Bài 17. Máy phát điện xoay chiều
Nội dung lý thuyết
I. NGUYÊN TẮC TẠO RA DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU
Xét một khung dây dẫn MNPQ có diện tích S, quay đều với tốc độ góc ω quanh một trục OO' vuông góc với các đường sức của một từ trường đều có cảm ứng từ \(\overrightarrow{B}\) (Hình 17.1).
Theo hiện tượng cảm ứng điện từ đã học ở Bài 16, trong khung dây xuất hiện một suất điện động biến đổi theo thời gian:
\(e=E_0cos\left(\omega t+\varphi_0\right)\) (17.1)
Trong đó, E0 = BSω là suất điện động cực đại trong khung dây; φ0 là pha ban đầu của suất điện động.
Nếu khung dây dẫn MNPQ có N vòng dây thì suất điện động cực đại của khung dây là E0 = NBSω.
Suất điện động biến đổi theo thời gian theo định luật dạng cosin (hoặc sin) trong biểu thức (17.1) được gọi là suất điện động xoay chiều. Chu kì T và tần số f của suất điện động liên hệ với tần số góc ω bởi các công thức:
\(T=\dfrac{2\pi}{\omega}\left(s\right),f=\dfrac{\omega}{2\pi}\left(Hz\right)\)
Khi nối hai đầu khung dây dẫn trên với điện trở thuần R tạo thành mạch kín, thì dòng điện trong khung dây dẫn biến thiên theo thời gian với tần số bằng tần số của suất điện động xoay chiều. Dòng điện này gọi là dòng điện xoay chiều.
Do đó, nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ là làm cho từ thông qua khung dây dẫn biến thiên điều hoà theo thời gian.
II. DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU
1. Biểu thức dòng điện xoay chiều
Nếu nối hai đầu của khung dây dẫn MNPQ (Hình 17.1) với đoạn mạch tiêu thụ điện thì giữa hai đầu đoạn mạch có một hiệu điện thế. Hiệu điện thế này biến thiên theo thời gian theo quy luật dạng cosin (hoặc sin) gọi là hiệu điện thế xoay chiều hay điện áp xoay chiều. Điện áp xoay chiều có cùng chu kì, tần số với suất điện động xoay chiều và có dạng:
\(u=U_0cos\left(\omega t+\varphi_u\right)\left(V\right)\) (17.2)
Khi đó, dòng điện chạy qua mạch điện tiêu thụ là dòng điện xoay chiều có dạng:
\(i=I_0cos\left(\omega t+\varphi_i\right)\left(A\right)\) (17.3)
Trong các biểu thức (17.2), (17.3):
- u và i tương ứng là giá trị điện áp tức thời và cường độ dòng điện tức thời tại thời điểm t;
- U0 và I0 tương ứng là giá trị cực đại của điện áp và cường độ dòng điện xoay chiều;
- ω là tần số góc của dòng điện xoay chiều, có đơn vị là rad/s;
- φu, φi lần lượt là pha ban đầu của điện áp và cường độ dòng điện xoay chiều.
Các đại lượng (ωt + φu) và (ωt + φi) là pha của điện áp và cường độ dòng điện xoay chiều; ∆φ = φu - φi gọi là độ lệch pha giữa điện áp và cường độ dòng điện xoay chiều.
Dòng điện có cường độ biến thiên điều hoà với thời gian theo quy luật của hàm cosin (hoặc sin) như biểu thức (17.3), gọi là dòng điện xoay chiều.
2. Giá trị hiệu dụng
Dòng điện xoay chiều cũng có tác dụng nhiệt như dòng điện không đối.
Cho dòng điện xoay chiều có cường độ i = I0cos(ωt + φi) (A) chạy qua đoạn mạch chỉ có điện trở R, nhiệt lượng toả ra trong thời gian t (đủ lớn so với chu kì T của dòng điện) là Q.
Cho dòng điện không đổi có cường độ I chạy qua điện trở nói trên trong cùng khoảng thời gian t sao cho nhiệt lượng toả ra cũng bằng Q.
Người ta đã thiết lập được mối liên hệ giữa giá trị I và giá trị cực đại I0 của cường độ dòng điện xoay chiều:
\(I=\dfrac{I_0}{\sqrt{2}}\) (17.4)
Đại lượng I gọi là giá trị hiệu dụng của cường độ dòng điện xoay chiều hay cường độ hiệu dụng của dòng điện xoay chiều.
Người ta cũng xác định được mối liên hệ giữa giá trị hiệu dụng U và giá trị cực đại U0 của điện áp xoay chiều:
\(U=\dfrac{U_0}{\sqrt{2}}\) (17.5)
III. MÁY PHÁT ĐIỆN XOAY CHIỀU
1. Cấu tạo
Máy phát điện xoay chiều hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, có hai bộ phận chính là phần cảm và phần ứng. Một trong hai bộ phận chính được đặt cố định, gọi là stato, phần còn lại quay quanh một trục, gọi là rôto.
- Phần cảm là nam châm điện hoặc nam châm vĩnh cửu dùng để tạo ra từ trường.
- Phần ứng là các cuộn dây dẫn, trong đó xuất hiện suất điện động cảm ứng khi máy hoạt động.
2. Nguyên tắc hoạt động
Các máy phát điện xoay chiều hoạt động theo cách thứ nhất có stato là nam châm đặt cố định, rôto là khung dây quay quanh một trục trong từ trường tạo bởi stato (Hình 17.4). Để dẫn điện ra ngoài thì cần có hai vành khuyên, trong đó mỗi vành khuyên được gắn chặt vào một đầu của khung dây. Cả hai vành khuyên này được đặt đồng trục với trục quay của khung dây và cùng quay với khung dây.
Khi máy hoạt động, mỗi vành khuyên có một chổi quét tì vào nên khi khung dây quay, hai vành khuyên trượt trên hai chổi quét, dòng điện truyền từ khung dây qua hai chổi quét ra mạch ngoài.
Các máy phát điện xoay chiều hoạt động theo cách thứ hai có róto là nam châm, thường là nam châm điện được nuôi bởi dòng điện một chiều (các cuộn dây của rôto cũng có lõi sắt và xếp thành vòng tròn, Hình 17.5a) và stato gồm nhiều cuộn dây có lõi sắt, xếp thành một vòng tròn (Hình 17.5b) thì không cần vành khuyên và chổi quét, mà dòng điện được dẫn trực tiếp ra mạch ngoài bởi các cuộn dây đặt cố định.
IV. ỨNG DỤNG VÀ QUY TẮC AN TOÀN KHI SỬ DỤNG DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU
1. Ứng dụng của dòng điện xoay chiều trong cuộc sống
Dòng điện xoay chiều có ưu thế trong việc truyền tải điện năng đi xa, dẫn điện đến các nhà máy, xí nghiệp sản xuất, nơi tiêu thụ có sử dụng dòng điện xoay chiều.
Dòng điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống là nhờ vào các tác dụng nhiệt, tác dụng từ, tác dụng phát sáng và tác dụng sinh lí của nó.
Các thiết bị như quạt điện, động cơ điện, đèn điện,... đã chuyển hoá năng lượng điện thành các dạng năng lượng khác nhằm đáp ứng các nhu cầu sống, sinh hoạt, lao động, sản xuất,... của con người.
Trong y học, dòng điện xoay chiều được sử dụng để vận hành các thiết bị y tế bao gồm: máy chẩn đoán hình ảnh (như máy chụp cộng hưởng từ, máy siêu âm, máy chụp X – quang) hoặc các máy hỗ trợ điều trị bệnh nhân (như máy sốc điện, máy điện tim),...
2. Quy tắc an toàn khi sử dụng dòng điện xoay chiều
Để cảnh báo về an toàn điện, người ta đã đưa ra các biển báo an toàn điện.
Một số quy tắc an toàn khi sử dụng dòng điện xoay chiều:
- Tuân thủ theo các biển báo an toàn điện.
- Tuyệt đối không chạm tay vào chỗ hở của đường dây điện hay cầm vật trực tiếp bằng kim loại cắm vào ố điện.
- Tránh lại gần những khu vực có điện thế nguy hiếm.
- Kiểm tra, bảo trì các thiết bị điện định kì theo đúng hướng dẫn.
- Ngắt nguồn điện khí có thiên tai, sấm sét.