Bài giảng Kỹ thuật điện (Nghề Vận hành nhà máy thủy điện)

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI BÀI GIẢNG MÔN HỌC: KỸ THUẬT ĐIỆN NGHỀ ĐÀO TẠO: VẬN HÀNH NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN (Áp dụng cho trình độ: Trung cấp) LƯU HÀNH NỘI BỘ NĂM 2019 LỜI GIỚI THIỆU Tập giảng Kỹ thuậ điện biên soạn sở chương trình khung nghề Vận hành nhà máy thủy điện, viết cho đối tượng đào tạo hệ trung cấp.Vì nội dung bám sát chương trình khung nghề nhằm đạt mục tiêu đào tạo nghề đồng thời tạo điều kiện cho người sử dụng tài liệu tốt hiệu Bài giảng chia làm 02 chương, đó: Chương 1: Cung cấp kiến thức mạch điện chiều, mạch điện xoay chiều hình sin pha, mạng ba pha (dòng điện, cường độ dòng điện, điện trở, điện trở suất, công suất, điện năng), viết, giải thích, vận dụng linh hoạt biểu thức tính tốn để giải dạng tập Chương 2: Cung cấp kiến thức loại vật liệu điện để phục vụ cho công tác sửa chữa, thay TẬP BÀI GIẢNG Tên môn học: Kỹ thuật điện Mã số môn học: MH 09 Thời gian môn học: 60 giờ; (Lý thuyết: 40 giờ; Thí nghiệm, tập, thảo luận: 18 giờ; Kiểm tra: giờ) I VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MƠN HỌC: - Vị trí: Kỹ thuật điện môn học kỹ thuật sở danh mục môn học/môđun đào tạo bắt buộc thuộc chương trình dạy nghề Vận hành nhà máy thuỷ điện Mơn học trang bị cho người học kiến thức sở điện để người học học tiếp môn liên quan; - Tính chất: Mơn học dược bố trí giảng dạy trước học môn học/ mô đun chun mơn II MỤC TIÊU MƠN HỌC: * Kiến thức: - Phân tích tính tốn đại lượng điện mạch điện chiều, xoay chiều pha ba pha - Mô tả 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 mạch điện chiều, xoay chiều pha, xoay chiều ba pha - Lựa chọn loại vật liệu điện phục vụ cho công tác sửa chữa, thay * Năng lực tự chủ trách nhiệm: - Nghiêm túc, chủ độn học tập Ứng dụng kiến thức học vào thực tế MỤC LỤC Trang LỜI GIỚI THIỆU MỤC LỤC CHƯƠNG I: MẠCH ĐIỆN CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN 1.1 MẠCH ĐIỆN VÀ MƠ HÌNH MẠCH ĐIỆN 1.2 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG MẠCH ĐIỆN MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU 2.1 CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ BIỂU THỨC CƠ BẢN TRONG MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU 2.2 CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI TƯƠNG ĐƯƠNG 2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI MẠCH MỘT CHIỀU DỊNG ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN 3.1 KHÁI NIỆM VỀ DỊNG ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN 3.2 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CỦA DỊNG ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN 3.3 BIỂU DIỄN ĐẠI LƯỢNG HÌNH SIN BẰNG ĐỒ THỊ VECTƠ 3.4 GIẢI MẠCH XOAY CHIỀU HÌNH SIN MẠNG BA PHA 4.1 KHÁI NIỆM CHUNG 4.2 SƠ ĐỒ ĐẤU DÂY TRONG MẠNG BA PHA CÂN BẰNG 4.3 CÔNG SUẤT MẠNG BA PHA CÂN BẰNG 4.4 PHƯƠNG PHÁP GIẢI MẠNG BA PHA CÂN BẰNG CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG I BÀI TẬP CHƯƠNG I CHƯƠNG II: VẬT LIỆU ĐIỆN VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 1.1.KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 1.2 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 1.3 NHỮNG HƯ HỎNG THƯỜNG GẶP VÀ CÁCH CHỌN VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 1.4 MỘT SỐ VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THÔNG DỤNG VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 2.1 KHÁI NIỆM VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 2.2 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM 2.3 NHỮNG HƯ HỎNG THƯỜNG GẶP VÀ CÁCH CHỌN VẬT 3 5 10 10 15 21 29 29 31 32 34 48 48 50 54 55 59 60 63 63 63 65 69 70 82 82 83 85 LIỆU DẪN ĐIỆN 2.4 MỘT SỐ VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN THÔNG DỤNG VẬT LIỆU DẪN TỪ 3.1 KHÁI NIỆM VÀ TÍNH CHẤT VẬT LIỆU DẪN TỪ 3.2 MỘT SỐ VẬT LIỆU DẪN TỪ THÔNG DỤNG VẬT LIỆU BÁN DẪN 4.1 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI CHẤT BÁN DẪN 4.2 ỨNG DỤNG CHẤT BÁN DẪN CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG II TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 95 95 97 99 99 101 104 105 CHƯƠNG I: MẠCH ĐIỆN I MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG: - Phát biểu khái niệm, định luật, định lý mạch điện chiều, xoay chiều, mạch ba pha - Vận dụng biểu thức để tính tốn thông số kỹ thuật mạch điện chiều, xoay chiều, mạch ba pha trạng thái xác lập - Vận dụng phương pháp phân tích, biến đổi mạch để giải toán mạch điện hợp lý - Giải thích số ứng dụng đặc trưng 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 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 cịn có thiết bị phụ trợ như: thiết bị đóng cắt, đo lường, bảo vệ, tự động… Ví dụ: Sơ đồ mạch điện đơn giản hình vẽ: a Nguồn điện - Là thiết bị để biến đổi dạng lượng như: Cơ năng, hoá năng, nhiệt năng, thuỷ năng, lượng nguyên tử…thành điện - Nguồn điện nguồn chiều xoay chiều + Nguồn chiều: Pin, acquy, máy phát điện chiều, + Nguồn xoay chiều: Lấy từ lưới điện, máy phát điện xoay chiều,… - Các nguồn điện công suất lớn thường truyền tải từ nhà máy điện (nhiệt điện, thủy điện, điện nguyên tử ) - Các nguồn điện chiều thường đặc trưng sức điện động E, điện trở r Với nguồn xoay chiều thường 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 lượng khác, dùng để thắp sáng (quang năng), chạy động điện (cơ năng), dùng để chạy lò điện (nhiệt năng) Các thiết bị tiêu thụ điện thường 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 Thường 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 như: Cầu dao, cơng tắc, aptơmát, máy cắt điện, công tắc tơ - Dùng để đo lường: Ampe mét, vơn mét, ốt mét, cơng tơ điện… - Dùng để bảo vệ: Cầu chì, rơ le, … 1.1.2 Mơ hình mạch điện Khi tính tốn, mạch điện thực thay sơ đồ gọi mơ hình mạch điện, phần tử thực thay phần tử lý tưởng: E, J, R - u cầu mơ hình mạch điện: mơ hình mạch điện phải đảm bảo kết cấu hình học trình lượng giống 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 trưng cho trình tiêu thụ điện biến đổi điện sang dạng lượng khác 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: (1.4)   w - Điện cảm cuộn dây định nghĩa L  w  i i (1.5) - Sức điện động tự cảm: e L   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) Năng lượng từ trường tích lũy cuộn dây: WM = L i2 (1.9) Như điện cảm L đặc chưng cho tượng tích lũy lăng lượng từ trường cuộn dây L i uL c Phần tử điện dung - Khi đặt điện áp uc lên tụ điện có điện dung C tụ nạp điện với điện tích q: (1.10) q  CU C - 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 lượng điện trường tụ điện: WE = (1.12) U C2 C (1.13) Như điện dung C đặc trưng cho tượng tích lũy lượng 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 trưng cho khả tạo nên trì điện áp hai cực nguồn Chiều điện áp quy định từ điểm có hiệu điện cao xuống điểm có hiệu điện thấp Chiều sức điện động 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 trưng cho khả nguồn điện tạo nên trì dịng điện cung cấp cho mạch J (t) 1.2 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG MẠCH ĐIỆN 1.2.1 Dòng điện chiều qui ước dòng điện Khi đặt vật dẫn điện trường, tác dụng lực điện trường, điện tích dương di chuyển từ nơi có điện cao đến nơi có điện thấp hơn, cịn điện tích âm (các điện tử) di chuyển ngược lại từ nơi có điện thấp đến nơi có điện cao tạo thành dịng điện Vậy: Dòng điện dòng điện tử chuyển dời có hướng tác dụng lực điện trường * Chiều quy ước dòng điện: Theo quy ước: chiều dòng điện chiều chuyển rời điện tích dương + Trong kim loại : Dịng điện dịng điện tử chuyển dời có hướng Vì điện tử di chuyển từ nơi có điện thấp đến nơi có điện cao nên dịng điện tử ngược với chiều quy ước dòng điện + Trong dung dịch điện ly : Dòng điện dòng ion chuyển dời có hướng Nó gồm có hai dịng ngược chiều là: Dịng ion dương có chiều theo chiều quy ước điện trường dòng ion âm có chiều ngược chiều quy ước Các ion dương di chuyển từ Anốt (cực dương) Catôt (cực âm) nên gọi Cation, ion âm di chuyển từ catốt Anôt nên gọi Anion + Trong mơi trường chất khí bị ion hố : Dòng điện dòng ion điện tử chuyển dời có hướng Nó gồm có dịng ion dương theo chiều điện trường từ Anốt Catốt, dòng ion âm điện tử ngược chiều điện trường từ Catốt Anốt Như vật dẫn, dịng điện từ nơi có điện cao đến nơi có điện thấp, nguồn điện ngược lại dịng điện từ cực có điện thấp đến cực có điện cao 1.2.2 Cường độ dòng điện Đại lương đặc trưng cho độ lớn dòng điện gọi Cường độ dòng điện, ký hiệu I (hoặc i) Cường độ dòng điện lượng điện tích qua tiết diện dây dẫn đơn vị thời gian (tính giây) Ta có: I= q t (1.11) Trong đó: I: Cường độ dịng điện, đơn vị ampe (A) t: thời gian, đơn vị giây (s) q: lượng điện tích, đơn vị culong (C) 1.2.3 Mật độ dòng điện Mật độ dòng điện đại lượng đo tỉ số dòng điện qua dây dẫn tiết diện dây: j I S (1.12) Nếu S =  j = I Vậy mật độ dịng điện cường độ dòng điện qua đơn vị tiết diện dây * Ứng dụng: Trong kỹ thuật điện, nhôm sử dụng phổ biến để chế tạo: - Dây dẫn điện không để truyền tải điện - Ruột cáp điện - Các ghép chi tiết cho trang thiết bị điện - Dây quấn máy điện - Các nhôm để làm tụ điện, lõi dẫn từ máy biến áp, rôto động điện, b Hợp kim nhơm: Nhơm có nhiều hợp kim dùng để đúc để kéo dây dẫn điện Các hợp kim nhơm dùng để đúc loại sau: Al-Zn-Cu, Al-Cu, Al-Cu-Ni, Al-Si, Al-Si-Cu, Al-Si-Mg, Al-Mg, Al-Mg-Mn Một hợp kim dùng phổ biến để chế tạo dây dẫn hợp kim "aldrey" Chúng hợp kim nhôm với (0,30,5)%Mg, (0,40,7)% Si, (0,20,3)% Fe Tổ hợp làm cho hợp kim có tính chất khí tốt Dây dẫn hợp kim loại "aldrey" nhận thông qua việc hợp kim (nung nóng đến 5006000C), kéo thành sợi kích thước mong muốn làm già hóa nhân tạo nung nóng 1502000C Sức bền dây dẫn "aldrey" lớn gấp khoảng lần so với dây dẫn Al tinh khiết Vì vậy, dùng dây dẫn "aldrey" tăng khoảng cách cột đường dây không, giảm chi phí xây dựng đáng kể 2.4.3 Chì hợp kim chì * Đặc tính Chì kim loại có màu tro sáng ngã màu xanh da trời, kim loại mềm, dễ dàng uốn cong cắt dao cắt cơng nghiệp Chỗ cắt có màu sáng rực màu sáng rực nhanh trở thành màu tro Nó có sức bền thời tiết xấu có tổ hợp bảo vệ hình thành bề mặt (PbCO3, PbSO4,…) Khơng bị tác dụng axit clohydric, axit sulphuaric, axit sulphuarơ, axit flohydric,axit phosphoric amơniac, clo, xút, borax Chì hịa tan dễ dàng axit nitric pha loãng hay axit axêtic pha lỗng Chì có sức bền với muối amoniac, clorua, dầu…nhưng không bền chất kiềm Sự bay chì độc hại Chì kim loại dễ dát mỏng thành sợi, thành Ở trạng thái lỏng, chì dễ chảy làm đầy khn mẫu Do nhiệt độ nóng chảy thấp nên người ta dùng chì làm vật liệu hàn hàn gắn tốt Chì khơng có sức đề kháng dao động, đặc biệt mơi trường nhiệt độ cao Vì cáp có vỏ bọc chì khơng nên đặt gần đường sắt xuất đường nứt Hợp kim chì với tỉ leeh phần trăm nhỏ SB, Te, Cu, Sn tạo cho chì 92 cấu trúc mịn có sức đề kháng dao động bền ăn mòn Sau giãn nở nhiệt, chì mềm khơng trở lại dạng kích thước ban đầu Chì loại vật liệu bảo vệ tốt xuyên thủng tia Rơnghen (tia X) * Ứng dụng Chì hợp kim chì dùng làm vỏ bảo vệ cáp điện nhằm chống ẩm ướt Chì khơng bị thẩm thấu chất lỏng khí, bảo vệ ngăn cách ẩm ướt Chì tham gia vào hợp kim Chì dùng để chế tạo ăcquy điện có chì Chì sử dụng làm dây chì nóng chảy để bảo vệ đường dây dẫn điện Chì sử dụng vật liệu bảo vệ hấp thụ tia Rơnghen 2.4.4 Sắt hợp kim sắt * Tính chất sắt Sắt tinh khiết kim loại màu trắng bạc, khơng khí khơ khơng tác dụng vào sắt, song bị tác dụng khí ẩm axit, sắt kỹ thuật (vì sắt kỹ thuật có nhiều tạp chất) Dây dẫn thép bị ăn mịn thơng qua tượng rỉ nhiệt độ bình thường, đặc biệt mơi trường ẩm thấp Để tránh ăn mòn, bề mặt tiếp xúc góp trang thiết bị điện người ta phủ lớp cadmi, tức tạo lớp bảo vệ ổn định khơng khí Dây dẫn thép chịu đựng tốt nhiệt độ đến 100 0C mà không làm biến đổi phẩm chất khí thép Điện trở dây dẫn thép dòng xoay chiều tăng so với dòng chiều ảnh hưởng hiệu ứng màng ngồi * Ứng dụng Thép có điện trở suất gấp ÷ lần so với đồng sức bền khí gấp ÷ 2,5 lần, dây dẫn thép sử dụng cột lớn, tuyến vượt sơng rộng…và sử dụng cho khoảng cột lớn từ 1500 ÷ 1900m Dây dẫn thép mắc với độ võng bé dây dẫn khác, cột thấp khỏe Lực kéo căng dây thép lớn nên dùng thép cột thấp Sự phong phú thép quặng thiên nhiên giá thành thấp thép làm cho giá thành dây dẫn thép thấp dây dẫn đồng hay nhôm Sự tổn thất nhiều lưới điện dùng dây dẫn thép phải nghiên cứu tính tốn nên dùng dây dẫn thép trường hợp lượng điện có giá thành hạ Thanh ray tàu điện, đường sắt tàu sử dụng điện, đường sắt mêtrô 93 sử dụng đường dây dẫn điện Dây dẫn thép thay cho dây đồng thiết bị phải làm việc điều kiện nặng nhọc va đập khí, áp suất lớn, bụi khói,…dẫn đến bị mài mịn nhanh Dây dẫn thép dùng làm dây dẫn bảo vệ điện áp đường dây không (dây chống sét), dây dẫn sét trang thiết bị nối đất Một lĩnh vực quan trọng khác việc ứng dụng dây dẫn điện thép chi tiết gang chế tạo điện trở phát nóng với nhiệt độ phát nóng lên đến 300 – 5000C, đồng thời dùng làm biến trở khởi động điều chỉnh Thép rèn đơi dùng vịng cổ góp máy điện để thay cho vòng đồng hay gang Sắt làm dây tóc bóng đèn hay sử dụng làm điện trở Sắt tinh khiết (được chế tạo điện phân) sử dụng chế tạo điện cực anot (điện cực dương) chỉnh lưu với bể thủy ngân 2.4.5 Wofram (W) * Đặc tính wonfram (W) Wonfram kim loại cứng, có màu tro chiếu sáng, khơng bị thay đổi nhiệt độ thường dù có nước Ở 7000C, wonfram bắt đầu bị oxi hóa, tạo nên oxit màu trắng (WO3), tăng nhiệt độ, oxit trắng chuyển sang màu vàng Ở nhiệt độ cao, wonfram phản ứng với oxit cacbon, nitơ, nước hydro cacbua, wonfram không phản ứng với thủy ngân hidro Ở khí cụ điện với kỹ thuật chân khơng, có sợi tóc nung nóng wonfram (đèn nung sáng, bóng điện tử…), bên có vết nước dây tóc bị hủy hoại nhanh Giải thích ? Ở nhiệt độ dây tóc, nước bị phân tích oxy từ kết phân tích tác dụng với wonfram tạo nên oxit WO3 bám vào bờ bóng đèn Trên đường từ sợi tóc đến bờ bóng đèn, hay sau đạt đến bờ bóng đèn, WO3 bị giảm hydro (do phân tích nước) tái tạo lại nước Như wonfram sợi tóc vận chuyển bám vào bờ bóng đèn Wonfram khơng tan axit, hịa tan Na2CO3 nóng chảy Những chi tiết wonfram tương đối dày dễ vỡ đứt mối liên hệ học mạng tinh thể yếu Đối với sợi tóc phải uốn thành vòng xoắn, người ta sử dụng dây đa tinh thể, mạng kết cấu cản trở việc tái tạo lại mạng tinh thể cách đưa vào oxit khó bay (SiO2, CaO, K2O, Al2O3, ThO2) 94 Cùng với việc thêm vào oxit ThO2 (0,75÷2%) người ta thành cơng việc chế tạo dây tóc wonfram, chịu đến nhiệt độ 2500 0C tương đối bền vững biến dạng Wonfram kim loại có sức bền đứt độ cứng cao, có nhiệt độ nóng chảy cao tất kim loại (33800C) Sức bền khí kéo dài wonfram thay đổi tùy theo nhiệt độ phương pháp gia công Tốc độ bay wonfram khí nitơ ÷ 5% nhỏ chân khơng, cịn khí argon 1,3 ÷ 3% nhỏ chân khơng Sự phát xạ điện tử wonfram thay đổi theo nhiệt độ Catod * Ứng dụng Wonfram loại kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao nhất, chế tạo thành dây sợi tóc bóng đèn dây tóc, chế tạo điện trở phát nóng cho lị điện, chế tạo phần tử nhiệt,… Nó có phát xạ điện tử tương đối thỏa mãn nên trước dùng bóng đèn điện tử - Wonfram dùng làm dây vòng xoắn đèn nung sáng - Wonfram dùng điện cực catôt (cực âm) - Wonfram dùng làm điện trở nung nóng - Các tiếp điểm điện: Wonfram có độ tinh khiết 99,5 ÷ 99,8% có khả chịu đựng phóng điện thơng qua hồ quang, người ta sử dụng vật liệu cho tiếp điểm điện ngắt, dòng điện bé VẬT LIỆU DẪN TỪ 3.1 KHÁI NIỆM VÀ TÍNH CHẤT VẬT LIỆU DẪN TỪ 3.1.1 Khái niệm Một tác dụng dịng điện tác dụng từ Đó sở để chế tạo loại máy điện Để truyền tải lượng từ trường cần phải có vật liệu có từ tính, nhóm vật liệu dẫn từ (cịn gọi vật liệu sắt từ ) Kim loại chủ yếu có từ tính sắt cacbon, niken hợp kim chúng, bên cạnh cịn có cơban gọi chất sắt từ qua trình tinh luyện 3.1.2 Tính chất vật liệu dẫn từ Nguyên nhân chủ yếu gây nên từ tính vật liệu điện tích ln chuyển động nằm theo quỹ đạo kín, tạo nên dịng điện vịng quay điện tử xung quanh trục quay theo quỷ đạo điện tử nguyên tử Hiện tượng sắt từ số vật liệu nhiệt độ thấp nhiệt độ định phân thành vùng mà vùng điện tử định hướng song song với Các vùng gọi đômen tử Như tính chất đặc trưng cho trạng thái sắt từ chất có độ nhiễm từ tự phát khơng có từ trường ngồi Mặc dù chất sắt từ có vùng từ hóa tự phát mơmen từ đơmen lại có hướng khác Các chất 95 sắt từ đơn tinh thể có khả từ hóa dị hướng nghĩa theo trục khác mức từ hóa khó hay dễ khác Trong trường hợp chất sắt từ đa tinh thể có tính dị hướng thể rõ người ta gọi chất có cấu tạo thớ từ tính Tạo thớ từ theo ý muốn có ý nghĩa lớn, sử dụng kỹ thuật để nâng cao đặc tính từ vật liệu theo hướng xác định 3.1.3 Các đặc tính vật liệu dẫn từ Tại điểm từ trường, hệ số từ thẩm tỷ số cường độ từ cảm B cường độ từ trường H Mơi trường chân khơng, có trị số cường độ từ cảm B0 từ trường H0, thì: 0 = B0 H0 (6.1) 0-hệ số từ thẩm tuyệt đối chân không, trị số 0= 4.10 -7 s/m Đơn vị s/m cịn gọi Henry/mét (H/m) Trong mơi trường khác chân khơng, ta có:  0 = B hay B =  0H H (6.2)  - hệ số từ thẩm tương đối môi trường từ trường khác chân không, cho biết hệ số từ thẩm tuyệt đối môi trường so với hệ số từ thẩm chân không 0 Theo hệ số từ thẩm từ tính vật chất, người ta chia chất thuận từ, nghịch từ dẫn từ a Chất thuận từ: chất có độ từ thẩm  > không phụ thuộc vào cường độ từ trường ngồi Loại gồm có oxy, nitơ, oxyt, muối sắt, muối côban, muối niken, kim loại kiềm, nhơm, bạch kim b Chất nghịch từ: chất có độ từ thẩm  < không phụ thuộc vào cường độ từ trường ngồi Loại gồm có hydro, khí hiếm, đa số hợp chất hữu cơ, đồng, kẽm, bạc, vàng, thuỷ ngân, antimon, gali, Các chất thuận từ ngịch từ giống chỗ từ yếu, tức có độ từ thẩm  sấp sỉ Ví dụ nhơm chất thuận từ có  = 1,000023, cịn đồng chất nghịch từ có  = 0,999995 c Chất dẫn từ: chất có độ từ thẩm  >> phụ thuộc vào cường độ từ trường Loại gồm có sắt, niken, cơban hợp kim chúng, hợp kim crôm - mangan, gađôlonit ferit có thành phần khác 3.1.4 Những hư hỏng thường gặp vật liệu dẫn từ Các loại vật liệu dẫn từ sử dụng để chế tạo mạch từ thiết bị điện, máy điện khí cụ điện, nên sử dụng lâu ngày bị hư hỏng ta thường gặp dạng hư hỏng sau: 96 + Hư hỏng bị ăn mòn kim loại: đa phần chúng chất sắt từ hợp chất sắt từ nên chúng bị tác dụng mơi trường xung quanh tác dụng diễn hai hình thức ăn mịn, ăn mịn hóa học ăn mịn điện hóa kim loại khác bề mặt chúng có sơn lớp sơn cách điện + Hư hỏng điện: trình làm việc xẩy tương điện áp, bị ngắn mạch nên cuộn dây đặt mạch từ bị cháy nên làm hỏng mạch từ + Hư hỏng bị già hóa kim loại: tác dụng thời gian mơi trường làm cho tính chất vật liệu từ thay đổi + Hư hỏng lực tác động từ bên ngoài: tác dụng ngoại lực làm cho vật liệu từ bị biến dạng bị hỏng + Dưới tác dụng nhiệt độ: nhiệt độ tăng lên (khoảng 1250C) vật liệu có từ tính từ tính 3.2 MỘT SỐ VẬT LIỆU DẪN TỪ THÔNG DỤNG 3.2.1 Vật liệu từ mềm Là vật liệu có độ thấm từ cao lực kháng từ nhỏ tổn thất nhỏ thường dùng làm lõi máy biến áp, nam châm Để giảm dòng điện xoáy người ta phủ lớp mỏng lên vật liệu từ mềm có sơn cách điện để tăng điện trở suất a Thép kỹ thuật (gồm gang) dùng làm từ trường mạch từ không đổi Thép kỹ thuật có cường độ từ cảm bão hồ cao (tới 2,2 Tesla), số từ thẩm lớn cường độ khử từ nhỏ b Thép kỹ thuật điện hợp chất sắt-silic (1-4%Si) Silic cải thiện đặc tính từ sắt kỹ thuật: tăng số từ thẩm, giảm cường độ khử từ, tăng điện trở suất (để giảm dịng điện Fucơ hay dịng điện xốy) c Pecmaloi hợp kim sắt - niken (22%Ni), ngồi cịn có số tạp chất: Molipden, crơm, silic, nhơm Pecmaloi có số từ thẩm lớn gấp 10-50 lần so với thép kỹ thuật điện, cần cường độ từ trường nhỏ vài phần đến vài chục phần trăm A/m, thép đạt tới cường độ từ cảm bão hồ d Ferit vật liệu sắt từ gồm có bột oxýt sắt, kẽm số nguyên tố khác Khi chế tạo, hỗn hợp ép khuôn với công suất lớn nung đến nhiệt độ khoảng 12000C, thành phẩm có dạng theo ý muốn Ferit có điện trở suất lớn, thực tế coi gần khơng dẫn điện, nên dịng điện xốy chạy ferit nhỏ Bởi cho phép dùng ferit làm mạch từ từ trường biến thiên với tần số cao Ferit nikenkẽm cách nhiệt phân muối, gọi Oxyfe Ferit Oxyfe có số từ thẩm ban đầu lớn, từ dư nhỏ (0,18-0,32 Tesla) từ trường khử từ nhỏ (8-80 A/m) Chúng sử dụng rọng rãi làm mạch từ linh kiện điện tử, khuếch đại từ, máy tính, e Những hợp kim có độ thẩm từ cao - Hợp kim niken cao chứa 72 - 80% Niken - Hợp kim niken thấp chứa 40 - 50% Niken 97 Ứng dụng: Hợp kim niken thấp khơng có phụ gia chế tạo lõi máy biến áp cỡ nhỏ, cuộn kháng, rơle Hợp kim niken cao có phụ gia dùng máy biến áp xung, khuếch đại từ, rơle không tiếp điểm nhớ máy tính 3.2.2 Vật liệu từ cứng Gồm : Thép hợp kim cứng, hợp kim đúc, nam châm dạng bột, ferit từ cứng, hợp kim biến dạng đàn hồi băng từ a Thép hợp kim cứng Đặc điểm : Tính chất từ tính thấp, dễ gia công, giá thành rẻ Ứng dụng: Sản xuất nam châm vĩnh cửu b Hợp kim nam châm cứng- đúc Đặc điểm : Là hợp kim nguyên tố: Nhơm - Niken- Sắt gọi alni, có lượng từ lớn.Tính chất từ tính phụ thuộc vào kết cấu tinh thể kết cấu từ Hợp kim giịn cứng khơng gia cơng khí hồn thiện sản phẩm cách đúc mài mịn Ứng dụng :sản xuất nam châm vĩnh cửu c Nam châm bột: có loại + Loại : Nam châm gốm kim loại nam châm có kết dính + Loại : Nam châm nhựa kim loại nam châm khơng có kết dính trường từ có tần số cao d Ferit nam châm cứng Có điện trở suất cao hàng triệu lần điện trở suất hợp kim cứng, cường độ học thấp, tính giịn cao, tính chất phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ Ứng dụng : Dùng thiết bị có tần số cao e Băng từ hợp kim biến dạng dẻo Dùng chế tạo thép nam châm cứng hợp kim tạo thành băng từ ghi chép băng ghi âm dây kim loại Khi hợp kim khơng thể hình thành băng hay sợi kim loại tạo thành băng chất dẻo 3.2.3 Nam châm điện Khi lõi thép đặt cuộn dây có dịng điện chạy qua (mạch từ hở) lõi thép trở thành nam châm hút tác động lực điện từ bên cuộn dây Vậy nam châm điện thiết bị gồm có cuộn dây từ hố mạch từ, phần động gọi nêm từ kéo phần mạch từ với lực: F = 4.105B2S Với: F lực xác định N B cảm ứng từ tính T S diện tích cực tính m2 Trong trường hợp mạch từ nam châm điện làm việc trạng thái không bão 98 hòa, biến đổi dòng điện cho phép làm thay đổi cảm ứng từ làm biến đổi lực kéo nam châm - Nam châm điện ứng dụng rộng rãi VD: Để cố định chi tiết gia công máy công cụ, rơ le, cấu phanh VẬT LIỆU BÁN DẪN 4.1 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI CHẤT BÁN DẪN 4.1.1 Khái niệm Chất bán dẫn chiếm vị trí trung gian chất dẫn điện chất cách điện, đặc điểm điện trở suất lớn vật liệu dẫn điện nhỏ vật liệu cách điện Tuy nhiên khơng có danh giới rõ rệt ba loại vật liệu kể 4.1.2 Phân loại chất bán dẫn a Chất bán dẫn * Một số chất bán dẫn thường gặp  Silic, (Si) Si nguyên tố có nhiều thiên nhiên dạng SiO2 mỏ khác dạng Silicat (Si chiếm khoảng 28% lớp vỏ trái đất) Nhưng, kỹ thuật để sản xuất Si tinh khiết phức tạp nên dụng cụ sử dụng bán dẫn Si đắt so với dụng cụ bán dẫn sử chất khác chất thiên nhiên nhiều so với Si Điện dẫn suất Si biến đổi phạm vi rộng Silic nguyên chất chế tạo làm điện trở phi tuyến mạch điện tần số cao, dùng làm chất bán dẫn điện máy tách sóng, khuyếch đại, Silic sử dụng chất khử oxy luyện kim Silic hợp hợp kim Sắt - Silic (15% Si) chế tao dạng tấm, dùng để làm lõi thép dẫn từ máy biến áp Ngồi cịn sử dụng để chế tạo hợp kim khác sắt - Si ; đồng thanh, đồng thau - Silic, sử dụng rộng rãi công nghiệp  Giecmani, (Ge) Ge tự nhiên, Ge dùng để chế tạo chất bán dẫn máy tách sóng, chỉnh lưu phẳng, transisto khuyếch đại  Cácbon, (C) Các bon tìm thấy nhiều tự nhiên Trong kỹ thuật, chia bon thành dạng: Kim cương (diamant), graphit bon vơ định hình (carbone amorphe), kim cương, graphit khai thác từ mỏ tự nhiên cịn bon vơ định hình điều chế nhiều phương pháp khác Các bon dùng nhiều kỹ thuật điện, điện tử để chế tạo: - Các điện cực bon (điện cực điện phân, hàn hồ quang điện) - Chổi than (graphit, bon vơ định hình) 99 - Tiếp điểm điện - Điện trở đốt nóng, điện trở hố học - Dùng Micro, ống nói dạng hạt nhỏ, khối * Dòng điện chất bán dẫn nguyên chất Để hiểu chất dẫn điện bán dẫn ta nghiên cứu cấu trúc bên Ta xét tinh thể Silic bán dẫn điển hình Trong mạng tinh thể, nguyên tử Si liên kết với 15 nguyên tử Si khác bên cạnh 15 mối liên kết đồng hố trị (Hình 3.1) Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Hình 3.1 Mơ hình cấu trúc nguyên tử Si Ở nhiệt độ thấp liên kết bền vững Do chất bán dẫn Si có tính dẫn điện Khi đốt nóng, mạng tinh thể chất bán dẫn Si thu thêm lượng Do chuyển động nhiệt, số nguyên tử liên kết với hạt nhân, trở thành điện tử tự Hình 3.2 giúp ta hình dung tình trạng chất bán dẫn lúc Eng - Hình 3.2: Mạng tinh thể Si tạp chất Giả sử điện tử tách khỏi nguyên tử số 1, nguyên tử trở thành ion dương, xem lỗ trống lấy điện tử nguyên tử gần để lấp lỗ trống trở thành trung hoà Nguyên tử số vừa điện tử lại trở thành lỗ trống lại lấy điện tử nguyên tử gần Hiện tượng tiếp diễn gây chuyển dịch vị trí lỗ trống Nếu khơng có điện trường Eng tác động, tượng xảy hỗn độn, chất bán dẫn khơng có dịng điện Cịn có điện trường ngồi Eng, điện tử chuyển dịch ngược chiều điện trường (hình 3.2) tạo thành dịng điện Tính dẫn điện chất bán dẫn Si tăng lên 100 Vậy chất dòng điện chất bán dẫn dịng chuyển dời có hướng đồng thời điện tử ngược chiều điện trường lỗ trống thuận chiều điện trường b Chất bán dẫn tạp * Dòng điện vật liệu bán dẫn tạp chất Trong thực tiễn, chế tạo chất bán dẫn nguyên chất khó khăn Các bán dẫn thường có lẫn tạp chất, kỹ thuật người ta chủ động pha thêm tạp chất vào chất bán dẫn ngun chất Nếu có tạp chất lẫn vào (dù lượng nhỏ, không đáng kể) đủ làm cho độ dẫn điện chất bán dẫn tăng lên nhiều lần, chí hàng chục nghìn lần Ví dụ : Nếu cho vào Si Ge chất có điện tử hố trị; vào mạng tinh thể Si, 15 điện tử hoá trị Ge kết chặt đôi với 15 điện tử nguyên tử Si láng giềng, điện tử thứ trở thành điện tử tự chuyển động tự mạng tinh thể (hình 3.3) Khi mật độ điện tử tự chất bán dẫn Si tăng lên nhiều Dưới tác dụng điện trường, điện tử tự chuyển động có hướng tạo thành dịng điện Loại bán dẫn có tính chất dẫn điện chủ yếu điện tử tự gọi chất bán dẫn loại n hay bán dẫn điện tử Si Si Si Si Si Si Si Si Ge Si Hình 3.3: Mạng tinh thể Si tạp chất Ge Nếu ta cho vào Silic chút nguyên tố thuộc nhóm III bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleep, chẳng hạn Indi (In) : Ở vành ngồi In có điện tử hố trị, nên vào mạng tinh thể Si, tạo lỗ trống mối liên kết nguyên tử Điện tử nguyên tử bên cạnh dễ dàng nhảy vào lỗ trống tạo thành lỗ trống mới, quà trình tiếp diễn mãi; lỗ trống chạy tự tinh thể Khi mật độ lỗ trống chất bán dẫn tăng lên nhiều Dưới tác dụng điện trường, điện tử chuyển dời có hướng ngược chiều điện trường, cịn lỗ trống chuyển dịch thuận chiều điện trường Ta xem lỗ trống tương tự điện tích dương dịng điện chạy chất bán dẫn dòng lỗ trống chuyển động Chất bán dẫn gọi chất bán dẫn loại p hay bán dẫn lỗ trống 4.2 ỨNG DỤNG CHẤT BÁN DẪN 4.2.1 Ứng dụng chất bán dẫn chất bán dẫn a Silic (Si) Si vật liệu chủ yếu để sản xuất vi mạch tích phân có kích thước cực nhỏ có cấu tạo phức tạp, sử dụng kỹ thuật máy tính Từ Si người ta chế tạo 101 diode chỉnh lưu tần số cao thấp, transistor công suất cao hoạt động tần số tới 109Hz Diode chỉnh lưu từ Si chịu điện áp ngược tới 1500 V, dòng điện cho qua tới 1500 A Si sử dụng rộng rãi dụng cụ quang học độ nhạy cao, diode quang có tác động cực nhanh, tế bào quang điện dùng để biến đổi lượng ánh sáng thành lượng điện có hiệu suất đạt 10 - 12% Nhờ Si có độ rộng vùng cấm cao Ge, dụng cụ từ Si hoạt động nhiệt độ cao hẳn so với Ge Nhiệt độ hoạt động bán dẫn Si đạt khoảng180 ÷ 2000C b Giecmani (Ge) Trên sở Ge sản xuất số lượng lớn dụng cụ có nhiều cơng dụng khác nhau, phải nói tới diode transistor Đặc biệt diode chỉnh lưu mặt phẳng transistor lưỡng cực Các diode chỉnh lưu mặt phẳng tính dịng điện từ (0,3 ÷1000)A điện áp rơi ttrên có khơng q 0,5 V Nhược điểm diode Ge tính chịu điện áp ngược khơng cao Các transistor từ Ge cao tần hoạc âm tần công suất nhỏ công suất lớn Nhờ có độ nhạy điện tích cao, Ge sử dụng để sản xuất độ cảm biến Tính chất quang Ge sử dụng để sản xuât transistor quang, diode quang Nhiệt độ hoạt động bán dẫn Ge từ 60 0C ÷700C, giới hạn nhiệt độ hoạt động nhược điểm Ge c Cácbon (C) Các bon dùng nhiều kỹ thuật điện, điện tử để chế tạo: - Các điện cực bon (điện cực điện phân, hàn hồ quang điện) - Chổi than (graphit, bon vơ định hình) - Tiếp điểm điện - Điện trở đốt nóng, điện trở hố học - Dùng Micro, ống nói dạng hạt nhỏ, khối 4.2.2 Ứng dụng chất bán dẫn tạp chất Bằng cách ghép bán dẫn loại n với loại p, người ta chế tạo nhiều dụng cụ điện, điện tử quan trọng Dưới số ứng dụng bán dẫn tạp chất a Điốt bán dẫn (đèn bán dẫn cực) Điôt bán dẫn cấu tạo từ tiếp giáp P-N với mục đích sử dụng van điện Tuỳ theo diện tích phần tiếp xúc hai lớp P N mà người ta gọi điôt tiếp điểm hay điôt tiếp mặt Ở điôt tiếp điểm, mặt tiếp xúc hai lớp bán dẫn thu nhỏ lại điểm nhằm mục đích giảm điện dung ký sinh mặt ghép để điơt làm việc tần số cao Điôt tiếp điểm sử dụng mạch để xử lý tín hiệu vơ tuyến điện tách sóng, điều chế, biến tần Khác với điơt tiếp điểm, điơt tiếp mặt mặt tiếp xúc hai lớp P N có điện tích đủ lớn nhằm chịu dịng điện lớn để sử dụng chúng vào mục đích chỉnh lưu 102 b Transisto (đèn bán dẫn cực) Tranzito lưỡng cực gồm có hai tiếp giáp P-N tạo nên miền bán dẫn loại P N xếp xen kẽ Nếu miền bán dẫn bán dẫn loại N ta có tranzito lưỡng cực loại P-N-P Nếu miền bán dẫn bán dẫn loại P ta có tranzito lưỡng cực loại N-P-N Tranzito lưỡng cực linh kiện có chân, tranzito sử dụng điều khiển chuyển mạch điều khiển khuếch đại Các tranzito có loại có cấu trúc pnp, có loại có cấu trúc npn Tranzito lưỡng cực loại npn dùng dòng nhỏ vào cực badơ B (cấp dịng) điện áp dương (có quan hệ với cực emitơ E) để điều khiển dòng lớn chảy từ cực colectơ C đến cực emitơ E Ngược lại, tranzito loại pnp dùng dòng nhỏ khỏi cực badơ B (rút dòng) điện áp âm (có quan hệ với cực emitơ E) để điều khiển dòng lớn chảy từ cực emitơ đến cực colectơ Tranzito lưỡng cực linh kiện tiện dụng Khả điều khiển dòng điện tranzito lưỡng cực cách đặt tín hiệu điều khiển làm cho loại tranzito trở thành linh kiện phổ dụng mạch chuyển mạch điều khiển điện, mạch điều chỉnh dòng, mạch khuếch đại, mạch dao động mạch nhớ 103 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG II Trình bày khái niệm, cách phân loại vật liệu cách điện Trình bày hư hỏng thường gặp cách chon vật liệu cách điện Trình bày chất cách điện thể khí sử dụng phổ biến thực tế Nêu đặc tính chúng Trình bày đặc tính cơng dụng dầu máy biến áp Nêu công dụng dầu máy biến áp Các yếu tố ảnh hưởng đến hóa già dầu Hãy phân tích ưu nhược điểm dầu biến áp Theo thành phần hóa học, mica chia thành hai loại mica mutscôvit mica flogopit Em cho biết mica mutscơvit có ưu điểm so với mica flogopit, nhiệt độ mơi trường dầu có ảnh hưởng đến tính chất mica Kể số ứng dụng mica? Trình bày khái niệm tính chất vật liệu dẫn điện, giải thích cụ thể tính chất ? Phân loại chất cách điện thể rắn Các chất cách điện thể rắn vô sử dụng thực tế 10 Khí elegaz (SF6) có cường độ cách điện cao cường độ cách điện khơng khí 23 lần, có độ ổn định cao, có khả dập tắt hồ quang tốt, chất khí có khả tự phục hồi Tuy nhiên sau nhiều lần sử dụng chất khí bị hồ quang phân hủy tạo nhiều sản phẩm độc hại có mùi trứng thối Nếu có mùi trứng thối cần phải tiến hành làm gì? Kể số ứng dụng khí elegaz? 11 Trình bày cách điện rắn hữu sử dụng thực tế Nêu đặc tính chúng 12 Trình bày tác nhân môi trường ảnh hưởng đến vật liệu dẫn điện ? 13 Đồng vật liệu dẫn điện quan trọng tất vật liệu dẫn điện dùng kỹ thuật điện đồng có ưu điểm trội so với vật liệu dẫn điện khác, trình bày ưu điểm đồng ứng dụng đồng kỹ thuật điện? 14 Trình bày đặc tính chung, phân loại, tính chất học ứng dụng kim loại Đồng, Nhơm, Chì, Wonfram Sắt 15 Trình bày khái niệm chất bán dẫn, đặc điểm chất bán dẫn bán dẫn tạp? 16 Hãy nêu ứng dụng chất bán dẫn bán dẫn tạp? 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO Cơ sở kỹ thuật điện – Hoàng Hữu Thận – Nhà xuất giao thông vận tải – năm 2000 Kỹ thuật điện – Đặng Văn Đào Lê Văn Doanh - Nhà xuất giáo dục – Năm 2009 Bài tập kỹ thuật điện– Đặng Văn Đào Lê Văn Doanh - Nhà xuất giáo dục – Năm 2010 Đặng Văn Đào, Kỹ Thuật Điện, NXB Giáo dục 2004 Giáo trình Vật liệu điện -TS Nguyễn Đình - NXB Giáo Dục 2006 Giáo trình vật liệu điện - Nguyễn Xuân Phú – NXB Khoa học kỹ thuật 1998 105 XÁC NHẬN KHOA Bài giảng môn học/mô đun “Kỹ thuật điện” bám sát nội dung chương trình mơn học, mơ đun Đáp ứng đầy đủ nội dung kiến thức, kỹ năng, lực tự chủ chương trình mơn học, mô đun Đồng ý đưa vào làm Bài giảng cho mơn học, mơ đun thay cho giáo trình Người biên soạn ( Ký, ghi rõ họ tên) Lãnh đạo Khoa ( Ký, ghi rõ họ tên) Hà Thị Thu Hiền 106 ... acquy, máy phát điện chiều, + Nguồn xoay chiều: Lấy từ lưới điện, máy phát điện xoay chiều,… - Các nguồn điện công suất lớn thường truyền tải từ nhà máy điện (nhiệt điện, thủy điện, điện nguyên... xoay chiều u, dịng điện mạch có biểu thức: i = Imsint Dòng điện qua điện trở, điện cảm điện dung tạo nên điện áp tương ứng - Thành phần điện áp giáng điện trở gọi thành phần điện áp tác dụng,... trước dòng điện  < 0: Điện áp chậm sau dòng điện  = 0: Điện áp trùng pha dịng điện Hình 4.3: Dịng điện điện áp trùng pha Hình 4.4: Điện áp sớm pha so với dịng điện 30 Hình 4.5: Điện áp trễ