Biến áp Điện – Công thức và Phương trình
Biến áp là một trong những loại thiết bị điện phổ biến nhất và chúng có thể được tìm thấy trong nhiều ứng dụng khác nhau trong lĩnh vực kỹ thuật điện, bao gồm cả hệ thống điện. Do đó, ở vị trí của một kỹ sư điện, thường cần phải tính toán các đặc tính khác nhau của biến áp để xác định điều kiện hoạt động của nó. Để làm điều này, sẽ cần sử dụng các phương trình thông thường, mà có thể được đề cập trong các phần tiếp theo trong bài viết này.
Biến áp là gì?
Biến áp là thiết bị điện tĩnh dùng dòng điện xoay chiều được sử dụng trong hệ thống điện để thay đổi mức điện áp theo yêu cầu. Điều này có thể có nghĩa là tăng hoặc giảm điện áp. Mức điện áp và cường độ dòng điện có thể được thay đổi bởi biến áp, nhưng tần số vẫn giữ nguyên.
Các loại biến áp khác nhau
Biến áp có thể được phân loại thành một trong ba loại sau đây theo cách thức hoạt động của nó:
Biến áp tăng áp được sử dụng để nâng mức điện áp từ mức thấp hơn.
Biến áp giảm áp được sử dụng để hạ mức điện áp, bắt đầu từ mức điện áp cao hơn.
Biến áp cách ly là thiết bị không thay đổi mức điện áp mà thay vào đó là cách ly điện hai mạch điện độc lập với nhau. Nó còn được gọi là biến áp 1-1.
Phương trình EMF của biến áp
Thuật ngữ “phương trình EMF của biến áp” đề cập đến công thức toán học xác định giá trị của trường điện từ (EMF) cảm ứng trong cuộn dây của biến áp.
Phương trình cho trường điện từ của cuộn dây sơ cấp như sau:
E1=4.44fϕmN1=4.44fBmAN1
Phương trình cho trường điện từ của cuộn dây thứ cấp như sau:
E2=4.44fϕmN2=4.44fBmAN2
Trong đó,
f - Tần số cung cấp,
ϕm – Lưu lượng từ tối đa trong lõi,
Bm– Mật độ lưu lượng từ tối đa trong lõi,
A – Diện tích mặt cắt ngang của lõi,
N1 và N2 – Số vòng quấn trong cuộn dây chính và cuộn dây thứ cấp.
Tỷ số vòng dây của biến áp
Tỷ số vòng dây của biến áp được định nghĩa là tỷ lệ giữa số vòng dây ở phía sơ cấp (N1) và số vòng dây ở phía thứ cấp (N2) của biến áp.
Tỷ số vòng dây = Vòng dây sơ cấp (N1)/Vòng dây thứ cấp (N2)
Tỷ số biến đổi điện áp của biến áp
Thuật ngữ “tỷ số biến đổi điện áp” đề cập đến mối quan hệ giữa điện áp đầu ra xoay chiều (AC) và điện áp đầu vào xoay chiều (AC) của biến áp. Nó được ký hiệu là K.
Tỷ số biến đổi điện áp,
K=Điện áp đầu ra (V2)/Điện áp đầu vào (V1)
Tỷ số biến đổi dòng điện của biến áp
Thuật ngữ “tỷ số biến đổi dòng điện” đề cập đến tỷ lệ giữa dòng điện đầu ra, tức là dòng điện chảy qua cuộn dây thứ cấp, và dòng điện đầu vào, tức là dòng điện chảy qua cuộn dây sơ cấp của biến áp.
Tỷ số biến đổi dòng điện,
K=Dòng điện cuộn thứ cấp(I2)/Dòng điện cuộn sơ cấp(I1)
Mối quan hệ giữa Tỷ lệ biến đổi Dòng điện & Tỷ lệ biến đổi Điện áp, & Tỷ lệ vòng dây
Công thức sau đây chỉ ra mối liên hệ giữa tỷ lệ vòng dây, tỷ lệ biến đổi điện áp và tỷ lệ biến đổi dòng điện:
Tỷ lệ vòng dây =N1/N2=V1/V2=I2/I1=1/K
Trong điều kiện này, tỷ lệ biến đổi điện áp được đảo ngược bởi tỷ lệ biến đổi dòng điện. Điều này là vì mỗi khi biến áp tăng điện áp, nó đồng thời giảm dòng điện theo cùng tỷ lệ để giữ cho cường độ từ trường (MMF) trong lõi ở mức ổn định.
Phương trình Biến áp MMF
Lực từ động được ký hiệu là MMF. Đánh giá ampe-vòng của biến áp là một tên khác của MMF. Từ thông được thiết lập trong lõi biến áp được tạo ra bởi MMF. Nó được xác định bằng cách nhân số vòng dây với dòng điện chảy qua nó.
Cuộn sơ cấp, MMF=N1I1
Cuộn dây thứ cấp, MMF=N2I2
Trong đó,
I1-Dòng điện trong cuộn dây sơ cấp của biến áp
I2– Dòng điện trong cuộn dây thứ cấp của biến áp
Điện trở tương đương của cuộn dây biến áp
Dây đồng thường được sử dụng trong việc chế tạo cuộn dây sơ cấp cũng như cuộn dây thứ cấp của biến áp. Do đó, chúng có một điện trở hữu hạn, mặc dù khá thấp. R1 là ký hiệu dùng để chỉ điện trở của cuộn dây sơ cấp, trong khi R2 là ký hiệu dùng để biểu thị điện trở của cuộn dây thứ cấp.
Khi đề cập đến toàn bộ mạch của biến áp, dù là phía sơ cấp hay phía thứ cấp, điện trở tương đương của cuộn dây biến áp được đưa ra.
Do đó, điện trở tương đương của cuộn dây trên phía sơ cấp của biến áp có thể được tính toán như sau:
R01=[R1+R′2]=[R1+(R2/K2)]
Độ kháng tương đương của cuộn dây trên phía thứ cấp của biến áp có thể được tính như sau:
R02=[R2+R′1]=[R2+(R1K2)]
Trong đó,
R1 ′ đại diện cho độ kháng của cuộn dây sơ cấp tham chiếu đến phía thứ cấp,
R2 ′ đại diện cho độ kháng của cuộn dây thứ cấp tham chiếu đến phía sơ cấp,
R1 đại diện cho độ kháng cuộn dây sơ cấp,
R2 đại diện cho độ kháng cuộn dây thứ cấp,
R01 đại diện cho điện trở tương đương của biến áp so với phía sơ cấp và
R02 đại diện cho điện trở tương đương của biến áp so với phía thứ cấp.
Độ phản kháng rò rỉ của cuộn dây biến áp
Thuật ngữ “độ phản kháng rò rỉ của cuộn dây biến áp” đề cập đến độ phản kháng cảm ứng được tạo ra do sự rò rỉ của dòng từ thông trong biến áp.
Về cuộn dây sơ cấp,
X1= E1/I1
Về cuộn dây thứ cấp
X2= E2/I2
Trong phương trình này,
X1 đại diện cho độ phản kháng rò rỉ của cuộn dây sơ cấp,
X2 đại diện cho điện kháng rò rỉ của cuộn dây thứ cấp,
E1 đại diện cho điện thế tự cảm của cuộn dây sơ cấp, và
E2 đại diện cho điện thế tự cảm của cuộn dây thứ cấp.
Điện Kháng Tương Đương của Cuộn Dây Biến áp
Điện kháng tổng cộng mà cuộn dây sơ cấp và thứ cấp của biến áp đóng góp vào điện kháng tổng cộng được gọi là điện kháng tương đương.
Điện kháng tương đương của biến áp, khi áp dụng cho phía sơ cấp, là như sau:
X01=[X1+X′2]=[X1+(X2/K2) ]
Điện kháng tương đương của biến áp, khi áp dụng cho phía thứ cấp, là như sau:
X02=[X2+X′1]=[X2+(K2X1)]
Trong phương trình này
X'1 đại diện cho phản kháng rò của cuộn dây sơ cấp trên phía thứ cấp và
X'2 đại diện cho phản kháng rò của cuộn dây thứ cấp trên phía sơ cấp.
Tổng trở kháng của cuộn dây biến áp
Thuật ngữ "tổng trở kháng của cuộn dây biến áp" đề cập đến sự chống lại được cung cấp bởi sự kết hợp của các điện trở cuộn dây và phản kháng rò.
Trở kháng của cuộn dây sơ cấp của biến áp được nêu là
Z1=√R21+X21
Trở kháng của cuộn dây thứ cấp của biến áp được nêu là
Z2=√R22+X22
Ở phía sơ cấp của biến áp, trở kháng tương đương được tính như sau:
Z01=√R201+X201
Ở phía thứ cấp của biến áp, trở kháng tương đương được tính như sau:
Z02=√R202+X202
Phương trình Điện áp Đầu vào và Đầu ra của Biến áp
Trong mạch tương đương của biến áp, công thức KVL được sử dụng để lấy phương trình điện áp cho cả đầu vào và đầu ra của biến áp.
Phương trình cho điện áp đầu vào của biến áp có thể được viết như sau:
V1=E1+I1R1+jI1X1=E1+I1(R1+jX1)=E1+I1Z1
Phương trình cho điện áp đầu ra của biến áp có thể được viết như sau:
V2=E2−I2R2−jI2X2=E2−I2(R2+jX2)=E2−I2
Mất mát của biến áp
1). Mất mát lõi &
2). Mất mát đồng
là hai loại tổn thất khác nhau có thể xảy ra trong biến áp.
1). Tổn thất lõi
Tổn thất do độ trễ từ và tổn thất do dòng xoáy góp phần vào tổng tổn thất lõi của biến áp, có thể được biểu diễn như sau:
Tổn thất lõi = Ph + Pe
Trong điều kiện này, tổn thất do độ trễ từ xảy ra do sự đảo chiều từ trường trong lõi.
Tổn thất do độ trễ từ, Ph = ηB1.6maxfV
Ngoài ra, tổn thất do dòng xoáy xảy ra do dòng xoáy chảy bên trong lõi.
Tổn thất do dòng xoáy, Pe = keB2mf2t2
Trong đó,
η – Hệ số Steinmetz,
Bm– Mật độ từ thông cực đại của lõi,
Ke– Hằng số dòng xoáy,
f – Tần số đảo chiều từ thông, và
V – Thể tích của lõi.
2). Thiệt hại do đồng
Thiệt hại do đồng xảy ra do cuộn dây biến áp có điện trở cao.
Thiệt hại do đồng=I21R1+I22R2
Điều chỉnh điện áp của biến áp
Sự thay đổi điện áp đầu ra của biến áp từ không tải đến đầy tải được mô tả là điều chỉnh điện áp của biến áp, và nó được đo lường so với điện áp không tải của biến áp.
Điều chỉnh điện áp=(Điện áp không tải - Điện áp đầy tải)/Điện áp không tải
Hiệu suất của biến áp
Hiệu suất của biến áp được định nghĩa là tỷ lệ giữa công suất đầu ra và công suất đầu vào.
Hiệu suất,η=Công suất đầu ra(Po)/Công suất đầu vào(Pi)
Hiệu suất,η=Công suất đầu ra/(Công suất đầu ra+Mất mát)
Hiệu Suất Của Biến Áp Trong Mọi Điều Kiện Tải
Công thức sau đây được sử dụng để xác định hiệu suất của biến áp ở một tải cụ thể:
η= x × kVA tải đầy đủ×hệ số công suất/(x × kVA tải đầy đủ×hệ số công suất)+Mất mát
Hiệu Suất Của Biến Áp Trong Ngày
Hiệu suất trong ngày của biến áp được định nghĩa là tỷ lệ giữa năng lượng đầu ra (kWh) và năng lượng đầu vào (kWh) trong khoảng thời gian 24 giờ.
ηallday=Năng lượng đầu ra tính theo kWh / Năng lượng đầu vào tính theo kWh
Điều Kiện Để Đạt Hiệu Suất Tối Đa Của Biến Áp
Khi tổn thất lõi và tổn thất đồng của biến áp bằng nhau, hiệu suất của biến áp đạt mức tối đa.
Do đó, để đạt hiệu suất tối đa của biến áp
Mất mát đồng = Mất mát lõi
Hiệu suất biến áp tối đa tương ứng với dòng tải
Dòng tải (hoặc) dòng cuộn thứ cấp cho hiệu suất tối đa của biến áp được cung cấp bởi,
I2=√Pi/R02
Kết luận
Bài viết này đã giải thích các công thức quan trọng nhất của biến áp, điều này cực kỳ quan trọng đối với tất cả những người học kỹ thuật điện và mọi chuyên gia kỹ thuật điện.
Tuyên bố: Trân trọng nguyên bản, bài viết tốt đáng để chia sẻ, nếu có vi phạm quyền tác giả xin vui lòng liên hệ để xóa.
