Giáo Trình Kỹ Thuật Điện: Kỹ thuật Điện – Điện tử công nghiệp là một môn học cơ sở quan trọng đối với sinh viên khối kỹ thuật nói chung và sinh viên ngành công nghệ hàn nói riêng. Để có thể tiếp tục nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực điện thì sinh viên phải nắm vững những kiến thức của môn học này.Kỹ thuật điện nghiên cứu những ứng dụng của các hiện tượng điện từ nhằm biến đổi năng lượng và tín hiệu, bao gồm việc phát, truyền tải, phân phối và sử dụng điện năng trong sản xuất và đời sống. Giáo trình kỹ thuật điện gồm hai phần: Phần 1: Mạch điện, bao gồm 4 chương Phần 2: Máy điện, bao gồm bốn chương Quyển sách này trình bày các kiến thức cơ bản về mạch điện, phương pháp tính toán mạch điện, dòng điện xoay chiều hình sin một pha và ba pha, các kiến thức về nguyên lý, cấu tạo, đặc tính và ứng dụng các loại máy điện.
BỘ LAO ĐỘNG THƯƠNG BÌNH VÀ XÃ HƠI TRƯỜNG CAO ĐẲNG QUỐC TẾ LILAMA BÀI GIẢNG MÔN HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP DÙNG CHO NGHỀ CÔNG NGHỆ HÀN ĐỒNG NAI NĂM 2023 LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, với phát triển nhanh chóng khoa học kỹ thuật, đặc biệt kỹ thuật điện, phát triển mạnh ứng dụng rộng rãi lĩnh vực khoa học côn nghệ đời sống có cơng nghệ hàn Mơn học Kỹ thuật điện – điện tử công nghiệp đời đáp ứng phần yêu cầu cho học sinh, sinh viên ngành khí nói chung nghề hàn nói riêng Nội dung giáo trình biên soạn dựa kế thừa nhiều tài liệu trường đại học cao đẳng, kết hợp với yêu cầu nâng cao chất lượng đào tạo cho sinh viên trường dạy nghề nước Để giúp cho sinh viên nắm kiến thức điện kỹ thuật - điện tử công nghiệp công nghệ hàn Nội dung giáo trình bao gồm : Chương 1: Khái niệm dòng điện, định luật để giải mạch điện xoay chiều Chương 2: Mạch điện xoay chiều ba pha Chương 3: Máy phát điện chiều Chương 4: Máy phát điện xoay chiều Chương 5: Máy biến áp `` Chương 6: Điện tử công nghiệp Kiến thức giáo trình biên soạn theo chương trình dạy nghề Tổng cục Dạy nghề phê duyệt, xếp logic khoa học Sau học có câu hỏi, tập kèm để sinh viên nâng cao tính thực hành mơn học Do đó, người đọc hiểu cách dễ dàng nội dung chương trình Mặc dù cố gắng chắn không tránh khỏi sai sót, tác giả mong nhận ý kiến đóng góp người đọc để lần xuất sau giáo trình hồn thiện Xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM VỀ DÒNG ĐIỆN, CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN ĐỂ GIẢI MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU Mục tiêu: - Trình bày khái niệm dịng điện chiều, xoay chiều, định luật ôm đại lượng đặc trưng Giải toán mạch điện xoay chiều pha định luật ôm Rèn luyện tính tự giác, ý thức tham gia học tập A Nội dung: Khái niệm dòng điện chiều, xoay chiều 1.1 Khái niệm dòng điện chiều 1.1.1 Dòng điện D D A B A B Hình 1.1 Khi ta nối vật A tích điện với vật B khơng tích điện vật dẫn D thỡ cỏc điện tích chuyển dời từ A qua D sang B tạo thành dòng điện * Định nghĩa: Dịng điện tích chuyển dời có hướng tác dụng lực điện trường gọi dòng điện 1.1.2 Dòng điện chiều Dòng điện chiều dịng điện có chiều trị số khơng thay đổi theo thời gian Ký hiệu DC 1.2 Khái niệm dòng điện xoay chiều 1.2.1 Khái niệm Dòng điện xoay chiều hình sin sử dụng phổ biến sản xuất đời sống xã hội, 1.2.2 Nguyên lý sản sinh dòng điện xoay chiều Nguyên lý hình 1.1 người ta tác dụng lực học vào trục làm cho khung dây quay, cắt đường sức từ trường nam châm NS, khung dây cảm ứng sức điện động xoay chiều hình sin Hình 1: Ngun lý sinh dịng điện xoay chiều Vành trượt Chổi than Nam châm Cực bắc, Cực Nam Hình 1: Ngun lý sinh dịng điện xoay chiều Tải Khung dây Truc quay Dòng điện cung cấp cho tải thơng qua vịng trượt chổi than (hình 1.28) Khi công suất điện lớn, cách lấy điện gặp nhiều khó khăn chỗ tiếp xúc vành trượt chổi than.Trong công nghiệp, máy phát điện xoay chiều chế tạo sau: Dây quấn đứng yên rãnh lõi thép phần tĩnh nam châm NS phần quay Hình 2: Mơ hình máy phát điện xoay chiều 1.2.3 Các đại lượng đặc trưng của dòng điện xoay chiều Dòng điện xoay chiều hình sin dịng điện có chiều trị số biến đổi cách tuần hoàn liên tục theo quy luật hình sin với thời gian, biểu diễn dạng tổng quát Hình 3: Đồ thị hình sin a Biên độ hình sin Xm: đại lượng Giá trị cực đại đại lượng hình sin, nói lên đại lượng hình sin lớn hay bé Để phân biệt trị số tức thời, ký hiệu chữ in thường x(i,u, ) Biên độ ký hiệu chữ in hoa Xm (Im, Um, ) b Góc pha (t + x) Là xác định chiều trị số đại lượng hình sin thời điểm t c Pha ban đầu Pha ban đầu x : Xác định chiều trị số đại lượng hình sin thời điểm t = (Hình 1.30) vẽ đại lượng hình sin với pha ban đầu d Chu kỳ T, tần số f, tần số góc - Chu kỳ T khoảng thời gian ngắn để dòng điện lặp lại trị số chiều biến thiên Từ hình 2.4 ta có T = 2 Vậy chu kỳ T là: T = 2/ (1-2) - Tần số f số chu kỳ dòng điện giây: f = 1/T (1-3) Đơn vị tần số f héc, ký hiệu Hz.Tần số góc tốc độ - Tần số góc (rad/s): Là tốc độ biến thiên góc pha giây = 2f (rad/s) (1-4) Lưới điện cơng nghiệp nước ta có tần số f = 50 Hz Vậy chu kỳ T = 0,02s tần số góc = 2f = 2.50 = 100 (rad/s) Hình 1.4a Hình 1.4b Hình 1.4 Đồ thị véc tơ 1.2.4 Biểu diễn đại lượng xoay chiều bằng đờ thị vectơ Đại lượng hình sin tổng quát X( t ) = Xm sin(t + ) Gồm thơng số biên độ Xm, tần số góc pha ban đầu Các thông số trình bày (hình Xm có độ lớn Xm, hình thành góc pha (t + ) với 1.31a) véc tơ quay ⃗ trục hồnh, hình chiếu véc tơ trục tung cho ta trị số tức thời đại lượng hình sin Véc tơ biểu diễn véc tơ đứng yên (tức thời điểm t = 0) (hình 1.31b) Véc tơ có hai thơng số biên độ pha ban đầu ký hiệu: ⃗ Xm = Xm ( 1-5) Xm rõ véc tơ tương ứng với đại lượng hình sin: Ký hiệu ⃗ Xm có biên X( t ) = Xm sin(t + ) ký hiệu Xm có nghĩa véc tơ ⃗ độ Xm pha ban đầu Vậy cho trước đại lượng hình sin hồn tồn xác định ta biết biên độ (hay trị số hiệu dụng X) pha ban đầu Như đại lượng hình sin biểu diễn đại lượng véc tơ có độ lớn trị X = X số hiệu dụng X pha ban đầu , ⃗ 1.2.5 Ý nghĩa hệ số công suất cách nâng cao hệ số công suất a Công suất của dịng điện hình sin Trong mạch điện xoay chiều R, L, C nối tiếp có trình lượng sau: Quá trình tiêu thụ điện biến đổi sang dạng lượng khác (tiêu tán, khơng cịn mạch điện) Thơng số đặc trưng cho trình điện trở R Quá trình trao đổi, tích luỹ lượng điện từ trường mạch Thơng số đặc trưng cho q trình điện cảm L điện dung C Tương ứng với q trình ấy, người ta đưa khái niệm cơng suất tác dụng P công suất phản kháng Q - Công suất tác dụng P Công suất tác dụng P công suất điện trở R tiêu thụ, đặc trưng cho trình biến đổi điện sang dạng lượng khác nhiệt năng, quang năng, P = RI2 (1-6) Từ đồ thị vectơ ta có: UR = RI = Ucos Thay vào (2-6) ta được: P = RI2 = URI = UIcos (1-7) Công suất tác dụng cơng suất trung bình chu kỳ - Công suất phản kháng Q Để đặc trưng cho cường độ q trình trao đổi tích luỹ lượng điện từ trường, người ta đưa khái niệm công suất phản kháng Q Q = X.I2 = (XL - XC)I2 Từ đồ thị vectơ ta có: (1-8) UX = X.I = U.sin Thay vào (2-8) ta được: Q = X.I2 = UXI = U.I.sin (1-9) Nhìn (2-8) thấy rõ công suất phản kháng gồm: Công suất phản kháng điện cảm QL: QL = XLI2 (1-10) Công suất phản kháng điện dung QC: QC = XCI2 (1-11) - `Công suất biểu kiến S Để đặc trưng cho khả thiết bị nguồn thực trình lượng xét trên, người ta đưa khái niệm công suất biểu kiến S định nghĩa sau: S = U.I = √ Q2+P2 (1-12) Biểu thức P, Q viết sau: P = U.I.cos = S.cos (1-13) Q = U.I.sin = S.sin (1-14) P Hình 1.5 Quan hệ P Q Từ công thức thấy rõ, cực đại công suất tác dụng P (khi cos = 1), cực đại công suất phản kháng Q (khi sin = 1) công suất biểu kiến S Vậy S nói lên khả thiết bị Trên nhãn máy phát điện, máy biến áp người ta ghi công suất biểu kiến S định mức Quan hệ P, Q, S mô tả tam giác vuông (hình 1.5) S cạnh huyền, cịn P Q cạnh góc vng P = Scos Q = Ssin S= √ Q + P2 P, Q, S có thứ nguyên, song để phân biệt ta cho đơn vị khác nhau: Đơn vị P: W, kW, MW Đơn vị Q: VAr, kVAr, MVAr Đơn vị S: VA, kVA, MVA b Nâng cao hệ số công suất Trong biểu thức công suất tác dụng P = UIcos, cos coi hệ số công suất Hệ số công suất phụ thuộc vào thông số mạch điện Trong nhánh R, L, C nối tiếp: cos = R √ R +( X L -XC )2 P cos = √ P2 +Q2 Hệ số công suất tiêu kỹ thuật quan trọng, có ý nghĩa lớn mặt kinh tế sau: - Nâng cao hệ số công suất tận dụng tốt công suất nguồn (máy phát điện, máy biến áp, ) cung cấp cho tải Ví dụ: máy phát điện có cơng suất định mức Sđm = 10000 kVA, hệ số công suất tải cos = 0,5 công suất tác dụng máy phát cho tải P = S đm cos = 10000 0,5 = 5000 kW Nếu cos = 0,9 P = 10000 0,9 = 9000 kW Rõ ràng cos cao máy phát nhiều công suất - Khi cần truyền tải công suất P định đường dây, dịng điện chạy đường dây là: P I = Ucos ϕ Nếu cos cao dịng điện I giảm , dẫn đến giảm tổn hao điện năng, giảm điện áp rơi đường dây chọn dây dẫn tiết diện nhỏ Các tải nghiệp sinh hoạt thường có tính điện cảm (cuộn dây động điện, máy biến áp, chấn lưu, ) nên cos thấp Để nâng cao cos ta thường dùng tụ điện nối song song với tải (hình 1.6a) Khi chưa bù (chưa có nhánh tụ điện) dòng điện chạy đường dây I, hệ số công suất mạch (của tải) cos1 ⃗ ⃗ ⃗ Khi có bù (có nhánh tụ điện) dòng điện chạy dây là: I = I + I C Và hệ số công suất mạch cos Từ đồ thị (hình 1.6b) ta thấy: I Il ; 1 cos cos1 Hình 1.6: Sơ đồ đồ thị cách đấu tụ song song với tải Như hệ số cos nâng cao Điện dung C cần thiết để nâng hệ số công suất từ cos1 lên cos tính sau: Vì cơng suất tác dụng tải không đổi nên công suất phản kháng mạch là: Khi chưa bù : Q1 = P.tg1 Khi có bù tụ điện (tụ điện cung cấp QC): Q = Q1 + QC = p.tg1 + QC = P.tg Từ rút cơng suất QC tụ điện là: QC = -P(tg1 - tg) (1-15) Mặt khác công suất QC tụ điện tính là: QC = - UCIC = - U.U.C = - U2C (1-16) So sánh (2-15) (2-16) ta tính điện dung C tụ điện là: C= P ωUU (tg1 - tg) (2-17) Các đại lượng đặc trưng cho mạch điện 2.1 Dòng điện Dòng điện i trị số tốc độ biến thiên lượng điện tích q qua tiết diện ngang Một vật dẫn: i = dq/d Hình 1.7 Sơ đồ mạch điện Chiều dịng điện quy ước chiều chuyển động điện tích dương điện trường 2.2 Điện áp Hiệu điện (hiệu thế) hai điểm gọi điện áp Điện áp hai điểm A B: uAB = uA – uB 10