Bài 17: Máy phát điện xoay chiều

Tóm tắt lý thuyết

2.1. Máy phát điện là gì ?

a. Định nghĩa máy phát điện

  • 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.

b. Cấu tạo máy phát điện

  • 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.
  • Một trong hai phần đứng yên gọi là Stato, phần còn lại quay quanh một trục gọi là Roto.

2.2. Máy phát điện xoay chiều một pha

a. Cấu tạo và hoạt động máy phát điện xoay chiều một pha

Sơ đồ máy phát điện một pha có 3 cặp cực.

Sơ đồ máy phát điện một pha có 3 cặp cực.

  • Cấu tạo gồm các bộ phận chính:
    • Phần cảm là nam châm vĩnh cữu hay nam châm điện. Đó là phần tạo ra từ trường.
    • Phần ứng là những cuộn dây, trong đó xuất hiện suất điện động cảm ứng khi máy hoạt động.
    • Một trong hai phần đặt cố định, phần còn lại quay quanh một trục. Phần cố định gọi là stato, phần quay gọi là rôto.

•  Hoạt động: Khi rôto quay, từ thông qua cuộn dây biến thiên, trong cuộn dây xuất hiện suất điện động cảm ứng, suất điện động này được đưa ra ngoài để sử dụng.

b. Tần số của dòng điện xoay chiều.

  • Nếu máy phát có 1 cuộn dây và 1 nam châm (một cặp cực), rôto quay n vòng trong 1 giây thì tần số của dòng điện là f = n.
  • Nếu máy có p cặp cực và rô to quay n vòng trong 1 giây thì f = np.
  • Nếu máy có p cặp cực và rô to quay n vòng trong 1 phút thì  \(f=\frac{n}{60}p\)

2.3. Máy phát điện xoay chiều ba pha

a. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động máy phát điện xoay chiều ba pha

  • Máy phát điện xoay chiều ba pha cấu tạo gồm stato có ba cuộn dây riêng rẽ, hoàn toàn giống nhau quấn trên ba lỏi sắt đặt lệch nhau \(120^o\) trên một vòng tròn, rôto là một nam châm điện.
  • Khi rôto quay đều, các suất điện động cảm ứng xuất hiện trong ba cuộn dây có cùng biên độ, cùng tần số nhưng lệch nhau về pha là \(\frac{2\pi }{3}\)
  • Nếu nối các đầu dây của ba cuộn với ba mạch ngoài (ba tải tiêu thụ) giống nhau thì ta có hệ ba dòng điện cùng biên độ, cùng tần số nhưng lệch nhau về pha là  \(\frac{2\pi }{3}\).

b. Cách mắc mạch ba pha

  • Mắc hình sao

Ba điểm đầu của ba 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: \(U_d=\sqrt{3}U_p\) (\(U_d\) là điện áp giữa hai dây pha, \(U_p\) là điện áp giữa dây pha và dây trung hoà).

  • Mắc 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.

c. 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 1 góc \(\frac{2 \pi }{3}\).

d. Những ưu việt của dòng 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 ba pha.
  • Cung cấp điện cho các động cơ ba pha, dùng phổ biến trong các nhà máy, xí nghiệp.

Bài tập minh họa



Bài 1:

Một máy phát điện có 4 cặp cực, roto quay với tốc độ 30 vòng/phút, một máy phát điện thứ hai có 5 cặp cực. Để hai dòng điện do 2 máy phát ra hòa vào cùng một mạng điện thì roto của máy phát thứ hai phải có tốc độ bao nhiêu?

Hướng dẫn giải:

\(f_1 = f_2 \Rightarrow \frac{n_1p_1}{60} = \frac{n_2p_2}{60}\)
\(\Rightarrow n_2 = \frac{n_1p_1}{p_2} = \frac{30.4}{5} = 24 \ (v/p)\)

Bài 2:

Một máy phát điện xoay chiều một pha có 4 cặp cực. Biểu thức của suất điện động do máy phát ra là: \(e=220\sqrt{2}cos(\100\pi t-0,5\pi )(V)\)  . Tính tốc độ quay của rôto theo đơn vị vòng/phút.

Hướng dẫn giải

Ta có: \(f=\frac{\omega }{2\pi }=\frac{60f}{60}\Rightarrow n=\frac{60\omega }{p.2\pi }\)  = 750 vòng/phút.

Bài 3:

Một máy phát điện xoay chiều 1 pha tạo ra tần số 60 Hz, để duy trì hoạt động của 1 thiết bị kỹ thuật (chỉ hoạt động với tần số 60 Hz). Nếu thay roto của máy bằng 1 roto khác nhiều hơn 1 cặp cực thì số vòng quay của roto trong 1 giờ thay đổi 7200 vòng. Tìm số cặp cực của roto ban đầu?

Hướng dẫn giải:

\(f = \frac{np}{60} = 60\)
Thay roto của máy bằng 1 roto khác nhiều hơn 1 cặp cực ⇒ Số vòng quay giảm trong 1 giờ là 7200 vòng.
⇒ Trong 1 phút: \(\frac{7200}{60} = 120\ (v/p)\)
\(f’ = \frac{n’p’}{60} = \frac{(n-120)(p+1)}{60} = 60\)
Ta có: \(\left\{\begin{matrix} f = \frac{np}{60} = 60 \hspace{1,6cm}\\ f’ = \frac{(n-120)(p+1)}{60} = 60 \end{matrix}\right. \Rightarrow \left\{\begin{matrix} n = 720 \ (v/p)\\ p = 5 \hspace{1,5cm} \end{matrix}\right.\)