Đặng Việt Hùng Bài giảng Dòng điện xoay chiều Mobile : 0985074831 Bài giảng: Bài giảng:Bài giảng: Bài giảng: Máy biến áp Máy biến áp Máy biến áp Máy biến áp S S S Sự truyền tải điện năng ự truyền tải điện năngự truyền tải điện năng ự truyền tải điện năng I. MY BIN P 1) Khỏi nim - L nhng thit b cú kh nng bin i in ỏp (xoay chiu) v khụng lm thay i tn s ca nú. 2) Cu to v nguyờn tc hot ng a) Cu to (Hỡnh 1) - Gm cú hai cun dõy : cun s cp cú N 1 vũng v cun th cp cú N 2 vũng. Lừi bin ỏp gm nhiu lỏ st mng ghộp cỏch in vi nhau trỏnh dũng Fu-cụ v tng cng t thụng qua mch. - S vũng dõy hai cun phi khỏc nhau, tu thuc nhim v ca mỏy m cú th N 1 > N 2 hoc ngc li. - Cun s cp ni vi mch in xoay chiu cũn cun th cp ni vi ti tiờu th in. - Trong thc th thỡ mỏy bin ỏp cú dng nh hỡnh 1, cũn trong vic biu din s mỏy bin ỏp thỡ cú dng nh hỡnh 2 (Hỡnh 2) b) Nguyờn tc hot ng - t in ỏp xoay chiu tn s f hai u cun s cp. Nú gõy ra s bin thiờn t thụng trong hai cun. Gi t thụng ny l: = o cos(t) Wb. - T thụng qua cun s cp v th cp ln lt l 1 = N 1 o cos(t) v 2 = N 2 o cos(t) - Trong cun th cp xut hin sut in ng cm ng e 2 cú biu thc ( ) 2 2 o d e N sin t dt = = T ú ta thy nguyờn tc hot ng ca mỏy bin ỏp da vo hin tng cm ng in t. 3) Kho sỏt mỏy bin ỏp Gi N 1 . N 2 l s vũng ca cun s cp v th cp. Gi U 1 , U 2 l hiu in th 2 u cun s cp v th cp. Gi I 1 , I 2 l cng hiu dng ca dũng in 2 u cun s cp v th cp. Trong khong thi gian t vụ cựng nh t thụng bin thiờn gõy ra trong mi vũng dõy ca c hai cun sut in ng bng o e t = Su t i n ng trờn m t cu n s c p l: e 1 = N 1 e o Su t i n ng trờn cu n th c p: e 2 = N 2 e o Suy ra, t s i n ỏp 2 u cu n th c p b ng t s vũng dõy c a 2 cu n t ng ng 2 2 1 1 e N e N = T s e 2 /e 1 khụng i theo th i gian nờn ta cú th thay b ng giỏ tr hi u d ng ta c 2 2 1 1 E N E N = , (1) i n tr thu n c a cu n s c p r t nh nờn U 1 = E 1 , khi m ch th c p h nờn U 2 = E 2 , (2) T (1) v (2) ta c 2 2 1 1 N U N U = , (*) N u N 2 > N 1 U 2 > U 1 : g i l mỏy t ng ỏp. N u N 2 < N 1 U 2 < U 1 : g i l mỏy h ỏp. Vỡ hao phớ mỏy bi n ỏp r t nh , coi nh cụng su t 2 u cu n th c p v s c p nh nhau. 1 2 1 2 1 1 2 2 2 1 U I P P U I U I U I = = = , (**) U 1 U 2 N 2 N 1 §Æng ViÖt Hïng Bµi gi¶ng Dßng ®iÖn xoay chiÒu Mobile : 0985074831 Từ (*) và (**) ta có 1 1 2 2 2 1 U N I U N I = = Kết luận: Dùng máy biến áp tăng điện áp bao nhiêu lần thì cường độ dòng điện giảm bấy nhiêu lần và ngược lại.   Chú ý: Công thức (*) luôn được áp dụng cho máy biến áp còn công thức (**) chỉ được áp dụng khi hao phí không đáng kể hoặc hai đầu cuộn thứ cấp để hở. II. TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG Điện năng sản xuất được truyền tải đến nơi tiêu thụ trên đường dây dẫn dài hàng trăm km. Công suất cần truyền tải điện năng P = UIcosφ , (1) Trong đó P là công suất cần truyền đi, U là điện áp tại nơi truyền đi, I là cường độ dòng điện trên dây dẫn truyền tải, cosφ là hệ số công suất. Đặt ∆P = I 2 R là công suất hao phí, từ (1) suy ra ( ) 2 2 2 2 P P P R I P I R= R Ucosφ Ucosφ Ucos φ   = →∆ = =     với R là điện trở đường dây. Vậy công suất tỏa nhiệt trên đường dây khi truyền tải điện năng đi xa là ( )   ∆ = =     2 2 2 P P R P R Ucosφ Ucos φ Để khi đến nơi sử dụng thì mục tiêu là làm sao để giảm tải công suất tỏa nhiệt ∆P để phần lớn điện năng được sử dụng hữu ích. Có hai phương án giảm ∆P: ♦ Phương án 1 : Giảm R. Do R S = ρ l nên để gi ả m R thì c ầ n ph ả i t ă ng ti ế t di ệ n S c ủ a dây d ẫ n. Ph ươ ng án này không kh ả thi do t ố n kém kinh t ế . ♦ Phương án 2 : T ă ng U. B ằ ng cách s ử d ụ ng máy bi ế n áp, t ă ng đ i ệ n áp U tr ướ c khi truy ề n t ả i đ i thì công su ấ t t ỏ a nhi ệ t trên đườ ng dây s ẽ đượ c h ạ n ch ế . Ph ươ ng án này kh ả thi h ơ n vì không t ố n kém, và th ườ ng đượ c s ử d ụ ng trong th ự c t ế .    Chú ý: - Công th ứ c tính đ i ệ n tr ở c ủ a dây d ẫ n R S = ρ l . Trong đ ó ρ (Ω.m) là đ i ệ n tr ở su ấ t c ủ a dây d ẫ n, ℓ là chi ề u dài dây, S là ti ế t di ệ n c ủ a dây d ẫ n. - Công su ấ t t ỏ a nhi ệ t c ũ ng chính là công su ấ t hao phí trên đườ ng dây, ph ầ n công su ấ t h ữ u ích s ử d ụ ng đượ c là 2 có ích P P P P P R Ucosφ   = − ∆ = −     Từ đó hiệu suất của quá trình truyền tải điện năng là có ích P P P P H 1 P P P − ∆ ∆ = = = − - Sơ đồ truyền tải điện năng từ A đến B : Tại A sử dụng máy tăng áp để tăng điện áp cần truyền đi. Đến B sử dụng máy hạ áp để làm giảm điện áp xuống phù hợp với nơi cần sử dụng (thường là 220V). khi đóđộ giảm điện áp : ∆ U = IR = U 2A – U 1B , với U 2A là điện áp hiệu dụng ở cuộn thứ cấp của máy tăng áp tại A, còn U 1B là điện áp ở đầu vào cuộn sơ cấp của máy biến áp tại B. - Quãng đường truyền tải điện năng đi xa so với nguồn một khoảng là d thì chiều dài dây là ℓ = 2d. III. CÁC VÍ DỤ ĐIỂN HÌNH Ví dụ 1: (Trích Đề thi Tuyển sinh Đại học 2010) Đặt vào hai đầu cuộn sơ cấp của một máy biến áp lí tưởng (bỏ qua hao phí) một điện áp xoay chiều có giá trị hiệu dụng không đổi thì điện áp hiệu dụng giữa hai đầu cuộn thứ cấp để hở là 100 V. Ở cuộn thứ cấp, nếu giảm bớt n vòng dây thì điện áp hiệu dụng giữa hai đầu để hở của nó là U, nếu tăng thêm n vòng dây thì điện áp đó là 2U. Nếu tăng thêm 3n vòng dây ở cuộn thứ cấp thì điện áp hiệu dụng giữa hai đầu để hở của cuộn này bằng A. 100 V. B. 200 V. C. 220 V. D. 110 V. Hướng dẫn giải: Gọi U 1 , N 1 là điện áp và số vòng dây trên cuộn sơ cấp của máy biến áp, theo bài thì U 1 , N 1 không đổi. Gọi U 1 , N 1 là điện áp và số vòng dây trên cuộn thứ cấp. Do máy biến áp lý tưởng nên ta có hệ thức 1 1 2 2 1 2 2 1 U N N U U U N N = → = , ban đầu 2 2 1 1 N U U 100V. N = = Khi giảm n vòng dây cho cuộn thứ cấp và tăng n vòng dây thì ta có điện áp trên hai đầu cuộn thứ cấp lần lượt là §Æng ViÖt Hïng Bµi gi¶ng Dßng ®iÖn xoay chiÒu Mobile : 0985074831 2 2 1 1 2 2 2 2 2 1 1 N n U U U N N n 1 N 3n N n N n 2 U U 2U N −  = =  −  → = ←→ =  + +  = =   Khi tăng thêm 3n vòng dây thì ta có 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 N 3n N N N U U U 2 U 200V. N N N + + = = = = Vậy sau khi tăng thêm 3n vòng cho cuộn thứ cấp thì điện áp hai đầu cuộn thứ cấp là 200 V. Ví dụ 2: Một máy biến áp có tỉ số vòng dây = 1 2 N 5 N , hiệu suất 96% %% % nhận một công suất 10 kW ở cuộn sơ cấp và hiệu thế ở hai đầu sơ cấp là 1 kV, hệ số công suất của mạch thứ cấp là 0,8. Tính giá trị cường độ dòng điện chạy trong cuộn thứ cấp. Hướng dẫn giải : Gọi P 1 là công suất của cuộn sơ cấp, P 2 là công suất ở cuộn thứ cấp của máy biến áp. Theo bài ta có 2 2 1 1 P 0,96 P 0,96P 0,96.10 9,6 kW 9600W. P = → = = = = Do với máy biến áp ta luôn có 1 1 1 2 2 2 N U U 1000 5 U 200V. N U 5 5 = = → = = = Từ đó 2 2 2 2 2 2 P 9600 P U I cos φ I 60A. U cosφ 200.0,8 = → = = = Vậy cường độ dòng điện chạy trong cuộn thứ cấp của máy biến áp là 60 A. Ví dụ 3: Người ta cần tải 1 công suất 5 MW từ nhà máy điện đến một nơi tiêu thụ cách nhau 5 km. Hiệu điện thế cuộn thứ cấp máy tăng thế là U = 100 kV, độ giảm thế trên đường dây không quá 1% U. Điện trở suất các dây tải là 1,7. 10 –8 m. Tiết diện dây dẫn phải thỏa điều kiện nào? Hướng dẫn giải: Ta có d = 5 km ⇒ ℓ = 10 km = 10000 m. Độ giảm điện thế 1 1000 U IR U 1kV 1000V R 100 I ∆ = ≤ = = → ≤ Mà 6 3 P 5.10 1000 ρ P UI I 50A R 20 ρ 20 S U 100.10 50 S 20 = → = = = → ≤ = Ω ⇔ ≤ ⇔ ≥ l l Thay s ố ta đượ c 8 6 2 2 2 1,7.10 .10000 S 8,5.10 m 8,5mm S 8,5mm 20 − − ≥ = = → ≥ Ví dụ 4: Người ta cần truyền một công suất điện một pha 10000 kW dưới một hiệu điện thế hiệu dụng 50 kV đi xa. Mạch điện có hệ số công suất cosφ = 0,8. Muốn cho tỷ lệ năng lượng mất trên đường dây không quá 10% thì điện trở của đường dây phải có giá trị như thế nào? Hướng dẫn giải: Công su ấ t hao phí khi truy ề n là ( ) 2 2 2 P P R P R Ucosφ Ucos φ   ∆ = =     Theo bài thì ( ) ( ) 2 2 2 0,1. Ucos φ P R P 10%P P 0,1P 0,1P R P Ucosφ ∆ ≤ ⇔ ∆ ≤ ⇔ ≤ ⇔ ≤ Thay số ta được ( ) 2 3 3 0,1. 50.10 .0,8 R 16 Ω R 16Ω. 10000.10 ≤ = → ≤ . Việt Hùng Bài giảng Dòng điện xoay chiều Mobile : 0985074831 Bài giảng: Bài giảng :Bài giảng: Bài giảng: Máy biến áp Máy biến áp Máy biến áp Máy biến áp S S S Sự truyền tải điện năng ự. độ dòng điện chạy trong cuộn thứ cấp. Hướng dẫn giải : Gọi P 1 là công suất của cuộn sơ cấp, P 2 là công suất ở cuộn thứ cấp của máy biến áp. Theo bài ta có 2 2 1 1 P 0, 96 P 0,96P 0, 96. 10. = Vậy cường độ dòng điện chạy trong cuộn thứ cấp của máy biến áp là 60 A. Ví dụ 3: Người ta cần tải 1 công suất 5 MW từ nhà máy điện đến một nơi tiêu thụ cách nhau 5 km. Hiệu điện thế cuộn