Máy biến áp: Cấu tạo, nguyên lý hoạt động & phân loại

Máy biến áp được bắt gặp tại các trạm biến áp, là thiết bị hình khối đa dạng với nhiều kích thước. Thiết bị này được đặt tại trung tâm trạm biến áp và đóng vai trò rất quan trọng trong truyền tải điện. Cùng BTB Electric tìm hiểu toàn bộ các khía cạnh về máy biến áp qua bài phân tích sau.

Máy biến áp là gì?

Máy biến áp (gọi tắt là biến áp) hay máy biến thế là thiết bị điện cỡ lớn làm nhiệm vụ truyền năng lượng hoặc tín hiệu điện xoay chiều giữa các mạch điện thông qua nguyên lý cảm ứng điện từ. Dòng điện hoạt động của máy biến áp là dòng xoay chiều AC hoặc dòng điện biến đổi xung. 

Máy biến áp được sử dụng trong mạng lưới truyền tải, phân phối điện, tức mạng điện cao thế và trung thế. Bên cạnh đó, thiết bị còn được dùng làm nguồn cấp điện cho các thiết bị điện công suất lớn. 

Lịch sử phát triển của máy biến áp

Máy biến áp đầu tiên trên thế giới mang tên “ZBD Transformer” được phát minh năm 1884 bởi các nhà khoa học Károly Zipernowsky, Miksa Déri và Ottó Titusz Bláthy. Trước đó 53 năm, Michael Faraday đã phát hiện ra mối tương quan giữa dòng điện và từ trường, liên quan trực tiếp tới nguyên lý hoạt động của thiết bị này. 

Vào năm 1886, chiếc máy biến áp dành cho điện xoay chiều đầu tiên ra đời tại Mỹ. Sau đó 3 năm, chiếc máy biến áp 3 pha đầu tiên ra đời tại Đức. Bên cạnh đó, năm 1891 Nikola Tesla đã sáng chế ra máy biến áp mang tên ông với khả năng tạo ra dòng điện xoay chiều với tần số và hiệu điện thế cao.

Tới năm 1907, đường dây truyền tải điện 110kV đầu tiên ra đời tại Mỹ, đánh dấu việc máy biến áp chính thức được sử dụng trong truyền tải điện trung thế. Tới năm 1920, đường dây truyền tải 220kV đầu tiên ra đời. Và đường dây truyền tải cao áp 380kV đầu tiên của thế giới ra đời năm 1952 tại Thụy Điển.

Vào các năm 1965 và 1982, đường dây 735kV đầu tiên và 1200kV đầu tiên đã được hoàn thành. Mỗi đường dây đều có thể thống các máy biến áp sử dụng hiệu điện thế tương tự làm đầu mối phân phối điện.

Chức năng của máy biến áp

Máy biến áp là đầu mối trong đường dây truyền tải điện với chức năng:

• Tăng áp: tăng điện áp từ máy phát lên đường dây để truyền tải điện đi xa.
• Hạ áp: giảm điện áp ở khu vực cuối đường dây để tạo mức điện áp phù hợp cho đường dây hoặc tải.

Máy biến áp có thể là nguồn điện trực tiếp cho các thiết bị điện, điện tử, công nghiệp công suất lớn. Ngoài ra thiết bị này có chức năng đo lường hiệu điện thế, dòng điện, nhiệt độ,… trong hệ thống.

Đọc tiếp: Tổng hợp ký hiệu máy biến áp và ý nghĩa chi tiết

Cấu tạo chi tiết máy biến áp

Máy biến áp bao gồm một cuộn dây sơ cấp và một hoặc nhiều cuộn dây thứ cấp liên kết với nhau qua trường điện từ. Bao bọc bên ngoài là vỏ máy. Các cuộn dây được cấu tạo từ lõi thép và dây quấn. Cuộn dây sơ cấp là cuộn nhận năng lượng và cuộn dây thứ cấp là cuộn truyền năng lượng.

Lõi cuộn dây sơ cấp & thứ cấp

Lõi cuộn dây bao gồm 2 phần là trụ và gông. Trụ là nơi đặt dây quấn và gông là phần nối các trụ để tạo mạch từ kín. Lõi cuộn dây được làm từ các vật liệu dẫn từ tốt, tùy thuộc theo tần số làm việc:

• Ở tần số thấp (biến áp điện lực), vật liệu làm lõi có độ từ thẩm cao như thép silic, permalloy,… bố trí mạch từ khép kín với lõi ghép bằng lá chữ E, U, I,..
• Ở tần số cao (siêu âm, sóng radio), vật liệu là lõi ferit khép kín mạch từ.
• Ở tần số siêu cao (vi sóng, sóng truyền hình), máy biến áp dùng lõi không khí và đa phần không khép mạch từ tuy nhiên quan hệ điện từ lại khác với 2 loại máy ở các tần số trên nên không được coi là biến áp đúng nghĩa.

Dòng điện có điện áp chỉ định khi đưa vào cuộn sơ cấp sẽ tạo trường điện từ, sau đó tạo ra dòng điện cảm ứng ở các cuộn thứ cấp. Các cuộn sơ cấp và thứ cấp có thể cách ly hoặc liên kết điện với nhau, hoặc dùng chung vòng dây. 

Dây quấn

Dây quấn lõi có nhiệm vụ nhận vào và truyền năng lượng ra. Dây thường làm từ nhôm hoặc đồng, tiết diện dẹt hoặc tròn. Giữa các phần như dây quấn, các vòng dây hay với lõi cuộn dây đều có lớp cách điện lẫn nhau. 

Tỷ số điện áp trên cuộn sơ cấp và thứ cấp thường tỷ lệ với số vòng quấn của hai cuộn, gọi là tỷ số biến áp. Tỷ số này > 1 gọi là máy biến áp hạ áp, ngược lại tỷ số < 1 gọi là máy biến áp tăng áp. Đồng thời dây quấn có điện áp cao gọi là cao áp, dây quấn có điện áp thấp gọi là hạ áp. 

Các kiểu dây quấn cuộn dây:

• Quấn dây hình trụ, dùng cho máy cao áp và hạ áp.
• Quấn dây hình xoắn, dùng cho máy hạ áp có nhiều sợi chập.
• Quấn dây hình xoắn ốc liên tục có tiết diện chữ nhật dẹt, dùng cho máy cao áp.
• Quấn dây xen kẽ giữa vòng dây cao áp và vòng dây hạ áp.

Vỏ máy biến áp

Chất liệu làm vỏ máy biến áp tùy thuộc theo loại máy biến áp, bao gồm nhựa, gỗ, thép, tôn hoặc gang. Vỏ máy bao gồm nắp và vỏ, có công dụng bảo vệ cuộn dây và các thành phần khác bên trong.

Nắp vỏ dùng để đậy vỏ máy biến áp, bên trên có các bộ phận quan trọng như:

• Sứ ra (cách điện) của dây quấn cao áp và hạ áp.
• Bình dãn dầu (bình dầu phụ) với ống thủy tinh xem mức dầu.
• Ống bảo hiểm thép hình trụ nghiêng có một đầu nối với vỏ, đầu còn lại bịt bằng đĩa thủy tinh.
• Lỗ đặt nhiệt kế.
• Rơ le hơi.
• Bộ truyền động cầu dao đổi.

Nguyên lý hoạt động của máy biến áp

Máy biến áp hoạt động dựa trên 2 hiện tượng vật lý liên quan tới dòng điện và từ trường:

• Dòng điện chạy qua dây dẫn tạo nên từ trường.
• Từ trường trong cuộn dây biến thiên tạo ra hiệu điện thế cảm ứng (định luật Faraday).

Dòng điện chạy qua cuộn dây sơ cấp với hiệu điện thế ban đầu được dẫn tới cuộn dây thứ cấp, tạo một từ trường biến thiên. Từ trường này tạo trong mạch thứ cấp một hiệu điện thế thứ cấp. Mức hiệu điện thế này có thể thay đổi thông qua tỷ lệ vòng quấn của cuộn dây.

Công thức tính hiệu điện thế thứ cấp theo định luật Faraday:

Trong đó:

• Up là hiệu điện thế mạch sơ cấp
• Np là số vòng quấn mạch sơ cấp
• Ip là cường độ dòng điện mạch sơ cấp
• Φp là từ thông trong mạch sơ cấp

Trong đó:

• Us là hiệu điện thế mạch thứ cấp
• Ns là số vòng quấn mạch thứ cấp
• Is là cường độ dòng điện mạch thứ cấp
• Φs là từ thông trong mạch thứ cấp

Nếu thì  và tạo nên máy biến thế lý tưởng.

Các loại máy biến áp trong hệ thống điện

Dựa theo các chỉ số như cấu tạo, chức năng, công suất hay phương thức cách điện,… để phân loại máy biến áp:

• Theo điện áp: Biến áp 1 pha và biến áp 3 pha
• Theo chức năng: Biến áp hạ thế và biến áp cao thế
• Theo cách thức cách điện: Biến áp lõi dầu, biến áp lõi không khí
• Theo ứng dụng: Biến áp điện lực, biến áp dân dụng, biến áp xung, biến áp hàn,…

Xem chi tiết tại: Tổng hợp các loại máy biến áp phổ biến trên thị trường

Ứng dụng của máy biến áp

Máy biến áp được sử dụng tích hợp trong trạm biến áp để chuyển đổi hiệu điện thế về giá trị mong muốn. Máy có thể được đặt lộ thiên (trên trạm biến áp cột, trạm biến áp giàn,…) hoặc được bảo vệ kín (trong trạm biến áp hợp bộ, trạm biến áp trong nhà,..)

Máy biến áp đặt cuối đường dây chuyển đổi từ điện trung thế 10kV sang điện hạ thế 220V hoặc 380V cấp cho phụ tải. Ngược lại khi đặt tại các nhà máy điện, máy sẽ nâng hiệu điện thế từ mức 10kV – 50kV (trung thế) sang mức 110kV – 500kV (cao thế) hoặc hơn. Lý do bởi khi truyền tải điện năng với khoảng cách lớn (giữa các tỉnh), hiệu điện thế càng cao sẽ hao hụt điện càng ít.

Ngoài ra có phiên bản công suất nhỏ của máy biến áp dùng trong gia đình gọi là ổn áp, dùng để ổn định mức điện áp sử dụng hằng ngày.

Có thể nhận thấy, máy biến áp là thiết bị quan trọng nhất trong trạm biến áp với nhiệm vụ chuyển đổi mức hiệu điện thế, phục vụ cho truyền tải và sử dụng điện. Với bài phân tích trên, BTB Electric đã giúp bạn hiểu hơn về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và cách nhận diện loại thiết bị này. Hãy theo dõi thêm các bài viết khác của chúng tôi về máy biến áp nói riêng và thiết bị trong trạm biến áp nói chung tại: https://btb-electric.com/vi/tin-tuc/kien-thuc-nganh/kien-thuc-tram-bien-ap/