Bộ biến áp điện lực tăng hoặc giảm điện áp như thế nào?

Biến áp tăng hoặc giảm điện áp xoay chiều thông qua cảm ứng điện từ . Điện áp đầu ra của chúng chủ yếu được xác định bởi tỷ lệ giữa số vòng dây ở cuộn sơ cấp và số vòng dây ở cuộn thứ cấp.

Nếu cuộn thứ cấp có nhiều vòng dây hơn cuộn sơ cấp, biến áp sẽ tăng điện áp. Nếu cuộn thứ cấp có ít vòng dây hơn, biến áp sẽ giảm điện áp.

Mặc dù nguyên lý đơn giản, nhưng một biến áp thực tế còn phải được thiết kế phù hợp với dòng điện yêu cầu, công suất định mức, tần số, cách điện, độ tăng nhiệt, hiệu suất và các tiêu chuẩn an toàn áp dụng.

Cái gì là Máy biến áp ?

Máy biến áp là một thiết bị điện thụ động truyền năng lượng giữa hai cuộn dây trở lên thông qua một từ trường biến đổi.

Một máy biến áp cách ly thông thường gồm ba bộ phận chính:

• Cuộn Sơ Cấp: được nối với nguồn điện đầu vào
• Cuộn dây thứ cấp: cung cấp điện áp cho tải
• Lõi từ: tạo ra một đường dẫn có độ từ trở thấp cho thông lượng từ xoay chiều

Các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp thường được cách ly về mặt điện nhưng ghép nối về mặt từ thông qua lõi. Sự cách ly này có thể nâng cao độ an toàn điện và ngăn ngừa kết nối dẫn điện trực tiếp giữa đầu vào và đầu ra.

Tuy nhiên, không phải mọi máy biến áp đều cung cấp khả năng cách ly. Một biến áp tự coupling máy biến áp tự ngẫu, ví dụ điển hình, sử dụng chung một cuộn dây nên không đảm bảo sự tách biệt galvanic tương tự.

Biến áp hoạt động như thế nào?

Nguyên lý hoạt động của máy biến áp dựa trên Định luật cảm ứng điện từ của Faraday một thông lượng từ thay đổi đi qua cuộn dây sẽ tạo ra một sức điện động trên cuộn dây đó.

Quá trình này có thể được hiểu theo ba giai đoạn.

1. Cuộn sơ cấp tạo ra thông lượng từ

Khi một điện áp xoay chiều được đặt vào cuộn sơ cấp, nó tạo ra một dòng điện xoay chiều. Dòng điện này thiết lập một thông lượng từ thay đổi trong lõi biến áp.

2. Lõi ghép nối thông lượng từ

Lõi từ định hướng phần lớn thông lượng từ thay đổi đi qua cả hai cuộn dây. Vật liệu làm lõi và phương pháp chế tạo được lựa chọn nhằm đảm bảo sự ghép nối từ hiệu quả đồng thời hạn chế tổn thất do dòng xoáy và tổn thất trễ từ.

3. Cuộn thứ cấp phát triển điện áp

Do thông lượng từ thay đổi trong lõi đi qua cuộn thứ cấp, nên nó cảm ứng ra một điện áp trên cuộn dây đó. Điện áp cảm ứng tăng lên khi số vòng dây của cuộn thứ cấp tăng.

Mối quan hệ này tuân theo trực tiếp định luật Faraday và là nền tảng cho cả biến áp tăng áp lẫn biến áp hạ áp. OpenStax University Physics cung cấp cách suy luận chi tiết các phương trình biến áp.

Các Máy biến áp Công thức tỷ số vòng dây

Đối với biến áp lý tưởng:

Vs / Vp = Ns / Np

Ở đâu:

• Vp = điện áp đầu vào sơ cấp
• Vs = điện áp đầu ra thứ cấp
• Np = số vòng dây của cuộn sơ cấp
• Ns = số vòng dây của cuộn thứ cấp

Do đó, tỷ số điện áp bằng tỷ số số vòng dây.

Động thái biến áp

Biến áp tăng điện áp khi:

Ns > Np

Do đó:

Vs > Vp

Cuộn thứ cấp có nhiều vòng dây hơn cuộn sơ cấp, do đó điện áp thứ cấp cao hơn điện áp sơ cấp.

Biến áp hạ thế

Máy biến áp hạ điện áp khi:

Ns < Np

Do đó:

Vs < Vp

Cuộn thứ cấp có ít vòng dây hơn cuộn sơ cấp, do đó điện áp thứ cấp thấp hơn điện áp sơ cấp.

Máy biến áp cách ly tỉ số 1:1

Khi cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp có số vòng dây gần bằng nhau:

Ns = Np

Do đó:

Vs ≈ Vp

Điện áp đầu ra xấp xỉ bằng điện áp đầu vào.

Ví dụ thực tế về máy biến áp hạ áp

Giả sử một máy biến áp cần chuyển đổi điện áp xoay chiều 230 V sang 24 V.

Tỷ số vòng dây cần thiết là:

Ns / Np = Vs / Vp

Ns / Np = 24 / 230

Ns / Np ≈ 0,104

Nếu cuộn sơ cấp có 1.000 vòng:

Ns = 1.000 × 0,104

Ns ≈ 104 vòng

Do đó, cuộn thứ cấp lý tưởng sẽ có khoảng 104 vòng.

Trong một biến áp thực tế, nhà sản xuất có thể tăng số vòng cuộn thứ cấp để bù lại điện trở dây quấn và độ sụt áp khi có tải.

Ví dụ về biến áp tăng áp thực tế

Giả sử một biến áp cần tăng điện áp từ 120 V xoay chiều lên 240 V xoay chiều.

Tỷ số vòng dây cần thiết là:

Ns / Np = 240 / 120

Ns / Np = 2

Nếu cuộn sơ cấp có 500 vòng:

Ns = 500 × 2

Ns = 1.000 vòng

Do đó, cuộn thứ cấp yêu cầu khoảng gấp đôi số vòng so với cuộn sơ cấp.

Dòng điện thay đổi như thế nào?

Máy biến áp làm thay đổi dòng điện theo hướng ngược lại với điện áp.

Đối với máy biến áp lý tưởng, công suất đầu vào bằng công suất đầu ra:

Vp × Ip = Vs × Is

Ở đâu:

• Vp = Điện áp sơ cấp
• Ip = Dòng điện sơ cấp
• Vs = Điện áp thứ cấp
• Is = Dòng điện thứ cấp

Tỷ số dòng điện là:

Is / Ip = Np / Ns

Do đó:

• Máy biến áp tăng áp: điện áp tăng lên và dòng điện khả dụng giảm xuống.
• Máy biến áp hạ áp: điện áp giảm xuống và dòng điện khả dụng tăng lên.

Máy biến áp không tạo ra năng lượng bổ sung. Ở máy biến áp thực tế, công suất đầu ra hơi thấp hơn công suất đầu vào do tổn hao đồng, tổn hao lõi và các tổn hao khác.

Tại sao cuộn dây điện áp thấp lại dùng dây dẫn có đường kính lớn hơn?

Cuộn thứ cấp của máy biến áp hạ áp thường mang dòng điện lớn hơn cuộn sơ cấp. Do đó, nó thường yêu cầu dây dẫn có đường kính lớn hơn.

Kích thước dây dẫn phải được chọn theo các yếu tố sau:

• Dòng điện hiệu dụng (RMS)
• Mật độ dòng điện cho phép
• Nhiệt độ cuộn dây
• Nhiệt độ môi trường
• Chu kỳ làm việc
• Điều kiện làm mát
• Độ dày cách điện
• Không gian quấn dây khả dụng

Việc sử dụng dây dẫn quá mảnh làm tăng điện trở, sụt áp, tổn hao đồng và nhiệt độ cuộn dây. Nhiệt độ quá cao có thể làm giảm tuổi thọ cách điện và gây rủi ro an toàn.

Trong một máy biến áp tăng áp, cuộn dây có điện áp cao hơn thường sử dụng nhiều vòng dây mảnh hơn vì dòng điện chạy qua nó nhỏ hơn. Kích thước chính xác của dây dẫn vẫn cần được tính toán kỹ thuật.

Tại sao máy biến áp được sử dụng trong truyền tải điện?

Đối với một công suất truyền nhất định, việc tăng điện áp sẽ làm giảm dòng điện:

I = P / V

Ở đâu:

• I = Dòng điện
• P = Công suất
• V = Điện áp

Khi điện áp tăng lên, dòng điện cần thiết để truyền cùng một công suất sẽ giảm xuống.

Vì dòng điện được bình phương trong phương trình này, nên việc giảm dòng điện có thể làm giảm đáng kể nhiệt sinh ra trên dây dẫn và tổn thất truyền tải.

Do đó, các hệ thống điện sử dụng máy biến áp tăng áp để nâng điện áp từ máy phát điện lên nhằm truyền tải đi xa. Gần nơi tiêu thụ, máy biến áp hạ áp sẽ giảm điện áp xuống mức phù hợp cho phân phối và sử dụng. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (U.S. Department of Energy) cũng giải thích rằng việc truyền tải điện áp cao giúp giảm dòng điện cần thiết và giảm tổn thất trên đường dây. U.S. Department of Energy

Máy biến áp có thể hoạt động với dòng điện một chiều (DC) không?

Máy biến áp thông thường yêu cầu từ thông thay đổi, do đó không thể biến đổi liên tục điện áp một chiều (DC) ổn định.

Nếu điện áp một chiều (DC) ổn định được cấp trực tiếp vào cuộn dây của máy biến áp tiêu chuẩn:

• Không xảy ra hiện tượng biến áp liên tục sau giai đoạn quá độ ban đầu.
• Dòng điện trong cuộn dây có thể tăng lên mức nguy hiểm.
• Lõi từ có thể bão hòa.
• Cuộn dây có thể quá nhiệt hoặc hỏng.

Các bộ nguồn điện tử có thể chuyển đổi điện áp một chiều (DC) bằng cách trước tiên chuyển mạch nó ở tần số được điều khiển. Dạng sóng xoay chiều kết quả sau đó có thể kích thích máy biến áp tần số cao hoặc cuộn cảm ghép nối. Đây là nguyên lý hoạt động của nhiều bộ chuyển đổi kiểu flyback, forward, push-pull, half-bridge và full-bridge.

Điểm khác biệt quan trọng là máy biến áp thông thường không biến đổi trực tiếp điện áp một chiều (DC) ổn định; điện áp một chiều (DC) phải được chuyển mạch điện tử trước tiên.

Các phương trình lý tưởng so với hiệu suất thực tế của máy biến áp

Phương trình tỷ số vòng quấn mô tả một máy biến áp lý tưởng. Các máy biến áp thực tế có tổn hao và sụt áp.

Tổn hao đồng

Tổn hao công suất do điện trở trong dây dẫn là:

Tổn hao công suất = I² × R

Để tương thích tối đa với WordPress, biểu thức này cũng có thể được viết dưới dạng:

Tổn hao công suất = I × I × R

Ở đâu:

• I = Dòng điện chạy qua dây dẫn
• R = Điện trở của dây dẫn

Vì dòng điện được bình phương trong phép tính này, việc giảm dòng điện có thể làm giảm đáng kể tổn hao trên đường dây truyền tải.

Tổn hao lõi

Một từ trường xoay chiều gây ra tổn hao trễ từ và tổn hao dòng xoáy trong lõi. Tổn hao lõi chịu ảnh hưởng bởi:

• Vật liệu lõi
• Tần số hoạt động
• Điện áp áp dụng
• Số vòng dây sơ cấp
• Diện tích mặt cắt ngang lõi
• Mật độ từ thông
• Độ dày lớp phủ

Thông lượng rò

Không phải toàn bộ thông lượng từ đều liên kết cả hai cuộn dây. Thông lượng rò ảnh hưởng đến điều chỉnh điện áp và có thể gây nhiễu điện từ.

Dòng không tải

Ngay cả khi không có tải ở cuộn thứ cấp, cuộn sơ cấp vẫn tiêu thụ dòng điện để từ hóa lõi và bù tổn hao trong lõi.

Nhiệt độ tăng

Tổn hao đồng và tổn hao lõi sinh nhiệt. Máy biến áp phải duy trì nhiệt độ nằm trong giới hạn cho phép của hệ thống cách điện dưới điều kiện tải và môi trường quy định.

Điều chỉnh điện áp

Điện áp đầu ra thường giảm giữa chế độ không tải và chế độ đầy tải do trở kháng nội tại.

Độ điều chỉnh điện áp có thể được biểu thị bằng công thức:

Độ điều chỉnh điện áp (%) = [(Vkhông tải − Vđầy tải) / Vđầy tải] × 100

Vì lý do này, nhà sản xuất có thể thiết kế điện áp thứ cấp không tải hơi cao hơn điện áp đầu ra định mức.

Tần số có ảnh hưởng đến thiết kế biến áp không?

Có. Tần số là một thông số thiết kế quan trọng.

Đối với dạng sóng hình sin, điện áp hiệu dụng xấp xỉ trên mỗi cuộn dây có liên hệ với tần số, số vòng dây, diện tích tiết diện lõi và mật độ từ thông cực đại theo công thức sau:

V = 4,44 × f × N × A × Bmax

Ở đâu:

• V = điện áp hiệu dụng trên cuộn dây
• f = tần số hoạt động tính bằng hertz
• N = số vòng dây của cuộn dây
• A = diện tích tiết diện ngang hiệu dụng của lõi
• Bmax = mật độ từ thông cực đại

Một biến áp designed cho 60 Hz không nên tự động vận hành ở 50 Hz với cùng điện áp. Tần số thấp hơn có thể làm tăng mật độ từ thông, dẫn đến bão hòa lõi, dòng điện quá mức, tiếng ồn và quá nhiệt.

Nhà sản xuất phải biết dải tần số và điện áp đầu vào thực tế trước khi hoàn tất thiết kế.

Cách xác định biến áp tăng áp hoặc hạ áp

Thông số kỹ thuật biến áp chuyên nghiệp nên bao gồm nhiều hơn chỉ điện áp đầu vào và đầu ra.

Cung cấp các thông tin sau khi yêu cầu thiết kế hoặc báo giá:

• Điện áp đầu vào danh nghĩa
• Điện áp đầu vào tối thiểu và tối đa
• Tần số đầu vào
• Điện áp đầu ra yêu cầu (hoặc các điện áp đầu ra)
• Dòng điện đầu ra liên tục
• Dòng điện đỉnh và thời gian duy trì
• Load type
• Công suất biểu kiến (VA) yêu cầu
• Chu kỳ làm việc
• Kích thước tối đa
• Phương pháp lắp đặt
• Yêu cầu về dây nối hoặc đầu cắm
• Nhiệt độ môi trường
• Điều kiện làm mát và vỏ bọc
• Mức tăng nhiệt độ tối đa được phép
• Lớp cách nhiệt
• Yêu cầu về cường độ điện môi
• Yêu cầu về chắn tĩnh điện hoặc từ tính
• Yêu cầu về cầu chì nhiệt hoặc bộ bảo vệ nhiệt
• Quốc gia hoặc thị trường mục tiêu
• Các yêu cầu an toàn và môi trường áp dụng
• Số lượng sản xuất ước tính

Cung cấp đầy đủ các điều kiện vận hành giúp ngăn ngừa việc chọn kích thước sai và cải thiện khả năng điều chỉnh điện áp, độ tin cậy cũng như tuổi thọ phục vụ.

Các câu hỏi thường gặp

Biến áp tăng áp có làm tăng công suất không?

Không. Biến áp tăng áp làm tăng điện áp nhưng giảm dòng điện sẵn có. Công suất đầu ra của nó luôn thấp hơn một chút so với công suất đầu vào vì biến áp thực tế chịu tổn thất đồng, tổn thất lõi và các tổn thất khác.

Biến áp hạ áp luôn cung cấp nhiều dòng điện hơn không?

Nó có thể cung cấp dòng thứ cấp định mức cao hơn ở cùng mức công suất xấp xỉ, nhưng dòng thực tế được xác định bởi tải kết nối và công suất định mức của biến áp. Biến áp không ép dòng tối đa của nó vào tải.

Cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp có được nối với nhau không?

Trong biến áp cách ly, chúng tách biệt về mặt điện và ghép nối thông qua lõi từ. Trong biến áp tự ngẫu, một phần cuộn dây được chia sẻ, do đó không có sự cách ly galvanic tương đương.

Một biến áp có thể cung cấp nhiều điện áp đầu ra không?

Có. Một biến áp có thể sử dụng nhiều cuộn thứ cấp, cuộn thứ cấp có điểm giữa (center-tapped) hoặc các điểm lấy điện trên cuộn dây (winding taps) để cung cấp các điện áp đầu ra khác nhau.

Làm thế nào để tôi tính công suất biểu kiến (VA) của biến áp?

Đối với biến áp xoay chiều đơn giản chỉ có một cuộn thứ cấp:

VA = Vs × Is

Ở đâu:

• VA = Công suất biểu kiến định mức của biến áp
• Vs = Điện áp thứ cấp định mức
• Is = Dòng điện thứ cấp định mức

Ví dụ:

Điện áp thứ cấp = 24 V xoay chiều
Dòng điện thứ cấp = 5 A

VA = 24 × 5

VA = 120 VA

Đối với nhiều cuộn thứ cấp, tổng công suất biểu kiến (VA) yêu cầu được tính từ tải kết hợp của các cuộn dây, với việc xem xét phù hợp về loại tải, chu kỳ làm việc, hiệu suất, độ điều chỉnh, chỉnh lưu và độ tăng nhiệt.

Các biến áp tăng áp và hạ áp tùy chỉnh từ Dingxin

Dingxin sản xuất các biến áp tùy chỉnh, bao gồm giải pháp biến áp cho khách hàng và thiết bị dành cho thị trường châu Âu.

Biến áp có thể được phát triển theo các yêu cầu điện, cơ, nhiệt và ứng dụng đã nêu, bao gồm:

• Điện áp đầu vào và đầu ra tùy chỉnh
• Thiết kế tăng áp và giảm áp
• Nhiều cuộn thứ cấp
• Cấu trúc dạng EI và dạng xuyến
• ứng dụng cho tần số 50 Hz và 60 Hz
• Công suất biểu kiến (VA) được tùy chỉnh
• Dây dẫn ra, đầu nối, giá đỡ và các tùy chọn lắp đặt
• Bức chắn điện tĩnh
• Cầu chì nhiệt và bộ bảo vệ nhiệt
• Hệ thống cách điện đặc thù theo ứng dụng
• Thiết kế dựa trên yêu cầu của thị trường mục tiêu do khách hàng xác định

Các yêu cầu cuối cùng về tuân thủ và chứng nhận cần được xác nhận trong quá trình thiết kế kỹ thuật, căn cứ vào thiết kế biến áp, thiết bị dự kiến sử dụng và thị trường đích.

Yêu cầu thiết kế biến áp tùy chỉnh

Bạn cần biến áp với tỷ số điện áp, công suất định mức, kích thước, giới hạn nhiệt độ hoặc phương pháp lắp đặt cụ thể không?

Gửi các thông tin sau đây cho Dingxin:

1. Điện áp đầu vào và tần số
2. Điện áp và dòng điện đầu ra yêu cầu
3. Điều kiện tải liên tục và tải đỉnh
4. Kích thước tối đa
5. Yêu cầu Lắp đặt và Kết nối
6. Nhiệt độ hoạt động
7. Thị trường mục tiêu và các yêu cầu tuân thủ
8. Số Lượng Đơn Hàng Ước Tính

Liên hệ Dingxin ngay hôm nay để yêu cầu đánh giá kỹ thuật, thiết kế biến áp tùy chỉnh, mẫu thử hoặc báo giá.