1. Máy biến áp là gì?

Máy biến áp hay máy biến thế là thiết bị điện từ tĩnh, làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi hệ thống điện áp, với tần số không đổi.

Ở máy biến áp, việc biến đổi điện áp chỉ thực hiện được khi dòng điện là xoay chiều hoặc dòng điện biến đổi xung. Máy biến áp được dùng trong hệ thống truyền tải và phân phối điện năng, ngoài ra máy biến áp cũng được dùng cho một số yêu cầu khác như nối mạch chỉnh lưu, làm nguồn cấp điện cho lò điện, máy hàn, máy thử nghiệm… Máy biến áp có hai hay nhiều dây quấn đặt chung trên một mạch từ, các dây quấn có thể nối điện hoặc không nối điện với nhau, khi chúng nối điện với nhau ta gọi là máy biến áp tự ngẫu.

2. Cấu tạo chung của máy biến áp

Cấu tạo chung của mọi máy biến áp gồm 3 thành phần chính: Lõi thép, dây quấn và vỏ máy.

Hình 1. Cấu tạo của máy biến áp

a. Lõi thép (Mạch từ của máy biến áp)

Lõi thép dùng để dẫn từ thông, được chế tạo từ các vật liệu dẫn từ tốt. Được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện thành mạch vòng khép kín, các lá thép mỏng mặt ngoài có sơn cách điện với bề dày từ 0,3 – 0,5mm.

Lõi thép gồm 2 phần gồm Trụ và Gông. Trụ là phần để đặt dây quấn còn Gông là phần nối liền giữa các trụ để tạo thành mạch từ kín.

Hình 2. Lõi thép của máy biến áp

b. Dây quấn máy biến áp

Nhiệm vụ của dây quấn là nhận năng lượng vào và truyền năng lượng ra.

Dây quấn thường làm bằng dây đồng hoặc nhôm, tiết diện tròn hay chữ nhật, bên ngoài có bọc cách điện. Dây quấn gồm nhiều vòng dây và lồng vào trụ thép, giữa các vòng dây, giữa các dây quấn và giữa dây quấn với lõi ép đều có cách điện. Máy biến áp thường có hai hoặc nhiều dây quấn. và số vòng dây của các cuộn là khác nhau, tùy thuộc vào nhiệm vụ của máy biến áp.

Có 2 loại dây quấn: dây quấn sơ cấp và dây quấn thứ cấp

• Dây quấn nhận năng lượng từ lưới gọi là dây quấn sơ cấp

• Dây quấn cung cấp năng lượng cho phụ tải gọi là dây quấn thứ cấp

Số vòng dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp là khác nhau. Số vòng dây cuộn sơ cấp lớn hơn số vòng dây cuộn thứ cấp thì là máy biến áp hạ áp (máy biến áp hạ thế), ngược lại số vòng dây cuộn sơ cấp nhỏ hơn số vòng dây cuộn thứ cấp thì là máy biến áp tăng áp (máy biến áp tăng thế).

Hình 3. Dây quấn của máy biến áp

Ngoài ra người ta cũng có thể phân biệt dây quấn máy biến áp thành dây quấn cao áp và dây quấn hạ áp.

• Dây quấn có điện áp cao gọi là dây quấn cao áp

• Dây quấn có điện áp thấp hơn gọi là dây quấn hạ áp

Xét về cấu tạo, dây quấn được chia thành 2 loại: dây quấn đồng tâm và dây quấn xen kẽ.

• Dây quấn đồng tâm: có tiết diện ngang là những vòng tròn đồng tâm. Những kiểu dây quấn đồng tâm chính gồm:

• Dây quấn hình trụ, dùng cho cả dây quấn hạ áp và cao áp (hình 4a).

• Dây quấn hình xoắn, dùng cho dây quấn hạ áp có nhiều sợi chập (hình 4b).

• Dây quấn hình xoắn ốc liên tục, dùng cho dây quấn cao áp, tiết diện dây dẫn chữ nhật (hình 4c).

• Dây quấn xen kẽ: Các bánh dây cao áp và hạ áp lần lượt xen kẽ nhau dọc theo trụ thép (hình 4d).

Hình 4. Các kiểu quấn dây máy biến áp

c. Vỏ máy biến áp

Tùy theo từng loại máy biến áp mà vỏ máy biến áp được làm bằng các chất liệu khác nhau. Chúng thường được làm từ nhựa, gỗ, thép, gang hoặc tôn mỏng, có công dụng để bảo vệ các phần tử của máy biến áp ở bên trong nó, bao gồm: nắp thùng và thùng.

Hình 5. Máy biến áp 3 pha CTC vỏ thép

Nắp thùng dùng để đậy trên thùng và trên đó có các bộ phận quan trọng như: 

• Sứ ra (cách điện) của dây quấn cao áp và dây quấn hạ áp.

• Bình dãn dầu (bình dầu phụ) có ống thủy tinh để xem mức dầu

• Ống bảo hiểm: làm bằng thép, hình trụ nghiêng, một đầu nối với thùng, một đầu bịt bằng một đĩa thuỷ tinh. Nếu áp suất trong thùng tăng lên đột ngột, đĩa thuỷ tinh sẽ vỡ, dầu theo đó thoát ra ngoài để máy biến áp không bị hỏng.

• Lỗ nhỏ đặt nhiệt kế.

• Rơle hơi dùng để bảo vệ máy biến áp.

• Bộ truyền động cầu dao đổi nối các đầu điều chỉnh điện áp của dây quấn cao áp.

3. Công dụng của máy biến áp

Máy biến áp có thể được dùng để tăng điện áp từ máy phát điện lên đường dây tải điện để đi xa, và giảm điện áp ở cuối đường dây để cung cấp nguồn điện áp phù hợp cho tải.

Ngoài ra, chúng còn được dùng trong các lò nung, hàn điện, đo lường hoặc làm nguồn điện cho các thiết bị điện, điện tử.

4. Nguyên lý làm việc của máy biến thế

Máy biến áp hoạt động tuân theo 2 hiện tượng vật lý:

– Dòng điện chạy qua dây dẫn tạo ra từ trường.

– Sự biến thiên từ thông trong cuộn dây tạo ra 1 hiệu điện thế cảm ứng (hiện tượng cảm ứng điện từ)

Hình 6. Nguyên lý làm hoạt động của máy biến áp

Cuộn dây N1 và cuộn dây N2 được quấn trên lõi thép khép kín. Đặt một điện áp xoay chiều U1 vào cuộn dây N1, trên cuộn dây này sẽ xuất hiện dòng điện I1 chạy trong dây dẫn, đồng thời trong dây dẫn sẽ xuất hiện từ thông móc vòng cho cả hai cuộn N1 và N2. Cuộn dây N2 được nối với tải thì trên cuộn N2 sẽ xuất hiện dòng điện I2 với điện áp U2. Như vậy, năng lượng của dòng điện xoay chiều đã được truyền từ dây quấn 1 sang dây quấn 2.

5. Các loại máy biến áp

Có rất nhiều loại máy biến thế. Một số cách phân loại:

• Phân loại theo cấu tạo: máy biến áp 1 pha và máy biến áp 3 pha

• Phân loại theo chức năng: máy biến áp tăng áp và máy biến áp giảm áp

• Phân loại theo công dụng: máy biến áp thí nghiệm, máy biến áp đo lường, máy biến áp tự ngẫu,…

• Phân loại theo thông số kỹ thuật

• Phân loại theo cách thức cách điện: máy biến áp khô và máy biến áp dầu