Máy biến áp hạ áp là gì? Cấu tạo và ứng dụng trong công nghiệp

Máy biến áp hạ áp là gì?

Máy biến áp hạ áp là một loại máy biến áp mà khi điện áp được cấp vào cuộn sơ cấp, nó sẽ tạo ra từ thông biến thiên. Từ thông biến thiên này sẽ cảm ứng ra một suất điện động trong cuộn thứ cấp theo định luật cảm ứng điện từ.

Suất điện động cảm ứng trong cuộn thứ cấp nhỏ hơn suất điện động trong cuộn sơ cấp, do đó thiết bị được gọi là máy biến áp hạ áp. Máy hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ tương hỗ và được sử dụng để giảm điện áp từ cuộn sơ cấp sang cuộn thứ cấp.

Thông tin cơ bản về máy biến áp

• Cuộn dây sơ cấp: Tất cả các máy biến áp đều được quấn bằng các cuộn dây gọi là cuộn dây. Khi cuộn dây này được nối trực tiếp với nguồn điện xoay chiều, nó được gọi là cuộn sơ cấp. Dòng điện được cấp vào cuộn này và sau đó điện áp sẽ được tăng hoặc giảm tùy thuộc vào loại máy biến áp.
• Dây dẫn: Dùng để quấn cuộn dây thường là đồng  do có độ dẫn điện cao và giá thành rẻ hơn so với các vật liệu dẫn điện đắt tiền khác.
• Cuộn dây thứ cấp: Khi cuộn dây được nối trực tiếp với tải hoặc thiết bị sử dụng điện, nó được gọi là cuộn thứ cấp. Dòng điện được cảm ứng trong cuộn sơ cấp sẽ truyền  sang cuộn thứ cấp, cung cấp điện áp cần thiết cho tải.
• Lõi thép: Lõi máy biến áp được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện mỏng, trên đó các cuộn dây được quấn quanh.
• Nếu lõi được làm bằng khối sắt đặ thì dòng điện xoáy sẽ xuất hiện, gây hao tổn năng lượng và giảm hiệu suất của máy biến áp. Việc sử dụng lõi sắt giúp từ thông dễ dàng lưu thông và nâng cao hiệu quả cảm ứng điện từ.

Linh kiện máy biến áp hạ áp

Một máy biến áp hạ áp bao gồm các bộ phận chính sau:

• Lõi
• Cuộn dây

Lõi

Lõi được làm từ vật liệu có độ từ thẩm cao để dẫn từ thông. Nhiệm vụ của lõi là tạo đường dẫn cho từ thông đi qua dễ dàng, trơn tru và với tổn hao nhỏ nhất. 

Trong máy biến áp, các lá kim loại mỏng được sử dụng để giảm tổn thất do dòng điện xoáy. Nếu lõi được làm bằng khối kim loại đặc, dòng điện xoáy sinh ra sẽ làm giảm hiệu suất của máy. Do đó, vật liệu sắt từ thường là sắt hoặc thép kỹ thuật điện  được dùng để chế tạo lõi, giúp dẫn từ tốt và hạn chế tổn hao.

Cuộn dây

Máy biến áp hạ áp được quấn bằng các dây dẫn gọi là cuộn dây.

Các cuộn dây này giúp dòng điện đi qua máy biến áp và tạo ra hiện tượng cảm ứng điện từ.

• Cuộn sơ cấp: Dây dày hơn và có ít vòng quấn hơn, nhận điện áp đầu vào cao.
• Cuộn thứ cấp: Dây mảnh hơn và có nhiều vòng quấn hơn, tạo ra điện áp đầu ra thấp hơn.

Vật liệu đồng được dùng phổ biến trong quấn dây vì có độ dẫn điện tốt và điện trở thấp, giúp tăng hiệu suất hoạt động của máy biến áp.

Cấu tạo của máy biến áp hạ áp

• Cấu tạo của máy biến áp hạ áp bao gồm hai hoặc nhiều cuộn dây được quấn quanh lõi.
• Lõi được chế tạo từ vật liệu sắt từ, loại vật liệu có khả năng từ hóa khi dòng điện chạy qua cuộn dây sơ cấp, từ đó truyền năng lượng sang cuộn dây thứ cấp thông qua từ trường cảm ứng.
• Một cách đơn giản để tạo lõi sắt từ là tái sử dụng các vòng thép lớn hoặc thu hồi lõi từ vật liệu phế liệu.
• Cuộn dây được chế tạo từ dây dẫn điện, tuy nhiên dây đồng từ có cỡ dây số 28 thường được ưu tiên sử dụng hơn.
• Loại dây này có đường kính nhỏ, được phủ lớp cách điện tốt để tránh chập mạch giữa các vòng dây.
• Cuộn sơ cấp được hình thành bằng cách quấn chặt dây quanh lõi sắt theo số vòng nhất định. Sau khi quấn xong, hai đầu dây được để hở để kết nối với nguồn điện đầu vào.

Nguyên lý hoạt động của máy hạ áp

Vì trong máy biến áp hạ áp, điện áp đầu ra giảm, điều này sẽ làm tăng dòng điện đầu ra để duy trì sự cân bằng. Cuộn dây sơ cấp được nối với nguồn xoay chiều, khi điện áp được cung cấp, một dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn dây sơ cấp. Vì nguồn là xoay chiều, từ thông sẽ thay đổi khi từ thông thay đổi này đi qua cuộn dây thứ cấp, theo định luật cảm ứng điện từ, một suất điện động cảm ứng sẽ xuất hiện trong cuộn dây thứ cấp. Suất điện động cảm ứng tỷ lệ thuận với số vòng dây trong cuộn dây thứ cấp.

Tỷ lệ số vòng dây trong cuộn dây thứ cấp so với cuộn dây sơ cấp quyết định tỷ lệ biến đổi điện áp. Vì số vòng dây trong cuộn dây thứ cấp ít hơn cuộn dây sơ cấp trong máy biến áp hạ áp, nên điện áp cảm ứng trong cuộn dây thứ cấp sẽ nhỏ hơn cuộn dây sơ cấp.

Dòng điện trong cuộn dây thứ cấp sẽ tỷ lệ nghịch với số vòng dây trong cuộn dây sơ cấp. Vì vậy, khi điện áp trong cuộn dây thứ cấp giảm, dòng điện sẽ tăng.

Các loại máy biến áp hạ áp

Về cơ bản, máy biến áp hạ áp được chia thành ba loại chính, bao gồm:

Máy biến áp hạ áp một pha

Loại máy biến áp này được thiết kế để giảm điện áp từ cuộn sơ cấp xuống cuộn thứ cấp. Chúng thường được sử dụng trong khu vực dân dụng và thương mại, nhằm biến đổi điện áp cao thành điện áp thấp để phục vụ các thiết bị điện thông thường.

Cấu tạo của máy gồm cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp được quấn quanh lõi sắt từ.

• Cuộn sơ cấp được nối với nguồn điện đầu vào.
• Cuộn thứ cấp được nối với tải hoặc nguồn đầu ra.

Máy biến áp hạ áp một pha được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống phân phối điện và các thiết bị điện tử khác nhau.

Máy biến áp hạ áp có điểm giữa

• Ở loại máy biến áp này, cuộn thứ cấp có một điểm giữa, chia cuộn dây thành hai phần có số vòng quấn bằng nhau.
• Cấu trúc này mang lại tính linh hoạt cao, vì điểm giữa cho phép nối cuộn thứ cấp theo kiểu song song hoặc nối tiếp.
• Máy biến áp có điểm giữa thường được sử dụng trong bộ nguồn điện, nơi cần nhiều mức điện áp khác nhau để phục vụ các ứng dụng khác nhau

Máy biến áp hạ áp có nhiều đầu ra

• Loại máy biến áp này có nhiều đầu nối hoặc điểm lấy điện áp trên cuộn thứ cấp, cho phép tạo ra nhiều mức điện áp đầu ra khác nhau.
• Máy biến áp đa đầu ra có độ linh hoạt cao, vì chúng cho phép người dùng lựa chọn mức điện áp phù hợp với nhu cầu cụ thể.
• Chúng thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp, nơi mỗi thiết bị có thể yêu cầu mức điện áp khác nhau.
• Bằng cách chọn điểm nối khác nhau, người dùng có thể điều chỉnh điện áp đầu ra để đáp ứng nhu cầu của từng ứng dụng cụ thể, giúp máy trở nên đa dụng và phù hợp với nhiều hệ thống điện khác nhau.

Ưu điểm của máy biến áp hạ áp

• Hiệu suất cao trên 99%
• Độ tin cậy cao và chi phí thấp
• Đáp ứng linh hoạt các mức điện áp và dòng điện khác nhau
• Hỗ trợ quá trình truyền tải điện hiệu quả
• Tương thích cao với thiết bị và mạch điện
• Tính linh hoạt và ứng dụng rộng rãi

Nhược điểm của máy biến áp hạ áp

• Cần bảo trì định kỳ: Việc bảo trì thường xuyên để đảm bảo an toàn và hiệu suất có thể làm tăng thời gian ngừng hoạt động và chi phí nhân công.
• Tổn thất năng lượng dưới dạng nhiệt: Trong quá trình vận hành, máy biến áp phát sinh nhiệt năng do tổn hao điện năng, làm giảm hiệu suất truyền tải tổng thể.
• Nguy cơ mất an toàn điện: Nếu lắp đặt hoặc bảo trì sai cách, máy có thể gây nguy cơ điện giật hoặc cháy nổ, do đó cần lắp đặt đúng tiêu chuẩn an toàn.
• Kích thước và khối lượng lớn đối với máy công suất cao: Các máy biến áp hạ áp công suất lớn thường nặng và cồng kềnh, gây khó khăn trong vận chuyển, lắp đặt và yêu cầu không gian.

Ứng dụng của máy biến áp hạ áp

• Ổn định điện áp cho các thiết bị khác nhau: Máy biến áp hạ áp được sử dụng để ổn định và điều chỉnh mức điện áp, giúp các thiết bị điện hoạt động an toàn và hiệu quả.
• Ứng dụng trong bộ nghịch lưu: Được tích hợp trong các bộ inverter để chuyển đổi điện áp cao thành điện áp thấp, phù hợp cho các thiết bị điện sử dụng.
• Truyền tải và phân phối điện năng: Là thành phần quan trọng trong hệ thống điện, giúp giảm điện áp cao của đường truyền xuống mức điện áp thấp hơn để phân phối đến hộ gia đình và công nghiệp.
• Ứng dụng trong thiết bị công nghiệp: Được tích hợp vào các thiết bị công nghiệp nhằm cung cấp mức điện áp phù hợp cho quá trình vận hành máy móc và hệ thống điều khiển.
• Thiết bị điện dân dụng: Sử dụng trong các bộ sạc, bộ đổi nguồn và các thiết bị khác để hạ điện áp từ nguồn chính xuống mức an toàn cho thiết bị điện tử nhỏ.
• Máy biến áp có điểm giữa: Dạng máy biến áp hạ áp có điểm giữa được sử dụng trong lưới điện để điều chỉnh điện áp và cân bằng tải.
• Mạch điều khiển và hệ thống cách ly: Được sử dụng để cung cấp nguồn điện cách ly cho các mạch điều khiển và hệ thống đo lường, giúp tăng độ an toàn và độ tin cậy trong vận hành.

Sự khác biệt giữa máy tăng áp và máy hạ áp

Máy biến áp tăng áp

• Cuộn thứ cấp có số vòng dây nhiều hơn cuộn sơ cấp.
• Điện áp ở cuộn thứ cấp lớn hơn điện áp ở cuộn sơ cấp.
• Dòng điện ở cuộn thứ cấp nhỏ hơn dòng điện ở cuộn sơ cấp.
• Được sử dụng để tăng điện áp đầu vào, tức là chuyển từ điện áp thấp lên điện áp cao.
• Dây quấn ở cuộn sơ cấp dày hơn dây quấn ở cuộn thứ cấp.

Máy biến áp hạ áp

• Cuộn sơ cấp có số vòng dây nhiều hơn cuộn thứ cấp.
• Điện áp ở cuộn sơ cấp lớn hơn điện áp ở cuộn thứ cấp.
• Dòng điện ở cuộn sơ cấp nhỏ hơn dòng điện ở cuộn thứ cấp.
• Được sử dụng để giảm điện áp đầu vào, tức là chuyển từ điện áp cao xuống điện áp thấp.
• Dây quấn ở cuộn thứ cấp dày hơn dây quấn ở cuộn sơ cấp.