Biến áp tần số cao là bộ phận quan trọng nhất của nguồn điện chuyển mạch. Biến áp tần số cao là biến áp điện có tần số hoạt động vượt quá tần số trung gian (10kHz). Nó được sử dụng làm biến áp điện biến tần tần số cao trong nguồn điện biến thiên và máy hàn biến tần tần số cao.

Theo tần số làm việc, máy biến áp tần số cao có thể được chia thành một số cấp: 10kHz-50kHz, 50kHz-100kHz, 100kHz-500kHz, 500kHz-1MHz và trên 10MHz. Khi công suất truyền tương đối lớn, thiết bị điện thường sử dụng IGBT, vì IGBT có hiện tượng dòng điện giảm dần, do đó tần số hoạt động tương đối thấp; công suất truyền tương đối nhỏ, sử dụng MOSFET, tần số hoạt động tương đối cao.

Nguyên lý hoạt động của biến áp tần số cao

Biến áp tần số cao là thiết bị sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ để biến đổi điện áp, dòng điện và trở kháng AC. Các thành phần chính bao gồm cuộn dây sơ cấp, cuộn dây thứ cấp và lõi sắt.

Khi có dòng điện xoay chiều trong cuộn dây sơ cấp, từ thông xoay chiều sẽ được tạo ra trong lõi sắt (hoặc lõi từ), do đó cuộn dây thứ cấp tạo ra điện áp (hoặc dòng điện), được sử dụng trong nguồn điện làm tăng áp, giảm áp và cách ly.

Ký hiệu của máy biến áp

Ưu điểm của máy biến áp tần số cao

Đối với máy biến áp tần số cao sử dụng công nghệ buck-boost DC, tần số chuyển mạch thường lớn hơn ít nhất 10KHz và tần số chuyển mạch tối đa bị giới hạn bởi khả năng chịu nhiệt của các thành phần nguồn điện chuyển mạch (BJT, MOSFET, IGBT) và tổn thất sắt của vật liệu lõi. Nói cách khác, kích thước, mọi thứ đều bị giới hạn bởi nhiệt độ mà vật liệu có thể chịu được. Vật liệu lõi của loại máy biến áp này được sử dụng trong nguồn điện được thay đổi thành vật liệu nguồn ferit, thường được gọi là máy biến áp tần số cao.

Trong trường hợp tiêu thụ điện năng cao hơn và khoảng cách truyền tải dài hơn, hệ thống điện AC vượt trội hơn nhiều so với hệ thống DC. Nói chung, hệ thống điện AC là 50Hz hoặc 60Hz. Miễn là máy biến áp được thiết kế cho tần số nguồn 50Hz/60Hz, thì thường được gọi là “máy biến áp tần số thấp”. Nó thường được sử dụng kết hợp với hệ thống điện, còn được gọi là máy biến áp nguồn. Vật liệu lõi chủ yếu là tấm thép silic.

Tần số được xác định bởi thời gian chuyển mạch của phần tử chuyển mạch mỗi giây, vì vậy nó cũng được gọi là tần số chuyển mạch fs. Khi điện áp đầu vào của máy biến áp giống nhau, việc tăng tần số chuyển mạch có thể làm giảm số vòng N và giảm kích thước của lõi sắt và lượng điện năng cần truyền tải sẽ quyết định dây. Đường kính dây, vì vậy thông thường việc tăng tần số chuyển mạch là để giảm số vòng hoặc giảm kích thước lõi sắt, do đó thể tích của máy biến áp tần số cao sẽ nhỏ hơn nhiều so với thể tích của máy biến áp tần số thấp.

Nguyên lý thiết kế máy biến áp tần số cao

Độ tự cảm rò rỉ, trong thiết kế máy biến áp tần số cao, độ tự cảm rò rỉ của máy biến áp là do sự ghép nối không hoàn chỉnh của từ thông giữa cuộn dây sơ cấp và cuộn dây thứ cấp, và các đường sức từ do cuộn dây tạo ra không thể đi qua cuộn dây thứ cấp. Độ tự cảm rò rỉ được gọi là độ tự cảm rò rỉ; theo nhà thiết kế, cửa sổ càng rộng, số vòng càng nhỏ, số lớp xếp chồng càng ít, độ tự cảm rò rỉ càng thấp hoặc các chồng sơ cấp và thứ cấp được bù trừ để giảm sự phát sinh độ tự cảm rò rỉ. Đây được gọi là phương pháp quấn sandwich.

Điện dung phân tán, giữa các vòng dây của cuộn dây máy biến áp, giữa các lớp trên và dưới của cùng một cuộn dây, hoặc giữa các cuộn dây khác nhau, điện dung hình thành giữa cuộn dây và lớp mặt nạ được gọi là điện dung phân tán; Các nhà thiết kế thường đặt cuộn dây sơ cấp ở lớp trong cùng, sao cho độ dài của mỗi vòng dây của cuộn dây sơ cấp của máy biến áp có thể ngắn nhất, và điều này làm giảm hiệu quả điện dung phân tán của chính cuộn dây sơ cấp, nhưng phương pháp quấn sandwich sẽ làm tăng điện dung ký sinh và làm giảm hiệu suất, vì vậy đây cũng là một nhà thiết kế cần cân nhắc.

Bởi vì máy biến áp tần số cao trong nguồn điện chuyển mạch truyền tín hiệu sóng vuông xung tần số cao. Trong quá trình truyền tải thoáng qua, độ tự cảm rò rỉ và điện dung phân tán sẽ gây ra dòng điện đột biến và điện áp cực đại, dao động ở đỉnh, dẫn đến tổn thất tăng lên, đây là lý do chính tại sao độ tự cảm rò rỉ thấp là cần thiết trong thiết kế. Ngược lại, cũng có những nhà thiết kế sử dụng độ tự cảm rò rỉ để phát hiện, vì các nhà thiết kế khác nhau có các yêu cầu và phương pháp thiết kế khác nhau.

Băng cách điện, thường cần thêm (2-3) lớp băng cách điện giữa cuộn dây sơ cấp và cuộn dây thứ cấp, có thể làm giảm điện dung của điện dung phân tán giữa cuộn dây sơ cấp và cuộn dây thứ cấp, đồng thời cũng làm tăng cường độ cách ly của cuộn dây sơ cấp và thứ cấp. Độ bền điện môi giữa các lớp đảm bảo yêu cầu điện áp chịu điện môi. Thường là 1-2 lớp cho băng AC 1000V, 2-3 lớp cho băng AC 3000V.

Quá trình che chắn là để giải quyết hiệu quả hơn vấn đề nhiễu của máy biến áp. Lá đồng dẫn điện được thêm vào giữa các cuộn dây hoặc lớp ngoài cùng của lõi sắt, nhưng cần lưu ý rằng lá đồng dẫn điện được sử dụng giữa các cuộn dây cũng được nối đất, điều này sẽ làm tăng điện trở nhiệt. Nói chung, lá đồng dẫn điện sẽ được nối đất trên lớp ngoài cùng của lõi sắt hoặc gói dây. Hoặc bạn có thể thêm băng cách điện vào lớp ngoài cùng của lõi sắt để tăng hiệu quả che chắn.

Cách điện và điện áp chịu đựng là chìa khóa để thiết kế máy biến áp tần số cao. Khi điều kiện điện trở chịu đựng khắc nghiệt hoặc khoảng cách an toàn của thiết kế khung dây không đủ, thông số kỹ thuật điện trở của vật liệu có thể được tăng lên hoặc sử dụng tường chắn, băng, ống, tẩm và các quy trình khác để tăng điện áp chịu đựng giữa sơ cấp và thứ cấp hoặc khoảng cách an toàn, hoặc sử dụng ống lót để đảm bảo khoảng cách an toàn giữa thiếc hoặc quấn dây là một cách phổ biến.