Xem mẫu

  1. ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HÀ NỘI TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VIỆT NAM - HÀN QUỐC THÀNH PHỐ HÀ NỘI TẠ VĂN BẰNG (Chủ biên) NGUYỄN ANH DŨNG – TRƯƠNG VĂN HỢI GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Nghề: Cơ điện tử Trình độ: Trung cấp (Lưu hành nội bộ) Hà Nội - Năm 2019
  2. LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, nhu cầu giáo trình dạy nghề để phục vụ cho các trường đào tạo và dạy nghề trên phạm vi toàn quốc ngày một tăng, đặc biệt là những giáo trình đảm bảo tính khoa học, hệ thống và phù hợp với điều kiện thực tế công tác dạy nghề ở nước ta. Giáo trình “Kỹ thuật điện – Điện tử ” được biên soạn theo kế hoạch đào tạo và chương trình môn học phù hợp với các trường dạy nghề hiện nay. Giáo trình được biên soạn dựa trên cơ sở đúc rút kinh nghiệm của các giáo trình “Kỹ thuật điện – Điện tử ” và kinh nghiệm nhiều năm giảng dạy các môn chuyên nghành điện. Ngoài ra khi biên soạn tác giả cũng đã tham khảo một số tài liệu đang lưu hành, cho nên giáo trình này không đi sâu về mặt lý luận mà chú ý đến tính toán, ứng dụng kỹ thuật phục vụ các hoạt động sản xuất và dạy học. Mặc dù nhóm biên soạn đã cố gắng phát triển giáo trình sao cho phù hợp và hiệu quả nhất với sinh viên trung cấp nghề Cơ điện tử, nhưng chắc chắn vẫn còn nhiều thiếu sót. Chúng tôi mong nhận được những ý kiến đóng góp của bạn đọc và đồng nghiệp để giáo trình hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày..... tháng....năm 2019 Chủ biên: Tạ Văn Bằng 1
  3. MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................... 1 MỤC LỤC ......................................................................................... 2 GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ............................. 4 Chương 1 ....................................................................................... 7 Mạch điện và các phương pháp phân tích mạch .......................... 7 1.1.Mạch điện kết cấu và các đại lượng đặc trưng ........................ 7 1.2. Mô hình mạch điện, các thông số ...................................... 12 1.3. Các định luật về mạch điện ............................................... 13 1.4. Dòng điện hình sin và các đại lượng đặc trưng .................. 15 1.5. Tính chất của dòng điện hình sin ....................................... 25 1.6. Công suất của dòng điện hình sin và vấn đề nâng cao hệ số công suất 27 1.7. Các phương pháp giải mạch điện ....................................... 30 1.8. Thực hành kết nối, kiểm tra và tính toán các thông số của mạch điện .......................................................................................... 39 Chương 2 ..................................................................................... 42 Mạch điện xoay chiều ba pha ...................................................... 42 2.1. Hệ thống mạch điện ba pha ................................................. 42 2.2. Cách nối mạch điện ba pha .................................................. 43 2.3. Công suất mạch ba pha ........................................................ 44 2.4. Thực hành kết nối và tính toán các thông số của mạch ba pha đấu sao và đấu tam giác ..................................................................... 46 Chương 3 ..................................................................................... 47 Máy điện ...................................................................................... 47 3.1. Định nghĩa và phân loại máyđiện ........................................ 47 3.2. Máy biến áp ........................................................................ 48 3.3. Máy điện đồng bộ ............................................................... 54 3.4. Máy điện một chiều............................................................. 63 2
  4. Chương 4 ..................................................................................... 72 Kỹ thuật điện tử........................................................................... 72 4.1. Đại cương về chất bán dẫn .................................................. 72 4.2. Điot bán dẫn và các mạch ứng dụng .................................... 73 4.3. Tranzistor và các mạch ứng dụng ........................................ 80 4.4. Khuyếch đại ........................................................................ 88 4.5. Phần tử nhiều mặt ghép P – N ............................................. 91 Tài liệu tham khảo ....................................................................... 93 3
  5. GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Tên môn học: Kỹ thuật điện – điện tử Mã số môn học: MH 15 Thời gian của môn học: 30 giờ ( LT: 18 giờ ; TH: 10 giờ; KT: 2 giờ ) I. Vị trí, tính chất của môn học: Vị trí : Là môn học kỹ thật cơ sở. Môn học được bố trí dạy trước hoặc song song so với môn học chuyên môn, nhằm hỗ trợ cho các môn chuyên môn. Tính chất : Là môn học bắt buộc trong chương trình đào tạo nghề Cơ điện tử. II. Mục tiêu của môn học: Kiến thức: Mô tả được mạch điện và mô hình mạch điện với các thông số đặc trưng của các phần tử mạch Hiểu và vận dụng được các phương pháp thích hợp để giải các bài toán kỹ thuật điện Kỹ năng: Tính toán được hệ thống dòng ba pha Trình bày được cấu tạo, nguyên lý làm việc của máy điện Phân tích đúng nguyên lý các mạch điện tử cơ bản Có ý thức tự giác, tính kỷ luật cao, tinh thần trách nhiệm trong công việc Chủ động và sáng tạo trong học tập. 4
  6. III. Nội dung môn học: 1. Nội dung tổng quát và phân bổ thời gian Thời gian Thực hành/ TT Tên chương,mục Thực Tổng Lý Kiểm tập/thí số thuyết tra nhiệm/bài tập/thảo luận 1 Chương 1:Mạch điện và các 8 5 2 1 phương pháp phân tích mạch 1.1. Mạch điện,kết cấu và các đại lượng đặc trưng 1.2. Mô hình mạch điện, các thông số 1.3. Các định luật về mạch điện 1.4. Dòng điện hình sin và các đại lượng đặc trưng 1.5. Tính chất của dòng hình sin 1.6. Công suất của dòng hình sin và vấn đề nâng cao hệ số công 1.7. Các phương pháp giải mạch điện 1.8. Thực hành kết nối, kiểm tra và tính toán các thông số của 2 Chương 2: Mạch điện xoay 5 3 2 chiều ba pha 2.1. Hệ thống mạch điện ba pha 2.2. Cách nối mạch điện ba pha 2.3. Công suất mạch ba pha 2.4. Thực hành kết nối và tính toán các thông số của mạch ba pha đấu sao và đấu tam giác 3 Chương 3: Máy điện 5 3 2 5
  7. 3.1. Định nghĩa và phân loại máy điện 3.2. Máy biến áp 3.3. Máy điện không đồng bộ 3.4. Máy điện một chiều 4 Chương 4: Kỹ thuật điện tử 12 7 4 1 4.1. Đại cương về chất bán dẫn 4.2. Diode bán dẫn và các mạch ứng dụng 4.3. Tranzitor và các mạch ứng dụng 4.4.Khuếch đại 4.5. Phần tử nhiều mặt ghép P – N Kiểm tra Cộng 30 18 10 2 6
  8. Chương 1 Mạch điện và các phương pháp phân tích mạch Mục tiêu - Mô tả được mạch điện và mô hình mạch điện với các thông số đặc trưng của các phần tử mạch - Trình bày được các định luật về mạch điện, từ đó biết áp dụng vào các bài toán mạch. - Trình bày được khái niệm dòng hình sin và tính chất của dòng hình sin - Hiểu và giải quyết được vấn đề nâng cao hệ số công suất - Vận dụng được các phương pháp khi giải mạch điện - Trình bày được cấu tạo, nguyên lý làm việc của các máy điện - Có ý thức tự giác, tính kỷ luật cao, tinh thần trách nhiệm trong công việc 1.1.Mạch điện kết cấu và các đại lượng đặc trưng Để đặc trưng cho quá trình năng lượng cho Một nhánh hoặc Một phần tử của Mạch điện ta dùng hai đại lượng: dòng điện i và điện áp u. Công suất của nhánh: p = u.i 1.1.1. Dòng điện Dòng điện i về trị số bằng tốc độ biến thiên của lượng điện tích q qua tiết diện ngang Một vật dẫn: i = dq/d Hình 1.1 dòng điện Chiều dòng điện quy ước là chiều chuyển động của điện tích dương trong điện trường. 1.1.2. Điện áp Hiệu điện thế (hiệu thế) giữa hai điểM gọi là điện áp. Điện áp giữa hai điểm A và B: uAB = u A- uB 7
  9. Chiều điện áp quy ước là chiều từ điểM có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp. Chiều dương dòng điện và điện áp Hình 1.2 điện áp Khi giải Mạch điện, ta tùy ý vẽ chiều dòng điện và điện áp trong các nhánh gọi là chiều dương. Kết quả tính toán nếu có trị số dương, chiều dòng điện (điện áp) trong nhánh ấy trùng với chiều đã vẽ, ngược lại, nếu dòng điện (điện áp) có trị số âm, chiều của chúng ngược với chiều đã vẽ. 1.1.3.Công suất Trong Mạch điện, Một nhánh, Một phần tử có thể nhận năng lượng hoặc phát năng lượng. p = u.i > 0 nhánh nhận năng lượng p = u.i < 0 nhánh phát nănglượng Đơn vị đo của công suất là W (Oát) hoặc KW MÔ HÌNH MẠCH ĐIỆN, CÁC THÔNG SỐ Mạch điện thực bao gồm nhiều thiết bị điện có thực. Khi nghiên cứu tính toán trên Mạch điện thực, ta phải thay thế Mạch điện thực bằng Mô hình Mạch điện. Mô hình Mạch điện gồm các thông số sau: nguồn điện áp u (t) hoặc e(t), nguồn dòng điện P (t), điện trở R, điện cảm L, điện dung C, hỗ cảm M. NGUỒN ĐIỆN ÁP VÀ NGUỒN DÒNG ĐIỆN Nguồn điện áp Nguồn điện áp đặc trưng cho khả năng tạo nên và duy trì một điện áp trên hai cực của nguồn. 8
  10. Hình 1.3. nguồn điện áp Nguồn điện áp còn được biểu diễn bằng Một sức điện động e(t) Chiều e (t) từ điểm điện thế thấp đến điểM điện thế cao. Chiều điện áp theo quy ước từ điểM có điện thế cao đến điểm điện thế thấp: u(t) = - e(t) Nguồn dòng điện Nguồn dòng điện P (t) đặc trưng cho khả năng của nguồn điện tạo nên và duy trì Một dòng điện cung cấp cho Mạch ngoài Hình 1.4 nguồn dòng điện ĐIỆN TRỞ R Điện trở R đặc trưng cho quá trình tiêu thụ điện năng và biến đổi điện năng sang dạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng, cơ năng v…v. Quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên điện trở : u R =R.i Đơn vị của điện trở là W (ôm) Công suất điện trở tiêu thụ: p = Ri2 Hình 1.5 điện trở Điện dẫn G: G = 1/R. Đơn vị điện dẫn là SiMen (S) Điện năng tiêu thụ trên điện trở trong khoảng thời gian t : 9
  11. Khi i = const ta có A = R i 2.t ĐIỆN CẢM L Khi có dòng điện i chạy trong cuộn dây W vòng sẽ sinh ra từ thông Móc vòng với cuộn dây (hình 1.3.3) Điện cảm của cuộc dây: Đơn vị điện cảm là Henry (H). Nếu dòng điện i biến thiên thì từ thông cũng biến thiên và theo định luật cảm ứng điện từ trong cuộn dây xuất hiện sức điện động tự cảm: Quan hệ giữa dòng điện và điện áp: Hình 1.6 cảm ứng từ Công suất tức thời trên cuộn dây: Năng lượng từ trường của cuộn dây: 10
  12. Điện cảm L đặc trưng cho quá trình trao đổi và tích lũy năng lượng từ trường của cuộn dây. ĐIỆN DUNG C Khi đặt điện áp u c hai đầu tụ điện (hình 1.3.4), sẽ có điện tích q tích lũy trên bản tụ điện.: Nếu điện áp uC biến thiên sẽ có dòng điện dịch chuyển qua tụ điện: Ta có: Hình 1.7 tụ điện Công suất tức thời của tụ điện: Năng lượng điện trường của tụ điện: Điện dung C đặc trưng cho hiện tượng tích lũy năng lượng điện trường ( phóng tích điện năng) trong tụ điện. Đơn vị của điện dung là FI (FIara) hoặc MFI MÔ HÌNH MẠCH ĐIỆN 11
  13. Mô hình Mạch điện còn được gọi là sơ đồ thay thế Mạch điện , trong đó kết cấu hình học và quá trình năng lượng giống như ở Mạch điện thực, song các phần tử của Mạch điện thực đã được Mô hình bằng các thông số R, L, C, M, u, e,P. Mô hình Mạch điện được sử dụng rất thuận lợi trong việc nghiên cứu và tính toán Mạch điện và thiết bị điện. 1.2. Mô hình mạch điện, các thông số Để miêu tả các hiện tượng năng lượng trong một thiết bị điện ta dùng sơ đồ điện. Sơ đồ điện gồm các phần tử e,j,r,L,C là những phần tử cụ thể hóa những thông số đặc trưng các hiện tượng năng lượng, ghép lại theo kết cấu thiết bị điện. Như vậy sẽ miêu tả được hình dáng kết cấu và quá trình năng lượng trong thiết bị điện. Hình 1.8 các thông số mạch điện Một số khái niệm cơ bản: – Nút: Điểm đấu nối của nhiều hơn 1 phần tử. Bậc của nút bằng số phần tử đấu vào nút. – Nhánh: Chuỗi liên tiếp các phần tử mắc nối tiếp (các nút trung gian chỉ có bậc 2). – Vòng: Một đường đi qua các nhánh và khép kín trong mạch điện (xuất phát từ 1 điểm nút nào đó và quay lại chính điểm xuất phát). – Dòng điện nhánh: Dòng điện chạy qua các phần tử của nhánh. – Điện thế nút: Là điện áp giữa nút đó và một điểm “đất” nào đó chung cho cả mạch điện. Thông thường điểm “đất” cũng là một nút của mạch điện. Chú ý: – Chọn các chiều dòng điện nhánh: Ưu tiên các nhánh có nguồn thì chiều dòng nhánh cùng chiều mũi tên nguồn, các nhánh còn lại tùy chọn. 12
  14. – Chọn chiều điện áp: Trên các nguồn: Ngược chiều mũi tên nguồn. Trên các tải: Chọn chiều cùng chiều dòng nhánh. 1.3. Các định luật về mạch điện Chương này đề cập đến hai định luật quan trọng làm cơ sở cho việc phân giải mạch, đó là các định luật Kirchhoff. Chúng ta cũng bàn đến một số định lý về mạch điện. Việc áp dụng các định lý này giúp ta giải quyết nhanh một số bài toán đơn giản hoặc biến đổi một mạch điện phức tạp thành một mạch đơn giản hơn, tạo thuận lợi cho việc áp dụng các định luật Kirchhoff để giải mạch. Trước hết, để đơn giản, chúng ta chỉ xét đến mạch gồm toàn điện trở và các loại nguồn, gọi chung là mạch DC. Các phương trình diễn tả cho loại mạch như vậy chỉ là các phương trình đại số (Đối với mạch có chứa L & C, ta cần đến các phương trình vi tích phân) Tuy nhiên, khi khảo sát và ứng dụng các định lý, chúng ta chỉ chú ý đến cấu trúc của mạch mà không quan tâm đến bản chất của các thành phần, do đó các kết quả trong chương này cũng áp dụng được cho các trường hợp tổng quát hơn. Trong các mạch DC, đáp ứng trong mạch luôn luôn có dạng giống như kích thích, nên để đơn giản, ta dùng kích thích là các nguồn độc lập có giá trị không đổi thay vì là các hàm theo thời gian. 1.3.1. Định luật Kirchhoff Một mạch điện gồm hai hay nhiều phần tử nối với nhau, các phần tử trong mạch tạo thành những nhánh. Giao điểm của hai hay nhiều nhánh được gọi là nút. Thường người ta coi nút là giao điểm của 3 nhánh trở nên. Xem mạch H 1.9 Hình 1.9. mạch điện - Nếu xem mỗi phần tử trong mạch là một nhánh mạch này gồm 5 nhánh và 4 nút. 13
  15. - Nếu xem nguồn hiệu thế nối tiếp với R1 là một nhánh và 2 phần tử L và R2 là một nhánh (trên các phần tử này có cùng dòng điện chạy qua) thì mạch gồm 3 nhánh và 2 nút. Cách sau thường được chọn vì giúp việc phân giải mạch đơn giản hơn. Hai định luật cơ bản làm nền tảng cho việc phân giải mạch điện là: Định luật Kirchhoff về dòng điện : ( Kirchhoff's Current Law, KCL ) Tổng đại số các dòng điện tại một nút bằng không . ij là dòng điện trên các nhánh gặp nút j. Với qui ước: Dòng điện rời khỏi nút có giá trị âm và dòng điện hướng vào nút có giá trị dương (hay ngược lại). Theo phát biểu trên, ta có phương trình ở nút A i1 + i 2 - i 3 + i 4=0 Nếu ta qui ước dấu ngược lại ta cũng được cùng kết quả: - i 1 - i 2 + i 3 - i 4 =0 Hoặc ta có thể viết lại: i3= i1 + i2 + i4 Và từ phương trình ta có phát biểu khác của định luật KCL: Tổng các dòng điện chạy vào một nút bằng tổng các dòng điện chạy ra khỏi nút đó. Định luật Kirchhoff về dòng điện là hệ quả của nguyên lý bảo toàn điện tích: Tại một nút điện tích không được sinh ra cũng không bị mất đi. 14
  16. Dòng điện qua một điểm trong mạch chính là lượng điện tích đi qua điểm đó trong một đơn vị thời gian và nguyên lý bảo toàn điện tích cho rằng lượng điện tích đi vào một nút luôn luôn bằng lượng điện tích đi ra khỏi nút đó. Định luật Kirchhoff về điện thế: ( Kirchhoff's Voltage Law, KVL ). Tổng đại số hiệu thế của các nhánh theo một vòng kín bằng không Để áp dụng định luật Kirchhoff về hiệu thế, ta chọn một chiều cho vòng và dùng qui ước: Hiệu thế có dấu (+) khi đi theo vòng theo chiều giảm của điện thế (tức gặp cực dương trước) và ngược lại. Định luật Kirchhoff về hiệu thế viết cho vòng abcd của - v1 + v 2 - v 3 = 0 Ta cũng có thể viết KVL cho mạch trên bằng cách chọn hiệu thế giữa 2 điểm và xác định hiệu thế đó theo một đường khác của vòng: v1 = vba = vbc+ vca = v2 - v3 Định luật Kirchhoff về hiệu thế là hệ quả của nguyên lý bảo toàn năng lượng: Công trong một đường cong kín bằng không. Vế trái của hệ thức chính là công trong dịch chuyển điện tích đơn vị (+1) dọc theo một mạch kín. 1.4. Dòng điện hình sin và các đại lượng đặc trưng Biểu thức của dòng điện, điện áp hình sin: trong đó i, u : trị số tức thời của dòng điện, điện áp. IMax, UMax : trị số cực đại (biên độ) của dòng điện, điện áp. 15
  17. Pi, Pu : pha ban đầu của dòng điện, điện áp. Góc lệch pha giữa các đại lượng là hiệu số pha đầu của chúng. Góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện thường kí hiệu là P: P = Pu - Pi P > 0 điện áp vượt trước dòng điện P < 0 điện áp chậm pha so với dòng điện P = 0 điện áp trùng pha với dòng điện TRỊ SỐ HIỆU DỤNG CỦA DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN Trị số hiệu dụng của dòng điện hình sin là dòng Một chiều I sao cho khi chạy qua cùng Một điện trở R thì sẽ tạo ra cùng công suất. Dòng điện hình sin chạy qua điện trở R, lượng điện năng W tiêu thụ trong Một chu kỳT: Công suất trung bình trong Một chu kỳ: Với dòng điện Một chiều ta có công suất P = I2R. Tacó : Ta có: Trong thực tế, giá trị đọc trên các cơ cấu đo dòng điện I, đo điện áp U, đo công suất P của dòng điện hình sin là trị số hiệu dụng của chúng. Các giá trị U, I, P ghi nhãn Mác của dụng cụ và thiết bị điện là trị số hiệudụng. BIỂU DIỄN DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN BẰNG VÉCTƠ 16
  18. Các đại lượng hình sin được biểu diễn bằng véctơ có độ lớn (Môđun) bằng trị số hiệu dụng và góc tạo với trục Ox bằng pha đầu của các đại lượng thì Véctơ dòng điện biểu diễn cho dòng điện: và véctơ điện áp biểu diễn cho điện áp: Tổng hay hiệu của các hàm sin được biểu diễn bằng tổng hay hiệu các véc tơ tương ứng. Định luật Kiếchốp 1 dưới dạng véc tơ: Định luật Kiếchốp 2 dưới dạng véc tơ: Dựa vào cách biểu diễn các đại lượng và 2 định luật Kiếchốp bằng véctơ, ta có thể giải Mạch điện trên đồ thị bằng phương pháp đồ thị véctơ. BIỂU DIỄN DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN BẰNG SỐ PHỨC Cách biểu diễn véc tơ gặp nhiều khó khăn khi giải Mạch điện phức tạp. Khi giải Mạch điện hình sin ở chế độ xác lập Một công cụ rất hiệu quả là biểu diễn các đại lượng hình sin bằng số phức Kí hiệu của đại lượng phức Số phức biểu diễn các đại lượng hình sin ký hiệu bằng các chữ in hoa, có dấu chấm ở trên. Số phức có 2 dạng: Dạng số Mũ: Dạng đại số: 17
  19. Biến đổi dạng số phức dạng Mũ sang đại số: Biến đổi số phức dạng đại số sang số Mũ: a+ Pb = C.eP P trongđó: Một số phép tính đối với số phức Cộng, trừ: (a+Pb)- (c+Pd) = (a-c)+P(b-d) Nhân, chia: (a+Pb).(c+Pd) = ac + Pbc + Pad + P 2bd= (ac-bd) + P(bc+ad) Nhân số phức với ±P Tổng trở phức và tổng dẫn phức Tổng trở phức kí hiệu là Z: Z = R +PX Mô đun của tổng trở phức kí hiệu là z: Tổng dẫn phức: Định luật ÔM dạng phức: Định luật Kiếchốp dạng phức Định luật Kiếchốp 1 dưới dạng phức: 18
  20. Định luật Kiếchốp 2 dưới dạng phức: DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN TRONG NHÁNH THUẦN ĐIỆN TRỞ Khi có dòng điện i = IMaxsinWt qua điện trở R , điện áp trên điện trở: uR = R.i =URMax sinWt, trongđó: U RMax = R.IMax Ta có: UR =R.I hoặc I = UR/ R Biểu diễn véctơ dòng điện I và điện áp UR Dòng điện i = IMaxsinWt biểu diễn dưới dạng dòng điện phức: Điện áp u R = UMaxsinWt biểu diễn dưới dạng điện áp phức: Công suất tức thời của Mạch điện: pR(t) = uRi = UR .I(1 – cos2Wt) Ta thấy pR(t) > 0 tại Mọi thời điểM, điện trở R luôn tiêu thụ điện năng của nguồn và biến đổi sang dạng năng lượng khác như quang năng và nhiệt năng .v. Công suất tác dụng P là trị số trung bình của công suất tức thời pR trong Một chu kỳ. Ta có: P = U RI = RI2 Đơn vị của công suất tác dụng là W (oát) hoặc KW DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN TRONG NHÁNH THUẦN ĐIỆN CẢM Khi dòng điện i = IMaxsinWt qua điện cảm L (hình 2.6.a), điện áp trên điện cảm: 19
nguon tai.lieu . vn