BÀI 17. MÁY PHÁT ĐIỆN XOAY CHIỀU
I. LÍ THUYẾT TRỌNG TÂM
1. Nguyên lí hoạt động của máy phát điện xoay chiều
+ Máy phát điện: Là thiết bị dùng để biến cơ năng thành điện năng.
+ Máy phát điện xoay chiều: Là thiết bị biến đổi cơ năng thành điện năng xoay chiều.
- Nguyên lí hoạt động: Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ: Khi từ thông qua một vòng dây biến thiên điều hòa, trong vòng dây xuất hiện một suất điện động cảm ứng xoay chiều.
- Phân loại: Người ta chia ra làm hai loại
- Máy phát điện xoay chiều 1 pha;
- Máy phát điện xoay chiều 3 pha.
2. Máy phát điện xoay chiều một pha
+ Khái niệm: Máy phát điện xoay chiều 1 pha là máy tạo ra một suất điện động xoay chiều hình sin.
+ Cấu tạo: Máy phát điện xoay chiều 1 pha (còn gọi là máy dao điện) gồm 2 phần chính:
- Phần cảm: Là nam châm dùng để tạo ra từ trường. Nam châm của phần cảm có thể là nam châm vĩnh cữu hoặc nam châm điện.
- Phần ứng: Là khung dây dẫn dùng để tạo ra dòng điện.
+ Hoạt động
- Cách 1: Phần ứng quay (roto), phần cảm cố định (stato)
- Stato là nam châm đặt cố định.
- Roto là khung dây quay quanh một trục trong từ trường tạo bởi nam châm (Stato).
- Cách 2: Phần cảm quay, phần ứng cố định
- Stato: là các cuộn dây có lõi sắt.
- Roto: là nam châm điện.
+ Tần số của máy phát điện xoay chiều 1 pha: f = p.n
- Trong đó
- p: Là số cặp cực
- n: tốc độ quay của roto (vòng/giây)
- f: tần số của máy phát điện xoay chiều 1 pha.
- Đổi đơn vị: n (vòng/giây) = n/60 (vòng/phút)
H1. Máy phát một cặp cực H2. Máy phát hai cặp cực
3. Máy phát điện xoay chiều 3 pha
+ Khái niệm: Máy phát điện xoay chiều 3 pha là máy tạo ra ba suất điện động xoay chiều hình sin cùng tần số, cùng biên độ và lệch pha nhau 2π/3.
+ Cấu tạo
- Stato: gồm 3 cuộn dây giống nhau gắn cố định trên một đường trong lệch nhau một góc 1200.
- Roto: là một nam châm có thể quay quanh một trục cố định với tốc độ quay không đổi là w.
- Nếu nối các đầu dây của ba cuộn với ba mạch ngoài (ba tải tiêu thụ) giống nhau thì ta có hệ ba dòng điện cùng biên độ, cùng tần số nhưng lệch nhau về pha là 2π/3.
+ Cách mắc mạch ba pha
- Máy phát điện ba pha được nối với ba mạch tiêu thụ điện năng. Các tải có cùng điện trở, dung kháng, cảm kháng (các tải đối xứng).
- Trong máy phát điện xoay chiều ba pha, có hai cách lắp tải:
- Mắc hình sao: gồm có ba dây pha và một dây trung hòa. Khi tải đối xứng, dòng điện trong dây trung hòa là i = i1 + i2 + i3 = 0; và Udây = \(\sqrt{3}\)Upha, trong đó Udây là hiệu điện thế hai dây pha; Upha là hiệu điện thế giữa một dây pha và một dây trung hòa.
- Mắc hình tam giác: gồm có ba dây pha không có dây trung hòa.
+ Dòng ba pha
- Dòng điện xoay chiều do máy phát điện xoay chiều ba pha phát ra là dòng ba pha.
- Dòng ba pha là hệ ba dòng điện xoay chiều hình sin có cùng tần số, nhưng lệch pha với nhau 2π/3 từng đôi một.
+ Ưu điểm của dòng điện 3 pha
- Truyền tải điện năng bằng dòng 3 pha tiết kiệm được nhiều dây dẫn.
- Máy phát điện 3 pha có cấu tạo đơn giản, dòng 3 pha được sử dụng rộng rãi cho các động cơ chạy điện 3 pha được sử dụng ở hầu hết các nhà máy sản xuất, xí nghiệp.
II. PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP
Dạng 1. Biểu thức suất điện động từ thông trên cuộn dây
- Biểu thức của từ thông qua khung dây có N vòng quay đều với tốc độ góc ω trong từ trường đều \(\vec{B}\) vuông góc với trục quay là
f = NBScos(góc hợp bởi \(\vec{n}\) và \(\vec{B}\)) = f0cos(ωt + φ).
f0 = NBS là từ thông cực đại qua khung dây; BS là từ thông cực đại qua một vòng dây.
- Biểu thức của suất điện động cảm ứng:
e = – f’ = wf0cos(ωt + φ – \(\frac{\pi }{2}\)) = E0cos(ωt + φ – \(\frac{\pi }{2}\)) ; E0 = ωNBS = ωf0.
- Ta thấy, suất điện động và từ thông trên cuộn dây là 2 đại lượng dao động điều hoà vuông pha với nhau (e chậm pha so với f). Vậy tại thời điểm luôn có:
\({{\left( \frac{\phi }{{{\phi }_{0}}} \right)}^{2}}+{{\left( \frac{e}{{{E}_{0}}} \right)}^{2}}=1\)
Dạng 2: Máy phát điện xoay chiều một pha
- Tốc độ quay của roto là n tính theo vòng/giây thì từ thông qua mỗi cuộn dây sẽ biến thiên tuần hoàn với tần số f = np (Hz); f cũng chính là tần số dòng điện của mạch ngoài khi được mắc vào hai cực của máy phát điện.
- Suất điện động cực đại hai đầu ra tính theo: E0 = ωNBS × [số cuộn dây trên phần ứng]
III. GIẢI BÀI TẬP SÁCH GIÁO KHOA
Câu C1 (trang 92 SGK Vật lí 12):
Nhắc lại nguyên tắc chung tạo ra dòng điện xoay chiều.
Trả lời:
Nguyên tắc:
- Dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ.
- Cho khung dây dẫn quay quanh trục cố định trong một từ trường đều \(\vec{B}\) có phương vuông góc trục quay.
- Từ thông qua khung biến thiên, trong khung xuất hiện một suất điện động cảm ứng xoay chiều.
Câu C2 (trang 92 SGK Vật lí 12):
Chứng minh công thức f = np. Một máy phát điện quay 600 vòng/ phút có 5 đôi cực, sẽ tạo ra dòng điện xoay chiều với f bằng bao nhiêu?
Trả lời:
+ Chứng minh f = n.p
- Giả sử phần cảm có p nam châm (p cực Bắc và p cực Nam), quay với tần số n vòng/s.
- Khi roto quay, đầu trên một cực Bắc quay qua một cuộn dây, rồi đến cực Nam, sau đó đến cực Bắc thứ hai.
- Từ thông qua một cuộn dây biến thiên tuần hoàn với chu kì bằng thời gian để một cực Bắc đi từ một cuộn dây đến cuộn dây kế tiếp theo.
- Trong một chu kì quay của roto, có p lần chu kì của dòng cảm ứng, ta có: \(T=\frac{1}{f}=\frac{1}{np}\Rightarrow f=np\)
+ Áp dụng tính f: n = 600 vòng/phút = 10 vòng/s; p = 5 cặp cực
⇒ f = n.p = 10.5 = 50Hz
Câu C3 (trang 94 SGK Vật lí 12):
Chứng minh công thức Udây = \(\sqrt{3}\)Upha
Trả lời:
Dùng giản đồ vectơ: U01 = U02 = U03 là biên độ của hiệu điện thế pha. Hiệu điện thế dây từ A2 đền A1 kà: ud = u2 – u1 ⇒ \({{\overrightarrow{U}}_{0d}}=\text{ }{{\overrightarrow{U}}_{02}}-{{\overrightarrow{U}}_{01}}\) Theo quy tắc cộng vectơ (hình bình hành), ta có: \({{U}_{0d}}=2{{U}_{01}}.cos\frac{60{}^\circ }{2}={{U}_{01}}\sqrt{3}\) Vậy: Udây = \(\sqrt{3}\)Upha |  |
IV. CÂU HỎI – BÀI TẬP
Bài 1 (trang 94 SGK Vật Lí 12):
Các máy phát điện xoay chiều nói chung dựa trên nguyên tắc nào ?
Lời giải:
Nguyên tắc hoạt động của các máy điện xoay chiều dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.
Bài 2 (trang 94 SGK Vật Lí 12):
Phân biệt dòng điện một pha với dòng ba pha.
Lời giải:
- Dòng 1 pha: là dòng điện có cường độ biến thiên tuần hoàn với thời gian theo quy luật hàm số sin hay côsin.
- Dòng 3 pha: là hệ thống gồm ba dòng điện xoay chiều một pha có cùng tần số nhưng lệch pha nhau 120o từng đôi một.
Như vậy dòng điện một pha là một thành phần trong hệ thống dòng xoay chiều 3 pha.
Bài 3 (trang 94 SGK Vật Lí 12):
Trong máy phát điện xoay chiều một pha, từ trường quay có vectơ \(\overrightarrow{B}\) quay 300 vòng / phút tạo bởi 20 cực nam châm điện (10 cực nam và 10 cực Bắc) quay với tốc độ bao nhiêu ?
A. 10 vòng/s. B. 20 vòng/s. C. 5 vòng/ s. D. 100 vòng/s.
Lời giải: Chọn C.
Tốc độ quay của từ trường: n = 300 vòng/phút = 300/60 = 5 (vòng/s)
Bài 4 (trang 94 SGK Vật Lí 12):
Trong trường hợp ba suất điện động của máy phát ba pha mắc theo hình sao và ba tải cũng được mắc theo hình sao thì phải có bốn đường dây nối từ nguồn đến tải. Hãy xét trường hợp ba tải đối xứng và chứng minh rằng trong số bốn đường dây nối ấy có một đường dây tại đó cường độ bằng không (đường dây trung hòa).
Lời giải:
Khi 3 tải đối xừng, các vectơ quay của 3 dòng điện trong 3 tải hợp nhau những góc 120° như hình vẽ, ta có dòng điện trong dây trung hòa: \(\overrightarrow{I}={{\overrightarrow{I}}_{1}}+{{\overrightarrow{I}}_{2}}+{{\overrightarrow{I}}_{3}}\Rightarrow \overrightarrow{I}={{\overrightarrow{I}}_{12}}+{{\overrightarrow{I}}_{3}}\) Tứ giác hợp bởi \({{\overrightarrow{I}}_{1}} \) và \({{\overrightarrow{I}}_{2}}\) là hình thoi có góc 120° \(\Rightarrow {{I}_{12}}=2{{I}_{1}}cos\frac{\alpha }{2}=2{{I}_{1}}cos\frac{120{}^\circ }{2}=2{{I}_{1}}\cdot \frac{1}{2}={{I}_{1}}\) Vậy \(\overrightarrow{I}={{\overrightarrow{I}}_{12}}+{{\overrightarrow{I}}_{3}}=\overrightarrow{0}\) |
|
Hy vọng bài "Máy phát điện xoay chiều" này sẽ giúp ích cho các em trong quá trình học tập trên lớp.