Máy Biến Thế: Cấu Tạo Và Nguyên Tắc Hoạt Động

Máy biến thế hay còn được gọi là máy biến áp là thiết bị được dùng rộng rãi trong thực tế nhất là ngành điện. Chúng ta thường thấy máy biến thế trên các trụ điện với chức năng là hạ thế điện áp cao sang điện áp thấp cho người dân sử dụng.

Do đó việc học các kiến thức về máy biến thế vật lý lớp 9 không chỉ là lý thuyết mà nó còn giúp các em có tư duy, giải thích các thiết bị, hiện tượng thường xuyên xuất hiện trong cuộc sống hằng ngày của chúng ta.

Máy biến thế là gì?

Máy biến thế là thiết bị dùng để biến đổi điện áp đầu vào có điện áp cao thành một điện áp đầu ra có điện áp thấp hoặc ngược lại. Điều này giúp chúng ta điều chỉnh được điện áp tăng ( tăng thế ) hoặc giảm ( hạ thế ) theo từng yêu cầu cụ thể.

Hay nói cách khác dễ hiểu hơn là máy biến áp được dùng để thay đổi điện áp xoay chiều bằng một hoặc nhiều cuộn dây có đầu vào và đầu ra cùng một từ trường.

Máy biến thế dùng để làm gì?

Đường dây 500kV Bắc – Nam là một trong những công trình đáng tự hào của Việt Nam dùng để truyền tải điện năng từ các nhà máy thủy điện phía Bắc như Hòa Bình, Thác Bà, Phả Lại, Uông Bí, Ninh Bình vào miền Nam Việt Nam.

Máy biến áp là một thiết bị không thể thiếu trên đường dây 500kV này. Để phân phối điện áp tới từng người tiêu dùng thì phải qua tới 3 loại máy biến thế:

• Máy biến thế cao thế
• Máy biến thế trung thế
• Máy biến thế hạ thế

Lưu ý rằng, máy biến thế dùng để chuyển đổi dòng điện xoay chiều từ điện áp này sang điện áp khác nhưng không làm thay đổi tần số của nguồn điện.

Máy biến áp sử dụng hiện tượng cảm ứng từ để nhận và truyền tín hiệu điện. Tức là các cuộn dây quấn độc lập nhau, không tiếp xúc nhau nhưng vẫn truyền năng lượng được cho nhau thông qua từ thông.

Cấu tạo của máy biến thế

Các bộ phận chính của máy biến áp gồm: lõi thép, cuộn dây và vỏ thân máy.

Cấu tạo của máy biến thế gồm 3 thành phần chính:

Lõi thép:

• Đặt trong máy biến áp
• Lõi thép là tập hợp gồm nhiều lá thép mỏng ghép lại chung với nhau.
• Cuộc dây sẽ quấn quanh các lỏi thép với hai đầu đối xứng nhau

Cuộn dây (dây quấn):

• Làm bằng đồng hoặc nhôm để dẫn điện tốt. Dây đồng dẫn điện tốt hơn so với nhôm nhưng lại có giá thành cao hơn nhôm khá nhiều.
• Dây quấn được bọc cách điện ở bên ngoài để dễ dàng nhận và phân phối năng lượng.
• Máy biến áp sẽ có hai cuộn dây quấn vào lõi thép gọi là cuộn dây sơ cấp N1 và cuộn dây thứ cấp N2.

Vỏ máy: Bao bọc bên ngoài để bảo vệ các thành phần bên trong.

Nguyên tắc hoạt động của máy biến thế

“Nguyên tắc hoạt động của máy biên áp dựa vào nguyên lý của hiện tượng cảm ứng điện từ “

Đây là hiện tượng xảy ra khi có một điện áp hoặc gọi là một suất điện động chạy qua một vật dẫn. Khi đó, vật sẽ được đặt ở bên trong một từ trường biến thiên.

• N1 số vòng dây của cuộn dây thứ 1 gọi là sơ cấp
• N2 số vòng dây của cuộn thứ 2 gọi là thứ cấp
• U1 điện áp cấp vào cuộn dây thứ 1
• U2 điện áp đầu ra tại cuộn dây thứ 2

Hai cuộn dây độc lập nhau được quấn vào hai bên của lõi thép và không có tiêp xúc nhau. Điều bất ngờ xảy ra là khi ta cấp nguồn điện áp xoay chiều vào U1 vào N1 và hai đầu của N2 vào tải.

Khi đó, Tại cuộn dây N1 sẽ xuất hiện dòng điện I1 bên trong, còn N2 cũng sẽ xuất hiện dòng điện I2. Như vậy dù hai cuộn dây độc lập nhau nhưng quấn quanh lỏi thép sẽ truyền năng lượng từ cuộn N1 sang N2.

Điều này có nghĩa là: điện áp đầu U1 vào qua N1 sẽ được biến đổi thành điện áp đầu ra U2 thông qua N2 khi có tải. Tải là các thiết bị tiêu thụ điện như máy tính, đèn, tủ lạnh, máy giặt …

Công thức máy biến thế

Công thức máy biến thế gồm có cuộn dây, điện áp tỉ lệ nghịch với nhau.

U1/U2 = N2/N1

• Khi U1 > U2, tức là điện áp đầu vào lớn hơn điện áp đầu ra. Điều đó có nghĩa rằng đây là máy biến thế hạ áp ( hạ thế ).
• Khi U1 < U2, tức là điện áp đầu vào nhỏ hơn điện áp đầu ra. Điều đó có nghĩa rằng đây là máy biến thế tăng áp ( tăng thế ).

Như vậy, máy biến áp dùng để biến đổi điện áp đầu vào và đầu ra thông qua số lượt dây quấn của hai cuộn dây bên trong máy biến thế. Hay nói cách khác thì máy biến thế như là một bộ chuyển đổi nguồn có thể tăng hoặc giảm điện áp tùy vào mục đích sử dụng.

Tại một số vùng có điện áp “yếu “ hay dùng bộ ổn áp hay bình tăng áp thì cũng hoạt động theo nguyên tắc này. Các bộ ổn áp thì có thể tùy chọn là điều chỉnh được cực ngõ ra tương ứng số vòng dây quấn của cuộn dây đầu ra.

Bài tập máy biến thế lý 9

Bái tập máy biến thế là một trong những vấn đề gây khó khăn cho các em học sinh. Việc giải bài tập nhanh chóng cần hiểu rõ bản chất của máy biến thế. Khi đó các bạn sẽ thấy việc giải các bài tập tìm số vòng dây của cuộn sơ cấp hay thứ cấp hoặc điện áp đầu vào – đầu ra sẽ Rất Đơn Giản.

Cuộn sơ cấp của máy biến thế có 4400 vòng có ý nghĩa gì?

Cuộn sơ cấp của một máy biến thế có 4400 vòng và cuộn thứ cấp có 240 vòng. Nếu hiệu điện thế giữa hai đầu cuộn sơ cấp là 220V, thì hiệu điện thế giữa hai đầu cuộn thứ cấp là bao nhiêu Voltage.

Phương pháp giải:

Công thức máy biến thế: 
U1/U2=N2/N1

Trong đó: 

• U1;N1 là điện áp và số vòng dây cuộn sơ cấp.
• U2;N2 là điện áp và số vòng dây cuộn thứ cấp.

U1/U2=N2/N1 => U2 = N2*U1/N1 = 240*220/4400= 12V

Điều này có nghĩa là để biến đổi điện áp từ 220V sang 12V thì chúng ta cần có cuộn dây sơ cấp 4400 vòng và cuộn dây thứ cấp 240 vòng.

Trên thực tế chúng ta thường dùng nguồn 12-24V. Để tính toán được số dây quấn của từng cuộn dây chúng ta cần hiểu rõ nguyên lý, cấu tạo của máy biến thế.

Một máy biến thế có cuộn sơ cấp 1000 vòng

Một máy biến áp có cuộn sơ cấp 1000 vòng dây được mắc vào mạng điện xoay chiều có điện áp hiệu dụng 220 V. Khi đó điện áp hiệu dụng ở hai đầu cuộn thứ cấp để hở là 484 V. Bỏ qua mọi hao phí của máy biến áp. Số vòng dây của cuộn thứ cấp là bao nhiêu:

U1/U2=N2/N1 = > N2 = N1:U1*U2 = 1000:220*484 = 2200  (vòng )

Trên đây là hai loại bài tập mà các em thường gặp nhất trong phần máy biến thế. Tùy vào các đề bài cụ thể các e chỉ cần thay đổi số là có thể giải nhanh một cách chính xác.

Chúc các em thành công !

Kỹ sư Cơ điện tử

Nguyễn Minh Hòa