Giải Thích Chi Tiết: Nêu Nguyên Lý Làm Việc Của Máy Biến Áp Trong Hệ Thống Điện

Giới Thiệu Chung Về Máy Biến Áp

Máy biến áp là một thiết bị điện từ thụ động, đóng vai trò then chốt trong việc truyền tải và phân phối điện năng trong hệ thống điện. Chức năng chính của máy biến áp là thay đổi điện áp (tăng hoặc giảm) giữa các mạch điện mà không làm thay đổi tần số. Nhờ vào máy biến áp, điện năng có thể được truyền đi xa mà giảm thiểu tổn thất năng lượng.

Cấu Tạo Cơ Bản Của Máy Biến Áp

Máy biến áp là thiết bị điện tĩnh dùng để biến đổi điện áp giữa các cấp điện khác nhau, hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Về cơ bản, một máy biến áp thông thường được cấu tạo từ ba bộ phận chính sau:

1. Lõi thép (hay mạch từ):
   Lõi thép có vai trò dẫn từ thông trong máy biến áp, giúp truyền năng lượng giữa hai cuộn dây (sơ cấp và thứ cấp) thông qua hiện tượng cảm ứng điện từ. Lõi thường được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện mỏng, có phủ lớp cách điện và được ghép lại thành hình dạng khép kín (chẳng hạn như hình E-I hoặc hình xuyến). Việc ghép bằng các lá thép mỏng giúp giảm thiểu tổn hao do dòng điện xoáy (Foucault) sinh ra khi máy hoạt động. Ngoài ra, lõi thép còn được thiết kế sao cho tổn thất từ tính thấp nhất, góp phần nâng cao hiệu suất làm việc của máy.

2. Dây quấn sơ cấp:
   Đây là cuộn dây được nối với nguồn điện xoay chiều ban đầu. Khi dòng điện chạy qua dây quấn sơ cấp, nó tạo ra từ thông biến thiên trong lõi thép. Dây quấn sơ cấp thường được quấn bằng dây đồng hoặc nhôm, có tiết diện và số vòng dây tùy thuộc vào điện áp vào và công suất của máy. Vật liệu cách điện được sử dụng để đảm bảo an toàn và độ bền của dây trong quá trình vận hành.

3. Dây quấn thứ cấp:
   Dây quấn thứ cấp có nhiệm vụ nhận từ thông do cuộn sơ cấp tạo ra và biến đổi thành điện áp ra theo nhu cầu sử dụng. Số vòng dây của cuộn thứ cấp được thiết kế dựa trên tỷ số biến áp mong muốn. Nếu cần tăng điện áp, số vòng cuộn thứ cấp sẽ lớn hơn cuộn sơ cấp (biến áp tăng); ngược lại, nếu giảm điện áp, số vòng sẽ ít hơn (biến áp giảm). Dây quấn thứ cấp cũng được làm từ đồng hoặc nhôm, đảm bảo khả năng chịu dòng điện ra phù hợp với tải.

Nguyên Lý Làm Việc Của Máy Biến Áp

Máy biến áp hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, được nhà bác học Michael Faraday khám phá. Nguyên lý này phát biểu rằng: khi từ thông xuyên qua một mạch điện kín biến thiên theo thời gian thì trong mạch sẽ xuất hiện một suất điện động cảm ứng.

Cụ thể, khi dòng điện xoay chiều được đưa vào cuộn dây sơ cấp (cuộn đầu vào), dòng điện này sẽ tạo ra một từ trường biến thiên trong lõi thép của máy biến áp. Do lõi thép có tính dẫn từ tốt, từ thông sẽ được dẫn qua cuộn dây thứ cấp (cuộn đầu ra).

Sự biến thiên của từ thông này sẽ cảm ứng ra một điện áp xoay chiều trong cuộn dây thứ cấp,tạo nên điện áp đầu ra của máy biến áp.

✅ Công thức cảm ứng điện từ của Faraday được biểu diễn như sau:

       E=− N   dΦ   ​

                     dt 

Trong đó:

• E: Suất điện động cảm ứng (V)

• N: Số vòng dây của cuộn dây

• Φ: Từ thông xuyên qua cuộn dây (Wb – Weber)

• dΦ/dt : Tốc độ biến thiên của từ thông theo thời gian

Dấu âm (–) trong công thức thể hiện định luật Lenz: suất điện động cảm ứng sinh ra có chiều chống lại sự thay đổi từ thông đã gây ra nó.

2. Tỉ Số Biến Áp

Máy biến áp không chỉ truyền tải điện áp giữa hai cuộn dây, mà còn thay đổi giá trị điện áp theo một tỷ lệ nhất định giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp, được gọi là tỉ số biến áp.

Tỉ số này phụ thuộc vào số vòng dây của hai cuộn:

U1    =  N1

U2        N2​​

Trong đó:

• U₁: Điện áp ở cuộn sơ cấp (V)

• U₂: Điện áp ở cuộn thứ cấp (V)

• N₁: Số vòng dây cuộn sơ cấp

• N₂: Số vòng dây cuộn thứ cấp

✅ Từ công thức trên, ta có thể phân loại máy biến áp như sau:

• Nếu N₂ > N₁ → U₂ > U₁ → Máy biến áp tăng áp (dùng để nâng điện áp lên mức cao hơn)

• Nếu N₂ < N₁ → U₂ < U₁ → Máy biến áp giảm áp (dùng để hạ điện áp xuống mức thấp hơn)

Vai Trò Của Máy Biến Áp Trong Hệ Thống Điện

1. Truyền tải điện năng hiệu quả

Nhờ máy biến áp, điện năng được nâng lên điện áp cao (220kV, 500kV…) để truyền đi xa, sau đó giảm xuống điện áp thấp để sử dụng an toàn trong sinh hoạt và công nghiệp.

2. Ổn định hệ thống điện

Máy biến áp giúp điều chỉnh điện áp phù hợp với từng khu vực tải, góp phần duy trì độ ổn định của toàn hệ thống điện.

3. Bảo vệ và cách ly mạch điện

Một số loại máy biến áp cách ly còn có vai trò bảo vệ thiết bị và con người khỏi các sự cố chạm đất hoặc quá áp.

4.Các loại máy biến áp thông dụng