Vật lý 12 Bài 17: Máy phát điện xoay chiều

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.

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

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  \(f=\frac{n}{60}p\)

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 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: \(\left\{\begin{matrix} f = \frac{np}{60} = 60 \hspace{1,6cm}\\ f' = \frac{(n-120)(p+1)}{60} = 60 \end{matrix}\right. \Rightarrow \left\{\begin{matrix} n = 720 \ (v/p)\\ p = 5 \hspace{1,5cm} \end{matrix}\right.\)

Qua bài này, các em sẽ được làm quen với các kiến thức hoàn toàn mới liên quan đến Máy phát điện xoay chiều  , các em cần phải nắm được : 

• Khái niệm của máy phát điện xoay chiều

• Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của các loại máy phát điện xoay chiều.

• Những ứng dụng vô cùng quan trọng của máy phát điện  trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta.

• Làm quen với các dạng bài tập về máy phát điện xoay chiều theo nhiều cấp độ từ dễ đến khó…

Các em có thể hệ thống lại nội dung kiến thức đã học được thông qua bài kiểm tra Trắc nghiệm Vật lý 12 Bài 17 cực hay có đáp án và lời giải chi tiết. 

• Câu 1:

  Chọn câu phát biểu sai về máy phát điện xoay chiều một pha

  • A. Máy được chế tạo dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ
  • B. Cho rô-to quay thì trong phần ứng xuất hiện suất điện động xoay chiều
  • C. Để tăng suất điện động cần bố trí phần ứng của máy là nam châm có nhiều cặp cực
  • D. Công làm quay rôto đã biến thành điện năng

• Câu 2:

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

  • A. 150 vòng/phút.
  • B.  750 vòng/phút.
  • C. 1500 vòng/phút.
  • D. 100 vòng/phút.

• Câu 3:

  Trong máy phát điện xoay chiều một pha, lõi thép kĩ thuật điện được sử dụng để quấn các cuộn dây của phần cảm và phần ứng nhằm mục đích:

  • A. Tăng cường từ thông của chúng. 
  • B. Làm cho từ thông qua các cuộn dây biến thiên điều hòa
  • C. Tránh dòng tỏa nhiệt do có dòng Phu-cô xuất hiện
  • D. Làm cho các cuộn dây phần cảm có thể tạo ra từ trường quay.

• Câu 4:

  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?

  • A. 50 vòng/phút.
  • B. 24 vòng/phút.
  • C. 75 vòng/phút.
  • D. 240 vòng/phút.

Câu 4- Câu 9: Xem thêm phần trắc nghiệm để làm thử Online 

Các em có thể xem thêm phần hướng dẫn Giải bài tập Vật lý 12 Bài 17 để giúp các em nắm vững bài học và các phương pháp giải bài tập.

Bài tập 17-18.1 trang 47 SBT Vật lý 12

Bài tập 17-18.2 trang 47 SBT Vật lý 12

Bài tập 17-18.3 trang 47 SBT Vật lý 12

Bài tập 17-18.4 trang 47 SBT Vật lý 12

Bài tập 17-18.5 trang 47 SBT Vật lý 12

Bài tập 17-18.6 trang 47 SBT Vật lý 12

Bài tập 17-18.7 trang 48 SBT Vật lý 12

Bài tập 17-18.8 trang 48 SBT Vật lý 12

Bài tập 1 trang 164 SGK Vật lý 12 nâng cao

Bài tập 2 trang 164 SGK Vật lý 12 nâng cao

Bài tập 3 trang 164 SGK Vật lý 12 nâng cao

Bài tập 4 trang 164 SGK Vật lý 12 nâng cao

Trong quá trình học tập nếu có thắc mắc hay cần trợ giúp gì thì các em hãy comment ở mục Hỏi đáp, Cộng đồng Vật lý HOC247 sẽ hỗ trợ cho các em một cách nhanh chóng!

Chúc các em học tập tốt và luôn đạt thành tích cao trong học tập!