Giáo trình kỹ thuật điện (nghề điện tử công nghiệp trung cấp)

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ GIỚI GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: KỸ THUẬT ĐIỆN NGHỀ: ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP Ban hành kèm theo Quyết định số: /QĐ-TCĐCG ngày Trường Cao đẳng Cơ giới Quảng Ngãi, năm (Lưu hành nội bộ) tháng năm TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng ngun 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 Điện kỹ thuật môn học sở biên soạn dựa chương trình khung, chương trình dạy nghề trường Cao đẳng Cơ giới ban hành dành cho hệ Cao đẳng Trung cấp nghề Điện tử cơng nghiệp Ở Việt Nam có nhiều giáo trình, tài liệu tham khảo, sách hướng dẫn tập Điện kỹ thuật biên soạn biên dịch nhiều tác giả, chuyên gia đầu ngành Điện kỹ thuật Tuy nhiên nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng trình đào tạo nhà trường phải bám sát chương trình khung giáo trình Điện kỹ thuật biên soạn tham gia giảng viên trường Cao đẳng Cơ giới dựa sở chương trình khung đào tạo ban hành, trường Cao đẳng Cơ giới với giáo viên có nhiều kinh nghiệm tham khảo nguồn tài liệu khác để thực biên soạn giáo trình Điện kỹ thuật phục vụ cho cơng tác giảng dạy Giáo trình thiết kế theo mô đun thuộc hệ thống mơn học MH08 chương trình đào tạo nghề Điện tử cơng nghiệp cấp trình độ trung cấp nghề dùng làm giáo trình cho học viên khóa đào tạo, sau học tập xong mơn học này, học viên có đủ kiến thức để học tập tiếp môn học, mô đun khác nghề Quảng Ngãi, Ngày tháng năm Tham gia biên soạn Ngơ Thị Bích Tần Chủ biên MỤC LỤC Tuyên bố quyền Lời giới thiệu Môn học Điện Kỹ Thuật Chương 1: Tĩnh điện 15 Khái niệm điện trường 16 Điện - Hiệu điện 20 Tác dụng điện trường lên vật dẫn điện môi 22 Chương 2: Mạch điện chiều 25 Khái niệm mạch điện chiều 26 Mơ hình mạch điện 28 Các định luật biểu thức mạch điện chiều 31 Các phương pháp giải mạch chiều 37 Chương 3: Từ trường cảm ứng điện từ 60 Đại cương từ trường 61 Từ trường dòng điện 62 Các đại lượng đặc trưng từ trường 63 Lực từ 65 Hiện tượng cảm ứng điện từ 67 Hiện tượng tự cảm hỗ cảm 72 Chương 4: Dòng điện xoay chiều hình sin 76 Khái niệm dòng điện xoay chiều 78 Giải mạch điện xoay chiều không phân nhánh 82 Mạch xoay chiều pha 94 Giải mạch xoay chiều phân nhánh 98 Bài tập áp dụng 102 Chương 5: Mạch điện phi tuyến 108 Mạch điện phi tuyến 109 Mạch có dịng điện khơng sin 116 Mạch lọc điện 117 Tài liệu tham khảo 124 GIÁO TRÌNH MƠN HỌC Tên mơn học: ĐIỆN KỸ THUẬT Mã mơn học: MH 08 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học: - Vị trí: Là môn học sở cung cấp cho học sinh kiến thức điện để tiếp thu nội dung kiến thức chuyên môn phần điện mơn học chun mơn - Tính chất: Là môn học sở bắt buộc - Ý nghĩa vai trị ơn học: Điện thuật điện mơn học sở chương trình đào tạo trình độ Trung cấp nghề Cao đẳng nghề Điện tử công nghiệp - Đối tượng: Cho học sinh trình độ Trung cấp Mục tiêu môn học: - Kiến thức: A1 Hiểu khái niệm đại lượng tỉnh điện, mạch điện ,về lực từ A2 Giải thích cấu tạo, nguyên lý hệ thống điện xoay chiều A3 Giải thích nguyên lý mạch lọc - Kỹ năng: B1 Vận dụng kiến thức cấu tạo nguyên lý hoạt động mạch xoay chiều B2 Vận dụng kiến thức mạc lọc, mạch phi tuyến - Năng lực tự chủ trách nhiệm: C1 Chủ đô ̣ng, nghiêm túc ho ̣c tâ ̣p và công viê ̣c C2 Giữ gìn vệ sinh cơng nghiệp, đảm bảo an toàn cho người thiết bị Chương trình khung nghề Điện tử cơng nghiệp: Thời gian đào tạo (giờ) Trong Mã MH/M Đ Số Tên mơ đun, mơn học Tín Tổng số Thực hành/ Lý thực thuyết tập/thí nghiệm /bài tập Kiểm tra Các mơn học chung/đại 12 cương 255 94 148 13 MH 01 Chính trị 30 15 13 MH 02 Pháp luật 15 MH 03 Giáo dục thể chất 30 24 MH 04 Giáo dục quốc phòng - An ninh 45 21 21 MH 05 Tin học 45 15 29 MH 06 Ngoại ngữ (Anh văn) 90 30 56 II Các môn học, mô đun chuyên môn ngành, nghề II.1 Môn học, mô đun sở MH 07 An toàn lao động MH 08 MĐ 09 I 405 161 220 24 30 15 13 Điện kỹ thuật 60 40 16 Máy điện 90 30 56 MĐ 10 Vẽ điện 30 12 16 MĐ 11 Linh kiện điện tử 60 20 36 MĐ 12 Đo lường điện tử 45 19 23 MĐ 13 Điện 90 25 60 II.2 Môn học, mô đun chuyên môn ngành, nghề 1245 324 871 50 MĐ 14 Trang bị điện 60 20 37 MĐ 15 Mạch điện tử 90 25 60 MĐ 16 Điện tử tương tự 60 20 36 MĐ 17 Kỹ thuật xung - số 75 25 46 MĐ 18 Kỹ thuật cảm biến 75 30 42 MĐ 19 Điện tử nâng cao 180 50 121 MĐ 20 Thiết kế, chế tạo mạch in hàn linh kiện 90 30 55 MĐ 21 Vi điều khiển 90 32 53 MĐ 22 PLC 120 47 67 MĐ 23 Rô bốt công nghiệp 105 45 54 MĐ 24 Thực tập tốt nghiệp 300 15 275 10 79 1905 594 1214 97 Tổng cộng 2.Chương trình chi tiết mơn học Thời gian(giờ) Số TT Tên chương mục Tổng Lý số thuyết Thực hành (Bài tập) I II III Tĩnh điện Điện - hiệu điện 1,5 Tác dụng điện trường lên vật dẫn điện môi 1,5 Khái niệm mạch điện chiều 0,5 Mơ hình mạch điện 0,5 Các định luật biểu thức mạch điện chiều Các phương pháp giải mạch điện chiều Từ trường cảm ứng điện 12 từ Đại cương từ trường 0,5 Từ trường dòng điện Các đại lượng đặc trưng từ trường 1,5 Lực từ 1,5 14 (LT TH) Khái niệm điện trường Mạch điện chiều Kiểm tra+ 0,5 1 IV V Hiện tượng cảm ứng điện từ 0,5 Hiện tượng tự cảm hỗ cảm 0,5 Dòng điện xoay chiều hình 18 sin 12 Khái niệm dòng điện xoay chiều 0,5 Giải mạch xoay chiều không phân nhánh 0,5 Mạch xoay chiều pha Giải mạch xoay chiều phân nhánh 2 Ứng dụng mạch điện xoay chiều công nghiệp Mạch điện phi tuyến 0,5 Mạch điện có dịng điện khơng sin 0,5 Mạch lọc điện 40 16 Mạch điện phi tuyến Cộng 60 1 + Ghi chú: Thời gian kiểm tra lý thuyết tính vào lý thuyết, kiểm tra thực hành tính vào thực hành Điều kiện thực mơn học: 3.1 Phịng học Lý thuyết/Thực hành: Đáp ứng phòng học chuẩn 3.2 Trang thiết bị dạy học: Projetor, máy vi tính, bảng, phấn, tranh vẽ 3.3 Học liệu, dụng cụ, mơ hình, phương tiện: Giáo trình, mơ hình mơ máy điện xoay chiều pha, pha 10 Mạch có từ thông số phi tuyến trở lên-mạch phi tuyến 1.2 Một số linh kiện phi tuyến thường gặp Điện trở phi tuyến Ký hiệu: Hình 5.1: Điện trở phi tuyến Điện trở phi tuyến xác định quan hệ dòng điện điện áp: u = fR(i) hay I = φR(u) (5.1) fR, φR hàm liên tục khoảng (–∞, +∞) φR = f-1R (hàm ngược) Các đặc tuyến mô tả phương trình qua gốc tọa độ nằm góc phần tư thứ thứ ba Hình 5.2: Đặc tuyến điện trở phi tuyến Nếu điện trở có đặc tuyến (1) mà khơng có (2), ta gọi phần tử phụ thuộc dòng (R thay đổi theo i) Nếu điện trở phi tuyến có đặc tuyến (2) mà khơng có (1), phần tử phụ thuộc áp (R thay đổi theo v) Trong trường hợp phần tử phi tuyến có hai đặc tuyến (dòng hàm đơn trị áp ngược lại) phần tử phi tuyến khơng phụ thuộc Các điện trở khơng tuyến tính thực tế thường gặp bóng đèn dây tóc, diode điện tử bán dẫn … Điện cảm phi tuyến (cuộn dây phi tuyến) 110 Ký hiệu: Hình 5.3: Điện cảm phi tuyến Điện cảm phi tuyến cho đặc tuyến quan hệ từ thông dịng điện có dạng: Ф = fL(i) u=dФ/dt (5.2) Trong fL hàm liên tục khoảng (–∞, +∞), qua gốc tọa độ (Ф, i) nằm góc phần tư thứ thứ ba Hình 5.4: Đặc tuyến điện cảm phi tuyến Điện dung phi tuyến Ký hiệu: Hình 5.5: Điện dung phi tuyến Điện dung phi tuyến đặc trưng quan hệ phi tuyến điện tích điện áp tụ điện q = fc(u) i=dq/dt (5.3) Trong fc hàm liên tục khoảng (–∞, +∞), có đạo hàm liên tục khắp nơi, qua gốc tọa độ (q, u) nằm góc phần tư thứ thứ ba 111 Hình 5.6: Đặc tuyến điện dung phi tuyến Tùy thuộc vào điều kiện làm việc, người ta phân biệt đặc tuyến phần tử phi tuyến thành loại sau: - Đặc tuyến tĩnh xác định đo lường phần tử phi tuyến làm việc với trình biến thiên chậm theo thời gian - Đặc tuyến động đo lường phần tử phi tuyến làm việc với trình điều hòa - Đặc tuyến xung xác định phần tử làm việc với trình đột biến theo thời gian 1.3 Mạch xoay chiều phi tuyến 1.3.1 Môt số tính chất mạch phi tuyên: - Mạch phi tun khơng có tính xêp chồng nghiêm - Mạch phi tun có tính tạo (điều chê) tần số - Các tính chất khác Cho mạch điên Hình 5.7 Với u(t) = u1(t) + u2(t) phần tử phi tun có tính chất: i = 2.u2 Xác định dòng điên chạy mạch điên Nêu áp dụng ngun lí xêp chồng, ta có: Hình 5.7 Dịng điên nguồn u1(t) gây i1(t): i1 = 2.u12 - Dòng điên nguồn u1(t) gây i1(t): i2 = 2.u22 Như dòng điên tổng i(t) = i1(t) + i2(t) = 2(u12 + u22) - 112 Thực tế, dòng điên mạch i(t) = 2.u2 = 2(u1 + u2)2 Nêu u(t) = Umsin(ωt) i = 2.u2 = 2.Um2sin2(ωt) = Um2[1-cos(2ωt)] Có thể thấy tần số dòng điên lần tần số nguồn áp 1.3.2 Các phương pháp phân tích mạch có phần tử phi tuyến Vấn đề cần quan tâm phân tích mạch phi tuyến vấn đề tiệm cận đặc tuyến theo số liệu thực nghiệm Để lập quan hệ giải tích đặc tuyến theo số liệu thực nghiệm thường sử dụng phương pháp nội suy đoạn hữu hạn đặc tuyến.Hàm nội suy sử dụng nhiều dạng hàm thông dụng đa thức luỹ thừa Để phân tích phổ tín hiệu q trình biến đổi phi tuyến thường sử dụng phương pháp đồ thị 3,5,7 toạ độ để xác định biên độ sóng hài Phương pháp đồ thị Hình 5.8 Cách 1: Hình 5.9 từ thông số phần tử (I = f(u) (5.4)) quan có từ sơ đồ mạch (5.5) Sử dụng đồ thị: 113 Hình 5.9: Ngiệm hệ phương trình phi tuyến Điểm B nghiêm phương trình Cách 2: Cho sơ đồ mạch: Hình 5.10 PTPT Hình 5.10 Có thể dùng phương pháp đồ thị sau: Hình 5.11: Đồ thị nghiệm phương trình phi tuyến cách 114 Cách nối ghép phần tử phi tuyến (PTPT) nối tiếp: qui tắc cộng áp hình 5.12, hình 5.13 Hình 5.12 u = u1 + u2 Hình 5.13 (5.6) Đặc tuyến phần tử phi tuyến cho sau: Hình 5.14: Đặc tuyến phần tử phi tuyến nối tiếp Nối song song: Qui tắc cộng dịng Hình 5.15, hình 5.16 i= i1 + i2 (5.7) Hình 5.15 Hình 5.16 Đặc tuyến phần tử phi tuyến cho sau: 115 Hình 5.17: Đặc tuyến phần tử phi tuyến song song Mạch có dịng điện khơng sin 2.1 Khái niệm Thực tế có nhiều dịng điên biến thiên có chu kì khơng theo qui luật hình sin, gọi chung dịng điên khơng sin 2.2 Ngun nhân Ngun nhân gây nên dịng điên khơng sin: Nguồn pha khơng sin (đặc tính máy phát điên đồng bộ: mạch từ, khe hở khơng khí, dạng từ trường, dây quấn, ) Sự biến dạng dạng sóng dòng điên qua chỉnh lưu, nghịch lưu, biến tần, Sự biến dạng dạng sóng dịng điên qua linh kiên bán dẫn; thiết bị, mạch điên có khả điều khiển, Hình 5.18 Đồ thị sóng khơng sin 116 Mạch lọc điện 3.1 Khái niệm Trong kỹ thuật viễn thông ta thường hay gặp dạng sóng hài gây tác động không tốt tới làm việc thiết bị, để làm việc thiết bị ổn định xác ta thường dùng phương pháp lọc, Lọc điện mạng bốn cực thực biến đổi phổ tín hiệu theo quy luật tốn học trình biến đổi phi tuyến (biến đổi phổ tín hiệu) thường gặp tạo dao động hình sin, điều biên,điều tần, biến tần, tách sóng 3.2 Các dạng mạch lọc thông dụng Mạch lọc điện thực biến đổi phổ tín hiệu theo quy luật tốn học Mạch lọc thơng dụng thất mạch lọc kháng LC Mạch lọc LC lại chia thành loại “k” loại “m”.Lý thuyết mạch lọc kháng thường xuất phát từ hình 5.19a) Để nhận cơng thức có dạng tốn học thuận tiện, người ta ký hiệu trở kháng nhánh ngang Z1 , nhánh dọc 2Z2 Từ mạch lọc hình 5.19a) tạo mạch loc đối xứng hình Thình 5.19b) lọc đối xứng hình  hình 5.19c) Hình 5.19 Điều kiện có lọc Z1và Z2 phải khác tính Trường hợp tích tổng trở hai nhánh lọc lọc loại k Lúc Z1Z2=R02=K2=const (5.8) Trong Z1Z có thứ nguyên điện trở, gọi điện trở danh định mạch lọc, ký hiệu R0 K +Lọc thông thấp (hay lọc tần số thấp) loại K có nhánh ngang điện cảm, nhánh dọc điện dung hình 5.20 (dải thơng 0C, dải chặn C) 117 Hình 5.20 Các cơng thức để tính thông số mạch lọc thông thấp: Điện trở danh định: R0  C  Tần số cắt: L 1C2 L1 C2 ; fC  (5.9) C  2  L C (5.10) Tổng trở đặc tính: Z CT Z C f      R     R    fc   c  R0 R0   2    f         c   fc  (5.11) +Lọc thông cao (hay lọc tần số cao) loại K có nhánh ngang điện dung, nhánh dọc điện cảm hình 5.21 (dải thơng C , dải chặn  C ) Hình 5.21 Các cơng thức để tính thông số mạch lọc thông cao: Điện trở danh định: R0  118 L2 C1 (5.12) Tần số cắt: C  ; fC  L 1C C  2 4 L C (5.13) Tổng trở đặc tính:   f  Z CT  R   c   R   c     f  R0 R0  Z C  2   f  1  c  1  c     f  (5.14) +Lọc thơng dải(hay lọc dải thơng) loại K có nhánh ngang khung cộng hưởng nối tiếp, nhánh dọc khung cộng hưởng song song, hai nhánh có tần số cộng hưởng 0 (Hình 5.22) (dải thơng C1C2, dải chặn  C1, C2   ) Hình 5.22 Các cơng thức để tính thơng số mạch lọc thông dải loại k: Điện trở danh định: R0  L1 L2  C2 C1 (5.15) Tần số cắt: C1 R  R  R R             02 L1 L 1C1 L1  L1   L1  C2  Dải thông: R R0   L1  L1  R R      L 1C1 L1   L1 =C2-C1= Tần số trung tâm 0     02  2R L1 L 1C1  (5.16) (5.17) L C2 119  C1C2 (5.18) R0 Tổng trở đặc tính: Z CT  R  F ; Z C  (5.19)  F2 X1  F2 4X +Lọc chặn dải (hay lọc chặn dải hay lọc dải chắn) loại K có nhánh ngang khung cộng hưởng song song, nhánh dọc khung cộng hưởng nối tiếp –hình 5.23 (dải thơng 0C1 C2, dải chặn C1C2) Các cơng thức để tính thơng số mạch lọc chặn dải loại K: Hình 5.23 Điện trở danh định: R0  L1 L2  C2 C1 (5.20) Tần số cắt (giống lọc thông dải) : C1   C2  R  R  R R0           02 L 1C1 L1 L1  L1   L1  R R0   L1  L1  R R      L 1C1 L1   L1 Dải chặn: =C2-C1= Tần số trung tâm 0     02  2R L1 L 1C1 (5.21) (5.22)  Tổng trở đặc tính: Z CT  R  L C2 F2 120  C1C2 ; Z C  R0 1 F2 (5.23) (5.24) Mạch lọc RC Lọc RC thơng thấp (hình 5.24) Tần số cắt:  C  RC (7.39) Hình 5.24 Lọc RC thơng cao (hình 5.25) Tần số cắt: C  4RC Hình 5.25 121 (7.42) CÂU HỎI ƠN TẬP Câu Mạch lọc thơng thấp có tần số cắt 15Khz, điện trở tải 500 Hãy xác định: a) Vẽ sơ đồ hình “Γ”, hình “T” hình “” mạch lọc, điền hình vẽ trị số thông số vật lý mạch b) Tổng trở đặc tính tần số Khz, 10 Khz Câu Mạch lọc thơng thấp có tần số cắt 500 Hz, điện trở tải 600 Hãy xác định: a) Vẽ sơ đồ hình “T” hình “” mạch lọc, điền hình vẽ trị số thơng số vật lý mạch b) Tổng trở đặc tính tần số 120 Hz 320 Hz Câu 3.Cho mạch lọc hình Hình 5.27 Hãy xác định: a) Tần số cắt mạch lọc b) Điện trở danh định R0 mạch lọc c) Tổng trở đặc tính tần số 500 Hz Hình 5.27 Câu 4.Cho mạch lọc hình Hình 5.28.Hãy xác định: a) Tần số cắt mạch lọc b) Điện trở danh định R0 mạch lọc c) Tổng trở đặc tính tần số 500 Hz 122 Hình 5.28 5.Cho mạch lọc hình Hình 5.30.Hãy xác định: a) Tần số cắt mạch lọc b) Điện trở danh định R0 mạch lọc c) Tổng trở đặc tính tần số 250 Hz Hình 5.30 Câu Mạch lọc thơng cao có tần số cắt 800 Hz,điện trở tải 250.Hãy xác định: a) Vẽ sơ đồ hình “T” hình “” mạch lọc, điền hình vẽ trị số thơng số vật lý mạch b Tổng trở đặc tính tần số 1200 Hz 123 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Điện kỹ thuật Nguyễn Viết Hải - Nhà xuất lao động Xã Hội – Hà Nội – Năm 2004 [2] Cơ sở kỹ thuật điện Hoàng Hữu Thận Nhà xuất kỹ thuật Hà Nội – Năm 1980 [3] Giáo trình kỹ thuật điện Vụ trung học chuyên nghiệp dạy nghề - Nhà xuất Giáo Dục –Năm 2005 [4] Mạch điện Phạm Thị Cư (chủ biên) - Nhà Xuất Giáo dục - 1996 [5] Cơ sở lý thuyết mạch điện Nguyễn Bình Thành - Đại học Bách khoa Hà Nội - 1980 [6] Kỹ thuật điện đại cương Hoàng Hữu Thận - Nhà Xuất Đại học Trung học chyên nghiệp - Hà Nội - 1976 [7] Bài tập Kỹ thuật điện đại cương Hoàng Hữu Thận - Nhà Xuất Đại học Trung học chyên nghiệp - Hà Nội - 1980 124