Giáo trình Mạch điện

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠNG NGHỆ HÀ TĨNH GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: MẠCH ĐIỆN NGHỀ : ĐIỆN CƠNG NGHIỆP/CƠ ĐIỆN TỬ/ĐIỆN LẠNH TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG/TRUNG CẤP Ban hành kèm theo Quyết định số: /QĐ -… ngày…….tháng….năm Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Công nghệ Hà Tĩnh Hà Tĩnh, năm 2020 TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HÀ TĨNH KHOA ĐIỆN TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên 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 GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HÀ TĨNH KHOA ĐIỆN LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình mơn học mạch điện xây dựng biên soạn sở chương trình khung đào tạo nghề Điện cơng nghiệp trường Cao đẳng Công nghệ Hà Tĩnh phê duyệt Giáo trình Mạch điện dùng để giảng dạy trình độ Cao đẳng/Trung cấp nghề biên soạn mang tính chọn lọc, khoa học, sát thực tế hướng học lên chương trình sau Cao đẳng Nội dung giáo trình gồm; Bài mở đầu: Khái niệm mạch điện Chương I: Mạch điện chiều Chương II: Mạch điện xoay chiều hình sin pha Chương III: Mạch điện xoay chiều hình sin ba pha Áp dụng việc đổi phương pháp dạy học việc áp dụng phần mềm dạy học như: Kahoot, Microsoft team, giáo trình biên soạn phần nội dung học phần câu hỏi, tập để đánh giá khả tiếp thu người học lớp nhà cách khách quan tăng thêm tính động cho người học Trong q trình biên soạn có sai sót, mong góp ý Hội đồng thẩm định giáo trình, đồng nghiệp bạn học sinh, sinh viên để giáo trình hoàn thiện Hà Tĩnh, ngày tháng năm 2020 Tác giả: Thái Thị Quyền GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HÀ TĨNH KHOA ĐIỆN MỤC LỤC TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN LỜI GIỚI THIỆU .2 MỤC LỤC CHƯƠNG TRÌNH MƠN HỌC Bài mở đầu: Các khái niệm mạch điện Mạch điện 1.1 Định nghĩa .8 1.2 Phân loại Các khái niệm mạch điện 2.1 Dòng điện cường độ dòng điện .9 2.2 Điện áp Các phép biến đổi tương đương 3.1 Điện trở ghép nối tiếp 3.2 Điện trở ghép song song 10 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP: 10 Chương I: Mạch điện chiều 13 Các định luật biểu thức mạch chiều 14 1.1 Định luật ôm (Ohm) .14 1.2 Hai định luật Kirchhoff 15 1.3 Công suất điện mạch chiều Error! Bookmark not defined Các phương pháp giải mạch chiều Error! Bookmark not defined 2.1 Phương pháp biến đổi điện trở Error! Bookmark not defined 2.2 Phương pháp dòng điện nhánh Error! Bookmark not defined CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP: Error! Bookmark not defined Chương II: Mạch điện xoay chiều hình sin pha Error! Bookmark not defined Khái niệm dòng điện xoay chiều Error! Bookmark not defined 1.1 Định nghĩa dịng điện xoay chiều hình sin .Error! Bookmark not defined 1.3 Các đại lượng đặc trưng (giá trị tức thời, hiệu dụng cực đại) Error! Bookmark not defined GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HÀ TĨNH KHOA ĐIỆN 1.4 Pha lệch pha Error! Bookmark not defined Giải mạch xoay chiều không phân nhánh Error! Bookmark not defined 2.1 Giải mạch thuần trở, thuần cảm, thuần dung Error! Bookmark not defined 2.2 Giải mạch R- L – C nối tiếp Error! Bookmark not defined Công suất mạch điện xoay chiều Error! Bookmark not defined CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP Error! Bookmark not defined Chương III: Mạch điện xoay chiều hình sin ba pha Error! Bookmark not defined Khái niệm chung Error! Bookmark not defined 1.1 Hệ thống ba pha cân Error! Bookmark not defined 1.2 Ý nghĩa nguồn pha dây Error! Bookmark not defined Sơ đồ đấu dây mạng ba pha cân Error! Bookmark not defined 2.1 Định nghĩa cuộn dây pha, điện áp dây, điện áp pha, dòng điện dây dòng điện pha Error! Bookmark not defined 2.2 Đấu dây hình (Y) Error! Bookmark not defined 2.3 Đấu dây hình tam giác () Error! Bookmark not defined 2.3.1 Cách đấu Error! Bookmark not defined Công suất mạng ba pha cân Error! Bookmark not defined 3.1 Công suất tác dụng P Error! Bookmark not defined 3.2 Công suất phản kháng Q Error! Bookmark not defined 3.3 Công suất biểu kiến S Error! Bookmark not defined 3.4 Bài tập ứng dụng Error! Bookmark not defined CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 19 GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HÀ TĨNH KHOA ĐIỆN CHƯƠNG TRÌNH MƠN HỌC Tên mơn học: Mạch điện Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học: - Vị trí: Mơn học mạch điện bố trí học sau môn học chung học trước mơn học, mơ đun chun mơn nghề - Tính chất: Là môn học thuộc phần môn học/mô đun sở - Ý nghĩa vai trị mơ đun: Môn học Mạch điện trang bị cho người học kiến thức đại lượng như: dòng điện, điện áp, công suất, điện kỹ tính tốn đại lượng để tính chọn thiết bị điện nhằm làm tiền đề cho mô đun thực hành Mục tiêu môn học: - Về kiến thức: Trình bày khái niệm mạch điện, dịng điện, điện áp; tính chất mạch xoay chiều; cách tính dịng điện, điện áp, cơng suất mạch chiều, xoay chiều; phương pháp nối cuộn dây pha; phương pháp giải mạch điện (phương pháp dòng điện nhánh, mạch pha đối xứng); Phát biểu định luật mạch điện định luật ôm, định luật Kirchhoff - Về kỹ năng: Phân biệt dòng điện chiều với xoay chiều; xác định công suất chiều xoay chiều; nối cuộn dây pha theo phương pháp sao, tam giác phân biệt điện áp pha, điện áp dây; Vận dụng định luật phương pháp giải mạch điện để giải toán mạch điện như: + Mạch trở, cảm, dung, mạch R-L-C nối tiếp + Mạch pha đối xứng - Về lực tự chủ trách nhiệm: + Làm việc độc lập làm việc theo nhóm, giải cơng việc điều kiện làm việc thay đổi; + Hướng dẫn, giám sát người khác thực nhiệm vụ xác định; chịu trách nhiệm cá nhân trách nhiệm nhóm; + Đánh giá chất lượng cơng việc sau hồn thành kết thực thành viên nhóm III Nội dung môn học: Nội dung tổng quát phân bổ thời gian: Thời gian (giờ) Thực hành, Số Tên chương, mục thí nghiệm, Kiểm Tổng Lý TT số thuyết thảo luận, tra tập Bài mở đầu : Các khái niệm mạch điện Mạch điện 1.1 Định nghĩa GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠNG NGHỆ HÀ TĨNH 1.2 Phân loại Các khái niệm mạch điện 2.1 Dòng điện cường độ dòng điện 2.2 Điện áp Các phép biến đổi tương đương 3.1 Điện trở ghép nối tiếp 3.2 Điện trở ghép song song Chương I Mạch điện chiều 20 Các định luật biểu thức mạch chiều 1.1 Định luật ôm 1.2 Hai định luật Kirchhoff 1.3 Công suất điện mạch chiều Các phương pháp giải mạch chiều 2.1 Phương pháp biến đổi điện trở 2.2 Phương pháp dòng điện nhánh Chương II Mạch điện xoay chiều hình 15 sin pha Khái niệm dòng điện xoay chiều 1.1 Định nghĩa dòng điện xoay chiều hình sin 1.2 Chu kỳ, tần số tần số góc dịng điện xoay chiều 1.3 Các đại lượng đặc trưng (giá trị tức thời, hiệu dụng cực đại) 1.4 Pha lệch pha Giải mạch R – L – C nối tiếp 2.1 Giải mạch trở, cảm, dung 2.2 Giải mạch R- L – C nối tiếp Chương III Mạch điện xoay chiều 20 hình sin ba pha Khái niệm chung 1.1.Hệ thống ba pha cân 1.2 Ý nghĩa nguồn pha dây Sơ đồ đấu dây mạng ba pha cân 2.1 Định nghĩa cuộn dây pha, điện áp dây, điện áp pha, dòng điện dây dòng điện pha 2.2 Đấu dây hình (Y) 2.3 Đấu dây hình tam giác () 2.4 Đấu tải vào nguồn pha GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN KHOA ĐIỆN 1 12 1 3 1 7 11 2 TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠNG NGHỆ HÀ TĨNH Cơng suất mạng ba pha cân 3.1 Công suất tác dụng P 3.2 Công suất phản kháng Q 3.3 Công suất biểu kiến S 3.4 Bài tập ứng dụng Phương pháp giải mạng ba pha cân 4.1 Đặc điểm phương pháp giải 4.2 Bài tập ứng dụng Mạng ba pha bất đối xứng có dây trung tính (mạng điện sinh hoạt) 5.1 Đặc điểm phương pháp giải 5.2 Bài tập ứng dụng Cộng: 60 GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN KHOA ĐIỆN 1 1 23 33 TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HÀ TĨNH KHOA ĐIỆN Bài mở đầu: Các khái niệm mạch điện Giới thiệu Mạch điện môn học sở kỹ thuật quan trọng q trình đào tạo cơng nhân lành nghề, kỹ sư ngành kỹ thuật điện công nghiệp, tự động hóa Nó nhằm mục đích trang bị sở lý luận có hiệu lực cho ngành kỹ thuật điện mà cịn vận dụng cho nhiều ngành kỹ thuật khác Ở mở đầu chủ yếu tập trung khái niệm mạch điện phép biến đổi tương đương nhằm đưa mạch điện dạng đơn giản điện; Mục tiêu: - Trình bày khái niệm mạch điện, đại lượng đặc trưng mạch - Phân biệt chất, đơn vị tính tốn dịng điện, điện áp, công suất điện năng; Biến đổi mạch điện theo phương pháp: Điện trở mắc nối tiếp, song song - Có ý thức học tập tích cực, tự giác Nội dung: Mạch điện 1.1 Định nghĩa Mạch điện tập hợp tất thiết bị điện như: nguồn điện, phụ tải, dây dẫn, thiết bị đóng cắt, bảo vệ, đo lường (nếu có) nối với tạo thành vịng kín mà dịng điện chạy qua Q trình điện từ mạch điện biểu diễn đại lượng điện như: sức điện động, dòng điện điện áp Như ba điều kiện cần đủ mạch điện là: nguồn điện, dây dẫn phụ tải, đó: Nguồn điện: nơi cung cấp lượng điện tín hiệu điện cho mạch, nguồn điện có chức biến đổi từ dạng lượng khác sang lượng điện (điện năng), ví dụ máy phát điện (biến đổi thành điện năng), ắc quy (biến đổi hóa thành điện năng) Phụ tải: Là thiết bị nhận lượng điện hay tín hiệu điện Phụ tải biến đổi lượng điện sang dạng lượng khác, ví dụ động điện (biến đổi điện thành năng), đèn điện (biến đổi điện thành quang năng), bàn là, bếp điện (biến đổi điện sang nhiệt năng)… Phụ tải (gọi tắt tải) thiết bị tiêu thụ điện Dây dẫn: Làm nhiệm vụ truyền tải lượng điện từ nguồn đến nơi tiêu thụ Ngoài ra, mạch điện có phần tử khác như: thiết bị đóng cắt, bảo vệ (áp tơ mát, cầu chì, nút nhấn, công tắc, rơ le,,,), thiết bị đo lường (ampe kế, vơn kế, ốt kế, tần số kế…), phần tử làm thay đổi áp dòng phần khác mạch (như máy biến áp, máy biến dòng), phần tử làm giảm tăng cường thành phần tín hiệu (các lọc, khuếch đại)… Tính chất mạch điện đặc trưng trị số điện trở, điện cảm điện dung phần tử tạo thành mạch điện 1.2 Phân loại Có cách phân loại bản: - Phân theo loại dòng điện: Mạch điện chiều, xoay chiều pha xoay chiều pha GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HÀ TĨNH KHOA ĐIỆN - Phân loại theo kết cấu: Mach điện đơn giản mạch điện phức tạp Mạch đơn giản mạch chỉ có dịng điện chạy qua (khơng phân nhánh), mạch điện phức tạp mạch có từ nhánh trở lên - Phân loại theo cơng suất: Mạch điện có công suất nhỏ, công suất vừa công suất lớn Các khái niệm mạch điện 2.1 Dòng điện cường độ dòng điện Dòng điện dịng chuyển dời có hướng hạt mang điện tích (các electron) Chiều dịng điện quy ước chiều chuyển động điện tích dương Cường độ dòng điện: đại lượng đặc trưng cho độ mạnh yếu dòng điện, trị số xác định tốc độ biến thiên lượng điện tích q chuyển qua tiết diện ngang vật dẫn thời gian t I= dq dt (1) Đơn vị: ampe (A) Ngồi cịn có bội số ước số ampe như: kilo ampe (kA), miliampe (mA) Cách đổi sau: 1kA = 103A = 106mA, 1mA = 10-3A = 10-6kA 2.2 Điện áp Tại điểm mạch điện có điện φ, hiệu điện điểm gọi điện áp Điện áp có chiều qui ước từ nơi có điện cao đến nơi có điện thấp Điện áp cực nguồn hở mạch gọi nguồn sức điện động E Đơn vị điện áp: Vơn (V) Ngồi cịn có bội số ước số Vôn như: Kilo vôn (KV), mili Vôn (mV) , milivon (mV) Cách đổi sau: 1kV = 103V = 106mV, 1mV = 10-3V = 10-6kV Các phép biến đổi tương đương 3.1 Điện trở ghép nối tiếp Nếu có n điện trở (R1, R2, , Rn) mắc nối tiếp với (hình vẽ 1) điện trở tương đương Rtđ (điện trở tổng RT) tổng điện trở có mạch Hình 1: Các điện trở mắc nối tiếp Biểu thức tính điện trở toàn mạch: Rtđ =RT = R1 + R2 +…+ Rn GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN (2) TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HÀ TĨNH KHOA ĐIỆN - Bài tập vận dụng: Cho R1 = 2Ω, R2 = 4Ω, R3 = 5Ω mắc nối tiếp, điện trở tổng là: a Ω b 10 Ω c 11 Ω d 12Ω 3.2 Điện trở ghép song song Nếu có n điện trở mắc song song với (hình vẽ 2) điện trở tương đương (R tđ) xác định theo biểu thức (3): Hình 2: Các điện trở mắc song song 1 1     (3) Rtd R1 R2 Rn Nếu chỉ có điện trở mắc song song với thì: R1.R Rtđ  (4) R1  R Bài tập vận dụng: Cho R1 = R2 = 4Ω, mắc song song, điện trở tương đương tồn mạch là: a 16 Ω b Ω c Ω d 2Ω CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP: Nêu định nghĩa mạch điện? Tính chất mạch điện phụ thuộc vào yếu tố nào? ………………………………………………………………………………………… … ……………………………………………………………………………………… …… …………………………………………………………………………………… ……… ………………………………………………………………………………… ………… …………………………………………………………………………………………… Một nguồn điện có SĐĐ E = 100V, điện trở Rn = 1Ω, cung cấp điện cho tải RT = 24Ω Tính dịng điện chạy qua tải ………………………………………………………………………………………… … ……………………………………………………………………………………… …… …………………………………………………………………………………… ……… ………………………………………………………………………………… ………… ……………………………………………………………………………… …………… …………………………………………………………………………… ……………… …………………………………………………………………………………………… Câu 3: Nêu định nghĩa dịng điện, điện áp chiều quy ước nào? GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN 10 TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HÀ TĨNH KHOA ĐIỆN ………………………………………………………………………………………… … ……………………………………………………………………………………… …… …………………………………………………………………………………… ……… ………………………………………………………………………………… ………… ………………………………………………………………………………………… Câu 4: Trình bày phép biến đổi tương đương? ………………………………………………………………………………………… … ……………………………………………………………………………………… …… …………………………………………………………………………………… ……… ………………………………………………………………………………… ………… ……………………………………………………………………………… …………… …………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… … ……………………………………………………………………………………….…… …………………………………………………………………………………… ……… ……………………………………………………………………………………… … Câu 5: Để có điện trở tương đương 150 Ω, người ta mắc song song hai điện tr R1 R2 Biết R1 = 330 Ω, giá trị điện trở R2 là: a 275 Ω b.480 Ω c 180 Ω d Không có giá trị Câu 6: Cho mạch điện hình vẽ, dùng phương pháo biến đổi tương đương tính dịng điện nhánh Tính cơng suất nguồn công suất điện trở Cho U = 80V; R = 1,25Ω; R1 = Ω; R2 = 10 Ω Hình 3: Hình vẽ tập ………………………………………………………………………………………… … ……………………………………………………………………………………… …… …………………………………………………………………………………… ……… GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN 11 TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HÀ TĨNH KHOA ĐIỆN ………………………………………………………………………………… ………… ……………………………………………………………………………… … ……… ………………………………………………………………………………………… … ……………………………………………………………………………………… …… …………………………………………………………………………………… ……… ………………………………………………………………………………… ………… ……………………………………………………………………………… …………… …………………………………………………………………………… ……………… ………………………………………………………………………… … …………… ………………………………………………………………………………………… … ……………………………………………………………………………………… … ………………………………………………………………………………………… … …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… Câu 7: Đặc điểm mạch mắc song là: a UT = U1 = U2 = … = Un c Cả đặc điểm b IT = I1 + I2 + … + In d Cả đặc điểm sai Câu 8: Định nghĩa nói dòng điện? a Dòng điện dòng chuyển dời có hướng hạt mang điện tích b Chiều dòng điện quy ước chiều chuyển động điện tích dương c Cường độ dịng điện đặc trưng cho độ mạnh yếu dòng điện d Tất ý Câu 9: Phát biểu sau đúng? a Nếu có n điện trở mắc nối tiếp với điện trở tổng tồn mạch tổng điện trở mắc nối tiếp b Nếu có n điện trở mắc song song với điện trở tương đương tồn mạch tổng điện trở mắc song song c Cả hai ý d Cả hai ý sai Câu 10: Một nguồn điện có suất điện động E = 100V, điện trở Rn = 1Ω, cung cấp điện cho tải Rt = 24 Ω Giá trị dòng điện chạy qua tải là: a 4A b 3A c 5A d 6A Câu 11: Cho R1 = 2Ω, R2 = 4Ω, R3 = 5Ω mắc nối tiếp, điện trở tổng là: GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN 12 TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HÀ TĨNH a Ω b 10 Ω KHOA ĐIỆN c 11 Ω d 12Ω Câu 12: Phát biểu sau nói điện trở R: a Điện trở R đặc trưng cho trình biến đổi tiêu thụ điện năng, biến điện thành dạng lượng khác quang năng, nhiệt b Theo định luật Ôm quan hệ dòng điện i điện áp uR là: R = UR/I c Đơn vị điện trở  (ôm) Câu 13: Phát biểu sau nói dịng điện: a Giá trị hiệu dụng kí hiệu I b Giá trị hiệu dụng kí hiệu U c Đơn vị A d Cả a c Chương I: Mạch điện chiều Giới thiệu Chương giới thiệu định luật mạch điện chiều mạch xoay chiều phương pháp giải mạch điện chiều GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN 13 TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HÀ TĨNH KHOA ĐIỆN Dòng điện chiều dòng chuyển động đơn hướng điện tích Mạch điện chiều mạch điện có nguồn chiều cung cấp điện cho phụ tải chiều Mục tiêu: - Trình bày giải thích nội dung định luật ơm, định luật Kirchhoff cách tính cơng suất mạch điện chiều; Trình bày bước giải bải tốn theo phương pháp biến đổi điện trở dịng điện nhánh; - Tính tốn đại lượng mạch dịng điện, điện trở, điện áp, cơng suất; Phân tích sơ đồ mạch điện, chọn cách giải phù hợp giải toán mạch điện theo yêu cầu; - Có ý thức học tập tích cực, tự giác Nội dung chương: Các định luật biểu thức mạch chiều 1.1 Định luật ôm (Ohm) Định luật ôm nhà bác học G.Ohm người Đức tìm thực nghiệm nửa đầu kỷ 19 Định luật Ohm định luật vật lý phụ thuộc vào cường độ dòng điện hiệu điện điện trở Định luật ơm nói lên mối quan hệ dịng điện điện áp mạch điện khơng phân nhánh Đối với mạch điện phân nhánh, quan hệ dòng điện điện áp phức tạp nhiều (khơng xét chương trình này) a.Với đoạn mạch có tải thuần trở Điện trở đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất cản trở dịng điện vật liệu Nội dung định luật cho cường độ dòng điện qua điểm vật dẫn điện tỷ lệ thuận với hiệu điện qua điểm U I (1.1) R Trong đó: I: Cường độ dịng điện (A) U: Điện áp (V) R: Điện trở () b.Với toàn mạch (đoạn mạch có thêm nguồn sức điện động E) U  E I (1.2) => U = I (R) – E (1.3) R Trong đó: dịng điện sức điện động có chiều trùng với chiều điện áp mạch mang dấu dương (+), ngược lại mang dấu âm (-) Ví dụ: Cho mạch điện vẽ (hình 1.1) Biết R1 = 1, R2 = 2, R3 = 3, E1 = 1V, E2 = 2V, I = 1A Tính điện áp UAB UBA? GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN 14 TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HÀ TĨNH KHOA ĐIỆN Hình 1.1: Đoạn mạch có nguồn sức điện động E Giải - Áp dụng Cơng thức (1.3) ta có: UAB = I (R1 + R2 + R3) – (E1 – E2) = (1+ +3) - (1 – 2) = (V) UBA = - I (R1 + R2 + R3) – (- E1 + E2) = - (1+ +3) - (- + 2) = - (V) Nhận xét: Do UBA