Lý thuyết về Máy biến áp được Giản lược

Biến áp có thể cung cấp cách ly tín hiệu rất hiệu quả và được sử dụng để điều chỉnh mức điện áp và dòng điện xoay chiều. Chúng có thể đạt được tất cả những điều này với hiệu suất công suất lớn hơn 95%, đó là lý do tại sao chúng ta thường thấy chúng được sử dụng trong nguồn cung cấp điện bàn làm việc, thiết bị âm thanh, máy tính, thiết bị nhà bếp và bộ chuyển đổi điện tường. Biến áp được sử dụng cho việc chuyển đổi điện 50/60 Hz phải có kích thước lớn hơn so với những cái được sử dụng trong bộ chuyển đổi điện tường, và hy vọng, sau khi đọc bài viết này, bạn sẽ hiểu tại sao. Tuy nhiên, lý thuyết về biến áp có thể không trực quan và, các câu hỏi như sau thường được đặt ra:

• Liệu lõi có bị bão hòa khi tải phụ tải thứ cấp rút nhiều dòng điện hơn không?
• Tại sao biến áp của tôi không hoạt động ở 1 Hz hoặc DC?
• Tại sao biến áp công suất của tôi không hoạt động ở 10 kHz?
• Tại sao biến áp của tôi nóng lên khi không có tải?

Biến Áp Lý Tưởng

Bài viết này được dự định như một khóa học ôn tập về lý thuyết biến áp, vậy hãy bắt đầu với một biến áp lý tưởng bao gồm hai cuộn dây quấn quanh một lõi chung. Cả hai cuộn dây (đỏ và xanh) có cùng số vòng quấn, tức là, chúng có tỷ lệ vòng quấn 1:1:

Đây là một biến áp lý tưởng. Đối với một biến áp thực tế, nếu chúng ta áp dụng một sự tăng bước của 1 volt vào cuộn sơ cấp, cuộn thứ cấp sẽ sản xuất ra 1 volt nhưng chỉ trong một khoảng thời gian hạn chế. Điều này là bởi vì biến áp là thiết bị AC, và chúng không xử lý tốt với các tần số thấp.

Tuy nhiên, vì đây là một bài giới thiệu và chúng ta đang nói về một biến áp lý tưởng, việc lấy một vài tự do nhỏ là có thể chấp nhận được. Sau này, một bức tranh thực tế hơn sẽ xuất hiện. Bây giờ, chúng ta chỉ đang xem xét một mô hình lý tưởng.

Cuộn dây màu xanh được gọi là cuộn sơ cấp, và cuộn dây màu đỏ được gọi là cuộn thứ cấp. Khi chúng ta áp dụng 1 volt vào cuộn sơ cấp (màu xanh), chúng ta thấy 1 volt xuất hiện trên cuộn thứ cấp (màu đỏ). Để hiểu tại sao điều này xảy ra, chúng ta cần phân tích dòng điện chảy vào cuộn sơ cấp:

Khi chúng ta áp dụng 1 volt, dòng điện sơ cấp bắt đầu từ 0 ampe và tăng lên một cách tuyến tính theo thời gian. Nếu điện áp đầu vào 1 volt được duy trì trên cuộn sơ cấp, dòng điện sẽ tiếp tục tăng lên nhưng sẽ sớm đạt đến một giá trị mà nguồn điện “trong thực tế” không thể duy trì được vì cuộn dây là một mạch ngắn cho DC. Tuy nhiên, lúc này chúng ta đang nói về một máy biến áp lý tưởng.

Dòng điện sơ cấp sẽ thay đổi (Δi) theo thời gian (Δt) với tốc độ được xác định bởi công thức này:

• chỉ là cách nói “sự thay đổi của một thứ gì đó”
• Δi có nghĩa là “sự thay đổi của dòng điện”
• Δt có nghĩa là “sự thay đổi theo thời gian,” và do đó:
• Δi / Δt có nghĩa là “tốc độ mà dòng điện thay đổi theo thời gian”
•  V là điện áp được áp dụng
•  L là độ tự cảm của cuộn dây sơ cấp

Chúng ta thường thấy công thức trên được sắp xếp lại một chút, nơi biểu tượng delta “” được thay thế bằng “d ”:

Công thức này đơn giản cho chúng ta biết rằng nếu chúng ta áp dụng 1 volt qua một cuộn cảm 1 henry, chúng ta có thể mong đợi dòng điện tăng với tốc độ 1 ampe mỗi giây. Tương tự, nếu chúng ta áp dụng 1 volt qua một cuộn cảm 1 mH, chúng ta sẽ thấy dòng điện tăng 1000 ampe mỗi giây (rõ ràng là vấn đề nếu kéo dài hơn vài mili giây)!

Mối quan hệ này không bị ảnh hưởng bởi cuộn dây thứ cấp (màu đỏ); nó không đóng vai trò gì trong công thức này. Thực tế, chúng ta có thể loại bỏ cuộn dây thứ cấp, để lại một cuộn cảm thông thường. Nói cách khác, công thức này chỉ áp dụng cho cuộn dây chính.

Chúng ta gọi đây là dòng từ hóa bởi vì đó là những gì nó làm; nó tạo ra một trường từ xung quanh và bên trong các cuộn dây biến áp. Trường từ tăng và giảm theo sự tăng và giảm của dòng từ hóa. Chính sự thay đổi này của trường từ gây ra điện áp qua các cực mở của cuộn dây thứ cấp có N vòng:

V= -NᐧdΦdt

• V là điện áp thứ cấp được tạo ra
• N là số vòng dây (giống như sơ cấp vì chúng ta đang xem xét một máy biến áp tỷ lệ 1:1)
• 𝛷 được gọi là từ thông (tỷ lệ với dòng từ hóa)

Nhưng còn dấu âm thì sao? Trong các sơ đồ ở trên, điện áp thứ cấp là dương, tức là, nó có cùng cực tính với điện áp sơ cấp, vậy dấu âm có ý nghĩa gì?

Nếu chúng ta áp dụng một điện áp qua một cuộn cảm, chúng ta sẽ tạo ra một suất điện động cản trở nội bộ. Theo quy ước, chúng ta nói rằng suất điện động cản trở đối lập với điện áp được áp dụng; do đó, nó “nhận” một dấu âm. Cả điện áp thứ cấp và suất điện động cản trở đều được tạo ra bởi cùng một cơ chế (từ thông thay đổi), và do đó, điện áp thứ cấp cũng “thừa hưởng” một dấu âm.

Tóm lại

Trong máy biến áp lý tưởng này, khi chúng ta áp dụng +1 volt vào cuộn sơ cấp, chúng ta nhận được điện áp thứ cấp là +1 volt. Điện áp thứ cấp được “gây ra” bởi sự tăng lên của từ thông trong các vòng dây. Sự tăng lên của từ thông được gây ra bởi sự tăng lên của dòng từ hóa trong cuộn sơ cấp. Dòng từ hóa tăng lên một cách tuyến tính (trong một tình huống lý tưởng) bởi vì cuộn sơ cấp là một cuộn cảm lý tưởng. Đây là quá trình cảm ứng của máy biến áp.

Dòng tải thứ cấp

Chúng ta nên xem xét điều gì xảy ra khi cuộn thứ cấp được tải với một điện trở 1 Ω:

Ngay lập tức khi 1 volt được áp dụng vào cuộn sơ cấp, dòng điện sơ cấp trở thành 1 amp. Điều này là do 1 volt được cảm ứng trên cuộn thứ cấp cung cấp 1 amp vào tải 1 Ω của nó: từ định luật Ohm và bảo toàn năng lượng.

Chúng ta cũng thấy rằng theo thời gian, dòng điện sơ cấp tăng lên. Điều này không khác gì so với khi cuộn thứ cấp không tải, ngoại trừ việc dòng điện sơ cấp giờ đây có một độ lệch là 1 amp do dòng điện thứ cấp là 1 amp. Do đó, dòng từ hóa tăng lên với tốc độ như đã thấy trước đây, và tốc độ đó vẫn được xác định bởi công thức cuộn cảm:

V= Lᐧdidt

Chúng ta nói rằng dòng điện sơ cấp (I_P) có hai thành phần; dòng điện thứ cấp (được quy đổi về sơ cấp) và dòng điện từ hóa. Chúng ta sử dụng cụm từ “được quy đổi về sơ cấp” trong trường hợp tỷ lệ vòng quấn không phải là 1:1.

Một chút về tỷ lệ vòng quấn

Chúng ta đã từng xem xét một máy biến áp 1:1 được tải với 1 Ω nhưng, nếu tỷ lệ vòng quấn là (chẳng hạn) 2:1, thì dòng điện thứ cấp “được quy đổi về sơ cấp” sẽ là 0.25 ampe. Điều này là bởi vì tỷ lệ 2:1 sẽ chỉ tạo ra 0.5 volt ở thứ cấp, gây ra một dòng điện thứ cấp là 0.5 ampe.

Vì chúng ta biết (trong tình huống lý tưởng này) rằng tất cả công suất tải phải được rút từ nguồn điện sơ cấp, dòng điện tải sơ cấp được quy đổi phải là 0.25 ampe. Điều này là bởi vì nó phù hợp với công suất 0.25 watt tiêu thụ trong điện trở tải thứ cấp (0.5 volt x 0.5 ampe).

Dòng điện từ hóa vẫn giữ nguyên

Tuy nhiên, dòng điện từ hóa vẫn giữ nguyên; nó hoàn toàn được xác định bởi điện áp sơ cấp áp dụng và độ tự cảm sơ cấp. Đó là một thực thể riêng biệt so với dòng điện tải sơ cấp được chuyển đổi, và chúng ta nên giữ nó như một thực thể riêng biệt khi phân tích máy biến áp. Và có một lý do khác...

Nếu chúng ta xem xét cực tính của I_P và I_S, chúng ta thấy rằng I_P chảy vào cuộn sơ cấp nhưng I_S chảy ra khỏi cuộn thứ cấp. Do đó, nếu chúng ta bỏ qua dòng điện từ hóa (trong một khoảnh khắc) thì, có một dòng điện 1 ampe chảy vào một cuộn dây và một dòng điện 1 ampe thoát ra khỏi một cuộn dây khác giống hệt nhau.

Vì vậy, bởi vì mỗi cuộn dây giống hệt nhau, hai dòng từ trường sẽ triệt tiêu lẫn nhau.

Và không nhất thiết phải là một biến áp 1:1 để điều này xảy ra bởi vì đó là dòng điện nhân với số vòng dây quyết định cường độ từ trường. Do đó, trong một biến áp 10:1, nếu phần thứ cấp đang rút 10 ampe, thì điều đó được phản ánh trở lại với dòng tải phần sơ cấp là 1 ampe, tức là, "ampe-vòng" trên cả hai cuộn dây là như nhau nhưng có cực đội lập.

Điều này có nghĩa là nguồn từ hóa duy nhất là dòng từ hóa. Tác động của điều này là dòng tải không góp phần vào từ tính lõi. Ở đầu bài viết này, tôi đã đặt câu hỏi này:

Liệu lõi sẽ bão hòa khi tải thứ cấp rút nhiều dòng điện hơn không?

Và bây giờ, lý do tại sao câu trả lời là không nên rõ ràng. Tôi cũng đã đặt câu hỏi này:

Tại sao biến áp của tôi không hoạt động ở 1 Hz hoặc DC?

Câu trả lời là cuộn cảm chính. Như đã trình bày trước đó, nếu bạn áp dụng một điện áp không đổi vào một cuộn cảm, dòng điện sẽ tăng lên cho đến khi tín hiệu hoặc nguồn điện không thể duy trì dòng điện tăng này nữa. Đó là lý do tại sao chúng ta sử dụng máy biến áp với dòng điện xoay chiều và, đó cũng là lý do tại sao máy biến áp tần số thấp cần có hình dạng lõi lớn hơn nhiều so với những cái hoạt động ở tần số cao hơn. Để ngăn chặn dòng điện từ hóa cao, chúng ta xây dựng máy biến áp tần số thấp với cuộn dây có độ tự cảm cao, và điều này đòi hỏi nhiều vòng dây hơn và các bộ phận từ tính lớn hơn nhiều.

Độ Tự Cảm Rò Rỉ

Trước đây chúng ta đã thảo luận về một máy biến áp 1:1 lý tưởng, nhưng bây giờ chúng ta cần phải suy nghĩ về một thứ gọi là độ tự cảm rò rỉ. Không phải tất cả từ thông được tạo ra bởi cuộn cảm chính “kết hợp” với cuộn cảm thứ cấp. Điều này có thể được coi như một vài vòng dây của cuộn cảm chính được tách ra để tạo thành một thành phần riêng biệt. Những vòng dây đó vẫn sẽ tạo ra một từ thông “cục bộ”, nhưng nó sẽ không “kết hợp” với cuộn thứ cấp. Những vòng dây đó cũng có độ tự cảm, và vì vậy, chúng ta có thể bắt đầu nghĩ về máy biến áp như sau:

Những gì chúng ta thấy ở trên là một máy biến áp lý tưởng được bao quanh bởi các thành phần cảm ứng khiến nó không còn lý tưởng. L_M bên trong hộp màu tím là độ tự cảm từ hóa cơ bản mà chúng ta đã đề cập trước đây; nó tạo ra dòng từ của lõi. Hai độ tự cảm đã được thêm vào, L_P và L_S đại diện cho độ tự cảm rò rỉ sơ cấp và độ tự cảm rò rỉ thứ cấp.

Nếu chúng ta bỏ qua độ tự cảm từ hóa và xem xét "máy biến áp 1:1 lý tưởng" như một máy biến áp công suất 1:1 hoàn hảo, chúng ta có thể đơn giản thay thế nó bằng dây và vẽ lại sơ đồ như thế này:

Bây giờ chúng ta có thể thấy rằng L_P và L_S nằm nối tiếp giữa điện áp sơ cấp và bất kỳ tải thứ cấp nào. Một máy biến áp AC thông thường có thể có tổng độ tự cảm rò rỉ là 3% so với độ tự cảm từ hóa, vì vậy nếu tổng độ tự cảm sơ cấp là 1 henry, độ tự cảm rò rỉ sẽ là khoảng 30 mH.

Một cuộn cảm có giá trị 30 mH ở 50 hoặc 60 Hz có khoảng 10 Ω cảm kháng và không phải là vấn đề lớn. Tuy nhiên, nếu chúng ta vận hành máy biến áp ở 10 kHz, thì cảm kháng rò rỉ tăng lên đến 2000 Ω, và điều này sẽ làm giảm đáng kể khả năng truyền công suất của máy biến áp đến tải thứ cấp. Vậy, câu hỏi thứ ba được đặt ra là:

Tại sao máy biến áp công suất của tôi không hoạt động ở 10 kHz?

Và câu trả lời giờ đây nên rõ ràng. Câu hỏi cuối cùng được đặt ra ở đầu là:

Tại sao máy biến áp của tôi nóng lên khi không có tải?

Và, để trả lời điều đó, chúng ta cần xem xét các tổn thất công suất bên trong máy biến áp.

Tổn Thất Máy Biến Áp

Một mạch tương đương máy biến áp thực tế hơn cho máy biến áp của chúng ta như sau:

Ba điện trở (R_P, R_S, và R_C) đã được thêm vào sơ đồ. R_P và R_S là tổn thất quấn, tức là điện trở của dây đồng được sử dụng trong máy biến áp. Nếu bạn sử dụng nhiều vòng quấn hơn (để tăng cảm ứng từ hóa), nó sẽ tăng điện trở nối tiếp.

Đó là sự đánh đổi; chúng tôi muốn tăng độ tự cảm từ hóa cao để giữ dòng từ hóa thấp, nhưng bằng cách làm cho L_M cao, chúng tôi cần thêm nhiều vòng quấn, điều này có nghĩa là tăng thêm tổn thất điện trở mắc nối tiếp. Mặt khác, để giữ điện trở mắc nối tiếp (R_P, R_S) thấp, chúng ta phải chấp nhận dòng từ hóa cao hơn. Thật không may, điều này cũng đi kèm với một cái giá bởi vì dòng từ hóa cao hơn có nghĩa là tổn thất lõi cao hơn (được biểu diễn bởi R_C). Tổn thất lõi có thể khiến một máy biến áp trở nên khá nóng bởi vì tổn thất công suất này được điều khiển bởi điện áp sơ cấp áp dụng và không phải bởi dòng tải (tổn thất đồng). Do đó, một máy biến áp vẫn sẽ nóng lên khi không có dòng tải.

Nếu bạn muốn biết thêm, tại sao không duyệt qua trang sản phẩm của chúng tôi để có mô tả tính năng sâu hơn hoặc gọi cho một chuyên gia tại Altium.