Truyền tải và tiêu thụ điện năng: máy biến thế, máy phát điện và động cơ điện
Truyền tải điện năng
Nguyên lý phát điện xoay chiều một pha bằng máy phát điện một pha
Về cấu tạo của các máy phát điện, xem bảng dưới.
Từ thông gửi qua khung dây của máy phát \[\Phi = NBS\cos \omega t = {\Phi _0}\cos \omega t\,\,{\text{(Wb)}}\] với ${\Phi _0} = NBS$ là từ thông cực đại qua toàn khung dây, $N$ là số vòng dây trong khung, $S$ là diện tích khung và $B$ là cảm ứng từ vuông góc với trục quay của khung. Suất điện động cảm ứng trong mạch là tốc độ thay đổi của từ thông \[\begin{align}
\varepsilon &= - \frac{{d\Phi }}{{dt}} \hfill \\
&= NBS\omega \sin \omega t \hfill \\
&= {\varepsilon _0}\sin \omega t\,\,{\text{(V)}} \hfill \\
\end{align}\]
với ${\varepsilon _0} = NBS$ là suất điện động cực đại trong khung dây, $\omega$ là tốc độ quay tương đối giữa từ trường và khung dây.
Hệ thống trong thực tế có nhiều hơn một khung/cuộn dây và rotor là nam châm đa cực (số cực luôn chẵn), các cực phân bố đối xứng tâm và được xếp xen kẽ tức là các cực cùng loại thì đối nhau. Nếu có $p$ cặp cực thì tần số của từ thông qua mỗi cuộn dây là \[f = np\] trong đó, $n$ là số vòng quay của rotor trong 1 s, $p$ là số cặp cực của rotor. Nếu ${\varepsilon _0}$ là suất điện động cực đại trên mỗi cuộn thì suất điện động toàn phần là \[\begin{align} {E_0} &= 2k.{\varepsilon _0} \hfill \\ &= 4\pi p.k.n.(N{\Psi _0}) \hfill \\ &= 4\pi p.k.n.{\Phi _0} \hfill \\ \end{align}\] với $p$ là số cặp cực từ, $k$ là số cặp cuộn dây, $N$ là số vòng quấn trên một cuộn, $n$ (vòng/s) là tốc độ quay của rotor, ${\Psi _0} = BS$ là từ thông cực đại gửi qua 1 vòng dây.
Nguyên lý phát điện xoay chiều 3 pha
Nguyên lý phát điện 3 pha dựa trên từ trường quay và hiện tượng cảm ứng điện từ. Từ trường quay sinh bởi một nam châm vĩnh cửu hoặc hệ thống nam châm điện (máy phát điện tự nuôi) có cấu tạo đặc biệt (để tạo từ trường đồng nhất). Khi từ trường quay quét qua ba cuộn dây của máy phát điện, trong các cuộn dây suất hiện các suất điện động cảm ứng, nếu mạch kín, sẽ có thêm các dòng cảm ứng chạy trong 3 cuộn. Các cuộn đặt lệch nhau 120o nên các dòng điện cảm ứng cũng lệch pha nhau 2π/3. Các dòng cảm ứng này tạo thành hệ thống dòng điện 3 pha \[\begin{align} {i_1} &= {I_0}\sin \omega t, \hfill \\ {i_2} &= {I_0}\sin \left( {\omega t-2\pi /3} \right), \hfill \\ {i_3} &= {I_0}\sin \left( {\omega t + 2\pi /3} \right). \hfill \\ \end{align} \]
Mỗi cuộn dây của máy phát được nối với tải bằng các dây pha. Hiệu điện thế giữa hai dây pha gọi là ${U_{\text{p}}}$ và hiệu điện thế giữa dây pha với dây trung hòa (dây này được nối đất) gọi là ${U_{\text{d}}}$, các cường độ dòng điện trên dây pha và trên tải là ${I_{\text{d}}}$ và ${I_{\text{p}}}$. Nếu
- Tải đối xứng mắc hình sao thì \[\begin{align}
&{U_{\text{d}}} = \sqrt 3 {U_{\text{p}}}, \hfill \\
&{I_{\text{d}}} = {I_{\text{p}}}. \hfill \\
\end{align}\]
Máy biến thế
Máy biến thế là thiết bị làm thay đổi giá trị hiệu dụng của điện áp/hiệu điện thế xoay chiều. Cấu tạo cơ bản của máy biến thế là hai cuộn dây quấn trên một lõi thép. Lõi này gồm các lá thép kĩ thuật điện ghép cách điện với nhau nhằm hạn chế hao phí do dòng Foucault gây ra. Phương trình biến đổi điện áp cho máy biến thế là \[\frac{{{U_1}}}{{{U_2}}}H = \frac{{{I_2}}}{{{I_1}}}\cos \varphi.\] với ${U_1}$, ${U_2}$ lần lượt là hiệu điện thế trên cuộn sơ cấp và thứ cấp; ${I_1}$, ${I_2}$ là cường độ dòng điện trong cuộn sơ cấp và thứ cấp, $H$ là hiệu suất biến thế, $\cos \varphi$ là hệ số công suất của tải gắn vào cuộn thứ cấp. Nếu hao phí là không đáng kể \[\frac{{{U_1}}}{{{U_2}}} = \frac{{{N_1}}}{{{N_2}}} = \frac{{{I_2}}}{{{I_1}}}\cos \varphi .\] Dùng máy biến thế làm tăng hiệu điện thế thêm bao nhiêu lần thì cường độ dòng điện giảm bấy nhiêu lần và ngược lại.
Tải điện
Gọi công suất truyền đi là \[P = UI.\] Dây dẫn có điện trở nên gây giảm thế trên dây một lượng \[\Delta U = IR\] ứng với một công suất hao phí \[\Delta P = {I^2}R = R{\left( {\frac{P}{U}} \right)^2}.\] Định nghĩa hiệu suất tải điện \[H = \frac{{{P_0}}}{P} = 1 - \frac{{\Delta P}}{P}\] trong đó ${P_0}$ là công suất nhận được nơi tiêu thụ, ta có \[1 - H = R\frac{P}{{{U^2}}} = R\frac{{{I^2}}}{P}.\] Việt Nam sử dụng sơ đồ 5 mức điện thế tương ứng 4 lần tăng (hạ) thế11 kV $\to$ 110 kV $\to$ 35 kV $\to$ 6 kV $\to$ 220 V
Nếu giữ công suất nơi nhận không đổi \[{P_0} = {U_0}I\] thì công suất hao phí trên đường dây còn được tính nhờ \[\Delta P = {I^2}R = {\left( {\frac{{{P_0}}}{{{U_0}}}} \right)^2}R.\] Hiệu suất tải điện \[H = \frac{{{P_0}}}{P} = \frac{1}{{1 + \frac{{\Delta P}}{{{P_0}}}}}\] hay \[\frac{1}{H} - 1 = R\frac{{{P_0}}}{{U_0^2}} = R\frac{{{I^2}}}{{{P_0}}}.\]Các loại động cơ điện
Động cơ điện là một loại thiết bị tiêu thụ điện năng. Các động cơ chuyển điện năng thành cơ năng nhờ vào tương tác điện từ của từ trường quay (phần cảm) và nam châm vĩnh cửu/nam châm điện. Phần cảm cấu tạo từ các ụ hay cực trên đó quấn các cuộn dây, các cuộn dây phối vị với nhau để tạo thành từ trường quay. Tốc độ góc của từ trường quay \[n\,\,({\text{revolution}}{\text{/}}{\text{s}}) = \frac{{f({\text{Hz}})}}{p}\] trong đó, $f$ là tần số dòng điện đưa vào mỗi pha, $p$ là số cặp cực trên mỗi pha. Ta đếm số cặp cực như sau:
- Nếu động cơ quấn kiểu 1 pha – 1 cực thì p = số cực/số pha. Đây là kiểu quấn mà sách giáo khoa giới thiệu.
- Nếu động cơ quấn kiểu 1 pha – k cực thì thì p = số cặp cực/số pha = k/2.
Sơ lược các loại máy phát điện – động cơ điện
| Loại | Máy phát điện xc/mc một pha | Máy phát điện xc ba pha | Động cơ ko đồng bộ ba pha | Động cơ ko đồng bộ một pha |
|---|---|---|---|---|
| Cấu tạo | - Phần cảm: nam châm tạo ra từ trường - Phần ứng: cuộn dây nhiều vòng được quấn trên một lõi thép - Bộ góp: + xc: hai vành khuyên, hai chổi quét tì lên hai vành khuyên để đưa điện ra ngoài + mc: hai vành bán khuyên, hai chổi quét |
- Rotor: luôn là nam châm (phần cảm) - Stator: luôn là phần ứng gồm 3 cuộn dây giống nhau quấn chung trên một lõi sắt |
- Rotor: hình trụ, thường là loại lồng sóc có những thanh đồng hoặc nhôm đặt xiên (tác dụng như những dây quấn). Ngoài ra, còn có rotor dây quấn nhưng ít phổ biến hơn - Stator: giống hệt stator của máy pđxc 3 pha |
- Rotor: thường là rotor lồng sóc - Stator: hai cuộn dây đặt lệch nhau 90o - Một trong hai cuộn nối với một tụ điện (tụ đề) |
| Nguyên tắc hoạt động | - Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ - Một trong hai phần cảm hoặc ứng phải quay. Phần quay gọi là rotor, phần tĩnh gọi là stator. * Máy pđ mc một pha có tính thuận nghịch (vừa là máy phát điện vừa là động cơ điện). |
- Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ - Khi nam châm quay tạo ra từ thông biến thiên trong ba cuộn dây - Ba cuộn dây giống nhau sinh ra ba SĐĐ cảm ứng giống nhau về tần số và biên độ - Ba cuộn dây bố trí lệch nhau 120o (2π/3) nên ba SĐĐ lệch pha nhau 120o |
- Khi cho dòng điện 3 pha vào stator thì nó sinh ra trong lòng stator một từ trường quay gửi qua rotor những từ thông biến thiên - Tương tác điện từ giữa dđcư trong các thanh KL với từ trường quay làm rotor quay theo chiều của từ trường quay nhưng với vận tốc nhỏ hơn . |
Tương tự động cơ không đồng bộ ba pha |
| Ưu điểm | Gọn nhẹ | - Lợi dây dẫn - Dòng 3 pha có tác dụng khởi động cao |
Công suất cao | Đơn giản, dễ vận hành |
| Nhược điểm | Dòng một pha có khả năng khởi động kém | Cồng kềnh, phức tạp | Phức tạp, khó vận hành | Công suất thấp |