Bài 2. Máy biến áp. Truyền tải điện năng - Chuyên đề học tập Lí 12 Chân trời sáng tạo

Câu hỏi tr 14 CHMĐ

Dòng điện xoay chiều tại nơi tiêu thụ (nhà máy, xí nghiệp, hộ gia đình,…) thường có điện áp hiệu dụng khoảng 380V hoặc 220V. Tuy nhiên tại nơi sản xuất điện (nhà máy điện), điện áp được tăng lên rất lớn (220 kV hoặc 500 kV) trước khi truyền tải đi xa (Hình 2.1). Tại sao lại phải tăng điện áp trước khi truyền tải điện năng đi xa, làm thế nào để có thể tăng được điện áp của dòng điện xoay chiều?

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết về máy biến áp và truyền tải điện năng đi xa

Lời giải chi tiết:

Phải tăng điện áp trước khi truyền tải điện năng đi xa vì:

+ Để giảm tổn thất điện năng.

+ Để giảm chi phí truyền tải điện năng.

+ Để nâng cao hiệu quả truyền tải điện năng.

Để có thể tăng được điện áp của dòng điện xoay chiều ta sử dụng máy biến áp. Máy biến áp là thiết bị điện được sử dụng để thay đổi điện áp của dòng điện xoay chiều, hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ.

+ Gồm hai cuộn dây quấn quanh một lõi thép, khi có dòng điện xoay chiều đi qua cuộn dây sơ cấp, sẽ tạo ra từ trường biến thiên trong lõi thép, từ trường này sẽ cảm ứng ra điện áp ở cuộn dây thứ cấp.

+ Mà tỷ số điện áp giữa cuộn dây thứ cấp và cuộn dây sơ cấp phụ thuộc vào tỷ số số vòng của hai cuộn dây.

+ Tăng tỷ số số vòng của cuộn dây thứ cấp so với cuộn dây sơ cấp sẽ giúp tăng điện áp của dòng điện xoay chiều.

Câu hỏi tr 14 CH

Nối nguồn điện (220V – 50Hz) với một máy biến áp dùng trong phòng thí nghiệm có điện áp ở đầu ra dưới 18 V. Dùng đồng hồ đo điện đa năng hiện số (có chức năng đo tần số) đo điện áp và tần số ở đầu ra của máy biến áp, so sánh với điện áp và tần số của nguồn điện.

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết về máy biến áp và truyền tải điện năng đi xa

Lời giải chi tiết:

- Chuẩn bị dụng cụ:

+ Máy biến áp dùng trong phòng thí nghiệm,

+ Nguồn điện 220 V-50Hz

+ Dây dẫn điện

+ Đồng hồ đo điện đa năng hiện số (đo được cả tần số và điện áp)

- Tiến hành:

+ Bước 1: Chuẩn bị dụng cụ thí nghiệm: kiểm tra kĩ các dụng cụ thí nghiệm xem có hoạt động bình thường không. Đọc kĩ hướng dẫn sử dụng của các dụng cụ thí nghiệm.

+ Bước 2: Kết nối mạch điện: Cắm hai dây nối của que đo vào đồng hồ điện đa năng, sau đó cắm hai đầu kim nhọn của hai dây nối vào hai lỗ cắm đầu ra của biến áp nguồn.

+ Bước 3: Bật nguồn điện xoay chiều sau đó đọc giá trị và ghi lại kết quả.

+ Bước 4: Lặp lại bước 3 hai lần.

+ Bước 5: Tắt biến áp nguồn và rút phích cắm khỏi ổ điện. Tắt đồng hồ đo.

- Sau khi đo được thì ghi chép cẩn thận và so sánh kết quả mà mình đo được.

Câu hỏi tr 15 CH 1

Từ biểu thức từ thông qua mỗi vòng dây $ϕ = ϕ_{0} \cos ω t$ , hãy chứng minh biểu thức: $\frac{E_{1}}{E_{2}} = \frac{U_{1}}{U_{2}} = \frac{N_{1}}{N_{2}}$ .

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết về máy biến áp và truyền tải điện năng đi xa

Lời giải chi tiết:

Ta có: $e_{C} = - \frac{Δ ϕ}{Δ t}$ nên e_C tỉ lệ thuận với $ϕ$ hay suất điện động tỉ lệ thuận với từ thông.

Mà $ϕ = N B S \cos (ω t + φ)$ nên từ thông tỉ lệ thuận với số vòng dây.

$\to \frac{E_{1}}{E_{2}} = \frac{N_{1}}{N_{2}}$

Lại có $U_{1} = E_{1}; U_{1} = E_{2}$ (nếu bỏ qua điện trở cuộn sơ cấp và thứ cấp).

Ta được: $\to \frac{U_{1}}{U_{2}} = \frac{N_{1}}{N_{2}}$

Từ đó chứng minh được biểu thức trên: $\frac{E_{1}}{E_{2}} = \frac{U_{1}}{U_{2}} = \frac{N_{1}}{N_{2}}$

Câu hỏi tr 15 CH 2

Có thể dùng máy biến áp để thay đổi điện áp của dòng điện không đổi hay không? Giải thích.

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết về máy biến áp và truyền tải điện năng đi xa

Lời giải chi tiết:

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

- Máy biến áp hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Nguyên lý này chỉ áp dụng cho dòng điện xoay chiều, vì chỉ có dòng điện xoay chiều mới tạo ra từ trường biến thiên theo thời gian nên xuất hiện dòng điện cảm ứng.

- Dòng điện không đổi không tạo ra từ trường biến thiên nên trong cuộn dây không xuất hiện dòng điện cảm ứng.

Câu hỏi tr 15 LT

Một máy hạ áp có số vòng dây cuộn sơ cấp là 2000 vòng được nối vào dòng điện xoay chiều có điện áp hiệu dụng là 220 V. Biết điện áp hiệu dụng ở cuộn thứ cấp là 100 V, tính số vòng dây cuộn thứ cấp.

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết về máy biến áp và truyền tải điện năng đi xa

Lời giải chi tiết:

Số vòng dây cuộn thứ cấp là: $\frac{U_{1}}{U_{2}} = \frac{N_{1}}{N_{2}} \to N_{1} = \frac{100.2000}{220} = 909$ vòng

Câu hỏi tr 16 VD

Hàn điện xoay chiều là phương pháp hàn kim loại với nhau bằng cách tạo ra dòng điện rất lớn, từ đó làm nóng chảy hai miếng kim loại cần hàn tại chỗ tiếp xúc. Căn cứ Hình 2.5, hãy giải thích nguyên lí hàn điện xoay chiều.

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết về máy biến áp và truyền tải điện năng đi xa

Lời giải chi tiết:

Hàn điện xoay chiều là thiết bị sử dụng dòng điện xoay chiều để tạo ra hồ quang điện, giúp nung chảy kim loại và tạo mối hàn. Điện trở của dòng điện tạo nên nhiệt lượng cần thiết để nung chảy các vật liệu tạo ra mối hàn chắc chắn.

Nguyên lí: Khi que hàn tiếp xúc với vật liệu hàn, một tia lửa điện được tạo bởi sự tiếp xúc kim loại và điện áp cao. Từ đó tạo ra hồ quang điện. Nhiệt độ của hồ quang điện rất cao nên kim loại ở khu vực hồ quang điện bị nung chảy và tạo ra mối hàn.

Câu hỏi tr 16 CH 1

Nêu các cách làm giảm công suất hao phí trên đường dây từ công thức (2.4). Tại sao làm giảm điện trở của đường dây lại tốn kém chi phí, gây nguy cơ mất an toàn trong vận hành?

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết về máy biến áp và truyền tải điện năng đi xa

Lời giải chi tiết:

Các cách làm giảm công suất hao phí trên đường dây từ công thức (2.4) là:

Cách 1: Giảm điện trở r của đường dây truyền tải. Giảm r bằng cách:

+ Thay dây có điện trở suất nhỏ hơn

+ Tăng tiết diện dây tải dẫn.

Cách 2: Tăng điện áp hiệu dụng U ở nơi phát điện cần sử dụng máy tăng áp.

Làm giảm điện trở của đường dây lại tốn kém chi phí, gây nguy cơ mất an toàn trong vận hành vì: tốn kém chi phí

- Sử dụng dây dẫn có tiết diện lớn hơn ( làm từ các vật liệu như đồng, nhôm,..) giá thành cao hơn so với dây dẫn thông thường.

- Việc lắp đặt thi công đối với dây dẫn có tiết diện lớn cũng phức tạp và tốn kém hơn.

Câu hỏi tr 16 CH 2

Tại sao làm giảm công suất hao phí trên dây bằng cách sử dụng máy tăng áp tại nơi phát lại hiệu quả, tiết kiệm chi phí và an toàn hơn trong truyền tải điện năng?

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết về máy biến áp và truyền tải điện năng đi xa

Lời giải chi tiết:

Làm giảm công suất hao phí trên dây bằng cách sử dụng máy tăng áp tại nơi phát lại hiệu quả, tiết kiệm chi phí và an toàn hơn trong truyền tải điện năng vì:

- Giảm cường độ dòng điện: Khi sử dụng máy tăng áp, điện truyền tải sẽ được tăng lên, thì cường độ dòng điện sẽ giảm đi ( cường độ dòng điện tỉ lệ nghịch với điện áp hiệu dụng) theo công thức (2.4) trên cùng một công suất cần truyền tải ở nơi phát điện.

- Tiết kiệm dây dẫn: khi cường độ dòng điện giảm thì tiết diện dây dẫn cần thiết để truyền tải điện năng cũng sẽ giảm.

- Giảm tổn thất điện năng: Nhờ giảm hao phí điện năng nên sẽ giúp tiết kiệm chi phí vận hành hệ thống điện.

Câu hỏi tr 17 LT

Giả sử truyền một công suất điện 2 MW từ nhà máy điện với điện áp nơi phát là 4 kV. Để công suất hao phí trên đường dây giảm còn 1% công suất hao phí ban đầu thì cần tăng điện áp ở nơi phát lên giá trị bao nhiêu?

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết về máy biến áp và truyền tải điện năng đi xa

Lời giải chi tiết:

Để công suất hao phí trên đường dây giảm còn 1% công suất hao phí ban đầu thì cần tăng điện áp ở nơi phát lên giá trị là:

$\frac{P_{h p}}{99 % P_{h p}} = \frac{r \frac{P^{2}}{u^{2}}}{r \frac{P^{2}}{u^{' 2}}} \to \frac{1}{99 %} = \frac{u^{' 2}}{u^{2}} \to \frac{1}{99 %} = \frac{u^{' 2}}{{({4.10}^{3})}^{2}} \to u^{'} = 4029, 15 V$

Câu hỏi tr 17 VD

Ở các thành phố và đô thị lớn, các trạm biến áp thường được đặt trên vỉa hè đường phố để ngầm hoá lưới điện (Hình 2.7). Máy biến áp ở các trạm này là máy tăng áp hay hạ áp? Giải thích?

Tìm hiểu trên sách, báo, internet,…em hãy trình bày ngắn gọn tác dụng của các trạm biến áp này.

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết về máy biến áp và truyền tải điện năng đi xa

Lời giải chi tiết:

Máy biến áp ở các trạm biến áp đặt trên vỉa hè đường phố là máy hạ áp.

Giải thích: Điện được truyền tải từ các nhà máy điện đến các trạm biến áp trung thế bằng đường dây điện cao thế với điện áp rất cao. Tại các trạm biến áp trung thế, điện áp cao thế được hạ xuống điện áp trung thế bằng máy hạ áp. Sau đó sẽ được phân phối đến các trạm biến áp hạ thế đặt trên vỉa hè đường phố, từ đó cung cấp điện đến các hộ gia đình.

Tác dụng của các trạm biến áp này: có vai tò quan trọng trong việc hạ điện áp cao thế xuống điện áp phù hợp cho các phụ tải dân dụng và công nghiệp, đảm bảo an toàn và tiết kiệm chi phí cho hệ thống điện.

Câu hỏi tr 17 CH

Hãy giải thích vì sao dòng điện không đổi khó có thể truyền tải đi xa

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết về máy biến áp và truyền tải điện năng đi xa

Lời giải chi tiết:

Việc truyền tải dòng điện không đổi đi xa gặp nhiều khó khăn hơn so với dòng điện xoay chiều do một số lý do sau:

- Hao phí điện năng trên đường dây:

+ Hao phí Joule: Khi truyền tải dòng điện không đổi, hao phí Joule trên đường dây tỷ lệ thuận với bình phương cường độ dòng điện (I^2) và điện trở dây dẫn (R). Do đó, khi truyền tải dòng điện không đổi với cùng một công suất, hao phí Joule sẽ cao hơn so với truyền tải dòng điện xoay chiều.

+ Hao phí cảm ứng: Dòng điện không đổi không tạo ra từ trường biến thiên, do đó không có hao phí cảm ứng trên đường dây. Tuy nhiên, trong thực tế, do sự tồn tại của điện dung và cảm kháng parazit trên đường dây, vẫn có một lượng hao phí cảm ứng nhỏ.

- Hiệu điện thế:

+ Suy giảm điện áp: Khi truyền tải dòng điện không đổi trên đường dây dài, điện áp sẽ giảm dần do hao phí Joule. Để đảm bảo điện áp tại điểm cuối đường dây đủ cao, cần phải sử dụng máy biến áp nâng cao điện áp ở điểm đầu đường dây. Tuy nhiên, việc sử dụng máy biến áp cũng dẫn đến một số hao phí nhất định.

+ Giới hạn điện áp: Điện áp truyền tải quá cao có thể gây nguy hiểm cho con người và thiết bị. Do đó, có giới hạn về điện áp truyền tải cho phép. Việc truyền tải dòng điện không đổi với cùng một công suất thường đòi hỏi điện áp cao hơn so với truyền tải dòng điện xoay chiều, dẫn đến nguy cơ vượt quá giới hạn điện áp cho phép.

- Hiệu quả:

+ Hiệu suất truyền tải: Hiệu suất truyền tải của dòng điện không đổi thường thấp hơn so với dòng điện xoay chiều do hao phí Joule cao hơn và giới hạn điện áp.

+ Chi phí: Việc truyền tải dòng điện không đổi đòi hỏi sử dụng máy biến áp và các thiết bị khác phức tạp hơn, dẫn đến chi phí đầu tư và vận hành cao hơn so với truyền tải dòng điện xoay chiều.

Bài tập Bài 1

Cuộn sơ cấp của một máy biến áp được nối với mạng điện xoay chiều có điện áp hiệu dụng 380 V. Khi đó, cuộn thứ cấp có điện áp hiệu dụng và cường độ dòng điện hiệu dụng lần lượt là 20V và 1,5A. Biết số vòng dây cuộn thứ cấp là 20 vòng. Tính số vòng dây và cường độ dòng điện hiệu dụng chạy qua cuộn sơ cấp. Bỏ qua hao phí điện năng trong máy biến áp.

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết về máy biến áp và truyền tải điện năng đi xa

Lời giải chi tiết:

Lời giải chi tiết

Cuộn sơ cấp: U₁ = 380 V

Cuộn thứ cấp: U₂ = 20 V; I₂ = 1,5 A; N₂ = 20 vòng.

Ta có: $\frac{I_{2}}{I_{1}} = \frac{U_{1}}{U_{2}} = \frac{N_{1}}{N_{2}} \to \frac{1, 5}{I_{1}} = \frac{380}{20} = \frac{N_{1}}{20} \to I_{1} = 0, 08 A \to N_{1} = 380$

Bài tập Bài 2

Một nhà máy thuỷ điện nhỏ có công suất truyền tải điện là 20 MW. Giả sử nhà máy sử dụng một máy tăng áp với điện áp hiệu dụng nơi phát là 100 kV. Bỏ qua hao phí điện năng trong máy biến áp. Biết đường dây tải điện có điện trở là $10 Ω$ .

a) Tính cường độ dòng điện hiệu dụng trên đường dây tải điện.

b) Tính độ giảm điện áp trên đường dây tải điện.

c) Tính công suất hao phí trên đường dây và công suất tại nơi tiêu thụ.

d) Thay máy tăng áp trên bằng máy tăng áp có điện áp hiệu dụng đầu ra là 500 kV. Tính công suất hao phí trên đường dây.

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết về máy biến áp và truyền tải điện năng đi xa

Lời giải chi tiết:

a) Cường độ dòng điện hiệu dụng trên đường dây tải điện là:

$P = U I \to {20.10}^{6} = {100.10}^{3} . I \to I = 200 A$

b) Độ giảm điện áp trên đường dây tải điện là:

$Δ U = I . R = 200.10 = 2000 V$

c) Công suất hao phí trên đường dây là:

$P_{h p} = I^{2} R = 200^{2} .10 = {4.10}^{5} W$

Công suất tại nơi tiêu thụ là:

$P_{t t} = P - P_{h p} = {20.10}^{6} - {4.10}^{5} = {196.10}^{5} W$

d) Điện áp hiệu dụng đầu ra là 500 kV

$I = \frac{P}{U} = \frac{{20.10}^{6}}{{500.10}^{3}} = 40 A$

Công suất hao phí là: $P_{h p} = I^{2} R = 40^{2} .10 = 16000 W$