Bài 17. Máy phát điện xoay chiều – Tóm tắt Vật lí 12

1. Khái niệm cơ bản

Khái niệm

Máy phát điện xoay chiều một pha là thiết bị đổi năng lượng cơ học thành điện năng bằng cách cho một mạch kín quay đều trong từ trường. Nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ, trong mạch kín xuất hiện suất điện động và dòng điện biến thiên tuần hoàn.
Dòng điện xoay chiều là dòng điện có chiều thay đổi tuần hoàn theo thời gian.

2. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động

Định nghĩa

Máy phát điện xoay chiều gồm hai bộ phận chính.

Phần cảm: tạo từ trường, là nam châm điện hoặc nam châm vĩnh cửu.
Phần ứng: các cuộn dây, nơi xuất hiện suất điện động cảm ứng.

Phần đứng yên gọi là stato, phần quay gọi là rôto. Ở máy đơn giản, nam châm là stato, cuộn dây là rôto gắn với trục quay; hai đầu cuộn dây nối với hai vành khuyên, tì lên hai chổi quét để đưa dòng điện ra mạch ngoài. Ở các máy phát công suất lớn, người ta thường cho nam châm quay (rôto) còn các cuộn dây phần ứng đứng yên (stato), nên lấy dòng điện ra mạch ngoài dễ dàng mà không cần vành khuyên, chổi quét.

Nguyên tắc hoạt động dựa trên định luật cảm ứng điện từ: khi rôto quay đều, từ thông qua cuộn dây biến thiên tuần hoàn, do đó xuất hiện suất điện động cảm ứng. Vì từ thông đổi chiều biến thiên nên dòng điện trong mạch cũng đổi chiều tuần hoàn, gọi là dòng điện xoay chiều.

3. Định luật và công thức

Định luật Faraday về cảm ứng điện từ.

Suất điện động cảm ứng trung bình trong mạch kín:

e_c=-\frac{\Delta\Phi}{\Delta t}

Trong đó $\Delta\Phi$ là độ biến thiên từ thông qua mạch, đo bằng weber (Wb); $\Delta t$ là khoảng thời gian xảy ra sự biến thiên, đo bằng giây (s); $e_c$ đo bằng volt (V). Dấu trừ phù hợp với định luật Len-xơ: dòng điện cảm ứng có chiều chống lại sự biến thiên từ thông sinh ra nó.

Sự biến thiên từ thông và suất điện động tức thời.

Từ thông qua cuộn dây $N$ vòng, mỗi vòng có diện tích $S$ , đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ $B$ :

\Phi = NBS\cos\alpha

và $\alpha$ là góc giữa pháp tuyến của khung dây và vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$ . Khi khung dây có $N$ vòng quay đều với tốc độ góc $\omega$ thì $\alpha=\omega t+\varphi_0$ , do đó

e(t)=-\frac{\mathrm{d}\Phi}{\mathrm{d}t}=e_0\sin(\omega t+\varphi_0)

với suất điện động cực đại

e_0=\omega NBS

Ký hiệu và đơn vị SI

$N$ : số vòng dây của cuộn rôto, đơn vị vòng.
$B$ : cảm ứng từ tại vị trí khung dây, đơn vị tesla (T).
$S$ : diện tích một vòng dây, đơn vị mét vuông ( $\mathrm{m}^2$ ).
$\omega$ : tốc độ góc quay, đơn vị radian trên giây (rad/s).
$\varphi_0$ : pha ban đầu, phụ thuộc vào vị trí khung dây tại thời điểm $t=0$ .
$e_0$ : suất điện động cực đại, đơn vị volt (V).

Chu kì, tần số và tốc độ quay

Chu kì: $T=\dfrac{2\pi}{\omega}$ (s).
Tần số: $f=\dfrac{1}{T}=\dfrac{\omega}{2\pi}$ (Hz).
Nếu biết số vòng quay trên phút $n$ thì $\omega=\dfrac{2\pi n}{60}$ (rad/s).

4. Giá trị hiệu dụng của dòng điện xoay chiều

Vì các giá trị tức thời của $u,i,e$ thay đổi liên tục, người ta dùng giá trị hiệu dụng để đo lường, so sánh tiện lợi hơn:

Giá trị hiệu dụng	Mối liên hệ với giá trị cực đại
Điện áp hiệu dụng $U$	$U=\dfrac{U_0}{\sqrt{2}}$
Cường độ dòng điện hiệu dụng $I$	$I=\dfrac{I_0}{\sqrt{2}}$
Suất điện động hiệu dụng $E$	$E=\dfrac{E_0}{\sqrt{2}}$

5. Phương pháp giải bài tập

Các bước giải bài toán máy phát điện xoay chiều

1.
Xác định các thông số đã cho: $N$ , $B$ , $S$ , $\omega$ (hoặc $n$ , hoặc $f$ ).
2.
Quy đổi đơn vị về hệ SI: $S$ ra $\mathrm{m}^2$ , $B$ ra $\mathrm{T}$ , $\omega$ ra $\mathrm{rad/s}$ (nếu cho $n$ thì $\omega=\dfrac{2\pi n}{60}$ ; nếu cho $f$ thì $\omega=2\pi f$ ).
3.
Xác định mốc thời gian để chọn biểu thức từ thông $\Phi=NBS\cos(\omega t+\varphi_0)$ , từ đó viết biểu thức $e=e_0\sin(\omega t+\varphi_0)$ .
4.
Tính $e_0=\omega NBS$ rồi tính giá trị tức thời hoặc giá trị hiệu dụng tùy yêu cầu.
5.
Nếu mạch có điện trở tổng cộng $R$ thì $I_0=\dfrac{e_0}{R}$ .

6. Ví dụ minh hoạ

Ví dụ 1

Một khung dây phẳng có diện tích $S=100\,\mathrm{cm}^2$ , gồm $N=100$ vòng, quay đều trong từ trường đều có cảm ứng từ $B=0{,}2\,\mathrm{T}$ với tần số $f=50\,\mathrm{Hz}$ . Tính suất điện động cực đại và suất điện động hiệu dụng của máy.

Lời giải · 3 bước

Ta có

\omega=2\pi f=100\pi\,\mathrm{rad/s}; \quad S=100\,\mathrm{cm}^2=10^{-2}\,\mathrm{m}^2

Bước 2

Suy ra

e_0=\omega NBS=100\pi\cdot 100\cdot 0{,}2\cdot 10^{-2}=20\pi\,\mathrm{V}\approx 62{,}8\,\mathrm{V}

Bước 3

Suất điện động hiệu dụng:

E=\frac{e_0}{\sqrt{2}}=\frac{20\pi}{\sqrt{2}}\,\mathrm{V}\approx 44{,}4\,\mathrm{V}

Ví dụ 2

Khung dây gồm $N=200$ vòng, diện tích $S=0{,}2\,\mathrm{m}^2$ , quay đều trong từ trường đều có $B=0{,}5\,\mathrm{T}$ , tốc độ góc $\omega=10\,\mathrm{rad/s}$ . Tại thời điểm ban đầu mặt phẳng khung dây vuông góc với từ trường. Viết biểu thức suất điện động tức thời.

Lời giải · 3 bước

Khi mặt phẳng khung dây vuông góc với $\vec{B}$ thì pháp tuyến cùng phương với $\vec{B}$ , từ thông ban đầu cực đại $\Phi_0=NBS$ . Chọn mốc:

\Phi=NBS\cos(\omega t)

e=-\frac{\mathrm{d}\Phi}{\mathrm{d}t}=NBS\omega\sin(\omega t)=e_0\sin(\omega t)

e_0=\omega NBS=10\cdot 200\cdot 0{,}5\cdot 0{,}2=200\,\mathrm{V}

Bước 2

Vậy

e=200\sin(10t)\,\mathrm{(V)}

Bước 3

Nếu chọn mốc khác ví dụ từ thông ban đầu bằng $0$ thì $e=e_0\cos(\omega t)$ .

Ví dụ 3

Một khung dây có $N=50$ vòng, diện tích $S=0{,}1\,\mathrm{m}^2$ , quay đều trong từ trường đều có $B=0{,}4\,\mathrm{T}$ với tốc độ $n=60\,\mathrm{vòng/phút}$ . Điện trở toàn mạch là $R=10\,\Omega$ . Tính cường độ dòng điện cực đại.

Lời giải · 3 bước

Tốc độ góc:

\omega=\frac{2\pi n}{60}=\frac{2\pi\cdot 60}{60}=2\pi\,\mathrm{rad/s}

Bước 2

Suất điện động cực đại:

e_0=\omega NBS=2\pi\cdot 50\cdot 0{,}4\cdot 0{,}1=4\pi\,\mathrm{V}\approx 12{,}6\,\mathrm{V}

Bước 3

Cường độ dòng điện cực đại:

I_0=\frac{e_0}{R}=\frac{4\pi}{10}\,\mathrm{A}=0{,}4\pi\,\mathrm{A}\approx 1{,}26\,\mathrm{A}

7. Liên hệ thực tế

Ở nhà máy thuỷ điện, dòng nước làm quay tuabin; ở nhà máy nhiệt điện, hơi nước áp suất cao làm quay tuabin. Tuabin truyền chuyển động cho rôto của máy phát điện xoay chiều, sinh ra điện năng phân phối ra lưới điện.
Ở Việt Nam, điện áp hiệu dụng ở lưới gia dụng là $U=220\,\mathrm{V}$ , tần số $f=50\,\mathrm{Hz}$ ; điện áp cực đại ứng với đó là $U_0=220\sqrt{2}\,\mathrm{V}\approx 311\,\mathrm{V}$ .
Điện gió cũng dùng máy phát điện xoay chiều: cánh quạt gió làm quay rôto; điện năng sau đó qua máy biến áp để truyền tải đi xa.

Nhớ nhanh

1. Khái niệm cơ bản

2. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động

3. Định luật và công thức

4. Giá trị hiệu dụng của dòng điện xoay chiều

5. Phương pháp giải bài tập

6. Ví dụ minh hoạ

7. Liên hệ thực tế