Máy biến áp và truyền tải điện năng: Bài giảng Dòng điện xoay chiều

Khóa học Dòng điện xoay chiều và Dao động điện từ 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

- 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

a) Cấu tạo

(Hình 1)

- Gồm có hai cuộn dây : cuộn sơ cấp có N

1

vòng và cuộn thứ cấp có N

2

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

có thể N

1

> N

2

hoặc ngược lại.

- Cuộn sơ cấp nối với mạch điện xoay chiều còn cuộn thứ cấp nối với tải

tiêu thụ điện.

- Trong thực 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 áp xoay chiều 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.

- Từ thông qua cuộn sơ cấp và thứ cấp lần lượt là Φ

1

= N

1

Φ

o

cos(ωt) và Φ

2

= N

2

Φ

o

cos(ωt)

- Trong cuộn thứ cấp xuất hiện suất điện động cảm ứng e

2

có biểu thức

( )

2 2 o

d

e N

ωsin 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

= −

∆

Su

ấ

t

đ

i

ệ

n

độ

ng trên m

ộ

t cu

ộ

n s

ơ

c

ấ

p là: e

1

= N

1

e

o

Su

ấ

t

đ

i

ệ

n

độ

ng trên cu

ộ

n th

ứ

c

ấ

p: e

2

= N

2

e

o

Suy ra, t

ỉ

s

ố

đ

i

ệ

n áp 2

đầ

u cu

ộ

n th

ứ

c

ấ

p b

ằ

ng t

ỉ

s

ố

vòng dây c

ủ

a 2 cu

ộ

n t

ươ

ng

ứ

ng

2 2

1 1

e N

=

T

ỉ

s

ố

e2/e1 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

=,

(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 U1 = E1, khi m

ạ

ch th

ứ

c

ấ

p h

ở

nên U2 = E2,

(2)

T

ừ

(1)

và

(2)

ta

đượ

c

2 2

1 1

N U

=, (*)



N

ế

u N2 > N1 → U2 > U1 : g

ọ

i là máy t

ă

ng áp.



N

ế

u N2 < N1 → U2 < U1 : g

ọ

i là máy h

ạ

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.

U1

U2

N

2

N

1

Bài giảng 9:











Khóa học Dòng điện xoay chiều và Dao động điện từ 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

= ⇔ = → =

, (**)

T

ừ

(*) và (**) ta có

1 1 2

2 2 1

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 th

ứ

c (*) luôn

đượ

c áp d

ụ

ng cho máy bi

ế

n áp còn công th

ứ

c (**) ch

ỉ

đượ

c áp d

ụ

ng khi hao phí không

đ

áng k

ể

ho

ặ

c hai

đầ

u cu

ộ

n th

ứ

c

ấ

p

để

h

ở

.

II. TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG

Đ

i

ệ

n n

ă

ng s

ả

n xu

ấ

t

đượ

c truy

ề

n t

ả

i

đế

n n

ơ

i tiêu th

ụ

trên

đườ

ng dây d

ẫ

n dài hàng tr

ă

m km.

Công su

ấ

t c

ầ

n truy

ề

n t

ả

i

đ

i

ệ

n n

ă

ng

P = UIcosφ

,

(1)

Trong

đ

ó P là công su

ấ

t c

ầ

n truy

ề

n

đ

i, U là

đ

i

ệ

n áp t

ạ

i n

ơ

i truy

ề

n

đ

i, I là c

ườ

ng

độ

dòng

đ

i

ệ

n trên dây d

ẫ

n truy

ề

n t

ả

i,

cos

φ

là h

ệ

s

ố

công su

ấ

t.

Đặ

t

∆

P = I2R là công su

ấ

t hao phí, t

ừ

(1)

suy ra

( )

22

2

P P P R

I P I R= R

UcosφUcosφU cos

φ

 

= →∆ = =

 

 

với R là điện trở đường dây.

Vậy công suất tỏa nhiệt trên đường dây khi truyền tải điện năng đi xa là

( )

 

∆ = =

 

 

22

2

P P R

P R

UcosφUcos

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 thức tính điện trở của dây dẫn

= ρ

ℓ

R

S

. Trong đó

ρ

(

Ω

.m) là điện trở suất của dây dẫn, ℓ là chiều dài dây, S

là tiết diện của dây dẫn.



Công suất tỏa nhiệt cũng chính là công suất hao phí trên đường dây, phần công suất hữu ích sử dụng được là

2

ó ích

cosφ

 

= − ∆ = −

 

 

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



S

ơ

đồ

truy

ề

n t

ả

i

đ

i

ệ

n n

ă

ng t

ừ

A

đế

n B : T

ạ

i A s

ử

d

ụ

ng máy t

ă

ng áp

để

t

ă

ng

đ

i

ệ

n áp c

ầ

n truy

ề

n

đ

i.

Đế

n B s

ử

d

ụ

ng

máy h

ạ

áp

để

làm gi

ả

m

đ

i

ệ

n áp xu

ố

ng phù h

ợ

p v

ớ

i n

ơ

i c

ầ

n s

ử

d

ụ

ng (th

ườ

ng là 220V). khi

đ

ó

độ

gi

ả

m

đ

i

ệ

n áp :

∆

U =

IR = U

2A

– U

1B

, v

ớ

i U

2A

là

đ

i

ệ

n áp hi

ệ

u d

ụ

ng

ở

cu

ộ

n th

ứ

c

ấ

p c

ủ

a máy t

ă

ng áp t

ạ

i A, còn U

1B

là

đ

i

ệ

n áp

ở

đầ

u vào

cu

ộ

n s

ơ

c

ấ

p c

ủ

a máy bi

ế

n áp t

ạ

i B.



Quãng

đườ

ng truy

ề

n t

ả

i

đ

i

ệ

n n

ă

ng

đ

i xa so v

ớ

i ngu

ồ

n m

ộ

t kho

ả

ng là d thì chi

ề

u 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.

H

ướ

ng d

ẫ

n gi

ả

i:

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.

Khóa học Dòng điện xoay chiều và Dao động điện từ 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 -

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

đầ

u

2

2 1

1

N

U U 100V.

N

= =

Khi gi

ả

m n vòng dây cho cu

ộ

n th

ứ

c

ấ

p và t

ă

ng n vòng dây thì ta có

đ

i

ệ

n áp trên hai

đầ

u cu

ộ

n th

ứ

c

ấ

p l

ầ

n l

ượ

t là

2

2 1

12

2

22

2 1

1

N n

U U U

NN n 1

N 3n

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: Một máy biến áp có tỉ số vòng dây

=

1

2

N

5

N, hi

ệ

u su

ấ

t 96

%

%%

%

nh

ậ

n m

ộ

t công su

ấ

t 10 kW

ở

cu

ộ

n s

ơ

c

ấ

p và

hi

ệ

u th

ế

ở

hai

đầ

u s

ơ

c

ấ

p là 1 kV, h

ệ

s

ố

công su

ấ

t c

ủ

a m

ạ

ch th

ứ

c

ấ

p là 0,8. Tính giá tr

ị

c

ườ

ng

độ

dòng

đ

i

ệ

n

ch

ạ

y trong cu

ộ

n th

ứ

c

ấ

p.

Hướng dẫn giải:

G

ọ

i P

1

là công su

ấ

t c

ủ

a cu

ộ

n s

ơ

c

ấ

p, P

2

là công su

ấ

t

ở

cu

ộ

n th

ứ

c

ấ

p c

ủ

a máy bi

ế

n áp.

Theo bài ta có

2

2 1

1

P

0,96 P 0,96P 0,96.10 9,6 kW 9600W.

P

= → = = = =

Do v

ớ

i máy bi

ế

n áp ta luôn có

1 1 1

2

2 2

N U U 1000

5 U 200V.

N U 5 5

= = → = = =

T

ừ

đ

ó

2

2 2 2 2

2

P9600

P U I cos

φ

I 60A.

U cos

φ

200.0,8

= → = = =

V

ậ

y c

ườ

ng

độ

dòng

đ

i

ệ

n ch

ạ

y trong cu

ộ

n th

ứ

c

ấ

p c

ủ

a máy bi

ế

n áp là 60 A.

Ví d

ụ

3:

Đ

i

ệ

n n

ă

ng

ở

m

ộ

t tr

ạ

m phát

đ

i

ệ

n

đượ

c truy

ề

n

đ

i d

ướ

i

đ

i

ệ

n áp 2 kV, hi

ệ

u su

ấ

t trong quá trình truy

ề

n

t

ả

i là H = 80%. Mu

ố

n hi

ệ

u su

ấ

t trong quá trình truy

ề

n t

ả

i t

ă

ng

đế

n 95% thì ta ph

ả

i

A. t

ă

ng

đ

i

ệ

n áp lên

đế

n 4 kV. B. t

ă

ng

đ

i

ệ

n áp lên

đế

n 8 kV.

C. gi

ả

m

đ

i

ệ

n áp xu

ố

ng còn 1 kV. D. gi

ả

m

đ

i

ệ

n xu

ố

ng còn 0,5 kV.

Hướng dẫn giải:



Khi H = 80% thì công su

ấ

t hao phí là 20%



Khi H = 95% thì công su

ấ

t hao phí là 5%

T

ừ

đ

ó ta th

ấ

y,

để

∆

P gi

ả

m 4 l

ầ

n thì c

ầ

n ph

ả

i t

ă

ng U hai l

ầ

n, t

ứ

c là U = 4 kV.

Ví d

ụ

4: Ng

ườ

i ta c

ầ

n t

ả

i 1 công su

ấ

t 5 MW t

ừ

nhà máy

đ

i

ệ

n

đế

n m

ộ

t n

ơ

i tiêu th

ụ

cách nhau 5 km. Hi

ệ

u

đ

i

ệ

n

th

ế

cu

ộ

n th

ứ

c

ấ

p máy t

ă

ng th

ế

là U = 100 kV,

độ

gi

ả

m th

ế

trên

đườ

ng dây không quá 1% U.

Đ

i

ệ

n tr

ở

su

ấ

t các

dây t

ả

i là 1,7. 10–8 m. Ti

ế

t di

ệ

n dây d

ẫ

n ph

ả

i th

ỏ

a

đ

i

ề

u ki

ệ

n nào?

Hướng dẫn giải:

Ta có d = 5 km

⇒

ℓ

= 10 km = 10000 m.

Độ

gi

ả

m

đ

i

ệ

n th

ế

1 1000

U IR U 1 kV 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 d

ụ

5: Ng

ườ

i ta c

ầ

n truy

ề

n m

ộ

t công su

ấ

t

đ

i

ệ

n m

ộ

t pha 10000 kW d

ướ

i m

ộ

t hi

ệ

u

đ

i

ệ

n th

ế

hi

ệ

u d

ụ

ng 50 kV

đ

i

xa. M

ạ

ch

đ

i

ệ

n có h

ệ

s

ố

công su

ấ

t cos

φ

= 0,8. Mu

ố

n cho t

ỷ

l

ệ

n

ă

ng l

ượ

ng m

ấ

t trên

đườ

ng dây không quá 10%

thì

đ

i

ệ

n tr

ở

c

ủ

a

đườ

ng dây ph

ả

i có giá tr

ị

nh

ư

th

ế

nào?

Hướng dẫn giải:

Khóa học Dòng điện xoay chiều và Dao động điện từ 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 -

Công suất hao phí khi truyền là

( )

22

2

P P R

P R

UcosφU cos

φ

 

∆ = =

 

 

Theo bài thì

( ) ( )

2

0,1. Ucos

φ

P R

P 10%P P 0,1P 0,1P R P

U cosφ

∆ ≤ ⇔ ∆ ≤ ⇔ ≤ ⇔ ≤

Thay số ta được

(

)

2

3

0,1. 50.10 .0,8

R 16

.R 16..

10000.10

≤ = → ≤

Giáo viên : Đặng Việt Hùng

Nguồn : Hocmai.vn

Bài giảng Dòng điện xoay chiều - Bài 9: Máy biến áp, sự truyền tải điện năng

Chủ đề:

Tài liệu liên quan

Tài liêu mới

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Hỗ trợ

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi