Không giống như dòng điện một chiều, dòng điện xoay chiều có sự biến đổi giá trị theo thời gian, chính vì vậy mà khi tìm hiểu về dòng xoay chiều sẽ có nhiều tham số hơn. Và phản ứng của các phần tử thụ động như điện trở, tụ điện, cuộn dây sẽ bị ảnh hưởng bởi yếu tố biên thiên xoay chiều, như: công suất, điện cảm, điện dung…
1. Khái niệm về dòng điện xoay chiều
Dòng điện xoay chiều là dòng điện có chiều và giá trị biến đổi theo thời gian, những thay đổi này thường tuần hoàn theo một chu kỳ nhất định.
Ở trên là các dòng điện xoay chiều hình sin, xung vuông và xung nhọn.
Chu kỳ và tần số của dòng điện xoay chiều.
Chu kỳ của dòng điện xoay chiều ký hiệu là T là khoảng thời gian mà điện xoay chiều lặp lại vị trí cũ , chu kỳ được tính bằng giây [s]
Tần số điện xoay chiều : là số lần lặp lại trang thái cũ của dòng điện xoay chiều trong một giây ký hiệu là F đơn vị là Hz
F = 1 / T
Pha của dòng điện xoay chiều :
Nói đến pha của dòng xoay chiều ta thường nói tới sự so sánh giữa 2 dòng điện xoay chiều có cùng tần số .
* Hai dòng điện xoay chiều cùng pha là hai dòng điện có các thời điểm điện áp cùng tăng và cùng giảm như nhau:
* Hai dòng điện xoay chiều lệch pha : là hai dòng điện có các thời điểm điện áp tăng giảm lệch nhau .
* Hai dòng điện xoay chiều ngược pha : là hai dòng điện lệch pha 180 độ, khi dòng điện này tăng thì dòng điện kia giảm và ngược lại.
Biên độ của dòng điện xoay chiều
Biên độ của dòng xoay chiều là giá trị điện áp đỉnh của dòng điện.xoay chiều, biên độ này thường cao hơn điện áp mà ta đo được từ các đồng hồ
Giá trị hiệu dụng của dòng điện xoay chiều
Thường là giá trị đo được từ các đồng hồ và cũng là giá trị điện áp được ghi trên zắc cắm nguồn của các thiết bị điện tử., Ví dụ nguồn 220V AC mà ta đang sử dụng chính là chỉ giá trị hiệu dụng, thực tế biên độ đỉnh của điện áp 220V AC khoảng 220V x 1,4 lần = khoảng 300V
Công xuất của dòng điện xoay chiều.
Công xuất dòng điện xoay chiều phụ thuộc vào cường độ, điện áp và độ lệch pha giữa hai đại lượng trên , công xuất được tính bởi công thức :
P = U.I.cosα
- Trong đó U : là điện áp
- I là dòng điện
- α là góc lệch pha giữa U và I
=> Nếu dòng xoay chiều đi qua điện trở thì độ lệch pha gữa U và I là α = 0 khi đó cosα = 1 và P = U.I
=> Nếu dòng xoay chiều đi qua cuộn dây hoặc tụ điện thì độ lệch pha giữa U và I là +90 độ hoặc -90độ, khi đó cosα = 0 và P = 0 [ công xuất của dòng điện xoay chiều khi đi qua tụ điện hoặc cuộn dây là = 0]
2. Dòng điện xoay chiều đi qua R, C, L
1- Dòng điện xoay chiều đi qua điện trở
Dòng điện xoay chiều đi qua điện trở thì dòng điện và điện áp cùng pha với nhau , nghĩa là khi điện áp tăng cực đại thì dòng điện qua trở cũng tăng cực đại. như vậy dòng xoay chiều có tính chất như dòng một chiều khi đi qua trở thuần.do đó có thể áp dụng các công thức của dòng một chiều cho dòng xoay chiều đi qua điện trở
I = U / R hay R = U/I Công thức định luật ohm
P = U.I Công thức tính công xuất
2- Dòng điện xoay chiều đi qua tụ điện .
Dòng điện xoay chiều đi qua tụ điện thì dòng điện sẽ sớm pha hơn điện áp 90 độ
* Dòng xoay chiều đi qua tụ sẽ bị tụ cản lại với một trở kháng gọi là Zc, và Zc được tính bởi công thức
Zc = 1/ [ 2 x 3,14 x F x C ]
- Trong đó Zc là dung kháng [ đơn vị là Ohm ]
- F là tần số dòng điện xoay chiều [ đơn vị là Hz]
- C là điện dung của tụ điện [ đơn vị là µ Fara]
Công thức trên cho thấy dung kháng của tụ điện tỷ lệ nghịch với tần số dòng xoay chiều [nghĩa là tần số càng cao càng đi qua tụ dễ dàng] và tỷ lệ nghịc với điện dung của tụ [ nghĩa là tụ có điện dung càng lớn thì dòng xoay chiều đi qua càng dễ dàng]
=> Dòng một chiều là dòng có tần số F = 0 do đó Zc = ∞ vì vậy dòng một chiều không đi qua được tụ.
3- Dòng điện xoay chiều đi qua cuộn dây.
Khi dòng điện xoay chiều đi qua cuộn dây sẽ tạo ra từ trường biến thiên và từ trường biến thiên này lại cảm ứng lên chính cuộn dây đó một điện áp cảm ứng có chiều ngược lại , do đó cuộn dây có xu hướng chống lại dòng điện xoay chiều khi đi qua nó, sự chống lại này chính là cảm kháng của cuộn dây ký hiệu là ZL
ZL = 2 x 3,14 x F x L
- Trong đó ZL là cảm kháng [ đơn vị là Ohm]
- L là hệ số tự cảm của cuộn dây [ đơn vị là Henry] L phụ thuộc vào số vòng dây quấn và chất liệu lõi .
- F là tần số dòng điện xoay chiều [ đơn vị là Hz]
Từ công thức trên ta thấy, cảm kháng của cuộn dây tỷ lệ thuận với tần số và hệ số tự cảm của cuộn dây, tần số càng cao thì đi qua cuộn dây càng khó khăn => tính chất này của cuộn dây ngược với tụ điện.
=> Với dòng một chiều thì ZL của cuộn dây = 0 ohm, dó đó dòng một chiều đi qua cuộn dây chỉ chịu tác dụng của điện trở thuần R mà thôi [ trở thuần của cuộn dây là điện trở đo được bằng đồng hồ vạn năng ], nếu trở thuần của cuộn dây khá nhỏ thì dòng một chiều qua cuộn dây sẽ bị đoản mạch.
* Dòng điện xoay chiều đi qua cuộn dây thì dòng điện bị chậm pha so với điện áp 90 độ nghĩa là điện áp tăng nhanh hơn dòng điện khi qua cuộn dây .
=>> Do tính chất lệch pha giữa dòng điện và điện áp khi đi qua tụ điện và cuộn dây, nên ta không áp dụng được định luật Ohm vào mạch điện xoay chiều khi có sự tham gia của L và C được.
=>> Về công xuất thì dòng xoay chiều không sinh công khi chúng đi qua L và C mặc dù có U > 0 và I >0.
4- Tổng hợp hai dòng điện xoay chiều trên cùng một mạch điện
* Trên cùng một mạch điện , nếu xuất hiện hai dòng điện xoay chiều cùng pha thì biên độ điện áp sẽ bằng tổng hai điện áp thành phần.
* Nếu trên cùng một mạch điện , nếu xuất hiện hai dòng điện xoay chiều ngược pha thì biên độ điện áp sẽ bằng hiệu hai điện áp thành phần.
Một trong những linh kiện điện tử công suất ít được biết đến nhất là cuộn cảm: các cấu trúc giống như cuộn dây mà bạn tìm thấy trong hầu hết các mạch điện. Cuộn cảm là linh kiện điện tử có ảnh hưởng lớn đến hoạt động của máy biến áp và các mạch điện tử công suất khác trong rất nhiều thiết bị máy móc quanh chúng ta.
Bài viết này, chúng ta cùng nhau ôn lại và đi sâu vào tìm hiểu về cuộn cảm nhé!
Cuộn cảm là gì
Cuộn cảm là gì? Cuộn cảm có thể nói là linh kiện đơn giản nhất trong tất cả các linh kiện điện tử. Nó là một thành phần điện hai cực thụ động lưu trữ năng lượng trong từ trường khi dòng điện chạy qua nó. Thông thường, một cuộn cảm sẽ bao gồm một dây cách điện được quấn thành một cuộn dây, giống như một điện trở.
Khi dòng điện chạy qua cuộn dây thay đổi, từ trường biến thiên theo thời gian tạo ra điện áp trong dây dẫn có cực tính chống lại sự thay đổi dòng điện tạo ra nó. Như vậy, cuộn cảm chống lại bất kỳ thay đổi nào của dòng điện đi qua chúng.
Từ trường cảm ứng cũng tạo ra một tính chất điện được gọi là độ tự cảm – tỷ số giữa điện áp và tốc độ thay đổi của dòng điện. Độ tự cảm định lượng bao nhiêu năng lượng mà một cuộn cảm có khả năng lưu trữ.
Cấu tạo cuộn cảm
Cấu tạo của cuộn cảm được điều chỉnh bởi các yêu cầu về điện, cơ và nhiệt của một ứng dụng nhất định. Nói chung, nó bao gồm:
- Lựa chọn vật liệu cốt lõi
- Quyết định hình dạng và kích thước cốt lõi
- Chọn dây quấn
Vật liệu lõi là dây từ được tráng men thường được làm bằng đồng, sau đó được phủ trong nhiều lớp vật liệu polyme cách điện. Dây quấn có thể tạo thành nhiều hình dạng, bao gồm hình tròn, hình chữ nhật và mặt cắt ngang hình vuông. Một dây từ tính được chọn để hạn chế và dẫn hướng từ trường, và dây này được cách điện để ngăn ngừa các sự cố như đoản mạch và sự cố.
Nguyên lý hoạt động của cuộn cảm
Cuộn cảm là một linh kiện điện tử thụ động có khả năng lưu trữ năng lượng điện dưới dạng năng lượng từ trường. Về cơ bản, nó sử dụng một dây dẫn được quấn thành một cuộn dây, và khi dòng điện chạy vào cuộn dây từ trái sang phải, điều này sẽ tạo ra một từ trường theo chiều kim đồng hồ.
Dưới đây là phương trình biểu diễn độ tự cảm của một cuộn cảm. Càng nhiều vòng dây mà vật dẫn được quấn quanh lõi, thì từ trường được tạo ra càng mạnh. Từ trường mạnh cũng được tạo ra bằng cách tăng diện tích tiết diện của cuộn cảm hoặc bằng cách thay đổi lõi của cuộn cảm.
Bây giờ chúng ta hãy giả sử rằng một dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn cảm. “AC” [dòng điện xoay chiều] dùng để chỉ dòng điện có mức và hướng thay đổi tuần hoàn theo thời gian. Khi dòng điện chuẩn bị chạy đến cuộn cảm, từ trường do dòng điện đó tạo ra sẽ cắt qua các cuộn dây khác, làm phát sinh điện áp cảm ứng và do đó ngăn chặn bất kỳ sự thay đổi nào trong mức dòng điện.
Nếu dòng điện sắp tăng đột ngột, một sức điện động được tạo ra theo hướng ngược lại với dòng điện – nghĩa là theo hướng giảm dòng điện – do đó ngăn cản sự gia tăng dòng điện. Ngược lại, nếu dòng điện sắp giảm, một suất điện động được tạo ra theo chiều dòng điện tăng lên.
Những tác động này của điện áp cảm ứng được tạo ra ngay cả khi hướng của dòng điện chạy ngược lại. Trước khi khắc phục hiệu điện thế cảm ứng đang tìm cách chặn dòng điện, người ta đảo chiều dòng điện để không có dòng điện chạy qua.
Mức dòng điện không thay đổi khi DC [dòng điện một chiều] chạy đến cuộn cảm nên không tạo ra điện áp cảm ứng và có thể coi rằng trạng thái ngắn mạch là kết quả. Nói cách khác, cuộn cảm là một thành phần cho phép DC, nhưng không phải AC, chạy qua nó.
- Cuộn cảm lưu trữ năng lượng điện dưới dạng năng lượng từ trường.
- Cuộn cảm không cho phép AC chạy qua nó, nhưng cho phép DC chạy qua nó.
Các đặc tính của cuộn cảm được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau. Có rất nhiều và đa dạng các loại cuộn cảm và trong nội dung tiếp theo, chúng ta sẽ cùng thảo luận về các loại và ứng dụng của cuộn cảm.
Phân loại cuộn cảm
Các ứng dụng khác nhau yêu cầu các loại cuộn cảm khác nhau. Trong hầu hết các trường hợp, bạn sẽ thấy rằng một cuộn cảm trong một hệ thống được hình thành xung quanh vật liệu lõi — thường là sắt hoặc các hợp chất của sắt — để hỗ trợ việc tạo ra từ trường mạnh.
Cuộn cảm lõi sắt
Sắt là vật liệu từ tính cổ điển và dễ nhận biết nhất, làm cho nó trở thành sự lựa chọn hoàn hảo để sử dụng trong cuộn cảm. Như trên, sắt trong cuộn cảm có dạng lõi sắt. Chúng thường được sử dụng để lọc dòng tần số thấp do độ tự cảm tương đối lớn của chúng. Chúng cũng được sử dụng rất nhiều trong các thiết bị âm thanh. Tuy nhiên, không phải lúc nào cuộn cảm cũng cần có lõi sắt.
Cuộn cảm lõi không khí
Như tên cho thấy, cuộn cảm lõi không khí không có lõi – lõi là một khoảng trống. Vì không khí có độ từ thẩm thấp nên điện cảm của cuộn cảm lõi không khí rất thấp. Điều này có nghĩa là tốc độ tăng dòng là tương đối nhanh đối với điện áp đặt vào, làm cho chúng có khả năng xử lý các tần số cao được tìm thấy trong các ứng dụng như mạch RF.
Cuộn cảm lõi Ferit
Ferit là một vật liệu gốm được làm bằng cách trộn và nung sắt [III] oxit pha trộn với một lượng nhỏ của một hoặc nhiều nguyên tố kim loại bổ sung, chẳng hạn như niken và kẽm. Khi được sử dụng trong cuộn cảm, bột ferit được trộn với nhựa epoxy và được đúc để tạo thành một lõi xung quanh có thể quấn một dây từ tính. Cuộn cảm ferit là loại được sử dụng rộng rãi nhất vì có thể kiểm soát tốt độ thẩm thấu của chúng bằng cách điều chỉnh tỷ lệ ferit so với epoxy.
Các đại lượng đặc trưng của cuộn cảm
Thông thường một cuộn cảm bất kỳ sẽ bao gồm ba đại lượng đặc trưng nhất định. Đó là:
- Hệ số tự cảm
- Cảm kháng
- Điện trở thuần của cuộn dây
Mỗi đại lượng sẽ đặc trưng cho một tính chất khác nhau của cuộn cảm. Cụ thể như sau:
- Cảm kháng là đại lượng đặc trưng cho sự kháng lại hay cản trở dòng điện xoay chiều của cuộn dây
- Hệ số tự cảm: đặc trưng cho sức điện động cảm ứng khi có dòng điện biến thiên chạy qua cuộn dây
- Điện trở thuần: là đại lượng đặc trưng cho sự hao tổn nhiệt trong quá trình hoạt động cùa cuộn dây. Do đó, điện trở thuần càng bé chứng tỏ rằng cuộn dây càng chất lượng.
Ứng dụng của cuộn cảm
Các cuộn cảm, do vật liệu đồng và sắt cần thiết để tạo ra chúng, có xu hướng đắt tiền. Điều này khiến phần lớn các trường hợp sử dụng của chúng chuyển sang các ứng dụng trong các lĩnh vực có thể hợp lý hóa chi phí đó, chẳng hạn như thiết bị viễn thông, radio và nguồn cung cấp điện.
Trong bộ nguồn, vai trò của cuộn cảm là ngăn dòng điện sử dụng thay đổi đột ngột. Hoạt động cùng với tụ điện, cuộn cảm ngăn chặn những thay đổi đột ngột về điện áp và dòng điện đầu ra của nguồn điện.
Nhìn chung, chúng là những thành phần rất đơn giản nhưng đóng vai trò quan trọng trong thiết bị điện tử công suất.
Tuy rằng cuộn cảm không là đại lượng liên quan trực tiếp đến máy bơm, nhưng việc hiểu biết chúng góp phần giúp chúng ta có thêm kiến thức về kỹ thuật, về linh kiện trong các thiết bị điều khiển…
Thái Khương hy vọng bài viết này sẽ giúp các bạn hiểu sâu hơn về linh kiện điện tử “cuộn cảm”.
Các bạn có nhu cầu tư vấn giải pháp bơm công nghiệp, hãy liên hệ ngay với Thái Khương để được hỗ trợ nhanh chóng. Kho hàng Thái Khương luôn sẵn các dòng bơm phục vụ ngay cho nhu cầu của bạn!