CHỦ ĐỀ 14: MÁY PHÁT ĐIỆN XOAY CHIỀU PHA I LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI Vấn đề Nguyên tắc tạo dòng điện xoay chiều Ta cho cuộn dây dẫn dẹt hình tròn, giả sử hai đầu dây khép kín, quay xung quanh trục cố định nằm  mặt phẳng với cuộn dây đặt từ trường B có phương vng góc với trục quay Khi cuộn dây xuất dòng điện xoay chiều Trên hình bên  góc vecto pháp tuyến n mặt phẳng  chứa cuộn dây vecto cảm ứng từ B Giả sử lúc t  0,   đến lúc t  0,    t với  tốc độ góc cuộn dây quay xung quanh trục  Lúc t, từ thông qua cuộn dây là:   NBScos   NBScos  t Đặt mua file Word link sau: https://tailieudoc.vn/chuyendely3khoi Với N số vòng dây S diện tích vòng Vì từ thơng  qua cuộn dây biến thiên theo t nên cuộn dây xuất suất điện động cảm ứng -d   NBS  sin  t tính theo định luật Fa-ra-đây: e = dt Nếu cuộn dây khép tín có điện trở R cường độ dòng điện cảm ứng là: i  Đây dòng điện xoay chiều với tần số góc  biên độ I0  NBS  sin  t R NBS  R  Chiều dương i liên hệ với chiều pháp tuyến n theo quy tắc nắm tay phải  Phương pháp giải Ghi nhớ:   NBScos  t      cos  t    Wb  Từ thơng cực địa N vòng dây   NBS Suất điện động cảm ứng xuất khung dây: e  d  NBSsin  t    dt    NBScos   t     2  Suy suất điện động cực đại E  NBS   0  suất điện động hiệu dụng E   E0         Chú ý: sin x  cos   x   cos  x   ;cos x  sin   x   sin  x   2 2 2   2    Ví dụ minh họa: Khung dây gồm N  250 vòng quay từ trường có cảm  ứng từ B  2.102 T Vectơ cảm ứng từ B vng góc với trục quay khung Diện tích vòng dây S  400 cm Biên độ suất điện động cảm ứng khung E  4  V   12,56  V  Chọn gốc thời gian  t   lúc pháp tuyến khung song song  chiều với B a) Viết biểu thức suất điện động cảm ứng e theo t b) Xác định giá trị suất điện động cảm ứng thời điểm t  s 40 E c) Xác định thời điểm suất điện động cảm ứng có giá trị e   6, 28 V Giải E 4  20  rad/ s  a) Tần số góc  =  NBS 250.2.102.400.104 Biểu thức suất điện động cảm ứng tức thời:   e  12,56sin 20 t  V  hay e  12,56sin  20 t    V  2  1   b) Tại t  s e  12,56sin  20   12,56 V 40 40   E  c) Ta có: e   6, 28 V  6, 28  12,56sin 20 t  sin 20 t  0,5  sin k    k   6 120 10  s   20 t   t  5  k 2   k s   24 10 I VÍ DỤ MINH HỌA Ví dụ 1: [Trích đề thi THPT QG 2017] Khi từ thông qua khung dây dẫn có biểu thức      cos   t   khung dây xuất suất điện động cảm ứng có biểu thức 2  e = E cos  t+   Biết  , E  số dương Giá trị  là: A  rad HD giải: Ta có : e  B rad C  rad D  rad  d 0       0 sin   t    E cos    t    E cos  t  Chọn B dt 2 2  2 Ví dụ 2: [Trích đề thi THPT QG 2017] Một khung dây dẫn, phẳng, dẹt có 200 vòng, vòng có diện tích 600 cm Khung dây quay quanh trục nằm mặt phẳng khung, từ trường có vecto cảm ứng từ vng góc với trục quay có độ lớn 4,5.102 T Suất điện động e khung dây có tần số 50 Hz Chọn gốc thời gian lúc pháp tuyến mặt phẳng khu hướng với vecto cảm ứng từ Biểu thức e là:   B e  169, cos 100 t    V  2    D e  119,9 cos 100 t    V  2  A e  119,9 cos100 t  V  C e  169, cos100 t  V  HD giải: Ta có e  NBS  sin  t    Trong NBS  200.4,5.102.600.104.100  169, 6,     Do e  169, 6sin100 t  V   169, cos 100 t    V  Chọn B 2  Ví dụ 3: [Trích đề thi đại học năm 2008] Một khung dây dẫn hình chữ nhật có 100 vòng, diện tích vòng 600 cm , quay quanh trục đối xứng khung với vận tốc góc 120 vòng/ phút từ trường có cảm ứng từ 0.2 T Trục quay vng góc với đường cảm ứng từ Chọn gốc thời gian lúc vectơ pháp tuyến mặt phẳng khung dây ngược hướng với vectơ cảm ứng từ Biểu thức suất điện động cảm ứng khung là:   A e  48 sin  40 t    V  2  B e  4,8 sin  4 t    V  C e  48 sin  40 t    V    D e  48 sin  40 t    V  2  HD giải: Tại thời điểm t      Mặt khác   vòng/s  2.2  4 rad/s Ta có:  =NBScos  4 t     100.0, 2.0, 06 cos  4 t     1, cos  4 t    Suy e  d  4,8sin  4 t    V  Chọn B dt Ví dụ 4: [Trích đề thi cao đẳng năm 2008] Một khung dây dẫn phẳng dẹt hình chữ nhât có 500 vòng dây, diện tích vòng 54cm Khung dây quay quanh trục đối xứng (thuộc mặt phẳng khung), từ trường có vectơ cảm ứng từ vng góc với trục quay có độ lớn 0.2 T Từ thơng cực đại qua khung dây là: A 0, 27Wb B 1,08Wb C 0,81Wb D 0,54Wb HD giải: Từ thông cực đại qua khung dây là:   NBS  500.0, 2.54.104  0,54Wb Chọn D Ví dụ 5: [Trích đề thi cao đẳng năm 2009] Từ thơng qua vòng dây dẫn 2.102     0  cos 100 t    Wb  Biểu thức suất điện động cảm ứng xuất  4  vòng dây là:   A e  2sin 100 t   V  4    B e  2sin 100 t   V  4  C e  2sin 100 t V  D e  2 sin 100 t V  HD giải: Suất điện động cảm ứng xuất vòng dây là: e d 2.102      100 sin 100 t    2sin 100 t   V  Chọn B dt  4 4   Ví dụ 6: [Trích đề thi cao đẳng năm 2010] Một khung dây dẫn phẳng dẹt hình chữ nhật có 500 vòng dây, diện tích vòng 220cm Khung quay với tốc độ 50 vòng/giây quanh trục  đối xứng nằm mặt phẳng khung dây, từ trường có véctơ cảm ứng từ B vng góc với trục quay có độ lớn A 110 V T Suất điện động cực đại khung dây bằng: 5 B 220 V C 110 V D 220 V HD giải: Ta có   50 vòng/giây  100 rad/s (một vòng ứng với 2 rad ) Suất điện động cực đại khung dây E   NBS  100 500 220.104  220 2V 5 Chọn B Ví dụ 7: [Trích đề thi đại học năm 2011] Một khung dây dẫn phẳng quay với tốc độ góc  quanh trục cố định nằm mặt phẳng khung dây, từ trường có vecto cảm ứng từ vng góc với trục quay khung Suất điện động cảm ứng khung có biểu thức   e  E cos   t   Tại thời điểm t  , vectơ pháp tuyến mặt phẳng khung dây hợp với 2  vectơ cảm ứng từ góc bằng: A 45 B 180 C 150 D 90     HD giải: Ta có e  E cos   t    E sin    t    E sin  t=E sin  t+  2 2  2 Do thời điểm t  , vectơ pháp tuyến mặt phẳng khung dây hợp với vectơ cảm ứng từ góc 180 Chọn B Ví dụ 8: [Trích đề thi đại học năm 2011] Một máy phát điện xoay chiều pha có phần ứng gồm bốn cuộn dây giống mắc nối tiếp Suất điện động xoay chiều máy phát sinh có tần số 50Hz giá trị hiệu dụng 100 V Từ thông cực đại qua vòng dây phần ứng mWb  Số vòng dây cuộn dây phần ứng là: A.400 vòng B.100 vòng HD giải: Ta có : E0    N  200  5.103  C 71 vòng D 200 vòng 100 N  N  400 Do có cuộn dây giống nên cuộn có 100 vòng Chọn B Ví dụ 9: Một khung dây dẫn dẹt, quay quanh trục  nằm mặt phẳng khung dây, từ trường có vec tơ cảm ứng từ vng góc với trục quay  Từ thông cực đại qua diện 11 tích dây  Wb  Tại thời điểm t, từ thơng qua diện tích khung dây suất điện động cảm 6 11 ứng xuất khung dây có độ lớn là:    Wb  e  110 V Tần số 12 suất điện động cảm ứng xuất khung dây là: A.60 Hz B.100 Hz C.50 Hz D.120 Hz     e  HD giải: T có:   e nên        0   E0  2 2  3  e      e  Trong E   0 suy               0   E0     E0   E  220 V   = E0  120  f   60 Hz Chọn A 0 2 Ví dụ 10: [Trích đề thi đại học năm 2013] Một khung dây dẫn phẳng, dẹt, hình chữ nhật có diện tích 60 cm quay quanh trục đối xứng (thuộc mặt phẳng khung) từ trường có vec tơ cảm ứng từ vng góc với trục quay có độ lớn 0, T Từ thơng cực đại qua khung dây là: A 2,4.103 Wb B 1,2.103 Wb C 4,8.103 Wb D 0,6.103 Wb HD giải: Từ thông cực đại qua khung dây   NBS  1.0, 4.60.104  2, 4.103 Wb Chọn A Ví dụ 11: Từ thông xuyên qua khung dây dẫn phẳng biến thiên điều hòa theo thời gian theo quy luật    sin  t  1  làm cho khung dây xuất suất điện động cảm ứng e  E sin  t  2  Hiệu số 2  1 nhận giá trị nào? A   B HD giải: Ta có e  Do 2  1   C D  d     cos  t  1    sin   t  1   dt 2   Chọn A Ví dụ 12: Một khung dây dẫn phẳng có diện tích S  100 cm gồm 200 vòng dây quay với  vận tốc 2400 vòng/phút từ trường có cảm ứng từ B vng góc trục quay khung có độ lớn B  0, 005T Từ thông cực địa gửi qua khung là: A 24Wb B 2,5Wb C 0,4Wb D 0,01Wb HD giải: Từ thông cực đại qua khung dây   NBS  200.0, 005.100.104  0, 01Wb Chọn D  Ví dụ 13: Một khung dây dẫn quay quanh từ trường có cảm ứng từ B vng góc trục quay khung với vận tốc 150 vòng/phút Từ thơng cực đại gửi qua khung 10 /   Wb  Suất điện động hiệu dụng khung là: A 25 V B 25 V HD giải: Ta có  =150.2 /60=50 rad/s  E   0  E C 50 V 10  D 50 V .5  50V E0  25 V Chọn B Ví dụ 15: Một khung dây dẫn có diện tích S có  N vòng dây Cho khung quay với vận tốc góc  từ trường có cảm ứng từ B vng góc với trục quay khung Tại thời  điểm ban đầu, pháp tuyến khung hợp với cảm ứng từ B góc  / Khi đó, suất điện động tức thời khung thời điểm t là:   A e  NBS cos   t   6    B e  NBS cos   t   3  C e  NBS sin  t D e   NBS cos  t   HD giải: Ta có   NBScos   t   6  Khi e  d       NBS sin   t    NBS cos   t   Chọn B dt 6 3   Ví dụ 16: Một khung dây quay quanh trục xx  từ trường có đường cảm ứng từ vng góc với trục quay xx  Muốn tăng biên độ suất điện động cảm ứng khung lên lần chu kì quay khung phải : A.tăng lần B.tăng lần C.giảm lần D.giảm lần 2 muốn tăng biên độ suất điện động cảm ứng khung T lên lần cần giảm chu kì T lần Chọn C HD giải: Ta có E   0   Ví dụ 17: Một vòng dây phẳng có đường kính 10 cm đặt từ trường có độ lớn cảm ứng từ  B  1/   T  Từ thơng gởi qua vòng dây véctơ cảm ứng từ B hợp với mặt phẳng vòng dây góc   30 bằng: A 1, 25.103 Wb B 0,005 Wb C 12,5 Wb D 50 Wb  HD giải: Khi vectơ cảm ứng B hợp với mặt phẳng vòng dây góc   30 hợp với vecto pháp tuyến mặt phẳng chứa vòng dây góc 60 Ta có:  =NBScos =1  0, 05  cos60=1,25.10  3 Wb Chọn A  Ví dụ 18: Một khung dây đặt từ trường B có trục quay  khung vng góc với đường cảm ứng từ Cho khung quay quanh trục  , suất điện động cảm ứng xuất   khung có phương trình e  200 cos 100 t   V Suất điện động cảm ứng xuất 6  s là: khung thời điểm t  100 A 100 V HG giải: Tại thời điểm t  B 100 V C 100 V D 100 V 1   s ta có: e  200 cos 100   V  100 V Chọn D 100 100 6  Ví dụ 19: [Trích đề thi Chuyên ĐH Vinh 2017] Một khung dây dẫn phẳng diện tích S=300cm  có 200 vòng dây quay từ trường có vectơ B vng góc với trục quay khung, độ lớn cảm ứng từ B=0,1T Suất điện động cảm ứng tạo khung có tần số 50 Hz Chọn gốc thời gian lúc pháp tuyến khung chiều với đường sức từ Biểu thức suất điện động cảm ứng sinh khung có dạng:   A e  60 cos 100 t    V  2  B e  60 cos100 t  V    C e  60 cos 100 t    V  2  D e  60 cos100 t  V  HD giải: Ta có   NBScos 100 t     0, cos 100 t   e  d    60 sin 100 t   60 cos 100 t    V  Chọn A dt 2  Vấn đề Máy phát điện xoay chiều pha Máy phát điện xoay chiều pha hệ thống biến đổi thành điện năng, hoạt động dựa tượng cảm ứng điện từ a) Cấu tạo: gồm phận chính: +) Phần Cảm (tạo từ trường) nam châm vĩnh cửu nam châm điện, có cấu tạo đối xứng với p cặp cực N-S +) Phần Ứng (tạo suất điện động xoay chiều) gồm 2p cuộn dây (p cặp cuộn dây) giống hệt nhau, cuộn gồm N vòng dây Các cuộn dây bố trí cách thân máy cho chúng đồng thời đối diện với 2p cực nam châm - Phần đứng yên gọi sta-to phần quay gọi rô- to  máy phát điện xoay chiều pha: phần cảm rô- to, phần ứng sta- to b) Hoạt động Nếu máy phát có p cặp cực nam châm roto quay với tốc độ n: - Tần số dòng điện máy phát ra: np (với n vòng/phút) f = np (với n vòng/s) f = 60   - Lúc đầu pháp tuyến khung dây n hợp với cảm ứng từ góc B góc  từ thơng gửi qua vòng dây: 1  BScos  ωt+α  - Nếu cuộn dây có N vòng giống nhau, suất điện động xoay chiều cuộn dây là: d e   N   NBSsin  ωt+α  dt +) Từ thơng cực đại gửi qua vòng dây:   BS +) Biên độ suất điện động là: E   NBS +) Suất điện động hiệu dụng: E=  Chú ý: E  NBS  2 +) Khi tần số góc  roto thay đổi ZL , ZC thay đổi E   0  U thay đổi Do: f = np;  =2 f; E    U  n  f    E  U  , ta có: n f 2 E =   n1 f1 1 E1 +) Nếu nối cực máy phát điện với mạch ngồi suy có dòng điện E Khi I= Z Ví dụ 1: Một máy phát điện xoay chiều pha có phần cảm roto số cặp cực p Khi roto quay với tốc độ n (vòng/phút) từ thơng qua cuộn dây stato biến thiên tuần hoàn với tần số (tính theo đơn vị Hz) là: A np/60 B n/  60p  HD giải: Ta có: n vòng/phút = n/60 s Suy f = C 60pn D pn n p Chọn A 60 Ví dụ 2: Một máy phát điện xoay chiều pha có phần cảm roto gồm 10 cặp cực ( 10 cực nam 10 cực bắc) Roto quay với tốc độ 300 vòng/phút Suất điện động máy sinh có tần số A 3000 Hz B 50 Hz C Hz D 30 Hz HD giải: 300 vòng/phút = vòng/s Do f = np =5.10 =50 Hz Chọn B Ví dụ 3: [Trích đề thi THPT QG năm 2016] Hai máy phát điện xoay chiều pha hoạt động bình thường tạo hai suất điện động có tần số f Roto máy thứ có p1 cặp cực quay với tốc độ n1 =1800 vòng/phút Roto máy thứ hai có p =4 cặp cực quay với tốc độ n Biết n2 có giá trị khoảng từ 12 vòng/giây đến 18 vòng/giây Giá trị f A 60 Hz B 50 Hz C 54 Hz D 48 Hz HD giải: Ta có: n1 =1800 vòng/phút = 30 vòng/s Khi đó: f = n1p1 = n p  n  n1p1 p1.30  = 7,5p1 p2 Do 12