Chuyên đề Vật lí 12 CTST Bài 2. Máy biến áp. Truyền tải điện năng có đáp án

Phải tăng điện áp trước khi truyền đi để giảm sự hao phí trên đường dây tải điện.

Để tăng điện áp ta sử dụng máy biến áp.

Từ thông qua một vòng dây của cuộn sơ cấp có biểu thức: Ф = Ф$_{o}$cosωt

Từ thông qua cuộn sơ cấp: ${\Phi _1} = {N_1}\Phi$

Do máy biến áp có lõi kín nên có thể coi mọi đường sức từ chỉ chạy trong lõi biến áp. Như vậy, từ thông qua mỗi vòng dây ở cuộn sơ cấp và thứ cấp là như nhau, nên từ thông trong cuộn dây thứ cấp là ${\Phi _2} = {N_2}\Phi$.

Theo định luật Faraday, ta có suất điện động cảm ứng sinh ra do sự biến thiên của từ thông qua cuộn sơ cấp và thứ cấp lần lượt là:

${e_1} = - \frac{{d{\Phi _1}}}{{dt}} = - {N_1}\frac{{d\Phi }}{{dt}} = {N_1}{\Phi _0}\omega \sin \omega t$ và ${e_2} = - \frac{{d{\Phi _2}}}{{dt}} = - {N_2}\frac{{d\Phi }}{{dt}} = {N_2}{\Phi _0}\omega \sin \omega t$

Từ đó, suy ra được: $\frac{{{e_1}}}{{{e_2}}} = \frac{{{N_1}}}{{{N_2}}}$ hay tỉ số giữa suất điện động của hai cuộn dây luôn không đổi và bằng với tỉ số giữa số vòng dây của hai cuộn dây đó.

Do tỉ số giữa các suất điện động tức thời là không đổi nên tỉ số giữa suất điện động hiệu dụng của hai cuộn dây cũng không thay đổi.

Ta có: $\frac{{{E_1}}}{{{E_2}}} = \frac{{{e_1}}}{{{e_2}}} = \frac{{{N_1}}}{{{N_2}}}$

Nếu bỏ qua điện trở (máy biến áp lí tưởng) của dây dẫn trong cuộn sơ cấp và thứ cấp thì có thể coi điện áp hiệu dụng ở hai đầu mỗi cuộn dây bằng suất điện động hiệu dụng tương ứng với chúng hay U$_{1}$ = E$_{1}$ và U$_{2}$ = E$_{2}$.

Từ biểu thức (3.1) suy ra: $\frac{{{E_1}}}{{{E_2}}} = \frac{{{U_1}}}{{{U_2}}} = \frac{{{N_1}}}{{{N_2}}}$.

Không thể dùng máy biến áp để thay đổi điện áp của dòng điện không đổi. Vì:

- Nguyên lí hoạt động của máy biến áp dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.

- Dòng điện không đổi không tạo ra từ thông biến thiên, nên không thể tạo ra hiện tượng cảm ứng điện từ.

- Khi có dòng điện chạy qua cuộn dây sơ cấp, tạo ra từ thông f biến thiên trong khung từ của máy, từ thông f chạy trong lõi thép từ gây ra trên cuộn thứ cấp một suất điện động cảm ứng và tạo ra điện áp U$_{2}$, trị số U$_{2}$ phụ thuộc vào số vòng dây cuộn thứ cấp.

- Vậy thay đổi số vòng dây trên cuộn thứ cấp ta có thể điều chỉnh được cường độ dòng điện hàn. Để thuận tiện cho việc điều chỉnh số vòng dây cuộn thứ cấp người ta lấy ra nhiều đầu dây và bố trí gắn trên các cọc bu lông dùng cầu nối để thay đổi số vòng dây trên cuộn thứ cấp tương ứng có dòng điện nhỏ đến lớn. Phạm vi điều chỉnh từ 70 V đến 240 V.

- Máy hàn xoay chiều hoạt động bằng cách sử dụng nguồn điện xoay chiều để tạo ra dòng điện chuyển đổi liên tục. Dòng điện này được đưa qua điểm tiếp xúc trên vật liệu cần hàn, tạo ra nhiệt độ cao và nung chảy vật liệu. Sau đó, các mảnh vật liệu được đưa lại gần nhau và kết nối lại với nhau để tạo thành mối hàn chắc chắn.

Từ công thức 2.4, một số phương án giảm công suất hao phí:

- Giảm công suất cần truyền tải

- Giảm điện trở dây dẫn

- Tăng điện áp hiệu dụng.

Cách làm giảm điện trở của đường dây lại tốn kém chi phí, gây nguy cơ mất an toàn trong vận hành, vì điện trở $r=ρ\frac{l}{S}$ nên muốn giảm điện trở thì phải tăng tiết diện S của dây, khi đó phải sử dụng dây dẫn có tiết diện lớn, tốn kém, phải xây dựng thêm các cột điện để nâng đỡ dây, mất an toàn.

Tăng điện áp hiệu dụng U ở nơi phát điện. Khi đó cần sử dụng máy tăng áp. Giả sử điện áp tăng 10 lần thì công suất hao phí giảm tới 100 lần, việc tăng điện áp nơi phát thông qua máy tăng áp sẽ hiệu quả hơn trong việc giảm công suất hao phí khi truyền tải điện năng.

Như vậy, để giảm công suất hao phí trên đường dây tải điện, cần sử dụng máy tăng áp tại nơi phát trước khi truyền tải và dùng các máy hạ áp trước khi phân phối điện đến nơi tiêu thụ (nhà máy, xí nghiệp, hộ gia đình).

Công suất hao phí ban đầu: ${{\rm{P}}_{hp1}} = \frac{{r{{\rm{P}}^2}}}{{U_1^2}}$

Công suất hao phí lúc sau: ${{\rm{P}}_{hp2}} = \frac{{r{{\rm{P}}^2}}}{{U_2^2}}$

Công suất hao phí trên đường dây giảm còn 1% công suất hao phí ban đầu nên:

$${{\rm{P}}_{hp2}} = 1\% {{\rm{P}}_{hp1}} \Leftrightarrow \frac{{r{{\rm{P}}^2}}}{{U_2^2}} = 0{,}01.\frac{{r{{\rm{P}}^2}}}{{U_1^2}} \Leftrightarrow {U_2} = \frac{{{U_1}}}{{\sqrt {0{,}01} }} = \frac{{4000}}{{\sqrt {0{,}01} }} = 40000\,V$$

Máy biến áp ở các trạm này là máy hạ áp. Vì điện áp tại nhà máy sản xuất điện rất lớn sau đó được tăng áp (lên đến hàng nghìn vôn) và đưa lên điện lưới quốc gia. Khi về đến nơi tiêu thụ cần phải hạ áp xuống để phù hợp với mục đích sử dụng, ví dụ như gia đình thường sử dụng điện áp 220 V.

Tác dụng của trạm biến áp:

Trạm biến áp cung cấp và điều phối điện năng từ sinh hoạt cho đến sản xuất, khu công nghiệp… Chức năng quan trọng nhất của trạm biến áp chính là biến đổi điện năng phù hợp với các hệ thống điện. Điều này sẽ giúp các hệ thống điện khi đi vào hoạt động sẽ truyền tải được điện năng tốt nhất.

Trạm biến áp sẽ vận hành đúng kỹ thuật và đặc thù thiết kế trước đó để truyền tải điện năng từ điện áp này sang điện áp khác bằng cách chuyển đổi điện năng thích hợp.

Nhiệm vụ cung cấp điện trực tiếp, an toàn cho điện sinh hoạt, điện nhà máy từ các trạm biến áp vô cùng quan trọng. Các khu công nghiệp có nhu cầu sử dụng nguồn điện lớn thường xây dựng hệ thống điện áp riêng. Khi xây dựng cần phải đảm bảo được các yếu tố như:

- Trạm biến áp có thể cung cấp điện ổn định và liên tục. Phải có phụ tải cho những sự cố về lưới điện.

- Thiết kế sơ đồ kết nối dây, kết cấu trạm biến áp chuyên nghiệp.

- Có chống sét, nối đất và đảm bảo an toàn khi vận hành cũng như khi xảy ra sự cố.

a) Cường độ dòng điện hiệu dụng: $I = \frac{{\rm{P}}}{U} = \frac{{{{20.10}^6}}}{{{{100.10}^3}}} = 200\,A$

b) Độ giảm thế: $\Delta U = I.r = 200.10 = 1000\,V$

c) Công suất hao phí: ${{\rm{P}}_{hp}} = r{I^2} = {10.200^2} = {4.10^5}W$

Công suất tại nơi tiêu thụ: ${{\rm{P}}_{tt}} = {\rm{P}} - {{\rm{P}}_{hp}} = {20.10^6} - {4.10^5} = {19{,}6.10^6}W$

d) Công suất hao phí: ${{\rm{P}}_{hp}} = r\frac{{{{\rm{P}}^2}}}{{{U^2}}} = 10.\frac{{{{\left( {{{20.10}^6}} \right)}^2}}}{{{{\left( {{{500.10}^3}} \right)}^2}}} = 16000W$