Các loại tổn thất trong máy biến áp và phương pháp giảm thiểu

Máy biến áp là trái tim của nhiều hệ thống điện, nhưng trong quá trình vận hành, chúng không thể tránh khỏi việc tiêu hao một phần năng lượng. Vậy, các loại tổn thất trong máy biến áp là gì, chúng ảnh hưởng ra sao và quan trọng hơn, làm thế nào để giảm thiểu những tổn thất này? Hãy cùng Sài Gòn Sinco đi sâu phân tích để tối ưu hóa hiệu suất và độ bền cho thiết bị quan trọng này.

Tổn thất máy biến áp là gì?

Tổn thất máy biến áp, hay còn được gọi là tổn hao công suất trong máy biến áp, chính là phần năng lượng điện bị tiêu hao và chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác, chủ yếu là nhiệt năng, trong suốt quá trình máy biến áp thực hiện chức năng biến đổi điện áp. Dù máy biến áp được biết đến là một trong những thiết bị điện có hiệu suất hoạt động rất cao, thường trên 95-99% đối với các máy lớn, nhưng không một máy biến áp nào có thể đạt hiệu suất tuyệt đối 100%. Phần năng lượng đầu vào không được chuyển đổi thành năng lượng hữu ích ở đầu ra chính là lượng tổn thất này.

Tổn thất máy biến áp là gì

Các loại tổn thất trong máy biến áp

Tổn thất năng lượng trong máy biến áp có thể được phân chia thành nhiều loại khác nhau, mỗi loại có nguyên nhân và đặc điểm riêng. Dưới đây là các loại tổn thất chính thường gặp:

Tổn thất lõi

Tổn thất lõi, còn gọi là tổn thất sắt (iron loss) hoặc tổn thất không tải (no-load loss), xảy ra trong lõi thép của máy biến áp do sự biến thiên của từ thông khi có dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn dây sơ cấp, ngay cả khi máy biến áp không mang tải ở phía thứ cấp. Loại tổn thất này gần như không đổi và không phụ thuộc vào mức độ tải của máy. Tổn thất lõi bao gồm hai thành phần chính:

• Tổn thất do dòng điện xoáy (Eddy Current Loss): Khi từ thông xoay chiều biến thiên trong lõi thép (vốn là vật liệu dẫn điện), nó sẽ cảm ứng ra các dòng điện chạy xoáy tròn bên trong các lá thép. Những dòng điện này, gọi là dòng điện Foucault hay dòng điện xoáy, chạy theo những đường khép kín và gây ra sự phát nhiệt, làm nóng lõi thép, đó chính là tổn thất năng lượng. Độ lớn của tổn thất do dòng điện xoáy phụ thuộc vào tần số, độ lớn của từ thông, điện trở suất của vật liệu làm lõi và độ dày của các lá thép.

• Tổn thất do trễ từ (Hysteresis Loss): Lõi thép của máy biến áp được làm từ vật liệu sắt từ. Khi có từ trường xoay chiều tác động, các đô-men từ (vùng từ hóa nhỏ) trong vật liệu sẽ liên tục bị đảo chiều, sắp xếp lại theo chiều của từ trường. Quá trình đảo chiều và sắp xếp lại này không diễn ra tức thời mà có sự "trễ" nhất định, đòi hỏi tiêu tốn năng lượng để thắng lực ma sát nội tại giữa các đô-men. Năng lượng tiêu tốn này được chuyển hóa thành nhiệt và được gọi là tổn thất trễ từ. Độ lớn của tổn thất trễ từ phụ thuộc vào tần số, giá trị cực đại của mật độ từ thông và đặc tính của vật liệu làm lõi (diện tích vòng trễ từ).

Tổn thất đồng (tổn thất điện trở, tổn thất tải)

Tổn thất đồng, còn được gọi là tổn thất điện trở (resistive loss) hay tổn thất có tải (load loss), là loại tổn thất xảy ra do điện trở của các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp khi có dòng điện tải chạy qua. Năng lượng này bị tiêu hao dưới dạng nhiệt theo định luật Joule-Lenz (P = I²R). Tổn thất đồng tỷ lệ thuận với bình phương dòng điện tải và điện trở của dây quấn. Do đó, khi tải tăng, tổn thất đồng cũng tăng lên đáng kể. Đây là thành phần tổn thất chủ yếu khi máy biến áp mang tải nặng.

Tổn thất điện môi

Tổn thất điện môi xảy ra trong các vật liệu cách điện của máy biến áp, như dầu cách điện, giấy cách điện, sứ cách điện. Khi các vật liệu này được đặt trong một điện trường xoay chiều (giữa các cuộn dây, giữa cuộn dây và lõi thép, hoặc giữa các bộ phận mang điện áp khác nhau), các phân tử phân cực trong vật liệu cách điện sẽ dao động và ma sát với nhau, gây ra phát nhiệt. Tuy nhiên, đối với các máy biến áp hoạt động ở tần số công nghiệp (50Hz hoặc 60Hz) và có vật liệu cách điện chất lượng tốt, loại tổn thất này thường rất nhỏ và có thể bỏ qua so với tổn thất lõi và tổn thất đồng.

Tổn thất lạc tải

Tổn thất lạc tải là các tổn thất do dòng điện xoáy gây ra bởi từ thông tản (leakage flux) trong các bộ phận kim loại không phải là lõi thép chính, như vỏ thùng máy biến áp, các thanh kẹp lõi thép, bulông, kết cấu đỡ, và cả trong chính các dây dẫn của cuộn dây khi có dòng điện tải lớn. Từ thông tản này tỷ lệ với dòng điện tải, do đó tổn thất lạc tải cũng phụ thuộc vào tải. Việc tính toán chính xác tổn thất này khá phức tạp.

Tổn thất cơ học

Đối với máy biến áp (là thiết bị tĩnh), tổn thất cơ học chủ yếu là do hiện tượng từ giảo (magnetostriction) của lõi thép. Khi từ hóa, lõi thép có xu hướng thay đổi kích thước một chút, gây ra rung động và tiếng ồn. Năng lượng chuyển thành rung động và âm thanh này là một dạng tổn thất, tuy nhiên thường rất nhỏ so với các loại tổn thất điện từ khác. Tiếng ồn lớn cũng có thể là dấu hiệu của các vấn đề khác như lõi thép bị lỏng.

Các loại tổn thất trong máy biến áp

Cách giảm thiểu tổn thất máy biến áp

Việc giảm thiểu tổn thất trong máy biến áp không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí vận hành mà còn góp phần tăng tuổi thọ cho thiết bị. Dưới đây là các phương pháp chính được áp dụng:

Giảm tổn thất lõi (tổn thất sắt)

• Sử dụng vật liệu lõi thép chất lượng cao: Chọn các loại thép kỹ thuật điện có hàm lượng silic cao, có đặc tính từ trễ thấp (vòng trễ từ hẹp) và điện trở suất lớn. Thép silic định hướng (CRGO - Cold Rolled Grain Oriented steel) thường được ưu tiên cho các máy biến áp lớn.

• Sử dụng các lá thép mỏng: Lõi thép được ghép từ nhiều lá thép mỏng (thường dày từ 0.23mm đến 0.35mm), được phủ một lớp cách điện mỏng trên bề mặt. Việc này làm tăng điện trở tổng của khối lõi theo phương vuông góc với chiều từ thông, giúp hạn chế đáng kể dòng điện xoáy.

• Thiết kế và gia công lõi thép tối ưu: Đảm bảo các lá thép được cắt và ghép chính xác, giảm thiểu khe hở không khí, và thực hiện quá trình ủ nhiệt sau khi gia công để phục hồi đặc tính từ của vật liệu.

Giảm tổn thất đồng (tổn thất điện trở)

• Sử dụng vật liệu dẫn điện tốt: Đồng là vật liệu được ưu tiên do có điện trở suất thấp. Nhôm cũng được sử dụng trong một số trường hợp để giảm chi phí và trọng lượng, nhưng cần có tiết diện lớn hơn đồng để đạt cùng khả năng dẫn điện.

• Tăng tiết diện dây quấn: Sử dụng dây dẫn có tiết diện lớn hơn sẽ làm giảm điện trở của cuộn dây, từ đó giảm tổn thất I²R. Tuy nhiên, điều này làm tăng kích thước và chi phí máy.

• Tối ưu hóa thiết kế cuộn dây: Sử dụng các kỹ thuật quấn dây hiệu quả, giảm chiều dài dây, đảm bảo tiếp xúc tốt tại các điểm nối. Đối với các máy biến áp công suất lớn, có thể sử dụng dây dẫn dạng bện gồm nhiều sợi nhỏ cách điện (dây Litz) để giảm hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng lân cận ở tần số cao, dù điều này ít phổ biến ở tần số lưới.

Giảm tổn thất điện môi

• Sử dụng vật liệu cách điện chất lượng cao: Chọn các loại dầu cách điện, giấy cách điện, sứ cách điện có hằng số điện môi thấp và tổn hao điện môi nhỏ.

• Đảm bảo quy trình xử lý cách điện tốt: Sấy khô và hút chân không kỹ lưỡng để loại bỏ hơi ẩm và không khí khỏi vật liệu cách điện, giúp cải thiện đặc tính cách điện và giảm tổn thất.

Giảm tổn thất lạc tải

• Thiết kế tối ưu hình dạng và vị trí các cuộn dây để giảm thiểu từ thông tản.

• Sử dụng các tấm chắn từ làm bằng vật liệu dẫn điện tốt (như nhôm hoặc đồng) hoặc vật liệu từ tính cao đặt ở những vị trí thích hợp để dẫn và hạn chế từ thông tản đi vào các kết cấu kim loại.

• Sử dụng vật liệu phi từ tính cho các bộ phận kết cấu gần cuộn dây nếu có thể.

Các biện pháp vận hành và bảo dưỡng

• Vận hành máy biến áp ở mức tải tối ưu: Hiệu suất máy biến áp thường cao nhất ở một mức tải nhất định (thường khoảng 50-75% tải định mức). Tránh vận hành máy non tải hoặc quá tải trong thời gian dài.

• Đảm bảo hệ thống làm mát hoạt động hiệu quả: Giữ cho nhiệt độ máy biến áp trong giới hạn cho phép giúp giảm điện trở dây quấn (do điện trở tăng theo nhiệt độ) và bảo vệ cách điện.

• Bảo dưỡng định kỳ: Kiểm tra, làm sạch máy, kiểm tra chất lượng dầu cách điện, siết chặt các mối nối để đảm bảo máy hoạt động ổn định.

Cách giảm thiểu tổn thất máy biến áp

Ảnh hưởng của tổn thất đến hiệu suất và tuổi thọ máy biến áp

Tổn thất năng lượng trong máy biến áp không chỉ là một con số trên lý thuyết; chúng mang lại những hậu quả thực tế và đáng kể đối với cả hiệu quả hoạt động lẫn độ bền của thiết bị.

Tổn thất làm suy giảm hiệu suất hoạt động

Hiệu suất của máy biến áp, được tính bằng tỷ lệ giữa công suất hữu ích đầu ra và tổng công suất đầu vào, bị ảnh hưởng trực tiếp bởi lượng tổn thất.

• Hiệu suất thấp hơn: Rõ ràng, khi tổn thất càng nhiều, phần năng lượng chuyển hóa thành nhiệt càng lớn, và lượng năng lượng hữu ích truyền đến tải càng ít. Điều này đồng nghĩa với việc hiệu suất của máy biến áp giảm xuống.

• Tăng chi phí năng lượng: Để cung cấp cùng một lượng điện năng cho phụ tải, một máy biến áp có tổn thất cao sẽ đòi hỏi nhiều năng lượng đầu vào hơn. Về lâu dài, điều này dẫn đến chi phí vận hành và hóa đơn tiền điện tăng cao, đặc biệt đối với các hệ thống điện công suất lớn.

Tổn thất rút ngắn tuổi thọ máy biến áp

Một trong những tác động nghiêm trọng nhất của tổn thất là sự gia tăng nhiệt độ bên trong máy biến áp, và nhiệt độ chính là "kẻ thù" của tuổi thọ thiết bị, đặc biệt là hệ thống cách điện.

• Thúc đẩy lão hóa cách điện: Nhiệt độ cao do tổn thất sinh ra làm các vật liệu cách điện (như giấy, dầu) bị xuống cấp nhanh chóng. Quá trình lão hóa này khiến chúng trở nên giòn, dễ nứt vỡ và mất dần khả năng cách điện theo thời gian. Theo một quy tắc kinh nghiệm, tuổi thọ của cách điện có thể giảm đi một nửa nếu nhiệt độ vận hành tăng thêm khoảng 6-10°C so với mức thiết kế.

• Tăng nguy cơ sự cố: Khi cách điện suy yếu, nguy cơ xảy ra phóng điện nội bộ, chập cháy hoặc các sự cố nghiêm trọng khác trong máy biến áp tăng lên. Nhiệt độ cao cũng có thể gây ra các vấn đề cơ học như giãn nở không đều, làm lỏng các mối nối, tăng điện trở tiếp xúc và lại tiếp tục gây thêm tổn thất.

• Giảm thời gian sử dụng thực tế: Dù được thiết kế để hoạt động trong nhiều thập kỷ, một máy biến áp liên tục vận hành với tổn thất lớn và nhiệt độ cao sẽ có tuổi thọ thực tế ngắn hơn nhiều. Điều này dẫn đến việc phải thay thế thiết bị sớm hơn dự kiến, gây tốn kém chi phí đầu tư và gián đoạn hoạt động.

Do đó, việc kiểm soát và giảm thiểu tổn thất không chỉ đơn thuần là tiết kiệm điện. Đó là một yếu tố then chốt để duy trì hiệu suất cao, đảm bảo máy biến áp vận hành ổn định, an toàn và đạt được tuổi thọ tối đa theo thiết kế.

Ảnh hưởng của tổn thất đến hiệu suất và tuổi thọ máy biến áp

Việc hiểu rõ các loại tổn thất trong máy biến áp và các phương pháp giảm thiểu chúng là vô cùng cần thiết để tối ưu hóa hoạt động của hệ thống điện. Hy vọng Sài Gòn Sinco đã cung cấp cho bạn những thông tin hữu ích!

CTY TNHH TM XÂY LẮP CÔNG NGHIỆP SÀI GÒN (SINCO ENGINEERING): 

Công Ty TNHH Thương Mại Xây Lắp Công Nghiệp SÀI GÒN Sinco - nhà sản xuất và phân phối thiết bị điện hàng đầu tại Việt Nam. Chúng tôi cung cấp tủ điện, máy biến áp và nhiều sản phẩm chất lượng khác.

• Địa chỉ: 489/9 Mã Lò, Khu phố 1, Phường Bình Hưng Hòa A, Bình Tân, Hồ Chí Minh
• Hotline: 0946556058 - 0914510058
• Email: saigonsinco@gmail.com
• Website: https://www.saigonsinco.com

MỜI QUÝ KHÁCH XEM THÊM CÁC SẢN PHẨM KHÁC CỦA CHÚNG TÔI TẠI ĐÂY: