Điều gì xảy ra khi máy biến áp 50Hz hoạt động ở 60Hz và ngược lại?
Giả sử chúng ta có một máy biến áp với cùng định mức và thông số khi hoạt động ở tần số nguồn 60Hz và 50Hz. Hãy xem điều gì sẽ xảy ra.
Định mức & Thông số Máy biến áp
Giả sử, một máy biến áp có định mức như sau, trong đó chúng ta sẽ kết nối nó trước tiên với tần số nguồn 60Hz và sau đó là 50Hz.
- V = Điện áp = 5kV
- R = Điện trở = 6,1Ω
- L = Điện cảm = 0,3 Henry
- f = Tần số = 60Hz
Máy biến áp hoạt động ở 60Hz
Để tìm dòng điện ở cuộn sơ cấp của máy biến áp bằng cách sử dụng I = V / Z, trước tiên chúng ta sẽ tìm trở kháng phụ thuộc vào điện kháng cảm.
Điện kháng cảm = XL = 2πfL
- XL = 2πfL = 2 x 3,1415 x 60 x 0,3 = 113,1 Ω
Và
- Trở kháng Z = √ (R2+XL2)
- Z = √ (6.12+113.12)
- Z = 113,26 Ω
Bây giờ giá trị của dòng điện
- I = V / Z
- I = 5kV / 113,26 Ω
- I = 44,14 A
Máy biến áp hoạt động ở 50Hz
Cùng một máy biến áp bây giờ được kết nối với tần số 50Hz. Chúng ta sẽ thực hiện cùng một phép tính như trên cho máy biến áp 60Hz.
Điện kháng cảm = XL = 2πfL
- XL = 2πfL = 2 x 3.1415 x 50 x 0.3 = 94.245 Ω
Và
- Trở kháng = Z = √ (R2 + XL2)
- Z = √ (6.12 + 94.245 2)
- Z = 94,44 Ω
Bây giờ giá trị của dòng điện
- I = V / Z
- I = 5kV / 94,44 Ω
- I = 52,94 A
Chúng ta thấy rằng giá trị dòng điện sơ cấp trong trường hợp máy biến áp 50Hz lớn hơn trong trường hợp máy biến áp 60Hz.
Bây giờ dòng điện càng lớn, các vấn đề càng nhiều, tức là
- XL ∝ f
- Z ∝ XL
Nhưng
- XL ∝ 1/I
Và
- I ∝ I/Z
Nói một cách đơn giản:
- Khi tần số (f) tăng, điện kháng cảm (XL) tăng.
- Khi điện kháng cảm (XL) tăng, trở kháng (Z) tăng.
- Khi trở kháng tăng, dòng điện giảm.
- Vì vậy, chúng ta có thể nói rằng:
Khi chúng ta vận hành máy biến áp 60Hz trên nguồn cấp 60Hz, dòng điện là 44,14 A.
Nhưng khi vận hành máy biến áp 60Hz trên nguồn cấp 50Hz, dòng điện là 52,94 A.
Dòng điện dư trong trường hợp này có thể gây ra tổn thất đồng (P = I2R) và tạo ra nhiệt.
Chúng ta có thể sử dụng một thiết bị giới hạn dòng điện bổ sung (cuộn cảm hoặc điện trở) nối tiếp với cuộn dây sơ cấp của máy biến áp, qua đó chúng ta có thể tăng tổng trở kháng để giảm dòng điện dư. Bằng cách này, chúng ta có thể sử dụng máy biến áp 60Hz trên nguồn AC 50Hz.
Nếu chúng ta vẫn có thể vận hành máy biến áp 50Hz ở 60Hz, chúng ta có thể gặp phải các kết quả sau.
Điện áp đặt vào các cuộn dây sơ cấp của máy biến áp
V(t) = VM Sin ωt … Vôn
Được đặt vào cuộn dây sơ cấp của máy biến áp, từ thông của máy biến áp được cho bởi
Nếu điện áp đặt V tăng 10%, từ thông cực đại trong lõi cũng tăng 10%.
Sự tăng 10% từ thông đòi hỏi dòng điện từ hóa tăng lớn hơn nhiều so với 10% (xem hình dưới). Khi điện áp tăng, dòng điện từ hóa cao sẽ sớm trở nên không thể chấp nhận được. Điện áp đặt tối đa và điện áp định mức được đặt bởi dòng điện từ hóa tối đa có thể chấp nhận được trong lõi. Hãy nhớ rằng điện áp và tần số tỷ lệ nghịch (tức là V 1/f) khi giá trị từ thông cực đại không đổi.
ΦMax = – VM / ωNP
Trong đó
- ΦMax = Từ thông cực đại
- VM = Điện áp cực đại
- NP = Số vòng dây sơ cấp
- ω = 2πf (trong đó f = tần số)
Do đó, nếu một máy biến áp 60Hz được vận hành ở 50Hz, điện áp đặt vào nó cũng phải giảm 1/6 hoặc từ thông đỉnh trong lõi sẽ quá cao. Sự giảm điện áp đặt vào này theo tần số được gọi là hạ định mức.
Tương tự, một máy biến áp 50Hz có thể được vận hành ở điện áp cao hơn 20% ở 60Hz nếu hành động này không gây ra các vấn đề về cách điện.
