Khóa học Vật lí 12 – Thầy ĐặngViệt Hùng Bài giảng Dòng điện xoay chiều Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt Tổng đài tư vấn: 1900 58-58-12 - Trang | 1 - I. MÁY BIẾN ÁP 1) Khái niệm - L à n h ững thiết bị có khả năng biến đổi điện áp (xoay chiều ) và kh ôn g l àm t h ay đổi tần số của nó. 2) Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động a) Cấu tạo (Hình 1) - G ồm c ó h a i c u ộn dây : cuộn sơ cấp có N 1 vòng và cuộn thứ cấp có N 2 vò n g. L õi bi ến áp gồm n h i ều lá sắt mỏng ghép cách điện với nhau để tránh dòng Fu-cô và tăng cường từ thông qua mạch. - S ố vòng dây ở hai cuộn phải khác nhau, tuỳ t hu ộc nhiệm v ụ của máy mà có thể N 1 > N 2 hoặc ngược lại. - C u ộn sơ cấp nối với mạch điện xoay chiều còn cuộn thứ cấp nối với tải tiêu thụ điện. - T r o n g t h ực thế thì máy biến áp có dạng như hình 1, còn trong việc biểu diễn sơ đồ máy biến áp thì có dạng như hình 2 (Hình 2) b) Nguyên tắc hoạt động - Đặt điện á p x oa y c hi ều tần số f ở hai đầu cuộn sơ cấp. Nó gây ra sự biến thiên từ thông trong hai cuộn. Gọi từ thông này là: Φ = Φ o cos(ωt) Wb. - T ừ thông qua cuộn sơ cấp và th ứ cấp lần lượt là Φ 1 = N 1 Φ o cos(ωt) và Φ 2 = N 2 Φ o cos(ωt) - T r o n g c u ộn thứ cấp xuất hiện suất điện động cảm ứng e 2 có biểu thức ( ) 2 2 o d e N ω sin ωt dt Φ = − = Φ Từ đó ta thấy nguyên tắc hoạt động của máy biến áp dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ. 3) Khảo sát máy biến áp Gọi N 1 . N 2 là số vòng của cuộn sơ cấp và thứ cấp. Gọi U 1 , U 2 là hiệu điện thế 2 đầu cuộn sơ cấp và thứ cấp. Gọi I 1 , I 2 là cường độ hiệu dụng của dòng điện 2 đầu cuộn sơ cấp và thứ cấp. Trong khoảng thời gian ∆t vô cùng nhỏ từ thông biến thiên gây ra trong mỗi vòng dây của cả hai cuộn suất điện động bằng o e t ∆Φ = − ∆ Suất điện động trên một cuộn sơ cấp là: e 1 = N 1 e o Suất điện động trên cuộn thứ cấp: e 2 = N 2 e o Suy ra, tỉ số điện áp 2 đầu cuộn thứ cấp bằng tỉ số vòng dây của 2 cuộn tương ứng 2 2 1 1 e N e N = T ỉ s ố e 2 /e 1 không đổ i theo th ờ i gian nên ta có th ể thay b ằ ng giá tr ị hi ệ u d ụ ng ta đượ c 2 2 1 1 E N E N = , (1) Đ i ệ n tr ở thu ầ n c ủ a cu ộ n s ơ c ấ p r ấ t nh ỏ nên U 1 = E 1 , khi m ạ ch th ứ c ấ p h ở nên U 2 = E 2 , (2) T ừ (1) và (2) ta đượ c 2 2 1 1 N U N U = , (*)  N ế u N 2 > N 1 → U 2 > U 1 : g ọ i là máy tăng áp.  N ế u N 2 < N 1 → U 2 < U 1 : g ọ i là máy hạ áp. Vì hao phí ở máy bi ế n áp r ấ t nh ỏ , coi nh ư công su ấ t ở 2 đầ u cu ộ n th ứ c ấ p và s ơ c ấ p nh ư nhau. U 1 U 2 N 2 N 1 MÁY BIẾN ÁP – SỰ TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG (TÀI LIỆU BÀI GIẢNG) Giáo viên: ĐẶNG VIỆT HÙNG Khóa học Vật lí 12 – Thầy ĐặngViệt Hùng Bài giảng Dòng điện xoay chiều Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt Tổng đài tư vấn: 1900 58-58-12 - Trang | 2 - 1 2 1 2 1 1 2 2 2 1 U I P P U I U I U I = ⇔ = → = , (**) 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 cò n c ôn g t hức (**) chỉ được áp dụng khi hao phí không đáng kể hoặc hai đầu cuộn thứ cấp để hở. 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 đ iện 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 tăn g t hê m n v òn g d â y t h ì điện áp đó là 2U. Nếu tăng thêm 3n vòng dây ở cuộn thứ cấp thì điện á p h i ệu 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 s ố 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 v ò n g d â y c h o c u ộn thứ cấp và tăng n vòng dây thì ta có điện áp trên hai đầu cuộn thứ cấp lần lượt là 2 2 1 1 2 2 2 2 2 1 1 N n U U U N N n 1 N 3 n N n N n 2 U U 2U N −  = =  −  → = ←→ =  + +  = =   Khi t ă ng 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 + + = = = = V ậ y sau khi t ă ng thêm 3n vòng cho cu ộ n th ứ c ấ p thì đ i ệ n áp hai đầ u cu ộ n th ứ c ấ p là 200 V. Ví dụ 2: (Trích Đề thi Tuyển sinh Đại học 2011) Một học sinh quấn một máy biến áp với dự định số vòng dây của cuộn sơ cấp g ấp 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 c h o đủ, học sinh này đặ t vào hai đầ u cuộn s ơ cấp một điện áp xoay chiều c ó g i á tr ị hiệu dụng không đổi, rồi dùng vôn kết xác định tỉ số điện áp ở cuộn thứ cấp để hở và cuộn sơ cấp. Lúc đầu tỉ số điện áp bằng 0,43. Sau khi quấn thêm vào cuộn thứ cấp 2 4 vò n g dây thì t ỉ số điện áp bằng 0,45. Bỏ qua mọi hao phí trong máy biến áp. Để được máy biến áp đúng như dự định, học sinh này phải tiếp tục quấn thêm vào cuộn thứ cấp A. 40 vòng dây. B. 84 vòng dây. C. 100 vòng dây. D. 60 vòng dây. Hướng dẫn giải: Ví dụ 3: Một máy biến áp có tỉ số vòng dây = 1 2 N 5 N , hiệu suất 96%%% n h ận 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: Khóa học Vật lí 12 – Thầy ĐặngViệt Hùng Bài giảng Dòng điện xoay chiều Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt Tổng đài tư vấn: 1900 58-58-12 - Trang | 3 - 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 9600 W. 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 4: Cuộn sơ cấp của máy biến áp được mắc qua một ampe kế vào điện áp xoay chiều có giá trị hiệu dụng 200 V thì ampe kế chỉ 0,03535 A. Biết cuộn t h ứ cấp m ắc vào mạch điện gồm một nam châm điện có điện trở hoạt động r = 1 Ω và điện trở R = 9 Ω. Tỉ số vòng dây cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp bằng 20. Tính độ lệch pha giữa cường độ dòng đ iện và điện áp ở cuộn th ứ cấp , b ỏ qua hao phí trong máy biến áp. Đ/s : i chậm pha hơn u góc π/4. Hướng dẫn giải: II. TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG Điện năng sản xuất được truyền tải đến nơi tiêu thụ trên đường dây dẫn dài hàng trăm k m . 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 c ông 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 t ải 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 giảm R thì c ần phải tăng tiết diện S của dây dẫn. Phương án này không khả thi do tốn kém kinh tế.  Phương án 2 : Tăng U. Bằng cách sử dụng máy biến áp, tăng điện áp U trước khi truyền tải đi thì công suất tỏa nhiệt trên đường dây sẽ được hạn chế. Phương án này khả thi hơn vì không tốn kém, và thường được sử dụng trong thực tế.  Chú ý:  Công thứ c tính điện trở của dây dẫn = ρ ℓ R S . 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 ó ích cos φ   = − ∆ = −     c P P P P P R U T ừ đ ó hi ệ u su ấ t c ủ a quá trình truy ề n t ả i đ i ệ n n ă ng là 1 − ∆ ∆ = = = − có ích P P P P H P P P Khóa học Vật lí 12 – Thầy ĐặngViệt Hùng Bài giảng Dòng điện xoay chiều Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt Tổng đài tư vấn: 1900 58-58-12 - Trang | 4 -  Sơ đồ truyền tải điện năn g t ừ A đến B : Tại A sử d ụng m áy tăn g á p để tăng điện áp cần truyền đi. Đến B sử dụng máy hạ áp để làm giảm điện áp xuống p h ù hợp với nơi cần sử dụng (thườn g l à 22 0 V ). k h i đóđộ giảm điện áp là ∆ 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 má y bi ến áp tại B.  Quãng đường truyền tải điện năng đi xa so vớ i nguồn m ột khoảng là d thì chiều dài dây là 2 .d =ℓ Ví dụ 1: Đ iện năng ở một trạm phát điện được truyền đi dưới điện áp 2 kV, hiệu suất trong quá trình truyền tải là H = 80%. Muốn hiệu suất trong quá trình truyền tải tăn g đến 95% thì ta phải A. tăng điện áp lên đến 4 kV. B. tăng điện áp lên đến 8 kV. C. giảm điện áp xuống còn 1 kV. D. giảm điện xuống còn 0,5 kV. H ướ ng d ẫ n gi ả i:  Khi H = 80% thì công suất hao phí là 20%  Khi H = 95% thì công suất hao phí là 5% Từ đó ta thấy, để ∆P giảm 4 l ần thì cần p h ải tăng U hai lần, tức là U = 4 kV. Ví dụ 2: 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 t hứ cấp máy tăn g th ế là U = 100 kV, độ giảm thế trên đườn g dâ y k hô n g qu á 1 % U. Điện trở s uất các dây tải là 1,7. 10 –8 m. Tiết diện dây dẫn phải thỏa điều kiện nào? H ướ ng d ẫ n gi ả i: 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 số ta được 8 6 2 2 2 1 , 7 . 1 0 . 1 0 0 0 0 S 8 , 5 . 1 0 m 8 , 5 m m S 8,5mm 20 − − ≥ = = → ≥ Ví dụ 3: Người ta cần truyền một công suất điện một pha 10000 kW dưới một hiệu điện thế hiệu dụng 50 kV đi xa . M ạch điện có hệ số công suất cosφ = 0,8. Muốn c ho tỷ lệ năn g l ượn g m ất trên đường d ây k hô n g q uá 1 0% thì điện trở của đường dây phải có giá trị như thế nào? H ướ ng d ẫ n gi ả i: Công suất hao phí khi truyền là ( ) 2 2 2 P P R P R Ucosφ Ucos φ   ∆ = =     Theo bài thì ( ) ( ) 2 2 2 0,1. U cos 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 ≤ = → ≤ Ví dụ 4: Một máy phát điện cung cấp cho mạch ngoài công suất P 1 = 2 MW, điện áp hai cực của máy phát là U 1 = 2000 V. Biết dòng điện cùng pha với điện áp. Dòng điện được đưa vào cuộn sơ cấp của máy biến áp có hiệu suất 97,5%. Cuộn sơ cấp gồm 160 vòng, cuộn thứ cấp có 1200 vòng. Cường độ dòng điện ở cuộn thứ cấp được dẫn đến nơi tiêu thụ b ằng dây dẫn có điện trở R = 10 Ω. Tính hiệu suất truyền tải điện năn g. Đ/s: H = 89,05 %. H ướ ng d ẫ n gi ả i: Khóa học Vật lí 12 – Thầy ĐặngViệt Hùng Bài giảng Dòng điện xoay chiều Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt Tổng đài tư vấn: 1900 58-58-12 - Trang | 5 - Ví dụ 6: Từ nơi sản xuất điện năng đến nơi tiêu thụ là hai máy biến áp. Máy biến áp A có hệ số biến áp K A = 1/20, máy hạ áp tại B có hệ số biến đổi K B = 15. Dây tải điện giữa hai biến áp có điện trở R = 10 Ω. Bỏ qua hao phí trong hai máy biến áp, và coi hệ số công suất bằng 1. a) Để đảm bảo nơi tiêu thụ, mạng điện 120 V, 36 KW hoạt động bình thườ ng thì nơi sản xuất điện năn g p hải có cường độ dòng điện vào là bao nhiêu? Tính hiệu suất truyền tải điện năn g k h i đó? b) Giả sử không có hai máy biến áp, đường dây tải điện vẫn có điện trở R = 10 Ω. Muốn nơi tiêu thụ hoạt độn g bình thường thì đầu đườn g dâ y p hải truyền đi một công suất bao nhiêu? Điện áp đầu đường dây là bao nhiêu? So với có máy biến áp thì công suất hao phí tăng bao nhiêu lần? Hiệu suất giảm bao nhiêu lần? Đ/s: a) H = 90% b) Công suất truyền đ i 396 KW, hao phí tăng 225 lần, hiệu suất giảm 23,4 lần. Hướng dẫn giải: Giáo viên : Đặng Việt Hùng Nguồn : Hocmai.vn . nơi sản xuất điện năng đến nơi tiêu thụ là hai máy biến áp. Máy biến áp A có hệ số biến áp K A = 1/20, máy hạ áp tại B có hệ số biến đổi K B = 15. Dây tải điện giữa hai biến áp có điện trở R. nhau. U 1 U 2 N 2 N 1 MÁY BIẾN ÁP – SỰ TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG (TÀI LIỆU BÀI GIẢNG) Giáo viên: ĐẶNG VIỆT HÙNG Khóa học Vật lí 12 – Thầy ĐặngViệt Hùng Bài giảng Dòng điện xoay chiều Hocmai.vn. P Khóa học Vật lí 12 – Thầy ĐặngViệt Hùng Bài giảng Dòng điện xoay chiều Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt Tổng đài tư vấn: 1900 5 8-5 8-1 2 - Trang | 4 -  Sơ đồ truyền tải điện năn