Hiểu về máy biến áp: Hướng dẫn thực hành

Máy biến áp là thiết bị thiết yếu trong hệ thống điện, cho phép truyền năng lượng điện giữa các mạch thông qua cảm ứng điện từ. Các thiết bị này không phải là cơ học, không có bộ phận chuyển động bên trong và chúng đóng vai trò quan trọng trong việc thay đổi mức điện áp để tạo điều kiện truyền năng lượng hiệu quả qua các mạch khác nhau.

Vai trò của máy biến áp trong hệ thống điện

Máy biến áp chủ yếu được sử dụng trong hệ thống điện vì khả năng thay đổi mức điện áp của chúng. Trong nhà và nơi làm việc, dòng điện xoay chiều (AC) là tiêu chuẩn vì nó có thể được tạo ra ở mức điện áp phù hợp và sau đó được biến đổi thành điện áp cao hơn để truyền tải đi xa. Sự biến đổi này giúp giảm thiểu tổn thất điện năng, vì mức điện áp cao hơn dẫn đến dòng điện thấp hơn cho cùng một công suất, giúp giảm tổn thất điện trở (I²R) trên đường dây truyền tải.

Khi điện áp cao đến đích, máy biến áp sẽ giảm điện áp xuống mức an toàn, dễ sử dụng hơn. Toàn bộ quá trình này có thể thực hiện được nhờ khả năng biến đổi điện áp của máy biến áp.

Máy biến áp hoạt động như thế nào

Về bản chất, máy biến áp là một thiết bị điện từ tĩnh hoạt động theo nguyên lý của định luật cảm ứng Faraday. Nó bao gồm hai hoặc nhiều cuộn dây, quấn quanh một lõi từ chung. Các cuộn dây này không được kết nối điện nhưng được liên kết từ tính thông qua lõi.

Khi dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn dây sơ cấp, nó tạo ra từ trường trong lõi. Từ trường thay đổi này tạo ra điện áp trong cuộn dây thứ cấp. Điện áp tạo ra trong cuộn dây thứ cấp phụ thuộc vào số vòng dây trong mỗi cuộn dây, một mối quan hệ được gọi là "tỷ lệ vòng dây".

Các thành phần của máy biến áp

Một máy biến áp một pha thông thường bao gồm một cuộn dây sơ cấp và một cuộn dây thứ cấp, cả hai đều được quấn quanh một lõi sắt. Cuộn dây sơ cấp được kết nối với nguồn điện áp đầu vào, trong khi cuộn dây thứ cấp cung cấp điện áp đã biến đổi cho tải. Lõi được chế tạo từ các tấm sắt nhiều lớp để giảm thiểu tổn thất năng lượng do dòng điện xoáy.

Cuộn dây sơ cấp tạo ra từ trường khi dòng điện chạy qua nó. Từ trường này tạo ra điện áp trong cuộn dây thứ cấp, cho phép truyền năng lượng điện từ mạch sơ cấp sang mạch thứ cấp. Các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp được cách ly về mặt điện với nhau, đó là lý do tại sao máy biến áp còn được gọi là máy biến áp cách ly.

Các loại máy biến áp

Máy biến áp có thể tăng hoặc giảm mức điện áp. Máy biến áp tăng áp làm tăng điện áp từ cuộn sơ cấp đến cuộn thứ cấp, trong khi máy biến áp hạ áp làm giảm điện áp. Trong một số trường hợp, máy biến áp tạo ra cùng một điện áp trên cuộn thứ cấp như trên cuộn sơ cấp, được gọi là máy biến áp trở kháng, chủ yếu được sử dụng để kết hợp trở kháng hoặc cách ly mạch.

Sự khác biệt về điện áp giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp được xác định bởi tỷ số vòng dây, là tỷ số giữa số vòng dây trong cuộn sơ cấp và số vòng dây trong cuộn thứ cấp. Ví dụ, nếu tỷ số vòng dây là 3:1, điện áp thứ cấp sẽ bằng một phần ba điện áp sơ cấp.

Ví dụ thực tế về hoạt động của máy biến áp

Hãy xem xét một máy biến áp có 1500 vòng dây trên cuộn sơ cấp và 500 vòng dây trên cuộn thứ cấp. Tỷ số vòng dây trong trường hợp này là 3:1, nghĩa là cứ ba vòng dây trên cuộn sơ cấp thì có một vòng dây trên cuộn thứ cấp. Nếu áp 240 vôn vào cuộn sơ cấp, điện áp thứ cấp sẽ là 80 vôn, xác nhận rằng máy biến áp này là máy biến áp hạ áp.

Nếu tỷ lệ vòng dây bị đảo ngược, với 500 vòng ở cuộn sơ cấp và 1500 vòng ở cuộn thứ cấp, máy biến áp sẽ tăng điện áp từ 240 vôn lên 720 vôn.

Hiệu suất và tổn thất của máy biến áp

Mặc dù máy biến áp có hiệu suất cao, nhưng chúng không phải là không có tổn thất. Hiệu suất của máy biến áp được xác định bởi tỷ lệ công suất đầu ra từ cuộn thứ cấp so với công suất đầu vào của cuộn sơ cấp. Một máy biến áp lý tưởng sẽ có hiệu suất 100%, nhưng trên thực tế, hầu hết các máy biến áp hoạt động với hiệu suất từ ​​94% đến 96%. Một số máy có thể đạt tới 98% trong điều kiện tối ưu.

Tổn thất trong máy biến áp chủ yếu là do hai yếu tố: tổn thất đồng và tổn thất sắt. Tổn thất đồng xảy ra do điện trở của các cuộn dây, trong khi tổn thất sắt, còn được gọi là tổn thất trễ, xảy ra trong lõi do phản ứng trễ của các phân tử từ tính với từ thông xen kẽ.

Kết Luận 

Máy biến áp là thành phần cơ bản trong hệ thống điện, cho phép truyền tải điện năng hiệu quả qua các mức điện áp khác nhau. Bằng cách hiểu các nguyên tắc cơ bản về hoạt động của máy biến áp, bao gồm vai trò của tỷ số vòng dây, các loại máy biến áp và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất, người ta có thể đánh giá được vai trò quan trọng của chúng trong cơ sở hạ tầng điện hiện đại.