Máy biến áp

Máy biến áp hay còn gọi là biến thế, thường được viết tắt là biến áp, là thiết bị điện giúp truyền tải năng lượng hoặc tín hiệu điện xoay chiều giữa các mạch điện thông qua cảm ứng điện từ.

Máy biến áp bao gồm một cuộn dây sơ cấp và một hoặc nhiều cuộn dây thứ cấp kết nối qua trường điện từ. Khi dòng điện với điện áp cụ thể được đưa vào cuộn sơ cấp, nó tạo ra trường điện từ. Theo định lý cảm ứng Faraday, trường điện từ sinh ra dòng điện cảm ứng trong các cuộn thứ cấp. Để đảm bảo truyền năng lượng hiệu quả, mạch dẫn từ được bố trí qua lõi cuộn dây, với vật liệu dẫn từ phụ thuộc vào tần số hoạt động.

• Ở tần số thấp như biến áp điện lực hoặc âm tần, thường sử dụng vật liệu từ mềm có độ từ thẩm cao như thép silic, permalloy, và mạch từ khép kín với các lõi ghép chữ E, chữ U, hoặc chữ I.
• Ở tần số cao, vùng siêu âm và sóng radio, thường sử dụng lõi ferrit với mạch từ khép kín.

Ở tần số siêu cao như vùng vi sóng và sóng truyền hình, một số biến áp vẫn sử dụng lõi không khí và thường không có mạch từ khép kín. Tuy nhiên, mối quan hệ điện từ của chúng khác so với các loại biến áp khác và thường không được coi là biến áp thực sự.

Các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp có thể được cách ly hoặc kết nối với nhau về điện, hoặc sử dụng chung vòng dây như trong biến áp tự ngẫu. Thường thì tỷ lệ giữa điện áp cuộn thứ cấp và cuộn sơ cấp tỉ lệ với số vòng quấn và được gọi là tỷ số biến áp. Khi tỷ số này >1 thì gọi là hạ áp, ngược lại <1 thì gọi là tăng áp.

Các biến áp điện lực có kích thước lớn và công suất cao, thường được gọi là máy biến áp. Máy biến áp đóng vai trò quan trọng trong hệ thống truyền tải điện năng.

Biến áp cũng là linh kiện thiết yếu trong lĩnh vực điện tử và truyền thông.

Lịch sử phát triển

• Năm 1831: Michael Faraday phát hiện ra hiện tượng dòng điện tạo ra từ trường và ngược lại, sự thay đổi từ trường cũng tạo ra dòng điện.
• Năm 1884: Máy biến áp đầu tiên được phát minh bởi Károly Zipernowsky, Miksa Déri và Ottó Titusz Bláthy.
• Năm 1886: Máy biến áp cho điện xoay chiều lần đầu tiên được sử dụng tại Massachusetts, Mỹ.
• Năm 1889: Mikhail Dolivo-Dobrovolsky chế tạo máy biến áp 3 pha đầu tiên.
• Năm 1891: Nikola Tesla chế tạo máy biến áp Tesla, có khả năng tạo ra dòng điện xoay chiều với tần số và hiệu điện thế cao.

Nguyên lý hoạt động

Máy biến áp hoạt động dựa trên hai hiện tượng vật lý chính:

• Dòng điện trong dây dẫn tạo ra từ trường (từ trường)
• Sự thay đổi từ thông trong cuộn dây sinh ra một hiệu điện thế cảm ứng (cảm ứng điện)

Dòng điện trong cuộn dây sơ cấp được sinh ra khi nối với hiệu điện thế sơ cấp và từ trường biến thiên trong lõi sắt. Từ trường biến thiên này tạo ra hiệu điện thế thứ cấp trong mạch điện thứ cấp. Do đó, hiệu điện thế sơ cấp có thể điều chỉnh hiệu điện thế thứ cấp thông qua từ trường. Mức độ thay đổi này có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi số vòng quấn trên lõi sắt.

Khi xét $N_P$, $U_P$, $I_P$, ${\mathrm{\Phi <!--\; \Phi \; -->}}_P$ và $N_S$

và

Nếu ${\mathrm{\Phi <!--\; \Phi \; -->}}_S$ = ${\mathrm{\Phi <!--\; \Phi \; -->}}_P$ thì . Như vậy, nếu hiệu điện thế ở cuộn sơ cấp là $U_P$ và hiệu điện thế ở cuộn thứ cấp là $U_S$ thì tỷ số của chúng là tỷ số giữa số vòng quấn trên cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp.

Tuy nhiên, hiệu suất của máy biến áp không phải là 100%. Có một số yếu tố làm giảm hiệu suất như sự tiêu tán năng lượng trong lõi sắt (do từ trường và dòng điện Foucault) và trong cuộn dây (do điện trở). Do đó, hiệu suất của máy biến áp không bao giờ đạt được giá trị tối đa. Để tính toán hiệu suất của máy biến áp, cần phải biết công suất đầu vào và công suất đầu ra.

Do đó, tỷ lệ giữa điện áp sơ cấp và điện áp thứ cấp trong máy biến áp lý tưởng là .

Chẳng hạn, một máy biến áp có công suất 400 W và tỷ lệ biến áp 80:5

• Phía sơ cấp: 80 V, 5 A, 160 vòng
• Phía thứ cấp: 5 V, 80 A, 10 vòng

Phân loại máy biến áp

Máy biến áp (MBA) có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm:

• Loại hình: Máy biến áp một pha và máy biến áp ba pha
• Chức năng: Máy biến áp giảm điện áp và máy biến áp nâng điện áp
• Phương pháp cách điện: Máy biến áp sử dụng dầu cách điện, cách điện bằng không khí...
• Ứng dụng: Máy biến áp công nghiệp, máy biến áp dân dụng, máy biến áp hàn, máy biến áp cho xung...
• Công suất và điện áp

...

Ký hiệu trong sơ đồ mạch

Các lĩnh vực áp dụng

Máy biến áp có khả năng điều chỉnh điện áp chính xác theo yêu cầu, ví dụ từ nguồn điện trung thế 10 kV xuống mức thấp hơn như 220 V hoặc 400 V để sử dụng trong các hộ gia đình. Tại các nhà máy điện, máy biến áp thường chuyển điện áp từ mức trung thế của máy phát (10 kV đến 50 kV) lên mức cao hơn (110 kV đến 500 kV hoặc hơn) trước khi phân phối qua lưới điện cao thế. Khi truyền tải điện qua khoảng cách xa, điện áp cao giúp giảm tổn thất năng lượng.

Thêm vào đó, còn có các máy biến áp công suất nhỏ hơn như máy ổn áp dùng để duy trì điện áp ổn định trong nhà, hoặc các thiết bị biến áp và sạc dùng cho các thiết bị điện có điện áp thấp hơn (từ 230 V xuống 24 V, 12 V, 3 V, v.v.).