chất trang thiết bị, giáo viên khoa có thề sử dụng cho phù hợp Mặc dù cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng mục tiêu đào tạo không tránh khiếm khuyết Rất mong nhận đóng góp ý kiến thầy, giáo, bạn đọc để nhóm biên soạn hiệu chỉnh hoàn thiện Các ý kiến đóng góp xin gửi Trường Cao Đẳng kỹ thuật công nghệ Quy Nhơn, 172 An Dương Vương, TP Quy Nhơn Tham gia biên soạn Nguyễn Văn Đại Nguyễn Giang Long MỤC LỤC Trang CHƯƠNG 1: MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Những khái niệm mạch điện 1.2 Các phương pháp phân tích mạch điện 13 1.3 Giải mạch điện phương pháp dòng điện vòng 19 1.4 Giải mạch điện phương pháp xếp chồng dòng điện 20 CHƯƠNG 2: MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN 26 2.1 Các đại lượng đặc trưng cho dịng điện hình sin .26 2.2 Trị số hiệu dụng dịng điện hình sin .29 2.3 Biểu diễn dịng điện hình sin véc tơ 30 2.4 Dịng điện hình sin nhánh điện trở 33 2.5 Dịng điện hình sin nhánh điện càm 36 2.6 Dịng điện hình sin nhánh điện dung 38 2.7 Giải tập dịng điện hình sin nhánh R-L-C nối tiếp 41 2.8 Cơng suất dịng điện hình sin 44 2.9 Phương pháp nâng cao hệ số công suất 46 CHƯƠNG 3: MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU PHA 50 3.1 Hệ thống mạch điện ba pha .50 3.2 Cách nối hình 51 3.3 Cách nối hình tam giác 53 3.4 Công suất mạch điện ba pha 54 3.5 Giải mạch điện ba pha đối xứng 55 CHƯƠNG 4: MÁY ĐIỆN .60 4.1 Khái niệm chung máy điện .60 4.2 Máy biến áp .64 4.3 Máy điện không đồng .68 4.4 Giải tập máy điện không đồng 75 4.5 Máy điện chiều 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO .83 GIÁO TRÌNH MƠN HỌC Tên môn học: Kỹ thuật điện Mã môn học: MH 08 Vị trí, tính chất, vai trị ý nghĩa mơn học: - Vị trí: mơn học bố trí dạy từ đầu khóa học, trước học mơn chun mơn - Tính chất: Là mơn học sở cung cấp cho người học kiến thức mạch điện chiều, mạch điện xoay chiều; kiến thức máy điện Mục tiêu môn học: Sau học xong mơ đun học viên có lực: - Kiến thức: + Mô tả mạch điện mơ hình mạch điện với thơng số đặc trưng phần tử mạch; + Hiểu vận dụng phương pháp thích hợp để giải tốn kỹ thuật điện - Kỹ năng: + Tính tốn thông số kỹ thuật mạch điện chiều, xoay chiều; + Trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc máy điện - Năng lực tự chủ trách nhiệm: + Tích cực, tư giải tập lớp tự học Nội dung môn học: Số Thời gian (giờ) Tên môn học TS LT TH KT TT 18 11 1 Chương 1: Mạch điện chiều Chương 2: Mạch điện xoay chiều hình sin 18 12 Chương 3: Mạch điện xoay chiều pha 45 29 15 Chương 4: Máy điện 90 58 30 Tổng cộng CHƯƠNG 1: MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU Mã chương: MH8-01 Thời gian: 18 (LT: 03; TH: 04; Tự học:10; KT: 01) Giới thiệu: Trong thực tế mạch điện chiều ứng dụng nhiều lĩnh vực điện, điện tử, dòng điện chiều tương đối ổn định việc nghiên cứu để giải mạch điện chiều sở để chuyển đổi giải mạch điện biến đổi khác dạng mạch điện chiều cách biến đổi, phương pháp giải mạch điện chiều nghiên cứu kỹ Mục tiêu: - Mô tả mạch điện mơ hình mạch điện với thông số đặc trưng phần tử mạch; - Trình bày định luật mạch điện, từ biết áp dụng vào tốn giải mạch điện; - Vận dụng phương pháp giải mạch điện, ý nghĩa hệ số công suất Nội dung 1.1 Những khái niệm mạch điện 1.1.1 Mạch điện, kết cấu hình học mạch điện 1.1.1.1 Khái niệm mạch điện Mạch điện tập hợp thiết bị điện nối với dây dẫn tạo thành mạch kín dịng điện chạy qua Mạch điện thường gồm phần tử sau: Nguồn điện, phụ tải (tải), dây dẫn Hình 1.1 ví dụ mạch điện, đó: Nguồn điện máy phát điện MF, tải gồm động điện ĐC bóng đèn Đ, dây dẫn truyền tải điện từ nguồn đến tải Hình 1.1: Mơ hình mạch điện * Nguồn điện: Nguồn điện thiết bị điện tạo điện Về nguyên lý, nguồn điện thiết bị biến đổi dạng lượng năng, hóa năng, nhiệt năng, v.v… thành điện Ví dụ: Pin, ắc quy biến đổi hóa thành điện Máy phát điện biến đổi thành điện Pin mặt trời biến đổi lượng xạ mặt trời thành điện năng, v.v… *Tải: Tải thiết bị tiêu thụ điện biến đổi điện thành dạng lượng khác năng, nhiệt năng, quang v v…Ví dụ: Động điện tiêu thụ điện biến điện thành Bàn là, bếp điện biến điện thành nhiệt Bóng đèn biến điện thành quang năng… * Dây dẫn: Dây dẫn dùng để dẫn điện từ nguồn đến phụ tải Ngoài thành phần trên, mạch điện cịn có thiết bị phụ trợ để bảo vệ điều khiển cầu dao, áp tơ mát, cầu chì, rơle… 1.1.1.2 Kết cấu hình học mạch điện Kết cấu hình học mạch điện gồm: - Nhánh: Nhánh đoạn mạch có phần tử ghép nối tiếp với có dịng điện chạy qua Trên mạch hình 1-1 có nhánh 1,2,3 Nút: Nút điểm gặp từ ba nhánh trở lên Trên mạch hình 1-1 có nút A, B - Mạch vịng: Mạch vịng nối khép kín qua nhánh Trên mạch hình 1-1 có vịng V1, V2, V3 Mạch vịng độc lập mạch vịng phải kép kín qua nhánh chưa tham gia vào vịng chọn Trên mạch hình 1-1 có vịng độc lập V1, V2 Mạch điện đơn giản mạch điện có nhánh, khơng có nút có mạch vịng Mạch điện phức tạp mạch điện có nhiều nhánh, nhiều mạch vòng nhiều nút 1.1.2 Các đại lượng đặc trưng cho trình lượng mạch điện Để đặc trưng cho trình lượng nhánh phần tử mạch điện ta dùng hai đại lượng: Dòng điện i điện áp u Hình 1.2: Chiều điện áp dịng điện * Dòng điện: - Dòng điện i trị số tốc độ biến thiên lượng điện tích q qua tiết diện ngang vật dẫn: i = dq/dt (1.1) - Chiều dòng điện quy ước chiều chuyển động điện tích dương (ion dương), ngược với chiều chuyển động ion âm electron (điện tử) Trên nhánh chiều dương quy ước dòng điện chọn tùy ý ký hiệu mũi tên hình 1.2 - Đơn vị đo dòng điện ampe Ký hiệu A * Điện áp: Tại điểm mạch điện có điện Hiệu điện (hiệu thế) hai điểm gọi điện áp Như điện áp hai điểm a b có điện φa , φb là:a , φa , φb là:b là: uab = φa , φb là:a - φa , φb là:b = ua - ub (1.2) - Chiều điện áp quy ước chiều từ điểm có điện cao đến điểm có điện thấp - Điện áp hai cực nguồn điện hở mạch ngồi (dịng điện I = 0) gọi sức điện động E - Đơn vị đo điện áp, sức điện động von Ký hiệu V *Công suất tức thời Công suất tức thời: pt  ut.it (1.3) 1.1.3 Mơ hình mạch điện, thơng số Hình 1.3: Các phần tử mạch điện Kí hiệu nguồn điện áp độc lập: Hình 1.4: Kí hiệu nguồn điện áp độc lập Kí hiệu nguồn điện áp phụ thuộc: u1  u1 i1 α u2 u2 = ri1(volts) u2 u1 u2 = R.I1 Hình 1.5: Kí hiệu nguồn điện áp phụ thuộc Dòng điện nguồn phụ thuộc vào tải mắc vào Nguồn dịng Nguồn dịng độc lập phần tử hai cực mà dịng điện khơng phụ thuộc vào điện áp hai cực nguồn: i(t)=j(t) Kí hiệu nguồn độc lập: Hình 1.6: Kí hiệu nguồn độc lập Kí hiệu nguồn phụ thuộc: i2 gu1 u1 u2 i2 β i1(A) i1 i2 = gu1  i2 = i1 Hình 1.7: Kí hiệu nguồn phụ thuộc 1.1.4 Phân loại chế độ làm việc mạch điện *Phân loại - Mạch điện chiều - Mạch điện xoay chiều * Chế độ làm việc - Chế độ xác lập: Là trình, tác động nguồn, dịng điện điện áp nhánh đạt trạng thái ổn định, dòng áp nhánh biến thiên theo quy luật giống với quy luật biến thiên nguồn - Chế độ độ: trình chuyển tiếp từ chế độ xác lập sang chế độ xác lập khác, thời quan độ thường ngắn 1.1.5 Các định luật mạch điện 1.1.5.1 Định luật Ohm * Định luật ơm đối vơi đoạn mạch có điên trở Định luật: Cường độ dòng điện chạy qua đoạn mạch có có điện trở R: - tỉ lệ thuận với hiệu điện hai đầu đoạn mạch - tỉ lệ nghịch với điện trở I U I R (1.4) A R U B Nếu có R I, hiệu điện tính sau: U = VA - VB = I.R (1.5) I.R: gọi độ giảm (độ sụt hay sụt áp) điện trở Công thức định luật ơm cho phép tính điện trở: Đặc tuyến V - A (vơn - ampe) Đó đồ thị biểu diễn I theo U gọi đường đặc trưng vôn - ampe I O U Hình 1.8: Đặc tuyến V - A Đối với vật dẫn kim loại (hay hợp kim) nhiệt độ định đặc tuyến V –A đoạn đường thẳng qua gốc trục: R có giá trị khơng phụ thuộc U (vật dẫn tn theo định luật ơm) Ví dụ 1: Khi đặt điện áp U = 24V vào đoạn mạch, thấy có dịng điện I = 6A qua Tính điện trở đoạn mạch Giải: Điện trở đoạn mạch, ta có: r U 24   4 I * Định luật ơm cho tồn mạch Cường độ dịng điện mạch kín: Giả sử có mạch điện khơng phân nhánh hình 1.9, nguồn có sức điện động E, điện trở R0, cung cấp cho tải có điện trở R, qua đường dây có điện trở Rd, dịng điện mạch I Hình 1.9: Mạch điện khơng phân nhánh Áp dụng định luật Ohm cho đoạn mạch ta có Điện áp tải: U I R Điện áp đường dây: U d  I Rd Điện áp điện trở nguồn: U  I R0 E U  U d  U  I  R0  Rd  R   I R Ở đây: R  R0  R d  R : tổng trở tồn mạch Từ đó: I E E  R R0  Rn Trong : Rn  Rd  R : điện trở mạch 10