Máy biến áp ra đời ở nước ta từ rất sớm, được sử dụng rộng rãi trong điện lực để nâng cao điện áp của mạng điện khi truyền tải điện năng đi xa. Khi đến các hộ tiêu thụ, máy biến áp làm giảm điện áp xuống mức phù hợp với phụ tải cần sử dụng.

Hiện nay khuynh hướng phát triển của máy biến áp là dùng các loại vật liệu có từ tính tốt, tổn hao sắt từ thấp để nâng cao công suất truyền tải của máy biến áp và giảm nhỏ kích thước. Đồng thời dùng vật liệu dẫn điện là dây nhôm thay cho dây đồng để giảm khối lượng trong máy biến áp.

1. Khái niệm

Máy biến áp tự ngẫu (Autotransformer) là một máy biến áp điện chỉ có một cuộn dây.

Tiền tố “tự động (Auto)” (Là tiếng Hy Lạp của từ “Self”) đề cập đến một cuộn dây duy nhất hoạt động một mình và không có bất kỳ loại cơ cấu tự động nào.

Trong biến áp tự ngẫu, các phần của cùng một cuộn dây hoạt động như hai phía sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp.

Ngược lại, một máy biến áp thông thường có các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp riêng biệt mà không được nối điện.

Hình 1. Mô hình máy biến áp tự ngẫu 3 pha và 1 pha.

Các cuộn dây có ít nhất ba đầu dây nơi kết nối điện. Vì một phần của cuộn dây thực hiện “nhiệm vụ kép”, các biến áp tự ngẫu có ưu điểm thường nhỏ hơn, nhẹ hơn và rẻ hơn so với các máy biến áp cuộn kép điển hình, nhưng cũng có nhược điểm của việc không cách ly điện giữa mạch sơ cấp và mạch thứ cấp.

Các ưu điểm khác của biến áp tự ngẫu gồm có phản ứng rò điện thấp hơn, tổn thất thấp hơn, dòng kích thích thấp hơn, và tăng định mức VA cho một kích thước và khối lượng nhất định.

2. Cấu tạo

– Gồm 3 phần chính:

Hình 2. Mô hình máy biến áp tự ngẫu 1 pha

• 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.

Hình 3. Lõi thép

• 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.
• 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.

Ngoài ra còn có các phần khác như sứ đỡ, các thiết bị làm mát, thùng giãn dầu, . . .

3. Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của máy biến áp tự ngẫu dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ:

– Định luật cảm ứng điện từ:

• Từ thông biến thiên qua vòng dây: khi từ thông đi qua một vòng dây biến thiên sẽ làm xuất hiện một sức điện động cảm ứng trong vòng dây. Sức điện động cảm ứng có chiều sao cho dòng điện do nó sinh ra có tác dụng chống lại sự biến thiên của từ thông sinh ra nó.

Hình 4. Hiện tượng cảm ứng điện từ

– Video mô tả hiện tượng cảm ứng điện từ trong một mạch điện do chính sự biến đổi của dòng điện trong mạch gây ra:

– Cách hoạt động:

Hình 5. Sơ đồ mô phỏng nguyên lý hoạt động của máy biến áp tự ngẫu

• Cho một cuộn dây sơ cấp AB, từ đó lấy một nấc điều chỉnh tại C, sao cho CB đóng vai trò như cuộn dây thứ cấp. Điện áp nguồn được đặt trên AB, và tải được nối qua CB. Việc lấy nấc điều chỉnh tại C có thể cố định hoặc thay đổi.
• Khi đặt một điện áp xoay chiều V 1 trên AB thì trong lõi xuất hiện một từ thông xoay chiều, vì dòng điện xoay chiều tạo ra một từ trường biến thiên trong cuộn dây.
• Do đó trong dây quấn AB xuất hiện một suất điện động E1. Một phần của suất điện động cảm ứng này được lấy trong mạch thứ cấp.

Với:

• V 1: điện áp cuộn sơ cấp
• V 2: điện áp thứ cấp trên tải
• I 1: dòng điện chính
• I 2: tải hiện tại
• N 1: số lượt giữa A và B
• N 2: số lượt giữa C và B

Bỏ qua dòng điện không tải, điện kháng rò rỉ và tổn thất.

V1 = E1 và V2 = E2

Do đó, tỷ lệ biến đổi:

Vì vòng dây của ampe thứ cấp ngược pha với vòng dây của ampe chính, nên dòng điện I 2 ngược pha với I1. Hiệu điện thế thứ cấp nhỏ hơn điện áp sơ cấp.

Do đó dòng điện I2 lớn hơn dòng điện I1. Do đó cường độ dòng điện chạy qua đoạn BC là (I2 – I1).

4. Phân loại

– Phân loại theo cấu tạo:

Máy biến áp tự ngẫu 1 pha:

Hình 6. Máy biến áp tự ngẫu một pha

• Dùng cho các thiết bị điện như nồi cơm điện, máy hâm bình sữa, bàn ủi nhập khẩu từ Mỹ có tiêu chuẩn điện áp đầu vào là 120V, thiết bị điện nhập khẩu từ Nhật là 100V. Trong khi đó nguồn điện 1 pha sử dụng cho hộ gia đình tại Việt Nam có điện áp là 220V, vì vậy cần phải có thiết bị máy biến áp tự ngẫu 1 pha hạ áp nguồn điện để sử dụng cho các thiết bị điện nhập khẩu.

Máy biến áp tự ngẫu 3 pha:

Hình 7. Máy biến áp tự ngấu 3 pha

• Dùng để đổi điện cho các thiết bị công nghiệp có điện áp sử dụng theo tiêu chuẩn của Nhật, Đài Loan, Mỹ,… và các nhu cầu đặc biệt khác.

5. Cách đấu dây máy biến áp tự ngẫu 1 pha và 3 pha

5.1. Máy biến áp tự ngẫu 1 pha

• Máy biến áp tự ngẫu 1 pha giảm áp (Step down autotransformer): điện áp ra nhỏ hơn điện áp vào.
• Máy biến áp tự ngẫu 1 pha tăng áp (Step up autotransformer): điện áp ra lớn hơn điện áp vào.

Hình 8. Sơ đồ dây quấn máy biến áp tự ngẫu 1 pha giảm áp và tăng áp (từ trái sang)

• Máy biến áp tự ngẫu có thể điều chỉnh được điện áp đầu ra bằng nút vặn (Variable autotransformer).
• Máy biến áp tự ngẫu điều chỉnh các mức điện áp đầu ra bằng công tắc chuyển mạch (Tapped Auto Transformer).

Hình 9. Sơ đồ dây quấn máy biến áp tự ngẫu điều chỉnh bằng nút vặn (Variac) và công tắc chuyển mạch (từ trái sang)

5.2. Máy biến áp tự ngẫu 3 pha

Ghép nối 3 máy biến áp tự ngẫu 1 pha thành máy biến áp tự ngẫu 3 pha theo sơ đồ đấu nối sau:

Hình 9. Sơ đồ dây quấn máy biến áp tự ngẫu 3 pha

Để biết thêm về cách đấu nối cũng như ưu, nhược điểm của máy biến áp tự ngẫu 1 pha và 3 pha mời các bạn xem video sau đây:

6. Ứng dụng

6.1. Truyền tải và phân phối điện

Hình 10. Máy biến áp tự ngẫu ba pha trong thực tế

Biến áp tự ngẫu thường được sử dụng trong các ứng dụng nguồn để kết nối các hệ thống hoạt động ở các lớp điện áp khác nhau, ví dụ để truyền tải 132kV đến 66kV.

Một ứng dụng khác trong ngành công nghiệp là để phù hợp với máy móc được chế tạo cho nguồn 480V để hoạt động trên một nguồn cung cấp 600V. Chúng cũng thường được sử dụng để cung cấp chuyển đổi giữa hai dải điện áp chính trong nước và phổ biến trên thế giới (100-130V và 200-250V).

Trên các đường dây phân phối điện nông thôn dài, các biến áp tự ngẫu đặc biệt với các thiết bị thay đổi đầu tự động được lắp vào như ổn áp, sao cho khách hàng ở đầu xa của dòng nhận được cùng một điện áp trung bình gần như bằng với nguồn. Tỷ số biến đổi được của biến áp tự ngẫu bù cho sự sụt áp dọc đường.

6.2. Hệ thống âm thanh

Trong các ứng dụng âm thanh, biến áp tự ngẫu được sử dụng để điều chỉnh với loa với hệ thống phân phối âm thanh điện áp không đổi, và cho điều chỉnh trở kháng như giữa micro trở kháng thấp và đầu vào bộ khuếch đại trở kháng cao.

6.3. Đường sắt

Trong các ứng dụng đường sắt, nó thường dùng để cung cấp điện cho các đoàn tàu ở mức 25 kVAC.

Hệ thống này làm tăng khoảng cách truyền dẫn có thể sử dụng, giảm nhiễu gây ra cho thiết bị bên ngoài và giảm chi phí.

6.4. Khởi động động cơ bằng máy biến áp tự ngẫu

Autotransformers có thể được sử dụng như một phương pháp khởi động mềm cho động cơ cảm ứng điện từ. Một trong những thiết kế nổi tiếng của bộ khởi động như vậy là bộ khởi động Korndorfer.