Giáo trình kỹ thuật điện (nghề kỹ thuật lắp đặt điện và điều khiển trong công nghiệp cđ)

QUÂN KHU TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ SỐ 20 - - GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT ĐIỆN Nghề đào tạo: Kỹ thuật lắp đặt điện điều khiển công nghiệp Trình độ đào tạo: Cao đẳng nghề LƯU HÀNH NỘI BỘ Biên soạn: Nguyễn Thị Thảo Năm 2022 LỜI GIỚI THIỆU Cùng với công đổi công nghiệp hóa đại hóa đất nước, kỹ thuật điện phát triển mạnh mẽ Việt Nam Các thiết bị điện trở nên quen thuộc đời sống sản xuất Giáo trình “Kỹ thuật điện“ biên soạn dùng cho chương trình dạy nghề KỸ THUẬT LẮP ĐẶT ĐIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN TRONG CÔNG NGHIỆP đáp ứng cho hệ Cao đẳng nghề Nội dung giáo trình cung cấp kiến thức mạch điện, máy điện Gồm 10 chương: + Chương 1: Những khái niệm định luật mạch điện + Chương 2: Dịng điện hình sin mạch điện đơn giản + Chương 3: Các phương pháp giải mạch điện tuyến tính phức tạp + Chương 4: Mạch điện hỗ cảm + Chương 5: Mạch điện ba pha + Chương 6: Quá trình độ mạch điện tuyến tính đơn giản Giáo trình dùng để giảng dạy Trường Cao đẳng nghề, dùng làm tài liệu tham khảo cho trường có hệ đào tạo đề cương giáo trình bám sát chương trình khung quốc gia nghề Trong trình biên soạn giáo trình chắn giáo trình khơng tránh khỏi thiếu sót Tác giả tơi mong nhận ý kiến đóng góp để giáo trình chỉnh sửa ngày hoàn thiện Xin trân trọng cám ơn! TÁC GIẢ CHƯƠNG I: NHỮNG KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN Mạch điện – Các biến bản: dòng điện điện áp 1.1 Mạch điện Mạch điện tập hợp thiết bị điện, nối với dây dẫn, tạo thành vịng kín mà có dịng điện chạy qua Hình 1.1 Mạch điện Mạch điện cấu trúc từ nhiều thiết bị khác nhau, chúng thực chức xác định gọi phần tử mạch điện Có hai loại phần tử mạch điện nguồn điện phụ tải a, Nguồn điện: Là thiết bị phát điện năng, nguyên lý thiết bị biến đổi dạng lượng khác thành điện Ví dụ: Pin acquy biến đổi hóa thành điện năng; máy phát điện biến thành điện năng;… Hình 1.2 Nguồn điện b, Phụ tải: Phụ tải thiết bị tiêu thụ điện năng, biến đổi điện thành dạng lượng khác Ví dụ: động biến điện thành năng; đèn điện biến điện thành quang năng;… Hình 1.3 Phụ tải Ngồi hai loại trên, mạch điện cịn có hệ thống dây dẫn nối tử nguồn đến tải để tạo thành mạch vòng khép kín để truyền tải điện từ nguồn đến tải c Kết cấu hình học mạch điện Kết cấu hình học mạch điện gồm có nhánh, vòng, nút + Nhánh phận mạch điện, gồm có phần tử mắc nối tiếp với có dịng điện chạy qua + Nút: điểm gặp từ ba nhánh trở lên + Vịng: đường khép kín qua nhánh Ví dụ: Mạch điện hình 1.1 có: nhánh: Ký hiệu 1, 2, nút: Ký hiệu a, b vòng: Ký hiệu I, II, III Bài tập ví dụ : Hãy xác định số nhánh, vòng, nút cho mạch điện sau : I1 I2 R1 R2 I3 I1 I2 I3 R1 R2 R3 I4 R4 R3 E1 E2 Mạch a E1 E2 E3 Mạch b Các biến Để đặc trưng cho trình biến đổi lượng (quá trình lượng) nhánh hay phần tử mạch điện ta dùng hai đại lượng : Dịng điện i điện áp u Cơng suất nhánh phần tử p = u.i 1.2.1 Dịng điện Dịng điện dịng chuyển dời có hướng điện tích Cường độ dịng điện i (gọi tắt dòng điện) trị số tốc độ biến thiên lượng điện tích q qua tiết diện ngang vật dẫn Trong đó: q – điện tích qua tiết diện ngang vật dẫn thời gian t Trong hệ thống đơn vị SI (In the standard international system of units), dịng điện có đơn vị A (Ampère) Hình 1.4 Quy ước chiều dòng điện Chiều dòng điện, theo định nghĩa chiều chuyển động điện tích dương điện trường (hay ngược chiều với chiều chuyển động điện tích âm) Để tiện việc tính tốn, người ta quy ước chiều dòng điện nhánh mũi tên hình 1.4a gọi chiều dương dịng điện Nếu thời điểm đó, chiều dịng điện trùng với chiều dương i mang dấu dương (i>0, hình 1.4b), cịn chiều dịng điện ngược với chiều dương i mang dấu âm (i điện A cao điện B; uAB < điện A thấp điện B Hình 1.5 Quy ước chiều điện áp 1.2.3 Công suất Trong phần tử, nhánh hay mạch điện nhận lượng phát lượng Khi chọn chiều dòng điện điện áp trùng nhau, sau tính tốn cơng suất p nhánh, ta kết luận sau trình lượng nhánh Ở thời điểm đó: p(t) = u(t) i(t) Nếu p(t) > 0: u i chiều, nhánh nhận lượng p(t) < 0: u i ngược chiều, nhánh phát lượng Đơn vị đo công suất W (Oát) KW 1.2.4 Điện Nếu điện áp u dòng điện i phần tử phụ thuộc vào thời gian t, điện tiêu thụ phần tử từ t0 đến t là: Đơn vị điện J (Joule), Wh (Watt.giờ) Bội số kWh, đơn vị để tính tiền điện Điện trở R- Định luật Ohm Hình 1.6 Điện trở R Cho dịng điện i qua điện trở R (hình 1.6) gây điện áp rơi uR điện trở Theo định luật Ohm, quan hệ dòng điện i điện áp uR là: uR = R.i i = G.uR Trong đó: gọi điện dẫn Cơng suất tiêu thụ điện trở: PR = uR.i = R.i2 Như điện trở R đặc trưng cho trình tiêu tán điện trở Trong hệ SI, điện trở R có đơn vị Ω (Ohm), điện dẫn S (Simen) Điện tiêu thụ điện trở R khoảng thời gian t: với i = const, ta có: A = R.i2.t * Định luật Ơm cho nhánh R: Là định luật nói lên mối quan hệ dòng điện qua đoạn mạch điện áp hai đầu đoạn mạch Xét đoạn vật dẫn chiều dài l, đặt điện áp U hai đầu vật dẫn tạo điện trường với cường độ là:  U l Dưới tác dụng điện trường điện tích chuyển động có hướng tạo thành dịng điện Điện trường mạnh mật độ dịng điện lớn, ta có quan hệ:      mật độ dòng điện,  = I/s với s tiết diện vật dẫn  điện dẫn suất phụ thuộc vào chất vật dẫn Thay biểu thức  vào ta có: Từ ta có quan hệ: I U   S l I  S U  g U l Trong g điện dẫn đoạn mạch Ta có: R 1 l   g  S 10 I U R (1 - 14) Biểu thức (1 - 14) tinh thần định luật Ôm cho đoạn mạch Định luật phát biểu sau: Dòng điện qua đoạn mạch tỷ lệ với điện áp hai đầu đoạn mạch tỷ lệ nghịch với điện trở đoạn mạch Điện cảm L- Định luật Lentz Hình 1.7 Cuộn dây Cho cuộn dây có N vịng qua dịng điện i cuộn dây sinh từ thơng móc vịng với cuộn dây là: Ψ = N.Φ Điện cảm L cuộn dây định nghĩa là: Đơn vị điện cảm H (Henry) Nếu dòng điện i biến thiên theo thời gian t từ thơng Ψ biến thiên theo thời gian t cuộn dây cảm ứng sức điện động (sđđ) tự cảm e L L = const Điện áp rơi điện cảm: Công suất cuộn dây nhận: Biểu thức điện áp gọi biểu thức định luật Lentz điện cảm L đặc trưng cho tượng tự cảm Năng lượng từ trường tích lũy cuộn dây: 11 Vậy: Như điện cảm L đặc trưng cho tượng tích lũy lượng từ trường cuộn dây Điện dung C- Dòng chuyển dịch Khi đặt điện áp uc hai đầu tụ điện, có điện tích q tích lũy tụ điện: q = C uc Nếu điện áp uC biến thiên có dịng điện dịch chuyển qua tụ điện: i= dq/dt = C duc /dt Hệ thức i hệ giả thiết Maxwell dòng điện chuyển dịch qua môi trường điện môi cực tụ điện iC  du dq  C C dt dt Trong ± q điện tích cực tụ Do mà điện dung C đặc trưng cho tượng dòng điện dịch chuyển Ta có: uc  idt C Cơng suất tức thời tụ điện: pc = uc i =C uc duc /dt Năng lượng điện trường tụ điện: Điện dung C đặc trưng cho tượng tích lũy lượng điện trường (phóng tích điện năng) tụ điện Đơn vị điện dung F (Fara) µF Định luật Kirchhoff dòng Xét nút mạch điện, có số dịng điện tới nút số dòng rời khỏi nút Trong giây, điện tích di chuyển đến nút phải điện tích rời khỏi nút Thực giả thuyết khơng thoả mãn điện tích nút A thay đổi (tăng hay giảm) làm điện điểm A thay đổi phá vỡ trạng thái cân mạch Vì tổng số học dịng điện đến nút phải tổng số dòng điện rời khỏi nút 12 I1 A I5 I2 I4 I3 Hình1.8: Sơ đồ luật Kiếckhốp Đối với nút A ta có: I1 + I3 + I5 = I2 + I4 - Nếu ta quy định dòng điện hướng tới nút dương, dòng điện rời khỏi nút âm (hay ngược lại) ta có cơng thức: I1 - I2 + I3 - I4 + I5 =  n .Ii = i=1 Phát biểu: Tổng đại số dòng điện đến nút = Ví dụ 1-3 : Cho mạch điện hình (1-9) xét nút A: theo định luật Kirchhoff ta có: Hình1.9 Ví dụ 1-4 : Cho mạch điện hình (1-10) xét nút A: theo định luật Kirchhoff ta có: 13 i(t) = t t   duC (t ) d      RC U  RC 100 100t RC   C  e  e  C U 1  e   CU   e 1000 dt dt   R  RC   i(t) = 0,1 e 100t ( A)  100 e 100t (mA) Các trị số uC(t) iC(t) thời điểm t=0, t =  , 2 , 3 , 5 , 10  t(ms) 10 20 30 50 100 uC(V) 100 63,212 86,466 95,021 99,236 99,995 I(mA) 100 36,788 13,534 4,9787 0,67397 0,00450 V A 100 80 60 0.1 0.08 uC 0.06 40 0,04 20 0,02 0,02 0,04 i(t) s 0,06 0,02 0,04 0,06 s Q trình q độ đóng mạch RC vào nguồn điện áp hình sin - Nếu mạch RC đóng vào nguồn điện áp xoay chiều hình sin: u(t) = Umsin(ωt + φ) - Tại thời điểm t = phương trình vi phân trình độ mạch là: RC duC  uC (t )  U m sin(t   ) (1) dt - Nghiệm tổng quát pt (1) coi tổng điện áp ổn định điện áp tự uc(t) = ucôđ(t) + uctd(t) (2) - Ở chế độ xác lập dòng điện xác lập mạch RC dịng điện hình sin có biểu thức iôđ = Imsin(ωt + φ – ψ) (3) Với Um Im =   R    C  2 103 Và   ψ = arctg  C  R         - Điện áp ổn định điện dung có biểu thức: uCơđ(t) = UCmsin(ωt + φ – ψ -  ) (4) - Điện áp tự uCtd(t) nghiệm tổng quát phương trình vi phân RC duCtd  uCtd  dt (5) Nghiệm phương trình (5) là: uCtd(t) = K e st  K e Thay pt (4)và (6) vào pt (2) ta được: uC(t) = uCôđ + uCtd   t RC  K e  t  (6) t = K e  + UCmsin(ωt + φ – ψ Tại thời điểm t = 0, ta có = K + UCmsin(φ – ψ Hay K = - UCmsin(φ – ψ -  ) (7)  )  ) (8) Thay pt (8) vào phương trình (7) uC(t) = UCmsin(ωt + φ – ψ -    ) - UCmsin(φ – ψ - ) e  + (7) 2 t Ví dụ: Một tụ điện C = 10(μF) nối tiếp với điện trở R = 1kΩ đóng vào nguồn điện áp hình sin u(t) = 100 sin(ωt + 300) với tần số f = 50(hz) Tính điện áp độ uC(t) dòng qua độ iC(t) vẽ đường cong uC(t), iC(t) khoảng thời gian  = 3RC Giải Phương trình vi phân trình độ đối điện áp độ điện dung: RC duC (t ) + uC(t) = Umsin( ωt + 300) dt Ở chế độ ổn định hình sin ta có:     U = 95,29x 103 47,66 (A) R I  j    U  I = C    R j C  Điện áp ổn định hiệu dụng phức điện dung 104    UC   j  I = (-j318,3)(64,1 + j70,4)x10 C   = 22,42 – j20,43 = (30,33   42,34 ) V Vậy điện áp ổn định điện dung uCơđ(t) = (30,33) sin(ωt – 42,30) V phương trình đặc trưng mạch RCS + =0  S = Hằng số thời gian   RC  1 = = -100 6 RC 10  10  10 s  0,01s  10ms 100 Điện áp tự điện dung có biểu thức  t uCtd= K e st  K e  = K e 100t Điện áp qúa độ điện dung có biểu thức uC(t) = uCơđ(t) + uCdt(t) = (30,33) sin(ωt – 42,30) + K e 100t Tại thời điểm t = 0, ta có: = (30,33) sin(– 42,30) + K  K = - (30,33) sin(-42,30) = 28,89V  uC(t) = uCôđ(t) + uCdt(t) = (30,33) sin(ωt – 42,30) + 28,89 e 100t Dòng điện qua độ i(t) i(t) = C Ta có : duC (t ) dt   d (30,33) sin(t  42,30 )  28,9e 100t dt -6 = (10x10 ) (30,33)  2  50 cos(t  42,30 )  28,9(100).e 100t i(t) = (10x10-6)    i(t) = 95,29 sin(t  47,70 )  28,89.e 100t (mA) 105 Quá trình độ đóng mạch RLC vào nguồn điện áp khơng đổi 106 Ví dụ 1: Cho mạch điện hình vẽ 107 Ví dụ 2: Cho mạch điện hình vẽ 108 Ví dụ 3: Cho mạch điện hình vẽ 109 110 Q trình q độ đóng mạch RLC vào nguồn điện áp hình sin 111 112 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO - Gs.Ts Tô Đăng Hải: Giáo trình điện kỹ thuật Nhà xuất khoa học kỹ thuật - Ngô Hồng Quang, Vũ Văn Tầm - Giáo trình Thiết kế cung cấp điện Nhà xuất khoa học kỹ thuật - PGS.Ts Lê Văn Bảng - Giáo trình lỹ thuyết mạch Nhà xuất giáo dục - Ts Trần Quang Khánh - Hệ thống cung cấp điện Nhà xuất giáo dục 114 MỤC LỤC CHƯƠNG I: NHỮNG KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN Mạch điện – Các biến bản: dòng điện điện áp 1.1 Mạch điện Các biến Điện trở R- Định luật Ohm Điện cảm L- Định luật Lentz 11 Điện dung C- Dòng chuyển dịch 12 Định luật Kirchhoff dòng 12 Định luật Kirchhoff cho điện áp 14 Cân cơng suất tồn mạch- Định lý Tellegen 16 8.1 Cân công suất tác dụng: 16 8.2 Cân công suất phản kháng 17 Chương 2: DỊNG ĐIỆN HÌNH SIN TRONG CÁC MẠCH ĐIỆN ĐƠN GIẢN 18 Dịng điện hình sin- Trị số hiệu dụng 18 1.1 Dịng điện hình sin 18 1.2 Trị số hiệu dụng: 19 Biểu diễn dịng điện hình sin véc tơ số phức 21 2.1 Biểu diễn dòng điện hình sin véc tơ 21 2.2 Biểu diễn dịng điện hình sin số phức 23 Mạch điện có điện trở R 25 Mạch điện có điện cảm L: 26 Mạch điện có điện dụng C: 28 Mạch R-L-C: 29 6.1 Mạch R – L – C mắc nối tiếp cộng hưởng điện áp 29 6.2 Mạch RLC mắc song song cộng hưởng dòng điện 34 Nâng cao hệ số công suất 38 7.1 Hệ số công suất 38 7.2 Ý nghĩa việc nâng cao hệ số công suất 38 7.3 Các giải pháp nâng cao hệ số công suất 40 Bài tập 42 Chương 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI MẠCH ĐIỆN TUYẾN TÍNH PHỨC TẠP 49 Phương pháp dòng điện nhánh 49 115 Phương pháp dòng điện vòng 50 Phương pháp điện áp hai nút 51 Phương pháp biến đổi tương đương nhánh nối tiếp song song 52 4.1 Định nghĩa: 52 4.2 Các phương pháp biến đổi: 52 Phương pháp xếp chồng 52 Biến đổi tương đương sao- tam giác tam giác- 54 Bài tập 54 Chương 4: MẠCH ĐIỆN CÓ HỖ CẢM 62 Hỗ cảm, cực cực tính Biểu thức điện áp hỗ cảm 62 1.1.Hổ cảm: 62 1.2.Cực tính cuộn dây 62 1.3 Dấu hổ cảm: 63 1.4 Hổ cảm phương trình lưới 63 1.5 Ứng dụng tượng hỗ cảm: 65 Tính mạch điện có hỗ cảm 65 CHƯƠNG 5: MẠCH ĐIỆN BA PHA 70 Hệ thống sức điện động ba pha đối xứng hệ thống dòng điện ba pha đối xứng 70 1.1 Khái niệm chung 70 1.2 Cách nối hình 73 1.3 Cách nối hình tam giác 76 Mạch ba pha đối xứng nối hình 78 2.1 Khi không xét đến tổng trở đường dây pha: 78 2.2 Khi xét đến tổng trở đường dây pha: 79 Mạch ba pha đối xứng nối hình tam giác 79 3.1 Khi không xét đến tổng trở đường dây pha: 79 3.2 Khi không xét đến tổng trở đường dây pha: 80 Công suất mạch điện xoay chiều pha 80 4.1 Công suất pha: 80 4.2 Công suất pha 81 Mạch ba pha không đối xứng 81 5.1.Tải nối dây trung tính có tổng trở Z0 81 5.2 Khi tổng dẫn dây trung tính Z  84 5.3 Giải mạch điện ba pha tải nối tam giác không đối xứng 86 Bài tập 88 116 Chương 6: QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ TRONG CÁC MẠCH ĐIỆN TUYẾN TÍNH ĐƠN GIẢN 95 Q trình q độ đóng mạch RL vào nguồn điện áp không đổi 95 1.1 Khái niệm: 95 1.2 Phương pháp giải toán độ(mạch RL) 95 Q trình q độ đóng mạch RL vào nguồn điện áp hình sin 97 Quá trình q độ đóng mạch RC vào nguồn điện áp khơng đổi 99 Q trình q độ đóng mạch RC vào nguồn điện áp hình sin 103 Quá trình độ đóng mạch RLC vào nguồn điện áp khơng đổi 106 Q trình q độ đóng mạch RLC vào nguồn điện áp hình sin 111 TÀI LIỆU THAM KHẢO 114 MỤC LỤC 115 117