CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH TÍCH HỢP MÁY PHÁT ĐIỆNXOAY CHIỀU BA PHA NHIỀU CẶP CỰC – ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAYCHIỀU BA PHA – MẠCH TẢI SAO, TAM GIÁC – MÁY BIẾN ÁP

CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH TÍCH HỢP MÁY PHÁT ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA NHIỀU CẶP CỰC – ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAYCHIỀU BA PHA – MẠCH TẢI SAO, TAM GIÁC – MÁY BIẾN ÁP SỬ DỤNG TRONG VIỆC XÂY DỰNG

CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH TÍCH HỢP MÁY PHÁT ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA NHIỀU CẶP CỰC – ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY

CHIỀU BA PHA – MẠCH TẢI SAO, TAM GIÁC – MÁY BIẾN ÁP

SỬ DỤNG TRONG VIỆC XÂY DỰNG CÁC THÍ NGHIỆM DÙNG

TRONG DẠY HỌC CÁC KIẾN THỨC VỀ ĐIỆN XOAY CHIỀU

Nguyễn Văn Hòa, Nguyễn Xuân Trường, Nguyễn Võ Thanh Việt 1 , Tưởng

Duy Hải 2

email: nguyenhoa.01987@gmail.com

Khoa Vật Lí – trường Đại học Sư phạm Hà Nội

TÓM TẮT

Cấu tạo của thiết bị:

- Các cuộn dây với số vòng 1000 vòng được cuốn trên lõithép

- Động cơ không đồng bộ ba pha

thể sử dụng trong giảng dạy 8 nội dung kiến thức:

1 Thí nghiệm khảo sát suất điện động đầu ra của các mô hình máy phát điện xoay chiều chế tạo được

2 Thí nghiệm khảo sát tần số f của dòng điện xoay chiều vào tốc độ quay của.roto

3 Thí nghiệm khảo sát tần số dòng điện phụ thuộc vào số cặp cực của roto

4 Thí nghiệm dạy học phần tổng hợp dao động điện

5 Thí nghiệm khảo sát mạch sao – tam giác

6 Thí nghiệm khảo sát máy biến áp

7 Thí nghiệm khảo sát động cơ đồng bộ ba pha

8 Thí nghiệm khảo sát động cơ không đồng bộ ba pha

I MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài: Vật lý học là môn khoa học thực nghiệm Để tạo điều kiệncho học sinh nắm vững chính xác, sâu sắc các kiến thức, phát triển năng lực nhậnthức và hình thành nhân cách của học sinh thì việc sử dụng thí nghiệm vào tronggiảng dạy học tập là điều không thể thiếu Vì vậy chúng tôi đã quyết định chọn

đề tài “ Chế tạo bộ thí nghiệm thực hành máy phát điện xoay chiều ba pha nhiềucặp cực để sử dụng trong việc xây dựng các thí nghiệm dùng trong dạy học cákiến thức về điện xoay chiều”

Thực trạng:

Hiện nay ở trường THPT đã có bộ thí nghiệm về máy phát điện xoay chiều bapha nhưng còn nhiều hạn chế khi chỉ dừng lại ở việc quan sát, hình dung nguyêntắc hoạt động của máy phát điện xoay chiều 3 pha, mắc mạch điện hình sao – tamgiác mà chưa khảo sát được suất điện động đầu ra của máy phát điện xoay chiều

ba pha, khảo sát tần số dòng điện xoay chiều theo số cặp cực và tốc độ quay củaroto, khảo sát tần số dòng điện phụ thuộc vào số cặp cực của roto, ứng dụngtrong thực tế Nhận thấy được điều đó nhóm chúng tôi đã đi đến suy nghĩ cần chếtạo ra một bộ thí nghiệm thực hành máy phát điện xoay chiều ba pha nhiều cặpcực có thể đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu, thí nghiệm về máy phát điện xoaychiều ba pha và các ứng dụng của nó

Vì vậy chúng tôi đã quyết định chọn đề tài “ Chế tạo bộ thí nghiệm thực hànhmáy phát điện xoay chiều ba pha nhiều cặp cực để sử dụng trong việc xây dựngcác thí nghiệm dùng trong dạy học cá kiến thức về điện xoay chiều”

II NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

1 Chế tạo bộ thí nghiệm thực hành tích hợp máy phát điện xoay chiều ba pha nhiều cặpcực – động cơ điện xoay chiều ba pha – mạch tải sao tam giác.

1.1 Máy phát điện xoay chiều ba pha nhiều cặpcực.

1.1.1 Các roto có số cặp cực thayđổi:

a) Mô hình hình vẽ:

b) Hình chế tạođược:

Hình 5: Roto 1 cặp cực Hình 6: Roto 2 cặp cực Hình 1: Roto một cặp cực Hình 2 : Roto hai cặp cực

Hình 3: Roto ba cặp cực Hình 4: Roto bốn cặp cực.

1.1.3 Hộp mô tơ quay rô to với mặt chia độ:

Hộp chứa 1 mô tơ điện 1 chiều để quay rô to sử dụng nguồn điện 1 chiều ở phòng thí nghiệm và bề mặt để đặt 3 cuộn dây của máy phát được khắc vòng chia

độ có gắn 3 kim định vị để điều chỉnh chính xác góc lệch giữa 3 cuộn dây

1.1.4 Các cuộn dây của máy phát điện:

- Ba cuộn dây 1000 vòng được quấn trên lõi thép.

- Một cuộn dây có 4 cấp: 200 – 600 – 800 – 1000 vòng được quấn trên lõi thép.

1.2 Động cơ đồng bộ ba pha và động cơ không đồng bộ ba pha:

Gồm:

- 3 cuộn dây 650 vòng được cuốn trên lõi thép (1).

- Kim la bàn dùng làm rô to động cơ đồng bộ ba pha (2).

- Khung nhôm gắn trục quay dùng làm rô to động cơ không đồng bộ ba pha (3).

- Mạch đếm xung để đo tốc độ quay của rô to (4).

- Đế chia góc để đặt và điều chỉnh chính xác góc lệch giữa 3 cuộn dây của động

cơ (5)

Hình 13 : Bộ thiết bị mô hình động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ 3 pha.

1.3 Mạch điện sao, tam giác:

Gồm:

- Bảng mạch tích hợp mô hình tải cân bằng và không cân bằng sao và tam giác

sử dụng các điện trở nhỏ

- Bảng mạch tích hợp mô hình tải sao và tải tam giác sử dụng các đèn led

Hình 13 : Mạch sao – tam giác.

1.4. Mô hình máy biến áp:

- Cuộn sơ cấp 25 vòng.

- Cuộn thứ cấp có 3 cấp vòng: 50-75-100.

Hình 13 : Mô hình máy biến áp.

1.5 Các thiết bị phòng thí nghiệm sử dụng kèm theo:

- Nguồn điện một chiều.

- Đồng hồ đa năng.

- Dao động kí điện tử.

Hình 11: Tổng thể bộ thí nghiệm thực hành tích hợp phát điện xoay chiều ba pha nhiều cặp cực – động cơ điện xoay chiều ba pha – mạch tải sao tam giác.

- Các cuộn dây có số vòng là 1000 (1), được cuốn trên lõithép

- Các cuộn dây có số vòng nhiều cấp 400 – 600 – 800 – 1000(2), được cuốn trênlõithép

dạy mục 1, bài 30, SGK Vật lí nâng cao 12).

2.1.1 Thí nghiệm khảo sát giá trị suất điện động đầu ra của máy phát điện

xoay chiều phụ thuộc vào tốc độ quay của roto.

a Mục đích thínghiệm:

quay n ( vòng /s ) của roto

b Cơ sở lí thuyết:

Suy luận lí thuyết : Tần số f của dòng điện xoay chiều được xác địnhbằng biểu thức: f = np , với n (vòng/s) là tốc độ quay của roto và p là số cặpcực của roto

dụng của suất điện động đầu ra.( Hai hình bố trí 2 TH)

e Tiến hành thí nghiệm : Tiến hành thí nghiệm thay đổi tốc độ quay của rotobằng cách điều chỉnh điện áp trên bộ nguồn một chiều

Hình 17: Thí nghiệm khảo sát giá trị suất điện động đầu ra của máy phát

điện xoay chiều phụ thuộc vào tốc độ quay của roto

2.1.2 Thí nghiệm khảo sát suất điện động dòng điện xoay chiều theo số

vòng dây của cuộn dây( Sử dụng dạy mục 1, bài 30, SGK Vật lí nâng cao 12).

trên cuộn dây.

Như vậy suất điện động cảm ứng xuất hiện trong cuộn dây tỉ lên thuận với

số vòng dây trên cuộn

Vẽ đồ thị sự phụ thuộc của suất điện động vào số vòng dây

Hình 17: TN khảo sát sự phụ thuộc của f vào n khi p = const.

e Kết quả thí nghiệm:

Bảng 2: Kết quả thí nghiệm khảo sát suất điện động cảm ứng với số vòng

dây khác nhau, trường hợp p =2, tốc độ quay không đổi.

Đ th s ph thu c su t đi n đ ng c m ng vào s vòng dây ồ thị sự phụ thuộc suất điện động cảm ứng vào số vòng dây ị sự phụ thuộc suất điện động cảm ứng vào số vòng dây ự phụ thuộc suất điện động cảm ứng vào số vòng dây ụ thuộc suất điện động cảm ứng vào số vòng dây ộc suất điện động cảm ứng vào số vòng dây ất điện động cảm ứng vào số vòng dây ện động cảm ứng vào số vòng dây ộc suất điện động cảm ứng vào số vòng dây ảm ứng vào số vòng dây ứng vào số vòng dây ố vòng dây

2.1.3 Thí nghiệm khảo sát tần số dòng điện phụ thuộc vào số cặp cực của

roto( Sử dụng dạy mục 2, bài 30, SGK Vật lí nâng cao 12)

a Mục đích thí nghiệm : Nghiên cứu mối liên hệ giữa tần số dòng điện f (Hz) và

- Sử dụng các roto và cuộn dây, bố trí cốđịnh.

- Cố định tốc độ quay của roto, thay đổi roto (các roto 2 cặp cực, 3 cặp cực, 4cặp cực)

- Sử dụng máy đo tần số đã chế tạo để xác định tốc độ quay củaroto

- Sử dụng dao động kí để xác định tần số f của dòngđiện

d Tiến hành thí nghiệm:

- Bật công tắc nguồn điện, thay đổi hiệu điện thế của nguồnđiện

- Xác định giá trị của tần số dòng điện ứng với các roto có số cặp cực khácnhau nhờ dao động kí điệntử

Bảng 3: Kết quả thí nghiệm khảo sát tần số f với tốc độ quay n của roto,

trường hợp p =2.

tính toán fcal (Hz)

Tần số

đo f (Hz)

Sai số

∆ƒƒca1

Hình 18: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của f vào n ứng với p = 2

Từ đồ thị nhận thấy khi p = 2 không đổi thì tần số dòng điện tỉ lệ tuyến tính với tốc độ quay n của roto

Bảng 4: Kết quả thí nghiệm khảo sát tần số f với tốc độ quay ncủa roto,

Sai số

∆ƒƒca1

Hình 19: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của f vào n ứng với p = 3

- Nhận xét: từ đồ thị nhận thấy khi p = 3 không đổi thì tần số dòng điện tỉ

lệ tuyến tính với tốc độ quay n của roto

Bảng 5: Kết quả thí nghiệm khảo sát tần số f với tốc độ quayn của roto, trờng

hợp p =4.

toán fcal (Hz)

Tần số

đo f (Hz)

Sai số

∆ƒƒca1

Hình 20: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của f vào n ứng với p = 4

Từ đồ thị nhận thấy khi p = 4 không đổi thì tần số dòng điện tỉ lệ tuyến tính với tốc độ quay n của roto

thuận với số cặp cực p củaroto

2.3 Xây dựng thí nghiệm dạy học phần tổng hợp dao động điện (dùng dạy bài

12, chương trình Vật lí nâng cáo lớp 12).

2.3.1 Mục đích thí nghiệm:

Với x1 = A1cos(⍵t+φφ1) và x2 = A2 cos(⍵t+φφ2) là phương trình hai daođộng điện thành phần, u= UOcos(⍵t+φφ) là phương trình của dao động tổng hợp

2.3.2 Cơ sở lý thuyết:

Tổng hợp hai dao động điều hòa có phương trình lần lượt là : x1 =A1cos(⍵t+φφ1) và x2 = A2 cos(⍵t+φφ2) được một dao động điều hòa cùngphương cùng tần số x= Acos(⍵t+φφ)

Bằng phương pháp giải tích hoặc dùng giản đồ Fre – nen ta có:

- Nếu Δφ = (2k+φ1 2



2.3.3 Bố trí thí nghiệm:

động các cuộn dây đến các vị trí khác nhau để thu được các dao động cùng tần

số , cùng pha ( ngược pha, vuông pha) , cùng biên độ ( khác biênđộ)

- Dùng dao động kí điện tử để xác định giá trị biên độ và pha của các suất điệnđộng thu được trên cuộn dây, đồng thời xác định giá trị của biên độ tổng hợp.Ngoài ra có thể dùng đồng hồ vạn năng để xác định biên độ của hai dao độngthành phần, dao động tổng hợp ( mắc nối tiếp 2 cuộn dây rồi mắc song song vớiđồng hồ vạnnăng)

Bảng 6: Mô hình hình vẽ bố trí cuộn dây

- Phương án 2: Dùng đồng hồ vạnnăng.

Hình 22: TN xác định biên độ của suất điện động trên từng cuộn dây

Hình 23: Thí nghiệm đo biên độ của suất điện động tổng hợp ở hai đầu cuộn dây.

2.3.5 Kết quả thínghiệm:

- Phương án 1: Dùng dao động kí điệntử:

Bảng 7: Kết quả khảo sát tổng hợp hai dao động điều hòa bằng dao động kí điện

tử.

Tính chất của

hai dao động

Mô hình

Hai dao động khi chưa tổng

Hai dao động có biên độ là

Hai dao động có biên độ là 2 V

biên

độ

2cặp cực

Hai dao động có biên độ là 1 V

Giá trị biên

độ của dao động thứ 2

Giá trị biên độ của dao động tổng hợp thực nghiệm

Giá trị biên độ của dao động tổng hợp tính toán

x1= A1cos(⍵t+φ φ1) và x2= A2 cos(⍵t+φφ2) được một dao động điều hòa cùng

sao và mạch tam giác.

3.2 Cơ sở lý thuyết:

- Mạch tải nối hình sao

Từ suy luận lý thuyết, ta có quan hệ giữa đại lượng dây và pha trong cách nốihình sao đối xứng:

o Quan hệ giữa dòng điện dây và dòng điện pha

I d=I p

o Quan hệ giữa điện áp dây và điện áp pha

U AB=U BC=U CA=U d=√3U p

- Mạch tải nối hình tam giác

Từ suy luận lý thuyết, ta có quan hệ giữa đại lượng dây và pha trong cách nốihình tam giác:

o Quan hệ giữa dòng điện dây và dòng điện pha

I d=√3 I p

o Quan hệ giữa điện áp dây và điện áp pha

U d=U p

3.3 Bố trí thí nghiệm

- Mạch tải nối sao

o Sử dụng các roto và cuộn dây, bố trí cốđịnh

o Cố định roto và tốc độ quay củaroto

o Nối mạch theo cách nối hình sao

- Mạch tải nối hình tam giác

o Sử dụng các roto và cuộn dây, bố trí cốđịnh

o Cố định roto và tốc độ quay củaroto

o Nối mạch theo cách nối hình tam giác

3.4 Tiến hành thí nghiệm

- Tăng dần tốc độ quay của roto để tăng điện áp và tiến hành đo ud và up bằngđồng hồ đa năng

15.1

17.1

- Mạch tải mắc hình tam giác

- Bảng 10: Kết quả khảo sát U d và U p trong tải mắc tam

kim nam châm: là động cơ mà có tốc độ quay của rotor bằng tốc độ quay

- Từ máy phát điện xoay chiều 3 pha cho ta 3 dòng diện xoay chiều 3 pha

Hình : Ba dòng điện thu được từ máy phát điện xoay chiều ba pha.

Nếu ta cho 3 dòng điện này chạy qua 3 nam châm điện (3 cuộn dây dẫnquấn trên lõi thép) thì ta sẽ được một từ trường quay có tốc độ góc bằng vớitốc độ góc của rô tô của máy phát điện xoay chiều ba pha

Hình : Từ trường quay trong động cơ điện xoay chiều ba pha.

- Khi ta đặt một nam châm gắn cố định với trục quay tự do trong từ trườngquay sinh ra từ các nam châm điện thì ngẫu lực tổng cộng tác động lên namchâm gắn ở trục và làm nó quay liên tục với tốc độ góc bằng tốc độ quay của

từ trường

4.1.3 Dụng cụ thí nghiệm

- Máy phát điện xoay chiều 3 pha 1 cặp cực

- 3 nam châm điện giống hệt nhau

Hình: Bố trí thí nghiệm khảo sát động cơ đồng bộ

4.1.5 Tiến hành thí nghiệm.

- Bật công tắc nguồn cho máy phát điện hoạt động

- Thay đổi tốc độ góc của từ trường bằng cách thay đổi điện áp trên bộnguồn Đo tần số quay của từ trường và tần số quay tương ứng của kimnam châm bằng đồng hồ đa năng và so sánh (chú ý: tần số quay của kimnam châm bằng số chỉ của đồng hồ đa năng chia đôi)

4.1.6 Kết quả thí nghiệm

Bảng 11: Bảng kết quả khảo sát tần số quay của kim nam châm

phụ thuộc vào tần số quay của từ trường.

Category 1 Category 2 Category 3 Category 4

Hình: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của f’ vào f của động cơ đồng bộ ba

hoạt động với tốc độ quay của Rotor chậm hơn so với tốc độ quay của từ

trường Stator

4.2.1 Mục đích thí nghiệm

- Khảo sát mối liên hệ giữa tốc độ quay của từ trường (n) và tốc độ quay

của khung dây (n’)

4.2.2 Cơ sở lý thuyết:

- Động cơ không đồng bộ ba pha có nguyên lý hoạt động dựa trên hiện

tượng cảm ứng điện từ Khi ta đặt một khung dây dẫn được gắn cố định

với trục quay tự do trong từ trường quay sinh ra từ các nam châm điện thì

trên khung dây sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng Dòng điện cảm ứng trên

khung dây này sẽ sinh ra một từ trường (từ trường của một dòng điện

kín) và chịu tác dụng của từ trường quay sinh ra bởi các nam châm điện

khiến cho khung dây quay cùng chiều quay với từ trường quay

4.2.3 Dụng cụ thí nghiệm:

- Máy phát điện xoay chiều 3 pha 1 cặp cực

- 3 nam châm điện giống hệt nhau.

- Khung nhôm có trục quay cố định gắn sẵn mạch đếm xung

- Bật công tắc nguồn cho máy phát điện hoạt động

- Thay đổi tốc độ góc của từ trường bằng cách thay đổi điện áp trên bộnguồn Đo tần số quay của từ trường bằng cách sử dụng đồ hồ đa năng đotần số quay của rô to của máy phát điện và tần số quay tương ứng củakhung dây và so sánh

4.2.6 Kết quả thí nghiệm

Bảng 12: Bảng kết quả khảo sát tần số quay của khung nhôm phụ

thuộc vào tần số quay của từ trường.

Category 1 Category 2 Category 3 Category 4

Hình: Đồ thị biuể diễn sự phụ thuộc của f’ vào f của động cơ không đồng

bộ ba pha

- Nhận xét: khung dây quay với tốc độ góc nhỏ hơn tốc độ quay của từ

trường

- Kết luận: Trong động cơ không đồng bộ, tốc độ quay của Rotor chậm hơn

so với tốc độ quay của từ trường Stator

Suất điện động tức thời trên cuộn thứ cấp là:

- Máy phát điện xoay chiều 3 pha

- Mô hình máy biến áp

- Bộ nguồn một chiều 6-24 V

- Dao động kí điện tử hoặc đồng hồ vạn năng

d Bố trí thí nghiệm:

sơ cấp

Điện

áp hiệu dụng hai đầu thứ cấp

U2

U1

Cườn

g độ dòng điện mạch

áp

H (%)

Hình: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tỉ lệ U U2

- Trong tương lai chúng tôi sẽ hoàn thiện bộ thí nghiệm giảm thiểu sai số tới mứctối thiểu, nghiên cứu xây dựng thêm các thí nghiệm để sử dụng trong việc dạyhọc phần dòng điện xoay chiều lớp 12

TÀI LIỆU THAM KHẢO :

[1] Phạm Hữu Tòng, Nguyễn Đức Thâm và Phạm Xuân Quế Tài liệu bồi dưỡng

thường xuyên giáo viên trung học phổ thông môn Vật lí.Nhà Xuất bản Đại học Sư

phạm, 2005

[2] Nguyễn Ngọc Hưng Thí nghiệm vật lí ở nhà của học sinh Tạp chí khoa

học.Đại học Sư phạm.

[3] Nguyễn Ngọc Hưng Một số hướng đổi mới phương pháp dạy học vật lí ở

trường phổ thông Tạp chí Giáo dục (2012).

[4] Sách giáo khoa Vật lí lớp 12 nâng cao ( trang: 57- 60, 142, 161 -171)