* Để nâng cao hệ số công suất của mạch bằng cách mắc thêm vào mạch cuộn cảm hoặc tụ điện thích hợp sao cho cảm kháng và dung kháng của mạch xấp xĩ bằng nhau để cos 1.. Nếu nối tiếp vớ
Trang 1SỞ giáo dục & đào tạO VĨNH PHÚC
TRƯỜNG THPT THÁI HềA
-
-CHUYấN ĐỀ CễNG SUẤT CỦA DềNG
ĐIỆN XOAY CHIỀU
Tổ: TỰ NHIấN
GV: ĐẶNG VĂN VINH
Năm hoc: 2013 – 2014
Trang 2CHUYÊN ĐỀ CÔNG SUẤT ĐIỆN CỦA DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU
I.KIẾN THỨC CƠ BẢN:
Công suất của dòng điện xoay chiều: P = UIcos = I2R = 2
2
Z
R U
- Hệ số công suất: cos = Z
R
=
R
U U
- Ý nghĩa của hệ số công suất cos
+ Trường hợp cos = 1 tức là = 0: mạch chỉ có R, hoặc mạch RLC có cộng hưởng
điện (ZL = ZC) thì
P = Pmax = UI = R
U2
= I2R
+ Trường hợp cos = 0 tức là = 2
: Mạch chỉ có L, hoặc chỉ có C, hoặc có cả L
và C mà không có R thì P = Pmin = 0
- R tiêu thụ năng lượng dưới dạng toả nhiệt, ZL và ZC không tiêu thụ năng lượng của nguồn điện xoay chiều
* Để nâng cao hệ số công suất của mạch bằng cách mắc thêm vào mạch cuộn cảm hoặc
tụ điện thích hợp sao cho cảm kháng và dung kháng của mạch xấp xĩ bằng nhau để cos
1
Đối với các động cơ điện, tủ lạnh, … nâng cao hệ số công suất cos để giảm cường độ dòng điện
* Hệ số công suất có ý nghĩa lớn trong việc giảm hao phí trong quá trình truyền tải điện
năng đi xa Nếu hệ số công suất lớn thì công suất hao phí sẽ nhỏ
II MỘT SỐ DẠNG BÀI TẬP:
1 Tính công suất tiêu thụ bởi đoạn mạch điện xoay chiều
Cách giải:
- Áp dụng các công thức:
+ Công thức tổng quát tính công suất: P UI cos
+ Với đoạn mạch RLC không phân nhánh, có thể tính công suất bởi: P UI cos
+ Hệ số công suất (đoạn mạch không phân nhánh): cos
P R
UI Z
Bài tập
TỰ LUẬN:
vônkế có rất lớn đo ở hai đầu cuộn cảm, điện trở và cả đoạn mạch ta có các giá trị tương ứng là 100V, 100V, 173,2V Suy ra hệ số công suất của cuộn cảm
Trang 3Bài giải
Theo bài ra :
Ta có:
Hệ số công suất của cuộn cảm:
0
0 0
100
R
U R
Bài 2: Đặt một hiệu điện thế xoay chiều có tần số góc vào hai đầu cuộn dây có R, L
thì công suất tiêu thụ của đoạn mạch là P1 Nếu nối tiếp với cuộn dây một tụ điện C với
2
2LC 1và đặt vào hiệu điện thế trên thì công suất tiêu thụ là P2 Tính giá trị của P2
Bài giải
Cường độ dòng điện trước khi mắc tụ điện C:
L
U I
R Z
Cường độ dòng điện sau khi mắc thêm tụ điện C là:
( L C)
U I
Do 2LC2 1 2Z L Z C Suy ra 2 2 ( L)2
U I
Suy ra I2=I1 P2=P1
Bài 3 : Cho một đoạn mạch điện gồm một biến trở R mắc nối tiếp với một tụ điện có
Bài giải
Khi
Khi
Trang 4R P' P
0
+
Pmax
R O
P Pmax
b
Với:
Bài 4: Cho đoạn mạch điện xoay chiều RLC mắc nối tiếp Đặt vào hai đầu mạch một
hiệu điện thế ổn định u = Uo cos(2ft) Vẽ đồ thị biểu diễn sự biến đổi của công suất tiêu thụ P của đoạn mạch điện khi cho điện trở R của đoạn mạch thay đổi từ 0
Bài giải:
+ Công suất tiêu thụ:
R2+(Z L−Z C)2=
aR
R2+b
+ Lấy đạo hàm của P theo R: P'=
a(b−R )
(R2+b )2
+ Lập bảng biến thiên:
+ Đồ thị của P theo R
TRẮC NGHIỆM:
Bài 1: Chọn câu đúng Hiệu điện thế giữa hai đầu một đoạn mạch xoay chiều là:
u = 100 2cos(100t - /6)(V) và cường độ dũng điện qua mạch là i = 4)(V) và cường độ dũng điện qua mạch là i = 4 2cos(100t
-/2)(A) Công suất tiêu thụ của đoạn mạch đó là:
A 200W B 6)(V) và cường độ dũng điện qua mạch là i = 400W C 400W D 800W.
CHỌN A
Trang 5Bài 2: Cho mạch điện xoay chiều RLC mắc nối tiếp, có R là biến trở Đặt vào hai đầu
đoạn mạch hiệu điện thế xoay chiều có biểu thức u120 2 cos(120 )t V Biết rằng ứng với hai giá trị của biến trở :R1=18,R2=32 thì công suất tiêu thụ P trên đoạn mach như nhau Công suất của đoạn mạch có thể nhận giá trị nào sau đây: A.144W
B.288W C.576)(V) và cường độ dũng điện qua mạch là i = 4W D.282W
Bài giải
Áp dụng công thức:R R1 2 (Z L Z C)2 Z L Z C R R1 2 24
2
288 ( L C) ( L C)
Bài 3: Khi đặt một hiệu điện thế u = 120cos200t (V) vào hai đầu đoạn mạch gồm cuộn
dây có L = 200
R
Khi đó hệ số công suất của mạch là:
A 2
2
B 4
2
C 2
3
D 3 3
có L =
0.75
H
và điện trở thuần R mắc nối tiếp.Để công suất của mạch có giá trị P
=125W thì R có giá trị
A 25
B 50
C 75
D 100
Bài 5: Một mạch xoay chiều R,L,C không phân nhánh trong đó R= 50, đặt vào hai đầu
mạch một hiệu điện thế U=120V, f0 thỡ i lệch pha với u một gúc 6)(V) và cường độ dũng điện qua mạch là i = 400, cụng suất của mạch là
A 288W B 72W C 36)(V) và cường độ dũng điện qua mạch là i = 4W D 144W
Bài 6: Một cuộn cảm mắc nối tiếp với một tụ điện, đặt vào hai đầu đoạn mạch một hiệu
điện thế xoay chiều cú U=100(V) thỡ hiệu điện thế hai đầu cuộn dõy là U1=100(V), hai đầu tụ là U2=100 2(V) Hệ số cụng suất của đoạn mạch bằng:
CHỌN
CHỌN A
Trang 6Bài 7: Cho đoạn mạch RLC, R = 50W Đặt vào mạch u = 100 2sinựt(V), biết hiệu điện thế giữa hai bản tụ và hiệu điện thế giữa hai đầu mạch lệch pha 1 góc /6)(V) và cường độ dũng điện qua mạch là i = 4 Công suất tiêu thụ của mạch là
2 Định điều kiện R,L,C để công suất đạt cực trị
Cách giải:
- Dựa vào các công thức có liên quan, lập biểu thức của đại lượng cần tìm cực trị dưới dạng hàm của 1 biến thích hợp
- Tìm cực trị bằng càc phương pháp vận dụng
+ Hiện tượng cộng hưởng của mạch nối tiếp
+ Tính chất của phân thức đại số
+ Tính chất của hàm lượng giác
+ Bất đẳng thức Cauchy
+ Tính chất đạo hàm của hàm số
CÁC GIÁ TRỊ CỰC ĐẠI
Công suất cực đại:
2 2
U
P = RI = R
R + (Z - Z )
R đổi :
2
2 2
L C
L C
P = RI =
(Z - Z ) + (Z - Z )
2
R R
R
R
Pmax khiRZ L Z C
2 max 2 L C
U P
Z Z
L đổi :
2
C
U
P R
R + ( L- Z )
=
Z
2
U R
C đổi :
2
L
U
P R
R + (Z - C)
=
Z
Pmax khi Z L- Z C=0 Z C=Z L
ω đổi:
2
L
U
P R
R + (Z - C)
=
Z
Pmax khi Z L- Z C=0 Z C=Z L
Trang 7C
K
W
V
~
u
R
A
Bài tập
a) Dạng bài tập R đổi:
TỰ LUẬN:
Bài 1: Cho mạch điện xoay chiều gồm cuộn dây có
4
r 50 ;L H
10
, và tụ điện có điện dung
4 10 C
F và điện trở thuần R thay đổi được Tất cả được mắc nối tiếp với nhau, rồi đặt vào hai đầu đoạn mạch có hiệu điện thế xoay chiều u 100 2 cos100 t(V) Công suất tiêu thụ trên điện trở R đạt giá trị cực đại khi R có giá trị bằng bao nhiêu ?
Bài giải
Z 40 ; Z 100
L C
P
(R r) (Z Z )
Áp dụng BĐT côsi:
L C
L C
r (Z Z )
R
Dấu = xảy ra khi R r2 (Z L Z ) C 2 502 6)(V) và cường độ dũng điện qua mạch là i = 402 78.1
Bài 2:Cho mạch điện RLC nối tiếp, trong đó cuộn L thuần cảm, R là biến trở Hiệu điện
thế hiệu dụng U=200V, f=50Hz, biết ZL = 2ZC,điều chỉnh R để công suất của hệ đạt giá trị lớn nhất thì dòng điện trong mạch có giá trị là I= Tính giá trị của C, L
Bài giải
P max khi và chỉ khi: RZ L Z C hay R Z doZ C( L 2Z C)
U Z I
Hay R2(Z L Z C)2 100 2
100
10
C
C
Z
2
2 200 L
Z
Bài 3: Cho mạch điện như hình vẽ bên, các dụng cụ đo không ảnh hưởng gì đến mạch
điện
1 K mở: Để R=R1 Vôn kế chỉ 100V, Wat kế chỉ 100W, ampe kế chỉ 1,4= √2 A
a.Tính R1 và cảm kháng cuộn dây
b.Cho R biến thiên Công suất tiêu thụ mạch cực đại khi R
bằng bao nhiêu? Tính hệ số công suất của mạch lúc đó
Bài giải
7
Trang 8C L
Hình 1
B R
A
1.K mở: a) U=100(V), P=PR=100W, I= √2 A
P=I2R1 ⇔ 100=( √2 )2R1 ⇒ R1=50(Ω))
Z=
U
I = √R
12 +Z
b) P=I2R =(
U
Z)
2R
=
U2R
R2+Z L2 =
U2 R+ Z L2
R
Z L2
Z L2
R =ZL2=hằng số
Z
L2
Z L2
Cosφ=
R
Z =
50
50√2 ≈0,7
1 K đóng: Zc=
1
ωCC =100(Ω))
a) Vẽ giản đồ vec tơ quay Frecnel Đặt α=( ⃗I¿⃗I OL ).
Ta có: sin α=
I OC
I OL=
U OL
U OC ( U OC=U¿ ).
⇔
U OC
U OL.
Z L
Z C=
U OL
U OC⇒UOC 2=2U
OL2 (*)
Mặt khác: U OC 2=U
OL2+U
O2 , Từ (*) thay vào ta có: UL=U=100(V)
Theo trên: sin α=
U OL
U OC=
√2
2 ⇒α=π /4
Nên: IR=IC=Uc/100= √2 UL/100= √2 (A)
Và I L =I
R2+I
C2=4 ⇒ IL=2( A )=I
b) Watt kế chỉ : P=IR2.R=200W
BÀI TẬP ÁP DỤNG
Bài 1: Cho mạch điện xoay chiều như hình vẽ 1,
200cos100 ( )
AB
C=10−4
2 π (F ) , cuộn dây thuần cảm có độ tự cảm
L= 8
10 π(H ) , R biến đổi được từ 0 đến 200
1 Tìm công thức tính R để công suất tiêu thụ P của mạch cực đại Tính công suất cực đại đó.
8
Trang 9B M
N
B A
V1
N C
R
L,r M
V2
2 Tính R để công suất tiêu thụ P =
3
5P Max
Viết biểu thức cường độ dòng điện khi đó
ĐS:1)R Z L Z C 120 , P max 83.3W
2) R 40 ,i 1.58cos(100 t 1.25)(A)
Bài 2:Cho mạch điện như hình vẽ , cuộn dây
có giá trị hiệu dụng không đổi, có dạng:
u U 2 cos100 t(V)
hiệu điện thế uAN và uMB lệch pha nhau góc 900 Tính các giá trị L và C
2 Khi biến trở R = R1 thì công suất tiêu thụ của mạch điện là cực đại Xác định R1 và giá trị cực đại đó của công suất Viết biểu thức của cường độ dòng điện khi đó
ĐS: 1) L ¿ 0,127H, C ¿ 141,5 μFF
2)R 1 = 17,5 ,P Max =138W
trở vô cùng lớn Đặt vào hai đầu AB một hiệu điện thế xoay
chiều: u AB 240 2 cos100 t(V)
I = 3 A, Vôn kế V2 chỉ 80 3 V, hiệu điện thế
giữa hai đầu các vôn kế lệch pha nhau góc/2 Tính L, C
2 Giữ L, C, UAB không đổi Thay đổi R đến giá trị R2 để công suất trên đoạn AN đạt cực đại Tìm R2 và giá trị cực đại đó của công suất Tìm số chỉ của vôn kế V1 khi đó
ĐS: 1) L ¿ 0,37H, C ¿ = 69
μFF ;
Bài 4: Cho mạch điện RLC nối tiếp, cuộn dây thuần cảm có độ tự cảm
1
L H
, tụ có điện dung C=15,9Fvà điện trở R thay đổi được Đặt vào hai đầu A,B một hiệu điện thế
AB
u 200cos100 t(V)
2 Cho công suất của mạch là P = 80W Tính R? Muốn công suất của mạch này đạt cực
đại thì phải chọn R là bao nhiêu? Tính PMax khi đó
3 Tính R để cho u AN và u MB lệch pha nhau một góc /2
ĐS:1) i 1cos(100 t 6)(V) và cường độ dũng điện qua mạch là i = 4)A
; 2) R 1 200 , R 2 50 , R 100 P MAX 100W 3) R 100 2
TRẮC NGHIỆM:
9
Trang 10Bài 1: Đoạn mạch xoay chiều mắc nối tiếp gồm tụ điện
4 10 C
F , cuộn dây thuần cảm L=
2
1
H và điện trở thuần có R thay đổi Đặt vào hai đầu đoạn mạch hiệu điện thế xoay chiều có giá trị hiệu dụng U = 80V và tần số f = 50 Hz Khi thay đổi R thì công suất tiêu thụ trên mạch đạt giá trị cực đại là:
A Pmax = 6)(V) và cường độ dũng điện qua mạch là i = 44W B Pmax=100W C Pmax=128W D Pmax=150W
=> CHỌN A Bài 2: Cho mạch điện RLC nối tiếp, trong đó cuộn L thuần cảm, R là biến trở Hiệu điện thế
hiệu dụng U=200V, f=50Hz, biết ZL = 2ZC,điều chỉnh R để công suất của hệ đạt giá trị lớn nhất thì dòng điện trong mạch có giá trị là I= Giá trị của C, L là:
A.
1
10 mF và
2
H
3
10 mF và
4
H
B
1
10 F và
2
mH
1
10 mF và
4
H
2 ( L C) 2
P
Vậy P max khi và chỉ khi: RZ L Z C hay R Z doZ C( L 2Z C)
U Z I
Hay R2(Z L Z C)2 100 2
100
10
C
C
Z
2
2 200 L
Z
A
Bài 3: Một đoạn mạch gồm biến trở R mắc nối tiếp với một tụ điện C hiệu điện thế giữa 2
đầu đoạn mạch có biểu thức u U 0 cos t V( ) Hỏi phải cần điều chỉnh R đến giá trị nào để công suất toả nhiệt trên biến trở đạt cực đại ? Tính công suất cực đại đó
A)
2 max
;
2
CU P
C
B)
2 max 2
;
1
CU P
C
C)
2 max 0 , 5
;
2 P CU
C
R
D.)
2 max
1
; 0,5
10
Trang 11A R L,r C B
C R
Bài 4: Cho mạch điện như hình vẽ :
Von kế có điện trở vô cùng lớn u = 200 2cos100πt (V)t (V) AB
L = 1/2 (H), r = 20 (), C = 31,8.10-6)(V) và cường độ dũng điện qua mạch là i = 4 (F)
Để công suất của mạch cực đại thì R bằng
A 30 (); B 40 (); C 50 (); D 6)(V) và cường độ dũng điện qua mạch là i = 40 ()
Bài 5: Cho mạch điện xoay chiều như hình vẽ.C = 318F ; R là biến trở ;lấy
1 0.318
điện thế
Hai đầu đoạn mạch AB :uAB = 100 2cos 100 t (V)
a Xác định giá trị R0 của biến trở để công suất cực đại Tính Pmax đó
b Gọi R1, R2 là 2 giá trị khác nhau của biến trở sao cho công suất của mạch là như nhau Tìm mối liên hệ giữa hai đại lượng này
A R0 = 10; Pmax = 500 W; R1 R2 = R02
B R0 = 100; Pmax = 50 W; R1 R2 = R20
C R0 = 100; Pmax = 50 W; R1 R2 = R20
D R0 = 10; Pmax = 500 W; R1 R2 = 2R20
CHỌ
N A Bài 6: Một mạch R, L, C mắc nối tiếp (cuộn dây thuần cảm) L và C không đổi R thay đổi
được Đặt vào hai đầu mạch một nguồn điện xoay chiều có hiệu điện thế hiệu dụng và tần số không đổi, rồi điều chỉnh R đến khi công suất của mạch đạt cực đại, lúc đó độ lệch pha giữa
u và i là
A /4 B /6)(V) và cường độ dũng điện qua mạch là i = 4 C /3 D /2
Bài 7: Một cuộn dây có điện trở thuần r = 15, độ tự cảm L = 5
1
H và một biến trở thuần được mắc như hình vẽ, u AB 100 2 cos100 ( )t V A R L,r B
Khi dịch chuyển con chạy của biến trở Công
suất toả nhiệt trên biến trở có thể đạt giá trị cực đại là
A 130 W B 125 W C 132 W D 150 W
Bài 8: Một đoạn mạch gồm biến trở R mắc nối tiếp với cuộn dây có độ tự cảm L = 0,08H và
điện trở thuần r = 32 Đặt vào hai đầu đoạn mạch một hiệu điện thế dao động điều hoà ổn
11
Trang 12L B R
định cú tần số góc 300 rad/s Để công suất toả nhiệt trên biến trở đạt giá trị lớn nhất thì điện trở của biến trở phải có giá trị bằng bao nhiêu?
A 56)(V) và cường độ dũng điện qua mạch là i = 4 B 24 C 32 D 40
b) Dạng bài tập L,C đổi:
TỰ LUẬN:
Bài 1:Cho đoạn mạch xoay chiều sau:
R 100 (điện trở thuần)
C 31.8 F
4
10
F L:độ tự cảm thay đổi được của một cuộn thuần cảm Hiệu điện thế giữa hai đầu AB của đoạn mạch có biểu thức:
u 200cos314t(V) 200cos100 t(V)
a)Tính L để hệ số công suất của đoạn mạch đạt cực đại.Tính công suất tiêu thụ của đoạn mạch lúc đó
b)Tính L để công suất tiêu thụ của đoạn mạch cực đại.Vẽ phát họa dạng đồ thị của công suất tiêu thụ P của đoạn mạch theo L
Bài giải:
a)Tính L trong trường hợp 1:
cos
Z R (Z Z )
Khi L biến thiên,cos sẽ có giá trị lớn nhất nếu có:Z L Z C 0 LC 2 1
Do đó:
4 2
2
10 C
(100 )
Z R
Công suất tiêu thụ bởi đoạn mạch là:
2
2 2 2
200
b)Tính L trong trường hợp 2:
- Công suất tiêu thụ bởi đoạn mạch có biểu thức:
2
L C
P I R R
Z R (Z Z )
12
Trang 13Khi L biến thiên, P lớn nhất nếu có: Z L Z C 0 LC 2 1
2
1
L 0.318H
C
2 max
U
R
- Sự biến thiên của P theo L:
2
C
RU
R Z
L Z L P 0
L 0.318H Z Z 0 P 200W
Bài 2: Cho mạch điện RLC mắc nối tiếp, với L thay đổi được Hiệu điện thế ở hai đầu
mạch là u120 2 cos(100 )t (V), R 30 ,
4 10 ( )
Hãy tính L để:
1 Công suất tiêu thụ của mạch là
2 Công suất tiêu thụ của mạch là cực đại Tính đó
3 là cực đại và tính
Bài giải
1
Mặt khác
Suy ra
13
Trang 14Tính Từ (1) suy ra
Biến đổi y ta được
(3)
Muốn cực đại thì y phải cực tiểu Từ (3) ta thấy :
Thay vào (2) :
Khi đó
Suy ra
Bài 3: Cho mạch điện RLC mắc nối tiếp với C thay đổi được Hiệu điện thế ở hai đầu đoạn
mạch là u120 2 cos(100 )t ,R 30 ,
1 ( )
Hãy tính C để:
2 Công suất tiêu thụ của mạch là cực đại Tính đó,
Bài giải
14
Trang 15với = = =
Có 2 giá trị của
với y là biểu thức trong dấu căn Biến đổi biểu thức ta được
Muốn cực đại thì y phải cực tiểu
c) Dạng bài tập ω đổi:
- tương tự như biện luận với L, C thay đổi Pmax khi xảy ra cộng hưởng
ZL=ZC => ω = 1
√L C
4 BÀI TẬP HỆ SỐ CÔNG SUẤT :
- Cách giải :
cos =
R
Z hay
R
U cos
U
P
U I
0cos 1
15
Trang 16Hoặc dùng giản đồ vectơ
b Ý nghĩa hệ số công suất:
b1 Tr.hợp cos = 1 : Trong tr.hợp này =0: Đây là tr.hợp đoạn mạch điện xoay chiều chỉ
chứa R, hoặc mạch RLC nhưng xảy ra cộng hưởng Lúc này P=UI
b2 Tr.hợp cos = 0 : = 2
Đây là tr.hợp đoạn mạch xoay chiều không chứa điện trở thuần.( đoạn mạch chỉ cỏ L , hoặc C hoặc LC nối tiếp P = 0
b3 Tr.hợp 0 < cos < 1 : Trong tr.hợp này: –/2 < < 0, hoặc 0<< /2
Lúc này : P = UIcos < UI Đây là tr.hợp hay gặp nhất
Bài tập
Bài 1 Cho mạch điện xoay chiều gồm R,L,C nối tiếp Biết điện áp 2 đầu mạch :
50 2 cos100 ( )
Điện áp hiệu dụng UL = 30V ;UC = 6)(V) và cường độ dũng điện qua mạch là i = 40V
a) Tính hệ số công suất mạch ?
hướng dẫn : a) UR = U2 (U C U L)2 = 40V cos U R
U = 0,8
Bài 3 Cho mạch điện xoay chiều gồm R,L,C nối tiếp Các điện áp ở hai đầu đoạn mạch : U
= 120V ; 2 đầu cuộn dây Ud = 120V ;ở hai đầu tụ điện UC = 120V
Xác định hệ số công suất của mạch ?
hướng dẫn: U2 = U2
Ro +(UL +UC )2 ( 1) U2 = U2
R0 +U2
L ( 2) từ đó suy ra :
UL =
120 120 120
6)(V) và cường độ dũng điện qua mạch là i = 40( )
; UR = 6)(V) và cường độ dũng điện qua mạch là i = 40 3 (V ) ;
3 cos
2
t (V)
Điện áp hiệu dụng ở 2 đầu cuộn cảm là UL = 30V và ở 2 đầu tụ điện là UC = 70V Hệ số công suất của mạch là :
A cos φ = 0,6)(V) và cường độ dũng điện qua mạch là i = 4 B cos φ = 0,7 C cos φ = 0,8 D cos φ = 0,75.
4
10
1
cuộn dây có độ tự cảm L và có điện trở thuần nhỏ không đáng kể mắc nối tiếp nhau Biết biểu thức điện áp giữa 2 đầu đoạn mạch u = 100 cos 100tV thì hệ số công suất của mach là 0,8 và u trễ pha hơn i Tính hệ số tự cảm L và công suất tiêu thụ của mạch khi đó
A L=
1
1
4 H ;Z=100
C A L=
1
1
H
16)(V) và cường độ dũng điện qua mạch là i = 4