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
Qua bài này, các em sẽ được làm quen với các kiến thức hoàn toàn mới liên quan đến Truyền tải điện năng và máy biến áp, các em cần phải nắm được :
-
Khái niệm của truyền tải điện năng
-
Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của máy biến áp.
-
Những ứng dụng vô cùng quan trọng của máy biến áp trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta.
Hôm nay chúng ta qua bài số 4 của chuyên đề Dòng điện xoay chiều.
Bữa trước chúng ta đã kết thúc dạng bài tập cuối cùng là dạng Độ lệch pha - Giản đồ vecto. Bữa nay chúng ta tìm hiểu một cái mới của chuyên đề dòng điện xoay chiều là Máy biến áp - Truyền tải điện năng.
Đầu tiên chúng ta sẽ xét máy biến áp là gì? Khi truyền tải điện năng thì cần như thế nào cho hợp lí nhất? Cần thay đổi, điều chỉnh những đại lượng nào cho hợp lí?
* Máy biến áp + Định nghĩa: Là thiết bị biến đổi điện áp của dòng điện xoay chiều mà không làm thay đổi tần số. + Nguyên tắc hoạt động: dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. + Cấu tạo: Gồm 2 cuộn dây có số vòng khác nhau quấn trên lõi thép. Lõi thép gồm nhiều lá thép mỏng ghép cách điện với nhau. Cuộn nối với nguồn gọi là cuôn sơ cấp, cuộn nối với tải tiêu thụ gọi là cuộn thứ cấp.
+ Nếu N1 > N2 ⇒ U1 > U2: Máy hạ áp
+ Nếu N1 < N2 ⇒ U1 < U2: Máy tăng áp
* Máy biến áp lý tưởng:
P1 = P2 Thường \[\cos \varphi_1 = \cos \varphi_2\] \[U_1I_1\cos \varphi_1 = U_2I_2\cos \varphi_2 \Rightarrow U_1I_1 = U_2I_2\]
\[\Rightarrow \frac{U_1}{U_2} = \frac{I_1}{I_2}\]
* Truyền tải điện năng + Công suất truyền tải: \[P = UI\cos \varphi\] + Điện áp hai đầu đường dây: U + Điện áp nơi tiêu thụ: U' ⇒ Độ giảm thế: U - U' = RI + Công suất hao phí [tỏa nhiệt]: \[\Delta P = RI^2 = R.\frac{P^2}{U^2 \cos \varphi }\] ⇒ Để giảm \[\Delta P\] ⇒ Giảm R hoặc tăng U • Giảm R \[\left [ A = \rho \frac{\ell}{S} \right ]\]: không thực tế
• Tăng U: thực tế [đang thực hiện]
[Nếu tăng U lên n lần thì \[\Delta P\]giảm n2 lần]
* Hiệu suất: \[H = \frac{P_i}{P} = \frac{P - \Delta P}{P} = 1 - \frac{\Delta P}{P}\]
VD1: Một máy biến áp lý tưởng có số vòng cuộn sơ cấp bằng 2400 vòng , số vòng cuộn thứ cấp bằng 600 vòng. Nối cuộn sơ cấp với điện áp xoay chiều có giá trị hiệu dụng U1 thì điện áp hai đầu cuộn thứ cấp để hở bằng 50V. Tìm U1?
Giải: \[\left\{\begin{matrix} N_1 = 2400\\ N_2 = 600\\ U_2 = 50V \end{matrix}\right. \Rightarrow \frac{N_1}{N_2} = \frac{U_1}{U_2} \Rightarrow U_1 = U_2. \frac{N_1}{N_2}\]
\[\Rightarrow U_1 = 50.\frac{2400}{600} = 200V\]
VD2: Người ta truyền tải dòng điện xoay chiều có công xuất P từ nhà máy điện đến nơi tiêu thụ. Khi điện áp hai đầu đường dây bằng 6kV thì hiệu suất bằng 73%; để hiệu suất bằng 97% thì cần tăng thêm điện áp ở ahi đầu đường dây 1 lượng bao nhiêu? Coi hệ số công suất \[\cos \varphi\] bằng 1.
Giải: Công suất P U = 6kV → H = 73% \[H' = 97\% \Rightarrow \Delta U = U' - U = \ ?\] Ta có: \[H = 1 - \frac{\Delta P}{P} = 73\% \Rightarrow \Delta P = 0,27.P\] \[H' = 1 - \frac{\Delta P'}{P} = 97\% \Rightarrow \Delta P' = 0,03.P\] Mà: \[\Delta P = R.\frac{P^2}{U^2\cos ^2 \varphi } = R.\frac{P^2}{U^2}\] \[\Rightarrow \frac{\Delta P}{\Delta P'} = \frac{U'^2}{U^2} = 9 \Rightarrow U' = 3U = 18kV\]
\[\Rightarrow \Delta U = U' - U = 18 - 6 = 12kV\]
Chương III: Máy biến áp là gì? cách truyền tải điện năng đi xa
Chương III: Nikola Tesla nhà vật lý của những phát minh nổi loạn [Đọc thêm]
Máy biến áp là những thiết bị điện có khả năng thay đổi điện áp trong mạch điện xoay chiều.
1/ Cấu tạo của máy biến áp:
- Bộ phận chính của máy biến áp là một khung sắt non [có pha silic] gồm nhiều lá sắt mỏng ghép cách điện lại với nhau để hạn chế dòng điện Fu-cô [Foucalt].
- Cuộn sơ cấp có N1 vòng dây nối với nguồn phát điện.
- Cuộn thứ cấp có N2 vòng dây nối với các thiết bị tiêu thụ điện.
Chương III: Máy biến áp là gì? cách truyền tải điện năng đi xa
Cách vẽ máy biến áp trong mạch điện:
2/ Nguyên lý hoạt động của máy biến áp:
- Máy biến áp hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ và hiện tượng tự cảm.
- Dòng điện xoay chiều qua cuộn thứ cấp biến thiên => sinh ra từ trường biến thiên [hiện tượng tự cảm].
- Từ trường biến thiên đi qua khung sắt dịch chuyển sang cuộn thứ cấp => sinh ra dòng điện cảm ứng trong cuộn thứ cấp [hiện tượng cảm ứng điện từ]
Ảnh minh họa nguyên tắc hoạt động của máy biến áp
3/ Công thức máy biến áp: Tần số dòng điện xoay chiều của cuộn sơ cấp là f
=> từ thông qua cuộn sơ cấp: