BÀI 16. TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG. MÁY BIẾN ÁP.

1. Máy biến áp
2. Định nghĩa:

Máy biến áp là những thiết bị có khả năng biến đổi điện áp của dòng điện xoay chiều mà không làm thay đổi tần số của chúng.

• Máy biến áp không làm thay đổi giá trị tần số của dòng điện xoay chiều.
• Máy biến áp không biến đổi điện áp của dòng điện một chiều.

2. Cấu tạo gồm hai phần:

Phần 1: Lõi thép (lõi biến áp).

• Được ghép từ các tấm sắt non có pha silic mỏng song song và cách điện với nhau.(để chống lại dòng Phuco)

Phần 2: Cuộn dây:   Gồm hai cuộn dây dẫn có điện trở rất nhỏ và độ tự cảm lớn quấn trên hai cạnh đối diện của khung gọi là cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp:

-Cuộn sơ cấp gồm N₁ vòng dây quấn quanh lõi thép và được nối với nguồn điện xoay chiều.

-Cuộn thứ cấp gồm N₂ vòng dây quấn quanh lõi thép và được nối với các tải tiêu thụ điện năng.

3. Nguyên tắc hoạt động:
   • Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.

-Từ thông qua mỗi vòng dây của cuộn sơ cấp và của cuộn thứ cấp là như nhau, vì mọi đường sức từ do dòng điện ở cuộn sơ cấp gây ra đều đi qua cuộn thứ cấp.

+Gọi từ thông qua một vòng dây của cuộn sơ cấp là Φ = Φ₀cos(ωt) thì từ thông qua cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp:

\left\{ \begin{matrix} {{\phi }_{1}}={{N}_{1}}{{\phi }_{0}}\cos \omega t \\ {{\phi }_{2}}={{N}_{2}}{{\phi }_{0}}\cos \omega t \\ \end{matrix} \right.\Rightarrow trong cuộn thứ cấp xuất hiện suất điện động cảm ứng {{e}_{2}} {{e}_{2}}=-\frac{d{{\phi }_{2}}}{dt}={{N}_{2}}\omega {{\phi }_{0}}\sin \omega t

+Vậy: Khi máy biến áp làm việc thì trong cuộn thứ cấp xuất hiện dòng điện xoay chiều có cùng tần số với dòng điện ở cuộn sơ cấp.

II.Công thức của máy biến áp.

Gọi N₁, N₂ là số vòng của cuộn sơ cấp và thứ cấp.

Gọi U₁, U₂ là điện áp 2 đầu cuộn sơ cấp và thứ cấp.

Gọi I₁, I₂ là cường độ hiệu dụng của dòng điện chạy trong cuộn sơ cấp và thứ cấp.

1.Máy biến áp lý tưởng: Là máy hầu như không hao tổn điện năng trong máy.

\frac{{{N}_{2}}}{{{N}_{1}}}=\frac{{{U}_{2}}}{{{U}_{1}}} (*)

+Nếu N₂ > N₁  U₂ > U₁ : gọi là máy tăng áp.

+Nếu N₂ < N₁  U₂ < U₁ : gọi là máy hạ áp.

-Công suất ở 2 đầu cuộn thứ cấp và sơ cấp như nhau.  P₁ = P₂ ⇒ U₁I₁ = U₂I₂ (**)

-Từ (*) và (**) ta có: \frac{{{U}_{1}}}{{{U}_{2}}}=\frac{{{N}_{1}}}{{{N}_{2}}}=\frac{{{I}_{2}}}{{{I}_{1}}}

Kết luận: Dùng máy biến áp tăng điện áp lên bao nhiêu lần thì cường độ dòng điện giảm bấy nhiêu lần và ngược lại.

Chú ý: Công thức (*) luôn được áp dụng cho máy biến áp, còn công thức (**) chỉ được áp dụng khi hao phí không đáng kể hoặc hai đầu cuộn thứ cấp để hở (máy biến áp ở chế độ không tải).

2.Ứng dụng của máy biến áp

-Dùng để truyền tải điện năng đi xa.

-Nấu chảy kim loại, hàn điện.

III. Bài toán truyền tải điện năng.

1.Công suất hao phí trên đường dây truyền tải

+Công suất cần truyền tải điện năng P = UIcosφ  (1)

Trong đó P là công suất phát từ nhà máy, U là điện áp hiệu dụng ở hai cực của máy phát, I là cường độ dòng điện trên dây dẫn truyền tải, cosφ là hệ số công suất (thường cosφ = 1).

+Đặt ΔP = I²R là công suất hao phí trên đường dây,(1)\Rightarrow I=\frac{P}{U\cos \varphi }\Rightarrow \Delta P={{\left( \frac{P}{U\cos \varphi } \right)}^{2}}R=\frac{{{P}^{2}}R}{{{U}^{2}}{{\cos }^{2}}\varphi }

với R là điện trở đường dây.

Vậy: Nếu tăng điện áp nơi phát lên n lần thì công suất hao phí giảm đi n² lần.

2.Phương án giảm công suất hao phí.

Phương án 1 : Giảm R.

+Do R=\rho \frac{\ell }{S} nên để giảm R thì cần phải tăng tiết diện S của dây dẫn. Phương án này không khả thi do tốn kém kinh tế.

Phương án 2 : Tăng U.

+Bằng cách sử dụng máy biến áp, tăng điện áp U trước khi truyền tải đi thì công suất tỏa nhiệt trên đường dây sẽ được hạn chế. Phương án này khả thi hơn vì ít tốn kém, và thường được sử dụng trong thực tế.

Chú ý:

* Công thức tính điện trở của dây dẫn R=\rho \frac{\ell }{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 (công suất nơi tiêu thụ) {{P}_{tt}}=P-\Delta P=P-\frac{{{P}^{2}}R}{{{(U\cos \varphi )}^{2}}}

Từ đó hiệu suất của quá trình truyền tải điện năng là H=\frac{{{P}_{tt}}}{P}=\frac{P-\Delta P}{P}=1-\frac{\Delta P}{P}=1-\frac{P.R}{{{(U\cos \varphi )}^{2}}}

* Sơ đồ truyền tải điện năng từ A đến B : Tại A sử dụng máy tăng áp để tăng điện áp cần truyền đi. Đến B sử dụng máy hạ áp để làm giảm điện áp xuống phù hợp với nơi cần sử dụng (thường là 220 V). khi đó độ giảm điện áp là U = IR = U_2A – U_1B, với U_2A là điện áp hiệu dụng ở cuộn thứ cấp của máy tăng áp tại A, còn U_1B là điện áp ở đầu vào cuộn sơ cấp của máy biến áp tại B.

* Quãng đường truyền tải điện năng đi xa so với nguồn một khoảng là d thì chiều dài dây là ℓ = 2d