Tổn hao tản mát trong máy biến áp được gây ra bởi từ thông rò (tức là từ thông không được giữ trong lõi) tạo ra dòng điện xoáy trong các bộ phận kim loại lân cận, bao gồm:
- Vỏ máy biến áp,
- Kẹp lõi,
- Dây dẫn cuộn dây,
- Các phần kết cấu, v.v.
Những tổn hao này tồn tại song song với tổn hao lõi và tổn hao đồng thông thường.
Các loại tổn hao trong máy biến áp
Tổn hao lõi (sắt từ)
Bao gồm tổn hao do hiện tượng từ trễ và dòng điện xoáy trong lõi.
Tổn hao đồng (Ohmic)
Xảy ra do điện trở cuộn dây (I²R).
Tổn hao điện môi
Là tổn hao trong cách điện (ở tần số công suất, rất nhỏ).
Các tổn hao phụ khác: Tổn hao tiếp xúc chổi, tổn hao hệ thống làm mát, v.v.
Tổn hao tản mát
Là tổn hao do dòng điện xoáy trong các phần tử kết cấu gây ra bởi từ thông rò.
Tổn hao tản mát là gì?
Trong máy biến áp thực tế, một phần từ thông tổng đi qua không khí, gọi là từ thông rò.
Từ thông rò này tạo ra dòng điện xoáy trong các phần tử dẫn điện hoặc kim loại, chẳng hạn như vỏ máy biến áp.
Dòng điện xoáy này gây ra tổn hao công suất, còn gọi là tổn hao tản mát.
Chúng ta đều biết máy biến áp hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, trong đó dòng điện xoay chiều ở cuộn sơ cấp tạo ra các đường từ thông, cảm ứng suất điện động ở cuộn thứ cấp.
Tuy nhiên, thực tế không phải toàn bộ từ thông tạo ra ở phía sơ cấp đều liên kết hoàn toàn với phía thứ cấp. Hiện tượng này gọi là rò từ thông, gây tổn hao trong máy biến áp, làm giảm công suất đầu ra.
Dạng tổn hao này được gọi là tổn hao từ thông (hay tổn hao tản mát).
Cuộn sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp cần được quấn sao cho sự liên kết từ thông giữa các cuộn là tối đa.
Như vậy, ta có thể đảm bảo truyền tải công suất tối đa từ sơ cấp sang thứ cấp, giảm tổn hao từ thông.
Nguyên nhân gây tổn hao tản mát
Khi dòng điện chạy qua cuộn dây máy biến áp, nó tạo ra từ thông rò, không đi theo đường từ thông mong muốn trong lõi.
Từ thông rò này đi qua các vật dẫn điện lân cận, bao gồm:
- Thành vỏ
- Kẹp và bu lông
- Khung lõi
- Cuộn dây (phân bố không đồng đều)
Các vật liệu dẫn điện này phản ứng với từ trường biến thiên theo thời gian bằng cách tạo ra dòng điện xoáy bên trong chúng.
Dòng điện xoáy tiêu tán năng lượng dưới dạng nhiệt, góp phần gây tổn hao tản mát.
| Thành phần | Ảnh hưởng của tổn hao tản mát |
|---|---|
| Thành vỏ | Nóng cục bộ & mỏi kim loại |
| Cuộn dây (đặc biệt là cuộn hạ áp) | Phân bố dòng điện không đều |
| Các bộ phận thép kết cấu | Điểm nóng & có thể bị lỏng |
| Kẹp gông lõi | Có thể cần cách điện (hoặc) che chắn |
Ảnh hưởng của tổn hao tản (Stray Losses)
Tổn hao tản thường chiếm khoảng 5% đến 15% tổng tổn hao của máy biến áp. Chúng tăng mạnh trong các trường hợp:
- Máy biến áp dòng điện lớn (phía hạ áp của máy biến áp phân phối).
- Máy biến áp có thiết kế nhỏ gọn (từ thông rò rỉ gần thành thùng).
- Máy biến áp không có cách điện hoặc cân bằng từ tính đầy đủ.
Theo IEC 60076 và IEEE C57.12, tổn hao tản phải được tính vào tổng tổn hao của máy biến áp.
Mặc dù không được nêu rõ ràng, tài liệu thiết kế phải chỉ ra cách đánh giá và giảm thiểu tổn hao tản.
Cách giảm tổn hao tản?
1. Che chắn từ tính (Magnetic Shielding)
Sử dụng các rào chắn hoặc tấm chắn phi từ tính quanh cuộn dây và các bộ phận kết cấu.
2. Thay đổi thiết kế thùng (Tank Design Modifications)
Để phá vỡ đường đi của dòng điện xoáy, sử dụng thành thùng có khe hoặc bề mặt ghép lớp.
3. Tăng khoảng cách (Spacing)
Tăng khoảng cách giữa cuộn dây và kẹp lõi/thùng.
4. Ứng dụng các tấm chắn từ (Magnetic Shunts)
Chuyển hướng từ thông rò ra khỏi các bộ phận kết cấu.
Các tấm chắn từ trên thành thùng giúp giảm tổn hao tản trong máy biến áp bằng cách dẫn hướng từ thông rò ra khỏi thùng và các bộ phận kim loại không chức năng.
Điều này loại bỏ dòng điện xoáy trong các bộ phận kim loại không chức năng, giảm sự nóng lên không cần thiết và tổn thất năng lượng.
Tấm chắn từ trên thành thùng giúp tăng hiệu suất và tuổi thọ máy biến áp, đồng thời cải thiện quản lý nhiệt và giảm nguy cơ điểm nóng.
5. Mô phỏng nâng cao (Advanced Modeling)
Mô phỏng bằng FEM (Phương pháp phần tử hữu hạn) hữu ích để dự đoán và giảm các đường đi của từ thông rò.
Tính toán & Thử nghiệm
Tổn hao tản không được đo trực tiếp trong các thử nghiệm tiêu chuẩn.
Chúng thường được tính bằng cách lấy tổng tổn hao trừ đi tổn hao không tải và tổn hao tải.
Công thức tổn hao tản:
Trong một số trường hợp đặc biệt, thử nghiệm tổn hao tản được thực hiện bằng cách sử dụng dòng điện tuần hoàn hoặc quy trình ngắn mạch.
So sánh tổn hao (Losses Comparison)
| Loại tổn hao | Nguyên nhân | Phụ thuộc vào | Phụ thuộc tải |
|---|---|---|---|
| Tổn hao lõi (Iron Loss) | Từ thông xoay chiều trong lõi gây ra tổn hao do từ trễ và dòng điện xoáy. | Điện áp, tần số và vật liệu lõi | Không phụ thuộc tải |
| Tổn hao đồng (I²R Loss) | Dòng điện chạy qua điện trở cuộn dây. | Dòng tải & điện trở cuộn dây | Thay đổi theo tải (I²) |
| Tổn hao tản (Stray Loss) | Từ thông rò gây dòng điện xoáy trong các bộ phận kim loại xung quanh. | Dòng tải, hình dạng thiết kế & vật liệu | Thay đổi theo tải (I²) |
| Tổn hao điện môi | Dòng rò & phân cực trong hệ thống cách điện. | Điện áp, chất lượng cách điện, độ ẩm | Không phụ thuộc tải |
| Tổn hao do từ hóa & tiếng ồn | Biến dạng vật lý của lá thép lõi do từ hóa. | Tính chất từ của lõi | Không phụ thuộc tải |
| Tổn hao làm mát & phụ trợ | Công suất tiêu thụ bởi quạt, bơm & hệ thống điều khiển. | Loại hệ thống làm mát | Thay đổi nhẹ theo tải |
Tóm tắt
Tổn hao tản, thường bị bỏ qua, ảnh hưởng đến hiệu suất và khả năng tản nhiệt của máy biến áp. Từ thông rò tương tác với các bộ phận kim loại không hoạt động gây ra hiện tượng nóng cục bộ và tiêu tán năng lượng, khác với tổn hao lõi hoặc tổn hao đồng.
Các thiết kế máy biến áp công suất lớn hoặc nhỏ gọn đòi hỏi phải hiểu rõ nguồn gốc, hậu quả và biện pháp giảm thiểu tổn hao tản.
Che chắn từ tính, cải thiện hình dạng và mô phỏng nâng cao có thể giảm các tổn hao này, giúp tăng độ tin cậy, tuổi thọ và hiệu suất năng lượng của máy biến áp.
