Khái quát và tầm quan trọng của máy biến áp

Máy biến áp là một hệ thống biến đổi cảm ứng điện từ dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều từ điện áp này sang dòng điện xoay chiều có điện áp khác. Các dây quấn và mạch từ của nó đứng yên và quá trình biến đổi từ trường để sinh ra sức điện động cảm ứng trong dây quấn thực hiện bằng phương pháp điện.

Mặc khác, máy biến áp nó còn có vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân như trong công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, các hệ điều khiển. Máy biến áp được sử dụng quan trọng trong việc truyền tải điện năng đi xa. Ngoài ra còn có các máy biến thế có công suất nhỏ hơn, máy biến thế (ổn áp) dùng để ổn định điện áp trong nhà, dùng cho các thiết bị điện với hiệu điện thế nhỏ (220V sang 24V, 12V, 3V, …).

Hình 1. Trạm biến áp cấp điện cho nhà máy

1. Vài nét khái quát về máy biến áp

Để dẫn điện từ các trạm phát điện đến hộ tiêu thụ cần phải có đường dây tải điện nếu khoảng cách giữa nơi sản xuất điện và nơi tiêu thụ điện lớn. Một vấn đề lớn đặt ra và cần được giải quyết là việc truyền tải điện năng đi xa làm sao cho kinh tế nhất và đảm bảo được các chỉ tiêu kỹ thuật.

Hình 2. Sơ đồ truyền tải điện năng

Như ta đã biết, cùng một công suất truyền tải trên đường dây nếu điện áp được tăng cao thì dòng điện chạy trên đường dây sẽ giảm xuống, như vậy có thể làm tiết diện dây nhỏ đi. Do đó trọng lượng và chi phí dây sẽ giảm xuống, đồng thời tổn hao năng lượng trên đường dây cũng sẽ giảm xuống. Vì vậy muốn truyền tải công suất lớn đi xa, ít tổn hao và tiết kiệm kim loại trên đường dây người ta phải dùng điện cao áp, dẫn điện bằng các đường dây cao thế thường là 35, 110, 220 và 500kV.

Hình 3. Đường dây truyền tải điện 500kV Bắc – Nam

Trên thực tế các máy phát điện thường không phát ra những điện áp như vậy vì lí do an toàn, mà chỉ phát ra điện áp từ 3 đến 21kV. Do đó phải có thiết bị để tăng điện áp đầu đường dây lên. Mặt khác các hộ tiêu thụ thường chỉ sử dụng điện áp thấp từ 127 đến 500V hay cùng lắm đến 6kV. Do đó thường khi sử dụng điện năng ở đây cần phải có thiết bị giảm điện áp xuống. Những thiết bị dùng để tăng điện áp ra của máy phát điện tức đầu đường dây dẫn và những thiết bị giảm điện áp trước khi đến hộ tiêu thụ gọi là máy biến áp (MBA).

Hình 4. Quy trình phân phối điện năng từ trạm phát

Thực ra trong hệ thống điện lực muốn truyền tải và phân phối công suất từ nhà máy điện đến tất cả các hộ tiêu thụ một cách hợp lý, thường phải qua ba hoặc bốn lần tăng và giảm điện áp. Do đó tổng công suất của các MBA trong hệ thống điện lực, thường gấp ba, bốn lần công suất của trạm phát điện. Những máy biến áp dùng trong hệ thống điện lực gọi là máy biến áp điện lực hay máy biến áp công suất. Từ đó ta cũng thấy rõ, MBA chỉ làm nhiệm vụ truyền tải hoặc phân phối năng lượng chứ không chuyển hóa năng lượng.

Ngày nay khuynh hướng phát triển của MBA điện lực là thiết kế, chế tạo những MBA có dung lượng thật lớn, điện áp thật cao, dùng nguyên vật liệu mới chế tạo để giảm trọng lượng và kích thước máy.

Nước ta hiện nay, ngành chế tạo MBA đã thực sự có một chỗ đứng trong việc đáp ứng phục vụ cho công cuộc công nghiệp hiện đại hóa nước nhà. Hiện nay chúng ta đã sản xuất được những máy biến áp có dung lượng 630000kV với điện áp 110kV.

2. Khái niệm máy biến áp 

Máy biến áp là một thiết bị điện từ tĩnh, làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp khác nhau với tần số không đổi. Đầu vào của MBA được nối với nguồn điện gọi là sơ cấp, đầu ra của MBA được nối với tải gọi là thứ cấp. Khi điện áp đầu ra thứ cấp lớn hơn điện áp đầu vào sơ cấp ta có máy tăng áp, khi điện áp đầu ra thứ cấp nhỏ hơn điện áp đầu vào sơ cấp ta có máy hạ áp.

Hình 5. Cuộn sơ cấp và thứ cấp MBA

3. Ứng dụng của máy biến áp

Máy biến áp được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và trong đời sống. Ở mỗi lĩnh vực, mục đích sử dụng của MBA khác nhau dẫn đến kết cấu của MBA cũng khác nhau.

Trong truyền tải và phân phối điện năng để dẫn điện từ nhà máy đến nơi tiêu thụ phải có đường dây tải điện, khoảng cách từ nhà máy điện đến hộ tiêu thụ thường rất lớn. Do đó, việc truyền tải điện năng phải được tính toán sao cho kinh tế.

Hình 6. Một số công dụng của máy biến áp

Cùng một công suất truyền tải trên đường dây, nếu điện áp được tăng cao thì dòng điện chạy trên đường dây sẽ giảm xuống, như vậy có thể làm tiết diện dây nhỏ đi. Do đó trọng lượng và chi phí dây sẽ giảm xuống, đồng thời tổn hao năng lượng trên đường dây cũng sẽ giảm xuống. Vì vậy muốn truyền tải công suất lớn đi xa, ít tổn hao và tiết kiệm kim loại trên đường dây người ta phải dùng điện cao áp.

4. Phân loại máy biến áp

Có nhiều loại máy biến áp và nhiều cách phân loại khác nhau:

+ Theo công dụng máy biến áp gồm những loại sau:

  • Máy biến áp điện lực dùng để truyền tải và phân phối điện năng.
  • Máy biến áp điều chỉnh công suất nhỏ (phổ biến trong các gia đình), có khả năng điều chỉnh để giữ cho điện áp thứ cấp phù hợp với đồ dùng điện khi điện áp sơ cấp thay đổi.
  • Máy biến áp công suất nhỏ dùng cho các thiết bị đóng cắt, các thiết bị điện tử và trong gia đình. 
  • Các máy biến áp đặc biệt, MBA đo lường làm nguồn cho lò luyện kim hoặc dùng để chỉnh lưu, điện phân, MBA hàn điện, MBA dùng thí nghiệm, v.v.

Hình 7. Phân loại MBA theo công dụng

+ Theo số pha của dòng điện được biến đổi, máy biến áp được chia thành:

  • Máy biến áp 1 pha.
  • Máy biến áp 3 pha.

Hình 8. Máy biến áp 3 pha và 1 pha

+ Theo vật liệu làm lõi, máy biến áp được chia thành:

  • Máy biến áp lõi thép.
  • Máy biến áp lõi không khí.

Hình 9. Máy biến áp lõi thép và lõi không khí

+ Theo phương pháp làm mát, máy biến áp được chia thành:

  • Máy biến áp làm mát bằng dầu.
  • Máy biến áp làm mát bằng không khí (MBA khô).

Hình 10. Máy biến áp làm mát bằng dầu và bằng không khí