Tại sao công suất của máy biến áp là kVA mà không phải là kW?

Một cách đơn giản, có 2 loại tổn thất trong máy biến áp:

1) Tổn thất đồng

2) Tổn thất sắt hay tổn thất trong lõi thép

Tổn thất đồng ( I²R ) phụ thuộc vào dòng điện chạy qua các cuộn dây trong khi tổn thất sắt hay tổn thất trong lõi thép phụ thuộc vào điện áp. Hai tổn thất này không phụ thuộc vào hệ số công suất của tải, điều này giải thích tại sao công suất của máy biến áp là kVA mà không phải là kW.

Xem thêm

Tuổi thọ bình thường của một máy biến áp là bao nhiêu?

Khi một máy biến áp vận hành theo tiêu chuẩn ANSI / IEEE thì tuổi trọ trung bình của nó là 20 năm. Theo tiêu chuẩn ANSI / IEEE thì:

1) Máy biến áp luôn luôn vận hành với điện áp và công suất định mức

2)  Nhiệt độ trung bình của không khí xung quanh luôn luôn đạt 30 ° C (86 ° F) và  không vượt quá 40 ° C (104 ° F).

3) Chiều cao, nơi các máy biến áp được lắp đặt không trên 3300 feet hoặc 1000 mét.

Xem thêm

Tại sao từ thông trong cuộn sơ cấp và thứ cấp máy biến áp là như nhau?

Câu hỏi đặt ra liệu có phải từ thông trong cuộn sơ cấp thì luôn lớn hơn trong cuộn thứ cấp?

Câu trả lời là từ thông trong cuộn sơ cấp và thứ cấp là luôn bằng nhau.

Trong trường hợp lí tưởng, từ thông tạo ra trong cuộn sơ cấp sẽ đi qua cuộn thứ cấp, vì vậy từ thông trong cuộn sơ cấp sẽ giống với từ thông trong cuộn thứ cấp.

Sau đây là một ví dụ đơn giản để giải thích điều này:

Cho một máy biến áp có thông số như sau: Số vòng dây cuộn sơ cấp  N₁ = 524 vòng, số vòng dây cuộn thứ cấp N₂ = 70 vòng, điện áp sơ cấp V₁= 3300 V, dòng thứ cấp I₂= 250 A. Tìm điện áp thứ cấp V₂ và dòng điện sơ cấp I_1.
Chúng ta biết rằng,

N2/N1 = V₂/V₁   ==> V₂ = (N₂ x V₁)/N₁  = (70 x 3300)/525 = 440 V.

Nếu bỏ qua tổn thất: 

 V₁I₁ = V₂I₂        ==> I₁/I₂ = V₂/ V₁  hay I₁ = (V₂ x I₂) / V₁ = 440 x 250/3300 = 33.3 A.

Bây giờ quay trở lại với công thức trong máy biến áp:

E₁= 4.44 .f .N₁ .Φ_{m 1}

Φ_{m 1} = E₁ / 4.44. f .N₁ 

Φ_{m 1} = 3300 / (4.44 x 50 x 525) = 0.0283 Wb = từ thông của cuộn sơ cấp.

Tương tự như vậy cho bên thứ cấp:

E₂ = 4.44 f N₂ Φ_m2

Φ_m2 = E₂ / 4.44 f N₂

Φ_m2 = 440 / (4.44 x 50 x 70) = 0.0283 Wb = từ thông của cuộn thứ cấp

Từ đây bạn có thể thấy rằng từ thông trong cuộn sơ cấp và thứ cấp là giống nhau.

Xem thêm

Độ thay đổi điện áp thứ cấp máy biến áp

 Nhìn chung một máy biến áp sẽ có điện áp thứ cấp lúc không tải cao hơn so với khi đầy tải với cùng  một công suất định mức ghi trên nhãn máy. Nói cách khác, khi mang tải điện áp thứ cấp của máy biến áp giảm nhẹ.
Độ thay đổi điện áp thứ cấp máy biến áp là độ chênh lệch điện áp thứ cấp khi không tải và khi đầy tải, thường được tính theo %.

Ví dụ ta có một máy biến áp có điện áp thứ cấp khi không tải là 240V và khi đầy tải là 230V. Thì độ lệch điện áp được tính:

Xem thêm

Hiệu suất và điều kiện để hiệu suất của Máy Biến Áp là lớn nhất

 1. Hiệu suất của Máy Biến Áp :

Hiệu suất của máy biến áp được định nghĩa là tỉ số giữa dòng công suất đi vào và ra khỏi máy biến áp.Theo lý thuyết giữa hệ số công suất và tải, hiệu suất của máy biến áp có thể được tính bằng cách chia công suất đi vào và đi ra khỏi nó (cũng tương tự như máy phát, động cơ,..). Nhưng giá trị của cả 2 dòng công suất đó phải cùng đơn vị ( cùng W,  kW hay MW...)

Chú ý rằng hiệu suất của máy biến áp rất cao bởi vì tổn thất trong máy biến áp rất thấp. Vì công suất đi vào và ra khỏi máy biến áp gần như bằng nhau nên việc đo lường 2 dòng công suất đó là gần như không thể. Cách tốt nhất để biết được hiệu suất của máy biến áp là đầu tiên xác định tổn thất trong máy biến áp và sau đó tính toán dựa trên những tổn thất đó.

Ta có: Hiệu suất = η= Pout/ Pin
                        <=>  η= Pout/ (Pout + Pth)              ......Pth: công suất tổn hao trong máy biến áp.
                        <=>  η= Pout/ (Pout + Pcu + Pfe)   ......Công suất tổn hao = tổn hao đồng + tổn hao sắt

Ta cũng có thể dùng công thức sau:

Ta có: Hiệu suất = η= Pout/ Pin

                        <=>  η= (Pin - Pth)/ Pin

                        <=>  η= 1- (Pth/ Pin) 

Như chúng ta đã biết để đánh giá máy biến áp ta dùng kVA chứ không phải là kW. Nhưng hiệu suất thì không phụ thuộc vào VA. Nó được biểu hiện rõ qua kW không phải là kVA. Do tổn thất tỉ lệ thuận với VA, nên hiệu suất phụ thuộc vào hệ số công suất. 

Ta có thể xác định các tổn thất trong máy biến áp bằng cách sau:

+ Xác định tổn thất sắt từ  bằng thí nghiệm không tải

+ Xác định tổn thất đồng bằng thí nghiệm ngắn mạch.

2. Điều kiện để hiệu suất máy biến áp lớn nhất.

Chúng ta biết rằng:

Tổn thất đồng: Pcu = Wc =  I₁². R₁ hay I₂²R₂

Tổn thất sắt: Wi = tổn thất từ trễ + tổn thất dòng điện xoáy

W_I = W_H + W_E

Ta có công suất đi vào máy biến áp: P₁ = V₁I₁ Cosθ₁

                                                            =>     η= Pin - Pth/ Pin = (Pin - Pcu - Pfe)/Pin

                                                           <=>    η=    (P₁ – W_C – W_I) / P₁

                                                           <=>    η = (V₁ I₁ Cosθ₁ – I₁². R₁ – W_I)/ V₁ I₁ Cosθ₁

                                                                       <=>    η = 1- (I₁². R₁ /V₁I₁ Cosθ₁) –(W_I/ V₁ I₁Cosθ₁)

                                      Hay

                                                                      η = 1- (I₁. R₁ /V₁Cosθ₁) – (W_I/ V₁ I₁ Cosθ₁)

Để xác định hiệu suất lớn nhất ta lấy đạo hàm theo I₁ hàm trên và cho bằng 0:

                                               dη/ dI₁ = 0 – ( R₁ /V₁ Cosθ₁) + (W_I/V₁ I₁² Cosθ₁) = 0

                                            <=> dη/ dI₁= – ( R₁ /V₁ Cosθ₁) + (W_I/V₁ I₁² Cosθ₁) = 0 

                                            <=> R₁ / (V₁ Cosθ₁) = (W_I/V₁ I₁² Cosθ₁)

                                            <=> W_I = I₁². R₁      hay       I₂²R₂

Vậy để hiệu suất máy biến áp lớn nhất thì tổn thất sắt phải bằng tổn thất đồng.

Giá trị của dòng điện thứ cấp I₂ mà tại đó hiệu suất lớn nhất là:

I₂ = √ (W_I/ R₂)

Đó cũng là giá trị dòng điện thứ cấp I₂ làm cho tổn thất sắt và tổn thất đồng bằng nhau.

Theo như trên, hiệu suất lớn nhất luôn có thể đạt được. Vì vậy, với thiết kế thích hợp, hiệu suất lớn nhất có thể đạt được với bất kì giá trị nào của tải. Tôn thất sắt và đồng có thể được cân bằng.

Nhận xét:

+ Hiệu suất luôn luôn bé hơn 1 và thường được xác định bằng phần trăm (%)

+ Máy biến áp lí tưởng có hiệu suất là 100% nghĩa là hiệu suất của máy biến áp lí tưởng là 1.

+ Hiệu suất máy biến áp thực nhìn chung khá cao từ 90 đến 98%

3. Hiệu suất của máy biến áp trong thực tế:

Như chúng ta đã biết hiệu suất của máy biến áp là tỉ số giữa dòng công suất đi vào và ra khỏi máy biến áp. Nhưng hiệu suất của một số máy biến áp không thể xác định theo công thức như trên được. 

Những máy biến áp phân phối cung cấp điện chiếu sáng và những mạch tương tự như vậy, dòng công suất cung cấp cho cuộn sơ cấp trong suốt 24h, nhưng ở cuộn thứ cấp không nhận công suất đó trong toàn thời gian của 1 ngày (24h). Nói cách khác, cấp thứ cấp chỉ cần nhận công suất vào ban đêm để cung cấp cho những mạch chiếu sáng. Cuộn thứ cấp cung cấp công suất cho tải rất nhỏ hoặc hoạt động không tải trong phần lớn thời gian 24h. Điều này có nghĩa rằng tổn thất lõi thép đều đặn trong 24h nhưng tổn thất đồng chỉ xảy ra khi máy biến áp có tải.

Từ đó có thể nhận ra rằng cần thiết để thiết kế một máy biến áp mà tổn thất trong lõi thép là thấp. Tổn thất đồng phụ thuộc vào tải nên có thể bỏ qua. Trong trường hợp này chúng ta cần theo dõi hiệu suất trong suốt thời gian. Có thể gọi đây là hiệu suất hoạt động. Dựa trên điện năng đã sử dụng, chúng ta có thể ước lượng được hiệu suất hoạt động cho từng khoảng thời gian.  Chúng ta có thể dùng công thức:

                                                               Hiệu suất = η= Aout (kWh)/ Ain(kWh)

Để hiểu rõ hơn về hiệu suất hoạt động chúng ta cần biết về chu kì tải hay là biểu đồ phụ tải trong một ngày.

Xem thêm

Cực tính của Máy Biến Áp

1. Đặt vấn đề?

Nhìn chung, khi chúng ta học về máy biến áp, chúng ta giả định rằng điện áp giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp, và dòng điện giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp là đồng pha. Nhưng nó không phải lúc nào cũng như vậy. Trong máy biến áp, góc pha giữa dòng điện và điện áp của cuộn sơ cấp và thứ cấp phụ thuộc vào cách mỗi vòng dây cuộn sơ cấp và thứ cấp được quấn như thế nào.

Nhìn vào hình 1 và hình 2 bạn có thể thấy rằng bến sơ cấp của 2 máy biến áp là giống nhau, các cuộn dây được quấn cùng một chiều.

Nhưng ở hình 2 bạn có thể nhận ra cuộn dây thứ cấp quấn ngược chiều so với cuộn dây thứ cấp ở hình 1.

Do đó, điện áp cảm ứng trong cuộn dây thứ cấp ở hình 2 là lệch pha 180° hay ngược pha so với điện áp cảm ứng ở cuộn dây thứ cấp ở hình 1. Và dòng điện sơ cấp (I_S) cũng ngược pha so với dòng điện thứ cấp  (I_P).

Vì vậy có thể thấy rằng:

1. Điện áp và dòng điện sơ cấp và thứ cấp trong hình 1 là đồng pha.

2. Điện áp và dòng điện sơ cấp và thứ cấp trong hình 2 lệch pha nhau 180°. 

2. Điểm cực tính của máy biến áp.

Để không làm nhầm lẫn góc pha giữa điện áp sơ cấp và thứ cấp cũng như dòng điện sơ cấp và thứ cấp, một điểm qui ước được đặt trên sơ đồ máy biến áp đơn giản. Những điểm này được đặt ở đỉnh đầu hoặc cuối của cuộn dây sơ cấp và thứ cấp như hình 3 và 4.

Trong hình 3 chúng ta thấy rằng những điểm được trên đỉnh đầu của cả cuộn sơ cấp và thứ cấp. Điều này cho thấy rằng dòng và áp trên các cuộn này là đồng pha. Hơn nữa điện áp sơ cấp và thứ cấp (V_P and V_S) có dạng sóng tương tự nhau và dòng điện cũng vậy.

Vấn đề ngược lại trong hình 4, chúng ta có thể thấy rằng một điểm được đặt ở đỉnh đầu cuộn sơ cấp và điểm còn lại đặt đỉnh cuối của cuộn thứ cấp. Điều này cho thấy rằng điện áp và dòng điện của cuộn sơ cấp và thứ cấp là ngược pha nhau. Thêm nữa, dạng sóng điện áp sơ cấp và thứ cấp (V_P và V_S)  của mỗi cuộn là ngược nhau và dòng điện (I_P  và I_S) cũng vậy.

                                                                                    

Xem thêm