Tài liệu Dòng điện 3 pha

www.truongthi.com.vn Môn Lý BÀI 17 - DÒNG ĐIỆN 3 PHA A. Trả lời câu hỏi kì trước : 1.Tại sao trong máy phát điện xoay chiều : stato có hai cuộn dây ? Máy phát điện xoay chiều sử dụng nguyên tắc cảm ứng điện từ : mỗi khi từ thông qua một khung dây hay cuộn dây biến thiên thì trong khung dây hoặc cuộn dây đó xuất hiện suất điện động cảm ứng Vì thế nếu stato của máy phát chỉ có một cuộn dây thì khi roto quay trong cuộn dây cũng xuất hiện suất điện động cảm ứng. Từ đó ta cũng thấy ngay nếu đặt trên stato 2 hay 3, hay nhiều cuộn dây thì trong các cuộn dây đó cũng đều xuất hiện suất điện động cảm ứng. Vì vậy, nếu đặt nhiều cuộn dây lấp kín khoảng không gian có trong stato ta sẽ tận dụng được sự biến thiên của từ thông có sẵn do sự quay của roto. Tuy nhiên, dòng điện cảm ứng sinh ra trong các cuộn dây là các dao động điện. Do chúng được đặt lệch nhau nên pha của các suất điện động sinh ra trong các cuộn dây sẽ khác nhau. Khi đấu các cuộn dây nối tiếp hoặc song song thì các dao động lệch nhau có thể lại làm yếu nhau đi. Nếu đặt hai cuộn dây đối nhau thì hai suất điện động sinh ra sẽ ngược pha nhau, do đó khi mắc nối tiếp hoặc song song 2 cuộn dây với các đầu dây đấu thích hợp thì hai suất điện động sẽ cộng vào nhau làm cho suất điện động phát ra mạnh hơn. Trong quá trình đặt thêm các cuộn dây để tận dụng sự biến thiên của từ thông thì người ta thấy phát ra dòng ba pha sẽ có nhiều lợi ích nhất. 2.Tại sao roto của máy phát thường dùng nam châm điện. + Như ta đã biết, biên độ của suất điện động do máy phát ra là E0 = NBSω thì E0 tỷ lệ thuận với cảm ứng từ B của nam châm, do đó nếu sử dụng nam châm điện thì có thể làm cho từ trường B mạnh hơn khi sử dụng nam châm vĩnh cửu. + Dòng điện cung cấp cho roto sẽ là một phần dòng điện do chính máy phát ra. Có 2 cách giải quyết : Cách 1 : Mắc 1 máy phát một chiều đồng trục với máy phát xoay chiều nhưng có công suất nhỏ hơn. Dòng điện do máy phát một chiều phát ra sẽ được đưa vào nuôi nam châm điện của roto. 1 www.truongthi.com.vn Môn Lý Cách 2 : Tách một phần dòng điện xoay chiều do máy phát ra, rồi dùng điôr chỉnh lưu để nắn nó thành dòng 1 chiều, rồi đưa vào nuôi nam châm điện của roto. B. Bài giảng : Dòng điện 3 pha 1/ Định nghĩa : Dòng 3 pha là một hệ thống ba dòng một pha, được gây ra bởi ba suất điện động có cùng tần số, có cùng biên độ nhưng lệch nhau về pha là 2π . 3 2/ Máy phát điện 3 pha. a) Cấu tạo : (Xem SGK) b) Hoạt động : Các em cần chú ý : máy phát điện ba pha được cấu tạo sao cho phát ra được dòng điện ba pha đúng theo như định nghĩa nêu ở trên. + Vì ba cuộn dây giống hệt nhau nên khi roto quay, trong 3 cuộn dây xuất hiện 3 suất điện động có E0 giống nhau và f như nhau. + Khi cực N của nam châm ở trước cuộn 1 thì quay thêm 2π thì 3 pha nhau đúng e2 = 0, rồi 2π 3 nữa sẽ đến e1 = 0 nhưng e2, e3 ≠0 , roto phải e3 = 0 . Như vậy ba suất điện động sinh ra lệch 2π . 3 c/ Mắc mạch 3 pha. Mắc sao : Trong cách mắc này : dòng điện chạy qua 3 pha là i1,i2,i3 sẽ tổng hợp với nhau thành dòng điện i chạy trong dây trung hoà. !!" !!" !!" !!" i = i1 + i2 + i3 ⇒ I 0 = I 01 + I 02 + I 03 Nếu ba pha hoàn toàn giống nhau thì i = 0. Tuy nhiên, trong thực tế không bao giờ ba pha giống nhau hoàn toàn, do đó, trên dây trung hoà luôn có 1 dòng i ≠ 0 . Trong cách mắc sao Udây = 3U pha Idây = Ipha * Mắc tam giác ; Chỉ sử dụng khi 3 pha hoàn toàn đều có đặc điểm : Upha = Udây 3 Ipha. 2 ;Idây = www.truongthi.com.vn Môn Lý Ví dụ 1 : Cho mạch điện 3 pha mắc theo hình sao, có hiệu điện thế hiệu dụng trong 1 pha là U p = 220V , tần số f = 50 Hz . a) Chứng minh rằng hiệu điện thế giữa hai dây pha khác nhau có giá trị hiệu dụng Udây = 3U pha . b) Ở mạch tiêu thụ : Pha 1 : Gồm 1 cuộn dây 1 L = (H ) π mắc nối tiếp với một điện trở R1 = 100 3Ω . Pha 2 : Gồm 1 điện trở R2 = 100 3Ω , nối tiếp 1 tụ C = 10−4 π ( F ) . Pha 3 : Chỉ có một điện trở R3 = 400Ω . + Tính dòng điện chạy trong các pha và dòng điện chạy trên dây trung hoà. + Tính công suất của mạch ba pha này. GIẢI a) Chứng minh : U d = 3U p A Tại 1 thời điểm bất kì, theo định luật ôm, ta luôn có : U pha U AB = U AO + U OB L Trung hoa U day Vì mỗi hiệu điện thế là một Ο R2 dao động điều hoà nên có thể biểu R3 diễn bằng vecto biên độ. Nếu chia cả hai vế cho R1 C B C 2 , ta chuyển vế các giá trị hiệu dụng : !!!!" !!!!" !!!!" !!!!" !!!!" UAB = UAO +UOB = UAO + (−UBO ) UAB là hiệu điện thế đường dây; U AO là hiệu điện thế của pha 1 và U BO là hiệu điệ!n!" !!!" M −U P2 thế của pha 2. Vậy : !!!!" !!!" !!!" U day = U P1 + (−U P2 ) U H !!!" !!!" 2π Vì góc giữa U P1 và U P2 là 3 O nên góc giữa 3 !!!" U P2 N !!!" U P1 d www.truongthi.com.vn Môn Lý !!!" !!!" π # U P1 và −U P2 là M O N = ⇒ ∆ OM N đều : 3 ⇒ OH = ON ⇒ Ud = U P1 2 3 2 3 ⇒ U d = U P1 2 3 = 220. 3 (V ) b) Tính dòng điện I : Z L = Lω = Z1 = 1 π .2π .50 = 100 Ω R12 + Z L2 = (100 3 ) 2 + 100 2 = 200 Ω ϕ1 !" I1 Up 220 I1 = = = 1,1 A 200 Z1 i1 trễ pha hơn U p1 !!!" U P1 !!" UL * Ở pha 1 : góc ϕ1 có tgϕ1 = !!!" U R1 U L ZL 100 1 π = ⇒ tgϕ1 = = ⇒ ϕ1 = U R1 R1 6 100 3 3 * Tại pha 2 : 1 1 = −4 = 100 Ω C ω 10 .2π .50 ZC = π ZL = I2 = R +Z 2 L Up Z2 i2 = 2 C = (100 3 ) + 100 = 200 Ω U P2 góc ϕ 2 UC Z 100 1 π = C = = ⇒ ϕ2 = U R2 R2 100 3 6 3 !!!!" UR2 ϕ2 2 220 = 1,1 A 200 sớm pha hơn tg ϕ 2 = Ο 2 !!" I2 !!!" UC !!!" UP2 * Tại pha 3 : I3 = U p R3 = 220 = 0, 5 5 A 400 i 3 đồng pha với U 3 * Để tìm dòng điện trên dây trung hoà ta phải tổng hợp các dòng điện chạy trong các pha : 4 www.truongthi.com.vn + Ta có 3 véctơ !!!" !!!" !!!" U P1 , U P2 , U P3 tạo với nhau một góc 2π i1 trễ hơn U 1 Vì Môn Lý 3 : !!!" U P3 π 6 !" I3 !" !!" Suy ra, góc giữa I1 , I 2 là 2π π π π −( + ) = I# 10I2 = 3 6 6 3 Về độ lớn I2 = I 1 ⇒∆0I1I2 đều ⇒ Ο H = Ο I1 Vậy : . Ο !" ϕ1 I 1 ϕ2 H !!!" UP2 3 I 3 ⇒ 12 = I1 . 2 2 2 !!" I2 !!!" UP1 !!" I 12 I12 = I1 3 = 1,1. 3 $ 1,905 A !!" I12 hướng theo đường phân giác của góc !!" # I12 hướng ngược với I 3 , U Ο U , do đó P P Dễ thấy 1 2 suy ra dòng điện trên dây trung hoà : I = I12 − I3 = 1,905 − 0,55 = 1,355 A * Công suất của dòng ba pha. P = Ppha1 + Ppha2 + Ppha3 = I12 R1 + I22 R2 + I32 R3 = 1,12.100 3 +1,12.100 3 + 0,552.400 $ 540W Ví dụ 2 : Cho một mạch điện ba pha mắc theo hình sao có U p = 120V , tần số mỗi pha đều có một cuộn dây L = 2 π f = 50Hz . Ở H mắc nối tiếp với một điện trở R = 200Ω . Tính I chạy trong một pha. Chứng minh dòng điện trong dây trung hoà I = 0. Nếu ba pha bị đứt thì dòng điện trên dây trung hoà bằng bao nhiêu. Ba pha vẫn bị đứt và ở pha 2 : thay cuộn L bằng tụ C = trung hoà bằng bao nhiêu ? GIẢI a) 5 10 −4 F thì dòng điện trên dây 2π www.truongthi.com.vn Z L = Lω = Z = 2 π R + Z L2 = U P1 Z = !!!" U P1 !!" UL .100π = 200 Ω 2 I1 = Môn Lý 200 2 + 200 2 = 200 2 Ω 120 = 0, 3 2 ( A ) $ 0, 424 A 200 2 i 1 trễ pha hơn UP1 góc ϕ 1 có tgϕ1 = ϕ1 !!!" UR !" I1 UL ZL = =1 UR1 R1 * Với pha 2 và 3, ta cũng thu được kết quả tương tự : i đều trễ pha hơn U P tương ứng góc π 4 . Như vậy, cả 3 dòng điện có độ lớn bằng nhau và cùng trễ pha hơn UP : !" !!" !" 2π ⇒ góc giữa các véctơ I1, I2 , I3 cũng là . 4 3 π Tổng hợp !" I3 lớn !" !!" !!" I1 với I2 ta được véctơ I12 !!" I2 !" I3 hướng ngược ∆OI1I12 là tam giác đều, suy ra về độ !!" !" I12 = I2 = I3 ⇒tổng hợp I12 với I3 sẽ bằng 0. . Dễ thấy !!" I12 Ο !" I3 Dây trung hoà không có điện. I = 0 . b) Nếu pha 3 bị đứt thì dòng điện chạy trên !" !!" dây trung hoà là tổng hợp của I1 , I 2 như chứng minh ở trên là I12 = I = 0,424 A . !!" !!!" c/ Thay L ở pha hai bằng C. I2 UR 1 1 ZC = = −4 = 200Ω . Ο ϕ2 ωC 10 .100π 2π suy ra, về độ lớn tổng trở của pha 2 không đổi ⇒ I 2 = 0, 3 2 ( A) như cũ nhưng U P2 góc π 4 !!!" UP2 !!!" UC i2 sớm pha hơn . Dòng điện trên dây trung hoà : !!!" UP1 " !" !!" I = I1 + I2 . Ο 2π π π π π 5π − ( + ) = ⇒α = π − = Dễ thấy I# 1 0I 2 = 3 4 4 6 6 6 ϕ2 !!!" U P2 Theo Định lí hàm cos : 6 !!" I2 ϕ1 !" H α I1 " I www.truongthi.com.vn Môn Lý I = I12 + I22 − 2I1I2cosα = I1 1 +1 − 2.cos I = 0,3 2. 2 + 2. 5π = 6 3 = 0,3 4 + 2 3 $ 0,82 A 2 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP VỀ NHÀ 1/ Làm thế nào chứng minh được công thức : I day = 3I pha trong cách mắc tam giác ? 2/ Trong mạch điện một chiều và mạch xoay chiều một pha : dây nào là dây “mát” ? 3/ Làm các bài tập trong Bộ đề thi Đại học : 61 (2), 77 (2), 80 (2). 7