Biến áp loại nhỏ và biến áp tự ngẫu

Hiệu suất của máy biến áp
Hiệu suất là tỷ lệ giữa công suất thực đầu ra với công suất thực đầu vào. Do tiêu hao ở lõi sắt và cuộn dây nên công suất thực đầu vào luôn lớn hơn công suất thực đầu ra.

Tiêu hao trong lỗi sắt. Từ thông qua lỗi sắt không đổi độc lập với tải. Nếu điện áp đầu vào không đổi thì tổn hao do sự đào từ và do dòng điện xoáy (Foulcault) cũng sẽ không đổi. Khi biến áp chạy không tải thì không có tiêu hao cuộn dây trong cuộn dây đầu ra. Vì biến áp chỉ nhận dòng điện nhỏ nên tiêu hao ở cuộn đầu vào cũng rất nhỏ do đó có thể bỏ qua. Trong thí nghiệm chạy không tải (Hình 2a) công suất thực ở đầu vào cũng chính là công suất tiêu hao trong lõi sắt. Tiêu hao trong lõi sắt cũng được gọi là tiêu hao không tải.
Tiêu hao trong lõi sắt được đo trong thí nghiệm chạy không tải.
Tiêu hao trong cuộn dây. ở các cuộn dây của máy biến áp sẽ có các dòng điện khác nhau chạy qua tùy theo tải, gây ra tiêu hao nhiệt. Tiêu hao này phát sinh do điện trở của cuộn cảm được gọi là tiêu hao cuộn dây. Tiêu hao này tăng theo bình phương với tải. Nó phụ thuộc vào dòng điện và do đó phụ thuộc vào công suất biểu kiến của tài tiêu thụ gắn vào biến áp (Hình 1) và không phụ thuộc vào công suất thực.

Tải tiêu thụ có hệ số công suất hiệu dụng càng lớn thì hiệu suất của máy biến áp sẽ càng tốt.
Khi tiến hành đo điện áp ngắn mạch, tại cuộn dây sẽ xuất hiện dòng điện thiết kế và gây ra tổn hao nhiệt trong cuộn dây. Lúc đo điện áp ngắn mạch, chỉ có một từ thông nhỏ chạy qua lõi sắt vì biến áp chỉ có một điện áp thấp và ngắn mạch. Trong thí nghiệm ngắn mạch (Hình 2b) gần như không có tiêu hao lõi sắt, công suất thực ở đầu vào máy biến áp chính là công suất tiêu hao trong cuộn dây tại công suất thiết kế.

Tiêu hao trong cuộn dãy được đo trong thí nghiệm ngắn mạch.
Hiệu suất năm của máy biến áp là tỷ lệ giữa công phát ra (tiêu thụ) và công nhận vào (đơn vị kWh) trong suốt một năm. Điện năng nhận vào lớn hơn vì nó bao gồm cả tổn hao trong lõi sắt và cuộn dây. Hiệu suất năm sẽ giảm đi khi máy biến áp có điện liên tục, nhưng chỉ hoạt động với tải từng thời kỳ. Nguyên nhân là do tiêu hao lõi sắt không phụ thuộc vào tải.
2. Biến áp loại nhỏ
Biến áp loại nhỏ có công suất thiết kế đến 16 kVA, điện áp đầu vào đến 1000 V và tần số đến 500 Hz.
Thông số về điện áp ghi trên biển công suất (Hình 1) có giá trị khi tải lớn bằng công suất thiết kế và hệ số công suất hiệu dụng cos (p = 1. Biến áp loại nhỏ sản xuất cho những người không chuyên cần phải được chế tạo đặc biệt an toàn, thí dụ biến áp dùng cho đồ chơi trẻ em.

Mật độ dòng điện cho phép của biến áp loại nhỏ là vào khoảng giữa 1 A/mm2 và 6 A/mm2 tùy theo kích thước và cách làm nguội.
Các loại biến áp nhỏ
Các loại máy biến áp nhỏ được ký hiệu như trong hình vẽ (Hình 2). Điện áp tải thiết kế (điện áp đầu ra tại tài thiết kế) có thể nhỏ hơn đáng kể so với điện áp không tải.

Dung sai đối với điện áp đầu ra:
+ 10% cho các biến áp bắt buộc phải chịu được ngắn mạch
± 5% cho các biến áp loại nhỏ khác.
Các biến áp không chịu được ngắn mạch phải được bảo vệ nhờ các thiết bị bảo vệ gắn trước nó đề bảo vệ chống lại các hậu quả của ngắn mạch.
Biến áp chịu được ngắn mạch có điện áp ngắn mạch lớn. Dòng điện ngăn mạch của biến áp này nhỏ đến mức biến áp không bị hư hại nào dù ngắn mạch kéo dài.
Biến áp chịu ngắn mạch có điều kiện có một cầu chì nóng chảy, một công tăc bảo vệ chống quá dòng, hoặc một thiết bị giới hạn nhiệt độ tự động ngắt điện khi ngắn mạch.
Biến áp cách ly là các loại biến áp có các cuộn dây không nối kết điện với nhau có tác dụng cách ly để bảo vệ (Hình 3). Cuộn dây đầu vào của biến áp cách ly phải bảo đảm cách ly an toàn khỏi những kết nối không mong muốn với cuộn dây đầu ra, thí dụ như dùng lõi cuộn dây riêng rẽ, hoặc lõi cuộn dây có lớp ngàn. Biến áp cách ly có thể di chuyển cần phải có cách điện bảo vệ.

Biến áp tự ngẫu (Biến áp tiết kiệm) hoạt động như một biến áp loại nhỏ, thí dụ như để điều chỉnh điện áp phù hợp với điện áp thiết kế của thiết bị khi nguồn điện áp cung cấp quá cao hoặc quá thấp. Điện áp thiết kế tối đa cho phép đối với biến áp tự ngẫu gia dụng là 250 V. Biến áp tự ngẫu phải được lắp ráp sao cho sợi dây bảo vệ của lưới cung cấp điện cũng phải có hiệu lực tại đầu ra.
Biến áp nối lưới điện có một hoặc nhiều cuộn thứ cấp, không nối kết điện với cuộn sơ cấp. Nó được dùng để nối các máy truyền thanh và truyền hình với lưới điện.
Biến áp an toàn (biến áp bảo vệ) (Hình 3) cung cấp điện áp thấp ở đầu ra cho mạch điện SELV (an toàn điện áp rất thấp) và mạch PELV (bảo vệ ở điện áp thấp). Công suất thiết kế cao nhất của biến áp này là 10 kVA, tần số thiết kế cao nhất là 500 Hz. Điện áp thiết kế tại đầu ra CÓ giá trị tới 50 V, thí dụ: 6 V, 12 V hay 24 V. Biến áp an toàn phải chịu được ngăn mạch hoặc ngắn mạch có điều kiện. Cuộn điện áp cao phải được cách ly đối với cuộn điện áp thấp một cách cẩn thận bằng một lớp cách điện giữa chúng, để khi cuộn dây dời chỗ hoặc có những bộ phận kim loại rơi xuống, sẽ không xảy ra kết nối giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp.
Chỉ có các biến áp an toàn theo chuẩn EN 60742 mới được phép sử dụng để bảo vệ bằng điện áp thấp (SELV và PELV).
Biến áp chuông cửa có điện áp thiết kế đầu ra không vượt quá 24 V và phải chịu được ngắn mạch. Nối điện đầu ra phải tiếp cận được mà không phải để hở nối điện đầu vào.
3. Biến áp tự ngẫu (Biến áp tiết kiệm)
Máy biến áp tự ngẫu có hai cuộn dây, cuộn song song và cuộn nối tiếp. Cả hai được mắc nối tiếp với nhau (Hình 1). Cuộn dây song song là cuộn điện áp thấp. Cuộn dây này được nối song song với tải trong trường hợp giảm thế. Cuộn điện áp cao bao gồm cuộn song song và cuộn nối tiếp mắc nối tiếp nhau. Máy biến áp tự ngẫu nhỏ được chế tạo dưới dạng máy biến áp điều chỉnh được với lõi dạng vòng (Hình 2) tương tự như biến trở xoay.

Với máy biến áp tự ngẫu ta có thể điều chỉnh điện áp giảm xuống hoặc tăng lên.

Với máy biến áp tự ngẫu (không tiêu hao) ta cũng có:
Ở máy biến áp tự ngẫu, cuộn dây đầu vào được nối trực tiếp với cuộn dây đầu ra và không có sự cách ly điện thế đối với mạng lưới điện cung cấp.
Biến áp tự ngẫu (tiết kiệm) không được phép dùng để tạo ra điện áp thấp.
Tổng công suất phát ra của một máy biến áp tự ngẫu được gọi là công suất truyền suốt SD. Một phần của công suất này sẽ được truyền qua đường dẫn điện cúa cuộn dây đầu vào và phần còn lại sẽ được truyền tải qua từ thông của lõi sắt. Khi trị số của tỉ số biến đổi ũ càng tiến đến 1, thì công suất SB do điện cảm sinh ra càng nhỏ khi công suất truyền suốt SD = U2 • I2 không đổi. Từ công suất Sb người ta sẽ xác định kích thước của biến áp tự ngẫu.
ở máy biến áp tự ngẫu ta tiết kiệm được vật liệu cho dây dẫn và lõi sắt, vì thế nó còn được gọi là máy biến áp tiết kiệm.

So với máy biến áp có cuộn dây riêng, máy biến áp tự ngẫu có thể tiết kiệm càng nhiều, khi trị số điện áp đầu ra càng gần điện áp đầu vào. Hiệu suất của biến áp tự ngẫu lên đến 99,8% khi điện áp hai đâu chỉ chênh lệch nhau 10%. Điện áp ngắn mạch thường thấp, phí tồn cách điện cho đầu vào và đầu ra như nhau. Máy biến áp tự ngẫu không phải là bộ phận áp cảm ứng, mà hoạt động như máy biến áp thực sự nhờ có liên kết từ. Loại máy này được sử dụng nhiều trong công nghệ điện vì có tiêu hao thấp và điên áp đầu ra độc lập với tải.
ứng dụng: Điện áp tự ngẫu được sử dụng làm máy biến áp khởi động cho động cơ điện ba pha, biến áp điều chỉnh trong các mạng lưới cao áp và biến đồi siêu cao thế thí dụ từ 220 kV lên 380 kV.