Skkn giải pháp có hiệu quả khi hướng dẫn học sinh lớp 12 giải bài tập về mạch điện xoay chiều ba pha

Thực trạng: Trên thực tế có rất nhiều học sinh khi giải các bài tập về mạch điện xoaychiều ba pha thường dễ nhầm lẫn cách xác định các đại lượng dây và đại lượngpha trong tính toán dẫn

Năm học 2021-2022, hầu hết các trường Đại học, Cao đẳng xét tuyển dựa vào kết quả kỳ thi đánh giá năng lực của Đại học Quốc gia Hà Nội, TP HCM, đánh giá tư duy của Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Cấu trúc đề thi bao gồm tư duy định tính, tư duy định lượng và phần khoa học Các câu hỏi được kiểm tra dưới hình thức trắc nghiệm, số lượng câu hỏi nhiều, đòi hỏi học sinh phải trả lời với tốc độ nhanh Để đáp ứng yêu cầu này người dạy và người học phải đổi mới cách dạy, cách học Và để người học có thể đạt được kết quả cao nhất Trong một thời gian ngắn người học phải giải được một lượng lớn các câu hỏi lý thuyết và bài tập thuộc nhiều thể loại, nội dung kiến thức khác nhau Để làm được điều này người học phải tiếp thu được nhiều nội dung kiến thức và phải có kỹ năng thành thạo trong việc giải toán nhanh Muốn như vậy người dạy cũng phải tìm ra được những cách giải hay, ngắn và nhanh nhất đối với một bài toán để đáp ứng được yêu cầu của người học

Trong quá trình giảng dạy bộ môn công nghệ lớp 12, phần Mạch điện xoay chiều ba pha là một trong những nội dung có tính chất ứng dụng thực tiễn vào môn Vật lý cũng được sử dụng trong các đề thi đánh giá năng lực, đánh giá tư duy và đặc biệt để giúp cho các em làm bài tốt trong phần kiểm tra định kỳ Khi dạy phần mạch điện xoay chiều ba pha tôi nhận thấy: Ở hầu hết các bài tập nếu xác định đúng cách nối tải ba pha với nguồn điện ba pha bằng cách sử dụng mối quan hệ giữa đại lượng dạy và đại lượng pha để tính toán và ngược lại thì sẽ thu được kết quả chính xác và nhanh nhất, nếu xác định không chính xác dẫn đến kết quả toàn bộ bài toán bị sai Với phạm vi của đề tài này, tôi xin đưa ra đây “Giải pháp có hiệu quả khi hướng dẫn học sinh lớp 12 giải bài tập về mạch điện xoay

mạch điện xoay chiều ba pha trong môn công nghệ lớp 12 Các đồng chí hãy so sánh với cách làm của mình để thấy được ưu điểm của giải pháp trên

II - Thực trạng của vấn đề nghin cứu:

1 Thực trạng:

Trên thực tế có rất nhiều học sinh khi giải các bài tập về mạch điện xoay chiều ba pha thường dễ nhầm lẫn cách xác định các đại lượng dây và đại lượng pha trong tính toán dẫn đến kết quả bị sai lệch và mất nhiều thời gian Với các bài toán ở phần này học sinh lại cho là khó, ngại làm; trước đây phần lớn suy nghĩ của các em học sinh cho rằng môn công nghệ là môn phụ, không thi tốt nghiệp, không

có tiết bài tập nên không dành nhiều thời gian cho môn học đó Đến năm học 2021-2022 các em vẫn biết kiến thức về mạch điện xoay chiều ba pha có thể bổ sung thêm cho kiến thức Vật lí và là cơ sở để các em áp dụng vào giải các bài tập khi thi đánh giá năng lực, thi đánh giá tư duy và áp dụng vào cuộc sống sinh hoạt của bản thân, của cộng đồng hoặc học tiếp các chuyên ngành kĩ thuật sau này

2 Kết quả, hiệu quả của thực trạng trên:

Với những học sinh ở các lớp không được hướng dẫn các làm bài tập thì khi các em bắt tay vào làm các bài kiểm tra thường lúng túng, vội vàng, rất hay nhầm lẫn vì trong thời gian qui định các em không làm hết được bài và tỉ lệ câu làm sai còn khá nhiều Chính vì thế, chúng ta cần phải hướng dẫn để các em có thể hiểu và vận dụng được cách làm nhanh hơn, chính xác hơn Cách làm mang lại hiệu quả nhanh nhất, chính xác nhất khi giải một số bài tập về mạch điện xoay chiều ba pha là xác định đúng cách nối tải ba pha với nguồn điện ba pha, sử dụng mối quan hệ giữa đại lượng dây và đại lượng pha đồng thời kết hợp với những

kiến thức có liên quan đến mạch điện xoay chiều để giải từng bài tập cụ thể Để các em biết xác định đúng cách nối tải ba pha và sử dụng mối quan hệ giữa đại lượng dây, đại lượng pha khi làm bài tập thì trước hết các em cần phải nắm vững mối quan hệ giữa đại lượng dây và đại lượng pha tương ứng các trường hợp nối tải

3 pha theo hình sao hay tam giác Cái khó là cần xác định được các nối tải ba pha

để vận dụng công thức về mối quan hệ giữa đại lượng dây, đại lượng pha vào việc giải từng bài tập cụ thể và ngược lại Do đó giáo viên cần phải hướng dẫn học sinh cách xác định đúng mối quan hệ giữa đại lượng dây và đại lượng pha thông qua việc giải một số các bài tập cụ thể và so sánh nó với các cách làm khác mà các em hay dùng Khi các em đã hiểu thì các em sẽ thấy dễ và phát huy cách làm này một cách có hiệu quả Xuất phát từ suy nghĩ trên tôi đã áp dụng giải pháp này vào thấy các em vận dụng làm bài kiểm tra đạt được kết quả cao hơn so với những lớp khác Và tôi mạnh dạn đưa vào làm sáng kiến kinh nghiệm, rất mong các đồng nghiệp tham khảo và góp ý cho tôi

B - GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ:

I - Các giải pháp thực hiện:

Vì môn công nghệ lớp 12 không có tiết bài tập nên khi soạn giáo án cho cho bài “Mạch điện xoay chiều ba pha”, phần III.2 - Quan hệ giữa đại lượng dây

và đại lượng pha: sau khi giáo viên giới thiệu mối quan hệ giữa đại lượng dây và đại lượng pha cho 2 trường hợp khi tải nối hình sao và tam giác, giáo viên yêu cầu học sinh trả lời 2 câu hỏi ví dụ trang 93 trong sách giáo khoa môn Công nghệ 12 Sau khi học sinh trả lời, giáo viên kết luận và rút kinh nghiệm những sai lầm các

em có thể mắc phải khi làm bài tập ví dụ trên là: một số em sử dụng công thức

R

U

d  Thời gian còn lại của tiết học giáo viên đưa ra hệ thống câu hỏi theo mức

độ khó tăng dần để kích thích năng lực tự học và tính tích cực cần thiết cho học sinh khi nghiên cứu nội dung bài học Qua đó giúp các em hiểu sâu hơn mối quan

hệ giữa các đại lượng dây và các đại lượng pha để các em có thể sử dụng linh hoạt cho các bài tập về mạch điện xoay chiều ba pha một cách chính xác, ngắn gọn, dễ hiểu và mất ít thời gian nhất

II - Các biện pháp để tổ chức thực hiện:

Để giúp học sinh biết cách xác định đúng mối quan hệ giữa đại lượng dây

và đại lượng pha khi giải một số bài tập về mạch điện xoay chiều ba pha, trước hết giáo viên cần yêu cầu học sinh tự ôn tập lại một số kiến thức vật lí và kiến thức công nghệ có liên quan Sau đó giáo viên đưa ra hệ thống câu hỏi, bài tập (trên phiếu học tập) và hướng dẫn học sinh giải nhanh trong phần củng cố bài học Số bài tập còn lại (nếu chưa làm xong), học sinh tiếp tục làm thay cho bài tập về nhà Muốn làm tốt được điều này người giáo viên khi soạn giáo án hướng dẫn học sinh làm bài tập cần đưa ra những trường hợp các em thường mắc sai lầm để các em rút kinh nghiệm, từ đó các em thấy được với cách làm này khi giải tốn ít bị nhầm lẫn và sẽ cho kết quả nhanh nhất

Trong đề tài sáng kiến kinh nghiệm này, tôi đề cao cách giải một bài tập về mạch điện xoay chiều ba pha bằng phương pháp xác định đúng cách nối tải ba pha

và sử dụng mối quan hệ giữa đại lượng dây, đại lượng pha Do đó tôi xin đưa ra một số bài tập mạch điện xoay chiều ba pha và cách giải để các bạn tham khảo

- Định luật ôm cho đoạn mạch: U = I R

- Định luật Joule - Lenz:

R

U R I I U

P  2  2

- Cách nối nguồn điện và tải 3 pha theo hình sao hay tam giác

- Mối quan hệ giữa đại lượng dây và đại lượng pha:

Nếu tải ba pha đối xứng thì:

+ Khi nối hình sao: Id = Ip

Ud = 3 Up

+ Khi nối hình tam gic: Id = 3 Ip

Ud = Up

B

Ud = 380V theo phương pháp nào để bóng đèn làm việc bình thường?

C

- Mạng điện 3 pha 4 dây có U d = 380V, suy ra U U d V

3

380



- Theo đề bài ta lại có: U đm của đèn = Up = 220V

Vậy để làm việc bình thường thì bóng đèn phải mắc theo hình sao có dây trung tính

B

220V theo phương pháp nào để bóng đèn làm việc bình thường?

C

- Mạng điện 3 pha 3 dây có: Ud = 220V

- Theo đề bài ta lại có: Uđm của đèn = Ud = 220V

Vậy để làm việc bình thường thì bóng đèn phải mắc theo hình tam giác

B

nhau, nối tam giác Cho biết dòng điện trên đường dây bằng 80A Xác định trị số dòng điện pha của tải và tính điện trở R trên mỗi pha của tải

C

* Tính dòng điện pha của tải:

Do tải đối xứng nối tam giác và đấu với nguồn 3 pha 3 dây có Ud = 380V nên ta có:

I d = 3 I p

U d = U p = 380 V Suy ra:

3

d p

I

I  ( 1 ) Theo đề bi: Id = 80A, thay vo biểu thức ( 1 ) ta cĩ:

I

3

80



Vậy dòng điện pha của tải là 46,24A

* Tính điện trở trên mỗi pha của tải:

Áp dụng định luật ôm cho đoạn mạch ta có: U = I R Suy ra:   8 , 21

24 , 46

380

p

p

I

U R

Vậy điện trở trên mỗi pha của tải là 8,21

B

Có 2 tải 3 pha: Tải thứ nhất là 9 bóng đèn (số liệu của mỗi bóng đèn là

P = 100W, U = 220V); Tải thứ hai là một lò điện trở ba pha (điện trở mỗi pha

R = 30, U = 380V) Các tải trên được nối vào mạch điện 3 pha 4 dây có điện áp 220/380V

a Giải thích 220V là điện áp gì, 380V là điận áp gì?

b Xác định cách nối dây của mỗi tải (thành hình sao hay tam giác) và giải thích vì sao phải nối như vậy?

c Vẽ cách nối dây của mạch điện 3 pha trên

d Tính dòng điện pha và dòng điện dây của mỗi tải

C

a Mạch điện 3 pha 4 dây với điện áp 220V/380V có nghĩa là nguồn điện nối hình sao có dây trung hoà: Up = 220V, Ud = 380V

b Xác định cách nối dây của mỗi tải:

- Đối với tải 1: Vì 9 bóng đèn loại 220V - 100W có Uđm của đèn = Up = 220V Vậy để làm việc bình thường thì 9 bóng đèn phải mắc theo hình sao có dây trung tính, mỗi pha mắc 3 bóng đèn song song với nhau

- Đối với tải 2: Lò điện trở 3 pha có điện trở mỗi pha R = 30, Up = 380V

= Ud nguồn Vậy các cuộn dây quấn của lò điện phải được nối theo hình tam giác

c Sơ đồ nối dây của mạch điện trên:

Tải 1 Tải 2

d Tính dòng điện của mỗi tải:

- Tải 1: Là 9 bóng đèn, mỗi bóng đèn có công suất là 100W Vậy công suất

của mỗi pha là: P1 pha = P3 bóng đèn = 3.100 = 300W

X X X

X X X

X X X

A B C O

Mặt khác theo định luật Joule - Lenz ta có: P = U.I

U

P

p

pha

36 , 1 220

300

1  

Vì các bóng đèn mắc theo hình sao nên ta có: I d = I p = 1,36A.

Vậy dòng điện dây và dòng điện pha của mỗi tải đều là 1,36A

- Tải 2: Dòng điện đi qua mỗi cuộn dây của lò điện trở là:

R

U I

P

P

30

380 





Vì các cuộn dây mắc theo hình tam giác nên:

I d  3 I p= 3 12 , 66  21 , 9A

Vậy dòng điện pha của tải là 12,66A; dòng điện dây của tải là 21,9A

B

Ba cuộn dây giống nhau, mỗi cuộn dây có điện trở thuần R = 8 và điện cảm L = 19,1 mH Ba cuộn dây được mắc tam giác và đặt vào điện áp 3 pha đối xứng có Ud = 220V, f = 50 Hz Tính dòng điện pha, dòng điện dây, hệ số công suất, công suất của 3 pha

C

- Tính cảm kháng của mỗi cuộn dây:

XL = 2f.L = 2 3,14 50 19,1 10 - 3 = 6

- Tổng trở mỗi pha:  2  2  8 2  6 2  10 

L

Z

- Do tải mắc tam giác nên U d = U p = 220V Áp dụng định luật ôm cho đoạn

Z

U I

P

P

10

220 





- Dòng điện dây của tải là: I d  3 I p  3 22  38A

10

8

Z

R



- Do tải 3 pha đối xứng nên công suất tác dụng 3 pha là:

KW I

U

P3p  3 d. d cos   1 , 73 220 38 0 , 8  11 , 55

- Để tính công suất phản kháng ta phải tính sin:

Áp dụng công thức: sin 2   cos 2   1

Suy ra: sin   1  cos 2   1  0 , 8 2  0 , 6

- Công suất phản kháng là:

Q3p  3 U d.I d sin   1 , 73 220 38 0 , 6  8660VAR  8 , 66KVAR

- Công suất toàn phần là: S3p  3 U d.I d  1 , 73 220 38  14 , 4KVA

B

Cch giải : C

* Sơ đồ mạch điện 3 pha đối xứng khi mắc vôn kế, ampe kế để đo điện áp dây, điện áp pha, dòng điện dây, dòng điện pha:

Cho mạch điện ba pha đối xứng (hình vẽ bên)

Biết điện áp pha là 220V, dòng điện pha là 5A Tính công suất tác dụng và công suất phản kháng của tải 3 pha nêu trên biết hệ số công suất cos = 0,8

V 2

A B C

A B C

A

V 1

* Tính công suất của mạch điện 3 pha trên:

- Để tính công suất của mạch điện 3 pha trên ta tính điện áp dây và dòng điện dây:

A I I

V U

U

p d

p d

5

380 220 3

3











- Tải 3 pha đối xứng nên công suất tác dụng 3 pha là:

KV W

I U

P3p  3 d. d cos   1 , 73 380 5 0 , 8  2629 , 6  2 , 63

- Để tính công suất phản kháng ta phải tính sin:

Áp dụng công thức: sin 2   cos 2   1

Suy ra: sin   1  cos 2   1  0 , 8 2  0 , 6

- Công suất phản khng là:

Q3p  3 U d.I d sin   1 , 73 380 5 0 , 6  1972 , 2VAR  1 , 97KVAR

- Công suất tồn phần l: S3p  3 U d.I d  1 , 73 380 5  3287VA 3 , 29KVA

Bài tập 7:

Cho mạch điện có nguồn 3 pha và tải 3 pha đối xứng mắc theo hình sao, không có dây trung tính Mỗi pha có R = 3, XL = 4 mắc nối tiếp, nguồn có Ud

= 220V, f = 50 Hz

1 Xác định dòng điện và điện áp pha trong các trường hợp:

a Bình thường

b Đứt dây pha A

2 Khi có dây trung tính kết quả tính toán trên còn đúng không?

C

1 Khi không có dây trung tính:

a Trường hợp bình thường:

- Vì nguồn và tải đối xưng nên: U U d V

3

380



- Tổng trở mỗi pha:  2  2  6 2  8 2  10 

L

Z

- Dòng điện dây bằng dòng điện pha:

A Z

U I I

p

p p

10

220 







10

6

Z R

- Tính công suất:

+ Do tải 3 pha đối xứng nên công suất tác dụng 3 pha là:

KW W

I U

P3p  3 d. d cos   1 , 73 380 22 0 , 6  8677 , 7  8 , 68

+ Để tính công suất phản kháng ta phải tính sin:

Áp dụng công thức: sin 2   cos 2   1

Suy ra: sin   1  cos 2   1  0 , 6 2  0 , 8

+ Công suất phản kháng là:

Q3p  3 U d.I d sin   1 , 73 380 22 0 , 8  11570 , 24VAR 11 , 57KVAR

+ Công suất toàn phần là: S3p  3 U d.I d  1 , 73 380 22  14462 , 8VA  14 , 46KVA

b Trường hợp đứt dây pha A Mạch điện vẽ trên hình sau:

- Tính dòng điện:

A B C

Khi đứt dây A hai pha B và C nối tiếp nhau và đặt dưới điện áp dây Tổng trở hai pha B và C bằng nhau nên điện áp trên mỗi pha bằng:

V

U

2

380 2

'   

Dòng điện qua pha B và C như nhau (Vì mắc nối tiếp):

A Z

U I I

p

p C

10 190

'









- Tính công suất:

+ Do tải 3 pha không đối xứng nên công suất tác dụng là:

KW W

R I R I P P

P B  C  2 B  2 C  2 19 2 6  4332  4 , 33

+ Công suất phản kháng là:

Q 2 I2 X L  2 19 2 8  5776VAR  5 , 78KVAR

+ Công suất toàn phần là: S  2 U p' I 2 190 19  7220VA 7 , 22KVA

2 Khi có dây trung tính:

a Khi nguồn và tải đối xứng thì dây trung tính trở nên không cần thiết Do

đó các tính toán trên cho trường hợp bình thường không có gì thay đổi

b Khi có dây trung tính, điện áp trên pha B và pha C của tải bằng điện áp pha tương ứng của nguồn (bỏ qua tổn hao điện áp trên đường dây) Đó là tác dụng của dây trung tính đảm bảo cho các pha làm việc độc lập Các kết quả tính toán IB

và IC ở mục 1.b trên không còn đúng nữa

- Dòng điện trong dây B và C vẫn bằng nhau (Vì điện áp pha và tổng trở như nhau)

0

22 10 220











A

p

p p d

I

V Z

U I I

- Tính công suất:

+ Do t i 3 pha khả ông đ i x ng nố ứ ên công su t tấ ác d ngụ là:

KW W

R I P P

P A  B  2 2  2 22 2 6  5808  5 , 81

+ Công suất phản kháng là:

QQ AQ B  2 I2 X L  2 22 2 8  7744VAR  7 , 74KVAR

+ Công suất toàn phần là: S  P2 Q2  5 , 81 2  7 , 74 2  9 , 68KVA

B

Có 6 bóng đèn loại 220V - 100W Hãy mắc các bóng đèn trên thành tải 3 pha đối xứng và đảm bảo cho các bóng đèn sáng bình thường Nguồn điện có

Ud = 3800V, f = 50 Hz

a Tính công suất tiêu thụ của tải 3 pha trên

b Tính các dòng điện dây khi một dây pha (Ví dụ pha A) bị đứt Có nhận xét gì về độ sáng của các bóng đèn?

C

a Tính công suất tiêu thụ của tải 3 pha:

Do tải 3 pha đối xứng nên công suất tiêu thụ 3 pha là:

KW W

I U

P3p  3 d. d cos   1 , 73 380 22 0 , 6  8677 , 7  8 , 68

b Tính dòng điện dây khi pha A bị đứt:

Khi đứt dây A hai pha B và C nối tiếp nhau và đặt dưới điện áp dây Tổng trở hai pha B và C bằng nhau nên điện áp trên mỗi pha bằng:

V

U

2

380 2

'   

Dòng điện qua pha B và C như nhau (Vì mắc nối tiếp):