CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG VÀ PHÂN LOẠI MÁY BIẾN ÁP Một trong những thiết bị điện tử phổ biến hiện nay là máy biến áp. Máy biến áp được viết tắt là MBA, đây là một thiết bị điện quan trọng trong đời sống. Chúng làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tác dụng chính để biến đổi dòng điện từ đó sử dụng tương thích với dòng điện xoay chiều mà không làm thay đổi tần số sử dụng. Chính vì thế, máy biến áp được coi là một phần không thể thiếu cho mỗi hộ gia đình, các đơn vị kinh doanh vừa và nhỏ.
Khái niệm chung về máy biến áp 1. Khái niệm Chúng ta đã biết, nguồn điện xoay chiều một pha được sử dụng trong gia đình hay sinh hoạt gồm có nhiều cấp điện áp như: 220VAC, 110VAC, 36VAC, 24VAC, 12VAC… Để thực hiện được công việc từ nguồn điện một pha có cấp điện áp định mức, biến đổi thành nguồn điện một pha có cấp điện xoay chiều gọi là: Máy biến áp Trong thực tế, máy biến áp cách ly một pha có loại: Một dây quấn, hai dây quấn. Dây quấn gồm có 2 cuộn dây được quấn riêng biệt. Nhưng đều dựa trên một nguyên lý đó là nguyên lý cảm ứng điện từ.
Máy biến áp là máy điện tĩnh, làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi của hệ thống dùng điện xoay chiều từ cấp điện áp này sang điện cấp điện áp khác, nhưng vẫn giữ nguyên tần số. Ký hiệu máy biến áp 1 pha trên sơ đồ: U1 U2 1. Công dụng máy biến áp cách ly một pha Máy biến áp cách ly một pha được sử dụng để phân phối năng lượng ở mức điện áp kinh tế nhất và cũng để tận dụng năng lượng một cách hiệu quả tiện lợi và an toàn. Máy biến áp cách ly dùng để cách ly giữa các mạch điện với nhau hoặc giữa các khối tín hiệu một chiều được duy trì từ tín hiệu xoay chiều liên tục với các mạch điện và để hạn chế nhiễu tín hiệu từ trong nhiều mạch điện.
Máy biến áp cách ly một pha được sử dụng để biến đổi nguồn điện xoay chiều sang nguồn điện một chiều. Trong đó, máy biến áp đóng vai trò là thiết bị trung gian phối hợp với các thiết bị khác. Máy biến áp gồm có một cuộn dây thứ cấp được liên hệ với nhau thông qua từ trường cảm ứng. Máy biến áp có lõi sắt hay lõi có thể biến đổi được, phụ thuộc vào chức năng hoạt động và ứng dụng của nó như máy hàn hồ quang.
Máy biến áp không có mạch từ bằng lõi thép mà hoàn toàn bằng không khí, thì đó là máy biến áp lõi không khí. Những máy biến áp đó có từ thông kém hơn và thường được sử dụng với công suất thấp, trong các mạch điện từ. Phân loại máy biến áp Máy biến áp có rất nhiều loại nhưng chúng đều có chung nguyên lý hoạt động. Phân loại dựa vào số pha ta có Máy biến áp 1 pha và 3 pha.
Máy biến áp trong thực tế gồm các loại chính như sau: - Máy biến áp điện lực dùng để truyền tải và phân phối công suất trong hệ thống điện lực. - Máy biến áp chuyên dùng cho các lò luyện kim, các thiết bị chỉnh lưu, máy biến áp hàn. - Máy biến áp tự ngẫu dùng để liên lạc trong hệ thống điện, mở máy động cơ không đồng bộ công suất lớn. - Máy biến áp đo lường, dùng để giảm điện áp và dòng điện lớn đưa vào các dụng cụ đo tiêu chuẩn hoặc để điều khiển.
- Máy biến áp thí nghiệm dùng để thí nghiệm điện áp cao. CHƯƠNG 2: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP CẢM ỨNG MỘT PHA Máy biến áp 1 pha là một thiết bị tĩnh điện, làm việc theo nguyên tắc cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi điện áp cua dòng xoay chiều một pha từ cấp này sang cấp khác mà vẫn giữ nguyên tần số. Máy biến áp 1 pha là một thiết bị điện dùng để thay đổi chiều của dòng điện cảm ứng có hiệu điện thế nhỏ rơi vào khoảng 380 – 400V, và thường được dùng trong mạng lưới điện của hệ thống dân sinh. Việc thay đổi dòng diện ở đây có thể là làm tăng hoặc giảm điện áp sao cho phù hợp với các thiết bị điện của người dân.
Trong bài học này sẽ giới thiệu đến người học về cấu tạo và nguyên lý làm việc chung của các loại MBA cảm ứng một pha. Cấu tạo máy biến áp cách ly một pha Máy biến áp có cấu tạo gồm 3 phần chính: Lõi thép, dây quấn và vỏ máy. Lõi thép Hay còn gọi là mạch từ dùng để dẫn từ trường trong máy. Nó được chế tạo bằng vật liệu dẫn từ tốt như lõi thép lá kỹ thuật điện (Tôn sillic) có chiều dày từ 0,35 ÷ 0,5 mm.
Cắt thành hình chữ U, I, E. Để giảm dòng điện xoáy trong lõi thép trên bề mặt các lá thép có lớp sơn cách điện ghép với nhau.1: Các dạng mạch từ của máy biến áp (a – Mạch từ dạng I; b – Mạch từ dạng E, I; c – Mạch từ dạng U, I;d – Mạch từ dạng hình xuyến) Lõi thép bao gồm phần trụ và gông từ: - Trụ là phần của mạch từ trên có đặt dây quấn. - Gông từ là phần của mạch từ dùng để nối giữa các trụ, tạo thành một mạch từ khép kín. - Mạch từ gồm có 2 loại: Là kiểu trụ và bọc.
+ Mạch từ không có gông từ bao xung quanh cuộn dây gọi là mạch từ kiểu lõi (trụ). + Mạch từ có gông bao xung quanh cuộn dây gọi là mạch từ kiểu vỏ (bọc). Gông Cuộn dây Trụ a) b) Hình 1.2: Mạch từ kiểu lõi và kiểu vỏ máy biến áp ( a. Mạch từ kiểu lõi (trụ); b.
Mạch từ kiểu vỏ (bọc)) 1. Dây quấn Dây quấn máy biến áp thường được chế tạo bằng đồng hay nhôm, có tiết diện tròn hay dẹt (chữ nhật). Phía ngoài có phủ sơn cách điện hoặc cotton thủy tinh. Là nơi có tác dụng tạo ra từ trường và cảm ứng ra sức điện động.
Dây quấn gồm có nhiều vòng dây tạo thành lớp, nhiều lớp tạo thành cuộn dây và được lồng vào trụ của mạch từ máy biến áp. Các máy biến áp thường có 2 dây quấn: - Dây quấn gọi là sơ cấp được nối với nguồn điện. - Dây quấn gọi là thứ cấp được nối ra tải. Tùy theo cấu tạo của mạch từ kiểu lõi hay bọc mà cuộn dây cao áp và hạ áp có thể quấn theo kiểu đồng tâm hay riêng biệt hoặc xen kẽ.
Giữa cuộn dây cao áp, hạ áp có lớp cách điện tốt. Vỏ máy biến áp Vỏ máy được chế tạo bằng tôn sắt, kiểu thùng có đáy chữ nhật để bảo vệ máy biến áp. Trên vỏ máy có lỗ thoáng để tạo trao đổi nhiệt của máy biến áp với bên ngoài môi trường. Phía trước vỏ máy lắp đặt các thiết bị chỉ thị, chỉ báo và các thiết bị điều khiển.
Phía sau thường lắp đặt dây kết nối với nguồn điện hay phụ tải. Trên vỏ máy có tem ghi các thông số của máy biến áp. Nguyên lý làm việc của máy biến áp cách ly một pha Ta xét một máy biến áp cảm ứng một pha hai dây quấn hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý của máy biến áp 1 pha hai cuộn dây quấn Khi đấu cuộn dây sơ cấp w1 vào nguồn điện xoay chiều một pha có điện áp U1 và tần số f1. Trong cuộn dây w1 xuất hiện dòng điện i1 là dòng điện xoay chiều chạy trong w1 sinh ra từ thông Φ biến thiên trong lõi sắt được xác định: Φ = Φmsinωt.
Trong máy biến áp, ngoài từ thông chính biến thiên trong lõi thép còn một phần móc vòng ra ngoài không khí rất nhỏ gọi là từ thông tản. Từ thông chính móc vòng trong cuộn w1. Theo định luật cảm ứng điện từ , sự biến thiên của từ thông làm cảm ứng vào dây quấn w1 sức điện động cảm ứng e1 có trị số: d e1 = − w1.1) dt Trong đó: - w1 là số vòng dây của cuộn sơ cấp (w1) tốc độ biến thiên của từ trường Từ thông Φ biến thiên móc vòng sang cuộn dây w2 làm cảm ứng vào cuộn dây w2 sức điện động e2 có trị số: d e2 = − w 2 .2) dt Ta có Φ = Φmsinωt mà ω = 2πf. Chúng ta lấy đạo hàm e1 có: d ( m .3) dt Tương tự như vật ta có: e2 = -w2.cosωt Mà cosωt = -sin(ωt – π/2) Suy ra: e1 = w1ω1Φmsin(ωt – π/2) e2 = w2ω2Φmsin(ωt – π/2) (1.4) Như vậy: Sức điện động chậm pha so với từ thông một góc π/2 - Nếu như bỏ qua điện trở của dây quấn w1 và w2, từ thông tản ra ngoài không khí thì U1≈ E1; U2≈ E2 Chúng ta cần chú ý: - U2 chính là điện áp được biến đổi để cung cấp cho tải hoạt động.
- Nếu như máy biến áp làm việc không tải thì có dòng I2 = 0. Lúc này từ thông chính chỉ do dòng I1 sinh ra. - Nếu máy biến áp làm việc có tải thì có dòng I2 ≠ 0. Lúc này từ thông chính do dòng I1 và I2 sinh ra: ϕ = ϕ1 + ϕ2.
Trị số sức điện động: - Trị số cực đại của sức điện động sơ cấp Em1: Em1 = w1.Φm (mà ω = 2πf) - Vì vậy giá trị hiệu dụng của E1 là: Em1 2 f .5) Tương tự như vậy: E2 = 4,44.6) * Tỉ số máy biến áp. Là chúng ta xây dựng mối quan hệ giữa sức điện động E1 và E2 E1 w1 = =k (1.7) E2 w 2 Trong đó k được gọi là tỉ số biến áp. Nếu bỏ qua điện trở dây quấn và từ thông tản ra ngoài không khí ta có: U1 ≈ E1; U2 ≈ E2 U 1 E1 w1 Vì vậy: = =k U 2 E2 w2 Nếu bỏ qua mọi tổn hao trong máy biến áp, ta có: P1 ≈ P2 hay U1.I2 U1 I1 → Suy ra: = =k U2 I2 Từ đó ta thấy rằng: + Khi U2 > U1, W2 > W1. Đây là máy biến áp tăng áp.
Đây là máy biến áp hạ áp. Như vậy, một máy biến áp lý tưởng nghĩa là không có các tổn hao thì điện áp sơ cấp và thứ cấp tỉ lệ với số vòng dây quấn. Dòng điện sơ cấp và thứ cấp sẽ tỉ lệ nghịch với số vòng dây quấn của nó. Các đại lượng định mức của máy biến áp cảm ứng một pha Là các đại lượng định mức, được cung cấp từ nhãn hiệu của máy biến áp.