V. DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

A. TÓM TẮT LÝ THUYẾT

1. Dòng điện xoay chiều.

* Dòng điện và điện áp xoay chiều

    Dòng điện xoay chiều là dòng điện có cường độ là hàm số sin hay côsin của thời gian.

    Điện áp xoay chiều là điện áp biến thiên theo hàm số sin hay côsin của thời gian.

    Tạo ra dòng điện xoay chiều bằng máy phát điện xoay chiều dựa trên cơ sở hiện tượng cảm ứng điện từ.

    Trong một chu kì T dòng điện xoay chiều đổi chiều 2 lần, trong mỗi giây dòng điện xoay chiều đổi chiều 2f lần.

* Các giá trị hiệu dụng của dòng điện xoay chiều

    Cường độ hiệu dụng của dòng điện xoay chiều bằng cường độ của một dòng điện không đổi, nếu cho hai dòng điện đó lần lượt đi qua cùng một điện trở R trong những khoảng thời gian bằng nhau đủ dài thì nhiệt lượng tỏa ra bằng nhau.

+ Cường độ hiệu dụng và điện áp hiệu dụng: I = ;  U = .

 

+ Ampe kế và vôn kế đo cường độ dòng điện và điện áp xoay chiều dựa vào tác dụng nhiệt của dòng điện nên gọi là ampe kế nhiệt và vôn kế nhiệt, số chỉ của chúng là cường độ hiệu dụng và điện áp hiệu dụng của dòng điện xoay chiều.

+ Khi tính toán, đo lường, ... các mạch điện xoay chiều, chủ yếu sử dụng các giá trị hiệu dụng.

* Các loại đoạn mạch xoay chiều

+ Đoạn mạch chỉ có điện trở thuần: u_R cùng pha với i; I = .

+ Đoạn mạch chỉ có tụ điện: u_C trể pha hơn i góc ; I  = ; với Z_C =  là dung kháng của tụ điện.

    Tụ điện C không cho dòng điện không đổi đi qua (cản trở hoàn toàn), nhưng lại cho dòng điện xoay chiều đi qua với điện trở (dung kháng): Z_C =.

+ Đoạn mạch chỉ có cuộn cảm thuần: u_L sớm pha hơn i góc .

    I =; với Z_L = wL là cảm kháng của cuộn dây.

 

    Cuộn cảm thuần L cho dòng điện không đổi đi qua hoàn toàn (không cản trở) và cho dòng điện xoay chiều đi qua với điện trở (cảm kháng): Z_L = wL.

+ Đoạn mạch có R, L, C mắc nối tiếp (không phân nhánh):

    Giãn đồ Fre-nen: Nếu biểu diễn các điện áp xoay chiều trên R, L và C bằng các véc tơ tương ứng ,  và  tương ứng thì điện áp xoay chiều trên đoạn mạch R, L, C mắc nối tiếp là:  = + +

    Dựa vào giãn đồ véc tơ ta thấy: U =  = I. = I.Z

    Với Z =  gọi là tổng trở của đoạn mạch RLC.

    Độ lệch pha j giữa u và i xác định theo biểu thức: tanj = =

    Cường độ hiệu dụng xác định theo định luật Ôm: I =.

 

* Biểu thức điện áp xoay chiều, cường độ dòng điện xoay chiều

    Nếu i = I₀cos(wt + j_i) thì u = U₀cos(wt + j_i + j).

    Nếu u = U₀cos(wt + j_u) thì  i = I₀cos(wt + j_u  - j).

    Với I₀ = ;  tanj = .

+ Cộng hưởng trong đoạn mạch RLC: Khi Z_L = Z_C hay wL =  thì có hiện tượng cộng hưởng điện. Khi đó:

Z = Z_min = R; I = I_max = ; P = P_max = ; j = 0.

+ Các trường hợp khác:

    Khi Z_L > Z_C  thì u nhanh pha hơn i (đoạn mạch có tính cảm kháng).

    Khi Z_L < Z_C  thì u trể pha hơn i (đoạn mạch có tính dung kháng).

Chú ý: Nếu trong đoạn mạch có nhiều phần tử R, L, C mắc nối tiếp thì trong các hệ thức của định luật Ôm ta đặt R = R₁ + R₂ + ...; Z_L = Z_L1 + Z_L2 + ...;    Z_C = Z_C1 + Z_C2 + ... . Nếu mạch không có điện trở thuần thì ta cho R = 0; không có cuộn cảm thì ta cho Z_L = 0; không có tụ điện thì ta cho Z_C = 0.

* Công suất của dòng điện xoay chiều

+ Công suất của dòng điện xoay chiều: P = UIcosj = I²R

+ Hệ số công suất: cosj = .

+ Ý nghĩa của hệ số công suất cosj: Công suất hao phí trên đường dây tải (có điện trở r) là P_hp = rI² = . Nếu hệ số công suất cosj nhỏ thì công suất hao phí trên đường dây tải P_hp  sẽ lớn, do đó người ta phải tìm cách nâng cao hệ số công suất. Theo qui định của nhà nước thì hệ số công suất cosj trong các cơ sở điện năng tối thiểu phải bằng 0,85.

    Với cùng một điện áp U và dụng cụ dùng điện tiêu thụ một công suất P thì  I = , tăng hệ số công suất cosj để giảm cường độ hiệu dụng I từ đó giảm hao phí vì tỏa nhiệt trên dây.

2. Truyền tải điện năng – Máy biến áp.

* Truyền tải điện năng

+ Công suất hao phí trên đường dây tải: P_hp = rI² = r()² = P².

+ Hiệu suất tải điện: H = .

 

+ Độ giảm điện trên đường dây tải điện: DU = Ir.

+ Biện pháp giảm hao phí trên đường dây tải: giảm r, tăng U.

    Vì r = rnên để giảm  ta phải dùng các loại dây có điện trở suất nhỏ như bạc, dây siêu dẫn, ... với giá thành quá cao, hoặc tăng tiết diện S.

 

Việc tăng tiết diện S thì tốn kim loại và phải xây cột điện lớn nên các biện pháp này không kinh tế.

    Trong thực tế để giảm hao phí trên đường truyền tải người ta dùng biện pháp chủ yếu là tăng điện áp U: dùng máy biến áp để đưa điện áp ở nhà máy phát điện lên cao rồi tải đi trên các đường dây cao áp. Gần đến nơi tiêu thụ lại dùng máy biến áp hạ áp để giảm điện áp từng bước đến giá trị thích hợp.

    Tăng điện áp trên đường dây tải lên n lần thì công suất hao phí giảm n² lần.

* Máy biến áp: Máy biến áp là thiết bị biến đổi điện áp (xoay chiều).

Cấu tạo

+ Một lỏi biến áp hình khung bằng sắt non có pha silic để tăng độ từ thẩm m của lỏi sắt.

+ Hai cuộn dây có số vòng dây N₁, N₂ khác nhau có điện trở thuần nhỏ và độ tự cảm lớn quấn trên lỏi biến áp. Cuộn nối vào nguồn phát điện gọi là cuộn sơ cấp, cuộn nối ra các cơ sở tiêu thụ điện năng gọi là cuộn thứ cấp.

Nguyên tắc hoạt động

    Dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ.

    Nối hai đầu cuộn sơ cấp vào nguồn phát điện xoay chiều, dòng điện xoay chiều chạy trong cuộn sơ cấp tạo ra từ trường biến thiên trong lỏi biến áp. Từ thông biến thiên của từ trường đó qua cuộn thứ cấp gây ra suất điện động cảm ứng trong cuộn thứ cấp.

Sự biến đổi điện áp và cường độ dòng điện trong máy biến áp

    Với máy biến áp làm việc trong điều kiện lí tưởng (hiệu suất gần 100%): = =.

 

* Công dụng của máy biến áp

+ Dùng để thay đổi điện áp của dòng điện xoay chiều.

+ Sử dụng trong việc truyền tải điện năng để giảm hao phí trên đường dây truyền tải.

+ Sử dụng trong các máy hàn điện, nấu chảy kim loại.

3. Máy phát điện xoay chiều.

* Máy phát điện xoay chiều 1 pha

+ Các bộ phận chính: 

    Phần cảm là nam châm vĩnh cữu hay nam châm điện. Đó là phần tạo ra từ trường.

    Phần ứng là những cuộn dây, trong đó xuất hiện suất điện động cảm ứng khi máy hoạt động.

     Một trong hai phần đặt cố định, phần còn lại quay quanh một trục. Phần cố định gọi là stato, phần quay gọi là rôto.

+ Hoạt động: khi rôto quay, từ thông qua cuộn dây biến thiên, trong cuộn dây xuất hiện suất điện động cảm ứng, suất điện động này được đưa ra ngoài để sử dụng.

+ Nếu từ thông qua cuộn dây là f(t) thì suất điện động cảm ứng trong cuộn dây là: e = -  = - f'(t)

 

+ Tần số của dòng điện xoay chiều: Máy phát có một cuộn dây và một nam châm (gọi là một cặp cực) và rôto quay n vòng trong một giây thì tần số dòng điện là f = n. Máy có p cặp cực và rô to quay n vòng trong một giây thì f = np. Máy có p cặp cực, rô to quay n vòng trong một phút thì f = .

 

* Dòng điện xoay chiều ba pha

    Dòng điện xoay chiều ba pha là một hệ thống ba dòng điện xoay chiều, gây bởi ba suất điện động xoay chiều có cùng tần số, cùng biên độ nhưng lệch pha nhau từng đôi một là .

* Cấu tạo và hoạt động của máy phát điện xoay chiều 3 pha

    Dòng điện xoay chiều ba pha được tạo ra bởi máy phát điện xoay chiều ba pha.

    Máy phát điện xoay chiều ba pha cấu tạo gồm stato có ba cuộn dây riêng rẽ, hoàn toàn giống nhau quấn trên ba lỏi sắt đặt lệch nhau 120⁰ trên một vòng tròn, rôto là một nam châm điện.

    Khi rôto quay đều, các suất điện động cảm ứng xuất hiện trong ba cuộn dây có cùng biên độ, cùng tần số nhưng lệch pha nhau .

    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 .

* Các cách mắc mạch 3 pha

+ Mắc hình sao: ba điểm đầu của ba cuộn  dây được nối với 3 mạch ngoài bằng 3 dây dẫn, gọi là dây pha. Ba điểm cuối nối chung với nhau trước rồi nối với 3 mạch ngoài bằng một dây dẫn gọi là dây trung hòa.

   Nếu tải tiêu thụ cũng được nối hình sao và tải đối xứng (3 tải giống nhau) thì cường độ dòng điện trong dây trung hòa bằng 0.

    Nếu tải không đối xứng (3 tải không giống nhau) thì cường độ dòng điện trong dây trung hoà khác 0 nhưng nhỏ hơn nhiều so với cường độ dòng điện trong các dây pha.

   Khi mắc hình sao ta có: U_d = U_p (U_d là điện áp giữa hai dây pha, U_p là điện áp giữa dây pha và dây trung hoà).

   Mạng điện gia đình sử dụng một pha của mạng điện 3 pha: nó có một dây nóng và một dây nguội.

+ Mắc hình tam giác: điểm cuối cuộn này nối với điểm đầu của cuộn tiếp theo theo tuần tự thành ba điểm nối chung. Ba điểm nối đó được nối với 3 mạch ngoài bằng 3 dây pha.

    Cách mắc này đòi hỏi 3 tải tiêu thụ phải giống nhau.

* Ưu điểm của dòng điện xoay chiều 3 pha

+ Tiết kiệm được dây nối từ máy phát đến tải tiêu thụ; giảm được hao phí điện năng trên đường dây.

+ Trong cách mắc hình sao, ta có thể sử dụng được hai điện áp khác nhau:   U_d = U_p

 

+ Cung cấp điện cho động cơ ba pha, dùng phổ biến trong các nhà máy, xí nghiệp.

4. Động cơ không đồng bộ ba pha.

* Sự quay không đồng bộ

    Quay đều một nam châm hình chử U với tốc độ góc w thì từ trường giữa hai nhánh của nam châm cũng quay với tốc độ góc w. Đặt trong từ trường quay này một khung dây dẫn kín có thể quay quanh một trục trùng với trục quay của từ trường thì khung dây quay với tốc độ góc   w' < w. Ta nói khung dây quay không đồng bộ với từ trường.

* Nguyên tắc hoạt động của động cơ không đồng bộ 3 pha

+ Tạo ra từ trường quay bằng cách cho dòng điện xoay chiều 3 pha đi vào trong 3 cuộn dây giống nhau, đặt lệch nhau 120⁰ trên một giá tròn thì trong không gian giữa 3 cuộn dây sẽ có một từ trường quay với tần số bằng tần số của dòng điện xoay chiều.

+ Đặt trong từ trường quay một rôto lồng sóc có thể quay xung quanh trục trùng với trục quay của từ trường.

+ Rôto lồng sóc quay do tác dụng của từ trường quay với tốc độ nhỏ hơn tốc độ của từ trường. Chuyển động quay của rôto được sử dụng để làm quay các máy khác.