Máy biến áp là gì? cấu tạo, công dụng của máy biến áp?

Máy biến áp là gì?

Máy biến áp hay máy biến thế là một thiết bị từ tĩnh, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp này (U1, I1, f) thành một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp khác (U2, I2, f), với tần số không thay đổi.

Cơ cấu chính của máy biến áp gồm hai hoặc nhiều cuộn dây đặt xung quanh một lõi sắt. Dòng điện AC chảy qua cuộn dây một (thường được gọi là cuộn dây sơ cấp) sẽ tạo ra một từ trường thay đổi trong lõi sắt, và từ trường này sẽ kích thích một dòng điện trong cuộn dây hai (thường được gọi là cuộn dây thứ cấp).

Các tính năng và đặc điểm của máy biến áp:

1. Biến đổi điện áp: Máy biến áp có thể tăng hoặc giảm điện áp. Máy biến áp tăng áp sẽ tăng điện áp từ sơ cấp lên thứ cấp, trong khi máy biến áp giảm áp sẽ làm ngược lại.
2. Hiệu suất cao: Máy biến áp thường có hiệu suất rất cao, thường ở mức trên 95-98%.
3. Không tạo ra năng lượng: Máy biến áp không tạo ra hoặc tiêu thụ năng lượng; nó chỉ chuyển năng lượng từ một điện áp đến một điện áp khác.
4. Ứng dụng rộng rãi: Máy biến áp được sử dụng trong nhiều ứng dụng, từ trạm biến áp lớn dùng trong hệ thống truyền tải điện đến những máy biến áp nhỏ dùng trong các thiết bị điện tử.
5. Có thể được thiết kế cho nhiều mục đích: Có các loại máy biến áp đặc biệt như máy biến áp 3 pha, máy biến áp cách ly, và máy biến áp điều chỉnh.

Máy biến áp là một thành phần quan trọng và không thể thiếu trong hạ tầng điện của hầu hết mọi quốc gia, đóng vai trò chính trong việc đảm bảo rằng điện áp được truyền đi và phân phối một cách hiệu quả và an toàn.

Cấu tạo máy biến áp

Lõi thép

• Lõi thép của máy biến áp được chế tạo bằng những vật liệu có độ dẫn từ cao vì nó được dùng để dẫn từ thông chính trong máy.
• Vật liệu chế tạo lõi thép là thép kỹ thuật điện (còn gọi là tôn silic).
• Để giảm tổn hao do dòng điện xoáy trong lõi (dòng Fuco), người ta không làm thành khối liền mà dùng các lá thép có chiều dày từ 0,3mm – 0,5mm, có phủ cách điện ghép.
• Hình dạng khác nhau như hình chữ nhật, hình xuyến…

Lõi thép được chia làm hai phần:

• Trụ từ: là nơi để đặt dây quấn,
• Gông từ: là phần khép kín mạch từ giữa các trụ.

Trụ từ và gông từ tạo thành mạch từ khép kín,

Dây quấn

• Dây quấn máy biến áp thường được chế tạo bằng dây đồng (hoặc nhôm), tiết diện chữ nhật, hoặc tròn, phía ngoài có bọc cách điện.
• Dây quấn gồm nhiều vòng dây quấn quanh trụ từ. Giữa các vòng dây, giữa các dây quấn được cách điện với nhau và cách điện với lõi thép.

Máy biến áp thường có 2 hoặc nhiều dây quấn.

• Dây quấn nhận điện áp vào ⇒ sơ cấp.
• Dây quấn đưa điện áp ra ⇒ thứ cấp.

Ký hiệu dây quấn sơ cấp, thứ cấp:

Các đại lượng ứng với dây quấn sơ cấp trong ký hiệu có ghi chỉ số 1: số vòng dây sơ cấp W1, điện áp sơ cấp U1, dòng điện sơ cấp I1, công suất vào P1…

Các đại lượng ứng với dây quấn thứ cấp trong ký hiệu có ghi chỉ số 2: số vòng dây thứ cấp W2, điện áp thứ cấp U2, dòng điện thứ cấp I2, công suất đưa ra P2 .

Thường trong các máy biến áp có một cuộn sơ cấp, nhưng có thể có một hay nhiều cuộn thứ cấp. Lúc này trong ký hiệu còn ghi thêm số cuộn. Ví dụ W21, W22; U21,.. ; I21, I22…

Các phần phụ khác

• Hệ thống làm mát: Nhiệt lượng sinh ra trong dây quấn và lõi thép của máy biến áp cần được thải ra môi trường xung quanh nhằm tránh hiện tượng tăng nhiệt độ làm hỏng máy.
• Làm mát khô: Làm mát bằng không khí, có loại không cưỡng bức và cưỡng bức.
• Làm mát ướt: Đặt lõi thép và dây quấn trong một thùng chứa dầu máy biến áp và hệ thống tản nhiệt (đối với các máy công suất lớn).
• Ngoài ra, còn có các sứ xuyên ra để đấu dây quấn ra ngoài, có bộ phận chuyển mạch để điều chỉnh điện áp, rơ le để bảo vệ máy, bình dãn dầu, thiết bị chống ẩm.

Nguyên ký làm việc của máy biến áp

Để nghiên cứu nguyên lý làm việc của máy biến áp ta xét máy biến áp một pha hai dây quấn.

• Dây quấn sơ cấp có W1 vòng, dây quấn thứ cấp có W2 vòng.
• Cấp điện xoay chiều, điện áp U1 vào dây quấn sơ cấp, sẽ có dòng điện sơ cấp i1.
• Dây quấn thứ cấp nối với tải.

Dòng i1 sinh ra từ thông F biến thiên chạy trong lõi thép có chiều như hình vẽ (chiều của F theo quy tắc vặn nút chai), xuyên qua cả 2 dây quấn sơ cấp W1 và thứ cấp W2 và là từ thông chính của máy.

Dòng điện i1 biến thiên theo qui luật hàm sin ⇒ từ thông F biến thiên ⇒ theo định luật cảm ứng điện từ, ở các dây quấn có sức điện động cảm ứng.

• Dây quấn sơ cấp ⇒ sức điện động e1 Dây quấn thứ cấp ⇒ sức điện động e2.
• Từ thông F biến thiên theo qui luật hàm sin.

Các đại lượng định mức máy biến áp

Điện áp định mức

• Điện áp sơ cấp định mức U1đm (V,KV): là điện áp qui định cho dây quấn sơ cấp.
• Điện áp thứ cấp định mức U2đm (V,KV): là điện áp đo được giữa các cực của dây quấn thứ cấp khi dây quấn thứ cấp hở mạch (chưa đấu tải) và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức.
  Máy biến áp 1 pha: điện áp định mức là điện áp pha.
  Máy biến áp 3 pha: điện áp định mức là điện áp dây.

Dòng điện định mức

Dòng điện định mức sơ cấp I1đm (A) và thứ cấp I2đm (A) là dòng điện qui định cho mỗi dây quấn, ứng với công suất định mức và điện áp định mức.
Với máy 3 pha: dòng điện định mức là dòng điện dây.

Công suất định mức Sđm

• Máy 1 pha: Sđm = U2đm x I2đm = U1đm x I1đm.
• Máy 3 pha: Sđm = Căn 3 x U2đm x I2đm = Căn 3 x U1đm x I1đm.

Công dụng của máy biến áp

Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến của máy biến áp:

1. Phân phối và truyền tải điện: Máy biến áp được sử dụng để tăng hoặc giảm điện áp trong hệ thống phân phối điện, giúp giảm tổn thất năng lượng và tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.
2. Công nghiệp: Máy biến áp được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy và khu công nghiệp để cung cấp điện áp phù hợp cho các thiết bị và máy móc, giúp đảm bảo an toàn và hiệu quả.
3. Điện gia dụng: Máy biến áp cũng được sử dụng trong các thiết bị gia dụng như tivi, máy vi tính, điện thoại, máy lạnh, và nhiều thiết bị khác để chuyển đổi điện áp phù hợp với yêu cầu của từng thiết bị.
4. Bảo vệ thiết bị: Máy biến áp cách ly (isolation transformer) được sử dụng để ngăn ngừa các vấn đề về điện áp và bảo vệ thiết bị điện khỏi các tác động tiêu cực của mạng lưới điện.
5. Y tế: Máy biến áp cũng được sử dụng trong các thiết bị y tế để đảm bảo an toàn của bệnh nhân và nhân viên y tế, cũng như duy trì chất lượng điện áp ổn định cho các thiết bị y tế chính xác và đáng tin cậy.
6. Công nghệ thông tin và viễn thông: Máy biến áp được sử dụng trong các trạm phát sóng, trạm thu sóng, thiết bị mạng và các thiết bị viễn thông khác để cung cấp điện áp ổn định và bảo vệ chúng khỏi các sự cố điện.
7. Điện tử: Máy biến áp được sử dụng trong các ứng dụng điện tử như bộ nguồn, mạch điều khiển, và các thiết bị điện tử khác để cung cấp điện áp và dòng điện phù hợp với yêu cầu của từng mạch.
8. Đèn chiếu sáng: Máy biến áp được sử dụng trong các hệ thống chiếu sáng, đặc biệt là các loại đèn halogen và đèn LED, để điều chỉnh điện áp và dòng điện phù hợp với yêu cầu của các bóng đèn.
9. Dầu khí và năng lượng: Máy biến áp được sử dụng trong các ứng dụng liên quan đến sản xuất, chế biến, và phân phối dầu khí và năng lượng, nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình vận hành.

Các loại máy biến áp chính

Máy biến áp điện lực

Dùng để truyền tải và phân phối công suất trong hệ thống điện lực.

Máy biến áp chuyên dùng

Sử dụng ở lò luyện kim, các thiết bị chỉnh lưu, máy biến áp hàn …

Máy biến áp tự ngẫu

Dùng để liên lạc trong hệ thống điện, mở máy động cơ không đồng bộ công suất lớn.

Máy biến áp đo lường

Dùng để giảm các điện áp và dòng điện lớn đưa vào các dụng cụ đo tiêu chuẩn.

Máy biến áp thí nghiệm

Dùng để thí nghiệm điện áp cao.