Máy biến áp điện lực

Tìm hiểu biến áp điện lực là gì?

Máy biến áp điện lực là loại máy biến áp có tuổi thọ cao và dùng được trong thời gian dài, đây là một thiết bị có độ tin cậy cao, do đó đây luôn là sự lựa chọn hàng đầu cho các trạm biến áp hiện nay. Ngoài ra, máy biến áp điện lực còn là thiết bị chính và quan trọng nhất trong các trạm điện, do vậy trong quá trình vận hành và sử dụng phải được thực hiện bởi những người có kinh nghiệm lâu năm cùng với chế độ theo dõi chặt chẽ để tránh gây nên những hậu quả đáng tiếc.

Người điều hành máy phải nắm vững các đặc tính kỹ thuật cũng như nguyên lý làm việc và các chế độ vận hành khác của máy, như vậy khi sử dụng máy mới mang lại hiệu quả cao nhất.

Với sự phát triển của công nghệ thiết kế và chế tạo, do đó mà kích thước cũng như chất lượng của loại máy biến áp này đã được nâng cấp lên rất tốt, cùng với đó là giá cả hợp lý. Vậy chúng có cấu tạo như thế nào?

Lịch sử ra đời và phát triển máy biến áp

Năm 1831, nhà khoa học Michael Faraday đã phát hiện ra một hiện tượng đặc biệt đó là dòng điện tạo ra từ trường và ngược lại, sự biến thiên từ trường cũng sẽ tạo ra dòng điện.

Năm 1880, nhà phát minh thiên tài Thomas Edison đã đăng ký bằng sáng chế về phân phối điện, sự kiện đó đóng vai trò chính trong việc tích lũy điện để phát minh ra đèn điện. Đến năm 1887, có 121 trạm phát điện Edison được đặt tại Hoa Kỳ cung cấp điện dòng điện một chiều cho khách hàng. Vấn đề là với dòng điện một chiều thì sẽ chỉ cung cấp cho được cho khách hàng trong vòng bán kính là khoảng 2,4 km từ các trạm phát điện. Như vậy nếu muốn toàn bộ Hoa Kỳ có điện thì sẽ phải lắp rất rất nhiều trạm phát điện Edison, điều đó sẽ làm chi phí bị tăng lên rất nhiều. Và xuất phát từ việc làm thế nào để truyền tải điện đi xa mà không cần lắp quá nhiều trạm phát định thì người ta đã phát minh ra máy biến áp.

Năm 1884: Chiếc máy biến áp đầu tiên được sáng chế ra bởi các nhà khoa học gồm Károly Zipernowsky, Miksa Déri và Ottó Titusz Bláthy. Ottó Bláthy, Miksa Déri, ​​Károly Zipernowsky thiết kế và cho ra đời máy biến áp trong cả hai hệ thống thử nghiệm và thương mại và có tên là “ZBD Transformer”.

Về sau, các nhà khoa học khác gồm Lucien Gaulard, Sebstian Ferranti và William Stanley đã hoàn thiện thiết kế và cho ra đời các máy biến áp thế hệ sau.

Đến Năm 1889: Mikhail Dolivo-Dobrovolsky – Nhà phát minh người Ba Lan đã chế tạo ra máy biến áp 3 pha đầu tiên trên thế giới.

Năm 1891: Thomas Edison đã chế tạo ra một máy biến áp có khả năng tạo ra dòng điện xoay chiều với tần số và hiệu điện thế cao. Và nó được đặt tên là Máy biến áp Tesla

Từ đó đến nay máy luôn được cải tiến và nâng công suất cung an toàn với hàng loạt những công nghệ được đưa vào. Ngày nay máy biến thế không những được quan tâm về hiệu suất, an toàn, tính kinh tế mà còn khía cạnh về môi trường sinh thái.

Cấu tạo máy biến áp điện lực

Gồm các bộ phận chính là lõi sắt và dây quấn. Đây là 2 bộ phận cấu tạo quan trọng nhất của máy biến áp điện lực, 2 bộ phận này sẽ quyết định dung lượng sử dụng của máy biến áp. Bên cạnh đó, máy biến áp điện lực còn có các vách ngăn cách điện và nhiều linh phụ kiện khác.

Lõi thép:

Lõi thép gồm có trụ và gông. Trụ là phần để đặt dây quấn còn gông là phần nối liền giữa các trụ để tạo thành một mạch từ kín. Lõi thép của máy biến áp được chế tạo từ nhiều lá sắt mỏng ghép cách điện với nhau và thường được chế tạo bằng các vật liệu dẫn từ tốt. Lõi thép có chức năng dẫn từ thông đồng thời làm khung để đặt dây cuốn. Đối với các loại biến áp dùng trong lĩnh vực thông tin, tần số cao thường được cấu tạo bởi các lá thép permalloy ghép lại.

Các loại máy biến áp thông thường sẽ sử dụng lõi sắt 2 trụ hoặc lõi sắt 3 trụ, nhưng vì máy biến áp điện lực có dung lượng lớn nên thường sử dụng lõi sắt 5 trụ. Máy biến áp 1 pha thông thường sẽ sử dụng lõi sắt 2 trụ hoặc 3 trụ, còn cấu tạo của lõi sắt 4 trụ và 5 trụ phù hợp với những loại máy biến áp điện lực có dung lượng lớn hơn.

Lõi sắt sử dụng chất liệu thép silic đẳng hướng. Trụ chính và trụ phụ của lõi sắt được bó chặt bằng băng dính sợi thủy tinh để giảm thiểu tiếng ồn và tổn thất do phụ tải. Kẹp (clamp) hình đĩa đỡ lõi sắt được cố định vào gông từ của lõi sắt bằng băng dính sợi thủy tinh và được cố định với trụ chính theo cách tương tự.

Dây quấn:

Dây quấn hay cuộn dây: thường được chế tạo bằng đồng hoặc nhôm bên ngoài bọc cách điện để nhận năng lượng vào và truyền năng lượng ra. Với biến áp quấn bằng dây đồng thì sẽ dẫn điện tốt hơn, tránh được ôxi hoá, tăng tuổi thọ của biến áp. Phần có nhiệm vụ nhận năng lượng vào nối với mạch điện xoay chiều được gọi là cuộn dây sơ cấp, còn phần có nhiệm vụ truyền năng lượng ra nối với tải tiêu thụ được gọi là cuộn dây thứ cấp. Số vòng dây ở hai cuộn phải khác nhau, tuỳ thuộc nhiệm vụ của máy mà có thể N1 > N2 hoặc ngược lại.

Có 2 loại dây quấn hay được sử dụng, đó là dây quấn đĩa tròn nối tiếp dung lượng cao và dây quấn đĩa tròn tấm chắn quay liên tục. Mỗi một nhà sản xuất sẽ lựa chọn 1 loại dây cuốn phù hợp để sử dụng hoặc xem xét các thông số của dây quấn mà chọn cuộn dây quấn phù hợp.

Những loại dây quấn trên đều có tính năng chống xung sét vượt trội, độ tin cậy cao. Dây quấn đĩa tròn liên tiếp được sử dụng vào dây quấn trung thế, dây quấn dạng xoắn Helical được quấn bằng nhiều dây điện song song được sử dụng cho dây quấn dòng điện cao thế/hạ thế. Dây quấn taro (tap) thì sử dụng dây quấn nhiều lớp hoặc dây quấn đĩa tròn kép.

Lõi sắt và dây quấn là 2 bộ phận cấu tạo quan trọng nhất của máy biến áp điện lực, 2 bộ phận này sẽ quyết định dung lượng sử dụng của máy biến áp. Bên cạnh đó, máy biến áp điện lực còn có các vách ngăn cách điện và nhiều linh, phụ kiện khác.

Vỏ máy:

Tùy theo từng loại máy biến áp mà chúng được làm bằng các chất liệu khác nhau. Chúng thường được làm từ nhựa, gỗ, thép, gang hoặc tôn mỏng, có công dụng để bảo vệ các phần tử của máy biến áp ở bên trong nó, bao gồm: nắp thùng và thùng. Nắp thùng để đậy trên thùng và đặt các sứ xuyên để nối các đầu dây trong ruột với lưới điện. Ngoài ra mặt máy còn đặt các thiết bị: nhiệt kế, van an toàn, hệ thống bình rãn dầu.

Với những máy có công suất lớn trên thân vỏ được hàn cánh tản nhiệt gấp sóng hoặc kiểu cánh để làm tăng diện tích tản nhiệt của dầu máy với không khí.

Nguyên lý làm việc của máy biến áp lực

Máy biến áp điện lực cũng như các loại máy biến áp khác là hoạt động theo nguyên lý cảm ứng điện từ, khi có điện áp xoay chiều đi qua cuộn dây sơ cấp W1, trong cuộn dây sơ cấp lúc này sẽ có một dòng điện chạy qua, dòng điện i1 cảm ứng trong lõi thép từ thông. Sau đó từ thông sẽ được móc qua vòng cuộn dây thứ cấp W2 và sinh ra trong cuộn dây thứ cấp 1 thì sức điện động cảm qua. Vì cuộn dây thứ cấp của máy biến áp có kháng trở do vậy tại cuộn dây thứ cấp sẽ xuất hiện điện giáng Uo.

Mỗi máy biến áp lực đều có một dung lượng làm nhiệm vụ cung cấp điện trực tiếp tới chỗ phụ tải, do vậy nó giữ một vài trò quan trọng đối với nguồn điện trung gian và phân phối điện năng của nguồn điện. Trong khi vận hành mỗi máy biến áp sẽ tiêu thụ một lượng công suất không tải cùng với công suất mạch ngắn PN nên trong hệ thống máy biến áp đóng vai trò phụ tải.

Để nâng cao tuổi thọ máy biến áp điện lực người ta thường khuyến cáo vận hành máy trong những điều kiện quy định. Nhưng trong thực tế, máy thường cần vận hành cả trong những điều kiện không mong muốn (quá tải, quá áp) do vậy tuổi thọ chúng thường thấp hơn so với tuổi thọ thiết kế.

Các nhà khoa học đã nghiên cứu triển khai nhiều công nghệ mới giúp máy biến áp vận hành được lâu dài. Một trong những kỹ thuật đấy là dùng khoa học cực kỳ cao tần (UHF) để theo dõi và phát hiện các điểm phóng điện cục bộ mới phát sinh. Công nghệ UHF vững mạnh rất nhanh và được vận dụng nhiều giúp đảm bảo những trang thiết bị điện, đặc thù là máy biến áp, vận hành an toàn, với độ tin cậy cao và tăng tuổi thọ vận hành.

Nhờ khả năng ngày càng cao của kỹ thuật vi tính, người ta đã sản xuất được khá nhiều kiểu máy biến áp điện lực có tính năng tổng hợp. Ngày nay các nhà chế tạo và người sử dụng máy biến áp điện lực đã phối hợp chặt chẽ với nhau để tìm cách giảm thiểu tiếng ồn và các tổn hao trong máy, đồng thời họ cũng tìm cách nâng cao độ tin cậy trong vận hành.