Toàn tập kiến thức về máy biến thế: Công thức và bài tập

Trong lĩnh vực kỹ thuật điện, máy biến thế đóng một vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh cường độ và điện áp của dòng điện, phục vụ cho việc truyền tải và phân phối năng lượng một cách hiệu quả.

Để hiểu rõ về cơ chế hoạt động và ứng dụng thực tiễn của máy biến thế, không có gì quan trọng hơn là nắm vững công thức cơ bản và luyện tập thông qua các bài tập cụ thể. Bài viết này sẽ cung cấp cho bạn một cái nhìn toàn diện về công thức máy biến thế cùng với các bài tập ứng dụng giúp củng cố kiến thức.

Khái niệm về máy biến thế

Máy biến thế, hay còn gọi là biến áp, là thiết bị điện thực hiện truyền đưa năng lượng hoặc tín hiệu điện xoay chiều giữa các mạch điện thông qua cảm ứng điện từ. Máy biến áp gồm có một cuộn dây sơ cấp và một hay nhiều cuộn dây thứ cấp liên kết qua trường điện từ.

Chức năng:

• Biến đổi hiệu điện thế xoay chiều: Tăng hoặc hạ hiệu điện thế của dòng điện xoay chiều.
• Truyền tải điện năng đi xa: Giúp giảm hao phí điện năng trong quá trình truyền tải.

Tìm hiểu cấu tạo và cách thức hoạt động của máy biến thế

Cấu tạo máy biến thế

Lõi thép:

• Làm bằng các lá thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau, có tác dụng dẫn từ thông.
• Lõi thép được xếp thành các lá mỏng để giảm tổn hao do dòng điện Foucault.

Cuộn dây

• Gồm hai cuộn dây: cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp.
• Dây quấn bằng đồng hoặc nhôm, được cách điện với nhau và với lõi thép.
• Số vòng dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp khác nhau, quyết định tỉ số biến áp.

Vỏ máy

• Làm bằng thép hoặc gang, có tác dụng bảo vệ các bộ phận bên trong.
• Có thể được làm mát bằng không khí hoặc dầu.

Nguyên tắc hoạt động

• Khi đặt điện áp xoay chiều vào cuộn sơ cấp, dòng điện xoay chiều sẽ chạy qua cuộn dây, tạo ra từ trường biến thiên.
• Từ trường biến thiên này đi qua lõi thép và cảm ứng vào cuộn thứ cấp, tạo ra suất điện động cảm ứng.
• Suất điện động cảm ứng ở cuộn thứ cấp có giá trị tỷ lệ với số vòng dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp.

Tác dụng làm biến đổi hiệu điện thế của máy biến thế

Máy biến thế có tác dụng biến đổi hiệu điện thế xoay chiều đặt vào hai đầu cuộn dây sơ cấp thành hiệu điện thế xoay chiều có giá trị khác ở hai đầu cuộn dây thứ cấp.

Nguyên nhân:

Máy biến thế hoạt động dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ. Khi đặt hiệu điện thế xoay chiều vào cuộn dây sơ cấp, nó sẽ tạo ra một từ trường biến thiên. Từ trường này sẽ cảm ứng ra hiệu điện thế xoay chiều trong cuộn dây thứ cấp.

Tỷ số giữa hiệu điện thế ở hai đầu cuộn dây sơ cấp và thứ cấp bằng tỷ số giữa số vòng dây của hai cuộn dây:

Trong đó: 

• U1: Hiệu điện thế ở hai đầu cuộn dây sơ cấp
• U2: Hiệu điện thế ở hai đầu cuộn dây thứ cấp
• N1: Số vòng dây của cuộn dây sơ cấp
• U2: Số vòng dây của cuộn dây thứ cấp

Có hai loại máy biến thế:

• Máy biến áp hạ thế: N₂ < N₁, U₂ < U₁
• Máy biến áp tăng thế: N₂ > N₁, U₂ > U₁

Vai trò của máy biến thế trong truyền tải điện năng đi xa

Giảm hao phí điện năng

• Theo định luật Joule-Lenz, hao phí điện năng trên đường dây tải điện tỉ lệ với bình phương cường độ dòng điện.
• Máy biến thế giúp tăng hiệu điện thế truyền tải, giảm cường độ dòng điện, từ đó giảm hao phí điện năng trên đường dây.

Tăng hiệu quả truyền tải

• Việc truyền tải điện năng với hiệu điện thế cao giúp giảm tiết diện dây dẫn, tiết kiệm chi phí và vật liệu.
• Máy biến thế giúp điều chỉnh hiệu điện thế phù hợp với nhu cầu sử dụng ở các khu vực khác nhau.

Đảm bảo an toàn

• Máy biến thế giúp cách ly điện giữa các phần khác nhau của hệ thống điện, đảm bảo an toàn cho người sử dụng.
• Máy biến thế có thể hạn chế sự lan truyền của sự cố trong hệ thống điện.

Bài tập ứng dụng về máy biến thế

Bài 1: Cuộn sơ cấp của một máy biến thế có 1000 vòng dây, cuộn thứ cấp có 5000 vòng dây.

a) Máy biến thế này là máy tăng thế hay hạ thế?

b) Khi đặt vào hai đầu cuộn sơ cấp một hiệu điện thế 110V thì hiệu điện thế hai đầu cuộn thứ cấp là bao nhiêu?

Đáp án:

a) Máy biến thế này là máy hạ thế vì số vòng dây ở cuộn thứ cấp lớn hơn số vòng dây ở cuộn sơ cấp.

b) Ta có:

Suy ra:

Bài 2: Cuộn sơ cấp của một máy biến thế có 200 vòng dây, cuộn thứ cấp có 4000 vòng dây. Nối hai đầu cuộn sơ cấp với nguồn điện có hiệu điện thế 220V.

a) Tính hiệu điện thế hai đầu cuộn thứ cấp.

b) Dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp là 0,5A. Tính dòng điện chạy qua cuộn thứ cấp.

Đáp án:

a) Ta có:

Suy ra: 

b) Ta có:

Suy ra:

Bài 3: Một máy biến thế có số vòng dây cuộn sơ cấp là 400 vòng, số vòng dây cuộn thứ cấp là 8000 vòng. Đặt vào hai đầu cuộn sơ cấp một hiệu điện thế 220V.

a) Máy biến thế này là máy tăng thế hay hạ thế?

b) Tính hiệu điện thế hai đầu cuộn thứ cấp.

c) Dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp là 0,4A. Tính dòng điện chạy qua cuộn thứ cấp.

Đáp án:

a) Máy biến thế này là máy tăng thế vì số vòng dây ở cuộn thứ cấp lớn hơn số vòng dây ở cuộn sơ cấp.

b) Ta có:

Suy ra:

c) Ta có:

Suy ra:

Bài 4: Một máy biến thế có hiệu suất là 85%. Biết công suất đưa vào cuộn sơ cấp là 1650W. Tính công suất thu được ở cuộn thứ cấp.

Đáp án:

Công suất thu được ở cuộn thứ cấp là: P2 = P1 ⋅ H=1650W ⋅ 85%=1402,5W

Bài 5: Một máy biến thế có số vòng dây cuộn sơ cấp là 1000 vòng, số vòng dây cuộn thứ cấp là 500 vòng. Hiệu điện thế ở hai đầu cuộn sơ cấp là 220V.

a) Tính hiệu điện thế ở hai đầu cuộn thứ cấp.

b) Máy biến thế này là máy tăng thế hay hạ thế?

Đáp án:

a) Hiệu điện thế ở hai đầu cuộn thứ cấp được tính theo công thức:

Thay số, ta được: 

b) Vì U1 > U2 nên máy biến thế này là máy hạ thế.

Bài 6: Một máy biến thế có số vòng dây cuộn sơ cấp là 2000 vòng, số vòng dây cuộn thứ cấp là 4000 vòng. Đặt vào hai đầu cuộn sơ cấp một hiệu điện thế 110V.

a) Tính hiệu điện thế ở hai đầu cuộn thứ cấp.

b) Mắc vào hai đầu cuộn thứ cấp một bóng đèn có ghi 220V. Hỏi bóng đèn sáng như thế nào?

Đáp án:

a) Hiệu điện thế ở hai đầu cuộn thứ cấp được tính theo công thức:

Thay số, ta được:

b) Vì U2 = 220V = Uđm nên bóng đèn sáng bình thường.

Bài 7: Một máy biến thế có số vòng dây cuộn sơ cấp là 5000 vòng, số vòng dây cuộn thứ cấp là 1000 vòng. Hiệu điện thế ở hai đầu cuộn thứ cấp là 220V.

a) Tính hiệu điện thế ở hai đầu cuộn sơ cấp.

b) Máy biến thế này có thể sử dụng để thắp sáng bóng đèn 12V hay không?

Đáp án:

a) Hiệu điện thế ở hai đầu cuộn sơ cấp được tính theo công thức:

Thay số, ta được: 

b) Vì U1 > 12V nên máy biến thế này không thể sử dụng để thắp sáng bóng đèn 12V.

Bài 8: Một máy biến thế gồm cuộn sơ cấp có 500 vòng, cuộn thứ cấp có 40 000 vòng. Đặt vào hai đầu cuộn sơ cấp một hiệu điện thế xoay chiều 220V. Tính hiệu điện thế ở hai đầu cuộn thứ cấp khi:

a) Điện trở ở cuộn thứ cấp bằng không.

b) Điện trở ở cuộn thứ cấp là 50Ω.

Lời giải:

a) Áp dụng công thức máy biến thế:

Thay số, ta được:

Vậy hiệu điện thế ở hai đầu cuộn thứ cấp khi điện trở ở cuộn thứ cấp bằng không là 17600V.

b) Hiệu điện thế ở hai đầu cuộn thứ cấp khi không tải là: 

Dòng điện chạy qua cuộn thứ cấp:

Hiệu điện thế thực tế ở hai đầu cuộn thứ cấp:

U2t = U2 – I2R2 = 217600V − 352A×50Ω = 12800V

Vậy hiệu điện thế thực tế ở hai đầu cuộn thứ cấp khi điện trở ở cuộn thứ cấp là 50Ω là 12800V.

Bài 9. Một máy biến thế có hiệu điện thế cuộn sơ cấp là U = 220V, số vòng của cuộn sơ cấp là 500 vòng, hiệu điện thế cuộn thứ cấp là U = 110V. Hỏi số vòng của cuộn thứ cấp sẽ là bao nhiêu vòng?

Lời giải:

Áp dụng công thức máy biến thế:

Thay số:

=>

Vậy số vòng của cuộn thứ cấp là 250 vòng.

Thông qua bài viết này, chúng tôi hy vọng rằng bạn đã có được cái nhìn sâu sắc hơn về công thức và cách giải bài tập liên quan đến máy biến thế.

Việc áp dụng thực hành những kiến thức này không chỉ giúp bạn nắm vững cơ bản mà còn mở rộng khả năng ứng dụng vào thực tiễn, từ đó nâng cao hiểu biết và kỹ năng giải quyết vấn đề trong lĩnh vực kỹ thuật điện. Hãy tiếp tục luyện tập và không ngừng tìm tòi, khám phá để vận dụng linh hoạt kiến thức vào những dự án thực tế bạn sẽ đối mặt trong tương lai.