Dòng điện xoay chiều ba pha được sử dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp và đời sống. So với dòng điện một pha, dòng điện ba pha có nhiều ưu điểm như truyền tải điện năng hiệu quả hơn, vận hành động cơ điện ổn định hơn.

Các thiết bị điện ba pha thường gặp trong thực tế bao gồm: ổ cắm công nghiệp, phích cắm ba pha, động cơ điện ba pha, máy biến áp ba pha…

I. Lý thuyết trọng tâm

1. Dòng điện xoay chiều một pha (Kiến thức nền)

Dòng điện xoay chiều một pha là dòng điện biến thiên tuần hoàn theo dạng hình sin, được minh họa như đồ thị Hình 3.4 và có biểu thức:

$$i = I_m \sin(\omega t + \psi)$$

Các đại lượng đặc trưng:

Tổng trở và góc pha:

Tổng trở được ký hiệu là $Z_t$, đặc trưng bởi độ lớn $z_t$ và góc pha $\varphi$:

$$Z_t = \sqrt{R^2 + X^2}$$

$$\tan\varphi = \dfrac{X}{R}$$

Trong đó:

• $R$: Điện trở của tải điện (Ω)
• $X$: Điện kháng của tải điện (Ω)

Điện kháng:

$$X = X_L – X_C$$

$$X_L = \omega L = 2\pi fL$$

$$X_C = \dfrac{1}{\omega C} = \dfrac{1}{2\pi fC}$$

2. Dòng điện xoay chiều ba pha

a) Khái niệm

Dòng điện xoay chiều ba pha được tạo ra trong mạch điện ba pha. Mạch ba pha gồm ba thành phần chính:

• Nguồn điện ba pha
• Đường dây truyền tải ba pha
• Tải điện ba pha

Dòng điện xoay chiều ba pha được sử dụng rộng rãi trong sản xuất và đời sống nhờ hiệu quả truyền tải cao và khả năng vận hành động cơ ổn định.

b) Nguyên lí tạo ra dòng điện xoay chiều ba pha

Để tạo ra dòng điện xoay chiều ba pha, người ta sử dụng nguồn điện xoay chiều ba pha được tạo ra từ máy phát điện ba pha.

Cấu tạo máy phát điện ba pha:

Nguyên lí hoạt động:

Khi nam châm quay với tốc độ góc ω không đổi, trong mỗi cuộn dây xuất hiện sức điện động xoay chiều một pha. Do các cuộn dây có cùng thông số và đặt lệch nhau một góc 120°, nên sức điện động trên các pha A, B, C là $e_A$, $e_B$, $e_C$ bằng nhau về biên độ và tần số nhưng pha lệch nhau một góc $\dfrac{2\pi}{3}$ rad (tức 120°).

3. Cách nối nguồn và tải ba pha

a) Ký hiệu

• Tổng trở trên mỗi pha A, B, C của nguồn điện ba pha: $Z_A$, $Z_B$, $Z_C$
• Điểm đầu pha: A, B, C
• Điểm cuối pha: X, Y, Z

b) Hai cách nối cơ bản

Thông thường, có hai cách nối nguồn và tải ba pha:

Nối hình sao (Y):

• Cách nối: Ba điểm cuối X, Y, Z của các pha được nối với nhau tạo thành điểm trung tính O
• Đặc điểm:
  • Có thể có dây trung tính (nguồn điện ba pha bốn dây) hoặc không có dây trung tính (nguồn điện ba pha ba dây)
  • Dây trung tính giúp cân bằng điện áp khi tải không đối xứng

Nối hình tam giác (Δ):

• Cách nối: Điểm đầu của pha này được nối với điểm cuối của pha kia tạo thành hình tam giác
• Đặc điểm: Không có điểm trung tính, chỉ có ba dây pha

c) Cách nối tải ba pha

Tải ba pha cũng được nối theo hình sao hoặc hình tam giác tương tự như nguồn điện.

4. Mạch điện ba pha

a) Sơ đồ mạch điện ba pha

Nguồn và tải ba pha được kết nối với nhau thông qua các đường dây ba pha tạo thành mạch điện ba pha, dẫn điện năng từ nguồn tới tải. Tùy theo cách nối, mạch điện ba pha có thể là mạch ba pha ba dây hoặc ba pha bốn dây.

Các đại lượng trong mạch điện ba pha:

Các sơ đồ mạch điện ba pha thường gặp:

b) Mạch điện ba pha đối xứng

Mạch điện ba pha được gọi là đối xứng nếu có nguồn đối xứng và tải đối xứng.

Điều kiện đối xứng:

Công thức quan trọng – Mối quan hệ giữa đại lượng dây và pha:

Cách nhớ nhanh:

• Nối sao (Y): Dòng điện bằng nhau, điện áp dây gấp $\sqrt{3}$ điện áp pha
• Nối tam giác (Δ): Điện áp bằng nhau, dòng điện dây gấp $\sqrt{3}$ dòng điện pha

II. Bảng tóm tắt công thức

Công thức dòng điện xoay chiều một pha

Công thức mạch điện ba pha đối xứng

III. Các dạng bài tập thường gặp

Dạng 1: Xác định các đại lượng của dòng điện xoay chiều một pha

Phương pháp giải:

Bước 1: Xác định các đại lượng đã cho từ đề bài hoặc từ biểu thức dòng điện.

Bước 2: Áp dụng công thức tương ứng để tính đại lượng cần tìm:

• Dòng điện hiệu dụng: $I = \dfrac{I_m}{\sqrt{2}}$
• Chu kì: $T = \dfrac{2\pi}{\omega}$
• Tần số: $f = \dfrac{1}{T}$
• Tổng trở: $Z_t = \sqrt{R^2 + X^2}$

Ví dụ: Cho biểu thức dòng điện $i = 10\sin(100\pi t + \dfrac{\pi}{6})$ (A). Xác định biên độ, giá trị hiệu dụng, tần số và chu kì của dòng điện.

Giải:

• Biên độ: $I_m = 10$ A
• Giá trị hiệu dụng: $I = \dfrac{10}{\sqrt{2}} \approx 7,07$ A
• Tốc độ góc: $\omega = 100\pi$ rad/s
• Tần số: $f = \dfrac{\omega}{2\pi} = \dfrac{100\pi}{2\pi} = 50$ Hz
• Chu kì: $T = \dfrac{1}{f} = \dfrac{1}{50} = 0,02$ s

Dạng 2: Xác định cách nối nguồn và tải ba pha qua sơ đồ

Phương pháp giải:

Quan sát sơ đồ mạch điện và nhận biết:

Ví dụ: Quan sát sơ đồ Hình 3.7a, xác định cách nối nguồn và tải.

Giải:

• Nguồn: Ba điểm X, Y, Z nối chung tại O → Nối hình sao (Y)
• Tải: Ba điểm nối chung tại O’ → Nối hình sao (Y)
• Không có dây nối O và O’ → Không có dây trung tính

→ Kết luận: Nguồn nối hình sao – Tải nối hình sao không có dây trung tính.

Dạng 3: Tính dòng điện và điện áp trong mạch ba pha đối xứng

Phương pháp giải:

Bước 1: Xác định cách nối tải (hình sao hay hình tam giác).

Bước 2: Xác định các đại lượng đã cho ($U_d$, $U_p$, $I_d$, $I_p$, $R$, $Z$…).

Bước 3: Áp dụng công thức tương ứng:

Bước 4: Tính dòng điện pha theo định luật Ohm: $I_p = \dfrac{U_p}{Z}$ (với $Z$ là tổng trở của tải)

Ví dụ (SGK): Một tải ba pha gồm 3 điện trở R = 50 Ω nối hình tam giác, nối vào nguồn điện ba pha có $U_d$ = 380 V. Tính dòng điện pha và dòng điện dây.

Giải:

Vì tải nối hình tam giác nên ta có:

$$U_p = U_d = 380 \text{ V}$$

Dòng điện pha của tải:

$$I_p = \dfrac{U_p}{R} = \dfrac{380}{50} = 7,6 \text{ A}$$

Dòng điện dây:

$$I_d = \sqrt{3} \cdot I_p = \sqrt{3} \times 7,6 \approx 13,16 \text{ A}$$

ThS. Hồ Thị Thư

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Công Nghệ THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Công nghệ, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 10+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Hoàng Hoa Thám