Biến áp (Transformer)

Nguyên lý hoạt động:

Khi dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn sơ cấp, nó tạo ra một từ trường biến thiên trong lõi từ. Từ trường biến thiên này lại cảm ứng một điện áp xoay chiều trên cuộn thứ cấp. Tỉ số giữa điện áp sơ cấp ($U_1$) và điện áp thứ cấp ($U_2$) tỉ lệ thuận với tỉ số giữa số vòng dây của cuộn sơ cấp ($N_1$) và cuộn thứ cấp ($N_2$):

$ \frac{U_1}{U_2} = \frac{N_1}{N_2} $

Nếu $N_2 > N_1$, biến áp được gọi là biến áp tăng áp, điện áp thứ cấp lớn hơn điện áp sơ cấp. Ngược lại, nếu $N_2 < N_1$, biến áp được gọi là biến áp hạ áp, điện áp thứ cấp nhỏ hơn điện áp sơ cấp.

Trong trường hợp lý tưởng (bỏ qua mọi tổn hao), công suất đầu vào bằng công suất đầu ra:

$P_1 = P_2$

hay:

$U_1 I_1 = U_2 I_2$

với $I_1$ và $I_2$ lần lượt là dòng điện ở cuộn sơ cấp và thứ cấp. Từ đó ta suy ra mối quan hệ về dòng điện:

$\frac{I_1}{I_2} = \frac{N_2}{N_1}$

Như vậy, biến áp tăng áp thì dòng điện giảm và ngược lại, biến áp hạ áp thì dòng điện tăng.

Cấu tạo, Phân loại và Ứng dụng của Biến áp

Cấu tạo

Biến áp gồm các bộ phận chính sau:

• Lõi từ: Được làm từ các vật liệu sắt từ (ferromagnetic) có độ từ thẩm cao để tăng cường từ thông, giảm tổn hao năng lượng. Lõi từ thường được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện (thép silic) mỏng ghép lại với nhau để giảm tổn hao do dòng điện xoáy (dòng Foucault).
• Cuộn dây: Được làm bằng dây đồng hoặc nhôm, được cách điện và quấn quanh lõi từ. Số vòng dây của mỗi cuộn được tính toán dựa trên điện áp và dòng điện yêu cầu. Thông thường, sẽ có cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp, ngoài ra, một số biến áp có thể có thêm các cuộn dây khác với các mức điện áp khác nhau.

Phân loại

Biến áp được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau, ví dụ như:

• Theo chức năng: Biến áp nguồn (biến đổi điện áp từ lưới điện sang điện áp phù hợp cho thiết bị), biến áp phân phối (biến đổi điện áp từ đường dây trung thế xuống hạ thế), biến áp đo lường (giảm điện áp và dòng điện xuống mức an toàn cho thiết bị đo), biến áp cách ly (tạo sự cách ly về điện giữa các mạch),…
• Theo số pha: Biến áp một pha (dùng cho các mạch điện một pha), biến áp ba pha (dùng cho các mạch điện ba pha, phổ biến trong công nghiệp).
• Theo kiểu làm mát: Biến áp làm mát bằng dầu (cuộn dây và lõi từ được ngâm trong dầu cách điện để tản nhiệt), biến áp làm mát bằng không khí (sử dụng không khí tự nhiên hoặc quạt để làm mát).

Ứng dụng

Biến áp được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện, từ việc truyền tải điện năng đường dài với điện áp cao đến việc cung cấp điện áp thấp cho các thiết bị điện trong gia đình. Một số ứng dụng cụ thể bao gồm:

• Truyền tải điện năng: Biến áp tăng áp được sử dụng để tăng điện áp lên rất cao (hàng trăm kV) để giảm tổn hao năng lượng ($I^2R$) và giảm tiết diện dây dẫn trong quá trình truyền tải điện đường dài.
• Phân phối điện năng: Biến áp hạ áp được sử dụng để giảm điện áp xuống mức an toàn cho người sử dụng (220V hoặc 110V, tùy theo quốc gia).
• Trong các thiết bị điện tử: Biến áp được sử dụng để cung cấp các mức điện áp khác nhau cho các linh kiện điện tử, hoặc để cách ly các mạch điện.
• Hàn điện: Biến áp hàn được sử dụng để cung cấp dòng điện lớn (cường độ cao) cho quá trình hàn.
• Các ứng dụng khác: Biến áp còn được sử dụng trong các lò cảm ứng, thiết bị chỉnh lưu, và nhiều ứng dụng công nghiệp khác.

Ưu điểm, Nhược điểm, Các đại lượng đặc trưng, Tổn hao và Biến áp ba pha, cùng Xu hướng phát triển

Ưu điểm của Biến áp:

• Hiệu suất cao, tổn hao năng lượng thấp: Biến áp thường có hiệu suất rất cao, đạt tới 95-99% đối với các biến áp công suất lớn.
• Cấu tạo đơn giản, vận hành dễ dàng: Không có bộ phận chuyển động, ít hỏng hóc.
• Tuổi thọ cao: Có thể hoạt động liên tục trong nhiều năm nếu được bảo dưỡng tốt.

Nhược điểm của Biến áp:

• Kích thước và khối lượng lớn (Đặc biệt là biến áp công suất lớn): Gây khó khăn trong việc vận chuyển và lắp đặt.
• Có thể gây tiếng ồn khi hoạt động: Do hiện tượng từ giảo (magnetostriction) trong lõi từ.

Hy vọng bài viết này cung cấp cho bạn những thông tin cơ bản về biến áp.

Các Đại lượng Đặc trưng của Biến áp:

Ngoài các đại lượng cơ bản như điện áp, dòng điện, số vòng dây, một số đại lượng quan trọng khác của biến áp bao gồm:

• Điện kháng ngắn mạch ($Z_k$): Là tổng trở (impedance) đo được ở phía cuộn sơ cấp khi cuộn thứ cấp bị ngắn mạch. Đại lượng này phản ánh tổn hao đồng và điện kháng tản (leakage reactance) của biến áp. Thường được biểu diễn dưới dạng phần trăm của tổng trở định mức.
• Điện kháng hở mạch ($Z_h$): Là tổng trở đo được ở phía cuộn sơ cấp khi cuộn thứ cấp hở mạch. Đại lượng này chủ yếu phản ánh tổn hao sắt từ của biến áp.
• Hiệu suất (η): Là tỉ số giữa công suất đầu ra ($P_2$) và công suất đầu vào ($P_1$) của biến áp, thường được biểu diễn dưới dạng phần trăm. Công thức tính hiệu suất:

  $ \eta = \frac{P_2}{P_1} \times 100\% $

  Do tổn hao năng lượng trong biến áp (tổn hao sắt và tổn hao đồng), hiệu suất của biến áp luôn nhỏ hơn 100%.

• Hệ số biến áp (k): Là tỉ số giữa số vòng dây của cuộn thứ cấp ($N_2$) và cuộn sơ cấp ($N_1$):

  $ k = \frac{N_2}{N_1} $

  Hệ số biến áp cũng xấp xỉ bằng tỉ số điện áp: $k \approx \frac{U_2}{U_1}$.

Các loại Tổn hao trong Biến áp:

Trong quá trình hoạt động, biến áp có hai loại tổn hao chính:

• Tổn hao sắt (tổn hao lõi từ): Bao gồm tổn hao do dòng điện xoáy (eddy current) và tổn hao do từ trễ (hysteresis) trong lõi sắt. Tổn hao này phụ thuộc vào tần số, điện áp đặt vào, và vật liệu làm lõi từ.
• Tổn hao đồng (tổn hao dây quấn): Là tổn hao do điện trở của dây quấn ($I^2R$). Tổn hao này phụ thuộc vào dòng điện chạy qua cuộn dây và điện trở của dây quấn.

Biến áp Ba pha:

Biến áp ba pha được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện ba pha. Nó có thể được cấu tạo từ ba biến áp một pha riêng biệt hoặc từ một lõi từ chung với ba trụ, trên mỗi trụ có quấn các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp tương ứng của mỗi pha. Các cuộn dây có thể được kết nối theo kiểu sao (Y) hoặc tam giác (Δ), tạo ra các tổ hợp đấu dây khác nhau như Y/Y, Y/Δ, Δ/Y, Δ/Δ.

Xu hướng Phát triển:

Các nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực biến áp đang tập trung vào việc:

• Nâng cao hiệu suất: Sử dụng vật liệu lõi từ mới (ví dụ: thép vô định hình, vật liệu nano), tối ưu hóa thiết kế cuộn dây và lõi từ.
• Giảm kích thước và khối lượng: Sử dụng vật liệu từ tính có mật độ từ thông cao hơn, thiết kế tối ưu.
• Tăng độ tin cậy và tuổi thọ: Sử dụng hệ thống làm mát hiệu quả hơn (ví dụ: làm mát bằng dầu, bằng khí cưỡng bức), vật liệu cách điện tốt hơn (ví dụ: giấy cách điện chịu nhiệt cao).
• Phát triển biến áp thông minh: Tích hợp các cảm biến (sensor) và hệ thống điều khiển để giám sát, bảo vệ, và điều chỉnh hoạt động của biến áp, cho phép vận hành linh hoạt và tối ưu hơn. Ví dụ
  Title

  giám sát nhiệt độ, mức dầu, phân tích khí hòa tan trong dầu
  để phát hiện sớm các sự cố tiềm ẩn.

• Electric Machinery Fundamentals by Stephen J. Chapman
• Power System Analysis and Design by J. Duncan Glover, Mulukutla S. Sarma, and Thomas J. Overbye
• Electrical Transformers and Rotating Machines by Charles I. Hubert

Câu hỏi và Giải đáp

Câu hỏi 1: Tại sao lõi từ của biến áp thường được làm bằng thép lá mỏng ghép lại mà không phải là một khối thép liền khối?

Trả lời: Lõi từ được ghép từ các lá thép mỏng được cách điện với nhau nhằm giảm thiểu tổn hao do dòng điện xoáy. Dòng điện xoáy là dòng điện hình thành trong lõi sắt do từ trường biến thiên. Khi lõi là một khối liền khối, dòng điện xoáy sẽ lớn, gây ra tổn hao năng lượng đáng kể dưới dạng nhiệt. Việc sử dụng lá thép mỏng cách điện làm tăng điện trở đối với dòng điện xoáy, do đó giảm thiểu tổn hao này.

Câu hỏi 2: Làm thế nào để tính toán số vòng dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp khi thiết kế một biến áp?

Trả lời: Số vòng dây được tính toán dựa trên điện áp và tần số làm việc của biến áp. Công thức liên hệ giữa điện áp, số vòng dây và tần số là:

$ U = 4.44 f N \Phi_m $

Trong đó:

• $U$ là điện áp (V)
• $f$ là tần số (Hz)
• $N$ là số vòng dây
• $\Phi_m$ là từ thông cực đại (Wb)

Từ công thức này, ta có thể tính toán số vòng dây cần thiết cho cuộn sơ cấp và thứ cấp dựa trên điện áp và tần số yêu cầu, cũng như từ thông cực đại cho phép trong lõi từ.

Câu hỏi 3: Ngoài tổn hao sắt và tổn hao đồng, còn có những loại tổn hao nào khác trong biến áp?

Trả lời: Ngoài tổn hao sắt và tổn hao đồng, còn có một số tổn hao khác, tuy nhỏ hơn nhưng vẫn cần được xem xét, bao gồm:

• Tổn hao do dòng điện Foucault trong dây dẫn: Tương tự như dòng điện xoáy trong lõi sắt, dòng điện Foucault cũng có thể hình thành trong dây dẫn của cuộn dây, gây ra tổn hao năng lượng.
• Tổn hao điện môi: Xảy ra trong vật liệu cách điện của biến áp.
• Tổn hao do từ thông rò: Một phần từ thông không đi qua cả hai cuộn dây mà bị rò rỉ ra môi trường xung quanh, gây ra tổn hao năng lượng.

Câu hỏi 4: Tại sao biến áp chỉ hoạt động với dòng điện xoay chiều mà không hoạt động với dòng điện một chiều?

Trả lời: Biến áp hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Để tạo ra từ trường biến thiên trong lõi từ, cần phải có dòng điện biến thiên. Dòng điện một chiều không thay đổi theo thời gian nên không thể tạo ra từ trường biến thiên, do đó không thể cảm ứng điện áp trên cuộn thứ cấp.

Câu hỏi 5: Vai trò của biến áp trong hệ thống truyền tải điện năng là gì?

Trả lời: Biến áp đóng vai trò then chốt trong việc truyền tải điện năng hiệu quả trên đường dài. Biến áp tăng áp được sử dụng để tăng điện áp lên rất cao trước khi truyền tải. Khi điện áp tăng, dòng điện giảm theo công thức $P = UI$. Dòng điện nhỏ giúp giảm tổn hao năng lượng trên đường dây truyền tải ($P_{loss} = I^2R$). Tại nơi nhận, biến áp hạ áp được sử dụng để giảm điện áp xuống mức an toàn cho người sử dụng.