Bài 17: Máy phát điện xoay chiều

I. Tóm tắt lý thuyết:

Nguyên tắc hoạt động máy phát điện xoay chiều

Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ: Khi từ thông qua một vòng dây biến thiên điều hòa, trong vòng dây xuất hiện một suất điện động cảm ứng xoay chiều.

1. Máy phát điện xoay chiều một pha

* Khái niệm: là máy tạo ra một suất điện động xoay chiều hình sin.

* Cấu tạo

Máy phát điện xoay chiều 1 pha (còn gọi là máy dao điện) gồm 2 phần chính:

+ Phần cảm: Là nam châm dùng để tạo ra từ trường. Nam châm của phần cảm có thể là nam châm vĩnh cữu hoặc nam châm điện.

+ Phần ứng: Là khung dây dẫn dùng để tạo ra dòng điện.

Một trong hai phần cảm và phần ứng đứng yên, phần còn lại quay, bộ phận đứng yên gọi là stato, bộ phận quay gọi là rôto.

Từ thông qua mỗi cuộn dây biến thiên tuần hoàn với tần số f = np trong đó: n (vòng/s), p: số cặp cực.

Nếu N (vòng/phút) thì tần số \[f = \frac{{Np}}{{60}}\]

2. Máy phát điện xoay chiều ba pha

* Khái niệm: Là máy tạo ra ba suất điện động xoay chiều hình sin cùng tần số, cùng biên độ và lệch pha nhau 2π/3.

*Cấu tạo: 

+ Stato: là 3 cuộn dây giống nhau gắn cố định trên một đường tròn lệch nhau một góc 1200

+ Roto: là một nam châm có thể quay quanh một trục cố định với tốc độ quay không đổi là ω

Khi đó trên 3 cuộn dây xuất hiện 3 dòng điện xoay chiều có cùng tần số góc ωω, cùng biên độ nhưng lệch pha nhau góc 1200, dòng điện sinh ra từ máy phát điện xoay chiều ba pha gọi là dòng ba pha.

Cấu tạo bên trong của máy phát điện xoay chiều 3 pha:

 

Mắc hình sao: \[{U_d} = \sqrt 3 {U_P},{I_d} = {I_p}\]

Mắc hình tam giác: \[{U_d} = {U_P},{I_d} = \sqrt 3 {I_p}\]

Công suất của dòng điện 3 pha: \[P{\rm{ }} = {\rm{ }}3{U_p}{I_p}cos\varphi \]

* Ưu điểm của dòng điện 3 pha:

+ Truyền tải điện năng bằng dòng 3 pha tiết kiệm được nhiều dây dẫn.

+ Máy phát điện 3 pha có cấu tạo đơn giản, dòng 3 pha được sử dụng rộng rãi cho các động cơ chạy điện 3 pha được sử dụng ở hầu hết các nhà máy sản xuất, xí nghiệp.

II. Bài tập minh hoạ:

Bài 1: Một máy phát điện xoay chiều một pha có phần cảm là roto gồm 4 cặp cực (4 cực nam và 4 cực bắc). Để suất điện động do máy này sinh ra có tần số 50Hz thì roto phải quay với tốc độ bao nhiêu ?

Giải:

Để ý thấy trong các đáp án, đơn vị của tốc độ quay của roto là vòng/phút.

Do đó ta có công thức: \[f{\rm{ }} = {\rm{ }}p.n{\rm{ }}/{\rm{ }}60 \Rightarrow n{\rm{ }} = {\rm{ }}60f{\rm{ }}/{\rm{ }}p\]

Ở đây, \[f{\rm{ }} = {\rm{ }}50{\rm{ }}Hz,{\rm{ }}p{\rm{ }} = {\rm{ }}4,\] do đó: \[n{\rm{ }} = {\rm{ }}60f{\rm{ }}/{\rm{ }}p{\rm{ }} = {\rm{ }}60.50{\rm{ }}/{\rm{ }}4{\rm{ }} = {\rm{ }}750\] (vòng/phút).

Bài 2: Một động cơ điện xoay chiều khi hoạt động bình thường với điện áp hiệu dụng 220V thì sinh ra công suất cơ học 170W. Biết động cơ có hệ số công suất là 0,85 và công suất tỏa nhiệt trên dây quấn động cơ là 17W. Bỏ qua các hao phí khác, cường độ dòng điện cực đại qua động cơ là bao nhiêu ?

Bài 3: Một động cơ điện xoay chiều có điện trở dây cuốn là 32Ω , khi mắc vào mạch điện áp hiệu dụng 220V thì sản ra công suất 43W. Biết hệ số công suất là 0,9. Tính cường độ dòng điện chạy qua động cơ.

Bài 4: Rôto của máy phát điện xoay chiều một pha là nam châm có bốn cặp cực (4 cực nam và cực bắc). Khi rôto quay với tốc độ 900 vòng/phút thì suất điện động do máy tạo ra có tần số là bao nhiêu ?

Bài 5: Một máy phát điện xoay chiều một pha có phần cảm là rôto gồm 10 cặp cực (10 cực nam và 10 cực bắc) Rôto quay với tốc độ 300 vòng/phút. Suất điện động do máy sinh ra có tần số bằng bao nhiêu ?

Bài 6: Một máy phát điện xoay chiều một pha có phần cảm là rôto quay với tốc độ 375 vòng/phút. Tần số của suất điện động cảm ứng mà máy phát tạo ra là 50 Hz. Số cặp cực của rôto bằng bao nhiêu ?

Bài 7: Trong giờ học thực hành, học sinh mắc nối tiếp một quạt điện xoay chiều với điện trở R rồi mắc hai đầu đoạn mạch này vào điện áp xoay chiều có giá trị hiệu dụng 380 V. Biết quạt điện này có các giá trị định mức: 220 V - 88 W và khi hoạt động đúng công suất định mức thì độ lệch pha giữa điện áp ở hai đầu quạt và cường độ dòng điện qua nó là \[\varphi \], với \[cos\varphi {\rm{ }} = {\rm{ }}0,8\]. Để quạt điện này chạy đúng công suất định mức thì R bằng bao nhiêu ?

Bài 8: Nối hai cực của một máy phát điện xoay chiều một pha vào hai đầu đoạn mạch AB gồm điện trở thuần R mắc nối tiếp với cuộn cảm thuần. Bỏ qua điện trở các cuộn dây của máy phát. Khi rôto của máy quay đều với tốc độ n vòng/phút thì cường độ hiệu dụng trong đoạn mạch là 1 A. Khi rôto của máy quay đều với tốc độ 3n vòng/phút thì cường độ hiệu dụng trong đoạn mạch là \[\sqrt 3 \] A. Nếu rôto của máy quay đều với tốc độ 2n vòng/phút thì cảm kháng của đoạn mạch AB là bao nhiêu ?

Bài 9: Một động cơ điện xoay chiều khi hoạt động bình thường với điện áp hiệu dụng 220 V thì sinh ra công suất cơ học là 170 W. Biết động cơ có hệ số công suất 0,85 và công suất tỏa nhiệt trên dây quấn động cơ là 17 W. Bỏ qua các hao phí khác, cường độ dòng điện cực đại qua động cơ là bao nhiêu ?

Bài 10: Một động cơ điện xoay chiều hoạt động bình thường với điện áp hiệu dụng 220V, cường độ dòng điện hiệu dụng 0,5 A và hệ số công suất của động cơ là 0,8 . Biết rằng công suất hao phí của động cơ là 11 W. Hiệu suất của động cơ (tỉ số giữa công suất hữu ích và công suất tiêu thụ toàn phần) là bao nhiêu?