Dòng Điện Xoay Chiều: Định Nghĩa và Giá Trị Hiệu Dụng

• Dòng điện xoay chiều (AC) là dòng điện có chiều và cường độ biến đổi tuần hoàn theo thời gian.

Định nghĩa và biểu thức

• Dòng điện xoay chiều là dòng điện có cường độ thay đổi theo thời gian theo quy luật hình sin hoặc cosin.
• Biểu thức tổng quát của dòng điện xoay chiều: i = I₀cos(ωt + φ), trong đó:
  • i là cường độ dòng điện tức thời.
  • I₀ là cường độ dòng điện cực đại.
  • ω là tần số góc (rad/s).
  • t là thời gian (s).
  • φ là pha ban đầu (rad).
• Chu kỳ (T) là thời gian để dòng điện thực hiện một dao động toàn phần: T = 2π/ω.
• Tần số (f) là số dao động toàn phần mà dòng điện thực hiện trong một giây: f = 1/T = ω/2π.

Giá trị hiệu dụng

• Giá trị hiệu dụng của dòng điện xoay chiều là giá trị tương đương với dòng điện một chiều khi chúng tỏa cùng một nhiệt lượng trên cùng một điện trở trong cùng một thời gian.
• Cường độ dòng điện hiệu dụng: I = I₀/√2.
• Điện áp hiệu dụng: U = U₀/√2, với U₀ là điện áp cực đại.
• Công suất tiêu thụ trung bình của mạch điện xoay chiều: P = UIcosφ, trong đó cosφ là hệ số công suất.

Các mạch điện xoay chiều cơ bản

Mạch chỉ chứa điện trở thuần R

• Dòng điện và điện áp cùng pha.
• i = I₀cos(ωt) và u = U₀cos(ωt).
• Định luật Ohm: U = IR.
• Công suất tiêu thụ: P = I²R = U²/R.

Mạch chỉ chứa cuộn cảm thuần L

• Dòng điện trễ pha π/2 so với điện áp.
• i = I₀cos(ωt) và u = U₀cos(ωt + π/2).
• Cảm kháng: ZL = ωL.
• Định luật Ohm: U = IZL.
• Công suất tiêu thụ trung bình: P = 0.

Mạch chỉ chứa tụ điện C

• Dòng điện sớm pha π/2 so với điện áp.
• i = I₀cos(ωt) và u = U₀cos(ωt - π/2).
• Dung kháng: ZC = 1/(ωC).
• Định luật Ohm: U = IZC.
• Công suất tiêu thụ trung bình: P = 0.

Mạch điện xoay chiều RLC nối tiếp

• Tổng trở: Z = √(R² + (ZL - ZC)²), với ZL = ωL và ZC = 1/(ωC).
• Định luật Ohm: U = IZ.
• Độ lệch pha giữa điện áp và dòng điện: tanφ = (ZL - ZC)/R.
  • φ > 0: mạch có tính cảm kháng (ZL > ZC), điện áp sớm pha hơn dòng điện.
  • φ < 0: mạch có tính dung kháng (ZC > ZL), điện áp trễ pha hơn dòng điện.
  • φ = 0: mạch cộng hưởng điện (ZL = ZC), điện áp và dòng điện cùng pha.
• Cộng hưởng điện:
  • Điều kiện: ZL = ZC hay ωL = 1/(ωC) => ω² = 1/(LC) => ω = 1/√(LC).
  • Khi có cộng hưởng: Z = R, I = U/R (I đạt giá trị lớn nhất), cosφ = 1.

Công suất trong mạch điện xoay chiều

• Công suất tức thời: p = ui = U₀I₀cos(ωt + φ)cos(ωt).
• Công suất trung bình (công suất tác dụng): P = UIcosφ, với cosφ là hệ số công suất.
• Hệ số công suất: cosφ = R/Z = R/√(R² + (ZL - ZC)²).
• Ý nghĩa của hệ số công suất:
  • cosφ càng lớn (gần 1), công suất tiêu thụ càng lớn.
  • cosφ nhỏ, công suất tiêu thụ nhỏ, hao phí trên đường dây lớn.
• Các biện pháp nâng cao hệ số công suất: sử dụng tụ bù để giảm dung kháng hoặc cảm kháng.

Truyền tải điện năng

• Công suất hao phí trên đường dây: ΔP = I²R = (P²/U²)R, với P là công suất truyền tải và U là điện áp truyền tải.
• Để giảm hao phí, người ta thường tăng điện áp truyền tải ở trạm phát điện (sử dụng máy biến áp).
• Tỉ lệ hao phí giảm khi tăng điện áp là (U₁/U₂)² với U₁ và U₂ lần lượt là điện áp ban đầu và điện áp sau khi tăng.

Máy biến áp

• Máy biến áp là thiết bị dùng để biến đổi điện áp xoay chiều mà không làm thay đổi tần số.
• Nguyên tắc hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.
• Cấu tạo: lõi thép, cuộn sơ cấp (N₁) và cuộn thứ cấp (N₂).
• Phương trình máy biến áp: U₁/U₂ = N₁/N₂, I₁/I₂ = N₂/N₁.
• Máy tăng áp: N₂ > N₁ (U₂ > U₁).
• Máy hạ áp: N₂ < N₁ (U₂ < U₁}.
• Hiệu suất máy biến áp: H = (P ra)/(P vào) = (U₂I₂cosφ₂)/(U₁I₁cosφ₁).

Động cơ điện xoay chiều

• Động cơ điện xoay chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện xoay chiều.
• Các loại động cơ điện xoay chiều:
  • Động cơ đồng bộ: tốc độ quay của rotor bằng tốc độ quay của từ trường.
  • Động cơ không đồng bộ: tốc độ quay của rotor khác với tốc độ quay của từ trường.
• Tốc độ quay của từ trường: n = (60f)/p, với f là tần số dòng điện và p là số cặp cực từ.
• Tốc độ quay của rotor (động cơ không đồng bộ): nᵣ = n(1-s), s là hệ số trượt.

Đo lường dòng điện xoay chiều

• Sử dụng ampe kế và vôn kế xoay chiều để đo cường độ dòng điện và điện áp hiệu dụng.
• Công tơ điện dùng để đo điện năng tiêu thụ.
• Các thiết bị đo thường hiển thị giá trị hiệu dụng.

An toàn điện

• Các biện pháp an toàn khi sử dụng điện xoay chiều:
  • Sử dụng dây dẫn có vỏ bọc cách điện.
  • Sử dụng các thiết bị bảo vệ (cầu chì, aptomat).
  • Nối đất các thiết bị điện.
  • Không sử dụng điện khi tay ướt hoặc ở nơi ẩm ướt.

Tổng quan về dòng điện xoay chiều (AC), bao gồm định nghĩa và biểu thức tổng quát. Thảo luận về các khái niệm như tần số góc, chu kỳ và tần số. Giải thích giá trị hiệu dụng của dòng điện và điện áp xoay chiều, cùng công thức tính.