III. DÒNG ĐI N XOAY CHI U
A. TÓM T T LÝ THUY T
1. Dòng đi n xoay chi u .
* Dòng đi n và đi n áp xoay chi u
Dòng đi n xoay chi u là dòng đi n có c ng đ là hàm s sin hay côsin c a th i gian. ườ
Đi n áp xoay chi u là đi n áp bi n thiên theo hàm s sin hay côsin c a th i gian. ế
T o ra dòng đi n xoay chi u b ng máy phát đi n xoay chi u d a trên c s hi n t ng c m ng đi n ơ ượ
t .
Trong m t chu kì T dòng đi n xoay chi u đi chi u 2 l n, trong m i giây dòng đi n xoay chi u đi
chi u 2f l n.
* Các giá tr hi u d ng c a dòng đi n xoay chi u
C ng đ hi u d ng c a dòng đi n xoay chi u b ng c ng đ c a m t dòng đi n không đi, n u choườ ườ ế
hai dòng đi n đó l n l t đi qua cùng m t đi n tr R trong nh ng kho ng th i gian b ng nhau đ dài thì ượ
nhi t l ng t a ra b ng nhau. ượ
+ C ng đ hi u d ng và đi n áp hi u d ng: I = ườ
0
2
I
; U =
0
2
U
.
+ Ampe k và vôn k đo c ng đ dòng đi n và đi n áp xoay chi u d a vào tác d ng nhi t c a dòng đi nế ế ườ
nên g i là ampe k nhi t và vôn k nhi t, s ch c a chúng là c ng đ hi u d ng và đi n áp hi u d ng ế ế ườ
c a dòng đi n xoay chi u.
+ Khi tính toán, đo l ng, ... các m ch đi n xoay chi u, ch y u s d ng các giá tr hi u d ng.ườ ế
* Các lo i đo n m ch xoay chi u
+ Đo n m ch ch có đi n tr thu n: u R cùng pha v i i; I =
R
UR
.
+ Đo n m ch ch có t đi n: u C tr pha h n i góc ơ
2
; I =
C
C
Z
U
; v i ZC =
C
1
là dung kháng c a t đi n.
T đi n C không cho dòng đi n không đi đi qua (c n tr hoàn toàn), nh ng l i cho dòng đi n xoay ư
chi u đi qua v i đi n tr (dung kháng): Z C =
C
1
.
+ Đo n m ch ch có cu n c m thu n: u L s m pha h n i góc ơ
2
.
I =
L
L
Z
U
; v i ZL = L là c m kháng c a cu n dây.
Cu n c m thu n L cho dòng đi n không đi đi qua hoàn toàn (không c n tr ) và cho dòng đi n xoay
chi u đi qua v i đi n tr (c m kháng): Z L = L.
+ Đo n m ch có R, L, C m c n i ti p (không phân nhánh): ế
Giãn đ Fre-nen: N u bi u di n các đi n áp xoay chi u trên R, L và C b ng các ế
véc t t ng ng ơ ươ
R
U
,
L
U
và
C
U
t ng ng thì đi n áp xoay chi u trên đo n m chươ
R, L, C m c n i ti p là: ế
U
=
R
U
+
L
U
+
C
U
D a vào giãn đ véc t ta th y: U = ơ
22 )( CLR UUU
= I.
2
CL
2) Z- (Z R
=
I.Z
V i Z =
2
CL
2) Z- (Z R
g i là t ng tr c a đo n m ch RLC.
Đ l ch pha gi a u và i xác đnh theo bi u th c: tan =
R
ZZ CL
=
R
C
L
1
C ng đ hi u d ng xác đnh theo đnh lu t Ôm: I =ườ
.
* Bi u th c đi n áp xoay chi u, c ng đ dòng đi n xoay chi u ườ
N u i = Iế0cos(t + i) thì u = U0cos(t + i + ).
N u u = Uế0cos(t + u) thì i = I0cos(t + u - ).
III
21
V i I0 =
0
U
Z
; tan =
R
ZZ CL
.
+ C ng h ng trong đo n m ch RLC: Khi Z ưở L = ZC hay L =
C
1
thì có hi n t ng c ng h ng đi n. Khi ượ ưở
đó:
Z = Zmin = R; I = Imax =
; P = Pmax =
R
U2
; = 0.
+ Các tr ng h p khác: ườ
Khi ZL > ZC thì u nhanh pha h n i (đo n m ch có tính c m kháng).ơ
Khi ZL < ZC thì u tr pha h n i (đo n m ch có tính dung kháng). ơ
Chú ý: N u trong đo n m ch có nhi u ph n t R, L, C m c n i ti p thì trong các h th c c a đnh lu tế ế
Ôm ta đt R = R1 + R2 + ...; ZL = ZL1 + ZL2 + ...; ZC = ZC1 + ZC2 + ... . N u m ch không có đi n tr thu nế
thì ta cho R = 0; không có cu n c m thì ta cho Z L = 0; không có t đi n thì ta cho Z C = 0.
* Công su t c a dòng đi n xoay chi u
+ Công su t c a dòng đi n xoay chi u: P = UIcos = I2R
+ H s công su t: cos =
Z
R
.
+ Ý nghĩa c a h s công su t cos : Công su t hao phí trên đng dây t i (có đi n tr r) là P ườ hp = rI2 =
22
2
cosU
rP
. N u h s công su t cosế nh thì công su t hao phí trên đng dây t i P ườ hp s l n, do đó
ng i ta ph i tìm cách nâng cao h s công su t. Theo qui đnh c a nhà n c thì h s công su t cosườ ướ
trong các c s đi n năng t i thi u ph i b ng 0,85.ơ
V i cùng m t đi n áp U và d ng c dùng đi n tiêu th m t công su t P thì I =
cosU
P
, tăng h s
công su t cos đ gi m c ng đ hi u d ng I t đó gi m hao phí vì t a nhi t trên dây. ườ
2. Truy n t i đi n năng – Máy bi n áp ế .
* Truy n t i đi n năng
+ Công su t hao phí trên đng dây t i: P ườ hp = rI2 = r(
)2 = P2
2
U
r
.
+ Hi u su t t i đi n: H =
P
PP hp
.
+ Đ gi m đi n trên đng dây t i đi n: ườ U = Ir.
+ Bi n pháp gi m hao phí trên đng dây t i: gi m r, tăng U. ườ
Vì r =
S
l
nên đ gi m ta ph i dùng các lo i dây có đi n tr su t nh nh b c, dây siêu d n, ... v i giá ư
thành quá cao, ho c tăng ti t di n S. Vi c tăng ti t di n S thì t n kim lo i và ph i xây c t đi n l n nên ế ế
các bi n pháp này không kinh t . ế
Trong th c t đ gi m hao phí trên đng truy n t i ng i ta dùng bi n pháp ch y u là tăng đi n áp ế ườ ườ ế
U: dùng máy bi n áp đ đa đi n áp nhà máy phát đi n lên cao r i t i đi trên các đng dây cao áp. G nế ư ườ
đn n i tiêu th l i dùng máy bi n áp h áp đ gi m đi n áp t ng b c đn giá tr thích h p.ế ơ ế ướ ế
Tăng đi n áp trên đng dây t i lên n l n thì công su t hao phí gi m n ườ 2 l n.
* Máy bi n áp: ếMáy bi n áp là thi t b bi n đi đi n áp (xoay chi u).ế ế ế
C u t o
+ M t l i bi n áp hình khung b ng s t non có pha silic đ tăng đ t th m ế c a l i s t.
+ Hai cu n dây có s vòng dây N 1, N2 khác nhau có đi n tr thu n nh và đ t c m l n qu n trên l i bi n ế
áp. Cu n n i vào ngu n phát đi n g i là cu n s c p, cu n n i ra các c s tiêu th đi n năng g i là cu n ơ ơ
th c p.
Nguyên t c ho t đng
D a vào hi n t ng c m ng đi n t . ượ
III
22
N i hai đu cu n s c p vào ngu n phát đi n xoay chi u, dòng đi n xoay chi u ch y trong cu n s ơ ơ
c p t o ra t tr ng bi n thiên trong l i bi n áp. T thông bi n thiên c a t tr ng đó qua cu n th c p ườ ế ế ế ườ
gây ra su t đi n đng c m ng trong cu n th c p.
S bi n đi đi n áp và c ng đ dòng đi n trong máy bi n áp ế ườ ế
V i máy bi n áp làm vi c trong đi u ki n lí t ng (hi u su t g n 100%): ế ưở
1
2
U
U
=
2
1
I
I
=
1
2
N
N
.
* Công d ng c a máy bi n áp ế
+ Dùng đ thay đi đi n áp c a dòng đi n xoay chi u.
+ S d ng trong vi c truy n t i đi n năng đ gi m hao phí trên đng dây truy n t i. ườ
+ S d ng trong các máy hàn đi n, n u ch y kim lo i.
3. Máy phát đi n xoay chi u .
* Máy phát đi n xoay chi u 1 pha
+ Các b ph n chính:
Ph n c m là nam châm vĩnh c u hay nam châm đi n. Đó là ph n t o ra t tr ng. ườ
Ph n ng là nh ng cu n dây, trong đó xu t hi n su t đi n đng c m ng khi máy ho t đng.
M t trong hai ph n đt c đnh, ph n còn l i quay quanh m t tr c. Ph n c đnh g i là stato, ph n
quay g i là rôto.
+ Ho t đng: khi rôto quay, t thông qua cu n dây bi n thiên, trong cu n dây xu t hi n su t đi n đng ế
c m ng, su t đi n đng này đc đa ra ngoài đ s d ng. ượ ư
+ N u t thông qua cu n dây là ế (t) thì su t đi n đng c m ng trong cu n dây là: e = -
dt
d
= - ’(t)
+ T n s c a dòng đi n xoay chi u: Máy phát có m t cu n dây và m t nam châm (g i là m t c p c c) và
rôto quay n vòng trong m t giây thì t n s dòng đi n là f = n. Máy có p c p c c và rô to quay n vòng trong
m t giây thì f = np. Máy có p c p c c, rô to quay n vòng trong m t phút thì f =
60
np
.
* Dòng đi n xoay chi u ba pha
Dòng đi n xoay chi u ba pha là m t h th ng ba dòng đi n xoay chi u, gây b i ba su t đi n đng xoay
chi u có cùng t n s , cùng biên đ nh ng l ch pha nhau t ng đôi m t là ư
3
2
.
* C u t o và ho t đng c a máy phát đi n xoay chi u 3 pha
Dòng đi n xoay chi u ba pha đc t o ra b i máy phát đi n xoay chi u ba pha. ượ
Máy phát đi n xoay chi u ba pha c u t o g m stato có ba cu n dây riêng r , hoàn toàn gi ng nhau qu n
trên ba l i s t đt l ch nhau 120 0 trên m t vòng tròn, rôto là m t nam châm đi n.
Khi rôto quay đu, các su t đi n đng c m ng xu t hi n trong ba cu n dây có cùng biên đ, cùng t n
s nh ng l ch pha nhau ư
3
2
.
N u n i các đu dây c a ba cu n v i ba m ch ngoài (ba t i tiêu th ) gi ng nhau thì ta có h ba dòngế
đi n cùng biên đ, cùng t n s nh ng l ch nhau v pha là ư
3
2
.
* Các cách m c m ch 3 pha
+ M c hình sao: ba đi m đu c a ba cu n dây đc n i v i 3 m ch ngoài b ng 3 dây ượ
d n, g i là dây pha. Ba đi m cu i n i chung v i nhau tr c r i n i v i 3 m ch ngoài ướ
b ng m t dây d n g i là dây trung hòa.
N u t i tiêu th cũng đc n i hình sao và t i đi x ng (3 t i gi ng nhau) thì c ngế ượ ườ
đ dòng đi n trong dây trung hòa b ng 0.
N u t i không đi x ng (3 t i không gi ng nhau) thì c ng đ dòng đi n trong dây trung hoà khác 0ế ườ
nh ng nh h n nhi u so v i c ng đ dòng đi n trong các dây pha.ư ơ ườ
Khi m c hình sao ta có: Ud =
3
Up (Ud là đi n áp gi a hai dây pha, U p là đi n áp gi a dây pha và dây
trung hoà).
M ng đi n gia đình s d ng m t pha c a m ng đi n 3 pha: nó có m t dây nóng và
m t dây ngu i.
III
23
+ M c hình tam giác: đi m cu i cu n này n i v i đi m đu c a cu n ti p theo theo tu n t thành ba đi m ế
n i chung. Ba đi m n i đó đc n i v i 3 m ch ngoài b ng 3 dây pha. ượ
Cách m c này đòi h i 3 t i tiêu th ph i gi ng nhau.
* u đi m c a dòng đi n xoay chi u 3 phaƯ
+ Ti t ki m đc dây n i t máy phát đn t i tiêu th ; gi m đc hao phí đi n năng trên đng dây.ế ượ ế ượ ườ
+ Trong cách m c hình sao, ta có th s d ng đc hai đi n áp khác nhau: U ượ d =
3
Up
+ Cung c p đi n cho đng c ba pha, dùng ph bi n trong các nhà máy, xí nghi p. ơ ế
4. Đng c không đng b ba pha. ơ
* S quay không đng b
Quay đu m t nam châm hình ch U v i t c đ góc thì t tr ng gi a hai nhánh c a nam châm cũng ườ
quay v i t c đ góc . Đt trong t tr ng quay này m t khung dây d n kín có th quay quanh m t tr c ườ
trùng v i tr c quay c a t tr ng thì khung dây quay v i t c đ góc ườ ’ < . Ta nói khung dây quay không
đng b v i t tr ng. ườ
III
24
* Nguyên t c ho t đng c a đng c không đng b 3 pha ơ
+ T o ra t tr ng quay b ng cách cho dòng đi n xoay chi u 3 pha đi vào trong 3 cu n dây gi ng nhau, ườ
đt l ch nhau 120 0 trên m t giá tròn thì trong không gian gi a 3 cu n dây s có m t t tr ng quay v i t n ườ
s b ng t n s c a dòng đi n xoay chi u.
+ Đt trong t tr ng quay m t rôto l ng sóc có th quay xung quanh tr c trùng v i tr c quay c a t ườ
tr ng.ườ
+ Rôto l ng sóc quay do tác d ng c a t tr ng quay v i t c đ nh h n t c đ c a t tr ng. Chuy n ườ ơ ườ
đng quay c a rôto đc s d ng đ làm quay các máy khác. ượ
B. CÁC D NG BÀI T P
1. Đi c ng v dòng đi n xoay chi u ươ .
* Các công th c:
Bi u th c c a i và u: I 0cos(t + i); u = U0cos(t + u).
Đ l ch pha gi a u và i: = u - i.
Các giá tr hi u d ng: I =
0
2
I
; U =
0
2
U
.
Chu kì; t n s : T =
2
; f =
2
.
Trong 1 giây dòng đi n xoay chi u có t n s f (tính ra Hz) đi chi u 2f l n.
T thông qua khung dây c a máy phát đi n: = NBScos(
,n B
) = NBScos(t + ) = 0cos(t + ).
Su t đng trong khung dây c a máy phát đi n: e = -
dt
d
= - ’ = NBSsin(t + ) = E0cos(t + -
2
).
* Bài t p minh h a:
1. Dòng đi n xoay chi u có c ng đ i = 4cos120 ườ t (A). Xác đnh c ng đ hi u d ng c a dòng đi n và ườ
cho bi t trong th i gian 2 s dòng đi n đi chi u bao nhiêu l n?ế
2. M t đèn ng làm vi c v i đi n áp xoay chi u u = 220
2
cos100t (V). Tuy nhiên đèn ch sáng khi đi u
áp đt vào đèn có |u| = 155 V. H i trung bình trong 1 s có bao nhiêu l n đèn sáng?
3. Dòng đi n ch y qua m t đo n m ch có bi u th c i = I 0cos100t. Trong kho ng th i gian t 0 đn 0,02 ế
s, xác đnh các th i đi m c ng đ dòng đi n có giá tr t c th i có giá tr b ng: a) 0,5 I ườ 0; b)
2
2
I0.
4. T i th i đi m t, đi n áp u = 200
2
cos(100πt -
2
) (trong đó u tính b ng V, t tính b ng s) có giá tr là 100
2
V
và đang gi m. Xác đnh đi n áp này sau th i đi m đó
300
1
s.
5. Đi n áp xoay chi u gi a hai đi m A và B bi n thiên đi u hòa v i bi u th c u = ế 220
2
cos(100πt +
6
)
(trong đó u tính b ng V, t tính b ng s). T i th i đi m t 1 nó có giá tr t c th i u 1 = 220 V và đang có xu h ng tăng.ướ
H i t i th i đi m t 2 ngay sau t1 5 ms thì nó có giá tr t c th i u 2 b ng bao nhiêu?
6. M t khung dây d n ph ng d t hình ch nh t có 500 vòng dây, di n tích m i vòng 54 cm 2. Khung dây
quay đu quanh m t tr c đi x ng (thu c m t ph ng c a khung), trong t tr ng đu có vect c m ng ườ ơ
t vuông góc v i tr c quay và có đ l n 0,2 T. Tính t thông c c đi qua khung dây. Đ su t đi n đng
c m ng xu t hi n trong khung dây có t n s 50 Hz thì khung dây ph i quay v i t c đ bao nhiêu
vòng/phút?
7. M t khung dây d n ph ng d t hình ch nh t có 500 vòng dây, di n tích m i vòng là 220 cm 2. Khung dây
quay đu v i t c đ 50 vòng/giây quanh tr c đi x ng n m trong m t ph ng c a khung dây, trong m t t
tr ng đu có véc t c m ng t ườ ơ
B
vuông góc v i tr c quay và có đ l n
2
5
π
T. Tính su t đi n đng c c
đi xu t hi n trong khung dây.
8. M t khung dây d n hình ch nh t có 1500 vòng, di n tích m i vòng 100 cm 2, quay đu quanh tr c đi
x ng c a khung v i t c đ góc 120 vòng/phút trong m t t tr ng đu có c m ng t b ng 0,4 T. Tr c ườ
quay vuông góc v i các đng s c t . Ch n g c th i gian là lúc véc t pháp tuy n c a m t ph ng khung ườ ơ ế
dây cùng h ng v i véc t c m ng t . Vi t bi u th c su t đi n đng c m ng t c th i trong khung.ướ ơ ế
III
25