Giáo trình Kỹ thuật điện (Nghề: Cắt gọt kim loại - CĐ/TC) - Trường Cao đẳng Nghề Đồng Tháp

TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ ĐỒNG THÁP
KHOA CƠ KHÍ – XÂY DỰNG

GIÁO TRÌNH
MƠN HỌC: KỸ THUẬT ĐIỆN
NGHỀ: CẮT GỌT KIM LOẠI
TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG/TRUNG CẤP
(Ban hành kèm theo Quyết định số:……, ngày……, tháng……, năm 2017
của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Nghề Đồng Tháp)

Đồng Tháp, năm 2017


TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thơng 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.

2


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: Dịng 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 khơng tránh khỏi những thiếu sót.
Tác giả mong được sự đóng góp q báu từ Q Thầy cơ và bạn đọc
…............, ngày…..........tháng…........... năm 2017
Tham gia biên soạn

ThS. Trần Thanh Toàn

3


MỤC LỤC

LỜI GIỚI THIỆU .......................................................................................... 3
GIÁO TRÌNH MƠN HỌC/MƠ ĐUN ............................................................. 5
Chương 1: CÁc khÁi niệm cơ bản về mạch Điện ........................................... 6
Chương 2: Mạch điện một chiều .................................................................... 17
Chương 3: Dịng điện xoay chiều hình sin .................................................... 26
Chương 4: Mạch ba pha ................................................................................ 41
Chương 5: Sử dụng dụng cụ đo ..................................................................... 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................. 60

4


GIÁO TRÌNH MƠN HỌC/MƠ ĐUN

Tên mơ đun: Kỹ thuật điện
Mã mơ đun: MH12
I. Vị trí, tính chất của mơn học:
- Vị trí: Mơn học kỹ thuật điện được bố trí học trước các môn học, mô
đun chuyên môn nghề: CMH 17; CMĐ 24; CMH 13.
- Tính chất: Là mơn học kỹ thuật cơ sở, làm nền tảng cho các môn
học: CMH 17; CMH 13 và các mô đun: CMĐ 24.
II. Mục tiêu môn học:
- Về kiến thức:
+ Phát biểu được các khái niệm, định luật, định lý cơ bản trong mạch điện
một chiều, xoay chiều, mạch ba pha.
+ Giải thích được một số ứng dụng đặc trưng theo quan điểm của kỹ thuật
điện.
- Kỹ năng:
+ Tính tốn được các thơng số kỹ thuật trong mạch điện một chiều, xoay
chiều, mạch ba pha ở trạng thái xác lập.
+ Vận dụng các phương pháp phân tích, biến đổi mạch để giải các bài toán
về mạch điện hợp lý.
- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: R n luyện tính c n thận, chính xác,
ham học hỏi.
III. Nội dung mơn học:

5


CHƢƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN
Mã chƣơng: MH 12 - 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:
Kiến thức;
- Phân tích được nhiệm vụ, vai trị của các phần tử cấu thành mạch
điện như: nguồn điện, dây dẫn, phụ tải, thiết bị đo lường, đóng cắt...
- Giải thích được cách xây dựng mơ hình mạch điện, các phần tử chính
trong mạch điện.
- Phân tích và giải thích được các khái niệm cơ bản trong mạch điện,
hiểu và vận dụng được các biểu thức tính tốn cơ bản.
K năng:
- Phân biệt được phần tử lý tưởng và phần tử thực.
Năng lực tự chủ và trách nhiệm:
- R n luyện tính c n thận, tỉ mỉ trong tính tốn.
* Nội dung chƣơng:

6


1. Mạch điện và mơ hình:
1.1. Mạch điện
Mạch điện: là một hệ thống gồm các thiết bị điện, điện tử ghép lại. Trong đó
xảy ra các q trình truyền đạt, biến đổi năng lượng hay tín hiệu điện từ đo bởi các
đại lượng dòng điện, điện áp.
1.2 Các hiện tƣợng điện từ.
1.2.1. Hiện tƣợng biến đổi năng lƣợng
a. Hiện tượng cảm ứng điện từ
là sự xuất hiện dòng điện cảm ứng trong mạch kín khi từ thơng qua mạch đó
biến đổi. Suất điện động sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch điện kín là suất
điện động cảm ứng.
b. Hiện tƣợng lực điện từ
Khi dây dẫn có dịng điện chạy qua đặt trong từ trường và không song song

với đường sức từ thì chịu tác dụng của lực điện từ.
c. Hiện tượng hóa điện
Một phản ứng hóa học xảy ra khi có dịng điện chạy qua, hay qua phản ứng
hóa học có một hiệu điện thế, đây là những quá trình điện hóa.
1.2.2. Hiện 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 ngồi cùng của nó, cịn 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.

7


1.3. Mơ hình mạch điện.
1.3.1. Phần tử điện trở.
Đặc trưng cho hiện tượng tiêu tán năng lượng
Ký hiệu: R

Hình 1.1: ký hiệu điện trở R trong mạch điện
Hoặc

Hình 1.2: ký hiệu điện trở R trong mạch điện
uR = Ri

(1.1)

Đơn vị:  (ohm)
1.3.2. Phần tử điện cảm.
Ký hiệu:

Hình 1.3: Ký hiệu cuộn cảm trong mạch điện
L: Điện cảm của cuộn dây
Đơn vị: Henry (H) 1mH=10-3H
Điện cảm L: đặc trưng cho khả năng tạo nên từ trường của phần tử
mạch điện
8


Tính chất:
gọi I là dịng điện đi qua cuộn dây
u: là điện áp đặt giữa 2 đầu cuộn dây
ta có:
(1.2)
di/dt: chỉ sự biến thiên của dòng điện theo thời gian
 Tính chất: từ cơng 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
1.3.3. Phần tử điện dung
Tụ điện: đặc trưng cho hiện tượng tích phóng năng lượng điện trường.

Hình 1.4: tụ điện
Ký hiệu: C
C: điện dung của tụ điện
Đơn vị: Farad (F)

1F = 10-6F
1nF = 10-9F
1pF = 10-12F
Gọi u là điện áp đặt giữa 2 đầu của tụ điện
Ta có:

9


Q = C.U

(1.3)

Trong đó: q: điện tích trên tụ

Mà

Kết q là
(1.4)

Tính chất dịng điện đi qua tụ tỉ lệ với sự biến thiên của điện áp trên tụ
1.3.4. Phần tử nguồn
a. Nguồn áp [1]
Nguồn áp u(t) hay máy phát điện áp còn được gọi là nguồn sức điện động
e(t) đặc trưng cho khả năng tạo nên và duy trì một điện áp khơng đổi trên hai cực
của nguồn.

Hình 1.5 : nguồn điện
U = - e(t)

(1.5)

10


b. Nguồn dòng [1]
Nguồn dòng điện i(t) hay máy phát dịng đặc trưng cho khả năng tạo nên và
duy trì một dịng điện khơng đổi trong mạch. Đặc tính quan trọng của nguồn dịng
là có nội trở r =∞ và giá trị của dịng điện trong mạch khơng phụ thuộc vào phụ tải.

Hình 1.6: nguồn dịng
U = - e(t)

(1.5)

1.3.5. Phần tử thật
a. Nguồn áp thật
Trong thực tế, các bộ nguồn đều có một điện trở nội hữu hạn nào đó. Do vậy,
khi thay thế trong mơ hình mạch chúng được biểu diễn ở dạng một nguồn sức điện
động e(t) mắc nối tiếp với một một điện trở r (hình 1.7),

Hình 1.6: nguồn áp thật
hoặc ở dạng một nguồn dòng điện i (t) mắc song song với một điện trở r
(hình 1.8).

11


Hình 1.7: nguồn dịng thật
2. Các khái niệm cơ bản trong mạch điện

2.1. Dòng điện và chiều qui ƣớc của dịng điện
Định nghĩa:
Dịng điện là dịng các điện tích chuyển dời có hướng dưới tác
dụng của điện trường.
Qui ước:
Chiều dịng điện hướng từ cực dương về cực âm của nguồn
hoặc từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp.
2.2. Cƣờng độ dòng điện.
là đại lượng đặc trưng cho độ lớn của dòng điện. Cường độ dòng điện được
tính bằng lượng điện tích chạy qua tiết diện thẳng của vật dẫn trong một đơn vị thời
gian.

(1.6)
Hoặc
I=U/R

(1.7)

Đơn vị của dòng điện là ampe (A). Bản chất dòng điện trong các mơi trường:
2.3. Mật độ dịng điện
Mật độ dịng điện (ký hiệu là δ) là dòng điện chạy qua 1 mm2 tiết diện dây
dẫn.
12


(1.8)
3. Các phép biến đổi tƣơng đƣơng
3.1. Nguồn áp ghép nối tiếp

Hình 1.8: Nguồn áp ghép nối tiếp

• Bộ nguồn nối tiếp:
(1.9)
3.2. Nguồn dòng ghép song song
nguồn hiệu thế nối tiếp và nguồn dịng điện song song

Hình 1.9: Nguồn dịng ghép song song
i = i1 + i2

(1.10)

3.3. Điện trở ghép nối tiếp, song song.
Đối với đoạn mạch gồm 2 điện trở R1, R2 mắc nối tiếp,hiệu điện thế giữa hai
đầu mỗi điện trở tỉ lệ thuận với điện trở đó.

13


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. Biến 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 vịng 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 cơng thức biến đổi sao tam giác ta xuất phát từ các điều kiện biến
đổi tương đương.

14


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

3.5. Biến đổi nguồn tƣơng đƣơng
nguồn hiệu thế song song với điện trở và nguồn dòng điện nối tiếp điện trở :
có thể bỏ điện trở mà khơng ảnh hưởng đến mạch ngồi.

(a)

(b)

Hình 1.13: R mắc song song nguồn áp (a), R mắc nối tiếp nguồn dòng (a),
Bài tập:
1. Cho mạch điện như hình vẽ:

15


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 VA = 0V , VB = 12, C=10 mFara, tính điện tích trên tụ.

3. Tính tổng trở của mạch điện, biết R1 = 1ohm, R2=3ohm, R3=9ohm
a.

b.

16


CHƢƠNG 2: MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU
Mã chƣơng: MH 12 - 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 tốn dịng điện và điện áp trên mạch điện 1 chiều.
Mục tiêu của bài:
Kiến thức;
- Trình bày, giải thích và vận dụng linh hoạt các biểu thức tính tốn
trong mạch điện DC (dịng điện, điện áp, cơng suất, điện năng, nhiệt lượng...).
K năng:
- Tính tốn được các thơng số (điện trở, dịng điện, điện áp, cơng suất,
điện năng, nhiệt lượng) của mạch DC một nguồn, nhiều nguồn từ đơn giản đến phức
tạp.
- 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 tốn.
* Nội dung chƣơng:

17


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 q trình truyền đạt, biến đổi năng lượng hay tín hiệu điện từ mà trong
q trình đó dịng điện chạy qua mạch khơng có sự đảo chiều theo thời gian.
2. Các định luật và biểu thức cơ bản trong mạch một chiều
2.1. Định luật Ohm.
Cường độ dòng điện đi qua 2 điểm của một vật dẫn điện luôn tỷ lệ thuận với
hiệu điện thế ở 2 điểm đó và tỉ lệ nghịch với điện trở của 2 điểm đó:

Hình 2.1: định luật ôm trong đoạn dây dẫn thuần trở
(2.1)
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)

P = RI2

(2.3)

Điện năng tiêu thụ sau khoảng thời gian T

E = P.T

(2.4)

18


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

Nhiệt lượng tỏa ra ở dây dẫn khi có dịng điện chạy qua tỉ lệ thuận với bình
phương cường độ dịng 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 dịng 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 thơng):
ξC=−ΔΦΔt

(2.6)

Nếu mạch kín có N vịng dây thì

ξC=−NΔΦΔt

(2.7)

Suất điện động cảm ứng xuất hiện trong một đoạn dây dẫn chiều dài l chuyển
động với vận tốc trong từ trường có cảm ứng từ bằng

ξC=Blνsinα

(2.8)

trong đó ν và B cùng vng góc với đoạn dây và α là góc giữa B và ν

Hình 2.2: Suất điện động cảm ứng trong khung dây

19

2.5 Hiện tƣợng nhiệt điện (hiện tƣợng 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 phƣơng 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:
 i  0

(2.10)

Ví dụ : Cho mạch điện hình

Hình 2.3: Các dịng điện đi ra hoặc đi vào từ nút A
xét tại nút A: theo định luật Kirchhoff 1 ta có:
I1 + I2 + I3 = 0
Ghi chú: Nếu ta qui ước dòng điện đi vào nút A mang dấu cộng (+), thì dịng
điện đi ra nút A mang dấu trừ (-) hoặc ngược lại.
b. Định luật Kirchhoff 2:
Tổng đại số điện áp của các phần tử trong 1 vịng kín bất kỳ thì bằng 0
u0

(2.11)

20

Ví Dụ: Cho mạch điện như hình

Hình 2.4: Các vịng kín trong một mạch điện
Xét vịng 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 Phƣơng pháp biến đổi điện trở
Đối với đoạn mạch gồm 2 điện trở R1, R2 mắc 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
điện chạy qua mỗi điện trở tỉ lệ nghịch với điện trở đó.

.
21


Hình 2.6: điện trở mắc song song
(2.13)

3.2 Phƣơng pháp xếp chồng dịng điện
Với bài tốn có nhiều nguồn ta có thể sử dụng phương pháp xếp chồng để
đưa về nhiều bài tốn mạch có một nguồn.
Ngun lý xếp chồng trong mạch điện tuyến tính: Trong một mạch điện
tuyến tính có nhiều nguồn, mọi tín hiệu u(t) và i(t) của mạch điện đều có thể được
biểu diễn bằng tổng đại số các tín hiệu đó do từng nguồn độc lập tác động sinh ra
trong khi các nguồn độc lập khác tắt.

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”.
– Khơng tắt các nguồn phụ khác.
Ví dụ 1: Cho mạch có sơ đồ như hình vẽ

22


Trong đó:
– I31 : Thành phần dịng qua R3 khi trong mạch chỉ có nguồn E1 tác động,
các nguồn J2 và E5 “tắt”.
– I32: Thành phần dòng qua R3 khi trong mạch chỉ có nguồn J2 tác động,
các nguồn E1 và E5 “tắt”.
– I35: Thành phần dòng qua R3 khi trong mạch chỉ có nguồn E5 tác động,
các nguồn E1 và J2 “tắt”.
Chú ý: Khi tính tổng trở tƣơng đƣơng cần chú ý tính trên hai nút nào.
Thành phần I31:

Thành phần I32:

23


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 cơng 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

a. Dùng định luật Kirchhoff 1, Kirchhoff 2 tìm I và V
b. Dùng phương pháp xếp trồng dịng điện tìm I và V

24


3. Cho mạch điện như hình vẽ

a. Dùng phương pháp điện trở tương đương tìm I và V2
b. Xác định cơng 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 tìm dịng điện qua các
nhánh.
5. Cho mạch điện như hình vẽ:

a. Dùng phương pháp xếp trồng xác định dịng điện i
b. Tính điện năng tiêu thụ trong 1 giờ trên nhánh i.

25