Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Kỹ thuật điện - Điện tử công nghiệp (Mã môn học/mô-đun: MH 11) do tập thể giảng viên Trường Cao đẳng Cơ giới (Quảng Ngãi) tổ chức biên soạn, với sự chủ biên của giảng viên Cao Thị Thanh Bình, ban hành năm 2021 theo quyết định của Hiệu trưởng nhà trường để lưu hành nội bộ phục vụ đào tạo.

                                  CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO NGHỀ HÀN
                                       (Tổng: 78 tín chỉ / 1905 giờ)
   KHỐI MÔN HỌC CHUNG (12 TC / 255h)                           KHỐI MÔN HỌC CHUYÊN MÔN (66 TC / 1650h)
                                            Cơ kỹ thuật (MH 10)            Kỹ thuật an toàn (MH 12)
                                             (4 TC / 60 giờ)                    (2 TC / 30 giờ)
                                                      KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP (MH 11)
                                                                (3 TC / 45 giờ tích hợp)
                                 Quy trình hàn                  Hàn hồ quang tay                 Hàn MIG/MAG,
                                    (MH 13)                      (MĐ 17, MĐ 18)                  TIG, FCAW...

Về vị trí trong chương trình đào tạo, mô-đun MH 11 thuộc khối các môn học, mô-đun kỹ thuật cơ sở bắt buộc trong chương trình khung đào tạo nghề Hàn (tổng dung lượng toàn khóa gồm 78 tín chỉ, 1905 giờ đào tạo). Môn học được bố trí học sau khi học viên hoàn thành môn Cơ kỹ thuật (MH 10), học song song với môn Kỹ thuật an toàn và bảo hộ lao động (MH 12), đồng thời là điều kiện tiên quyết trước khi tiếp cận các mô-đun chuyên ngành như Quy trình hàn (MH 13), Hàn hồ quang tay cơ bản và nâng cao (MĐ 17, MĐ 18), Hàn MIG/MAG (MĐ 20), Hàn TIG (MĐ 21), Hàn hồ quang dây lõi thuốc FCAW (MĐ 23).

Mục tiêu học tập của giáo trình được xác định rõ trên ba phương diện:

  • Kiến thức: Trình bày được các khái niệm về dòng điện một chiều, dòng điện xoay chiều một pha và ba pha; cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy phát điện một chiều, động cơ điện, máy biến áp và các linh kiện bán dẫn công nghiệp; giải thích được các định luật cơ bản của mạch điện.
  • Kỹ năng: Tính toán và giải được mạch điện xoay chiều một pha, ba pha đối xứng và mạch điện một chiều; vẽ và đọc được các dạng sơ đồ điện (sơ đồ nguyên lý, sơ đồ lắp đặt, sơ đồ nối dây, sơ đồ đơn tuyến); thực hiện đo kiểm và xác định cực tính của linh kiện điện tử bằng đồng hồ vạn năng VOM.
  • Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Chủ động, nghiêm túc trong học tập; tuân thủ quy trình an toàn lao động cho người và thiết bị, giữ gìn vệ sinh công nghiệp trong môi trường xưởng.

Cấu trúc giáo trình bao gồm 45 giờ học tích hợp (27 giờ lý thuyết, 11 giờ thực hành/thảo luận, 7 giờ kiểm tra), chia thành 7 chương chuyên đề. Điểm đặc trưng của tài liệu là nội dung được tinh gọn và bám sát trực tiếp nhu cầu hiểu biết về nguồn điện, máy phát, máy biến áp và mạch chỉnh lưu phục vụ trực tiếp cho công nghệ hàn công nghiệp.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Nội dung giáo trình được cấu trúc qua 7 chương kiến thức từ cơ sở mạch điện đến thiết bị điện tử công suất:

  Chương 1: Mạch điện xoay chiều một pha & Định luật Ohm (5 giờ: 4 LT, 1 TH)
  Chương 2: Mạch điện xoay chiều ba pha (5 giờ: 4 LT, 1 TH)
  Chương 3: Máy phát điện một chiều & Định luật Kirchhoff (7 giờ: 4 LT, 2 TH, 1 KT)
  Chương 4: Máy phát điện xoay chiều & Động cơ xoay chiều (5 giờ: 3 LT, 2 TH)
  Chương 5: Máy biến áp & Cảm ứng điện từ (4 giờ: 1 LT, 2 TH, 1 KT)
  Chương 6: Điện tử công nghiệp & Linh kiện bán dẫn (5 giờ: 2 LT, 2 TH, 1 KT)
  Chương 7: Các thiết bị chỉnh lưu công nghiệp (3 giờ: 1 LT, 1 TH, 1 KT)
  • Chương 1: Khái niệm về dòng điện, các định luật cơ bản để giải mạch điện xoay chiều một pha (5 giờ): Định nghĩa dòng điện một chiều, dòng điện xoay chiều hình sin sinh ra từ khung dây quay trong từ trường $e = 2 B_m v l$. Các đại lượng đặc trưng: dòng điện $i = \frac{dq}{dt}$, điện áp $U_{AB} = V_A - V_B$, công suất $P = UI$, sức điện động $E$. Khảo sát định luật Ohm trên mạch thuần trở $R$ ($P = UI$), mạch thuần cảm $L$ (điện áp vượt pha dòng điện $\frac{\pi}{2}$, $U_L = I \cdot X_L$), mạch thuần dung $C$ (dòng điện nhanh pha hơn điện áp $\frac{\pi}{2}$, $X_C = \frac{1}{\omega C}$, công suất phản kháng $Q_C = I^2 X_C$), mạch nối tiếp $R-L-C$, tam giác điện áp và tam giác tổng trở $Z = \sqrt{R^2 + (X_L - X_C)^2}$.
  • Chương 2: Mạch điện xoay chiều ba pha (5 giờ): Định nghĩa hệ thống 3 pha đối xứng; quy tắc nối mạch hình sao ($Y$) có dây trung tính với quan hệ $U_d = \sqrt{3} U_p$ và $I_d = I_p$; quy tắc nối tam giác ($\Delta$) với quan hệ $U_d = U_p$ và $I_d = \sqrt{3} I_p$. Phương pháp giải mạch ba pha tải đối xứng; cách nối hộp cực động cơ 6 đầu dây $AX, BY, CZ$. Cấu tạo máy phát điện một chiều 4 cực (stato, rôto, cổ góp, chổi than) và nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều ($U = E_ư + R_ư I$).
  • Chương 3: Máy phát điện một chiều (7 giờ): Lịch sử phát minh máy phát điện của Michael Faraday (1831); phân loại máy phát DC kích từ độc lập, kích từ song song, kích từ nối tiếp và kích từ hỗn hợp; phân tích đặc tính ngoài $U = f(I)$; công thức sức điện động phần ứng $E_ư = \frac{pN}{60a}\Phi n$, công suất điện từ $P_{đt} = E_ư I_ư$; phương pháp giải mạch DC sử dụng định luật Ohm và hai định luật Kirchhoff (K1: $\sum I = 0$, K2: $\sum U = \sum E$).
  • Chương 4: Máy phát điện xoay chiều (5 giờ): Tổng quan máy phát điện xoay chiều ba pha; nguyên lý động cơ điện xoay chiều; phương pháp khởi động, đảo chiều quay và điều chỉnh tốc độ.
  • Chương 5: Máy biến áp (4 giờ): Khái niệm, công dụng truyền tải điện năng; các đại lượng định mức ($S_{đm}, U_{1đm}, U_{2đm}, I_{1đm}, I_{2đm}$); các định luật vật lý: cảm ứng điện từ Faraday, lực điện từ $F = BIl\sin\alpha$, định luật Jun-Lenxơ $Q = I^2Rt$; cấu tạo MBA 1 pha và MBA 3 pha (loại tổ hợp và loại 1 vỏ 3 trụ); các loại MBA đặc biệt: máy biến điện áp BU, máy biến dòng BI, MBA tự ngẫu.
  • Chương 6: Điện tử công nghiệp (5 giờ): Cấu tạo tiếp giáp P-N; nguyên lý phân cực thuận, phân cực ngược; đặc tính Vôn - Ampe của Diode (ngưỡng mở $U_{D0} \approx 0,6 - 0,7\text{V}$, điện áp đánh thủng $U_{ng.\max}$); linh kiện Gate Turn-Off Thyristor (GTO); quy trình 5 bước kiểm tra chất lượng và xác định cực Anôt - Catôt của Diode bằng đồng hồ vạn năng VOM.
  • Chương 7: Các thiết bị chỉnh lưu (3 giờ): Khái niệm chỉnh lưu; nguyên lý hoạt động của sơ đồ mạch chỉnh lưu một pha và chỉnh lưu ba pha sử dụng Diode biến đổi AC thành DC.

Logic tiến trình nội dung đi từ nền tảng lý thuyết mạch cơ bản (1 pha, 3 pha) sang thiết bị điện từ - máy điện (DC, AC, MBA), sau đó tiến đến linh kiện bán dẫn và mạch chỉnh lưu công suất.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình củng cố các cơ sở lý thuyết và định luật vật lý kỹ thuật điện:

  • Định luật cảm ứng điện từ Faraday: Giải thích sự hình thành sức điện động cảm ứng trong máy phát điện và cuộn dây máy biến áp.
  • Định luật lực điện từ: Xác định lực tác dụng lên thanh dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường $F = BIl\sin\alpha$, thiết lập nguyên lý quay của động cơ điện.
  • Định luật Jun-Lenxơ: Tính toán nhiệt lượng tỏa ra trên dây dẫn $Q = I^2Rt$.
  • Hệ thống định luật Kirchhoff: Định luật K1 về cân bằng dòng điện tại nút ($\sum I = 0$) và Định luật K2 về cân bằng điện áp trong mạch vòng kín ($\sum U = \sum E$).
  • Mô hình tổng trở và quan hệ góc pha: Khảo sát trở kháng phản kháng $X = X_L - X_C$, tổng trở toàn phần $Z = \sqrt{R^2 + X^2}$, và góc lệch pha $\tan\varphi = \frac{X}{R}$.

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật: Đọc và vẽ các sơ đồ điện cơ bản (sơ đồ nguyên lý, sơ đồ lắp đặt, sơ đồ nối dây, sơ đồ đơn tuyến); thực hiện đấu dây hộp cực động cơ 3 pha theo cấu hình sao hoặc tam giác phù hợp với cấp điện áp nguồn 380V hoặc 220V; sử dụng đồng hồ VOM ở các thang đo điện trở ($x10, x100, x1k$) để kiểm tra tiếp giáp P-N, phát hiện Diode bị đứt, chập hoặc rò điện, và xác định chính xác hai cực Anôt (A) và Catôt (K).
  • Kỹ năng phân tích: Giải mạch điện một chiều phức tạp bằng phương pháp thiết lập hệ phương trình Kirchhoff; tính toán các đại lượng $U, I, P, Q, Z$ trong mạch điện xoay chiều một pha và ba pha đối xứng.
  • Năng lực ứng dụng nghề nghiệp: Vận hành an toàn các thiết bị điện trong xưởng cơ khí, hiểu rõ nguyên lý hoạt động của nguồn máy hàn một chiều, máy biến áp hàn và các bộ chỉnh lưu cấp nguồn hồ quang.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình được biên soạn phục vụ hình thức đào tạo tích hợp giữa lý thuyết và thực hành. Phân bổ thời lượng gồm 27 giờ lý thuyết (chiếm 60%), 11 giờ thực hành, bài tập và thảo luận (chiếm 24,4%), cùng 7 giờ kiểm tra (chiếm 15,6%).

          PHÂN BỔ THỜI LƯỢNG MÔ-ĐUN MH 11 (TỔNG: 45 GIỜ)

Phương pháp giảng dạy đối với giảng viên bao gồm:

  • Lý thuyết: Thuyết trình ngắn, trình chiếu mô hình, nêu vấn đề, hướng dẫn đọc tài liệu và tổ chức câu hỏi thảo luận nhóm.
  • Thực hành và bài tập: Phân chia nhóm nhỏ, thao tác mẫu trên mô hình học cụ, sửa sai tại chỗ cho người học khi giải bài tập mạch điện hoặc thao tác đo kiểm.
  • Nội dung bài tập điển hình: Thiết lập bài toán mạch DC nhiều nhánh chứa các nguồn $E_4=1\text{V}, E_5=2\text{V}, E_6=3\text{V}$ và các điện trở $R_1=1\Omega, R_2=2\Omega, R_3=3\Omega$ để sinh viên áp dụng định luật Kirchhoff 1 và 2 tính toán dòng điện nhánh và kiểm tra lại phương trình điện áp vòng.

Phương pháp đánh giá kết quả học tập tuân thủ Quy chế đào tạo ban hành kèm theo Thông tư số 09/2017/TT-BLĐTBXH của Bộ Lao động - Thương binh và Xã hội:

Hạng mục đánh giá Trọng số Hình thức kiểm tra Thời điểm kiểm tra Chuẩn đầu ra đánh giá
Kiểm tra thường xuyên (Hệ số 1) 40% (kết hợp định kỳ) Viết / Trắc nghiệm / Báo cáo thuyết trình Sau 5 giờ học A1, C1, C2
Kiểm tra định kỳ (Hệ số 2, gồm 7 cột điểm) Viết và thao tác thực hành Sau 12 giờ học A2, B1, C1, C2
Thi kết thúc môn học 60% Vấn đáp và thực hành trên mô hình Sau 45 giờ học A1, A2, A3, B1, B2, C1, C2

Ghi chú về thang điểm: Điểm thành phần và điểm kết thúc môn học chấm theo thang điểm 10 (làm tròn 1 chữ số thập phân), sau đó quy đổi sang thang điểm chữ và thang điểm 4.

Quy định tự học đối với người học:

  • Tham dự tối thiểu 70% tổng số giờ giảng tích hợp; người học vắng quá 30% thời lượng bắt buộc phải học lại môn học.
  • Chuẩn bị bài trước khi đến lớp thông qua danh mục tài liệu được cung cấp.
  • Tổ chức tự học theo nhóm 2 - 3 người để thảo luận các chủ đề được giao, ghi chép và hoàn thành báo cáo nhóm.

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Tính cập nhật theo chuẩn nghề nghiệp năm 2021: Tài liệu được biên soạn dựa trên chương trình khung nghề Hàn do Bộ Lao động - Thương binh và Xã hội và Tổng cục Dạy nghề (nay là Tổng cục Giáo dục nghề nghiệp) ban hành, chuẩn hóa theo văn bản quản lý đào tạo nghề chính quy của Trường Cao đẳng Cơ giới.
  • Tích hợp các kiến thức điện phục vụ công nghệ hàn:
    • Ứng dụng máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp nối ngược: Giáo trình phân tích nguyên lý từ trường của cuộn kích từ nối tiếp ngược chiều với cuộn song song, tạo ra đường đặc tính ngoài $U = f(I)$ có độ dốc lớn, đáp ứng đúng yêu cầu nguồn cấp ổn định cho quá trình hàn điện một chiều.
    • Máy biến áp chuyên dụng: Trình bày chi tiết nguyên lý máy biến áp hàn, máy biến áp tự ngẫu và các thiết bị biến đổi đo lường (BU, BI).
    • Linh kiện bán dẫn công suất: Cung cấp cấu tạo và đặc tính của Diode và Gate Turn-Off Thyristor (GTO), làm cơ sở phân tích nguyên lý chỉnh lưu cấp nguồn cho thiết bị hàn hiện đại.
  • Gắn kết thực tế công nghiệp: Yêu cầu người học khảo sát thực tế các mạch điện tử công suất trong nhà máy, xí nghiệp; nắm vững tiêu chuẩn hai cấp điện áp mạng hạ thế công nghiệp phổ biến ($380\text{V}/220\text{V}$ và $380\text{V}/127\text{V}$) để thực hiện đấu nối cầu đấu động cơ 3 pha chính xác.

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Sinh viên, học viên: Học sinh, sinh viên theo học trình độ Trung cấp và Cao đẳng nghề Hàn. Môn học mang mã số MH 11 trong tổng thể 24 môn học và mô-đun đào tạo của toàn khóa.
  • Điều kiện tiên quyết (Prerequisites): Người học cần học xong môn Cơ kỹ thuật (MH 10), nắm được các tiêu chuẩn từ môn Vẽ kỹ thuật cơ khí (MH 07), kiến thức cơ bản từ môn Vật liệu cơ khí (MH 09), đồng thời học song song với môn Kỹ thuật an toàn và bảo hộ lao động (MH 12).
  • Giảng viên: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy chính thức, làm căn cứ xây dựng kế hoạch bài giảng tích hợp, thiết kế bài tập tính toán mạch điện, hướng dẫn thực hành đo đạc và biên soạn đề kiểm tra, đề thi kết thúc mô-đun.
  • Tự học và tham khảo kỹ thuật: Kỹ thuật viên cơ khí, thợ hàn cần bổ sung kiến thức về an toàn điện, cấu tạo máy điện một chiều, máy biến áp và phương pháp đo kiểm linh kiện bán dẫn trong xưởng sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này được thiết kế dành cho đối tượng nào?

Giáo trình được biên soạn phục vụ trực tiếp cho học sinh, sinh viên trình độ Trung cấp và Cao đẳng nghề Hàn tại Trường Cao đẳng Cơ giới và các cơ sở giáo dục nghề nghiệp có cùng chương trình khung.

2. Người học cần có kiến thức nền tảng nào trước khi học môn này?

Người học cần hoàn thành môn học Cơ kỹ thuật (MH 10), đọc hiểu bản vẽ cơ khí (MH 07), đồng thời nắm vững kiến thức toán học cơ bản về lượng giác (hàm sin), phép cộng vectơ và các phép tính đại số để giải mạch điện.

3. Giáo trình này có điểm gì khác biệt so với các giáo trình kỹ thuật điện thông thường?

Tài liệu được chọn lọc nhằm phục vụ trực tiếp nghề Hàn: tập trung vào máy phát điện một chiều kích từ hỗn hợp nối ngược làm nguồn hàn, máy biến áp hàn, các loại máy biến áp đo lường (BU, BI), linh kiện bán dẫn công suất (Diode, GTO) và các mạch chỉnh lưu 1 pha / 3 pha biến đổi điện áp nguồn.

4. Phương pháp tự học giáo trình như thế nào để đạt hiệu quả?

Người học cần nghiên cứu bài học trước khi lên lớp, tham gia làm việc nhóm từ 2 - 3 người theo chủ đề phân công, thực hành giải các dạng bài tập mạch điện bằng định luật Ohm và Kirchhoff, kết hợp thao tác trực tiếp trên đồng hồ VOM và mô hình thực hành tại xưởng.

5. Giáo trình có những tài liệu tham khảo nào đi kèm?

Giáo trình kế thừa và trích dẫn các tài liệu chuyên môn:

  1. Đặng Văn Đào, Lê Văn Doanh – Kỹ thuật điện (lý thuyết và 100 bài giải).
  2. Hoàng Hữu Thận – Đo lường máy điện và khí cụ điện, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 1982.
  3. Trần Minh Sở – Kỹ thuật điện, NXB Giáo dục, 2001.
  4. Đỗ Xuân Thụ – Kỹ thuật điện tử, NXB Giáo dục, 2004.

Kết luận

Giáo trình Kỹ thuật điện - Điện tử công nghiệp (MH 11) xác lập hệ thống kiến thức cơ sở về mạch điện xoay chiều một pha, ba pha, máy điện một chiều, máy biến áp, linh kiện bán dẫn và thiết bị chỉnh lưu công nghiệp.

Việc hoàn thành mô-đun này là điều kiện bắt buộc để người học phát triển các năng lực chuyên môn tiếp theo trong chương trình đào tạo nghề Hàn, bao gồm: Quy trình hàn (MH 13), Kiểm tra chất lượng mối hàn (MĐ 14), Chế tạo phôi hàn (MĐ 15), Gá lắp kết cấu hàn (MĐ 16), Hàn hồ quang tay (MĐ 17, MĐ 18), Hàn khí (MĐ 19), Hàn MIG/MAG (MĐ 20), Hàn TIG (MĐ 21), Hàn ống (MĐ 22), Hàn hồ quang dây lõi thuốc FCAW (MĐ 23) và Thực tập sản xuất tại doanh nghiệp (MĐ 24). Để hỗ trợ học tập, người học cần khai thác hệ thống mô hình thực hành máy điện, bộ dụng cụ nghề điện tử và danh mục tài liệu tham khảo được cung cấp tại thư viện nhà trường.