Công suất điện - Vật lí 11

Công suất điện - Vật lí 11

Bài viết dưới đây  sẽ giúp các bạn trả lời được câu hỏi về công suất điện cho biết gì!

I. Công suất điện là gì?

- Công suất điện được cho biết rằng khi vật di chuyển trong môi trường điện trường sẽ tạo ra một phần năng lượng có tác động làm dịch chuyển hay gây ra các kích ứng cho vật thể xung quanh và trong một khoảng thời gian xác định. Công suất điện tức thời \({\displaystyle p(t)=u(t)\cdot i(t)}\) với u, i là những giá trị tức thời của hiệu điện thế và cường độ dòng điện.

- Nếu u và i không đổi theo thời gian (dòng điện không đổi) thì \({\displaystyle P=U\cdot I}.\)

- Trong điện xoay chiều, có ba loại công suất: công suất hiệu dụng P, công suất hư kháng Q và công suất điện biểu kiến S, với S = P + iQ (i: đơn vị số ảo) hay \(S_2 = P_2 + Q_2\)

- Dụng cụ đo công suất điện là gì? Thiết bị đo công suất điện bao gồm Ampe kế đo cường độ dòng điện, điện trở kế để đo điện trở và vôn kế để đo hiệu điện thế. Từ các đại lượng trên ta sẽ tính được công suất điện.

II. Công suất điện xoay chiều

1. Định nghĩa

- Là dòng ba pha có khả năng tạo ra nguồn năng lượng cần thiết để có thể chuyển hóa các vật trên bề mặt thông qua quá trình tạo ra các xung điện. Qua đó, thấy được những ưu điểm của dòng điện xoay chiều so với dòng một chiều là nó có khả năng chuyển đổi qua cùng một đường dây điện tại một khoảng thời gian nhất định cho trước.

- Công thức:

\({\displaystyle P=U\times I}\)

Với:

• P là công suất
• U là điện áp
• I là độ lớn dòng điện đi qua (cường độ dòng điện).

- Ý nghĩa:

+ Trong mạch điện xoay chiều, các thành phần tích lũy năng lượng như cuộn cảm và tụ điện có thể tạo ra sự lệch pha của dòng điện so với hiệu điện thế. Có thể được biểu diễn về mặt toán học hiệu điện thế và dòng điện bằng số phức để thể hiện pha của các đại lượng này cho điện xoay chiều. Lúc này công suất cũng có thể biểu diễn qua số phức, kết quả của phép nhân hai số phức là hiệu điện thế và dòng điện.

+ Giá trị tuyệt đối của công suất phức là công suất biểu kiến. Phần thực của công suất phức được gọi là công suất thực. Nó là công suất tính trung bình theo toàn chu kỳ của dòng điện xoay chiều, tạo ra sự chuyển giao thực năng lượng theo một hướng. Nó là công suất tính trung bình theo toàn chu kỳ của dòng điện xoay chiều, tạo ra sự chuyển giao thực năng lượng theo một hướng.

2. Dòng năng lượng

- Nhận thức được quan hệ giữa ba thành phần này là vấn đề cốt lõi của nhận thức chung về công nghệ điện xoay chiều. Quan hệ toán học giữa các thành phần này là một tổng vectơ và thông thường được biểu diễn dưới dạng số phức.

- Công thức 1:

\(S = P + iQ\)

- Ở đây i là đơn vị số ảo, căn bậc hai của -1. Trong biểu đồ, P là công suất thực, Q là công suất phản kháng, độ dài của S là công suất biểu kiến.

- Đặc trưng:

+ Giả sử coi như ta có mạch điện xoay chiều bao gồm một nguồn và phụ tải tổng quát hóa, trong đó cả dòng điện và hiệu đện thế là có dạng hình sin. Nếu phụ tải là điện trở thuần túy hay hai sự phân cực theo hai chiều là cân bằng, thì chiều của dòng năng lượng không bị thay đổi và chỉ có công suất thực đi qua.

+ Nó là công suất tính trung bình theo toàn chu kỳ của dòng điện xoay chiều, tạo ra sự chuyển giao thực năng lượng theo một hướng. Khác so với phần thực khi ta xét đến phần công suất ảo ta có thể thấy nó sinh ra phản kháng có khả năng cung cấp nguồn năng lượng với chiều hướng ngược lại so với phần thực và khả năng kích ứng xuất cảm kháng là lớn tùy vào độ thay đổi của R.

+ Nguồn năng lượng khi đó sẽ chỉ chuyển tới, chuyển lui và được biết như là công suất phản kháng. Nếu cảm kháng (dơn giản nhất là cuộn cảm) và dung kháng (đơn giản nhất là tụ điện) được mắc song song thì dòng điện sinh ra bởi cảm kháng và dung kháng là lệch pha nhau 180 độ và vì thế chúng một phần nào đó triệt tiêu lẫn nhau hơn là bổ sung cho nhau.

+ Trong thực tế, phần lớn các phụ tải đều có cảm kháng hay dung kháng hoặc cả hai phần này vì thế cả công suất thực và công suất phản kháng đều phải được truyền tới phụ tải.

+ Nó là tổng vectơ của công suất thực (năng lượng thực tế được truyền từ nguồn tới phụ tải) và công suất phản kháng (là năng lượng lưu thông giữa nguồn và các thành phần lưu trữ năng lượng là cảm kháng và dung kháng của phụ tải). Nó thông thường là điều được chú ý nhiều nhất trong truyền tải và phân phối điện năng.

- Công thức 2:

\(|S|_2 = P_2 + Q_2\)

Đơn vị công suất oát (W) nói chung được gắn với công suất thực tế tiêu hao. Công suất phản kháng được đo bằng vôn-ampe phản kháng (VAr) và công suất biểu kiến hay công suất phức hợp được đo bằng vôn-ampe (VA) hay các bội (ước) số của nó, chẳng hạn như kVA.

3. Hệ số công suất

- Định nghĩa:

Trong kỹ thuật điện, hệ số công suất của hệ thống điện xoay chiều được định nghĩa là tỷ lệ công suất thực được hấp thụ bởi tải với công suất biểu kiến chảy trong mạch và là một đại lượng không thứ nguyên trong khoảng đóng từ -1 đến 1.

- Đặc trưng:

+ Hệ số công suất nhỏ hơn 1.0 chỉ ra điện áp và dòng điện không cùng pha, làm giảm tích số tức thời của cả hai. Công suất thực là tích số tức thời của điện áp và dòng điện, và thể hiện công suất của điện để thực hiện công việc.

+ Công suất biểu kiến ​​là sản phẩm trung bình của điện áp và dòng điện. Do năng lượng được lưu trữ trong tải và trở về nguồn, hoặc do tải phi tuyến làm biến dạng hình dạng sóng của dòng điện rút ra từ nguồn, công suất biểu kiến ​​có thể lớn hơn công suất thực. Hệ số công suất âm xảy ra khi thiết bị (thường là tải) tạo ra năng lượng, sau đó chảy ngược về nguồn.

+ Trong một hệ thống năng lượng điện, một tải có hệ số công suất thấp sẽ tiêu hao dòng điện nhiều hơn tải có hệ số công suất cao cho cùng một lượng điện năng hữu ích được truyền tới.

+ Dòng điện cao hơn làm tăng năng lượng bị mất trong hệ thống phân phối, và đòi hỏi dây lớn hơn và các thiết bị khác. Do chi phí cho các thiết bị lớn hơn và lãng phí năng lượng, các tiện ích điện thường sẽ tính chi phí cao hơn cho các khách hàng công nghiệp hoặc thương mại nơi có hệ số công suất thấp.

+ Dãy tụ 150 KV bù pha trong truyền tải điện

- Hiệu chỉnh hệ số công suất điện

+ Hiệu chỉnh hệ số công suất điện là làm tăng hệ số công suất của tải, nâng cao hiệu quả cho hệ thống phân phối mà nó được gắn vào.

+ Các tải tuyến tính với hệ số công suất thấp, như các động cơ cảm ứng, có thể được chỉnh sửa bằng một mạng thụ động các tụ điện hoặc cuộn cảm, thường gọi là tụ điện bù hay cuộn cảm bù.

+ Các tải phi tuyến tính, chẳng hạn như bộ chỉnh lưu, làm biến dạng dòng điện rút ra từ hệ thống. Trong những trường hợp như vậy, hiệu chỉnh hệ số công suất chủ động hoặc thụ động có thể được sử dụng để chống lại sự biến dạng và nâng cao hệ số công suất. Các thiết bị để hiệu chỉnh hệ số công suất có thể ở một trạm biến áp trung tâm, trải rộng trên một hệ thống phân phối hoặc được tích hợp vào các thiết bị tiêu thụ điện.

Công thức tính công điện một chiều 

III. Bài tập áp dụng

Bài 1: Một quạt điện dùng trên xe ô tô có ghi 12V – 15W

a) Cần phải mắc quạt vào hiệu điện thế bao nhiêu để cho nó chạy bình thường? Tính cường độ dòng điện chạy qua khi đó

b) Tính điện năng mà quạt sử dụng trong một giờ khi chạy bình thường

c) Khi quạt chạy , điện năng được biến đổi thành các dạng năng lượng nào?

Tóm tắt:

\(U_{đm} = 12V; P_{đm} = 15W;\)

a) Quạt hoạt động bình thường thì U = ?; I = ?

b) t = 1h = 3600s; A = ?

c) Hiệu suất H = 85%; R = ?

Lời giải:

a)o Áp hiệu điện thế 122V vào hệ mạch điện

Điện trở của quạt là: \(R = \dfrac{U_2}{P} = \dfrac{122}{15} = 9,6Ω.\)

Khi đó ta có: \(I = \dfrac{U}{R} = \dfrac{12}{9,6} = 1,25A.\)

b) Điện năng quạt tiêu thụ trong 1 giờ là:

A = Pđm.t = 15.3600 = 54000J = 0,015kW.h.

c) Theo định luật biến đổi điện sẽ được hoán đổi thành cơ năng như sau:

Phần điện năng biến đổi thành cơ năng trong 1 giây là:

Pcơ = Ptoàn phần.H = 15.85% = 12,75 J/s

Mặt khác ta có: Ptoàn phần = Pcơ + Pnhiệt

⇒ Phần điện năng biến đổi thành nhiệt năng trong 1 giây l

Pnhiệt = Ptoàn phần - Pcơ = 15 – 12,75 = 2,25 J/s

Điện trở của quạt: Pnhiệt \(= I_2.R ⇒ R = P_{\dfrac{nhiệt}{I_2}} = 1,44Ω\).

Bài 2: Cho hai bóng đèn dây tóc có ghi số 6V – 2W và 6V – 3W

a) Tính điện trở của dây tóc mỗi bóng đèn này khi chúng sáng bình thường

b) Cho biết vì sao khi mắc nối tiếp hai bóng đèn này vào hiệu điện thế U = 12V thì chúng không sáng bình thường

c) Lập luận để chứng tỏ rằng có thể mắc hai bóng đèn này cùng với một biến trở vào hiệu điện thế nêu trên để chúng sáng bình thường. Vẽ sơ đồ mạch điện này

Tóm tắt:

Đèn 1: Uđm1 = 6V, Pđm1 = 2W;

Đèn 2: Uđm2 = 6V, Pđm2 = 3W

a) \(R_1 = ?; R_2 = ?\)

b) U = 12V; tại sao đèn không sáng bình thường?

c) Để 2 đèn sáng bình thường, sơ đồ? Giải thích?

d) Rbt = ?; t = 30 phút = 1800s; Abt = ?

Lời giải:

a) \(R_1=\dfrac{U^2_{đm1}}{P_{đm1}}=\dfrac{6^2}{3}=12Ω\) và \(R_2=\dfrac{U^2_{đm2}}{P_{đm2}}=\dfrac{6^2}{2}=18Ω\)

b) Cường độ dòng điện định mức của đèn:

\(I_{đm1} = \dfrac{P_{đm1}}{U_{đm1}} =\dfrac{ 3 }{ 6} = 0,5A ; I_{đm2}=\dfrac{ P_{đm2}}{U_{đm2}} = \dfrac{2}{6} =\dfrac{ 1}{3} A.\)

Nếu mắc Đ1 nối tiếp với Đ2 thì điện trở tương đương của mạch:

\(R_{12} = R_1 + R_2 = 12 + 18 = 30Ω\)

Khi đó cường độ dòng điện qua mỗi đèn là:

\(I_1 = I_2 = I =\dfrac{ U}{R_{12}} = \dfrac{12}{30} = 0,4A\)

Ta thấy \(I_1 < I_{đm1} \ và \ I_2 > I_{đm2}\) nên đèn 1 sáng yếu hơn bình thường, đèn 2 sáng quá định mức sẽ hỏng.

c) Để hai đèn sáng bình thường thì ta phải mắc thêm một biến trở vào mạch.

Vì \(U_1 = U_2 = 6V < U = 12V\) và \( I_{đm1} ≠ I_{đm2} \) nên có thể mắc một trong hai cách sau:

Cách 1: Hai đèn \(Đ_1\) và \( Đ_2\) phải song song với nhau và nối tiếp với biến trở \(R_b\) như hình vẽ, sao cho:

\(I_b = I_{đm1} + I_{đm2} = 0,5 + \dfrac{1}{3} = \dfrac{5}{6}A\)

và \(U_b = U - U_{12} = 12 – 6 = 6V\)

Cách 2: Đèn \( Đ_2\) và biến trở phải song song với nhau và nối tiếp với đèn \(Đ_1\) như hình vẽ, sao cho:

\(I_b = I_{đm1} - I_{đm2} = 0,5 - \dfrac{1}{3} =\dfrac{1}{6}A \ và \ U_b = U_2 = 6V\)

Với những gì mà đã giúp các bạn khái quát nội dung về công suất điện trên đây, hy vọng sẽ giúp các bạn đạt kết quả cao trong học tập!