Lý thuyết + Bài tập: Truyền tải điện năng, máy biến áp vật lý 12

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!

I. Máy biến áp

1. Định nghĩa:

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.

2. Cấu tạo:

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 . Khi từ thông từ cuộn dây sơ cấp truyền sang cuộn thứ cấp, lúc này cuộn dây thứ hai 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.

Máy biến áp. Truyền tải điện năng

II. Truyền tải điện năng

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:

Máy biến áp. Truyền tải điện năng

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:

Máy biến áp. Truyền tải điện năng

II. Bài tập

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:

Máy biến áp. Truyền tải điện năng

VD2: Người ta truyền tải điện xoay chiều có công suất 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 hai đầu đường dây 1 lượng bao nhiêu? Coi hệ số công suất cos φ =1.

Giải:

Máy biến áp. Truyền tải điện năng

VD3: Một học sinh quấn một máy biến áp với dự định số vòng dây của cuộn sơ cấp gấp hai lần số vòng dây của cuộn thứ cấp. Do sơ suất nên cuộn thứ cấp bị thiếu một số vòng dây. Muốn xác định số vòng dây thiếu để quấn tiếp thêm vào cuộn thứ cấp cho đủ, học sinh này đặt vào hai dầu cuộn sơ cấp một điện áp xoay chiều có giá trị hiệu dụng không đổi, rồi dùng vôn kế xác định tỉ số điện áp ở cuộn thứ cấp để hở và cuộn sơ cấp. Lúc dầu tỉ số điện áp bằng 0,43. Sau khi quấn thêm vào cuộn thứ cấp 24 vòng dây thì tỉ số điện áp bằng 0,45. Bỏ qua mọi hao phí trong máy biến áp. Ðể được máy biến áp đúng như dự định, học sinh này phải tiếp tục quấn thêm vào cuộn thứ cấp:

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:

VD4: Từ một trạm phát điện xoay chiều một pha đặt tại vị trí M, điện năng được truyền tải đến nơi tiêu thụ N, cách M 180 km. Biết đường dây có điện trở tổng cộng 80 Ω. Do sự cố, đường dây bị rò điện tại điểm Q. Để xác định vị trí Q, trước tiên người ta ngắt đường dây khỏi máy phát và tải tiêu thụ, sau đó dùng nguồn điện không đổi 12V, điện trở trong không đáng kể, nối vào hai đầu của hai dây tải điện tại M. Khi hai đầu dây tại N để hở thì cường độ dòng điện qua nguồn là 0,40 A, còn khi hai đầu dây tại N được nối tắt bởi một đoạn dây có điện trở không đáng kể thì cường độ dòng điện qua nguồn là 0,42 A. Khoảng cách MQ là:

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