Máy biến áp – CHI TIẾT

Máy biến áp là gì ? Bài viết hôm nay chúng ta sẽ tìm hiểu máy biến thế là gì, cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của các loại máy biến áp trong thực tế ?

Để biến đổi điện áp của dòng điện xoay chiều từ điện áp cao xuống điện áp thấp, hoặc ngược lại từ điện áp thấp lên điện áp cao, người ta dùng máy biến áp.

Máy biến áp ba pha trong công nghiệp

1.   Khái niệm chung về máy biến áp là gì

1.1   Định nghĩa

Máy biến áp là gì ? Máy biến áp hay còn được gọi là máy biến thế là máy điện tĩnh, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi điện áp của hệ thống dòng điện xoay chiều nhưng vẫn giữ nguyên tần số.

Ký hiệu máy biến áp trên bản vẽ

Đầu vào máy biến áp nối với nguồn điện, được gọi là sơ cấp, đầu ra nối với tải gọi là thứ cấp. Các đại lượng, các thông số sơ cấp trong ký hiệu có ghi chỉ số 1, các đại lượng và thông số thứ cấp có chỉ số 2.

Bảng quy ước ký hiệu đại lượng cơ bản

Nếu điện áp thứ cấp lớn hơn sơ cấp là máy biến áp tăng áp. Nếu điện áp thứ cấp nhỏ hơn điện áp sơ cấp gọi là máy biến áp giảm áp.

1.2   Các định lượng định mức

Các đại lượng định mức của máy biến áp do xưởng chế tạo máy biến áp quy định để cho máy có khả năng làm việc lâu dài và tốt nhất.

a. Điện áp định mức

Ø  Điện áp sơ cấp định mức là điện áp quy định cho dây quấn sơ cấp. Ký hiệu là U_1đm.

Ø  Điện áp thứ cấp định mức là điện áp giữa các cực của dây quấn thứ cấp, khi dây quấn thứ cấp hở mạch (không tải) và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức. Ký hiệu là U_2đm.

Người ta quy ước, với máy biến áp một pha điện áp định mức là điện áp pha, với máy biến áp ba pha là điện áp dây. Đơn vị điện áp trên máy thường là V hoặc kV.

b. Dòng điện định mức

Dòng điện định mức là dòng điện đã quy định cho mỗi dây quấn của máy biến áp, ứng với công suất định mức và điện áp định mức. Đơn vị dòng điện ghi trên máy thường là A. Dòng điện sơ cấp định mức ký hiệu I_1dm, dòng điện thứ cấp định mức ký hiệu I_2đm.

c. Công suất định mức

Công suất định mức của máy biến áp là công suất biểu kiến định mức. Công suất định mức ký hiệu là S_đm, đơn vị là VA, kVA.

Ø  Công suất định mức đối với máy biến thế một pha là gì:

S_đm = U_2đm.I_2đm = U_1đm.I_1đm

Ø  Công suất định mức đối với máy biến thế ba pha là gì:

S_đm = U_2đm.I_2đm = U_1đm.I_1đm

Ngoài ra trên nhãn máy còn ghi tần số định mức f_đm, số pha, sơ đồ nối dây, điện áp ngắn mạch, chế độ làm việc, …

1.3   Công dụng của máy biến áp là gì

Máy biến áp có vai trò quan trọng trong hệ thống điện, dùng để truyền tải và phân phối điện năng. Các nhà máy điện công suất lớn thường ở xa trung tâm tiêu thụ điện (khu công nghiệp, độ thị, …) vì thế cần phải xây dựng các đường dây truyền tải điện năng. Điện áp máy phát thường là 6,3; 10,5; 15,75; 38,5 kV.

Để nâng cao khả năng truyền tải và giảm tổn hao công suất trên đường dây, phải giảm dòng điện chạy trên đường dây, bằng cách nâng cao điện áp. Vì vậy đầu đường dây cần đặt máy biến áp tăng áp. Mặc khác điện áp tải thường 127V –  500V, động cơ công suất lớn thường 3 – 6 kV, vì vậy ở cuối đường dây cần đặt máy biến áp giảm áp.

Máy biến áp trong truyền tải điện

Ngoài ra máy biến áp còn được sử dụng, trong các thiết bị lò nung (máy biến áp lò), trong máy hàn điện (máy biến áp hàn) làm nguồn cho các thiết bị điện, điện tử cần nhiều cấp điện áp khác nhau trong lĩnh vực đo lường (máy biến dòng, máy biến điện áp), …

2.   Cấu tạo của máy biến thế là gì

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

2.1   Lõi thép máy biến áp

Lõi thép của máy biến áp dùng đẻ dẫn từ thông chính của máy, được chế tạo từ những vật liệu dẫn từ tốt, thường là các lá thép kỹ thuật điện. Lõi thép gồm hai bộ phận:

Ø Trụ là nơi để đặt dây quấn

Ø Gông là phần khép kín mạch từ giữa các trụ

Lõi thép máy biến áp

Trụ và gông tạo thành mạch từ khép kín.

Để giảm dòng điện xoáy trong lõi thép, người ta dùng lá thép kỹ thuật điện (dày 0,35 đến 0,5 mm, hai mặt có sơn cách điện) ghép lại với nhau thành lõi thép (hình dưới).

Lõi thép của máy biến áp được ghép lại từ các lá thép

2.2   Dây quấn máy biến áp

Dây quấn máy biến áp thường được chế tạo bằng dây đồng (hoặc nhôm), có tiết diện tròn hoặc chữ nhật, bên ngoài dây dẫn có bọc cách 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 quấn có các điện với lõi thép. Máy biến áp thường có hai hay nhiều dây quấn. Khi các dây quấn đặt trên cùng một trụ, thì dây quấn thấp áp đặt sát trụ thép, dây quấn cao áp đặt lồng ra ngoài. Làm như vậy sẽ giảm được vật liệu cách điện.

Để làm mát và tăng cường khả năng cách điện cho máy biến áp, người ta thường đặt lõi thép và dây quấn trong một thùng chứa dầu máy biến áp. Đối với máy biến áp công suất lớn, vỏ thùng dầu có cánh tản nhiệt. Ngoài ra còn có sứ xuyên ra để nối các đầu dây quấn ra ngoài, bộ phận chuyển mạch để điều chỉnh điện áp; rơ le hơi để bảo vệ máy, bình dãn dầu, thiết bị chống ẩm, …

Thiết bị làm mát máy biến áp

3.   Nguyên lý làm việc của máy biến áp là gì

Khi ta nối dây quấn sơ cấp vào nguồn điện xoay chiều, sẽ có dòng điện chạy trong dây quấn sơ cấp. Dòng điện sinh ra từ thông biến thiên chạy trong lõi thép, từ thông này móc vòng (xuyên qua) đồng thời với cả hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp. Theo định luật cảm ứng điện từ, sự biến thiên của từ thông làm cảm ứng vào dây quấn thứ cấp một suất điện động.

Nguyên lý làm việc của máy biến áp là gì

Suất điện động cảm ứng ở dây quấn sơ cấp:

Suất điện động cảm ứng ở dây quấn thứ cấp:

trong đó w₁, w₂ là số vòng dây của dây quấn sơ cấp và thứ cấp.

Ø Nếu máy biến áp không tải, dây quấn thứ cấp hở mạch, dòng điện thứ cấp I₂ =0, từ thông chính trong lõi thép chỉ do dòng sơ cấp I₀ sinh ra .

Ø Nếu máy biến áp có tải, dây quấn thứ cấp nối với tải có tổng trở tải Z_t , dưới tác động của sức điện động e₂, có dòng điện tải thứ cấp i₂ cung cấp điện cho tải. Khi ấy từ thông chính do đồng thời cả hai sơ cấp i₁ và thứ cấp i₂ sinh ra .

Điện áp u₁ hình sin nên từ thông cũng biến thiên sin, ta có

Tương tự với e₂  ta có:

Trong đó:

Với E₁, E₂ là trị số hiệu dụng sức điện động sơ cấp, thứ cấp.

Nhìn công thức trên ta thấy sức điện động thứ cấp (e₂)và sơ cấp (e₁) có cùng tần số, nhưng trị số hiệu dụng khác nhau.

Nếu ta chia E₁ cho E₂ ta được:

k được gọi là hệ số biến áp.

Nếu bỏ qua điện trở dây quấn và từ thông tản ra ngoài không khí, có thể coi gần đúng , ta có:

nghĩa là tỷ số điện áp sơ cấp và thứ cấp đúng bằng tỷ số vòng dây.

Ø Đối với máy tăng áp có: U₂ > U₁ ; w₂  > w₁

Ø Đối với máy giảm áp có: U₂ < U₁ ; w₂  < w₁

Như vậy dây quấn sơ cấp và thứ cấp không trực tiếp liên hệ với nhau về điện nhưng nhờ có từ thông chính, năng lượng đã truyền từ dây quấn sơ cấp sang thứ cấp.

Nếu bỏ qua tổn hao năng lượng trong máy biến áp, có thể coi gần đúng, quan hệ giữa các lượng sơ cấp và thứ cấp như sau:

4.   Các máy biến thế đặc biệt là gì

4.1   Máy tự biến áp

Máy tự biến áp còn được gọi là biến áp tự ngẫu. Máy tự biến áp một pha thường có công suất nhỏ, được dùng trong các phòng thí nghiệm và trong các thiết bị để làm cho nguồn có khả năng điều chỉnh điện áp đầu ra theo yêu cầu. Máy tự biến áp ba pha thường dùng để điều chỉnh điện áp khi mở máy các động cơ xoay chiều ba pha.

Máy tự biến áp có một pha gồm một dây quấn dùng làm dây quấn sơ cấp, với số vòng dây w₁ và đồng thời một bộ phận của nó với số vòng dây w₂ là thứ cấp.

Máy biến áp tự ngẫu

Vậy tỷ số điện áp là:

 hay  

Ta thay đổi vị trí điểm trượt a, sẽ thay đổi được số vòng dây w₂ và do đó thay đổi được điện áp U₂. Vì thế máy tự biến áp dùng để điều chỉnh điện áp một cách liên tục.

Từ sơ đồ cho thấy sự truyền tải năng lượng từ sơ cấp qua thứ cấp trong máy biến áp bằng hai đường: điện và điện từ. Trong khi đó ở các máy biến áp thông thường có dây quấn sơ cấp và thứ cấp riêng biệt, năng lượng từ sơ cấp qua thứ cấp chỉ bằng điện từ. Vì thế máy tự biến áp có tiết diện lõi thép bé hơn máy biến áp thông thường. Máy tự biến áp chỉ có một cuộn dây cho nên tiết kiệm được dây dẫn và giảm được tổn hao.

Máy tự biến áp có nhược điểm là mức độ an toàn điện không cao, vì sơ cấp và thứ cấp liên hệ trực tiếp về điện với nhau.

4.2   Máy biến áp đo lường

a.  Máy biến thế điện áp là gì

Dùng biến đổi điện áp cao xuống điện áp thấp để đo lường bằng các dụng cụ thông thường. Như thế số vòng dây thứ cấp w₂ phải nhỏ hơn số vòng dây sơ cấp w₁.

Khi mắc dây, cuộn dây sơ cấp nối song song với điện áp lớn cần đo, cuộn dây thứ cấp nối với vôn kế hoặc cách mạch điện áp của các dụng cụ khác như cuộc dây điện áp của oát kế, …

Sơ đồ đấu máy biến áp điện áp

b. Máy biến thế dòng điện là gì

Dùng để biến đổi dòng điện lớn xuống dòng điện nhỏ để đo lường và một số mục đích khác. Vì dòng điện thứ cấp nhỏ hơn dòng điện sơ cấp, nên số vòng dây thứ cấp w₂ nhiều hơn số vòng dây sơ cấp.

Khi mắc dây, cuộn dây sơ cấp đấu nối tiếp với dòng điện cần đo; cuộn dây thứ nối với ampe kế hoặc mạch dòng điện của các dụng cụ khác như cuộn dòng điện của oát kế, …

Sơ đồ dấu máy biến áp dòng điện

4.3   Máy biến áp hàn hồ quang là gì

Là loại máy biến áp đặc biệt dùng để hàn bằng phương pháp hồ quang điện. Người ta chế tạo các máy biến áp hàn có điện kháng tản lớn, và thêm cuộn điện kháng ngoài để cho dòng điện hàn không vượt quá 2 đến 3 lần dòng điện định mức. Vì thế đường đặc tính ngoài của máy rất dốc, phù hợp với yêu cầu hàn điện. Sơ đồ nguyên lý của máy biến áp hàn được vẽ như hình bên dưới.

Sơ đồ nguyên lý cả máy biến áp hàn

Cuộn dây sơ cấp nối với nguồn điện, còn cuộn thứ cấp một đầu nối với cuộn điện kháng và que hàn, còn đầu kia nối với kim hàn.

Khi dí que hàn vào tấm kim loại sẽ có dòng điện lớn chạy qua, làm nóng chỗ tiếp xúc. Khi nhấc que hàn cách tấm kim loại một khoảng nhỏ, vì cường độ điện trường lớn làm ion hóa chất khí, sinh hồ quang và tỏa ra nhiệt lượng lớn làm nóng chảy chỗ hàn.

Muốn điều chỉnh dòng điện hàn có thể thay đổi số vòng dây quấn thứ cấp hoặc thay đổi điện kháng cuộn K, bằng cách thay đổi khe hở không khí của lõi thép.

Chế độ làm việc của máy biến áp hàn là ngắn mạch ngắn hạn thứ cấp, điện áp thứ cấp định mức hàn thường 60 – 70V.

Video mô tả máy biến áp là gì

Tài Liệu Tham Khảo “máy biến áp là gì”