Chức năng và phân loại lõi máy biến áp

1. Chức năng của lõi máy biến áp

Máy biến áp thực tế luôn hoạt động trong điều kiện dòng điện xoay chiều (AC). Tổn thất điện năng không chỉ xảy ra ở điện trở của cuộn dây mà còn xảy ra ở lõi do từ hóa AC. Tổn thất điện năng trong lõi thường được gọi là 'tổn hao sắt' (hoặc tổn thất lõi), nguyên nhân là do hai yếu tố chính: 'tổn thất trễ' và 'tổn hao dòng điện xoáy.' Tổn thất trễ là năng lượng tiêu tán trong quá trình từ hóa do hiện tượng trễ. Độ lớn của tổn thất này tỷ lệ thuận với diện tích được bao quanh bởi vòng trễ của vật liệu. Bởi vì thép silicon có vòng trễ hẹp nên việc sử dụng nó làm vật liệu lõi giúp giảm đáng kể tổn thất trễ và giảm thiểu đáng kể sự sinh nhiệt.

Vì thép silicon có những ưu điểm này, tại sao lõi không được làm từ một khối thép silicon rắn mà thay vào đó được gia công thành các tấm mỏng? Điều này là do lõi nhiều lớp làm giảm một loại tổn thất sắt khác—tổn thất do dòng điện xoáy. Trong quá trình hoạt động, dòng điện xoay chiều trong cuộn dây tạo ra từ thông xoay chiều. Từ thông thay đổi này tạo ra dòng điện trong lõi. Dòng điện cảm ứng này chuyển động trong mặt phẳng vuông góc với hướng của từ thông nên gọi là dòng điện xoáy. Sự mất dòng điện xoáy cũng làm cho lõi nóng lên. Để giảm thiểu tổn thất này, lõi máy biến áp được cấu tạo bằng cách xếp chồng các tấm thép silicon cách điện với nhau. Điều này buộc dòng điện xoáy chạy qua các vòng hẹp có diện tích mặt cắt nhỏ hơn, do đó làm tăng điện trở của đường dẫn dòng điện xoáy. Ngoài ra, silicon trong thép làm tăng điện trở suất của vật liệu, giúp giảm dòng điện xoáy hơn nữa. Đối với lõi máy biến áp, thường chọn tấm thép silic cán nguội dày 0,35 mm. Chúng được cắt thành các dải hình chữ nhật theo kích thước lõi yêu cầu và sau đó xếp chồng lên nhau để tạo thành hình dạng 'hình số tám' hoặc hình chữ nhật. Về lý thuyết, các tấm thép silicon càng mỏng và dải càng hẹp thì tác dụng giảm dòng điện xoáy càng tốt. Điều này không chỉ làm giảm tổn thất dòng điện xoáy và giảm mức tăng nhiệt độ mà còn tiết kiệm vật liệu. Tuy nhiên, trong thực tế sản xuất, những yếu tố thuận lợi này không phải là yếu tố duy nhất cần cân nhắc. Làm cho các tấm quá mỏng và hẹp sẽ làm tăng đáng kể thời gian lao động và giảm diện tích mặt cắt ngang hiệu quả của lõi. Vì vậy, khi sản xuất lõi thép silicon, người ta phải cân nhắc ưu nhược điểm tùy từng trường hợp cụ thể để lựa chọn kích thước tối ưu.

Máy biến áp được sản xuất dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Hai cuộn dây được quấn quanh một nhánh lõi kín: cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp. Khi đặt một điện áp xoay chiều vào cuộn sơ cấp, một dòng điện xoay chiều chạy qua nó, tạo thành lực từ động (MMF). Dưới ảnh hưởng của MMF này, một từ thông chính xen kẽ được tạo ra trong lõi. Từ thông chính này đi qua và liên kết cả cuộn dây sơ cấp và thứ cấp. Do hiện tượng cảm ứng điện từ nên lực điện động (EMF) được sinh ra ở cả hai cuộn dây. Sở dĩ nó có thể tăng hoặc giảm điện áp được giải thích theo định luật Lenz: từ thông do dòng điện cảm ứng sinh ra luôn ngược chiều với sự biến thiên của từ thông ban đầu. Khi từ thông ban đầu tăng lên thì từ thông do dòng điện cảm ứng sinh ra sẽ chống lại nó. Nói cách khác, từ thông cảm ứng trong cuộn thứ cấp ngược chiều với từ thông chính do cuộn sơ cấp tạo ra, dẫn đến điện áp xoay chiều ở mức thấp hơn trên cuộn thứ cấp. Do đó, lõi đóng vai trò là mạch từ của máy biến áp, trong khi các cuộn dây tạo thành mạch điện của nó.

2. Phân loại cấu hình lõi máy biến áp

Lõi loại vỏ và loại lõi

Phần lõi mà cuộn dây quấn quanh được gọi là 'cánh lõi', trong khi phần không có cuộn dây mà chỉ đóng vai trò là đường dẫn từ tính được gọi là 'ách'.' Một lõi được gọi là 'loại vỏ' khi lõi bao quanh cuộn dây và 'loại lõi' khi cuộn dây bao quanh nhánh lõi. Mỗi cấu hình loại vỏ và loại lõi đều có những đặc điểm riêng biệt nhưng quy trình sản xuất mà chúng quy định lại khác nhau đáng kể. Một khi đã chọn một cấu trúc cụ thể thì rất khó để chuyển sang cấu trúc khác. Ở Trung Quốc, hầu hết các lõi máy biến áp đều sử dụng thiết kế kiểu lõi xếp chồng lên nhau.

Tấm thép silicon được sử dụng cho máy biến áp tần số thấp và có nhiều loại khác nhau. Dựa trên quy trình sản xuất, chúng có thể được chia thành:
A: Đã ủ (tấm đen)
N: Không ủ (tấm trắng)

Dựa trên hình dạng của chúng, chúng có thể được phân loại thành: loại EI, loại UI, loại C và loại vuông (Miệng).

Tấm thép silicon loại vuông thường được sử dụng trong các máy biến áp công suất cao. Chúng mang lại hiệu suất cách nhiệt tuyệt vời, dễ tản nhiệt và đường dẫn từ ngắn. Chúng chủ yếu được sử dụng cho các máy biến áp có công suất trên 500–1000 W và máy biến áp công suất cao. Một tập hợp các tấm thép silic gồm hai tấm loại C được gọi là lõi loại CD. Đối với máy biến áp điện được làm bằng tấm loại CD, trong cùng một mặt cắt ngang, cửa sổ càng cao thì công suất của máy biến áp càng lớn. Do các cuộn dây có thể được lắp đặt riêng biệt trên cả hai mặt của lõi nên số vòng cuộn dây có thể được phân bổ trên hai suốt chỉ, dẫn đến chiều dài vòng trung bình trên mỗi suốt chỉ ngắn hơn và giảm tổn thất đồng. Hơn nữa, nếu hai cuộn dây đối xứng được quấn trên các suốt chỉ riêng biệt thì có thể đạt được sự đối xứng hoàn hảo.

Một bộ các tấm thép silicon gồm bốn tấm loại C được gọi là lõi loại ED. Máy biến áp được chế tạo bằng lõi loại ED có bề mặt phẳng và rộng. Trong cùng mức công suất, máy biến áp loại ED ngắn hơn và rộng hơn máy biến áp loại CD. Bởi vì các cuộn dây được lắp đặt ở trung tâm của các tấm thép silicon có đường dẫn từ bên ngoài nên chúng có dòng rò rỉ thấp và gây nhiễu tối thiểu cho các bộ phận xung quanh. Tuy nhiên, tất cả các cuộn dây đều được quấn trên một suốt chỉ dày duy nhất, dẫn đến chiều dài vòng quay trung bình dài hơn và tổn thất đồng cao hơn.

Lõi loại C mang lại hiệu suất vượt trội, giúp tạo ra các máy biến áp nhỏ gọn, nhẹ và hiệu suất cao. Từ góc độ lắp ráp, lõi loại C yêu cầu rất ít bộ phận và có tính linh hoạt cao, dẫn đến hiệu quả sản xuất cao. Tuy nhiên, quy trình gia công tấm thép silicon loại C rất phức tạp và đòi hỏi thiết bị chuyên dụng, khiến giá thành hiện tại của chúng tương đối cao.

Các tấm thép silicon loại E, còn được gọi là các tấm loại vỏ hoặc hình số tám, có ưu điểm chính là dùng chung một suốt chỉ cho cả cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp, mang lại hệ số không gian cửa sổ cao (Hệ số không gian Km: tỷ lệ giữa diện tích mặt cắt thực của dây đồng với diện tích cửa sổ). Các tấm thép silicon tạo thành lớp vỏ bảo vệ xung quanh cuộn dây, ngăn ngừa hư hỏng cơ học. Chúng cũng cung cấp diện tích tản nhiệt lớn và giảm thiểu sự phân tán từ trường. Tuy nhiên, chúng có độ tự cảm rò rỉ cao hơn giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp và dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu từ bên ngoài hơn. Ngoài ra, do chu vi trung bình của cuộn dây dài hơn, máy biến áp loại E cần nhiều dây đồng hơn cho cùng số vòng dây và diện tích mặt cắt lõi.

Độ dày phổ biến của tấm thép silicon là 0,35 mm và 0,5 mm. Có hai phương pháp lắp ráp các tấm thép silicon: xen kẽ và xếp chồng lên nhau. Phương pháp xen kẽ xen kẽ các đầu mở của tấm ở các mặt đối diện. Phương pháp này tẻ nhạt hơn nhưng tạo ra các khe hở không khí nhỏ hơn và độ từ trở thấp hơn, điều này có lợi cho việc tăng từ thông; do đó, nó được sử dụng rộng rãi trong các máy biến áp điện. Phương pháp xếp chồng đối đầu thường được sử dụng trong các ứng dụng có dòng điện một chiều (DC). Để tránh bão hòa do dòng điện một chiều gây ra, phải chừa một khe hở không khí giữa các tấm thép silicon. Trong phương pháp này, các tấm E-sheet và I-sheet được đặt ở các phía đối diện nhau và khoảng cách không khí giữa chúng có thể được điều chỉnh bằng cách sử dụng các miếng chêm giấy.

3. Các loại lõi cuộn

Chúng được chia thành ba loại:
A. LÕI TOROIDAL: Được chế tạo bằng cách xếp chồng các lớp mỏng loại O hoặc bằng cách cuộn các tấm thép silicon. Việc quấn dây trên loại lõi này rất khó khăn.
B. ROD CORE: Lõi sắt hình que.
C. LÕI TRỐNG: Lõi sắt hình trống.

4. Phân loại vật liệu lõi máy biến áp

1. Loại tần số cao:
Lõi Ferrite Lõi Ferrite được sử dụng trong các máy biến áp tần số cao. Chúng là nam châm gốm có cấu trúc tinh thể Spinel, bao gồm oxit sắt và các hợp chất kim loại hóa trị hai khác, chẳng hạn như kFe₂O₄ (trong đó k đại diện cho các kim loại khác). Các kim loại được sử dụng phổ biến hiện nay bao gồm mangan (Mn), kẽm (Zn), niken (Ni), magie (Mg) và đồng (Cu). Các kết hợp phổ biến bao gồm chuỗi Mangan-Kẽm (MnZn), chuỗi Niken-Kẽm (NiZn) và chuỗi Magiê-Kẽm (MgZn). Những vật liệu này có đặc tính thấm và trở kháng cao, với dải tần hoạt động từ 1 kHz đến hơn 200 kHz.
Dải tần lõi Ferrite: 18 kHz đến hơn 1 MHz.

2. Danh mục tần số thấp: Tấm thép silicon và hợp kim vô định hình
Dải tần số lõi thép silicon: 5 Hz đến 1 kHz.
Máy biến áp sử dụng thép silicon thường hoạt động ở tần số 50 Hz. Tuy nhiên, xét về mặt hiệu quả, tần số cao hơn một chút có thể mang lại kết quả tốt hơn, tùy thuộc vào mức Gauss của tấm thép silicon. Mặc dù tần số âm thanh có thể đạt trên 20 kHz nhưng điều này không thực tế. Nên hoạt động ở tần số 50–60 Hz, mặc dù chúng có thể hoạt động bình thường trong dải tần 50–200 Hz.
Dải tần lõi vô định hình: 2 kHz đến 13 kHz.