Giáo trình Điện kỹ thuật (Ngành: Điện dân dụng - Trung cấp) - Trường Cao đẳng Xây dựng số 1

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:58

Thêm vào BST

Báo xấu

1
lượt xem 0
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình "Điện kỹ thuật (Ngành: Điện dân dụng - Trung cấp)" được biên soạn với mục tiêu nhằm giúp sinh viên nắm được các kiến thức về: Các khái niệm cơ bản về mạch điện; Mạch điện một chiều; Dòng điện xoay chiều; Mạch điện ba pha. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Điện kỹ thuật (Ngành: Điện dân dụng - Trung cấp) - Trường Cao đẳng Xây dựng số 1

BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG XÂY DỰNG SỐ 1 GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: ĐIỆN KỸ THUẬT NGÀNH: ĐIỆN DÂN DỤNG TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP Ban hành kèm theo Quyết định số: ..../QĐ-CĐXD1 ngày .... tháng .... năm.... Của Hiệu trưởng trường CĐXD số 1 Hà nội, tháng năm 2021
BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG XÂY DỰNG SỐ 1 GIÁO TRÌNH MÔN HỌC/MÔ ĐUN: ĐIỆN KỸ THUẬT NGÀNH/NGHỀ: ĐIỆN DÂN DỤNG TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP (Ban hành theo Quyết định số: 368ĐT/QĐ-CĐXD1, ngày 10 tháng 8 năm 2021 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Xây dựng số 1) Hà nội, năm 2021
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.
LỜI NÓI ĐẦU Giáo trình Điện kỹ thuật được biên soạn nhằm phục vụ cho giảng dạy và học tập cho trình độ Trung cấp điện ở trường Cao đẳng Xây dựng số 1. Điện kỹ thuật là môn học cơ sở ngành nhằm cung cấp các kiến thức về mạch điện, phương pháp giải mạch điện xoay chiều, một chiều và kiến thức cơ bản để học các môn chuyên ngành Điện dân dụng. Giáo trình Điện kỹ thuật do bộ môn Điện nước xây dựng gồm: ThS.Nguyễn Trường Sinh làm chủ biên và các thầy cô đã và đang giảng dạy trực tiếp trong bộ môn cùng tham gia biên soạn. Giáo trình này được viết theo đề cương môn học Điện kỹ thuật đã được Trường CĐXD1 ban hành. Ngoài ra giáo trình còn bổ sung thêm một số kiến thức mà trong các giáo trình trước chưa đề cập tới. Nội dung gồm 04 chương sau: Chương 1: Các khái niệm cơ bản về mạch điện Chương 2: Mạch điện một chiều Chương 3: Dòng điện xoay chiều Chương 4: Mạch điện ba pha Trong quá trình biên soạn, nhóm giảng viên Bộ môn Điện nước của Trung tâm Thực hành công nghệ và đào tạo nghề, trường Cao đẳng Xây dựng Số 1 - Bộ Xây dựng, đã được sự động viên quan tâm và góp ý của các đồng chí lãnh đạo, các đồng nghiệp trong và ngoài trường. Mặc dù có nhiều cố gắng, nhưng trong quá trình biên soạn, biên tập và in ấn khó tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được các góp ý, ý kiến phê bình, nhận xét của người đọc để giáo trình được hoàn thiện hơn. Trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày……tháng……năm 2021 Tham gia biên soạn 1. ThS. Nguyễn Trường Sinh - Chủ biên 2. KS. Nguyễn Văn Tiến
CHƯƠNG TRÌNH MÔN HỌC Tên môn học: ĐIỆN KỸ THUẬT Mã môn học: MH10 Thời gian thực hiện môn học: 60 giờ (Lý thuyết: 30 giờ; Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, bải tập: 27 giờ; Kiểm tra: 3 giờ). (Trong đó: Tổng số giờ giảng dạy và học tập trực tuyến: 16 giờ) I. Vị trí, tính chất của môn học - Vị trí: + Môn học được bố trí ở kỳ học thứ 2 + Môn học tiên quyết: Không - Tính chất: Là môn học cơ sở. II. Mục tiêu môn học 1. Kiến thức: - Trình bày được các khái niệm, định luật, định lý cơ bản trong mạch điện một chiều; - Trình bày được các khái niệm, định luật, định lý cơ bản trong mạch xoay chiều; - Trình bày được các khái niệm, định luật, định lý cơ bản trong mạch điện xoay chiều ba pha. 2. Kỹ năng: - Vận dụng được các phương pháp phân tích, biến đổi mạch để giải các bài toán về mạch điện hợp lý; - Vận dụng phù hợp các định lý, các phép biến đổi tương đương để giải các mạch điện phức tạp; - Tính toán được các thông số kỹ thuật trong mạch điện một chiều, xoay chiều, mạch ba pha. 3. Năng lực tự chủ và trách nhiệm: - Rèn luyện tính nghiêm túc trong học tập và trong thực hiện công việc; - Rèn luyện khả năng làm việc độc lập và theo nhóm. III. Nội dung môn học: 1. Nội dung tổng quát và phân bố thời gian : Thời gian (giờ) Thực hành, thí nghiệm, TT Tên chương, mục Lý thuyết Tổng thảo luận, Kiểm số bài tập tra Trực Trực Trực Trực tiếp tuyến tiếp tuyến 1 Chương 1: Các khái niệm cơ bản về mạch điện 9 5 4 1.1 Mạch điện và mô hình 2 1 1 1.2 Các khái niệm cơ bản trong 2 2 mạch điện 5 2 3 1.3 Các phép biến đổi tương đương 16 8 1 3 3 1 2 Chương 2: Mạch điện một chiều Các định luật và biểu thức cơ bản 2.1 4 4 trong mạch điện một chiều Các phương pháp giải mạch điện 2.2 4 4 một chiều
Thời gian (giờ) Thực hành, thí nghiệm, TT Tên chương, mục Lý thuyết Tổng thảo luận, Kiểm số bài tập tra Trực Trực Trực Trực tiếp tuyến tiếp tuyến 2.3 Bài tập áp dụng 7 1 3 3 Kiểm tra bài số 1 1 1 3 Chương 3: Dòng điện xoay chiều 19 7 2 3 6 1 Khái niệm về dòng điện xoay 3.1 chiều 3 3 Giải mạch điện xoay chiều 3.2 không phân nhánh 3 2 1 Giải mạch điện xoay chiều phân 3.3 nhánh 3 1 2 3.4 Phương pháp nâng cao hệ số công suất. 1 1 3.5 Bài tập áp dụng Kiểm tra bài số 2 8 2 6 4 Chương 4: Mạch điện ba 1 1 pha 4.1 Khái niệm chung 16 6 1 5 3 1 1 1 4.2 Sơ đồ đấu dây trong mạch điện ba pha đối xứng 2 2 4.3 Công suất mạch điện ba pha 1 0,5 0,5 4.4 Phương pháp giải mạch điện ba pha cân bằng. 4 1,5 2,5 Mạch điện ba pha không đối 4.5 xứng 3 1 2 4.6 Bài tập áp dụng Kiểm tra bài số 3 4 1 3 Cộng 2. Nội dung chi 1 1 tiết: 60 26 4 15 12 3
Chương 1: Các khái niệm cơ bản về mạch điện 1.2. Mạch điện mô hình 1.2.1. Mạch điện - Mạch điện là tập hợp các thiết bị để dòng điện chạy qua. Các thiết bị lẻ chắp nối để tạo thành mạch điện gọi là các phần tử của mạch. Mạch điện gồm ba phần tử cơ bản là nguồn điện, vật tiêu thụ điện (còn gọi là phụ tải), dây dẫn, và các phần tử phụ trợ như thiết bị đóng cắt, đo lường, bảo vệ, tự động … H. 1.1 Mạch điện chiếu sáng điện 1 chiều + NGUỒN ĐIỆN là các thiết bị biến đổi các dạng năng lượng khác thành năng lượng điện, như pin, accqui (dùng năng lượng hóa học), máy phát điện (năng lượng cơ học) + DÂY DẪN để dẫn dòng điện (chuyền tải năng lượng điện) từ nguồn tới nơi tiêu thụ. + THIẾT BỊ TIÊU THỤ ĐIỆN để biến đổi năng lượng điện thành các dạng năng lượng khác, như ánh sáng (đèn điện), nhiệt (bếp điện, lò điện), cơ ( động cơ)…v..v. Trên sơ đồ, các tải như đèn điện, bếp điện v.v…được biểu thị bằng một điện trở. + CÁC THIẾT BỊ PHỤ TRỢ như thiết bị đóng cắt (cầu dao, máy cắt điện) để đóng cắt mạch điện, thiết bị bảo vệ (cầu chì…) dụng cụ đo (ampe-met…) v.v… 1.2.2. Các hiện tượng điện từ 1.2.2.1. Hiện tượng biến đổi năng lượng a. Biến đổi hóa năng thành điện năng (pin, acquy). Điện áp giữa 2 điện cực của một phần tử (pin, acquy) không lớn, vì thế để có điện áp lớn, ta nối tiếp các phần tử với nhau, để có dòng điện lớn, ta nối song song các phần tử với nhau.
H.1.2 acquy nước b. Pin mặt trời Phin mặt trời làm việc dựa vào hiệu ứng quang điện, biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng. Dưới tác dụng của ánh sáng, hình thành sự phân bố điện tích khác dấu ở lớp tiếp xúc giữa 2 chất bán dẫn khác nhau sẽ tạo ra điện áp giữa hai cực. H.1.3 tấm pin năng lượng c. Máy phát điện một chiều Máy phát điện biến đổi cơ năng dựa vào trụ của máy thành điện năng lấy ra ở các cực của dây quấn. H.1.4 Máy phát điện 1 chiều
d. Bộ nguồn điện tử công suất Bộ nguồn điện tử công suất không tạo ra điện năng mà chỉ biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều lấy ra ở 2 cực. H.1.4. Bộ nguồn điều chỉnh 1.2.2.2. Hiện tượng tích phóng năng lượng 1.3. Mô hình mạch điện Mô hình mạch điện hay còn gọi là sơ đồ thay thế mạch điện, các phần tử của mạch điện thực được mô hình hóa bằng các phần tử lý tưởng như E, j, R, L, C. Để thành lập mô hình mạch điện, đầu tiên ta liệt kê các hiện tượng năng lượng xảy ra trong từng thiết bị và thay thế chúng bằng các phần tử lý tưởng và nối lại với nhau tùy theo kết cấu hình học của mạch điện. 1.3.1. Phần tử điện trở Cho dòng điện I chạy qua điện trở R → Điện áp rơi trên điện trở U Theo định luật Ôm, quan hệ giữa dòng điện I và điện áp U = Công suất tiêu thụ trên điện trở = = H.1.5. Mạch điện thuần trở 1.3.2. Phần tử điện cảm Dòng điện i chạy qua cuộn dây có w vòng → sinh ra từ thông móc vòng với cuộn dây = . Điện cảm của cuộn dây được định nghĩa: = = Đơn vị của điện cảm là Henry (H), mH, μH H.1.6 Mạch điện thuần cảm
1.3.3. Phần tử điện dung Điện dung C Đặt điện áp lên tụ điện có điện dung C thì tụ điện sẽ được nạp điện với điện tích q = . H.1.7 Mạch điện thuần dung Điện áp biến thiên → điện tích trên các bản cực của tụ điện thay đổi ↔ có dòng điện chuyển dịch qua tụ điện (giữa các bản cực) = = ( )= Công suất trên tụ điện = =
1.3.4. Phần tử thực Mô hình mạch điện (sơ đồ thay thế mạch điện) - Giữ nguyên kết cấu hình học và quá trình năng lượng - các phần tử đã được mô hình hoá bằng các thông số lý tưởng e, R, L, C H.1.10 1.4. Các khái niệm cơ bản trong mạch điện 1.4.1. Dòng điện và chiều qui ước của dòng điện Đặt vật dẫn trong điện trường, dưới tác động của lực điện trường, các điện tích dương sẽ di chuyển từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp hơn, còn các điện tích âm di chuyển ngược lại, từ nơi có điện thế thấp đến nơi có điện thế cao hơn, tạo thành dòng điện. Dòng điện là dòng các điện tích chuyển dời có hướng dưới tác dụng của lực điện trường. Người ta quy ước chiều dòng điện là chiều di chuyển của các điện tích dương, tức là hướng từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp hơn. Đó cũng là chiều của điện trường. Hình 1.11: Dòng điện trong vật dẫn bằng kim loại 1.4.2. Cường độ dòng điện Cường độ dòng điện là đại lượng đặc trưng cho độ lớn của dòng điện (đôi khi gọi tắt là dòng điện), ký hiệu là I. Cường độ dòng điện là đại lượng điện tích qua tiết diện (thẳng) của dây dẫn trong một đơn vị thời gian:
= Ở đây, Q là điện tích qua tiết diện dây dẫn trong thời gian t. Nếu điện tích di chuyển qua dây dẫn không đều theo thời gian sẽ tạo ra dòng điện có cường độ thay đổi (ký hiệu là i). Giả sử trong thời gian rất nhỏ dt, có lượng điện tích dQ qua tiết diện dây thì cường độn dòng điện sẽ là: i= Trong hệ SI, đơn vị của điện tích là culông, của thời gian là giây, thì đơn vị cường độ dòng điện là ampe (kí hiệu là A). Ký hiệu: i: đơn vị là Ampe (A) Q: đơn vị là Culong (C) t : đơn vị là giây (s) Để tiện lợi, người ta chọn tùy ý một chiều và ký hiệu bằng mũi tên, gọi là chiều dương của dòng điện. Nếu tại một thời điểm t nào đó, chiều dòng điện trùng với chiều dương thì i mang dấu dương, còn nếu ngược lại sẽ mang dấu âm. H.1.11 Chiều của dòng điện. Bội số của ampe là kilo-ampe (kA) , còn ước số là mili-ampe (mA) và micro-ampe (µA) 1kA = 103A; 1mA = 103A; 1 A = 10-3mA = 10-6A Ví dụ: Trong thời gian ∆t = 0.01s, tụ điện nạp được 10−3 culong trên cực. Tìm giá trị trung bình của dòng điện nạp cho tụ. Lời giải: Trị số dòng điện nạp trung bình: I = ∆Q = 10−3= 0,1 A ∆t 0,01 1.4.3. Mật độ dòng điện Cường độ dòng điện qua một đơn vị diện tích tiết diện được gọi là mật độ dòng điện, kí hiệu là ẟ (đen ta)
ẟ= S là diện tích tiết diện dây. Đơn vị mật độ dòng điện trong hệ SI là A/ 2. Đơn vị này quá nhỏ, nên trong thực hành, thường dùng các đơn vị A/ 2 hoặc A/ 2, tùy theo S tính ra 2 hay 2. Cường độ dông điện dọc theo một đoạn dây dẫn là như nhau ở mọi tiết diện, nên ở chỗ nào tiết diện dây nhỏ, mật độ dông điện sẽ lớn, và ngược lại. Ví dụ: Dây dẫn tiết diện 95 2 có dòng điện I = 200A qua. Tính mật độ dòng điện. Lời giải: Mật độ dòng điện trong dây: ẟ= = =2,05A
1.5. Các phép biến đổi tương đương Biến đổi tương đương nhằm mục đích đưa mạch điện phức tạp về dạng đơn giản hơn. Khi biến đổi tương đương, dòng điện, điện áp, tại các bộ phận không bị biến đổi vẫn giữ nguyên. Dưới đây đưa ra một số biến đổi tương đương thường gặp. 1.5.1. Nguồn áp mắc nối tiếp Các nguồn sức điện động mắc nối tiếp sẽ tương đương với sức điện động duy nhất có trị số bằng tổng đại số các sức điện động trên đó: đ = ∑ ± H.1.12 1.5.2. Nguồn mắc song song Các nguồn dòng mắc song song tương đương với một nguồn dòng duy nhất có trị số bằng tổng đại số các nguồn dòng. đ =∑± H.1.13 1.5.3. Điện trở mắc nối tiếp, song song 1.5.3.1. Điện trở mắc nối tiếp Điện trở tương đương R_tđ của các điện trở R_1, R_2, R_n mắc nối tiếp là:
H.1.14 1.5.3.2. Điện trở mắc song song Điện trở tương đương R_tđ của các điện trở R_1, R_2, R_n mắc song song tính như sau: H1.15 Khi có 2 điện trở R_1, R_2 mắc song song với điện trở tương đương của chúng . đ= + Bài 1: Cho mạch điện như hình vẽ. Trong đó R1 = R2 = 4 Ω; R3 = 6 Ω; R4 = 3 Ω; R5 = 10 Ω; UAB = 24 V. Tính điện trở tương đương của đoạn mạch AB. H1.16 Lời giải:
- Phân tích đoạn mạch: R1 nt ((R2 nt R3 ) // R5) nt R4 . R23=R2+R3=10Ω 1.5.4. Biến đổi - Y và Y - 1.5.4.1. Biến đổi sao thành tam giác Y → ∆ Giả thiết có 3 điện trở 1, 2, 3 nối hình sao. Biến đổi hình sao thành các điện trở đấu tam giác. Công thức tính các điện trở nối hình tam giác là: H1.17 Khi hình sao đối xứng: 1 = 2 = 3 = R thì ta có : 12= 23= 31 = 3R 1.5.4.2. Biến đổi tam giác thành sao ∆ → Y Giả thiết có 3 điện trở 12 , 23 , 31 nối hình tam giác. Biến đổi hình tam giác thành hình sao, điện trở các cạnh hình sao tính là:
Khi hình tam giác đối xứng 12 = 23 = 31 = R, Thì 1 = 2 = 3 = 3 Ví dụ : Tìm I ở sơ đồ mạch điện sau: H.1.19 Lời giải: Dùng phép biến đổi tương đương ba điện trở mắc hình tam giác thành ba điện trở mắc hình sao. 1.5.5. Biến đổi nguồn tương đương
Chương 2: Mạch điện một chiều 1.6. Các định luật và biểu thức cơ bản trong mạch một chiều Các định luật của mạch điện đã học ở vật lý, ở đấy nhấn mạnh áp dụng và thực hành và vận dụng các biểu thức vào tính toán mạch điện. 1.6.1. Định luật Ohm Xét nhánh thuần điện trở (hình 2.1) Biểu thức tính điện áp trên điện trở: U=RI Hình 2.1 Biểu thức tính dòng điện qua điện trở: I= U – Tính bằng V I – Tính bằng A R – Tính bằng Ω Hình 2.2 Ví dụ: Trong mạch điện hình..., biết I = 210mA; R = 100 Ω. Tính điện áp trên điện trở U. Lời giải: Điện áp trên điện trở: U = RI = 100. 0,21 = 21V 1.6.2. Công suất và điện năng trong mạch một chiều 1.6.2.1. Công suất Công suất của một đoạn mạch là công suất tiêu thụ điện năng của đoạn mạch đó và có trị số bằng điện năng mà đoạn mạch tiêu thụ trong một đợn vị thời gian, hoặc bằng tích của hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch và cường dộ dòng điện chạy qua đoạn mạch đó. P = A/t = UI
1.6.2.2. Điện năng Khi đặt một hiệu điện thế U vào hai đầu đoạn mạch tiêu thụ điện năng, các điện tích tự do có trong đoạn mạch chịu tác dụng của lực điện. Sự chuyển dời có hướng của các điện tích này tạo thành dòng điện chạy qua đoạn mạch và khi đó lực điện thực hiện công. Nếu dòng điện có cường độ I thì sau một thời gian t sẽ có một điện lượng q = It di chuyển trong đoạn mạch và khi đó lực điện thực một công Hình 2.3 là: A = Uq = Uit (2.1) Dòng điện chạy qua đoạn mạch gây ra các tác dụng khác nhau và khi đó có sự chuyển hóa từ năng lượng điện thành các dạng năng lượng khác. Vì vậy, lượng điện năng mà một đoạn mạch tiêu thụ khi có dòng điện chạy qua để chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác được đo bằng công của lực điện thực hiện khi dịch chuyển có hướng các điện tích. 1.6.3. Định luật Joule – Lenz 1.6.3.1. Định luật Như đã biết, nếu đoạn mạch (hoặc vật dẫn) chỉ có điện trở R (với R = ρ 1 ) thì điện S năng mà đoạn mạch tiêu thụ được biến đổi hoàn toàn thành nhiệt năng. Kết quả là đoạn mạch nóng lên và tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh. Từ công thức (2.1), suy ra công thức tính nhiệt lượng Q tỏa ra ở đoạn mạch chỉ có điện trở khi có dòng điện chay qua và như đã biết, mối quan hệ này được Jun – len – xơ phát biểu thành định luật: Nhiệt lượng tỏa ra ở một vật dẫn tỉ lệ thuận với điện trở của vật dẫn, với bình phương cường độ dòng điện và với thời gian dòng điện chạy qua vật dẫn đó. Q = RI2t - Công suất tỏa nhiệt khi có của vật dẫn khi có dòng điện chạy qua: = = - Công của nguồn điện: Theo định luật bảo toàn năng lượng, điện năng tiêu thụ trong toàn mạch bằng công của các lực lạ bên trong nguồn điện. = = - Công suất nguồn điện
= = 1.6.3.2. Ứng dụng của định luật Joule – Lenz Định luật Joule-Lenz được dùng để xác định mối quan hệ giữa nhiệt lượng tỏa ra và điện trở cũng như cường độ dòng điện, từ đó làm cơ sở để thiết kế các thiết bị điện an toàn và ngăn ngừa nhiệt năng. quá lớn dẫn đến cháy, nổ. Ngoài ra, dựa trên hệ thức của định luật Jun Len xơ, có thể tính toán được lượng nhiệt năng tỏa ra của vật. Từ đó, người ta sẽ lựa chọn đúng được những nguyên vật liệu phù hợp với từng loại thiết bị nhất định. Thông thường, các thiết bị có điện năng được chuyển đổi thành nhiệt năng sẽ sử dụng dây dẫn được làm từ Constantan hoặc Nikêlin. Định luật Jun lenxơ được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực cuộc sống như: - Đèn dây tóc sáng khi sợi đốt được đun nóng bằng nhiệt, dưới tác dụng của bức xạ nhiệt và ánh sáng. - Cầu chì có tác dụng như một chiếc khóa an toàn, nếu như dòng điện đủ cường độ làm tan chảy dây chì nó sẽ làm ngắt các mạch quá tải, từ đó hạn chế các rủi ro do hỏa hoạn, cháy nổ. - Thuốc lá điện tử cũng là một những ứng dụng của định luật Jun lenxơ: Nó sẽ làm bốc hơi propylen glycol và glyxerin thực vật từ nhiệt. - Một số thiết bị vận hành dựa trên nguyên lý của nhiệt Jun-len-xơ như: Bàn là, bếp ủi, máy sấy tóc, lò sưởi điện, mỏ hàn,… Hình 2.4 1.6.4. Định luật Faraday 1.6.4.1. Hiện tượng