Máy biến áp là thiết bị dễ nhận biết nhất trong hệ thống điện. Chúng lớn, đặc biệt, đơn giản về nguyên tắc nhưng đòi hỏi phải bảo trì nhiều, khiến chúng có vẻ chắc chắn hơn nhiều so với 'dây cáp'. Trên sơ đồ lưới điện, máy biến áp giống như các nút xương sống, trong khi các thiết bị khác đóng vai trò kết nối.

Bài viết này sẽ giới thiệu các thành phần, nguyên lý, chức năng, phân loại và kịch bản ứng dụng của máy biến áp.

1. Cấu tạo của máy biến áp

Máy biến áp chủ yếu bao gồm lõi và cuộn dây.

Lõi đóng vai trò là đường dẫn mạch từ của máy biến áp, trong khi cuộn dây là bộ phận mạch điện, được tạo ra bằng cách cuộn một số vòng nhất định của dây tráng men.

Cái nối với nguồn điện gọi là cuộn sơ cấp hay còn gọi là cuộn sơ cấp. Cái nối với tải gọi là cuộn thứ cấp, còn gọi là cuộn thứ cấp, hay cuộn thứ cấp.

Các dạng cấu trúc lõi cơ bản là loại lõi hình trái tim và loại vỏ.

• Máy biến áp lõi hình trái tim-

Các cột của máy biến áp loại lõi được bao quanh bởi các cuộn dây. Nói một cách đơn giản, các cuộn dây bao quanh lõi, làm cho cấu trúc tương đối đơn giản, dễ lắp ráp và cách điện hơn, đó là lý do tại sao máy biến áp thường sử dụng cấu trúc kiểu lõi.

• Máy biến áp kiểu vỏ-

Trong máy biến áp loại vỏ, lõi bao quanh cuộn dây. Máy biến áp loại vỏ-có độ bền cơ học cao và các góc nhô ra nhưng quy trình sản xuất phức tạp và cần nhiều vật liệu hơn. Chúng thường chỉ được sử dụng trong các máy biến dòng điện-có điện áp thấp,-cao hoặc máy biến áp nguồn có công suất-nhỏ.

2. Nguyên lý làm việc cơ bản của máy biến áp

Máy biến áp hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ.

Khi nối nguồn điện xoay chiều thích hợp vào cả hai đầu của cuộn sơ cấp, dưới tác động của điện áp nguồn u₁, dòng điện xoay chiều i₀ chạy qua cuộn sơ cấp, tạo ra lực từ trong cuộn sơ cấp. Điều này kích thích một từ thông xen kẽ ϕ trong lõi. Thông lượng xoay chiều ϕ này liên kết cả cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp. Theo định luật cảm ứng điện từ, suất điện động cảm ứng e₁và e₂lần lượt được tạo ra ở cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp. Dưới tác dụng của suất điện động cảm ứng e₂, cuộn dây thứ cấp có thể cấp điện cho tải, đạt được sự truyền năng lượng.

Tỉ số sức điện động cảm ứng ở cuộn sơ cấp và thứ cấp bằng tỉ số giữa số vòng dây ở cuộn sơ cấp và thứ cấp. Độ lớn suất điện động cảm ứng e₁ở phía sơ cấp gần với điện áp đặt vào u₁ở phía sơ cấp, trong khi độ lớn của suất điện động cảm ứng e₂ở phía thứ cấp gần với điện áp đầu ra u₂ở phía thứ cấp.

Do đó, chỉ cần thay đổi số vòng dây cuộn sơ cấp hoặc thứ cấp một hoặc hai lần, điện áp đầu ra u₂có thể được điều chỉnh. Đây là nguyên lý làm việc cơ bản của máy biến áp, sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ để chuyển đổi nguồn điện xoay chiều ở một cấp điện áp thành nguồn điện xoay chiều có cùng tần số nhưng khác cấp điện áp.

2.Chức năng cơ bản của máy biến áp

Các chức năng cơ bản của máy biến áp bao gồm chuyển đổi điện áp, chuyển đổi dòng điện, chuyển đổi trở kháng, cách ly và điều chỉnh điện áp.

Biến đổi điện áp: Máy biến áp có thể tăng hoặc giảm điện áp của dòng điện xoay chiều để đáp ứng các nhu cầu điện khác nhau. Ví dụ: máy biến áp tăng áp được sử dụng để tăng điện áp từ nhà máy điện nhằm giảm tổn thất năng lượng trong quá trình truyền tải, trong khi máy biến áp tăng áp được sử dụng để hạ điện áp cao xuống mức điện áp sử dụng an toàn.

Biến đổi dòng điện: Bằng cách thay đổi điện áp, máy biến áp cũng thay đổi dòng điện tương ứng. Theo định luật bảo toàn điện năng thì khi điện áp tăng thì cường độ dòng điện giảm và ngược lại. Đặc tính này làm cho máy biến áp trở nên rất quan trọng trong truyền tải điện vì chúng có thể quản lý tải dòng điện một cách hiệu quả.

Biến đổi trở kháng: Máy biến áp có thể thay đổi trở kháng của mạch điện, làm cho mạch điện phù hợp hơn với các điều kiện tải khác nhau. Điều này đặc biệt quan trọng trong thiết bị âm thanh và các thiết bị điện tử khác vì nó có thể cải thiện hiệu suất truyền tín hiệu.

Cách ly: Máy biến áp có thể cách ly điện, bảo vệ sự an toàn của thiết bị và người sử dụng. Sự cách ly này có thể ngăn điện áp cao làm hỏng thiết bị-điện áp thấp, đảm bảo thiết bị vận hành an toàn.

Điều chỉnh điện áp: Một số loại máy biến áp (như máy biến áp bão hòa) có thể được sử dụng để điều chỉnh điện áp, giúp duy trì ổn định điện áp và đảm bảo độ tin cậy, ổn định của hệ thống điện.

4.Phân loại máy biến áp

4.1 Phân loại theo công suất

• Máy biến áp loại nhỏ: điện áp dưới 10KV, công suất từ ​​1 đến 500KVA.

• Máy biến áp cỡ nhỏ và vừa:{0}}điện áp từ 35 kV trở xuống, công suất từ ​​630 đến 6300 kVA.

• Máy biến áp lớn: điện áp từ 110 kV trở xuống, công suất từ ​​8000 đến 63000 kVA.

4.2 Phân loại theo mục đích sử dụng

• Máy biến áp điện lực: Dùng để tăng, giảm áp, phân phối và kết nối liên thông trong hệ thống truyền tải, phân phối điện hoặc chuyên dùng làm máy biến áp cho các nhà máy điện, trạm biến áp.

• Máy biến áp dụng cụ: như máy biến điện áp và máy biến dòng điện, được sử dụng cho các dụng cụ đo lường và thiết bị bảo vệ rơle.

• Máy biến áp điện: dùng để cung cấp điện điều khiển, chiếu sáng và chỉ báo của các thiết bị cơ khí nói chung.

• Máy biến áp điện tử: được sử dụng trong các mạch điện tử chẳng hạn như nguồn điện ở chế độ chuyển đổi,{0}}kết hợp âm thanh, xung và trở kháng.

• Máy biến áp thử nghiệm: có khả năng tạo ra điện áp cao để tiến hành thử nghiệm-điện áp cao trên thiết bị điện.

• Máy biến áp đặc biệt: như máy biến áp lò điện, máy biến áp chỉnh lưu, máy biến áp điều chỉnh điện áp, v.v.

4.3 Phân loại theo số pha của cuộn dây máy biến áp

• Máy biến áp một pha: dùng cho tải một pha và dãy máy biến áp ba{2} pha.

• Máy biến áp ba{0}}pha: Dùng để tăng hoặc giảm điện áp trong hệ thống ba{1}}pha.

4.4 Phân loại theo phương pháp làm mát máy biến áp

• Máy biến áp loại-khô: Được làm mát bằng đối lưu không khí, thường được sử dụng cho các máy biến áp-công suất nhỏ như hệ thống chiếu sáng cục bộ và mạch điện tử.

• Máy biến áp ngâm trong dầu: Máy biến áp sử dụng dầu biến áp làm môi trường cách điện và làm mát, với lõi và cuộn dây được ngâm hoàn toàn trong dầu cách điện.

4.5 Phân loại theo kiểu kết nối cuộn dây máy biến áp

• Máy biến áp cuộn dây đôi: Dùng để kết nối hai cấp điện áp trong hệ thống điện.

• Máy biến áp ba cuộn dây: Thường được sử dụng trong các trạm biến áp khu vực của hệ thống điện để kết nối ba cấp điện áp.

• Máy biến áp tự ngẫu: Cuộn sơ cấp và thứ cấp được gộp thành một, dùng để nối các hệ thống điện có điện áp khác nhau. Nó cũng có thể được sử dụng như một máy biến áp tăng áp-tăng hoặc giảm{2}}thông thường.

4.6 Phân loại theo tần số vận hành máy biến áp

• Máy biến tần nguồn: tần số hoạt động là 50Hz hoặc 60Hz.
• Máy biến tần trung gian: tần số hoạt động là 400–1000Hz.
• Biến tần âm thanh: tần số hoạt động là 20Hz–20kHz.

• Máy biến tần siêu âm: Tần số hoạt động của nó trên 20 kHz, thường không vượt quá 100 kHz.

• -Máy biến áp tần số cao: Máy biến áp có tần số hoạt động nằm trong khoảng từ 20 Hz đến trên 100 kHz.

5. Kịch bản ứng dụng của máy biến áp

5.1 Hệ thống điện

• Nhà máy điện: Máy biến áp được sử dụng để tăng cường điện áp do máy phát điện tạo ra để truyền tải lên lưới điện, cho phép truyền tải điện-đường dài.

• Trạm biến áp: Trong các trạm biến áp, máy biến áp chuyển đổi điện áp-cao thành điện áp-hạ áp để đáp ứng nhu cầu của nhiều thiết bị điện khác nhau. Đồng thời, máy biến áp còn có thể thực hiện các chức năng như bù công suất phản kháng, điều chỉnh điện áp, đảm bảo hệ thống điện vận hành ổn định.

• Đường dây truyền tải: Trong đường dây truyền tải, máy biến áp được sử dụng để tăng điện áp nhằm giảm tổn thất năng lượng, đạt được khả năng truyền tải điện đường dài-hiệu quả.

5.2Khu vực dân sự

• Điện gia dụng: Máy biến áp chuyển đổi điện năng-cao áp thành điện áp-hạ áp phù hợp sử dụng trong gia đình, đảm bảo tiêu dùng điện bình thường cho cư dân.

• Sạc pin: Dù là máy tính xách tay, điện thoại hay xe điện, những thiết bị này đều cần có pin để hoạt động và việc sạc pin cần có máy biến áp. Chức năng chính của máy biến áp là điều chỉnh điện áp và ngăn dòng điện rò rỉ hoặc dòng điện đột biến đi qua các thiết bị.

5.3Trường giao tiếp

Máy biến áp truyền thông được sử dụng trong các mạch đầu cuối điện thoại và các sản phẩm đường trục để điều chỉnh chất lượng và tình trạng của các mạch truyền thông. Ngoài ra, máy biến áp truyền thông được sử dụng rộng rãi trong modem cáp, card mạng, hub, thiết bị liên lạc băng thông rộng xDSL, bộ chuyển mạch, bộ thu phát cáp quang, bộ định tuyến, hệ thống nhúng và thiết bị liên lạc mạng VoIP.

5.4Các ứng dụng đặc biệt khác

• Thiết bị âm thanh: Máy biến áp âm thanh thường được sử dụng để cách ly tín hiệu truyền qua mạch và giúp khớp các giá trị trở kháng của nguồn và tải. Họ cũng có thể loại bỏ các tín hiệu không mong muốn hoặc nhiễu và lọc tín hiệu đầu vào. Những loại máy biến áp này được thiết kế đặc biệt để xử lý các tín hiệu trong phạm vi âm thanh, nghĩa là các tín hiệu có tần số trong khoảng từ 20Hz đến 20kHz.

• Dụng cụ đo lường: Máy đo dòng điện, máy đo điện áp và nhiều dụng cụ, thiết bị đo lường khác thường sử dụng máy biến áp để vận hành chung. Ví dụ, máy biến dòng đo lường cung cấp sự an toàn cần thiết cho mạch bằng cách cách ly thiết bị đo với phần còn lại của mạch và triệt tiêu hoặc giảm dòng điện lớn xuống giá trị tối ưu trước khi đưa chúng vào ampe kế.

• Chỉnh lưu: Máy biến áp chỉnh lưu có thể chuyển đổi AC thành DC, với các ứng dụng bao gồm điều khiển động cơ, khai thác mỏ, lò điện, phòng thí nghiệm R&D, truyền tải DC điện áp cao, v.v.