Ôn Thi Đại Họcby ToanKhonTech
Kiến thức trọng tâmLớp 12

Hệ thống điện quốc gia và mạch điện ba pha

Ôn cấu trúc hệ thống điện quốc gia, nhà máy điện, truyền tải điện cao áp, mạch ba pha nối sao – tam giác với công thức điện áp, dòng điện, công suất.

Đây là chủ đề mở đầu phần kĩ thuật điện lớp 12. Trong đề 24 câu nhiều lựa chọn và 4 câu đúng/sai, chủ đề này thường có khoảng 3–4 câu ở phần I (cấu trúc hệ thống điện, nhà máy điện, truyền tải) và hay xuất hiện một câu đúng/sai ở phần II về tải ba pha như lò sấy, động cơ, hệ thống chiếu sáng. Nắm chắc bảng công thức nối sao – tam giác là lấy trọn điểm phần tính toán.

Kiến thức trọng tâm

Cấu trúc hệ thống điện quốc gia

Hệ thống điện quốc gia gồm nguồn điện, lưới điện và phụ tải điện, liên kết với nhau thành một hệ thống thống nhất và được điều độ chung, để sản xuất, truyền tải, phân phối và cung cấp điện an toàn, liên tục, ổn định, kinh tế.

Nhà máy điện (máy phát) Trạm biến áp tăng áp Đường dây truyền tải 220 kV, 500 kV Trạm biến áp hạ áp (trung gian) Đường dây phân phối 110 kV, 35 kV, 22 kV Trạm biến áp phân phối, ví dụ 22/0,4 kV Hộ tiêu thụ: nhà máy, hộ gia đình (380/220 V) Nguồn điện Lưới điện Phụ tải
Đường đi của điện năng từ nhà máy điện đến nơi tiêu thụ.
Thành phần Gồm Nhiệm vụ
Nguồn điện Các nhà máy điện Biến đổi các dạng năng lượng khác thành điện năng
Lưới điện Đường dây và trạm biến áp ở các cấp điện áp Truyền tải, phân phối điện năng từ nguồn đến nơi tiêu thụ
Phụ tải điện Thiết bị, hộ dùng điện: công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ, sinh hoạt Biến đổi điện năng thành cơ năng, nhiệt năng, quang năng...

Lưới điện chia theo nhiệm vụ:

Loại lưới Cấp điện áp thường gặp Nhiệm vụ
Lưới truyền tải Từ 220 kV trở lên (220 kV, 500 kV) Truyền công suất lớn đi xa, liên kết các vùng, các nhà máy
Lưới phân phối Từ 110 kV trở xuống (110 kV, 35 kV, 22 kV, 0,4 kV) Đưa điện đến từng khu vực, từng hộ tiêu thụ

Theo độ lớn điện áp danh định: hạ áp đến 1 kV; trung áp trên 1 kV đến 35 kV; cao áp trên 35 kV đến 220 kV; siêu cao áp trên 220 kV. Lưới điện sinh hoạt 380/220 V là lưới hạ áp.

Các loại nhà máy điện

Nhà máy Năng lượng sử dụng Quá trình biến đổi Đặc điểm
Nhiệt điện (than, khí) Hóa năng của nhiên liệu Đốt nhiên liệu → hơi nước (hoặc khí nóng) → tua bin → máy phát Ổn định, nhưng phát thải khí nhà kính
Thủy điện Thế năng của nước trong hồ chứa Dòng nước làm quay tua bin → máy phát Không đốt nhiên liệu, phụ thuộc lượng mưa
Điện gió Động năng của gió Gió làm quay cánh quạt → máy phát Năng lượng tái tạo, công suất thay đổi theo gió
Điện mặt trời Quang năng Pin quang điện biến đổi trực tiếp thành điện một chiều → bộ nghịch lưu → điện xoay chiều Không có bộ phận quay, chỉ phát ban ngày
Điện hạt nhân Năng lượng phân hạch hạt nhân Nhiệt → hơi nước → tua bin → máy phát Công suất lớn, yêu cầu an toàn rất cao
Điện sinh khối Hóa năng của bã mía, trấu, rơm... Đốt → hơi nước → tua bin → máy phát Tận dụng phụ phẩm nông nghiệp

Vì sao phải truyền tải điện bằng điện áp cao?

Khi truyền công suất PP với điện áp UU trên đường dây có điện trở RR, dòng điện I=PUcos⁡φI = \dfrac{P}{U\cos\varphi}, công suất hao phí:

ΔP=I2R=P2RU2cos⁡2φ\Delta P = I^2R = \dfrac{P^2R}{U^2\cos^2\varphi}

Nguồn điện ba pha

Máy phát điện xoay chiều ba pha có ba cuộn dây giống nhau đặt lệch nhau 120∘120^\circ trên stator. Khi rotor (nam châm) quay, ba cuộn dây sinh ra ba sức điện động cùng biên độ, cùng tần số, lệch pha nhau 120∘120^\circ (một phần ba chu kì).

  • Dây pha (A, B, C) nối với đầu ba pha; dây trung tính (N) nối với điểm trung tính O khi nối sao.
  • Điện áp pha UpU_p: điện áp giữa dây pha và dây trung tính (điện áp đặt lên mỗi pha).
  • Điện áp dây UdU_d: điện áp giữa hai dây pha.
  • Dòng điện pha IpI_p: dòng điện chạy trong mỗi pha; dòng điện dây IdI_d: dòng điện chạy trên dây pha.
cuộn A A cuộn B B cuộn C C O N Ud (điện áp dây) Up (điện áp pha) dây trung tính
Nguồn ba pha nối sao, bốn dây — điện áp dây và điện áp pha.

Nối sao và nối tam giác

  • Nối sao (Y): ba điểm cuối của ba pha nối chung thành điểm trung tính O.
  • Nối tam giác (Δ): điểm cuối của pha này nối với điểm đầu của pha kế tiếp, tạo thành mạch vòng kín; không có dây trung tính.
A B C N O Tải nối sao (Y) A B C Tải nối tam giác (Δ)
Ba phần tử tải nối sao và nối tam giác.
Đại lượng Nối sao (Y) Nối tam giác (Δ)
Điện áp Ud=3 UpU_d = \sqrt{3}\,U_p Ud=UpU_d = U_p
Dòng điện Id=IpI_d = I_p Id=3 IpI_d = \sqrt{3}\,I_p
Dây trung tính Có thể có (mạch ba pha bốn dây) Không có
Công suất tải đối xứng P=3UpIpcos⁡φ=3 UdIdcos⁡φP = 3U_pI_p\cos\varphi = \sqrt{3}\,U_dI_d\cos\varphi P=3UpIpcos⁡φ=3 UdIdcos⁡φP = 3U_pI_p\cos\varphi = \sqrt{3}\,U_dI_d\cos\varphi

Tải thuần điện trở (lò sấy, bình đun) có cos⁡φ=1\cos\varphi = 1.

Vai trò dây trung tính: với tải không đối xứng (chiếu sáng, sinh hoạt, mỗi pha bật số thiết bị khác nhau), dây trung tính giữ cho điện áp trên mỗi pha của tải bằng điện áp pha của nguồn. Tải đối xứng thì dòng điện trong dây trung tính bằng 0 (ba dòng pha bằng nhau về độ lớn nhưng lệch pha 120∘120^\circ). Không lắp cầu chì trên dây trung tính: nếu dây trung tính bị đứt khi tải không đối xứng, điện áp các pha bị lệch, có pha quá áp làm hỏng thiết bị.

Dạng bài thường gặp trong đề thi

Dạng 1: Nhận biết thành phần hệ thống điện, cấp điện áp, loại nhà máy

Xem lời giải

22 kV nhỏ hơn 110 kV nên thuộc lưới phân phối; 22 kV nằm trong khoảng trên 1 kV đến 35 kV nên là trung áp. Chọn B. Phụ tải là nơi tiêu thụ điện, không phải đường dây.

Dạng 2: Tính hao phí khi truyền tải

Xem lời giải
ΔP1=P2RU12=(107)2⋅20(110⋅103)2≈165 289 W≈165 kW\Delta P_1 = \dfrac{P^2R}{U_1^2} = \dfrac{(10^7)^2\cdot 20}{(110\cdot 10^3)^2} \approx 165\,289\,\text{W} \approx 165\,\text{kW}

(khoảng 1,65% công suất truyền đi).

Điện áp tăng gấp đôi nên hao phí giảm 4 lần: ΔP2=ΔP14≈41,3 kW\Delta P_2 = \dfrac{\Delta P_1}{4} \approx 41{,}3\,\text{kW} (khoảng 0,41%).

Dạng 3: Chọn cách nối và tính điện áp, dòng điện, công suất của tải ba pha

Xem lời giải

a) Điện áp định mức mỗi dây 380 V bằng điện áp dây của lưới → nối tam giác.

b) Up=Ud=380 VU_p = U_d = 380\,\text{V}, Ip=UpR=38038=10 AI_p = \dfrac{U_p}{R} = \dfrac{380}{38} = 10\,\text{A}, Id=3 Ip≈17,3 AI_d = \sqrt{3}\,I_p \approx 17{,}3\,\text{A}.

P=3UpIp=3⋅380⋅10=11 400 W=11,4 kWP = 3U_pI_p = 3\cdot 380\cdot 10 = 11\,400\,\text{W} = 11{,}4\,\text{kW}.

c) Nối sao: mỗi dây chỉ chịu Up=220 VU_p = 220\,\text{V}, P′=3⋅220238≈3821 W≈3,8 kWP' = 3\cdot\dfrac{220^2}{38} \approx 3821\,\text{W} \approx 3{,}8\,\text{kW} — giảm khoảng 3 lần, lò không đủ nhiệt.

Dạng 4: Động cơ ba pha có hệ số công suất

Xem lời giải

P=3 UdIdcos⁡φ=3⋅380⋅10⋅0,85≈5595 W≈5,6 kWP = \sqrt{3}\,U_dI_d\cos\varphi = \sqrt{3}\cdot 380\cdot 10\cdot 0{,}85 \approx 5595\,\text{W} \approx 5{,}6\,\text{kW}.

Nối tam giác: Ip=Id3=103≈5,77 AI_p = \dfrac{I_d}{\sqrt{3}} = \dfrac{10}{\sqrt{3}} \approx 5{,}77\,\text{A}.

Dạng 5: Câu đúng/sai về tải chiếu sáng ba pha

Xem lời giải

a) Đúng — mỗi dãy đèn nối giữa một dây pha và dây trung tính, điện áp 220 V đúng định mức.

b) Sai — tải không đối xứng (12, 5 và 0 bóng) nên dòng trong dây trung tính khác 0.

c) Sai — mất dây trung tính, dãy 1 và dãy 2 mắc nối tiếp nhau vào điện áp dây 380 V; dãy 2 có ít bóng hơn (điện trở tương đương lớn hơn) nên chịu điện áp lớn hơn 220 V, bóng dễ cháy (khoảng 268 V nếu coi điện trở bóng không đổi); dãy 1 chỉ còn khoảng 112 V nên sáng mờ.

d) Đúng — để tránh đứt dây trung tính khi tải không đối xứng.

Lỗi thường gặp

Mẹo làm bài

Tự kiểm tra nhanh

  1. Ba điện trở mỗi cái 44 Ω44\,\Omega, định mức 220 V, cấp từ lưới 380/220 V. Cách nối, dòng điện dây và công suất tổng?
Xem đáp án

Nối sao. Ip=22044=5 AI_p = \dfrac{220}{44} = 5\,\text{A}, Id=Ip=5 AI_d = I_p = 5\,\text{A}, P=3⋅220⋅5=3300 WP = 3\cdot 220\cdot 5 = 3300\,\text{W}.

  1. Tải nối tam giác có dòng điện pha 6 A. Dòng điện dây bằng bao nhiêu?
Xem đáp án

Id=3⋅6≈10,4 AI_d = \sqrt{3}\cdot 6 \approx 10{,}4\,\text{A}.

  1. Nhà máy thủy điện biến đổi dạng năng lượng nào thành điện năng?
Xem đáp án

Thế năng của nước trong hồ chứa (chuyển thành động năng dòng nước làm quay tua bin rồi thành điện năng).

  1. Giữ nguyên công suất truyền tải, tăng điện áp từ 220 kV lên 500 kV thì hao phí giảm bao nhiêu lần?
Xem đáp án

(500220)2≈5,2\left(\dfrac{500}{220}\right)^2 \approx 5{,}2 lần.

  1. Vì sao động cơ ba pha (tải đối xứng) có thể nối vào lưới ba pha ba dây, không cần dây trung tính?
Xem đáp án

Tải đối xứng thì tổng ba dòng pha luôn bằng 0, dòng trong dây trung tính bằng 0, nên bỏ dây trung tính mà điện áp mỗi pha vẫn không đổi.

Kiểm tra lại kiến thức vừa ôn

Làm 10 câu luyện tập về hệ thống điện quốc gia và mạch điện ba pha và xem lời giải ngay sau mỗi câu.

Luyện tập ngay

Đề có câu hỏi về chủ đề này

ĐỀ SỐ 01Trung bìnhLàm thử miễn phí
Công nghệ (định hướng Công nghiệp) — Đề ôn luyện số 1

Đề sát cấu trúc đề thi thật: hệ thống điện quốc gia, lò sấy ba pha nối sao – tam giác, mạng điện phòng học và thiết bị bảo vệ, op-amp khuếch đại tín hiệu cảm biến nhiệt độ, mạch logic điều khiển máy bơm; kèm cơ khí lớp 11 và vẽ kĩ thuật lớp 10.

28 câu · 50 phút
ĐỀ SỐ 02Cơ bảnLàm thử miễn phí
Công nghệ (định hướng Công nghiệp) — Đề ôn luyện số 2

Đề cơ bản củng cố kiến thức nền: điện áp lưới, cầu chì – aptomat – công tơ, kí hiệu linh kiện và cổng logic; phần đúng/sai gồm chiếu sáng xưởng may ba pha, căn hộ có bình nóng lạnh, mạch đèn tự động dùng quang điện trở và mạch báo động kho hàng.

28 câu · 50 phút
ĐỀ SỐ 03Nâng caoLàm thử miễn phí
Công nghệ (định hướng Công nghiệp) — Đề ôn luyện số 3

Đề nâng cao, nhiều câu tính toán và thiết kế: hao phí truyền tải, sự cố đứt dây pha, động cơ ba pha, chọn aptomat và dây dẫn cho ngôi nhà, mạch báo khí gas hai tầng op-amp, mạch biểu quyết chỉ dùng cổng NAND; kèm truyền lực ô tô và hình chiếu trục đo.

28 câu · 50 phút