SGK Vật Lí 12 - Bài 16. Truyền tải điện năng. Máy biến áp

Truyền tải điện năng Máy biến áp
Phân phối và truyền tải điện năng là một bài toán cực kì quan trọng đối với mọi quốc gia. Trong bài toán đó, một vấn đề được đặt ra là giảm tối đa hao phí điện năng trên đường dây truyền tài.
Hình 16.1
I - BÀI TOÀN TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG ĐI XA
»
Điện năng phát ra từ nhà máy phát điện, được truyền đến nơi tiêu thụ trên một đường dây có điện trở tổng cộng là r. Điện áp hiệu dụng ở. hai cực của máy phát là u (xác định từ nhà máy). Người ta đã chứng minh rằng công suất phát ^hát từ nhà máy được tính bởi công thức :
='W
trong đó, I là cường độ dòng điện hiệu dụng trên đường dây.
Công suất hao phí do toả nhiệt trên đường dây được tính theo định luật Jun :
= n2 = r
phát
u.
z phát
phát
í/,
phát
(16.1)
m Tại sao muốn giảm r, lại phải tăng tiết diện dây và tăng khối lượng đồng ?
Trong (16.1), ổ?hát hoàn toàn xác định : muốn tìm cách giảm ^hp ta phải giảm r hoặc tăng í/phát. Biện pháp giảm /• có những hạn chế (chẳng hạn muốn giảm r phải thay dây đồng bằng dây bạc, hoặc dây siêu dẫn,... quá tốn kém ; nếu không thì phải tăng tiết diện dây đồng, nghĩa là tăng khối lượng dây đồng và tăng số lượng cột điện vì dây nặng hơn trước...). Trái lại, biện pháp tăng u hát có hiệu quả rõ rệt; chẳng hạn tăng í/phát 10 lần thì ^hp giảm 100 lần. m
Kết luận : Trong quá trình truyền tải điện năng từ nhà máy điện đi xa, lúc “đưa” điện năng lên đường dây truyền tải, phải tìm cách tăng điện áp. Khi tới ncũ tiêu thụ, để đảm bảo an toàn cho việc sử dụng điện, phải giảm điện áp. Nói cách khác, trong quá trình truyền tải điện năng, phải sử dụng những thiết bị biến đổi điện áp.
II - MÁY BIÊN ÁP
Máy biến áp là những thiết bị có khả nãng biến đổi điện áp (xoay chiều).
Cấu tạo và nguyên tắc của máy biến áp
Bộ phận chính của máy biến áp là một khung bằng sắt non có pha silic gọi là lõi biến áp (thường là hình chữ nhật) cùng với hai cuộn dây dẫn Dj và có điện trở nhỏ và độ tự cảm lớn quấn trên hai cạnh đối diện của khung (H.16.2, 16.3). Cuộn thứ nhất Dj có Nỵ vòng được nối vào nguồn phát điện, gọi là cuộn sơ cấp. Cuộn thứ hai D2 có N2 vòng được nối ra các cơ sở tiêu thụ điện năng gọi là
cuộn thứ cấp.
Nguồn phát điện tạo nên một điện áp xoay chiều tần số f ở hai đầu cuộn sơ cấp. Dòng xoay chiều trong cuộn sơ cấp gây ra biến thiên từ thông trong hai cuộn. Để thấy rõ điều này ta nhận xét rằng, do cấu tạo của máy biến áp, hầu như mọi đường sức từ do dòng điện ở cuộn sơ cấp gây ra đều đi qua cuộn thứ cấp ; nói cách khác từ thông qua mỗi vòng dây của cuộn sơ cấp và của cuộn thứ cấp là như nhau. Gọi từ thông này là = 0cosft>/.
Từ thông qua cuộn sơ-cấp và cuộn thứ cấp :
! = NịỌqCosíoí
<bọ = N2O0cosíoí
Trong cuộn thứ cấp xuất hiện suất điện động cảm ứng e2:
do 2	-,	•
e2 = —J = A^uXbosinof
Như vậy, khi làm việc trong cuộn thứ cấp xuất hiện dòng điện xoay chiều cùng tần số với dòng điện ở cuộn sơ cấp.
Tại sao các điện áp ở hai cuộn sơ cấp và thứ cấp có cùng tần số ? -
Khảo sát thực nghiệm một máy biến áp
Một máy biến áp có thể làm việc ở hai chế độ :
Cuộn thứ cấp hở mạch (chế độ không tải).
Cuộn thứ cấp nối với cơ sở tiêu thụ (chế độ có tải).
Ta có thể khảo sát bằng thực nghiệm những đặc tính của một máy biến áp(1) bằng một sơ đồ thực nghiệm như trên Hình 16.4. Mạch nối với cuộn sơ cấp gọi là mạch sơ cấp ; mạch nối với cuộn thứ cấp gọi là mạch thứ cấp.
RT Hãy giải thích sơ' đồ thí nghiệm Hình 16.4.
a) Thí nghiệm 1: Khoá K ngắt (chếđộ không tải)	= 0.
Thay đổi các số vòng IVp N2, đo các điện áp Uị và U2, ta được các kết quả :
• Khảo sát đặc tính hiến áp
N,
Ư,
Ư2
/v2
N,
Ư2
600
600
120
120
1
1
600
600
80
80 ■
1
1
600
200
120
40
1
3
1
3
600
1200
80
160
2
2
200
600
60
180
3
3
(1) Máy biến áp được chọn làm thí nghiệm thuộc loại gần lí tưởng, nghĩa là hiệu suất xấp xỉ 100%.
£2
N,
Ta được kết quả là hai tỉ số
và ệ-=- luôn bằng nhau : u 1
£2
u\ n\
(16.2)
Tỉ sô các điện áp hiệu dụng ở hai đầu cuộn thứ cấp và cuộn sơ cấp luôn luôn bằng tì sô các sô vòng dày của hai cuộn đó.
XT„ N2 	~
Nếu -- > 1 : Máy tăng áp.
N2 ,	.
Nếu — < 1 : Máy hạ áp.
• Khảo sát công suất tiêu thụ ở mạch sơ cấp và mạch thứ cấp
Khi mạch thứ cấp ngắt /2 = 0 ; ở mạch sơ cấp, nếu cho í/ị thay đổi, ta nhận thấy /ị rất nhỏ (« 0). Vậy khi một máy biến áp ở chế độ không tải, thì nó hầu như không tiêu thụ điện năng. b) Thí nghiệm 2 : Khoá K đóng (chếđộ có tải).
, Thí nghiệm cho ta thấy, khi đóng K: Ị-,* 0 thì /j cũng tự động tăng lên theo ỉ-,.
, Trong chế độ làm việc có tải của một máy biến áp, cường độ hiệu dụng /2 không được vượt quá một giá trị chuẩn để cho các cuộn dây không quá nóng do toả nhiệt (thường nhiệt độ không được quá 55°C), khi đó ta nói, máy biến áp làm việc bình thường.
• Nếu tiến hành thí nghiệm như trên sơ đồ Hình 16.4 với máy biến áp lí tưởng! 6, thì ta thu được kết quả :
£2 =ÍL=ZÍ2
I2 N,
(16.3)
Kết luận : Đối với máy biến áp lí tưởng :
Tỉ số các điện áp hiệu dụng ở cuộn thứ cấp và cuộn sơ cấp bằng ti số .
Tỉ số các cường độ hiệu dụng ở mạch thứ cấp và mạch sơ cấp
bằng nghịch đảo của tỉ số
£2
(1) Máy biến áp lí tưởng là máy hầu như không có hao tổn điện năng trong máy.
89
Giải thích sơ đổ truyền tải điện năng trên Hình 16.5.
Giải thích máy hàn điện theo nguyên tắc biến áp trên Hình 16.6.
£
o
<
i	i
XD	°i
K 200kV §
§	Ỗ
o	o
1 5 000 V
■ ’
Hình 16.5
RT	—bWP—
220 V
Ghi chú : Các hệ thức (16.3) chỉ là gần đúng với sai số dưới 10% trong điều kiện giảm tối đa điện năng hao tổn trong biến áp.
Ill	- ÚNG DỤNG CỦA MÁY BIÊN ÁP
Truyền tải điện năng
Trên Hình 16.5 có vẽ một sơ đồ truyền tải điện năng, trong đó có cả tăng áp và hạ áp.
Nấu chảy kim loại, hàn điện
c/zú ỷ : Máy hàn điện nấu chảy kim loại hoạt động theo nguyên tắc biến áp, trong đó cuộn sơ cấp gồm nhiều vòng dây tiết diện nhỏ, cuộn thứ cấp gồm ít vòng dây tiết diện lớn.
u Trường hợp biến áp lí tưởng (hiệu suất gần 100%), công suất ở hai cuộn dây , bằng nhau U-ịly = U2I2
suy ra:
tà = A = *2
I2 N,
CÂU HỎI VÀ BÀI TÂP
£21
rai
Máy biến áp là gì ? Nêu cấu tạo và nguyên tắc làm việc của máy biến áp.
Máy biến áp lí tưởng làm việc bình thường có
, N? , >	_ 	 '	
tỉ số bằng 3, khi (Ưp /p = (360 V, 6 A),
thì (ư2,/2) bằng bao nhiêu ?
A. (1 080 V, 18 A);	B. (120V, 2A);
c. (1 080 V, 2A) ;	D. (120 V, 18 A).
Máy biến áp lí tưởng có cuộn sơ cấp gồm 2 000 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.6V,96W. B. 240 V, 96 w. c. 6V, 4,8 w. D. 120V, 4,8W.
Một máy biến áp lí tưởng 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 điện áp hiệu dụng 220 V thì điện áp hiệu dụng ở cuộn thứ cấp bằng bao nhiêu ?
Cuộn nào có tiết diện dây lớn hơn ?
Máy biến áp lí tưởng cung cấp một dòng điện 30 A dưới một 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.
Tính cường độ hiệu dụng ở cuộn sơ cấp.
Một máy biến áp lí tưởng cung cấp một công suất 4 kw dưới một điện áp hiệu dụng 110 V. Biển áp đó nối với đường dây tải điện có điện trở tổng là 2 fì.
Tính cường độ hiệu dụng trên đường dây tải điện.
Tính độ sụt thế trên đường dây tải điện.
Tính điện áp hiệu dụng ở cuối đường 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 điện áp hiệu dụng ở cửa ra là 220 V. Tính toán lại các đại lượng nêu ra ở bốn câu hỏi trên.