Giáo trình Điện kỹ thuật

giáo trình môn điện kỹ thuật cho mọi người đây!

LỜI NÓI ĐẦU Kỹ thuật điện là ngành khoa học ứng dụng các hiện tượng điện từ để biến đổi năng lượng, gia công vật liệu, truyền tải thông tin v.v bao gồm việc tạo ra, biến đổi và sử dụng điện năng trong các hoạt động thực tiễn của con người. Ngày nay, điện năng được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, giao thông vận tải, nông lâm nghiệp, thông tin liên lạc và dịch vụ vì chúng có ưu điểm hơn các dạng năng lượng khác. Nhằm đáp ứng yêu cầu giảng dạy, học tập của giáo viên và học sinh Trường trung cấp nghề số 13 – Bộ Quốc phòng và các trường dạy nghề trong tình hình mới. Chúng tôi biên soạn cuốn giáo trình Điện kỹ thuật với khối lượng 3 đơn vị học trình (45 tiết). Giáo trình được biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, đề cập những nội dung cơ bản trọng tâm của môn học đồng thơì bổ sung những kiến thức mới, có gợi ý tham khảo để phát triển tư duy của người học. Trong quá trình biên soạn giáo trình, mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng không tránh khỏi những hạn chế nhất định. Chúng tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp xây dựng của các thầy giáo, cô giáo, các bạn đồng nghiệp và độc giả để việc biên soạn giáo trình được hoàn thiện hơn trong lần tái bản sau. Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn sự đóng góp ý kiến của Hội đồng thẩm định giáo trình các môn học/mô đun đào tạo nghề trong Trường trung cấp nghề số 13 – Bộ Quốc phòng đã giúp đỡ chúng tôi hoàn thành cuốn giáo trình này. NHÓM BIÊN SOẠN Giáo trình Điện Kỹ Thuật 3 Giáo trình Điện Kỹ Thuật 4 CHƯƠNG 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ MẠCH ĐIỆN 1. MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1. Mạch điện Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện nối với nhau bằng các dây dẫn tạo thành những vòng khép kín trong đó dòng điện có thể chạy qua. Mạch điện thường gồm các phần tử sau: nguồn điện, phụ tải (tải), dây dẫn. Hình 1.1 là một ví dụ về mạch điện. Trong đó nguồn điện là máy phát điện MF, tải gồm động cơ điện ĐC và bóng đèn Đ, các dây dẫn truyền tải điện năng từ nguồn tới tải. *Nguồn điện: Nguồn điện là thiết bị phát ra điện năng. Về nguyên lí, nguồn điện là thiết bị biến đổi các dạng năng lượng như cơ năng, hoá năng, nhiệt năng… thành điện năng. Ví dụ: pin, ắc quy biến đổi hoá năng thành điện năng, máy phát điện biến đổi cơ năng thành điện năng, pin mặt trời biến đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng… * Tải: Tải là các thiết bị tiêu thụ điện năng và biến đổi điện năng thành các dạng năng lượng khác như cơ năng, hoá năng, nhiệt năng, quang năng…Ví dụ: động cơ điện tiêu thụ điện năng và biến điện năng thành cơ năng, bàn là, bếp điện biến điện năng thành nhiệt năng, bóng điện biến điện năng thành quang năng… 1.1.1. Kết cấu hình học của mạch điện * Nhánh: Nhánh là bộ phận của mạch điện gồm các phần tử nối tiếp nhau, trong đó có cùng dòng điện chạy qua. Hình vẽ 1.1 có 3 nhánh được đánh số 1, 2, 3. * Nút: Nút là chỗ gặp nhau của từ ba nhánh trở lên. Trên hình 1.1 có hai nút là A và B. * Vòng: Vòng là lối đi khép kín qua các nhánh. Mạch điện trên hình 1.1 tạo thành ba vòng ký hiệu a, b, c. 1.1.2. Nguyên lí làm việc của máy điện một chiều a. Nguyên lí làm việc và phương trình điện áp máy phát điện một chiều Hình 1.2 mô tả nguyên lí làm việc của máy phát điện một chiều, trong đó dây quấn phần ứng chỉ có một phần tử nối với hai phiến đổi chiều. Giáo trình Điện Kỹ Thuật 5 MF ĐCĐ A B a b 2 c 1 3 Hình 1.1 Dây dẫn Khi động cơ sơ cấp quay phần ứng, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt từ trường của cực từ, cảm ứng các suất điện động. Chiều suất điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải. Như hình 1.2, từ trường hướng từ cực N đến S, chiều quay phần ứng ngược chiều kim đồng hồ. Ở thanh dẫn phía dưới, suất điện động có chiều từ b đến a. Ở thanh dẫn phía trên, chiều suất điện động từ d đến c. Suất điện động của phần tử bằng hai lần suất điện động của thanh dẫn. Nếu nối hai chổi điện A và B với tải, trên tải sẽ có dòng điện chiều từ A đến B. Điện áp của máy phát điện có cực dương ở chổi A và âm ở chổi B. Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí của phần tử thay đổi, thanh a-b ở cực S, thanh d-c ở cực N, suất điện động trong thanh dẫn đổi chiều. Nhờ có chổi điện đứng yên, chổi điện A vẫn nối với phiến góp phía trên, chổi B nối với phiến góp phía dưới nên chiều dòng điện ở mạch ngoài không đổi. Ta có máy phát điện một chiều với cực dương ở chổi A, cực âm ở chổi B. Nếu máy chỉ có một phần tử, điện áp đầu cực như hình 1.3a. Để điện áp lớn và ít đập mạch (hình 1.3b), dây quấn phải có nhiều phần tử, nhiều phiến đổi chiều. Ở chế độ máy phát, dòng điện phần ứng I ư cùng chiều với suất điện động phần ứng E ư . Giáo trình Điện Kỹ Thuật 6 R S N B A a b c d Hình 1.2 t e 0 a) t E  b) 1+2+7+8 1+2 7+8 0 Hình 1.3 Phương trình điện áp là: U = E ư - R ư I ư (1.1) Trong đó: R ư I ư : là điện áp rơi trong dây quấn phần ứng. R ư : là điện trở của dây quấn phần ứng. U: là điện áp đầu cực máy. E ư : là suất điện động phần ứng. 1.1.3. Cường độ dòng điện a. Cường độ dòng điện Để đặc trưng cho độ mạnh, yếu của dòng điện, người ta dùng đại lượng gọi là cường độ dòng điện. Cường độ dòng điện i (gọi tắt là dòng điện) về trị số bằng tốc độ biến thiên của lượng điện tích q qua tiết diện ngang của một vật dẫn trong một đơn vị thời gian. dt dq i = (1.2) Cường độ dòng điện trung bình trong một khoảng thời gian được định nghĩa bằng thương số giữa điện lượng chuyển qua bề mặt được xét trong khoảng thời gian đó và khoảng thời gian đang xét. t Q I tb ∆ ∆ = Trong đó: + I tb là cường độ dòng điện trung bình, đơn vị là A (ampe) + ΔQ là điện lượng chuyển qua bề mặt được xét trong khoảng thời gian Δt, đơn vị là C (coulomb) + Δt là khoảng thời gian được xét, đơn vị là s (giây) Khi khoảng thời gian được xét vô cùng nhỏ, ta có cường độ dòng điện tức thời: dt dQ I = b. Mật độ dòng điện Mật độ dòng điện (ký hiệu là δ) là đại lượng đo bằng thương số giữa dòng điện chạy qua dây dẫn và tiết diện dây. Công thức: S I = δ (A/mm 2 ) Sự phát nóng của dây dẫn phụ thuộc vào mật độ dòng điện qua nó. Giáo trình Điện Kỹ Thuật Đại lượng Ký hiệu Đơn vị đo Công thức Mật độ dòng điện δ A/mm 2 δ = I/S Tiết diện dây dẫn S mm 2 S = I/δ Dòng điện cho phép I A I = δ.S 7 Mật độ dòng điện có ý nghĩa trong thiết kế mạch điện, trong điện tử học. Các thiết bị tiêu thụ điện thường bị nóng lên khi có dòng điện chạy qua, và chỉ hoạt động tốt dưới một mật độ dòng điện an toàn nào đấy; nếu không chúng sẽ nóng quá dẫn đến chảy hoặc cháy mạch điện. Ngay cả trong vật liệu siêu dẫn, nơi điện năng không bị chuyển. 1.2. Các định luật và đại lượng đặc trưng của dòng điện một chiều 1.2.1. Định luật Ôm a. Định luật Ôm cho đoạn mạch * Thành lập công thức và phát biểu định luật Ôm: - Thành lập công thức: Xét đoạn mạch AB có điện áp U, chiều dài l, tiết diện s: R U I = (A) (1.3) - Định luật Ôm: Dòng điện trong mạch tỉ lệ thuận với điện áp hai đầu đoạn mạch và tỉ lệ nghịch với điện trở của đoạn mạch. b. Định luật Ôm cho toàn mạch Giả sử một đoạn mạch không phân nhanh như hình 1.4: U là điện áp ngoài: U = I.R, U 0 là điện áp rơi trong nguồn: U 0 = I.r 0, U d là điện áp trên đường dây: U d = I.R d Theo định luật Ôm: E = U + U 0 + U d E = I.R + I.r 0 + I.R d => Rr d R E I ++ = 0 (1.4) * Định luật Ôm: Dòng điện chạy trong mạch tỉ lệ thuận với suất điện động của nguồn và tỉ lệ nghịch với điện trở toàn mạch. Nếu gọi U = I.R là hiệu điện thế của mạch ngoài thì hệ thức được viết lại: U = E - I.r 0 + I.R d Nếu điện trở trong của nguồn rất nhỏ, và điện trở của dây dẫn không đáng kể (r=0, R d =0) hoặc hở mạch I=0, thì hiệu điện thế giữa hai cực của một nguồn điện bằng suất điện động của nguồn điện đó. 1.2.2. Định luật Kiecshop a. Định luật Kiecshop1 Định luật Kiếchốp1 phát biểu cho một nút: Tổng đại số các dòng điện tại một nút bằng không: ΣI = 0 (1.5) Giáo trình Điện Kỹ Thuật 8 R E,r 0 R d Hình 1.4 Trong đó: nếu quy ước các dòng điện đi tới nút mạng dấu dương, thì các dòng điện rời khỏi nút mang dấu âm hoặc ngược lại. Ví dụ: Tại nút A trên hình 1.5 định luật Kiecshop1 được viết: I 1 + I 2 + I 3 – I 4 = 0 (1.6) Từ phương trình trên có thể viết lại I 1 + I 2 + I 3 = I 4 (1.7) Nghĩa là tổng các dòng điện tới nút bằng tổng các dòng điện rời khỏi nút. Định luật Kiecshop1 nói lên tính chất liên tục của dòng điện. Trong một nút không có hiện tượng tích luỹ điện tích, có bao nhiêu điện tích tới nút thì cũng có bấy nhiêu điện tích rời khỏi nút. b. Định luật Kiecshop2 Định luật Kiecshop2 phát biểu cho mạch vòng kín. Trong mỗi mạch vòng của mạch điện, nếu ta xuất phát từ một điểm, đi qua tất cả các phần tử của vòng (gồm các suất điện động và các sụt áp trên từng đoạn mạch) rồi trở lại điểm xuất phát thì ta có lại điện thế ban đầu. Như vậy, ta có nhận xét rằng tổng các suất điện động trong mạch vòng sẽ cân bằng với sụt áp trên từng đoạn mạch. Đó là cơ sở của định luật Kiecshop2. Nội dung định luật Kiecshop2 được phát biểu như sau: Đi theo một vòng khép kín, theo một chiều tuỳ ý, tổng đại số các điện áp rơi trên các phần tử bằng tổng đại số các sức điện động trong vòng. ∑ ∑ = RIE . (1.8) Để viết được phương trình Kiecshop2, ta phải chọn chiều dương cho các vòng (thuận hay ngược chiều kim đồng hồ tuỳ theo sự thuận tiện của từng mạch vòng). Những sức điện động và dòng điện có chiều trùng với chiều đi vòng sẽ lấy dấu dương, ngược lại mang dấu âm. Giáo trình Điện Kỹ Thuật 9 E 1 I 1 R 1 I 4 R 1 E 3 I 3 R 3 E 1 I 2 R 2 A B + + - - U Hình 1.5 Hình 1.6 R4 R1 R3 R5 R2 A B C D E F G H E E 1 E 2 + I 1 I 3 I 5 I 2 I 4 VÝ dô: Dựa vào hình 1.6, chọn chiều của các suất điện động và chọn chiều của dòng vòng như hình vẽ. Áp dụng định luật Kiecshop2 ta có: + Viết cho vòng ABFE gồm các phần tử (E 1 , R 1 , R 3 ): 33111 RIRIE += + Viết cho vòng ADHE gồm các phần tử (E 1 , R 1 , R 4 , E 2 , R 2 ): 22441121 RIRIRIEE −+=− Tương tự ta viết cho các vòng khác. + Viết cho vòng BCGF gồm các phần tử (R 3 , R 4 , R 5 ): I 4 .R 4 + I 5 .R 5 - I 3 .R 3 =0 + Viết cho vòng CDHG: -E 2 = -I 2 .R 2 – I 5 R 5 ⇔ E 2 = I 2 .R 2 + I 5 R 5 + Viết cho vòng FHDB: E 2 = I 2 R 2 + I 3 R 3 - I 4 R 4 1.2.3. Định luật Joule - Lenz Nhiệt lượng toả ra trên một vật dẫn khi có dòng điện không đổi chạy qua, tỷ lệ thuận với điện trở của vật, với bình phương cường độ dòng điện và với thời gian dòng điện chạy qua vật. tRIQ 2 = (J) (1.9) Q= 0,24 I 2 Rt (calo) Sự toả nhiệt trong các vật dẫn điện có dòng điện chạy qua (gọi là hiệu ứng Joule-Lenz) giữ một vai trò quan trọng trong kĩ thuật. Tất cả các dụng cụ dùng để đốt nóng bằng điện đều dựa vào hiệu ứng Joule-Lenz: bếp điện, bàn là điện, lò sưởi điện, hàn điện, đúc điện Ðèn điện nóng sáng là một trong những ứng dụng phổ biến nhất của hiệu ứng. Tuy nhiên, hiệu ứng này cũng có mặt tác hại: đó là sự toả nhiệt làm hao phí vô ích trong nguồn điện, trong các dây dẫn tải điện năng từ chỗ cung cấp đến nơi tiêu thụ. 1.2.4. Định luật Faraday Thí nghiệm Faraday Lấy một ống dây điện và mắc nối tiếp nó với một điện kế G thành một mạch kín (hình 1.7a). Phía trên ống dây đặt một thanh nam châm 2 cực S-N. Thí nghiệm cho thấy: Nếu rút thanh nam châm ra, dòng điện cảm ứng có chiều ngược lại (hình 1.7b). Giáo trình Điện Kỹ Thuật 10 Di chuyển thanh nam châm càng nhanh, cường độ dòng điện cảm ứng Ic càng lớn. Giữ thanh nam châm đứng yên so với ống dây, dòng điện cảm ứng sẽ bằng không. Nếu thay nam châm bằng một ống dây có dòng điện chạy qua, rồi tiến hành các thí nghiệm như trên, ta cũng có những kết quả tương tự. Từ các thí nghiệm đó, Faraday đã rút ra những kết luận sau đây: Từ thông gửi qua mạch kín biến đổi theo thời gian là nguyên nhân sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch đó. Dòng điện cảm ứng chỉ tồn tại trong thời gian từ thông gửi qua mạch kín biến đổi. Cường độ dòng điện cảm ứng tỉ lệ thuận với tốc độ biến đổi của từ thông. Chiều của dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào sự tăng hay giảm của từ thông gửi qua mạch. 1.3. Công và công suất của dòng điện, nguồn điện trong mạch một chiều 1.3.1. Công của dòng điện Công của dòng điện là công của lực làm dịch chuyển các điện tích trong mạch. A=q.U=U.I.t (1.10) Vậy công của dòng điện sản ra trên một đoạn mạch tỷ lệ với điện áp hai đầu đoạn mạch, với cường độ dòng điện qua mạch và thời gian dòng điện duy trì. 1.3.2. Công suất của dòng điện Công suất của dòng điện trên một đoạn mạch tỷ lệ với điện áp hai đầu đoạn mạch và dòng điện qua mạch. IU t UIt t A P .=== (1.11) Giáo trình Điện Kỹ Thuật 11 Hình 1.7 Đơn vị: W, KW, MW Trong ngành kỹ thuật điện người ta dùng đơn vị là Wh; KWh; MWh. 1Wh = 1W.3600s = 3600J = 3,6KJ 1KWh = 3600KJ Nếu U = 1(V), I = 1(A), thì P = 1(W) 1.3.3. Công của nguồn điện Công của nguồn điện là số đo năng lượng chuyển hóa các dạng năng lượng khác thành điện năng. Biểu thức: A ng = E.q = EIt (1.12) 1.3.4. Công suất của nguồn điện Công suất của nguồn điện bằng tích của suất điện động với dòng điện: P ng = IE t A ng .= Từ định luật Ôm cho toàn mạch ta có: E= U+U o +U d  EI=UI+U d I+U o I Hay: P f = P + P d + P 0 =∑P Vậy trong mạch điện công suất của nguồn phát ra bằng tổng công suất của dòng điện trên toàn mạch. Theo định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng: Trong một đoạn mạch, tổng công suất phát trên nguồn bằng tổng công suất tiêu thụ trên các phụ tải và công suất tổn hao trong mạch. ∑P f = ∑P + ∆P ∑ (1.13) 1.3.5. Quan hệ giữa công, công suất và điện trở trên một đoạn mạch Xét một đoạn mạch có một điện trở R, điện áp U và dòng điện I thì công suất của dòng điện trên đoạn mạch là: RR U UUIP U 2 . === =I 2 R A=P.t=I 2 .R.t tRItIU R tU tPA 2 2 ==== A= U.I.t (1.14) Đây là biểu thức tính điện năng trong mạch một chiều. Giáo trình Điện Kỹ Thuật 12 [...]... (hay 103VAr) Vi: 1MVAr = 1000KVAr = 1000000VAr (hay 106VAr) 3.3 Mch in xoay chiu thun in dung (C) * Quan h dũng in, in ỏp Giả sử tụ điện có điện dung C, tổn hao không đáng kể, điện cảm của mạch có thể bỏ qua Khi cú dũng in i = I max sin t qua tụ in tạo thành mạch thuần điện dung (nh hình 3.3) thì in ỏp ri trờn in dung l: u C (t ) = Trong ú: 1 C 1 idt = C U C max = UC = I max sin tdt = 1 I max cos... nghch lu dựng cỏc Thyristor Trong k thut ngun xoay chiu c ký hiu l AC (vit tt ca Alternating Current) hoc ký hiu bi hỡnh ~ (du ngó - hỡnh sin) Dòng điện xoay chiều hình sin là dòng điện biến thiên theo quy luật hình sin, theo thời gian đựơc gọi là dòng điện xoay chiều hình sin (hình 2.1) Hỡnh 2.2 Nguyờn lý mỏy phỏt in xoay chiu Sut in ng xoay chiu hỡnh sin c to ra trong mỏy phỏt in xoay chiu mt pha... dũng in yờu cu S phn t ni tip n cn bo m sut in ng c b bng hoc ln hn in ỏp U, cũn s nhỏnh song song m cn m bo dũng in phúng c b bng hoc ln hn dũng in yờu cu I (Hỡnh 1.9b) b u ni tip, song song in tr - Điện trở u ni tip (hỡnh 1.10) + Trong on mch mc ni tip R1 R2 Rn I cng dũng in I cú giỏ tr nh nhau trong cỏc vt dn A B U1 U2 Un I = I1 = I2 =.= In Hỡnh 1.10 in tr u ni tip + in tr ca cỏc vt dn l: R 1,