Biến áp tự động điều chỉnh

Máy biến áp tự động điều chỉnh (hay còn gọi là máy biến áp giảm áp tự động) là một loại máy biến áp sử dụng duy nhất một cuộn dây. Từ "tự động (auto)" xuất phát từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là "tự thân", chỉ ra rằng cuộn dây này hoạt động độc lập mà không có bất kỳ cơ cấu tự động nào. Trong loại biến áp này, một phần của cuộn dây vừa đảm nhiệm vai trò của cuộn sơ cấp, vừa làm nhiệm vụ của cuộn thứ cấp. Điều này khác biệt với các biến áp thông thường, trong đó cuộn sơ cấp và thứ cấp hoàn toàn tách biệt và không nối với nhau.

Biến áp tự ngẫu có ít nhất ba điểm nối điện. Vì một phần của cuộn dây thực hiện nhiệm vụ của cả hai cuộn sơ cấp và thứ cấp, loại biến áp này thường có kích thước nhỏ gọn hơn, trọng lượng nhẹ hơn và chi phí rẻ hơn so với biến áp cuộn kép. Tuy nhiên, nhược điểm lớn là không có sự cách ly điện giữa mạch sơ cấp và thứ cấp. Các lợi ích khác bao gồm giảm thiểu hiện tượng rò rỉ điện, tổn thất điện năng thấp, dòng kích thích nhỏ và khả năng gia tăng công suất VA trong khi vẫn duy trì kích thước và trọng lượng tối ưu.

Biến áp tự ngẫu thường được sử dụng để điều chỉnh điện áp trong các phạm vi như 110-115-120 V và 220-230-240 V. Ví dụ, nó có thể cung cấp 110 V hoặc 120 V từ nguồn điện 230 V, cho phép các thiết bị được thiết kế cho điện áp 100 V hoặc 120 V có thể hoạt động với nguồn cung cấp 230 V. Điều này giúp các thiết bị điện từ Mỹ có thể sử dụng được ở châu Âu và các quốc gia khác. Bên cạnh đó, biến áp tự ngẫu cũng có thể chuyển đổi ngược lại, cung cấp 230 V cho thiết bị từ nguồn 100-120 V ở Mỹ. Trong mọi trường hợp, nguồn điện và biến áp cần phải được định mức chính xác để đảm bảo cung cấp đủ công suất cho thiết bị.

Nguyên lý hoạt động

Biến áp tự ngẫu có một cuộn dây duy nhất với hai đầu nối và một hoặc nhiều đầu ra tại các điểm tiếp xúc giữa các vòng cuộn dây, hoặc đây là loại biến áp trong đó cuộn dây sơ cấp và thứ cấp có một phần hoặc toàn bộ các vòng cuộn dây chung. Điện áp được cung cấp cho cuộn dây sơ cấp qua hai đầu nối, trong khi điện áp thứ cấp được lấy từ hai đầu cuộn dây, thường có một đầu nối chung với điện áp chính. Các mạch sơ cấp và thứ cấp do đó chia sẻ một số vòng dây. Do điện áp mỗi vòng giống nhau, mỗi khi điện áp tăng, tỷ lệ tăng sẽ tỷ lệ với số vòng cuộn dây. Ở biến áp tự ngẫu, dòng điện chạy trực tiếp từ đầu vào đến đầu ra, và chỉ một phần được truyền qua cảm ứng điện từ, cho phép sử dụng lõi nhỏ hơn, nhẹ hơn và tiết kiệm chi phí với chỉ một cuộn dây duy nhất. Tuy nhiên, tỷ lệ điện áp và dòng điện của biến áp tự ngẫu có thể được thiết kế tương tự như các loại biến áp cuộn dây kép.

$\frac{V_1}{V_2}=\frac{N_1}{N_2}=a$

(0<V₂<V₁)

Các ampere-vòng được cung cấp bởi nửa trên của cuộn dây:

$F_U=(N_1-N_2)I_1=(1-\frac{1}{a})$

Các ampere-vòng được cung cấp bởi nửa dưới của cuộn dây:

$F_L=N_2(I_2-I_1)=\frac{N_1}{a}(I_2-I_1)$

Cân bằng ampe-vòng, F_U = F_L:

$(1-\frac{1}{a})N_1{I}_1=\frac{N_1}{a}(I_2-I_1)$

Do đó:

$\frac{I_1}{I_2}=\frac{1}{a}$

Một đầu của cuộn dây thường được nối chung với cả nguồn điện và tải. Đầu còn lại của nguồn và tải kết nối với các nhánh dọc theo cuộn dây. Các nhánh này sẽ tạo ra các điện áp khác nhau, được đo từ điểm chung. Trong biến áp hạ áp, nguồn được kết nối với toàn bộ cuộn dây, trong khi tải chỉ gắn với một nhánh nhỏ. Ngược lại, trong biến áp tăng áp, tải được nối với toàn bộ cuộn dây, còn nguồn chỉ nối với một nhánh của cuộn dây.

Giống như trong biến áp hai cuộn dây, tỷ số điện áp giữa thứ cấp và sơ cấp phụ thuộc vào tỷ lệ số vòng dây của mỗi cuộn. Ví dụ, khi tải nối từ điểm giữa đến điểm dưới của cuộn dây, điện áp sẽ giảm xuống còn 50%. Tùy vào yêu cầu, phần cuộn dây dành cho điện áp cao hơn có thể được quấn bằng dây nhỏ hơn, mặc dù toàn bộ cuộn dây vẫn được kết nối trực tiếp.

Khi một trong các nhánh trung tâm của cuộn dây được nối đất, biến áp tự ngẫu có thể hoạt động như một bộ cân bằng, chuyển đổi dòng điện cân bằng (nối với hai điểm đầu cuối) thành dòng không cân bằng (với một đầu nối đất).

Giới hạn

Một bộ chuyển đổi tự động không tạo ra sự cách ly điện giữa các cuộn dây như trong máy biến áp thông thường; nếu phía trung tính của đầu vào không có điện áp đất, phía trung tính của đầu ra cũng sẽ tương tự. Nếu không có sự cô lập giữa các cuộn dây, có thể xảy ra sự cố khi điện áp đầu vào đầy đủ được truyền đến đầu ra. Hơn nữa, khi cuộn dây cho cả sơ cấp và thứ cấp bị ngắt, biến áp sẽ hoạt động giống như một cuộn cảm nối tiếp với tải, và trong trường hợp tải nhẹ, điện áp đầu vào có thể gần tương đương với điện áp đầu ra. Đây là những yếu tố an toàn cần cân nhắc khi quyết định sử dụng biến áp tự ngẫu cho một ứng dụng cụ thể.

Do yêu cầu ít cuộn dây hơn và lõi nhỏ hơn, biến áp tự ngẫu thường nhẹ hơn và có chi phí thấp hơn so với biến áp hai cuộn dây, đặc biệt khi tỷ lệ điện áp lên đến khoảng 3:1. Tuy nhiên, vượt qua tỷ lệ này, biến áp hai cuộn dây sẽ tiết kiệm hơn và hiệu quả hơn.

Trong các ứng dụng truyền tải điện ba pha, biến áp tự ngẫu có những giới hạn không thể loại bỏ được dòng điện điều hòa và có thể hoạt động như nguồn dòng sự cố khi xảy ra sự cố chạm đất. Biến áp tự ngẫu ba pha lớn có thể có một cuộn dây tam giác 'chìm', không nối với phần ngoài của bể, để hấp thụ một phần dòng điều hòa.

Thực tế, các tổn thất điện cho thấy rằng cả biến áp tiêu chuẩn và biến áp tự ngẫu đều không thể đảo ngược hoàn toàn. Ví dụ, một thiết kế cho biến áp hạ thế sẽ cung cấp điện áp thấp hơn một chút so với yêu cầu nếu nó được sử dụng để tăng áp. Tuy nhiên, sự chênh lệch này thường không lớn và đủ để cho phép đảo chiều mà không làm vượt quá giới hạn điện áp cho phép.

Cũng giống như máy biến áp nhiều cuộn dây, biến áp tự ngẫu sử dụng từ trường thay đổi theo thời gian để chuyển giao năng lượng điện. Chúng yêu cầu dòng điện xoay chiều (AC) để hoạt động và sẽ không hiệu quả khi dùng với dòng điện một chiều (DC).

Ứng dụng

Truyền tải và phân phối điện

Biến áp tự ngẫu thường được sử dụng trong các ứng dụng nguồn điện để kết nối các hệ thống hoạt động ở các cấp điện áp khác nhau. Ví dụ, chúng có thể truyền tải từ 132 kV xuống 66 kV. Một ứng dụng khác là chuyển đổi nguồn điện cho các thiết bị được thiết kế cho điện áp 480 V để có thể hoạt động với nguồn 600 V. Chúng cũng thường xuyên được dùng để chuyển đổi giữa hai dải điện áp phổ biến trong các hệ thống điện gia đình toàn cầu (100 V-130 V và 200 V-250 V). Liên kết giữa các mạng lưới siêu lưới 400 kV và 275 kV của Anh thường sử dụng biến áp tự ngẫu ba pha với các nhánh có đầu nối trung tính chung.

Trên các tuyến phân phối điện dài ở vùng nông thôn, các biến áp tự ngẫu đặc biệt với hệ thống thay đổi đầu tự động được lắp đặt để làm ổn áp, giúp khách hàng ở cuối đường dây nhận được điện áp gần như tương đương với nguồn cung cấp ban đầu. Tỷ số biến áp tự ngẫu giúp bù đắp cho sự sụt giảm điện áp dọc theo đường truyền.

Một biến thể đặc biệt của biến áp tự ngẫu, được gọi là biến áp zig-zag, được sử dụng để nối đất cho các hệ thống ba pha không có kết nối mặt đất. Biến áp zig-zag cung cấp một mạch chung cho dòng điện thứ tự không, là dòng điện chung cho cả ba pha.

Hệ thống âm thanh

Trong các ứng dụng âm thanh, biến áp tự ngẫu thường được dùng để kết nối loa với hệ thống phân phối âm thanh có điện áp ổn định, và để điều chỉnh trở kháng, ví dụ như giữa micrô có trở kháng thấp và đầu vào của bộ khuếch đại có trở kháng cao.

Đường sắt

Trong ngành đường sắt, biến áp tự ngẫu thường được sử dụng để cung cấp điện cho các đoàn tàu với điện áp 25 kVAC. Để kéo dài khoảng cách giữa các điểm trung chuyển nguồn, biến áp tự ngẫu có thể được cấu hình để cung cấp điện áp 25-0-25 kV chia pha, với một dây pha ngược ngoài tầm với của hệ thống lấy điện trên tàu. Điểm 0 V của nguồn cấp được nối với đường ray, trong khi điểm 25 kV được nối với dây tiếp xúc trên cao. Ở khoảng cách khoảng 10 km, biến áp tự ngẫu có thể liên kết đường dây tiếp xúc với đường ray và nguồn cấp thứ hai (ngược pha), làm tăng khoảng cách truyền dẫn có thể sử dụng, giảm nhiễu cho thiết bị ngoài và tiết kiệm chi phí. Một số biến thể cũng cho phép điều chỉnh tỉ số biến áp để thích ứng với điện áp khác nhau của nguồn cấp và dây tiếp xúc.

Khởi động động cơ bằng biến áp tự ngẫu

Biến áp tự ngẫu có thể được sử dụng như một phương pháp khởi động mềm cho động cơ cảm ứng điện từ. Một trong những thiết kế khởi động nổi tiếng là bộ khởi động Korndörfer.

Biến áp tự ngẫu

Bằng cách phơi bày một phần của cuộn dây và tạo kết nối thứ cấp qua chổi quét trượt, biến áp tự ngẫu có thể tạo ra một tỷ lệ thay đổi liên tục, giúp điều chỉnh điện áp đầu ra một cách rất mượt mà. Điện áp đầu ra không bị giới hạn bởi các mức điện áp rời rạc, mà có thể thay đổi linh hoạt giữa các mức đó nhờ vào tính chất của chổi quét, có điện trở cao hơn nhiều so với các tiếp điểm kim loại. Điều này cho phép điện áp đầu ra trở thành một hàm số của vùng tiếp xúc giữa chổi quét và các cuộn dây liền kề. Ngoài ra, điện trở cao của chổi quét cũng ngăn không cho nó gây ra ngắn mạch khi tiếp xúc với hai vòng cuộn dây gần nhau. Thường thì chỉ một phần của cuộn dây sơ cấp được kết nối, cho phép điều chỉnh điện áp đầu ra từ 0 cho đến mức cao hơn điện áp đầu vào, giúp thiết bị có thể được sử dụng để thử nghiệm các thiết bị điện trong phạm vi điện áp rộng.

Điện áp đầu ra có thể được điều chỉnh bằng tay hoặc tự động. Loại điều chỉnh thủ công thường áp dụng cho điện áp thấp và được gọi là biến áp AC điều chỉnh (hoặc thường được gọi theo thương hiệu Variac). Loại này thường được sử dụng trong các cửa hàng sửa chữa để thử nghiệm thiết bị ở nhiều mức điện áp khác nhau, hoặc để mô phỏng các tình huống điện áp bất thường trong lưới điện.

Biến áp điều chỉnh tự động có thể được sử dụng như một ổn áp tự động, duy trì điện áp ổn định cho khách hàng trong các điều kiện tải và đường dây thay đổi. Một ứng dụng phổ biến khác là trong việc điều chỉnh độ sáng của đèn mà không gây nhiễu điện từ (EMI), điều mà các bộ điều chỉnh thông thường với thyristor thường gặp phải.

Nhãn hiệu Variac

Từ năm 1934 đến 2002, 'Variac' là nhãn hiệu của General Radio tại Mỹ, dùng cho các biến áp tự ngẫu có khả năng thay đổi điện áp đầu ra từ một nguồn AC ổn định. Đến năm 2004, Instrument Service Equipment đã tiếp quản nhãn hiệu Variac và tiếp tục sử dụng cho các sản phẩm tương tự. Kể từ đó, từ 'Variac' đã trở thành thuật ngữ chung để chỉ các biến áp tự ngẫu điều chỉnh thủ công.

• Bộ cân bằng
• Điện từ học
• Định lý cảm ứng Faraday
• Cuộn tăng áp (bô bin)
• Cuộn cảm
• Từ trường

Ghi chú

• ISBN 0471022950 |title= trống hoặc bị thiếu (trợ giúp)

• Terrell Croft và Wilford Summers (biên tập), American Electricians' Handbook, Tập 11, McGraw Hill, New York (1987) ISBN 0-07-013932-6
• Donald G. Fink và H. Wayne Beaty, Standard Handbook for Electrical Engineers, Tập 11, McGraw-Hill, New York, 1978, ISBN 0-07-020974-X