sáng kiến kinh nghiệm máy biến áp biến thế

Một trong hai cuộn dây của máy biến áp được nối với nguồn điện xoay chiều, được gọi là cuộn sơ cấp.. Dòng điện xoay chiều chạy trong cuộn sơ cấp gây ra từ thông biến thiên qua cuộn thứ c

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

THANH HOÁ NĂM 2013

Mục lục

Nội dung Trang

Phần I: Mở đầu 2

I Lý do chọn đề tài 2

II Nhiệm vụ của đề tài 2

Phần II: Nội dung

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 5

1 Tại sao máy biến áp lại có lõi thép 5

2 Có thể dùng máy biến áp để tăng hiệu lực điện thế của

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 6

2 Bài toán về truyền tải điện năng 9

Phần III Kết luận 13

PHẦN I: MỞ ĐẦU

I Lý do chọn đề tài

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

Hiện nay trong đề thi đại học các bài tập vật lý chiếm một ưu thế, nó đòi hỏi người học phải có cách nhìn nhận bài toán, kĩ năng xử lý bài toán một cách chuyên nghiệp Do đó việc hướng dẫn học sinh phân loại mắm vững phương pháp và làm tốt các bài tập là việc cần thiết với giáo viên trên con đường rút ngắn giữa học sinh và trường đại học

Ở chương dòng điện xoay chiều là một chương quan trọng của chương trình vật lý 12 cũng là một chương có khá nhiều câu hỏi lý thuyết cũng như bài tập trong đề thi đại học Do đó việc hệ thống hóa, phân loại và hướng dẫn học sinh tìm ra bản chất vật lý của từng nội dung, nhằm củng cố kiến thức hướng dẫn học sinh suy luận và phương pháp giải bài tập ở mức độ cao hơn, khó hơn tổng quát hơn là vô cùng quan trọng Trong đề tài này, tôi mạnh dạn đưa ra mong muốn góp một tiếng nói nhỏ về: “Đề tài một số kiến giải về máy biến 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 truyền tải điện năng

2 Một số kiến giải liên quan đến máy biến áp

3 Các dạng bài tập về máy biến áp và truyền tải điện 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 có hiệu điện thế khác

nhau

1.2 Cấu tạo:

- Máy biến áp gồm hai cuộn dây, có số vòng khác nhau quấn trên một lõi sắt chung bằng thép kỹ thuật (thép pha silic) (Xem hình a), các cuộn dây dẫn thường bằng đồng bọc men cách điện, có điện trở nhỏ Lõi gồm nhiều lá thép mỏng, hình khung chữ nhật rỗng hoặc khung 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.

1.3 Nguyên tắc hoạt động.

Hoạt động của máy biến áp dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Một trong hai cuộn dây của máy biến áp được nối với nguồn điện xoay chiều, được gọi là cuộn sơ cấp Cuộn thứ hai được nối với tải tiêu thụ điện năng, được gọi là cuộn thứ cấp Dòng điện xoay chiều chạy trong cuộn sơ cấp gây ra từ thông biến thiên qua cuộn thứ cấp, làm xuất hiện trong cuộn thứ cấp một suất điện động

xoay chiều Nếu mạch thứ cấp kín thì có dòng 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 biến thiên điều hoà tập trung trong lõi biến áp Tại mọi thời điểm từ thông φ qua mọi tiết diện của lõi có giá trị tức thời như nhau Trong khoảng thời gian ∆t rất nhỏ từ thông biến thiên gây ra ở mỗi cuộn dây sơ cấp là:

t N e

∆

∆Φ

−

1 , còn ở cuộn thứ cấp là:

t

N

e

∆

∆Φ

−

= 2

Từ đó suy ra

1

2 1

2

N

N e

e

= (1)

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

- Nếu mạch thứ cấp hở thì hiệu điện thế u2 ở hai đầu cuộn thứ cấp có giá trị bằng suất điện động e2 Do đó:

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:

1

2 1

2

N

N U

U = (3)

- 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 là máy tăng áp

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

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

- Nếu dòng điện trong cuộn sơ cấp và thứ cấp cùng pha với hiệu điện thế thì công suất tiêu thụ ở hai mạch sơ cấp và thứ cấp là P1 = U1I1 và P2 = U2I2 Nếu coi những hao phí do các dòng Fucô trong lõi và do toả nhiệt trên các cuộn dây

là không đáng kể, thì điện năng qua máy biến thế được bảo toàn, nghĩa là công suất ở hai mạch sơ cấp và thứ cấp là như nhau: P1 = P2

Suy ra

1

2 1

2 2

1

N

N U

U I

Như vậy máy biến áp tăng hiệu điện thế lên bao nhiêu lần thì giảm cuờng độ dòng điện đi bấy nhiêu lần và ngược lại

1.5 Ứng dụng của máy biến áp.

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

- Ứng dụng quan trọng nhất của máy biến áp là truyền tải điện năng đi xa

Ở nhà máy phát điện, Người ta dùng máy tăng thế để đặt lên đường dây truyền tải một hiệu điện thể rất lớn (cao thế ), do đó giảm được công suất hao phí trên đường dây, đến khu vực tiêu thụ người ta phải dùng máy hạ thế sao cho đến từng hộ sử dụng điện thì hiệu điện thế chỉ còn là hiệu điện thế thông 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 vậy cần phải truyền tải điện năng đi xa, đến các nơi tiêu thụ điện Việc truyền tải điện năng bằng các dây dẫn phải thoả mãn yêu cầu: giảm hao phí điện năng ở các đường dây 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 dây truyền tải điện từ nhà máy phát điện và R là điện trở tổng cộng của các dây dẫn trên đường dây tải điện Cường độ dòng điện hiệu dụng trên đường dây tải điện là

U

P

I = Do đó theo Jun-Lenxơ, công suất hao phí ∆P trên đường dây do toả nhiệt bằng:

2 2 2

U

R P R I

∆

- Trong công thức đó: công suất P có giá trị không đổi Do đó muốn giảm công suất hao phí ∆P phải giảm R hoặc tăng U, Hoặc vừa giảm R vừa tăng U Trong thực tế không thể giảm R nhiều được vì theo công thức

S

R= ρ , muốn giảm R phải tăng tiết diện S đây là cách làm khá tốn kém vì tốn nhiều kim loại làm dây và phải tăng sức chịu đựng của các cột điên Biện pháp sử dụng rộng rãi

là tăng điện áp U ở nơi phát điện và giảm điện áp ở nơi tiêu thụ điện đến giá trị cần thiết Điều này có thể thực hiện đơn giản qua máy biến áp Quãng đường phải truyền tải điện càng dài thì hiệu điện thế càng phải cao Đến nơi tiêu thụ điện hiệu điện thế đó lại được giảm 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 vào cuộn sơ cấp hiệu điện thế xoay chiều suy ra ở cuộn sơ cấp xuất hiện suất điện động cảm ứng

dt

d

N

1

1

Φ

−

dt

dΦ1 là biến thiên từ thông qua 1 vòng dây ở cuộn 1

- Từ thông qua cuộn 2 biến thiên làm xuất hiện

dt

d N

2 2

Φ

−

dt

dΦ2 là biến

thiên từ thông qua 1 vòng dây ở cuộn 2

- Nếu không có lõi sắt thì

dt

dΦ1

dt

dΦ2

≠ và do có sự mất mát đường sức ra môi

trường nên

dt

dΦ1

dt

dΦ2

>

- Khi có lõi sắt: Vì độ tử thẩm của sắt lớn hơn của không khí vài nghìn lần nên

sự mất mát đường sức từ ra môi trường là không đáng kể do đó:

dt

dΦ1

2

1 2

1 2

N

N e

e dt

d

=

⇒

Φ

≈

- Mặt khác khi có lõi sắt: ZL của cuộn dây tăng nhiều lần suy ra ZL>>R do đó hao phí của máy biến thế sẽ không đáng kể

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 cảm ứng điện từ Nếu làm cho

từ thông biến thiên qua cuộn dây sẽ làm sinh ra suất điện động cảm ứng

- Dòng điện do pin phát ra là dòng không đổi sẽ không làm cho từ thông biến thiên, do đó không sinh ra suất điện động cảm ứng Khi dạy nhiều học sinh đã kết luận như vậy, nhưng nó chỉ đúng một phần

- Nếu làm dòng điện do pin phát ra biến thiên thì từ thông 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 của máy biến thế Nếu liên tục đóng và mở khoá K thì dòng điện trong cuộn sơ cấp sẽ biến thiên, suy ra từ thông qua lõi sắt biến thiên, suy ra ở cuộn thứ cấp sẽ xuất hiện suất điện động cảm ứng Đây chính là nguyên tắc hoạt động

của máy Romcop dùng dể tăng hiệu điện thế của một bộ pin khoảng 12 V lên đến khoảng 30.000 V để làm xuất hiện 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: Bài toán 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 đề thi đại học

+ Công thức máy biến thế:







<

>

=

thÕ T¨ng

thÕ m Gi¶

NÕu

:

: 2 1

2 1 2

1 2

1

N N

N N N

N U U

+ Hiệu suất của máy biến thế mạch thứ cấp kín:







=

=

=

2 2 2 2

1 1 1 1 1

2

cos

cos ϕ

ϕ

I U P

I U P P

P

Nếu xem:cos ϕ ≈ 1 cos ϕ 2 thì

1 1

2 2

I U

I U

H =

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

2

1 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 N1 = 1000(vßng) được mắc vào mạng điện xoay chiều có hiệu điện thế hiệu dụng U1 = 220( )V Cuộn thứ cấp

gồm N2 = 50(vßng) Bỏ qua mọi hao phí ở máy biến áp

1 Xác định hiệu điện thế hiệu dụng ở hai đầu cuộn thứ cấp

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

Giải:

1 Áp dụng công thức của máy biến áp:

2

1 2

1

N

N U

U

=

Suy ra hiệu điện thế ở cuộn thứ cấp: ( )V

N

N U

1000

50 220

1

2 1

2 Khi mạch kín bỏ qua mọi hao phí:

2

1 1

2 2

1

N

N I

I U

U

=

=

Dòng điện đi qua cuộn sơ cấp: ( )A

N

N I

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 U1 = 240( )V Cuộn thứ cấp nối với 20 bóng đèn giống nhau có kí hiệu 12V 18− W mắc song song Biết các bóng đèn sáng bình thường và hiệu suất của máy biến thế100 % Xác định số vòng dây ở cuộn thứ cấp và cường độ dòng điện hiệu dụng ở cuộn sơ cấp

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

U

P I

d

d

12

18 =

=

+ Cường độ dòng điện hiệu dụng qua cuộn thứ cấp: I2 = 20I d = 20 1 , 5 = 30( )A

+ Vì hiệu suất 100 %nên:

2

1 1

2 2

1

N

N I

I U

U

=

=

- Số vòng qua cuộn thứ cấp 55(vßng)

1

2 1

U

U N N

- Dòng điện hiệu dụng qua cuộn sơ cấp: ( )A

U

U I

I 1 , 5

1

2 2

ĐS: U2=11V

I1= 0,05A

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

2

1 =

N

N

hiệu suất 96% nhận một công suất 10KW ở cuộn sơ cấp và hiệu điện thế ở hai đầu sơ cấp là 1KV, hệ số công suất của mạch thứ cấp là 0,8 thì cường độ dòng điện chạy trong cuộn thứ cấp có giá trị là bao nhiêu?

Giải:

Gọi P1 là công suất của cuộn sơ cấp, P2 là công suất ở cuộn thứ cấp

0 , 96 2 0 , 96 1 0 , 96 10 9 , 6 ( ) 9600 ( W )

1

P P

Theo bài ra U U V

U

U N

N

200 5

1000 5

2 2

1 2

Do với máy biến áp ta luôn có:

U

P I

I U

8 , 0 200

9600 cos

cos

2

2 2

2 2

ϕ ϕ

Vậy cường độ dòng điện chạy trong cuộn thứ cấp của 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 số vòng dây của cuộn thứ cấp Do sơ suất nên cuộn thứ cấp bị thiếu một số vòng dây Muốn xác định số vòng dây thiếu để quấn 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 bằng 0,43 Sau khi quấn thêm vào cuộn thứ cấp 24 vòng dây thì tỉ số điện áp bằng 0,45 Bỏ qua mọi hao phí trong máy biến áp Để được máy biến áp đúng như dự định, học sinh này phải tiếp tục 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: 2 2 2

s

N N 24 N 24 x N

0, 43 0, 45 0,5

0, 45N 0, 43N 10,32 N 516 0,5N 0, 43N 10,32 0, 43x x 60



 Đáp án C

Bài 5: Một máy biến áp gồm N1 = 1200vòng dây, cuộn thứ cấp gồmN2 = 50 vòng dây Hai đầu cuộn sơ cấp mắc vào nguồn điện xoay chiều có hiệu điện thế hiệu dụng 240 (V), còn hai đầu cuộn thứ cấp nối với mạch điện nối tiếp gồm tụ điện

có điện dung biến thiên C và nam châm điện có điện trở R= 131 , 2( )Ω biết điện trở thuần của cuộn sơ cấp và thứ cấp là không đáng kể Xem mạch từ là khép hín

và hao phí do dòng Fucô là không đáng kể

a Biết cường độ dòng điện hiệu dụng ở cuộn sơ cấp 0,275(A) Xác định độ lệch pha giữa hiệu điện thế và dòng điện ở cuộn thứ cấp và nhiệt lượng toả ra trên nam châm trong 2 giờ

b Biết tần số dòng điện là f = 50( )Hz , độ tự cảm của nam châm là L ( )H

π 5

1

Xác định điện dung của tụ điện

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

Giải:

a Ta có:













=

=

=

=

=

=

⇒

=

=

) ( 66 , 0 275 , 0 50 120

) ( 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( )Ω

66 , 0

100 2

2

I

U

Tæng trë cuén thø cÊp : Z2

+ Độ lệch pha ϕ giữa hiệu điện thế và dòng điện ở cuộn thứ cấp:

cos 131151,,52 6

2

π ϕ

Z R

+ Nhiệt lượng toả ra trong 1 phút:Q I 2 Rt 0 , 66 2 131 , 2 60 3429( )J

b Cảm kháng của nam châm: ZL = ωL = 100 = ( )Ω

π

5 1

( )









Ω

−

= +

−

−

= +

−

−

=

Ω

= +

−

= +

−

=

⇒

− +

=

lo¹i 6

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

1

π

= ω

c Khi dòng sơ cấp cực đại thì dòng thứ cấp cũng đạt cực đại, tức mạch thứ cấp xảy ra hiện tượng cộng hưởng:

Z C Z

Z

C L

C

6 10 2 , 159 20 100

1 1

=

=

π

+ Hiệu điện thế hiệu dụng ở hai bản tụ: , ( )V

, Z

R

U

2 131

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 ϕ(1)

Trong đó: P là công suất cần truyền đi, I là cường độ dòng điện trên dây dẫn truyền tải, cos ϕ hệ số công suất

Suy ra Ucos ϕ

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 trở đường dây

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

Để khi đến nơi sử dụng thì mục tiêu là làm sao để giảm tải công suất tỏa nhiệt ∆P để phần lớn điện năng được sử dụng hữu ích Có 2 phương án giảm

P

∆ như sau:

*Phương án 1: Giảm R

Do

S

l

R= ρ .Nên để giảm R 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 U trước khi truyền tải điện năng đi thì công suất toả nhiệt trên đường dây sẽ hạn chế Phương án này khả thi hơn vì không tốn kém, và được sử dụng trong thực tế

Lưu ý:

2 2

2

cos cos ϕ U ϕ

R P R

U

P R

I

∆

2 2

2

cos cos ϕ U ϕ

R P R

U

P R

I









=

=

∆