Máy biến áp là thiết bị gì? Đặc điểm của máy biến áp, cũng như có bao nhiêu loại máy biến áp?
Chúng ta cùng tìm hiểu nhé!
Máy biến áp là gì?
Đúng như tên gọi, máy biến áp là thiết bị chuyển nguồn điện từ mạch điện này sang mạch điện khác. Nó không thay đổi giá trị của công suất.
Máy biến áp tiếng Anh là gì
Trong tiếng Anh, máy biến áp được gọi là Transformer. Một từ vựng rất quen thuộc với chúng ta phải không nào.
Đặc điểm của máy biến áp
- Máy biến áp không thay đổi tần số mạch trong quá trình hoạt động.
- Máy biến áp hoạt động thông qua điện tức là cảm ứng lẫn nhau.
- Máy biến áp là thiết bị hoạt động khi cả hai mạch có hiệu lực cảm ứng lẫn nhau.
- Máy biến áp không thể tăng cấp điện áp DC hoặc dòng điện một chiều.
- Máy biến áp chỉ tăng cường hoặc hạ mức điện áp xoay chiều hoặc dòng điện xoay chiều.
- Máy biến áp không thay đổi giá trị của thông lượng.
- Máy biến áp không thể hoạt động trên điện áp DC.
Nếu không có máy biến áp, năng lượng điện được tạo ra tại các trạm phát điện không thể đủ để cung cấp năng lượng cho một thành phố. Chỉ cần tưởng tượng rằng không có máy biến áp. Bạn nghĩ có bao nhiêu nhà máy điện phải được thiết lập để cung cấp năng lượng cho một thành phố? Không dễ dàng để thiết lập một nhà máy điện vì chi phí đầu tư, vận hành rất đắt đỏ.
Máy biến áp là thiết bị đóng vai trò khuếch đại đầu ra từ nhà máy điện (tăng hoặc giảm mức điện áp hoặc dòng điện).
Vậy khi nào gọi là máy tăng áp?
- Khi số vòng của cuộn thứ cấp lớn hơn số vòng của cuộn sơ cấp, máy biến áp như vậy được gọi là máy tăng áp.
Khi nào gọi là máy hạ áp?
- Tương tự như vậy khi số vòng của cuộn sơ cấp lớn hơn số vòng thứ cấp, máy biến áp như vậy được gọi là máy hạ áp.
Nguyên lý làm việc của máy biến áp
Máy biến áp là thiết bị tĩnh ( không có chứa các bộ phận quay, do đó không có tổn thất ma sát), giúp chuyển đổi năng lượng điện từ mạch này sang mạch khác mà không thay đổi tần số. Nó tăng hoặc giảm mức điện áp và dòng điện xoay chiều.
Máy biến áp hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng lẫn nhau của hai cuộn dây hoặc định luật cảm ứng điện từ của Faraday. Khi dòng điện trong cuộn sơ cấp bị thay đổi, từ thông liên kết với cuộn thứ cấp cũng thay đổi. Do đó, một suất điện động (EMF) được tạo ra trong cuộn thứ cấp theo định luật Faraday cảm ứng điện từ.
Nguyên lí làm việc của máy biến áp
- Thứ nhất, một dòng điện có thể tạo ra từ trường (điện từ)
- Thứ hai là từ trường thay đổi trong một cuộn dây tạo ra một điện áp trên hai đầu của cuộn dây (cảm ứng điện từ).
- Dòng điện trong cuộn sơ cấp thay đổi làm thay đổi từ thông được sinh ra. Từ thông thay đổi gây ra một điện áp trong cuộn thứ cấp.
Nghĩa là, khi cuộn dây sơ cấp được nối với nguồn điện xoay chiều, một dòng điện chạy qua nó. Vì các cuộn dây liên kết với lõi, dòng điện chạy qua cuộn dây sẽ tạo ra một dòng điện xoay chiều trong lõi. EMF được cảm ứng trong cuộn thứ cấp vì từ thông xoay chiều liên kết hai cuộn dây. Tần số của EMF cảm ứng giống như tần số của từ thông hoặc điện áp được cung cấp.
Bằng cách đó, năng lượng (biến thiên của từ thông) được truyền từ cuộn sơ cấp sang cuộn thứ cấp bằng phương pháp cảm ứng điện từ mà không thay đổi tần số của điện áp cung cấp cho máy biến áp.
Cấu tạo máy biến áp 3 pha ngâm dầu
Máy biến áp có cấu tạo khá đơn giản. Gồm có lõi sắt mềm hoặc silicon và cuộn dây được đặt trên đó (lõi sắt). Cả lõi và cuộn dây được cách điện với nhau.
Cuộn dây nối với nguồn cấp chính được gọi là cuộn sơ cấp và cuộn dây được nối với mạch tải được gọi là cuộn thứ cấp.
Cuộn dây nối với điện áp cao hơn được gọi là cuộn dây điện áp cao trong khi cuộn dây nối với điện áp thấp được gọi là cuộn dây điện áp thấp. Trong trường hợp máy tăng áp, cuộn sơ cấp là cuộn dây điện áp thấp, số vòng dây của cuộn thứ cấp nhiều hơn cuộn sơ cấp. Máy hạ áp thì ngược lại.
Các loại máy biến áp
Máy biến áp là thiết bị khá phổ biến. Vì thế, có nhiều loại máy biến áp khác nhau dựa trên cách sử dụng, thiết kế, thi công,… Chúng ta cùng sẽ tìm hiểu một số loại phổ biến nhé!
Máy biến áp lõi không khí
Loại máy biến áp này là thiết bị sử dụng nhựa hoặc không khí làm lõi. Các cuộn dây xung quanh lõi nhựa hoặc không có lõi vật lý. Không khí có độ thấm từ rất thấp. Vì vậy, không có liên kết từ thông giữa các cuộn dây.
Việc không có lõi từ tính Fe (như lõi sắt) làm giảm tổn thất lõi, vì những tổn thất này tăng theo tần số. Vật liệu sắt từ cũng gây ra sự biến dạng trong tín hiệu tần số cao. Vì vậy, máy biến áp lõi không khí phù hợp với dòng điện tần số vô tuyến. Một điểm tích cực khác của máy biến áp lõi không khí là chúng nhẹ và phù hợp với các thiết bị điện tử di động như máy phát radio, …
Máy biến áp kích từ
Đúng như tên gọi, lõi máy biến áp này được làm bằng vật liệu sắt từ. Một lõi sắt từ được sử dụng trong máy biến áp để tăng từ trường của nó. Độ bền của từ trường phụ thuộc vào tính thấm từ của vật liệu được sử dụng.
Máy biến áp lõi sắt được sử dụng cho các ứng dụng tải nặng có tần số thấp như nguồn điện. Lõi sắt bao gồm các tổn thất lõi phụ thuộc tần số của nó như tổn thất dòng điện xoáy và trễ. Chúng được sử dụng để tăng hoặc giảm các mức điện áp AC.
Ngoài ra, máy biến áp còn được phân loại dựa trên chuyển đổi điện áp như:
Máy biến áp tăng áp
Như phần nội dung đã trình bày phía trên, thì máy biến áp dạng này có điện áp của cuộn thứ cấp của nó lớn hơn cuộn dây sơ cấp. Điều này là do số vòng trong cuộn sơ cấp ít hơn số vòng trong cuộn thứ cấp.
Điện áp đầu ra của máy biến áp phụ thuộc vào tỷ số vòng dây của nó được đưa ra bởi:
Tỷ lệ = Ns / Np
Tỷ số vòng dây của một máy biến áp tăng áp lớn hơn 1.
Như chúng ta biết rằng công suất đầu vào và đầu ra của máy biến áp vẫn như cũ. Điều này ngụ ý rằng máy biến áp tăng áp làm tăng điện áp nhưng nó cũng làm giảm dòng điện từ cuộn sơ cấp đến cuộn thứ cấp. Do đó, nó duy trì một công suất không đổi.
Máy biến áp tăng áp là thiết bị chủ yếu được sử dụng trong truyền tải điện trên một khoảng cách dài để giảm tổn thất đường dây (I2R). Các tổn thất đường dây phụ thuộc vào dòng điện, do đó giảm dòng điện (trong khi tăng điện áp) sử dụng biến áp tăng cường làm giảm tổn thất và cung cấp truyền tải điện hiệu quả.
Có thể bạn chưa biết:
Lò vi sóng cũng sử dụng một máy biến áp tăng cường để tăng nguồn điện áp gia dụng (110/220V) trong phạm vi 2000V.
Máy biến áp hạ áp
Máy biến áp hạ áplà thiết bị làm giảm điện áp xoay chiều, tức là điện áp đầu ra thấp hơn điện áp đầu vào. Số vòng trong cuộn sơ cấp lớn hơn số vòng trong cuộn thứ cấp.
Tỷ số vòng dây của máy biến áp hạ áp nhỏ hơn 1.
Máy biến áp bước xuống phổ biến nhất được sử dụng để giảm điện áp 11kv từ đường dây điện sang điện áp tiêu dùng tiêu chuẩn được sử dụng cho các thiết bị trong nước.
Bạn có biết:
Bộ sạc điện thoại cũng sử dụng một biến áp hạ áp để giảm điện áp cấp cho điện thoại sạc pin đấy.
Người ta còn dựa trên cách sử dụng để phân loại máy biến áp như sau: Có bốn loại máy biến áp dựa trên cách sử dụng.
Trạm biến áp
Những máy biến áp này là thiết bị được sử dụng trong truyền tải điện bằng cách đẩy mạnh và giảm điện áp tại nhà máy phát điện để truyền tải hiệu quả.
Như chúng ta biết rằng tổn thất đường truyền (I2R) phụ thuộc vào dòng điện. Để giảm dòng điện, chúng ta tăng điện áp đường dây bằng cách sử dụng một biến áp nguồn tăng áp.
Điện áp hoạt động của chúng rất cao, dao động trên 33KV với mức công suất lớn hơn 200MVA. Chúng có kích thước khổng lồ và chúng hoạt động ở mức tải tối đa có hiệu suất 100%.
Máy biến áp phân phối
Những máy biến áp này được sử dụng để phân phối điện cho hộ gia đình hoặc sử dụng thương mại. Hạ áp từ điện áp cao (> 11Kv) thành điện áp tiêu chuẩn trong nước 220V.
Chúng có kích thước nhỏ và chúng rất dễ lắp đặt. Chúng có giới hạn điện áp và điện áp thấp thường dưới 200MVA. Hiệu quả của chúng vẫn dưới 70% vì không bao giờ hoạt động ở mức đầy tải.
Máy biến áp cách ly
Những loại máy biến áp này được sử dụng để cách ly điện một thiết bị khỏi nguồn điện với mục đích ngăn ngừa điện giật.
Một đầu cuộn sơ cấp của biến áp cách ly được nối đất. Trong trường hợp, nếu ai đó chạm vào một dây dẫn trần ở phía thứ cấp, sẽ không có dòng điện.
Máy biến áp tỷ lệ 1: 1 chủ yếu được sử dụng làm máy biến áp cách ly nhưng chúng có thể được thiết kế như máy biến áp tăng áp hoặc giảm áp.
Chúng được chế tạo bằng vật liệu cách điện đặc biệt giữa các cuộn dây có thể thích ứng với điện áp xoay chiều cao. Có một lá chắn Faraday nối đất giữa các cuộn dây triệt tiêu mọi tiếng ồn hoặc nhiễu.
Chúng được sử dụng cho các phép đo an toàn để ngăn chặn bất kỳ cú sốc điện nào hoặc kết nối hai mạch sai.
Khí cụ đo biến áp
Loại máy biến áp như vậy được sử dụng trong việc đo điện áp cao và dòng điện.
Các máy biến áp này giảm điện áp và dòng điện xuống phạm vi an toàn, có thể dễ dàng đo được thông qua các dụng cụ đo lường điển hình.
Có hai loại máy biến áp dạng khí cụ, tức là máy biến dòng và máy biến thế.
- Cảm biến dòng
Máy biến dòng, hay biến dòng CT được sử dụng trong đo dòng điện lớn.
- Bộ biến điện áp
Bộ biến điện áp còn được gọi là máy biến thế. Nó được sử dụng để đo điện áp cao. Để làm như vậy, cuộn dây sơ cấp của máy biến áp được kết nối qua các đường dây cao thế. Về phía thứ cấp, tất cả các công cụ và dụng cụ đo lường như vôn kế được kết nối để đo và phân tích mức điện áp.
Cuộn dây sơ cấp được nối đất hoặc nối đất nơi máy biến thế nâng giá trị điện áp lên mức an toàn.
Dưới đây là các loại máy biến thế tiêu biểu:
- Điện từ: Biến thế vết thương dây
- Biến áp điện áp tụ (CVT): Nó sử dụng mạch chia điện áp tụ
- Biến áp quang: Dựa trên tính chất điện của vật liệu quang.
Máy biến áp cũng được phân loại dựa trên thiết kế của cuộn dây:
Máy biến áp hai cuộn dây
Loại máy biến áp như vậy có hai cuộn dây riêng biệt, tức là cuộn sơ cấp & cuộn thứ cấp.
Cuộn dây sơ cấp được nối với đầu vào AC trong khi cuộn thứ cấp được nối với tải.
Hai cuộn dây này được cách ly bằng điện nhưng được ghép từ tính.
EMF gây ra trong cuộn thứ cấp là do từ thông thay đổi gây ra bởi dòng điện thay đổi trong cuộn sơ cấp, còn được gọi là cảm ứng lẫn nhau. Vì vậy, điện áp đầu ra hoàn toàn là do cảm ứng.
Điện áp đầu ra phụ thuộc vào tỷ số vòng của cả hai cuộn dây và nó có thể tăng hoặc giảm điện áp đầu vào.
Máy biến áp tự ngẫu
Máy biến áp tự động là thiết bị chỉ có một cuộn dây cho mỗi pha, được chia thành hai phần, tức là cuộn sơ cấp & thứ cấp.
Cuộn dây của máy biến áp tự động có 3 điểm tiếp xúc; hai trong số chúng được cố định trong khi điểm thứ ba là điểm thay đổi.
Điểm tiếp xúc có thể di chuyển để tăng hoặc giảm số vòng dây thứ cấp. Do đó tăng hoặc giảm điện áp đầu ra.
Điện áp đầu ra có thể giảm, nếu nguồn cấp được kết nối với các đầu cuối cố định. Ngược lại là nếu nguồn cấp được nối với điểm tiếp xúc thay đổi, điện áp đầu ra sẽ vượt quá đầu vào (tăng lên).
Các cuộn dây thứ cấp được nối điện với sơ cấp, do đó không có cách ly điện nhưng nó làm giảm thông lượng rò rỉ từ tính.
Máy biến áp khô
Loại máy biến áp này không có bất kỳ hệ thống làm mát bằng chất lỏng nào. Các cuộn dây được bọc trong nhựa epoxy để bảo vệ nó khỏi độ ẩm. Vì vậy, phương tiện làm mát duy nhất là gió.
Vì không khí không phải là chất cách điện tốt, nên máy biến áp khô sử dụng cuộn dây & vật liệu cuộn lớn để bù nhiệt độ. Đây là lý do tại sao; máy biến áp loại khô không được dùng cho dải điện áp cao trên 33KV. Do hệ thống làm mát kém, chúng có xu hướng quá nóng khiến tuổi thọ của chúng ngắn lại.
Hơn nữa, để đảm bảo lưu thông không khí; cần phải kiểm tra thường xuyên để duy trì tình trạng hoạt động của nó.
Chúng được sử dụng trong môi trường trong nhà vì chúng ít nguy hiểm hơn và dễ cài đặt.
Máy biến áp ngâm dầu
Loại máy biến áp như vậy sử dụng dầu dễ cháy cho mục đích làm mát. Dầu cung cấp khả năng làm mát tốt hơn máy biến áp loại khô. Đó là lý do tại sao chúng được sử dụng cho máy biến áp có điện áp cao; trong môi trường ngoài trời khắc nghiệt.
Nhược điểm của loại máy biến áp này là chúng có kích thước lớn do có thùng dầu & các cảm biến cần thiết để kiểm tra độ ẩm, … Nó chứa dầu dễ cháy nên không phù hợp với môi trường trong nhà.
Máy biến áp một pha
Máy biến áp một pha là máy biến áp hai cuộn dây có một cuộn sơ cấp & một cuộn thứ cấp. Máy biến áp được sử dụng cho ứng dụng một pha như lò vi sóng, bộ sạc điện thoại, …
Chúng có hai đầu vào đầu vào được nối với cuộn sơ cấp & hai đầu ra đầu ra được nối với cuộn thứ cấp.
Máy biến áp ba pha
Máy biến áp ba pha có 6 cuộn dây trong đó 3 trong số đó là cuộn sơ cấp & 3 là cuộn thứ cấp cho mỗi pha. Nó có 12 đầu cuối chia đều cho cả hai bên để đấu nối sao & delta. Bạn có thể sử dụng 3 biến áp một pha với nhau thay vì biến áp 3 pha.
Chúng được sử dụng để truyền tải điện và phân phối điện cho sử dụng trong thương mại.
Lời kết,
Một bài viết khá dài, nhưng mình vẫn cảm thấy còn rất nhiều điều để nói về chủ đề này. Chủ đề máy biến áp là thiết bị như thế nào. Nhưng tạm thời, bài viết này cung cấp đến cho các bạn cái nhìn tổng quan nhất; về các loại máy biến áp thông dụng trên thị trường rồi.
Hẹn các bạn ở những bài viết chi tiết hơn. Về hoạt động cũng như các ứng dụng và các câu hỏi xoay quanh máy biến áp.
Rất mong nhận được những đóng góp của các bạn giúp cho bài viết ngày một hay hơn!
