Cấu tạo máy biến áp

Máy biến áp bao gồm hai cuộn dây quấn trên lõi, tạo ra mạch từ cho phép cảm ứng điện áp giữa các cuộn dây đầu vào và đầu ra. Mạch từ này, được gọi là "lõi máy biến áp", đóng vai trò quan trọng trong việc truyền năng lượng giữa các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp. Hiệu suất của máy biến áp có thể thay đổi tùy theo cấu trúc của nó, nhằm mục đích giảm tổn thất năng lượng và tối đa hóa sự ghép nối từ giữa các cuộn dây.

Thiết kế máy biến áp cơ bản

Thiết kế máy biến áp đơn giản bao gồm các cuộn dây được đặt trên các nhánh riêng biệt của lõi sắt. Tuy nhiên, sự tách biệt này làm giảm hiệu suất do sự ghép nối từ yếu và rò rỉ từ thông đáng kể. Để cải thiện hiệu suất, hai cuộn dây được đưa lại gần nhau hơn, giúp tăng cường sự ghép nối từ nhưng có thể làm tăng tổn thất từ ​​trong lõi.

Lõi của máy biến áp được thiết kế không chỉ để cung cấp đường dẫn từ trở thấp cho từ trường mà còn ngăn chặn dòng điện tuần hoàn bên trong lõi. Những dòng điện tuần hoàn này, được gọi là "dòng điện xoáy", gây ra hiện tượng tỏa nhiệt và mất năng lượng, từ đó làm giảm hiệu suất của máy biến áp. Để chống lại những tổn thất này, lõi thường được chế tạo từ các lớp thép mỏng.

Cấu trúc lõi máy biến áp

Lõi máy biến áp thường được làm từ các lớp thép silic mỏng, được lắp ráp để tạo thành đường dẫn từ. Các lớp này được cách điện với nhau để giảm tổn thất dòng điện xoáy. Độ dày của các lớp này dao động từ 0,25 mm - 0,5 mm và được cách điện bằng vecni hoặc lớp oxit để giảm thiểu tổn thất năng lượng.

Lõi máy biến áp được phân loại dựa trên sự sắp xếp của các cuộn dây xung quanh lõi. Hai thiết kế phổ biến nhất là Máy biến áp lõi kín và Máy biến áp lõi vỏ. Trong thiết kế lõi kín, các cuộn dây được quấn quanh lõi, trong khi ở thiết kế lõi vỏ, lõi bao quanh các cuộn dây.

Từ thông và rò rỉ

Trong cả hai thiết kế lõi, từ thông liên kết các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp di chuyển hoàn toàn bên trong lõi, với tổn thất tối thiểu qua không khí. Trong cấu trúc kiểu lõi, các cuộn dây được sắp xếp đồng tâm trên mỗi chân của lõi, cải thiện sự ghép từ. Tuy nhiên, lượng nhỏ từ thông vẫn có thể thoát ra ngoài ngoài lõi, được gọi là "từ thông rò rỉ".

Thiết kế lõi kiểu vỏ làm giảm từ thông rò rỉ bằng cách đặt cả hai cuộn dây trên một chân trung tâm có diện tích mặt cắt ngang gấp đôi các chân ngoài. Thiết kế này cho phép từ thông có hai đường dẫn khép kín xung quanh các cuộn dây, giảm tổn thất lõi và tăng hiệu suất.

Lớp phủ máy biến áp

Trong kết cấu máy biến áp, các cuộn dây được quấn trên một khuôn có hình dạng mặt cắt ngang phù hợp với lõi. Lõi được chế tạo từ các lớp phủ dập ra từ các tấm thép, tạo thành các hình dạng như "E", "L", "U" và "I". Các lớp phủ này được xếp chồng xen kẽ để tạo thành mối nối chồng lên nhau, giảm rò rỉ từ thông và tổn thất sắt.

Các lớp phủ được ghép lại với nhau để tạo thành hình dạng lõi cần thiết, trong đó lõi E-I là loại phổ biến nhất trong các máy biến áp cách ly, tăng áp và hạ áp. Phương pháp kết cấu này giảm thiểu từ trở khe hở không khí, tạo ra mật độ từ thông bão hòa cao.

Bố trí  quấn máy biến áp

Các cuộn dây máy biến áp, các dây dẫn dẫn dòng chính, được quấn quanh lõi nhiều lớp. Cuộn dây sơ cấp được kết nối với nguồn điện, trong khi cuộn dây thứ cấp tạo ra điện áp thông qua cảm ứng lẫn nhau. Vật liệu cuộn dây thường là đồng hoặc nhôm, đồng được ưa chuộng vì có độ bền cơ học cao hơn trong các máy biến áp kVA nhỏ.

Các cuộn dây có thể được sắp xếp theo các cuộn dây đồng tâm hoặc kẹp. Trong kết cấu kiểu lõi, các cuộn dây được sắp xếp đồng tâm, với cuộn dây sơ cấp ở trên cuộn dây thứ cấp. Trong kết cấu kiểu vỏ, các cuộn dây kẹp được sử dụng, trong đó các dây dẫn phẳng được quấn theo hình xoắn ốc, xếp chồng lên nhau và được ngăn cách bằng vật liệu cách điện.

Các cuộn dây xoắn ốc, còn được gọi là cuộn dây vít, phổ biến trong các máy biến áp điện áp thấp, dòng điện cao. Các cuộn dây này sử dụng các dây dẫn hình chữ nhật lớn được quấn song song dọc theo chiều dài của lõi, với các miếng đệm được chèn giữa các vòng để giảm thiểu dòng điện tuần hoàn.

Cách điện và làm mát

Các cuộn dây máy biến áp được cách điện để ngăn ngừa đoản mạch. Trong các máy biến áp làm mát bằng không khí, một lớp vecni hoặc men mỏng được sử dụng. Trong các máy biến áp lớn hơn, các dây dẫn được cách điện bằng giấy hoặc vải tẩm dầu, và toàn bộ cụm được ngâm trong dầu máy biến áp, đóng vai trò vừa là chất cách điện vừa là chất làm mát.

Định hướng và cực tính của chấm

Các cuộn dây máy biến áp có một định hướng cụ thể, xác định mối quan hệ pha giữa điện áp sơ cấp và thứ cấp. "Quy ước chấm" được sử dụng để xác định hướng cuộn dây, cho biết điện áp cùng pha hay lệch pha.

Điều chỉnh điện áp máy biến áp

Máy biến áp thường có các đầu cuộn sơ cấp cho phép điều chỉnh điện áp bằng cách thay đổi tỷ lệ vòng dây. Điều này thường được thực hiện ở phía điện áp cao, nơi điện áp trên mỗi vòng dây thấp hơn. Điều chỉnh tỷ lệ vòng dây giúp bù đắp cho các biến động về điện áp cung cấp hoặc điều kiện tải.

Tổn thất lõi

Lõi máy biến áp được chế tạo từ thép cacbon mật độ thấp, có độ từ thẩm cao, cho phép từ thông chảy hiệu quả. Tuy nhiên, có hai loại tổn thất xảy ra: tổn thất trễ, do ma sát phân tử khi các đường sức từ đổi hướng và tổn thất dòng điện xoáy do dòng điện tuần hoàn bên trong lõi.

Tổn thất trễ tăng lên khi tần số cung cấp thấp hơn, dẫn đến nhiệt độ cao hơn trong lõi. Tổn thất dòng điện xoáy được giảm bằng cách sử dụng các lớp cách điện mỏng, giúp tăng điện trở của lõi đối với các dòng điện này.

Tổn thất đồng

Tổn thất đồng xảy ra do điện trở của các cuộn dây máy biến áp. Các tổn thất này thay đổi theo dòng điện tải, tối thiểu khi không tải và tối đa khi tải đầy. Thiết kế máy biến áp có thể giảm các tổn thất này bằng cách sử dụng các dây dẫn lớn hơn và cải thiện phương pháp làm mát, đồng thời cũng làm tăng định mức VA của máy biến áp.

Trong một máy biến áp lý tưởng, sẽ không có hiện tượng trễ, dòng điện xoáy hoặc tổn thất đồng, nhưng trên thực tế, những tổn thất này vẫn hiện hữu và ảnh hưởng đến hiệu suất của máy biến áp.