Điện Xoay Chiều AC Cơ Bản

Hãy bắt đầu chương bằng việc tìm hiểu chi tiết về điện xoay chiều, vầ cùng thảo luận về công suất tiêu thụ qua một tải thuần trở.

Dòng điện xoay chiều là gì?

Dòng điệu xoay chiều hay dòng điện AC (Alternating Current) là dòng điện mà cường độ và chiều dòng điện thay đổi theo thời gian. Sự thay đổi này lặp đi lặp lại theo một chu kì nhất định thường sẽ theo 1 đồ thị hình Sin.

Hình 1. Sóng hình sin biểu diễn sự thay đổi biên độ của điện áp và dòng điện xoay chiều.

Thời gian sóng hình sin bắt đầu ở một giá trị nào đó sau đó thay đổi giá trị, đảo cực và quay trở về giá trị ban đầu được gọi là 1 chu kỳ (đơn vị là giây). Số lần lặp lại chu kì trên 1s được  gọi là tần số dòng điện (kí hiệu là f đơn vị  là hertz hay Hz).Ở Việt Nam điện áp xoay chiều được tiêu chuẩn hoạt động ở tần số 50Hz.

Radian là gì ?

Radian (rad) là một đơn vị thuộc hệ SI (Hệ đo lường quốc tế) dùng để đo góc. Giả sử chúng ta có một đường tròn bán kính, vẽ 1 cung tròn thuộc đường tròn có độ dài cũng là r thì góc do cung tròn này tạo ra chính bằng 1 radian.

Hình 2. Một Radian

Chuyển đổi đơn vị giữa độ và radian.

Một đường tròn bán kính r sẽ có chu vi là 2πr, ứng với 1 r trên chu vi là 1 radian thì 1 đường tròn sẽ là cung tròn có góc  là 2π rad (radian). Đường tròn cũng là cung tròn có góc 360°. Điều đó có nghĩa là 2π rad = 360°, hay 1 rad = 360°/2π ≈ 57,3°. Chúng ta cần chuyển độ thành radian bởi vì đơn vị radian sẽ đơn giản và sẽ hữu ích hơn khi tính toán.

Tần số góc ký hiệu là ω (omega) là tốc độ thay đổi góc theo thời gian của vật chuyển động xoay. Đơn vị là (rad/s). Một chu kỳ đầy đủ bằng 2π radian, có nghĩa là tần số của một chu kỳ trên giây tương đương với tần số góc 2π radian trên giây:

Công suất mạch điện xoay chiều:

Chúng ta biết rằng Điện Áp và Dòng điện xoay chiều luôn biến thiên theo đồ thị hình sin hoạt động ở tần số f và Biên độ là V_max và I_max. Ta có thể biểu diễn phương trình đồ thị của điện áp và dòng điện như sau.

Nếu một mạch xoay chiều chỉ bao gồm điện trở thì dòng điện và điện áp luôn cùng pha, có nghĩa là biên độ của chúng luôn thay đổi đồng bộ. Ta có thể áp dụng trực tiếp định luật Ôm cho mạch điện như sau:

Biểu đồ sau đây mô tả dòng điện hình sin đi qua và điện áp trên một điện trở.

Hình 3. Điện áp và dòng điện hình sin trong tải điện trở.

Giá Trị Hiệu Dụng

Giả sử chúng ta có một điện áp xoay chiều có biên độ điện áp là 310V cấp cho tải thuần trở, trong trường hợp này 310V là điện áp tối đa, nếu tính toán công suất bằng điện áp này kết quả không phải là công suất của tải mà là công suất tải tức thời lớn nhất.

Nhìn vào dạng sóng điện áp và dòng điện ta thấy rằng phần lớn thời gian dạng sóng có giá trị tuyệt đối lớn hơn nhiều so với giá trị lớn nhất. Điều này nghĩa là mức công suất trung bình của tải sẽ thấp hơn rất nhiều so với công suất tối đa.Ý tưởng là chúng ta sẽ dùng một điện áp 1 chiều tương đương để tính toán các số liệu. Nguồn tương đương đó đc gọi là nguồn hiệu dụng (RMS). Công thức để xác định điện áp và dòng điện của nguồn hiệu dụng như sau:

Nguồn có biên độ 310V: V_rms = 0.707 *310 = 220V

Điện áp chúng ta đang sữ dụng sẽ có phương trình là V(t) = 310Sin(100 π) V hay V(t) = 220√2Sin(100 π)