Máy phát điện xoay chiều 1 pha, 3 pha, cấu tạo và nguyên tắc hoạt động - Vật lý 12 bài 17

Vậy máy phát điện xoay chiều một pha, ba pha có cấu tạo và nguyên tắc hoạt động như thế nào? cách mắc mạch mạch điện 3 pha hình sao, hình tam giác có gì khác với cách mắc song song và nối tiếp chúng ta thường dùng trong dòng điện không đổi, chúng ta cùng tìm hiểu qua bài viết dưới đây.

I. Máy phát điện xoay chiều:

1. Máy phát điện xoay chiều là gì?

- Máy phát điên xoay chiều là thiết bị tạo ra dòng điện xoay chiều dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ hay máy phát điện xoay chiều là thiết bị biến đổi cơ năng thành điện năng.

2. Cấu tạo máy phát điện xoay chiều

• Gồm 2 bộ phận chính:

- Phần cảm: tạo ra từ trường là nam châm (thường là nam châm điện)

- Phần ứng: tạo ra dòng điện là cuộn dây

• Phần đứng yên gọi là Stato, phần còn lại quay quanh một trục gọi là Roto

II. Máy phát điện xoay chiều 1 pha

• Máy phát điện xoay chiều một pha được cấu tạo bởi hai bộ phận chính:

- Phần cảm (rôto): là nam châm vĩnh cửu hay nam châm điện, đây là phần tạo ra từ trường.

- Phần ứng (stato): là những cuộn dây, trong đó xuất hiện suất điện động cảm ứng khi máy hoạt động

• Khi quay, nam châm (lúc này là rôto) tạo ra từ trường quay, sinh ra suất điện động xoay chiều trong các cuộn dây cố định (stato).

III. Máy phát điện xoay chiều 3 pha

1. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động

a) Cấu tạo máy phát điện xoay chiều 3 pha

- Máy phát điện xoay chiều 3 pha cấu tạo gồm stato có 3 cuộn dây riêng rẽ, hoàn toàn giống nhau quấn lên 3 lõi sắt đặt lệch nhau 120⁰ trên một đường tròn, rôto là một nam châm điện.

b) Nguyên tắc hoạt động máy phát điện xoay chiều 3 pha

- Khi rôto quay đều, tạo ra từ trường quay, sinh ra hệ ba suất điện động trong ba cuộn dây giống nhau cùng biên độ, cùng tần số nhưng lệch nhau về pha 120^o.

- Nếu nối các đầu dây của 3 cuộn với ba mạch ngoài (3 tải tiêu thụ) giống nhau thì ta có hệ ba dòng điện cùng biên độ, tần số nhưng lệch nhau về pha 120⁰.

2. Cách mắc mạch ba pha

a) Cách mắc mạch 3 pha hình sao

- Ba điểm đầu của 3 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.

- Khi mắc hình sao ta có: U_d = √3.U_p (U_d là điện áp giữa 2 dây pha, U_p là điện áp giữa dây pha và dây trung hòa).

b) Cách măc mạch 3 pha 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.

3. Dòng ba pha

- Dòng điện xoay chiều 3 pha: là hệ thống gồm 3 dòng điện xoay chiều 1 pha được tạo ra từ 3 suất điện động cùng biên độ, cùng tần số, lệch pha nhau từng đôi một, một góc 120⁰ (2π/3).

4. Những ưu việt của dòng điện ba pha

- Truyền tải điện năng đi xa bằng dòng ba pha tiết kệm được dây dẫn so với truyền tải điện năng bằng dòng một pha.

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

IV. Bài tập về Máy phát điện xoay chiều

* Bài 1 trang 94 SGK Vật Lý 12: Các máy phát điện xoay chiều nói chung dựa trên nguyên tắc nào?

° Lời giải bài 1 trang 94 SGK Vật Lý 12:

- Nguyên tắc hoạt động của các máy điện xoay chiều dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.

* Bài 2 trang 94 SGK Vật Lý 12: Phân biệt dòng điện một pha với dòng ba pha.

° Lời giải bài 2 trang 94 SGK Vật Lý 12:

- Dòng 1 pha: là dòng điện có cường độ biến thiên tuần hoàn với thời gian theo quy luật hàm số sin hay côsin.

- Dòng 3 pha: là hệ thống gồm ba dòng điện xoay chiều một pha có cùng tần số nhưng lệch pha nhau 120^o từng đôi một.

→ Như vậy dòng điện một pha là một thành phần trong hệ thống dòng xoay chiều 3 pha.

* Bài 3 trang 94 SGK Vật Lý 12: Trong máy phát điện xoay chiều một pha, từ trường quay có vecto B quay 300 vòng/phút tạo bởi 20 cực nam châm điện (10 cực nam và 10 cực Bắc) quay với tốc độ bao nhiêu?

A. 10 vòng/s;     B. 20 vòng/s;

C. 5 vòng/s;    D. 100 vòng/s;

° Lời giải bài 3 trang 94 SGK Vật Lý 12:

¤ Chọn đáp án: C. 5 vòng/s;

- Tốc độ quay của từ trường: n = 300 vòng/phút = 300/60 = 5 (vòng/s)

(Tốc độ quay của từ trường khác với tần số dòng điện xoay chiều sinh ra là f = p.n, p là số cặp cực từ).

* Bài 4 trang 94 SGK Vật Lý 12: Trong trường hợp ba suất điện động của máy phát ba pha mắc theo hình sao và ba tải cũng được mắc theo hình sao thì phải có bốn đường dây nối từ nguồn đến tải. Hãy xét trường hợp ba tải đối xứng và chứng minh rằng trong số bốn đường dây nối ấy có một đường dây tại đó cường độ bằng không (đường dây trung hòa).

° Lời giải bài 4 trang 94 SGK Vật Lý 12:

- Khi các suất điện động và tải đối xúng đều mắc hình sao thì dòng điện trong các tải có cùng biên độ, tần số, và các dòng đôi một lệch pha nhau góc 2π/3 (tức 120⁰).

- Biểu thức cường độ dòng điện trong các tải là:

 i₁ = I₀.cosωt; i₂ = I₀.cos(ωt - 2π/3); i₃ = I₀.cos(ωt + 2π/3)

⇒ cường độ dòng điện trong dây trung hòa là:

 i = i₁ + i₂ + i₃ = I₀.cosωt+ I₀.cos(ωt - 2π/3) + I₀.cos(ωt + 2π/3)

- Tổng hợp ba hàm điều hòa trên bằng giản đồ vectơ, ta được: i = 0;

⇒ Dòng điện qua dây trung hòa bằng 0.