Tiếng ồn của máy biến áp, một vấn đề không thể bỏ qua trong thiết kế và vận hành, không chỉ làm giảm chất lượng môi trường làm việc mà còn ảnh hưởng đến sự an tâm của những người xung quanh. Trong khi nguồn gốc của tiếng ồn có thể đa dạng, từ lõi, cuộn dây, cho đến hệ thống làm mát, mỗi phần đều đóng góp một cách đặc trưng vào bức tranh tổng thể của âm thanh phát ra.
Tuy nhiên, bài viết này chúng ta sẽ tập trung vào một khía cạnh thường được xem là “trái tim” của máy biến áp – lõi. Phần lõi, với sự phức tạp trong cấu trúc và hoạt động, là nơi sinh ra các loại tiếng ồn đặc biệt, mà hiểu biết sâu sắc về chúng sẽ mở ra những cơ hội mới để giảm thiểu ảnh hưởng của chúng đến vận hành hàng ngày và hoạt động công nghiệp.
Lõi thép, nơi tập trung từ trường, bao gồm hai phần quan trọng: nhánh (limbs) và đòn gánh (yokes). Nhánh là phần dọc của lõi, nơi cuộn dây được quấn quanh, thực hiện chức năng tăng hoặc giảm điện áp thông qua quá trình cảm ứng từ. Đòn gánh kết nối các nhánh với nhau, tạo thành một khung đóng kín giúp dẫn từ trường hiệu quả, đảm bảo quá trình truyền tải từ trường diễn ra liên tục và đồng đều. Sự phối hợp giữa nhánh và đòn gánh trong lõi thép không chỉ ảnh hưởng đến hiệu quả làm việc của máy biến áp mà còn quyết định đến kích thước và khả năng chịu tải của thiết bị.
Trong cấu trúc của máy biến áp, nhánh (limbs) và đòn gánh (yokes) được kết nối với nhau không phải qua một liên kết liền mạch đơn giản mà thông qua một cấu trúc được thiết kế đặc biệt để tối ưu hóa hiệu suất từ trường. Sự liên kết giữa nhánh và đòn gánh không phải là liền mạch hoàn toàn do nhiều yếu tố kỹ thuật và thiết kế, bao gồm cả việc giảm thiểu tổn hao từ hóa và tối ưu hóa hiệu quả truyền tải từ trường. Tuy nhiên, sự không liền mạch này tạo ra các khoảng không không từ, nơi mật độ dòng từ không đồng nhất, dẫn đến sự biến thiên và bất ổn trong từ trường.
Tại các mối nối này, do không có vật liệu từ liên tục, mật độ dòng từ gặp sự thay đổi đột ngột, tạo ra lực từ. Lực từ này phản ánh sự chênh lệch giữa các vùng có mật độ từ trường cao và thấp, dẫn đến sự rung động cơ học của lõi thép. Rung động này không chỉ tạo ra tiếng ồn mà còn ảnh hưởng đến hiệu suất của máy biến áp. Khi từ trường thay đổi, lực từ đẩy hoặc kéo các phần của lõi, gây ra rung động phức tạp và tiếng ồn đặc trưng từ lõi máy biến áp.
Cụ thể, khi có một khoảng không không từ tại các môi nối này, một lực từ sẽ được tạo ra do sự thay đổi đột ngột trong độ thâm từ. Lực này có thể được tính toán băng công thức:
Nếu chúng ta có một giá trị đỉnh của cảm ứng từ trong khoảng không của một vật liệu từ tính, giả sử là 1.2T tại thời gian 0.01 giây sẽ tạo ra một lực 572957 N/m2. Đây là một lực đáng kể và có thể gây ra tiếng ồn trong máy biến áp. Lực từ như vậy gây ra sự rung động của lõi, và khi lõi rung động, nó truyền rung động đó qua dầu cách điện và cấu trúc của máy biến áp, cuối cùng tạo ra tiếng ồn có thể nghe được.
Từ giảo (Magnetostriction)
Từ giảo là hiện tượng vật liệu từ (như thép silic trong lõi máy biến áp) thay đổi kích thước hoặc hình dạng khi tiếp xúc với trường từ. Trong lõi thép silic, coi mỗi phân tử từ như một nam châm nhỏ, không có hướng xác định ở trạng thái ban đầu. Tuy nhiên, khi dòng điện chảy qua cuộn dây, tạo ra trường từ, các phân tử từ này bắt đầu định hướng theo trường từ, thay đổi cấu trúc vật lý của chính chúng.
Sự định hướng lại này dẫn đến việc toàn bộ vật liệu từ có sự biến đổi nhỏ về kích thước hoặc hình dạng, biểu hiện của hiện tượng từ giảo. Điều này cho thấy mối liên kết giữa trạng thái từ tính của vật liệu và cấu trúc vật lý của nó dưới tác động của trường từ.
Lực do từ giảo sản sinh ra trong máy biến áp thực sự cao hơn nhiều so với lực từ đơn thuần, bởi vì mỗi lần vật liệu “co giãn”, nó tạo ra một lực đẩy hoặc kéo mạnh mẽ đặc biệt tại các khớp liên kết giữa hai phần nhánh (limbs) và đòn gánh (yokes) tại đây lực mạnh đáng kể so với các khu vực khác. Điều này không chỉ làm cho lõi máy biến áp rung động mà còn gây ra tiếng ồn. Tiếng ồn này phản ánh sự thay đổi định kỳ về chiều dài của vật liệu lõi, tạo ra âm thanh “hum” hoặc “buzz” đặc trưng mà chúng ta thường nghe được từ máy biến áp khi nó đang hoạt động.
Phần lớn tiếng ồn trong máy biến áp bắt nguồn từ vùng đòn gánh, không phải từ nhánh. Mặc dù nhánh cũng tạo ra tiếng ồn do rung động, nhưng tiếng ồn này được giảm bớt hiệu quả bởi các cuộn dây bao quanh nhánh. Cuộn dây có tác dụng như một lớp cách ly, giảm truyền động năng từ rung động của nhánh ra môi trường xung quanh.
Mật độ dòng từ ở đòn gánh là biến số quan trọng khi tính toán mức độ ồn, bởi vì đòn gánh là khu vực chịu ảnh hưởng nhiều nhất từ sự thay đổi trong từ trường do hoạt động của máy biến áp. Sự thay đổi này gây ra rung động, từ đó tạo ra tiếng ồn.
Chất lượng của việc cố định vùng đòn gánh ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ rung động và do đó là mức độ ồn. Nếu đòn gánh không được cố định chặt, rung động sẽ tăng lên, dẫn đến tiếng ồn cao hơn.
Ngoài mật độ dòng từ vùng đòn gánh, một số yếu tố khác như mật độ dòng từ nhánh, loại vật liệu lõi, khoảng cách giữa trung tâm của hai pha liền kề (khoảng cách trung tâm), trọng lượng lõi, và tần số hoạt động cũng quyết định mức độ ồn. Các yếu tố này đều có ảnh hưởng đến cách thức mà từ trường được tạo ra và thay đổi trong lõi, từ đó ảnh hưởng đến rung động và tiếng ồn.