Biến áp tự ngẫu là một máy biến áp có một cuộn dây liên tục và một hoặc nhiều đầu vòi, do đó một phần của cuộn dây là chung cho cả ngõ vào và ngõ ra; nó có thể thay đổi điện áp một cách hiệu quả và nhỏ gọn nhưng thông thường không cung cấp khả năng cách ly điện.
Nguyên lý cuộn dây chung
Phần chung mang hiệu giữa dòng điện sơ cấp và thứ cấp, trong khi phần nối tiếp mang dòng điện tải tùy theo cách đấu nối. Công suất được truyền một phần bằng cảm ứng và một phần bằng dẫn điện trực tiếp qua cuộn dây chung.
Hoạt động tăng áp và giảm áp
Nối nguồn điện vào toàn bộ cuộn dây và tải vào một đầu vòi sẽ cho ra hoạt động giảm áp; đảo ngược mối quan hệ này sẽ cho ra hoạt động tăng áp trong giới hạn định mức thiết kế. Cực tính và cách đấu nối đầu vòi quyết định việc điện áp cộng thêm hay trừ bớt.
Tại sao kích thước và tổn thất có thể thấp hơn
Khi tỷ số điện áp gần bằng một, chỉ một phần của tổng công suất biểu kiến được biến đổi bằng cảm ứng. Điều này có thể làm giảm lượng đồng, kích thước, khối lượng, tổn thất, sụt áp và chi phí so với máy biến áp hai dây quấn có cùng công suất qua.
Giới hạn cách ly
Ngõ vào và ngõ ra được kết nối điện với nhau. Sự cố, hiện tượng quá áp, sự cố dây trung tính, hoặc hỏng cách điện có thể truyền qua giữa các phía theo những cách mà biến áp cách ly có thể ngăn chặn được. Không bao giờ được thay thế bằng một tự ngẫu trong trường hợp an toàn, nối đất, kiểm soát nhiễu, hoặc hệ thống được tách biệt yêu cầu sự cách ly.
Các ứng dụng tiêu biểu
Các ứng dụng bao gồm khởi động động cơ, hiệu chỉnh điện áp vừa phải, liên kết các hệ thống có điện áp tương tự, nguồn biến đổi trong phòng thí nghiệm, hệ thống đường sắt và điều chỉnh điện áp lưới điện. Mỗi ứng dụng yêu cầu xem xét về nối đất, dòng sự cố, dải đầu phân áp và bảo vệ.
Biến áp tự ngẫu điều chỉnh và biến áp tự ngẫu thay đổi
Biến áp tự ngẫu điều chỉnh sử dụng một tiếp điểm di động trên một cuộn dây bị hở hoặc có thể tiếp cận để cung cấp điện áp AC có thể điều chỉnh. Đầu ra của nó có thể vẫn nguy hiểm ở mức điện áp thấp được chỉ báo và có thể vượt qua điện áp danh định đầu vào gần mức cao. Nó không phải là một thiết bị cách ly.
Xếp hạng và bảo vệ
Xác định dải điện áp đầu vào và đầu ra, tần số, công suất kVA qua máy biến áp, công suất kVA của cuộn dây hoặc máy biến áp, dòng điện tại mỗi đầu cực, các đầu phân áp (tap), tổng trở, khả năng chịu ngắn mạch, cấp cách điện, mức tăng nhiệt độ, vỏ bảo vệ, hệ thống làm mát và nối đất. Phối hợp bảo vệ với dòng điện khởi động (inrush) và dòng điện sự cố.
Máy biến áp tự ngẫu và máy biến áp hai cuộn dây
Hãy chọn một máy biến áp tự ngẫu để chuyển đổi hiệu quả giữa các mức điện áp gần nhau khi việc kết nối điện là chấp nhận được. Hãy chọn một thiết bị hai cuộn dây khi các yêu cầu về cách ly, nối đất độc lập, tỷ số, ngăn chặn sự cố, hoặc yêu cầu hệ thống vượt trội hơn các lợi thế về kích thước và hiệu suất.
Một ví dụ đã giải: 240 V sang 120 V
Xét một máy biến tự ngẫu một pha lý tưởng cấp điện cho tải 120 V, 10 A từ nguồn 240 V. Công suất biểu kiến của tải là 120 × 10 = 1.200 VA. Bỏ qua tổn thất và dòng điện kích thích, dòng điện nguồn là 1.200 ÷ 240 = 5 A. Một điểm rẽ ở giữa số vòng dây hiệu dụng tạo ra quan hệ điện áp yêu cầu. Các số liệu này giải thích nguyên lý; chúng không phải là bản vẽ chế tạo hoặc định mức cho một cuộn dây bất kỳ.
Phần giữa đầu cực 240 V và điểm rẽ 120 V mang dòng điện 5 A. Tại điểm rẽ, dòng điện phân chia giữa tải và phần cuộn dây chung. Trong trường hợp lý tưởng này, dòng điện ở phần cuộn dây chung có độ lớn 5 A và chạy theo hướng ngược lại cần thiết để cân bằng ampe-vòng. Do đó, thật sai lầm khi cho rằng mọi bộ phận của cuộn dây máy biến áp tự ngẫu đều mang toàn bộ dòng điện tải 10 A.
Đối với ví dụ này, điện áp đoạn nối tiếp là 120 V, do đó công suất biểu kiến biến đổi của nó là 120 × 5 = 600 VA, trong khi tải nhận được 1.200 VA. Phần còn lại được truyền qua kết nối điện trực tiếp. Việc truyền tải chia sẻ này giải thích cho ưu thế về vật liệu. Các thiết bị thực tế bổ sung phải cho phép gia nhiệt cuộn dây, định mức tiếp điểm, cách điện, tổn thất và chế độ sự cố; riêng phép tính số học thì không thể thiết lập được định mức thương mại.
Điều gì thay đổi khi tỷ số điện áp gần bằng một?
Đối với một tự ngẫu giảm áp lý tưởng với k = Vthấp/Vcao, phần công suất truyền qua được biến đổi theo nguyên lý cảm ứng là 1 − k. Khi thay đổi điện áp từ 240 V xuống 220 V, ta có k ≈ 0,917, do đó phần công suất này xấp xỉ 8,3%. Khi chuyển từ 240 V sang 24 V, tỷ lệ này là 90%. Do đó, lợi thế của cuộn dây chung là lớn nhất khi sự thay đổi điện áp ở mức vừa phải và sẽ giảm dần khi tỷ lệ này tăng lên.
Điều này không có nghĩa là có thể thay thế thiết bị 240-đến-220 V cho nguồn 240-đến-24 V bằng cách chọn một đầu nối khác. Cuộn dây, đường dòng điện và cách điện được thiết kế cho các kết cấu đấu nối cụ thể. Điều đó cũng không chứng minh được hiệu suất cố định hoặc tiết kiệm chi phí. Hãy so sánh tổn thất đã thử nghiệm và toàn bộ cụm thiết bị được cung cấp, bao gồm vỏ bảo vệ, thiết bị bảo vệ và thiết bị phân áp, với giải pháp thay thế hai cuộn dây.
Máy biến áp tự ngẫu và máy biến áp cách ly
| Quyết định | Biến tự ngẫu | Biến áp cuộn dây riêng biệt |
|---|---|---|
| Kết nối điện giữa nguồn và tải | Cuộn dây chung cung cấp một đường dẫn dẫn điện | Các cuộn dây được thiết kế cách điện độc lập với nhau |
| Hiệu chỉnh điện áp vừa phải | Thường là một giải pháp nhỏ gọn, nơi nền tảng chung được chấp nhận | Có thể, nhìn chung có nhiều vật liệu hơn cho cùng một công suất thông qua |
| Tham khảo thứ cấp độc lập | Không thể giả định | Có thể hỗ trợ một hệ thống điện tách biệt khi được thiết kế đúng cách |
| Kết quả phòng thí nghiệm biến đổi | Đầu vòi di động có thể điều chỉnh điện áp; đầu ra vẫn được kết nối với nguồn điện chính | Sự cách ly đơn thuần không đồng nghĩa với đầu ra có thể điều chỉnh |
| Dòng sự cố | Thường có trở kháng thấp; việc nghiên cứu hệ thống vẫn là cần thiết | Tùy thuộc vào trở kháng danh định của nó và nguồn cung cấp phía trên |
The Thảo luận của OpenStax về an toàn và cách ly điện giúp giải thích vai trò của một mạch điện được cách ly. Cài đặt điện áp đầu ra thấp trên một máy biến áp tự ngẫu biến đổi không phải là bằng chứng cho thấy bất kỳ dây dẫn đầu ra nào là an toàn so với mặt đất. Một hệ thống lắp đặt cần sự cách ly bảo vệ phải sử dụng thiết bị được thiết kế chuyên dụng cho mục đích đó.
Nguyên lý hoạt động của bộ khởi động động cơ tự ngẫu
Bộ khởi động giảm áp đặt một phần điện áp nguồn được chọn trong quá trình tăng tốc và sau đó chuyển động cơ sang kết nối chạy của nó. Trong mô hình đơn giản hóa, nếu động cơ nhận được một phân số điện áp k, dòng điện rô-to bị kẹt của nó xấp xỉ bằng k lần dòng điện khởi động trực tiếp, trong khi dòng điện nguồn đi qua một máy biến tự ngẫu lý tưởng xấp xỉ bằng bình phương k lần dòng điện đó. Mô-men khởi động cũng giảm xấp xỉ theo bình phương của điện áp.
Lợi ích là giảm sự xáo trộn nguồn điện, nhưng mô-men xoắn thấp hơn vẫn phải gia tốc cho tải thực tế. Một băng tải có tải trọng nặng hoặc máy có quán tính cao không thể chỉ được đánh giá bằng việc giảm dòng điện hấp dẫn. Thiết kế phải tính đến thời gian gia tốc, phương pháp chuyển mạch, số lần khởi động mỗi giờ, chế độ nhiệt và đường cong tải cơ học. Những mối quan hệ đơn giản hóa này là công cụ sàng lọc; dữ liệu của nhà sản xuất động cơ và thiết kế bộ khởi động hoàn chỉnh mới quyết định việc lựa chọn.
Giới hạn dòng điện và đầu ra khả biến
Biến áp tự ngẫu điều chỉnh sử dụng một tiếp điểm di chuyển dọc theo bề mặt cuộn dây đã được chuẩn bị. Điện áp đầu ra thường có thể được điều chỉnh trong dải thông số kỹ thuật của nó, và một số thiết kế bao gồm dải điện áp cao hơn điện áp đầu vào danh định. Hãy đọc kỹ thang đo và tài liệu hướng dẫn sử dụng. Các giới hạn dòng điện của tiếp điểm, cuộn dây và cực đấu dây vẫn tiếp tục được áp dụng khi điện áp giảm: việc hạ thấp điện áp đầu ra không nhất thiết cho phép dòng điện đầu ra tăng tỷ lệ thuận.
Ví dụ, một thiết bị giới hạn ở 5 A không thể tự động cung cấp 50 A khi điện áp đầu ra của nó giảm xuống một phần mười điện áp định mức. Sai lầm phổ biến là coi toàn bộ giá trị VA trên nhãn máy là có sẵn ở mọi vị trí núm vặn. Cần phải kiểm tra tải, tiếp điểm chổi than và thiết kế nhiệt. Biến áp tự ngẫu điều chỉnh cũng không chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC) hoặc thay đổi tần số.
Những nội dung cần có trong một thông số kỹ thuật mua hàng
Phân biệt kVA đầu cực với kVA biến đổi bên trong trên mọi báo giá. Báo giá một đằng trong khi người mua mong đợi một nẻo có thể làm cho hai đề xuất có vẻ tương đương trong khi năng lực chịu tải thực tế của chúng lại khác nhau.
Nêu rõ nhiệm vụ là hiệu chỉnh điện áp liên tục, nguồn kiểm tra biến đổi, khởi động động cơ hay liên kết lưới. Xác định tất cả các điện áp cực và định mức dòng điện, số pha và tần số, dải điều chỉnh đầu phân áp, yêu cầu cách điện, bố trí trung tính và mức tăng nhiệt độ cho phép. Bao gồm biểu đồ phụ tải dự kiến và bất kỳ chế độ làm việc khởi động hoặc chu kỳ nào. Định mức khởi động động cơ không thể chỉ đơn thuần được coi là kVA liên tục.
Hãy yêu cầu sơ đồ đấu nối thực tế, thông số trở kháng, dữ liệu tổn hao, các yêu cầu về thiết bị bảo vệ và hướng dẫn lắp đặt. Kiểm tra dải công suất đầu ra dưới tải và mức biến động nguồn điện cho phép. Đối với các ứng dụng công nghiệp, việc đánh giá cần xác định lỗi cuộn dây hoặc lỗi trung tính ảnh hưởng như thế nào đến các thiết bị được kết nối. Yêu cầu lắp đặt hệ thống điện của OSHA nhấn mạnh sự cần thiết phải sử dụng thiết bị đúng với thông số định mức và hướng dẫn sử dụng.
Các hướng dẫn về máy biến áp liên관 và bối cảnh sản phẩm
Xem lại Hướng dẫn cơ bản về Transformer về các nguyên tắc cơ bản. Đối với các câu hỏi liên quan, hãy đọc Máy biến áp hạ áp dùng để làm gì? Nguyên lý hoạt động và ứng dụng và Biến áp cách ly là gì? An toàn, Ứng dụng và Lựa chọn. Đối với các thông số kỹ thuật của thiết bị phân phối, hãy xem Máy biến áp ngâm dầu 35 kV; xác nhận phạm vi sản phẩm thực tế và các thông số định mức trước khi sử dụng trong một dự án.
Video: nguyên lý cơ bản của transformer
G K Agrawal minh họa nguyên lý điện được thảo luận ở đây. Phần giải thích nền tảng này bổ sung cho bài viết; nó không chứng minh hoặc ủy quyền cho công việc thực tế tại hiện trường.
Các câu hỏi thường gặp
Biến áp tự ngẫu có cung cấp khả năng cách ly không?
Thông thường là không. Cuộn dây chung của nó tạo ra một kết nối dẫn điện giữa nguồn và tải. Hãy sử dụng thiết kế cuộn dây riêng biệt phù hợp khi cần cách ly.
Tại sao một máy biến áp tự ngẫu lại nhỏ hơn đối với các mức điện áp gần nhau?
Chỉ một phần công suất thông qua được truyền cảm ứng; kết nối chung sẽ truyền phần còn lại. Lợi thế về vật liệu lớn nhất khi tỷ số điện áp gần bằng một.
Biến áp tự ngẫu có thể cung cấp dòng điện không giới hạn ở điện áp thấp không?
Không. Các giới hạn dòng điện của cuộn dây, chổi than và cực tính vẫn được áp dụng. Việc giảm điện áp đầu ra không tự động làm tăng dòng điện cho phép theo tỷ lệ nghịch đảo.
Máy tự biến áp có làm thay đổi tần số không?
Không. Nó thay đổi điện áp xoay chiều tùy theo kết nối và đầu phân áp trong khi thường giữ nguyên tần số nguồn. Nó không phải là bộ chuyển đổi xoay chiều thành một chiều.
Tại sao bộ khởi động động cơ lại làm giảm cả mô-men xoắn lẫn dòng điện?
Giảm điện áp động cơ làm giảm mô-men điện từ, xấp xỉ theo bình phương điện áp trong mô hình khởi động đơn giản hóa. Tải thực tế vẫn phải tăng tốc trong giới hạn nhiệt độ cho phép.
