Máy biến áp lý tưởng là gì ? Nguyên lý làm việc của nó

Máy biến áp lý tưởng là gì ?

Máy biến áp lý tưởng là một máy biến áp tưởng tượng với điện trở, rò rỉ từ, đồng và tổn thất lõi bằng không. Nói cách khác, máy biến áp lý tưởng là một máy biến áp lý thuyết (mô hình khái niệm) bao gồm hai cuộn cảm tổn thất thuần túy trên lõi của máy biến áp. Nói đơn giản, đầu vào của một máy biến áp lý tưởng bằng đầu ra của máy biến áp. Hãy nhớ rằng một máy biến áp lý tưởng không thể có trong thực tế.

Các máy biến áp lý tưởng được thiết kế để có các tính chất gần với máy biến áp lý tưởng. Các tính chất của máy biến áp lý tưởng được liệt kê dưới đây.

• Điện trở cuộn dây (điện trở cuộn dây sơ cấp và thứ cấp) bằng không.
• Dòng rò rỉ từ và cảm kháng rò rỉ của nó bằng không. Do đó, toàn bộ dòng từ có sẵn trong lõi và liên kết trong cả hai cuộn dây.
• Độ từ hóa của lõi là vô cùng. Do đó, chỉ cần một lượng MMF tối thiểu để thiết lập dòng từ trong lõi.
• Các tổn thất xảy ra do điện trở, sự hồi lưu và dòng điện xoáy bằng không.

Về mặt toán học trong một máy biến áp lý tưởng,

• PIN = POUT

Và

• VIN = VOUT

Tương tự

• IIN = IOUT

Hơn nữa, không có tổn thất nào trong một máy biến áp lý tưởng ví dụ:

• Ohmic (Tổn thất điện trở = 0)
• Tổn thất dòng rò rỉ từ = 0
• Tổn thất đồng và lõi = 0

Điều này cho thấy trong một máy biến áp lý tưởng, dòng điện và điện áp đầu vào ở phía sơ cấp bằng với dòng điện và điện áp đầu ra ở phía thứ cấp. Theo cách này, tổng công suất điện đầu vào của máy biến áp bằng với công suất đầu ra của máy biến áp do không có tổn thất dòng rò rỉ từ, điện trở và độ tự cảm trong cả hai cuộn dây của máy biến áp lý tưởng.

Nguyên lý làm việc của Máy biến áp lý tưởng

Trong một máy biến áp lý tưởng như trong hình dưới đây, dòng điện đi qua cuộn sơ cấp tạo ra một từ trường. Cuộn sơ cấp và thứ cấp được quấn quanh một lõi có độ từ hóa rất cao, chẳng hạn như sắt, để hầu hết dòng từ đi qua cả cuộn sơ cấp và thứ cấp. Nếu một tải được nối với cuộn thứ cấp, dòng điện và điện áp tải sẽ theo các hướng chỉ ra, với giả định dòng điện và điện áp sơ cấp theo các hướng chỉ ra (mỗi dòng điện thực tế sẽ là dòng điện xoay chiều vì máy biến áp không hoạt động với nguồn một chiều).

Các tính chất của máy biến áp lý tưởng không hoàn toàn bằng với máy biến áp lý tưởng vì có nhiều loại tổn thất xảy ra trong máy biến áp. Không thể có được tất cả các tính chất trên trong một máy biến áp lý tưởng. Nhưng chúng ta cố gắng đạt được các tính chất của máy biến áp lý tưởng gần với các tính chất trên.

Hiệu suất của máy biến áp lý tưởng là 100% vì tổn thất I2R và tổn thất lõi của máy biến áp bằng không. Nhưng trong máy biến áp lý tưởng, có một số tổn thất không thể bỏ qua. Và do đó, chúng ta không thể đạt được hiệu suất 100% trong một máy biến áp lý tưởng.

Sơ đồ mạch của máy biến áp lõi sắt lý tưởng được thể hiện trong hình dưới đây.

Ở đây, hai cuộn dây được quấn trong lõi từ chung. Cuộn dây được kết nối với điện áp nguồn V1 là cuộn sơ cấp và cuộn dây được kết nối với tải ZL là cuộn thứ cấp.

Như chúng ta đã thảo luận trong các tính chất của máy biến áp lý tưởng rằng không có điện trở nào trong cả hai cuộn dây. Do đó, điện áp cảm ứng trong cuộn sơ cấp bằng với điện áp đặt V1. Tương tự, điện áp cảm ứng E2 trong cuộn thứ cấp là như nhau với điện áp thứ cấp V2.

Để tạo ra MMF và dòng từ tương hỗ ФM cần thiết, dòng điện cung cấp I1 là đủ. MMF này đủ để vượt qua hiệu ứng từ hóa ngược của MMF thứ cấp do tải gây ra.

Theo định luật Lenz, E1 bằng và ngược với V1.

• E1 = –V1

EMF sơ cấp và thứ cấp được cảm ứng bởi cùng một dòng từ tương hỗ. Do đó, E1 và E2 cùng phương và ngược với phương của V1.

Dòng từ hóa Iμ tạo ra dòng từ tương hỗ ФM cùng pha. Và Iμ chậm pha V1 90 ̊. E1 và E2 được tạo ra bởi dòng từ tương hỗ ФM và chậm pha 90 ̊. Điện áp thứ cấp V2 bằng về độ lớn với E2 và ngược với điện áp sơ cấp V1.

Hình dưới đây thể hiện sơ đồ vectơ của một máy biến áp lý tưởng.

Tỷ số biến áp (tỷ số vòng quay) (a) cho một máy biến áp lý tưởng được xác định bởi các phương trình dưới đây.

Trong đó,

a = Tỷ số biến áp
T1, T2 = Số vòng quay ở cuộn sơ cấp và thứ cấp
E1, E2 = Điện áp cảm ứng
V1 = Điện áp cung cấp (điện áp sơ cấp)
V2 = Điện áp thứ cấp
I1, I2 = Dòng điện đi qua cuộn sơ cấp và thứ cấp

Từ phương trình trên,

• I1T1 = I2T2

Theo phương trình trên, chúng ta có thể nói rằng ampe quay ngược chiều (AT) của cuộn thứ cấp bằng và ngược chiều với MMF từ hóa của cuộn sơ cấp của một máy biến áp lý tưởng.

• E1I1 = E2I2
• S1 = S2

Theo phương trình trên, công suất biểu kiến (volt-ampe) hút từ nguồn cung cấp sơ cấp bằng với công suất biểu kiến được truyền tới phía thứ cấp mà không có bất kỳ tổn thất nào trong máy biến áp lý tưởng.

Nói cách khác; công suất biểu kiến đầu vào bằng với công suất biểu kiến đầu ra.

Công suất biểu kiến đầu vào = Công suất biểu kiến đầu ra

Do đó, KVA đầu vào của một máy biến áp lý tưởng bằng với KVA đầu ra. Điều này không xảy ra trong trường hợp máy biến áp lý tưởng vì có một số tổn thất.

Máy biến áp lý tưởng

Một máy biến áp lý tưởng được giải thích với một số giả định. Những giả định này không có giá trị đối với máy biến áp thực tế. Bởi vì, trong một máy biến áp lý tưởng, chúng ta đã giả định các cuộn dây có điện trở bằng không và lõi có độ từ hóa vô cùng. Điều này không thể xảy ra vì tất cả các cuộn dây đều có điện trở và vật liệu lõi không thể có độ từ hóa vô cùng.Do đó, trong một máy biến áp thực tế, chúng ta cần xem xét điện trở cuộn dây và độ tự cảm rò rỉ.

Độ trở cuộn dây

Trong một máy biến áp lý tưởng hoặc thực tế, luôn luôn có một số điện trở trong cuộn sơ cấp và thứ cấp. Ảnh hưởng của điện trở cuộn dây được xem xét bằng cách thêm điện trở nối tiếp với mỗi cuộn dây. Sơ đồ tương đương của máy biến áp sau khi thêm điện trở được thể hiện trong hình dưới đây.

Do điện trở được thêm vào mạch, có một lượng điện áp rơi xuống mạch. Do đó, điện áp cảm ứng trong các cuộn dây không giống như điện áp. Vì vậy, chúng ta không thể giả định điện áp đầu cuối thứ cấp V2 bằng E2 và điện áp cung cấp V1 bằng E1.

Điện áp đầu cuối thứ cấp V2 nhỏ hơn EMF cảm ứng thứ cấp E2 một lượng là điện áp rơi thứ cấp I2R2.

V2 = E2 – I2R2

Tương tự, EMF cảm ứng sơ cấp E1 bằng với hiệu vectơ của điện áp cung cấp V1 và điện áp rơi sơ cấp I1R1.

E1 = V1 – I1R1

Độ tự cảm rò rỉ

Đối với một máy biến áp lý tưởng, chúng ta đã giả định rằng dòng từ được tạo ra bởi cuộn sơ cấp liên kết cả hai cuộn sơ cấp và thứ cấp. Nhưng trong trường hợp máy biến áp lý tưởng, không phải tất cả các dòng từ được tạo ra có sẵn trong lõi từ. Có một lượng dòng từ nhất định bị chuyển hướng đến môi trường xung quanh không phải sắt từ. Và cũng, lõi có độ từ hóa hữu hạn. Vì vậy, lượng dòng từ nhỏ này chảy trong đường dẫn bên ngoài được gọi là dòng rò rỉ sơ cấp. Nó được ký hiệu là ФL1.

Dòng điện thứ cấp I2 tạo ra một dòng từ Ф2 ngược chiều với dòng từ chính ФM. Một phần của dòng từ này bị chuyển hướng đến môi trường xung quanh. Dòng rò rỉ này được gọi là dòng rò rỉ thứ cấp ФL2. Dòng từ còn lại chỉ liên kết các vòng quay thứ cấp và cảm ứng EMF EL2 trong cuộn dây thứ cấp.

Do đó, dòng từ đi hoàn toàn qua lõi và liên kết cả hai cuộn dây được gọi là dòng từ tương hỗ ФM. Sơ đồ điển hình của các dòng từ trong máy biến áp được thể hiện trong hình dưới đây.

Do dòng rò rỉ từ ФL1 và ФL2, EMF cảm ứng EL1 và EL2 khác với EMF cảm ứng E1 và E2 do dòng từ tương hỗ ФM gây ra. Ảnh hưởng của dòng rò rỉ từ được xem xét bằng cách thêm độ tự cảm nối tiếp với mỗi cuộn dây. Nó được thêm vào sao cho điện áp rơi trong mỗi độ tự cảm nối tiếp (X1 và X2) bằng với điện áp được tạo ra bởi các dòng rò rỉ từ. Sự đại diện của độ tự cảm rò rỉ được thể hiện trong hình dưới đây.

Độ tự cảm rò rỉ của máy biến áp lý tưởng

Trong đó,

X1 = Độ tự cảm rò rỉ sơ cấp
X2 = Độ tự cảm rò rỉ thứ cấp

Các độ tự cảm được thêm vào mạch trên là một đại lượng hư cấu được giới thiệu như một sự tiện lợi để đại diện cho dòng rò rỉ sơ cấp và thứ cấp.