Máy biến thế

Wed, 25 Aug 2010 16:15:30 +0000

Máy biến thế hay máy biến áp là thiết bị điện gồm hai hoặc nhiều cuộn dây, hay 1 cuộn dây có đầu vào và đầu ra trong cùng 1 từ trường. Cấu tạo cơ bản của máy biến thế thường là 2 hay nhiều cuộn dây đồng cách điện được quấn trên cùng 1 lõi sắt hay sắt từ ferit.
Máy biến thế có thể thay đổi hiệu điện thế xoay chiều, tăng thế hoặc hạ thế, đầu ra cho 1 hiệu điện thế tương ứng với nhu cầu sử dụng. Máy biến thế đóng vai trò rất quan trọng trong truyền tải điện năng.

Lịch sử phát triển
    * Năm 1831: Michael Faraday phát hiện ra hiện tượng dòng điện tạo ra từ trường và ngược lại, sự biến thiên từ trường cũng tạo ra dòng điện.
    * Năm 1884: máy biến thế đầu tiên được sáng chế ra bởi Károly Zipernowsky, Miksa Déri và Ottó Titusz Bláthy.
    * Năm 1886: máy biến thế cho điện xoay chiều lần đầu tiên được đưa vào sử dụng tại Massachusetts, Mĩ.
    * Năm 1889: Mikhail Dolivo-Dobrovolsky chế tạo ra máy biến thế 3 pha đầu tiên.
    * Năm 1891: máy biến thế Tesla được chế tạo bởi Nikola Tesla, có khả năng tạo ra dòng điện xoay chiều với tần số và hiệu điện thế
Nguyên tắc hoạt động
Mô hình máy biến thế
Từ thông cảm ứng trong lõi thép máy biến thế
Máy biến thế hoạt động tuân theo 2 hiện tượng vật lí:
    * Dòng điện chạy qua dây dẫn tạo ra từ trường (từ trường)
    * Sự biến thiên từ thông trong cuộn dây tạo ra 1 hiệu điện thế cảm ứng (cảm ứng điện)
Dòng điện được tạo ra trong cuộn dây sơ cấp khi nối với hiệu điện thế sơ cấp, và 1 từ trường biến thiên trong lõi sắt. Từ trường biến thiên này tạo ra trong mạch điện thứ cấp 1 hiệu điện thế thứ cấp. Như vậy hiệu điện thế sơ cấp có thể thay đổi được hiệu điện thế thứ cấp thông qua từ trường. Sự biến đổi này có thể được điều chỉnh qua số vòng quấn trên lõi sắt.
Khi NP, UP, IP, ΦP và NS, US, IS, ΦS là số vòng quấn, hiệu điện thế, dòng điện và từ thông trong mạch điện sơ cấp và thứ cấp (primary và secondary) thì theo Định luật Faraday ta có:
    {U_P} = {N_P} \frac {d \Phi_P}{dt}  và  {U_S} = {N_S} \frac {d \Phi_S}{dt}
Nếu ΦS = ΦP thì \frac{U_P}{U_S}=\frac{N_P}{N_S},
ngoài ra \frac{I_P}{I_S}=\frac{N_S}{N_P}

Như vậy \frac{U_P}{U_S}=\frac{N_P}{N_S}=\frac{I_S}{I_P} (máy biến thế lí tưởng).

Ví dụ, 1 máy biến thế có công suất 400 W, tỉ lệ biến thế 80:5
    * Phía sơ cấp 80 V, 5 A, 160 vòng
    * Phía thứ cấp 5 V, 80 A, 10 vòng
Phân loại máy biến thế
Máy biến thế có thể phân làm nhiều loại khác nhau dựa vào:
    * Cấu tạo
    * Chức năng
    * Cách thức cách điện
    * Công suất hay hiệu điện thế
Kí hiệu trong mạch điện
  Máy biến thế với 2 cuộn dây và 1 lõi sắt.
  Máy biến thế với 3 cuộn dây và 1 lõi sắt.
  Máy tăng thế hoặc hạ thế.
  Máy biến thế có thiết bị chống lại ảnh hưởng trường điện từ.
Lĩnh vực sử dụng
Máy hạ thế 3 pha
Máy biến thế có thể chuyển đổi hiệu điện thế đúng với giá trị mong muốn, ví dụ từ đường dây trung thế 10 kV sang mức hạ thế 230 V hay 400 V dùng trong nhà. Tại các nhà máy điện, máy biến thế thường chuyển hiệu điện thế mức trung thế từ máy phát điện (10 kV đến 50 kV) sang mức cao thế (110 kV đến 500 kV hay cao hơn) cho đường dây điện cao thế. Trong truyền tải điện năng với khoảng cách xa, hiệu điện thế càng cao thì hao hụt càng ít.
Ngoài ra còn có các máy biến thế có công suất nhỏ hơn, máy biến áp (ổn áp) dùng để ổn định điện áp trong nhà, hay các cục biến thế, cục xạc, ... dùng cho các thiết bị điện với hiệu điện thế nhỏ (230 V sang 24 V, 12 V, 3 V, ...).

Tính toán quấn máy biến áp 1 pha tần số 50Hz

Mon, 02 Aug 2010 04:59:16 +0000

Máy biến thế có thể thay đổi hiệu điện thế xoay chiều, tăng thế hoặc hạ thế, đầu ra cho 1 hiệu điện thế tương ứng với nhu cầu sử dụng. Máy biến áp được sử dụng quan trọng trong việc truyền tải điện năng đi xa. Ngoài ra còn có các máy biến thế có công suất nhỏ hơn, máy biến áp (ổn áp) dùng để ổn định điện áp trong nhà, hay các cục biến thế, cục xạc, ... dùng cho các thiết bị điện với hiệu điện thế nhỏ (230 V sang 24 V, 12 V, 3 V, ...). Bài này hướng dẫn các pác tự quấn lấy 1 cái máy biến áp phù hợp với mục đích sử dụng của mình. Không cần phải đi mua cho dù nó rẻ hơn.

Hình ảnh minh họa máy biến áp được quấn xong

Để quấn được máy biến áp thì chúng ta cần phải lưu ý mấy vấn đề cơ bản sau đây :
+ Công suất biến áp
+ Điện áp đầu vào
+ Điện áp đầu ra
+ Tổn hao của máy biến áp
+ Quan trọng hơn nữa cần để ý đến vật tư quấn máy biến áp
I ) Cấu tạo máy biến áp
Máy biến áp có cấu tạo rất đơn giản nó gồm những phần sau :

+ Thứ 1 : Nó có 1 cuộn dây sơ cấp. Đây là cuộn dây đầu vào. Điện áp đầu vào được đưa vào cuộn dây này.
+ Thứ 2 : Cuộn dây sơ cấp. Đây là cuộn dây đầu ra. Điện áp đầu ra được lấy từ cuộn dây này
+ Thứ 3: Lõi sắt hay Ferit. Đây cũng là gông đỡ cho biến áp và là phần cảm ứng giữa hai cuộn sơ cấp và thứ cấp
Máy biến áp nó cấu tạo gồm 3 phần chính đó. Chỉ có điện áp xoay chiều mới truyền được qua biến áp chuẩn nhất là điện áp hình sin.
II ) Tính toán các thông số của máy biến áp

a) Xác định thiết diện thực của lõi sắt (trụ) : So (cm2)
Do các lá thép hình chữ E ghép lại có lớp các điện nên do đó ta phải trừ đi cái lớp cách điện đó do đó thì thiết diện thực của lõi sắt sẽ là :

So = k.S

với S là thiết diện của phần giữa lõi sắt (Vuông hay chữ nhật ) : S = a.b (cm2) ( Đây là thiết diện tử thông móc vòng xuyên qua các bộ cuộn dây)
k= 0.9 đối với lá thép E có bề dầy là 0.35mm
k=0.93 đối với lá thép E có bề dầy là 0.5mm
k= 0.8 - 0.85 nếu lá thép bị han rỉ và lồi lõm
* Công suất của biến áp theo thiết diện thực

P = (S0/1.1)2
==> So = sqrt (P) / 1.1

Thông thường mọi người hay chọn lõi hình vuông hay chữ nhật nên ta có độ rộng của bản :

c = sqrt (So)

Từ đó ta chọn công suất biến áp cần quấn ==> Xác định được kích thước của lõi sắt.
b) Tính số Vòng/Von : nv
Cái này ta phải chọn cảm ứng từ B hay từ thông và dựa theo công thức tính sức điện động ta sẽ tính được số vòng/ von

nv = 45 / B.So (V/von)

Ở đây thì 45 là hệ số phụ thuộc vào tần số và bản chất lõi. Cái giá trị này mọi người thường chọn trong giả từ (35-50) Nhưng theo kinh nghiệm thấy mọi người chọn 45.
B ở đây là cảm ứng từ nó được chọn theo lá thép kĩ thuật điện tùy thuộc vào lường silic trong thép nhưng mà thông thường giá trị B này từ (1T đến 1.2T) và có khi là từ (1.4T - 1.6T)
c) Xác định số vòng dây quấn
Để xác định được số vòng dây quấn ta phải biết được điện áp đầu vào và điện áp đầu ra cần lấy.
+ N1 là số vòng dây quấn của cuộn dây sơ cấp
+ N2 là số vòng dây quấn của con dây thứ cấp
+ U1 là điện áp đầu vào
+ U2 là điện áp đầu ra
Theo công thức tính ta sẽ được như sau :
N1 = U1.nv
N2 = 1.1.U2.nv
Giá 1.1 đây là giá trị chênh lệch công suất do tổn thất
d) Tính toán tiết diện của dây quấn thứ cấp và sơ cấp
Tiết diện của dây quấn được chọn theo mật độ dòng điện J. Mật độ dòng điện J được chọn phù hợp để phù hợp với điều kiện làm việc và nhiệt độ của dây dẫn trong khoảng cho phép.
Tôi có tham khảo 1 số cách chọn mật độ dòng nhiệt J theo công suất
+ Với J = 4 (A/mm2) - Công suất từ (0 - 50 VA)
+ Với J = 3.5 (A/mm2) - Công suất từ ( 50 - 100VA)
+ Với J = 3 (A/mm2) - Công suất từ (100 - 200VA)
+ Với J = 2.5 (A/mm2) - Công suất từ ( 200 - 250VA)
+ Với J = 2 (A/mm2) - CÔng suất từ ( 500 - 1000VA)
+ Với biến áp công suất thấp ta có thể chọn J = 5 - 10 (A/mm2)
Từ đó ta tính được thiết diện của dây quấn sơ cấp và thứ cấp
+ Thiết diện dây quấn sơ cấp

s1 = I1/J

+ Thiết diện dây quấn thứ cấp
s2 = I2/J
Các giá trị I1 và I2 ta có thể biết và tính được dựa vào mối quan hệ giữa số vòng dây sơ cấp thứ cấp và điện áp sơ cấp và thứ cấp.
Tính nốt đường kính của dây nhờ vào thiết diện của dây : (Do ta chọn dây đồng là hình tròn nên ta tính được như sau )
+ Cuộn sơ cấp : d1 = 2.sqrt(s1/3.14)
+ Cuộn thứ cấp : d2 = 2.sqrt(s2/3.14)
Ngoài ra còn chi li cho 1 máy biến áp thì nó còn cả hệ số lấp đầy, tính khuôn đúc...Nhưng mà thôi quấn thủ công chỉ cấn thế thôi!
Như vậy để quấn được biến áp thì chúng ta cần phải biết những thứ trên để quấn được biến áp mong muốn. Do quấn bằng thủ công sẽ không được chặt và nhiều khe hở nên hiệu suất của biến áp sẽ giảm và tổn hao sẽ lớn.
Bài viết có sự kết hợp và tham khảo từ nhiều nguồn!

Hội Quán Điện Tử

Máy biến thế

Tính toán quấn máy biến áp 1 pha tần số 50Hz