Cấu tạo máy biến áp 3 pha 3 cuộn dây: Phân biệt 3 trụ từ

Cấu tạo máy biến áp 3 pha 3 cuộn dây là chủ đề dễ bị hiểu sai vì “3 cuộn dây” có thể mang hai ý nghĩa khác nhau. Ở máy biến áp ba pha thông thường, ba trụ từ tương ứng ba pha A, B, C; mỗi pha thường có một cuộn sơ cấp và một cuộn thứ cấp. Còn trong thuật ngữ máy biến áp ba cuộn dây (three-winding transformer), mỗi pha có ba nhóm dây quấn, thường được gọi là cuộn cao áp, cuộn trung áp và cuộn hạ áp hoặc sơ cấp, thứ cấp và cuộn thứ ba (tertiary).

Vì vậy, máy biến áp 3 pha không mặc nhiên là máy biến áp 3 cuộn dây. Bài viết này giải thích hai cách hiểu, cấu tạo phần lõi và dây quấn, mục đích của cuộn thứ ba, cách đọc các thông số khi mua máy và lưu ý an toàn. Đây là nội dung chuyên sâu bổ sung cho bài sơ đồ máy biến áp 3 pha đã có trên website, không lặp lại toàn bộ nguyên lý cơ bản.

Máy biến áp 3 pha có bao nhiêu cuộn dây?

Một máy biến áp ba pha loại hai nhóm dây quấn thường có ba cuộn sơ cấp tương ứng các pha A, B, C và ba cuộn thứ cấp tương ứng a, b, c. Trong dạng kết cấu lõi ba trụ phổ biến, các cuộn của cùng một pha nằm trên một trụ từ. Như vậy, nếu đếm từng cuộn của từng pha, hệ đơn giản này có 6 cuộn pha, được tổ chức thành 2 nhóm dây quấn ba pha.

Nếu thêm một nhóm dây quấn thứ ba trên các pha, cấu trúc lý tưởng có ba nhóm, mỗi nhóm gồm ba cuộn pha, tức 9 cuộn pha. Con số 6 hay 9 dùng để giải thích nguyên lý cấu trúc; trên máy thực tế, số phân đoạn cuộn, nấc điều chỉnh, dây song song và chi tiết bên trong có thể khác.

Điều này cũng giải thích vì sao bản vẽ máy ba pha có ba trụ không thể tự chứng minh máy có ba bộ dây quấn. Ba trụ từ là cấu tạo lõi thép; ba nhóm dây quấn là cấu hình điện. Đây là hai thuộc tính độc lập, không được dùng thay thế cho nhau.

Cấu tạo máy biến áp 3 pha 3 cuộn dây gồm những bộ phận nào?

1. Lõi thép và mạch từ ba pha

Lõi thép dẫn từ thông cho các pha. Máy ba pha dạng lõi trụ thông dụng có ba trụ từ nối với gông từ, và mỗi trụ mang các cuộn của một pha. Một số thiết kế máy công suất lớn hoặc yêu cầu từ thông đặc biệt có thể dùng cấu trúc năm trụ hay dạng bọc; không nên mặc định mọi máy ba pha đều có lõi giống hệt nhau.

Vật liệu lõi, chất lượng ghép lá, tiết diện mạch từ và mức từ cảm thiết kế ảnh hưởng đến dòng không tải, tổn hao và phát nhiệt. Cấu tạo mạch từ không chỉ quyết định kích thước mà còn ảnh hưởng đến hành vi thành phần thứ tự không và chế độ mất cân bằng. Tuy nhiên, các thông số này cần được đánh giá từ thiết kế và thí nghiệm, không thể suy ra bằng mắt thường.

2. Cuộn dây cao áp (HV)

Đây là nhóm dây quấn liên quan đến phía điện áp cao trong cấu hình máy. Chức năng và điện áp danh định của nhóm cuộn phải được ghi trên nhãn máy và bản vẽ đấu nối. Khi dùng các thuật ngữ cao áp, trung áp, hạ áp, phải hiểu chúng là ba mức điện áp tương đối trong chính cấu hình đang xét, không phải cam kết mọi máy ba cuộn dây đều thuộc cấp truyền tải 110kV trở lên.

Vật liệu dẫn điện, số vòng, mức cách điện, cơ cấu điều chỉnh nấc (nếu có) và kết cấu đầu nối đều tùy thiết kế. Không thể chỉ lấy tỉ số điện áp để tự xác định kích thước dây hoặc cấu tạo cách điện.

3. Cuộn dây trung áp (MV) hoặc nhóm thứ cấp chính

Nhóm dây quấn thứ hai liên kết từ với cùng mạch từ nhưng được cách điện theo yêu cầu thiết kế. Trong một cấu hình ba cấp điện áp, đây có thể là ngõ đưa điện đến mạng phân phối trung áp hoặc một ngõ ra phục vụ phần phụ tải chính. Công suất cho phép của nhóm cuộn này phải xét định mức riêng của cuộn và giới hạn chung của máy.

Việc có ba nhóm cuộn không có nghĩa mọi nhóm đều có cùng định mức kVA. Trong nhiều thiết kế, cuộn thứ ba được dành cho một mục đích riêng và có định mức khác hai cuộn chính.

4. Cuộn dây thứ ba (tertiary winding)

Cuộn thứ ba là phần phân biệt quan trọng nhất. Tùy hệ thống, nó có thể dùng để cấp một mức điện áp bổ sung, phục vụ phụ tải phụ trợ trong trạm, kết nối thiết bị bù công suất phản kháng hoặc thực hiện vai trò ổn định điện từ khi được nối tam giác. Không phải cuộn thứ ba nào cũng đưa đầu dây ra ngoài để khách hàng cấp tải.

Ở một số máy có cuộn thứ ba đấu tam giác khép kín, cuộn có thể tạo đường lưu thông cho dòng hài bậc ba và thành phần thứ tự không trong các điều kiện nhất định; qua đó góp phần vào hành vi điện áp và cân bằng của hệ thống. Đây là tác dụng phụ thuộc tổ đấu dây, nối đất, điện kháng và cấu tạo lõi; không nên quảng cáo chung là “triệt tiêu mọi sóng hài” hay “chống giật tuyệt đối”.

5. Hệ thống cách điện, làm mát và phụ kiện

Tùy loại máy dầu hay máy khô, các nhóm cuộn được bố trí với khoảng cách, lớp cách điện và hệ thống thoát nhiệt phù hợp. Máy dầu có thể có thùng dầu, sứ xuyên, phụ kiện giám sát nhiệt và bảo vệ tùy cấu hình; máy khô thường dùng vật liệu cách điện và phương án làm mát khác. Với máy ba nhóm dây quấn, khoảng cách cách điện giữa các nhóm và khả năng chịu lực khi ngắn mạch cần được thiết kế cẩn thận.

Trong thực tế, không chỉ thông số điện áp mà cả nhiệt độ môi trường, độ cao lắp đặt, chế độ tải và yêu cầu vận hành liên tục cũng quyết định cấu hình phù hợp.

Phân biệt máy biến áp 3 pha hai cuộn dây và ba cuộn dây

Trên một số sơ đồ lưới, cuộn thứ ba tương đương trong mô hình mô phỏng có thể được bổ sung để mô tả hiệu ứng mạch từ của lõi ba trụ. Đây không nhất thiết là cuộn dây vật lý có thật. Vì vậy, khi đọc mô hình máy biến áp trong phần mềm, cần phân biệt cuộn dây vật lý và phần tử tương đương dùng cho tính toán.

Nguyên lý hoạt động của máy biến áp ba cuộn dây

Nguyên lý nền tảng vẫn là cảm ứng điện từ. Điện áp xoay chiều đặt lên một nhóm cuộn sinh từ thông biến thiên trong lõi; từ thông liên kết với các nhóm cuộn khác tạo sức điện động cảm ứng. Với một pha lý tưởng, tỉ số điện áp cảm ứng gần với tỉ số vòng dây của các nhóm cuộn. Tuy nhiên, khi vận hành ba pha có nối hình sao hoặc tam giác, điện áp dây còn liên quan cách nối và góc lệch pha.

Do đó, khi đọc sơ đồ ba cuộn dây, cần xác định ít nhất: các đầu cao áp–trung áp–hạ áp, điện áp dây danh định từng nhóm, cấu hình Y/Δ (hoặc ký hiệu khác), vị trí trung tính, góc lệch pha và các nấc điều chỉnh. Không lấy một tỉ số vòng dây bất kỳ để khẳng định ngay tỷ số điện áp dây nếu chưa xem sơ đồ.

Để biết thêm về tổ đấu dây, xem bài cách xác định tổ nối dây máy biến áp 3 pha và bài ký hiệu Dyn11 hiện có. Cần lưu ý Dyn11 thường là cách mô tả tổ nối dây hai nhóm; không được dùng riêng ký hiệu đó để diễn giải hết cấu hình ba cuộn dây nếu nhãn máy còn có nhóm thứ ba.

Cuộn thứ ba của máy biến áp 3 pha có tác dụng gì?

Tạo thêm đầu cấp điện phù hợp

Ở hệ thống có nhu cầu liên kết nhiều cấp điện áp, thiết kế ba nhóm dây quấn có thể là một giải pháp so với phương án dùng nhiều máy riêng. Ví dụ minh họa 110/35/10,5kV chỉ thể hiện ba cấp điện áp khác nhau, không phải một model sản phẩm cụ thể trên website. Mức điện áp, công suất từng cuộn và phương án cấp tải phải theo hồ sơ dự án.

Hỗ trợ cấp điện phụ trợ

Trong một số trạm, nhóm cuộn thứ ba được thiết kế để cấp phụ tải phụ trợ hoặc kết nối thiết bị hỗ trợ điện áp. Tuy nhiên không có nghĩa mọi cuộn thứ ba đều có thể khai thác để đấu trực tiếp một tải bên ngoài. Nếu cuộn được thiết kế chỉ để làm nhiệm vụ ổn định, phải tuân theo hạn chế nhà sản xuất.

Ảnh hưởng đến hài và thành phần thứ tự không

Với một số tổ đấu dây sao–sao, cuộn thứ ba đấu tam giác được dùng để tạo đường lưu thông của thành phần dòng tương ứng và tác động đến hành vi điện áp khi tải không cân bằng. Cần phân biệt khả năng tạo đường dòng cho thành phần hài/không đối xứng với tuyên bố chống nhiễu hoàn toàn. Tác động thực tế phải tính theo điện kháng, hệ nối đất và các chế độ vận hành.

Vì sao phải kiểm tra các tổng trở ngắn mạch giữa từng cặp cuộn?

Với máy hai nhóm dây quấn, người đọc thường quen với một thông số điện áp ngắn mạch hoặc trở kháng tương đương. Nhưng ở máy ba nhóm dây quấn, hồ sơ thường cần xem trở kháng tương đương giữa các cặp HV–MV, HV–LV và MV–LV. Các thông số này ảnh hưởng phân bố dòng ngắn mạch và lựa chọn phối hợp bảo vệ.

Không có một giá trị Uk% chung nào có thể thay thế mọi tổ hợp. Ngoài việc xem trị số, còn cần đối chiếu cơ sở định mức công suất dùng để biểu diễn trở kháng và phương pháp đo của nhà sản xuất. Lấy một thông số trên nhãn để tự tính ngắn mạch toàn trạm có thể dẫn đến kết quả sai.

Đặc biệt, máy có ba nhóm dây quấn không thể suy luận đơn giản rằng “cuộn thứ ba chỉ chịu một phần ba dòng” hay “tổng ba công suất kVA được phép cộng tùy ý”. Cần đánh giá luồng công suất và giới hạn phát nhiệt của từng cuộn ở từng chế độ vận hành.

Bảng kiểm tra thông số khi chọn máy biến áp 3 pha 3 cuộn dây

Đây là bảng kiểm đầu vào cho việc trao đổi kỹ thuật, không phải mẫu thiết kế hoàn chỉnh. Với trạm 22kV hoặc cao hơn, việc lựa chọn máy, thiết bị đóng cắt, nối đất và bảo vệ phải do đơn vị đủ năng lực thực hiện. Tham khảo thêm checklist hồ sơ trạm biến áp 22/0,4kV cho giai đoạn chuẩn bị dự án.

Máy biến áp cách ly 3 pha có phải máy 3 cuộn dây không?

Không nhất thiết. Máy biến áp cách ly ba pha có thể chỉ gồm hai nhóm dây quấn cách điện với nhau, được dùng để tách nguồn điện giữa mạch vào và mạch ra. Điều này hoàn toàn khác với yêu cầu có ba nhóm dây quấn để lấy ba đầu điện áp hoặc một cuộn tertiary.

Chẳng hạn, biến áp cách ly 15kVA 3 pha dây đồng là trang sản phẩm tham khảo về máy biến áp cách ly ba pha trên website. Chỉ từ tên sản phẩm không thể khẳng định máy này có cuộn tertiary. Nếu yêu cầu là máy 3 pha 3 nhóm dây quấn thực sự, cần gửi bảng yêu cầu kỹ thuật và xin xác nhận cấu hình riêng.

Để lựa chọn công suất cho nhà xưởng nói chung, có thể đọc cách chọn máy biến áp cho nhà xưởng. Quyết định dùng hai cuộn hay ba cuộn nên xuất phát từ sơ đồ lưới và yêu cầu đấu nối, không phải từ hình dạng vỏ máy.

Câu hỏi thường gặp về cấu tạo máy biến áp 3 pha 3 cuộn dây

Máy biến áp 3 pha có 3 cuộn dây là đúng hay sai?

Nếu chỉ muốn nói ba cuộn sơ cấp ứng với ba pha thì cách diễn đạt chưa đủ, vì máy thông thường còn có ba cuộn thứ cấp. Nếu muốn nói ba nhóm dây quấn thì đó là máy ba cuộn dây theo nghĩa kỹ thuật, có cuộn thứ ba bổ sung.

Máy biến áp ba pha ba trụ có phải máy ba cuộn dây không?

Không. “Ba trụ” mô tả cấu tạo mạch từ. “Ba cuộn dây” theo thuật ngữ three-winding mô tả số nhóm dây quấn. Một máy có ba trụ từ vẫn có thể chỉ có hai nhóm dây quấn.

Cuộn thứ ba có phải cuộn hạ áp để sử dụng 220V không?

Không mặc nhiên. Cuộn thứ ba có thể ở nhiều cấp điện áp khác nhau, thậm chí chỉ đấu tam giác kín để đáp ứng yêu cầu thiết kế. Không tự đấu tải dân dụng vào một cuộn dây khi chưa có tài liệu xác nhận.

Máy ba cuộn dây có nhất thiết tốt hơn máy hai cuộn dây?

Không. Nó hữu ích khi hệ thống cần chức năng hoặc cấp điện áp bổ sung, nhưng thường phức tạp hơn về thiết kế, phối hợp bảo vệ và chi phí. Nếu không có nhu cầu thực tế, thêm một nhóm cuộn dây chưa chắc đem lại hiệu quả.

Cuộn thứ ba có giúp loại bỏ mọi sóng hài không?

Không. Một cuộn tam giác có thể ảnh hưởng đến đường lưu thông của một số thành phần dòng và hành vi hài trong điều kiện xác định, nhưng không phải thiết bị lọc toàn bộ sóng hài hoặc giải pháp chống mọi hiện tượng nhiễu.

Muốn mua máy ba nhóm dây quấn cần gửi thông tin gì?

Cần gửi sơ đồ điện, điện áp ba nhóm, định mức kVA/MVA từng nhóm, tổ đấu dây dự kiến, nhu cầu sử dụng cuộn thứ ba, chế độ tải, điều kiện lắp đặt và các yêu cầu thử nghiệm. Nếu chưa có sơ đồ, nên yêu cầu kỹ sư tư vấn thiết kế trước khi đặt hàng.

Kết luận: Đừng nhầm “3 pha” với “3 cuộn dây”

Máy biến áp 3 pha cho biết thiết bị làm việc trên hệ ba pha. Máy biến áp 3 cuộn dây theo nghĩa chuyên môn là máy có ba nhóm dây quấn được thiết kế cho chức năng điện khác nhau. Một máy 3 pha thông thường có ba trụ từ nhưng thường chỉ có hai nhóm dây quấn; máy ba cuộn có thêm nhóm thứ ba cần xét công suất, đấu nối, điện kháng và bảo vệ riêng.

Nếu doanh nghiệp cần xác minh cấu hình hoặc xây dựng phương án cấp điện, có thể liên hệ qua bienapcachly.com.vn và cung cấp sơ đồ một sợi cùng các thông số tải. Bài viết là tài liệu tham khảo kỹ thuật, không thay thế bản vẽ thiết kế được duyệt hoặc quy trình an toàn điện khi thi công, thử nghiệm.

Nguồn tham khảo kỹ thuật

• Bel — 3-Phase Transformers: Construction and Configurations.
• EPRI OpenDSS — Three-Winding Transformers.
• EPRI OpenDSS — 3-Phase Transformer Modeling.