Máy biến áp hay máy biến thế, tên ngắn gọn là biến áp, là thiết bị điện thực hiện truyền đưa năng lượng hoặc tín hiệu điện xoay chiều giữa các mạch điện thông qua cảm ứng điện từ. Máy biến áp gồm có một cuộn dây sơ cấp và một hay nhiều cuộn dây thứ cấp liên kết qua trường điện từ. Khi đưa dòng điện với điện áp xác định vào cuộn sơ cấp, sẽ tạo ra trường điện từ. Theo định luật cảm ứng Faraday trường điện từ tạo ra dòng điện cảm ứng ở các cuộn thứ cấp. Để đảm bảo sự truyền đưa năng lượng thì bố trí mạch dẫn từ qua lõi cuộn dây. Vật liệu dẫn từ phụ thuộc tần số làm việc.  Ở tần số thấp như biến áp điện lực, âm tần thì dùng lá vật liệu từ mềm có độ từ thẩm cao như thép silic, permalloy,... và mạch từ khép kín như các lõi ghép bằng lá chữ E, chữ U, chữ I. Ở tần số cao, vùng siêu âm và sóng radio thì dùng lõi ferrit khép kín mạch từ. Ở tần số siêu cao là vùng vi sóng và sóng truyền hình, vẫn có các biến áp dùng lõi không khí và thường không khép mạch từ. Tuy nhiên quan hệ điện từ của chúng khác với hai loại nói trên, và không coi là biến áp thật sự. Các cuộn sơ cấp và thứ cấp có thể cách ly hay nối với nhau về điện, hoặc dùng chung vòng dây như trong biến áp tự ngẫu. Thông thường tỷ số điện áp trên cuộn thứ cấp với điện áp trên cuộn sơ cấp tỷ lệ với số vòng quấn, và gọi là tỷ số biến áp. Khi tỷ số này >1 thì gọi là tăng thế, ngược lại <1 thì gọi là hạ thế. Các biến áp điện lực có kích thước và công suất lớn, thích hợp với tên gọi máy biến áp. Máy biến áp đóng vai trò rất quan trọng trong truyền tải điện năng. Biến áp cũng là một linh kiện điện tử quan trọng trong kỹ thuật điện tử và truyền thông. Nguyên tắc hoạt động Máy biến thế hoạt động tuân theo 2 hiện tượng vật lý: Dòng điện chạy qua dây dẫn tạo ra từ trường (từ trường) Sự biến thiên từ thông trong cuộn dây tạo ra 1 hiệu điện thế cảm ứng (cảm ứng điện) Dòng điện được tạo ra trong cuộn dây sơ cấp khi nối với hiệu điện thế sơ cấp, và 1 từ trường biến thiên trong lõi sắt. Từ trường biến thiên này tạo ra trong mạch điện thứ cấp 1 hiệu điện thế thứ cấp. Như vậy hiệu điện thế sơ cấp có thể thay đổi được hiệu điện thế thứ cấp thông qua từ trường. Sự biến đổi này có thể được điều chỉnh qua số vòng quấn trên lõi sắt. Máy biến áp cách ly Ruler Phân loại máy biến áp Máy biến áp (MBA) có thể phân làm nhiều loại khác nhau dựa vào: Cấu tạo: MBA một pha và MBA ba pha Chức năng: MBA hạ thế và MBA tăng thế Cách thức cách điện: MBA lõi dầu, lõi không khí... Nhiệm vụ: MBA Điện lực, MBA dân dụng, MBA hàn, MBA xung... Công suất hay hiệu điện thế ... Wikipedia
Để biến đổi điện áp (dòng điện) của dòng xoay chiều từ giá trị cao đến giá trị thấp hoặc ngược lại ta dùng Máy biến áp.
Định nghĩa Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh, làM việc theo nguyên tắc cảM ứng điện từ, dùng để biến đổi hệ thống điện xoay chiều (U1, I1,fi) thành (U2, I2,fi) Đầu vào của Máy biến áp nối với nguồn điện gọi là sơ cấp. Đầu ra nối với tải gọi là thứ cấp . Các lượng định Mức - Điện áp định Mức Điện áp sơ cấp định Mức kí hiệu U1đM là điện áp đã quy định cho dây quấn sơ cấp. Điện áp thứ cấp định Mức kí hiệu U2đM là điện áp giữa các cực của dây quấn thứ cấp, khi dây quấn thứ cấp hở Mạch và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định Mức . Với Máy biến áp ba pha điện áp định Mức là điện áp dây - Dòng điện định Mức Dòng điện định Mức là dòng điện đã quy định cho Mỗi dây quấn của Máy biến áp, ứng với công suất định Mức và điện áp định Mức. Đối với Máy biến áp ba pha, dòng điện định Mức là dòng điện dây. Dòng điện sơ cấp định Mức kí hiệu I1đM, dòng điện thứ cấp định Mức kí hiệu I2đM - Công suất định Mức Công suất định Mức của Máy biến áp là công suất biểu kiến thứ cấp ở chế độ làM việc định Mức. Công suất định Mức kí hiệu là SđM, đơn vị là KVA.
Công dụng của Máy biến áp là truyền tải và phân phối điện năng trong hệ thống điện Muốn giảM tổn hao dP = I2.R trên đường dây truyền tải có hai phương án: Phương án 1: GiảM điện trở R của đường dây (R = r.l/S) Muốn giảM R ta tăng tiết diện dây dẫn S, tức là tăng khối lượng dây dẫn, các trụ đỡ cho đường dây, chi phí xây dựng đường dây tải điện rất lớn ( phương án này không kinh tế) Phương án 2: GiảM dòng điện I chạy trên đường dây truyền tải. Muốn giảM I ta phải tăng điện áp, ta cần dùng Máy tăng áp vì đối với Máy biến áp U1I1 = U2.I2 ( phương án này kinh tế và hiệu quả hơn) Máy biến áp còn được dùng rộng rãi : Trong kỹ thuật hàn, thiết bị lò nung, trong kỹ thuật vô tuyến điện, trong lĩnh vực đo lường. trong các thiết bị tự động, làM nguồn cho thiết bị điện, điện tử , trong thiết bị sinh hoạt gia đình v.v.
GồM hai bộ phận chính: lõi thép và dây quấn Lõi thép Máy biến áp Dùng để dẫn từ thông chính của Máy, được chế tạo từ vật liệu dẫn từ tốt, thường là thép kỹ thuật điện Mỏng ghép lại. Để giảM dòng điện xoáy trong lõi thép, người ta dùng lá thép kỹ thuật điện, hai Mặt có sơn cách điện ghép lại với nhau thành lõi thép. Dây quấn Máy biến áp Được chế tạo bằng dây đồng hoặc nhôM có tiết diện tròn hoặc chữ nhật, bên ngoài dây dẫn có bọc cách điện. Máy biến áp có công suất nhỏ thì làM Mát bằng không khí Máy có công suất lớn thì làM Mát bằng dầu, vỏ thùng có cánh tản nhiệt
Khi ta nối dây quấn sơ cấp vào nguồn điện xoay chiều điện áp U1 sẽ có dòng điện sơ cấp I1 (hình 7.2.2) Dòng điện I1 sinh ra từ thông fi biến thiên chạy trong lõi thép. Từ thông này Móc vòng đồng thời với cả hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp được gọi là từ thông chính. Theo định luật cảM ứng điện từ: e1 = - W1 dfi/dt e2 = - W2 dfi/dt W1, W2 là số vòng dây quấn sơ cấp và thứ cấp. Hình 7.2.2 Khi Máy biến áp có tải, dưới tác động của sức điện động e2, có dòng điện thứ cấp I2 cung cấp điện cho tải. Từ thông fi biến thiên hình sin fi = fiMax sinWt Ta có: k = E1/ E2= W1/ W2 , k được gọi là hệ số biến áp.Bỏ qua điện trở dây quấn và từ thông tản ra ngoài không khí ta có: U1/ U2 xấp xỉ E1/ E2 = W1/ W2 = k Bỏ qua Mọi tổn hao trong Máy biến áp, ta có: U2 I2xấp xỉ U1 I1 suy ra U1/U2 xấp xỉ I2/I1 =W1/W2 = k
Theo quy tắc vặn nút chai, chiều fi phù hợp với chiều i1, e1 và i1 cùng chiều . Chiều i2 được chọn ngược với chiều e2 nghĩa là chiều i2 không phù hợp với chiều fi theo quy tắc vặn nút chai. Trong Máy biến áp còn có từ thông tản fit1 , fit2 ( hình 7.3.a) Từ thông tản được đặc trưng bằng điện cảM tản . Điện cảM tản dây quấn sơ cấp L1 : L1 = fit1 /i1 Điện cảM tản dây quấn thứ cấp L2 : L2= fit2 /i2 Hình 7.3.a 7.3.1. Phương trình cân bằng điện áp trên dây quấn sơ cấp Áp dụng định luật Kiếchốp 2 dạng phức cho Mạch điện hình 7.3.b : trong đó X1 = L1 W Hình 7.3.b 7.3.2. Phương trình cân bằng điện áp trên dây quấn thứ cấp Áp dụng định luật Kiếchốp 2 dạng phức cho Mạch điện hình 7.3.c : Hình 7.3.c Trong đó X2 = L2.W
Điện áp lưới điện đặt vào Máy biến áp U1xấp xỉ E1 = 4.44 fiW1fiMax không đổi, cho nên từ thông chính fiMax sẽ không đổi. Phương trình cân bằng từ dưới dạng số phức:
Từ các phương trình cân bằng điện từ ta xây dựng Mô hình Mạch điện cho Máy biến áp. Sơ đồ thay thế là sơ đồ điện phản ảnh đầy đủ quá trình năng lượng trong Máy biến áp, ta có hệ phương trình: Trong đó: Từ hệ phương trình trên ta xây dựng được sơ đồ thay thế cho Máy biến áp (hình 7.4.a) Hình 7.4.a
Là chế độ Mà phía thứ cấp hở Mạch và phía sơ cấp được đặt vào điện áp.
Dòng điện không tải I0 Ta có : I0 = U1/ z0 Tổng trở z0 rất lớn vì thế I0 rất nhỏ: I0 =(3% -10% )I1đM Công suất không tải P0 P0 = R0 I20=Rth I2th = Pst Hệ số công suất cosP0
Xác định hệ số biến áp k, tổn hao sắt từ Pst, Xth, Rth, cosP0, I0 Sơ đồ thí nghiệM Vôn kế V1 chỉ U1đM; vôn kế V2 chỉ U2đM AMpe kế A chỉ dòng điện không tải I0 Oát Mét W chỉ công suất không tải P0
Điện kháng không tải: Xthxấp xỉXo
Là chế độ Mà phía thứ cấp bị nối tắt lại và phía sơ cấp vẫn đặt vào điện áp. Đây là tình trạng sự cố.
Phương trình và sơ đồ thay thế của Máy biến áp ngắn Mạch. Sơ đồ thay thế Tổng trở z’2 rất nhỏ so với zth , nên có thể bỏ nhánh từ hoá . Dòng điện ngắn Mạch In: In = U1đM/zn Rn: điện trở ngắn Mạch Máy biến áp Xn: điện kháng ngắn Mạch Máy biến áp. zn : tổng trở ngắn Mạch Máy biến áp Zn rất nhỏ cho nên In rất lớn: In = U1đM/zn xấp xỉ (10 ¸ 25) I1đM ( tình trạng sự cố)
Xác định tổn hao trên điện trở dây quấn và các thông số R1, X1, R2, X2 Sơ đồ thí nghiệM ngắn Mạch Dây quấn sơ cấp nối với nguồn qua bộ điều chỉnh điện áp . Nhờ bộ điều chỉnh điện áp, ta có thể điều chỉnh điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp bằng Un sao cho dòng điện trong các dây quấn đạt giá trị định Mức. Un % = Un /U1đM 100% = (3¸10 %) U1đM Công suất đo trong thí nghiệM ngắn Mạch Pn là tổn hao trong điện trở 2 dây quấn.
R1 =R’2 = Rn /2 X1 =X’2 =Xn/2 Biết hệ số biến áp, tính được thông số thứ cấp chưa quy đổi. R2=R’2/k2 ;X2=X’2/k2
Chế độ có tải là chế độ trong đó dây quấn sơ cấp nối với nguồn điện áp định Mức, dây quấn thứ cấp nối với tải. Hệ số tải : kt = I2/I2đM= I1/I1đM kt=1 tải định Mức, kt<1 non tải, kt >1 quá tải. Độ biến thiên điện áp thứ cấp. dU2% = (U2đM-U2)/ U2đM .100% Đặc tính ngoài của Máy biến áp Quan hệ U2 = fi(I2), khi U1 =U1đM và cosPt = const. Điện áp thứ cấp U2 là: U2 = U2đM -dU2 = U2đM (1 - dU2%/100) Tổn hao và hiệu suất Máy biến áp - Tổn hao trên điện trở dây quấn sơ cấp và thứ cấp gọi là tổn hao đồng dPđ =dPđ1+dPđ2 = I12R1 +I22R2 = kt2Pn trong đó Pn là công suất đo được trong thí nghiệM ngắn Mạch . - Tổn hao sắt từ dPst trong lõi thép do dòng điện xoáy và từ trể gây ra.. Tổn hao sắt từ bằng công suất đo khi thí nghiệM không tải. dPst = P0 Hiệu suất Máy biến áp h: h=P2/P1 = P2/(P2 + dPst +dPđ) = ktSđM cosPt /( ktSđM cosPt +P0 +kt2Pn) P2= S2 cos Pt = ktSđM cosPt Nếu cosPt không đổi, hiệu suất cực đại khi hxích ma /xích ma kt = 0 suy ra kt2Pn =P0 Hệ số tải ứng với hiệu suất cực đại: Đối với Máy biến áp công suất trung bình và lớn, hiệu suất cực đại khi hệ số tải kt= 0.5 /0.7
Để biến đổi điện áp của hệ thống điện ba pha, ta dùng Máy biến áp ba pha. Về cấu tạo lõi thép của Máy biến áp ba pha gồM 3 trụ và trên Mỗi trụ quấn dây quấn sơ cấp và thứ cấp của Mỗi pha Dây quấn sơ cấp: pha A thường kí hiệu là AX, pha B là BY, pha C là CZ. Dây quấn thứ cấp: pha a thường kí hiệu là ax, pha b là by, pha c là cz. Dây quấn sơ cấp và thứ cấp có thể nối hình sao hoặc hình taM giác, ví dụ như có 4 trường hợp cơ bản, bao gồM 12 tổ nối dây ( hình 7.8.1) Hình 7.8.1 Tỷ số điện áp dây trong 4 trường hợp cơ bản: Nối Y/Y: U/d: d/U: d/d: Tổ nối dây của Máy biến áp cho ta biết cách Mắc của cuộn sơ cấp, thứ cấp và góc lệch pha giữa điện áp dây sơ cấp và điện áp dây thứ cấp. Ví dụ: Tổ nối dây kí hiệu U/U- 21; phía sơ cấp và thứ cấp nối sao, góc lệch pha giữa điện áp dây sơ cấp và thứ cấp là 12x300=3600
Nhờ làM việc song song, công suất lưới điện lớn rất nhiều so với công suất Mỗi Máy, đảM bảo nâng cao hiệu quả kinh tế của hệ thống và an toàn cung cấp điện, khi Một Máy hỏng hóc hoặc phải sửa chữa. Điều kiện để cho các Máy biến áp làM việc song song :
UnI% = UnII% =.....UnN% Cần đảM bảo điều kiện này, để tải phân bố trên các Máy tỷ lệ với công suất định Mức của chúng. CÁC MÁY BIẾN ÁP ĐẶC BIỆT
Biến áp tự ngẫu còn được gọi là Máy tự biến áp Máy biến áp tự ngẫu Một pha thường có công suất nhỏ, được dùng trong các phòng thí nghiệM và trong các thiết bị để làM nguồn có khả năng điều chỉnh được điện áp đầu ra theo yêu cầu. Máy biến áp tự ngẫu Một pha gồM có dây quấn thấp áp (số vòng dây W2 ) là Một phần của dây quấn cao áp (số vòng dây W1) ( hình 7.10.1 ) Ta có: U1/U2=W1/W2 hay là U2 = U1.W1/W2 Hình 7.10.1 Ta thay đổi vị trí tiếp điểM trượt a, sẽ thay đổi được điện áp U2. Máy tự biến áp có tiết diện lõi thép bé hơn Máy biến áp thông thường nhưng vẫn đảM bảo đủ công suất Máy tự biến áp trong đó cuộn thấp áp là Một phần cuộn cao áp cho nên tiết kiệM được dây dẫn, và giảM được tổn hao. Máy tự biến áp có nhược điểM là Mức độ an toàn điện không cao
Máy biến điện áp Dùng biến đổi điện áp xoay chiều rất cao xuống điện áp thấp để đo lường bằng các dụng cụ thông thường. Số vòng dây cuộn thứ cấp phải ít hơn số vòng dây cuộn sơ cấp. Tiết diện dây quấn sơ cấp nhỏ hơn tiết diện dây quấn thứ cấp. Trong khi làM việc, không được để cho Máy biến điện áp ngắn Mạch ở thứ cấp. Hình 7.10.2.a Máy biến dòng điện Dùng biến đổi dòng điện xoay chiều lớn xuống dòng điện nhỏ để đo lường và Một số Mục đích khác. Vì dòng điện thứ cấp nhỏ hơn dòng điện sơ cấp nên số vòng dây thứ cấp nhiều hơn số vòng dây sơ cấp. Tiết diện dây quấn thứ cấp nhỏ hơn tiềt diện dây sơ cấp Đối với Máy biến dòng không được để hở Mạch ở thứ cấp. |
