Bản chất của dòng điện AC 3 pha – Kiến thức nền tảng

1/ Nguyên lý dòng điện 3 pha

Dòng điện ba pha thực sự hoạt động như thế nào? Trong bài viết này chúng ta sẽ giải thích được điều đó, hãy bắt đầu cơ bản từ một máy phát điện xoay chiều một pha và sau đó là pha thứ hai và pha thứ ba để hiểu rõ được nguyên lý của dòng điện ba pha.

Máy phát điện xoay chiều đơn giản

1.1/ Tại sao gọi là điện xoay chiều ?

Đầu tiên với một máy phát điện xoay chiều đơn giản (Hình trên), chúng ta sẽ hiểu được cách thức hoạt động của dòng một pha sau đó lần lượt các pha khác cuối cùng là nắm được nguyên lý của dòng ba pha.
 

Cuộn dây bên trong máy phát xoay chiều 

Chúng ta dùng một đoạn dây đồng quấn nó thành hai cuộn dây sau đó đặt chúng đối diện nhau, quanh stator, và kết nối hai đầu dây với nhau tạo thành một mạch kín. 
 

Từ trường quay xung quanh máy phát 

Bây giờ ta đặt một nam châm giữa hai cuộn dây, sau đó chúng ta xoay nam châm, từ trường sẽ làm xáo trộn các electron tự do bên trong dây đồng và một dòng điện sẽ được tạo ra. 

Khi nam châm xoay thì các cực trong từ trường cũng xoay. Như bạn có thể thấy trong hình minh họa, cực bắc và cực nam đang xoay và khi chúng xoay, chúng sẽ truyền qua các cuộn dây, điều này sẽ buộc các electron chuyển động.

Từ trường trung lập, cường độ lớn và nhỏ của từ trường 

Chú ý rằng các đường sức từ trong miền của từ trường là hình oval ứng với mỗi bên của nam châm và chúng gặp nhau qua trục trung tâm của nam châm. Ta có thể thấy rằng một bên sẽ là dương bên còn lại là âm thì giữa những hình oval đó từ trường sẽ trung hòa. Hơn nữa bạn có thể thấy cường độ của từ trường tăng lên ở cả hai phía chúng mạnh nhất ở trung tâm và sau đó giảm dần rồi trở lại điểm trung hòa.

Khi từ trường xoay qua cuộn dây, cuộn dây sẽ trải qua một quá trình tăng về cường độ của từ trường ở nửa kì dương. Trong quá trình tăng cường độ này, các electron tự do bên trong cuộn dây đồng sẽ bị đẩy và bắt đầu chuyển động ngày càng nhanh hơn theo một hướng, cho đến khi nó đạt đến điểm cực đại của từ trường, sau đó khi từ trường giảm qua cuộn dây thì dòng các electron tự do sẽ bắt đầu chậm lại cho tới khi đạt trạng thái trung hòa . Sau đó đến phiên cực âm của từ trường, khi đi qua cuộn dây sẽ làm cho các electron tự do tiếp tục chuyển động nhanh hơn và cũng cho đến điểm cực đại của từ trường và sau đó nó lại giảm trở lại điểm trung hòa

Đó là tại sao điện xoay chiều được gọi là dòng điện xoay chiều vì dòng điện của các electron luân phiên thay đổi hướng thuận nghịch như thủy triều của biển.

Dạng sóng sin của máy phát điện xoay chiều 

1.2/ Tần số của dòng điện là gì?

Nếu chúng ta vẽ đồ thị tốc độ của các electron chuyển động trong quá trính xoay từ trường, thì chúng ta sẽ có được một biểu đồ có dạng sóng sin. Ở dạng sóng sin này chúng ta có thể thấy các electron đứng yên khi bắt đầu (vùng trung hòa) và sau đó tốc độ tăng qua nửa kì dương đến cực đại. Tiếp đến giảm dần về phía trung hòa các electron sẽ ngừng di chuyển và đến nửa kì âm nơi các electron tiếp tục chuyển động nhanh dần đến điểm cực đại, và giảm tốc cho đến khi nam châm hoàn thành một vòng quay, việc này sẽ được lặp đi lặp lại.

Tấn số sóng sin 

Một vòng quay hoàn chỉnh được gọi là một chu kỳ  và số chu kì mỗi giây được gọi là tần số và đo bằng Hertz(Hz). Có thể bạn đã thấy được giá trị 50Hz hoặc 60Hz trên các dụng cụ điện của chúng ta, có nghĩa là máy phát điện của trạm điện hoàn thành 50 hoặc 60 lần quay một giây. Khi nó được viết trên các sản phẩm điện, điều này chỉ cho người dùng biết loại điện mà chúng ta nên kết nối vào sản phẩm.

Dòng điện qua máy phát và bóng đèn 

1.3/ Ý nghĩ của số pha là gì?

Bây giờ trở lại với sóng sin mà chúng ta đã thấy trước đó. Biểu đồ dòng điện này cũng thể hiện cho công suất, và nếu chúng ta kết nối một bóng đèn vào mạch điện, dễ dàng ta thấy nó sẽ tăng độ sáng lên đến cực đại và sau đó giảm độ sáng xuống cho đến khi đên điểm trung hòa thì đèn tắt vì không có dòng điện chạy qua, nhưng sau đó lại tăng độ sáng khi các electron bắt đầu chạy ngược lại cho đến khi đến điểm trung hòa lần nữa.

Tại điểm trung hòa của chu kỳ, đèn không tạo ra ánh sáng nào, tại các điểm tăng và giảm trong chu kỳ đèn sẽ mờ. Đèn chỉ sáng hoàn toàn và sáng ở các điểm cực đại trong các chu kỳ. Điều này có nghĩa là đèn nhấp nháy liên tục và tắt.

Máy phát điện hai pha

Để cải thiện điều này, chúng ta có thể thêm một bộ cuộn dây khác hoặc pha thứ hai vào máy phát điện và đặt chúng xoay 120 độ từ cuộn dây thứ nhất, sau đó kết nối với một bóng đèn khác. Việc xoay này có ý nghĩa là các cuộn dây sẽ trải qua sự thay đổi về cường độ ở những thời điểm khác nhau. Cuộn dây đầu tiên đạt được dòng cực đại và độ sáng cực đại, và khi nó giảm thì cuộn thứ hai mới bắt đầu tăng.

Điều này đã cải thiện ánh sáng nhưng vẫn có một khoảng tắt và sẽ gầy ra hiện tượng nhấp nháy, vì vậy chúng ta có thể một bộ cuộn dây thứ ba hoặc pha thứ ba, có nghĩa là có một trong các đèn sẽ sáng ở mọi thời điểm nên ánh sáng gần như không nhấp nháy. Đây là điều cơ bản của điện ba pha. Điều này có nghĩa là năng lượng được phân phối nhiều hơn và đạt được tốc độ ổn định hơn.

Máy phát điện ba pha

Vẫn còn một số điểm tắt nhỏ giữa các pha và bạn có thể tiếp tục thêm ngày càng nhiều pha để cải thiện những điểm tắt đó nhưng điều này sẽ trở nên đắt đỏ hơn khi chạy tất cả các dây pha này. 

2/ Tại sao điện 3 pha được sử dụng rộng rãi ?

Vì vậy điện ba pha đã được chấp nhận rộng rãi vì nó là một sự phù hợp giữa nguồn điện được cung cấp và chi phí xây dựng hạ tầng.

Trong thực tế bạn sẽ không sử dụng ba bóng đèn khác nhau trên mỗi pha để tạo ra ánh sáng. Đèn trong nhà bạn hầu hết là đèn một pha nhưng chúng nhấp nháy nhanh đến mức mắt người không thể cảm nhận được trừ khi bạn ghi lại ở chế độ chậm. 

Một ứng dụng thực tế hơn là cấp nguồn cho động cơ điện không đồng bộ và các thiêt bị thương mại và công nghiệp khác vì điện ba pha sẽ cung cấp nhiều năng lượng cho các thiết bị này nghĩa là bạn có thể bơm nước cao hơn và động cơ chạy nhanh hơn.

Phân phối điện ba pha 

Nguồn điện thường được tạo ra và phân phối theo ba pha và máy biến áp được sử dụng để thay đổi điện áp. Bây giờ một trong những điều thú vị với nguồn ba pha là bạn có thể kết nối với cả ba pha và kết nối cho các thiết bị công nghiệp lớn hoặc bạn cũng có thể chỉ kết nối với một trong ba pha và cấp điện cho các thiết bị điện nhỏ.

Phân phối điện ba pha trong tòa nhà 

Nhìn chung đây là cách các tòa tháp và các tòa nhà chọc trời phân phối điện. Động cơ thang máy và máy bớm điều hòa không khí cần nguồn điện ba pha nhưng máy tính và thiết bị văn phòng sẽ cần nguồn điện một pha. Vì vậy họ phân phối nguồn điện ba pha lên tòa nhà và sau đó ngắt nguồn điện khi cần thiết.

Điều tương tự cũng xảy ra với việc phân phối điện trên toàn thành phố. Các ngôi nhà sẽ chỉ được kết nối với một pha duy nhất vì chúng không yêu cầu nhiều điện năng, trong khi các tòa nhà lớn sẽ cần kết nối ba pha vì chúng cần nhiều điện năng.