LỊCH SỬ HÌNH THÀNH MÁY BIẾN ÁP NHƯ THẾ NÀO?!

Qua khoảng 150 năm xuất hiện, trải qua nhiều thay đổi và phát triển về công nghệ chế tạo, máy biến áp được mệnh danh là “trái tim của lưới điện” đã có vai trò đặc biệt quan trọng trong sự hình thành và phát triển lưới điện trên thế giới đến nay.

Nguyên mẫu máy biến áp Stanley năm 1885 tại Bảo tàng Berkshire Museum.

Máy biến áp là gì?

Máy biến áp là thiết bị truyền tải năng lượng điện từ mạch này sang mạch khác thông qua cảm ứng điện từ giữa các cuộn dây dẫn điện.

Nhấn vào đây để xem Video (bấm Ctrl + Click chuột phải)

Video: Lionel Barthold, người tiên phong trong lĩnh vực truyền tải điện, giải thích cách hoạt động của máy biến áp

Máy biến áp được sử dụng như thế nào?

Máy biến áp được sử dụng để tăng hoặc giảm điện áp trong mạch điện xoay chiều (AC). Máy biến áp cũng có thể được sử dụng trong quá trình chuyển đổi điện xoay chiều sang điện một chiều. Máy biến áp có mặt ở khắp mọi nơi trong mỗi gia đình, nằm trong các hộp nhựa màu đen mà bạn cắm vào ổ điện để sạc điện thoại hoặc các thiết bị khác. Những loại này thường được gọi là “wall wart”.

Máy biến áp có thể:

• Rất lớn (trong hệ thống điện quốc gia)
• Rất nhỏ (tích hợp trong thiết bị điện tử)

Đây là một thành phần thiết yếu của mọi thiết bị điện tử ngày nay.

Ai phát minh ra máy biến áp?

Ottó Bláthy, Miksa Déri, Károly Zipernowsky của Đế quốc Áo–Hung là những người đầu tiên thiết kế và sử dụng máy biến áp trong cả hệ thống thử nghiệm và thương mại.

Sau đó, Lucien Gaulard, Sebastian Ferranti và William Stanley đã hoàn thiện thiết kế. Xem phần tiếp theo để biết thêm chi tiết.

Máy biến áp được phát minh khi nào?

Hiện tượng cảm ứng được phát hiện vào những năm 1830, nhưng phải đến năm 1886, William Stanley (làm việc cho Westinghouse) mới chế tạo được máy biến áp thương mại đáng tin cậy đầu tiên.

Công trình của ông dựa trên:

• Thiết kế sơ khai của Công ty Ganz tại Hungary (ZBD Transformer 1878)
• Công trình của Lucien Gaulard và John Dixon Gibbs tại Anh

Nikola Tesla không phải là người phát minh ra máy biến áp như một số nguồn không chính xác đã nêu.

Các nhà khoa học châu Âu kể trên là những người tiên phong trong lĩnh vực này. George Westinghouse, Albert Schmid, Oliver Shallenberger và Stanley đã giúp máy biến áp trở nên rẻ hơn và dễ điều chỉnh hơn trong ứng dụng thực tế.

Máy biến áp đầu tiên được sử dụng ở đâu?

Hệ thống điện xoay chiều đầu tiên sử dụng máy biến áp hiện đại được triển khai tại Great Barrington, Massachusetts năm 1886.

Trước đó:

• Áo–Hung: 1878–1880
• Anh: từ năm 1882

Lucien Gaulard đã sử dụng hệ thống AC của mình tại triển lãm điện Lanzo–Turin năm 1884 (miền Bắc nước Ý).

Năm 1891, Mikhail Dobrovsky đã thiết kế và trình diễn máy biến áp 3 pha tại Triển lãm Kỹ thuật Điện ở Frankfurt, Đức

Nhấp vào liên kết bên dưới để tìm hiểu về hệ thống điện tại Great Barrington:

Các loại máy biến áp

Có nhiều loại máy biến áp với thiết kế khác nhau, được sử dụng trong nhiều lĩnh vực từ radio đến vi điện tử.

Nhấp vào liên kết để xem video để tìm hiểu về các loại máy biến áp và vật liệu lõi sắt:

Bên trái: máy biến áp hình xuyến / Bên phải: lõi choke tần số cao

Tìm hiểu thêm về kỹ thuật vật liệu và tầm quan trọng của SẮT.

DÒNG THỜI GIAN PHÁT TRIỂN MÁY BIẾN ÁP

1830s – Joseph Henry và Michael Faraday nghiên cứu nam châm điện và độc lập phát hiện ra hiện tượng cảm ứng.

1836 – Linh mục Nicholas Callan (Ireland) phát minh cuộn cảm ứng

1876 – Pavel Yablochkov sử dụng cuộn cảm ứng trong hệ thống chiếu sáng

1878–1883 – Công ty Ganz (Budapest, Hungary) sử dụng cuộn cảm ứng trong hệ thống chiếu sáng AC (lần đầu xuất hiện máy biến áp dạng hình xuyến)

1881 – Charles F. Brush phát triển thiết kế máy biến áp riêng

1880–1882 – Sebastian Ferranti thiết kế một trong những hệ thống điện AC đầu tiên cùng Lord Kelvin

1882 –  Lucien Gaulard và John Dixon Gibbs lần đầu tiên chế tạo một “máy phát thứ cấp” (theo cách gọi ngày nay là máy biến áp hạ áp). Thiết bị này được thiết kế với lõi sắt hở, khiến việc sản xuất không hiệu quả. Cấu trúc dạng tuyến tính (linear) của nó cũng hoạt động kém hiệu quả. Máy biến áp này lần đầu được sử dụng tại một triển lãm công cộng ở Ý vào năm 1884, nơi nó được dùng để hạ điện áp cao xuống mức phù hợp nhằm thắp sáng đèn sợi đốt và đèn hồ quang. Sau đó, họ tiếp tục thiết kế máy biến áp tăng áp. Gaulard (người Pháp) là kỹ sư, còn Gibbs (người Anh) là người kinh doanh đứng sau dự án. Họ đã bán bằng sáng chế cho Westinghouse, nhưng sau đó bị mất quyền sở hữu khi Ferranti (cũng là người Anh) kiện họ tại tòa án.

1880–1882 – Sebastian Ziani de Ferranti (người Anh, có cha/mẹ là người Ý) thiết kế một trong những hệ thống điện xoay chiều (AC) sớm nhất cùng với William Thomson (Lord Kelvin). Ông cũng chế tạo một máy biến áp sơ khai. Sau đó, Gaulard và Gibbs thiết kế một máy biến áp tương tự nhưng đã thua kiện tranh chấp bằng sáng chế tại tòa án Anh trước Ferranti.

Ottó Bláthy, Miksa Déri, Károly Zipernowsky tạo ra “máy biến áp ZBD””

1884 – Tại Hungary, Ottó Bláthy đề xuất sử dụng lõi kín (closed-core), Károly Zipernowsky đề xuất kết nối song song (shunt), và Miksa Déri là người trực tiếp thực hiện các thí nghiệm. Họ đã phát hiện ra nhược điểm lớn của hệ thống Gaulard–Gibbs, đồng thời thành công trong việc vận hành mạch điện cao áp bằng cách sử dụng các máy biến áp mắc song song. Thiết kế của họ có dạng hình xuyến (toroidal), khiến chi phí chế tạo cao. Dây dẫn cũng không thể quấn quanh lõi một cách dễ dàng bằng máy trong quá trình sản xuất.

1884 – Việc sử dụng hệ thống máy biến áp của Lucien Gaulard (hệ thống nối tiếp) tại triển lãm quy mô lớn đầu tiên về điện xoay chiều (AC) ở Turin, Ý. Sự kiện này đã thu hút sự chú ý của William Stanley, khi đó đang làm việc cho Westinghouse. Westinghouse sau đó đã mua quyền đối với thiết kế máy biến áp của Gaulard và Gibbs. Đường dây truyền tải dài 25 dặm đã thắp sáng đèn hồ quang, đèn sợi đốt và cung cấp điện cho một tuyến đường sắt. Gaulard đã được chính phủ Ý trao thưởng 10.000 franc.

1885 – George Westinghouse đặt mua một máy phát điện xoay chiều (alternator) của Siemens cùng với máy biến áp của Gaulard và Gibbs. William Stanley bắt đầu tiến hành các thí nghiệm với hệ thống này.

1885 – William Stanley đã làm cho máy biến áp trở nên thực tiễn hơn nhờ một số cải tiến trong thiết kế: “Thiết kế được cấp bằng sáng chế đầu tiên của Stanley là các cuộn cảm ứng với lõi đơn bằng sắt mềm và các khe hở có thể điều chỉnh để điều tiết suất điện động (EMF) xuất hiện ở cuộn thứ cấp. Thiết kế này lần đầu tiên được đưa vào sử dụng thương mại tại Hoa Kỳ vào năm 1886.” William Stanley đã giải thích với Franklin L. Pope (cố vấn của Westinghouse và là luật sư về bằng sáng chế) rằng thiết kế của ông có thể thương mại hóa và là một bước cải tiến lớn. Pope không đồng ý, nhưng Westinghouse vẫn quyết định tin tưởng Stanley.

Ở trên: máy biến áp lõi E hiện đại được phát triển dựa trên thiết kế của Stanley. Các lá thép được dập thành hình chữ E có thể được lắp vào từ cả hai phía của cuộn dây.

George Westinghouse và William Stanley đã tạo ra một loại máy biến áp dễ sản xuất trong thực tế (dễ gia công và quấn dây theo dạng hình vuông, tạo thành lõi từ các lá thép hình chữ E), đồng thời có cả hai loại tăng áp và hạ áp. George Westinghouse nhận ra rằng để hệ thống điện xoay chiều (AC) thành công, thiết kế của Gaulard cần phải được thay đổi. Các máy biến áp hình xuyến do Công ty Ganz (Hungary) và Gibbs (Anh) sử dụng có chi phí sản xuất rất cao (không có cách nào dễ dàng để quấn dây quanh lõi hình vòng sắt nếu không làm thủ công).

1886 – William Stanley sử dụng các máy biến áp của mình trong quá trình điện khí hóa khu trung tâm Great Barrington, Massachusetts. Đây là lần đầu tiên trình diễn một hệ thống phân phối điện xoay chiều (AC) hoàn chỉnh sử dụng cả máy biến áp tăng áp và hạ áp.

Cuối những năm 1880 – Sau đó, Albert Schmid đã cải tiến thiết kế của Stanley bằng cách kéo dài các lá thép hình chữ E để chúng nối với phần trụ trung tâm.

1889 – Kỹ sư người Nga Mikhail Dolivo-Dobrovolsky đã phát triển máy biến áp ba pha đầu tiên tại Đức (tại AEG). Trước đó một năm, ông đã phát triển máy phát điện ba pha đầu tiên. Dobrovolsky đã sử dụng máy biến áp của mình trong hệ thống điện xoay chiều hoàn chỉnh công suất lớn đầu tiên (Máy phát điện + Máy biến áp + Truyền tải + Máy biến áp + Động cơ điện và đèn) vào năm 1891.

Từ những năm 1880 đến nay – Máy biến áp không ngừng được cải tiến nhằm tăng hiệu suất, giảm kích thước và nâng cao công suất

1895 – Các máy biến áp làm mát bằng không khí do William Stanley chế tạo cho một nhà máy điện xoay chiều ba pha

Các máy biến áp Westinghouse cỡ lớn từ năm 1917 tại nhà máy thủy điện Folsom, California.

Electricity Explained:

3. Bài toán truyền tải điện năng:

Điện một chiều (DC) được sử dụng chủ yếu vào những năm 1880 và rất khó để truyền tải đi xa vì:

• Để truyền đi khoảng cách dài, bạn cần điện áp cao trên dây nhỏ hoặc điện áp thấp trên dây lớn.
• Điện áp cao với DC rất nguy hiểm, còn nếu dùng điện áp thấp thì dây dẫn phải cực kỳ dày, điều này không thực tế.
• Ngoài ra, với điện áp cao, bạn không thể hạ điện áp xuống để sử dụng cho các thiết bị như bóng đèn trong gia đình.

Ví dụ so sánh với nước:

Hãy tưởng tượng một dây nhỏ có điện áp cao giống như một ống nước nhỏ với áp suất lớn, nước chảy nhanh bên trong. Giả sử ống này có thể làm đầy hai bình nước (2 gallon) trong một phút.

Bây giờ hãy tưởng tượng một ống thoát nước rộng 6 inch chứa đầy nước. Bạn vẫn có thể đưa cùng một lượng nước đến đích trong cùng khoảng thời gian mà không cần áp suất lớn như vậy.

Với điện xoay chiều (AC), bạn cũng sử dụng điện áp cao để truyền điện đi xa qua đường dây dài. AC trở nên thực tế hơn vì khi điện được truyền đến nơi sử dụng, bạn có thể dùng máy biến áp để hạ điện áp xuống mức phù hợp.

Điện năng sẽ được hạ áp nhiều lần trước khi đến nhà bạn. Đường dây điện vào nhà thường là 240 volt, sau đó từ tủ điện (breaker box) sẽ chia thành:

• 120 volt cho hầu hết các ổ cắm
• 240 volt cho các thiết bị công suất lớn

Ở châu Âu và nhiều khu vực khác, điện áp tiêu chuẩn cho ổ cắm gia đình là 220 V.

Máy biến áp – là một thiết bị truyền năng lượng điện từ mạch này sang mạch khác bằng cách sử dụng các dây dẫn được liên kết qua cảm ứng điện từ. Nói cách khác, bằng cách đặt hai cuộn dây gần nhau nhưng không chạm nhau, từ trường sinh ra từ cuộn thứ nhất (gọi là cuộn sơ cấp) sẽ tác động lên cuộn còn lại (gọi là cuộn thứ cấp). Hiện tượng này được gọi là cảm ứng (inductance). Cảm ứng điện từ được phát hiện bởi Joseph Henry và Michael Faraday vào năm 1831.

Bây giờ, nếu bạn muốn thay đổi điện áp trên một đường dây điện, bạn có thể thực hiện điều đó bằng cách thay đổi dòng điện đi vào cuộn sơ cấp (trong khi điện áp vẫn ở mức cao). Mức dòng điện sẽ ảnh hưởng đến điện áp cảm ứng sinh ra ở cuộn thứ cấp. Một từ trường biến thiên sẽ tạo ra một suất điện động (EMF) biến thiên, hay còn gọi là điện áp.

Nói đơn giản: bằng cách thay đổi dòng điện, bạn có thể tạo ra mức điện áp mong muốn ở phía bên kia.

Máy biến áp lớn được sử dụng cho hệ thống cấp điện dân dụng.

Một số chủng loại MBA thông dụng hiện nay:
– Máy biến áp truyền tải
– Máy biến áp phân phối
– Máy biến áp tổn thất thấp Amorphous
– Máy biến áp khô

Cao Hoàng Phúc  – tham khảo thông tin từ Edison Tech Center