Đang tải... (xem toàn văn)
chuyên đề lý thuyết về dòng điện xoay chiều ngắn gọn dễ hiểuđã gói gon và giảm lược bớt những phần thừa bổ sung kiến thức giúp học sinh thpt rèn luyện cho kì thi thpt lý thuyết chuyên đề lý thuyết vật lý 12
CHUYÊN ĐỀ DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU I ĐẠI CƯƠNG VỀ DỊNG ĐIỆN XOAY CHIỀU * Khái niệm: Dịng điện xoay chiều dịng điện có chiều, cường độ biến đổi theo thời gian thay đổi thường lặp lại theo chu kỳ định Dòng điện thường tạo từ thiết bị phát điện xoay chiều Bên cạnh đó, dịng điện biến đổi từ nguồn điện chiều Nguồn xoay chiều gọi AC – viết tắt Alternating Current Ký hiệu dòng điện xoay chiều thường dấu “~” * Ứng dụng dòng điện xoay chiều sống a Ứng dụng dòng điện xoay chiều pha - Sử dụng nhằm phục vụ nhu cầu hộ gia đình; dùng để chạy thiết bị có cơng suất nhỏ khơng hao phí nhiều điện như: tivi, quạt, đèn chiếu sáng, tủ lạnh, máy sấy tóc,… b Ứng dụng dòng điện xoay chiều pha - Dùng để truyền tải, sản xuất công nghiệp; sử dụng thiết bị điện cơng suất lớn nhằm khắc phục tình trạng hao tổn điện Máy phát điện pha tạo dòng điện pha khỏe pha Nó giúp cho hiệu suất hoạt động máy móc hiệu Vì thế, sử dụng máy phát điện pha dòng xoay chiều pha phương án an toàn, hiệu tiết kiệm * Để tạo dòng điện xoay chiều? + Cách 1: Đặt cuộn dây dẫn kín cho nam châm quay xung quanh + Cách 2: Để cuộn dây dẫn kín quay quanh từ trường nam châm Nguyên tắc tạo dòng điện xoay chiều * Cho khung dây kim loại kín quay với tốc độ góc ω quanh trục đối xứng từ trường có véctơ cảm ứng từ B vng góc với trục quay khung dây Theo định luật cảm ứng điện từ, khung xuất suất điện động biến thiên điều hòa theo thời gian (suất điện động xoay chiều) Biểu thức từ thông suất điện động, Dòng điện xoay chiều, điện áp xoay chiều Giả sử khung dây có N vịng giống hệt mắc nối tiếp, vịng dây có diện tích S, quay với tốc độ từ trường B ; thời điểm ban đầu, véctơ pháp tuyến khung dây hợp với B góc φ * Biểu thức từ thơng: Từ thơng qua N vịng dây thời điểm t là: = cos ( t + ) Wb Trong đó, = N.B.S từ thơng cực đại qua vịng dây (Wb) * Biểu thức suất điện động: Theo định luật Fa-ra-đây cảm ứng điện từ, từ thông biến thiên sinh suất điện động cảm ứng: eC = − N t / = N cos t + − = E cos t + − V 2 2 Trong đó, E = NBS suất điện động cực đại (V); giá trị hiệu dụng E = E0 Vậy suất điện động khung dây biến thiên tuần hồn với tần số góc ω chậm pha từ thông 2 e góc π/2 Pha e Φ hai đại lượng vng pha nên ta có: + = E0 0 * Biểu thức điện áp xoay chiều: Khi khung dây có suất điện động đầu khung dây có điện áp xoay chiều - Nếu khung chưa nối vào tải tiêu thụ suất điện động hiệu dụng điện áp hiệu dụng đầu đoạn mạch - Nếu mạch ngồi kín mạch có dịng điện, điện áp gây mạch ngồi biến thiên điều hòa: u = U0cos(ωt + φu) V ; giá trị hiệu dụng U = U0 * Biểu thức dòng điện xoay chiều: - Dòng điện xoay chiều dịng điện có cường độ biến thiên tuần hoàn theo thời gian i = I0 cos(ωt + φi)(A) đó: i: giá trị cường độ dịng điện xoay chiều tức thời (A) I0 > 0: giá trị cường độ dòng điện cực đại dòng điện xoay chiều (A) I giá trị hiệu dụng I = I0 (ωt + φi): pha thời điểm t; 2 Chu kỳ, tần số dòng điện: T = = ; ω tần số góc ω > 0; φi : Pha ban đầu dòng điện 1 ( s); f = = ( Hz ) ; Mỗi giây dòng điện đổi chiều 2f lần; f T 2 t dq q = idt * Điện lượng qua tiết diện S thời gian từ t1 đến t2 Δq: Δq = i.Δt ⇒ i = dt t1 * Cơng thức tính thời gian đèn huỳnh quang sáng chu kỳ Khi đặt điện áp u = Uocos(ωt + φu) vào hai đầu bóng đèn, biết đèn sáng lên |u| ≥ U1 - Gọi Δt khoảng thời gian đèn sáng chu kỳ: U 4 t = = arccos U0 * Độ lệch pha điện áp dòng điện: φ = φu – φi - Nếu φ > thi điện áp nhanh pha dòng điện hay dòng điện chậm pha điện áp - Nếu φ < thi điện áp chậm pha dịng điện hay dòng điện nhanh pha điện áp 2 Chú ý: - Khi độ lệch pha điện áp dòng điện π/2 u + i = U0 I0 - Nếu điện áp vuông pha với dòng điện, đồng thời hai thời điểm t1, t2 điện áp dịng điện có 2 2 u i u i U u2 − u2 cặp giá trị tương ứng u1; i1 u2; i2 ta có: + = + → = 12 22 I0 i1 − i2 U0 I0 U0 I0 II MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU CHỈ CÓ MỘT PHẦN TỬ Mạch điện xoay chiều có điện trở R: dùng R để Cản trở giảm cường độ dòng điện qua mạch , điều chỉnh mức độ tín hiệu, chia điện áp kích hoạt linh kiện điện tử tranzito Vậy điện trở có vai trị khống chế dịng điện qua tải cách phù hợp Như ta có bóng đèn 9V lại có nguồn 12V, phải l mắc nối tiếp đèn với điện trở để sụt điện áp 3V; R = S Điện trở linh kiện điện tử mạch điện Đặt vào hai đầu đoạn mạch chứa điện trở R điện áp xoay chiều u = U0 cos(t + ) vào hai đầu đoạn mạch có R Theo định luật Ôm: i = Đặt I = U suy R u U0 = cos ( t + ) = I0 cos ( t + ) R R i = I cos ( t + ) = I0 cos ( t + ) Đặc điểm : +) Pha u i pha (u = i ) +) Cường độ dòng điện: I = + Giản đồ vecto: R U U ; I0 = R R UR * Nhiệt lượng tỏa nhiệt điện trở R theo hiệu ứng Junlenxo: Q = I2Rt Lượng nhiệt tỏa bị nước hấp thụ hết thì: Q = I2Rt = mc(t2 – t1) m khối lượng nước (kg); c nhiệt dung riêng nước (J/kg.K ) Δt = t2 - t2 độ biến thiên nhiệt độ ( độ tăng hay giảm nhiệt độ nước) Nếu hiệu suất nước hấp thụ nhiệt khơng đạt 100% thì: H = Qthu mc(t2 − t1 ) = 100% Qtoa RI 2t * Bài toán liên quan tới bóng đèn - Điện trở bóng đèn R = U dm P ; Cường độ dòng điện định mức: I = dm U dm Pdm • Bóng sáng bình thường dịng điện chạy qua bóng dịng điện định mức bóng • Nếu bóng mắc nối tiếp R = R1 + R2 + R3 + + Rn • Nếu bóng mắc song song 1 1 = + + + + R R1 R2 R3 Rn Mạch điện xoay chiều có cuộn cảm L: Cuộn cảm đặc trưng cho khả tích từ I Từ thơng = Li ; Khi dịng điện biến thiên theo tượng tự cảm xuất suất điện động tự cảm hai đầu cuộn cảm e = −L i = −Li 't t Đặt vào hai đầu đoạn mạch chứa cuộn cảm L hiệu điện u = U0cos(ωt + φ) dòng điện qua mạch i = I0 cos t + − 2 Đặc điểm: +) Giản đồ vecto +) Pha u nhanh pha i góc +) Định luật Ơm ; u = i + 2 L U = L = ZL I UL () Z L gọi cảm kháng cảm kháng, đơn vị tính: Ơm Suy ZL = L. = L.2.f ; ZL = U L U 0L = I I0 I Ý nghĩa cảm kháng - Z L đại lượng biểu cản trở dòng điện xoay chiều cuộn cảm - Cuộn cảm có L lớn cản trở nhiều dòng điện xoay chiều, dòng điện xoay chiều cao tần - Z L có tác dụng làm cho i trễ pha so với u 2 u i u i Chú ý: Do u L ⊥ i nên ta có: + = + = U I U I0 Tại hai thời điểm t1 t ta có: 2 U0 u12 i12 u 2 i 2 u12 − u 2 + = + = = ZL U I0 U I0 I0 i 2 − i12 Mạch điện xoay chiều có tụ điện C: Đặc trưng cho khả tích điện Điện tích q = Cu Khi điện tích qua tụ biến thiên có dịng qua tụ Cơng thức tính điện dung tụ phẳng: C= S 9.109.4d : Hằng số điện mơi S: Phần thể tích tụ ( m3 ) d: Khoảng cách hai tụ (m) Đặt điện áp xoay chiều u = U0 cos ( t + ) vào hai đầu đoạn mạch có tụ điện C Điện tích tụ điện: q = Cu = CU cos ( t + ) Lại có: i = dq = q ' ( t ) = −CU sin ( t + ) dt I = CU i = I cos t + + 2 u = U cos ( t + ) Đặt ta có: Hay i = CU cos t + + 2 Đặc điểm: +) Trong mạch điện xoay chiều có tụ điện thì: u +) Giản đồ vecto C ; i = u + 2 U +) Định luật Ôm = = ZC I C ZC gọi dung kháng tụ điện, đơn vị: ( ) chậm pha i góc Suy ra: ZC = I U U 1 = , ZC = C = 0C C C2f I I0 UC Ý nghĩa dung kháng - ZC đại lượng biểu cản trở dòng điện xoay chiều tụ điện - Dịng điện xoay chiều có tần số cao (cao tần) chuyển qua tụ điện dễ dàng dòng điện xoay chiều tần số thấp so với u - ZC có tác dụng làm cho i sớm pha 2 u i u i Chú ý: Do u C ⊥ i nên ta có: + = + = U I U I0 Tại hai thời điểm t1 t ta có: 2 U0 u12 i12 u 2 i 2 u12 − u 2 + = + = = ZC U I0 U I0 I0 i 2 − i12 Lưu ý: • Khi ghép tụ nối tiếp điện dụng tụ xác định: 1 1 = + + + + Cb C1 C2 C3 Cn • Khi ghép tụ song song điện dung tụ xác định: Cb = C1 + C2 + + Cn • Điện mơi bị đánh thủng tượng điện trường tăng vượt qua giá trị giới hạn làm cho điện mơi tính cách điện Điện áp giới hạn điện áp lớn mà điện môi không bị đánh thủng * Các trường hợp mạch ghép R L C: R nối tiếp R ta có: R = R + R C1 nối tiếp C ta có: ZC = ZC1 + ZC2 L1 nối tiếp L ta có: ZL = ZL1 + ZL2 III MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU RLC * Ứng dụng: Làm mạch điều chỉnh phận thu phát radio, truyền hình, lựa chọn dải tần số hẹp sóng vơ tuyến từ mơi trường xung quanh (bộ lọc thông dải) Mạch điện xoay chiều gồm phần tử R, cuộn dây cảm L, tụ điện có C nối tiếp Đặt vào hai đầu đoạn mạch chứa ba phần tử R, L, C mắc nối tiếp hiệu điện u = U0cos(ωt + φu) (V) dịng điện qua mạch i = I0 cos ( t + i ) A u = U cos(t + ) 0R i R Suy ra: uL = u0 L cos t + i + u = uR + uL + uC 2 uC = u0C cos t + i − 2 U R2 + (U L − U C ) U I U U U I = = = R = L = C = Z R Z L ZC R + (Z L − Z C ) * Định luật Ohm cho mạch: U 02R + (U L − U 0C ) U0 U U U = = R = L = 0C = I I = Z R ZL ZC R + (Z L − Z C ) * Điện áp hai đầu đoạn mạch tổng trở mạch: U = U + U − U → U = U + U − U ( L C) ( 0L 0C ) R 0R 2 Z = R + ( Z − Z )2 = U = U R + (U L − U C ) L C I I * Độ lệch pha điện áp cường độ dòng điện mạch φ, = u − i Z L − ZC I ( Z L − ZC ) U L − U C = = tan = R I.R UR ;− 2 cos = R = I.R = U R Z I.Z U Đặc điểm: TH 1: Z L Z C (UL > UC) LC TH 2: Z L Z C (UL < UC) - u nhanh pha i góc φ Khi ta nói mạch có tính cảm kháng UL LC TH ZL = ZC (UL = UC) = (cộng hưởng) LC Z − ZC u chậm pha i góc φ tan = L =0 =0 R Khi ta nói mạch có tức hiệu điện tính dung kháng pha so với cường độ dịng điện U U LC UR I UC Chú ý: Để viết biểu thức điện áp thành phần ta nên so sánh độ lệch với pha dịng điện Khi mạch khuyết phần tử ta bỏ đại lượng phần tử * Cộng hưởng điện mạch RLC nối tiếp 1 - Điều kiện cộng hưởng điện: ZL = ZC L = →ω = → f = → 2LC = C LC 2 LC - Đặc điểm tượng cộng hưởng điện + Khi xảy tượng cộng hưởng điện tổng trở mạch đạt giá trị nhỏ nhất, Zmin = R, cường U ; P = Imax R R max + Điện áp hai đầu điện trở R với điện áp hai đầu mạch, UR = U + Cường độ dòng điện mạch pha với điện áp hai đầu mạch + Các điện áp hai đầu tu điện hai đầu cuộn cảm có độ lớn (tức UL = UC) ngược pha nên triệt tiêu độ hiệu dụng dòng điện đạt giá trị cực đại với Imax= - Ứng dụng: • • • • • Máy thu sóng điện từ radio, loại tivi sử dụng tượng cộng hưởng để chọn thu khuếch đại sóng điện từ có tần số hoạt động thích hợp Mạch khuếch đại trung cao tần sử dụng tượng cộng hưởng khuếch đại Máy chụp cộng hưởng sử dụng rộng rãi y học để chụp quan nội tạng bên người Ứng dụng công nghệ dẫn điện mà không cần dây dẫn thông qua tượng cộng hưởng hai cuộn dây để truyền tải lượng điện Ứng dụng để nghiên cứu hạn chế ảnh hưởng tượng cộng hưởng sản xuất, thiết kế loại máy móc sử dụng cơng trình xây dựng * Liên hệ Z tần số f : - Khi f < fo : Mạch có tính dung kháng , Z f nghịch biến - Khi f > fo : Mạch có tính cảm kháng , Z f đồng biến - Khi f = fo tần sồ lúc cộng hưởng Z nhỏ Mạch điện rlc nối tiếp cuộn dây có thêm điện trở r Xét cuộn dây không cảm (L, r): Khi mắc cuộn dây có điện trở r độ tự cảm L vào mạch điện xoay chiều, ta xem cuộn dây đoạn mạch r nối tiếp với L có giản đồ vectơ hình vẽ dưới: + Tổng trở cuộn dây: Zcd = r + ZL2 = r + (L) Trong đó: ZL = ω L + Điện áp hai đầu cuộn dây nhanh pha cường độ dịng điện góc φ d tính theo công thức: tan φ d = Ud UL U 0L ZL = U 0r r φd Ur I + Biên độ, giá trị hiệu dụng cường độ dòng điện điện áp theo công thức: I0 = U 0d U 0d U U I = d = d = 2 Zd Zd r + ZL r + ZL U2r + Công suất tiêu thụ cuộn dây: P = Ud.I.cos φ d = Ir hay Pr = Z r r + Hệ số công suất cuộn dây : cos φ d = = Zd ZL + r 2 Cho mạch điện xoay chiều RLC cuộn dây khơng cảm mà có thêm điện trở r Khi R r gọi tổng trở mạch R, r nối tiếp nên tổng trở kí hiệu R0 = R + r → UR0 = UR + Ur U R20 + (U L − U C ) U I U U U U * Định luật Ôm I = = = R = L = C = r = Z R Z L ZC r R02 + (Z L − Z C ) * Điện áp tổng trở mạch U = U + (U − U )2 = (U + U ) + (U − U )2 R0 L C R r L C 2 2 Z = R0 + (Z L − Z C ) = ( R + r ) + (Z L − Z C ) * Độ lệch pha điện áp cường độ dòng điện mạch φ, cho hệ thức U L − UC U L − UC Z L − ZC = = , = u − i tan = U UR +Ur R+r R0 sin = U L − U C U Nhận xét : Cuộn dây có thêm điện trở hoạt động r nên coi mạch điện (r, L) thu nhỏ Các công thức tính tốn với cuộn dây tính tốn với đoạn mạch RL khảo sát trên: - Điện áp hai đầu cuộn dây Ud = ULr = U r2 + U L2 - Tổng trở cuộn dây Zd = ZLr = r + Z L2 - Độ lệch pha ud i cho tanφd = ZL → điện áp ud nhanh pha i góc φd hay φd = φud r – φi - Cách nhận biết cuộn dây có điện trở r: + Xét toàn mạch, nếu: Z R + (ZL − ZC ) ; U U 2R + (U L − U C ) P I2R cos R Z cuộn dây có điện trở r + Xét cuộn dây, nếu: Ud UL Zd ZL Pd cosd d cuộn dây có điện trở r Mạch điện xoay chiều có phần tử 3.1 Mạch điện xoay chiều gồm R, L Đặc điểm: U U R2 + U L2 U R U L I RL I = = = = = 2 Z RL U ZL R + ZL Định luật Ohm cho đoạn mạch: U 02R + U 02L U R U L U RL = = = = 2I I = Z RL U ZL R + Z L2 U = U + U R L RL Điện áp tổng trở mạch: Z RL = R + Z L2 Điện áp nhanh pha dòng điện góc φ, xác định từ biểu thức U L ZL tan = U = R R UR R cos = U = Z = RL RL UL U RL R R + ZL2 Giản đồ véc tơ: hi đó: u = i + Chú ý: Để viết biểu thức u, uL, uR mạch RL ta cần phải uL = i + xác định pha i, tính tốn pha theo quy tắc u = i R 3.2 Mạch điện xoay chiều gồm R, C O I UR U = U + U R C RC Đặc điểm: Điện áp tổng trở mạch: 2 Z RC = R + Z C U U R2 + U C2 U R U C I I = RC = = = = Z RC U ZC R + Z C2 Định luật Ohm cho đoạn mạch: U 02R + U 02C U R U 0C U RC = = = = 2I I = Z RC U ZC R + Z C2 U Z Điện áp chậm pha dịng điện góc φ: tan = − C = − C ; = u - i UR R O UR I Chú ý: Để viết biểu thức u, uC, uR mạch RC ta cần phải xác uC = i − định pha i, tính tốn pha theo quy tắc u = i R UC U RC 3.2 Mạch điện xoay chiều gồm L, C Đặc điểm: U C = U L − U C Z C = Z L − Z C Điện áp tổng trở mạch: U LC U L − U C U L U C I = = = = I = Z LC Z L − ZC Z L ZC → I = U LC = U L − U 0C = U L = U 0C = I Z Z L − ZC ZL ZC LC * Giản đồ véc tơ: - Khi UL > UC hay ZL > ZC uLC nhanh - Khi UL < UC hay ZL < ZC uLC chậm pha pha i góc π/2 Khi ta nói mạch có tính i góc π/2 Khi ta nói mạch có tính dung cảm kháng kháng U UL L U LC I I U LC UC UC Hình b Hình a IV CƠNG SUẤT CỦA MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU Cơng suất mạch điện xoay chiều * Công suất tức thời: Cho mạch điện xoay chiều có biểu thức điện áp dòng điện u = U cos(t + u )V = U cos(t + u )V i = I cos(t + i ) A = I cos(t + i ) A Công suất tiêu thụ điện đoạn mạch thời điểm gọi công suất tức thời p = ui = U cos ( t + u ) I0 cos ( t + i ) = U I cos + cos(2t + u + i ) p = UI.cos + UI cos(2t + u + i ) * Công suất trung bình dịng điện xoay chiều (cơng suất dịng điện xoay chiều) W - Biểu thức cơng suất: P = ; W: điện tiêu thụ đoạn mạch khoảng t thời gian t + Số hạng thứ UI.cos không phụ thuộc vào thời gian, nên lấy giá trị bình có giá trị khơng đổi; + Số hạng thứ hai UI cos(2t + u + i ) hàm tuần hoàn dạng sin thời gian, nên lấy giá trị trung bình chu kì khơng Cơng suất dòng điện xoay chiều: P = UI.cos ; = u − i U: hiệu điện hiệu dụng (V) I: Cường độ dòng điện hiệu dụng (A) P: Cơng suất dịng điện xoay chiều (W); 1kW = 103W; 1MW = 106W cos hệ số công suất Hệ số công suất P 2P Theo khái niệm hệ số công suất: cosφ = = UI U I Theo giản đồ: Đoạn mạch RLC: cos = U R hay cos = R U Z Đoạn mạch RrLC: cos = Đọan cos d = U + Ur R+r hay cos = R U Z U Rr mạch chứa cuộn dây: r r = Zd r + Z2L Ud UL φd Ur I Công suất, hệ số công suất số loại đoạn mạch điện thường gặp Mạch có R Mạch có L Mạch có C = 0→cos = →P = UI = I R = → cos = → P = = - → cos = → P = 2 Mạch RL Mạch RC Mạch LC Z = R + Z L R → P = I2 R cos = 2 R + ZL tan = Z L R Z = R + Z C R → cos = R + Z C2 tan = − Z C R Z = Z L − Z C → P =0 = P = I2 R Mạch RL (cuộn dây có thêm r ≠ 0) * Hệ số cơng suất Mạch RLC (cuộn dây có thêm r ≠ 0) * Hệ số công suất cos = R0 R +Z R+r = L (R + r) + Z 2 L * Công suất tỏa nhiệt toàn mạch U P = I2(R+r); I = ( R + r ) + Z L2 * Công suất tỏa nhiệt R PR = I2R; I = U (R + r) + Z + Khi cos = P = Pmax = UI = L cos = R0 R + (Z L − Z C ) 2 R+r = ( R + r ) + (Z L − Z C ) 2 * Công suất tỏa nhiệt toàn mạch P = I2(R+r); I = U ( R + r ) + (Z L − Z C ) * Công suất tỏa nhiệt R PR = I2R; I = U ( R + r ) + (Z L − Z C ) 2 = 0: mạch có R, mạch RLC có cộng hưởng (ZL = ZC): U2 R + Khi cos = tức = ; Mạch có L, C, có L C mà khơng có R thì: P = Pmin = * Ý nghĩa hệ số công suất: - Hệ số công suất cosφ tiêu để đánh giá xí nghiệp dùng điện có hợp lý tiết kiệm điện hay khơng - Nếu nguồn cung cấp điện máy phát điện máy biến áp có dung lượng, cơng suất tính KVA; hệ số cơng suất cao, thành phần công suất tác dụng lớn Lúc này, máy sinh nhiều cơng hữu ích - Hệ số công suất phụ thuộc vào kết cấu mạch điện, muốn tận dụng khả làm việc máy điện thiết bị hệ số cơng suất phải lớn - Để nâng cao hệ số công suất làm giảm vốn đầu tư, xây dựng đường dây làm giảm tổn thất lượng truyền tải Người ta thường dùng tụ mắc song song với tải V MÁY PHÁT ĐIỆN, BIẾN ÁP, TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG I Máy phát điện xoay chiều * Khái niệm: Máy phát điện xoay chiều máy phát điện chuyển đổi lượng học thành điện dạng điện xoay chiều Vì lý chi phí đơn giản, hầu hết phát điện sử dụng từ trường quay với thiết bị cố định * Tác dụng: Phát điện;chỉnh lưu dòng xoay chiều thành dòng chiều; hiệu chỉnh điện áp: hạn chế điều chỉnh điện áp phát ra, giữ cho nguồn điện phát ổn định * Nguyên tắc tạo dòng điện xoay chiều - Nguyên tắc hoạt động loại máy phát điện xoay chiều dựa tượng cảm ứng điện từ Số đường sức từ nam châm qua tiết diện cuộn dây thay đổi Khi từ thông qua vòng dây biến thiên điều hòa, vòng dây xuất suất điện động cảm ứng xoay chiều Nếu từ thơng qua N vịng dây biến thiên theo quy luật = NBScos t = N cos t (N số vòng dây S diện tích vịng; từ thơng cực đại) Có cách tạo suất điện động xoay Suất điện động cảm ứng xoay chiều cuộn dây: chiều thường dùng máy điện -d e= = NBS sin t = N cos t − - Từ trường cố định, vòng dây dt 2 quay từ trường E0 = N biên độ suất điện động (suất điện - Từ trường quay, vòng dây đặt cố động cực đại) định 1 Máy phát điện xoay chiều pha Sử dụng điện lưới, thiết bị sử dụng gia đình, cửa hàng, qn ăn có cơng suất nhỏ, tiêu thụ điện * Cách mắc: Thường có dây dẫn: dây nóng (dây lửa) dây lạnh (dây mát); hiệu điện dây 220V Mắc dây nóng dây nóng, dây lạnh với dây lạnh (có kí hiệu riêng) * Cấu tạo: + Phần cảm: Là nam châm điện sinh từ Phần cố định gọi stato; phần quay gọi trường; Có thể nam châm điện nam châm roto vĩnh cửu, có cấu tạo đối xứng với p cặp cực N-S Với máy phát điện công suất lớn, cuộn dây phần cảm chuyển động phần ứng đứng yên Nếu máy phát có p cặp cực nam châm roto quay với tốc độ n Tần số dòng điện máy phát ra: f = np (với n vòng/s) + Phần ứng: cuộn dây cố định np f= (với n vòng/phút) vòng tròn 60 Gồm p cặp cuộn dây Các cuộn dây bố trí n f 2 E cách thân máy cho chúng đồng = = = n1 f1 1 E1 thời đối diện với p cặp cực nam châm * Ưu điểm: Khả đồng hóa - Có thể tự điều chỉnh tốc độ, phạm vi xác - cấu tạo đơn giản, chất lượng tốt hiệu cao Máy phát điện xoay chiều ba pha Sử dụng điện lưới nhà máy sản xuất có cơng suất lớn * Cấu tạo hoạt động máy phát điện xoay chiều ba pha - Stato: Ba cuộn dây hình trụ giống gắn cố định vịng trịn ba vị trí đối xứng, lệch góc 2 đường trịn - Rơ to: Nam châm quay với tốc độ góc khơng đổi từ thơng qua ba cuộn dây dao động điều hòa tần số, biên độ lệch pha góc * Cách mắc: Mắc hình tam giác * Suất điện động dòng điện - Máy phát điện ba pha máy tạo ba suất điện động xoay chiều hình sin có tần số, biên độ lệch pha e1 = E0 cos t 2 e2 = E0 cos(t − 2 ) 3 2 e3 = E0 cos(t + ) 2 - Dòng điện xoay chiều ba pha hệ thống gồm ba dòng điện xoay chiều pha, có tần số, i1 = I 01 cos t 2 lệch pha 2 i2 = I 02 cos(t − ) 3 2 i3 = I 03 cos(t + ) - Nếu ba tải đối xứng thì: I01 = I02 = I03 = I0 * ưu điểm: Máy phát điện pha tạo từ dòng điện pha Khi dòng điện pha truyền xa, tiết kiệm dây dẫn so với truyền điện dịng điện pha II Động khơng đồng ba pha (động điện xoay chiều) Định nghĩa: động điện hoạt động với tốc độ quay Rotor chậm so với tốc độ quay từ trường Stato, ℓà thiết bị biến đổi điện thành sở tượng cảm ứng điện từ sử dụng từ trường quay Cấu tạo - Stato có ba cuộn dây giống quấn ba lõi sắt lệch 1/3 vòng tròn - Roto hình trụ tạo nhiều thép mỏng ghép cách điện với nhau, có rãnh xẻ mặt ngồi Roto lồng sóc Ứng dụng * Động không đồng pha: Quạt điện gia đình, máy khoan, máy bơm, máy nghiền bột, máy hút bụi, quạt hút mùi, máy cạo râu, * Động khơng đồng pha: • Dùng vận hành thang máy • Sử dụng cẩu trục, cần cẩu • Là động loại máy mài, máy tiện, máy cắt • Nhà máy chiết xuất dầu • Cánh tay robot • Hệ thống băng tải • Dùng hệ thống máy nghiền công suất lớn * Công suất hiệu suất động - Công suất động không đồng pha: P = U.I.cos + Cơng suất có ích: Pci = Pco + Cơng suất hao phí: Php = Pnhiet = I R + Công suất động pha: P = Pco + Pnhiet Pco = P − Pnhiet = UI cos − I R - Hiệu suất động không đồng pha: H = Pco P III Máy biến áp * Định nghĩa: Máy biến áp thiết bị hoạt động dựa tượng cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi điện áp xoay chiều mà không làm thay đổi tần số * Cấu tạo: Gồm cuộn dây có số vịng dây khác quấn lõi sắt kín Các vịng dây bọc lớp sơn cách điện để cách điện với cách điện với lõi thép − Cuộn dây sơ cấp có N1 vịng cuộn dây mắc vào mạng điện xoay chiều U1 − Cuộn dây thứ cấp có N2 vịng cuộn dây nối với tải tiêu thụ, có điện áp U2 Máy biến áp pha sử dụng lắp đặt nơi phải tiêu thụ lượng điện vô lớn cao ốc, chung cư, bệnh viện, trạm biến áp… Máy biến áp pha thường dùng gia đình, đo lường, lị luyện kim, hàn điện… * Nguyên tắc hoạt động: Dựa tượng cảm ứng điện từ - Đặt điện áp xoay chiều tần số f hai đầu cuộn sơ cấp Nó gây biến thiên từ thông hai cuộn Gọi từ thông là: = 0cos(ωt) Wb - Từ thông qua cuộn sơ cấp thứ cấp 1 = N10cos(ωt) 2 = N20cos(ωt) Trong cuộn thứ cấp xuất suất điện động cảm ứng e2 có biểu thức d e2 = = N2ω0sin ωt dt * Công thức máy biến áp: N1, N2 số vòng cuộn sơ cấp thứ cấp U1, U2 hiệu điện đầu cuộn sơ cấp thứ cấp I1, I2 cường độ hiệu dụng dòng điện đầu cuộn sơ cấp thứ cấp − Với máy biến khơng có tải tiêu thụ, ta có: N2 U2 = N1 U1 • Nếu N2 ta có U2 > U1, máy biến áp lúc máy tăng áp N1 • Nếu N2 ta có U2 < U1, máy biến áp lúc máy hạ áp N1 * Với máy biến lí tưởng (bỏ qua hao phí) có tải tiêu thụ mạch thứ cấp Cơng suất máy biến thế: Cuộn sơ cấp: P1 = U1I1cosφ1; Cuộn thứ cấp: P2 = U2I2cosφ2 P U I cos 2 - Hiệu suất máy biến thế: H = = 2 P1 U1 I1 cos 1 - Nếu bỏ qua hao phí tiêu thụ điện tức: cosφ1 = cosφ2 H = 1: E1 U1 N1 I = = = E U N I1 Kết luận: Dùng máy biến áp tăng điện áp lần cường độ dịng điện giảm nhiêu lần ngược lại DẠNG 1: Máy biến áp lý tưởng Máy biến áp có cuộn thứ cấp nối với điện trở R + Công thức: U1 N1 I = = U N I1 với I = U2 R Máy biến áp có cuộn thứ cấp nối với mạch RLC + Áp dụng công thức: U1 N1 I = = U N I1 với I = U2 R + (Z L − ZC )2 + Công suất tải tiêu thụ: Ptt = P2 = I 22 R + Hiệu suất truyền tải: H = P2 I 22 R = P1 U1 I1 Máy biến áp có cuộn thứ cấp nối với động điện + Mạch thứ cấp nối với động điện hoạt động bình thường với cơng suất Pdc = UI cos ta có: P2 = Pdc U1 N1 = Pdc U N2 I2 = I = U cos H = P2 = P2 U = U P1 U1 I1 Máy biến áp có n vòng dây quấn ngược + Nếu vòng dây có n vịng dây bị quấn ngược từ trường n vòng dây ngược với từ trường phần cịn lại nên có tác dụng khử bớt từ trường n vòng dây lại, tức cuộn dây bị 2n vòng dây + Nếu cuộn sơ cấp bị quấn ngược n vòng: U1 N1 − 2n = U2 N2 + Nếu cuộn thứ cấp bị quấn ngược n vòng: U1 N1 = U N − 2n Máy biến áp mà cuộn thứ cấp có nhiều đầu + Đối với máy biến áp lý tưởng mà cuộn thứ cấp có đầu (hình bên) đầuu nối với điện N ,I I trở R R’ 2 U2 U1 R N3 ,I3 U3 N1 R' + Khi U2 U N U = N ; I2 = R 1 Psc = Ptc U1 I1 = U I + U I U = N3 ; I = U 3 U1 N1 R' DẠNG 2: Máy biến áp có điện trở trong cuộn dây Nếu coi cuộn sơ cấp có điện trở - cuộn thứ cấp có điện trở khơng đáng kể + Nếu cuộn thứ cấp để hở cịn cuộn sơ cấp có điện trở r xem điện áp đầu vào U1 phân bố r cuộn cảm L.; U1 = U r + U L U12 = U r2 + U L2 + Chỉ có thành phần U L gây tượng cảm ứng điện từ, công thức máy biến áp: U L N1 = U N2 Nếu coi cuộn thứ cấp có điện trở R2 (tải ngồi mắc với điện trở R) - cuộn sơ cấp có điện trở khơng đáng kể Ta có: N1 U1 = N U + I R2 VI Truyền tải điện * Vai trò hệ thống truyền tải điện Là nhà máy điện đấu nối vào lưới điện truyền tải Truyền tải điện với công suất lớn xa * Nguyên lí việc truyền tải điện năng: Điện nhà máy điện sản xuất hàng chục kilôvôn (KV) Trong trình truyền tải điện năng, trước hết phải sử dụng máy biến áp tăng áp để nâng hiệu điện lên hàng trăm kilơvơn sau nối vào mạng truyền tải điện Khi đạt đến công suất tiêu thụ cục bộ, thiết bị hạ bậc giảm dần điện áp đạt điện áp yêu cầu Điện sản xuất truyền tải P = UIcosφ (trong I P cường độ dòng điện hiệu dụng đường dây I = ) đến Ucos nơi tiêu thụ đường dây dẫn dài hàng trăm km bị tiêu hao R/2 Nhà máy điện U R/2 Nơi tiêu thụ P P2 R = R; tỏa nhiệt công suất P = I R= (U cos )2 U cos với R điện trở đường dây Vậy vấn đề đặt làm để truyền tải điện đến nơi sử dụng mà giảm công suất tỏa nhiệt tăng cơng suất sử dụng hữu ích Có hai phương án giảm P: - Phương án 1: Giảm R ℓ Do R = nên để giảm R cần phải tăng tiết diện S dây dẫn ta phải thay dây dẫn S vật liệu khác (giảm ), ví dụ thay dây đồng dây bạc, dây siêu dẫn, Điều tốn kém, mà hao phí lại giảm Nếu khơng thay dây dẫn khác, ta tăng tiết diện dây đồng làm điện trở giảm Thế tăng tiết diện khối lượng dây dẫn tăng lên, cột điện phải tăng lên để chịu trọng lượng dây Như vậy, ta không nên giảm R để giảm hao phí Phương án khơng khả thi tốn kinh tế - Phương án 2: Tăng U Bằng cách sử dụng máy biến áp, tăng điện áp U trước truyền tải cơng suất tỏa nhiệt đường dây hạn chế Phương án khả thi khơng tốn kém, thường sử dụng thực tế.Điều thực dễ dàng nhờ máy biến áp, tăng u lên n lần hao phí giảm n2 lần, nên thực tế, để giảm hao phí người ta tăng điện áp trạm phát Trước đến nơi tiêu thụ, điện áp dây phải qua trạm biến áp (cụ thể hạ áp) để tạo hiệu điện phù hợp cho nơi tiêu thụ * Cơng suất có ích: Cơng suất tỏa nhiệt cơng suất hao phí đường dây, phần cơng P2 suất hữu ích sử dụng là: Pcó ích = P - P = P − R (U cos )2 Pcó ích Từ hiệu suất trình truyền tải điện H = P = P − P P = 1− P P DẠNG 1: Bài toán truyền tải điện xa Các toán thường gặp đơn giản - Cường độ dòng điện hiệu dụng chạy đường dây: I = - Độ giảm (độ sụt áp) đường dây: U = IR = P U cos PR U cos P - Công suất hao phí đường dây: P = I R = R U cos - Điện hao phí đường dây sau thời gian t: A = P.t P PR - Phần trăm hao phí: h = = P (U cos )2 - Hiệu suất truyền tải: H = Ptt P − P P = = 1− = 1− h P P P Hiệu suất truyền tải phần trăm hao phí thay đổi -Áp dung cơng thức: h = − H = PR U cos PR h1 = − H1 = U cos h1 − H1 U +Thay đổi U: = = PR h − H 2 U1 h = − H = U 22 cos PR1 h1 = − H1 = U cos h1 − H1 R1 d +Thay đổi R: = = = (với d1 , d đường kính h2 − H R2 d1 h = − H = PR2 U cos dây dẫn trước sau thay đổi) P1 R h1 = − H1 = U cos h − H1 P1 +Thay đổi P: = = P2 R h2 − H P2 h = − H = U cos -Gọi P1tt P2tt công suất nơi tiêu thụ nhận trường hợp đầu trường hợp sau P1 = Ta có: P = P1tt H1 P2tt H2 h1 − H1 H P1tt = = h2 − H H1 P2tt VI CỰC TRỊ TRONG MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU MẠCH RLC CÓ R THAY ĐỔI 1.1 Khi R biến thiên cơng suất cực đại * Mạch RLC, cuộn dây cảm - Điều kiện: R =| Z L − Z C | Pmax = - Giá trị R R U2 U2 = ; cosφ = = = Z Z L − ZC R R + R2 * Khi cuộn dây có thêm điện trở hoạt động r ≠ Dk : R + r =| ZL − ZC | TH1: Công suất tỏa nhiệt toàn mạch cực đại: U2 U2 gia tri : P = = max Z L − ZC ( R + r ) Dk : R = r + (Z − Z ) L C TH2: Công suất tỏa nhiệt R cực đại: U2 gia tri : (P ) = R max 2r + r + (Z L − ZC ) * Khi R = thì: UL max = Imax ZL = Imax = U ; Z L − ZC I U ZC U Z L ; U C max = I max ZC = ; Z L − ZC Z L − ZC * Khi R → Imin U =0 L = UC = O 1.2 Khi R biến thiên có hai giá trị cho P * Mạch RLC có R thay đổi mà R = R1 R = R2 P1 = P2 thỏa mãn - Điều kiện: 1 + 2 = ; R = R1R = (ZL − ZC ) ; - Giá trị: Pmax = U U2 U2 ; P= = Z L − ZC R1 + R 2 R1 R2 MẠCH RLC CĨ L THAY ĐỔI 2.1 Cơng suất cực đại * Điều kiện: ZL = ZC 2 LC = ; * Giá trị: Imax = R L A U U2 ; Pmax = = I max (R + r); R+r R+r B U R max = I max R; U Cmax = I max ZC ; ULC(min) = 2.2 Có hai giá trị L1 L2 cho giá trị công suất (cùng I) * Điều kiện: ZL0 = ZC = ZL1 + ZL2 L1 + L = C 2 C R * Giá trị: Imax = U U2 ; Pmax = = I max (R + r); R+r R+r U R max = I max R; U Cmax = I max ZC 2.3 Giá trị ZL để hiệu điện ULmax R + ZC2 ; u = u RC + ZC * Điều kiện: ZL = R + ZC2 ; R * Giá trị: U L max = U (U L )2max = U + U R2 + U C2 2.4 Có hai giá trị L1 L2 cho giá trị UL 1 * Điều kiện: = + L L1 L * Giá trị: ULmax = I.ZL 2.5 Giá trị ZL để hiệu điện URLmax * Điều kiện: Z C + Z C2 + R Z L = (U RL )max = * Giá trị: ( U Z C + Z C2 + R 2R ) =U Z L R MẠCH RLC CÓ C THAY ĐỔI 3.1 Công suất cực đại * Điều kiện: ZL = ZC 2 LC = ; * Giá trị: Imax = U U2 ; Pmax = = I max (R + r); R+r R+r U R max = I max R; U Cmax = I max ZC ; ULC(min) = 3.2 Có hai giá trị C1 C2 cho giá trị công suất (cùng I) * Điều kiện: C = C0 ; * Giá trị: Imax = 1 = + ( Z C1 + Z C = Z C ) C0 C1 C2 U U2 ; Pmax = = I max (R + r); R+r R+r U R max = I max R; U L max = I max Z L 3 Giá trị ZC để hiệu điện UCmax R + Z2L * Điều kiện: ZC = ; ZL * Giá trị: U Cmax R + ZL2 =U ; R ( UC )max = U2 + U2R + U2L 3.4 Có hai giá trị C1 C2 cho giá trị UC * Điều kiện: C1 + C = 2C * Giá trị: UCmax = I.ZC 3.5 Giá trị ZC để hiệu điện URCmax * Điều kiện: * Giá trị: Z L + Z L2 + R ZC = (U RC )max = ( U Z L + Z L2 + R 2R MẠCH RLC CĨ TẦN SỐ THAY ĐỔI 4.1 Cơng suất cực đại * Điều kiện: ZL = ZC 2 LC = ; ) =U Z C R * Giá trị: Imax = U U2 ; Pmax = = I max (R + r); R+r R+r U R max = I max R; U Cmax = I max ZC ; ULC(min) = cos φ = tan = 4.2 Hai giá trị ω cho I, P, hệ số công suất * Điều kiện: ω0 = ω1ω2 = LC * Giá trị: Imax; ( cosφ )max 4.3 Hai giá trị ω cho UL * Điều kiện: 4.4 Hai giá trị ω cho UC 1 1 = 2+ 2 0 1 2 * Điều kiện: 02 = ( 1 + 22 4.5 Tần số thay đổi để UCmax * Điều kiện: = R2 − LC 2L 4.6 Tần số thay đổi để ULmax * Điều kiện: = 2LC − R 2C2 ) (R 2L ) C (R 2L ) C