Phương án thí nghiệm về động không đồng bộ ba pha Phần I: PHẦN MỞ ĐẦU I Lí chọn đề tài Vật lí học mơn khoa học thực nghiệm, khâu quan trọng trình đổi phương pháp dạy học mơn vật lí phải tăng cường hoạt động thực nghiệm học sinh trình học tập Vì vậy, việc đưa thí nghiệm vào dạy học để học sinh tiếp cận với đường nghiên cứu khoa học hiểu sâu sắc kiến thức vật lí cần thiết có ý nghĩa quan trọng Thơng qua thí nghiệm, học sinh rèn luyện kĩ năng, kĩ xảo, giáo dục tổng hợp, hình thành tư sáng tạo tinh thần làm việc tập thể Trong q trình giảng dạy tơi thấy động khơng đồng ba pha loại máy điện sử dụng phổ biến kĩ thuật truyền động điện có ưu điểm là: đơn giản kết cấu, gọn nhẹ, dễ chế tạo, dễ sử dụng hiệu suất cao Để dạy “Động không đồng ba pha” Vật lí 12, cần phải có thiết bị thí nghiệm kiểm nghiệm: - Sự quay khơng đồng động không đồng ba pha - Trong khơng gian stato có từ trường tổng hợp từ trường quay có biên độ khơng thay đổi Hiện nay, danh mục thiết bị thí nghiệm tối thiểu trường THPT khơng có thiết bị thí nghiệm động khơng đồng ba pha Vì tơi lựa chọn đề tài “ Phương án thí nghiệm động không đồng ba pha” với mong muốn giới thiệu phương án thí nghiệm động không đồng ba pha để sử dụng dạy động không đồng ba pha vật lí 12 II Mục đích đề tài Đề tài tập trung xây dựng phương án thí nghiệm kiểm nghiệm được: - Sự quay khơng đồng động không đồng ba pha - Trong khơng gian stato có từ trường tổng hợp từ trường quay đều, biên độ từ trường quay không thay đổi III Phương pháp nghiên cứu đề tài Nghiên cứu lí luận thí nghiệm Vật lí Nghiên cứu nội dung chương trình Vật lí 12, đặc biệt phần kiến thức động không đồng ba pha để xác định mức độ nội dung kiến thức học sinh Giáo viên: Nguyễn Thị Thu Trang – THPT Buôn Ma Thuột Phương án thí nghiệm về động không đồng bợ ba pha cần nắm vững thí nghiệm mà giáo viên học sinh cần tiến hành dạy học kiến thức Thiết kế, thử nghiệm nhiều lần phương án thí nghiệm để tới hướng dẫn chi tiết cho thí nghiệm IV Bớ cục đề tài Đề tài gồm phần: Phần 1: Phần mở đầu Phần 2: Phần nội dung Nội dung đề tài chia làm chương: Chương 1: Cơ sở lí luận thực trạng Chương 2: Thiết kế phương án thí nghiệm động không đồng ba pha Chương 3: Kết luận Trong chương I, tác giả trình bày số lí thuyết để vận dụng q trình thực đề tài, tình hình thực tiễn vấn đề mà đề tài nghiên cứu Trong chương II, tác giả nêu phương án thí nghiệm động không đồng ba pha nhằm sử dụng dạy học kiến thức “ Động không đồng ba pha” Vật lí 12 Chương III nêu kết luận số kết đạt Giáo viên: Nguyễn Thị Thu Trang – THPT Buôn Ma Thuột Phương án thí nghiệm về động không đồng bộ ba pha PHẦN II: Chương I NỘI DUNG ĐỀ TÀI Cơ sở lí luận thực trạng I Cơ sở lí luận Khái niệm thí nghiệm Vật Lí: Thí nghiệm Vật Lí tác động có chủ định, có hệ thống người vào đối tượng thực khách quan Thơng qua phân tích điều kiện mà diễn tác động kết tác động, ta thu nhận tri thức Vật Lí mới, rèn luyện kĩ năng, kĩ xảo thực hành Đặc điểm thí nghiệm Vật Lí: - Các điều kiện thí nghiệm phải lựa chọn thiết lập có chủ định cho thơng qua thí nghiệm thu kết phục vụ tiến trình xây dựng kiến thức - Các điều kiện thí nghiệm biến đổi để ta nghiên cứu phụ thuộc đại lượng đại lượng khác giữ khơng đổi - Các điều kiện thí nghiệm phải khống chế, kiểm soát dự định - Có thể quan sát biến đổi đại lượng biến đổi đại lượng khác Điều đạt giác quan hoặc hỗ trợ phương tiện quan sát, đo đạc Vai trò thí nghiệm dạy học Vật Lí ở trường phổ thơng a Các chức thí nghiệm theo quan điểm lý luận nhận thức - Thí nghiệm phương tiện việc thu nhận tri thức: thu nhận kiến thức đối tượng, tạo điều kiện cho học sinh đưa giả thuyết - Thí nghiệm phương tiện kiểm tra tính đắn tri thức thu - Thí nghiệm phương tiện việc vận dụng tri thức thu vào thực tiễn: việc vận dụng tri thức thu vào thiết kế, chế tạo thiết bị kỹ thuật gặp nhiều khó khăn, thí nghiệm sử dụng phương tiện tạo sở cho việc vận dụng tri thức thu vào thực tiễn - Thí nghiệm phận phương pháp nhận thức Vật Lí: bồi dưỡng cho học sinh hai phương pháp nhận thức phổ biến nghiên cứu Vật Lí phương pháp thực nghiệm phương pháp mơ hình b Các chức thí nghiệm theo quan điểm lý luận dạy học - Có thể sử dụng tất giai đoạn khác trình dạy học: đề xuất vấn đề; giải vấn đề tìm kiến thức, kỹ mới; củng cố kiến thức kĩ năng; kiểm tra đánh giá kiến thức kĩ mà học sinh thu - Thí nghiệm phương tiện phát triển nhân cách học sinh: + Thí nghiệm phương tiện để nâng cao chất lượng kiến thức rèn luyện kĩ năng, kĩ xảo Vật Lí học sinh Giáo viên: Nguyễn Thị Thu Trang – THPT Buôn Ma Thuột Phương án thí nghiệm về động khơng đờng bợ ba pha + Thí nghiệm phương tiện kích thích hứng thú học tập Vật Lí, tổ chức q trình học tập tích cực, tự lực sáng tạo học sinh + Thí nghiệm hình thức tổ chức hình thức làm việc tập thể khác nhau, bồi dưỡng phẩm chất đạo đức học sinh - Thí nghiệm phương tiện đơn giản trực quan dạy học Vật Lí + Thí nghiệm phương tiện giúp ta nghiên cứu tượng, q trình điều kiện khống chế dễ dàng đến nhận thức nguyên nhân, chất tượng hay mối quan hệ + Thí nghiệm phương tiện trực quan giúp học sinh nhanh chóng thu thơng tin chân thực tượng q trình Vật Lí Đặc biệt nghiên cứu lĩnh vực mà người tri giác trực tiếp giác quan sử dụng thí nghiệm mơ hình khơng thể thiếu II Thực Trạng Vật lí mơn khoa học thực nghiệm, việc sử dụng thí nghiệm dạy học vật lí trường phổ thông không công việc bắt buộc, mà biện pháp quan trọng giúp nâng cao chất lượng dạy học, góp phần tích cực hố hoạt động nhận thức học sinh Thí nghiệm vật lí hiểu theo nghĩa rộng phương pháp dạy học vật lí trường phổ thơng Đó cách thức hoạt động thầy trò, giúp cho trò tự chiếm lĩnh kiến thức kĩ năng, kĩ xảo, đặc biệt kĩ năng, kĩ xảo thực hành Thêm vào đó, thí nghiệm có tác dụng giúp cho việc dạy học vật lí tránh tính chất giáo điều hình thức phổ biến dạy học Ngồi ra, thí nghiệm vật lí góp phần giúp cho học sinh củng cố niềm tin khoa học nhằm hình thành giới quan vật biện chứng cho học sinh Hiện nay, danh mục thiết bị thí nghiệm tối thiểu trường THPT khơng có thiết bị thí nghiệm động khơng đồng ba pha Vì việc giới thiệu phương án thí nghiệm động khơng đồng ba pha để sử dụng dạy động khơng đồng ba pha vật lí 12 cơng việc có ý nghĩa cần thiết Giáo viên: Nguyễn Thị Thu Trang – THPT Buôn Ma Thuột Phương án thí nghiệm về động không đồng bộ ba pha CHƯƠNG II: THIẾT KẾ PHƯƠNG ÁN THÍ NGHIỆM VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA I Tìm hiểu vị trí kiến thức “Động khơng đồng ba pha” chương Sự cần thiết phải thiết kế phương án thí nghiệm động khơng đồng ba pha Sơ đồ tiến trình kiến thức chương “Dòng điện xoay chiều” Dòng điện xoay chiều Các đại lượng đặc trưng cho dòng điện xoay chiều Khái niệm e, u, i tức thời Giá trị cực đại E0, U0, I0 Giá trị hiệu dụng E, U, I Khái niệm cảm kháng ZL; dung kháng ZC Mạch điện xoay chiều R, L, C, RLC nối tiếp Mạ ch có R Sản xuất, biến đổi truyền tải điện Độ lệch pha φ Công suất dòng điện xoay chiều Máy phát điện xoay chiều pha Sản xuất điện xoay chiều Máy phát điện xoay chiề u3 pha Động điện xoay chiều pha; pha Biến đổi dòng điện xoay chiều Máy biến Truyền tải điện xa Khô ng dùng máy biến Có dùng máy biến Mạc h có L Mạ ch có C Sơ đờ tiến trình xây dựng kiến thức chương “ Dòng điện xoay chiều" Giáo viên: Nguyễn Thị Thu Trang – THPT Buôn Ma Thuột Phương án thí nghiệm về động khơng đờng bợ ba pha Vị trí kiến thức “Động không đồng ba pha” chương Kiến thức “Động không đồng ba pha" chương trình Vật Lí 12 ứng dụng kĩ thuật Vật Lí, đưa vào gần cuối chương “Dòng điện xoay chiều” Sau học tổng quan dòng điện xoay chiều, biết cách tạo dòng điện, học sinh nghiên cứu đến máy móc thiết bị sử dụng dòng điện xoay chiều Kiến thức “ Động không đồng ba pha" đưa vào cách hợp lý phù hợp với thực tiễn, động không đồng loại máy điện sử dụng phổ biến kỹ thuật truyền động điện có ưu điểm là: đơn giản kết cấu, gọn nhẹ, dễ chế tạo, dễ sử dụng, đặc biệt động rô – to lồng sóc có kết cấu đơn giản, phần quay khơng có u cầu cách điện làm việc mơi trường có hoạt tính cao hoặc nước Tuy nhiên, thiết bị dạy học phần kiến thức chưa phù hợp với thực tiễn đảm bảo phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo học sinh Sự cần thiết phải thiết kế phương án thí nghiệm động không đồng ba pha Khi học “Động khơng đồng ba pha”- Vật lí 12 THPT, kiến thức trọng tâm việc tạo từ trường quay dòng điện ba pha Sau phương án dùng dòng điện ba pha để tạo từ trường quay đưa cần khẳng định thực nghiệm Tuy nhiên, nay, trường phổ thơng, chưa có thiết bị thí nghiệm chứng tỏ từ trường sinh từ trường quay đó, thực tiễn việc dạy kiến thức dạy chay hoặc dạy thí nghiệm ảo Bên cạnh đó, cần thiết phải có thí nghiệm định lượng chứng tỏ tần số quay roto nhỏ tần số quay dòng điện cung cấp Chính lý đó, tơi tiến hành nghiên cứu, thiết kế phương án thí nghiệm, kiểm chứng từ trường dòng điện ba pha sinh từ trường quay Thiết bị đảm bảo mặt kĩ thuật, mặt sư phạm, bảm bảo thẩm mĩ Bên cạnh đó, phù hợp với tiết học thực hành hay cho học sinh hoạt động theo nhóm nhỏ lớp học kiến thức “Động không đồng ba pha” Giáo viên: Nguyễn Thị Thu Trang – THPT Buôn Ma Thuột Phương án thí nghiệm về động không đồng bộ ba pha II Cấu tạo nguyên tắc hoạt động thiết bị thí nghiệm Cấu tạo (10) (2) (9) (1) (3) (8) (6) (7) (5) (4) Ảnh TBTN Động không đồng bộ ba pha - Stato (1) khối thép ghép từ nhiều thép cách điện Trên khối thép có cuộn dây (2) kí hiệu màu xanh, vàng, đỏ đặt lệch 120 0; đầu dây cuộn dây nối chốt cắm (3) - Rơ to gồm có rơ to lồng sóc đơn giản (4); khung dây (5), rô to gắn trục quay thẳng đứng; khung dây có gắn đèn led đứng yên (6); rơ to lồng sóc có gắn quay (7) - Cổng quang đồng hồ đo thời gian số (8) - Máy dao động kí chùm tia (9) - Máy biến tần SV004iE5(10) * Sơ lược về máy biến tần SV004iE5 Máy biến tần có chức biến điện áp xoay chiều pha ( tần số cố định 50 Hz) thành nguồn điện áp xoay chiều ba pha có tần số biến đổi cung cấp cho động Nguyên lý hoạt động máy biến tần: Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều pha chỉnh lưu lọc thành nguồn chiều phẳng.Công đoạn thực chỉnh lưu cầu diode tụ điện Nhờ vậy, hệ số công suất cosphi hệ biến tần có giá trị khơng phụ thuộc vào tải có giá trị 0.96 Điện áp chiều biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều pha đối xứng Bộ biến tần có khả sau: - Điều chỉnh tần số theo giá trị tốc độ đặt mong muốn - Điều chỉnh điện áp theo tần số để trì từ thơng khe hở khơng đổi Giáo viên: Nguyễn Thị Thu Trang – THPT Buôn Ma Thuột Phương án thí nghiệm về động không đồng bộ ba pha vùng điều chỉnh momen không đổi - Cung cấp dòng điện định mức tần số * Cách sử dụng máy biến tần: - Đầu vào: 200 - 230V; pha; 5,5A; 50/60Hz - Đầu ra: – input V; pha; 2,5A; 0,1 -200Hz - Cách đấu dây: Ảnh Cách đấu dây máy biến tần Nguyên tắc hoạt động Thiết bị thí nghiệm (TBTN) động không đồng ba pha hoạt động dựa quay khơng đồng Dòng điện ba pha đưa vào cuộn dây sinh từ trường quay Từ trường quay làm từ thông qua khung dây biến thiên, khung dây xuất dòng điện cảm ứng Cũng từ trường quay tác dụng lên dòng điện khung dây mơmen lực làm khung dây quay Theo định luật Len – xơ, khung dây quay theo chiều quay từ trường để làm giảm tốc độ biến thiên từ thông qua khung dây Tốc độ góc khung dây ln nhỏ tốc độ góc từ trường III Các thí nghiệm tiến hành với TBTN TBTN động không đồng ba pha tơi thiết kế tiến hành thí nghiệm sau - Thí nghiệm nghiên cứu quay khơng đồng - Thí nghiệm chứng tỏ từ trường tổng hợp cuộn dây gây từ trường quay Sau đây, mơ tả cụ thể thí nghiệm tiến hành với TBTN Thí nghiệm 1: Nghiên cứu sự quay khơng đồng a Mục đích thí nghiệm Ở thí nghiệm này, ta nghiên cứu cách định lượng tần số rơ to so với tần số dòng điện cung cấp Giáo viên: Nguyễn Thị Thu Trang – THPT Buôn Ma Thuột Phương án thí nghiệm về động không đồng bộ ba pha b Các bước tiến hành - Cho khung dây hay rô to lồng sóc vào stato - Bật cơng tắc nguồn cấp điện, ta thấy chúng quay với tần số xác định, tắt công tắc - Để khảo sát cách định lượng tần số rô to so với tần số nguồn cung cấp, ta thay rô to rơ to có gắn quay - Gắn cổng quang điện lên giá kết nối với đồng hồ đo thời gian số; đặt đồng hồ chế độ đo chu kì - Bật cơng tắc nguồn, đặt máy biến tần chế độ 15Hz, lúc rô to có gắn quay quay xung quanh trục - Trên đồng hồ đo thời gian số hiển thị chu kì rơ to ứng với tần số dòng cung cấp 15Hz - Lặp lại bước thí nghiệm với 20Hz, 25Hz c Kết thí nghiệm Ta thấy tần số nguồn cấp tăng lên tần số rơ to tăng lên rô to động không đồng ba pha chuyển động với tần số nhỏ tần số dòng điện cung cấp Thí nghiệm 2: Chứng tỏ từ trường tổng hợp cuộn dây gây từ trường quay a Mục đích thí nghiệm Để kiểm tra từ trường tổng hợp cuộn dây gây từ trường quay hay không, ta cần khảo sát biên độ dạng đồ từ trường Có I ~ B nên thay khảo sát từ trường tổng hợp, ta khảo sát cường độ dòng điện chạy qua cuộn dây đứng yên đặt từ trường b Các bước tiến hành - Cho cuộn dây đứng yên có gắn đèn led vào stato - Kết nối cuộn dây với dao động kí chùm tia - Bật công tắc nguồn cấp điện - Sử dụng đồng hồ đo cường độ dòng điện vòng dây, ta thấy đồng hồ dao động nhỏ quanh giá trị xác định - Bật cơng tắc máy dao động kí chùm tia quan sát dạng đồ thị dòng điện c Kết thí nghiệm - Ta thấy đèn led sáng chứng tỏ xảy tượng cảm ứng điện từ; dòng điện cảm ứng xuất vòng dây - Khi sử dụng đồng hồ đo cường độ dòng điện vòng dây, ta thấy đồng hồ dao động nhỏ quanh giá trị xác định - Đồng thời kết nối với máy dao động kí chùm tia ta thấy đồ thị hiển thị dao động kí hình sin Chứng tỏ, từ trường tổng hợp dòng điện ba pha sinh ba cuộn dây từ trường quay Giáo viên: Nguyễn Thị Thu Trang – THPT Buôn Ma Thuột Phương án thí nghiệm về động không đồng bộ ba pha Ảnh TN chứng tỏ khung dây xuất hiện dòng điện cảm ứng Ảnh Dạng đờ thị cường đợ dòng điện qua vòng dây có dạng hình sin Giáo viên: Ngũn Thị Thu Trang – THPT Buôn Ma Thuột 10 Phương án thí nghiệm về động không đồng bộ ba pha Chương III: Kết ḷn Bộ thí nghiệm động khơng đồng ba pha đáp ứng yêu cầu kĩ thuật mặt sư phạm, cụ thể: - Các thí nghiệm quay khơng đồng thí nghiệm chứng tỏ từ trường tổng hợp cuộn dây gây từ trường quay xảy tượng rõ ràng; tốc độ quay rơ to ln ổn định - Các thí nghiệm tiến hành nhiều lần thành công - Vật liệu dùng để chế tạo động không đồng ba pha có tuổi thọ cao độ bền - TBTN có cấu tạo đơn giản: Số chi tiết khơng nhiều, cấu tạo gọn, hỏng, dễ bảo quản - Thao tác tay không phức tạp - TBTN gần với thực tế, giúp học sinh dễ hình dung động thực tế - Với hình dạng stato mở rộng học chỗ đưa cách quấn dây khác thực tế lí giải cách quấn dây Hạn chế TBTN: - TBTN có khối lượng lớn nên cần cẩn thận vận chuyển - Khi tiến hành thí nghiệm định lượng tần số rơ to so với tần số dòng điện cung cấp thí nghiệm chứng tỏ từ trường tổng hợp tạo cuộn dây từ trường quay ta cần có thiết bị hỗ trợ cồng kềnh dẫn đến khó vận chuyển - Trên phương án thí nghiệm động khơng đồng ba pha tơi thiết kế Rất mong đóng góp ý kiến q thầy để đề tài hoàn thiện Tài liệu tham khảo Nguyễn Thế Khôi ( Tổng chủ biên)(2010), Nguyễn Phúc Thuần ( Chủ biên), Vật Lí 12 Nâng cao, NXB Giáo dục Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Mạnh Tiến, Đoàn Quang Vinh(2003), Điều khiển động xoay chiều cấp từ biến tần bán dẫn, NXB Khoa học kĩ thuật Nguyễn Đức Thâm, Nguyễn Ngọc Hưng, Phạm Xuân Quế (2003), phương pháp dạy học vật lí trường phổ thông, NXB ĐHSP Hà Nội Một số website: http://vatly.webdayhoc.net/ http://www97.intel.com/vn/ProjectDesign/InstructionalStrategies/ Giáo viên: Nguyễn Thị Thu Trang – THPT Buôn Ma Thuột 11 Phương án thí nghiệm về động không đồng bộ ba pha Mục lục Phần I: PHẦN MỞ ĐẦU I Lí chọn đề tài II Mục đích đề tài III Phương pháp nghiên cứu đề tài IV Bố cục đề tài Phần II: NỘI DUNG ĐỀ TÀI Chương I: Cơ sở lí luận thực trạng I Cơ sở lí luận II Thực trạng Chương II: Thiết kế phương án thí nghiệm động khơng đồng ba pha I Tìm hiểu vị trí kiến thức “Động không đồng ba pha” chương Sự cần thiết phải thiết kế phương án thí nghiệm động khơng đồng ba pha II Cấu tạo nguyên tắc hoạt động thiết bị thí nghiệm III Các thí nghiệm tiến hành với TBTN Chương III: Kết luận Tài liệu tham khảo Giáo viên: Nguyễn Thị Thu Trang – THPT Buôn Ma Thuột 1 1 3 5 11 11 12 ... Thuột Phương án thí nghiệm về động không đồng bộ ba pha CHƯƠNG II: THIẾT KẾ PHƯƠNG ÁN THÍ NGHIỆM VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA I Tìm hiểu vị trí kiến thức “Động khơng đồng ba pha”. .. nhóm nhỏ lớp học kiến thức “Động không đồng ba pha” Giáo viên: Nguyễn Thị Thu Trang – THPT Buôn Ma Thuột Phương án thí nghiệm về động không đồng bộ ba pha II Cấu tạo nguyên tắc hoạt... Thu Trang – THPT Buôn Ma Thuột Phương án thí nghiệm về động khơng đờng bợ ba pha Vị trí kiến thức “Động không đồng ba pha” chương Kiến thức “Động không đồng ba pha" chương trình Vật Lí 12