Máy biến áp, truyền tải điện năng đi xa

I – MÁY BIẾN ÁP.

1. Khái niệm

– Là những thiết bị có khả năng biến đổi điện áp (xoay chiều) và không làm thay đổi tần số của nó.

2. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động

* Cấu tạo

– Gồm có hai cuộn dây : cuộn sơ cấp có N₁ vòng và cuộn thứ cấp có N₂ vòng. Lõi biến áp gồm nhiều lá sắt mỏng ghép cách điện với nhau để tránh dòng Fu-cô và tăng cường từ thông qua mạch.

– Số vòng dây ở hai cuộn phải khác nhau, tuỳ thuộc nhiệm vụ của máy mà U₂

– Cuộn sơ cấp nối với mạch điện xoay chiều còn cuộn thứ cấp nối với tải tiêu thụ điện.

* Nguyên tắc hoạt động:

Nguyên tắc hoạt động của máy biến áp dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ.

– Từ thông qua cuộn sơ cấp và thứ cấp lần lượt là \({\Phi _1} = {\rm{ }}{N_1}{\Phi _0}cos(\omega t)\)  và \({\Phi _2} = {\rm{ }}{N_2}{\Phi _0}cos(\omega t)\)

– Trong cuộn thứ cấp xuất hiện suất điện động cảm ứng e₂ có biểu thức  \({e_2} =  – \dfrac{{d\Phi }}{{dt}} = {N_2}\omega {\Phi _0}sin\omega t\)

3. Khảo sát máy biến áp

• Gọi N₁, N₂ là số vòng của cuộn sơ cấp và thứ cấp.
• Gọi U₁, U₂ là hiệu điện thế 2 đầu cuộn sơ cấp và thứ cấp.
• Gọi I₁, I₂ là cường độ hiệu dụng của dòng điện 2 đầu cuộn sơ cấp và thứ cấp.

Suy ra, tỉ số điện áp 2 đầu cuộn thứ cấp bằng tỉ số vòng dây của 2 cuộn tương ứng \(\dfrac{{{e_2}}}{{{e_1}}} = \dfrac{{{N_2}}}{{{N_1}}}\)

Tỉ số e₂/e₁ không đổi theo thời gian nên ta có thể thay bằng giá trị hiệu dụng ta được \(\dfrac{{{E_2}}}{{{E_1}}} = \dfrac{{{N_2}}}{{{N_1}}}\)(1)

Điện trở thuần của cuộn sơ cấp rất nhỏ nên U₁ = E₁, khi mạch thứ cấp hở nên U₂ = E₂, (2)

Từ (1) và (2) ta được \(\dfrac{{{N_2}}}{{{N_1}}} = \dfrac{{{U_2}}}{{{U_1}}}\), (*)

• Nếu N₂ > N₁ U₂ > U₁ : gọi là máy tăng áp.
• Nếu N₂ < N₁ U₂ < U₁ : gọi là máy hạ áp.

Vì hao phí ở máy biến áp rất nhỏ, coi như công suất ở 2 đầu cuộn thứ cấp và sơ cấp như nhau.

\( \to {P_1} = {\rm{ }}{P_2} \leftrightarrow {U_1}{I_1} = {\rm{ }}{U_2}{I_2}\) (**)

Từ (*) và (**) ta có \(\dfrac{{{U_1}}}{{{U_2}}} = \dfrac{{{N_1}}}{{{N_2}}} = \dfrac{{{I_2}}}{{{I_1}}}\)

II – TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG.

Công suất cần truyền tải điện năng \({\bf{P}}{\rm{ }} = {\rm{ }}{\bf{UIcos}}\varphi \) , (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 \(\Delta P{\rm{ }} = {\rm{ }}{I^2}R\) là công suất hao phí, từ (1) suy ra \(I = \dfrac{P}{{Uc{\rm{os}}\varphi }} \to \Delta P = {I^2}R = {\left( {\dfrac{P}{{U\cos \varphi }}} \right)^2}R = \dfrac{{{P^2}}}{{{{\left( {U\cos \varphi } \right)}^2}}}R\)

với R là điện trở đường dây. Vậy công suất tỏa nhiệt trên đường dây khi truyền tải điện năng đi xa là:

\(\Delta P = \dfrac{{{P^2}}}{{{{\left( {U\cos \varphi } \right)}^2}}}R\)

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 ta phải tăng U.