Tổn thất độ trễ trong máy biến áp là năng lượng được chuyển thành nhiệt trong lõi khi từ trường xoay chiều đảo ngược và các miền từ di chuyển xung quanh vòng lặp B-H mỗi chu kỳ. Nó phụ thuộc vào vật liệu, tần số, mức thông lượng và nhiệt độ. Bài viết này giải thích chi tiết nguyên nhân, vật liệu cốt lõi, phương trình, hiệu ứng hệ thống, thử nghiệm, mô hình hóa và các cách để giảm tổn thất độ trễ.
Mất độ trễ trong máy biến áp
Tổn thất độ trễ trong máy biến áp là năng lượng điện biến thành nhiệt bên trong lõi từ mỗi khi điện áp xoay chiều đổi hướng. Khi dòng điện đi dương và âm, từ trường trong lõi cũng lật qua lại. Các vùng từ tính nhỏ bên trong lõi phải di chuyển và sắp xếp lại trong mỗi chu kỳ, và chuyển động này không hoàn toàn trơn tru. Do đó, một số năng lượng bị mất dưới dạng nhiệt mỗi khi trường đảo ngược.
Sự mất mát này vẫn tồn tại ngay cả khi máy biến áp được dỡ tải, vì vậy nó vẫn tiêu thụ điện năng và lãng phí năng lượng. Tổn thất độ trễ làm giảm hiệu suất của máy biến áp, tăng thêm việc sử dụng điện năng không tải và làm tăng nhiệt độ lõi. Mức độ tổn thất độ trễ ảnh hưởng đến kích thước lõi, việc lựa chọn vật liệu lõi và mức độ làm mát cần thiết để giữ cho máy biến áp hoạt động an toàn.
Miền từ tính và mất độ trễ
Bên trong lõi từ của máy biến áp, vật liệu được tạo thành từ nhiều vùng nhỏ được gọi là miền từ. Ranh giới giữa các miền được gọi là tường miền. Những bức tường này không di chuyển tự do, bởi vì chúng bị kìm hãm bởi những khuyết điểm bên trong vật liệu. Mỗi khi trường AC thay đổi hướng, cần thêm năng lượng để di chuyển các bức tường miền này. Năng lượng dư thừa đó được chuyển thành nhiệt trong lõi và trở thành một phần của tổn thất độ trễ trong máy biến áp.
Vòng lặp B – H và mất độ trễ trong lõi máy biến áp
Vòng lặp B – H là một biểu đồ cho thấy mật độ từ thông B trong lõi máy biến áp thay đổi như thế nào khi cường độ từ trường H trải qua một chu kỳ AC đầy đủ. Khi dòng điện xoay chiều tăng, giảm và đảo ngược, điểm trên biểu đồ này di chuyển xung quanh một vòng khép kín thay vì đi theo một đường thẳng duy nhất. Hình dạng và kích thước của vòng lặp này cho biết lõi hoạt động như thế nào và lượng năng lượng bị mất dưới dạng nhiệt do độ trễ.
Các phần cơ bản của vòng lặp B – H
• Vùng bão hòa: Khi H rất cao, B hầu như không tăng, có nghĩa là lõi đã bão hòa.
• Dư (Br): Khi H trở về không, B không bằng không, cho thấy lõi giữ một số từ hóa.
• Trường cưỡng chế (Hc): Đây là giá trị ngược lại của H cần thiết để đưa B trở lại bằng không.
• Khu vực vòng lặp: Khu vực bên trong vòng lặp là viết tắt của năng lượng bị mất trong lõi trong mỗi chu kỳ; diện tích lớn hơn có nghĩa là mất độ trễ cao hơn.
Phương trình Steinmetz cho tổn thất độ trễ
Ph = kh f B nmax V
| Ký hiệu | Ý nghĩa |
|---|---|
| (*Ph*) | Mất độ trễ (W) |
| (*kh*) | Hằng số phụ thuộc vào vật liệu lõi |
| (*f*) | Tần số AC (tính bằng hertz, Hz) |
| (*B nmax*) | Mật độ thông lượng tối đa trong lõi (tính bằng tesla, T) |
| (*n*) | Số mũ Steinmetz (thường là > 1) |
| (*V*) | Thể tích lõi (m³) |
Vật liệu lõi máy biến áp và mất độ trễ
Thép silicon định hướng hạt
• Có một vòng trễ hẹp theo một hướng chính
• Cho tổn thất độ trễ thấp hơn dọc theo hướng đó ở tần số đường dây điện
Thép điện không định hướng
• Có tính chất từ tính đồng đều hơn theo mọi hướng
• Cho thấy tổn thất độ trễ cao hơn một chút nhưng hoạt động tốt khi thông lượng thay đổi hướng trong lõi
Ferit (MnZn, NiZn)
• Có độ trễ rất thấp và tổn thất dòng điện xoáy ở tần số cao
• Giúp giữ cho tổn thất độ trễ nhỏ hơn trong máy biến áp tần số cao
Hợp kim vô định hình và tinh thể nano
• Có vòng trễ rất hẹp
• Cung cấp tổn thất độ trễ rất thấp để hoạt động tiết kiệm năng lượng
Những vật liệu này đặc biệt quan trọng trong máy biến áp tần số cao, được thảo luận trong Phần 9.
Điều kiện hoạt động ảnh hưởng đến tổn thất độ trễ
tần số
Khi tần số tăng lên, từ trường trong lõi đảo chiều nhiều lần hơn mỗi giây. Mỗi lần lật gây ra một số tổn thất năng lượng, vì vậy nhiều lần lật mỗi giây có nghĩa là mất độ trễ lớn hơn.
Mật độ thông lượng đỉnh (Bmax)
Bmax cao hơn làm cho diện tích vòng lặp lớn hơn, làm tăng tổn thất độ trễ và có thể đưa lõi gần bão hòa hơn.
Nhiệt độ
Nhiệt độ thay đổi mức độ dễ dàng di chuyển của các miền từ tính bên trong lõi. Tùy thuộc vào vật liệu, tổn thất lõi có thể tăng hoặc giảm theo nhiệt độ, vì vậy dữ liệu từ vật liệu là cần thiết để biết tổn thất độ trễ hoạt động như thế nào.
Tổn thất độ trễ so với các tổn thất máy biến áp khác
| Loại thua lỗ | Nơi nó xảy ra | Nguyên nhân chính | Phụ thuộc chủ yếu vào |
|---|---|---|---|
| Độ trễ | Cốt lõi | Miền từ tính sắp xếp lại mỗi chu kỳ AC | Tần số, thông lượng đỉnh * B ** max *, vật liệu lõi |
| Dòng xoáy | Cốt lõi | Dòng điện cảm ứng trong lõi kim loại bằng cách thay đổi thông lượng | Tần số², * B ** tối đa * ², độ dày lõi |
| Đồng (I²R) | Cuộn dây | Dòng điện chạy qua điện trở trong dây | Dòng tải, điện trở dây |
| Đi lạc/rò rỉ | Không gian lõi/không gian | Từ thông không liên kết tất cả các cuộn dây | Hình dạng lõi, khoảng cách và bố cục |
Ảnh hưởng cấp hệ thống của tổn thất độ trễ trong máy biến áp
Tổn thất độ trễ trong máy biến áp cũng thay đổi cách nó hoạt động trong hệ thống điện. Nó gây ra việc sử dụng điện năng không tải cao hơn, vì vậy máy biến áp lấy nhiều điện năng hơn từ nguồn cung cấp ngay cả khi nó không cấp bất kỳ tải nào. Dòng điện từ hóa trở nên méo mó và ít giống như sóng sin mịn, làm cho hình dạng của nó không đồng đều hơn. Dòng điện không đồng đều này bổ sung thêm các thành phần tần số bổ sung được gọi là sóng hài, làm tăng hàm lượng sóng hài và tổng độ méo hài (THD) trong hệ thống. Đồng thời, một phần lớn dòng điện trở nên phản ứng thay vì hữu ích, điều này làm giảm hệ số công suất và có nghĩa là ít dòng điện hoạt động thực tế hơn.
Mất độ trễ trong lõi máy biến áp tần số cao
Trong nhiều mạch hiện đại, máy biến áp là các bộ phận nhỏ được gắn trên bảng mạch in và hoạt động ở tần số cao, thường là hàng chục hoặc hàng trăm kilohertz. Ở những tần số cao hơn này, tổn thất độ trễ trong lõi trở nên quan trọng hơn, bởi vì từ trường trong lõi đang thay đổi hướng nhiều lần mỗi giây. Lõi ferit được sử dụng trong trường hợp này, vì chúng giúp giữ cho tổn thất độ trễ và tổn thất dòng điện xoáy thấp hơn ở tần số cao.
Mật độ thông lượng tối đa, thường được viết là Bmax, được giới hạn cẩn thận để tổn thất lõi nằm trong mức an toàn và lõi không quá nóng. Các đường cong tổn thất lõi được cung cấp cho vật liệu được sử dụng để ước tính tổng tổn thất lõi, bao gồm cả tổn thất độ trễ, sẽ xảy ra ở một tần số và mức thông lượng nhất định. Bởi vì các máy biến áp này nằm gần các bộ phận khác trên bảng mạch, nhiệt từ tổn thất độ trễ ảnh hưởng đến nhiệt độ cục bộ và có thể ảnh hưởng đến mức độ hoạt động đáng tin cậy của các bộ phận lân cận.
Mô hình hóa tổn thất độ trễ trong mô phỏng mạch
Trong mô phỏng mạch, tổn thất độ trễ trong lõi máy biến áp được biểu diễn bằng các mô hình đơn giản vẫn nắm bắt được các hiệu ứng chính. Một phương pháp cơ bản là sử dụng điện trở song song với điện cảm từ hóa, để điện trở này đại diện cho công suất bị mất dưới dạng nhiệt trong lõi tại một điểm hoạt động đã chọn. Các mô hình tiên tiến hơn sử dụng các đường cong B-H phi tuyến tính, chẳng hạn như mô hình Jiles-Atherton hoặc Preisach, tuân theo hình dạng thực của vòng trễ và làm cho kết quả miền thời gian chính xác hơn.
Một phương pháp phổ biến khác là sử dụng các khối hành vi dựa trên Steinmetz, trong đó tổn thất lõi được tính toán từ dạng sóng thông lượng bằng cách sử dụng các phương trình kiểu Steinmetz và sau đó được thêm vào mạch như một phần tử tiêu tán năng lượng. Những cách tiếp cận này giúp cho thấy tổn thất độ trễ ảnh hưởng như thế nào đến dòng điện, điện áp và nhiệt độ trong máy biến áp mô phỏng.
Đo tổn thất độ trễ trong lõi máy biến áp
Kiểm tra vật liệu (khung Epstein hoặc tấm đơn)
Một dải hoặc tấm vật liệu lõi được đặt trong một thiết lập thử nghiệm đặc biệt và được điều khiển bằng trường AC đã biết. Vòng lặp B – H được ghi lại và tổn thất lõi trên một đơn vị thể tích được tính toán.
Kiểm tra lõi hình xuyến
Một cuộn dây được đặt trên lõi hình vòng (hình xuyến) và được cung cấp với điện áp và tần số đã chọn. Công suất đầu vào được đo và tổn thất I²R cuộn dây được trừ đi để tìm tổng tổn thất lõi, bao gồm cả tổn thất độ trễ.
Kiểm tra máy biến áp hở mạch
Cuộn sơ cấp của máy biến áp được cấp điện ở điện áp định mức của nó trong khi cuộn dây thứ cấp được để mở. Công suất rút ra từ nguồn chủ yếu là tổn thất lõi, là tổng của tổn thất độ trễ và tổn thất dòng điện xoáy.
Tần số và voltage quét
Thử nghiệm được lặp lại ở các tần số và mức điện áp khác nhau. Theo dõi những thay đổi tổn thất đo được giúp cho thấy khi nào tổn thất trễ là cần thiết hơn và khi tổn thất dòng điện xoáy trở thành một phần lớn hơn trong tổng số.
Kết luận
Tổn thất độ trễ đến từ chuyển động lặp đi lặp lại của các miền từ tính khi lõi quay quanh vòng lặp B – H của nó, biến một phần công suất đầu vào thành nhiệt ngay cả khi không tải. Kích thước của nó phụ thuộc vào vật liệu lõi, tần số, mật độ thông lượng và nhiệt độ. Với các lựa chọn mô hình, đo lường, vật liệu và thiết kế phù hợp, tổn thất độ trễ có thể được hạn chế và kiểm soát.
Câu hỏi thường gặp [FAQ]
Tổn thất độ trễ ảnh hưởng đến tuổi thọ của máy biến áp như thế nào?
Nó giữ cho lõi nóng hơn trong thời gian dài, giúp tăng tốc độ lão hóa cách điện và có thể rút ngắn tuổi thọ của máy biến áp.
Tổn thất độ trễ liên quan đến dòng khởi động như thế nào?
Do vòng lặp B-H và từ hóa còn sót lại, lõi có thể gần bão hòa khi bật, gây ra dòng khởi động rất cao trong một thời gian ngắn.
Hình dạng lõi có thay đổi mất độ trễ không?
Đúng. Lõi hình xuyến có tổn thất độ trễ thấp hơn lõi E–I vì đường dẫn từ mượt mà và đồng đều hơn.
Tổn thất độ trễ ảnh hưởng như thế nào đến chi phí năng lượng trong máy biến áp luôn bật?
Nó hoạt động như một nguồn điện không tải liên tục, làm tăng mức tiêu thụ năng lượng hàng năm và nhu cầu làm mát ngay cả khi công suất đầu ra thấp.
Căng thẳng hoặc lão hóa có thể làm tăng mất độ trễ không?
Đúng. Ứng suất cơ học, rung động, sưởi ấm và làm mát lặp đi lặp lại có thể làm xáo trộn cấu trúc lõi, mở rộng vòng lặp B – H và làm tăng tổn thất độ trễ theo thời gian.
