Bài 16: Truyền tải điện năng và máy biến áp
Video bài giảng
1. Bài toán truyền tải điện năng đi xa
-
Công suất phát đi từ nhà máy phát điện: P = UI
-
Công suất hao phí do tỏa nhiệt trên đường dây tải:
\(\Delta P=I^2.r= \frac{r.P^2}{U^2 }=P^2.\frac{r}{U^2}\)
-
Với công suất phát P xác định để giảm ΔP ta phải giảm r hoặc tăng U
-
Biện pháp giảm r có những hạn chế: Vì \(r=\rho\frac{l}{s}\) nên để giảm ta phải dùng các loại dây có điện trở suất nhỏ như bạc, dây siêu dẫn, ... với giá thành quá cao hoặc tăng tiết diện S, mà tăng tiết diện S thì tốn kim loại và phải xây cột điện lớn nên không kinh tế.
-
Trái lại, biện pháp tăng U có hiệu quả rỏ rệt: Tăng U lên n lần thì \(P_{hp}\) giảm \(n^2\) lần
2. Máy biếp áp
a. Định nghĩa:
-
Máy biến áp là những thiết bị có khả năng biến đổi điện áp xoay chiều, nhưng không làm thay đổi tần số.
b. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động
.PNG)
-
Cấu tạo:
-
Bộ phận chính là một lỏi biến áp hình khung bằng sắt non có pha silic cùng với hai cuộn dây có điện trở nhỏ và độ tự cảm lớn quấn trên lỏi biến áp.
-
Cuộn thứ nhất có \(N_1\) vòng nối vào nguồn phát điện gọi là cuộn sơ cấp.
-
Cuộn thứ 2 có \(N_2\) vòng nối ra các cơ sở tiêu thụ điện năng gọi là cuộn thứ cấp.
-
-
Nguyên tắc hoạt động:
-
Dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ.
-
Nối hai đầu cuộn sơ cấp vào nguồn phát điện xoay chiều, dòng điện xoay chiều chạy trong cuộn sơ cấp tạo ra từ trường biến thiên trong lỏi biến áp.
-
Từ thông biến thiên của từ trường đó qua cuộn thứ cấp gây ra suất điện động cảm ứng trong cuộn thứ cấp.
-
c. Khảo sát thực nghiệm một máy biến áp
-
Cuộn thứ cấp để hở ( \(I_2=0\), máy biến áp ở chế độ không tải)
.PNG)
Thay đổi các số vòng \(N_1;N_2\), đo các điện áp \(U_1;U_2\) ta thấy:
\(\frac{U_2}{U_1}=\frac{N_2}{N_1}\)
Nếu \(N_2> N_1\) thì \(U_2> U_1\): Máy tăng áp.
Nếu \(N_2< N_1\) thì \(U_2< U_1\): Máy hạ áp.
-
Cuộn thứ cấp nối với tải tiêu thụ ( \(I_2\neq 0\), máy biến áp ở chế độ có tải):
Nếu hao phí điện năng trong máy biến áp không đáng kể (máy biến áp làm việc trong điều kiện lí tưởng) thì công suất của dòng điện trong mạch sơ cấp và trong mạch thứ cấp có thể coi bằng nhau.
\(U_1.I_1=U_2.I_2\)
Do đó: \(\frac{I_1}{I_2}= \frac{U_2}{U_1}=\frac{N_2}{N_1}\)
3. Ứng dụng của máy biến áp
a. Truyền tải điện năng:
-
Thay đổi điện áp của dòng điện xoay chiều đến các giá trị thích hợp.
-
Sử dụng trong việc truyền tải điện năng để giảm hao phí trên đường dây truyền tải
.PNG)
Sơ đồ truyền tải điện năng
b. Nấu chảy kim loại, hàn điện
-
Sử dụng trong máy hàn điện nấu chảy kim loại.
Bài 1:
Một máy biến áp, cuộn sơ cấp có 500 vòng dây, cuộn thứ cấp có 50 vòng dây. Điện áp hiệu dụng ở hai đầu cuộn sơ cấp là 100V. Hiệu suất của máy biến áp là 95%. Mạch thứ cấp là một bóng đèn dây tóc tiêu thụ công suất 25W. Cường độ dòng điện qua đèn bằng bao nhiêu?
Hướng dẫn giải:
-
Ta có:
\(\begin{array}{l}
\frac{{{U_2}}}{{{U_1}}} = \frac{{{N_2}}}{{{N_1}}} = \frac{{50}}{{500}}\\
\Rightarrow {U_2} = 10(V)
\end{array}\)
-
Do mạch thứ cấp là một bóng đèn như điện trở nên \(cos\varphi _2=1\)
-
Dó đó \(I_2=\frac{P_2}{U_2}=2,5(A)\)
Bài 2:
Điện năng từ một trạm phát điện được đưa đến một khu tái định cư bằng dây truyền tải một pha. Cho biết nếu điện áp tải là U thì cung cấp điện năng đủ cho 120 hộ. Nếu là 2U thì cung cấp điện năng đủ cho 144 hộ. Chỉ tính hao phí trên đường dây, công suất tiêo thụ các hộ bằng nhau, P trạm phát không đổi. hệ số công suất (cosφ) không đổi . Nếu điện áp truyền đi là 4U thì trạm phát cung cấp đủ diện năng cho bao nhiêu hộ?
Hướng dẫn giải:
-
Gọi \(P_0\) là công suất tiêu thụ của một hộ dân.
-
P là công suất nguồn phát.
-
\(P_{hp}\) là công suất hao phí trên đường dây tải điện.
-
Ta có \(P_{hp}\) tỉ lệ nghịch với bình phương của điện áp.
-
Như vậy, ta có:
\(120P_0=P-P_{hp}\)
\(144P_0=P-\frac{P_{hp}}{4}\)
→ \(P_{hp}=32P_0;P=152P_0\)
-
Với điện áp là 4U thì số hộ dân được cung cấp đủ điện là:
\(\frac{P-\frac{P_{hp}}{16}}{P_0}=150\)
Bài 3:
Một máy biến thế lõi đối xứng gồm ba nhánh có tiết diện bằng nhau, hai nhánh được cuốn hai cuộn dây. Khi mắc một hiệu điện thế xoay chiều vào một cuộn dây thì các đường sức từ do nó sinh ra không bị thoát ra ngoài và được chia đều cho hai nhánh còn lại. Khi mắc cuộn một vào một hiệu điện thế xoay chiều có giá trị hiệu dụng là 240V thì cuộn hai đẻ hở có hiệu điện thế \(U_2\). Hỏi khi mắc vào cuộn hai một hiệu điện thế xoay chiều có hiệu điện thế \(U_2\) thì ở cuộn một để hở có hiệu điện thế là bao nhiêu?
Hướng dẫn giải:
-
Ta có:
\(\begin{array}{l}
\bullet {\varphi _2} = \frac{{{\varphi _1}}}{2}\\
\Rightarrow \frac{{{U_1}}}{{{U_2}}} = \frac{{{\varphi _{1'}}.{N_1}}}{{{\varphi _{2'}}.{N_2}}} = \frac{{2{N_1}}}{{{N_2}}}\\
\bullet {\varphi _3} = \frac{{{\varphi _4}}}{2}\\
\Rightarrow \frac{{{U_3}}}{{{U_4}}} = \frac{{{\varphi _{3'}}.{N_1}}}{{{\varphi _{4'}}.{N_2}}} = \frac{{{N_1}}}{{2{N_2}}}\\
{U_3} = \frac{{{U_1}}}{4} = 60(V)
\end{array}\)
1. Bài toán truyền tải điện năng đi xa
-
Công suất phát đi từ nhà máy phát điện: P = UI
-
Công suất hao phí do tỏa nhiệt trên đường dây tải:
\(\Delta P=I^2.r= \frac{r.P^2}{U^2 }=P^2.\frac{r}{U^2}\)
-
Với công suất phát P xác định để giảm ΔP ta phải giảm r hoặc tăng U
-
Biện pháp giảm r có những hạn chế: Vì \(r=\rho\frac{l}{s}\) nên để giảm ta phải dùng các loại dây có điện trở suất nhỏ như bạc, dây siêu dẫn, ... với giá thành quá cao hoặc tăng tiết diện S, mà tăng tiết diện S thì tốn kim loại và phải xây cột điện lớn nên không kinh tế.
-
Trái lại, biện pháp tăng U có hiệu quả rỏ rệt: Tăng U lên n lần thì \(P_{hp}\) giảm \(n^2\) lần
2. Máy biếp áp
a. Định nghĩa:
-
Máy biến áp là những thiết bị có khả năng biến đổi điện áp xoay chiều, nhưng không làm thay đổi tần số.
b. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động
-
Cấu tạo:
-
Bộ phận chính là một lỏi biến áp hình khung bằng sắt non có pha silic cùng với hai cuộn dây có điện trở nhỏ và độ tự cảm lớn quấn trên lỏi biến áp.
-
Cuộn thứ nhất có \(N_1\) vòng nối vào nguồn phát điện gọi là cuộn sơ cấp.
-
Cuộn thứ 2 có \(N_2\) vòng nối ra các cơ sở tiêu thụ điện năng gọi là cuộn thứ cấp.
-
-
Nguyên tắc hoạt động:
-
Dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ.
-
Nối hai đầu cuộn sơ cấp vào nguồn phát điện xoay chiều, dòng điện xoay chiều chạy trong cuộn sơ cấp tạo ra từ trường biến thiên trong lỏi biến áp.
-
Từ thông biến thiên của từ trường đó qua cuộn thứ cấp gây ra suất điện động cảm ứng trong cuộn thứ cấp.
-
c. Khảo sát thực nghiệm một máy biến áp
-
Cuộn thứ cấp để hở ( \(I_2=0\), máy biến áp ở chế độ không tải)
Thay đổi các số vòng \(N_1;N_2\), đo các điện áp \(U_1;U_2\) ta thấy:
\(\frac{U_2}{U_1}=\frac{N_2}{N_1}\)
Nếu \(N_2> N_1\) thì \(U_2> U_1\): Máy tăng áp.
Nếu \(N_2< N_1\) thì \(U_2< U_1\): Máy hạ áp.
-
Cuộn thứ cấp nối với tải tiêu thụ ( \(I_2\neq 0\), máy biến áp ở chế độ có tải):
Nếu hao phí điện năng trong máy biến áp không đáng kể (máy biến áp làm việc trong điều kiện lí tưởng) thì công suất của dòng điện trong mạch sơ cấp và trong mạch thứ cấp có thể coi bằng nhau.
\(U_1.I_1=U_2.I_2\)
Do đó: \(\frac{I_1}{I_2}= \frac{U_2}{U_1}=\frac{N_2}{N_1}\)
3. Ứng dụng của máy biến áp
a. Truyền tải điện năng:
-
Thay đổi điện áp của dòng điện xoay chiều đến các giá trị thích hợp.
-
Sử dụng trong việc truyền tải điện năng để giảm hao phí trên đường dây truyền tải
Sơ đồ truyền tải điện năng
b. Nấu chảy kim loại, hàn điện
-
Sử dụng trong máy hàn điện nấu chảy kim loại.
Bài 1:
Một máy biến áp, cuộn sơ cấp có 500 vòng dây, cuộn thứ cấp có 50 vòng dây. Điện áp hiệu dụng ở hai đầu cuộn sơ cấp là 100V. Hiệu suất của máy biến áp là 95%. Mạch thứ cấp là một bóng đèn dây tóc tiêu thụ công suất 25W. Cường độ dòng điện qua đèn bằng bao nhiêu?
Hướng dẫn giải:
-
Ta có:
\(\begin{array}{l}
\frac{{{U_2}}}{{{U_1}}} = \frac{{{N_2}}}{{{N_1}}} = \frac{{50}}{{500}}\\
\Rightarrow {U_2} = 10(V)
\end{array}\)
-
Do mạch thứ cấp là một bóng đèn như điện trở nên \(cos\varphi _2=1\)
-
Dó đó \(I_2=\frac{P_2}{U_2}=2,5(A)\)
Bài 2:
Điện năng từ một trạm phát điện được đưa đến một khu tái định cư bằng dây truyền tải một pha. Cho biết nếu điện áp tải là U thì cung cấp điện năng đủ cho 120 hộ. Nếu là 2U thì cung cấp điện năng đủ cho 144 hộ. Chỉ tính hao phí trên đường dây, công suất tiêo thụ các hộ bằng nhau, P trạm phát không đổi. hệ số công suất (cosφ) không đổi . Nếu điện áp truyền đi là 4U thì trạm phát cung cấp đủ diện năng cho bao nhiêu hộ?
Hướng dẫn giải:
-
Gọi \(P_0\) là công suất tiêu thụ của một hộ dân.
-
P là công suất nguồn phát.
-
\(P_{hp}\) là công suất hao phí trên đường dây tải điện.
-
Ta có \(P_{hp}\) tỉ lệ nghịch với bình phương của điện áp.
-
Như vậy, ta có:
\(120P_0=P-P_{hp}\)
\(144P_0=P-\frac{P_{hp}}{4}\)
→ \(P_{hp}=32P_0;P=152P_0\)
-
Với điện áp là 4U thì số hộ dân được cung cấp đủ điện là:
\(\frac{P-\frac{P_{hp}}{16}}{P_0}=150\)
Bài 3:
Một máy biến thế lõi đối xứng gồm ba nhánh có tiết diện bằng nhau, hai nhánh được cuốn hai cuộn dây. Khi mắc một hiệu điện thế xoay chiều vào một cuộn dây thì các đường sức từ do nó sinh ra không bị thoát ra ngoài và được chia đều cho hai nhánh còn lại. Khi mắc cuộn một vào một hiệu điện thế xoay chiều có giá trị hiệu dụng là 240V thì cuộn hai đẻ hở có hiệu điện thế \(U_2\). Hỏi khi mắc vào cuộn hai một hiệu điện thế xoay chiều có hiệu điện thế \(U_2\) thì ở cuộn một để hở có hiệu điện thế là bao nhiêu?
Hướng dẫn giải:
-
Ta có:
\(\begin{array}{l}
\bullet {\varphi _2} = \frac{{{\varphi _1}}}{2}\\
\Rightarrow \frac{{{U_1}}}{{{U_2}}} = \frac{{{\varphi _{1'}}.{N_1}}}{{{\varphi _{2'}}.{N_2}}} = \frac{{2{N_1}}}{{{N_2}}}\\
\bullet {\varphi _3} = \frac{{{\varphi _4}}}{2}\\
\Rightarrow \frac{{{U_3}}}{{{U_4}}} = \frac{{{\varphi _{3'}}.{N_1}}}{{{\varphi _{4'}}.{N_2}}} = \frac{{{N_1}}}{{2{N_2}}}\\
{U_3} = \frac{{{U_1}}}{4} = 60(V)
\end{array}\)