Bão hòa lõi máy biến áp là điểm mà tại đó lõi thép không thể hấp thụ thêm từ thông nữa, do đó điện áp dư thừa sẽ ngừng tạo ra từ thông tương ứng và thay vào đó bắt đầu tạo ra dòng điện từ hóa mất kiểm soát. Đối với các máy biến áp khô có công suất từ 100 VA đến 10 kVA, hiện tượng này hiếm khi là do lỗi sản xuất; hầu hết đều do sự không phù hợp trong quá trình vận hành — tần số sai, nguồn điện quá cao, tải nửa sóng hoặc cuộn dây được kết nối sai cách. Hướng dẫn này đề cập đến năm nguyên nhân phổ biến, cách nhận biết hiện tượng bão hòa trước khi nó gây hư hỏng cuộn dây, và cách phòng ngừa. Để biết thêm thông tin về sản phẩm, vui lòng tham khảo máy biến áp hạ áp phạm vi.
Lõi là một mạch từ, và các vật liệu từ tính chỉ phản ứng tuyến tính đến một giới hạn nhất định. Khi vẽ đồ thị mật độ từ thông (B) theo lực từ hóa (H), ta sẽ thu được đường cong B-H: một vùng tuyến tính dốc, một điểm uốn tròn, sau đó là vùng bão hòa bằng phẳng, nơi dòng điện tăng thêm hầu như không tạo ra thêm từ thông. Thép silic định hướng hạt bão hòa ở khoảng 2,0 T; các thiết kế tốt cho tần số 50/60 Hz hoạt động ở mức 1,4 T đến 1,6 T. Sau điểm uốn — thường là 1,7 T đến 1,8 T — độ từ thẩm sụt giảm mạnh và cuộn dây sơ cấp hoạt động giống như một cuộn dây lõi không khí. Hình học lõi được trình bày trong Cấu tạo máy biến áp và cấu trúc lõi sắt.
Bmax = Vrms / (4,44 × f × N × Ac)
Ở đây, V là điện áp đầu vào, f là tần số, N là số vòng dây sơ cấp và Ac khu vực lõi hiệu dụng. Nếu tăng tử số hoặc giảm mẫu số, khu vực lõi sẽ dịch chuyển về phía trạng thái bão hòa.
Nguyên nhân phổ biến nhất. Một máy biến áp được thiết kế dựa trên tỷ lệ giữa điện áp và tần số, chứ không chỉ dựa trên điện áp đơn thuần. Một thiết bị 230 V, 60 Hz hoạt động ở mức 3,83 V/Hz; nếu cấp nguồn 230 V ở tần số 50 Hz, bạn sẽ yêu cầu mức 4,60 V/Hz, dẫn đến sự gia tăng từ thông 20%. Một lõi được thiết kế ở 1,45 T giờ đây đạt mức 1,74 T — vượt qua điểm uốn.
Mật độ từ thông tỷ lệ thuận với điện áp đầu vào, do đó nguồn điện hoạt động ở mức cao hơn 8% sẽ làm tăng mật độ từ thông lên 8%. Dải an toàn hẹp hơn so với những gì mọi người thường nghĩ: một thiết bị được thiết kế ở mức 1,55 T sẽ gần đạt đến điểm uốn tại 1,75 T, do đó chỉ cần điện áp vượt quá khoảng 13% là đủ. Các đường dây cấp điện dài và máy phát điện điều chỉnh kém là những nguyên nhân điển hình, và việc chọn điểm nối thứ cấp không phù hợp cũng là một nguyên nhân khác.
Dòng điện đối xứng tạo ra từ thông đối xứng. Khi thêm thành phần dòng điện một chiều, dạng sóng từ thông sẽ dịch chuyển lên hoặc xuống dọc theo đường cong B-H, bị cắt ngắn ở một nửa chu kỳ trước khi có thể đạt đến điểm uốn một cách đối xứng. Các bộ chỉnh lưu nửa sóng và cơ chế điều khiển pha không cân bằng gây ra hiện tượng này. Chỉ cần một vài phần trăm dòng điện một chiều cũng có thể tiêu tốn phần lớn dải dự trữ.
Sau khi ngắt nguồn hoặc sau khi sự cố đã được khắc phục, lõi có thể vẫn còn từ thông dư. Việc cấp điện vào thời điểm làm tăng thêm từ thông dư này có thể khiến từ thông trong chu kỳ đầu tiên đạt gần gấp đôi giá trị đỉnh ở trạng thái ổn định, đẩy lõi vào trạng thái bão hòa sâu trong vài chu kỳ. Việc đóng ngắt công tắc tơ thường xuyên sẽ làm tình trạng này trở nên nghiêm trọng hơn.
Việc sử dụng cuộn thứ cấp làm cuộn sơ cấp là một lỗi thường gặp khi bộ biến áp tăng áp được chuyển đổi sang làm bộ biến áp hạ áp. Số vòng dây phù hợp cho phía điện áp thấp lại quá ít so với phía điện áp cao, do đó từ thông tăng lên theo tỷ số vòng dây. Tình trạng đảo cực trên cuộn sơ cấp chia đôi cũng gây ra hiện tượng tương tự đối với một phần lõi.
Hiện tượng bão hòa để lại dấu vết, và phần lớn trong số đó xuất hiện ở trạng thái không tải — điều này trái ngược với những gì mọi người thường nghĩ, bởi vì dòng điện từ hóa là một hiện tượng xảy ra ở trạng thái không tải.
| Triệu chứng | Điều đó cho thấy điều gì |
|---|---|
| Tiếng ù to, chói tai kèm theo âm rè, xuất hiện khi không tải | Mật độ từ thông phía trên đầu gối; các lá thép được kích thích mạnh. Tiếng ồn do hiện tượng từ co giãn thông thường nghe êm ái hơn |
| Lõi và cuộn dây nóng lên chỉ trong vài phút khi không tải | Tổn thất lõi đang tăng mạnh; lõi đang phải thực hiện công việc mà nó chưa bao giờ được thiết kế để đảm nhận |
| Dòng điện sơ cấp cao hơn rất nhiều so với dòng điện từ hóa dự kiến | Sự sụp đổ độ thấm; dòng điện không còn bị giới hạn bởi điện cảm |
| Đồ thị dạng sóng dòng điện có đỉnh nhọn và đỉnh phẳng trên máy hiện sóng | Dấu hiệu bão hòa cổ điển — các xung hẹp tại các đỉnh thông lượng |
| Cầu dao ngắt khi cấp điện nhưng vẫn giữ nguyên trạng thái sau đó | Dòng điện đột biến không đối xứng do từ thông dư gây ra, không phải do ngắn mạch |
| Điện áp thứ cấp hơi cao và bị méo | Sự ghép nối dòng điện từ hóa giàu sóng hài thông qua |
| Các sóng hài lẻ (thứ 3, thứ 5) trên nguồn điện | Lõi bão hòa gây ra hiện tượng méo hình trong tác phẩm sắp đặt |
Đường dẫn nhiệt là yếu tố quan trọng nhất. Một lõi bão hòa sẽ biến dòng điện từ hóa dư thừa thành nhiệt trong các lá thép, tiếp xúc trực tiếp với lớp cách điện của cuộn dây, và các cơ chế này tương ứng với nhau Nguyên nhân và nguy cơ do biến áp quá nhiệt — nhưng đến nơi nhanh hơn.
Tiếng ù rất dễ bị nhầm lẫn với hiện tượng các lớp ván ép bị lỏng hoặc thùng cộng hưởng; Tại sao máy biến áp hạ áp lại phát ra tiếng ồn? tách tiếng ù thông thường 100/120 Hz phát ra từ lõi trong trạng thái bão hòa.
Hai khái niệm này thường bị nhầm lẫn với nhau, và sự phân biệt giữa chúng sẽ quyết định cách bạn xử lý vấn đề đó. Dòng điện khởi động là một hiện tượng thoáng qua: kéo dài từ vài chu kỳ đến vài giây sau khi cấp điện, do sự lệch từ thông tại thời điểm chuyển mạch gây ra, và suy giảm dần khi lõi từ ổn định lại. Độ bão hòa là một trạng thái: lõi vượt quá giới hạn từ thông miễn là điều kiện V/Hz vượt ngưỡng vẫn còn tồn tại. Ngắt mạch khi bật nguồn và sau đó hoạt động ở nhiệt độ thấp — dòng khởi động. Tiếng ù và tỏa nhiệt liên tục — bão hòa. Quá trình khởi động động cơ là một trường hợp riêng biệt; xem Xác định công suất biến áp tăng áp cho tải động cơ.
Bạn không cần các thông số kỹ thuật của lõi để đưa ra đánh giá ban đầu. Hãy so sánh điện áp trên mỗi hertz thực tế với điện áp trên mỗi hertz ghi trên nhãn mác; nếu giá trị thực tế cao hơn, điều đó có nghĩa là lõi đang phải chịu tải nặng hơn so với thiết kế ban đầu.
| Nguồn cung | Vôn trên hertz | Ghi chú |
|---|---|---|
| 110 V / 60 Hz | 1.83 | Thiết bị nhỏ ở Bắc Mỹ |
| 120 V / 60 Hz | 2.00 | Điểm thiết kế thông dụng 60 Hz |
| 220 V / 60 Hz | 3.67 | Một số thị trường xuất khẩu |
| 230 V / 60 Hz | 3.83 | Điểm thiết kế thông dụng 60 Hz |
| 230 V / 50 Hz | 4.60 | 200TP3T có từ thông lớn hơn so với 230 V / 60 Hz |
| 240 V / 50 Hz | 4.80 | Trường hợp xấu nhất đối với thiết bị 60 Hz |
| 400 V / 50 Hz | 8.00 | Ba pha, 50 Hz |
| 480 V / 60 Hz | 8.00 | Ba pha, 60 Hz |
Một thiết bị 230 V, 60 Hz có 298 vòng dây sơ cấp và lõi 20 cm² hoạt động ở giá trị B = 230 / (4,44 × 60 × 298 × 0,002) = 1,45 T. Ở điện áp 230 V, tần số 50 Hz, thiết bị này hoạt động ở mức 1,74 T — qua đầu gối. Khi duy trì từ trường 1,45 T ở tần số 50 Hz, chỉ cho phép khoảng 192 V, hoặc 83% trên nhãn kỹ thuật: hệ số giảm công suất 50/60 quen thuộc, biến một thiết bị 1500 VA thành 1250 VA. Hệ số Máy biến áp tăng áp và giảm áp DT-1500VA là một ví dụ điển hình về loại kích thước mà vấn đề này cần được giải quyết trước khi lắp đặt chứ không phải sau đó.
Thử nghiệm dòng điện không tải là phương pháp kiểm tra hữu ích nhất và chỉ cần rất ít thiết bị: một máy biến áp điều chỉnh, một ampe kế đo giá trị hiệu dụng thực (true-RMS) và tốt nhất là một máy hiện sóng kèm đầu dò dòng điện.
Các thiết bị loại khô cỡ nhỏ tiêu thụ khoảng từ 5% đến 10% dòng điện định mức khi không tải; các thiết bị cỡ lớn hơn có giá trị thấp hơn. Hình dạng của đường cong quan trọng hơn so với một giá trị đo đơn lẻ. Bài viết của chúng tôi về tổn thất không tải của máy biến áp giải thích cách thức mà cùng một phép thử này phân biệt tổn hao lõi với dòng điện kích thích. Một lõi bão hòa cũng tạo ra các xung dòng điện hẹp có biên độ lớn, với hệ số đỉnh cao hơn nhiều so với giá trị 1,4 của sóng sin.
Tình trạng bão hòa lõi là một vấn đề liên quan đến cân bằng từ thông, và cân bằng này được xác định bởi giá trị V/Hz. Cần duy trì giá trị V/Hz áp dụng ở mức bằng hoặc thấp hơn giá trị ghi trên nhãn hiệu, đảm bảo không có dòng điện một chiều (DC) trong cuộn sơ cấp, chú ý đến từ dư khi chuyển mạch, và kiểm tra kỹ cấu hình cuộn dây trước khi cấp điện. Nếu thiết bị bị bão hòa ngay cả khi tuân thủ tất cả các giới hạn trên, điều đó có nghĩa là lõi từ có kích thước quá nhỏ và chỉ có cuộn dây được thiết kế riêng mới có thể tăng dung lượng dự trữ. Nếu bạn đang thiết kế cho nguồn điện không phải là điện áp tiêu chuẩn 230 V hoặc 400 V ở tần số 50 Hz, thì Dòng sản phẩm máy biến áp tăng áp và giảm áp Có công suất từ 100 VA đến 10 kVA với các cuộn dây dành cho tần số không tiêu chuẩn — vui lòng gửi cho chúng tôi thông tin chi tiết về nguồn điện của quý khách và chúng tôi sẽ xác nhận biên độ từ thông trước khi quý khách đặt hàng.
Lõi có một giới hạn tối đa về từ thông mà nó có thể dẫn. Khi đạt đến giới hạn đó, việc tăng điện áp sẽ không còn làm tăng từ thông theo tỷ lệ tương ứng nữa, mà thay vào đó, dòng điện sơ cấp sẽ tăng đột ngột. Máy biến áp sẽ nóng lên và phát ra tiếng ù mà không thực hiện thêm công hữu ích nào.
Đúng vậy, nếu lớp cách điện vẫn còn nguyên vẹn. Hãy loại bỏ nguyên nhân gây ra sự cố và khử từ lõi bằng cách tăng điện áp sơ cấp từ từ từ mức 0 bằng một máy biến áp điều chỉnh. Nếu máy đã hoạt động ở nhiệt độ cao trong thời gian dài, hư hỏng lớp cách điện là vĩnh viễn và cần kiểm tra cuộn dây trước tiên.
Đúng vậy, và đó chính là nơi dễ nhận thấy nhất. Dòng điện từ hóa xảy ra trong điều kiện không tải, do đó, khi không có thiết bị nào được kết nối với cuộn thứ cấp, máy biến áp ở trạng thái bão hòa sẽ nóng lên và phát ra tiếng kêu vo vo.
Mật độ từ thông tỷ lệ nghịch với tần số. Khi giảm tần số từ 60 Hz xuống 50 Hz ở cùng mức điện áp, từ thông sẽ tăng lên 60/50, tức là 20%. Một lõi được thiết kế ở mức 1,45 T sẽ tăng lên 1,74 T, vượt qua điểm uốn của thép silic. Vận hành ở mức khoảng 83% so với điện áp định mức, hoặc lắp cuộn dây 50 Hz.
Ngắt kết nối tải. Một máy biến áp ở trạng thái bão hòa vẫn tỏa nhiệt và phát ra tiếng ù ngay cả khi cuộn thứ cấp bị ngắt, và dòng điện cuộn sơ cấp của nó vẫn ở mức cao. Một máy biến áp bị quá tải sẽ nguội đi và dòng điện của nó giảm xuống mức dòng từ hóa ngay khi tải được ngắt.
