Tài liệu Skkn rèn kỹ năng giải bt phần kỹ thuật điện công nghệ 12.

 Sáng kiến kinh nghiệm Năm học 2015 - 2016 MỤC LỤC A- PHẦN MỘT: MỞ ĐẦU I. Đặt vấn đề 1. Lý do chọn đề tài 2. Ý nghĩa đề tài 3. Phạm vi nghiên cứu 4. Phương pháp nghiên cứu 5. Nội dung nghiên cứu II. Phương pháp tiến hành 1. Cơ sở lý luận và thực tiễn 1.1. Cơ sở lý thuyết 1.1.1. Khái quát về hệ thống điện quốc gia 1.1.2. Khái niệm chung về mạch điện xoay chiều ba pha 1.1.3. Một số hiện tượng vật lý cơ bản 1.2. Cơ sở thực tiễn 2. Biện pháp thực hiện B - PHẦN HAI: NỘI DUNG I. Mục tiêu nghiên cứu II. Gải pháp thực hiện Dạng 1: Máy biến áp - Bài toán truyền tải điện năng đi xa Dạng 2: Máy phát điện xoay chiều ba pha - Mạch điện xoay chiều ba pha Dạng 3: Máy biến áp ba pha Dạng 4: Động cơ điện xoay chiều ba pha Ví dụ bài tập làm thêm III. Đánh giá hiệu quả thực hiện 1. Mục đích 2. Đối tượng thực nghiệm 3. Phương pháp thực nghiệm 4. Kết quả thực nghiệm C. PHẦN BA - KẾT LUẬN GV: Lê Thị Thu Hà Trang 2 2 2 3 3 3 3 4 4 4 4 5 8 8 9 10 10 10 11 16 21 23 25 41 41 41 41 42 44 Trường THPT Mỹ Hào 1  Sáng kiến kinh nghiệm A. PHẦN MỘT: Năm học 2015 - 2016 MỞ ĐẦU I. Đặt vấn đề 1. Lý do chọn đề tài Môn Công nghệ trong chương trình giáo dục phổ thông là môn học ứng dụng kiến thức của Toán, Vật lý, Sinh học, Hóa học… vào sản xuất và đời sống nhằm góp phần hình thành nhân cách toàn diện cho học sinh, chuẩn bị cho các em tiếp tục học lên bậc cao hơn hoặc bước vào cuộc sống lao động. Môn Công nghệ giúp học sinh làm quen với một số quy trình công nghệ chủ yếu, một số ngành, nghề phổ biến của đất nước, để góp phần định hướng nghề nghiệp một cách đúng đắn, phù hợp với nhu cầu nhân lực của xã hội cũng như với năng lực, sở trường và hoàn cảnh của cá nhân. Trong chương trình Công nghệ 12, học sinh được làm quen với hai lĩnh vực kĩ thuật quan trọng đó là kĩ thuật điện tử và kĩ thuật điện. Phần kĩ thuật điện giới thiệu cho học sinh những nội dung chủ yếu về mạch điện xoay chiều ba pha, máy điện ba pha và mạng điện sản xuất quy mô nhỏ. Trong quá trình dạy phần kĩ thuật điện Công nghệ 12, tôi thấy cần thiết phải vận dụng kiến thức Vật lý để giải bài toán truyền tải điện năng đi xa trong hệ thống điện quốc gia, bài tập mạch điện xoay chiều ba pha và các loại máy điện ba pha. Tôi đã xây dựng một số phương pháp giải nhanh bài tập phần kĩ thuật điện - Công nghệ 12. Học sinh biết vận dụng những kiến thức được học trong môn Vật lý để giải bài tập phần kĩ thuật điện - Công nghệ 12. Ngoài ra tôi còn sưu tầm và hướng dẫn học sinh giải các bài tập khác. Từ đó giúp học sinh có kiến thức sâu, rộng hơn, liền mạch hơn và đặc biệt các em đã hình thành cho mình kĩ năng vận dụng kiến thức giữa các môn học giải quyết các bài tập cụ thể. Trong năm học 2014 - 2015, do đặc điểm của kì thi THPT Quốc gia đang được tổ chức dưới hình thức thi trắc nghiệm khách quan thì số lượng các câu hỏi và bài tập được phủ rộng toàn bộ chương trình với các dạng toán tương đối đa dạng. Một trong những dạng toán nằm trong chương trình ôn luyện để thi vào vào các trường Đại học, cao đẳng đó là: Máy điện và truyền tải điện năng đi xa. Tuy nhiên có thể nói rằng đây cũng là dạng toán mà các em học sinh nói chung và học sinh trường THPT Mỹ Hào nói riêng thường cảm thấy khó khăn và ít trú trọng hơn các phần khác. Có lẽ do tính thực tiễn cao của các bài toán về máy điện và truyền tải điện năng đi xa, cộng với số lượng bài tập được đưa vào ở các sách giáo khoa là khá ít, cách trình bày chưa phân dạng một cách cụ thể và rõ ràng, điều này gây khó khăn cho các em học sinh đặc biệt là các em học sinh trường THPT Mỹ Hào trong việc làm các bài tập về máy điện xoay chiều ba pha, mạch điện xoay chiều ba pha và truyền tải điện năng đi xa. Để trang bị cho các em học sinh lớp 12 có thêm những kiến thức cơ bản giải bài tập mạch điện xoay chiều ba pha và máy điện ba pha, tôi đã nghiên cứu, phân tích, cải tiến và đưa ra sáng kiến để các em học sinh có được một tài liệu ôn luyện về máy điện và bài toán truyền tải điện năng đi xa 2 GV: Lê Thị Thu Hà Trường THPT Mỹ Hào  Sáng kiến kinh nghiệm Năm học 2015 - 2016 sao cho phù hợp đó là: “Rèn kỹ năng giải bài tập phần kĩ thuật điện cho học sinh trong môn Công nghệ 12”. 2. Ý nghĩa của đề tài Đề tài “Rèn kỹ năng giải bài tập phần kĩ thuật điện cho học sinh trong môn Công nghệ 12” sẽ giúp học sinh mở rộng thêm kiến thức, vận dụng được kiến thức Vật lý để giải bài tập mạch điện xoay chiều ba pha, máy điện xoay chiều ba pha. Khi giải các bài tập này, học sinh hiểu được phương pháp truyền tải điện năng đi xa, nguyên lý sản xuất điện năng của các tổ máy trong nhà máy điện hay các trạm biến áp ba pha cung cấp điện về nơi tiêu thụ… Những kiến thức này làm cơ sở để học sinh áp dụng vào cuộc sống của bản thân và cộng đồng hoặc học tiếp các chuyên ngành kĩ thuật sau này. 3. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu các dạng bài tập phần Kĩ thuật điện - Công nghệ 12 4. Phương pháp nghiên cứu 4.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết - Nghiên cứu chủ trương, đường lối, tài liệu và các công trình nghiên cứu đổi mới phương pháp dạy học theo hướng tích cực hoá việc học của học sinh. - Nghiên cứu tài liệu phương pháp giải bài tập mạch điện xoay chiều ba pha, các thiết bị điện xoay chiều ba pha và bài toán truyền tải điện năng đi xa. 4.2. Phương pháp nghiên cứu thực tiễn - Nghiên cứu về cấu trúc và nội dung chương trình Công nghệ 12 - Xây dựng một số phương pháp giải bài tập mạch điện xoay chiều ba pha, các thiết bị điện xoay chiều ba pha và bài toán truyền tải điện năng đi xa. 4.3. Thực nghiêm ê sư phạm - Tổ chức dạy thực nghiê êm (lớp 12A9) và đối chứng (lớp 12A1) nhằm kiểm tra tính khả thi của đề tài. 5. Nội dung nghiên cứu - Bài tập truyền tải điện năng đi xa - Bài tập mạch điện xoay chiều ba pha - Bài tập máy điện xoay chiều ba pha. GV: Lê Thị Thu Hà Trường THPT Mỹ Hào 3  Sáng kiến kinh nghiệm Năm học 2015 - 2016 II. Phương pháp tiến hành 1. Cơ sở lý luận và thực tiễn 1.1. Cơ sở lý luận 1.1.1. Khái quát về hệ thống điện quốc gia Nhu cầu sử dụng điện năng ngày càng tăng vì dạng năng lượng này có ưu điểm đặc biệt: giá thành rẻ và sử dụng thuận tiện cho mọi lĩnh vực trong đời sống và sản xuất. Điện năng có thể được sản xuất từ các dạng năng lượng khác nhau: cơ năng, nhiệt năng, hóa năng, quang năng, năng lượng nguyên tử, … - Các loại nhà máy điện: nhà máy nhiệt điện, nhà máy thủy điện, nhà máy điện nguyên tử, nhà máy điện dùng sức gió, nhà máy điện dùng năng lượng mặt trời, nhà máy điện hạt nhân. Ở nước ta có 3 loại nhà máy điện chủ yếu đó là: nhà máy thủy điện, nhà máy nhiệt điện, nhà máy điện gió. - Điện năng sản xuất trong các nhà máy điện phải được truyền tải và phân phối đến các hộ tiêu thụ, vì vậy việc truyền tải điện năng đến nơi tiêu thụ có ý nghĩa rất quan trọng, phải tính toán sao cho công suất tổn hao trên đường dây truyền tải nhỏ nhất và giá thành truyền tải ít nhất. - Như vậy, điện do các nhà máy điện sản xuất ra được tăng áp rồi tải về nơi tiêu thụ bằng đường dây cao áp, gần về nơi tiêu thụ phải dùng các trạm hạ áp để phân cung cấp điện về khu công nghiệp, khu dân cư, thành phố, bệnh viện, trường học,… Trước năm 1994, nước ta có ba hệ thống điện khu vực độc lập : Miền Bắc, miền Trung và miền Nam. Từ tháng 5-1994 đến nay, với sự xuất hiện của đường dây truyền tải điện Bắc-Nam 500 KV ( dài 1870 km), hệ thống điện Việt Nam đã trở thành 1 hệ thống điện quốc gia cung cấp điện năng cho toàn quốc. Sơ đồ hệ thống điện quốc gia có thể được mô tả như sau: Như vậy khi nghiên cứu chương 5 - Mạch điện xoay chiều ba pha, chương 6 - Máy điện xoay chiều ba pha, học sinh hiểu được nguyên tắc truyền tải và phân phối điện năng (dùng các trạm tăng áp và hạ áp), các thiết bị điện ba pha được sử dụng hiệu quả và tiết kiệm điện năng. Học sinh cần nắm rõ một số nguyên lý cơ bản, số liệu kĩ thuật của các thiết bị điện, giải bài tập cụ thể để biết ứng dụng các thiết bị điện này trong đời sống và sản xuất. 4 GV: Lê Thị Thu Hà Trường THPT Mỹ Hào  Sáng kiến kinh nghiệm Năm học 2015 - 2016 1.1.2. Khái niệm chung về mạch điện xoay chiều ba pha Việc truyền tải điện năng bằng mạch điện ba pha tiết kiệm được dây dẫn hơn việc truyền tải bằng dòng điện một pha đồng thời hệ thống điện ba pha có công suất lớn hơn. Động cơ điện ba pha có cấu tạo đơn giản và đặc tính tốt hơn động cơ một pha, động cơ ba pha được dùng trong mạng điện sản xuất. Để tạo ra nguồn điện ba pha ta dùng máy phát điện ba pha. * Ta xét cấu tạo của máy phát điện ba pha đơn giản : + Phần tĩnh gồm 6 rãnh, trong các rãnh đặt ba dây quấn AX, BY, CZ có cùng số vòng dây và lệch nhau một góc 2π/3 trong không gian. Dây quấn AX gọi là pha A, dây quấn BY gọi là pha B, dây quấn CZ là pha C. +Phần quay là nam châm (thường dùng nam châm điện). * Nguyên lí làm việc của máy phát điện đồng bộ ba pha: Khi rôto quay ngược chiều kim đồng hồ, từ trường lần lượt quét các dây quấn stato và cảm ứng vào trong dây quấn stato các sức điện động hình sin cùng biên độ, cùng tần số và lệch pha nhau một góc 2π/3. Sức điện động pha A: eA = Eo Sinωt Sức điện động pha B: eB = Eo Sin(ωt - 2π/3) Sức điện động pha C: eC = Eo Sin (ωt - 4π/3)= Eo Sin (ωt + 2π/3) Nguồn điện gồm ba sức điện động hình sin cùng biên độ, cùng tần số, lệch pha nhau 2π/3 gọi là nguồn ba pha đối xứng Đối với nguồn đối xứng ta có: eA+eB+eC=0 hoặc Nếu tổng trở phức của các pha tải bằng nhau Z A = ZB =ZC thì ta có tải đối xứng. Mạch điện ba pha gồm nguồn, tải và đường dây đối xứng gọi là mạch điện ba pha đối xứng. Nếu không thoã mãn một trong các điều kiện đã nêu gọi là mạch ba pha không đối xứng. a. Mạch điện ba pha phụ tải nối sao Mối quan hệ giữa đại lượng dây và pha trong cách nối hình sao đối xứng Id = Ip Ud = Up GV: Lê Thị Thu Hà Trường THPT Mỹ Hào 5  Sáng kiến kinh nghiệm Năm học 2015 - 2016 Về pha, điện áp dây UAB , UBC , UCA lệch pha nhau Một góc 120o và vượt trước điện áp pha tương ứng một góc 30o . b. Mạch điện ba pha phụ tải nối hình tam giác Các quan hệ giữa đại lượng dây và đại lượng pha trong cách nối hình tam giác đối xứng Ud = Up Về pha, dòng điện dây IA, IB, IC lệch pha nhau một góc 1200 và chậm pha so với dòng điện pha tương ứng Một góc 300 c. Công suất mạch điện ba pha - Công suất tác dụng P3p= PA + PB+ PC = UA IA cosPA + UB IB cosPB + UC IC cosPC Khi mạch ba pha đối xứng: UA= UB= UC=UP ; IA= IB= IC= IP và cosPA= cosPB= cosPC= cosP Ta có: P3p= 3 Up Ip cosP = 3 Rp I2p ; trong đó Rp là điện trở pha. Đối với nối sao đối xứng: Đối với nối tam giác đối xứng: Công suất tác dụng ba pha viết theo đại lượng dây, áp dụng cho cả trường hợp nối sao và nối giác đối xứng: - Công suất phản kháng Q3p = QA + QB +QC = UA IA sinPA + UB IB sinPB + UC IC sinPC Khi Mạch ba pha đối xứng : Q3p= 3 Up Ip sinP = 3 Xp I2p; trong đó Xp là điện kháng pha Hoặc viết theo đại lượng dây: - Công suất biểu kiến Khi Mạch ba pha đối xứng, công suất biểu kiến ba pha: d. Cách giải mạch điện ba pha đối xứng GV: Lê Thị Thu Hà Trường THPT Mỹ Hào 6  Sáng kiến kinh nghiệm Năm học 2015 - 2016 Đối với mạch ba pha đối xứng bao gồm nguồn đối xứng, tải và các dây pha đối xứng. Khi giải mạch ba pha đối xứng ta chỉ cần tính toán trên một pha rồi suy ra các pha kia. - Giải mạch điện ba pha tải nối hình sao đối xứng Khi không xét tổng trở đường dây pha Điện áp trên Mỗi pha tải: Tổng trở pha tải: trong đó Rp, Xp là điện trở và điện kháng Mỗi pha tải . Ud là điện áp dây Dòng điện pha của tải: Tải nối hình sao: Id = Ip Khi có xét tổng trở của đường dây pha Cách tính toán cũng tương tự: trong đó Rd , Xd là điện trở và điện kháng đường dây. - Giải mạch điện ba pha tải nối tam giác đối xứng Khi không xét tổng trở đường dây Ta có: Ud = Up Dòng điện pha tải Ip Dòng điện dây: Khi có xét tổng trở đường dây Tổng trở mỗi pha lúc nối tam giác: Zd = Rp+PXp GV: Lê Thị Thu Hà Trường THPT Mỹ Hào 7  Sáng kiến kinh nghiệm Năm học 2015 - 2016 Tổng trở biến đổi sang hình sao Dòng điện dây Id: Dòng điện pha của tải : 1.1.3. Một số hiện tượng vật lý cơ bản - Hiện tượng cảm ứng điện từ: Khi từ thông biến thiên qua một mạch kín thì trong mạch xuất hiện suất điện động cảm ứng sinh ra dòng điện cảm ứng   0 cos(t   )  e  ( ) ,t + Máy phát điện xoay chiều, máy biến áp hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. + Động cơ không đồng bộ ba pha hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ và lực điện từ. Khi cho dòng điện ba pha vào ba dây quấn Stato của động cơ, trong Stato sẽ có từ trường quay. Từ trường quay này quét qua các dây quấn Rôto, làm xuất hiện các sức điện động và dòng điện cảm ứng. Lực tương tác điện từ giữa từ trường quay và các dòng điện cảm ứng này tạo ra mômen quay tác động lên Rôto, kéo Rôto quay theo chiều quay từ trường và với tốc độ nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường. - Trong quá trình truyền tải điện năng đến nơi tiêu thụ điện; trên đường dây truyền tải điện và động cơ điện hoạt động luôn có một phần năng lượng hao phí do tỏa nhiệt( Định luật Jun – Lenxo). Để giảm hao phí trong quá trình truyền tải điện năng ( nâng cao hiệu suất) thì biện pháp chủ yếu hiện nay là dùng máy biến áp (máy tăng áp). - Từ thông, suất điện động cảm ứng, điện áp và cường độ dòng điện trong phần điện xoay chiều là những đại lượng biến thiên điều hòa theo thời gian    0 cos(t   ) (Wb)    '   0 . sin(t   0 )  E 0 sin(t   0 ) (V) t u  U 0 cos(t   u ) (V) i  I 0 cos(t   i ) e (A) + Giá trị hiệu dụng: E hd  E0 2 (V ); U hd  U0 2 (V ); I hd  I0 2 ( A) 1.2. Cơ sở thực tiễn GV: Lê Thị Thu Hà Trường THPT Mỹ Hào 8  Sáng kiến kinh nghiệm Năm học 2015 - 2016 Trong những năm qua hoạt đô nê g giáo dục của chúng ta đã có rất nhiều đổi mới như đổi mới trong sinh hoạt nhóm chuyên môn, đổi mới về phương pháp dạy học, dạy học theo chủ đề tích hợp liên môn,...Tuy nhiên việc đổi mới này vẫn chưa đáp ứng được nhiều nhu cầu học và thi của các em học sinh như hiện nay. Để góp phần thay đổi tư duy học môn Công nghệ đồng thời rèn kĩ năng giải bài tập phần kĩ thuật điện cho các em học sinh khối 12, tôi đã phân dạng bài tập, xây dựng được hệ thống bài tập cụ thể và có vận dụng nhiều kiến thức Vật lý, một số kiến thức hỗ trợ các em thi khối A, A 1 trong kì thi THPT Quốc gia sắp tới đồng thời đó cũng là những kiến thức bổ ích cho học sinh học ở bậc cao hơn hay có thể áp dụng vào thực tiễn cuộc sống. 2. Biện pháp thực hiện: - Nghiên cứu sách sách giáo khoa Công nghệ 12, Vật lý 11, Vật lý 12, sách bài tập Vật lý 12 kết hợp với các tài liệu Kĩ thuật điện, hệ thống điện quốc gia, mạch điện xoay chiều ba pha, máy điện ba pha, động cơ không đồng bộ ba pha để phân loại bài tập áp dụng trong từng bài dạy cụ thể phần Kĩ thuật điện - Công nghệ 12. - Mỗi dạng bài tập có hướng dẫn giải cụ thể - Kiểm tra, đánh giá học sinh sau mỗi bài học bằng các hình thức: kiểm tra miệng, kiểm tra 15 phút dưới hình thức tự luận và trắc nghiệm. GV: Lê Thị Thu Hà Trường THPT Mỹ Hào 9  Sáng kiến kinh nghiệm Năm học 2015 - 2016 B. PHẦN HAI: NỘI DUNG I. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu hoạt động của các nhà máy điện, các trạm biến áp, đường dây truyền tải và phân phối điện năng, nơi sử dụng điện (mạng điện sản xuất, mạng điện sinh hoạt) của hệ thống điện quốc gia. Từ đó tìm ra các phương pháp giải bài tập liên quan đến thiết bị điện ba pha, mạch điện xoay chiều ba pha. Giúp học sinh hình thành kỹ năng giải bài tập mạch điện xoay chiều ba pha và các loại máy điện xoay chiều ba pha trong phần Kĩ thuật điện - Công nghệ 12. II. Giải pháp thực hiện Khi dạy phần kĩ thuật điện - Công nghệ 12, tôi thường chia ra thành các dạng bài tập như sau: - Dạng 1: Máy biến áp - Bài toán truyền tải điện năng đi xa ( Bài 22 - Hệ thống điện quốc gia) - Dạng 2: Bài toán máy phát điện xoay chiều 3 pha và mạch điện xoay chiều ba pha ( Bài 23 - Mạch điện xoay chiều ba pha) - Dạng 3: Bài toán về máy biến áp ba pha ( Bài 25 - Máy điện xoay chiều ba pha - Máy biến áp ba pha) - Dạng 4: Bài toán về động cơ điện xoay chiều ba pha ( Bài 26 - Động cơ không đồng bộ ba pha) Trong mỗi dạng toán tôi thường đi theo sơ đồ sau: Đưa ra kiến thức và phương pháp giải Vẽ hình thiết bị (sơ đồ truyền tải điện năng đi xa) GV: Lê Thị Thu Hà Phân tích và trao đổi với các em HS, giải thích các ký hiệu trong hình. Nhận xét - Bài tập vận dụng - Bài tập về nhà Trường THPT Mỹ Hào 10  Sáng kiến kinh nghiệm DẠNG 1: Năm học 2015 - 2016 MÁY BIẾN ÁP - BÀI TOÁN TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG ĐI XA I. PHƯƠNG PHÁP GIẢI: Có thể nói đây là dạng toán khá hay vì: - Là một bài toán có tính thực tiễn cao. - Khi làm bài tập về máy biến áp và toán truyền tải điện năng đi xa học sinh sẽ hiểu hơn về bản chất của vật lý cũng như tính ứng dụng của vật lý trong đời sống. Ngoài ra khi học và làm bài tập về máy biến áp và toán truyền tải điện năng đi xa còn giáo dục cho học sinh về tiết kiệm năng lượng điện trong cuộc sống. 1. MÁY BIẾN ÁP: U1 N1 U2 N2 U1 N1 U2 N2  a. Suất điện động trong cuộn sơ cấp: e1  N1. t Suất điện động trong cuộn thứ cấp: e2  N 2 .  t e1 N1  e2 N 2  Trong đó e1 được coi như nguồn thu: e1 = u1 – i1.r1 e u  i .r (1) N 1 1 1 1 1 e2 được coi như nguồn phát: e2 = u2 + i2.r2  e  u  i .r  N 2 2 2 2 2 Khi r1  r2  0 (hay r1  0 , mạch thứ cấp hở) thì ta có: (2) e1 E1 U1 N1    k e2 E2 U 2 N 2 (3) Với k là hệ số máy biến áp - Nếu k > 1  U1 > U2  máy hạ áp - Nếu k < 1  U1 < U2  máy tăng áp b. Công suất của máy biến thế: - Công suất của cuộn sơ cấp: P1 = U1I1cos 1 - Công suất của cuộn thứ cấp: P2 = U2I2cos 2 c. Hiệu suất của máy biến thế: H GV: Lê Thị Thu Hà  2 U 2 I 2 cos2  1 U1 I1cos1 Trường THPT Mỹ Hào 11  Sáng kiến kinh nghiệm Năm học 2015 - 2016 U I N E 1 2 1 1 + Nếu H = 1 thì ta có: U  I  N  E 2 1 2 2 2. BÀI TOÁN TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG ĐI XA I A UA ' UA B UB a. Công suất máy phát : Pphát = UphátI.cos b. Công suất hao phí trong quá trình truyền điện năng: P2 P  2 2 R = U.I U cos  Với: P là công suất truyền đi ở nơi cung cấp U là điện áp ở nơi cung cấp cos là hệ số công suất của dây tải điện I là cường độ dòng điện chạy trên đường dây R l là điện trở tổng cộng của dây tải điện (lưu ý: dẫn điện bằng 2 S dây) U = IR là độ giảm điện áp trên đường dây tải điện Ở hình vẽ trên ta có:  U = IR = U A,  U B c. Biện pháp giảm hao phí: có 2 cách Giảm R : cách này rất tốn kém chi phí Tăng U : Bằng cách dùng máy biến thế, cách này có hiệu quả Ta có: Hiệu suất truyền tải điện năng: H P  p .100% P 3. Nhận xét quan trọng: Có thể nói bài toán về máy biến và truyền tải điện năng đi xa có mối quan hệ với nhau: Từ tăng (giảm) điện áp  giảm năng lượng hao phí  nâng cao hiệu suất II. CÁC BÀI TẬP VÍ DỤ: Ví dụ 1: Cuộn sơ cấp của một máy biến áp được nối với mạng điện xoay chiều có điện áp 380V. Cuộn thứ cấp có dòng điện 1,5A chạy qua và có điện áp giữa hai đầu dây là 120V. Biết số vòng dây của cuộn thứ cấp là 30. Tìm số vòng dây của cuộn sơ cấp và cường độ dòng điện chạy qua nó. Bỏ qua hao phí điện năng trong máy. Lời giải Vì bỏ qua sự hao phí năng lượng nên hiệu suất là 100%, máy biến áp là lí tưởng. Ta có: GV: Lê Thị Thu Hà Trường THPT Mỹ Hào 12  Sáng kiến kinh nghiệm Năm học 2015 - 2016 U 1 N1 I1   U2 N2 I2 Thay các đại lượng đã biết: 380 N1 I1 N1  95    120 30 1,5 I1  ,4 75A Ví dụ 2: Đặt vào hai đầu cuộn sơ cấp của một máy biến áp lí tưởng (bỏ qua hao phí) một điện áp xoay chiều có giá trị hiệu dụng không đổi thì điện áp hiệu dụng giữa hai đầu cuộn thứ cấp để hở là 100V. Ở cuộn thứ cấp, nếu giảm bớt n vòng dây thì điện áp hiệu dụng giữa hai đầu để hở của nó là U, nếu tăng thêm n vòng dây thì điện áp đó là 2U. Nếu tăng thêm 3n vòng dây ở cuộn thứ cấp thì điện áp hiệu dụng giữa hai đầu để hở của cuộn này bằng A. 100 V B. 200 V C. 220 V D. 110 V Lời giải: U1, N1 không đổi. Ta có: N 2 +) U 2  U1 N  100 1  U 2,  U1 ( N 2  3n)  200 N1  U1 U  N ( N2  n) N  1 +)  n 2 2U  U1 (N  n) 3  N1 2 V  đáp án B Ví dụ 3: Một học sinh quấn một máy biến áp với dự định số vòng dây của cuộn sơ cấp gấp hai lần số vòng dây của cuộn thứ cấp. Do sơ suất nên cuộn thứ cấp bị thiếu một số vòng dây. Muốn xác định số vòng dây thiếu để quấn tiếp thêm vào cuộn thứ cấp cho đủ, học sinh này đặt vào hai đầu cuộn sơ cấp một điện áp xoay chiều có giá trị hiệu dụng không đổi, rồi dùng vôn kế xác định tỉ số điện áp ở cuộn thứ cấp để hở và cuộn sơ cấp. Lúc đầu tỉ số điện áp bằng 0,43. Sau khi quấn thêm vào cuộn thứ cấp 24 vòng dây thì tỉ số điện áp bằng 0,45. Bỏ qua mọi hao phí trong máy biến áp. Để được máy biến áp đúng như dự định, học sinh này phải tiếp tục quấn thêm vào cuộn thứ cấp A. 100 vòng dây. B. 84 vòng dây. C. 60 vòng dây. D. 40 vòng dây. Lời giải N N t t Ta có tỉ số biến áp cần quấn đúng: k  N  0,5  N s  0,5 s GV: Lê Thị Thu Hà Trường THPT Mỹ Hào 13  Sáng kiến kinh nghiệm Năm học 2015 - 2016 Gọi số vòng cuộn thứ cấp lúc đầu là N 2 , số vòng phải tiếp tục quấn thêm là x N  24 N 2  24  x 0,5  0, 45N 2  0, 43N 2  10,32  N  516   2 Suy ra hệ phương trình:   x  60  0,5N 2  0, 43N 2  10,32  0, 43x N 2 2 ta có: Ns  0, 43  0, 45  Đáp án C Ví dụ 4: Khi truyền điện năng có công suất P từ nơi phát điện xoay chiều đến nơi tiêu thụ thì công suất hao phí trên đường dây là ∆P. Để cho công suất hao phí trên đường dây chỉ còn là P (với n > 1), ở nơi phát điện người ta sử dụng một n máy biến áp (lí tưởng) có tỉ số giữa số vòng dây của cuộn sơ cấp và số vòng dây của cuộn thứ cấp là A. n . B. 1 . n C. n. D. 1 . n Lời giải Vì máy biến áp là lí tưởng nên ta có công suất hao phí trước và sau sử dụng máy biến áp: P2R P2R ;  P  2 U 12 U 22 P1 P2  n P1  Theo đề bài: U 22  nU 12  U 2  nU 1  Suy ra: N1 U 1 1   N1 U 2 n  đáp án B Ví dụ 5: Trong quá trình truyền tải điện năng đi xa cần tăng điện áp của nguồn lên bao nhiêu lần để giảm công suất hao phí trên đường dây đi 100 lần. Giả thiết công suất nơi tiêu thụ nhận được không đổi, điện áp tức thời u cùng pha với dòng điện tức thời i. Biết ban đầu độ giảm điện thế trên đường dây bằng 15% điện áp của tải tiêu thụ. Lời giải - Đặt: U, U1, ΔU , I1, P1 là điện áp nguồn, điện áp ở tải tiêu thụ, độ giảm điện áp trên đường dây, dòng điện hiệu dụng và công suất hao phí trên đường dây lúc đầu. U’, U2, ΔU' , I2, P2 là điện áp nguồn, điện áp ở tải tiêu thụ, độ giảm điện áp trên đường dây, dòng điện hiệu dụng và công suất hao phí trên đường dây lúc sau. 2 P  I  1 I 2 1 U ' 1 Ta có: 2   2       P1  I1  100 I1 10 U 10 Theo đề ra: ΔU = 0,15.U1  U '  0,15U1 10 (1) - Vì u và i cùng pha và công suất nơi tiêu thu nhận được không đổi nên: GV: Lê Thị Thu Hà Trường THPT Mỹ Hào 14  Sáng kiến kinh nghiệm U1.I1 = U 2 .I 2  Năm học 2015 - 2016 U2 I = 1 = 10  U2 = 10U1 (2) U1 I2 - Từ (1) và (2):  U = U1 + ΔU = (0,15 + 1).U1   0,15.U1 0,15 = (10 + ).U1  U' = U 2 + ΔU' = 10.U1 + 10 10 0,15 10+ U' 10 = 8,7 - Do đó: = U 0,15+1 Ví dụ 6: Cuộn sơ cấp và thứ cấp của một máy biến áp có số vòng lần lượt là 600 vòng và 120 vòng. Đặt vào 2 đầu cuộn sơ cấp một điện áp xoay chiều cớ giá trị hiệu dụng 380V. a. Tính điện áp giữa 2 đầu cuộn thứ cấp b. Nối 2 đầu cuộn thứ cấp với điện trở có R = 100  . Tính cường độ dòng điện chạy trong cuộn sơ cấp( bỏ qua mọi hao phí ở máy biến áp) Lời giải Vẽ hình và phân tích: I2 I1 U1 U2 R a. Vì bỏ qua hao phí ở máy biến áp, ta có: U 2  U1 N2  76 V N1 b. Cường độ dòng điện chạy trong cuộn thứ cấp: I2  U2  0,76 A R - Cường độ dòng điện chạy trong cuộn sơ cấp: I1  N2I2  0,152 N1 A Ví dụ 7: Điện năng được tải từ trạm tăng áp tới trạm hạ áp bằng đường dây tải điện 1 pha có điện trở R = 30  . Bỏ qua tổn hao năng lượng ở các máy biến áp. a. Vẽ sơ đồ truyền tải điện b. Biết điện áp ở 2 đầu cuộn sơ cấp và thứ cấp của máy hạ áp lần lượt là 2200V và 220V, cường độ dòng điện chạy trong cuộn thứ cấp của máy hạ áp là 100A . Tính điện áp ở 2 cực trạm tăng áp và hiệu suất truyền tải điện. Coi hệ số công suất của mạch bằng 1 Lời giải 15 GV: Lê Thị Thu Hà Trường THPT Mỹ Hào  Sáng kiến kinh nghiệm Năm học 2015 - 2016 a. Vẽ sơ đồ truyền tải điện I I 1, A ' UA UA B UB b. Điện áp ở 2 cực trạm tăng áp: U A' - Xét máy hạ áp B: Cường độ dòng điện chạy trong dây dẫn là cường độ dòng điện chạy trong cuộn sơ cấp của máy hạ áp: I  U B, .I 1, 220.100   10 A UB 2200 - Độ giảm thế trên đường dây: U = IR = U A,  U B = 10.30 = 300V Suy ra: U A,  U  U B  300  2200  2500V - Hiệu suất truyền tải điện: + Vì hệ số công suất của mạch bằng 1 + Gọi P là công suất nguồn do máy tăng áp cung cấp H Ta có: DẠNG 2: P  P P I 2 .R .100%  1   1  ,  88% P P U A .I MÁY PHÁT ĐIỆN XOAY CHIỀU 3 PHA - MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA I. PHƯƠNG PHÁP GIẢI 1 ~ ~ ~ 0 3 2 Kí hiệu Máy phát điện ba pha 1. Nguyên tắc hoạt động: Khi nam châm quay, từ thông qua 3 cuộn dây biến thiên lệch pha 2 3 làm xuất hiện 3 suất điện động xoay chiều cùng tần số, cùng biên độ, lệch pha 2 3 . 2. Từ thông gửi qua khung dây của máy phát điện:  = 0cos(t + ) GV: Lê Thị Thu Hà Trường THPT Mỹ Hào 16  Sáng kiến kinh nghiệm Năm học 2015 - 2016 Với 0 = NBS là từ thông cực đại, N là số vòng dây, B là cảm ứng từ của từ trường, S là diện tích của vòng dây,  = 2f 3. Suất điện động trong khung dây: e = E0cos(t +  -  ) 2 Với E0 = NSB là suất điện động cực đại. Ở 3 cuộn dây chúng ta thu được hệ thống ba dòng điện xoay chiều, gây ra bởi ba suất điện động xoay chiều cùng tần số, cùng biên độ nhưng độ lệch pha từng đôi một là 2 3   e1  E0cos(t )  2   e2  E0 cos(t  ) 3  2   e3  E0 cos(t  3 ) .   i1  I 0cos(t )  2  trong trường hợp tải đối xứng thì  i2  I 0 cos(t  ) 3  2   i3  I 0cos(t  3 ) Chú ý: Một số công thức liên quan đến máy phát điện  Từ thông cực đại: 0  BS -> Nếu cuộn dây có N vòng: 0  NBS Suất điện động cảm ứng: e = E 0  NBS   0 d  NBS sin(t   ) = E0 sin(t   ) với dt e  E0 cost  Suất điện động cảm ứng: E0  NBS  Với SĐĐ cực đại: ( nếu có n cuộn dây mắc nối tiếp thì suất điện động cực đại là n E0 ) +Tần số dòng điện do máy phát điện xoay chiều tạo ra: f  n. p ( n: tốc độ quay (vòng /s); p: số cặp cực từ) A2 4. Cách mắc a) Máy phát mắc hình sao: Ud = 3 Up Tải tiêu thụ mắc hình sao: Id = Ip - Up là điện áp giữa dây pha và dây trung hòa - Ud là điện áp giữa 2 dây pha B1 A B31 Ud A1 A3 b) Máy phát mắc hình tam giác: Ud = Up Tải tiêu thụ mắc hình tam giác: Id = 3 Ip Up B1 A 2 B2 U = U d p A3 5. Nhận xét quan trọng: GV: Lê Thị Thu Hà Trường THPT Mỹ Hào 17  Sáng kiến kinh nghiệm Năm học 2015 - 2016 - Tùy vào bài toán cho cách mắc hình sao hay hình tam giác cho các tải tiêu thụ mà xác định điện áp đặt vào 2 đầu mỗi tải - Trong cách mắc hình sao nếu các tải mắc đối xứng thì dòng điện trong dây trung hòa bằng không - Khi máy phát mắc hình sao ta vẫn có thể mắc tải hình tam giác. Lúc này ta không dùng dây trung hòa - Ở máy phát và tải tiêu thụ thường chọn cách mắc tương ứng với nhau. II. CÁC BÀI TẬP VÍ DỤ: Ví dụ 1: Ở một mạng điện 3 pha mắc hình sao, điện áp giữa dây pha và dây trung hòa là 220V. Có một điện trở R = 40  . Tính cường độ dòng điện hiệu dụng qua điện trở R nếu dùng 2 dây pha hoặc 1 dây pha và 1 dây trung hòa? Lời giải - Khi dùng 1 dây pha và 1 dây trung hòa: Điện áp đặt vào 2 đầu R: U = Up = 220V Cường độ dòng điện hiệu dụng qua điện trở R: I1 = UP = 5,5A R 3 Up = 220 3 V - Khi dùng 2 dây pha: U = Ud = Cường độ dòng điện hiệu dụng qua điện trở R: I2 = Ud R = 5,5 3 A Nhận xét: Cường độ dòng điện hiệu dụng qua điện trở R trong 2 trường hợp I 2 > I1(do Ud > Up), nên các thiết bị điện thường dùng trong cuộc sống khi dùng 2 dây pha thường bị cháy do vượt quá giá trị định mức Ví dụ 2: Mạng điện ba pha có điện áp pha Up = 120V có tải tiêu thụ mắc thành hình sao. Tính cường độ dòng điện trong các dây pha và dây trung hòa nếu các tải tiêu thụ trên A, B, C là điện trở thuần RA = RB = 12 ; RC = 24. Lời giải Do các tải tiêu thụ mắc hình sao nên Id = Ip. U p 120   10 A  I A  IB  RA 12 U 120 IC  p   5 A. RC 24 Do các tải đều là thuần trở GV: Lê Thị Thu Hà uur UA uu r IA uuu r I AB uu r uur I C O H r uur UC 120o uu IB U B Trường THPT Mỹ Hào 18  Sáng kiến kinh nghiệm Năm học 2015 - 2016 nên dòng điện pha cùng pha với o điện uu r ápuu rpha.uu rCácuu rdòng uuu rđiệnuu rlệch pha nhau 120 . Ta suy ra giản đồ Fre-nen sau: I o  I A  I B  I C  I AB  I C . Dựa vào giản đồ  Io = IAB – IC. uu r uuu r uu r Vì IA = IB nên I AB là đường chéo của hình thoi tạo bởi I A và I B  IAB = 2.OH = 2.IB.cos60o = 2.10.cos60o = 10A. Vậy Io = IAB – IC = 10 – 5 = 5A. Ví dụ 3: Một máy phát điện ba pha mắc hình sao có điện áp pha 127V và có tần số 50Hz. Người ta đưa dòng 3 pha vào 3 tải như nhau mắc hình tam giác, mỗi tải có điện trở thuần 12Ω và độ từ cảm 51mH. 1) Tính cường độ dòng điện đi qua các tải. 2) Tính công suất do các tải tiêu thụ. Lời giải 1) Điện áp 2 đầu mỗi tải: Do tải mắc hình tam giác nên sử dụng 2 dây pha với điện áp: U = Ud = 3 Up = 127 3 V Cường độ dòng điện qua mỗi tải: Ud I  11A R 2  Z L2 2) Tính công suất do các tải tiêu thụ: Ta có: P  3UI cos  = 3 UI R R  Z L2 2 = 4351,56W Ví dụ 4: Trong lưới điện dân dụng ba pha mắc sao, điện áp mỗi pha là : u1 = 220 2 cos100t (V) ; u2 = 220 2 cos(100t + u3 = 220 2 cos(100t - 2 ) (V) . 3 2 ) (V) ; 3 Bình thường, việc sử dụng điện của các pha là đối xứng và điện trở mỗi pha có giá trị R1= R2= R3 = R = 4,4. Hãy viết biểu thức cường độ dòng điện trong dây trung hoà ở tình trạng sử dụng điện mất cân đối làm cho điện trở pha thứ 2 và pha thứ 3 giảm đi một nửa. Lời giải Biểu thức cường độ dòng điện qua mỗi tải: i1 = u1  R i u R suy ra [220 2 cos100t ]/R = 50 2 cos100t (A) ; GV: Lê Thị Thu Hà Trường THPT Mỹ Hào 19  Sáng kiến kinh nghiệm Năm học 2015 - 2016 u2  i2 = R 2[220 2 cos(100t + 2 u3  i3 = R 2[220 2 cos(100t 2 2 2 ) ]/R = 100 2 cos(100t + ) (A) 3 3 2 2 )]/R = 100 2 cos(100t ) (A). 3 3 Biểu thức cường độ dòng điện qua dây trung hòa: i = i1 + i 2 + i 3 + Phương pháp Frexnel cho kết quả I = 50A và  =  suy ra i0 = 50 2 cos(100t + ) (A). Ví dụ 5: Một máy phát điện xoay chiều 3 pha mắc theo kiểu hình sao có điện áp pha bằng 120V. 1. Tính điện áp dây. 2. Mắc các tải như nhau vào mỗi pha của mạng điện. Mỗi tải có điện trở 1  thuần R=100  nối tiếp với cuộn dây thuần cảm có L= H. Dòng điện có tần số 50 Hz. a. Tính cường độ hiệu dụng của dòng điện qua các tải. b. Viết biểu thức cường độ dòng điện trên các dây pha. c. Tính công suất của dòng điện ba pha này. Lời giải 1. Ta có hiệu điện thế của dây: Ud = Up. 3 =120 3 V 2. Cảm kháng: 1  ZL=L.  = .2. .50  100 Tổng trở của một tải: Z= R 2  Z2L  1002  1002  100 2  a. Cường độ dòng điện qua các tải là: U 120  0,85 A I= Z 100 2 b. Ta có thể biểu diễn: i1 = I0cos  t I0=I 2 =0,85. 2 =1,2 A i1=1,2cos100  t (A)  2 ) (A) 3 2 i3=1,2cos(100  t ) (A) 3 i2=1,2cos(100  t + c. Công suất của mỗi tải là: P0 = R.I2=100.0,852  72 W Công suất của dòng điện ba pha này là: P = 3P0 = 3.RI2 = 216 W GV: Lê Thị Thu Hà Trường THPT Mỹ Hào 20