Bài 4: Máy biến áp – Truyền tải điện năng

Qua bài này, các em sẽ được làm quen với các kiến thức hoàn toàn mới liên quan đến Truyền tải điện năng và máy biến áp, các em cần phải nắm được : 

• Khái niệm của truyền tải điện năng

• Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của máy biến áp.

• Những ứng dụng vô cùng quan trọng của máy biến áp trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta.

Hôm nay chúng ta qua bài số 4 của chuyên đề Dòng điện xoay chiều.

Bữa trước chúng ta đã kết thúc dạng bài tập cuối cùng là dạng Độ lệch pha - Giản đồ vecto. Bữa nay chúng ta tìm hiểu một cái mới của chuyên đề dòng điện xoay chiều là Máy biến áp - Truyền tải điện năng.

Đầu tiên chúng ta sẽ xét máy biến áp là gì? Khi truyền tải điện năng thì cần như thế nào cho hợp lí nhất? Cần thay đổi, điều chỉnh những đại lượng nào cho hợp lí?

* Máy biến áp
+ Định nghĩa: Là thiết bị biến đổi điện áp của dòng điện xoay chiều mà không làm thay đổi tần số.
+ Nguyên tắc hoạt động: dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.
+ Cấu tạo: Gồm 2 cuộn dây có số vòng khác nhau quấn trên lõi thép. Lõi thép gồm nhiều lá thép mỏng ghép cách điện với nhau. Cuộn nối với nguồn gọi là cuôn sơ cấp, cuộn nối với tải tiêu thụ gọi là cuộn thứ cấp.

Ta có: \(\ell _1 = N_1. \phi \Rightarrow \ell_2 = N_2.\phi\)
\(\Rightarrow \frac{E_1}{E_2} = \frac{N_1}{N_2} \Rightarrow \frac{U_1}{U_2} = \frac{N_1}{N_2}\)
+ Nếu N₁ > N₂ ⇒ U₁ > U₂: Máy hạ áp
+ Nếu N₁ < N₂ ⇒ U₁ < U₂: Máy tăng áp
* Máy biến áp lý tưởng:
P₁ = P₂
Thường \(\cos \varphi_1 = \cos \varphi_2\)
\(U_1I_1\cos \varphi_1 = U_2I_2\cos \varphi_2 \Rightarrow U_1I_1 = U_2I_2\)
\(\Rightarrow \frac{U_1}{U_2} = \frac{I_1}{I_2}\)

* Truyền tải điện năng
+ Công suất truyền tải: \(P = UI\cos \varphi\)
+ Điện áp hai đầu đường dây: U
+ Điện áp nơi tiêu thụ: U'
⇒ Độ giảm thế: U - U' = RI
+ Công suất hao phí (tỏa nhiệt):
\(\Delta P = RI^2 = R.\frac{P^2}{U^2 \cos \varphi }\)
⇒ Để giảm \(\Delta P\) ⇒ Giảm R hoặc tăng U
• Giảm R \(\left ( A = \rho \frac{\ell}{S} \right )\): không thực tế
• Tăng U: thực tế (đang thực hiện)
(Nếu tăng U lên n lần thì \(\Delta P\)giảm n² lần)
* Hiệu suất: \(H = \frac{P_i}{P} = \frac{P - \Delta P}{P} = 1 - \frac{\Delta P}{P}\)

VD1: Một máy biến áp lý tưởng có số vòng cuộn sơ cấp bằng 2400 vòng , số vòng cuộn thứ cấp bằng 600 vòng. Nối cuộn sơ cấp với điện áp xoay chiều có giá trị hiệu dụng U₁ thì điện áp hai đầu cuộn thứ cấp để hở bằng 50V. Tìm U₁?
Giải:
\(\left\{\begin{matrix} N_1 = 2400\\ N_2 = 600\\ U_2 = 50V \end{matrix}\right. \Rightarrow \frac{N_1}{N_2} = \frac{U_1}{U_2} \Rightarrow U_1 = U_2. \frac{N_1}{N_2}\)
\(\Rightarrow U_1 = 50.\frac{2400}{600} = 200V\)

VD2: Người ta truyền tải dòng điện xoay chiều có công xuất P từ nhà máy điện đến nơi tiêu thụ. Khi điện áp hai đầu đường dây bằng 6kV thì hiệu suất bằng 73%; để hiệu suất bằng 97% thì cần tăng thêm điện áp ở ahi đầu đường dây 1 lượng bao nhiêu? Coi hệ số công suất \(\cos \varphi\) bằng 1.
Giải:
Công suất P
U = 6kV → H = 73%
\(H' = 97\% \Rightarrow \Delta U = U' - U = \ ?\)
Ta có: \(H = 1 - \frac{\Delta P}{P} = 73\% \Rightarrow \Delta P = 0,27.P\)
\(H' = 1 - \frac{\Delta P'}{P} = 97\% \Rightarrow \Delta P' = 0,03.P\)
Mà: \(\Delta P = R.\frac{P^2}{U^2\cos ^2 \varphi } = R.\frac{P^2}{U^2}\)
\(\Rightarrow \frac{\Delta P}{\Delta P'} = \frac{U'^2}{U^2} = 9 \Rightarrow U' = 3U = 18kV\)
\(\Rightarrow \Delta U = U' - U = 18 - 6 = 12kV\)