Máy biến áp phân phối và lưới điện ở mains frequency: lớp sàng lọc đầu tiên là tần số

Bài này viết cho các kỹ sư nguồn, linh kiện từ và mua hàng đang làm việc với distribution transformer (máy biến áp phân phối), máy biến áp lưới điện, máy biến áp điện lực và máy biến áp cách ly ở mains frequency (tần số công nghiệp, 50/60 Hz). Có thể bạn đang tìm dây quấn cho một máy biến áp nào đó và muốn biết có nên cân nhắc dây cách điện ba lớp (TIW) hay không. Kết luận trước: trước khi bỏ thời gian so sánh cấp chịu nhiệt, hệ thống chứng nhận và đường kính dây, hãy dùng một lớp sàng lọc nhanh là "tần số". Distribution transformer và máy biến áp lưới điện ở mains frequency (50/60 Hz) về cơ bản không phải là địa hạt của TIW, và lớp sàng lọc đầu tiên đã loại chúng ra. Bài này giải thích vì sao tần số là tiêu chí nhanh nhất, ở cấp cao nhất, đồng thời nói thẳng rằng không có một ngưỡng số duy nhất. Mọi thông số sản phẩm của DAH JIN luôn "theo tài liệu phê duyệt quy cách".

1. Lớp sàng lọc đầu tiên: hỏi trước "máy biến áp của bạn thuộc thế giới tần số nào"

Để quyết định có dùng TIW hay không, trước hết hãy tách hai thế giới tần số:

• Thế giới mains frequency: distribution transformer, máy biến áp lưới điện, máy biến áp điện lực và máy biến áp cách ly ở mains frequency, vận hành ở tần số lưới 50/60 Hz. Chúng đi theo hệ thống thiết kế và chứng nhận của máy biến áp điện lực (ví dụ bộ tiêu chuẩn IEC 60076 về máy biến áp điện lực, tùy thiết kế).
• Thế giới tần số cao: máy biến áp cách ly tần số cao trong bộ nguồn đóng cắt (SMPS), vận hành ở vài chục đến vài trăm kHz. Hệ thống tài liệu phê duyệt quy cách của TIW (UL 2353, IEC 62368-1 Annex J cho cách ly an toàn trong thiết bị công nghệ thông tin và âm thanh/hình ảnh; lĩnh vực y tế theo tài liệu phê duyệt quy cách) được đánh giá chính cho thế giới này.

Vì sao "tần số" đứng đầu? Vì một khi tần số rơi vào mains frequency, dạng ruột dẫn của cuộn dây, cách làm cách điện và yêu cầu về kích thước đều đổi sang một bộ khác, và điểm giá trị của TIW hoàn toàn không đứng vững. Lúc này bạn không cần so tiếp cấp chịu nhiệt, hệ thống chứng nhận hay đường kính dây: lớp sàng lọc đầu tiên đã cho câu trả lời. Đặt tiêu chí cấp cao, cắt được một nhát dứt khoát lên trước, thì các so sánh chi tiết phía sau mới không trở thành công cốc.

2. Cuộn dây ở mains frequency dựa vào khoảng cách cộng dầu/giấy, không dựa vào cách điện tăng cường của một sợi dây

Cuộn dây của distribution transformer và máy biến áp lưới điện ở mains frequency là ruột dẫn tiết diện lớn: dây tráng men (enamel-coated magnet wire) tròn hoặc chữ nhật, lá đồng và băng đồng (sheet/strip winding), còn các máy lớn thường dùng CTC (continuously transposed conductor, ruột dẫn hoán vị liên tục, gồm nhiều sợi đồng tráng men chữ nhật được hoán vị và bện lại). Phía hạ áp dòng lớn nên thường dùng lá đồng/băng đồng diện tích lớn; phía cao áp dùng dây tráng men nhỏ hơn.

Cách điện sơ cấp/thứ cấp của nó dựa vào khoảng cách cộng môi chất cách điện, không dựa vào cách điện tăng cường của riêng một sợi dây: giấy tẩm dầu (oil-impregnated paper), bìa ép cách điện (pressboard), khoảng cách giữa các vòng và giữa các lớp, cùng đặc tính điện môi của chính dầu. Môi chất dầu cho phép chiều dài đường rò và khe hở không khí cần thiết rút ngắn đáng kể so với trong không khí, và đó chính là lý do máy biến áp điện lực ngâm dầu có thể thực hiện cách ly cao áp trong một kích thước hợp lý.

Đối chiếu với điểm giá trị của TIW, tức là dùng một sợi dây hoàn thành cách ly tăng cường (Reinforced) giữa sơ cấp và thứ cấp, bỏ băng cách ly và chiều dài đường rò, làm máy biến áp tần số cao cỡ nhỏ còn nhỏ hơn nữa: trên cuộn dây tiết diện lớn ở mains frequency, hoàn toàn không có nhu cầu này. Máy biến áp ở mains frequency đương nhiên có cách ly sơ cấp/thứ cấp, nhưng đạt được bằng khoảng cách cộng dầu/giấy, chứ không đi theo lối "cách ly tăng cường bằng một sợi dây" của TIW. Khác biệt về vị thế giữa TIW và dây tráng men dùng cho cuộn dây ở mains frequency, xem thêm Phân biệt TIW, FIW và dây tráng men.

3. Địa hạt của TIW ở phía bên kia: tần số cao, kích thước nhỏ, cách ly tăng cường bằng một sợi dây

Bản thân TIW là một sợi dây tráng men tương đối nhỏ, bọc thêm ba lớp cách điện. Công dụng của nó là trong máy biến áp cách ly tần số cao cỡ nhỏ của bộ nguồn đóng cắt, chỉ với một sợi dây đã tạo được cách ly tăng cường giữa sơ cấp và thứ cấp, bỏ băng cách ly và chiều dài đường rò, để máy biến áp nhỏ hơn và mỏng hơn.

Giá trị này được xây trên tiền đề "tần số cao". Bộ nguồn đóng cắt trước tiên biến điện lưới 50/60 Hz thành dòng xoay chiều tần số cao vài chục đến vài trăm kHz, rồi mới ghép qua máy biến áp; tần số càng cao, kích thước máy biến áp càng thu nhỏ đáng kể, và TIW ép mỏng thêm kết cấu cách ly để kích thước giảm thêm một nấc. Tiêu chuẩn đánh giá nó (UL 2353, IEC 62368-1 Annex J), đối tượng được đánh giá (máy biến áp cách ly tần số cao cỡ nhỏ) và giá trị nó mang lại (thu nhỏ cộng cách ly tăng cường bằng một sợi dây) là ba phương diện đều không khớp với máy biến áp điện lực ở mains frequency. Nói cách khác, sân nhà của TIW là máy biến áp cách ly đóng cắt tần số cao, không phải distribution transformer hay máy biến áp lưới điện ở mains frequency.

4. Bảng đối chiếu: phân phối/lưới điện ở mains frequency vs đóng cắt tần số cao (địa hạt của TIW)

• Tần số — Distribution transformer/máy biến áp lưới điện ở mains frequency：Mains frequency (tần số công nghiệp) 50/60 Hz (tần số thấp)；Máy biến áp cách ly của bộ nguồn đóng cắt tần số cao (địa hạt của TIW)：Vài chục đến vài trăm kHz
• Ruột dẫn cuộn dây — Distribution transformer/máy biến áp lưới điện ở mains frequency：Tiết diện lớn: dây tráng men chữ nhật/tròn, lá đồng/băng đồng, CTC；Máy biến áp cách ly của bộ nguồn đóng cắt tần số cao (địa hạt của TIW)：Một sợi dây tráng men tương đối nhỏ (TIW, đường kính theo tài liệu phê duyệt quy cách)
• Cách làm cách điện sơ cấp/thứ cấp — Distribution transformer/máy biến áp lưới điện ở mains frequency：Giấy tẩm dầu, bìa ép cách điện, khoảng cách cộng môi chất dầu；Máy biến áp cách ly của bộ nguồn đóng cắt tần số cao (địa hạt của TIW)：Cách điện tăng cường ba lớp trên một sợi dây, không cần băng cách ly, không cần chiều dài đường rò
• Yêu cầu kích thước — Distribution transformer/máy biến áp lưới điện ở mains frequency：Vốn đã to và nặng, không thu nhỏ bằng dây nhỏ；Máy biến áp cách ly của bộ nguồn đóng cắt tần số cao (địa hạt của TIW)：Nhờ tần số cao cộng TIW để máy biến áp cỡ nhỏ còn nhỏ hơn
• Hệ thống chứng nhận — Distribution transformer/máy biến áp lưới điện ở mains frequency：Hệ thống máy biến áp điện lực (bộ IEC 60076, tùy thiết kế)；Máy biến áp cách ly của bộ nguồn đóng cắt tần số cao (địa hạt của TIW)：UL 2353 / IEC 62368-1 Annex J (lĩnh vực y tế theo tài liệu phê duyệt quy cách)
• Kết quả lớp sàng lọc đầu tiên — Distribution transformer/máy biến áp lưới điện ở mains frequency：Mains frequency là loại ngay, không cần so cấp chịu nhiệt/đường kính；Máy biến áp cách ly của bộ nguồn đóng cắt tần số cao (địa hạt của TIW)：Vào địa hạt của TIW, chi tiết vẫn theo tài liệu phê duyệt quy cách

5. Dùng lớp sàng lọc đầu tiên thế nào (tiêu chí cho kinh doanh và kỹ thuật)

Chia lớp sàng lọc này thành hai bước:

• Bước 1: hỏi tần số: máy biến áp của bạn có phải là distribution transformer, máy biến áp lưới điện, máy biến áp điện lực hay máy biến áp cách ly ở mains frequency (50/60 Hz) không? Nếu phải, TIW không áp dụng, lớp sàng lọc đầu tiên dừng tại đây, không cần so tiếp cấp chịu nhiệt hay đường kính dây.
• Bước 2: nếu là tần số cao: chỉ khi là máy biến áp cách ly tần số cao (từ vài chục kHz trở lên) cỡ nhỏ trong bộ nguồn đóng cắt thì mới vào địa hạt của TIW, rồi đi tiếp sang chọn dây và xác định theo tài liệu phê duyệt quy cách (cấp chịu nhiệt, dải đường kính, v.v., xem hướng dẫn chọn dây). Cây quyết định tổng thể "sản phẩm của tôi rốt cuộc có cần TIW không", xem Sản phẩm của bạn có cần TIW không.

Lưu ý thẳng thắn: không có một con số thống nhất toàn cầu kiểu "dưới bao nhiêu kHz là loại hết" để có thể dẫn làm nguồn gốc. Ranh giới đáng tin cậy mang tính định tính: máy biến áp điện lực ở mains frequency/tần số thấp, đối lại máy biến áp cách ly đóng cắt tần số cao (vài chục đến vài trăm kHz), địa hạt của TIW nằm ở vế sau. Bằng chứng gián tiếp là: tiêu chuẩn an toàn có riêng một tài liệu phối hợp cách điện cho ứng suất điện áp tần số cao (IEC 60664-4, áp dụng cho tần số cơ bản trên 30 kHz), còn dưới dải đó chỉ xét giá trị hiệu dụng của điện áp, bài toán tương đối đơn giản; điều này cũng cho thấy "tần số đổi thì toàn bộ bài toán cách điện đổi sang một bộ khác". DAH JIN là nhà sản xuất (nhà máy tự sở hữu tại Quy Nhân, Đài Nam, Đài Loan); tài liệu phê duyệt quy cách xác định mã sản phẩm và dải đường kính dây, đối ngoại luôn lấy tài liệu phê duyệt quy cách làm chuẩn.