Máy biến áp là gì? cách truyền tải điện năng đi xa

Vật lý 12.III Điện xoay chiều vatlypt.com 21/10/16 17,040 0
  1. vatlypt.com

    vatlypt.com 21/10/16
    #1

    Giáo viên | 8/10/16 | 6,520 | 4,324

    Hà Nội

    Máy biến áp là những thiết bị điện có khả năng thay đổi điện áp trong mạch điện xoay chiều.
    1/ Cấu tạo của máy biến áp:

    • Bộ phận chính của máy biến áp là một khung sắt non (có pha silic) gồm nhiều lá sắt mỏng ghép cách điện lại với nhau để hạn chế dòng điện Fu-cô (Foucalt).
    • Cuộn sơ cấp có N$_{1}$ vòng dây nối với nguồn phát điện.
    • Cuộn thứ cấp có N$_{2}$ vòng dây nối với các thiết bị tiêu thụ điện.
    Hình minh họa một máy biến áp đơn giản.
    [​IMG]
    Cách vẽ máy biến áp trong mạch điện:
    [​IMG]
    2/ Nguyên lý hoạt động của máy biến áp:
    • Máy biến áp hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từhiện tượng tự cảm.
    • Dòng điện xoay chiều qua cuộn thứ cấp biến thiên => sinh ra từ trường biến thiên (hiện tượng tự cảm).
    • Từ trường biến thiên đi qua khung sắt dịch chuyển sang cuộn thứ cấp => sinh ra dòng điện cảm ứng trong cuộn thứ cấp (hiện tượng cảm ứng điện từ)
    Ảnh minh họa nguyên tắc hoạt động của máy biến áp
    [​IMG]
    3/ Công thức máy biến áp:
    Tần số dòng điện xoay chiều của cuộn sơ cấp là f
    => từ thông qua cuộn sơ cấp:
    Φ$_{1}$ = N$_{1}$Φ$_{o}$cos(ωt) = N$_{1}$Φ$_{o}$cos(2πf.t)​
    => từ thông qua cuộn thứ cấp:
    Φ$_{2}$ = N$_{2}$Φ$_{o}$cos(ωt) = N$_{2}$Φ$_{o}$cos(2πf.t)​
    Suất điện động cảm ứng của cuộn thứ cấp theo định luật Farađay
    \[e_{c}=-\dfrac{d\Phi }{dt}\]​
    Coi điện trở của dây dẫn là không đáng kể (máy biến áp lý tưởng)
    => \[\dfrac{e_{2}}{e_{1}}=\dfrac{U_{2}}{U_{1}}=\dfrac{N_{2}}{N_{1}}\]​
    Trường hợp máy biến áp được nổi với các thiết bị tiệu thụ điện (có tải) (thu được từ thực nghiệm)
    \[\dfrac{U_{2}}{U_{1}}=\dfrac{I_{1}}{I_{2}}=\dfrac{N_{2}}{N_{1}}\]​

    Công thức của máy biến áp lý tưởng:
    Chế độ không tải
    \[\dfrac{U_{2}}{U_{1}}=\dfrac{N_{2}}{N_{1}}\]​
    Chế độ có tải:
    \[\dfrac{U_{2}}{U_{1}}=\dfrac{I_{1}}{I_{2}}=\dfrac{N_{2}}{N_{1}}\]​
    trong đó
    • U$_{1}$; U$_{2}$ lần lượt là điện áp hiệu dụng của cuộn sơ cấp và thứ cấp (V)
    • I$_{1}$; I$_{2}$ lần lượt là cường độ dòng điện trong cuộn sơ cấp và thứ cấp (A)
    • N$_{1}$; N$_{2}$: lần lượt là số vòng của cuộn dây sơ cấp và thứ cấp
    • Nếu N$_{2}$ > N$_{1}$ hay (N$_{2}$/N$_{1}$ > 1) => U$_{2}$ > U$_{1}$ => máy tăng áp.
    • nếu N$_{2}$ < N$_{1}$ hay (N$_{2}$/N$_{1}$ < 1) => U$_{2}$ < U$_{1}$ => máy hạ áp.
    Video nguyên tắc hoạt động của máy biến áp

    3/ Bài toán truyền tải điện năng đi xa:

    Công suất hao phí trên đường dây tải điện khi truyền tải điện năng từ nhà máy điện đến nơi tiêu thụ
    \[P_{hp}=I^{2}r=\dfrac{P^{2}}{U^{2}cos^{2}\varphi }r\]​
    Trong đó:
    • r: điện trở của dây dẫn (Ω)
    • U: điện áp của máy phát điện (V)
    • P: công suất của máy phát điện (W)
    • Php: công suất hao phí trong quá trình truyền tải điện năng từ nhà máy phát điện đến nơi tiêu thụ điện (W)
    • cos φ: hệ số công suất của mạch điện xoay chiều
    P$_{hp}$ càng lớn => năng lượng điện mất đi vô ích càng lớn => gây thiệt hại cho nhà sản xuất điện => các nhà máy điện luôn mong muốn giảm P$_{hp}$
    Các phương án giảm công suất hao phí khi truyền tải điện năng
    a/ Giảm điện trở r trên dây tải điện:

    \[r=\rho \dfrac{l}{S}\]​
    - Sử dụng các vật liệu đắt tiền (vàng, bạc) làm dây tải điện (ρ nhỏ)
    - Tăng tiết diện S của dây dẫn => dây dẫn trở nên nặng và tốn nhiều vật liệu hơn
    => Phương án giảm công suất hao phí bằng cách giảm r làm tốn thêm nhiều kinh phí hơn.
    b/ Tăng giá trị của hệ số công suất cosφ:
    - Phương án này cũng phát sinh nhiều tốn kém do phải sử dụng các loại tụ điện đắt tiền ở những nơi tiêu thụ điện năng => không khả thi.
    c/ Tăng điện áp truyền tải
    - Dễ dàng thực hiện bằng cách sử dụng máy biến áp
    Trong thực tế để truyền tải điện năng đi xa, các nhà máy điện tại Việt Nam đã sử dụng các đường dây cao thế (điện thế cao) thông qua việc sử dụng máy tăng áp tại các nhà máy phát điện.
    Hình minh họa đường dây tải điện 500kV
    [​IMG]
    Trong quá trình truyền tải điện đi xa tại nơi tiêu thụ điện sẽ có các chạm biến áp lắp đặt rất nhiều các loại máy biến áp để hạ áp đường dây 500kV thành các điện áp thấp hơn, khi truyền tải đến các hộ gia đình điện áp phù hợp với các thiết bị điện là 220V
    Hình minh họa máy biến áp đặt tại trạm biến áp
    [​IMG]

    nguồn: vật lý phổ thông ôn thi quốc gia
Share Share