Bài 3: Máy Biến Áp | Chuyên đề học tập Vật lí 12 | Chuyên Đề 1: Dòng Điện Xoay Chiều - Lớp 12 - Kết Nối Tri Thức Với Cuộc Sống

Trang 14

I. MÁY BIẾN ÁP

Máy biến áp là thiết bị dùng để biến đổi điện áp xoay chiều mà không làm thay đối tần số của nó.

1. Cấu tạo

Máy biến áp có các bộ phận chính là hai cuộn dây có số vòng khác nhau quấn trên một lõi biến áp. Lõi biến áp thường làm bằng các lá sắt hoặc thép pha silic, ghép cách điện với
nhau và cách điện với các cuộn dây.

Các cuộn dây thường được làm bằng đồng có các vòng dây cách điện với nhau. Một trong hai cuộn dây được nối với nguồn điện xoay chiều, gọi là cuộn sơ cấp, có số vòng dây là , điện áp đầu vào kí hiệu . Cuộn dây còn lại được nối với tải tiêu thụ điện năng, gọi là cuộn thứ cấp, có số vòng dây là , điện áp đầu ra kí hiệu (Hình 3.1).

Hình 31. Sơ đồ cắu tạo chính của máy biến áp.

Cuộn sơ cấp

Lõi biến áp

Cuộn thứ cấp

Ngoài các bộ phận chính nêu trên, máy biến áp còn có các bộ phận khác như vỏ máy, bộ phận làm mát, chống sét,... (Hình 3.2). Trong các mạch điện xoay chiều, máy biến áp được kí hiệu như Hình 3.3.

Hình 3.2. Mô tả một số bộ phận của máy biến áp

Lõi biến áp.

Vỏ máy

Dây quấn

Hình 3.3. Kí hiệu máy biến áp trong sơ đồ mạch điện

Trang 15

Câu hỏi

Tại sao lõi biến áp không làm bằng sắt nguyên khối mà bằng các lá thép được ghép cách điện với nhau?

2. Nguyên tắc hoạt động

Nếu cường độ dòng điện xoay chiều trong mỗi vòng dây của cuộn sơ cấp là sẽ gây ra từ thông biến thiên trong cuộn sơ cấp là Φ_1 = N_1Φ, trong đó Φ là từ thông qua mỗi vòng dây cuộn sơ cấp.

Đo 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 Φ_2 = N_2Φ.

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:

và

Từ đó, suy ra được: 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: (3.1)

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 và .

Từ biểu thức (3.1) suy ra: 

Biểu thức (3.2) cho thấy tỉ số giữa số vòng dây cuộn thứ cấp và cuộn sơ cấp càng lớn thì sự thay đổi điện áp giữa đầu ra và đầu vào máy biến áp càng lớn.

- Nếu thì : máy hạ áp.

- Nếu thì : máy tăng áp.

Nếu hệ số công suất trong mạch thứ cấp và sơ cấp như nhau và bỏ qua hao phí điện năng trong máy biến áp (máy biến áp được coi là lí tưởng nên hao phí là không đáng kể) thì

công suất của dòng điện trong mạch sơ cấp và mạch thứ cấp có thế coi bằng nhau. Khi đó:

và từ (3.2) ta suy ra:

(3.4)

Biểu thức (3.3) cho thấy máy biến áp làm tăng điện áp lên bao nhiêu lần thì làm giảm cường độ dòng điện đi bấy nhiêu lần và ngược lại.

Trang 16

Câu hỏi

1. Từ thông qua một vòng dây của cuộn sơ cấp có biểu thức:

Vận dụng định luật Faraday về cảm ứng điện từ để chứng minh tỉ số giữa suất điện động hiệu dụng trong cuộn thứ cấp và cuộn sơ cấp bằng tỉ số giữa số vòng dây của hai cuộn đó.

2. Nêu nguyên tắc hoạt động của máy biến áp.

II. TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG

Điện năng truyền tải đi xa bị tiêu hao chủ yếu do toả nhiệt trên đường dây dẫn.

Dòng điện phát ra từ nhà máy điện có điện áp hiệu dụng U, được truyền đến nơi tiêu thụ trên đường dây.

Giả sử cường độ dòng điện hiệu dụng trên đường dây là I thì công suất điện phát ra từ nhà máy:

P = UI (3.5)

Nếu điện trở tổng cộng của dây dẫn là R thì công suất hao phí trên đường dây dẫn điện là:

ΔP = RI (3.6)

Từ biểu thức (3.5) và (3.6) ta suy ra được:

(3.7)

Với dây dẫn có điện trở suất là p thì điện trở trên dây dẫn là:

với l là chiều dài dây dẫn và S là tiết diện của dây dẫn.

Do đó, biểu thức (3.7) có thể viết dưới dạng:

(3.9)

Biểu thức (3.9) cho thấy, khi muốn truyền tải một công suất điện P không đổi từ nhà máy đến nơi tiêu thụ thì có một số phương án giảm công suất hao phí ΔP như sau:

a) Giảm khoảng cách truyền từ nhà máy đến nơi tiêu thụ.

b) Sử dụng dây dẫn có điện trở suất nhỏ như đồng, nhôm,...

c) Tăng tiết diện dây dẫn.

d) Tăng điện áp hiệu dụng ở nhà máy phát điện khi đưa lên đường dây dẫn và giảm điện áp hiệu dụng ở nơi tiêu thụ tới giá trị cần thiết.

Hoạt động

1. Hãy giải thích tại sao trong thực tế truyền tải điện năng đi xa người ta thường chỉ sử dụng phương án b và d.

2. Thảo luận để đánh giá vai trò của máy biến áp trong việc giảm hao phí năng lượng điện khi truyền tải điện năng đi xa.

3. Nêu ưu điểm của dòng điện và điện áp xoay chiều trong truyền tải năng lượng điện về phương diện khoa học và kinh tế.

Trang 17

EM CÓ BIẾT

Điện áp ở đầu ra của nhà máy phát điện thường vào khoảng 10 ÷ 25 kV. Trước khi truyền tải điện năng đi xa, người ta sử dụng máy biến áp để tăng điện áp này đến giá trị khoảng 110 ÷ 500 kV. Trong phân phối điện năng, cần sử dụng nhiều máy biến áp đặt ở các trạm điện khác nhau để hạ điện áp xuống mức phù hợp với nơi sử dụng.  Ở nước ta, mức điện áp cuối cùng dùng trong các gia đình, văn phòng là 220 V (Hình 3.4).

Hình 3.4. Minh hoạ một sơ đồ truyền tải và phân phối đện năng

Đường truyền cao áp 500, 345, 230, 138 kV.

Nhà máy điện

Trạm tăng áp.

Trạm hạ áp

Câu hỏi

Trong truyền tải điện năng đi xa, dòng điện xoay chiều có ưu điểm gì so với dòng điện một chiều?

EM ĐÃ HỌC

• Máy biến áp có cấu tạo gồm bộ phận chính là hai cuộn dây có số vòng khác nhau được quấn cách điện với nhau trên lõi sắt kín. Nguyên tắc hoạt động của máy biến áp dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Dòng điện xoay chiều chạy trong cuộn sơ cấp sẽ gây ra từ thông biến thiên trong hai cuộn dây tạo ra điện áp khác nhau giữa hai đầu mỗi cuộn dây.

• Sử dụng máy biến áp trong truyền tải dòng điện xoay chiều giúp giảm hao phí trên đường dây, giảm chI phí và tăng hiệu suất truyền tải điện năng đi xa.

Trang 18

EM CÓ THỂ

• Mô tả được cấu tạo, vai trò và nguyên tắc hoạt động của máy biến áp trong truyền tải điện năng đi xa.

• Đánh giá được lợi ích về phương diện kinh tế khi sử dụng máy biến áp trong hệ thống truyền tải điện năng.

EM CÓ BIẾT

Vào thế kỉ XIX đã chứng kiến cuộc tranh luận lớn giữa hai nhà bác học nối tiếng là Thomas Edison (Tô-mát Ê-đi-xơn) và Nikola Tesla (Ni-cô-la Tét-xla) về lựa chọn dòng điện một chiều hoặc dòng điện xoay chiều đế truyền tải đi xa.

Thomas Edison cho rằng dòng điện một chiều là cách tốt nhất để truyền tải và ông đã thành công truyền tải điện từ trạm điện đầu tiên của ông đế bán cho 82 khách hàng vào ngày 4 tháng 9 năm 1882 tại phố Pearl, khu Manhattan, New York, Mỹ. Trong khi đó, Nikola Tesla lại ủng hộ truyền tải dòng điện xoay chiều đi xa vì có ưu thế về mặt kinh tế. Truyền tải dòng điện không đổi ở điện áp thấp sẽ an toàn hơn, nhưng hao phí lớn và nếu truyền tải dòng điện xoay chiều ở điện áp cao sẽ giảm hao phí nhưng lại gây nguy hiểm ở nơi sử dụng. Chính máy biến áp là chìa khóa giúp giải quyết các vấn đề truyền tải điện năng đi xa. Do đó, dòng điện xoay chiều hiện nay được sử dụng trong truyền tải điện năng đi xa.