Hiện nay, máy biến áp đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điện, dùng để truyền tải, phân phối điện năng. Ngoài ra còn nhiều chức năng khác tuỳ thuộc mục đích sử dụng.
Máy biến áp
Máy biến áp 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.
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
- Máy biến áp dùng để tăng điện áp từ máy phát điện lên đường dây tải điện đi xa, và giảm điện áp ở cuối đường dây để cung cấp cho tải.
- Các máy biến áp công suất nhỏ, ổn áp, thiết bị sạc [230V sang DC 24, 12, 3V,…
- Ngoài ra máy biến áp còn được sử dụng trong các thiết bị lò nung [máy biến áp lò], trong hàn điện [máy biến áp hàn], biến áp khởi động động cơ, đo lường…
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.
Video giới thiệu máy biến áp
Máy biến áp là một hệ thống biến đổi cảm ứng điện từ dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều từ điện áp này sang dòng điện xoay chiều có điện áp khác. Các dây quấn và mạch từ của nó đứng yên và quá trình biến đổi từ trường để sinh ra sức điện động cảm ứng trong dây quấn thực hiện bằng phương pháp điện.
Mặc khác, máy biến áp nó còn có vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân như trong công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, các hệ điều khiển. Máy biến áp được sử dụng quan trọng trong việc truyền tải điện năng đi xa. Ngoài ra còn có các máy biến thế có công suất nhỏ hơn, máy biến thế [ổn áp] dùng để ổn định điện áp trong nhà, dùng cho các thiết bị điện với hiệu điện thế nhỏ [220V sang 24V, 12V, 3V, …].
Hình 1. Trạm biến áp cấp điện cho nhà máy
1. Vài nét khái quát về máy biến áp
Để dẫn điện từ các trạm phát điện đến hộ tiêu thụ cần phải có đường dây tải điện nếu khoảng cách giữa nơi sản xuất điện và nơi tiêu thụ điện lớn. Một vấn đề lớn đặt ra và cần được giải quyết là việc truyền tải điện năng đi xa làm sao cho kinh tế nhất và đảm bảo được các chỉ tiêu kỹ thuật.
Hình 2. Sơ đồ truyền tải điện năng
Như ta đã biết, cùng một công suất truyền tải trên đường dây nếu điện áp được tăng cao thì dòng điện chạy trên đường dây sẽ giảm xuống, như vậy có thể làm tiết diện dây nhỏ đi. Do đó trọng lượng và chi phí dây sẽ giảm xuống, đồng thời tổn hao năng lượng trên đường dây cũng sẽ giảm xuống. Vì vậy muốn truyền tải công suất lớn đi xa, ít tổn hao và tiết kiệm kim loại trên đường dây người ta phải dùng điện cao áp, dẫn điện bằng các đường dây cao thế thường là 35, 110, 220 và 500kV.
Hình 3. Đường dây truyền tải điện 500kV Bắc – Nam
Trên thực tế các máy phát điện thường không phát ra những điện áp như vậy vì lí do an toàn, mà chỉ phát ra điện áp từ 3 đến 21kV. Do đó phải có thiết bị để tăng điện áp đầu đường dây lên. Mặt khác các hộ tiêu thụ thường chỉ sử dụng điện áp thấp từ 127 đến 500V hay cùng lắm đến 6kV. Do đó thường khi sử dụng điện năng ở đây cần phải có thiết bị giảm điện áp xuống. Những thiết bị dùng để tăng điện áp ra của máy phát điện tức đầu đường dây dẫn và những thiết bị giảm điện áp trước khi đến hộ tiêu thụ gọi là máy biến áp [MBA].
Hình 4. Quy trình phân phối điện năng từ trạm phát
Thực ra trong hệ thống điện lực muốn truyền tải và phân phối công suất từ nhà máy điện đến tất cả các hộ tiêu thụ một cách hợp lý, thường phải qua ba hoặc bốn lần tăng và giảm điện áp. Do đó tổng công suất của các MBA trong hệ thống điện lực, thường gấp ba, bốn lần công suất của trạm phát điện. Những máy biến áp dùng trong hệ thống điện lực gọi là máy biến áp điện lực hay máy biến áp công suất. Từ đó ta cũng thấy rõ, MBA chỉ làm nhiệm vụ truyền tải hoặc phân phối năng lượng chứ không chuyển hóa năng lượng.
Ngày nay khuynh hướng phát triển của MBA điện lực là thiết kế, chế tạo những MBA có dung lượng thật lớn, điện áp thật cao, dùng nguyên vật liệu mới chế tạo để giảm trọng lượng và kích thước máy.
Nước ta hiện nay, ngành chế tạo MBA đã thực sự có một chỗ đứng trong việc đáp ứng phục vụ cho công cuộc công nghiệp hiện đại hóa nước nhà. Hiện nay chúng ta đã sản xuất được những máy biến áp có dung lượng 630000kV với điện áp 110kV.
2. Khái niệm máy biến áp
Máy biến áp là một thiết bị điện từ tĩnh, làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp khác nhau với tần số không đổi. Đầu vào của MBA được nối với nguồn điện gọi là sơ cấp, đầu ra của MBA được nối với tải gọi là thứ cấp. Khi điện áp đầu ra thứ cấp lớn hơn điện áp đầu vào sơ cấp ta có máy tăng áp, khi điện áp đầu ra thứ cấp nhỏ hơn điện áp đầu vào sơ cấp ta có máy hạ áp.
Hình 5. Cuộn sơ cấp và thứ cấp MBA
3. Ứng dụng của máy biến áp
Máy biến áp được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và trong đời sống. Ở mỗi lĩnh vực, mục đích sử dụng của MBA khác nhau dẫn đến kết cấu của MBA cũng khác nhau.
Trong truyền tải và phân phối điện năng để dẫn điện từ nhà máy đến nơi tiêu thụ phải có đường dây tải điện, khoảng cách từ nhà máy điện đến hộ tiêu thụ thường rất lớn. Do đó, việc truyền tải điện năng phải được tính toán sao cho kinh tế.
Hình 6. Một số công dụng của máy biến áp
Cùng một công suất truyền tải trên đường dây, nếu điện áp được tăng cao thì dòng điện chạy trên đường dây sẽ giảm xuống, như vậy có thể làm tiết diện dây nhỏ đi. Do đó trọng lượng và chi phí dây sẽ giảm xuống, đồng thời tổn hao năng lượng trên đường dây cũng sẽ giảm xuống. Vì vậy muốn truyền tải công suất lớn đi xa, ít tổn hao và tiết kiệm kim loại trên đường dây người ta phải dùng điện cao áp.
4. Phân loại máy biến áp
Có nhiều loại máy biến áp và nhiều cách phân loại khác nhau:
+ Theo công dụng máy biến áp gồm những loại sau:
- Máy biến áp điện lực dùng để truyền tải và phân phối điện năng.
- Máy biến áp điều chỉnh công suất nhỏ [phổ biến trong các gia đình], có khả năng điều chỉnh để giữ cho điện áp thứ cấp phù hợp với đồ dùng điện khi điện áp sơ cấp thay đổi.
- Máy biến áp công suất nhỏ dùng cho các thiết bị đóng cắt, các thiết bị điện tử và trong gia đình.
- Các máy biến áp đặc biệt, MBA đo lường làm nguồn cho lò luyện kim hoặc dùng để chỉnh lưu, điện phân, MBA hàn điện, MBA dùng thí nghiệm, v.v.
Hình 7. Phân loại MBA theo công dụng
+ Theo số pha của dòng điện được biến đổi, máy biến áp được chia thành:
- Máy biến áp 1 pha.
- Máy biến áp 3 pha.
Hình 8. Máy biến áp 3 pha và 1 pha
+ Theo vật liệu làm lõi, máy biến áp được chia thành:
- Máy biến áp lõi thép.
- Máy biến áp lõi không khí.
Hình 9. Máy biến áp lõi thép và lõi không khí
+ Theo phương pháp làm mát, máy biến áp được chia thành:
- Máy biến áp làm mát bằng dầu.
- Máy biến áp làm mát bằng không khí [MBA khô].
Hình 10. Máy biến áp làm mát bằng dầu và bằng không khí