CHƯƠNG III DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU I ĐẠI CƯƠNG VỀ DỊNG ĐIỆN XOAY CHIỀU Lý thuyết + Dịng điện xoay chiều dịng điện có cường độ biến thiên điều hòa theo thời gian + Biểu thức i u: i = I0cos(t + i); u = U0cos(t + u) Trong giây dòng điện xoay chiều đổi chiều 2f lần (f tính Hz) + Những đại lượng đặc trưng cho dòng điện xoay chiều: - Các giá trị tức thời, cực đại, hiệu dụng i, u, e - Tần số góc, tần số, chu kì, pha pha ban đầu + Người ta tạo dòng điện xoay chiều máy phát điện xoay chiều Máy phát điện xoay chiều hoạt động dựa tượng cảm ứng điện từ + Để đo giá trị hiệu dụng dòng điện xoay chiều người ta dùng dụng cụ đo hoạt động dựa vào tác dụng nhiệt dịng điện xoay chiều Cơng thức + Từ thông qua khung dây máy phát điện: �� � � n, B � � = NBScos(t + ) = 0cos(t + ); = � �lúc t = + Từ thông cực đại qua khung dây (N vòng dây) máy phát điện: 0 = NBS + Suất điện động khung dây máy phát điện: e = - ’ = NBSsin(t + ) = E0cos(t + - ) + Suất điện động cực đại khung dây (có N vịng dây) máy phát điện: E0 = 0 = NBS + Các giá trị hiệu dụng dòng điện xoay chiều: I0 I= 2;U= U0 2;E= E0 ; số dụng cụ đo dòng điện xoay chiều giá trị hiệu dụng đại lượng cần đo * Tìm điện áp tức thời hai đầu đoạn mạch nhờ máy tính fx-570ES: Biểu thức điện áp tức thời hai đầu đoạn mạch u = U 0cos(t + ) Tại thời điểm t1, điện áp có giá trị u1 Tính u2 thời điểm t2 = t1 + t Góc quay (tính rad) thời gian t: = .t u2 = U0cos((t1+ Δt) + ) = U0cos(t1+ ) + ωΔt) = U0cos((t1+ ) + Δφ) Chọn đơn vị đo góc rad: Bấm: MODE (để tính tốn chung) SHIFT MODE (để dùng đơn vị góc rad) Nhập u1 u2 = U0cos( SHIFT cos ( A ) + .t) Dấu đặt trước SHIFT: dấu (+) u1 giảm; dấu (-) u1 tăng * Áp dụng tương tự cho việc tìm cường độ dòng điện tức thời II CÁC MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU Lý thuyết U + Đoạn mạch có điện trở thuần: uR pha với i; I = R U + Đoạn mạch có tụ điện C: uC trể pha so với i; I = Z C Đại lượng đặc trưng cho tác dụng cản trở dòng điện xoay chiều tụ điện gọi dung kháng: ZC = 1 C 2 fC U + Đoạn mạch có cuộn cảm thuần: uL sớm pha so với i; I = Z L Đại lượng đặc trưng cho tác dụng cản trở dòng điện xoay chiều cuộn cảm gọi cảm kháng: Z L = L = 2πfL Công thức + Cảm kháng: ZL = L = 2πfL Dung kháng: ZC = I0 + Định luật Ôm: I = U R U L UC R Z L ZC 1 C 2 fC + Nếu cường độ dòng điện chạy đoạn mạch i = I0cos(t + i) biểu thức điện áp: Giữa hai đầu điện trở thuần: uR = RI0cos(t + i) Giữa hai đầu cuộn cảm thuần: uL = LI0cos(t + i + ) I0 Giữa hai tụ điện: uC = C cos(t + i - ) i2 u2 2 + Đoạn mạch có L C có L C (khơng có R): I U = * Phương pháp chuẩn hóa gán số liệu: Bản chất phương pháp “chuẩn hóa gán số liệu” dựa việc thiết lập tỉ lệ đại lượng vật lý (thông thường đại lượng đơn vị), theo đại lượng tỉ lệ theo đại lượng với hệ số tỉ lệ đó, giúp ta gán số liệu đại lượng theo đại lượng ngược lại Dấu hiệu nhận biết để áp dụng phương pháp cho biết tỉ lệ đại lượng đơn vị; biểu thức liên hệ đại lượng với có dạng tỉ số Sau nhận biết, xác định “đại lượng cần chuẩn hóa” ta bắt đầu tính tốn, việc xác định “đại lượng cần chuẩn hóa” thơng thường đại lượng nhỏ gán cho đại lượng 1, đại lượng khác từ biểu diễn theo “đại lượng chuẩn hóa” này, trường hợp số phức chuẩn hóa số gán cho góc Trong phần điện xoay chiều, ta xây dựng cách giải cho số dạng toán so sánh, lập tỉ số như: độ lệch pha, hệ số công suất so sánh điện áp hiệu dụng đoạn mạch, tần số thay đổi … Trong phần sóng âm, ta gặp số dạng toán so sánh cường độ âm, tỉ số khoảng cách điểm Trong phần hạt nhân, ta gặp số dạng toán tỉ số hạt nhân phóng xạ thời điểm … Một tập có nhiều cách giải, chọn cách giải theo phương pháp “Chuẩn hóa gán số liệu” chắn làm cho q trình tính tốn đơn giản hơn, giảm thiểu tối đa ẩn số, phù hợp với tính chất thi trắc nghiệm III MẠCH CĨ R, L, C MẮC NỐI TIẾP Lý thuyết + Tổng trở đoạn mạch RLC nối tiếp: Z = (R r)2 ( Z L Z C )2 I0 + Định luật Ôm cho đoạn mạch RLC nối tiếp: I = + Góc lệch pha u i ( = u - i): tan = U Z Z L ZC U L U C R UR - Nếu ZL > ZC > (u sớm pha i): mạch có tính cảm kháng - Nếu ZL < ZC < (u trể pha i): mạch có tính dung kháng + Cộng hưởng: Khi ZL = ZC hay = U LC Z = Zmin = R; I = Imax = R ; = Đó trường hợp đoạn mạch có cộng hưởng điện + Giãn đồ véc tơ cho điện áp đoạn mạch RLC: Công thức + Tổng trở: Z = (R r)2 ( Z L Z C ) I0 + Giá trị hiệu dụng: I = ;U= U0 U Định luật Ôm: I = Z ; I0 = Z U0 ; UR = IR; UL = IZL; UC = IZC + Cơng thức tính độ lệch pha u i: tan = Z L ZC U L UC R UR + Biểu thức u i: Nếu i = I0cos(t + i) u = U0cos(t + i + ) Nếu u = U0cos(t + u) i = I0cos(t + u - ) + Cộng hưởng điện: Khi: ZL = ZC hay = 2f = LC thì: U U2 Z = Zmin = R; = (u pha với i); I = Imax = R ; P = Pmax = R + Mạch RLC có L thay đổi: Khi L = L L = L2 (L1 ≠ L2) mạch có đại lượng Z; I; U R; UC; P; cos nhau, cịn 1 = - 2 thì: Z L1 Z L 2 ZC = ; L1 L2 Khi L = mạch có cộng hưởng R Z C2 U U 2 U R2 U C2 R Z C U Z C Khi ZL = UL = ULmax = R = R + Mạch RLC có C thay đổi: Khi C = C C = C2 (C1 ≠ C2) mạch có đại lượng Z; I; U R; UC; P; cos nhau, 1 = - 2 thì: Z C1 Z C 2 ZL = ; 1 �1 � � � C �C1 C2 � Khi mạch có cộng hưởng R Z L2 U U U R2 U L2 R Z L2 Z U L Khi ZC = UC = UCmax = R = R + Mạch RLC có thay đổi: Khi = 1 = 2 (1 ≠ 2) mạch có đại lượng Z; I; U R; UC; P; cos nhau, 1 = - 2 mạch có cộng hưởng 2 = 12 1� � � � 02 �12 22 � Khi = 1 = 2 có UL1 = UL2; = 0; có UL = ULmax thì: Khi = 1 = 2; có UC1 = UC2; = 0; có UC = UCmax thì: 2 = ( + ) Khi = 1 C L R2 2UL R2 C thì: U = U = R LC R 2C LC L = L Lmax Khi = 1 L L R2 2UL R C thì: U = U R LC R 2C LC L = C Cmax = + Mạch RLC có f thay đổi: Khi f = f f = f2 (f1 ≠ f2) mạch có đại lượng Z; I; U R; UC; P; cos nhau, cịn 1 = - 2 mạch có cộng hưởng f2 = f1f2 * Giải số tập dòng điện xoay chiều nhờ máy tính fx-570ES: + Tính tổng trở Z góc lệch pha u i: Tính ZL ZC (nếu chưa có) Bấm SHIFT MODE 1; MODE (màn hình xuất CMPLX để diễn phức); nhập R + r + (ZL – ZC)i (bấm ENG để nhập đơn vị ảo i) = (hiễn thị dạng a + bi); SHIFT = (hiễn thị kết dạng Z ) Ta xác định Z + Viết biểu thức u biết i = I0(cost + i): nhân hai số phức: u i.z Tính ZL ZC (nếu chưa có) Bấm MODE (để diễn phức); bấm SHIFT MODE (chọn đơn vị đo góc rad); nhập I0; bấm SHIFT (-) (màn hình xuất để nhập góc); nhập i; bấm X (dấu nhân); bấm (; nhập R + r; bấm +; bấm (ZL – ZC); bấm ENG (để nhập đơn vị ảo i); bấm ); bấm = (hiễn thị dạng a + bi); bấm SHIFT = (hiễn thị dạng U0 u) + Viết biểu thức i biết u = U0(cost + u): chia hai số phức: i u z Tính ZL ZC (nếu chưa có) U �u Bấm MODE (để diễn phức), bấm SHIFT MODE (chọn đơn vị đo góc rad), nhập R r ( Z L Z C )i = (hiễn thị kết dạng a + bi); bấm SHIFT = (hiễn thị kết I0 i) + Xác định thông số Z, R, ZL, ZC biết u i: chia hai số phức: z u i Bấm MODE (màn hình xuất CMPLX để diễn phức); bấm SHIFT MODE (chọn đơn vị đo góc rad); U �u nhập I �i = (hiễn thị dạng a + bi) Xác định R = a; (Z L – ZC) = b (b > 0: đoạn mạch có tính cảm kháng; b < 0: đoạn mạch có tính dung kháng) Để xác định Z , bấm SHIFT (hiễn thị Z ) + Cộng trừ điện áp tức thời đoạn mạch xoay chiều mắc nối tiếp: thực toán cộng trừ số phức tốn tổng hợp dao động + Tìm giá trị tức thời u (hoặc i) thời điểm t biết giá trị tức thời u (hoặc i) thời điểm t 1: u1 Bấm SHIFT MODE (dùng đơn vị góc rad), bấm U0 cos ( SHIFT cos (( U ) + (t2 – t1))) = (trước SHIFT đặt dấu + u giảm, đặt dấu – u tăng, khơng nói u giảm u tăng đặt dấu +) IV CƠNG SUẤT CỦA MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU Lý thuyết U 2R + Công suất dòng điện xoay chiều: P = UIcos = I2R = Z R UR + Hệ số công suất: cos = Z U U2 + Đoạn mạch có R có cộng hưởng thì: P = Pmax = R + Đoạn mạch có L C có L C mà khơng có R cơng suất P = rU 2 + Cơng suất hao phí đường dây tải: Php = rI2 = U cos Nếu hệ số cơng suất cos nhỏ cơng suất hao phí đường dây tải P hp lớn, người ta phải tìm cách nâng cao hệ số cơng suất P Với điện áp U, dụng cụ điện tiêu thụ cơng suất P I = Ucos nên phải tăng cos để giảm I từ giảm hao phí tỏa nhiệt dây Cơng thức U 2R UR R + Công suất, hệ số công suất: P = UIcos = I2R = Z , cos = Z = U U2 + Khi R biến thiên từ P biến thiên từ R U U2 | Z Z | L C Khi R = |ZL – ZC| P = Pmax = R = cos = + Khi R = R1; R = R2; có P1 = P2; R = R0 = |ZL – ZC|; có P = Pmax thì: R1R2 = R P1 = P2 = U2 R1 R2 U 2R U2 2 + Khi L biến thiên từ P biến thiên từ R Z C R + Khi L = L1; L = L2; có P1 = P2; L = L0; có P = Pmax thì: ZL1 + ZL2 = 2ZL0 = 2ZC U 2R U2 2 + Khi C biến thiên từ P biến thiên từ R R Z L + Khi C = C1; C = C2; có P1 = P2; C = C0; có P = Pmax thì: ZC1 + ZC2 = 2ZC0 = 2ZL U2 + Khi hay f biến thiên từ P biến thiên từ R Để P = Pmax = LC hay f = 2 LC + Khi f = f1; f = f2; có P1 = P2; f = f0; có P = Pmax thì: 2 f1.f2 = f hay 1.2 = + Trường hợp cuộn dây có điện trở r: U2 2 | Z Z | L C Khi R + r = |ZL – ZC| P = Pmax = cos = Khi R = r ( Z L ZC )2 PRmax = U2 U2 2r R 2r r ( Z L Z C ) + Điện tiêu thụ mạch điện: W = A = P.t * Dùng máy tính fx-570ES để tìm hệ số cơng suất đoạn mạch: Tính ZL ZC (nếu chưa có) Bấm: SHIFT MODE (màn hình xuất Math); MODE (màn hình xuất CMPLX để diễn phức); nhập R + r + (ZL – ZC)i (bấm ENG để nhập đơn vị ảo i) =; bấm SHIFT = (để lấy giá trị ); bấm cos =; ta giá trị cos V TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG MÁY BIẾN ÁP Lý thuyết P2r + Công suất hao phí đường dây tải: Php = rI2 = U ; với P công suất cần truyền tải; U điện áp nơi cung cấp, l r = S điện trở dây tải + Biện pháp giảm hao phí đường dây tải: giảm r, tăng U Khi tăng U lên n lần cơng suất hao phí giảm n lần + Máy biến áp thiết bị biến đổi điện áp mà khơng làm thay đổi tần số dịng điện xoay chiều + Máy biến áp gồm hai cuộn dây có số vịng dây khác quấn lỏi sắt hình khung; cuộn N1 nối vào nguồn phát điện gọi cuộn sơ cấp, cuộn N2 nối tải tiêu thụ điện gọi cuộn thứ cấp + Máy biến áp hoạt động dựa tượng cảm ứng điện từ + Với máy biến áp làm việc điều kiện lí tưởng (hiệu suất gần 100%) thì: U I1 N E2 U1 I N1 E1 Khi N2 > N1 U2 > U1: máy tăng áp; N2 < N1 U2 < U1: máy hạ áp + Công dụng máy biến áp: Dùng để thay đổi điện áp dòng điện xoay chiều Sử dụng việc truyền tải điện để giảm hao phí đường dây truyền tải Sử dụng máy hàn điện, nấu chảy kim loại (cường độ dòng điện lớn) + Các nguyên nhân gây hao phí máy biến áp cách khắc phục: - Tổn hao hiệu ứng Jun – Len xơ hai cuộn dây; khắc phục cách dùng dây đồng có tiết diện lớn để giảm điện trở cuộn dây - Tổn hao dịng Fu-cơ lõi sắt; khắc phục cách ghép nhiều sắt mỏng cách điện với làm lõi biến áp để tăng điện trở lỏi biến áp - Tổn hao tượng từ trễ lõi sắt; khắc phục cách dùng thép kĩ thuật (tơn silic) có chu trình từ trễ hẹp để làm lõi Cơng thức U I1 N + Máy biến áp lí tưởng có: U1 I N1 N e2 + Suất điện động: N1 e1 ; u1 = e1 = i1r1; u2 + e2 = i2r2 P2r + Cơng suất hao phí đường dây tải: Php = rI2 = U P Php l P + Điện trở dây tải điện: r = S Hiệu suất tải điện: H = + Độ giảm điện áp đường dây tải điện: U = Ir VI MÁY PHÁT ĐIỆN, ĐỘNG CƠ ĐIỆN LÝ THUYẾT – CÔNG THỨC Lý thuyết + Máy phát điện xoay chiều pha: quay, nam châm (lúc rôto) tạo từ trường quay, sinh suất điện động xoay chiều cuộn dây cố định + Dòng điện xoay chiều ba pha hệ thống ba dòng điện xoay chiều, gây ba suất điện động tần số, 2 biên độ lệch pha rad đôi + Máy phát điện xoay chiều ba pha: quay, nam châm (lúc rôto) tạo từ trường quay, sinh hệ ba suất điện động ba cuộn dây giống đặt cố định (stato) vịng trịn tạo với góc 120 + Đặt từ trường quay khung dây dẫn kín quay quanh trục, trùng với trục quay từ trường khung dây quay với tốc độ nhỏ tốc độ quay từ trường (’ < ) Ta nói khung dây quay khơng đồng với từ trường + Khi động không đồng hoạt động ổn định tần số từ trường quay tần số dòng điện chạy cuộn dây stato cịn tốc độ quay rơto nhỏ tốc độ quay từ trường Công thức + Suất điện động khung dây máy phát điện: e = - ’ = NBSsin(t + ) = E0cos(t + - ) + Tần số dòng điện máy phát điện xoay chiều pha có p cặp cực: Khi rơto quay với tốc độ n vịng/giây f = pn (Hz) pn Khi rơto quay với tốc độ n vịng/phút f = 60 (Hz) + Khi rôto quay với tốc độ n = n1; n = n2 có I1 = I2; rơto quay với tốc độ n = n0 có I = Imax 1 2 2 n0 n1 n2 2 2 + Máy phát điện xoay chiều pha: Nếu e = E0cost e2 = E0cos(t + ) e3 = E0cos(t - ) Tại thời điểm e1 + e2 + e3 = + Trong giây dịng điện xoay chiều có tần số f (tính Hz) đổi chiều 2f lần + Công suất tiêu thụ động điện: I2r + P = UIcos + Hiệu suất động cơ: H = Pch Ptp ... suất điện động xoay chiều cuộn dây cố định + Dòng điện xoay chiều ba pha hệ thống ba dòng điện xoay chiều, gây ba suất điện động tần số, 2 biên độ lệch pha rad đôi + Máy phát điện xoay chiều. .. trở dây tải điện: r = S Hiệu suất tải điện: H = + Độ giảm điện áp đường dây tải điện: U = Ir VI MÁY PHÁT ĐIỆN, ĐỘNG CƠ ĐIỆN LÝ THUYẾT – CÔNG THỨC Lý thuyết + Máy phát điện xoay chiều pha:... không nói u giảm u tăng đặt dấu +) IV CÔNG SUẤT CỦA MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU Lý thuyết U 2R + Công suất dòng điện xoay chiều: P = UIcos = I2R = Z R UR + Hệ số công suất: cos = Z U U2 + Đoạn mạch