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.