Tìm hiểu Biến áp, Ổn áp (Transformer, AVR): nguyên lý, phân loại, cách chọn công suất, lý do nhà máy bắt buộc phải sử dụng để ổn định điện, bảo vệ thiết bị.
1) Biến áp (Transformer) là gì?
Biến áp (Transformer) là thiết bị điện từ dùng để thay đổi mức điện áp (tăng áp hoặc hạ áp) mà không thay đổi tần số, thông qua hiện tượng cảm ứng điện từ giữa các cuộn dây quấn trên lõi thép. Trong nhà máy, Transformer thường dùng để:
-
Hạ áp từ lưới trung thế (22 kV/35 kV) xuống 0.4 kV cho phụ tải hạ thế.
-
Cách ly giữa nguồn và tải nhằm giảm rò nhiễu, nâng cao an toàn điện.
-
Phân phối điện đến các khu vực/nhánh tải với mức điện áp phù hợp, giảm tổn thất đường dây.
Lợi ích cốt lõi: đáp ứng yêu cầu điện áp khác nhau của CNC, robot, PLC, biến tần (VFD), lò điện, máy hàn, HVAC, và các dây chuyền sản xuất tự động.
2) Ổn áp (AVR) là gì?
AVR (Automatic Voltage Regulator – Ổn áp) là thiết bị tự động giữ điện áp đầu ra ổn định trong dải cài đặt, bất chấp điện áp đầu vào dao động do sụt áp, quá áp, mất cân bằng pha, phụ tải thay đổi. Ổn áp bảo vệ thiết bị nhạy cảm, giúp dây chuyền hoạt động ổn định, giảm lỗi và dừng máy.
Tác dụng chính của Ổn Áp (AVR):
-
Ổn định điện áp ±1–3% (tùy công nghệ),
-
Giảm nhấp nháy (flicker) và nhiễu do đóng cắt tải lớn,
-
Bảo vệ quá áp, thấp áp, quá dòng, trễ khởi động,
-
Tăng tuổi thọ cho motor, MCU/PLC, servo drive, biến tần, nguồn xung.
3) Nguyên lý hoạt độNg của Transformer & AVR
3.1 Nguyên lý Transformer
-
Cảm ứng điện từ (Faraday): Khi đặt điện áp xoay chiều vào cuộn sơ cấp, một từ thông biến thiên sinh ra trong lõi thép, cảm ứng điện áp ở cuộn thứ cấp.
-
Tỉ số vòng dây (Np/Ns): Quyết định tỉ số điện áp (Up/Us ≈ Np/Ns) và tỉ số dòng (Ip/Is ≈ Ns/Np).
-
Hiệu suất cao (95–99%) nhờ tổn hao đồng (I²R) và tổn hao sắt (hysteresis, eddy current) được tối ưu qua vật liệu lõi (CRGO, amorphous).
-
Biến áp 3 pha dùng lõi ba trụ, cuộn đấu Y/Δ (Y-Delta) để phù hợp điều kiện vận hành, giảm dòng không cân bằng, hỗ trợ khởi động motor.
3.2 Nguyên lý AVR
Tùy công nghệ, Ổn áp có các cách điều chỉnh điện áp bù (buck/boost) khác nhau:
-
AVR Servo (động cơ – variac): Mô-tơ điều khiển chổi quét trên auto–transformer để tăng/giảm điện áp. Ưu: dải rộng, công suất lớn. Nhược: thời gian đáp ứng chậm hơn (vài chục–trăm ms), cần bảo trì cơ khí.
-
AVR Relay/Tapping: Chuyển mạch các nấc (tap) trên cuộn dây để thay đổi điện áp ra. Ưu: cấu trúc đơn giản, chi phí hợp lý. Nhược: bước nhảy điện áp, không liên tục, độ chính xác trung bình.
-
AVR Tĩnh (Static/IGBT/Thyristor): Dùng điện tử công suất tạo điện áp bù nhanh. Ưu: phản hồi rất nhanh (ms), độ chính xác cao, ít bảo trì. Nhược: chi phí đầu tư cao hơn.
4) Vì sao nhà máy cần Biến áp & Ổn áp?
-
Ổn định chất lượng điện năng (Power Quality):
Dao động điện áp, mất cân bằng 3 pha, sóng hài, nhấp nháy do tải phi tuyến (biến tần, lò hồ quang, máy hàn) gây nhiễu, reset PLC, lỗi cảm biến, cháy nguồn. Transformer + AVR giúp lọc – cách ly – ổn định, đảm bảo điện áp “sạch” cho dây chuyền.
-
Bảo vệ thiết bị đắt tiền:
Servo, robot, CNC, lò cảm ứng, PLC, HMI, server, hệ SCADA rất nhạy với quá/thiếu áp. Ổn áp ngăn quá áp đánh thủng, thiếu áp gây sụt mô-men motor, nóng cuộn dây, giảm tuổi thọ.
-
Giảm dừng máy & phế phẩm:
Điện áp không ổn định gây trip biến tần, lỗi đồng bộ servo, làm hỏng mẻ sản xuất. Ổn áp giữ điện áp liên tục ổn định, giảm downtime, nâng OEE.
-
Tiết kiệm năng lượng & chi phí:
Biến áp đấu đúng cấu hình (Y/Δ), chọn tổn hao thấp, mức %Z phù hợp giúp giảm tổn thất, giảm tổn hao đường dây khi truyền ở điện áp thích hợp.
-
Tuân thủ tiêu chuẩn & an toàn:
Nhiều ngành (dược, thực phẩm, điện tử) yêu cầu điện áp trong dải cho phép để đảm bảo chất lượng, an toàn thiết bị và đáp ứng kiểm định.
5) Phân loại biến áp & ổn áp phổ biến trong công nghiệp
5.1 Biến áp (Transformer)
-
Biến áp phân phối (Distribution Transformer): Từ trung thế xuống 0.4 kV; công suất 100 kVA – vài MVA.
-
Biến áp cách ly (Isolation Transformer): Cách ly điện giữa nguồn – tải, giảm nhiễu CM/DM, an toàn cho thiết bị y tế, điện tử chính xác.
-
Tự ngẫu (Autotransformer): Một cuộn dây có nấc; gọn nhẹ, hiệu suất cao, dùng để khởi động motor hoặc điều chỉnh mức áp gần nhau.
-
Biến áp lò, máy hàn: Có %Z thấp và khả năng cấp dòng lớn.
-
Biến áp đo lường (CT/VT): Phục vụ bảo vệ rơ-le, đo đếm.
5.2 Ổn áp (AVR)
-
Ổn áp 1 pha / 3 pha: Phụ thuộc tải. Với nhà máy, 3 pha là chủ đạo.
-
Công nghệ servo, relay, tĩnh: Chọn theo tốc độ đáp ứng, độ chính xác, chi phí, bảo trì.
-
Tủ ổn áp công nghiệp: Dạng tủ sàn cho công suất lớn, tích hợp bảo vệ, đồng hồ đo, giám sát từ xa (Modbus/SCADA).
6) Cách lựa chọn công suất & thông số quan trọng
6.1 Xác định công suất (kVA)
-
Tổng hợp tải: Cộng kW các thiết bị, quy đổi kVA = kW / PF (PF – hệ số công suất).
-
Hệ số dự phòng: Thêm 20–30% dự phòng để đón tải tăng/khởi động.
-
Đặc tính tải:
-
Motor/biến tần: dòng khởi động cao; cân nhắc autotransformer khởi động hoặc AVR phản hồi nhanh.
-
CNC/servo/PLC: nhạy áp; ưu tiên AVR tĩnh, biến áp cách ly.
-
Hàn/lò: yêu cầu dòng lớn; chọn %Z và khả năng quá tải phù hợp.
6.2 Thông số kỹ thuật cần chú ý
-
Điện áp vào/ra: Ví dụ 22 kV/0.4 kV cho transformer, 304–456 V → 380–400 V cho AVR 3 pha.
-
Tần số: 50 Hz (Việt Nam).
-
%Z – điện kháng ngắn mạch: Ảnh hưởng dòng ngắn mạch, sụt áp dưới tải. %Z cao → dòng ngắn mạch thấp nhưng sụt áp lớn hơn.
-
Vật liệu dây quấn: Đồng tổn hao thấp, Nhôm kinh tế hơn (cần tiết diện lớn hơn).
-
Lõi: CRGO hoặc amorphous (tổn hao không tải rất thấp).
-
Cấp cách điện & làm mát: AN/AF, dầu/khô, Class F/H theo tiêu chuẩn IEC/TCVN.
-
Cấp bảo vệ vỏ: IP2X–IP54 tùy môi trường (bụi, ẩm, ăn mòn).
-
Bảo vệ: quá áp/thấp áp/quá dòng, MCB/MCCB, rơ-le nhiệt, SPD chống sét.
-
Giám sát: đồng hồ V/A/kW/kWh, EMS/SCADA, cảnh báo từ xa.
7) Lưu ý lắp đặt, vận hành, bảo trì trong nhà máy
7.1 Lắp đặt
-
Vị trí thông thoáng, tránh ẩm, ăn mòn, rung động; để khoảng hở cho tản nhiệt & bảo trì.
-
Tiếp địa đúng chuẩn, nối PE đầy đủ; với biến áp cách ly, điểm trung tính cần thiết kế phù hợp (N/PE).
-
Tiết diện cáp & siết đầu cốt đúng; kiểm tra mô-men siết định kỳ.
-
Bố trí chống sét lan truyền (SPD) ở tủ phân phối.
-
Cân pha tải 3 pha, hạn chế quá tải từng nhánh.
7.2 Vận hành
-
Theo dõi điện áp – dòng – nhiệt độ; trích xuất log từ AVR tĩnh khi cần phân tích sự cố.
-
Chế độ chuyển bypass (nếu có) để bảo trì không dừng máy.
-
Kiểm tra tổng méo THD nếu dùng nhiều tải phi tuyến; cân nhắc lọc sóng hài hoặc máy biến áp K–Factor.
7.3 Bảo trì
-
Làm sạch bụi định kỳ, đặc biệt ở khe thông gió, quạt.
-
Siết lại bulong – đầu cos, soi nhiệt camera tìm điểm nóng.
-
Đối với servo AVR: bôi trơn/kiểm tra chổi quét, thay thế khi mòn.
-
Đối với biến áp dầu: kiểm tra mức dầu, độ ẩm, chỉ số cách điện, thí nghiệm định kỳ theo quy trình.