Giải Vật Lí 12 Bài 16: Truyền Tải điện Năng – Máy Biến áp

[toc:ul]

I. TÓM TẮT LÝ THUYẾT

I. Truyền tải điện năng

Công suất phát được tính theo công thức: Pphát = Uphát.I

Trong đó:

• Pphát: công suất phát (W).
• Uphát: điện áp hiệu dụng ở hai cực của máy phát (V).
• I: cường độ dòng điện hiệu dụng trên đường dây (A).

Công suất hao phí do tỏa nhiệt trên đường dây:

Php = r.I2 = r. $\frac{P^{2}_{phát}}{U^{2}_{phát}}$

Trong đó: r là điện trở tổng cộng của đường dây điện.

Nhận xét:

Pphát hoàn toàn xác định, nên muốn giảm Php­ trên đường dây thì ta phải giảm điện trở của dây hoặc tăng Uphát.

Khi giảm điện trở r của dây dẫn ta lại dẫn đến những hạn chế khác như chi phí đường dây tăng.

Vậy cách tối ưu để giảm hao phí trên đường dây là tăng Uphát­ nói cách khác, ta cần có những thiết bị biến đổi điện áp.

II. Máy biến áp

Máy biến áp là những thiết bị có khả năng biến đổi điện áp xoay chiều.

Cấu tạo: Máy biến áp gồm hai phần chính:

1. Lõi biến áp: được làm từ sắt non pha silic;
2. Hai cuộn dây: có điện trở nhỏ và cách vòng dây được

• Cuộn sơ cấp: được nối với nguồn, có số vòng dây N1;
• Cuộn thứ cấp: được nối với tải hoặc để hở, có số vòng dây là N­2.

Nguyên tắc hoạt động: dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ:

Nguồn phát điện tạo ra một dòng điện xoay chiều tần số f ở hai đầu cuộn sơ cấp gây ra biến thiên từ thông trong hai cuộn.

Khi cuộn sơ cấp có sự biến thiên từ thông thì suất hiện một dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp.

Từ thông qua mỗi vòng dây của cả hai cuộn là: $\Phi = \Phi _{0}.\cos \omega .t$.

Từ thông qua mỗi cuộn dây là:

Cuộn N­1: $\Phi _{1} = N_{1}.\Phi _{0}.\cos \omega .t$

Cuộn N2: $\Phi _{2} = N_{2}.\Phi _{0}.\cos \omega .t$

Suất điện động cảm ứng xuất hiện trong cuộn thứ cấp là:

e2 = $- \frac{d\Phi _{2}}{dt}$ = N2. $\omega .\Phi _{0}.\sin \omega .t$.

Khi hai đầu cuộn thứ cấp để hở:

• I2 = 0;
• Tỉ số các điện áp hiệu dụng ở hai đầu cuộn thứ cấp và sơ cấp luôn luôn bằng tỉ số các vòng dây của hai cuộn đó:

$\frac{U_{2}}{U_{1}} = \frac{N_{2}}{N_{1}}$.

• Nếu $\frac{N_{2}}{N_{1}}$ > 1: máy tăng áp;
• Nếu $\frac{N_{2}}{N_{1}}$ < 1: máy hạ áp.
• Đối với máy biến áp ở chế độ không tải thì nó hầu như không tiêu thụ điện năng.

Khi hai đầu cuộn thứ cấp được nối với tải:

• I2 khác 0;
• $\frac{U_{2}}{U_{1}} = \frac{I_{1}}{I_{2}}$.

Kết luận: Đối với máy biến áp lí tưởng:

1. Tỉ số các điện áp hiệu dụng ở cuộn thứ cấp và cuộn sơ cấp bằng tỉ số N2/N1;
2. Tỉ số các cường độ hiện dụng ở mạch thứ cấp và mạch sơ cấp bằng nghịch đảo tỉ số N2/N1.

II. GIẢI BÀI TẬP

Giải câu 1: Máy biến áp là gì? Nêu cấu tạo...

Máy biến áp là gì? Nêu cấu tạo và nguyên tắc làm việc của máy biến áp.

Bài giải:

Máy biến áp là những thiết bị có khả năng biến đổi điện áp xoay chiều.

Cấu tạo: Máy biến áp gồm hai phần chính:

Lõi biến áp: được làm từ sắt non pha silic;

• Hai cuộn dây: có điện trở nhỏ và cách vòng dây được
• Cuộn sơ cấp: được nối với nguồn, có số vòng dây N1;
• Cuộn thứ cấp: được nối với tải hoặc để hở, có số vòng dây là N­2.

Nguyên tắc hoạt động: dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ.

Giải câu 2: Máy biến áp lí tưởng làm việc bình...

Máy biến áp lí tưởng làm việc bình thường có tỉ số N2/N1 bằng 3, khi (U1, I1) = (360 V, 6 A), thì (U2, I­2) bằng bao nhiêu?

A. (1080 V, 18 A);

B. (120 v, 2A);

C. (1080 V, 2 A);

D. (120 V, 18 A).

Bài giải:

Chọn đáp án C.

Giải thích: Áp dụng các công thức của máy biến áp, ta tính ra kết quả trên.

Giải câu 3: Máy biến áp lí tưởng có cuộn sơ cấp...

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. 6 V, 96 W. B. 240 V, 96 W.

C. 6 V, 4,8 W. D. 120 V, 4,8 W

Bài giải:

Chọn đáp án A.

Giải thích:

Áp dụng các công thức của máy biến áp, ta tính được điện áp ở hai đầu cuộn thứ cấp là:

U2 = U1.$\frac{N_{2}}{N_{1}}$ = 6 (V).

Máy biến áp lí tưởng, công suất ở cuộn thứ cấp bằng với công suất ở cuộn sơ cấp:

Ptc = U2I2 = U1I1 = 120 . 0,8 = 96 W.

Giải câu 4: Một máy biến áp lý tưởng có hai...

Một máy biến áp lý tưởng có hai cuộn dây lần lượt có 10 000 vòng và 200 vòng.

a. 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 ?

b. Cuộn nào có tiết diện dây lớn hơn ?

Bài giải:

a. Muốn tăng áp thì N2 > N1 hay cuộn sơ cấp có 200 vòng dây và cuộn thứ cấp có 10 000 vòng dây.

$\frac{U_{2}}{U_{1}} = \frac{N_{2}}{N_{1}} = \frac{10 000}{200} = 50$ $\Rightarrow $ $U_{2} = 50.U_{1} = 50.220 = 11 000$ (V).

b. Ta có : $\frac{I_{1}}{U_{2}} = \frac{N_{2}}{N_{1}} = \frac{10 000}{200} = 50$ $\Rightarrow $ I2 < I1 hay cuộn sơ cấp có tiết diện lớn hơn.

Giải câu 5: Máy biến áp lí tưởng cung cấp một...

Máy biến áp lí tưởng cung cấp một dòng điện 30 A dưới một điện áp hiệu dụng 220 V. Điện áp hiệu dụng 220 V. Điện áp hiệu dụng ở cuộn sơ cấp là 5 kV.

a. Tính công suất tiêu thụ ở cửa vào và ở cửa ra của biến áp.

b. Tính cường độ hiệu dụng ở cuộn sơ cấp.

Bài giải:

a. Máy biến áp lí tưởng, nên công suất tiêu thụ ở hai cuộn là như nhau:

P1 = P2 = U2.I2 = 220.30 = 6 600 W.

b. Cường độ dòng điện ở cuộn sơ cấp là: $I_{1} = \frac{P_{1}}{U_{1}} = \frac{6 600}{5.10^{3}} = 1,32$ (A).

Giải câu 6: Một máy biến áp lí tưởng cung cấp...

Một máy biến áp lí tưởng cung cấp một công suất 4 kW dưới một điện áp hiệu dụng 110 V. Biến áp đó nối với đường dây tải điện có điện trở tổng là 2 Ω.

a. Tính cường độ hiệu dụng trên đường dây tải điện.

b. Tính độ sụt thế trên đường dây tải điện.

c. Tính điện áp hiệu dụng ở cuối đường dây tải điện.

d. Xác định công suất tổn hao trên đường dây đó.

e. 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.

Bài giải:

a. Cường độ dòng điện hiệu dụng trên đường dây là:

I2 = $\frac{P_{2}}{U_{2}} = \frac{4 000}{110} = \frac{400}{11}$ (A).

b. Độ sụt thế trên đường dây: I2.Rdây = $\frac{400}{11}$.2 = \frac{800}{11}$ $\approx $ 72,8 (V).

c. Điện áp hiệu dụng ở cuối đường dây tải điện: 110 – 72,8 = 27,2 (V).

d. Công suất hao phí trên đường dây:

Php­ = I22.Rdây = 2644,6 W.

e. Tương tự các phần trên:

I2’ = 200/11 (A)

Độ sụt thế:I2’.Rdây = 36,36 V.

Điện áp ở cuối dây là: 220 – 36,36 = 183,63 V.

Công suất hao phí: Php’ = 661,15 W.