BÀI 2: MÁY BIẾN ÁP
2.1. Cấu tạo
và công dụng của máy biến áp
2.1.1. Cấu
tạo
Máy biến áp bao gồm ba phần chính:
Lõi thép của máy biến áp (Transformer Core)
Cuộn
dây quấn sơ cấp (Primary Winding)
Cuộn
dây quấn thứ cấp (Secondary Winding)
-
Lõi
thép:
Được tạo thành bởi các lá thép mỏng ghép lại, về hình dáng có hai loại: loại
trụ (core type) và loại bọc (shell type)
-
Loại trụ: được
tạo bởi các lá thép hình chữ U và chữ I. Một lượng lớn từ trường sinh ra bởi
cuộn dây sơ cấp không cắt cuộn dây thứ cấp, hay máy biến áp có một từ thông rò
lớn. Để cho từ thông rò ít nhất, các cuộn dây được chia ra với một nửa của mỗi
cuộn đặt trên một trụ của lõi thép.
-
Loại bọc: được
tạo bởi các lá thép hình chữ E và chữ I. Lõi thép loại này bao bọc các cuộn dây
quấn, hình thành một mạch từ có hiệu suất rất cao, được sử dụng rộng rãi.
Phần
lõi thép có quấn dây gọi là trụ từ, phần lõi thép nối các trụ từ thành mạch kín
gọi là gông từ.
-
Dây
quấn máy biến áp: Được chế tạo bằng dây đồng hoặc nhôm, có tiết diện
hình tròn hoặc hình chữ nhật. Đối với dây quấn có dòng điện lớn, sử dụng các
sợi dây dẫn được mắc song song để giảm tổn thất do dòng điện xoáy trong dây
dẫn. Bên ngoài day quấn được bọc cách
điện.
Dây quấn được tạo thành các bánh
dây ( gồm nhiều lớp ) đặt vào trong trụ của lõi thép. Giữa các lớp dây quấn,
giữa các dây quấn và giữa mỗi dây quấn và lõi thép phải cách điện tốt với nhau.
Phần dây quấn nối với nguồn điện được gọi là dây quấn sơ cấp, phần dây quấn nối
với tải được gọi là dây quấn thứ cấp.
Các
phần phụ khác
Ngoài 2 bộ phận chính kể trên, để MBA
vận hành an toàn, hiệu quả, có độ tin cậy cao ... MBA còn phải có các phần phụ
khác như: Võ hộp, thùng dầu, đầu vào, đầu ra, bộ phận điều chỉnh, khí cụ điện
đo lường, bảo vệ ...
2.1.2 Phân loại máy biến áp
Theo công dụng máy biến áp có thể gồm
các loại sau đây:
- Máy biến áp điện lực: Dùng
để truyền tải và phân phối điện.
- Máy biến áp chuyên dùng:
Dùng cho các lò luyện kim, máy biến áp hàn, các thiết bị chỉnh lưu,…
- Máy biến áp tự ngẫu: Có thể
thay đổi điện áp nên dùng để mở máy các động cơ điện xoay chiều.
- Máy biến áp đo lường: Dùng
để giảm các điện áp và dòng điện lớn để đưa vào các đồng hồ đo.
- Máy biến áp thí nghiệm: Dùng
trong các phòng thí nghiệm điện - điện tử.
Có rất nhiều dạng máy biến áp nhưng tất
cả nguyên lý đều giống nhau. Trong bài giảng chúng ta chỉ tập trung xem xét máy
biến áp một hoặc ba pha. Còn các máy biến áp khác ta chỉ nghiên cứu sơ qua
trong phần cuối chương, các bạn tự tham khảo thêm.
2.1.3
Công dụng của máy bíên áp
Hình 2.5. Hệ thống truyền tải và phân phối điện
Trong hệ thống điện, máy biến áp dùng để
truyền tải và phân phối điện năng. Các nhà máy điện lớn thường ở xa các trung
tâm tiêu thụ điện vì vậy phải xây dựng các đường dây truyền tải điện năng.
Thông
thường điện áp đầu cực máy phát tối đa khoảng vài chục kV, để truyền tải được
công suất lớn và giảm tổn hao công suất trên đường dây bằng cách nâng cao điện
áp. Vì vậy ở đầu đường dây đặt máy biến áp tăng áp và vì phụ tải chỉ có điện áp
từ 0,4-6kV nên cuối đường dây đặt máy biến áp giảm áp.
2.2. Các
đại lượng định mức
2.2.1 Điện áp định mức ở cuộn dây sơ
cấp và thứ cấp
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 của dây quấn thứ cấp khi máy biến áp không
tải và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp bằng định mức.
Chú ý với máy biến áp một pha điện áp
định mức là điện áp pha, còn máy biến áp ba pha điện áp là điện áp dây.
2.2.2 Dòng điện định mức ở cuộn dây
sơ cấp và thứ cấp
Dòng điện
định mức(A): Là dòng điện qui
định cho mỗi cuộn dây máy biến áp ứng với công suất định mức và điện áp định
mức
Với máy biến áp một pha:
Với máy biến áp ba pha:
(2.1)
Hiệu suất MBA:
h = 
= 
= (75 - >90)% (2.2)
Nếu h = 1 Û S1 = S2 Û U2đm. I2đm
= U1đm. I1đm
Ngoài ra trên máy biến áp còn ghi các
thông số khác như: Tần số định mức fđm, số pha m, sơ đồ và tổ nối dây quấn,
điện áp ngắn mạch Un%, chế độ làm việc, phương pháp làm mát,…
2.2.3 Công suất định mức của máy biến
áp (S)
Công suất
định mức Sđm (VA, kVA): Là công
suất biểu kiến đưa ra ở dây quấn thứ cấp của máy biến áp.
2.3. Nguyên
lý làm việc của máy biến áp
Hình
2.6. sơ đồ nguyên lý máy biến áp một pha
-
I1: Dòng điện sơ cấp.
-
I2: Dòng điện thứ cấp.
-
U1: Điện áp sơ cấp.
-
U2: Điện áp thứ cấp.
-
W1=N1: Số vòng dây cuộn sơ cấp.
-
W2=N2: Số vòng dây cuộn thứ cấp.
-
F: Từ thông cực đại sinh ra trong mạch từ.
Như hình vẽ nguyên lý làm việc của máy biến áp một pha có
hai dây quấn W1,W2.
Khi ta nối dây quấn
sơ cấp w1 vào nguồn điện xoay chiều điện áp u1 sé có dòng
điện sơ cấp i1 chạy trong dây
quấn sơ cấp w1. dòng điện i1 sinh ra từ thông biến
thiên chạy trong lõi thép, từ thông này móc vòng đồng thời với với cả 2 cuộn
dây sơ cấp và thứ cấp, và được gọi là từ thông chính.
Theo định luật cảm ứng điện từ sự biến thiên của từ thông
làm cảm ứng vào dây quấn sơ cấp sức điện động cảm ứng là: 
(2.3)
Cảm ứng vào
dây quấn thứ cấp sức điện động cảm ứng là: 
(2.4)
Trong đó w1 vá w2 là số vòng dây
của cuộn dây sơ cấp, thứ cấp.
Khi máy biến áp
không tải dây quấn thứ cấp hở mạch, dòng điện i2 = 0, từ thông chính
chỉ do cuộn dây w1 sinh ra có trị số đúng bằng dòng từ hóa.
Khi máy biến áp có tải, dây quấn thứ cấp nối với tải Zt
dưới tác dụng của sức điện động cảm ứng e2, dòng điện thứ cấp i2
cung cấp điện cho tải, khi đó từ thông chính trong lõi thép do đồng thời cả hai
cuộn dây sinh ra.
Điện áp U1 biến thiên dạng sin nên từ thông chính cũng biến thiên
cos.
(2.5)
(2.6)
Trong đó:
E1=4,44fW1Фm (2.7)
E2=4,44fW2Фm (2.8)
E1, E2
là trị số sức điện động cảm ứng sơ cấp và thứ cấp
Sức điện động
cảm ứng sơ cấp và thứ cấp có cùng tần
số, nhưng trị hiệu dụng khác nhau
Nếu chia E1 cho E2 ta c ó: 
(2.9)
K được gọi là hệ
số biến áp.
Nếu bỏ qua điện
trở dây quấn và từ thông tản ngoài không khí có thể coi gần đúng U1=E1,U2=E2
ta có:
(2.10)
Đối với máy tăng
áp: U2>U1;W2>W1
Đối với máy tăng
áp: U2<U1;W2<W1
Nếu bỏ qua tổn
hao trong máy biến áp, só thể coi gần đúng các quan hệ các đại lượng sơ cấp và
thứ cấp như sau: U2I2=U1I1
Ví dụ 2.1: Cuộn dây của máy biền áp nối vào mạng điện 10000v,
điện áp ở đầu cực thứ cấp là 100v, tính
tỷ số biến áp, số vòng của cuộn thứ cấp, nếu số vòng cuộn sơ cấp là 21000.
Giải.
vòng