Lý 12 Bài 16: Truyền tải điện năng và máy biến áp

• 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

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: \(\frac{I_1}{I_2}= \frac{U_2}{U_1}=\frac{N_2}{N_1}\)

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

b. Nấu chảy kim loại, hàn điện

Sử dụng trong máy hàn điện nấu chảy kim loại.

Máy biến áp lí tưởng cung cấp một dòng điện 30 A dưới một điện áp hiệu dụng 220 V. Điện áp hiệu dụng 220 V. Điện áp hiệu dụng ở cuộn sơ cấp là 5 kV. Tính công suất tiêu thụ ở cửa vào và ở cửa ra của biến áp.

Hướng dẫn giải

Trong máy biến áp lý tưởng công suất tiêu thụ ở cuộn sơ cấp bằng công suất tiêu thụ ở cuộn thứ cấp 

⇒  Công suất tiêu thụ ở cửa ra bằng với công suất tiêu thụ ở cửa vào:

P₂ = P₁= U₂I₂ = 220.30 = 6600W  

Máy biến áp lí tưởng có cuộn sơ cấp gồm 2000 vòng, cuộn thứ cấp gồm 100 vòng; điện áp và cường độ dòng điện ở mạch sơ cấp là 120 V; 0,8 A. Điện áp và công suất ở cuộn thứ cấp là bao nhiêu ?

A. 6 V, 96 W

B. 240 V, 96 W

C. 6 V, 4,8 W

D. 120 V, 4,8 W

Hướng dẫn giải

Với máy biến áp lí tưởng, công suất ở cuộn thứ cấp bằng với công suất ở cuộn sơ cấp:  

\(\begin{array}{l} {U_1}{I_1} = {U_2}{I_2}\\ \Leftrightarrow \frac{{{U_2}}}{{{U_1}}} = \frac{{{N_2}}}{{{N_1}}} \end{array}\)

Ta có: 

\(\begin{array}{l} {N_1} = 2000,{U_1} = 120V,{I_1} = 0,8A\\ {N_2} = 100 \end{array}\)

Suy ra:

\(\begin{array}{l} \frac{{{U_2}}}{{{U_1}}} = \frac{{{N_2}}}{{{N_1}}}\\ \Leftrightarrow {U_2} = {U_1}\frac{{{N_2}}}{{{N_1}}} = 120.\frac{{100}}{{2000}} = 6V \end{array}\)

Do máy biến áp lí thưởng, nên công suất ở hai cuộn dây bằng nhau: 

\(P = {U_2}{I_2} = {U_1}{I_1} = 120.0,8 = 96W\)

Vậy, điện áp và công suất ở cuộn thứ cấp là \({U_2} = 6V;P = 96W\)

⇒ Chọn đáp án A

Câu 1: Trạm phát điện truyền đi công suất 550 kW, điện áp nơi phát bằng 10 kV. Muốn độ giảm điện áp trên dây tải không vượt quá 10% điện áp nơi phát thì điện trở của dây tải điện không được vượt quá giá trị là bao nhiêu?

Câu 2: Một học sinh quấn một máy biến áp với lõi sắt không phân nhánh, có số vòng dây cuộn thứ cấp gấp hai lần số vòng dây cuộn sơ cấp. Khi đặt vào hai đầu cuộn sơ cấp một điện áp xoay chiều có giá trị hiệu dụng U thì điện áp hiệu dụng ở hai đầu cuộn thứ cấp để hở là 1,9 U. Khi kiểm tra thì phát hiện trong cuộn thứ cấp có 50 vòng dây bị quấn ngược chiều so với đa số các vòng dây trong đó. Bỏ qua mọi hao phí trong máy biến áp. Tổng số vòng dây đã được quấn trong máy biến áp này là bao nhiêu?

Câu 3: Điện năng được tải từ một máy phát điện đến nơi tiêu thụ bằng đường dây có điện trở R = 50 Ω. Biết điện áp giữa hai đầu cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp máy hạ thế lần lượt là U₁ = 2000 V, U₂ = 200 V. Cường độ dòng điện chạy trong cuộn thứ cấp máy hạ thế I₂ = 200A. Hiệu suất truyền tải điện là bao nhiêu?

Câu 4: Nguời ta cần truyền đi xa một công suất điện 1 MW dưới điện áp 6 kV, mạch có hệ số công suất cosφ = 0,9. Để hiệu suất truyền tải điện không nhỏ hơn 80% thì điện trở R của đường dây phải thỏa mãn điều kiện gì?

Câu 5: Điện năng được truyền đi với công suất P trên một đường dây tải điện với một điện áp ở trạm truyền là U, hiệu suất của quá trình truyền tải là H. Giữ nguyên điện áp trạm truyền trải điện nhưng tăng công suất truyền tải lên k lần thì công suất hao phí trên đường dây tải điện là bao nhiêu?

Câu 1: Một người định quấn một máy hạ áp từ điện áp U₁ = 220 V xuông U₂ = 90 V với lõi không phân nhánh, xem máy biến áp là lí tưởng, khi máy làm việc thì suất điện động hiệu dụng xuất hiện trên mỗi vòng dây là 2 Vôn/vòng. Người đó quấn đúng hoàn toàn cuộn thứ cấp nhưng lại quấn ngược chiều những vòng cuối của cuộn sơ cấp. Khi thử máy với điện áp U₁ = 220 V thì điện áp hai đầu cuộn thứ cấp đo được là 110 V. Số vòng dây bị quấn ngược là:

A. 20 vòng.      B. 15 vòng.

C. 30 vòng.      D. 10 vòng.

Câu 2: Một máy tăng áp có tỉ số vòng dây giữa hai cuộn dây là 2. Đặt vào hai đầu cuộn sơ cấp một điện áp xoay chiều có tần số 50 Hz. Tần số dòng điện hai đầu cuộn thứ cấp bằng:

A. 50 Hz.      B. 25 Hz.

C. 100 Hz.      D. 50√2 Hz.

Câu 3: Trong truyền tải điện năng đi xa bằng máy biến áp. Biết cường độ dòng điện luôn cùng pha so với điện áp hai đầu nơi truyền đi. Nếu điện áp ở nơi phát tăng 20 lần thì công suất hao phí trên đường dây giảm:

A. 200 lần      B. 40 lần

C. 400 lần      D. 20 lần

Câu 4: Một máy biến áp có số vòng dây của cuộn sơ cấp lớn hơn số vòng dây của cuộn thứ cấp. Máy biến áp này có tác dụng:

A. tăng cường độ dòng điện, giảm điện áp.

B. giảm cường độ dòng điện, tăng điện áp.

C. tăng cường độ dòng điện, tăng điện áp.

D. giảm cường độ dòng điện, giảm điện áp.

Câu 5: Đặt vào hai đầu cuộn sơ cấp của máy biến áp lí tưởng điện áp xoay chiều có giá trị hiệu dụng không đổi. Nếu tăng số vòng dây của cuộn thứ cấp thêm 20% thì điện áp hiệu dụng giữa hai đầu cuộn thứ cấp để hở tăng thêm 40 V so với lúc đầu. Điện áp hiệu dụng ban đầu của cuộn thứ cấp để hở là:

A. 220 V      B. 200 V

C. 60 V       D. 48 V

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 : 

• Nắm được khái niệm của truyền tải điện năng

• Nắm được cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của máy biến áp.

• Nắm được những ứng dụng vô cùng quan trọng của máy biến áp trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta.