Giáo trình Kỹ thuật điện (Nghề Điện công nghiệp)

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI TRƢỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI GIÁO TRÌNH NỘI BỘ MƠN HỌC: KỸ THUẬT ĐIỆN NGHỀ ĐÀO TẠO: ĐIỆN DÂN DỤNG TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP LƢU HÀNH NỘI BỘ Năm 2017 LỜI GIỚI THIỆU Bài giảng Kỹ thuật điện đƣợc biên soạn sở chƣơng trình chi tiết mơn học Kỹ thuật điện nghề điện công nghiệp, đƣợc viết cho đối tƣợng đào tạo hệ cao đẳng trung cấp sử dụng đƣợc Bài giảng Điện kỹ thuật tập giảng kü thuËt sở nghề quan trọng chƣơng trình đào tạo cao đẳng trung cấp nghề.Vì nội dung bám sát chƣơng trình khung nghề nhằm đạt mục tiêu đào tạo nghề đồng thời tạo điều kiện cho ngƣời sử dụng tài liệu tốt hiệu Bài giảng đƣợc xây dựng với tham gia giáo viên khoa ĐiệnĐiện tử Trƣờng CĐ Lào cai Giáo trình đƣợc chia làm 03 chƣơng, đó: Chương 1: Cung cấp kiến thức phƣơng pháp biến đổi cơng thức tính tốn để giải mạch điện cụ thể nhƣ mạch điện chiều; xoay chiều pha ba pha Chương 2: Cung cấp kiến thức đảm bảo an toàn cho ngƣời thiết bị vận hành, kiểm tra sửa chữa thiết bị điện Cấp cứu đƣợc nạn nhân kỹ thuật xảy tai nạn điện Chương 3: Cung cấp kiến thức loại vật liệu điện để phục vụ cho công tác sửa chữa, thay Tác giả bày tỏ cảm ơn chân thành đến Ban giám hiệu, Phòng Đào tạo, Khoa Điện – Điện tử tạo điều kiện để giảng đƣợc hoàn thành Bài giảng biên soạn khó tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp từ đồng nghiệp bạn đọc để giảng ngày hoàn thiện MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU CHƢƠNG I: MẠCH ĐIỆN CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN 1.1 MẠCH ĐIỆN VÀ MÔ HÌNH MẠCH ĐIỆN 1.2 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG MẠCH ĐIỆN 1.3 CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI TƢƠNG ĐƢƠNG MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU 16 2.1 CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ BIỂU THỨC CƠ BẢN TRONG MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU 16 2.2 CÁC PHƢƠNG PHÁP GIẢI MẠCH MỘT CHIỀU 22 DỊNG ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN 32 3.1 KHÁI NIỆM VỀ DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU 32 3.2.GIẢI MẠCH XOAY CHIỀU KHÔNG PHÂN NHÁNH 34 3.3 GIẢI MẠCH XOAY CHIỀU PHÂN NHÁNH 52 MẠNG BA PHA 59 4.1 KHÁI NIỆM CHUNG 59 4.2 SƠ ĐỒ ĐẤU DÂY TRONG MẠNG BA PHA CÂN BẰNG 62 4.3 CÔNG SUẤT MẠNG BA PHA CÂN BẰNG 66 4.4 PHƢƠNG PHÁP GIẢI MẠNG BA PHA CÂN BẰNG 67 GIẢI CÁC MẠCH ĐIỆN NÂNG CAO 70 5.1 MẠCH BA PHA BẤT ĐỐI XỨNG 70 5.2 GIẢI MẠCH AC CÓ NHIỀU NGUỒN TÁC ĐỘNG 76 5.3 GIẢI MẠCH CĨ THƠNG SỐ NGUỒN PHỤ THUỘC 79 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG I 84 BÀI TẬP CHƢƠNG I 85 CHƯƠNG 2: AN TOÀN ĐIỆN 89 CÁC BIỆN PHÁP PHÒNG HỘ LAO ĐỘNG 89 1.1 PHÒNG CHỐNG NHIỄM ĐỘC 89 1.2 PHÒNG CHỐNG BỤI 92 1.3 PHÒNG CHỐNG CHÁY NỔ 94 1.4 THƠNG GIĨ CƠNG NGHIỆP 97 AN TOÀN ĐIỆN 98 2.1 ẢNH HƢỞNG CỦA DÒNG ĐIỆN ĐỐI VỚI CƠ THỂ CON NGƢỜI 98 2.2 TIÊU CHUẨN VỀ AN TOÀN ĐIỆN 101 2.3 NGUYÊN NHÂN GÂY TAI NẠN ĐIỆN 103 2.4 CÁC BIỆN PHÁP SƠ CẤP CỨU CHO NẠN NHÂN BỊ ĐIỆN GIẬT 105 2.5 CÁC BIỆN PHÁP BẢO VỆ AN TOÀN CHO NGƢỜI VÀ THIẾT BỊ KHI SỬ DỤNG ĐIỆN 108 2.6 LẮP ĐẶT HỆ THỐNG BẢO VỆ AN TOÀN 116 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG II 125 CHƢƠNG III: VẬT LIỆU ĐIỆN 126 VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 126 1.1.KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 126 1.2 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 128 1.3 MỘT SỐ VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THÔNG DỤNG 132 VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 145 2.1 KHÁI NIỆM VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 145 2.2 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM 146 2.3 NHỮNG HƢ HỎNG THƢỜNG GẶP VÀ CÁCH CHỌN VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN Error! Bookmark not defined 2.4 MỘT SỐ VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN THÔNG DỤNG 151 VẬT LIỆU DẪN TỪ 158 3.1 KHÁI NIỆM VÀ TÍNH CHẤT VẬT LIỆU DẪN TỪ 158 3.2 MẠCH TỪ, TÍNH TỐN MẠCH TỪ 158 3.3 MỘT SỐ VẬT LIỆU DẪN TỪ THÔNG DỤNG 170 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG III 173 TẬP BÀI GIẢNG MƠN HỌC: KỸ THUẬT ĐIỆN Tên mơn học: Kỹ thuật điện Mã mơn học: MH 07 I VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MƠN HỌC: - Vị trí mơn học: Mơn học đƣợc bố trí song song sau học sinh học xong môn học chung trƣớc mơn học/ mơ đun chun mơn - Tính chất môn học: Là môn học lý thuyết sở bắt buộc II MỤC TIÊU MÔN HỌC: Kiến thức: - Vẽ đƣợc sơ đồ nguyên lý mạch điện, phân tích tính tốn đƣợc đại lƣợng điện mạch điện chiều; xoay chiều - Mô tả đƣợc tác dụng dòng điện thể ngƣời, nguyên nhân gây tai nạn điện, biện pháp cấp cứu ngƣời bị tai nạn điện giật biện pháp kỹ thuật an tồn điện - Mơ tả đƣợc đặc điểm ứng dụng vật liệu dẫn điện, cách điện, dẫn từ, vật liệu kết cấu Kỹ năng: - Vận dụng cơng thức tính tốn cho mạch điện cụ thể tính tốn thơng số mạch điện cụ thể nhƣ mạch điện chiều; xoay chiều pha, xoay chiều ba pha - Vận dụng kiến thức đảm bảo an toàn vận hành, sửa chữa thiết bị điện Cấp cứu đƣợc nạn nhân xảy tai nạn điện - Lựa chọn loại vật liệu điện phục vụ cho công tác sửa chữa, thay Năng lực tự chủ trách nhiệm: - Nghiêm túc, chủ động học tập Ứng dụng kiến thức học vào thực tế CHƢƠNG I: MẠCH ĐIỆN I MỤC TIÊU CỦA CHƢƠNG: - Phát biểu đƣợc khái niệm, định luật, định lý mạch điện chiều, xoay chiều, mạch ba pha - Vận dụng biểu thức để tính tốn thơng số kỹ thuật mạch điện chiều, xoay chiều, mạch ba pha trạng thái xác lập - Vận dụng phƣơng pháp phân tích, biến đổi mạch để giải tốn mạch điện hợp lý - Giải thích số ứng dụng đặc trƣng theo quan điểm kỹ thuật điện II NỘI DUNG CHI TIẾT CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN 1.1 MẠCH ĐIỆN VÀ MÔ HÌNH MẠCH ĐIỆN 1.1.1 Mạch điện Mạch điện tập hợp thiết bị điện nối với dây dẫn tạo thành vịng kín dịng điện chạy qua Mạch điện gồm phần tử nguồn điện, thiết bị tiêu thụ điện, dây dẫn ngồi cịn có thiết bị phụ trợ nhƣ: thiết bị đóng cắt, đo lƣờng, bảo vệ, tự động… Ví dụ: Sơ đồ mạch điện đơn giản nhƣ hình vẽ: a Nguồn điện - Là thiết bị để biến đổi dạng lƣợng nhƣ: Cơ năng, hoá năng, nhiệt năng, thuỷ năng, lƣợng nguyên tử…thành điện - Nguồn điện nguồn chiều xoay chiều + Nguồn chiều: Pin, acquy, máy phát điện chiều, + Nguồn xoay chiều: Lấy từ lƣới điện, máy phát điện xoay chiều,… - Các nguồn điện công suất lớn thƣờng đƣợc truyền tải từ nhà máy điện (nhiệt điện, thủy điện, điện nguyên tử ) - Các nguồn điện chiều thƣờng đƣợc đặc trƣng sức điện động E, điện trở r Với nguồn xoay chiều thƣờng biểu diễn công suất P (công suất máy phát) điện áp u Hình 1.2: Một số loại nguồn điện b Thiết bị tiêu thụ điện (Phụ tải) Là thiết bị sử dụng điện để chuyển hóa thành dạng lƣợng khác, nhƣ dùng để thắp sáng (quang năng), chạy động điện (cơ năng), dùng để chạy lò điện (nhiệt năng) Các thiết bị tiêu thụ điện thƣờng đƣợc gọi phụ tải (hoặc tải) ký hiệu điện trở R tổng trở Z Hình 1.3: Một số loại phụ tải thơng dụng c Dây dẫn Có nhiệm vụ liên kết truyền dẫn dòng điện từ nguồn điện đến nơi tiêu thụ Thƣờng làm kim loại đồng nhôm số vật liệu dẫn điện có điện dẫn suất cao khác d Các thiết bị phụ trợ: - Dùng để đóng cắt nhƣ: Cầu dao, công tắc, aptômát, máy cắt điện, công tắc tơ - Dùng để đo lƣờng: Ampe mét, vôn mét, oát mét, công tơ điện… - Dùng để bảo vệ: Cầu chì, rơ le, … 1.1.2 Mơ hình mạch điện Khi tính tốn , mạch điện thực đƣợc thay sơ đồ gọi mơ hình mạch điện, đó các phầ n tƣ̉ thƣ̣c đƣơ ̣c thay thế bằ ng các phầ n tƣ̉ lý tƣởng: E, J, R - u cầu mơ hình mạch điện: mơ hình mạch điện phải đảm bảo kết cấu hình học trình lƣợng giống nhƣ mạch điện thực - Một mạch thực có nhiều mơ hình mạch điện, điều tuỳ thuộc vào mục đích nghiên cứu điều kiện làm việc mạch điện a Phần tử điện trở Điện trở R đặc trƣng cho trình tiêu thụ điện biến đổi điện sang dạng lƣợng khác nhƣ nhiệt năng, quang năng, v…v Quan hệ dòng điện điện áp điện trở : UR =R.I (1.1) Đơn vị điện trở Ω (ôm) ; Công suất điện trở tiêu thụ: P = RI2 ; (1.2) R I UR - Điện tiêu thụ điện trở khoảng thời gian t là: A  RI 2t (1.3) - Đơn vị điện Wh, KWh b Phần tử điện cảm - Khi có dịng điện i chạy qua cuộn dây có w vịng sinh từ thơng móc vịng qua cuộn dây:   w (1.4) - Điện cảm cuộn dây đƣợc định nghĩa L  w  i i (1.5) - Sức điện động tự cảm: eL   L di dt (1.6) - Đơn vị điện cảm H (Henri) Quan hệ dòng điện điện áp điện cảm: UL = - eL = - L di dt (1.7) UL: gọi điện áp rơi điện cảm Công suất cuộn dây: PL = UL.i = L.i di dt (1.8) i2 Năng lƣợng từ trƣờng tích lũy cuộn dây: WM = L (1.9) Nhƣ điện cảm L đặc chƣng cho tƣợng tích lũy lăng lƣợng từ trƣờng cuộn dây L i uL c Phần tử điện dung - Khi đặt điện áp uc lên tụ điện có điện dung C tụ đƣợc nạp điện với điện tích q: q  CU C (1.10) - Quan hệ dòng điện điện áp điện dung C là: i= dq d C.U C d U = = c C dt dt dt  UC = i.dt C 0 (1.11) - Công suất tụ điện: pC = UC.i = C.UC d U C d U C = C.UC dt dt - Năng lƣợng điện trƣờng tụ điện: WE = (1.12) U C2 C (1.13) Nhƣ điện dung C đặc trƣng cho tƣợng tích lũy lƣợng điện tụ diện Đơn vị điện dung là: F (Fara)  F (1 F  106 F ); nF (1nF  109 F ) ; pF (1 pF  1012 F ) i C uC d Phần tử nguồn điện áp u(t) - Nguồn điện áp đặc trƣng cho khả tạo nên trì điện áp hai cực nguồn Chiều điện áp đƣợc quy định từ điểm có hiệu điện cao xuống điểm có hiệu điện thấp Chiều sức điện động đƣợc quy định từ điểm có điện thấp đến điểm có điện cao - Quan hệ sức điện động điện áp đầu cực nguồn: u(t)= e(t) u(t) e e Phần tử nguồn dòng điện j(t) Nguồn dòng đặc trƣng cho khả nguồn điện tạo nên trì dịng điện cung cấp cho mạch ngồi J(t) 1.2 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG MẠCH ĐIỆN 1.2.1 Dòng điện chiều qui ƣớc dòng điện Khi đặt vật dẫn điện trƣờng, dƣới tác dụng lực điện trƣờng, điện tích dƣơng di chuyển từ nơi có điện cao đến nơi có điện thấp hơn, cịn điện tích âm (các điện tử) di chuyển ngƣợc lại từ nơi có điện thấp đến nơi có điện cao tạo thành dòng điện Vậy: Dòng điện dịng điện tử chuyển dời có hướng tác dụng lực điện trường * Chiều quy ƣớc dòng điện: Theo quy ƣớc: chiều dòng điện chiều chuyển rời điện tích dƣơng + Trong kim loại : Dòng điện dòng điện tử chuyển dời có hƣớng Vì điện tử di chuyển từ nơi có điện thấp đến nơi có điện cao nên dòng điện tử ngƣợc với chiều quy ƣớc dòng điện + Trong dung dịch điện ly : Dịng điện dịng ion chuyển dời có hƣớng Nó gồm có hai dịng ngƣợc chiều là: Dịng ion dương có chiều theo chiều quy ƣớc điện trƣờng dịng ion âm có chiều ngƣợc chiều quy ƣớc Các ion dƣơng di chuyển từ Anốt (cực dương) Catôt (cực âm) nên gọi Cation, ion âm di chuyển từ catốt Anôt nên gọi Anion + Trong môi trường chất khí bị ion hố : Dịng điện dịng ion điện tử chuyển dời có hƣớng Nó gồm có dịng ion dƣơng theo chiều điện trƣờng từ Anốt Catốt, dòng ion âm điện tử ngƣợc chiều điện trƣờng từ Catốt Anốt Nhƣ vật dẫn, dòng điện từ nơi có điện cao đến nơi có điện thấp, nguồn điện ngƣợc lại dịng điện từ cực có điện thấp đến cực có điện cao 1.2.2 Cƣờng độ dòng điện Đại lƣơng đặc trƣng cho độ lớn dòng điện đƣợc gọi Cƣờng độ dòng điện, ký hiệu I (hoặc i) Cƣờng độ dịng điện lƣợng điện tích qua tiết diện dây dẫn đơn vị thời gian (tính giây) Ta có: I= q t (1.11) Trong đó: I: Cƣờng độ dịng điện, đơn vị ampe (A) t: thời gian, đơn vị giây (s) q: lƣợng điện tích, đơn vị culong (C) 1.2.3 Mật độ dòng điện Mật độ dòng điện đại lƣợng đo tỉ số dòng điện qua dây dẫn tiết diện dây: ... giảng Kỹ thuật điện đƣợc biên soạn sở chƣơng trình chi tiết mơn học Kỹ thuật điện nghề điện công nghiệp, đƣợc viết cho đối tƣợng đào tạo hệ cao đẳng trung cấp sử dụng đƣợc Bài giảng Điện kỹ thuật. .. mạch điện hợp lý - Giải thích số ứng dụng đặc trƣng theo quan điểm kỹ thuật điện II NỘI DUNG CHI TIẾT CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN 1.1 MẠCH ĐIỆN VÀ MƠ HÌNH MẠCH ĐIỆN 1.1.1 Mạch điện Mạch điện. .. máy phát điện chiều, + Nguồn xoay chiều: Lấy từ lƣới điện, máy phát điện xoay chiều,… - Các nguồn điện công suất lớn thƣờng đƣợc truyền tải từ nhà máy điện (nhiệt điện, thủy điện, điện nguyên