Nghiên ứu ông nghệ hế tạo mba điện lự ó lõi thép và vật liệu vô định hình

Trang 1 NGUYỄN THỊ PHƯỢNGNGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MBA ĐIỆN LỰC CÓ LÕI THÉP LÀ VẬT LIỆU VƠ ĐỊNH HÌNHChun ngành: Kỹ thuật điện LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Trang 3 hƣớng dẫn tận tình của

Trang 1

NGUYỄN THỊ PHƯỢNG

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MBA ĐIỆN LỰC CÓ LÕI THÉP LÀ VẬT LIỆU VÔ ĐỊNH HÌNH

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN HƯỚNG THIẾT BỊ ĐIỆN

Trang 3

hướng dẫn tận tình của thầy giáo Phạm Văn Bình, tôi đã hoàn thành luận văn tốt

nghiệp với tên luận văn là “Nghiên cứu công nghệ chế tạo MBA điện lực có lõi

thép là vật liệu vô định hình”.Tôi xin cam đoan ác số liệu, kết quả nêu trong luận c

văn này là trung thực

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Phượng

Trang 4

Học viên: Nguyễn Thị Phượng 1 Chuyên ngành KTĐ TBĐ 10 - -12

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại bộ môn Thiết Bị Điện Điện Tử - -

Trường đại học Bách Khoa Hà Nội, dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo

GS.TS Phạm Văn Bình, tác giả đã lựa chọn và hoàn thành nội dung đề tài:

“Nghiên cứu công nghệ chế tạo MBA điện lực có lõi thép là vật liệu vô định

hình”

không ít khó khăn do thời gian gấp rút, trình độ có hạn và đây là vấn đề tương đối mới và phức tạp Tuy nhiên, với sự lỗ lực

của bản thân, sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo GS.TS Phạm Văn Bình cùng sự

động viên của gia đình và bạn bè, tác giả đã hoàn thành bài luận văn và thu được

một số kết quả nghiên cứu nhất định

Tác giả xin chân thành cảm ơn Bộ môn Thiết Bị Điện – Điện Tử,trường Đại

học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện cho tác giả vừa học tập vừa nghiên

cứu

Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo GS.TS Phạm Văn Bình đã nhận

hướng dẫn và giúp đỡ tận tình để tác giả hoàn thành bài luận văn này

Cuối cùng tác giả chân thành cảm ơn các bạn bè, đồng nghiệp và các thành

viên trong gia đình đã động viên giúp đỡ góp, phần vào sự thành công của bản luận

Trang 5

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 6

DANH MỤC CÁC BẢNG 10

MỞ ĐẦU 11

1 Tính cấp thiết của đề tài: 11

2 Ý nghĩa khoa học – thực tiễn: 13

3 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 13

TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG CỦA MÁY BIẾN ÁP 15

1.1 Tình hình nghiên cứu của thế giới: 20

1.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước: 27

1.3 Hướng nghiên cứu của tác giả: 29

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 30

VẬT LIỆU TỪ MỀM VÔ ĐỊNH HÌNH 31

2 1.Tinh thể và vô định hình – Trật tự xa và trật tự gần: 33

2 2.Các mô hình cấu trúc của hợp kim vô định hình: 34

2 3.Vật liệu từ mềm vô định hình và nanomet: 35

2.3.1 Vật liệu từ mềm vô định hình: 35

2.3.2 Vật liệu từ mềm nanomet: 36

2.4 Các tính chất từ: 37

2.4.1 Dị hướng từ tinh thể: 38

2.4.2 Dị hướng từ đàn hồi: 42

2.4.3 Dị hướng từ cảm ứng:u 48

2.5 Tổn hao công suất trong lõi dẫn từ và khả năng ứng dụng: 48

2.5.1 Tổn hao từ trễ Chúng ta đã biết trong trường một chiều (chế độ tĩnh) tổn hao từ trễ (Ph) là diện tích khép kín của đường cong B - 48 H 2.5.2 Tổn hao dòng xoáy 49

2.5.3 Tổn hao công suất trong lõi dẫn từ 50

2.5.4 Khả năng ứng dụng 52

2.6 Các phương pháp chế tạo vật liệu vô định hình: 53

Trang 6

2.7 Công nghệ sản xuất vật liệu từ vô định hình: 53

2.7.1 Phương pháp làm nguội nhanh từ tinh thể lỏng: 53

2.7.2 Công nghệ sản xuất vật liệu từ vô định hình: 55

CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MẠCH TỪ VÀ DÂY QUẤN 63

MÁY BIẾN ÁP VÔ ĐỊNH HÌNH 63

3.1 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MẠCH TỪ: 63

3.1.1 Khái niệm chung về công nghệ chế tạo mạch từ: 63

3.1.1.1 Nhiệm vụ của mạch từ: 63

3.1.1.2 Kết cấu mạch từ: 63

3.1.1.3 Phương pháp ủ mạch từ: 66

67

Hình 3.7b: Điều kiện lò ủ đối với lõi 2605 SA1 DT 67

3.1.2 Công nghệ chế tạo mạch từ của máy biến áp vô định hình: 68

3.1.2.1 Mạch từ được ghép từ nhiều lá thép với nhau: 68

3.1.2.2 Mạch từ được quấn kiểu hình xuyến: 68

3.1.2.3 Mạch từ được ghép từ những tẹp thép đã được định hình sẵn: 71

3.2 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO DÂY QUẤN: 73

3.2.1 Khái niệm chung: 73

3.2.1.1 Yêu vầu và nhiệm vụ của dây quấn: 73

3.2.1.2 Cách điện trong máy biến áp: 73

3.2.2 Công nghệ chế tạo dây quấn: 75

3.2.2.1 Dây quấn hình trụ dây dẫn chữ nhật: 75

3.2.2.3 Dây quấn hình xoắn: 81

3.2.2.4 Dây quấn hình xoáy ốc liên tục: (hình 3.32) 83

KHẢO SÁT TỪ TRƯỜNG VÀ TỔN HAO KHÔNG TẢI MÁY BIẾN ÁP SỬ DỤNG LÕI THÉP VẬT LIỆU VÔ ĐỊNH HÌNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 87

4.1 Giới thiệu chung: 87

4.2 Phương pháp phần tử hữu hạn với chương trình FEMM: 87

4.2.1 Giới thiệu phần mềm FEMM: 87

4.2.2 Các thông số thiết kế của MBA khi sử dụng phần mềm FEMM: 89

4.3 Ứng dụng phần mềm FEMM trong việc khảo sát sự phân bố từ trường và tổn hao không tải của máy biến áp 160kVA - 22kV/0,4kV. 89

4.3.1 Các thông số thiết kế được sử dụng 89

4.3.1.1 Mô hình và kích thước mạch từ: 89

4.3.1.2 Các thông số cuộn dây: 90

4.3.1.3 Thông số về dòng điện trên các cuộn dây bao gồm: 91

Trang 7

4.3.2.1 Nhập số liệu: 91

4.3.2.2 Kết quả sau khi chạy chương trình với thép KTĐ 2211 92

4.3.2.3 Kết quả sau khi chạy chương trình với thép VĐH: 92

4.3.2.5 So sánh kết quả và kết luận: 97

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO 101

Trang 8

Học viên: Nguyễn Thị Phƣợng 5 Chuyên ngành KTĐ TBĐ 10 - -12

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Vô định hình

Kỹ thuật điện Tổn thất điện năng Tập đoàn Điện lực Việt Nam

Viện Vật lý kỹ thuật

Hệ thống điện

Trang 9

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

1.1 Đồ thị biểu diễn xu hướng của thế giới sử dụng vật liệu tốt hơn

để giảm tổn hao không tải của máy biến áp 22

1.2 Đường cong từ trễ của vật liệu vô định hình và thép silic 23

1.3 Tổn hao từ phụ thuộc vào cảm ứng từ B của thép Si và VĐH 24

1.4 So sánh tổn hao không tải của máy biến áp ở Nhật Bản (máy 3

2.1 Năm loại mạng cơ bản trong cấu trúc trật tự gần theo mô hình

2.2 Qui trình chế tạo hợp kim nanomet 36

2.3 Dải kích thước của vật liệu 37

2.4 Mô hình dị hướng ngẫu nhiên 38

2.5 Dị hướng từ hiệu dụng <K> của vật liệu nanomet với định

hướng ngẫu nhiên của hạt phụ thuộc kích thước hạt D 40

2.6 Lực kháng từ HC phụ thuộc vào kích thước hạt D của các vật

2.8 Quy trình chế tạo vật liệu vô định hình 56

2.10 Sơ đồ thiết bị điều khiển công nghệ ampoule khép kín 57

2.11 Sơ đồ thiết bị điều khiển công nghệ ampoule liên tục 58

2.12 Sơ đồ mô tả các sản phẩm của vật liệu vô định hình 59

Trang 10

Học viên: Nguyễn Thị Phƣợng 7 Chuyên ngành KTĐ TBĐ 10 - -12

2.13 Máy biến áp 1 pha 50kVA - 6 kV/210 V 60

2.14 Máy biến áp 3 pha: a) 3 trụ ; b) 5 trụ 60

2.15 Máy biến áp khô 3 pha 1000kVA - 6 kV/210V 61

3.9 Giá quay của máy quấn băng. 68

3.10 a) Bộ phận truyền động dẫn băng tôn b) Máy quấn tôn 69

3.15a Sau khi quấn ba cuộn dây 71

3.15b Các đầu dây đƣợc hàn nối đƣa ra ngoài 71

Trang 11

3.19 a – Nén chặt mạch từ b- Hàn mạch từ 72

3.21 Dây quấn hình trụ một lớp 76

3.22 Dây quấn hình trụ hai lớp 76

3.23 Sơ đồ dây quấn hai mạch nhánh song song 77

3.25 Dây quấn máy biến áp dạng “foil” 79

3.26 Dây quấn hình trụ nhiều lớp dây dẫn tròn 79

3.27 Cách điện phần đầu của dây quấn hình ống nhiều lớp 80

3.28 Dây quấn hình xoắn a) mạch đơn b) mạch kép 81

3.29 Ví dụ về tăng chiều cao dây quấn của dây quấn mạch đơn có 4

3.30 Cách thực hiện hoán vị phân bố đều. 82

3.32 Dây quấn hình xoáy ốc liên tục. 83

3.33 Dây quấn xoáy ốc liên tục 84

3.34 Chuyển tiếp giữa các bánh dây có hoán vị của 3 sợi dây song

4.1 Kích thước mạch từ của máy biến áp. 90

4.2 Mô hình đường sức từ MBA lõi thép KTĐ 2211 92

4.3 Mô hình đường sức từ MBA lõi thép VĐH 92

Trang 12

4.5 Hệ số tăng cao cường độ điện trường theo( r+a)/r 96

Trang 13

Học viên: Nguyễn Thị Phượng 10 Chuyên ngành KTĐ -TBĐ 10-12

DANH MỤC CÁC BẢNG

1.1 So sánh tổn hao không tải máy biến áp 1 pha và 3 pha có lõi

thép silic thông thường và lõi thép vô định hình 25

1.2

Tổn hao sắt từ (Fe), tổn hao đồng và tổng tổn hao của máy

biến thế cùng công suất sử dụng hai loại vật liệu dẫn từ khác

nhau

25

1.3 Hiệu quả kinh tế khi sử dụng lõi dẫn từ VĐH 26

2.1 So sánh một số thông số kỹ thuật của thép vô định hình và

3.1 Kích thước lá đồng và nhôm thường gặp. 78

Trang 14

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài:

Máy biến áp là một phần tử quan trọng nhất trong hệ thống truyền tải và phân

phối điện năng Việc phát minh ra máy biến áp vào khoảng năm 1885 đã đột ngột

thay đổi hệ thống truyền tải và phân phối điện năng Dòng điện xoay chiều phát ra ở

điện áp thấp có thể được nâng lên để truyền tải ở điện áp cao và dòng điện nhỏ, do

vậy làm giảm được điện áp rơi trên dây dẫn và tổn hao trên đường truyền Máy biến

áp tăng áp ở nhà máy phát điện làm nhiệm vụ nâng điện áp có thể lên tới hàng

nghìn kV để truyền tải đi xa đến nơi tiêu thụ Sau đó tại nơi tiêu thụ máy biến áp sẽ

giảm điện áp từ điện áp cao xuống điện áp tiêu chuẩn phù hợp với các thiết bị điện

Trong thực tế điện năng được sản xuất thường xa nơi tiêu thụ, để truyền điện năng

từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ thường phải sử dụng máy biến áp để nâng điện áp

và giảm điện áp 3 đến 4 lần Máy biến áp làm cho hệ thống điện xoay chiều trở nên

linh hoạt bởi vì những phần khác nhau và thiết bị của hệ thống năng lượng có thể

hoạt động ở mức điện áp kinh tế bằng cách sử dụng máy biến áp với tỷ số thích

hợp Người ta cũng chia máy biến áp trên hệ thống truyền tải, phân phối điện năng

thành máy biến áp truyền tải và máy biến áp phân phối Máy biến áp phân phối có

nhiệm vụ biến đổi điện áp phù hợp và cung cấp trực tiếp cho phụ tải Nói cách khác

máy biến áp phân phối thường đặt gần phụ tải nơi liên quan trực tiếp đến môi

trường sống của con người vì vậy càng ngày người ta càng tìm cách hoàn thiện để

các máy biến áp phân phối không chỉ đạt các yêu cầu về các chỉ tiêu kỹ thuật, kinh

tế mà còn phải đạt các chỉ tiêu về an toàn, bảo vệ môi trường,

Trong quá trình truyền tải, phân phối và tiêu thụ điện năng đã phát sinh sự

tổn thất khá lớn Cho nên giảm tổn thất điện năng là một vấn đề cần thiết không chỉ

đối với riêng ngành điện Việt Nam mà đối với ngành điện các nước trên thế giới

Giảm tổn thất điện năng có một ý nghĩa to lớn đối với nền kinh tế quốc dân và

ngành điện

Trang 15

M ngỗi ày ên tr thế iớ g i hàng ch icó ục tr ệu máy bi phân pến áp hối đ ệ i n ho t ạ

động Các máy bi làm nhiến áp đó ệm ụ cấp đ ện v i áp thích ợ h p cho các ph t ụ ải

Công su c c mất ủa ác áy bi th t v chến áp có ể ừ ài ục cho ớ ài t i v nghìn kVA

Trong quá trình sản xuất và sử dụng máy biến áp, người ta luôn luôn phải có

biện pháp cải tiến thiết kế và công nghệ chế tạo nhằm hoàn thiện về cấu trúc, hình

dạng, thông số kỹ thuật, kinh tế….và quan trọng nhất đó là giảm tổn hao của máy

biến áp

Tổn hao đ ện ă i n ng trong máy biến áp là ấn đề inh tế v k - kỹ th ật ất đượu r c

quan tâm, t hao này ch y bao gổn ủ ếu ồm ổn t hao i n đ ệ trên cuộn dây (tổn hao đồng)

và tổn hao trong lõi dẫn ừ ổnt (t hao ắt hay là tổn hao không tải Đểs ) giảm tổn hao

điện trong máy biến , áp cần thi t k máy sao ế ế cho độ ài d cu dâộn y đồng (nhôm)

ng ắn nhất và độ dẫn đ ện của i chúng t nh M khác, ph tìm tòi ốt ất ặt ải các ạ ật lo i v

li u ệ dẫn ừ t õ t m i t n hao (l i ừ) ớ có ổ nhỏ n ất.h

Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ những năm gần đây có

nhiều loại vật liệu mới với các tính chất vật lý đặc biệt đã được khám phá và nghiên

cứu rất mạnh mẽ ở các vật liệu nói chung và ở hệ vật liệu từ nói riêng hoảngK

những ă n m 80 của thế k XX, ỷ thép vô nh hđị ình (thép ến áp si bi êu mỏng) ra đời

Nh v ờ ào thành ph và c ần ấutrúc vi mô đặc ệ bi t, thép vô nh hình (V H) đị Đ đáp ứng

các êu y c u giầ để ảm tổn hao lõi thép của máy biến áp

V hi u ề ệ quả kinh ế, ặc ầu iá thành ủa thép t m d g c vô nh hđị ình ệ hi n nay cao

hơn v i tôn silic, so ớ tuy nhiên, do t n hao i n ổ đ ệ năng không t nh nên hi u ải ỏ, ệ quả

kinh tế là rõ ràn Th g eo tính án, ời to th gian thu l i 3-5 n m khi th ờ là ă ay thế lõi ừ t tôn

silic bằng thép vô nh hđị ình

Đứng trên góc độ bảo ệ v môi tr ng thì ti t kiệm i ườ ế đ ện đồng ngh a v i giĩ ớ ảm

khí th COải 2 Ngoài k hả năng giảm mạnh ổn t h iao đ ện n ng trong lõi d t ă ẫn ừ của

các máy bi 50 Hz, các v t li vô nh hến áp ậ ệu đị ình còn đượ ử dụng trong cácc s thi t ế

b ho t ng gi t s c ị ạ độ ở ải ần ố ao (400-30.000 Hz r t c n trong ng nghi), ấ ầ cô ệp quân ự s

Trang 16

v k à ỹ thu i tật đ ện ử

Ở nước tta, ừ năm 1990, t i Tr ng ạ ườ Đại h c Bách khoa ọ Hà ội N và sau đó

nhi n v khác i n khai nghiên c ều đơ ị đã tr ể ứu chế ạo ật ệu ẫn ừ t v li d t vô nh hđị ình và

nano tinh ể dướ ạng ă th i d b ng mỏng 0,03 mm ằ b ng công ng nghệ uội nhanh liên ục t

và i n khai tr ể ứng dụng ật ệu v li này Khả năng vật liệu từ nguội nhanh này đưa vào

ứng dụng trong kỹ thuật làm các lõi dẫn t của các máy biến ừ áp ở tần số 50 Hz ở

nước ta là rất lớn

2 Ý nghĩa khoa học – thực tiễn:

- Luận văn đã nghiên cứu về vật liệu từ vô định hình và công nghệ chế tạo

vật liệu vô định hình

- Luận văn đã đưa ra đặc tính kỹ thuật và so sánh tính chất từ của vật liệu

vô định hình với thép kỹ thuật điện

- Luận văn đã nghiên cứu về sử dụng vật liệu vô định hình chế tạo lõi thép

MBA giảm tổn hao không tải và khả năng ứng dụng ở nước ta

3 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

3.1 Mục đích:

Mục đích cơ bản của luận văn nhằm vào nghiên cứu về mặt lý thuyết vật

liệu vô định hình và đưa ra đặc điểm sử dụng vật liệu vô định hình chế tạo lõi

thép MBA giảm tổn hao không tải và khả năng ứng dụng ở nước ta

- Nghiên cứu tổng quan về các phương pháp giảm tổn thất điện năng của

máy biến áp trong và ngoài nước

- Tìm hiểu về vật liệu từ vô định hình và công nghệ chế tạo vật liệu vô

Trang 17

định hình

- Trình bày đặc tính kỹ thuật và so sánh tính chất từ của vật liệu vô định

hình với thép kỹ thuật điện

- Nghiên cứu công nghệ chế tạo mạch từ và dây quấn của máy biến áp có

lõi thép vật liệu vô định hình

- Khảo sát từ trường MBA sử dụng lõi thép bằng vật liệu vô định hình

bằng Phương pháp Phần tử hữu hạn

Trang 18

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG

CỦA MÁY BIẾN ÁP ĐẶT VẤN ĐỀ:

Năng lượng, đặc biệt là điện năng đóng vai trò quan trọng trong quá trình

phát triển kinh tế xã hội Điện năng được sản xuất từ các dạng năng lượng khác

nhau như: cơ năng của dòng nước, nhiệt năng của than đá, dầu mỏ… các nhà

máy điện thường được xây dựng tại nơi có các nguồn năng lượng để đảm bảo

tính kinh tế và trong sạch về môi trường Do đó, xuất hiện vấn đề tải điện đi xa

và phân phối điện đến nơi tiêu thụ Trong quá trình truyền tải và phân phối điện

năng đã phát sinh sự tổn thất khá lớn Đây là một bộ phận cấu thành chi phí lưu

thông quan trọng của ngành điện

Trong các biện pháp nhằm giảm giá thành điện, giảm tổn thất điện năng là

một biện pháp quan trọng mang lại hiệu quả kinh tế cao không chỉ đối với ngành

điện mà còn đối với cả xã hội

Thật vậy, ngành điện là ngành độc quyền, nên việc giảm tổn thất điện năng

giúp cho nhà nước không phải bù lỗ, Ngân sách Nhà nước được đảm bảo, được

sử dụng vào các mục đích khác có lợi hơn Về phía doanh nghiệp, sẽ khai thác,

sử dụng vào tối ưu nguồn điện, mang lại hiệu quả kinh tế cao cho ngành Đối với

người tiêu dùng, được sử dụng điện với chất lượng cao, giá điện vừa phải, phù

hợp với mức sinh hoạt

Trong trường hợp lượng điện tổn thất với tỷ lệ cao Do đây chính là một bộ

phận cấu thành nên chi phí sản phẩm, nên khi tỷ lệ tổn thất cao tất yếu sẽ dẫn

đến giá thành điện cao Công ty kinh doanh điện muốn có lợi nhuận để thực hiện

tái đầu tư thì giá bán phải cao hơn giá thành sản phẩm, giữa giá bán và giá thành

là mối quan hệ tỷ lệ thuận Giá bán điện cao, theo quy luật cung cầu, dẫn đến -

sản lượng điện tiêu thụ giảm Đối với ngành điện, đây là một thiệt hại lớn, ngành

sẽ thu hồi vốn lâu, như vậy, việc sử dụng đồng vốn không hiệu quả, tất yếu dẫn

Trang 19

đến phá sản Nền kinh tế quốc dân cũng bị thiệt hại rất lớn, bởi ngành điện có

một vị trí rất quan trọng trong nền kinh tế quốc dân Vì vậy, khi ngành điện

không tự mình phát triển đi lên thì Nhà nước phải bù lỗ bằng Ngân sách Chính

phủ, mà nguồn ngân sách Chính phủ được thu từ các thành phần kinh tế Vậy,

gánh nặng ngân sách buộc các thành phần kinh tế muốn tồn tại phải tăng giá bán

sản phẩm của mình, dẫn đến tình trạng hạn chế tiêu dùng Đây không phải là

điều mong muốn của thị trường, của các doanh nghiệp Điều này làm cho nền

kinh tế bị đình trệ, sản phẩm hàng hoá không được lưu thông Vậy tổn thất điện

năng vô hình chung đã kìm hãm sự phát triển kinh tế xã hội

Ngược lại, tỷ lệ tổn thất điện năng thấp sẽ mang lại lợi ích hết sức to lớn

cho toàn bộ nền kinh tế quốc dân nói chung và ngành điện nói riêng Theo số

liệu tính toán và thống kê năm 2003, nếu giảm tổn thất điện năng xuống 0,5% thì

sẽ tiết kiệm được trên 100 triệu KWh, tương đương 5 vạn tấn nhiên liệu tiêu

chuẩn không phải đốt và ít nhất tiết kiệm được hàng trăm triệu đồng cho Nhà

nước Giảm được tổn thất điện năng tức là giảm được tỷ lệ thiết bị phát điện của

nhà máy, đồng thời giảm được nhiên liệu tiêu hao,…Điều đó ảnh hưởng trực tiếp

đến việc cải thiện đời sống nhân dân, góp phần vào việc giảm chi phí cho toàn

bộ quá trình sản xuất, tạo điều kiện hạ giá thành bán điện cho các hộ dùng điện,

kích thích tiêu dùng

Đối với các hộ sử dụng điện để sản suất, giá điện giảm sẽ góp phần nâng

cao hiệu quả sản xuất, tăng thêm thu nhập thực tế Các sản phẩm hàng hoá được

kích thích tiêu dùng hơn do giá bán thấp, sức mua tăng lên

Đối với Nhà nước, tổn thất điện năng giảm, ngành điện tiêu thụ được

nhiều điện, có lợi nhuận nên Nhà nước không phải bù lỗ, Ngân sách Nhà nước

được sử dụng đầu tư vào các công việc có ích khác, tạo sự phát triển đồng đều

cho xã hội

Người dân, hộ sử dụng điện được dùng điện với giá thấp, chất lượng cao:

điện áp cố định, tần số ổn định do hệ thống điện được đầu tư mới, không còn

hiện tượng câu móc điện làm cho điện sử dụng bị sụt tải,…nên độ bền của các

Trang 20

máy móc, thiết bị cao hơn Không còn xảy ra các tình trạng tai nạn về điện đáng

tiếc do vi phạm sử dụng điện, sự cố do điện gây ra: phóng điện, chập điện,…

Từ nhiều năm qua, ngành điện đã quan tâm phấn đấu giảm tổn thất điện

năng, và đã đạt được những kết quả rất đáng khích lệ Nhưng ngành điện là

ngành sản xuất kinh doanh chủ chốt, ngành động lực cho nền kinh tế quốc dân,

đặc biệt trong tình hình đất nước đang thiếu điện nghiêm trọng Phấn đấu giảm

đến thấp nhất tổn thất điện năng trở thành nhu cầu cấp bách không chỉ của ngành

điện mà của toàn xã hội Ngày 31/08/1991 , Chủ tịch Hội đồng bộ trưởng đã ra

chỉ thị số 256 – CT và giao cho Bộ Năng lượng cùng một số cơ quan chức năng

Nhà nước xây dựng và chỉ đạo chương trình giảm tổn thất điện năng Bộ trưởng

Bộ Năng lượng có quyết định thành lập Ban chủ nhiệm chương trình giảm tổn

thất điện năng (TTĐN) của Bộ năng lượng có sự tham gia của Văn phòng Chính

phủ, Bộ Kế hoạch và Đầu tư, Bộ Khoa học Công nghệ và Môi trường, Bộ Tài -

chính, Bộ Nội vụ, Toà àn nhân dân tối cao Dưới sự chỉ đạo trực tiếp của Bộ

trưởng Bộ Năng lượng, Ban chủ nhiệm chương trình giảm TTĐN, bộ máy lãnh

đạo quản lý của ngành điện Trung ương đến các cơ sở, toàn thể cán bộ công

nhân viên ngành điện cùng với các tổ chức Đảng, chính quyền, đoàn thể các tỉnh,

thành phố và địa phương trong cả nước đã nỗ lực phấn đấu bằng mọi biện pháp

kinh tế kỹ thuật, tổ chức quản lý, pháp luật, trật tự an ninh,…tuyên truyền vận -

động và cưỡng chế, thực hiện thành công chương trình giảm TTĐN, phấn đấu

giảm TTĐN đến mức thấp nhất có thể đạt được

Theo EVN, năm 2003 Việt Nam giảm được 1% điện năng tổn thất sẽ tiết

kiệm được 237.400MW, tương ứng với gần 179 tỷ đồng (tổng sản lượng điện

phát ra năm 2003 là 7.2 tỷ KWh)

Việc giảm tổn thất điện năng có ý nghĩa rất lớn đối với toàn xã hội từ Nhà

nước đến ngành điện, các hộ tiêu dùng Chính vì lẽ đó nên tổn thất điện năng đã,

đang và sẽ còn là vấn đề quan trọng, là mục tiêu số một của ngành điện cần được

giải quyết Giảm tổn thất điện năng là một vấn đề cần thiết không chỉ đối với

ngành điện, không chỉ đối với riêng Điện Việt Nam mà đối với ngành điện các

Trang 21

nước trên thế giới Giảm tổn thất điện năng có một ý nghĩa to lớn đối với nền

kinh tế quốc dân và ngành điện

Làm thế nào để giảm tổn thất điện năng đến mức thấp nhất có thể vẫn là

một câu hỏi rất lớn và là mục tiêu hàng đầu của toàn ngành điện

Trong đánh giá về tình hình tiêu thụ điện năng thì tính toán tổn thất điện năng

là quan trọng và không thể thiếu được Đặc biệt là tính toán tổn thất điện năng của

máy biến áp

Máy biến áp là thiết bị quan trọng trong hệ thống truyền tải và phân phối

điện Nhờ có máy biến áp mà việc truyền tải điện từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ

rất kinh tế, hiệu quả, giảm tổn hao năng lượng trên đường truyền, tiết kiệm trọng

lượng và chi phí dây dẫn Mỗi ngày trên thếgiới có hàng chục triệu máy biến áp phân

phối điện hoạt động Các máy biến áp đó làm nhiệm vụ cấp điện áp thích hợp cho các

phụ tải Công suất của các máy biến áp có thể từ vài chục cho với vài nghìn kVA

Máy biến áp phân phối ở nước ta thường có cấp điện áp là 35kV, 22kV, 10kV,

6k 0,V/ 4kV để cấp điện cho đa số các thiết bị điện công nghiệp và dân dụng

Khi MBA làm việc, có hai loại tổn hao chính là: Tổn hao sắt và tổn hao đồng

Trong trường hợp gần đúng coi tổn hao sắt là tổn hao không tải Tổn hao không tải

là tổn hao trong lõi dẫn từ Tổn hao trong lõi dẫn từ bao gồm tổn hao dòng xoáy và

γ Khối lượng riêng vật liệu -

ρ điện trở suất - Muốn giảm tổn hao dòng xoáy thì vật liệu dẫn từ phải được chế tạo thành

các lá thép mỏng, điện trở suất cao và dùng ở tần số thấp

Trang 22

- Tổn hao từ trễ được đặc trưng bởi đường cong từ trễ của vật liệu và thông số

quan trọng tạo ra chu trình trễ là lực kháng từ Hc, lực kháng từ Hc càng nhỏ thì tổn

hao từ trễ sẽ nhỏ

Sự phát triển của Khoa học - công nghệ đã có nhiều loại vật liệu từ mềm với đặc

tính ngày càng tốt hơn và tổn hao ít hơn Sau đây, là một số vật liệu từ mềm :

- Tôn silic: Là hợp kim của sắt (khoảng 85%), với Silic (Si), hoặc chứa thêm

khoảng 5,4% nhôm (Al), còn được gọi là hợp kim Sendust, là một trong những vật

liệu sắt từ mềm được dùng phổ biến nhất có độ cứng cao, có độ từ thẩm cao và tổn

hao trễ thấp Tuy nhiên, vật liệu này trên nền kim loại, nên có điện trở suất thấp

- Hợp kim Permalloy: Là hợp kim của niken (Ni) và sắt (Fe), có lực kháng từ

rất nhỏ, độ từ thẩm rất cao (vật liệu Ni75Fe25 có độ từ thẩm ban đầu lớn tới 10000),

có độ bền cơ học và khả năng chống ăn mòn cao Tuy nhiên, permalloy có từ độ bão

hòa không cao

- Hợp kim FeCo: là các hợp kim từ mềm có từ độ bão hòa cao, nhiệt độ Curie cao

- Các vật liệu gốm ferrite: Là hợp chất của ôxit Fe (Fe2 O3) với một ôxit kim

loại hóa trị 2 khác, có công thức chung là MO Fe 2O3 Các ferrite mang bản chất

gốm, nên có điện trở suất rất cao nên tổn hao dòng xoáy của ferrite rất thấp, được

dùng cho các ứng dụng cao tần và siêu cao tần

- Hợp kim vô định hình và nanô tinh thể: Là các hợp kim nền sắt hay cô ban

(Co), ở trạng thái vô định hình, có điện trở suất cao hơn nhiều so với các hợp kim

tinh thể, đồng thời có khả năng chống ăn mòn, độ bền cơ học cao, và có thể sử dụng ở

tần số cao hơn so với các vật liệu tinh thể nền kim loại Vật liệu vô định hình không

có cấu trúc tinh thể, nên triệt tiêu dị hướng từ tinh thể, vì thế nó có tính từ mềm rất

tốt Vật liệu vô định hình nền Co còn có từ giảo bằng 0 nên còn có lực kháng từ cực

nhỏ Khi kết tinh từ trạng thái vô định hình, ta có vật liệu nano tinh thể, là các hạt

nanô kết tinh trên nền vô định hình dư, triệt tiêu từ giảo từ tổ hợp hai pha vô định

hình và tinh thể nên có tính từ mềm cực tốt và có thể sử dụng ở tần số cao

Trang 23

1.1 Tình hình nghiên cứu của thế giới:

Lõi bi n ế áp đầu tiên (1885, Stanley) làm bằng thép lá cacbon i trcó đ ện ở

su nh ( ~ 25-30 µ cm) Sau ất ỏ ρ Ω đó, lõi biến áp đượ àm ằng lác l b thép silicon (c òn

g tôn silic, - ọilà Fe Si) có đ ện ở ấi tr su t cao h n ( ~ 50-60 µ cm ơ ρ Ω ) Những ă n m

80-90 của thế ỷ k XX, tôn silic đị nh h ng án ngướ (c uội) i n tr su t c và l k có đ ệ ở ấ ao ực hử

t Hừ C n hỏ đã được ch t và s ế ạo ử dụng

Công nghệ vật liệu phát triển và đã có nhiều phát hiện về các loại vật liệu

mới, các tính năng mới của các loại vật liệu khác nhau Công nghệ chế tạo máy biến

áp cũng có nhiều thành tựu lớn và dần dần giảm tổn hao của máy biến áp, nâng cao

hiệu suất của máy biến áp Có nhiều cách để giảm tổn hao máy biến áp như:

+ Dùng các loại vật liệu tốt như: vật liệu làm dây quấn, vật liệu cách điện,

vật liệu làm lõi thép

+ Phát triển về công nghệ chế tạo máy biến áp, nhằm tạo ra được các máy

biến áp có tổn hao thấp

Vật liệu vô định hình đã được nghiên cứu và sử dụng làm lõi thép của máy

biến áp do nó có nhiều ưu điểm hơn so với vật liệu tôn silic thông thường như: mắt

từ trễ nhỏ hơn nhằm giảm đi tổn hao từ trễ, mỏng và có điện trở suất lớn góp phần

giảm tổn hao dòng phu cô giúp cho máy biến áp có tổn hao lõi sắt nhỏ hơn so với

máy biến áp có lõi thép bằng vật liệu tôn silic Trên thế giới hiện nay đã có nhiều

nước dùng máy biến áp có lõi thép làm bằng vật liệu vô định hình như: Mỹ, Nhật,

Brazil, Trung Quốc, Nó đã góp phần giảm tổn thất trong lưới điện Chính vì vậy

mà xu hướng phát triển hiện nay ngoài sử dụng máy biến áp lõi thép bằng vật liệu

tôn silic mà chuyển sang dùng cả máy biến áp có sử dụng vật liệu vô định hình Quá

trình phát triển trải qua nhiều giai đoạn khác nhau, sau đây là quá trình phát triển

của vật liệu từ mềm vô định hình:

* Tại Hoa Kỳ:

- Thập niên 70 nghiên cứu và phát triển sản phẩm

- Năm 1973 công ty Metglas thông báo phát minh ra hợp kim amorphous

- Năm 1978 máy biến thế sử dụng lõi amorphous được phát triển và giới thiệu

Trang 24

- Năm 1979 dây chuyền khuôn đúc liên tục thí điểm được thiết lập tại thành phố

Morristown, bang NJ, USA

- Năm 1980s hoàn thiện quy trình xây dựng và chiến lược kinh doanh

- Năm 1982 AT thương mại lần đầu tiên lắp đặt tại Mỹ

- Năm 1989 bắt đầu sản xuất lõi AT 26055 A1 tại Conway, SC, USA

- Năm 1990s hoạt động thương mại đối với nguyên vật liệu sản xuất lõi máy

biến thế

- Năm 1991 các nhà sản xuất máy biến thế Nhật bản bắt đầu sản xuất máy

AMDTs chủ yếu 20kVA và 30kVA

- Năm 1997 công ty Metglas lấy được giấy phép từ công ty GE để chuyển giao

giấy phép ra khỏi thị trường Bắc Mỹ

* Tại Nhật Bản

- Năm 1976 việc nghiên cứu và phát triển tấm kim loại từ nhẹ amorphous đã

được tiến hành tại phòng thí nghiệm nghiên cứu nguyên vật liệu điện từ

- Năm 1981 JRDC chứng nhận đối với sự ủy thác nghiên cứu công nghệ sản

xuất kim loại amorphous

- Năm 1988 các lõi máy biến thế sử dụng nguyên vật liệu từ nhẹ công nghệ

Nanocrystalize, FINEMET được phát triển và kinh doanh

- Năm 1994 sản xuất hàng loạt các lõi sử dụng công nghệ tại FINEMET tại nhà

máy Yashugi

- Năm 1997 lõi máy biến thế sử dụng công nghệ FINEMET được trao giải đứng

hàng thứ 39 trong top sản phẩm mới bởi tờ báo Daily Industry

- Năm 2006 sản phẩm thép amorphous mới 2605HB1 được giới thiệu và phát

triển

Dự án của Quốc gia sản xuất băng vô định hình nền Fe có công suất

10.000÷40.000 tấn/năm Mục tiêu, sản xuất tới 40.000 tấn/năm cung cấp cho thị

trường sản xuất máy biến áp vô định hình

Nh v ờ ào thành ph và c trúc vi mô ần ấu đặc bi t, thépệ vô nh hình (V H) đị Đ

đáp ứng cả 3 yêu c u giầ để ảmtổn h l c kháng t r nh Hao lõi là: ự ừ ất ỏ, C ~ 5-10 A/m

Trang 25

Hình 1.1: Đồ thị biểu diễn xu hướng của thế giới sử dụng vật liệu tốt

hơn để giảm tổn hao không tải của máy biến áp.

năm

(so v i ~50-100 A/m ớ củatôn sili dày tc);độ ự nhiên ủac th r nhlá ép ất ỏ, t ~ 0.03 mm

(so i ~ 0,3-0,5 mm c vớ ủa tôn silic) và i tr su t r l n ~ 130-170 micro Om đ ện ở ấ ất ớ ρ

cm (so i ~50-vớ 60 micro Om cm ủa tôn sili ) c c Nh v c nh ch ên mà t ờ ào ác tí ấttr ổn

hao lõi củathép Đ V H giảm ạnh m v i ép so ớ th silicon loại ố t t nh ất

Nhìn hình 1.1 ta thấy xu hướng dùng thép để giảm tổn hao là một việc làm

hết sức cần thiết N cho ta thấy được xu thế phát triển của công nghệ sản xuất vật ó

liệu từ làm lõi thép máy biến áp từ những năm 1955 đến những năm 1990 Những

năm 1955 chế tạo được những loại thép kỹ thuật điện có tổn hao lõi sắt lớn do sự

phát triển kém của công nghệ vật liệu Công nghệ sản xuất vật liệu từ ngày dần

được phát triển qua các năm và có xu thế giảm tổn hao lõi thép nhiều hơn Đến

những năm 1980 vật liệu vô định hình được phát hiện để làm lõi thép máy biến áp

Nó góp phần giảm tổn hao lõi thép máy biến áp, đến những năm 1990 tổn hao lõi

thép máy biến áp có sử dụng vật liệu vô định hình nhỏ hơn khoảng 3 lần so với vật

liệu thép kỹ thuật điện loại tốt nhất và nhỏ hơn khoảng 7 lần so với vật liệu thép kỹ

thuật điện loại tồi nhất Do máy biến áp thường có tuổi thọ làm việc lớn nên trong

Trang 26

Hình 1 2: Đường cong từ trễ của vật liệu vô định hình và thép silic.

1,2 0,8

1,0 1,2 1,4

0,4 0,8 1,2

1 ,6

định hình

Thép silic

quá trình sử dụng, vận hành vẫn còn tồn tại những máy biến áp có tổn hao lõi sắt

lớn Cho nên, việc quyết định phương án chế tạo MBA tổn hao thấp hay cao không

những là vấn đề kinh tế kỹ thuật hiện tại mà cả ảnh hưởng trong tương lai Từ năm -

1980, xu hướng của thế giới chọn vật liệu vô định hình làm lõi thép cho máy biến

áp để giảm tổn hao không tải

Máy biến áp vô định hình bắt đầu ra đời từ năm 1982, các nhà khoa học đã

nhận thấy rằng máy biến áp vô định hình chính là sự cải tiến lớn nhất trong công

cuộc nổ lực đi tìm lời giải cho giảm tổn thất điện năng máy biến áp

Đường đặc tính từ trễ của vật liệu vô định hình so với vật liệu thép silic có:

mắt từ trễ rất nhỏ so với vật liệu thép từ thông thường được sử dụng Nó làm giảm

đi tổn hao từ trễ lớn hơn, qua đó làm giảm đi tổn hao lõi sắt máy biến áp

Trang 27

Từ đồ thị so sánh giữa máy biến áp dùng vật liệu vô định hình với vật liệu sắt

từ của máy biến áp 3 pha ta nhận thấy rằng, ổn hao không tải của máy biến áp vô t

định hình nhỏ hơn 7 lần so với máy biến áp có vật liệu bằng thép kỹ thuật điện loại

thường và nhỏ hơn 3 lần so với máy biến áp có vật liệu bằng thép kỹ thuật điện có

hiệu suất cao

Hình 1.3 T n hao t ph u c vào c m : ổ sắt ừ ụ th ộ ả ứng từ c a thép Si và V B ủ ĐH

(f=60 Hz) Ngu n: Yamoto et al, IEEE,TranMag.Vol.Mag.20.№3,1984 ồ

Hình 1.4: So sánh tổn hao không tải của máy biến áp ở Nhật

Bản (máy 3 pha, 50Hz, 300 kVA)

Trang 28

Bảng 1.1: So sánh tổn hao không tải máy biến áp 1 pha và 3 pha có lõi thép

silic thông thường và lõi thép vô định hình

Máy biến áp

Công suất kVA

Tổn hao không tải, W

Độ giảm tổn hao, %Lõi thép biến áp thông

thường, tôn silic

Lõi thép vô định hình

Nguồn: Tổng Công ty Điện lực Hàn Quốc KEPOCO’s

Máy biến áp 1 pha lõi thép silic có công suất 30kVA tổn hao không tải là

149W, còn máy biến áp lõi thép vô định hình tổn hao không tải là 38W Như vậy,

so với máy biến áp lõi thép silic thì máy biến áp vật liệu vô định hình đã giảm 70%

đến 80% tổn hao không tải Bảng 1.1 minh họa điều này

B ng 1.2: ả T ổn hao sắt ừ t (Fe), t n hao ổ đồng và ổ t ng t n hao c a máy bi ổ ủ ến t ế h

cùng công s uất sử d ng hai lo v ụ ại ật liệu dẫn ừ t khác nhau

Lo tại ổn hao T n hao Pổ L(W) (~50 t% ải)

Thép vô định hình

Chú ý: máy biến thế 3 pha, 250 kVA, t n ầ số công nghi ệp.

ng n: uồ Hasegawa & Pruess,Proc IEEE, 2001, p 1820

Trang 29

Học viên: Nguyễn Thị Phƣợng 26 Chuyên ngành KTĐ -TBĐ 10-12

Số li u ệ trong ảng 1.2 b cho th y, ấ đối ớ v i máy bi th 3 pha, 250kến ế VA,

t n hao t giổ ừ ảm từ 466W õi thép (l silicon án c ngu xuội) ống 132W õi V(l ĐH),

t t hao V H ch b ng ~1/3 v i ức là ổn lõi Đ ỉ ằ so ớ thép silico Trongn khi đó ổn haot

đồng ần nhƣ nhau (9 g 66 W và 1.084 W T) ổn hao t ng ổ cộng của máy biến t ếh

giảm từ 1.550 W x ốngu 1.098 W khi dùng lõi VĐH

Bảng 1.3 Hiệu quả kinh tế khi sử dụng lõi dẫn từ VĐH

Biến áp 500 kVA, 3 pha, cấp điện áp 22 kV

1 T h không t khi s ổn ao ải ử dụng

Ghi chú: 1 - N ếu máy bi áp ch y không t i 8 h/ngày, thì ến ạ ả các con s ố trong ộ c t 4

và 5 t ng ng là: ~5.168 kWh và ~ 465 ươ ứ USD

2 - u n Kim Tae-ho, Cty Công nghi Ng ồ ệp Cherong, Seoul, Hàn Q ố u c.

Bảng 1.3 Ví dụ cho một MBA 3 pha, 500kVA – 22kV, thay thế lõi tôn silic

bằng thép VĐH đã tiết kiệm đƣợc 1770 W (trong một năm đã tiết kiệm

15.505kWh) có nghĩa nó đã tiết kiệm 1.395 USD

Hệ thống thiết bị công nghiệp của Công ty Hitachi đại diện cho công nghệ ,

tiến tiến và siêu tiết kiệm năng lƣợng chính là máy biến áp VĐH Máy biến áp

VĐH là giảm pháp tiết kiệm năng lƣợng, giảm khí thải CO2 và ngăn chặn sự nóng

lên của toàn cầu nếu ấ ả, t t c máy biến áp Hàn Qu s ở ốc ử dụng dlõi ẫn t vô nh ừ đị

Trang 30

hình thay tôn silic tru ền ống thì ự tíy th d nh trong ăm n 2010, Hàn Qu c ti t kiố ế ệm

được khoảng 7 t kỷ Wh iện, đ bằng ượ l ng iện đ năng cung ấp c cho một thành ph ố

khoảng 1,4 i dân, i tr ệu đ ều đó cũng đồng ngh a v i vi giĩ ớ ệc ảm khoảng 1 i t tr ệu ấn

khí CO2, tương đương ớ ượ v i l ng CO2 của khoảng 220.000 ô tô thải ra Vi c s ệ ử

d ng v li d n t vô nh hụ ật ệu ẫ ừ đị ình tr ong d tải ần ố s 50-60 Hz đã v à đang được

triển khai mạnh m ẽ ở Hoa K , Trung Quỳ ốc, Nh Bật ản, Hàn Quốc,

Nga…H ệni nay, t 7 n c châu Á khoại ướ đã có ảng 515.000 máy bi làm bến áp ằng

v li t vô nh hình ật ệu ừ đị

1.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước:

Viện Vật lý kỹ thuật (VLKT), trường Đại học Bách khoa Hà Nội từ những

năm 90 của thế kỉ XX đã triển khai nghiên cứu công nghệ chế tạo và ứng dụng các

vật liệu nguội nhanh Sau nhiều năm nghiên cứu, các sản phẩm là băng từ mềm

VĐH, nano tinh thể đã được chế tạo với quy mô đủ phục vụ các nhu cầu sữa chữa,

sản xuất MBA nhỏ Vài nghìn lõi dẫn từ tần số cao chế tạo bằng vật liệu từ VĐH và

nano tinh thể đã được cung cấp cho nhiều các xí nghiệp quốc phòng để thay thế các

linh kiện điện – từ tần số cao trong nhiều loại khí tài, góp phần tham gia vào sự

nghiệp củng cố an ninh – quốc phòng Điều đó đặc biệt có ý nghĩa khi mà công

nghiệp luyện kim nước ta chưa sản xuất được các loại thép kỹ thuật điện Nhiều

thiết bị điện – điện tử đã được thiết kế, chế tạo bằng vật liệu nguội nhanh như máy

phát ozon các loại, máy hàn xách tay, các máy đo sử dụng các sensơ từ trở và tổng

trở khổng lồ (GMR và GMI),…

Dự án sản xuất thử nghiệm: dự án số 13/97 HĐCGCN dành cho viện VLKT

-từ năm 1997, với kinh nghiệm đã có trong hơn 10 năm nghiên cứu, viện có khả

năng phát triển công nghệ này, làm chủ một dây chuyền công nghệ: công nghệ

nguội nhanh loại ampoule ngoài không khí và công nghệ nguội nhanh loại ampoule

trong chân không Với năng suất 50 kg sản phẩm/mẻ (mỗi mẻ cần thời gian 60

phút) đáp ứng các nhu cầu hiện nay về vật liệu từ mềm VĐH trong nước

Trang 31

Từ năm 1 8 ,tại trườn ĐHBK HN đã bắt đầu ng iên cứu cô g n hệ n uội

nhan đểchế tạo vật l ệu từ mềm VĐH, kết quản anh chó g đ ợc đ a vào ứn

dụn : trên 3 0 lõi biến áp n ỏđã đ ợc chế tạo và cu g cấp ch nhiều nhà máy và

c c cơ q an đ n vị k oa học côn ng ệ, chủ yếu d n tro g giải tần số c o trên

40 Hz,

Ý tưởn chế tạo MBA p ân p ối ở tần số cô g n hiệp dần hìn thành Đến giữa

năm 2 0 ,ViệnVLKT p ối hợp với bộ mônThiết bị điện – Điện tử tham gia chế

tạo thử 1 MBA phân p ối tầnsố cô g n hiệp

Kết quả dự án đã thu được:

Vật liệu từ mềm vô định hình (dạng băng mỏng)

Vật liệu từ mềm nano tinh thể (dạng băng mỏng)

Nam châm đất hiếm đẳng hướng

Sensơ GMR, GMI

Dự án đã đào tạo một số Luận án tiến sĩ và hơn 20 Luận văn Thạc sĩ cùng

nhiều bài báo khoa học liên quan

Các công trình nghiên cứu trên là cơ sở lý thuyết và thực tế vững chắc đã góp

phần vào công trình nghiên cứu, tính toán, thiết kế máy biến áp trong đó dùng vật liệu

từ mềm vô định hình làm lõi thép MBA dùng lõi thép vô định hình để giảm tổn hao

không tải được các nhà khoa học trong nước quan tâm và nghiên cứu

Ngày 10 tháng 12 năm 2009, Bộ trưởng Bộ Công Thương đã cấp Quyết định

số 6228/QĐ – BCT về: Kế hoạch khoa học công nghệ năm 2010

Với nội dung cụ thể như sau:

“Thiết kế chế tạo chế tạo máy biến áp giảm tổn hao không tải sử dụng vật

liệu thép từ vô định hình siêu mỏng chế tạo trong nước”,

Đề tài d tập thể chuyên gia khoa Điện ĐHBK Hà nội và Công ty cổ phần o -

chế tạo biến thế và vật liệu điện Hà Nội Thiết kế MBA phân phối 3 pha - công suất

50kVA - /0,4kV 35 Đề tài được thi công tại Công ty cổ phần CTBA Hà nội

Trang 32

1.3 Hướng nghiên cứu của tác giả:

Để giải quyết các yêu cầu của luận văn đặt ra, tác giả đề ra hướng nghiên cứu như sau:

- Nghiên cứu tổng quan về các phương pháp giảm tổn thất điện năng của máy

biến áp trong và ngoài nước

- Nghiên cứu về vật liệu từ vô định hình và công nghệ chế tạo vật liệu vô định

hình

- Nghiên cứu đặc tính kỹ thuật và so sánh tính chất từ của vật liệu vô định hình

với thép kỹ thuật điện

- Nghiên cứu công nghệ chế tạo mạch từ và dây quấn của máy biến áp vô định

hình

Trang 33

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Trong chương này đã nêu ra phương pháp giảm tổn thất điện năng trong máy

biến áp Đồng thời đã tổng hợp, phân tích các công trình nghiên cứu về MBA từ

những thế kỷ trước và cho đến nay người ta luôn luôn phải có biện pháp cải tiến

thiết kế và công nghệ chế tạo nhằm hoàn thiện về cấu trúc, hình dạng, thông số kỹ

thuật, kinh tế….và quan trọng nhất đó là giảm tổn hao của máy biến áp

Vi c s d ng v li d n t vô ệ ử ụ ật ệu ẫ ừ định ình chế tạo MBA tr h ong d tải ần ố s

50-60Hz đã trở thành phổ biến ở Hoa Kỳ, Trung Quốc, N ật ản,h B Hàn uốc, Q

Nga…Ở Việt Nam, ĐH Bách Khoa Hà Nội và Công ty cổ phần chế tạo biến thế Hà

Nội lần đầu tiên đưa vật liệu này vào sản xuất máy biến áp phân phối tần số 50Hz,

giảm tổn thất điện năng

Chế tạo MBA VĐH là lĩnh vực mới so với Việt Nam, lúc này phải nghiên

cứu tính toán, thiết kế cả về lý thuyết và công nghệ chế tạo Do vậy, trước hết cần

tìm hiểu vật liệu vô định hình, phân tích đặc tính kỹ thuật và so sánh tính chất từ

của vật liệu vô định hình với thép kỹ thuật điện là vấn đề thiết thực Đây chính là

nội dung nghiên cứu của chương 2

Trang 34

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU TỪ MỀM VÔ ĐỊNH HÌNH

Máy biến thế hoạt động liên tục khắp nơi tạo ra nguồn điện ổn định, nó được

sử dụng cho tòa nhà, cho khu dân cư, cho nhà máy Máy biến thế c nào cũng được lú

mở và hoạt động cho dù tất cả các thiết bị điện được tắt Điện để duy trì máy biến

thế hoạt động được gọi là điện ở chế độ chờ hay còn gọi là tổn thất không tải Máy

biến thế với công suất phù hợp, ở chế độ chờ trong suốt quá trình hoạt động Chính

quá trình chờ này gây ra việc tiêu thụ điện cao Tổn thất chính của máy biến thế là

tổn thất không tải Tại Nhật người ta ước tính tổn thất không tải cho một cột máy

biến thế thông thường là 7,5 tỉ kWh còn máy biến thế amorphous là 2,2 tỉ kWh Nếu

tất cả các máy biến thế cột chuyển sang máy biến thế amorphous thì tiết kiệm được

5,3 kWh tỉ Tổn thất trong máy biến áp có 2 loại là tổn hao không tải và tổn hao

đồng Với máy biến áp thì tổn hao không tải là một hằng số không phụ thuộc vào

tải, còn tổn hao đồng phụ thuộ vào tải Hầu hết tất cả các máy biến áp đều hoạt c

động ở chế độ non tải, theo nghiên cứu của Nhật Bản thì chỉ số hoạt động của các

tải chỉ bằng 20% hoặc 40% so với định mức Với chỉ số tải như thế thì lúc này tổn

hao đồng là không đáng kể, vì tổn hao đồng tỉ lệ với bình phương dòng điện và khi

đó tổn hao chính trong máy biến áp là tổn hao không tải Với tổn hao như thế thì

việc sử dụng máy biến áp amorphous là rất hợp lý

Khi sử dụng máy biến áp amorphous lượng CO2 giảm được 2 180 000

tấn/năm Ngoài ra lượng khí CO2 giảm được 1 890 000 tấn/năm đối với bộ phận

công nghiệp và thương mại Nếu chuyển tất cả các máy biến áp thường sang máy

biến áp amorphous thì sẽ giảm được 4 070 000 tấn CO2hàng năm

Lõi amorphous có tổn hao lõi thép thấp hơn nhiều so với lõi thép thông thường,

chính vì lý do này mà lõi thép amorphous bắt đầu được sử dụng trong việc sản xuất

máy biến thế từ những năm 1980 Bắt đầu từ giữa năm 2000 khi việc tiết kiệm năng

Trang 35

lượng và giảm lượng khí thải CO2 được đặt ra thì máy biến thế lõi amorphous ngày

càng được sử dụng rộng rãi không những ở các nước phát triển như Mỹ, Nhật mà

còn ở các nước có tốc độ kinh tế phát triển nhanh như Trung Quốc hay Ấn Độ

Việc lựa chọn kim loại cho lõi thép máy biến áp là rất quan trọng và điều quan

trọng ở đây là thép được sử dụng phải có chất lượng từ tốt Có rất nhiều loại thép

được sử dụng cho lõi của máy biến áp Việc lựa chọn loại thép nào để sử dụng cho

máy biến áp là tùy thuộc vào việc đánh giá tổn thất của máy biến áp Hiện nay hầu

hết các nhà sản xuất máy biến áp đều sử dụng loại thép có tổn hao thấp nhằm giảm

tổn hao do từ trễ và dòng xoáy gây ra

Vào những năm 70, xuất hiện kỹ thuật mới chế tạo băng hợp kim vô định hình

liên tục bằng phương pháp nguội nhanh từ tinh thể lỏng Với các tính chất từ rất tốt

vật liệu chế tạo bằng phương pháp này đã được các nhà công nghệ quan tâm Đến

những năm 80 đã có rất nhiều họ vật liệu được chế tạo bằng phương pháp nguội 19

nhanh Số lượng các công trình được công bố tại các hội nghị khoa học Quốc tế từ

năm 1996 đến nay đã cho thấy sự quan tâm đặc biệt của các nhà công nghệ, các nhà

nghiên cứu dành cho nhóm vật liệu này Tại Hội nghị khoa học Quốc tế RQ – 9

(Rapitdly Quenched and Metastable Materials) ở Bratislava (Slovakia) năm 1996 đã

có tới 400 bài báo (với hơn 1100 trang in) Năm 1997 tại Tây Ban Nha (Inter Sym

On Metal Mechanicallyalloyed Nanocrystalline Materials) số lượng các bài báo và

các vấn đề được quan tâm về loại vật liệu này còn tăng gấp đôi Đồng thời Hội nghị

Quốc tế về vật liệu từ ở Hàn quốc (INT MAG’99, Korea)còn đề cập tới các vật liệu

nano tinh thể ở dạng màng mỏng và dạng hình khối, các nam châm từ cứng – mềm

(Hard Soft Magnet) –

c t n 1990, t i Tr ng i h c Bách khoa N và

Ở nướ ta, ừ ăm ạ ườ Đạ ọ Hà ội sau đó

nhi n v khác i n khai nghiên c ều đơ ị đã tr ể ứu chế ạo ật ệu ẫn ừ t v li d t vô nh hđị ình và

nano tinh ể dướ ạng ă th i d b ng mỏng 0,03 mm và i n khai tr ể ứng dụng ật ệu v li này

Trang 36

làm cáclõi bi n t s 400 ế áp ần ố Hz và cao hơn, ph c v vi s cụ ụ ệc ửa hữa khí tài quân

dụng Vài nghìn sản phẩm, chủ yếu dlà lõi ẫn t ừ công suất nh tỏ, ần s 400 ố Hz đã

được chu ển y đến tay người ử dụns g Trong g iai đoạn 2005-2007, Trường HBK Đ

Hà Nội cũng đã chuyển giao công ngh ệ các ật ệu v li t hiừ ện đại (băng t vô nh ừ đị

hình, nano tinh ể, nam th châm đất hiếm ết k dính và thiêu ết…) k cho m nhà một áy

thuộc ộB Qu phòng ốc Qua đó, đ ã tích lũy được nhi kều inh nghiệm quý v ề cả

ph ng di công ng v li ươ ện hệ ật ệu cũng như hả năng k và phạm vi ứng dụng chúng

V ấn đề đặt hi n nay ra ệ đối ớ v i lo i v li này nhanh ạ ật ệu là chóng tăng công su t ấ

thi b ng ng th s xu t ết ị cô hệ để có ể ản ấ thép V H nĐ ăng su 30-100 /m ất kg ẻ (20-50

T/n m) b ng công ng ngă ằ hệ uội nhanh liên tục Các doanh nghiệp th ộc ĩu l nh v ực

điện - iện tđ ử có t ể ợh h p tác với các Đạ ọc vi h à các Cơ quan khoa h t ọc để ổ chức

s xu t ản ấ loại ật ệ ừ v li u t tiên tiến này tr Sự hỗ ợ củaNhà ướ là ấ ần thiết n c r t c trong

gian đoạn đầu Nh v y, th ư ậ có ể hy v ng ngọ ành công nghi i ệp đ ện của nước ta sẽ

dần không phụ th ộcu v nguào ồn cu cng ấp thép silicon n c ngoài và từ ướ vấn đề ế ti t

kiệm i ng đ ện nă cũng như giảm lượng khí th s ải ẽ tiến tr ển i thêm một bước và theo

một c ch cơá bản h n sơ : ản xuất máy i đ ệncó độ ổn h o đ ện ất ất a i r th p

2 1. Tinh thể và vô định hình – Trật tự xa và trật tự gần:

Các chất rắn tồn tại dưới dạng tinh thể hoặc vô định hình Đa số chúng ở dạng

tinh thể Đặc trưng của tinh thể là các nguyên tử, ion sắp xếp một cách trật tự có

tuần hoàn trong không gian tạo nên mạng tinh thể, được đặc trưng bởi các vectơ cơ

sở Từ một nguyên tử gốc chọn bất kỳ, khi tịnh tiến đi một số nguyên lần vectơ cơ

sở ta gặp lại một nguyên tử tương ứng, ta nói trong tinh thể tồn tại một trật tự xa

Trong chất rắn vô định hình không có kiểu trật tự này, nếu ta chọn vectơ nối

hai nguyên tử gần nhau làm vectơ tịnh tiến thì khi dịch chuyển vectơ đó đi một số

nguyên lần đủ lớn thì không đảm bảo gặp lại một nguyên tử tương đương Như vậy

trong chất rắn các nguyên tử sắp xếp một cách ngẫu nhiên không trật tự nhưng cấu

Trang 37

trúc hoàn toàn khác với chất lỏng và chất khí (các nguyên tử luôn dao động mạnh

và có thể dịch chuyển trong khoảng cách lớn) Ở vật rắn vô định hình các nguyên tử

xếp chặt theo kiểu đối xứng cầu bao bọc ngẫu nhiên một nguyên tử khác, do đó

không tồn tại trật tự xa Tuy nhiên xung quanh nguyên tử gốc bất kỳ một khoảng

cách d= 2r (r - bán kính nguyên tử) tồn tại một nguyên tử khác nằm sát nó, khả năng

tìm thấy một nguyên tử khác có khoảng cách tăng dần (2d, 3d,…) là giảm dần Đây

cũng có thể xem là một kiểu trật tự nhưng tồn tại gần nguyên tử gốc, được gọi là trật

tự gần

Vậy vật liệu vô định hình là chất rắn không có trật tự xa (hay cấu trúc tuần

hoàn) về vị trí cấu trúc nguyên tử (Chất rắn có trật tự xa về vị trí cấu trúc nguyên tử

gọi là chất rắn tinh thể) Hầu hết các nhóm vật liệu có thể thấy hoặc được cấu trúc

từ dạng vô định hình Ví dụ thủy tinh là gốm vô định hình, nhiều : polymer (như

polystyrene) là vô định hình

2 2. Các mô hình cấu trúc của hợp kim vô định hình:

Bernal J.D và Finney J.K đề ra mô hình cấu trúc của hợp kim vô định hình:

như cái túi bằng cao su được lèn chặt các quả cầu cứng, sau đó ép chặt lại để các

quả cầu cứng xếp sít chặt với nhau một cách ngẫu nhiên

Bernal cho rằng mối quan hệ ba chiều trong cấu trúc xếp chặt ngẫu nhiên có

thể hình dung ở các dạng đa diện khác nhau Nếu cho rằng sự dao động chiều dài

các cạnh của các đa diện tới 15% thì cấu trúc xếp chặt ngẫu nhiên (X.C.N.N) có thể

được cấu thành từ năm loại đa diện (hình 2.1) Trong mô hình này các quả cầu cứng

xếp khít chặt nhưng ngẫu nhiên, dẫn đến việc tồn tại trật tự gần và không có trật tự

xa Mật độ nguyên tử trong quá trình xếp chặt ngẫu nhiên đạt khoảng 65%, còn lại

là lỗ trống ~ 35% (trong đó có tới 21% lỗ trống lớn, ở đó có thể xen vào các nguyên

tử có kích thước nhỏ làm cho mật độ và độ ổn định cấu trúc tăng lên) Trong các

Trang 38

Hình 2.1: Năm loại mạng cơ bản trong cấu trúc trật tự gần theo mô hình Berna

a)

b)

c) d)

e)

hợp kim vô định hình thường được chọn % nguyên tử á kim có bán kính nhỏ hơn

nên đã điền đầy vào các lỗ trống giữa các nguyên tử kim loại Trong mô hình Bernal

quanh mỗi nguyên tử có thể tồn tại năm nguyên tử lân cận (thay vì phải có sáu

nguyên tử trong tinh thể), tức là có cấu trúc bậc 5 Trong năm loại đa diện (hình 2.1)

khối tứ diện a) và bát diện b) là đặc trưng cho tinh thể (gần 91%), ngoài ra còn có

các khối 14 mặt (~ 9%) Trong 9% khối đa diện phi tinh thể này, khối 14 mặt có

kích thước lỗ trống lớn nhất

Mô hình xếp chặt ngẫu nhiên Bernal cho phép kết luận rằng:

Trong hợp kim vô định hình:

- Các quả cầu nguyên tử xếp khít chặt tạo nên trật tự gần

- Tồn tại các đa diện phi tinh thể và do tính sắp xếp ngẫu nhiên làm mất trật

tự xa dẫn tới việc giảm mật độ

2 3. Vật liệu từ mềm vô định hình và nanomet:

2.3.1 Vật liệu từ mềm vô định hình:

Người ta phân chia các vật liệu sắt từ dựa vào phản ứng của chúng dưới tác dụng

của từ trường ngoài Một cách tương đối, có thể phân thành hai nhóm:

- Vật liệu từ mềm: Là các vật liệu dễ từ hoá, và cũng dễ khử từ

- Vật liệu từ cứng: Là nhóm các vật liệu khó khử từ và cũng có nghĩa là khó từ hoá

Trang 39

Tính mềm/cứng không nằm ở tính chất cơ học, mà nằm ở khả năng khó hay dễ bị từ

hoá và khử từ Như vậy, thông số ban đầu nói lên tính cứng/mềm là giá trị lực

kháng Htừ c

Vật liệu từ mềm vô định hình có độ cảm ứng từ bão hòa BS cao (>1,2 ÷ 1,8T)

Hợp kim vô định hình thường chứa 20% các á kim (không phải từ tính) vì vậy

chúng là chất sắt từ pha loãng, do đó từ độ M (và độ cảm ứng từ B) giảm so với α -

Fe và giảm theo sự tăng của nồng độ á kim M ~ (1- c) µ

Hợp kim vô định hình nền sắt với nồng độ Fe hợp lý nhất là 78 ÷ 82 at% (Fe),

khi đó có thể thu được BS cao và các giá trị HC, µ hợp lý Nồng độ Fe thấp hơn 75

at% làm giảm từ độ do độ pha loãng từ cao Với nồng độ trên 82 % việc tạo ra at

trạng thái vô định hình là khó khăn hơn

Si với nồng độ ~ 10 at% tạo khả năng thủy tinh hóa tốt, nâng cao nhiệt độ kết

tinh, B (~ 10 at%) tạo ra các vật liệu có cảm ứng từ B cao

15 at%), Si (5 Vậy với nồng độ tối ưu Fe (~ 80 at%), B (12 ÷ ÷ 15 at%) có thể

nhận được hợp kim vô định hình với độ cảm ứng từ B = (1,6 ÷ 1,8)T

2.3.2 Vật liệu từ mềm nanomet:

Như ta đã biết, vật liệu từ mềm có giá trị Hc nhỏ dưới 102 Oe, chúng dễ bị từ

hoá và cũng dễ bị khử từ, có nghĩa là chỉ cần từ trường nhỏ cũng có thể bão hoà

chúng nhưng cũng rất dễ dàng bị mất từ tính sau khi ngắt từ trường ngoài Vật liệu

từ mềm được sử dụng là các vật liệu dưới tác dụng của từ trường ngoài.Vật liệu từ

mềm nanomet được chế tạo bằng cách: tạo ra băng vô định hình bằng kỹ thuật

nguội nhanh, sau đó tiến hành kết tinh bằng cách nung trên nhiệt độ kết tinh

Để nhận được cấu trúc nanomet người ta đưa vào hợp kim vô định hình FeBSi

một lượng nhỏ Cu (Au, Pt, ) ~ 1 at% và Nb (Mo, W, Cr, V, ) ~ (3-5) at%

10-9 m

Nano (đa pha)

10-8 m

Hình 2.2: Qui trình chế tạo hợp kim nanomet

NGUỘI NHANH

KẾT TINH, tA

Trang 40

Cu (Au, Pt,…) đóng vai trò tạo mầm kết tinh pha α - Fe, Nb (Mo, W, Cr, V, )

ngăn chặn sự phát triển của các hạt α Fe Kết quả là khi ủ các băng hợp kim vô định -

hình FeBSi chứa Cu và Nb, kích thước hạt của pha này rất nhỏ (D ~ 10-15nm) và đồng

đều Vật liệu kim loại có tổ chức hạt như vậy gọi là nanomet hay finemet

Do cấu trúc của chúng gồm các hạt nano Fe(Si) kết tinh ở kích thước nhỏ

trên nền vô định hình dư, nên tạo ra sự tán xạ mạnh của điện tử, do đó dẫn đến việc

tăng mạnh điện trở suất của vật liệu, điện trở suất của vật liệu từ nano có thể lớn gấp

hàng nghìn lần so với vật liệu kim loại FeSi truyền thống, do đó nó có thể sử dụng ở

tần số rất cao, từ cỡ kHz đến cỡ MHz Như vậy người ta đã chế tạo được các vật

liệu có cấu trúc hạt hết sức khác nhau điền đầy dải kích thước hạt trong vật liệu: từ

đơn tinh thể có kích thước hạt cỡ 10-1 m tới vật liệu đa tinh thể 10-4 m, vi tinh thể

10-6 m, nano tinh thể 10-8 m và cuối cùng vật liệu vô định hình 10-9 m

2.4 Các tính chất từ:

Các tính chất từ không những phụ thuộc vào thành phần vật liệu mà còn rất

phụ thuộc vào cấu trúc vi mô của chúng Trong khi cảm ứng từ bão hòa BS chủ yếu

phụ thuộc vào thành phần thì các đại lượng quan trọng khác như lực kháng từ HC,

độ từ thẩm µ, từ dư BRlại do cấu trúc vi mô của vật liệu quyết định

Vô định

hình Nano tinh thể Vi tinh thể

Đa tinh thể

Đơn tinh thể

10-9 m 10-8 m 10-6 m 10-4 m 10-1 m

Vật liệu mới

Vật liệu kinh điển

Hình 2.3: Dải kích thước của vật liệu

Tiêu đề	Nghiên Cứu Công Nghệ Chế Tạo MBA Điện Lực Có Lõi Thép Là Vật Liệu Vô Định Hình
Tác giả	Nguyễn Thị Phượng
Người hướng dẫn	GS. TS. Phạm Văn Bình
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Điện
Thể loại	Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học
Năm xuất bản	2012
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	107
Dung lượng	9,32 MB