Giải bài tập Vật lý 12 Bài 16: Truyền tải điện năng. Máy biến áp

§16. TRUYÉN TẢI DIỆN NĂNG. MÁY BIẾN ÁP
A. KIẾN THỨC Cơ BÀN
Máy biến áp là thiết bị có khả năng biến đổi điện áp xoay chiều.
Nguyên tắc: Dựa vào hiện tượng cảm ứng u, D, điện từ.
Câ'u tạo máy biến áp
Gồm có: 1 khung sắt non hình chữ nhật gọi là lõi biến áp.
Hai cuộn dây Ni, N2 có số vòng dây quấn khác nhau, có điện trở rất nhỏ và có độ tự cảm lớn, cùng quấn trên khung.
Cuộn dây Ni nốì với nguồn điện gọi là cuộn sơ cấp, cuộn dây N2 nối với tải tiêu thụ gọi là cuộn thứ ũ'p.
Công thức máy biến thê
Gọi Nj, Ui, li lần lượt là sô' vòng dây, điện áp hiệu dụng, cường độ dòng điện hiệu dụng ở cuộn sơ cấp.
Gọi N2 , Ư2, Ỉ2 lần lượt là sô' vòng dây, diện áp hiệu dụng, cường độ dòng điện hiệu dụng ở cuộn thứ cấp.
Với máy biến áp làm việc trong điều kiện lí tưởng thì ta có công thức:
U2 và k = ỈL ut N1ề I, N2
Nếu > 1: máy tăng áp
. N,
Nếu < 1: máy hạ áp
Nhận xét: Khi một máy biến áp làm việc trong điều kiện lí tưởng:
Tỉ số các điện áp hiệu dụng ở cuộn thứ cấp và sơ cấp bằng tỉ số .
•^1
Tỉ số các cường độ hiệu dụng ở mạch thứ cấp và mạch sơ cấp bằng
z N„'
nghịch đảo của tỉ số 7T2-.
N,
Ớ mỗi cuộn dây điện áp được làm tăng lên bao nhiêu lần thì cường độ hiệu dụng qua cuộn dầy đó sẽ giảm đi bấy nhiêu lần và ngược lại.
Hiệu suất của máy biến áp
p,
Hiệu suất = “”.100% Pi
Với p2 : Công suất tiêu thụ ở mạch thứ cấp
Pi : Công suất tiêu thụ đưa vào ở mạch sơ cấp
Trong điều kiện lý tưởng thì p2 - Pl => H = 100%, khi máy biến áp ở chế độ không tải thì nó hầu như không tiêu thụ điện năng.
ứng dụng .máy biến áp
Nấu chảy kim loại, hàn điện.
Truyền tải điện năng: Ta có sơ đồ truyền tải điện năng từ nhà máy điện đến nơi tiêu thụ điện.
=> -Kp = R
£2
u2
Nhà
u
Nơi
máy điện
tiêu thụ
K = RI2
.9'= UI	,ỹ»’=^-^hp
Để làm giảm 3*ị,p có 2 cách:
Giảm R phải tăng tiết diện dây (không kinh tế)
Tăng u dùng máy biến áp tàng lên nhiều lần đúng mức truyền tải, khi đến nơi tiêu thụ, làm giảm xuống phù hợp tiêu dùng sản xuất.
B. CÂU HỎI TRONG BÀI HỌC
B3
BI
Bi
S3 Tại sao muốn giảm r, lại phải tăng tiết diện dây và tăng khối lượng đồng? Tại sao các điện áp ở hai cuộn sơ cấp và thứ cấp có cùng tần số?
Giải thích sơ đồ thi nghiệm Hình 16.4.
Giải thích sơ đồ truyền tải điện năng trên Hỉnh 16.5.
Giài thích máy hàn điểm theo nguyên tắc biến áp trên Hình 16.6.
Hướng dẫn trả lời
31
Ta có r = p , nếu muôn giảm r thì phải tăng tiết diện s lên, nghĩa
là phải tăng khôi lượng dây đồng lên điều này tốn kém không phù
_ hợp trong việc truyền tải điện năng.
SE Vì hầu như mọi đường sức từ do dòng điện sơ câ'p gây ra đều đi qua cuộn thứ cấp, nói cách khác từ thông qua mỗi vòng dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp là như nhau. Do đó tần số của cuộn sơ cấp phải bằng với tần số của cuộn thứ cấp.
S3 • Vôn kế Vi, v2: Dùng để đo các điện áp ở hai đầu cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp.
Ampe kế Ai, A2: Dùng để đo các cường độ dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp và thứ cấp.
Khóa K: dùng để đóng, ngắt mạch qua tải R ở cuộn thứ cấp.
Bĩ
c
-ì 10 kv^ầ
200 kv Ệ
Ệ 5000 V
•
——
——
220 V
Điện áp ở đầu ra của nhà máy điện là lOkV, trước khi truyền đi xa, điện áp này thường được tăng đến giá trị 200kV bằng máy tăng áp. Gần đến nơi tiêu thụ, người ta dùng máy hạ áp để giảm điện áp xuo'ng 5000V đến nơi tiêu thụ (gia đình, công sở) điện áp là 220V.
Số vòng cuộn thứ cấp N2 = 5 vòng rất ít so với số’ vòng cuộn sơ cấp là Ni = 1000 vòng.
Cường độ dòng điện tỉ lệ nghịch với số vòng dây, nên cường độ của cuộn thiị cấp I2 là rất lớn
Dưới tác dụng của cường độ dòng điện này, que hàn nóng chảy và hàn dính hai tấm kim loại vào nhau.
c. CÂU HỎI SAU BÀI HỌC
Máy biến áp là gì? Nêu cấu tạo và nguyên tắc làm việc của biến áp.
Hướng dẫn trả lời
Máy biến áp là thiết bị biến đổi điện áp xoay chiều.
Cấu tạo: Lõi sắt non hình chữ nhật.
Hai cuộn dây Ni, N2 có sô' vòng dây quấnU’ khác nhau. Cuộn dây Ni nối với nguồn điện gọi là cuộn sơ cấp, cuộn dây N2 nô'i với tải tiêu thụ gọi là cuộn thứ cấp.
Nguyên tắc hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, mắc hai đầu cuộn sơ cấp vào điện áp xoay chiều có tần sô' f. Dòng điện xoay chiều trong cuộn sơ cấp tạo ra từ thông biến thiên trong lõi sắt đi đến cuộn thứ cấp làm xuất hiện suất điện động cảm ứng. Khi máy biến áp hoạt động trong cuộn thứ cấp xuất hiện dòng điện xoay chiều cùng tần sô' với dòng điện ở cuộn sơ cấp.
D. BÀI TẬP
Máy biến áp li tưởng làm việc bình thường có tỉ số = 3, khi (Uị, Iị) - (360V, 6A), thì (U2, Iỉ) bàng bao nhiêu?
A. (1080V, 18A);	B. (120V, 2A);	c. (1080V, 2A);	D. (120V, 18A).
Máy biến áp có cuộn so cấp gồm 2000 vòng, cuộn thử cấp gồm 100 vòng; điện áp và cường độ ở mạch sơ cấp là 120V, 0,8A. Điện áp và công suất ở cuộn thứ cấp là bao nhiêu?
A.6V, 96W;	B. 240V, 96W;	c. 6V, 4,8W,	D. 120V, 4,8W.
Một biến áp có hai cuộn dây lẩn lượt có 10 000 vòng và 200 vòng.
Muốn tăng áp thì cuộn nào là cuộn sơ cấp? Nếu đặt vào cuộn sơ cấp diện áp hiệu dụng 220V thi diện áp hiệu dụng ở cuộn thứ cấp bằng bao nhiều?
Cuộn nào có tiết diện dây lớn han ?
Máy biến áp lí tường cung cấp một dòng diện 30A dưới một điện áp hiệu dụng 220V. Điện áp hiệu dụng ở cuộc sơ cấp là 5kV.
Tính công suất tiêu thụ ở cửa vào và ở cửa ra của biến áp.
Tinh cường độ hiệu dụng ở cuộn sa cấp.
Một biến áp cung cấp một công suất 4 kW dưới một điện áp hiệu dụng 110V. Biên áp đó nôi với đường dây tải diện có diện trở tổng là 2í2
Tính cường độ hiệu dụng trên dường dây tải diện.
Tính độ sụt thế trên dường dày tải điện.
Tính điện áp hiệu dụng ả cuối dường dây tải điện.
Xác định công suất tổn hao trên đường dây đó.
Thay biến áp trên đây bằng một biến áp có cùng công suất nhưng diện áp hiệu dụng ở cửa ra là 220V. Tính toán lại các đại lượng nêu ra ở bốn câu hởi trên.
Hướng dẫn giải
N„ u„
Chọn đáp án c. Ta có = 3 = —— => U2 = 3U1 => u2 = 3.360 = 1080(V) U1
N, I2 2	3
I2 = -z = 2(A)
, u9 N,
Chọn đáp án A. Ta có —— = —A U1 Nx
U2 = ^-U1 => u2 = 6(V) 2 N1 1
I„
N„
I2 = 20Ii =>I2 = 20.0,8 = 16(A)
Công suất p2 = U2I2 = 6.16 = 96W.
a) Để là máy tăng áp thì số vòng của cuộn dây thứ cấp phải lớn hơn số
vòng dây của cuộn sơ cấp. Do đó số vòng cuộn sơ cấp Ni = 200 vòng, số vòng cuộn thứ cấp N2 = 10000 vòng.
Ta có	=> ư2 = ^ux = i5£££ .220 = 11000(V)
Uj Nx	Nx	200
b) Cuộn sơ cấp có tiết diện dây lớn hơn vì Ni < N2.
a) Bỏ qua sự hao phí của máy biến áp (biến áp lí tưởng).
= :ỳ>2 = U2I2 = 220.30 = 6600W
b)
= UJt li = A =
á? 6600
ư, 5000
= 1,32(A)
6. a) Cường độ hiệu dụng trên đường dây tải điện:
4000	400.
Ira —
u„
110
11
-(A)
400
Độ sụt thế AU = R.Ira = 2.	= 72,73(V)
Điện áp ở cuối đường dây tải:
Utiêu thụ = u2 - AU = 110 - 72,73 = 37,27(V)
d) Công suất tổn hao trên đường dây:
<2
A.ỹ' = R I*a = 2 -Ịjy J = 2644,63(W)
(“)■
e) + Cường độ hiệu dụng trên đường dây tải điện:
H
Tiêu
thụ
_	_ 4000	200
ra u; 220	11
200
+ Độ sụt thế AU' = R. I' = 2.	= 36,36(V)
•	•	ra	’
+ Điện áp ở cuối đường dây tải:
uúêu thụ = u;a - AU' = 220 - 36,36 = 183,64(V)
+ Công suâ't tổn hao trên đường dây:
A.r' = Rựa = 2^ ^) = 661,2(W)