Câu trả lời trước tiên: điều chỉnh điện áp là mức điện áp thứ cấp của bạn sụt giảm dưới tải — thường là 4–6% đối với máy biến áp phân phối, và hầu như được quyết định hoàn toàn bởi điện áp trở kháng (Uk%)
Điều chỉnh điện áp là tỷ lệ phần trăm mà điện áp thứ cấp của máy biến áp giảm khi đi từ không tải đến đầy tải, ở điện áp sơ cấp không đổi và hệ số công suất không đổi. Đối với máy biến áp phân phối ngâm dầu tiêu chuẩn, mức sụt giảm đó thường là 4–6%, và đây không phải là điều bạn có thể thiết kế để loại bỏ — đó là cái giá mà thiết bị phải trả cho việc có trở kháng nội tại (điện trở cộng với điện kháng tản). Điểm hữu ích là nó có thể dự đoán được: bạn có thể tính toán nó từ điện áp trở kháng (Uk%) in trên bảng tên máy, dòng điện tải và hệ số công suất tải, và bạn có thể bù trừ nó bằng bộ đổi nấc. Nếu tải của bạn chủ yếu là cảm kháng — động cơ, máy nén, máy bơm — hãy dự kiến điện áp sẽ sụt giảm nhiều hơn so với tải thuần trở như sưởi, vì chính điện kháng của máy biến áp (không phải điện trở) là nguyên nhân gây ra phần lớn mức sụt giảm.
Những điểm chính cần nắm
- Điều chỉnh điện áp là mức sụt giảm điện áp từ không tải đến đầy tải, tính theo phần trăm. Đối với máy biến áp phân phối, thường là 4–6%; con số chính xác là một lựa chọn thiết kế, không phải ngẫu nhiên.
- Nó được quyết định bởi điện áp trở kháng Uk%. Một thiết bị có Uk% = 6% sẽ sụt giảm khoảng 6% ở đầy tải tại hệ số công suất đơn vị — trở kháng trên bảng tên là dự đoán bậc nhất của bạn về điều chỉnh điện áp.
- Hệ số công suất quyết định phần còn lại. Tải cảm kháng (động cơ) làm sụt giảm điện áp nhiều hơn hẳn so với tải trở; hệ số công suất vượt trước (dung kháng) thậm chí có thể nâng điện áp thứ cấp lên.
- Bộ đổi nấc bù trừ, chứ không loại bỏ. Nấc không tải (±2×2.5%) và nấc có tải (±10% hoặc hơn) dịch chuyển toàn bộ tỷ số, nhưng chúng chỉnh mức trung bình, không chỉnh mức sụt giảm phụ thuộc tải tại đầu khách hàng.
- Có sự đánh đổi với dòng điện sự cố. Uk% thấp hơn cho điều chỉnh điện áp chặt hơn nhưng dòng điện ngắn mạch cao hơn; Uk% cao hơn hạn chế dòng điện sự cố nhưng làm điều chỉnh điện áp xấu hơn — chính sự căng thẳng này được giải thích trong hướng dẫn tính toán ngắn mạch của chúng tôi.
Điều chỉnh điện áp thực sự đo lường điều gì
Điều chỉnh điện áp được định nghĩa là sự thay đổi điện áp thứ cấp từ không tải đến đầy tải, được biểu thị bằng phần trăm của điện áp đầy tải, với điện áp sơ cấp được giữ ở giá trị định mức và hệ số công suất không đổi:
Điều chỉnh điện áp % = (Vkhông tải − Vđầy tải) ÷ Vđầy tải × 100
Một ví dụ cụ thể: một máy biến áp 400 V đọc 400 V ở không tải và 380 V ở đầy tải có điều chỉnh điện áp là (400 − 380) ÷ 380 × 100 = 5.26%. Con số đó quan trọng vì hai lý do. Thứ nhất, nó cho bạn biết thiết bị phía hạ áp của bạn thực sự sẽ nhận được bao nhiêu điện áp khi máy biến áp làm việc nặng. Thứ hai, nó là thước đo trực tiếp trở kháng nội tại của thiết bị — đó là lý do định nghĩa này được đưa vào khuôn khổ điện áp định mức của IEC 60076-1, tiêu chuẩn yêu cầu chung cho máy biến áp lực. Trong thực tế, hầu hết người mua không tính điều chỉnh điện áp từ đầu; họ đọc điện áp trở kháng Uk% trên bảng tên và dùng nó như một giá trị thay thế, vì hai đại lượng này gần như giống nhau tại hệ số công suất đơn vị.
Tại sao điện áp sụt giảm: điện trở, điện kháng tản và công thức sụt giảm
Bên trong máy biến áp, mỗi ampe dòng điện tải phải vượt qua hai thứ: điện trở cuộn dây (R) và điện kháng tản (X) — từ thông thoát ra khỏi lõi và chỉ móc vòng một cuộn dây. Cùng nhau chúng tạo thành trở kháng ngắn mạch của máy biến áp. Mức sụt giảm điện áp theo đơn vị tương đối do trở kháng đó gây ra, đối với tải có hệ số công suất cos φ, xấp xỉ:
ΔU% ≈ ukr% × cos φ + ukx% × sin φ
Ở đây ukr% là thành phần điện trở — bằng tổn thất tải (đồng) chia cho kVA định mức, ví dụ một thiết bị 1000 kVA có tổn thất tải 10.5 kW thì ukr% ≈ 1.05% — và ukx% là thành phần điện kháng, đây là thành phần chiếm ưu thế. Đối với một máy biến áp phân phối điển hình, điện kháng gấp 5 đến 10 lần điện trở, vì vậy phần lớn mức sụt giảm điện áp là do điện kháng. Chính sự thật đơn giản đó dẫn đến mọi hệ quả thực tiễn tiếp theo.
Điện áp trở kháng (Uk%): con số duy nhất quyết định điều chỉnh điện áp của bạn
Điện áp trở kháng Uk% là điện áp sơ cấp, được biểu thị bằng phần trăm của điện áp định mức, cần được đặt vào để cho dòng điện đầy tải lưu thông trong một máy biến áp có thứ cấp bị ngắn mạch. Nó được đo trong một thử nghiệm thường quy và được đóng dấu trên bảng tên, và đây là con số hữu ích nhất để dự đoán cả điều chỉnh điện áp lẫn dòng điện ngắn mạch. Các giá trị điển hình cho máy biến áp phân phối theo IEC 60076 và IEEE C57.12.00 là:
- 4% — phổ biến cho các thiết bị phân phối nhỏ hơn (khoảng đến 630 kVA).
- 6% — tiêu chuẩn cho các thiết bị phân phối lớn hơn (khoảng 1000–2500 kVA).
- 8–10% — được chỉ định khi bạn muốn hạn chế dòng điện sự cố (ví dụ cấp cho lưới có trở kháng thấp hoặc nhiều tuyến cấp) với cái giá là điều chỉnh điện áp lỏng hơn.
Đây là một sự đánh đổi thực sự, và là lý do một máy biến áp không thể "giỏi mọi thứ": trở kháng thấp cho bạn điện áp cứng, được điều chỉnh tốt nhưng để dòng điện sự cố rất lớn chạy qua, trong khi trở kháng cao hạn chế dòng điện sự cố nhưng để điện áp sụt giảm đáng kể dưới tải. Toàn bộ logic về cách Uk% giới hạn dòng điện ngắn mạch khả dụng được trình bày trong tính toán ngắn mạch ba bước.
Hệ số công suất thay đổi mọi thứ: tải trở, cảm kháng và dung kháng
Vì công thức sụt giảm cân nhắc các thành phần điện trở và điện kháng theo cos φ và sin φ, nên loại tải quan trọng không kém gì kích thước của nó. Bảng dưới đây cho thấy điều chỉnh điện áp đầy tải xấp xỉ của một máy biến áp phân phối có Uk 6% dưới các hệ số công suất tải khác nhau (giá trị mang tính chỉ dẫn; thành phần điện trở được lấy khoảng ~1%):
| Hệ số công suất tải | Tải điển hình | Điều chỉnh điện áp đầy tải xấp xỉ |
|---|---|---|
| 1.0 (đơn vị) | Sưởi trở, chiếu sáng | ~1–2% |
| 0.9 chậm pha | Tải thương mại hỗn hợp | ~3–4% |
| 0.8 chậm pha | Động cơ, máy bơm, máy nén | ~4.5–5% |
| 0.5 chậm pha | Khởi động động cơ (rôto bị hãm) | ~6–7% |
Hai hệ quả kéo theo. Thứ nhất, một nhà máy đầy động cơ sẽ thấy điện áp mềm hơn đáng kể so với tải sưởi thuần trên cùng một máy biến áp — đó là lý do hệ số công suất của tải, chứ không chỉ kVA của nó, thuộc vào quyết định chọn kích thước của bạn (công thức chọn kích thước của chúng tôi coi nó như một đầu vào). Thứ hai, hệ số công suất vượt trước (dung kháng) — từ các dàn tụ bù hoặc cáp dài non tải — làm cho số hạng điện kháng trở nên âm, nên điện áp thứ cấp thực sự có thể tăng lên trên giá trị không tải khi tải nhẹ. Đó là lý do việc bù công suất quá mức có thể đẩy điện áp ra khỏi dải chấp nhận được.
Cách bộ đổi nấc bù trừ — và tại sao chúng không thay thế được thiết kế tốt
Bộ đổi nấc dịch chuyển tỷ số vòng dây hiệu dụng theo từng bước, dịch chuyển toàn bộ đường cong điện áp đầu ra lên hoặc xuống. Bộ đổi nấc không tải (thường là ±2 × 2.5%) chỉ được điều chỉnh khi thiết bị đã cắt điện và chỉnh cho mức điện áp sơ cấp cố định; bộ đổi nấc có tải (OLTC) (thường là ±10% hoặc hơn theo bước 1.25%) điều chỉnh khi đang mang điện và có thể theo dõi biến động theo mùa hoặc theo ngày. Sự khác biệt — và mức phụ trội giá 10–20% mà một OLTC cộng thêm — được trình bày chi tiết trong hướng dẫn về bộ đổi nấc có tải so với không tải.
Điều mà bộ đổi nấc không thể làm là khắc phục mức sụt giảm phụ thuộc tải tại điểm sử dụng. Điện áp đến động cơ của bạn bị giảm hai lần: thứ nhất bởi chính điều chỉnh điện áp của máy biến áp, sau đó bởi mức sụt giảm điện áp trên cáp cấp hạ áp. Bộ đổi nấc chỉ chỉnh được yếu tố thứ nhất, tại đầu cực máy biến áp. Nếu tải của bạn nằm ở cuối một tuyến cấp dài, hoặc một động cơ lớn làm sụt thanh cái mỗi lần khởi động, giải pháp đúng là một bộ điều chỉnh điện áp tự động chuyên dụng tại điểm sử dụng — một thiết bị giữ điện áp đầu ra trong một dải chặt bất kể tải.
Cách chỉ định điều chỉnh điện áp cho dự án của bạn
- Nêu rõ điện áp trở kháng bạn cần. Nếu độ cứng điện áp quan trọng (khởi động động cơ, thiết bị điện tử nhạy cảm), hãy chỉ định Uk% thấp hơn (ví dụ 4%) và chấp nhận dòng điện sự cố cao hơn; nếu hạn chế sự cố quan trọng, hãy chỉ định 6–8%.
- Biết hệ số công suất tải của bạn. Tải công nghiệp 0.8 chậm pha sụt giảm gần gấp đôi so với tải trở trên cùng một thiết bị — hãy đưa hệ số công suất thực, không phải đơn vị, vào tính toán của bạn.
- Thêm dải nấc cho biến động phía sơ cấp. Nếu điện áp lưới của bạn biến động, hãy đặt dải nấc rộng hơn (ví dụ ±2 × 2.5% không tải, hoặc có tải ±10%) để bạn có thể giữ thứ cấp trong dải điện áp cấp nguồn IEC 60038 (thường là −10%/+6% hoặc chặt hơn, tùy theo đơn vị điện lực).
- Coi tuyến cấp là một phần của hệ thống. Hãy tính mức sụt giảm tổng hợp của máy biến áp cộng cáp; một máy biến áp được điều chỉnh tốt không thể cứu được một tuyến cấp quá dài hoặc quá nhỏ.
- Yêu cầu báo cáo thử nghiệm. Điện áp trở kháng và tổn thất tải đo được trên báo cáo thử nghiệm thường quy cho phép bạn tính điều chỉnh điện áp chính xác của thiết bị của bạn thay vì dựa vào giá trị trong catalogue — cùng nguyên tắc đằng sau hướng dẫn chọn máy biến áp.
Nguồn
Nguồn: IEC 60076-1 — Máy biến áp lực — Phần 1: Yêu cầu chung (điện áp định mức, điện áp trở kháng và định nghĩa điều chỉnh điện áp)
Nguồn: IEC 60076-5 — Máy biến áp lực — Phần 5: Khả năng chịu ngắn mạch (điện áp trở kháng và khả năng chịu ngắn mạch)
Nguồn: IEC 60038 — Điện áp tiêu chuẩn IEC (dải điện áp cấp nguồn danh nghĩa và công bố)
Nguồn: IEEE C57.12.00 — Tiêu chuẩn IEEE về Yêu cầu chung cho Máy biến áp Phân phối, Lực và Điều chỉnh Ngâm chất lỏng
Nguồn: Kinh nghiệm ngành — QDTB Engineering (các giá trị điện áp trở kháng và điều chỉnh điện áp điển hình, và hướng dẫn lựa chọn)