Giá trị hiệu dụng - Cường độ dòng điện hiệu dụng của dòng điện xoay chiều là đại lượng có giá trị bằng cường độ dòng điện không đổi sao cho khi đi qua cùng một điện trở R trong những kho[r]
(1)Chương III DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU Bài 12: ĐẠI CƯƠNG VỀ DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU I Khái niệm dòng điện xoay chiều - Dòng điện xoay chiều là dòng điện có cường độ biến thiên tuần hoàn với thời gian theo quy luật hàm số sin hay cosin, với dạng tổng quát: i = I0cos(t + i) - Trong đó: I0, , là số I0, > i: giá trị cường độ dòng điện thời điểm t, gọi là giá trị tức thời i (cường độ tức thời) I0: cường độ cực đại : tần số góc 2 2 f T (f: tần số, T: chu kì) (t + ): pha i i: pha ban đầu - Trong chu kì dòng điện đổi chiều hai lần Trong giây dòng điện đổi chiều 2f lần - Muốn tạo dòng điện xoay chiều thì phải có hiệu điện xoay chiều (dao dộng diều hòa) II Nguyên tắc tạo dòng điện xoay chiều - Nguyên tắc: dựa vào tượng cảm ứng điện từ - Xét cuộn dây dẫn dẹt, khép kín, quay (với tốc độ ) quanh trục cố định đồng phẳng với cuộn dây đặt từ trường B có phương với trục quay - Chọn gốc thời gian t = lúc ( n , B )=0 - Lúc t bất kì, từ thông qua cuộn dây: = NBScost với N là số vòng dây, S là diện tích vòng - biến thiên tuần hoàn theo thời gian t nên cuộn dây xuất suất điện động cảm ứng biến thiên tuần hoàn: d e NBS sin t E0 sint E NBS dt Với: - Nếu cuộn dây kín có điện trở R thì cuộn dây xuất dòng điện xoay chiều với tần số góc , cường độ dòng điện cho bởi: NBS i sint I sin t NBS ω I 0= R Với: R III Giá trị hiệu dụng - Cường độ dòng điện hiệu dụng dòng điện xoay chiều là đại lượng có giá trị cường độ dòng điện không đổi cho qua cùng điện trở R khoảng thời gian thì tỏa nhiệt lượng I0 - Cường độ dòng điện hiệu dụng I = √2 - Cường độ dòng điện hiệu dụng xây dựng dựa trên tác dụng nhiệt dòng điện - Ngoài ra, các đại lượng biến thiên điều hòa khác: * Lưu ý: Số vôn kế và ampe kế mạch là giá trị hiệu dụng: U và I (2) Bài 13: CÁC MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU - Khi điện áp xoay chiều đặt vào hai đầu đoạn mạch: u = U0cos(t + u) Thì sinh cường độ dòng điện xoay chiều mạch: i = I0cos(t + i) - Đại lượng = u - i là độ lệch pha u và i + Nếu > 0: u sớm pha so với i + Nếu < 0: u trễ pha so với i + Nếu = 0: u cùng pha với i - Độ lệch pha u và i tính chất mạch định I Mạch điện xoay chiều có điện trở R - Đặt điện áp xoay chiều uR = U0cost vào hai đầu đoạn mạch có R thì cường độ dòng điện mạch là: U0 i I cos t Với: I0 = R - uR cùng pha với i Độ lệch pha uR và i là: = u - i = C II Mạch điện xoay chiều có tụ điện - Đặt điện áp xoay chiều uC = U0cost vào hai đầu đoạn mạch có C thì cường độ dòng điện mạch là: U0 i I cos(t ) ZC C Với : I0 = Z C ; - Nếu lấy pha ban đầu i thì: ) Và: - i nhanh pha /2 so với uC Hay uC chậm pha /2 so với i Độ lệch pha uC và i là: = u - i = - /2 - ZC gọi là dung kháng: + Có tác dụng cản trở dòng điện xoay chiều + Dòng điện xoay chiều có tần số càng cao thì tác dụng cản trở tụ (ZC) càng nhỏ, và ngược lại + ZC có tác dụng làm cho i sớm pha /2 so với u u U0 cos(t i I cos t L III Mạch điện xoay chiều có cuộn cảm - Đặt điện áp xoay chiều uL = U0cost vào hai đầu đoạn mạch có L thì cường độ dòng điện mạch là: U i I cos(t ) I0 L Với: ZL = L - i trễ pha /2 so với u, u sớm pha /2 so với i Độ lệch pha uL và i là: = u - i = /2 - ZL gọi là cảm kháng mạch, có tác dụng cản trở dòng điện xoay chiều Dòng điện xoay chiều có tần số càng cao thì tác dụng cản trở cuộn cảm (ZL) càng lớn, và ngược lại Bài 14: MẠCH CÓ R, L, C MẮC NỐI TIẾP I Định luật điện áp tức thời Trong mạch xoay chiều gồm nhiều đoạn mạch mắc nối tiếp thì điện áp tức thời hai đầu mạch tổng đại số các điện áp tức thời hai đầu đoạn mạch u = u + u2 + u + … II Mạch có R, L, C mắc nối tiếp A R L C B (3) - Điện áp đặt vào hai đầu đoạn mạch: u = U0cost = U cost Z R ( Z L ZC )2 - Tổng trở mạch - Độ lệch pha điện áp và dòng điện Z L ZC R Với: - Dòng điện mạch: tan hay U UC tan L UR U U I0 I Z ; Z i = I0cos(t - ) = I cos(t - ) Với: + Nếu ZL > ZC > 0: u sớm pha so với i góc + Nếu ZL < ZC < 0: u trễ pha so với i góc + Nếu ZL = ZC = : i cùng pha với u Lúc này có tượng cộng hưởng điện (xem thêm bài 15: Hệ số công suất) * Lưu ý, có cách viết: u=u R +u L +u C ; U = U R + U L+ UC ; U 0= U R + U L+ U 0C U 2=U 2R + ( U L −U C )2 ; Trong đó: U = ZI ; UR = RI U =U 20 R + ( U L −U C )2 ; UL = ZLI ; UC = ZCI Bài 15: CÔNG SUẤT ĐIỆN TIÊU THỤ CỦA MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU - HỆ SỐ CÔNG SUẤT I Công suất mạch điện xoay chiều Công suất U ) Z Với: U, I là điện áp hiệu dụng đầu mạch và cường độ dòng điện hiệu dụng đoạn mạch cos là hệ số công suất đoạn mạch P = UIcos = RI2 = R( Điện tiêu thụ W = P.t = UIcos.t = RI2.t II Hệ số công suất U R (0 cos 1) cos ϕ= R = U Z - Khi cos = thì mạch không có điện trở R - Khi cos = thì mạch có điện trở R, RLC nối tiếp có cộng hưởng điện * Cộng hưởng điện: - Xáy khi: ZL = ZC hay: ω= √ LC hay: ω2 LC = - Lúc này: + Tổng trở cực tiểu: Z = R + Hệ số công suất cực đại: cos = + Dòng điện cùng pha với điện áp đầu mạch: tan = = + Cường độ dòng điện cực đại: I = U/R U2 + Công suất cực đại: P = UI = RI2 = R + Hiệu điện đoạn mạch hiệu điện hai đầu điện trở: U = U R; Điện áp hai đầu đoạn mạch cùng pha với điện áp hai đầu điện trở và u = uR (4) + Hiệu điện trên tụ và cuộn cảm: UL = UC, uL uC * Lưu ý: Đại lượng cos chính là tan Bài 16: TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG MÁY BIẾN ÁP I Truyền tải điện xa - Công suất phát từ nhà máy: P = UIcos - Công suất hao phí toả nhiệt trên đường dây: P2 Php = rI2 = r U cos ϕ Với: P, U: công suất và điện áp nơi phát r: điện trở dây dẫn (2 dây) cos ϕ là hệ số công suất dây tải điện - Muốn giảm hao phí ta phải: + Giảm điện trở dây dẫn r: tốn kém không hiệu + Tăng hiệu điện nơi phát U: ít tốn kém hiệu + Nâng cao hệ số công suất cos: mạng điện dân dụng có cos 0,85 Các động (quạt, máy bơm, …) thường có cảm kháng nên mắc thêm tụ điện thích hợp để nâng cao cos - Độ giảm điện áp trên đường dây tải điện: U = Ir - Hiệu suất truyền tải H= P− Php 100 % P II Máy biến áp Là thiết bị có khả biến đổi điện áp (xoay chiều) Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động a Cấu tạo - Lõi sắt non ghép từ nhiều lá mỏng cách điện (giảm dòng Fuco làm hao phí lượng) - Cuộn dây sơ cấp N1 vòng, nhận điện vào U - Cuộn dây thứ cấp N2 vòng, đưa điện U b Nguyên tắc hoạt động - Nguyên tắc hoạt động máy biến áp dựa vào tượng cảm ứng điện từ - Đặt điện áp xoay chiều vào đầu cuộn sơ cấp Nó gây biến thiên từ thông hai cuộn - Trong cuộn thứ cấp xuất suất điện động cảm ứng Khảo sát thực nghiệm máy biến áp - Tỉ số điện áp luôn tỉ số vòng dây hai cuộn dây N U2 = N U1 - Nếu N1 < N2: máy tăng áp Nếu N1 > N2: máy hạ áp - Khi máy biến áp chế độ không tải, thì nó không tiêu thụ điện Hiệu suất máy biến áp P H 100% P1 - Khi H = 100% thì: U I1 N U1 I N1 - Sự tổn hao điện máy biến áp gồm có: + Nhiệt lượng Jun các cuộn dây + Nhiệt lượng Jun sinh dòng điện Fu-cô + Toả nhiệt tượng từ trễ (5) III Ứng dụng máy biến áp - Máy biến áp sử dụng truyền tải điện - Nấu chảy kim loại, hàn điện,… Bài 17: MÁY PHÁT ĐIỆN XOAY CHIỀU I Máy phát điện xoay chiều pha - Dựa trên tượng cảm ứng điện từ, biến đổi thành điện - Cấu tạo: + Phần cảm tạo từ thông biến thiên các nam châm + Phần ứng gồm các cuộn dây - Phần quay (roto) có thể là phần cảm phần ứng Phần đứng yên là stato - Khi roto quay với tần số n(vòng/s) thì làm từ thông qua cuộn dây biến thiên, sinh dòng điện xoay chiều có tần số: f np đó: p là số cặp cực Nếu n(vòng/phút) thì f = pn 60 II Hệ ba pha Hệ ba pha gồm máy phát ba pha, đường dây tải điện pha, động ba pha Máy phát điện xoay chiều pha - Dựa trên tượng cảm ứng điện từ, biến đổi thành điện - Cấu tạo: + Phần ứng (stato) gồm cuộn dây giống đặt lệch 1200 trên đường tròn tâm O + Phần cảm (roto) là nam châm có thể quay quanh trục qua O, tạo từ trường quay - Khi roto quay với tần số , từ thông qua cuôn dây biến thiên điều hòa tạo nên suất điện động xoay chiều cùng tần sồ, cùng biên độ và lệch pha 1200 e1 e0 2cos t 2 ) 2 2cos(t ) e2 e0 2cos(t e3 e0 Cách mắc mạch ba pha Trong mạch ba pha, các tải mắc với theo hai cách: hình (3 dây pha, dây trung hòa), hình tam giác (3 dây pha) Điện áp đầu dây pha gọi là U d Điện áp đầu cuộn dây gọi là U p Dòng điện chạy trên dây pha là I p Dòng điện chạy trên dây trung hòa là I Dòng điện chạy cuộn dây gọi là I p I d I p I 0 U d 3U p +Trong hình sao: I d 3I p Ud U p +Trong tam giác: Dòng ba pha Dòng ba pha là hệ ba dòng điện xoay chiều có cùng tần số, lệch pha với 120 máy phát pha tao Nếu các tải đối xứng thì ba dòng này có cùng biên độ (6) Những ưu việt hệ ba pha - Truyền tải điện xa, tiết kiệm dây dẫn - Cung cấp điện cho các động ba pha, dùng phổ biến các nhà máy, xí nghiệp Bài 18: ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA I Nguyên tắc chung động điện xoay chiều - Dựa trên tượng cảm ứng điện từ, biến đổi điện thành - Tạo từ trường quay - Đặt từ trường quay khung dây kín có thể quay xung quanh trục trùng với trục quay từ trường - Lúc này khung quay theo chiều quay từ trường với tốc độ góc luôn nhỏ tốc độ góc từ trường II Cấu tạo động không đồng (tham khảo) - Gồm phận chính: + Rôto là khung dây dẫn quay tác dụng từ trường quay + Stato là các cuộn dây cố định có dòng điện xoay chiều tạo nên từ trường quay - Trong thực tế người ta dùng roto lồng sóc gồm nhiều khung dây có chung trục quay ghép thành hình trụ Stato là cuộn dây đặt lệch 1200 trên vòng tròn, có dòng điện xoay chiều pha tạo từ trường quay Cảm ứng từ tổng hợp O có độ lớn B = 3/2 B0 và có đầu mút quay xung quanh O với tốc độ góc (7)