Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy biến áp

1. Cấu tạo

Máy biến áp có cấu tạo gồm 2 bộ phận chính là:

– Lõi thép của máy biến áp (Transformer Core).

– Dây quấn máy biến áp (Transformer Winding), dây quấn máy biến áp bao gồm 2 phần:

  • Cuộn dây quấn sơ cấp (Primary Winding).
  • Cuộn dây quấn thứ cấp (Secondary Winding).

Ngoài ra còn có các phần khác như vỏ máy, cách điện, sứ đỡ, các thiết bị làm mát, thùng giãn dầu,…

1.1. Lõi thép máy biến áp

Lõi thép MBA dùng để dẫn từ thông chính của máy, được chế tạo bằng các vật liệu dẫn từ tốt, thường là thép kỹ thuật điện có bề dày từ 0,35 ÷ 1mm. Mặt ngoài các lá thép có sơn cách điện rồi ghép lại với nhau tạo thành lõi thép nhằm làm giảm dòng điện xoáy. 

Lõi thép gồm hai phần: Trụ và Gông. Trụ (T) là phần để đặt dây quấn còn gông (G) là phần nối liền giữa các trụ để tạo thành mạch từ kín.

Hình 1. Cấu tạo lõi thép máy biến áp

1.2. Dây quấn máy biến áp

Nhiệm vụ của dây quấn máy biến áp là nhận năng lượng vào và truyền năng lượng ra. Dây quấn máy biến áp thường làm bằng dây đồng hoặc dây nhôm, tiết diện tròn hay chữ nhật, bên ngoài dây dẫn có bọc cách điện (vecni).

Hình 2. Dây quấn máy biến áp

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 thép đều có cách điện.

Máy biến áp thường có hai hoặc nhiều dây quấn. Khi các dây quấn đặt trên cùng một trụ thì dây quấn điện áp thấp đặt sát trụ thép còn dây quấn điện áp cao đặt bên ngoài. Làm như vậy sẽ giảm được vật liệu cách điện.

Hình 3. Các kiểu quấn dây trên máy biến áp

Dây quấn MBA có hai loại chính:

– 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;
  • Dây quấn hình xoắn, dùng cho dây quấn hạ áp có nhiều sợi chập;
  • Dây quấn hình xoáy ốc liên tục, dùng cho dây quấn cao áp, tiết diện dây dẫn chữ nhật.

– Dây quấn xen kẽ: Các bánh dây cao áp và hạ áp lần lượt xen kẽ nhau dọc theo trụ thép.

1.3. Vỏ máy biến áp

Trong thùng MBA đặt lõi thép, dây quấn và dầu biến áp. Dầu biến áp làm nhiệm vụ tăng cường cách điện và tản nhiệt. Lúc MBA làm việc, một phần năng lượng tiêu hao thoát ra dưới dạng nhiệt làm dây quấn, lõi thép và các bộ phận khác nóng lên. Nhờ sự đối lưu trong dầu và truyền nhiệt từ các bộ phận bên trong MBA sang dầu và từ dầu qua vách thùng ra môi trường xung quanh

Hình 4. Vỏ máy biến áp

Nắp thùng MBA : 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 giãn 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 MBA không bị hỏng.
  • Lỗ nhỏ đặt nhiệt kế.
  • Rơle hơi dùng để bảo vệ MBA.
  • Bộ truyền động cầu dao đổi nối các đầu điều chỉnh điện áp của dây quấn cao áp.

Hình 5. Các bộ phận trên vỏ máy biến áp

2. Nguyên lý làm việc của máy biến áp

Máy biến áp làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. 

Đặt điện áp xoay chiều u1 vào dây quấn sơ cấp, trong dây quấn sơ sẽ có dòng i1. Trong lõi thép hình thành nên từ thông Φ móc vòng với cả hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp, cảm ứng ra các sđđ e1 và e2.

Nếu máy biến áp được nối với tải, trong dây quấn sẽ xuất hiện dòng điện i2.

Hình 6. Máy biến áp khi mang tải

Nếu máy biến áp không mang tải (thứ cấp hở mạch), thì điện áp thứ cấp bằng sức điện động U2o = e2.

Hình 7. Máy biến áp không mang tải

 Từ thông  Φ móc vòng với cả hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp gọi là từ thông chính.

Ta thấy rằng, tỷ số điện áp sơ cấp và thứ cấp gần đúng bằng tỷ số vòng dây.

  • Nếu N2 > N1 thì U2 > U1⇒ Máy tăng áp.
  • Nếu N2 < N1 thì U2 < U1  ⇒ Máy giảm áp.

Như vậy, dây quấn sơ cấp và thứ cấp không trực tiếp liên hệ với nhau về điện, nhưng nhờ có từ thông chính nên năng lượng đã được truyền từ dây quấn sơ cấp sang thứ cấp.