skkn một số kiến giải về máy biến áp, các dạng bài tập về máy biến áp và sự truyền tải điện năng. thpt vĩnh lộc

- Gọi N1, N2 là số vòng dây của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp xem hình bên - Khi nối cuộn sơ cấp với mạch điện xoay chiều có hiệu điện thế hiệu dụng U1, dòng điện xoay chiều i1,trong cuộ

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ

TRƯỜNG THPT VĨNH LỘC

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM MỘT SỐ KIẾN GIẢI VỀ MÁY BIẾN ÁP, CÁC DẠNG BÀI TẬP VỀ MÁY BIẾN ÁP VÀ

SỰ TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG

Người thực hiện: Lê Thị Hoa

Chức vụ: Giáo viên

Sáng kiến kinh nghiệm thuộc môn: Vật Lý

I Tóm tắt sơ lược lý thuyết về máy biến áp và

truyền tải điện năng 2 II Một

số kiến giải liên quan đến máy biến áp

một chiếc pin được không

5 III Các dạng bài tập về máy biến áp và

truyền tải điện năng 6

1 Bài toán về máy biến áp

PHẦN I: MỞ ĐẦU

I Lý do chọn đề tài

Vật lý phổ thông có vai trò quan trọng trong việc hìnhthành và phát triển tư duy học sinh Trong quá trình dạyhọc người thầy luôn phải đặt ra cái đích đó là giúp họcsinh nắm được kiến thức cơ bản, hình thành phươngpháp kỹ năng kỹ xảo, tạo thái độ và động cơ học tậpđúng đắn để học sinh có khả năng tiếp cận chiếm lĩnhnhững nội dung kiến thức mới theo xu thế thời đại

Hiện nay trong đề thi đại học các bài tập vật lýchiếm một ưu thế, nó đòi hỏi người học phải có cáchnhìn nhận bài toán, kĩ năng xử lý bài toán một cáchchuyên nghiệp Do đó việc hướng dẫn học sinh phânloại mắm vững phương pháp và làm tốt các bài tập là

việc cần thiết với giáo viên trên con đường rút ngắngiữa học sinh và trường đại học.

Ở chương dòng điện xoay chiều là một chươngquan trọng của chương trình vật lý 12 cũng là mộtchương có khá nhiều câu hỏi lý thuyết cũng như bài tậptrong đề thi đại học Do đó việc hệ thống hóa, phân loại

và hướng dẫn học sinh tìm ra bản chất vật lý của từngnội dung, nhằm củng cố kiến thức hướng dẫn học sinhsuy luận và phương pháp giải bài tập ở mức độ caohơn, khó hơn tổng quát hơn là vô cùng quan trọng.Trong đề tài này, tôi mạnh dạn đưa ra mong muốn gópmột tiếng nói nhỏ về: “Đề tài một số kiến giải về máybiến áp, các dạng bài tập về máy biến áp và sự truyền

tải điện năng” Vẫn biết rằng đó là vấn đề quá quen

thuộc nhưng tác giả vẫn hy vọng rằng người đọc sẽ thấy chút gì đó mới mẻ và có ích.

II Nhiệm vụ của đề tài:

Đề tài nêu và giải quyết vấn đề sau:

1 Tóm tắt sơ lược lý thuyết máy biến áp và truyềntải điện năng

2 Một số kiến giải liên quan đến máy biến áp

3 Các dạng bài tập về máy biến áp và truyền tảiđiện năng

4 Các bài toán đề xuất và đáp số

III Phạm vi nghiên cứu

Học sinh lớp 12 và học sinh luyện thi đại học

PHẦN II: NỘI DUNG

I Tóm tắt sơ lược lý thuyết máy biến áp và truyền tải điện năng.

1 Máy biến áp.

1.1 Định nghĩa: Máy

biến áp là một

thiết bị dùng để biến đổi một

dòng điện xoay chiều thành

một dòng điện xoay chiều khác cùng tần số nhưng cóhiệu điện thế khác nhau

1.2 Cấu tạo:

- Máy biến áp gồm hai cuộn dây, có số vòng khácnhau quấn trên một lõi sắt chung bằng thép kỹ thuật(thép pha silic) (Xem hình a), các cuộn dây dẫn thườngbằng đồng bọc men cách điện, có điện trở nhỏ Lõi gồmnhiều lá thép mỏng, hình khung chữ nhật rỗng hoặckhung tròn rỗng, ghép sát nhau và cách điện nhau

- Trong các sơ đồ máy điện, máy biến áp được kí

hiệu như trên hình b.

điện chạy trong cuộn thứ cấp

1.4 Sự biến đổi hiệu điện

thế và cường

độ dòng điện qua máy biến áp.

- Gọi N1, N2 là số vòng dây của cuộn sơ

cấp và cuộn thứ cấp ( xem hình bên)

- Khi nối cuộn sơ cấp với mạch điện xoay chiều

có hiệu điện thế hiệu dụng U1, dòng điện xoay chiều i1,trong cuộn sơ cấp làm phát sinh một từ trường biếnthiên điều hoà tập trung trong lõi biến áp Tại mọi thờiđiểm từ thông  qua mọi tiết diện của lõi có giá trị tứcthời như nhau Trong khoảng thời gian t rất nhỏ từthông biến thiên gây ra ở mỗi cuộn dây sơ cấp là:

2

N

N e

e

 (1)

- Thông thường điện trở của cuộn sơ cấp là rấtnhỏ nên hiệu điện thế u1 ở hai đầu cuộn sơ cấp có giá trịxấp xỉ bằng suất điện động e1

- Nếu mạch thứ cấp hở thì hiệu điện thế u2 ở haiđầu cuộn thứ cấp có giá trị bằng suất điện động e2 Dođó:

1

2 1

2 1

2

N

N e

e u

u



 (2)

- Hiệu điện thế và suất điện động ở hai đầu sơ cấp

và thứ cấp biến thiên điều hòa cùng pha, cùng tần số,nên ta có thể thay giá trị tức thời bằng giá trị hiệu dụng:

- Vậy tỉ số hiệu điện thế hiệu dụng ở hai đầu cuộn

thứ cấp và sơ cấp bằng tỉ số vòng dây của hai cuộn đó

+ Nếu N2 > N1 thì U2 > U1: máy biến áp làmáy tăng áp

+ Nếu N2 < N1 thì U2 < U1: máy biến áp làmáy hạ áp.

- Khi mạch thứ cấp nối với tải tiêu thụ thành mộtmạch kín thì U2 < e2; tuy nhiên người ta vẫn sử dụngcông thức (3) như một công thức gần đúng

- Nếu dòng điện trong cuộn sơ cấp và thứ cấpcùng pha với hiệu điện thế thì công suất tiêu thụ ở haimạch sơ cấp và thứ cấp là P1 = U1I1 và P2 = U2I2 Nếucoi những hao phí do các dòng Fucô trong lõi và do toảnhiệt trên các cuộn dây là không đáng kể, thì điện năngqua máy biến thế được bảo toàn, nghĩa là công suất ởhai mạch sơ cấp và thứ cấp là như nhau: P1 = P2 Suy ra

1

2 1

2 2

1

N

N U

U I

1.5 Ứng dụng của máy biến áp.

- Máy biến áp được dùng để tăng, giảm hiệu điệnthế của dòng điện xoay chiều, tạo ra những hiệu điện thếlớn nhỏ tuỳ ý từ lưới điện công nghiệp (lưới điện nàychỉ cung cấp một hiệu điện thế nhất định)

- Ứng dụng quan trọng nhất của máy biến áp làtruyền tải điện năng đi xa Ở nhà máy phát điện, Người

ta dùng máy tăng thế để đặt lên đường dây truyền tảimột hiệu điện thể rất lớn (cao thế ), do đó giảm đượccông suất hao phí trên đường dây, đến khu vực tiêu thụngười ta phải dùng máy hạ thế sao cho đến từng hộ sửdụng điện thì hiệu điện thế chỉ còn là hiệu điện thếthông dụng 110(V) hay 220(V) chẳng hạn

2 Sự truyền tải điện năng.

2.1 Điện năng được sử dụng ở mọi nơi, nhưng chỉ

được sản xuất ở một số nhà máy phát điện lớn Vì vậycần phải truyền tải điện năng đi xa, đến các nơi tiêu thụđiện Việc truyền tải điện năng bằng các dây dẫn phảithoả mãn yêu cầu: giảm hao phí điện năng ở các đườngdây dẫn xuống mức thấp nhất và giảm chi phí xây dựng

ở đường dây truyền tải điện

2.2 Giả sử cần truyền tải một công suất điện P từ

nhà máy điện bằng đường dây dẫn đến nơi tiêu thụ

- Gọi U là hiệu điện thế hiệu dụng ở đầu đường dâytruyền tải điện từ nhà máy phát điện và R là điện trởtổng cộng của các dây dẫn trên đường dây tải điện.Cường độ dòng điện hiệu dụng trên đường dây tải điện

là I  U P Do đó theo Jun-Lenxơ, công suất hao phí Ptrên đường dây do toả nhiệt bằng:

2

2 2

U

R P R I

áp ở nơi tiêu thụ điện đến giá trị cần thiết Điều này cóthể thực hiện đơn giản qua máy biến áp Quãng đườngphải truyền tải điện càng dài thì hiệu điện thế càng phải

cao Đến nơi tiêu thụ điện hiệu điện thế đó lại đượcgiảm xuống đến mức cần thiết nhờ máy hạ áp

II Một số kiến giải liên quan đến máy biến áp.

1 Tại sao máy biến áp phải có lõi thép?

- Từ nguyên tắc hoạt động của máy biến thế: Đặt vàocuộn sơ cấp hiệu điện thế xoay chiều suy ra ở cuộn sơcấp xuất hiện suất điện động cảm ứng

d dt 1

2

1 2

1 2

N

N e

e dt

2 Có thể dùng máy biến thế để tăng hiệu lực điện thế của một chiếc pin được không.

- Máy biến thế hoạt động dựa trên hiện tượng cảmứng điện từ Nếu làm cho từ thông biến thiên qua cuộndây sẽ làm sinh ra suất điện động cảm ứng

- Dòng điện do pin phát ra là dòng không đổi sẽkhông làm cho từ thông biến thiên, do đó không sinh ra

suất điện động cảm ứng Khi dạy nhiều học sinh đã kếtluận như vậy, nhưng nó chỉ đúng một phần.

- Nếu làm dòng điện do pin phát ra biến thiên thì từthông sẽ biến thiên và có thể làm sinh ra suất điện động

ở cuộn thứ cấp

Ví dụ: Dùng một pin mắc nối tiêp với một khoá

K rồi mắc vào mạch sơ cấp củamáy biến thế Nếu liên tục đóng và mở khoá K thì dòngđiện trong cuộn sơ cấp sẽ biến thiên, suy ra từ thông qualõi sắt biến thiên, suy ra ở cuộn thứ cấp sẽ xuất hiện suấtđiện động cảm ứng Đây chính là nguyên tắc hoạt độngcủa máy Romcop dùng dể tăng hiệu điện thế của một bộpin khoảng 12 V lên đến khoảng 30.000 V để làm xuấthiện toa lửa điện giữa 2 cực của máy

III Các dạng bài tập về máy biến áp và truyền tải điện năng.

Chúng ta thường gặp trong đề thi hai loại toán: Bàitoán máy biến áp và bài toán truyền tải điện năng

Loại 1 : Bài toán máy biến áp.

Phương pháp: Đây là bài toán thường gặp trong

thÕ m Gi¶

NÕu

:

:

2 1

2 1 2

1

2

1

N N

N N N

2 2

1 1

1 1 1

I U P P

I U

H 

+ Khi mạch thứ cấp kín và bỏ qua mọi hao phí :

21

1

2 2

1

% 100

N

N I

I U

U

Các bài toán điển hình.

Bài 1: Một máy biến áp với cuộn sơ cấp gồm

N Bỏ qua mọi hao phí ở máy biến áp

1 Xác định hiệu điện thế hiệu dụng ở hai đầu cuộnthứ cấp

2 Cuộn thứ cấp nối với tải tiêu thụ thì dòng điệnchạy qua cuộn thứ cấp là 1(A) Hãy xác định dòng điệnchạy qua cuộn sơ cấp

U

 Suy ra hiệu điện thế ở cuộn thứ cấp:

 V N

2 2

1

N

N I

I U

1000

50 1

1

2 2

Bài 2: Cuộn sơ cấp của máy biến áp gồm N1  1100  vßng 

được mắc vào mạng điện xoay chiều có hiệu điện thế

 V

U1  240 Cuộn thứ cấp nối với 20 bóng đèn giống nhau

có kí hiệu 12 V 18W mắc song song Biết các bóng đènsáng bình thường và hiệu suất của máy biến thế100 %.Xác định số vòng dây ở cuộn thứ cấp và cường độ dòngđiện hiệu dụng ở cuộn sơ cấp

Giải:

+ Cường độ dòng điện hiệu dụng qua mỗi bóng đèn:

 A U

I2  20 d  20 1 , 5  30

+ Vì hiệu suất 100 %nên: 21

1

2 2

1

N

N I

I U

U

U N N

- Dòng điện hiệu dụng qua cuộn sơ cấp:

 A U

Bài 3: Một máy biến áp có tỉ số vòng dây 5

Theo bài ra U U V

U

U N

N

200 5

1000 5

2 2

1 2

I U

8 , 0 200

9600 cos

cos

2

2 2

2 2



 Vậy cường độ dòng điện chạy trong cuộn thứ cấpcủa máy biến áp là 60A

ĐS: N2=55 Vòng

I1=1,5A

Bài 4:(ĐH 2011): Một học sinh quấn một máy biến áp

với dự định số vòng dây của cuộn sơ cấp gấp hai lần sốvòng dây của cuộn thứ cấp Do sơ suất nên cuộn thứ cấp

bị thiếu một số vòng dây Muốn xác định số vòng dâythiếu để quấn tiếp thêm vào cuộn thứ cấp cho đủ, họcsinh này đặt vào hai đầu cuộn sơ cấp một điện áp xoaychiều có giá trị hiệu dụng không đổi, rồi dùng vôn kếxác định tỉ số điện áp ở cuộn thứ cấp để hở và cuộn sơcấp Lúc đầu tỉ số điện áp bằng 0,43 Sau khi quấn thêmvào cuộn thứ cấp 24 vòng dây thì tỉ số điện áp bằng0,45 Bỏ qua mọi hao phí trong máy biến áp Để đượcmáy biến áp đúng như dự định, học sinh này phải tiếptục quấn thêm vào cuộn thứ cấp

A 100 vòng dây B 84 vòng dây C 60 vòng dây D 40 vòng dây

Giải:

Ta có tỉ số biến áp cần quấn đúng: t t

s s

Gọi số vòng cuộn thứ cấp lúc đầu là N2

Số vòng phải tiếp tục quấn thêm là x ta có:

nguồn điện xoay chiều có hiệu điện thế hiệu dụng 240(V), còn hai đầu cuộn thứ cấp nối với mạch điện nối tiếpgồm tụ điện có điện dung biến thiên C và nam châmđiện có điện trở R 131 , 2    biết điện trở thuần của cuộn

sơ cấp và thứ cấp là không đáng kể Xem mạch từ làkhép hín và hao phí do dòng Fucô là không đáng kể

a Biết cường độ dòng điện hiệu dụng ở cuộn sơ cấp0,275(A) Xác định độ lệch pha giữa hiệu điện thế vàdòng điện ở cuộn thứ cấp và nhiệt lượng toả ra trên namchâm trong 2 giờ

b Biết tần số dòng điện là f  50 Hz, độ tự cảm của namchâm là L  H



5

1

 Xác định điện dung của tụ điện

c Xác định C để dòng điện ở cuộn sơ cấp cực đại, tínhhiệu điện thế hiệu dụng ở hai bản tụ khi đó:

) ( 100 240 120 50

1 2 1 2

1 1 2 2

1 2 1 2 1 2

A I

N N I

V U

N N U I

I N N U U

    151 , 5   

66 , 0

+ Nhiệt lượng toả ra trong 1 phút:

  J

, ,

55 20 2 131 5 151

6 95 20 2 131 5 151

2 2

2 2 2

2 2

2 2 2 2

2

2

2

: , ,

, Z

R Z Z

, ,

, Z

R Z Z

Z Z

R

Z

L C

L C

C L

+ Điện dung của tụ: ,   F

, Z

C

C

6

10 3 33 6 95 100

Z C Z

Z

C L

C

6

10 2 , 159 20 100

1 1

, Z

100



Loại 2: Bài toán truyền tải điện năng

Phương pháp: Điện năng sản xuất được truyền tải

đến nơi tiêu thụ trên đường dây dài hàng trăm Km.Công suất truyền tải: P=UI cos (1)

Trong đó: P là công suất cần truyền đi, I là cường độdòng điện trên dây dẫn truyền tải, cos  hệ số công suất Suy ra Ucos

P

I 

Theo hiệu ứng nhiệt Jun-Lenxơ công suất hao phí

P dưới dạng toả nhiệt vào khí quyển ta có:

Với R là điện trởđường dây

Vậy công suất tỏa nhiệt trên đường dây khi truyền tảiđiện năng đi xa là:

Để khi đến nơi sử dụng thì mục tiêu là làm sao đểgiảm tải công suất tỏa nhiệt P để phần lớn điện năng

  2

2 2

2

cos

R P R U

P R

2

cos

R P R U

P R

được sử dụng hữu ích Có 2 phương án giảm P nhưsau:

*Phương án 1: Giảm R

Do R S l Nên để giảm R cần phải tăng tiết diện Scủa dây dẫn Phương án này không khả thi do tốn kémkinh tế

*Phương án 2: Tăng U

Bằng cách sử dụng máy biến áp U trước khi truyềntải điện năng đi thì công suất toả nhiệt trên đường dây sẽhạn chế Phương án này khả thi hơn vì không tốn kém,

và được sử dụng trong thực tế

Lưu ý:

- Công thức tính điện trở của dây dẫn R S l Trong đó  là điện trở suất của dây dẫn, l là chiều dàicủa dây dẫn, S là tiết diện của dây dẫn

- Công suất tỏa nhiệt cũng chính là công suất haophí trên đường

dây, phần công hữu ích sử dụng là:

Suy ra hiệu suất của quá trình truyền tải là:

- Sơ đồ truyền tải điện năng từ A đến B: Tại A Sửdụng máy tăng áp để tăng điện áp cần truyền đi Đến B

Sử dụng máy hạ áp để giảm điện áp xuống phù hợp vớinơi cần sửdụng Khi đó độ giảm điện áp:

B

U R I

U   2  1



Với U2A là điện áp hiệu dụng ở cuộn thứ cấp của máytăng áp tại A còn U1B là điện áp đầu vào cộn sơ cấp củamáy biến áp tại B

- Quãng đường truyền tải điện năng đi xa so vớinguồn một khoảng là d thì chiều dài dây là: l = 2d

Các bài toán điển hình.

Bài 1: Người ta cần tải một công suất 5MW từ nhà máy

điện đến một nơi tiêu thụ cách nhau 5KM Hiệu điện thếcuộn thứ cấp máy tăng thế là U=100KV, độ giảm điệnthế trên đường dây không quá 1%U Điện trở suất củadây tải là 1,7.10-8m Tiết diện dây dẫn thoả mãn điềukiện nào?

10 5

3

6

A U

P I UI

l

R      

) ( 5 , 8 )

( 5 , 8 ) ( 10 5 , 8 20

mm m



Bài 2 : Người ta cần truyền một công suất điện một pha

10000KW dưới một hiệu điện thế hiệu dụng 50KV đi

xa Mạch điện có công suất cos   0 , 8 Muốn tỉ lệ nănglượng mất trên đường dây không quá 10% thì điện trởcủa đường dây phải có giá trị như thế nào?

Giải:

Công suất hao phí khi truyền: R

U

P P

P P P

2 2

2

2

cos 1 , 0 1

, 0 cos

1

, 0

Thay số ta được:     16 

10 10000

8 , 0 10 50 1 , 0

3

2 3

R

Vậy R 16 

Bài 3: (HSG 2011)Trong quá trình truyền tải điện năng

đi xa cần tăng điện áp của nguồn lên bao nhiêu lần đểgiảm công suất hao phí trên đường dây đi 100 lần Giảthiết công suất nơi tiêu thụ nhận được không đổi, điện

áp tức thời u cùng pha với dòng điện tức thời i Biết banđầu độ giảm điện thế trên đường dây bằng 15% điện ápcủa tải tiêu thụ

Giải

- Đặt: U, U1, ΔUU, I1, P1 là điện áp nguồn, điện áp ở tảitiêu thụ, độ giảm điện áp trên đường dây, dòng điệnhiệu dụng và công suất hao phí trên đường dây lúc đầu

Và U’, U2, ΔUU', I2, P2 là điện áp nguồn, điện áp

ở tải tiêu thụ, độ giảm điện áp trên đường dây, dòngđiện hiệu dụng và công suất hao phí trên đường dây lúcsau

Ta có: 1001 101 ' 101

1 2 2

1

2 1

I I

I P P

Theo đề ra: ΔUU = 0,15.U 1

10

15 , 0 ' U1

2

cos

R P R U

P R