Cuộn kháng là gì? Cấu tạo, phân loại và ứng dụng của trở kháng

Cuộn kháng là một thiết bị điện không thể thiếu trong các hệ thống điện công nghiệp hiện đại. Với cấu tạo đơn giản nhưng chức năng đặc biệt, cuộn kháng góp phần nâng cao chất lượng điện năng, bảo vệ thiết bị và duy trì sự ổn định cho toàn bộ hệ thống điện. Việc hiểu rõ cuộn kháng là gì, cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của nó sẽ giúp người sử dụng và kỹ thuật viên có cái nhìn toàn diện và biết cách vận dụng thiết bị một cách hiệu quả nhất. Cùng Cáp điện VN tìm hiểu chi tiết cuộn kháng là gì? Cấu tạo và ứng dụng của cuộn kháng là gì?

Cuộn kháng là gì?

Cuộn kháng (còn gọi là reactor) là một thiết bị điện cảm, được tạo thành bởi một hoặc nhiều cuộn dây dẫn điện đồng quấn quanh một lõi sắt non, có chức năng chính là tích trữ từ trường và tạo ra điện kháng không đổi trong mạch điện. Điện kháng này giúp hạn chế dòng điện biến đổi hoặc dòng ngắn mạch, duy trì sự ổn định về điện áp và bảo vệ các thiết bị điện trong hệ thống.

Cấu tạo của cuộn kháng

Cuộn kháng là một thiết bị điện cảm chuyên dụng, có cấu tạo đơn giản nhưng đóng vai trò rất quan trọng trong các hệ thống điện công nghiệp và dân dụng.

• Cuộn dây dẫn điện: Là phần chính của cuộn kháng, thường được làm bằng dây đồng có tiết diện phù hợp, quấn nhiều vòng quanh lõi sắt. Số vòng dây và tiết diện dây ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị điện cảm (điện kháng) của cuộn kháng.
• Lõi sắt từ: Thường là lõi sắt non hoặc lõi thép từ, có chức năng tập trung và tăng cường từ trường khi dòng điện chạy qua cuộn dây. Tùy loại cuộn kháng, lõi có thể là dạng lõi rắn hoặc lõi lá xếp chồng giúp giảm tổn hao điện năng và tăng hiệu suất.
• Vỏ bọc và cách điện: Cuộn kháng được đặt trong vỏ bọc bảo vệ chịu nhiệt, chống ẩm để đảm bảo an toàn vận hành và tuổi thọ thiết bị. Lớp cách điện thường là sơn cách điện hoặc dầu cách điện ngâm bên trong để bảo vệ cuộn dây và lõi.
• Phụ kiện hỗ trợ: Có thể có thêm hệ thống tản nhiệt, cầu chì bảo vệ bên trong hoặc ngoài vỏ để chống quá tải, quá nhiệt cho cuộn kháng.

Nguyên lý hoạt động của cuộn kháng

Nguyên lý hoạt động của cuộn kháng dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, theo định luật Faraday và định luật Lenz. Khi dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn kháng, một từ trường sẽ được tạo ra xung quanh dây dẫn. Khi dòng điện thay đổi (thường là thay đổi về cường độ hoặc tần số), từ trường xung quanh cuộn cũng thay đổi theo, tạo ra một điện áp cảm ứng (áp cảm) trong cuộn dây đó.

Theo định luật Faraday, điện áp cảm ứng trong một vòng dây tỉ lệ với sự biến thiên từ thông qua vòng đó theo thời gian. Cụ thể:

Vcảm = −dΦ/ dt

Trong đó,

• Vcảm là điện áp cảm ứng,
• Φ là từ thông qua các vòng dây
• t là thời gian.

Định luật Lenz cho biết rằng điện áp cảm ứng này sẽ có chiều sao cho tạo ra dòng điện phản kháng, chống lại sự thay đổi của dòng điện ban đầu gây ra nó. Điều này có nghĩa là cuộn kháng sẽ luôn cố gắng làm chậm hoặc hạn chế sự biến đổi đột ngột của dòng điện trong mạch.

Đặc điểm của cuộn kháng với dòng điện xoay chiều (AC) là nó có một đại lượng gọi là cảm kháng, biểu thị sự cản trở dòng điện đổi chiều qua nó. Cảm kháng tỷ lệ thuận với tần số dòng điện và trở kháng tổng phụ thuộc vào cả cảm kháng và điện trở của cuộn dây. Khi tần số tăng, cảm kháng cũng tăng làm giảm dòng điện qua cuộn kháng.

Phân loại cuộn kháng phổ biến

Cuộn kháng được phân loại theo hai tiêu chí chính: theo điện áp và theo công dụng.

Phân loại theo điện áp

• Cuộn kháng hạ thế: Dùng cho các hệ thống điện có điện áp từ 440V đến 1000V. Đây là loại phổ biến trong các nhà máy, phân xưởng và các hệ thống điện dân dụng.
• Cuộn kháng trung thế: Dùng cho hệ thống điện với điện áp từ 1000V trở lên. Loại này thường được áp dụng trong các trạm biến áp, lưới điện phân phối cấp trung áp.

Phân loại theo công dụng

Cuộn kháng bảo vệ thiết bị:

Thường được dùng để hạn chế dòng ngắn mạch và kiểm soát sự biến thiên dòng điện đột ngột (di/dt) trong hệ thống. Giúp bảo vệ các thiết bị điện nhạy cảm khỏi hư hỏng do dòng điện tăng đột ngột.

Cuộn kháng tụ bù:

Kết hợp với tụ bù trong mạch LC để lọc sóng hài bậc cao, bảo vệ tụ bù khỏi các tác nhân có hại, kéo dài tuổi thọ của tụ. Cuộn kháng tụ bù có thể có nhiều giá trị phần trăm khác nhau (6%, 7%, 14%) tùy theo tính chất của hệ thống điện.

Cuộn kháng bảo vệ biến tần:

Bao gồm các loại sau:

• Cuộn kháng đầu vào biến tần (AC reactor): Giúp giảm sóng hài bậc cao đi từ biến tần vào lưới điện, bảo vệ linh kiện điện tử bên trong biến tần.
• Cuộn kháng đầu ra biến tần (Load reactor): Cải thiện dạng sóng và bảo vệ động cơ khi chiều dài dây dẫn từ biến tần đến động cơ lớn.
• Cuộn kháng DC (DC reactor): Dùng ở mạch một chiều bên trong biến tần để làm giảm sóng hài và bảo vệ mạch.

Ngoài ra, còn có các loại cuộn kháng dùng cho các mục đích đặc biệt khác như giảm tổn hao điện năng, cải thiện hệ số công suất, hoặc giảm điện áp chuyển mạch trong động cơ.

Ứng dụng của cuộn kháng

Cuộn kháng là thiết bị điện cảm có rất nhiều ứng dụng quan trọng trong hệ thống điện công nghiệp và sinh hoạt, giúp nâng cao chất lượng điện và bảo vệ thiết bị. Dưới đây là những ứng dụng phổ biến của cuộn kháng:

Hạn chế dòng ngắn mạch và bảo vệ hệ thống điện

Cuộn kháng tạo ra điện kháng giúp hạn chế dòng điện tăng đột ngột khi có sự cố ngắn mạch xảy ra trong mạng điện. Nhờ đó, nó bảo vệ các thiết bị điện, dây dẫn khỏi bị cháy nổ hoặc hỏng hóc do dòng điện quá cao.

Ổn định điện áp và giảm biến đổi dòng điện

Cuộn kháng góp phần duy trì điện áp ổn định trong hệ thống khi tải điện thay đổi đột ngột, hạn chế các biến động, sụt áp ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của thiết bị điện. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các thiết bị nhạy cảm và hệ thống biến tần.

Lọc sóng hài và bảo vệ tụ bù

Một trong những tác dụng quan trọng của cuộn kháng là lọc sóng hài bậc cao trong hệ thống điện có nhiều thiết bị điện tử. Khi kết hợp với tụ bù, cuộn kháng bảo vệ tụ điện khỏi điện áp và dòng điện sóng hài gây hại, từ đó tăng tuổi thọ tụ bù và cải thiện chất lượng điện năng tổng thể.

Bảo vệ và hỗ trợ hoạt động của biến tần

Cuộn kháng dùng trong hệ thống biến tần (AC reactor và DC reactor) giúp ổn định dòng điện đầu vào và đầu ra của biến tần, hạn chế hiện tượng dao động, nhiễu điện từ, và giúp động cơ hoạt động trơn tru hơn, nâng cao tuổi thọ thiết bị.

Giảm thiểu tiếng ồn và tổn hao điện năng

Việc sử dụng cuộn kháng giúp giảm tiếng ồn điện và thiểu tổn hao điện năng không mong muốn do sóng hài và dao động dòng điện gây ra, từ đó đem lại hiệu suất vận hành cao và tiết kiệm năng lượng.

Ứng dụng trong điều hòa công suất phản kháng của hệ thống

Cuộn kháng cũng được sử dụng trong các mạch điều hòa công suất phản kháng để kiểm soát hệ số công suất, nâng cao hiệu quả sử dụng điện năng và giảm tiền điện trong công nghiệp.

Như vậy, cuộn kháng không chỉ là thiết bị đơn thuần tạo ra điện kháng mà còn là bộ phận thiết yếu giúp bảo vệ, ổn định và nâng cao hiệu suất hoạt động của toàn bộ hệ thống điện. Việc lựa chọn và sử dụng đúng loại cuộn kháng tùy thuộc vào đặc điểm hệ thống giúp đảm bảo hoạt động an toàn và bền bỉ cho các thiết bị điện.

Việc lựa chọn đúng loại cuộn kháng phù hợp với điện áp và công dụng của hệ thống là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất làm việc cũng như độ bền của các thiết bị điện liên quan.

Trên đây là toàn bộ thông tin về cuộn kháng là gì? Cuộn kháng là thiết bị vô cùng quan trọng trong ngành điện, đảm nhận vai trò hạn chế dòng ngắn mạch, ổn định điện áp và lọc sóng hài, từ đó bảo vệ các thiết bị điện và hệ thống khỏi nguy cơ hư hại. Cấu tạo từ dây dẫn quấn quanh lõi sắt từ và nguyên lý hoạt động dựa trên điện cảm giúp cuộn kháng kiểm soát dòng điện một cách tinh tế. Việc phân loại rõ ràng theo từng ứng dụng và điện áp giúp lựa chọn thiết bị phù hợp với từng hệ thống, nhằm phát huy tối đa hiệu quả. Hiểu và ứng dụng đúng đắn cuộn kháng chính là chìa khóa giúp các hệ thống điện công nghiệp và dân dụng hoạt động ổn định, an toàn và bền bỉ theo thời gian.