Giáo trình điện kỹ thuật (nghề xây dựng trình độ cao đẳngtrung cấp)

1 CHƯƠNG TRÌNH MƠN HỌC Tên mơn học: Điện kỹ thuật Mã số môn học: MH 09 Thời gian môn học: 30 giờ; (lý thuyết: 20 giờ; thực hành: giờ, kiểm tra giờ) I.VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MƠN HỌC: - Vị trí mơn hoc: Mơn Điện k ỹ thuật kỹ thuật sở, bố trí học trước mơn học/mơ đun chun mơn nghề - Tính chất mơn học: Mơn Điện kỹ thuật môn sở hỗ trợ kiến thức cho mơn khác, đồng thời giúp cho học viên có điều kiện tự học, nâng cao kiến thức nghề nghiệp II MỤC TIÊU MÔN HỌC Trang bị cho người học kiến thức mạch điện chiều, xoay chiều loại máy điện Giúp cho người học hiểu cấu tạo, nguyên lý làm việc dụng cụ đo lường điện loại máy điện Về kiến thức: Nêu kiến thức phân tích số sơ đồ mạch điện bản; Nêu trình tự bước đo, kiểm tra dụng cụ đo đảm bảo an toàn Về kỹ Sử dụng loại dụng cụ đo, tiến hành đo kiểm tra mạch điện bản, máy điện động điện Về lực tự chủ trách nhiệm: Rèn luyện tính cẩn thận, tỷ mỷ phân tích sử dụng dụng cụ kiểm tra, đo mạch điện III NỘI DUNG MÔN HỌC CHƯƠNG MẠCH ĐIỆN Giới thiệu: Mạch điện thông dụng đời sống chuyên ngành kỹ thuật xây dựng, sở để tiếp cận tính toán, thiết kế mạch điện mở máy điện xoay chiều động cơng suất lớn Mục tiêu: + Trình bày khái niệm mạch điện thông số mạch điện áp, dòng điện… + Mơ hình hóa mạch điện phần tử mạch + Giải toán mạch điện + Trình bày nguyên lý tạo sức điện động xoay chiều hình sin + Vẽ giản đồ véctơ đại lượng dòng điện, điện áp, sức điện động đại lượng công suất mạch + Vận dụng để tính tốn đại lượng giá trị hiệu dụng dòng điện, điện áp, sức điện động đại lượng công suất mạch + Phân tích số tóan mạch R-L-C nối tiếp + Tính tốn nâng cao hệ số cơng suất cosφ + Trình bày xác khái niệm mạch ba pha, phương pháp tạo nguồn pha + Mơ tả xác đại lượng hình sin ba pha đồ thị hình sin, đồ thị vectơ + Phân tích mối quan hệ đại lượng điện áp, dòng điện pha, dây mạch ba pha hình sao, hình tam giác + Chứng minh công thức xác định công suất mạch ba pha để giải toán mang tính ứng dụng + Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì, cẩn thận, nghiêm túc, chủ động tích cực sáng tạo học tập Nội dung chính: Mạch điện chiều 1.1 Những khái niệm Định nghĩa mạch điện Mạch điện có phần tử nguồn điện phụ tải Nguồn điện: thiết bị điện dùng để biến đổi dạng lượng khác sang điện năng, ví dụ pin, ắc qui (năng lượng hóa học), máy phát điện (năng lượng học)… Phụ tải: thiết bị điện biến điện thành dạng lượng khác Trên sơ đồ chúng thường biểu thị điện trở R Dây dẫn: dây kim loại dùng để nối từ nguồn đến phụ tải Các phần tử mạch điện Mạch điện gồm hai phần tử nguồn điện dùng để biến dạng lượng năng, hóa thành điện năng, tải dùng để biến điện thành (động điện), nhiệt (bếp điện), hóa (acquy nạp điện) Ngồi cịn phần tử trung gian nguồn tải đường dây dẫn điện, máy biến áp, chỉnh lưu Kết cấu mạch điện Các phần tử nối với đưa đến khái niệm sau: Nhánh đường gồm hay nhiều phần tử ghép nối tiếp có dịng điện Nút điểm nối từ ba nhánh trở lên Vòng tập hợp nhiều nhánh tạo thành đường kín qua nút lần Mắt lưới vòng mà bên khơng có vịng khác Mơ hình mạch điện phân loại, chế độ làm việc mạch điện Mạch điện thực bao gồm nhiều thiết bị điện có thực Khi nghiên cứu tính tốn mạch điện thực, ta phải thay mạch điện thực mô hình mạch điện Mơ hình mạch điện gồm thơng số sau: nguồn điện áp u (t) e(t), nguồn dòng điện P (t), điện trở R, điện cảm L, điện dung C, hỗ cảm M Nếu phần tử tự hay chịu tác động khơng có chất điện từ, có khả tạo điện áp hay dịng điện điểm mạch điện gọi nguồn sức điện động (sđđ) Hai thông số đặc trưng cho nguồn sđđ : Giá trị điện áp hai đầu lúc hở mạch (khi khơng nối với phần tử khác từ đến hai đầu nó) gọi điện áp lúc hở mạch nguồn kí hiệu Uhm Giá trị dịng điện nguồn đưa mạch lúc mạch dẫn điện hồn tồn: gọi giá trị dịng điện ngắn mạch nguồn kí hiệu Ingm Một nguồn s.đ.đ coi lý tưởng điện áp hay dòng điện cung cấp cho mạch ngồi khơng phụ thuộc vào tính chất mạch ngồi (mạch tải) Trên thực tế, với tải có giá trị khác nhau, điện áp hai đầu nguồn hay dòng điện cung cấp có giá trị khác phụ thuộc vào tải Điều chứng tỏ bên nguồn có xảy q trình biến đổi dịng điện cung cấp thành giảm áp nó, nghĩa tồn giá trị điện trở bên gọi điện trở nguồn kí hiệu Rng Nguồn áp lý tưởng (cịn gọi nguồn “độc lập”) Hình 1.1 Biểu diễn nguồn áp xoay chiều Nguồn áp lý tưởng có khả trì điện áp u hai đầu độc lập với dòng điện hay gọi nguồn “độc lập” qua nguồn Ta có: u A  uB u e (1.1) Nguồn dòng lý tưởng Nguồn dịng lý tưởng có khả trì dòng điện chạy qua nhánh độc lập với điện áp hai đầu nhánh (hình 1.2) Ta có: j  t  i  t  (1.2) Hình 1.2 Biểu diễn nguồn dòng I: giá trị nguồn dòng hay gọi cường độ dòng điện, đơn vị Ampe (A) Điện trở Hình 1.3 Biểu diễn điện trở kiểu Mỹ EU Điện trở thỏa quan hệ dịng – áp (định luật Ơm): u R.i (1.3) Đơn vị R Ω Nghịch đảo G R điện dẫn, đơn vị (Ʊ); Siemems (S) G i  R u (1.4) Công suất tiêu thụ điện trở là: i2 u2 p u.i R.i G.u   G R 2 (1.5) Cuộn cảm Hình 1.4 Biểu diễn cuộn cảm Cuộn cảm Hình 1.4 thỏa mãn quan hệ dòng – áp: u L di dt (1.6) L điện cảm, đơn vị Henry (H) Từ (1.9) tính i theo u sau: * Tổng quát: i  t   u  t  dt  a L (1.7) * Nếu biết i(t0) lúc t=t0: t i  t  u  t  dt  i  t0  (1.8) t0 * Nếu lúc t   chưa có dịng qua cuộn cảm: t i  t   u  t  dt L  (1.9) Theo (1.4), lượng tích trữ từ trường cuộn cảm từ t0 đến t là: t t di L  t   L  t0  L i .dt L i.di  L  i  t   i  t0   dt t0 t0 Nếu chọn  L  t0  0 ứng với i  t0  0 thì: L  t   Li  t  (1.10) Tụ điện Hình 1.5 Biểu diễn tụ điện Tụ điện Hình 1.5 thỏa quan hệ dịng áp: i C du dt (1.11) C điện dung, đơn vị Fara (F) Từ (1.11) tính u theo i sau: * Tổng quát: ut  i  t  dt  b C (1.12) * Nếu biết u  t0  t = t0: t u  t   i  t  dt  u  t0  C t0 (1.13) * Nếu lúc t   chưa có áp hai đầu cuộn cảm: t u  t   i  t  dt C  (1.14) Năng lượng tích trữ điện trường tụ điện từ t0 đến t là: t u t  du C  t   C  t0  C u dt C udu  C  u  t   u  t0   dt t0 u  t0  Nếu chọn C  t0  0 ứng với u  t0  0 thì: C  t   Cu  t  1.2 Những định luật mạch điện Định luật Ohm Định luật Ohm cho đoạn mạch Xét nhánh điện trở (1.15) Biểu thức tính điện áp điện trở: U=RI (V) Biểu thức tính dịng điện qua điện trở: U I R Hình 1.6 Giảm áp qua điện trở (A) R tính  Nhánh có sức điện động E điện trở R Xét nhánh có E, R Hình 1.7 Giảm áp qua đoạn mạch U U AB U1  U  U  U R1I  E1  R2 I  E2 ( R1  R2 ) I  ( E1  E2 ) (1.16) U ( R ) I   E Trong biểu thức ta quy ước dấu sau: Sức điện đơng E dịng điện I có chiều trùng với chiều điện áp U lấy dấu dương, ngược lại lấy dấu âm Biểu thức tính dòng điện: U E I  AB R (1.17) Trong biểu thức ta quy ước dấu sau: Sức điện động E điện áp U có chiều trùng với chiều dòng điện I lấy dấu dương, ngược lại lấy dấu âm Với dòng điện chưa biết chiều dịng điện ta chọn chiều cho I, sau dựa vào kết để nhận xét I > dòng điện chiều chọn (từ A đến B) I < dòng điện ngược chiều chọn 3.2 Định luật Ohm cho toàn mạch Cường độ dịng điện chạy mạch điện kín tỉ lệ thuận với suất điện động nguồn điện tỉ lệ nghịch với điện trở toàn phần mạch Hình 1.8 Mạch điện kín I E rR (1.18) Hiện tượng đoản mạch xảy nối cực nguồn điện dây dẫn có điện trở nhỏ Khi đoản mạch, dòng điện chạy qua mạch có cường độ lớn gây nhiều tác hại Định luật ơm tồn mạch hoàn toàn phù hợp với định luật bảo toàn chuyển hóa lượng Định luật Kirchhoff (Kiếc chốp) 4.1 Định luật Kirchhoff * Tổng đại số dịng điện đến nút khơng  i den nut 0 (1.19) * Trên Hình 1.9, chiều mũi tên chiều giả thiết: i1, i2, i3, i4, dương âm Theo định luật Kiêc khơp dịng điện ta có: i1  i2    i3     i4  0 (1.20) * Nếu viết:   i1    i2 i3  i4 0 , ta có cách phát biểu thứ hai định luật Kiêc khơp dịng điện:  i roi nut 0 I2 I4 I3 I1 Hình 1.9 Minh họa định luật nút (1.21) * Nếu viết: i1  i2 i3  i4 , ta có:  i den nut  i roi nut (1.22) 4.2 Định luật Kirchhoff * Tổng đại số điện áp dọc theo vịng khơng:  u doctheovong 0 (1.23) tất điện áp có chiều giả thiết dọc theo vòng - u2 + + u1 - + u3 - - u4 + Hình 1.10 Minh họa định luật áp Trên Hình 1.10, dấu + đầu dương giả thiết tùy ý chọn: u 1, u2, u3, u4 dương âm * Nếu chọn chiều chạy ABCDA (cùng chiều kim đồng hồ), theo định luật Kiêc chơp áp ta có:  u1  u2  u3  u4 0 (1.24) * Nếu chọn chiều chạy (dương) chiều ADCBA (ngược chiều kim đồng hồ), theo định luật Kiêc chơp áp ta có: u1  u2  u3  u4 0 (1.25) 1.3 Công, công suất tác dụng nhiệt dịng điện Cơng Cơng lực điện Công lực điện di chuyển điện tích điện trường từ M đến N AMN = qEd, khơng phụ thuộc vào hình dạng đường mà phụ thuộc vị trí điểm đầu M điểm cuối N đường Công suất 10