Lõi thép máy biến áp có tác dụng gì? Cấu tạo & Nguyên lý

Lõi thép máy biến áp có hai tác dụng chính: (1) Dẫn từ thông (tạo thành một mạch từ khép kín) để truyền năng lượng từ cuộn dây sơ cấp sang cuộn dây thứ cấp, và (2) Làm khung cơ khí để cố định và đặt các cuộn dây quấn.

Thiết kế đặc biệt của lõi thép bằng các lá thép mỏng ghép lại giúp giảm thiểu tổn hao năng lượng (tổn thất) trong quá trình truyền tải. Hiểu rõ về các loại tổn thất trong máy biến áp là yếu tố then chốt để tối ưu hóa hiệu suất thiết bị.

Máy biến áp là gì?

Máy biến áp (máy biến thế) là một thiết bị điện từ tĩnh, hoạt động bằng nguyên lý cảm ứng điện từ để thay đổi điện áp của dòng điện xoay chiều nhưng giữ nguyên tần số.

Máy biến áp (hay máy biến thế) là một thiết bị điện từ tĩnh, hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Chức năng cốt lõi của nó là thay đổi mức điện áp của dòng điện xoay chiều (tăng áp hoặc hạ áp) nhưng giữ nguyên tần số.

Việc này là bắt buộc trong hệ thống truyền tải điện. Nó giúp đưa điện áp cao từ nhà máy điện xuống mức điện áp thấp, an toàn và phù hợp cho các thiết bị sử dụng trong gia đình và nhà máy. Đây là nền tảng của việc phân biệt điện trung thế, hạ thế và cao thế trong lưới điện.

Cấu tạo của máy biến áp

Một máy biến áp có ba bộ phận chính: (1) Lõi thép (dẫn từ thông và làm khung), (2) Dây quấn (nhận và truyền năng lượng), và (3) Vỏ máy (bảo vệ cơ học và tản nhiệt).

Một máy biến áp, dù là 1 pha hay 3 pha, đều có ba bộ phận chính: Lõi thép, Dây quấn, và Vỏ máy.

1. Lõi thép (Lõi từ)

Lõi thép được làm từ các lá thép kỹ thuật điện (thép silic) mỏng, có phủ sơn cách điện và ghép lại với nhau. Cấu tạo này giúp dẫn từ thông hiệu quả và giảm tối đa tổn hao năng lượng do dòng điện Foucault.

Đây là bộ phận dẫn từ thông. Cấu tạo của lõi thép được thiết kế đặc biệt để tối ưu hiệu suất và giảm tổn hao:

• Vật liệu: Lõi thép được làm từ thép kỹ thuật điện (còn gọi là thép silic hoặc tôn silic). Lý do là vật liệu này có tính trễ từ thấp (giảm tổn hao trễ) và điện trở suất cao, giúp giảm tổn thất năng lượng khi từ thông biến thiên.
• Cấu tạo: Lõi thép không phải là một khối thép đặc, mà được ghép lại từ nhiều lá thép mỏng (thường dày từ 0.35mm đến 0.5mm). Bên ngoài mỗi lá thép đều được phủ một lớp sơn cách điện.
• Lý do ghép lá mỏng: Khi máy biến áp hoạt động, từ thông biến thiên sẽ sinh ra các dòng điện Foucault (Eddy current) chạy xoáy trong lõi thép. Dòng điện này gây nóng lõi và làm hao phí năng lượng. Việc chia lõi thép thành nhiều lá mỏng, cách điện với nhau sẽ làm tăng điện trở tổng thể của lõi, từ đó giảm cường độ dòng Foucault xuống mức tối thiểu.

Lõi thép có hai phần chính: Trụ (nơi đặt dây quấn) và Gông (nối các trụ lại để tạo thành mạch từ khép kín).

2. Dây quấn (Cuộn dây)

Dây quấn (thường bằng đồng hoặc nhôm) gồm ít nhất hai cuộn: Cuộn sơ cấp (nối với nguồn điện, nhận năng lượng vào) và Cuộn thứ cấp (nối với tải, cấp năng lượng ra).

Dây quấn có chức năng nhận năng lượng vào và truyền năng lượng ra. Thông thường, máy biến áp có ít nhất hai cuộn dây:

• Cuộn sơ cấp (Primary): Nối với nguồn điện, nhận năng lượng vào.
• Cuộn thứ cấp (Secondary): Nối với tải tiêu thụ, cấp điện ra.

Dây quấn thường được làm bằng đồng hoặc nhôm, có tiết diện tròn hoặc chữ nhật, và được bọc vật liệu cách điện bên ngoài.

3. Vỏ máy

Vỏ máy dùng để bảo vệ các bộ phận bên trong. Đối với các máy biến áp dầu, vỏ máy (thùng máy) còn chứa dầu biến áp để cách điện và tản nhiệt.

Vỏ máy là lớp bảo vệ bên ngoài, được làm từ thép, nhựa, hoặc các vật liệu bền chắc. Vỏ máy có hai chức năng chính:

1. Bảo vệ: Che chắn, bảo vệ các bộ phận bên trong (lõi thép, dây quấn) khỏi các tác động cơ học và môi trường.
2. Tản nhiệt: Đối với các máy biến áp công suất lớn (như máy biến áp dầu THIBIDI), vỏ máy (thùng máy) còn chứa dầu biến áp. Dầu này vừa có tác dụng cách điện, vừa là môi chất làm mát máy biến áp. Trên nắp thùng thường có các bộ phận quan trọng như bình dầu phụ, sứ ra, và ống bảo hiểm.

Việc giám sát chất lượng dầu là cực kỳ quan trọng. Các sự cố nghiêm trọng như cháy dầu máy biến áp có thể được cảnh báo sớm thông qua việc phân tích khí hòa tan (DGA) hoặc kiểm tra độ axit của dầu.

Nguyên lý làm việc của máy biến áp

Nguyên lý làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Dòng điện xoay chiều ở cuộn sơ cấp tạo ra từ thông biến thiên trong lõi thép. Từ thông này cảm ứng sang cuộn thứ cấp, tạo ra một suất điện động mới, làm thay đổi điện áp ra.

Nguyên lý hoạt động của máy biến áp dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.

1. Khi đặt một điện áp xoay chiều (U1) vào cuộn sơ cấp (có N1 vòng dây), nó tạo ra một dòng điện i1 xoay chiều chạy trong cuộn dây.
2. Dòng điện i1 sinh ra một từ thông biến thiên chạy trong lõi thép.
3. Do lõi thép tạo thành mạch từ khép kín, gần như toàn bộ từ thông này đi xuyên qua cuộn thứ cấp (có N2 vòng dây).
4. Từ thông biến thiên trong cuộn thứ cấp sinh ra một suất điện động cảm ứng, tạo ra điện áp xoay chiều ở hai đầu cuộn thứ cấp (U2).

Tỷ lệ điện áp giữa hai cuộn dây tỷ lệ thuận với tỷ lệ số vòng dây, quyết định công suất định mức của máy biến áp:

• Nếu N2 > N1: Ta có U2 > U1. Đây là máy tăng áp.
• Nếu N2 < N1: Ta có U2 < U1. Đây là máy giảm áp.

Để xác định hiệu suất và các tổn hao này, các kỹ sư thường thực hiện thí nghiệm đo tổn hao không tải.

Phân loại máy biến áp

Máy biến áp có thể được phân loại theo nhiều cách: (1) Theo cấu tạo (1 pha, 3 pha), (2) Theo chức năng (tăng áp, hạ áp), (3) Theo cách thức cách điện (máy khô, máy dầu), và (4) Theo ứng dụng (điện lực, đo lường, cách ly).

Có nhiều cách để phân loại máy biến áp, giúp người dùng lựa chọn đúng thiết bị cho nhu cầu của mình:

• Theo cấu tạo: Phân loại phổ biến nhất là so sánh máy biến áp 1 pha và 3 pha, bao gồm các loại cụ thể như máy biến áp 1 pha dân dụng và máy biến áp 3 pha công nghiệp.
• Theo chức năng: Máy biến áp tăng áp (sử dụng ở nhà máy điện) và máy biến áp hạ áp (sử dụng tại nơi tiêu thụ, thuộc lưới điện hạ thế).
• Theo cách thức cách điện:
  • Máy biến áp khô THIBIDI: Cách điện bằng nhựa epoxy và làm mát bằng không khí.
  • Máy biến áp dầu: Cách điện và làm mát bằng dầu.
• Theo ứng dụng:
  • Máy biến áp truyền tải và máy biến áp phân phối: Phục vụ cho việc truyền tải điện lực.
  • Máy biến áp đo lường: Ví dụ như biến dòng (CT), dùng để đo lường. (Xem thêm: 4 cách lắp đặt biến dòng CT).
  • Máy biến áp cách ly: Dùng cho các yêu cầu an toàn điện cao.

Ứng dụng và Bảo trì máy biến áp

Máy biến áp là thiết bị cốt lõi trong hệ thống truyền tải, công nghiệp và cả dân dụng. Để đảm bảo an toàn, cần có hệ thống bảo vệ (Aptomat, rơ le) và bảo trì định kỳ, đặc biệt là với các trạm biến áp.

Máy biến áp có mặt ở khắp mọi nơi trong hệ thống điện.

Ứng dụng

Ứng dụng chính của máy biến áp là tại các trạm biến áp để tăng/hạ áp, trong nhà máy công nghiệp (cần xây dựng trạm biến áp riêng) và trong thiết bị dân dụng (adapter sạc, ổn áp).

• Hệ thống truyền tải: Các máy biến áp công suất cực lớn được đặt tại các trạm biến áp để tăng áp (truyền tải đi xa) và hạ áp (phân phối cho khu vực). Các loại trạm phổ biến bao gồm trạm biến áp hợp bộ (trạm Kiosk) và trạm biến áp 1 cột.
• Công nghiệp: Các nhà máy, xí nghiệp thường phải xây dựng trạm biến áp riêng để hạ điện áp lưới xuống mức phù hợp cho máy móc sản xuất.
• Dân dụng: Các thiết bị ổn áp hoặc các bộ sạc (adapter) cho thiết bị điện tử về bản chất cũng là các máy biến áp hạ áp công suất nhỏ.

Bảo vệ và Bảo trì

Công tác bảo vệ máy biến áp (dùng Aptomat, rơ le quá tải) và bảo trì máy biến áp định kỳ (đặc biệt là lọc dầu và kiểm tra nhiệt độ) là bắt buộc để phát hiện sớm sự cố và đảm bảo an toàn.

Để máy biến áp hoạt động an toàn và bền bỉ, công tác bảo vệ máy biến áp là vô cùng cần thiết. Hệ thống này bao gồm các thiết bị đóng cắt như Aptomat (CB) và rơ le quá tải để ngăn ngừa sự cố.

Quan trọng hơn, việc bảo trì máy biến áp định kỳ giúp phát hiện sớm các vấn đề. Các dịch vụ chuyên nghiệp như dịch vụ bảo trì trạm biến áp sẽ bao gồm các hạng mục:

• Kiểm tra nhiệt độ vận hành (tham khảo: tăng nhiệt độ máy biến áp).
• Dịch vụ lọc dầu máy biến áp để phục hồi khả năng cách điện.
• Đo lường các thông số kỹ thuật và siết lại ốc vít.