Bài viết này sẽ trình bày về vấn đề truyền tải điện năng, máy biến áp. Để giải quyết được các bài toàn truyền tải điện năng, máy biến áp, việc đầu tiên chúng ta là nắm vững lý thuyết và công thức. Ta sẽ bắt đầu bài học về truyền tải điện năng, máy biến áp ngay sau đây nhé!  Máy biến áp là thiết bị dùng để biến đổi điện áp xoay chiều mà không làm thay đổi giá trị tần số của nó Nguyên tắc hoạt động: Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Gồm hai cuộn dây có số vòng khác nhau quấn trên lõi thép. Lõi thép gồm nhiều lá thép mỏng ghép cách điện với nhau. Các lá thép mỏng có pha silic giúp tăng từ thông (lá thép kĩ thuật). Việc ghép cách điện với nhau là để tránh dòng điện Fuco (dòng điện Fuco gây hao phí điện năng, gây tỏa nhiệt ra môi trường). Cuộn nối với nguồn gọi là cuộn sơ cấp, cuộn nối với tải tiêu thụ gọi là cuộn thứ cấp. Dòng điện đi qua hai cuộn dây chỉ thay đổi điện áp chứ không thay đổi tần số. Ta có: Trong cuộn sơ cấp sinh ra suất điện động Chia vế với vế ta thu được: Nếu N2 < N1 : Máy hạ áp Nếu N2 > N1 : Máy tăng áp Kết luận: Điện áp của máy biến áp tỉ lệ thuận với vòng dây. Máy biến áp lý tưởng: Công suất ở cuộn sơ cấp bằng công suất ở cuộn thứ cấp. Điện năng sản xuất ở nhà máy điện có công suất: P=UIcosφ Điện áp hai đầu đường dây: U Điện áp nơi tiêu thụ: U’ => Độ giảm thế ở hai đầu đường dây: U-U’=RI Công suất hao phí (công suất tỏa nhiệt) trên đường dây: Trong bài toán truyền tải điện năng, ta quan tâm đến vấn đề làm thế nào để giảm công suất hao phí Có hai cách để giảm công suất hao phí đó là: giảm điện trở hoặc tăng điện áp Ta đã biết công thức tính điện trở là R=l/s, nên để giảm điện trở ta chỉ có cách tăng tiết diện ngang của dây. Cách làm này không thực tế vì sẽ gây hao phí chi phí làm dây, trọng lượng của dây nặng nên các trụ điện có thể không chịu nổi Vì vậy để giảm công suất hao phí, ta có thể dễ dàng tăng điện áp với máy biến áp. Nếu tăng hiệu điện thế lên n lần thì công suất hao phí giảm n^2 lần. Đây là cách rất thực tế. Hiệu suất: Giải: Giải: Giải: Khi đó: N1 = N2 / 0,43 = 1200 Để mắc biến áp đúng như dự định, học sinh cần phải quấn thêm n vòng dây: Giải: Gọi x là điện trở của dây tải từ M đến Q Ta có: E/(x + R) = I1 → x + R = E/I1 = 30 Ω → R = 30 – x Khi nối tắt hai đầu đầu dây tại N thì điện trở của đường dây (x nối tiếp với R song song với 80 – x) là: → – 7x2 + 16800 = 22000 – 400x → 7x2 – 400x + 5200 = 0 → x = 37 Ω > 30 Ω (loại) hoặc x = 20 Ω. Khoảng cách MQ là 180.20/80 = 45 km. Xem thêm: Tất tần tật về công thức máy biến áp Bài tập máy biến áp hay và có hướng dẫn chi tiết
TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG MÁY BIẾN ÁP
I - MÁY BIẾN ÁP. 1. Khái niệm - Là những thiết bị có khả năng biến đổi điện áp (xoay chiều) và không làm thay đổi tần số của nó. 2. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động * Cấu tạo
- Gồm có hai cuộn dây : cuộn sơ cấp có N1 vòng và cuộn thứ cấp có N2 vòng. Lõi biến áp gồm nhiều lá sắt mỏng ghép cách điện với nhau để tránh dòng Fu-cô và tăng cường từ thông qua mạch. - Số vòng dây ở hai cuộn phải khác nhau, tuỳ thuộc nhiệm vụ của máy mà U2 - Cuộn sơ cấp nối với mạch điện xoay chiều còn cuộn thứ cấp nối với tải tiêu thụ điện.
* Nguyên tắc hoạt động: Nguyên tắc hoạt động của máy biến áp dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ. - Từ thông qua cuộn sơ cấp và thứ cấp lần lượt là \({\Phi _1} = {\rm{ }}{N_1}{\Phi _0}cos(\omega t)\) và \({\Phi _2} = {\rm{ }}{N_2}{\Phi _0}cos(\omega t)\) - Trong cuộn thứ cấp xuất hiện suất điện động cảm ứng e2 có biểu thức \({e_2} = - \frac{{d\Phi }}{{dt}} = {N_2}\omega {\Phi _0}sin\omega t\)
3. Khảo sát máy biến áp Gọi N1, N2 là số vòng của cuộn sơ cấp và thứ cấp. Gọi U1, U2 là hiệu điện thế 2 đầu cuộn sơ cấp và thứ cấp. Gọi I1, I2 là cường độ hiệu dụng của dòng điện 2 đầu cuộn sơ cấp và thứ cấp. Suy ra, tỉ số điện áp 2 đầu cuộn thứ cấp bằng tỉ số vòng dây của 2 cuộn tương ứng \(\frac{{{e_2}}}{{{e_1}}} = \frac{{{N_2}}}{{{N_1}}}\) Tỉ số e2/e1 không đổi theo thời gian nên ta có thể thay bằng giá trị hiệu dụng ta được \(\frac{{{E_2}}}{{{E_1}}} = \frac{{{N_2}}}{{{N_1}}}\)(1) Điện trở thuần của cuộn sơ cấp rất nhỏ nên U1 = E1, khi mạch thứ cấp hở nên U2 = E2, (2) Từ (1) và (2) ta được \(\frac{{{N_2}}}{{{N_1}}} = \frac{{{U_2}}}{{{U_1}}}\), (*) * Nếu N2 > N1 U2 > U1 : gọi là máy tăng áp. * Nếu N2 < N1 U2 < U1 : gọi là máy hạ áp. Vì hao phí ở máy biến áp rất nhỏ, coi như công suất ở 2 đầu cuộn thứ cấp và sơ cấp như nhau. \( \to {P_1} = {\rm{ }}{P_2} \leftrightarrow {U_1}{I_1} = {\rm{ }}{U_2}{I_2}\) (**)
Từ(*) và (**) ta có \(\frac{{{U_1}}}{{{U_2}}} = \frac{{{N_1}}}{{{N_2}}} = \frac{{{I_2}}}{{{I_1}}}\) Video mô phỏng máy biến áp và nguyên tắc hoạt động của máy biến áp Kết luận: Dùng máy biến áp tăng điện áp bao nhiêu lần thì cường độ dòng điện giảm bấy nhiêu lần và ngược lại.
Công thức (*) luôn được áp dụng cho máy biến áp, còn công thức (**) chỉ được áp dụng khi hao phí không đáng kể hoặc hai đầu cuộn thứ cấp để hở
II - TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG. Công suất cần truyền tải điện năng \({\bf{P}}{\rm{ }} = {\rm{ }}{\bf{UIcos}}\varphi \) , (1) Trong đó P là công suất cần truyền đi, U là điện áp tại nơi truyền đi, I là cường độ dòng điện trên dây dẫn truyền tải, cosφ là hệ số công suất. Đặt \(\Delta P{\rm{ }} = {\rm{ }}{I^2}R\) là công suất hao phí, từ (1) suy ra \(I = \frac{P}{{Uc{\rm{os}}\varphi }} \to \Delta P = {I^2}R = {\left( {\frac{P}{{U\cos \varphi }}} \right)^2}R = \frac{{{P^2}}}{{{{\left( {U\cos \varphi } \right)}^2}}}R\) với R là điện trở đường dây. Vậy công suất tỏa nhiệt trên đường dây khi truyền tải điện năng đi xa là: \(\Delta P = \frac{{{P^2}}}{{{{\left( {U\cos \varphi } \right)}^2}}}R\) Để khi đến nơi sử dụng thì mục tiêu là làm sao để giảm tải công suất tỏa nhiệt P để phần lớn điện năng được sử dụng hữu ích ta phải tăng U. Sơ đồ tư duy về truyền tải điện năng. Máy biến áp - Vật lí 12 |
