07.10.2025

Máy biến áp là gì? Phân loại và ứng dụng máy biến thế (Transformer)

Máy biến áp là gì?

Trong kỹ thuật điện, máy biến áp là một linh kiện thụ động dùng để truyền năng lượng điện từ một mạch sang một hoặc nhiều mạch khác. Dòng điện thay đổi trong bất kỳ cuộn dây nào của máy biến áp sẽ tạo ra từ thông biến thiên trong lõi, từ đó cảm ứng một suất điện động (EMF) thay đổi trên các cuộn dây khác quấn quanh cùng lõi. Nhờ vậy, năng lượng điện có thể truyền giữa các cuộn dây riêng biệt mà không cần kết nối dẫn điện trực tiếp. Định luật cảm ứng điện từ của Faraday (1831) mô tả hiện tượng điện áp cảm ứng trong cuộn dây khi có từ thông biến thiên đi qua cuộn đó.

Lịch sử hình thành

Cảm ứng điện từ, nguyên lý hoạt động của máy biến áp, được phát hiện độc lập bởi Michael Faraday vào năm 1831 và Joseph Henry vào năm 1832. Chỉ có Faraday tiếp tục thí nghiệm và xây dựng được phương trình mô tả mối quan hệ giữa suất điện động cảm ứng (EMF) và từ thông biến thiên, hiện nay được gọi là định luật cảm ứng điện từ của Faraday.

Cuộn cảm ứng: Đây là dạng máy biến áp đầu tiên được sử dụng phổ biến, do linh mục người Ireland Nicholas Callan (Đại học Maynooth, Ireland) phát minh vào năm 1836.

Máy biến áp xoay chiều đầu tiên

Đến thập niên 1870, các máy phát điện hiệu quả tạo ra dòng điện xoay chiều (AC) đã xuất hiện. Người ta nhận thấy dòng điện xoay chiều ( AC) có thể cấp trực tiếp cho cuộn cảm ứng mà không cần bộ ngắt mạch.

Năm 1876, kỹ sư người Nga Pavel Yablochkov phát minh ra một hệ thống chiếu sáng dựa trên các cuộn cảm ứng, trong đó cuộn sơ cấp được nối trực tiếp với nguồn AC.

Năm 1878, nhà máy Ganz tại Budapest (Hungary) bắt đầu sản xuất thiết bị chiếu sáng điện và đến năm 1883 đã lắp đặt hơn 50 hệ thống khắp Đế quốc Áo–Hungary.

Năm 1882, Lucien Gaulard và John Dixon Gibbs lần đầu giới thiệu ở London một thiết bị với lõi sắt ghép lá hở, gọi là “máy phát thứ cấp”. Ban đầu thiết bị này bị chỉ trích nhiều, nhưng đến 1886, ý tưởng đã được bán lại cho công ty Westinghouse tại Mỹ.

Phân phối máy biến áp mạch nối tiếp thời kỳ đầu:

Các cuộn cảm ứng với mạch từ hở hoạt động không hiệu quả khi truyền công suất đến tải.

Cho đến khoảng năm 1880, cách truyền tải điện xoay chiều (AC) phổ biến là mạch nối tiếp, từ nguồn cao áp đến tải hạ áp.

Các máy biến áp lõi hở với tỉ số gần 1:1 được mắc nối tiếp ở cuộn sơ cấp. Nhờ vậy, có thể dùng điện áp cao để truyền tải, nhưng vẫn đưa ra điện áp thấp phù hợp cho các bóng đèn.

Nguyên lí hoạt động

Máy biến áp lý tưởng

Một máy biến áp lý tưởng được giả định là tuyến tính, không tổn hao và ghép từ hoàn hảo.

Ghép từ hoàn hảo nghĩa là lõi có độ từ thẩm vô hạn, cuộn dây có điện cảm vô hạn, và lực từ động (MMF) tổng bằng 0 (tức là: ip·Np − is·Ns = 0).

Máy biến áp thực

Độ lệch so với máy biến áp lý tưởng

Mô hình máy biến áp lý tưởng bỏ qua nhiều yếu tố tuyến tính cơ bản của máy biến áp thực, bao gồm các tổn hao và sự không hiệu quả không thể tránh khỏi.

(a) Tổn hao lõi, thường được gọi chung là tổn hao dòng từ hóa, bao gồm:

Tổn hao do trễ từ (Hysteresis loss): xuất phát từ các hiệu ứng từ tính phi tuyến trong lõi máy biến áp.
Tổn hao do dòng xoáy (Eddy current loss): gây ra bởi hiện tượng đốt nóng Joule trong lõi, và tỷ lệ với bình phương điện áp đặt vào máy biến áp.

(b) Không giống như mô hình lý tưởng, các cuộn dây trong máy biến áp thực có điện trở và độ tự cảm khác không liên quan đến:

Tổn thất joule do điện trở trong cuộn dây sơ cấp và thứ cấp
Từ thông rò rỉ thoát ra khỏi lõi và chỉ đi qua một cuộn dây, dẫn đến trở kháng phản kháng sơ cấp và thứ cấp.

(c) Tương tự như cuộn cảm, điện dung ký sinh và hiện tượng tự cộng hưởng do sự phân bố điện trường. Ba loại điện dung ký sinh thường được xem xét và các phương trình vòng kín được cung cấp

Điện dung giữa các vòng dây liền kề trong bất kỳ lớp nào
Điện dung giữa các lớp liền kề
Điện dung giữa lõi và các lớp liền kề với lõi

Mạch tương đương

Tổn thất Jun và điện kháng rò rỉ của cuộn dây được biểu diễn bằng các trở kháng mạch nối tiếp sau đây của mô hình:

Cuộn dây sơ cấp: RP, XP
Cuộn dây thứ cấp: RS, XS.

Trong quá trình biến đổi tương đương mạch thông thường, RS và XS trên thực tế thường được quy về phía sơ cấp bằng cách nhân các trở kháng này với bình phương tỷ số vòng dây, (NP/NS) 2 = a2.

Tổn thất lõi và điện kháng được biểu diễn bằng các trở kháng nhánh shunt sau đây của mô hình:

Tổn thất lõi hoặc sắt: RC
Điện kháng từ hóa: XM.

RC và XM được gọi chung là nhánh từ hóa của mô hình.

Phương trình suất điện động của máy biến áp

Nếu từ thông trong lõi biến thiên hình sin lý tưởng, thì mối quan hệ giữa điện áp hiệu dụng (Erms) của một cuộn dây với tần số nguồn (f), số vòng dây (N), tiết diện lõi (A, đơn vị m²) và mật độ từ thông cực đại (Bpeak, đơn vị Wb/m² hoặc Tesla) được xác định bởi phương trình EMF tổng quát:

Ảnh hưởng của tần số

Suất điện động (EMF) của máy biến áp ở một mức từ thông nhất định sẽ tăng theo tần số.

Nếu vận hành máy biến áp ở đúng điện áp thiết kế nhưng với tần số cao hơn, thì dòng từ hóa sẽ giảm.

Ở tần số cao hơn nhiều, kích thước lõi cần thiết sẽ giảm mạnh: một máy biến áp nhỏ gọn có thể xử lý mức công suất mà ở tần số lưới (50/60 Hz) sẽ cần một lõi sắt rất lớn.

Máy biến áp dùng cho các ứng dụng tần số cao (ví dụ: bộ nguồn xung – SMPS) thường dùng vật liệu lõi có tổn hao trễ từ và tổn hao dòng xoáy thấp hơn nhiều so với loại dành cho 50/60 Hz.

Các máy biến áp công suất lớn dễ bị hỏng cách điện do các xung điện áp có thành phần tần số cao, thường xuất hiện khi đóng cắt mạch hoặc sét đánh.

Tổn thất năng lượng

Tổn hao năng lượng trong máy biến áp chủ yếu đến từ tổn hao cuộn dây và tổn hao lõi. Hiệu suất máy biến áp thường cải thiện khi công suất định mức tăng.

Vì tổn hao thay đổi theo tải, nên người ta thường lập bảng các mức: tổn hao không tải, tổn hao toàn tải, tổn hao nửa tải, v.v.

Các loại tổn hao chính trong máy biến áp gồm:

Tổn hao trễ từ
Tổn hao dòng xoáy
Tổn hao do từ giảo
Tổn hao do dòng rò
Tổn hao bức xạ
Tổn hao do rung cơ học và truyền tiếng ồn

Cấu tạo

Lõi từ (Cores): Máy biến áp lõi kín được chế tạo theo dạng “core form” hoặc “shell form”. Khi cuộn dây bao quanh lõi thì gọi là core form; khi cuộn dây được bao quanh bởi lõi thì gọi là shell form.

Lõi thép ghép lá (Laminated steel cores): Các máy biến áp dùng cho tần số điện lực hoặc tần số âm thanh thường có lõi làm từ thép silic có độ từ thẩm cao.

Lõi đặc (Solid cores): Lõi bằng bột sắt ép được sử dụng trong các mạch như nguồn xung (SMPS), hoạt động ở tần số cao hơn tần số lưới, lên đến vài chục kHz.

Lõi hình xuyến (Toroidal cores): Máy biến áp hình xuyến được chế tạo quanh một lõi dạng vòng. Tùy theo tần số làm việc, lõi có thể làm từ dải thép silic hoặc permalloy quấn thành vòng, bột sắt, hoặc ferrite.

Lõi không khí (Air cores): Máy biến áp có thể được tạo ra bằng cách đặt các cuộn dây gần nhau, gọi là máy biến áp lõi không khí.

Cuộn dây (Windings): Vật liệu dẫn điện dùng cho cuộn dây phụ thuộc vào ứng dụng, nhưng trong mọi trường hợp, các vòng dây phải được cách điện với nhau để đảm bảo dòng điện đi qua toàn bộ các vòng.

Làm mát (Cooling): Theo kinh nghiệm, tuổi thọ cách điện sẽ giảm một nửa khi nhiệt độ vận hành tăng khoảng 7–10 °C (ứng dụng của phương trình Arrhenius).

Cách điện (Insulation): Cách điện phải được bố trí giữa các vòng dây, giữa các cuộn dây, giữa cuộn dây với lõi, và tại các đầu nối cuộn dây.

Sứ xuyên (Bushings): Các máy biến áp công suất lớn thường được trang bị sứ cách điện cao áp, làm từ polymer hoặc sứ.

Các thông số phân loại

Máy biến áp có thể được phân loại theo nhiều cách, chẳng hạn như sau:
Công suất định mức: Từ một phần nhỏ volt–ampere (VA) đến hơn một nghìn MVA.
Chế độ làm việc: Liên tục, ngắn hạn, gián đoạn, định kỳ, thay đổi.
Dải tần số: Tần số điện lực, tần số âm thanh, hoặc tần số vô tuyến.
Cấp điện áp: Từ vài volt đến hàng trăm kilovolt.
Phương pháp làm mát: Khô hoặc ngâm dầu; tự làm mát, làm mát bằng quạt cưỡng bức, dầu cưỡng bức, hoặc làm mát bằng nước.
Ứng dụng: Nguồn điện, khớp trở kháng, ổn định điện áp và dòng ra, xung, cách ly mạch, phân phối điện, chỉnh lưu, lò hồ quang, khuếch đại công suất, v.v.
Dạng từ trường cơ bản: Kiểu lõi, kiểu vỏ , đồng tâm, hoặc kiểu kẹp lớp.
Theo điện áp không đổi: Tăng áp, hạ áp, hoặc cách ly.
Cấu hình dây quấn chung: Theo nhóm vector IEC, các tổ hợp hai cuộn dây với sơ đồ pha tam giác , sao, zigzag; biến áp tự ngẫu; Scott-T.
Cấu hình dây quấn chỉnh lưu lệch pha: 2 cuộn dây (6 xung), 3 cuộn dây (12 xung), …, n cuộn dây ([n − 1]·6 xung); đa giác; v.v.
Hệ số K: Thước đo khả năng của máy biến áp trong việc chịu tải có thành phần sóng hài.

Ứng dụng

Các thiết kế ứng dụng điện cụ thể khác nhau đòi hỏi nhiều loại máy biến áp khác nhau:

Trong truyền tải điện năng, máy biến áp cho phép truyền điện ở điện áp cao, giúp giảm tổn hao do sinh nhiệt trên dây dẫn.
Trong nhiều thiết bị điện tử, máy biến áp được dùng để chuyển đổi điện áp từ lưới phân phối về mức phù hợp cho mạch, có thể thực hiện trực tiếp ở tần số lưới hoặc thông qua nguồn xung (SMPS).
Máy biến áp tín hiệu và âm thanh được dùng để ghép tầng trong mạch khuếch đại, hoặc để khớp trở kháng giữa thiết bị (như micro, đầu máy ghi đĩa) với đầu vào của bộ khuếch đại.
Máy biến áp cách ly (Isolation transformers) ngăn rò rỉ dòng sang mạch thứ cấp, thường dùng trong thiết bị y tế và tại công trường xây dựng.
Máy biến áp cộng hưởng (Resonant transformers) được dùng để ghép tầng trong máy thu vô tuyến, hoặc trong các ứng dụng cao áp như cuộn Tesla.