BÀI SEMINAR đề tài các bài tập về máy biến thế

BÀI SEMINAR đề tài các bài tập về máy biến thế

Mục Lục

TP HCM , 12/12/2013

Giáo viên hướng dẫn:

Trương Đình Toà

LỜI NÓI ĐẦU 2

I MÁY BIẾN THẾ 3

1 Khái niệm 3

2 Vai trò của máy biến áp 3

3 Các đại lượng định mức của máy biến áp 4

4 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động 4

4.1 Cấu tạo của máy biến áp: 4

4.1.1 Cấu tạo của máy biến áp một pha 4

4.1.2 Cấu tạo của máy biến áp ba pha 5

4.2 Nguyên lý làm việc của máy biến áp 6

4.2.1 Nguyên lý hoạt động của máy biến áp một pha 6

4.2.2 Nguyên lý làm việc của máy biến áp ba pha 7

5 Khảo sát máy biến thế 7

6 Sự truyền tải điện năng 8

II CÁC DẠNG BÀI TẬP CỦA MÁY BIẾN THẾ 9

1 Dạng 1 : Máy biến áp không tải 9

2 Dạng 2 : Máy biến áp có tải 19

3 Dạng 3 : Công suất, hiệu suất, hệ số của máy biến áp 25

LỜI NÓI ĐẦU

Chúng ta đều biết rằng, nhân loại ngày nay đã đạt được những tri thức vật lý học khổng lồ về số lượng cũng như là chất lượng để có được những tri thức phong phú và đồ sộ như hiện nay, các nhà bác học của chúng ta đã phải trải qua một quá trình tìm tòi, nghiên cứu lâu dài và gian khổ Thậm chí có những bác học phải hi sinh cả thân mình để bảo vệ một chân lý khoa học

Một thành tựu vật lý đã được sáng chế sớm nhất bởi nhà vật lý “ Károly Zipernowsky , Miksa Déri và Ottó Titusz Bláthy ” năm 1884 đã làm thay đổi nhân loại Ứng dụng của nó đã giúp loài người tiết kiệm sức lực, các vấn đề phức tạp về sự thay đổi

của hiệu điện thế … Đó là sự phát minh ra máy biến thế Động cơ này được ứng dụng rấtrộng rãi trong các máy móc Để hiểu rõ hơn về cấu tạo cũng như ứng dụng của nó một cáchxâu sắc hơn, nhóm xin trình bày rõ về máy biến thế và các dạng bài tập của nó.

Tuy có cố gắng nhưng chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót trong quá trìnhtìm tài liệu cũng như kiến thức còn hạn chế của nhóm, mong nhận được nhiều ý kiến đónggóp của thầy cô giáo và các bạn để bài seminar này được hoàn hảo hơn

I MÁY BIẾN THẾ.

1 Khái niệm.

Ngày nay do việc sử dụng điện năng phát triển rất rộng rãi nên có những loạimáy biên áp khác nhau: MBA 1 pha, MBA 3 pha… nhưng chúng đều dựa trên 1nguyên lý, đó là nguyên lý cảm ứng điện từ

 Máy biến áp là dụng cụ điện từ tĩnh được làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứngđiện từ, dùng để biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều từ điện áp này thành hệthống dòng điện xoay chiều điện áp khác nhưng luôn có tần số không đổi

2 Vai trò của máy biến áp.

Để truyền tải điện năng đi xa phải dùng các đường dây tải điện có điện áp cao

để giảm tổn thất điện năng trên đường dây Để tăng điện áp lên cao ta phải dùng máybiến áp

Tại hộ tiêu thụ điện do không thể trực tiếp sử dụng điện áp cao, vì lý do an toàncho các động cơ làm việc đơn giản

 Máy biến áp được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật, máy biến áp làm nhiệm vụtruyền tải và phân phối năng lượng.

3 Các đại lượng định mức của máy biến áp.

Điện áp định mức: Gọi U1đm là điện áp quy định cho dây quấn sơ cấp và U2đm làđiện áp quy định cho dây quấn thứ cấp, khi dây quấn thứ cấp hở mạch và điện áp đặtvào dây quấn sơ cấp là định mức Đơn vị điện áp ghi trên máy thường là V hoặc KV

Dòng điện định mức: Gọi I1đm là dòng điện sơ cấp định mức và I2đm là dòng điệnthứ cấp định mức Dòng điện định mức là dòng điện đã quy định cho mỗi dây quấncủa máy biến áp, ứng với công suất định mức và điện áp định mức Đơn vị dòng điệnghi trên máy thường là A

Công suất định mức: Công suất định mức của máy biến áp là công suất biểu

kiến định mức Ký hiệu là Sđm Đơn vị là VA, KVA

+ Đối với máy biến áp một có:

4 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động.

4.1 Cấu tạo của máy biến áp:

4.1.1 Cấu tạo của máy biến áp một pha

Máy biến áp một pha có hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn

+ Lõi thép được chế tạo từ những vật liệu dẫn từ tốt( như thép lá…) dùng để dẫn từthông Lõi thép gồm hai bộ phận chính là trụ và gông

• Trụ là nơi để đặt dây quấn

• Gông là phần khép kín mạch từ giữa các trụ

 Giữa các trụ và gông tạo thành mạch từ khép kín

+ Dây quấn thường được làm bằng dây đồng dẫn điện tốt bên ngoài dây dẫn có bọccách điện Dây quấn gồm nhiều vòng dây và lồng vào trụ lõi thép

 Giữa các vòng dây, giữa các dây quấn có cách điện với nhau và các dây quấncách điện với lõi thép

4.1.2 Cấu tạo của máy biến áp ba pha

- Gồm các bộ phận chính là lõi thép, dây quấn và vỏ máy

- Lõi thép máy biến áp ba pha gồm ba trụ

- Dây quấn:

+ Dây quấn sơ cấp ký hiệu bằng chữ in hoa

• Pha A kí hiệu là AX, kí hiệu đầu đầu là A,B,C

• Pha B kí hiệu là BX, kí hiệu đầu cuối là X,Y,Z

• Pha C kí hiệu là CX

+ Dây quấn thứ cấp kí hiệu bằng chũ thường

• Pha a kí hiệu là ax, kí hiệu đầu đầu là a,b,c

• Pha b kí hiệu là bx, kí hiệu đầu cuối là x,y,z

- Khi nối sao Υ điện áp sẽ giảm đi 3 lần, giảm chi phí về cách điện.

- Khi nối tam giác ∆ dòng điện sẽ giảm đi 3 lần, giảm tiết diện dây

- Với máy biến áp tăng áp thường được nối sao-tam giác Υ/∆

- Với máy biến áp giảm áp thường được nối sao-tam giác ∆/Υ

4.2 Nguyên lý làm việc của máy biến áp

4.2.1 Nguyên lý hoạt động của máy biến áp một pha.

- Xét máy biến áp như hình vẽ:

-

- Khi ta nối nguồn điện có điện áp u1 vào cuộn dây sơ cấp thì sẽ có dòng điện

sơ cấp i1 Dòng điện i1 sinh ra từ thông biến thiên trong lõi thép do mạch từkhép kín nên từ thông này di chuyển từ cuộn sơ cấp sang cuộn thứ cấp

- Theo định luật cảm ứng điện từ ta có các suất điện động là:ε

ε

1= -N1 dt

dΦ ε

2= -N2 dt

dΦ

- Dây quấn thứ cấp nối với tải Dưới tác động của suất điện động e2 cảm ứng

sẽ sinh ra dòng điện i2 đưa ra tải với điện áp u2 Lúc đó từ thông do cả haidòng điện sơ cấp i1 và thứ cấp i2 sinh ra

- Giả sử điện áp xoay chiều đặt vào là một hàm số hình sin nên từ thông cũngbiến thiên theo hình sin: Φ = Φmaxsinωt; ω=2πf

= 4,44fN1Φmax 2sin(ωt-π/2) = 2E1sin(ωt-π/2)

4.2.2 Nguyên lý làm việc của máy biến áp ba pha.

Nguyên lý làm việc của máy biến áp ba pha tương tự như nguyên lý làm việc củamáy biến áp một pha

Gọi N1 là số vòng dây pha một pha sơ cấp và N2 là số vòng dây một pha thứ cấp

Tỷ số điện áp pha giữa sơ cấp và thứ cấp sẽ là 1 1

2 2

p p

5 Khảo sát máy biến thế.

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

Gọi U1, U2 là hiệu điện thế 2 đầu cuộn sơ cấp và thứ cấp

Gọi I1, I2 là cường độ hiệu dụng của dòng điện 2 đầu cuộn sơ cấp và thứ cấp

Trong khoảng thời gian Δt vô cùng nhỏ từ thông biến thiên gây ra trong mỗi vòng

dây của cả hai cuộn suất điện động bằng: 0

t

φ

ε = −∆

∆

Suất điện động trên một cuộn sơ cấp là: ε1 =N1.ε0

Suất điện động trên cuộn thứ cấp: ε1=N 2ε0

=> Tỉ số điện áp 2 đầu cuộn thứ cấp bằng tỉ số vòng dây của 2 cuộn tương ứng

U U

= (*)

• Nếu N2 > N1 => U2 > U1 : gọi là máy tăng áp

• Nếu N2 < N1 => U2 < U1 : gọi là máy hạ áp

Vì hao phí ở máy biến áp rất nhỏ, coi như công suất ở 2 đầu cuộn thứ cấp và sơ cấp như nhau

U = = I

6 Sự truyền tải điện năng.

Điện năng sản xuất được truyền tải đến nơi tiêu thụ trên đường dây dẫn dài hàng trăm km Công suất cần truyền tải: P=U.I.cosϕ (1)

Trong đó : P là công suất cần truyền đi, U là điện áp tại nơi truyền đi, I là cường độ dòng điện trên dây dẫn truyền tải, cosφ là hệ số công suất

với R là điện trở đường dây

Vậy công suât tỏa nhiệt trên đường dây khi truyền tải điện năng đi xa là

2

- Để khi đến nơi sử dụng thì mục tiêu là làm sao để giảm tải công suất tỏa nhiệt ΔP

để phần lớn điện năng được sử dụng hữu ích Có hai phương án giảm ΔP

• Phương án 1 : Giảm R

DoR l

S

ρ

= 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 không tốn kém, và thường được sử dụng trong thực tế

II CÁC DẠNG BÀI TẬP CỦA MÁY BIẾN THẾ.

1 Dạng 1 : Máy biến áp không tải

Câu 1 Cuộn thứ cấp cải một máy biến áp có 800 vòng Từ thông trong lõi biến

thế biến thiên với tần số 50 Hz và giá trị từ thông cực đại qua một vòng dây bằng 2,4mWb Tính suất điện động hiệu dụng cuộn thứ cấp

A 220V B.456,8V C 426,5V D 140V

Câu 2: Một máy biến áp có cuộn sơ cấp 1000 vòng dây được mắc vào mạng điện

xoay chiều có điện áp hiệu dụng là 220V Khi đó điện áp hiệu dụng ở hai đầu cuộn thứ cấp để hở là 484V Bỏ qua mọi hao phí của máy biến áp Sô vòng dây của cuộn thứ cấp là

Chú ý : Nếu một cuộn dây nào đó( vd cuộn sơ cấp) có n vòng dây quấn

ngược thì từ trường của n vòng dây này ngược với từ trường của phần còn lại nên nó

có tác dụng khử bớt từ trường của n vòng dây còn lại, tức là cuộn dây này bị mất đi 2n vòng

yêu cầu thiết kế, điện áp nguồn là U1 = 110V, U2.=220V Số vòng dây bị cuốn ngược là:

A 20 B 11 C 10 D 22Hướng dẫn:

Gọi số vòng các cuộn dây của MBA theo đúng yêu cầu là N1 và N2

Ta có 1

2

N 110 1

N =220 =2 => N2 = 2N1 (1) Với N1 = 110 x1,2 = 132 vòng Gọi n là số vòng dây bị cuốn ngược Khi đó ta có

Chú ý: Khi cuộn sơ cấp bị cuốn ngược n vòng thì suất điện động cảm ứng

xuất hiện ở các cuộn sơ cấp và thứ cấp lấn lượt là

ε 1 = (N1-n) ε 0 – nε 0 = (N1 – 2n) ε 0 với ε 0 suất điện động cảm ứng xuất hiện ở

Câu 4 : Một máy biến áp lí tưởng có cuộn sơ cấp gồm 100 vòng dây và cuộn thứ

cấp gồm 150 vòng dây Mắc hai đầu cuộn sơ cấp vào mạng điện xoay chiều có điện

áp hiệu dụng là 5 V Nếu ở cuộn sơ cấp có 10 vòng dây bị quấn ngược thì điện áp hiệu dụng ở hai đầu cuộn thứ cấp khi để hở là :

Câu 5 : Một máy biến áp với cuộn sơ cấp gồm 1000 vòng dây mắc vào mạng

điện xoay chiều Cuộn thứ cấp gồm 50 vòng Bỏ qua mọi hao phí ở máy biến áp Cuộn thứ cấp nối với điện trở thuần thì dòng diện chạy qua cuộn thứ cấp là 1(A) Hãy xác định dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp

A 0,05 A B.0,06 A C.0,07 A D 0,08 A

Câu 6 : Một máy biến áp lý tưởng gồm một cuộn sơ cấp và hai cuộn thứ cấp Cuộn

sơ cấp có n1 = 1320 vòng , điện áp U1 = 220V Cuộn thứ cấp thứ nhất có U2 = 10V, I2 =0,5A; Cuộn thứ cấp thứ 2 có n 3 = 25 vòng, I3 = 1,2A Cường độ dòng điện qua cuộn sơcấp là :

A 0,035A B 0,045A C 0,023A D 0,055A

Câu 7: Một máy biến áp lí tưởng có tỉ số vòng dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp là

2 Cuộn thứ cấp nối với tải tiêu thụ có điện trở 200Ω, cuộn sơ cấp nối với điện áp xoay chiều có giá trị hiệu dụng 200V Dòng điện hiệu dụng qua cuộn sơ cấp là :

A 0,25A B.0,6A C.0,5A D.0,8A

Hướng dẫn::

Vì máy biến áp lí tưởng và cuộn thứ cấp nối với R nên ta áp dụng công thức:

0, 25( )N

Chú ý: đối với máy biến áp lí tưởng mà cuộn thứ cấp có nhiều đầu ra ( chẳng hạn có

hai đầu ra) và các đầu nối với R thì áp dụng công thức:

,N

U = = I , 3 3 1

1 1 3

N N

U = = I thì dẫn đến kết quả sai.

Câu 8: Đặt vào hai đầu cuộn sơ cấp của một máy biến áp lí tưởng( bỏ qua hao

phí) một điện áp xoay chiều có giá trị hiệu dụng không đổi thì điện áp hiệu dụng giữahai đầu cuộn thứ cấp để hở là 100V Ở cuộn thứ cấp, nếu giảm bớt n vòng dâu thì điện

áp hiệu dụng giữa hai đầu để hở của nó là U, nếu tăng thêm n vòng dây thì điện áp đó

là 2U Nếu tăng thêm 3n vòng dây ở cuộn thứ cấp thì điện áp hiệu dụng giữa hai đầu

để hở của cuộn này bằng:



 chọn B

Câu 9 : Đặt vào hai đầu cuộn sơ cấp của một máy biến áp lí tưởng( bỏ qua hao

phí) một điện áp xoay chiều có giá trị hiệu dụng không đổi thì điện áp hiệu dụng giữahai đầu cuộn thứ cấp để hở là 300V Nếu giảm bớt một phần ba tổng số vòng dây củacuộn thứ cấp thì điện áp hiệu dụng giữa hai đầu để hở của nó là :

A.100V B.200V C.220V D.110V

Hướng dẫn:

2 2

2 2

Câu 10: Một máy biến áp có cuốn sơ cấp 1000 vòng dây được mắc vào mạng

điện xoay chiều có điện áp hiệu dụng là 220V Khi đó điện áp hiệu dụng ở hai đầu cuộn thứ cấp để hở là 484V Bỏ qua mọi hao phí của máy biến áp Số vòng dây của cuộn thứ cấp là

Bỏ qua mọi hao phí M1 có tỉ số vòng dây sơ cấp và số vòng dây thứ cấp bằng

A.8 B.4 C.6 D.15

Câu 12(Khối A 2011): Một học sinh quấn một máy biến áp với dự định số vòng

dây của cuộn sơ cấp gấp 2 lần số vòng dây cuận thứ cấp Do sơ suất nên cuộn thứ cấp bị thiếu một số vòng dây Muốn xác định số vòng dây thiếu để cuốn tiếp thêm vào cuộn thứ cấp cho đủ, học sinh này đặt vào hai đầu cuộn sơ cấp một điện áp xoay chiều có giá trị hiệu dụng không đổi, rồi dùng vôn kế xác định tỉ số điện áp ở cuộn thứ cấp để hở và cuộn sơ cấp Lúc đầu tỉ số điện áp là 0,43 Sau khi quấn thêm vào cuộn thứ cấp 24 vòng dây thì tỉ số điện áp bằng 0,45 Bỏ qua mọi hap phí trong máy biến áp Để được mày biến áp đúng như dự định, học sinh này tiếp tục phải quấn vàocuộn thứ cấp

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

⇒ x = 60 vòng ⇒Chọn C

Câu 13(Khối A 2010): Đặt vào hai đầu cuộn sơ cấp của máy biến áp lí tưởng

(bỏ qua hao phí) một điện áp xoay chiều có giá trị hiệu dụng không đổi thì điện áp hiệu dụng giữa hai đầu cuộn thứ cấp để hở là 100V Ở cuộn thứ cấp, nếu giảm bớt n vòng dây thì điện áp hiệu dụng giữa hai đầu để hở của nó là U, nếu tăng thêm n vòngdây thì điện áp đó là 2U Nếu tăng thêm 3n vòng dây ở cuộn thứ cấp thì điện áp hiệu dụng này bằng

100 N2N 2n N n

Câu 14 Một học sinh cuốn một máy biến áp có số vòng dây cuộn thứ cấp gấp 2

lần số vòng dây cuộn sơ cấp Khi đặt vào hai đầu cuộn sơ cấp điện áp xoay chiều có giá trị hiệu dụng U thì điện áp hiệu dụng ở hai đầu cuộn thứ cấp để hở là 1,92U Khi kiểm tra thhấy phát hiện trong cuộn thứ cấp có 40 ṿòng dây bị quấn ngược chiều so với đa số các vòng dây trong đó Bỏ qua mọi hao phí máy biến thế Tổng số vòng dây đã được quấn trong máy biến thế này là :

Ta có N = N1 + N2 = 3000 vòng => Chọn B

Câu 15: Đặt vào đầu cuộn dây sơ cấp của một mày biến thế lí tưởng một điện áp

xoay chiều có giá trị hiệu dụng không đổi thì điện áp hiệu dụng giữa hai đầu cuộn thứcấp để hở của nó là 100V Nếu chỉ tăng thếm n vòng dây ở cuộn sơ cấp thì điện áphiệu dụng giữa hai đầu để hở của cuộn thứ cấp là U nếu chỉ giảm n vòng dây ở cuộndây sơ cấp thì điện áp hiệu dụng giữa hai đầu để hở của cuộn thứ cấp là 2U Nếu chỉtăng thêm 2n vòng dây ở cuộn sơ cấp thì điện ấp hiệu dụng giữa hai đầu cuộn thứ cấp



 chọn B

Câu 16: Khi đặt điện áp xoay chiều có giá trị hiệu dụng không đổi vào cuộn sơ cấp

thì điện áp hiệu dụng thứ cấp là 20V Nếu tăng số vòng dây thứ cấp 60 vòng thì điện

áp hiệu dụng thứ cấp là 25V Nếu giảm số vòng dây thứ cấp 90 vòng thì điện áp hiệudụng thứ cấp là:

A.10V B.12,5V C.17,5V D.15V

Hướng dẫn:

Ta có:

Câu 17: Một máy biến thế có số vòng cuộn sơ cấp gấp 10 lần cuộn thứ cấp Hai

đầu cuộn sơ cấp mắc vào nguồn xoay chiều có điện áp hiệu dụng U1 = 220V Điệntrở của cuộn sơ cấp là r1≈ 0 và cuộn thứ cấp r2 ≈ 2Ω Mạch từ khép kín; bỏ qua haophí do dòng Fuco và bức xạ Khi hai đầu cuộn thứ cấp mắc với điện trở R = 20Ω thìđiện áp hiệu dụng giữa hai đầu cuôn thứ cấp bằng bao nhiêu?

 Chọn C

Câu 18 : Một máy biến áp có điện áp hiệu dụng 2 đầu cuộn sơ cấp là 220V,

cuộn sơ cấp có 1100 vòng dây Thứ cấp gồm 2 cuộn dây Cuộn 1 gồm 440 vòng dâyvới điện trở R1=10Ω ; cuộn 2 gồm 220 vòng dây với điện trở R 2 = 7Ω Tính cường

độ dòng điện hiệu dụng trong cuộn thứ cấp?

Hướng dẫn :

Gọi lần lượt dòng điện trong cuộn thứ cấp thứ 1 và thứ 2 lần lượt là I12, I22

Cường độ dòng điện trong cuộn thứ cấp: I2 = I12 + I22.

Ta có: