Lý thuyết về hoạt động của biến áp trong điều kiện tải và không tải

Định nghĩa biến áp

Biến áp được định nghĩa là thiết bị điện chuyển đổi năng lượng điện giữa hai hoặc nhiều mạch thông qua cảm ứng điện từ.

Lý thuyết về biến áp không tải

Không có kháng cuộn và phản kháng rò rỉ

Cân nhắc một biến áp chỉ có tổn thất lõi, nghĩa là nó không có tổn thất đồng hoặc phản kháng rò rỉ của biến áp. Khi một nguồn dòng điện xoay chiều được cung cấp cho cuộn sơ cấp, nó cung cấp dòng điện để từ hóa lõi biến áp.

Nhưng dòng điện này không phải là dòng điện từ hóa thực sự; nó lớn hơn một chút so với dòng điện từ hóa thực sự. Tổng dòng điện cung cấp từ nguồn có hai thành phần, một là dòng điện từ hóa chỉ được sử dụng để từ hóa lõi, và thành phần khác của dòng điện nguồn được tiêu thụ để bù đắp tổn thất lõi trong biến áp.

Do thành phần tổn thất lõi, dòng điện nguồn không tải không bị tụt sau điện áp cung cấp chính xác 90° mà bởi một góc θ, nhỏ hơn 90°. Dòng điện tổng Io có một thành phần Iw cùng pha với điện áp cung cấp V1, đại diện cho thành phần tổn thất lõi.

Thành phần này được lấy cùng pha với điện áp nguồn vì nó liên quan đến tổn thất hoạt động hoặc làm việc trong biến áp. Thành phần khác của dòng điện nguồn được ký hiệu là Iμ.

Thành phần này tạo ra từ thông xoay chiều trong lõi, do đó nó không có công suất; nghĩa là nó là phần phản kháng của dòng điện nguồn biến áp. Do đó, Iμ sẽ vuông góc với V1 và cùng pha với từ thông Φ. Vì vậy, tổng dòng điện sơ cấp trong biến áp ở điều kiện không tải có thể được biểu diễn như sau:

Bây giờ bạn đã thấy cách giải thích lý thuyết biến áp không tải rất đơn giản.

Lý thuyết về biến áp có tải

Không có kháng cuộn và phản kháng rò rỉ

Bây giờ chúng ta sẽ xem xét hành vi của biến áp nói trên khi có tải, nghĩa là tải được kết nối với các đầu cuối thứ cấp. Cân nhắc, một biến áp có tổn thất lõi nhưng không có tổn thất đồng và phản kháng rò rỉ. Khi tải được kết nối với cuộn thứ cấp, dòng điện tải sẽ bắt đầu chảy qua tải cũng như cuộn thứ cấp.

Dòng điện tải này chỉ phụ thuộc vào đặc tính của tải và cũng phụ thuộc vào điện áp thứ cấp của biến áp. Dòng điện này được gọi là dòng điện thứ cấp hoặc dòng điện tải, ở đây nó được ký hiệu là I2. Khi I2 đang chảy qua cuộn thứ cấp, một MMF tự sinh trong cuộn thứ cấp sẽ được tạo ra. Ở đây, nó là N2I2, trong đó, N2 là số vòng của cuộn thứ cấp của biến áp.

MMF hoặc lực từ động trong cuộn thứ cấp tạo ra từ thông φ2. Từ thông này sẽ đối kháng với từ thông từ hóa chính và tạm thời làm yếu từ thông chính và cố gắng giảm điện áp tự cảm E1 ở cuộn sơ cấp. Nếu E1 giảm dưới điện áp nguồn sơ cấp V1, sẽ có thêm dòng điện chảy từ nguồn đến cuộn sơ cấp.

Dòng điện sơ cấp bổ sung I2′ tạo ra từ thông bổ sung φ′ trong lõi sẽ trung hòa từ thông đối kháng thứ cấp φ2. Do đó, từ thông từ hóa chính của lõi, Φ vẫn không thay đổi bất kể tải. Vì vậy, tổng dòng điện mà biến áp này rút từ nguồn có thể được chia thành hai thành phần.

Thành phần đầu tiên được sử dụng để từ hóa lõi và bù đắp tổn thất lõi, tức là Io. Đó là thành phần không tải của dòng điện sơ cấp. Thành phần thứ hai được sử dụng để bù đắp từ thông đối kháng của cuộn thứ cấp. 

Nó được gọi là thành phần tải của dòng điện sơ cấp. Do đó, tổng dòng điện sơ cấp không tải I1 của biến áp điện có không có kháng cuộn và phản kháng rò rỉ có thể được biểu diễn như sau

Trong đó, θ2 là góc giữa Điện áp thứ cấp và Dòng điện thứ cấp của biến áp.Bây giờ chúng ta sẽ tiếp tục bước tiếp theo hướng tới khía cạnh thực tế hơn của biến áp.

Lý thuyết về biến áp có tải, với cuộn dây có kháng nhưng không có phản kháng rò rỉ

Bây giờ, hãy cân nhắc kháng cuộn của biến áp nhưng không có phản kháng rò rỉ. Cho đến nay, chúng ta đã thảo luận về biến áp có cuộn dây lý tưởng, nghĩa là cuộn dây không có kháng và phản kháng rò rỉ, nhưng bây giờ chúng ta sẽ xem xét một biến áp có kháng nội trong cuộn dây nhưng không có phản kháng rò rỉ. Do cuộn dây có kháng, sẽ có sự sụt áp trong cuộn dây.

Chúng ta đã chứng minh trước đây rằng, tổng dòng điện sơ cấp từ nguồn khi có tải là I1. Sụt áp trong cuộn sơ cấp có kháng, R1 là R1I1. Rõ ràng, điện áp cảm ứng trên cuộn sơ cấp E1, không hoàn toàn bằng điện áp nguồn V1. E1 ít hơn V1 bởi sụt áp I1R1.

Lại nữa, trong trường hợp cuộn thứ cấp, điện áp cảm ứng trên cuộn thứ cấp, E2 không hoàn toàn xuất hiện trên tải vì nó cũng sụt đi một lượng I2R2, trong đó R2 là kháng cuộn thứ cấp và I2 là dòng điện thứ cấp hoặc dòng điện tải.

Tương tự, phương trình điện áp bên thứ cấp của biến áp sẽ là:

Lý thuyết về biến áp có tải, với kháng và phản kháng rò rỉ

Bây giờ chúng ta sẽ xem xét tình huống khi có phản kháng rò rỉ của biến áp cũng như kháng cuộn của biến áp.

Giả sử phản kháng rò rỉ của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp của biến áp lần lượt là X1 và X2. Do đó, tổng trở kháng của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp của biến áp với kháng R1 và R2 tương ứng có thể được biểu diễn như sau,

Chúng ta đã thiết lập phương trình điện áp của biến áp có tải, chỉ với các kháng trong cuộn dây, nơi sụt áp trong cuộn dây chỉ xảy ra do sụt áp kháng.

Nhưng khi chúng ta xem xét phản kháng rò rỉ của cuộn dây biến áp, sụt áp xảy ra trong cuộn dây không chỉ do kháng mà còn do trở kháng của cuộn dây biến áp. Do đó, phương trình điện áp thực tế của biến áp có thể dễ dàng xác định bằng cách thay thế các kháng R1 & R2 trong các phương trình điện áp đã thiết lập bằng Z1 và Z2.

Vì vậy, các phương trình điện áp là,

Sụt áp do kháng nằm theo hướng của vectơ dòng điện. Nhưng sụt áp phản kháng sẽ vuông góc với vectơ dòng điện như được hiển thị trong sơ đồ vectơ của biến áp ở trên.