Máy biến áp là gì? Tất cả những điều bạn chưa biết về máy biến áp!

Máy biến áp là một linh kiện truyền dòng điện từ mạch điện này sang một mạch điện khác. Dòng điện chạy trong dây quấn của máy biến áp sẽ tạo ra từ thông trong lõi thép, từ thông trong lõi thép sẽ tạo ra dòng điện trong bất kỳ cuộn dây nào chưa có điện quấn quanh lõi thép đó. Năng lượng điện có thể được truyền giữa các cuộn dây riêng biệt mà không cần các cuộn dây phải thông mạch với nhau. Định luật Faraday về cảm ứng, được phát hiện vào năm 1831, mô tả hiệu ứng điện áp cảm ứng trong bất kỳ cuộn dây nào do từ thông thay đổi bao quanh cuộn dây.

Máy biến áp được sử dụng phổ biến nhất để tăng hoặc giảm điện áp xoay chiều cho các dụng cụ điện khác có thể hoạt động bình thường. Máy biến áp cũng có thể được sử dụng để cách ly, trong đó điện áp vào bằng với điện áp ra, với các cuộn dây riêng biệt không thông mạch với nhau. Các loại máy biến áp có điện đầu vào và đầu ra bằng nhau được sử dụng nhiều trong ngành điện lực với ứng dụng truyền tải, phân phối và sử dụng nguồn điện xoay chiều. Một loạt các thiết kế máy biến áp được sử dụng trong các ứng dụng mạch điện tử và điện. Máy biến áp có nhiều loại kích thước từ máy biến áp RF có thể tích nhỏ hơn một cm khối, đến các máy nặng hàng trăm tấn dùng để đấu nối lưới điện.

Nguyên lý hoạt động của máy biến áp

Máy biến áp lý tưởng

Một máy biến áp lý tưởng là một máy biến áp tuyến tính theo lý thuyết không bị tiêu hao và được ghép nối hoàn hảo. Khớp nối hoàn hảo ngụ ý độ từ thông của lõi và độ tự cảm của cuộn dây cao vô hạn và lực động từ thuần bằng 0 (tức là i.e. i_pn_p – i_sn_s = 0)

Điều này cũng ngụ ý những điều sau: Từ thông lõi thuần bằng 0, trở kháng đầu vào là vô hạn khi thứ cấp mở và bằng 0 khi ngắn mạch thứ cấp; không có sự dịch chuyển pha qua một máy biến áp lý tưởng; công suất đầu vào và đầu ra và vôn-ampe phản kháng đều được bảo toàn; ba tuyên bố này áp dụng cho bất kỳ tần số nào trên 0 và các dạng sóng tuần hoàn được bảo toàn.

Dòng điện thay đổi trong cuộn sơ cấp của máy biến áp cố gắng tạo ra từ thông thay đổi trong lõi máy biến áp, từ thông này cũng được quấn bởi cuộn thứ cấp. Từ thông thay đổi này ở cuộn thứ cấp tạo ra sức điện động thay đổi (EMF, điện áp) trong cuộn thứ cấp do cảm ứng điện từ và dòng điện thứ cấp sinh ra tạo ra từ thông bằng và ngược chiều với từ thông do cuộn sơ cấp tạo ra, phù hợp với định luật Lenz.

Các cuộn dây được quấn quanh lõi có độ từ thẩm cao vô hạn để tất cả từ thông đi qua cả cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp. Với nguồn điện áp được nối với cuộn sơ cấp và tải được nối với cuộn thứ cấp, dòng điện của máy biến áp chạy theo các hướng được chỉ định và lực điện động của lõi triệt tiêu bằng 0.

Theo định luật Faraday , vì từ thông giống nhau đi qua cả cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp trong một máy biến áp lý tưởng, một điện áp cảm ứng trong mỗi cuộn dây tỷ lệ với số cuộn dây của nó. Tỷ số điện áp cuộn dây máy biến áp tỷ lệ thuận với tỷ số vòng dây của cuộn dây.

Máy biến áp thực

Những sai số so với máy biến áp lý tưởng

Mô hình máy biến áp lý tưởng bỏ qua các khía cạnh tuyến tính cơ bản sau của máy biến áp thực:

1. Tổn hao lõi, được gọi chung là tổn hao dòng điện từ hóa, bao gồm:

• Tổn hao trễ do hiệu ứng từ trường phi tuyến trong lõi máy biến áp.
• Tổn thất dòng điện xoáy do sự đốt nóng jun trong lõi tỷ lệ với bình phương điện áp đặt vào của máy biến áp.

2. 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 sơ cấp và cuộn thứ cấp.
• Thông lượng rò rỉ thoát ra khỏi lõi và đi qua một cuộn dây chỉ dẫn đến trở kháng phản kháng sơ cấp và thứ cấp.

3. 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 cung cấp các phương trình vòng kín:

• Điện dung giữa các lượt liền kề trong một lớp bất kỳ.
• Điện dung giữa các lớp liền kề.
• Điện dung giữa lõi và (các) lớp tiếp giáp với lõi.

Việc đưa điện dung vào mô hình máy biến áp rất phức tạp và hiếm khi người ta cho vào.

Các mạch tương đương mô hình biến của ‘thực tế’ hiển thị dưới đây không bao gồm điện dung ký sinh.

Tuy nhiên, hiệu ứng điện dung có thể được đo bằng cách so sánh độ tự cảm hở mạch, tức là độ tự cảm của cuộn sơ cấp khi mạch thứ cấp để hở, với độ tự cảm ngắn mạch khi cuộn thứ cấp bị ngắn mạch.

Rò gỉ thông lượng của máy biến áp

Mô hình máy biến áp lý tưởng giả định rằng tất cả từ thông tạo ra bởi cuộn sơ cấp liên kết tất cả các vòng của mọi cuộn dây, bao gồm cả chính nó. Trong thực tế, một số từ thông đi qua các con đường đưa nó ra ngoài các cuộn dây. Thông lượng như vậy được gọi là rò rỉ thông , và kết quả là điện cảm rò rỉ ở tất cả các cuộn dây trong biến áp. Lượng rò rỉ dẫn đến năng lượng được lưu trữ luân phiên trong và thải ra khỏi từ trường với mỗi chu kỳ của nguồn điện. Nó không trực tiếp làm tổn thất điện năng, nhưng dẫn đến khả năng điều chỉnh điện áp kém hơn, làm cho điện áp thứ cấp không tỷ lệ thuận với điện áp sơ cấp, đặc biệt là khi tải nặng. Do đó, máy biến áp thường được thiết kế để có điện cảm rò rỉ rất thấp.

Trong một số ứng dụng, sự rò rỉ tăng lên, và các phe sắt từ dài, khe hở không khí hoặc các màn chắn từ tính có thể cố ý được đưa vào thiết kế máy biến áp để hạn chế dòng điện ngắn mạch mà nó sẽ cung cấp. Biến áp bị rò rỉ có thể được sử dụng để cung cấp cho tải có điện trở âm, chẳng hạn như vòng cung điện , đèn hơi thủy ngân và natri và bảng hiệu đèn neon hoặc để xử lý an toàn các tải bị đoản mạch định kỳ như máy hàn hồ quang điện.

Khoảng trống không khí cũng được sử dụng để giữ cho máy biến áp không bị bão hòa, đặc biệt là máy biến áp tần số âm thanh trong mạch có thành phần DC chạy trong cuộn dây. Một lò phản ứng bão hòa khai thác bão hòa của lõi để kiểm soát dòng điện xoay chiều.

Kiến thức về điện cảm rò rỉ cũng hữu ích khi máy biến áp được vận hành song song. Có thể chỉ ra rằng nếu phần trăm trở kháng và tỷ số điện kháng chống rò rỉ của cuộn dây liên quan ( X/R ) của hai máy biến áp là như nhau, thì các máy biến áp sẽ chia sẻ công suất tải tương ứng với các xếp hạng tương ứng của chúng. Tuy nhiên, dung sai trở kháng của máy biến áp thương mại là đáng kể. Ngoài ra, trở kháng và tỷ lệ X/R của các máy biến áp công suất khác nhau có xu hướng thay đổi.

Mạch tương đương kết hợp với máy biến áp

Đề cập đến sơ đồ, hành vi vật lý của máy biến áp thực tế có thể được biểu diễn bằng một mô hình mạch tương đương, có thể kết hợp một máy biến áp lý tưởng.

Tổn hao jun quanh co và phản kháng rò rỉ được biểu thị bằng các trở kháng vòng nối tiếp sau của mô hình:

• Cuộn sơ cấp: R_P, X_P.
• Cuộn thứ cấp: R_S, X_S.

Trong quá trình biến đổi tương đương mạch thông thường, trong thực tế, R_S và X_S thường được quy về phía sơ cấp bằng cách nhân các trở kháng này với bình phương tỷ số vòng, (N_P/N_S)² =a².

Suy hao lõi và điện kháng được biểu thị bằng các trở kháng chân shunt sau của mô hình:

• Tổn thất lõi hoặc sắt: R_C
• Tổn hao từ hóa: X_M.

R_C và X_M được gọi chung là nhánh từ hóa của mô hình.

Suy hao lõi chủ yếu do hiệu ứng từ trễ và dòng điện xoáy trong lõi gây ra và tỷ lệ với bình phương của thông lượng lõi khi hoạt động ở một tần số nhất định. Thấm hữu hạn yêu cầu dòng điện từ hóaI_M để duy trì từ thông lẫn nhau trong lõi. Dòng điện từ hóa cùng pha với từ thông, mối quan hệ giữa hai là phi tuyến tính do hiệu ứng bão hòa. Tuy nhiên, tất cả các trở kháng của mạch tương đương được hiển thị theo định nghĩa là tuyến tính và các hiệu ứng phi tuyến tính như vậy thường không được phản ánh trong các mạch tương đương của máy biến áp. Với hình sin nguồn cung cấp, thông lượng lõi làm chậm EMF cảm ứng 90°. Với cuộn thứ cấp hở mạch, dòng điện nhánh từ hóaI₀ bằng dòng điện không tải của máy biến áp.

Mô hình kết quả, mặc dù đôi khi được gọi là mạch tương đương ‘chính xác’ dựa trên các giả định về độ tuyến tính, vẫn giữ lại một số giá trị gần đúng. Phân tích có thể được đơn giản hóa bằng cách giả định rằng trở kháng nhánh từ hóa là tương đối cao và chuyển nhánh sang trái của trở kháng sơ cấp. Điều này gây ra lỗi nhưng cho phép kết hợp các điện trở và điện trở thứ cấp. Sơ cấp và thứ cấp được gọi bằng cách tổng đơn giản dưới dạng hai trở kháng nối tiếp.

Các thông số trở kháng mạch tương đương của máy biến áp và tỷ số máy biến áp có thể được rút ra từ các thử nghiệm sau: thử nghiệm hở mạch, thử nghiệm ngắn mạch, thử nghiệm điện trở cuộn dây và thử nghiệm tỷ số máy biến áp.

Phương trình EMF của máy biến áp

Nếu từ thông trong lõi hoàn toàn là hình sin, mối quan hệ đối với một trong hai cuộn dây giữa điện áp rms E_rms của cuộn dây và tần số nguồn cung cấp f, số vòng N, diện tích mặt cắt ngang lõi a tính bằng m² và mật độ từ thông đỉnh B_Đỉnh tính bằng Wb/m² hoặc T(tesla) được cho bởi phương trình EMF phổ quát:

Phân cực trong máy biến áp

Một quy ước chấm thường được sử dụng trong sơ đồ mạch máy biến áp, biển hiệu hoặc dấu hiệu bị đầu cuối để xác định các cực tương đối của cuộn dây máy biến áp. Dòng điện tức thời tăng tích cực đi vào đầu ‘chấm’ của cuộn sơ cấp tạo ra điện áp phân cực dương thoát ra khỏi đầu ‘chấm’ của cuộn thứ cấp. Máy biến áp ba pha được sử dụng trong hệ thống điện sẽ có bảng tên cho biết mối quan hệ pha giữa các đầu cuối của chúng. Điều này có thể ở dạng biểu đồ phasor hoặc sử dụng mã chữ-số để hiển thị loại kết nối bên trong (wye hoặc delta) cho mỗi cuộn dây.

Sự ảnh hưởng của tần suất

EMF của một máy biến áp tại một từ thông nhất định tăng theo tần số. Bằng cách hoạt động ở tần số cao hơn, máy biến áp có thể nhỏ gọn hơn về mặt vật lý vì một lõi nhất định có thể truyền nhiều công suất hơn mà không đạt đến độ bão hòa và cần ít vòng hơn để đạt được cùng một trở kháng. Tuy nhiên, các đặc tính như mất lõi và hiệu ứng da của dây dẫn cũng tăng lên theo tần số. Máy bay và thiết bị quân sự sử dụng nguồn điện 400Hz giúp giảm trọng lượng lõi và cuộn dây. Ngược lại, tần số được sử dụng cho một số hệ thống điện khí hóa đường sắt thấp hơn nhiều (ví dụ: 16,7Hz và 25Hz) so với tần số tiện ích thông thường (50–60Hz) vì lý do lịch sử chủ yếu liên quan đến những hạn chế của thời kỳ đầu động cơ điện kéo. Do đó, các máy biến áp được sử dụng để giảm điện áp đường dây trên không cao hơn và nặng hơn nhiều cho cùng một định mức công suất so với các điện áp yêu cầu cho các tần số cao hơn.

Việc vận hành máy biến áp ở điện áp thiết kế nhưng ở tần số cao hơn dự định sẽ dẫn đến giảm dòng từ hóa. Ở tần số thấp hơn, dòng điện từ hóa sẽ tăng lên. Việc vận hành một máy biến áp lớn khác với tần số thiết kế của nó có thể yêu cầu đánh giá điện áp, tổn hao và làm mát để xác định xem vận hành an toàn có thực tế hay không. Máy biến áp có thể yêu cầu rơle bảo vệ để bảo vệ máy biến áp khỏi quá áp ở tần số cao hơn tần số định danh.

Một ví dụ là máy biến áp lực kéo được sử dụng cho nhiều tổ máy và dịch vụ tàu cao tốc hoạt động trên các vùng với các tiêu chuẩn điện khác nhau. Thiết bị biến đổi và máy biến áp lực kéo phải đáp ứng các tần số và điện áp đầu vào khác nhau (từ cao đến 50Hz đến 16,7Hz và danh định lên đến 25kV).

Ở tần số cao hơn nhiều, kích thước lõi máy biến áp cần thiết giảm đáng kể: một máy biến áp nhỏ về mặt vật lý có thể xử lý các mức công suất đòi hỏi lõi sắt lớn ở tần số nguồn. Sự phát triển của các thiết bị bán dẫn công suất chuyển mạch đã làm cho các bộ nguồn chuyển đổi chế độ trở nên khả thi, để tạo ra một tần số cao, sau đó thay đổi mức điện áp bằng một máy biến áp nhỏ.

Máy biến áp công suất lớn dễ bị hỏng cách điện do điện áp quá độ với các thành phần tần số cao, chẳng hạn như gây ra trong quá trình đóng cắt hoặc do sét.

Hiện tượng tổn thất năng lượng

Tổn thất năng lượng của máy biến áp bị chi phối bởi tổn hao cuộn dây và lõi. Hiệu suất của máy biến áp có xu hướng cải thiện khi công suất máy biến áp tăng lên. Hiệu suất của máy biến áp phân phối điển hình là từ khoảng 98 đến 99%.

Do tổn thất máy biến áp thay đổi theo tải, nên thường hữu ích khi lập bảng số liệu tổn thất không tải, tổn thất toàn tải, tổn thất nửa tải, v.v. Tổn thất từ ​​trễ và dòng điện xoáy không đổi ở tất cả các mức tải và chiếm ưu thế khi không tải, trong khi tổn hao cuộn dây tăng khi tải tăng. Tổn thất không tải có thể là đáng kể, do đó, ngay cả một máy biến áp không tải cũng tạo thành một phụ tải trên nguồn cung cấp điện. Thiết kế máy biến áp hiệu quả năng lượng để giảm tổn thất đòi hỏi lõi lớn hơn, thép silicon chất lượng tốt, hoặc thậm chí là thép vô định hình cho lõi và dây dày hơn, làm tăng chi phí ban đầu. Việc lựa chọn xây dựng thể hiện sự đánh đổi giữa chi phí ban đầu và chi phí vận hành.

Tổn thất máy biến áp phát sinh do:

Lỗ joule quanh co

Dòng điện chạy qua dây dẫn của dây quấn gây ra hiện tượng nóng lên do điện trở của dây dẫn. Khi tần số tăng lên, hiệu ứng da và hiệu ứng lân cận làm tăng điện trở của cuộn dây và do đó, tổn thất tăng lên.

Tổn thất cốt lõi

Tổn thất do trễ

Mỗi lần đảo ngược từ trường, một lượng nhỏ năng lượng bị mất đi do hiện tượng trễ trong lõi, gây ra bởi chuyển động của các miền từ bên trong thép. Theo công thức của Steinmetz, nhiệt năng do hiện tượng trễ được cho bởi

Và mất trễ từ được đưa ra bởi

trong đó, f là tần số, η là hệ số từ trễ và β_max là mật độ từ thông lớn nhất, số mũ thực nghiệm của chúng thay đổi từ khoảng 1,4 đến 1,8 nhưng thường được cho là 1,6 đối với sắt. Để phân tích chi tiết hơn, hãy xem Lõi từ tính và phương trình Steinmetz (bạn có thể tìm đọc trên mạng nếu quan tâm).

Một lõi từ tính là một phần của vật liệu từ tính với một cao độ từ thẩm sử dụng để hạn chế và hướng dẫn từ trường trong điện, cơ điện thiết bị và từ tính như nam châm điện, máy biến áp, động cơ điện, máy phát điện, cuộn cảm, từ đầu ghi hình, và cụm từ. Nó được làm bằng sắt từ kim loại như sắt, hoặc ferrimagnetic hợp chất như ferrites . Độ thấm cao, so với không khí xung quanh, gây ra đường sức từ tập trung trong vật liệu lõi. Từ trường thường được tạo ra bởi một cuộn dây mang dòng điện xung quanh lõi.

Tổn thất hiện tại xoáy

Dòng điện xoáy được tạo ra trong lõi biến áp kim loại dẫn điện bởi từ trường thay đổi, và dòng điện này chạy qua điện trở của bàn ủi sẽ tiêu tán năng lượng dưới dạng nhiệt trong lõi. Suy hao dòng điện xoáy là một hàm phức của bình phương tần số cung cấp và bình phương nghịch đảo của độ dày vật liệu. Tổn thất dòng điện xoáy có thể được giảm bớt bằng cách làm cho lõi của một chồng nhiều lớp (bản mỏng) được cách điện với nhau, thay vì một khối rắn; tất cả các máy biến áp hoạt động ở tần số thấp đều sử dụng lõi nhiều lớp hoặc lõi tương tự.

Máy biến áp liên quan từ giới hạn hum

Từ thông trong vật liệu sắt từ, chẳng hạn như lõi, làm cho nó giãn ra và co lại một chút theo mỗi chu kỳ của từ trường, một hiệu ứng được gọi là từ trường, năng lượng ma sát của nó tạo ra tiếng ồn có thể nghe được gọi là tiếng ồn chính hoặc “máy biến áp Ầm ầm ”. Hum biến này đặc biệt bị phản đối trong máy biến áp cung cấp tại các tần số điện và tần số cao biến áp flyback gắn liền với truyền hình CRT.

Máy biến áp cũng có thể là đồ vật ngốn điện

Tự cảm rò rỉ phần lớn là không mất mát, vì năng lượng cung cấp cho từ trường của nó được trả lại cho nguồn cung cấp với nửa chu kỳ tiếp theo. Tuy nhiên, bất kỳ dòng rò rỉ nào chặn các vật liệu dẫn điện gần đó chẳng hạn như cấu trúc hỗ trợ của máy biến áp sẽ làm phát sinh dòng điện xoáy và được chuyển đổi thành nhiệt.

Máy biến áp có tạo ra bức xạ không?

Cũng có những tổn thất bức xạ do từ trường dao động nhưng chúng thường nhỏ.

Rung động cơ học và tiếng ồn tạo ra từ máy biến áp

Ngoài hiện tượng nhiễm từ, từ trường xoay chiều còn gây ra lực dao động giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp. Năng lượng này kích thích sự truyền rung động trong các đồ kim loại được kết nối với nhau, do đó khuếch đại tiếng ồn máy biến áp có thể nghe được.

Cấu tạo máy biến áp như thế nào?

Phần lõi máy biến áp

Máy biến áp lõi kín được chế tạo ở “dạng lõi” hoặc “dạng vỏ”. Khi các cuộn dây bao quanh lõi, máy biến áp là dạng lõi; khi cuộn dây được bao quanh bởi lõi, máy biến áp có dạng vỏ.

Thiết kế dạng vỏ có thể phổ biến hơn thiết kế dạng lõi cho các ứng dụng máy biến áp phân phối do việc xếp lõi xung quanh cuộn dây dễ dàng tương đối.

Thiết kế dạng lõi có xu hướng, theo nguyên tắc chung, tiết kiệm hơn và do đó phổ biến hơn thiết kế dạng vỏ cho các ứng dụng máy biến áp điện áp cao ở đầu dưới của phạm vi đánh giá điện áp và công suất của chúng (nhỏ hơn hoặc bằng, danh định, 230 kV hoặc 75 MVA).

Ở xếp hạng điện áp và công suất cao hơn, máy biến áp dạng vỏ có xu hướng phổ biến hơn.

Thiết kế dạng vỏ có xu hướng được ưu tiên cho các ứng dụng điện áp siêu cao và MVA cao hơn vì mặc dù tốn nhiều công sức hơn để sản xuất, máy biến áp dạng vỏ có đặc điểm là có tỷ lệ kVA trên trọng lượng vốn đã tốt hơn, độ bền ngắn mạch tốt hơn. đặc điểm và khả năng miễn nhiễm cao hơn đối với thiệt hại do tác nhân bên ngoài.

Lõi thép nhiều lớp

Máy biến áp để sử dụng ở tần số công suất hoặc âm thanh thường có lõi được làm bằng thép silicon có độ thấm cao. Thép có độ từ thẩm gấp nhiều lần không gian tự do và lõi do đó có tác dụng làm giảm đáng kể dòng điện từ hóa và giới hạn từ thông thành một đường dẫn chặt chẽ các cuộn dây. Các nhà phát triển máy biến áp ban đầu sớm nhận ra rằng lõi được làm từ sắt đặc dẫn đến tổn thất dòng điện xoáy nghiêm trọng, và thiết kế của họ đã giảm thiểu hiệu ứng này với lõi bao gồm các bó dây sắt cách điện. Các thiết kế sau này đã xây dựng phần lõi bằng cách xếp chồng các lớp thép mỏng, một nguyên tắc vẫn được sử dụng. Mỗi lớp được cách nhiệt với các lớp lân cận của nó bằng một lớp cách nhiệt mỏng không dẫn điện. Các biến phương trình EMF phổ quát có thể được sử dụng để tính toán cốt lõi khu vực mặt cắt ngang cho một mức độ tương thích của từ thông.

Tác dụng của các lớp màng là hạn chế các dòng điện xoáy trong các đường đi có hình elip cao bao gồm ít thông lượng, và do đó làm giảm độ lớn của chúng. Các lớp mỏng hơn giúp giảm tổn thất, nhưng tốn nhiều công sức và chi phí xây dựng hơn. Các lớp mỏng thường được sử dụng trên máy biến áp tần số cao, với một số lớp thép rất mỏng có thể hoạt động lên đến 10kHz. Cán lõi làm giảm đáng kể tổn thất dòng điện xoáy

Một thiết kế phổ biến của lõi nhiều lớp được làm từ các chồng thép hình chữ E xen kẽ với các miếng hình chữ I, dẫn đến tên gọi của nó là ‘biến áp EI’. Thiết kế như vậy có xu hướng cho thấy nhiều tổn thất hơn, nhưng rất kinh tế để sản xuất. Loại lõi cắt hoặc lõi C được làm bằng cách cuộn một dải thép xung quanh một dạng hình chữ nhật và sau đó liên kết các lớp lại với nhau. Sau đó, nó được cắt làm đôi, tạo thành hai hình chữ C, và phần lõi được lắp ráp bằng cách buộc hai nửa chữ C lại với nhau bằng một dây đeo bằng thép. Chúng có ưu điểm là từ thông luôn hướng song song với các hạt kim loại, làm giảm hiện tượng miễn cưỡng.

Sự phục hồi của lõi thép có nghĩa là nó vẫn giữ lại một từ trường tĩnh khi nguồn điện bị loại bỏ. Khi nguồn điện được cấp lại, trường dư sẽ gây ra dòng khởi động cao cho đến khi ảnh hưởng của từ tính còn lại giảm đi, thường là sau một vài chu kỳ của dạng sóng AC được đặt vào. Các thiết bị bảo vệ quá dòng như cầu chì phải được chọn để cho phép sự xâm nhập vô hại này đi qua.

Trên máy biến áp nối với đường dây tải điện dài, trên không, dòng điện cảm ứng do nhiễu loạn điện từ khi có bão mặt trời có thể gây bão hòa lõi và hoạt động của các thiết bị bảo vệ máy biến áp.

Máy biến áp phân phối có thể đạt được tổn thất không tải thấp bằng cách sử dụng lõi được làm bằng thép silic có độ thấm cao tổn thất thấp hoặc hợp kim kim loại vô định hình (không kết tinh). Chi phí ban đầu cao hơn của vật liệu lõi được bù đắp cho tuổi thọ của máy biến áp bằng tổn thất thấp hơn ở tải nhẹ.

Lõi biến áp thể rắn

Lõi sắt dạng bột được sử dụng trong các mạch điện như bộ nguồn chuyển đổi chế độ hoạt động trên tần số nguồn điện và lên đến vài chục kilohertz. Những vật liệu này kết hợp độ từ thẩm cao với điện trở suất lớn. Đối với các tần số vượt ra ngoài dải VHF, các lõi được làm từ vật liệu gốm từ tính không dẫn điện được gọi là ferit là phổ biến. Một số máy biến áp tần số vô tuyến cũng có lõi di động (đôi khi được gọi là ‘sên’) cho phép điều chỉnh hệ số ghép nối (và băng thông ) của các mạch tần số vô tuyến được điều chỉnh.

Lõi biến áp hình xuyến

Toroidal biến áp được xây dựng xung quanh một lõi vòng hình, trong đó, tùy thuộc vào tần số hoạt động, được làm từ một dải dài của thép silic hoặc permalloy vết thương vào một cuộn dây, sắt bột, hoặc ferit. Cấu trúc dải đảm bảo rằng các ranh giới hạt được căn chỉnh tối ưu, cải thiện hiệu quả của bộ biến đổi bằng cách giảm sự miễn cưỡng của lõi. Hình dạng vòng kín giúp loại bỏ các khe hở không khí vốn có trong cấu tạo của lõi EI. Mặt cắt của vòng thường là hình vuông hoặc hình chữ nhật, nhưng các loại lõi đắt tiền hơn với mặt cắt hình tròn cũng có sẵn. Cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp thường được quấn đồng tâm để bao phủ toàn bộ bề mặt của lõi. Điều này giảm thiểu chiều dài dây cần thiết và cung cấp khả năng sàng lọc để giảm thiểu từ trường của lõi tạo ra nhiễu điện từ.

Máy biến áp hình xuyến hiệu quả hơn các loại EI nhiều lớp rẻ hơn cho mức công suất tương tự. Các ưu điểm khác so với các loại EI, bao gồm kích thước nhỏ hơn (khoảng một nửa), trọng lượng thấp hơn (khoảng một nửa), ít tiếng ồn cơ học hơn (làm cho chúng vượt trội hơn trong bộ khuếch đại âm thanh), từ trường bên ngoài thấp hơn (khoảng một phần mười), tổn thất khi tải thấp (làm cho chúng hiệu quả hơn trong các mạch dự phòng), lắp một bu lông và nhiều lựa chọn về hình dạng hơn. Nhược điểm chính là giá thành cao hơn và công suất nguồn hạn chế. Do không có khe hở dư trong đường từ, máy biến áp hình xuyến cũng có xu hướng thể hiện dòng khởi động cao hơn so với loại EI nhiều lớp.

Các lõi hình xuyến Ferrite được sử dụng ở tần số cao hơn, thường từ vài chục kilohertz đến hàng trăm megahertz, để giảm tổn thất, kích thước vật lý và trọng lượng của các thành phần cảm ứng. Một hạn chế của cấu tạo máy biến áp hình xuyến là chi phí nhân công cuộn dây cao hơn. Điều này là do cần phải truyền toàn bộ chiều dài của cuộn dây qua lỗ lõi mỗi khi thêm một lượt vào cuộn dây. Do đó, máy biến áp hình xuyến được đánh giá cao hơn một vài kVA là không phổ biến. Tương đối ít máy biến áp hình xuyến được cung cấp với xếp hạng công suất trên 10 kVA và thực tế không có loại nào trên 25kVA. Máy biến áp phân phối nhỏ có thể đạt được một số lợi ích của lõi hình xuyến bằng cách tách nó ra và buộc nó mở, sau đó đưa vào suốt chỉ có các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp.

Lõi biến áp không khí

Máy biến áp có thể được sản xuất bằng cách đặt các cuộn dây gần nhau, một cách sắp xếp được gọi là máy biến áp “lõi không khí”. Máy biến áp lõi không khí loại bỏ tổn thất do hiện tượng trễ trong vật liệu lõi. Độ tự cảm từ hóa giảm mạnh do thiếu lõi từ, dẫn đến dòng từ hóa lớn và tổn thất nếu sử dụng ở tần số thấp. Máy biến áp lõi không khí không thích hợp để sử dụng trong phân phối điện, nhưng thường được sử dụng trong các ứng dụng tần số vô tuyến. Lõi không khí cũng được sử dụng cho các máy biến áp cộng hưởng như cuộn Tesla, nơi chúng có thể đạt được mức suy hao thấp hợp lý mặc dù độ tự cảm từ hóa thấp.

Dây quấn sử dụng cho máy biến áp

Dây dẫn điện được sử dụng cho các cuộn dây tùy thuộc vào ứng dụng, nhưng trong mọi trường hợp, các cuộn dây riêng lẻ phải được cách điện với nhau để đảm bảo rằng dòng điện đi qua mọi vòng. Đối với máy biến áp nhỏ, trong đó dòng điện thấp và hiệu điện thế giữa các vòng lân cận nhỏ, các cuộn dây thường được quấn từ dây điện từ tráng men. Máy biến áp công suất lớn hơn có thể được quấn bằng dây dẫn dải hình chữ nhật bằng đồng được cách điện bằng giấy tẩm dầu và các khối của bảng ép.

Máy biến áp tần số cao hoạt động ở hàng chục đến hàng trăm kilohertz thường có cuộn dây làm bằng dây Litz bện để giảm thiểu tổn thất hiệu ứng da và hiệu ứng lân cận. Máy biến áp công suất lớn cũng sử dụng dây dẫn nhiều sợi, vì ngay cả ở tần số công suất thấp, sự phân bố dòng điện không đồng đều sẽ tồn tại trong các cuộn dây có dòng điện cao. Mỗi sợi được cách điện riêng lẻ và các sợi được sắp xếp sao cho tại một số điểm nhất định trong cuộn dây hoặc trên toàn bộ cuộn dây, mỗi phần chiếm các vị trí tương đối khác nhau trong dây dẫn hoàn chỉnh. Sự chuyển vị làm cân bằng dòng điện chạy trong mỗi sợi của dây dẫn và giảm tổn thất dòng điện xoáy trong chính cuộn dây. Dây dẫn bện cũng mềm dẻo hơn dây dẫn rắn có kích thước tương tự, hỗ trợ sản xuất.

Các cuộn dây của máy biến tín hiệu giảm thiểu điện cảm rò rỉ và điện dung sai lệch để cải thiện đáp ứng tần số cao. Các cuộn dây được chia thành nhiều phần và những phần này xen kẽ giữa các phần của cuộn dây khác.

Máy biến áp tần số công suất có thể có các nấc điều chỉnh tại các điểm trung gian trên cuộn dây, thường là ở phía cuộn dây có điện áp cao hơn, để điều chỉnh điện áp. Các vòi có thể được kết nối lại theo cách thủ công hoặc một công tắc thủ công hoặc tự động có thể được cung cấp để thay đổi các vòi. Bộ thay đổi vòi tự động khi có tải được sử dụng trong truyền tải hoặc phân phối năng lượng điện, trên các thiết bị như máy biến áp lò hồ quang hoặc cho bộ điều chỉnh điện áp tự động cho các tải nhạy cảm. Máy biến áp tần số âm thanh, được sử dụng để phân phối âm thanh đến loa truyền thanh công cộng, có các vòi để cho phép điều chỉnh trở kháng cho mỗi loa. Một máy biến áp điều chỉnh trung tâm thường được sử dụng trong giai đoạn đầu ra của bộ khuếch đại công suất âm thanh trongmạch đẩy-kéo. Máy biến áp điều chế trong máy phát AM rất giống nhau.

Máy biến áp cũng cần được làm mát

Quy luật chung là tuổi thọ của vật liệu cách điện giảm đi một nửa khi nhiệt độ hoạt động tăng khoảng 7°C đến 10°C.

Máy biến áp kiểu khô nhỏ và máy biến áp ngâm trong chất lỏng thường tự làm mát bằng cách đối lưu tự nhiên và tản nhiệt bức xạ. Với các loại máy biến áp lớn, máy biến áp thường được làm mát bằng cách làm mát bằng không khí cưỡng bức, làm mát bằng dầu cưỡng bức, làm mát bằng nước hoặc kết hợp các loại này.  Máy biến áp lớn được đổ đầy dầu biến áp vừa làm mát vừa cách điện cho các cuộn dây. Dầu máy biến áp là một loại dầu khoáng tinh chế cao, có tác dụng làm mát các cuộn dây và cách điện bằng cách tuần hoàn trong thùng máy biến áp. Dầu khoáng và giấy. Hệ thống cách nhiệt đã được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi trong hơn 100 năm. Người ta ước tính rằng 50% máy biến áp lực sẽ tồn tại được 50 năm sử dụng, tuổi trung bình của sự cố của máy biến áp lực là khoảng 10 đến 15 năm, và khoảng 30% sự cố máy biến áp lực là do hỏng cách điện và quá tải. Hoạt động trong thời gian dài ở nhiệt độ cao làm giảm đặc tính cách điện của cách điện cuộn dây và chất làm mát điện môi, không chỉ làm giảm tuổi thọ máy biến áp mà cuối cùng có thể dẫn đến hỏng máy biến áp nghiêm trọng. Với phần lớn các nghiên cứu thực nghiệm làm hướng dẫn, thử nghiệm dầu máy biến áp bao gồm phân tích khí hòa tan cung cấp thông tin bảo dưỡng có giá trị.

Các quy định về xây dựng ở nhiều khu vực pháp lý yêu cầu các máy biến áp chứa đầy chất lỏng trong nhà phải sử dụng chất lỏng điện môi ít bắt lửa hơn dầu hoặc được lắp đặt trong các phòng chịu lửa. Máy biến áp khô được làm mát bằng không khí có thể tiết kiệm hơn khi loại bỏ chi phí của phòng máy biến áp chống cháy.

Bể chứa của máy biến áp chứa đầy chất lỏng thường có các bộ tản nhiệt qua đó chất làm mát chất lỏng lưu thông bằng đối lưu tự nhiên hoặc các cánh tản nhiệt. Một số máy biến áp lớn sử dụng quạt điện để làm mát bằng không khí cưỡng bức, máy bơm để làm mát cưỡng bức bằng chất lỏng hoặc có bộ trao đổi nhiệt để làm mát bằng nước. Máy biến áp ngâm trong dầu có thể được trang bị rơ le Buchholz, tùy thuộc vào mức độ nghiêm trọng của sự tích tụ khí do phóng điện hồ quang bên trong, được sử dụng để báo động hoặc khử nguồn điện cho máy biến áp. Việc lắp đặt máy biến áp ngâm trong dầu thường bao gồm các biện pháp bảo vệ chống cháy như tường, ngăn chứa dầu và hệ thống phun nước dập lửa.

Polychlorinated biphenyls (PCB) có các đặc tính từng được ưa chuộng sử dụng làm chất làm mát điện môi , mặc dù những lo ngại về tính tồn lưu trong môi trường của chúng đã dẫn đến lệnh cấm sử dụng rộng rãi. Ngày nay, dầu gốc silicone ổn định, không độc hại hoặc hydrocacbon flo hóa có thể được sử dụng khi chi phí chất lỏng chống cháy bù đắp thêm chi phí xây dựng kho chứa máy biến áp.

Một số máy biến áp được cách điện bằng khí. Các cuộn dây của chúng được bao bọc trong các bể điều áp, kín và được làm mát bằng khí nitơ hoặc lưu huỳnh hexafluoride.

Các máy biến áp công suất thử nghiệm trong dải 500 ‐ 1.000 kVA đã được chế tạo bằng các cuộn dây siêu dẫn làm mát bằng nitơ lỏng hoặc heli, giúp loại bỏ tổn thất cuộn dây mà không ảnh hưởng đến tổn hao lõi.

Các vấn đề cách nhiệt cho máy biến áp

Phải có cách điện giữa các vòng riêng lẻ của cuộn dây, giữa các cuộn dây, giữa cuộn dây và lõi, và ở các đầu nối của cuộn dây.

Cách điện giữa các máy biến áp nhỏ có thể là một lớp dầu bóng cách điện trên dây dẫn. Có thể chèn lớp giấy hoặc màng polyme vào giữa các lớp cuộn dây và giữa cuộn dây sơ cấp và cuộn dây thứ cấp. Máy biến áp có thể được phủ hoặc nhúng trong nhựa polyme để cải thiện độ bền của cuộn dây và bảo vệ chúng khỏi độ ẩm hoặc ăn mòn. Nhựa có thể được ngâm tẩm vào cách điện của cuộn dây bằng cách sử dụng kết hợp giữa chân không và áp suất trong quá trình phủ, loại bỏ tất cả các khoảng trống không khí trong cuộn dây. Trong giới hạn, toàn bộ cuộn dây có thể được đặt trong khuôn và nhựa đúc xung quanh nó như một khối rắn, bao bọc các cuộn dây.

Máy biến áp công suất lớn chứa đầy dầu sử dụng các cuộn dây quấn bằng giấy cách điện, được tẩm dầu trong quá trình lắp ráp máy biến áp. Máy biến áp chứa đầy dầu sử dụng dầu khoáng tinh luyện cao để cách điện và làm mát các cuộn dây và lõi. Việc chế tạo máy biến áp chứa đầy dầu yêu cầu lớp cách điện bao bọc các cuộn dây phải được làm khô hoàn toàn độ ẩm còn sót lại trước khi đưa dầu vào. Quá trình làm khô có thể được thực hiện bằng cách luân chuyển không khí nóng xung quanh lõi, bằng cách tuần hoàn dầu máy biến áp được làm nóng bên ngoài hoặc bằng cách làm khô pha hơi (VPD) trong đó dung môi bay hơi truyền nhiệt bằng cách ngưng tụ trên cuộn dây và lõi. Đối với máy biến áp nhỏ, sử dụng gia nhiệt điện trở bằng cách đưa dòng điện vào các cuộn dây.

Ứng dụng của máy biến áp

Các thiết kế ứng dụng điện cụ thể khác nhau yêu cầu nhiều loại máy biến áp khác nhau. Mặc dù tất cả chúng đều có chung các nguyên tắc đặc tính cơ bản của máy biến áp, chúng được tùy chỉnh trong cấu tạo hoặc đặc tính điện cho các yêu cầu lắp đặt hoặc điều kiện mạch nhất định.

Trong truyền tải điện năng, máy biến áp cho phép truyền tải điện năng ở hiệu điện thế cao, làm giảm tổn thất do đốt nóng dây dẫn. Điều này cho phép các nhà máy phát điện được bố trí cách xa các hộ tiêu thụ điện một cách kinh tế. Tất cả, trừ một phần nhỏ năng lượng điện trên thế giới đã đi qua một loạt máy biến áp vào thời điểm nó đến tay người tiêu dùng.

Trong nhiều thiết bị điện tử, một máy biến áp được sử dụng để chuyển đổi điện áp từ hệ thống dây điện phân phối sang các giá trị thuận tiện cho các yêu cầu của mạch điện, hoặc trực tiếp ở tần số đường dây điện hoặc thông qua một chế độ chuyển đổi nguồn điện.

Máy biến áp tín hiệu và âm thanh được sử dụng để ghép nối các tầng của bộ khuếch đại và để ghép các thiết bị như micrô và máy ghi âm với đầu vào của bộ khuếch đại. Máy biến áp âm thanh cho phép các mạch điện thoại thực hiện cuộc trò chuyện hai chiều qua một cặp dây. Một máy biến áp balun chuyển đổi tín hiệu được quy chiếu xuống đất thành tín hiệu có điện áp cân bằng với mặt đất, chẳng hạn như giữa cáp bên ngoài và mạch bên trong. Máy biến áp cách ly ngăn chặn sự rò rỉ dòng điện vào mạch thứ cấp và được sử dụng trong các thiết bị y tế và tại các công trường xây dựng. Máy biến áp cộng hưởng được sử dụng để ghép nối giữa các giai đoạn của máy thu vô tuyến, hoặc trong cuộn dây cao áp Tesla.