Hiểu về tải máy biến áp

Máy biến áp có thể cung cấp điện áp trên cuộn dây thứ cấp của chúng, nhưng để truyền điện năng hiệu quả, chúng cần phải được tải. Trong điều kiện lý tưởng, máy biến áp được cho là không có tổn thất trong lõi hoặc cuộn dây. Tuy nhiên, trong các ứng dụng thực tế, tổn thất xảy ra khi máy biến áp "có tải". Hiểu về tải máy biến áp liên quan đến việc xem xét những gì xảy ra khi máy biến áp hoạt động có và không có tải được kết nối.

Điều kiện không tải trong máy biến áp

Máy biến áp được coi là ở trạng thái "không tải" khi cuộn dây thứ cấp của nó mở, nghĩa là không có tải điện nào được kết nối và không có dòng điện nào chạy qua mạch thứ cấp. Ở trạng thái này, máy biến áp không có tải. Khi nguồn điện xoay chiều được kết nối với cuộn dây sơ cấp, một dòng điện nhỏ, được gọi là dòng điện không tải (Io), chạy qua cuộn dây sơ cấp do điện áp cung cấp.

Dòng điện sơ cấp không tải này là cần thiết để duy trì từ trường tạo ra lực điện động ngược (EMF) cần thiết. Dòng điện bao gồm hai thành phần: dòng điện cùng pha (IE) tính đến tổn thất lõi (dòng điện xoáy và độ trễ) và dòng điện từ hóa (IM) ở góc 90 độ so với điện áp, tạo ra từ thông.

Dòng điện không tải nhỏ so với dòng điện đầy tải. Mặc dù có tổn thất sắt trong lõi và tổn thất đồng nhỏ trong cuộn dây sơ cấp, dòng điện không tải không chậm hơn điện áp cung cấp chính xác 90 độ, dẫn đến chênh lệch góc pha nhỏ.

Ví dụ: Dòng điện không tải và hệ số công suất

Hãy xem xét một máy biến áp một pha có thành phần năng lượng (IE) là 2 ampe và thành phần từ hóa (IM) là 5 ampe. Dòng điện không tải (Io) và hệ số công suất thu được có thể được tính toán bằng cách sử dụng các giá trị này.

Điều kiện có tải trong máy biến áp

Khi tải điện được kết nối với cuộn dây thứ cấp, máy biến áp trở thành "có tải" và dòng điện chạy qua mạch thứ cấp đến tải. Dòng điện thứ cấp (IS) này là do điện áp cảm ứng trong cuộn dây thứ cấp, được tạo ra bởi từ thông trong lõi. Dòng điện thứ cấp tạo ra từ trường tự cảm ứng (ΦS) trong lõi máy biến áp, chống lại từ trường sơ cấp (ΦP).

Các từ trường đối lập tạo ra từ trường kết hợp có cường độ giảm so với từ trường sơ cấp đơn lẻ. Sự giảm này làm giảm suất điện động ngược trong cuộn dây sơ cấp, khiến dòng điện sơ cấp (IP) tăng nhẹ. Dòng điện sơ cấp tiếp tục tăng cho đến khi cường độ từ trường được phục hồi, đảm bảo hoạt động cân bằng giữa trường sơ cấp và trường thứ cấp.

Công suất ở cả hai phía sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp vẫn cân bằng, với đầu vào công suất sơ cấp bằng với đầu ra công suất thứ cấp.

Mối quan điện áp với tỷ lệ vòng dây máy biến áp

Tỷ lệ vòng dây của máy biến áp xác định điện áp cảm ứng trong mỗi cuộn dây và mối quan hệ giữa điện áp, dòng điện và số vòng dây trong các cuộn dây. Tỷ lệ điện áp bằng tỷ lệ vòng dây và tỷ lệ dòng điện tỷ lệ nghịch với điện áp và số vòng dây. Điều này có nghĩa là khi cuộn dây thứ cấp được tải, điện áp cao hơn sẽ tạo ra dòng điện thấp hơn và ngược lại.

Tổng dòng điện lấy từ nguồn cung cấp bởi cuộn dây sơ cấp là tổng vectơ của dòng điện không tải (Io) và dòng điện cung cấp bổ sung (I1) do tải thứ cấp. Mối quan hệ này có thể được hình dung bằng cách sử dụng biểu đồ pha.

Ví dụ: Tính toán dòng điện sơ cấp và hệ số công suất

Hãy xem xét một máy biến áp một pha có 1000 vòng trên cuộn dây sơ cấp và 200 vòng trên cuộn dây thứ cấp. Nếu dòng điện không tải từ nguồn cung cấp là 3 ampe ở hệ số công suất trễ 0,2 thì dòng điện cuộn dây sơ cấp (IP) và hệ số công suất tương ứng (φ) có thể được tính toán ở dòng điện thứ cấp là 280 ampe ở độ trễ 0,8.

Trở kháng trong cuộn dây máy biến áp

Trong thực tế, cuộn dây máy biến áp có trở kháng do điện trở (R) và độ tự cảm (XL). Những trở kháng này gây ra sụt áp bên trong cuộn dây, dẫn đến trở kháng bên trong. Sẽ hữu ích khi kết hợp trở kháng ở phía sơ cấp hoặc phía thứ cấp để đơn giản hóa phép tính, một phương pháp được gọi là "trở kháng tham chiếu" hoặc "giá trị phản xạ".

Để tham chiếu điện trở hoặc điện kháng từ một bên của máy biến áp sang bên kia, hãy nhân hoặc chia cho bình phương của tỷ lệ vòng dây (N²). Ví dụ, tham chiếu điện trở thứ cấp 2Ω sang bên sơ cấp với tỷ lệ vòng dây là 8:1 sẽ cho kết quả là giá trị điện trở sơ cấp mới là 128Ω.

Điều chỉnh điện áp máy biến áp

Điều chỉnh điện áp trong máy biến áp đề cập đến sự thay đổi điện áp đầu thứ cấp khi máy biến áp được tải đầy đủ, trong khi điện áp sơ cấp vẫn không đổi. Điều chỉnh xác định mức sụt áp xảy ra bên trong máy biến áp khi tải tăng, ảnh hưởng đến hiệu suất và hiệu quả.

Điều chỉnh điện áp được biểu thị dưới dạng phần trăm điện áp không tải. Nếu máy biến áp cung cấp 100 vôn khi không tải và điện áp giảm xuống 95 vôn khi tải, thì mức điều chỉnh sẽ là 5%. Giá trị điều chỉnh phụ thuộc vào trở kháng bên trong của cuộn dây, bao gồm điện trở (R) và điện kháng (X).

Điều chỉnh điện áp tăng khi hệ số công suất của tải trở nên cảm ứng hơn (trễ). Mức điều chỉnh có thể là dương hoặc âm, tùy thuộc vào tham chiếu là điện áp không tải hay điện áp tải đầy đủ.

Kết luận

Hiểu về tải máy biến áp liên quan đến việc nhận biết cách máy biến áp hoạt động trong điều kiện không tải và có tải. Máy biến áp trong thực tế bị tổn thất do trở kháng cuộn dây và đặc điểm lõi, làm ảnh hưởng đến hiệu suất và sự điều chỉnh điện áp. Quản lý tải máy biến áp đúng cách đảm bảo truyền tải điện cân bằng và hiệu suất tối ưu.