Máy biến áp tự ngẫu là gì? Cơ chế hoạt động và ứng dụng

Máy biến áp tự ngẫu là gì?

Trong kỹ thuật điện, máy biến áp tự ngẫu là máy biến áp điện chỉ có một cuộn dây. Tiền tố “tự” (tiếng Hy Lạp có nghĩa là “tự”) dùng để chỉ cuộn dây đơn hoạt động độc lập. Trong máy biến áp tự ngẫu, các phần của cùng một cuộn dây hoạt động như cả cuộn dây sơ cấp và cuộn dây thứ cấp của máy biến áp. Ngược lại, máy biến áp thông thường có các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp riêng biệt, không được kết nối bằng đường dẫn điện giữa chúng.

Cuộn dây của máy biến áp tự ngẫu có ít nhất ba kết nối điện với cuộn dây. Vì một phần của cuộn dây thực hiện “nhiệm vụ kép”, máy biến áp tự ngẫu có ưu điểm là thường nhỏ hơn, nhẹ hơn và rẻ hơn so với máy biến áp cuộn đôi thông thường, nhưng nhược điểm là không cách ly điện giữa mạch sơ cấp và mạch thứ cấp. Các ưu điểm khác của máy biến áp tự ngẫu bao gồm điện kháng rò rỉ thấp hơn, tổn thất thấp hơn, dòng điện kích thích thấp hơn và định mức VA cao hơn so với cùng kích thước và khối lượng.

Lịch sử phát triển của máy biến áp tự ngẫu

Bộ khởi động biến áp tự ngẫu được phát minh vào năm 1908 bởi Max Korndorfer ở Berlin. Ông đã nộp đơn lên Văn phòng Sáng chế Hoa Kỳ vào tháng 5 năm 1908 và được cấp bằng sáng chế Hoa Kỳ số 1.096.922 vào tháng 5 năm 1914. Max Korndorfer đã chuyển nhượng bằng sáng chế của mình cho Công ty General Electric.

Động cơ không đồng bộ tiêu thụ dòng điện khởi động rất cao trong quá trình tăng tốc đến tốc độ định mức tối đa, thường gấp 6 đến 10 lần dòng điện tải đầy đủ.

Dòng điện khởi động giảm là cần thiết khi lưới điện không đủ công suất hoặc khi tải được dẫn động không chịu được mô-men xoắn khởi động cao.

Một phương pháp cơ bản để giảm dòng điện khởi động là sử dụng biến áp tự ngẫu điện áp giảm với các nấc điều chỉnh ở 50%, 65% và 80% điện áp lưới; khi động cơ được khởi động, biến áp tự ngẫu sẽ được ngắt mạch.

Hoạt động của máy biến áp tự ngẫu

Máy biến áp tự ngẫu có một cuộn dây duy nhất với hai đầu cực và một hoặc nhiều đầu cực tại các điểm đấu dây trung gian. Đây là máy biến áp trong đó các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp có một phần vòng dây chung.

Phần cuộn dây dùng chung cho cả cuộn sơ cấp và thứ cấp được gọi là phần chung. Phần cuộn dây không dùng chung cho cả cuộn sơ cấp và thứ cấp được gọi là phần nối tiếp. Điện áp sơ cấp được đặt vào hai đầu cực. Điện áp thứ cấp được lấy từ hai đầu cực, trong đó một đầu cực thường dùng chung với một đầu cực điện áp sơ cấp.

Vì điện áp trên mỗi vòng dây ở cả hai cuộn dây là như nhau, nên mỗi cuộn dây sẽ tạo ra một điện áp tỷ lệ với số vòng dây của nó. Trong máy biến áp tự ngẫu, một phần dòng điện đầu ra chạy trực tiếp từ đầu vào đến đầu ra (qua phần nối tiếp), và chỉ một phần được truyền tải theo cảm ứng (qua phần chung), cho phép sử dụng lõi nhỏ hơn, nhẹ hơn và rẻ hơn cũng như chỉ cần một cuộn dây duy nhất.

Ứng dụng của máy biến áp tự ngẫu

Truyền tải và phân phối điện

Máy biến áp tự ngẫu được sử dụng để kết nối các hệ thống điện có cấp điện áp khác nhau, ví dụ như giữa mạng 132 kV và 66 kV. Việc này giúp truyền tải năng lượng hiệu quả, giảm tổn hao và thu nhỏ kích thước thiết bị.

Trong công nghiệp, máy biến áp tự ngẫu thường được dùng để điều chỉnh máy móc được thiết kế cho một mức điện áp (ví dụ 480 V) có thể hoạt động ở mức khác (như 600 V). Điều này đặc biệt hữu ích trong các nhà máy sử dụng thiết bị nhập khẩu hoặc hệ thống điện không đồng nhất.

Máy biến áp tự ngẫu cũng được sử dụng để chuyển đổi giữa hai dải điện áp dân dụng phổ biến trên thế giới — 100–130 V và 200–250 V, giúp thiết bị điện có thể hoạt động linh hoạt ở nhiều quốc gia khác nhau.

Tại Vương quốc Anh, việc kết nối giữa mạng lưới “Super Grid” 400 kV và 275 kV thường được thực hiện bằng autotransformer ba pha. Các thiết bị này có bộ điều chỉnh điện áp tại đầu trung tính chung để tinh chỉnh điện áp.

Trên các đường dây phân phối dài ở khu vực nông thôn, máy biến áp tự ngẫu có cơ chế tự động thay đổi nấc điều chỉnh được sử dụng như bộ ổn áp. Chúng giúp đảm bảo khách hàng ở xa nguồn điện vẫn nhận được điện áp ổn định, bù lại tổn hao điện áp dọc theo đường dây.

Một dạng đặc biệt gọi là  máy biến áp tự ngẫu zig-zag được dùng để tạo điểm trung tính nối đất cho các hệ thống ba pha không có dây trung tính. Cấu hình này cho phép dòng điện zero-sequence có đường dẫn về đất, giúp tăng độ an toàn và ổn định cho hệ thống điện.

Hệ thống âm thanh

Trong các ứng dụng âm thanh, máy biến áp tự ngẫu có đầu nối được sử dụng để điều chỉnh loa cho phù hợp với hệ thống phân phối âm thanh điện áp không đổi và để phối hợp trở kháng, chẳng hạn như giữa micro trở kháng thấp và đầu vào bộ khuếch đại trở kháng cao.

Đường sắt

Trong các ứng dụng đường sắt, điện áp xoay chiều 25 kV thường được sử dụng cho tàu hỏa. Để tăng khoảng cách giữa các điểm đấu nối lưới điện, chúng có thể được bố trí để cung cấp nguồn điện 25-0-25 kV chia pha với dây thứ ba (pha ngược) nằm ngoài tầm với của bộ thu điện trên cao của tàu. Điểm 0 V của nguồn được kết nối với đường ray trong khi điểm 25 kV còn lại được kết nối với dây tiếp xúc trên cao.

Bộ khởi động biến áp tự ngẫu

Máy biến áp tự ngẫu có thể được sử dụng như một phương pháp khởi động mềm động cơ cảm ứng. Một trong những thiết kế của bộ khởi động này là bộ khởi động biến áp tự ngẫu Korndörfer.