Giáo trình Kỹ thuật điện (Nghề Công nghệ ô tô CĐTC)

Hình 1.10:điện trở nối tiếp 1.11 Trong đoạn mạch gồm hai điện trở R1, R2 mắc song song, cường độ dòng điện chạy qua mỗi điện trở tỉ lệ nghịch với điện trở đó.. CHƯƠNG 2: MẠCH ĐIỆN MỘT CH

(Ban hành kèm theo Quyết định Số: ngày tháng năm 2017

của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Nghề Đồng Tháp)

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 GIỚI THIỆU

Nghề công nghệ ôtô dạy tại trường Cao đẳng Cộng đồng Đồng Tháp đào tạo các kiến thức cơ bản về động cơ xăng, động cơ dầu, gầm ôtô, điện động cơ, điện thân xe, điện điều khiển động cơ

Giáo trình được biên soạn nhằm cung cấp cho người đọc các kiến thức cơ bản về lý thuyết mạch điện và các phương pháp phân tích mạch điện Nội dung giáo trình chủ yếu dựa vào giáo trình kỹ thuật điện của trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM, và trường ĐH Đà Lạt

Cuốn giáo trình này được viết thành 05 chương:

Chương 1: Các khái niệm cơ bản về mạch Điện

Chương 2: Mạch điện một chiều

Chương 3: Dòng điện xoay chiều hình sin

Chương 4: Mạch ba pha Chương 5: Sử dụng dụng cụ đo

Vì trình độ và thời gian có hạn, giáo trình không tránh khỏi những thiếu sót

Tác giả mong được sự đóng góp quý báu từ Quý Thầy cô và bạn đọc

… , ngày… tháng… năm……

Tham gia biên soạn

ThS Trần Thanh Toàn

M ỤC LỤC



LỜI GIỚI THIỆU 4

GIÁO TRÌNH MÔN HỌC/MÔ ĐUN 6

Chương 1: CÁc khÁi niệm cơ bản về mạch Điện 7

Chương 2: Mạch điện một chiều 18

Chương 3: Dòng điện xoay chiều hình sin 27

Chương 4: Mạch ba pha 42

Chương 5: Sử dụng dụng cụ đo 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

GIÁO TRÌNH MÔN HỌC/MÔ ĐUN Tên mô đun: Kỹ thuật điện

CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN

Mã chương: CMH 10 - 01 Giới thiệu

Bài này cung cấp cho học sinh các kiến thức về mạch điện, các đại lượng vật

lý cơ bản trong một mạch điện, các phần tử cơ bản trong mạch điện

Mục tiêu của bài:

- R n luyện tính c n thận, tỉ mỉ trong tính toán

* Nội dung chương:

1 M ạch điện và mô hình:

1.1 M ạch điện

Mạch điện: là một hệ thống gồm các thiết bị điện, điện tử ghép lại Trong đó xảy ra các quá trình truyền đạt, biến đổi năng lượng hay tín hiệu điện từ đo bởi các đại lượng dòng điện, điện áp

b Hi ện tƣợng lực điện từ

Khi dây dẫn có dòng điện chạy qua đặt trong từ trường và không song song với đường sức từ thì chịu tác dụng của lực điện từ

c Hi ện tượng hóa điện

Một phản ứng hóa học xảy ra khi có dòng điện chạy qua, hay qua phản ứng hóa học có một hiệu điện thế, đây là những quá trình điện hóa

1.2.2 Hi ện tƣợng tích phóng năng lƣợng

a Tĩnh điện

Là hiện tương hai vật rắn cọ sát vào nhau, một vật sẽ bị mất electron sẽ mang điện tích dương và một vật được nhận electron sẽ mang điện tích âm Do vật nhận electron có nhiều khoảng trống trong lớp vỏ ngoài cùng của nó, còn vật bị mất electron thì có các electron liên kết yếu, do đó mà electron có thể di chuyển từ vật này sang vật kia tạo ra sự mất cân bằng điện tích

b Tích điện

Là hiện tượng xãy ra khi các điện tích, tích tụ trên bề mặt 2 tấm kim loại khi đặt vào mỗi tấm kim loại mỗi cực của nguồn điện một chiều

di/dt: chỉ sự biến thiên của dòng điện theo thời gian

 Tính chất: từ công thức  Điện áp giữa 2 đầu cuộn dây tỉ lệ với sự biến thiên của dòng điện theo thời gian

Lưu ý: Trong mạch điện 1 chiều thì điện áp giữa 2 đầu mạch điện bằng 0 Trong mạch điện 1 chiều nếu đặt cuộn dây thì coi như mạch bị nối tắt

Ta có:

Hình 1.5 : nguồn điện

Hình 1.6: nguồn áp thật hoặc ở dạng một nguồn dòng điện i (t) mắc song song với một điện trở r

Hình 1.7: nguồn dòng thật

2 Các khái niệm cơ bản trong mạch điện

2.1 Dòng điện và chiều qui ƣớc của dòng điện

(1.8)

3 Các phép biến đổi tương đương

3.1 Ngu ồn áp ghép nối tiếp

Hình 1.8: Nguồn áp ghép nối tiếp

• Bộ nguồn nối tiếp:

(1.9)

3.2 Ngu ồn dòng ghép song song

nguồn hiệu thế nối tiếp và nguồn dòng điện song song

Hình 1.9: Nguồn dòng ghép song song

3.3 Điện trở ghép nối tiếp, song song

Đối với đoạn mạch gồm 2 điện trở R1, R2mắc nối tiếp,hiệu điện thế giữa hai đầu mỗi điện trở tỉ lệ thuận với điện trở đó

Hình 1.10:điện trở nối tiếp

(1.11) Trong đoạn mạch gồm hai điện trở R1, R2 mắc song song, cường độ dòng điện chạy qua mỗi điện trở tỉ lệ nghịch với điện trở đó

.Hình 1.11: điện trở mắc song song

(1.12)

3.4 Bi ến đổi ∆ - Y và Y - ∆

Ba tổng trở gọi là nối hình sao nếu chúng có một đầu nối chung

Ba tổng trở gọi là nối hình tam giác nếu chúng tạo nên mạch vòng kín mà chỗ nối là nút của mạch

Ta thường cần biến đổi từ hình sao sang hình tam giác tương đương và ngược lại

Để tìm các công thức biến đổi sao tam giác ta xuất phát từ các điều kiện biến đổi tương đương

Hình 1.12: biến đổi sao – tam giac, tam giac - sao

3.5 Bi ến đổi nguồn tương đương

nguồn hiệu thế song song với điện trở và nguồn dòng điện nối tiếp điện trở :

có thể bỏ điện trở mà không ảnh hưởng đến mạch ngoài

VA = 0V , VB = 12, R=12ohm

a Tính hiệu điện thế 2 đầu AB

b Xác định dòng điện chạy trong mạch

2 Cho mạch điện như hình vẽ:

Biết V A = 0V , VB = 12, C= 10 mFara, tính điện tích trên tụ

3 Tính tổng trở của mạch điện, biết R 1 = 1ohm, R2=3ohm, R3=9ohm

a

b

CHƯƠNG 2: MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU

Mã chương: CMH 10 - 02 Giới thiệu

Bài này cung cấp cho học sinh các kiến thức về các định luật cơ bản trong mạch điện và phương pháp tính toán dòng điện và điện áp trên mạch điện 1 chiều

Mục tiêu của bài:

- Phân tích được sơ đồ và chọn phương pháp giải mạch hợp lý

Năng lực tự chủ và trách nhiệm:

- R n luyện tính c n thận, tỉ mỉ trong tính toán

* Nội dung chương:

1 Khái niệm cơ bản về mạch điện một chiều

Mạch điện: là một hệ thống gồm các thiết bị điện, điện tử ghép lại Trong đó xảy ra các quá trình truyền đạt, biến đổi năng lượng hay tín hiệu điện từ mà trong quá trình đó dòng điện chạy qua mạch không có sự đảo chiều theo thời gian

2 Các định luật và biểu thức cơ bản trong mạch một chiều

2.2 Công suất và điện năng trong mạch một chiều

Công suất P của nguồn điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng phát năng lượng của nguồn điện trong một đơn vị thời gian là 1s

(2.2) Công suất của phụ tải (thiết bị tiêu thụ điện)

Điện năng tiêu thụ sau khoảng thời gian T

2.3 Định luật Joule -Lenz (định luật và ứng dụng)

Nhiệt lượng tỏa ra ở dây dẫn khi có dòng điện chạy qua tỉ lệ thuận với bình phương cường độ dòng điện, với điện trở của dây dẫn và thời gian dòng điện chạy qua

(2.5)

2.4 Định luật Faraday (hiện tƣợng; định luật và ứng dụng)

Suất điện động cảm ứng là suất điện động sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch kín, nó tỉ lệ với độ biến thiên từ thông qua mạch và tỉ lệ nghịch với khoảng thời gian của sự biến thiên ấy (tức là tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông):

trong đó ν và B cùng vuông góc với đoạn dây và αlà góc giữa B và ν

Hình 2.2: Suất điện động cảm ứng trong khung dây

2.5 Hi ện tượng nhiệt điện (hiện tượng và ứng dụng)

Là hiện tượng sản sinh ra nhiệt lượng, khi một dòng điện I chạy qua một vật dẫn có giá trị R sau khoảng thời gian T

(2.9)

3 Các phương pháp giải mạch điện một chiều

3.1 Định luật kitchoff

a Định Luật Kirchhoff 1: (Định Luật Nút)

Tổng đại số dòng điện tại 1 nút bằng 0:

Ví Dụ: Cho mạch điện như hình

Hình 2.4: Các vòng kín trong một mạch điện Xét vòng 1 (a,b,c,a) theo định luật Kirchhoff 2 ta có:

Uab + Ubc + Uca = 0 Xét vòng 2 (a,d,b,a) theo định luật Kirchhoff 2 ta có:

Uad + Udb + Uba = 0 vv

3.2 Phương pháp biến đổi điện trở

Đối với đoạn mạch gồm 2 điện trở R1, R2mắc nối tiếp,hiệu điện thế giữa hai đầu mỗi điện trở tỉ lệ thuận với điện trở đó

Hình 2.5:điện trở nối tiếp

(2.12) Trong đoạn mạch gồm hai điện trở R1, R2 mắc song song, cường độ dòng

Hình 2.6: điện trở mắc song song

Chú ý:

– Khi tắt một nguồn áp: Đoạn mạch đó sẽ thay thế bằng “dây dẫn”

– Khi tắt một nguồn dòng: Đoạn mạch đó sẽ thay thế bằng “hở mạch”

– Không tắt các nguồn phụ khác

Ví dụ 1: Cho mạch có sơ đồ như hình vẽ

Thành phần I35:

Bài tập

1 Cho mạch điện như hình vẽ

a Dùng định luật Kirchhoff 1, Kirchhoff 2 tìm I1, I2, I3

b Tính công suất điện năng trên nhánh 3

c Xác định điện năng tiêu thu trong 1 giờ trên nhánh 3

2 Cho mạch điện như hình vẽ

3 Cho mạch điện như hình vẽ

a Dùng phương pháp điện trở tương đương tìm I và V2

b Xác định công suất của nguồn điện

c Tìm điện năng tiêu thụ của mạch trong 1 giờ

4 Cho mạch điện như hình vẽ:

a Dùng phương pháp điện trở tương đương để xác định dòng điện qua các nhánh

b Dùng Dùng định luật Kirchhoff 1, Kirchhoff 2 tìmdòng điện qua các nhánh

5 Cho mạch điện như hình vẽ:

a Dùng phương pháp xếp trồng xác định dòng điện i

b Tính điện năng tiêu thụ trong 1 giờ trên nhánh i

CHƯƠNG 3: DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN

Mã chương: CMH 10 - 03 Giới thiệu

Bài này cung cấp cho học sinh các kiến thức về các định luật cơ bản trong mạch điện và phương pháp tính toán dòng điện và điện áp trên mạch điện xoay chiều

Mục tiêu của bài:

Kiến thức;

- Giải thích được các khái niệm cơ bản trong mạch xoay chiều như: chu kỳ, tần số, pha, sự lệch pha, trị biên độ, trị hiệu dụng Phân biệt các đặc điểm

cơ bản giữa dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều

- Phân tích được ý ngh a của hệ số công suất và các phương pháp nâng cao hệ số công suất

K năng:

- Biểu diễn đại lượng hình sine bằng phương pháp biên độ phức

- Tính toán được các thông số (tổng trở, dòng điện, điện áp ) của mạch điện xoay chiều một pha không phân nhánh và phân nhánh; Giải được các bài toán cộng hưởng điện áp, cộng hưởng dòng điện

- Tính toán giá trị tụ bù ứng với hệ số công suất cho trước

Năng lực tự chủ và trách nhiệm:

- R n luyện tính c n thận, tỉ mỉ trong tính toán

Nội dung chương:

1 Khái niệm về dòng điện xoay chiều hình sin

1.1 Dòng điện xoay chiều

Dòng điện xoay chiều là dòng điện có chiều và trị số thay đổi theo thời gian

Hình 3.1: các dạng dòng điện xoay chiều có chu kỳ là T

1.2 Chu k ỳ và tần số của dòng điện xoay chiều

Chu kỳ: Là khoảng thời gian ngắn nhất để dòng điện lặp lại trị số và chiều

biến thiên cũ Chu kỳ có ký hiệu là T, đơn vị: giây (s)

Tần số: Là số chu kỳ mà dòng điện thực hiện được trong một đơn vị thời

gian (trong 1 giây) Tần số có ký hiệu là f

Ta có:

(3.1)

1.3 Dòng điện xoay chiều hình sin

Dòng điện xoay chiều biến thiên theo quy luật hình sin theo thời gian được gọi là dòng điện xoay chiều hình sin, được biểu diễn bằng đồ thị hình sin trên hình

i = Imax sin (t + i)

(3.2)

trong đó: i: là trị số tức thời của dòng điện

Imax: là giá trị cực đại hay là biên độ của dòng điện

: là tần số góc

: là góc pha ban đầu của dòng điện

Hình 3.2: dòng điện xoay chiều hình sin

1.4 Các đại lƣợng đặc trƣng

1.2.2.1 Chu k ỳ, tần số, tần số góc

Chu kỳ: Là khoảng thời gian ngắn nhất để dòng điện lặp lại trị số và chiều

biến thiên cũ Chu kỳ có ký hiệu là T, đơn vị: giây (s)

Ta có:

(3.3)

Đơn vị là hertz, ký hiệu Hz

Tần số góc: Là tốc độ biến thiên của dòng diện hình sin

Tần số góc có ký hiệu là , đơn vị là rad / s

Quan hệ giữa tần số góc và tần số:

 = 2  F (3.4)

1.5 Pha và sự lệch pha

i = Imax sin (t +i)

u = Umax sin (t +u) Trong đó: Umax, u là biên độ và góc pha của điện áp

Để biểu diễn sự lệch pha giữa u và I thì u và I phải cùng tần số và cùng hàm sin/cos

Góc lệc pha giữa u và I được gọi là 

 = (t +i) – (t +u) =  u – i (3.5) Góc  phụ thuộc vào các thông số của mạch

Khi:   0 điện áp vượt trước dòng điện

  0 điện áp chậm sau dòng điện

 = 0 điện áp trùng pha dòng điện

 =   điện áp ngược pha với dòng điện

Hình 3.3: Góc lệch pha phi giữa u và i

2 Gi ải mạch xoay chiều không phân nhánh

2.1 Gi ải mạch R-L-C

Giản đồ fre_nen

Mạch xoay chiều không phân nhánh, trường hợp tổng quát có cả ba thành phần là R, L, C mắc nối tiếp với nhau

Giả sử khi đặt điện áp xoay chiều, trong mạch sẽ có dòng điện là:

i = I m.Sin(t) Chạy trong nhánh R, L, C mắc nối tiếp, sẽ gây ra điện áp rơi trên điện trở uR, trên điện cảm uL, trên điện dung uC (hình 2-13) Các đại lượng dòng điện và điện áp đều biến thiên theo hình sin và cùng một tần số Do đó có thể biểu diễn chúng trên cùng một đồ thị vectơ

Hình 3.6: Phân tích điện áp trên R, L, C của mạch mắc nối tiếp

Từ tam giác điện áp ta có:

(3.10)

được gọi là tổng trở của mạch

Từ biểu thức (3.10) ta có thể biểu diễn chúng lên 3 cạnh của một tam giác vuông, trong đó tổng trở Z là cạnh huyền, còn hai cạnh góc vuông là điện trở R và điện kháng X, gọi là tam giác tổng trở Tam giác tổng trở giúp ta dễ dàng nhớ các quan hệ giữa các thông số R, X, Z và góc lệch pha 

Góc lệch pha  giữa điện áp và dòng điện được xác định như sau:

Hoặc

(3.12)

Trong mạch xoay chiều hỗn hợp (R - L - C mắc nối tiếp) dòng điện và điện

áp lệch pha nhau một góc  Biểu thức điện áp có dạng:

2.2 Gi ải mạch có nhiều phần tử mắc nối tiếp

a Cu ộn dây mắc nối tiếp

Hình 3.7: biến đổi tương đương cuộn dây ghép nối tiếp Khi mắc nối tiếp nhiều cuôn từ lại với nhau, tổng từ dung sẻ tăng và bằng tổng của các từ dung

Lt = L1 + L2+ … + Ln (3.13)

b t ụ điện mắc nối tiếp

(3.14)

2.3 C ộng hưởng điện áp

Nếu XL = XC thì UL = Uc ,  = 0 điện áp trùng pha với dòng điện, mạch R, L,

C lúc này có hiện tượng cộng hưởng nối tiếp, dòng điện trong mạch có trị số lớn nhất:

(3.17) Điều kiện để cộng hưởng nối tiếp là:

(3.18) Tần số góc cộng hưởng là:

(3.19) Tần số cộng hưởng là:

(3.20)

3 Gi ải mạch xoay chiều phân nhánh

3.1 Phương pháp tổng dẫn

a T ụ điện mắc song (hình 3.9a)

Các tụ điện mắc song song thì có điện dung tương đương bằng tổng điện dung của các tụ cộng lại C = C1 + C2 + C3 Điện áp chịu đựng của tụ điện tương tương bằng điện áp của tụ có điện áp thấp nhất

b Cu ộn dây mắc song song

Khi mắc song song nhiều từ dung lại với nhau, tổng từ dung sẻ giảm và bằng Tích của các từ dung trên tổng của các từ dung

Phức hóa nguồn điện

Cho dòng điện có phương trình như sau

Dòng điện sau khi phức hóa sẽ có dạng như sau

Ghi chú: Mạch điện sau khi được phức hóa có thể áp dụng các tính chất của mạch điện một chiều để phân tích

3.2.3 Gi ải mạch xoay chiều bằng phương pháp biên độ phức

Cho mạch điện như hình 3.10, giả sử e(t) = 10 cos(2t), R = 4, L = 2, c = 0.5 Xác định phương trình dòng điện chạy qua mạch

3.2.4 C ộng hưởng dòng điện

Trường hợp tổng quát mạch điện xuất hiện công hưởng dòng điện khi

3.2.5 Phương pháp nâng cao hệ số công suất

c Xác định giá trị phương trình dòng điện khi điện áp trên được đặt vào mạch có C=100 mFara

d Xác định giá trị phương trình dòng điện khi điện áp trên được đặt vào mạch có L=100 mhenri

2 Cho mạch điện như hình vẽ:

Cho u = 250 sin (100πt + 60o

), R = 100ohm, C = 100 microF, H = 200mH

a Tìm dòng điện chạy qua mạch

b Viết phương trình điện áp trên các phần tử R, L, C

c Tìm công suất hiệu dụng

d Xác định hệ số công suất của mạch điện

3 Phức hóa mạch điện để tìm phương trình dòng điện cho câu 1.b, 1.c, 1.d

4 Cho mạch điện như hình vẽ (*) trang 60

a Phức hóa mạch điện trên

b Giải mạch điện phức

c Viết phương trình dòng điện trên các nhánh trong miền thời gian

5 Cho mạch điện như hình vẽ (*) e(t) = 5 cos(2t +30 o