Công thức tính hiệu suất máy biến áp?

Câu hỏi: Công thức tính hiệu suất máy biến áp?

Lời giải:

Hiệu suất của máy biến áp là tỉ số (tính ra %) giữa công suất lấy ra ở mạch thứ cấp P₂ và công suất đưa vào ở mạch sơ cấp P₁.

Hao phí điện năng trong máy biến áp chủ yếu ở dạng toả nhiệt Jun – Lenxơ trong các cuộn dây và do dòng Phucô trong lõi thép gây ra. Ta hạn chế bằng cách dùng dây dẫn bằng đồng tốt và lõi thép làm bằng các lá thép mỏng pha silic ghép cách điện với nhau.

Vì vậy hiệu suất của máy biến áp rất cao, trong thực tế có thể đạt tới 98% hay 99%.

Cùng Top lời giải đi tìm hiểu thêm về vấn đề này nhé! 

I. Hiệu suất là gì?

Trên thực tế có rất nhiều khái niệm hiệu suất trong các lĩnh vực khác nhau. Các khái niệm này đều có sự giống và khác nhau nhất định. Trước tiên chúng ta cần hiểu được ý nghĩa cốt lõi của hiệu suất là gì nói chung trước khi đi sâu vào các khái niệm hiệu suất khác nhé.

Hiệu suất là khả năng hoạt động một cách có ích của vật cần xét. Đây là đại lượng đặc trưng biểu thị cho khả năng tránh lãng phí năng lượng, thời gian và chi phí của vật. Đây chính là thước khả năng thực hiện được lượng công việc trên thực tế so với tính toán ban đầu. Hiệu suất càng cao thì khả năng làm việc của vật càng hiệu quả. Điều này cũng đồng nghĩa với việc có càng ít năng lượng, vật liệu và chi phí bị hao phí.

Hiệu suất được ký hiệu bằng chữ cái η trong bảng chữ cái Hy Lạp. Ký hiệu này được đọc là Eta

II. Máy biến áp

1. Tác dụng:

– Biến đổi điện áp hiệu dụng(hoặc điện áp cực đại) của dòng điện xoay chiều màkhông làm thay đổi tần số

2. Nguyên tắc hoạt động:

– Dựa vào hiện tượng cảm ứng từ

3. Cấu tạo:

– 2 cuộn dây quấn trên cùng một lõi thép:

+ Cuộn vào (1): Cuộn sơ cấp

+ Cuộn ra (2): Cuộn thứ cấp

(Có thể thay thế bởi một cuộn dây với 3 đầu)

– Một lõi thép: để dẫn từ được ghép với nhau bởi các lõi thép cách điện

4. Điều kiện để hiệu suất máy biến áp lớn nhất.

Chúng ta biết rằng:

Tổn thất đồng: P_cu = W_c =  I₁². R₁ hay I₂²R₂

Tổn thất sắt: Wi = tổn thất từ trễ + tổn thất dòng điện xoáy

W_I = W_H + W_E

Ta có công suất đi vào máy biến áp: 

P₁ = V₁I₁ Cosθ₁

=>     η= P_in - P_th/ P_in = (P_in - P_cu - P_fe)/P_in

<=>    η=    (P₁ – W_C – W_I) / P₁

<=>    η = (V₁ I₁ Cosθ₁ – I₁². R₁ – W_I)/ V₁ I₁ Cosθ₁

<=>    η = 1- (I₁². R₁ /V₁I₁ Cosθ₁) –(W_I/ V₁ I₁Cosθ₁)

Hay

η = 1- (I₁. R₁ /V₁Cosθ₁) – (W_I/ V₁ I₁ Cosθ₁)

Để xác định hiệu suất lớn nhất ta lấy đạo hàm theo I1 hàm trên và cho bằng 0:

                                               dη/ dI₁ = 0 – ( R₁ /V₁ Cosθ₁) + (W_I/V₁ I₁² Cosθ₁) = 0

                                            <=> dη/ dI₁= – ( R₁ /V₁ Cosθ₁) + (W_I/V₁ I₁² Cosθ₁) = 0 

                                            <=> R₁ / (V₁ Cosθ₁) = (W_I/V₁ I₁² Cosθ₁)

                                            <=> WI = I₁². R₁      hay       I₂²R₂

Vậy để hiệu suất máy biến áp lớn nhất thì tổn thất sắt phải bằng tổn thất đồng.

Giá trị của dòng điện thứ cấp I₂ mà tại đó hiệu suất lớn nhất là:

I₂ = √ (W_I/ R₂)

Đó cũng là giá trị dòng điện thứ cấp I₂ làm cho tổn thất sắt và tổn thất đồng bằng nhau.

Theo như trên, hiệu suất lớn nhất luôn có thể đạt được. Vì vậy, với thiết kế thích hợp, hiệu suất lớn nhất có thể đạt được với bất kì giá trị nào của tải. Tôn thất sắt và đồng có thể được cân bằng.

Nhận xét:

+ Hiệu suất luôn luôn bé hơn 1 và thường được xác định bằng phần trăm (%)

+ Máy biến áp lí tưởng có hiệu suất là 100% nghĩa là hiệu suất của máy biến áp lí tưởng là 1.

+ Hiệu suất máy biến áp thực nhìn chung khá cao từ 90 đến 98%

5. Hiệu suất của máy biến áp trong thực tế:

Như chúng ta đã biết hiệu suất của máy biến áp là tỉ số giữa dòng công suất đi vào và ra khỏi máy biến áp. Nhưng hiệu suất của một số máy biến áp không thể xác định theo công thức như trên được. 

Những máy biến áp phân phối cung cấp điện chiếu sáng và những mạch tương tự như vậy, dòng công suất cung cấp cho cuộn sơ cấp trong suốt 24h, nhưng ở cuộn thứ cấp không nhận công suất đó trong toàn thời gian của 1 ngày (24h). Nói cách khác, cấp thứ cấp chỉ cần nhận công suất vào ban đêm để cung cấp cho những mạch chiếu sáng. Cuộn thứ cấp cung cấp công suất cho tải rất nhỏ hoặc hoạt động không tải trong phần lớn thời gian 24h. Điều này có nghĩa rằng tổn thất lõi thép đều đặn trong 24h nhưng tổn thất đồng chỉ xảy ra khi máy biến áp có tải.

Từ đó có thể nhận ra rằng cần thiết để thiết kế một máy biến áp mà tổn thất trong lõi thép là thấp. Tổn thất đồng phụ thuộc vào tải nên có thể bỏ qua. Trong trường hợp này chúng ta cần theo dõi hiệu suất trong suốt thời gian. Có thể gọi đây là hiệu suất hoạt động. Dựa trên điện năng đã sử dụng, chúng ta có thể ước lượng được hiệu suất hoạt động cho từng khoảng thời gian.  Chúng ta có thể dùng công thức:

Hiệu suất = η= A_out (kWh)/ A_in(kWh)