Giáo trình Điện kỹ thuật và điện tử công nghiệp (Nghề Hàn)

UỶ BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: ĐIỆN KỸ THUẬT - ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP NGHỀ: TUYÊN HÀN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Lào Cai, năm 2020 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 Tiến khoa học kỹ thuật ngày đổi phần tử mạch điều khiển máy riêng lẻ công nghệ sản xuất nhiều lĩnh vực khác Điện tử công nghiệp ngày không bó hẹp lĩnh vực cơng nghiệp mà cịn có mặt hầu hết lĩnh vực kinh tế khác nhau, phấn đấu xây dựng kinh tế theo phương thức cơng nghiệp hóa Vì giáo trình Điện tử cơng nghiệp nội dung học tập khơng thể thiếu ngành có liên quan đến vận hành, quản lý, sửa chữa máy móc, trang bị dây chuyền cơng nghệ Nội dung giáo trình gồm chương Chương 1:Khái niệm dòng điện, định luật để giải mạch điện xoay chiều pha Chương 2:Mạch điện xoay chiều ba pha Chương 3:Máy phát điện chiều Chương 4:Máy biến áp Chương 5:Điện tử công nghiệp Chương 6:Các thiết bị chỉnh lưu Nội dung giáo trình rộng, tùy theo u cầu ngành học mà sâu chương tìm hiểu khái quát chương Trong trình biên soạn thân tơi cố gắng trình bày nội dung cách đơn giản dễ hiểu nhất, để người đọc tự học Giáo trình biên soạn cho đối tượng học sinh sinh viên học nghề trường chuyên nghiệp Trong trình biên soạn thân cố gắng cập nhật tiến khoa học áp dùng vào thực tế sản xuất diễn đạt cách đơn giản, dễ hiểu Tuy nhiên khơng tránh khỏi thiếu sót Vì mong đóng góp đồng nghiệp, bạn bè em học sinh sinh viên để giáo trình hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn Lào Cai, ngày … tháng … năm 2017 Tác giả: Hoàng Thị Kim Anh MỤC LỤC Chương 1:Khái niệm dòng điện, Các định luật để giải mạch điện xoay chiều pha .6 Khái niệm dòng điện chiều, xoay chiều 1.1 Khái niệm dòng điện chiều .6 1.2 Khái niệm dòng điện xoay chiều .7 Các đại lượng đặc trưng cho mạch điện 2.1 Dòng điện 2.2 Điện áp 2.3 Chiều dương dòng điện điện áp Công suất 10 Định luật Ôm đại lượng đặc trưng 10 1.1 Định luật Ôm .10 1.2 Các đại lượng có định luật Ơm: I, R, U 10 Giải mạch điện xoay chiều pha định luật Ôm 11 Chương 2:Mạch điện xoay chiều ba pha .18 Khái niệm chung mạch điện xoay chiều pha 18 1.1 Khái niệm chung .18 1.2 Các thông số đặc trưng .18 1.3 Cách nối mạch ba pha .18 1.4 Cách giải mạch ba pha đối xứng .22 Cấu tạo, nguyên lý làm việc máy phát điện chiều .23 2.1 Cấu tạo 23 2.2 Nguyên lý làm việc 24 Động điện chiều 24 3.1 Cấu tạo 24 3.2 Nguyên tắc hoạt động .25 Chương 3:Máy phát điện chiều 26 Khái niệm chung máy phát điện chiều 26 1.1 Khái niệm máy phát điện 26 1.2 Máy phát điện chiều kích từ độc lập .26 1.3 Máy phát điện chiều kích từ song song 28 1.4 Máy phát điện chiều kích từ nối tiếp 28 1.5 Máy phát điện chiều kích từ hổn hợp .29 Các đại lượng đặc trưng cho dòng điện chiều, xoay chiều 30 2.1 Sức điện động phần ứng 30 2.2 Công suất điện từ .30 2.3 Mô men 31 Giải mạch điện chiều .31 Chương 4:Máy biến áp 34 Khái niệm chung máy biến áp .34 1.1 Định nghĩa 34 1.2 Các đại lượng định mức 34 1.3 Công dụng máy biến áp 35 Các định luật cảm ứng điện từ 36 2.1 Định luật cảm ứng điện từ .36 2.2 Định luật lực điện từ .36 2.3 Định luật Jun-lenxơ .36 Các loại máy biến áp 37 3.1 Máy biến áp pha .37 3.2 Máy biến áp pha .38 3.3 Các máy biến áp đặc biệt 39 Chương 5:Điện tử công nghiệp 41 Cấu tạo nguyên lý làm việc loại linh kiện điện tử 41 1.1 Phân lọai 41 1.2 Diode 1.3 Transistor BJT 41 .44 1.4 Transistor MOSFET 46 1.5 Transistor IGBT 48 1.6 Thyristor SCR 49 1.7 Triac .50 1.8 Gate turn off thyristor GTO 51 Công dụng loại linh kiện điện tử, phạm vi ứng dụng 52 2.1 Diode 52 2.2 Transistor BJT .52 2.3 Transistor MOSFET 52 2.4 Transistor IGBT 53 2.5 Thyristor SCR 53 2.6 Triac .53 2.7 Gate Turn off Thyristor GTO 53 Chương 6:Các thiết bị chỉnh lưu 54 Khái niệm chung loại chỉnh lưu 54 1.1 Khái niệm chỉnh lưu .54 1.2 Khái niệm chỉnh lưu pha 54 1.3 Khái niệm chỉnh lưu ba pha 55 1.4 Các chỉnh lưu chứa diode - qui tắc phân tích mạch chỉnh lưu tổng quát 55 Chỉnh lưu pha .55 2.1 Cấu tạo 55 2.2 Nguyên tắc hoạt động 56 Chỉnh lưu ba pha 58 3.1 Cấu tạo 58 3.2 Nguyên tắc hoạt động 59 Chương 1:Khái niệm dòng điện, Các định luật để giải mạch điện xoay chiều pha Mục tiêu: - Trình bày khái niệm dịng điện chiều, xoay chiều, định luật ơm đại lượng đặc trưng - Giải toán mạch điện xoay chiều pha định luật ơm - Rèn luyện tính tự giác, ý thức tham gia học tập Nội dung: 1.Khái niệm dòng điện chiều, xoay chiều 1.1 Khái niệm nguyên lý sản sinh dòng điện chiều 1.1.1 Khái niệm Mạch điện gồm thiết bị điện ghép lại với tạo thành vịng kín nhờ dây dẫn Các phần tử mạch điện: - Nguồn điện: thiết bị điện phát lượng để cấp cho thiết bị khác mạch Một số nguồn điện dân dụng bản: pin, ắcquy, máy phát điện - Phụ tải: thiết bị tiêu thụ điện Một số loại thiết bị tiêu thụ điện: quạt, bàn là, đèn - Dây dẫn: nối nguồn với phụ tải tải với *) Cấu trúc mạch điện - Nhánh: đoạn mạch gồm phần tử ghép nối tiếp với nhau, có dịng điện chạy qua - Nút: chỗ gặp nhánh (từ nhánh trở lên) - Mạch vòng: lối khép kín qua nhánh Từ sơ đồ hình vẽ ta thấy: - Số nhánh mạch điện 3(m= 3) - Số điểm nút mạch điện (n=2 ) - Số vòng mạch điện 1.1.2 Nguyên lý sản sinh dòng điện chiều Nguồn điện thiết bị trì dịng điện đoạn mạch, muốn ta cần trì điện áp hai đầu nguồn điện Nguồn điện có hai cực, cực dương (+) cực âm (-), hai cực ln có hiệu điện trì Để tạo điện cực nguồn điện phải có lực thực công để tách electron khỏi phần tử trung hòa chuyển electron iôn dương tạo thành khỏi cực Khi nối hai cực nguồn điện vật dẫn, tạo thành mạch kín mạch có dịng điện 1.2 Các khái niệm dòng điện xoay chiều 1.2.1 Định nghĩa sản sinh sức điện động xoay chiều hình sin Hiện nước ta nguồn điện xoay chiều thường tạo từ nhà máy thuỷ điện, nhiệt điện nước, nhà máy thuỷ điện đóng vai trị lớn kinh tế quốc dân Mạch điện xoay chiều hình sin pha mạch điện có nguồn điện xoay chiều có tần số góc pha ban đầu Dịng điện xoay chiều thường biến đổi tuần hoàn, nghĩa sau khoảng thời gian định lặp lại q trình biến thiên cũ, trình biến thiên theo hàm số sin gọi dịng điện xoay chiều hình sin Như vậy: Dịng điện xoay chiều hình sin dịng điện có chiều trị số thay đổi theo thời gian, theo quy luật hàm số sin giữ nguyên tần số 1.2.2 Cách tạo dòng điện xoay chiều a Nguyên lí máy phát điện xoay chiều pha Cấu tạo: Gồm phần cảm nam châm vĩnh cửu nam châm điện, phần ứng khung dây hệ thống vòng tiếp xúc chổi than Nguyên lí làm việc +) Cho khung dây ( a, b, c, d) quay từ trường, lúc khung dây xuất suất điện động cảm ứng ( theo định nghĩa cảm ứng điện từ ), chiều sức điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải ( hình vẽ) Nếu nối tải ta có dịng điện + Nếu quay khung dây 180 sức điện động khung dây đổi chiều dòng điện qua phụ tải đổi chiều Kết luận: Với nguyên lí làm việc dịng điên qua phụ tải dòng điện xoay chiều b Thành lập biểu thức sức điện động xoay chiều Cách thành lập Sức điện động hình sin tạo máy phát điện xoay chiều pha kí hiệu la E Để tính toán sức điện động ta giả thiết sau: + Hệ thống cực từ phần cảm chế tạo cho cảm ứng từ B phân bố theo quy luật hình sin Biểu thức: B = Bm sin  t + Khi máy phát điện làm việc khung dây quay với vận tốc V ta có biểu thức: e = Bm l sin  t Nếu khung dây quay với w vịng e = Bm l w.sin  t  e = Em sin  t Như phần cảm B biến thiên theo quy luật hàm số sin đầu khung dây sức điện động biến thiên theo quy luật hàm số sin Biểu diễn đồ thị Để biểu diễn hàm số sức điện động đồ thị ta xét số giá trị thời điểm đặc biệt t   et  t    et  Em t    et  t  3  et   E m t  2.  et  Đồ thị trên gọi đồ thị dạng sóng y  /2  3 / 2 x Các đại lượng đặc trưng cho mạch điện 2.1 Dịng điện Dịng điện i có trị số tốc độ biến thiên điện lượng Q qua tiết diện ngang vật dẫn I = dQ đơn vị Ampe, A dt Người ta quy định chiều dòng điện chạy vật dẫn ngược chiều với chiều chuyển động điện tử (hình vẽ) 2.2 Điện áp Tại điểm mạch điện có điện  Hiệu diện hai điểm gọi điện áp U, đơn vị vôn, V A R B UA Điện áp hai điểm A B hình vẽ là: U AB   A   B Chiều điện áp quy ước chiều từ điểm có điện cao đến điểm có điện thấp Điện áp hai cực nguồn điện hở mạch ngồi (dịng điện I = 0) gọi sức điện động E Công suất Công suất nguồn sức điện động là: P = E.I Cơng suất mạch ngồi là: P = U.I Đơn vị cơng suất óat, W Sức điện động E Sức điện động E phần tử lí tưởng, có trị số điện áp U đo hai cực guồn hở mạch Chiều sức điện động quy ước từ điện thấp đến điện cao ( từ cực âm tới cực dường ) Kí hiệu nguồn sức điện động Chiều điện áp quy ước từ điện cao đến điện thấp, theo hình vẽ ta có: U=E Định luật Ơm đại lượng đặc trưng * Định luật Ôm cho đoạn mạch Cho đoạn mạch hình vẽ A I-R B U Ta có R điện trở vật dẫn, I cường độ dòng điện, U hiệu điện Nếu hai đầu vật dẫn có hiệu điện có dịng điện chạy qua vật dẫn Cường độ dịng điện I vật dẫn phụ thuộc vào hiệu điện đầu vật dẫn Định luật : Cường độ dòng điện chạy qua đoạn mạch tỉ lệ thuận với điện áp đầu đoạn mạch tỉ lệ nghịch với điện trở đoạn mạch U I (A) R Cơng thức viết dạng: R =U / I ( ) Định luật giúp ta xác định điện trở R vật dẫn biết cường độ dòng điện I qua vật dẫn, hiệu điện hai đầu vật dẫn U 10 D G S Kim lo¹ i SiO2 Tiếp điểm Kênh P Kênh N D D Kênh dẫn N SS G SS G S S Đ ÕP D D G G S S Cùc ®ÕSS (Substrate) b) Ký hiƯu DMOSFET a) CÊu tróc vËt lý DMOSFET kênh N Nguyên tắc hoạt động (DMOSFET kênh N) Kênh dẫn đ-ợc cách ly với đế tiếp xúc p-n phân cực ng-ợc nhờ điện áp phụ đ-a đến cực đế (th-ờng đ-ợc nối chung với cực S) Cấp UDS cho hạt dẫn đa số kªnh dÉn cã chiỊu tõ S sang D (UDS > với DMOSFET kênh N) UGS điều khiển hoạt động DMOSFET hoạt động chế độ giàu hạt dẫn nghèo hạt dẫn b MOSFET kênh cảm ứng (EMOSFET) Cấu tạo ký hiệu MOSFET kênh cảm ứng Cấu tạo MOSFET kênh cảm ứng t-ơng tự nh- MOSFET kênh có sẵn, có điểm khác bình th-ờng ch-a có kênh dẫn nối liền hai vùng cực máng cực nguồn Kênh dẫn đ-ợc hình thành trình làm việc Cấu tạo ký hiệu đ-ợc cho hình S G D Kim loạ i Má ng Kênh P Kênh N D D Nguồn SS G S S G G Cùc ®ÕSS (Substrate) a) CÊu trúc vật lý EMOSFET kênh N D D Đ ế(thân) SS G S S b) Ký hiƯu EMOSFET CÊu t¹o ký hiệu MOSFET kênh cảm ứng Nguyên tắc làm việc (xét với kênh N) EMOSFET kênh dẫn sẵn mà hình thành trình 47 làm việc Khi ch-a có kênh dẫn dòng ID Khi UGS 0V, kênh dẫn nối liền hai vùng máng nguồn nên dù có điện áp UDS (d-ơng) đặt vào hai cực S D, điện tử di chuyển nên dòng cực máng (ID = 0) Khi UGS > 0, cỉng G cã ®iƯn tÝch d-ơng hút điện tử đế P (là hạt dẫn thiểu số) đến tập trung mặt đối diƯn víi vïng cỉng Khi UGS ®đ lín, lùc hót đủ mạnh, điện tử tập trung nhiều tạo thành kênh dẫn nối liền hai vùng nguồn S máng D Điện UGS đ-ợc gọi là điện áp UGS ng-ỡng hay UT Tiếp tục tăng UGS dòng máng ID tiếp tục tăng nhanh Với UGS xác định lớn UT tăng UDS t-ơng tự nh- hoạt động JFET DMOSFET Ban đầu tăng UDS dòng ID tăng tuyến tính, UDs lớn điện áp thắt kênh Up dòng ID đạt bÃo hoà giữ giá trị không đổi 1.5 Transistor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) Đặc tính động Hình 2.6 Hình 2.7 48 IGBT thực tế: 1MB-30-060- Fuji Electric Hình 2.9 Hình 2.8 1.6 Thyristor SCR * Cấu tạo, kí hiệu Là linh kiện gồm lớp bán dẫn ghép liên tiếp lại với đưa chân A, K, G hình 1.13 A nốt gắn với P1; K tốt gắn với N2; cực điều khiển gắn với P2 a b Hình 1.13: Cấu tạo, ký hiệu Thyristor a) Cấu tạo; b) ký hiệu * Nguyên lý làm việc Khi phân cực thuận cho SCR muốn có dịng từ A sang K ta phải kích xung vào chân điều khiển G cho SCR Khi phân cực ngược cho SCR khơng có dịng từ A sang K Lưu ý: Khi thyristor dẫn dịng việc điều khiển khơng cịn tác dụng Thyristor có tính tự giữ Lúc có cắt dịng điều khiển thyristor dẫn * Cách đo kiểm tra SCR (Xác định tọa độ chân A, K, G) + Bước 1: Chọn thang đo điện trở X1 X10 + Bước 2: Thực phép đo giống Transistor - Nếu SCR tốt phép đo có phép đo cho giá trị điện 49 trở nhỏ - Ở phép đo cho giá trị điện trở nhỏ này, que đen đặt đâu cực G, que đỏ đặt đâu cực K, lại cực A + Bước 3: Kiểm tra chất lượng SCR - Nếu phép đo có từ hai phép đo trở lên cho giá trị điện trở nhỏ không phép đo cho giá trị điện trở nhỏ SCR hỏng - Nếu SCR tốt ta thực tiếp thao tác sau: Để VOM thang đo điện trở X10 Đặt que đen đồng thời vào chân G chân A, que đỏ vào chân K, ta thấy kim giá trị điện trở R1 Tách que đen khỏi cực G que đen giữ cực A, que đỏ cực K Nếu giá trị điện trở R1 khơng đổi SCR tốt, kim đồng hồ khơng giữ giá trị điện trở R1 SCR hư (Thực thao tác ta thực phân cực thuận cho SCR kích xung dương vào cực G) 1.7 Triac * Cấu tạo, kí hiệu Là linh kiện bán dẫn gồm lớp bán dẫn đưa chân T1, T2 G a b Hình 1.14: Cấu tạo, ký hiệu Triac a) Cấu tạo; b) ký hiệu * Nguyên lý làm việc + Khi cực T2 có điện dương cực G kích xung dương Triac dẫn điện theo chiều từ T2 qua T1 + Khi cực T2 có điện âm cực G kích xung âm Triac dẫn điện theo chiều từ T1 qua T2 * Cách đo kiểm tra Triac Dùng đồng hồ để thang ôm X1 X10 đo đo vào chân với sáu phép đo có đảo que đo Chỉ có hai phép đo mà kim đồng hồ giá trị nội trở, vị trí hai que đo hai chân T2 G, chân lại T1 Để 50 xác định hai chân T2 G ta tiếp tục làm sau: Dùng đồng hồ thang X1, que đen đặt vào T1, que đỏ đặt vào hai chân lại tiến hành kích thử Dùng ngón tay chạm chân T1 chân khơng đo có hai trường hợp xảy ra: Trường hợp 1: Nếu thấy kim đồng hồ giá trị điện trở vị trí que đỏ chân T2, chân lại G Trường hợp 2: Nếu thấy kim đồng hồ khơng lên vị trí que đỏ chân G, chân cịn lại T2 1.8 Gate turn off thyristor GTO GTO linh kiện có lớp bán dẫn PNPN SCR cấu tạo ký hiệu mô tả sau: Tuy có ký hiệu khác với SCR SCS tính chất tương tự Sự khác biệt tiến GTO so với SCR SCS mở tắt GTO cổng (mở GTO cách đưa xung dương vào cực cổng tắt GTO cách đưa xung âm vào cực cổng) - So với SCR, GTO cần dịng điện kích lớn (thường hàng trăm mA) - Một tính chất quan trọng GTO tính chuyển mạch Thới gian mở GTO giống SCR (khoảng 1μs), thời gian tắt (thời gian chuyển từ trạng thái dẫn điện sang trạng thái ngưng dẫn) nhỏ SCR nhiều (khoảng 1μs GTO từ 5μs đến 30μs SCR) Do GTO dùng linh kiệncó chuyển mạch nhanh GTO thường dùng phổ biến mạch đếm, mạch tạo xung, mạch điều hoà điện thế… mạch sau ứng dụng GTO để tạo tín hiệu cưa kết hợp với Diod Zener 51 Khi cấp điện, GTO dẫn, anod catod xem nối tắt C1 nạp điện đến điện nguồn VAA, lúc VGK