Nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu từ và công nghệ chế tạo đến hiệu suất máy biến áp điện lực

Tuy nhiên, do sự đa dạng của vật liệu từ và việc ứng dụng các công nghệ chế tạo lõi thép ở các nhà máy khác nhau nên về cấu trúc của máy cũng như giá thành chế tạo cũng rất khác nhau nếu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

VŨ HẢI THƯỢNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA VẬT LIỆU TỪ VÀ CÔNG NGHỆ

CHẾ TẠO ĐẾN HIỆU SUẤT MÁY BIẾN ÁP ĐIỆN LỰC

Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT ĐIỆN HƯỚNG THIẾT BỊ ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS BÙI ĐỨC HÙNG

Hà Nội – Năm 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và là công trình nghiên cứu của tôi, chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày tháng năm 2014

Tác giả luận văn

Vũ Hải Thượng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC CÁC BẢNG v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vi

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 1

3 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Cấu trúc của luận văn 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY BIẾN ÁP VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY BIẾN ÁP ĐIỆN LỰC 3

1.1 Tổng quan về máy biến áp 3

1.1.1 Khái niệm và công dụng 3

1.1.2 Sơ lược lịch sử phát triển 4

1.1.3 Cấu tạo và nguyên lý làm việc 5

1.1.4 Tổn hao và hiệu suất 10

1.2 Công nghệ chế tạo máy biến áp điện lực 17

1.2.1 Trình tự công nghệ cơ bản trong chế tạo máy biến áp điện lực 17

1.2.2 Công nghệ chế tạo mạch từ 18

1.2.3 Công nghệ chế tạo dây quấn 19

Kết luận chương 1 27

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ TRONG CHẾ TẠO MÁY BIẾN ÁP

2.1 Giới thiệu chung 28

2.1.1 Các khái niệm cơ bản 28

2.1.2 Quá trình từ hóa sắt từ 31

2.2 Thép kỹ thuật điện 31

2.3 Hợp kim vô định hình 34

Kết luận chương 2 39

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MẠCH TỪ ĐẾN TỔN HAO TRONG MÁY BIẾN ÁP 40

3.1 Giới thiệu chung 40

3.2 Công nghệ chế tạo mạch từ phẳng bằng cách ghép các lá tôn 41

3.2.1 Pha băng tôn cuộn 41

3.2.2 Cắt tôn 42

3.2.3 Mài bavia các lá tôn 43

3.2.4 Ủ các lá tôn 43

3.2.5 Lắp ráp mạch từ 43

3.3 Công nghệ chế tạo mạch từ phẳng bằng cách quấn các băng tôn 46

3.4 Công nghệ chế tạo mạch từ không gian 48

Kết luận chương 3 54

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG PHẦN MỀM THIẾT KẾ MÁY BIẾN ÁP 55

4.1 Mục đích và yêu cầu thiết kế 55

4.1.1 Mục đích thiết kế 55

4.1.2 Yêu cầu thiết kế 55

4.2 Quy trình xây dựng bảng tính 56

4.2.1 Lưu đồ thuật toán 56

4.2.2 Các thông số cơ bản 59

4.2.3 Tính toán mạch từ 60

4.2.4 Tính toán dây quấn hạ áp 61

4.2.5 Tính toán dây quấn cao áp 62

4.2.6 Lựa chọn các khoảng cách cách điện 63

4.2.7 Tính toán khối lượng và kích thước tổng 63

4.2.8 Tính toán giá thành vật liệu 64

4.2.9 Tính toán làm mát 65

4.2.10 Các cơ sở dữ liệu 65

4.3 Cách sử dụng bảng tính 66

4.4 Thiết kế máy biến áp 50kVA, 35/0,4kV sử dụng bảng tính 66

4.5 Đánh giá kết quả 70

Kết luận chương 4 78

KẾT LUẬN 79

KẾT LUẬN CHUNG 79

KIẾN NGHỊ VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO viii

PHỤ LỤC ix

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

3 d, ,  Chiều dày, khối lượng riêng, điện trở suất

4 ltb, s Chiều dài trung bình, tiết diện vòng dây

10 i, I, ̇ Giá trị tức thời, giá trị hiệu dụng, vectơ dòng điện

11 i, ̇ Giá trị tức thời, vectơ dòng điện phản khảng không

tải

12 ir Giá trị tức thời dòng điện tác dụng dòng điện không

tải

13 u, U Giá trị tức thời và hiệu dụng của điện áp

14 e, E Giá trị tức thời và hiệu dụng của sức điện động

15 f,  Giá trị tức thời và hiệu dụng của từ thông

16 k, ku Hệ số biến áp và hệ số biến đổi điện áp

18 h Hệ số tổn hao từ trễ

19 kp Hệ số tổn hao phụ trong lõi thép

20 kf Hệ số tổn hao phụ trong dây quấn

21 , e Hiệu suất của máy, hiệu suất truyền tải năng lượng

22 cos Hệ số công suất

23 β Hệ số mang tải

24 KTĐ Kỹ thuật điện

27 TC Nhiệt độ Curie

29 p, P Suất tổn hao, tổn hao

30 m Số pha; khối lượng

31 s.đ.đ Sức điện động

32 s.t.đ Sức từ động

33 f,  Tần số, tần số góc

35 TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam 1984-1994

36 VĐH Vô định hình

37 ⃗ Vectơ cường độ từ trường

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 Một số thông số kỹ thuật của hợp kim vô định hình so với thép KTĐ 35

Bảng 2 Suất tổn hao trong lõi thép sử dụng kết hợp thép VĐH và thép KTĐ 37

Bảng 3 Tổn hao và hiệu suất của MBA lõi vô định hình so với lõi thép silic 37

Bảng 4 Thông số các lá thép MBA 800 kVA - 22/0,4 kV theo công nghệ step-lap 46 Bảng 5 Tổn hao trong một số MBA sản xuất tại Việt Nam so với TCVN 48

Bảng 6 So sánh tổn hao của MBA Hexaformer và MBA theo TCVN 53

Bảng 7 Bảng so sánh các thông số của MBA có lõi VĐH và lõi thép KTĐ 70

Bảng 8 So sánh kết quả thiết kế MBA theo công nghệ cắt chéo và quấn tôn 70

Bảng 9 So sánh các phương pháp giảm tổn hao trong máy biến áp 80

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ truyền tải điện năng 3

Hình 1.2 Mạch từ máy biến áp một pha 5

Hình 1.3 Mạch từ máy biến áp 3 pha 5

Hình 1.4 Dây quấn máy biến áp 6

Hình 1.5 Nguyên lý làm việc của máy biến áp 7

Hình 1.6 Trình tự công nghệ chế tạo máy biến áp điện lực 18

Hình 1.7 Dây quấn hình ống trụ 21

Hình 1.8 Sơ đồ quấn dây xoáy ốc liên tục mạch đơn đầu ra phía ngoài 21

Hình 1.9 Dây quấn xoáy ốc liên tục mạch đơn thực tế 23

Hình 1.10 Dây quấn xoắn đơn 24

Hình 1.11 Dây quấn xoắn kép 24

Hình 1.12 Sơ đồ gá khuôn quấn cuộn dây trực tiếp lên lõi thép 25

Hình 1.13 Sơ đồ quấn băng đồng 25

Hình 2.1 Chu trình từ trễ 30

Hình 2.2 Cấu trúc tinh thể của thép kỹ thuật điện cán nguội 32

Hình 2.3 Đặc tính suất tổn hao của thép KTĐ cán nguội (Nga) 33

Hình 2.4 Đặc tính suất tổn hao của thép KTĐ cán nguội (Mĩ) 33

Hình 2.5 Đặc tính suất tổn hao thép KTĐ cán nguội (Nhật) 34

Hình 2.6 Đặc tính suất tổn hao của vật liệu VĐH và thép KTĐ 35

Hình 2.7 Đặc tính từ hóa của vật liệu VĐH và thép KTĐ 35

Hình 2.8 Đặc tính hiệu suất của hợp kim vô định hình và thép kỹ thuật điện 36

Hình 3.1 Sơ đồ dây chuyền pha băng tôn cuộn 41

Hình 3.2 Sơ đồ máy cắt lá tôn tự động 42

Hình 3.3 Các kiểu ghép lá tôn cắt chéo thành mạch từ ba pha ba trụ phẳng 45

Hình 3.4 Mạch từ máy biến áp 800 kVA 22/0,4 kV 45

Hình 3.5 Lá thép máy biến áp theo công nghệ step-lap 46

Hình 3.6 Quấn băng tôn thành mạch từ kín 47

Hình 3.7 Mạch từ ba pha không gian 49

Hình 3.8 Phân bố từ trường khi nhìn từ trên xuống 50

Hình 3.9 Phân bố từ trường khi nhìn từ mặt trước 50

Hình 3.10 Sóng dòng điện bậc cao 51

Hình 3.11 Sóng điện áp bậc cao 51

Hình 3.12 Dạng mạch từ và mặt cắt trụ của máy biến áp Hexaformer 52

Hình 3.13 Máy quấn mạch từ máy biến áp Hexaformer 52

Hình 4.1 Lưu đồ thuật toán thiết kế máy biến áp trên phần mềm Excel 57

Hình 4.2 Bản vẽ mạch từ máy biến áp 50 kVA, 35/0,4 kV 68

Hình 4.3 Bản vẽ dây quấn máy biến áp 50 kVA, 35/0,4 kV 69

Hình 4.4 Bảng tính MBA 50kVA - 35/0,4kV công nghệ cắt chéo 72

Hình 4.5 Bảng tính MBA 50kVA - 35/0,4kV công nghệ quấn tôn 73

Hình 4.6 Bảng tính MBA 250kVA - 22/0,4kV công nghệ cắt chéo 74

Hình 4.7 Bảng tính MBA 250kVA - 22/0,4kV công nghệ quấn tôn 75

Hình 4.8 Bảng tính MBA 630kVA - 22/0,4kV công nghệ cắt chéo 76

Hình 4.9 Bảng tính MBA 630kVA - 22/0,4kV công nghệ quấn tôn 77

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Máy biến áp (MBA) điện lực được sử dụng với số lượng rất lớn để truyền tải

và phân phối điện năng Hiện nay, trong nước có rất nhiều nhà máy chế tạo MBA với nhiều cấp công suất và điện áp khác nhau Tuy nhiên, do sự đa dạng của vật liệu

từ và việc ứng dụng các công nghệ chế tạo lõi thép ở các nhà máy khác nhau nên về cấu trúc của máy cũng như giá thành chế tạo cũng rất khác nhau nếu cùng thỏa mãn một tiêu chuẩn được áp dụng Nói cách khác, vật liệu từ và công nghệ chế tạo sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và tính năng của MBA

Sử dụng vật liệu từ phù hợp với công nghệ chế tạo để sản xuất được MBA thỏa mãn các yêu cầu kinh tế, kỹ thuật là mong muốn lớn nhất của các nhà máy Đồng thời, vấn đề sử dụng vật liệu từ mới và công nghệ chế tạo hiện đại cũng đang được rất nhiều nhà máy quan tâm

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Việc nghiên cứu sự ảnh hưởng của vật liệu từ và công nghệ chế tạo tới hiệu suất của MBA một mặt là cơ sở để đánh giá, so sánh các loại vật liệu từ, các công nghệ chế tạo khác nhau, mặt khác sẽ giúp cho các doanh nghiệp định hướng tốt hơn trong việc lựa chọn vật liệu từ và công nghệ chế tạo phù hợp để tăng hiệu quả sản xuất

3 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Mục đích của đề tài:

Làm rõ được ảnh hưởng của công nghệ chế tạo tới tổn hao của các loại vật liệu

từ khác nhau dùng để chế tạo mạch từ MBA điện lực

- Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

+ Tìm hiểu đặc tính của các loại vật liệu từ được sử dụng để chế tạo MBA hiện đang được sử dụng tại Việt Nam và các công nghệ đang được sử dụng để chế tạo mạch từ tại các doanh nghiệp trong nước

+ Phân tích ảnh hưởng của vật liệu từ và công nghệ chế tạo đến hiệu suất của MBA

+ Đưa ra kết luận, đề xuất giải pháp sử dụng vật liệu và công nghệ hợp lý

4 Cấu trúc của luận văn

Luận văn bao gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về máy biến áp và công nghệ chế tạo máy biến áp điện lực

Chương 2: Tổng quan về vật liệu từ trong chế tạo máy biến áp

Chương 3: Phân tích ảnh hưởng của công nghệ chế tạo mạch từ đến tổn hao trong máy biến áp

Chương 4: Xây dựng phần mềm thiết kế máy biến áp

Luận văn mang ý nghĩa thực tiễn cao và hi vọng là tài liệu hữu ích cho các sinh viên, kỹ sư quan tâm đến vấn đề này Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng do trình độ còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong được

sự góp ý để luận văn hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS Bùi Đức Hùng, các thầy cô trong bộ môn Thiết bị điện - Điện tử trường Đại học Bách khoa Hà Nội và các đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY BIẾN ÁP VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ

TẠO MÁY BIẾN ÁP ĐIỆN LỰC 1.1 Tổng quan về máy biến áp

1.1.1 Khái niệm và công dụng [3]

Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp này thành một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp khác với tần số không đổi

Trên hình 1.1 mô tả sơ đồ truyền tải điện năng đơn giản trong hệ thống điện từ nhà máy phát điện đến hộ tiêu thụ Theo đó, để truyền tải và phân phối điện năng với khoảng cách xa sao cho kinh tế cần phải có máy biến áp Điện áp trên đường dây truyền tải càng cao thì dòng điện chạy trên đường dây càng bé, do đó trọng lượng và chi phí dây dẫn càng giảm, đồng thời tổn hao năng lượng trên đường dây cũng giảm Mặt khác, tại hộ tiêu thụ yêu cầu điện áp thấp thì phải giảm điện áp xuống Chính vì vậy nên trong hệ thống điện có rất nhiều máy biến áp Thực tế, tổng công suất của các máy biến áp điện lực lớn hơn 6 8 lần tổng công suất phát ra

từ các nhà máy phát điện Mặc dù hiện nay các máy biến áp có hiệu suất rất cao nhưng với số lượng máy biến áp rất lớn và tiếp tục tăng thì vấn đề thiết kế chế tạo, vận hành sử dụng hiệu quả máy biến áp vẫn mang tính thời sự

Hình 1.1 Sơ đồ truyền tải điện năng

1.1.2 Sơ lược lịch sử phát triển [15]

- Năm 1831: Michael Faraday phát hiện ra hiện tượng dòng điện tạo ra từ trường và ngược lại, sự biến thiên từ trường cũng tạo ra dòng điện là cơ sở đầu tiên cho sự phát triển của máy điện nói chung và máy biến áp nói riêng

- Năm 1884: máy biến áp đầu tiên được sáng chế ra bởi Károly Zipernowsky, Miksa Déri và Ottó Titusz Bláthy

- Năm 1886: máy biến áp cho điện xoay chiều lần đầu tiên được đưa vào sử dụng tại Massachusetts, Mĩ

- Năm 1889: Mikhail Dolivo-Dobrovolsky chế tạo ra máy biến áp 3 pha đầu tiên và sử dụng vào mục đích truyền tải điện năng đi xa

- Năm 1900: máy biến áp ngâm dầu lần đầu tiên được sử dụng

- Năm 1907 người ta đã sản xuất máy biến áp 110kV, năm 1921 sản xuất máy biến áp 220kV, năm 1937 sản xuất máy biến áp 287kV, năm 1952 sản xuất máy biến áp 400kV

- Đến đầu những năm 20 của thế kỷ XX, máy biến áp lớn nhất được sản xuất tại Mỹ có công suất 16.700kVA , máy biến áp này sử dụng tới 72 tấn dầu làm mát Năm 1952 tại Thuỵ Điển đã sử dụng máy biến áp 400kV có công suất 115MVA Năm 1957, Liên Xô đã sản xuất máy biến áp 400kV-167MVA, đến năm 1995 đã chế tạo ra máy biến áp khổng lồ 500kV-135MVA

- Giữa thế kỷ XX, sự phát triển của khoa học vật liệu mới như compozit và hợp chất cao phân tử đã tạo điều kiện cho việc chế tạo các máy biến áp khô

- Vào nửa cuối thế kỷ XX, những nghiên cứu và công nghệ chế tạo hợp kim

vô định hình có những tính năng tương tự như thép kỹ thuật điện như: từ cảm bão hoà cao, dị hướng, từ hoá hiệu quả và sử dụng vật liệu chi phí thấp đã hoàn thiện, làm cơ sở cho việc chế tạo lõi thép máy biến áp sử dụng vật liệu từ vô định hình Hiện nay, do yêu cầu tổn hao trong máy biến áp càng phải giảm nhỏ nên các nghiên cứu về vật liệu mới có tính năng tốt ở cả dây quấn, lõi thép và cách điện tiếp tục được tiến hành Đồng thời, các công nghệ chế tạo hiện đại, ổn định cũng tiếp tục phát triển

1.1.3 Cấu tạo và nguyên lý làm việc

1.1.3.1 Cấu tạo [3]

1 Lõi thép

Lõi thép của máy biến áp dùng làm mạch dẫn từ Để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên, lõi thép được ghép từ các lá thép (còn gọi là lá tôn) kỹ thuật điện cán nguội có chiều dày đến khoảng 0,15 mm Hiện nay một số nước đã sử dụng vật liệu từ vô định hình để làm lõi thép máy biến áp [7] Trên bề mặt các lá thép đều được phủ sơn cách điện Lõi thép cần phải dẫn từ tốt, tổn hao sắt nhỏ, công suất từ hóa nhỏ, kết cấu chắc chắn

Lõi thép gồm hai phần chính: trụ và gông (xà) Trụ là phần có đặt dây quấn, gông là phần nối giữa các trụ thành mạch từ kín

Lõi thép có nhiều hình

dáng khác nhau như: kiểu trụ,

kiểu bọc, kiểu trụ-bọc Mạch từ

ba pha có các trụ nằm trong mặt

phẳng hoặc ba trụ trong không

gian Tuy nhiên, hiện nay thông

2 Dây quấn

Dây quấn là phần dẫn điện của máy biến áp có nhiệm vụ thu năng lượng vào

và truyền năng lượng ra Dây quấn phải cảm ứng được một s.đ.đ cho trước, cho phép dòng điện định mức đi qua lâu dài mà không phát nóng quá mức, có kết cấu chắc chắn, tản nhiệt tốt

Dây quấn gồm hai phần chính là phần dẫn điện và phần cách điện Dây dẫn thường dùng là đồng Hiện nay nhiều nhà máy đang chuyển sang dùng dây nhôm Dây dẫn được bọc giấy, bọc sợi cotton hoặc tráng men cách điện

Dây quấn thường có các kiểu chính: hình ống trụ, hình xoắn ốc, dây quấn phân đoạn, dây quấn xoáy ốc liên tục, dây quấn từ băng đồng

Hình 1.4 Dây quấn máy biến áp a) Hình ống trụ quấn từ dây đồng dẹt; b) Hình ống trụ quấn từ dây đồng tròn;

c) Hình xoắn ốc; d) Hình xoáy ốc liên tục

3 Các bộ phận khác

a) Vỏ máy

Vỏ máy biến áp để đựng máy biến áp, có nhiệm vụ bảo vệ ruột máy với môi trường Vỏ máy bao gồm các bộ phận: Thùng dầu, nắp máy, các bộ tản nhiệt, bộ lọc dầu đối lưu

Thùng dầu có chứa dầu biến áp Dầu biến áp vừa có nhiệm vụ tăng cường cách điện cho máy vừa có nhiệm vụ làm mát máy Trên thân của thùng thường gắn các

bộ tản nhiệt

Nắp máy để đậy thùng và trên đó đặt các chi tiết quan trọng như các sứ ra của dây quấn, bình dãn dầu (bình dầu phụ), ống bảo hiểm

1.1.3.2 Nguyên lý làm việc [1]

Xét máy biến áp một pha hai dây quấn như hình 1.5

1 Trường hợp máy biến áp không tải

Khi không tải thì dây quấn thứ cấp để hở mạch, dây quấn sơ cấp nối với điện

áp xoay chiều hình sin (u1) có dòng điện chạy trong dây quấn tạo nên từ trường xoay chiều trong mạch từ Do hệ số dẫn từ của lõi thép lớn hơn nhiều hệ số dẫn từ của các vật liệu xung quanh nên có thể coi từ thông móc vòng với dây quấn sơ cấp

và thứ cấp bằng nhau

Hình 1.5 Nguyên lý làm việc của máy biến áp Theo định luật cảm ứng điện từ trong dây quấn sơ cấp và thứ cấp sẽ cảm ứng các s.đ.đ e1 và e2 tương ứng:

= − (1.2) trong đó:

e1, e2 - giá trị tức thời của s.đ.đ cảm ứng trong dây quấn sơ cấp và thứ cấp (V)

f - giá trị tức thời của từ thông trong lõi thép (Wb)

N1, N2 - số vòng dây của dây quấn sơ cấp và thứ cấp (vòng)

t - thời gian (s)

Trong mạch điện sơ cấp điện áp u1 sẽ cân bằng với s.đ.đ e1 cộng với điện áp rơi do dòng điện từ hóa sinh ra trên tổng trở của dây quấn Dòng từ hóa có trị số khá nhỏ so với dòng điện định mức nên thành phần điện áp rơi có thể bỏ qua Như vậy điện áp u1 sẽ bằng e1 hay sự biến thiên của e1 sẽ hoàn toàn giống sự biến thiên của

u1 tại mọi thời điểm tức là cũng có quy luật sin và có thể viết thành:

trong đó: E1 - trị số hiệu dụng của s.đ.đ;  = 2f - tần số góc; f - tần số

Do đó, biểu thức của từ thông có thể viết thành:

và hệ số biến đổi điện áp của máy biến áp bằng tỉ số giữa điện áp sơ cấp U1 và điện

áp thứ cấp không tải U20:

Dễ thấy khi không tải thì E2 = U20 và U1 gần bằng E1 nên k = ku

2 Trường hợp máy biến áp có tải

Khi dây quấn thứ cấp nối với tải sẽ có dòng điện chạy trong dây quấn thứ cấp Nếu điện áp sơ cấp không đổi thì s.đ.đ e1 thay đổi rất ít khi tải thay đổi vì thành phần điện áp rơi trên dây quấn sơ cấp thường nhỏ Kết quả là từ thông f cũng thay đổi rất ít Lúc không tải từ thông f do s.t.đ (i0N1) sinh ra Lúc có tải sẽ xuất hiện s.t.đ (i2N2) ở dây quấn thứ cấp Để từ thông f không đổi thì trong dây quấn sơ cấp phải có thêm s.t.đ (-i2N2) để bù lại (i2N2) ở mọi thời điểm Do đó, khi tải tăng tức là dòng điện thứ cấp tăng thì dòng điện sơ cấp cũng tăng theo để tạo thêm s.t.đ đủ bù lại s.t.đ ở dây quấn thứ cấp Ta có phương trình cân bằng s.t.đ như sau:

trong đó: i0 là dòng điện không tải

Thực tế khi từ thông biến thiên sẽ sinh ra tổn hao trong lõi thép được đặc trưng bởi thành phần dòng điện tác dụng ir trùng pha với điện áp u1 Từ thông trong mạch

từ do thành phần dòng điện phản kháng i0x sinh ra và trùng pha với i0x Do đó dòng điện không tải i0 sẽ gồm 2 thành phần là i0r và i0x Giá trị của i0r thường rất nhỏ so với i0x nên trong nhiều trường hợp có thể bỏ qua [3]

1.1.4 Tổn hao và hiệu suất [1]

1.1.4.1 Tổn hao trong máy biến áp

1 Tổn hao trong lõi thép

a) Tổn hao từ trễ

Từ trễ là hiện tượng bất thuận nghịch giữa quá trình từ hóa và đảo từ ở các vật liệu sắt từ do chúng có khả năng giữ lại từ tính Hiện tượng từ trễ được biểu hiện thông qua đường cong từ trễ (còn gọi là chu trình từ trễ hay mắt từ trễ) Tổn hao từ trễ trong một chu trình từ trễ là diện tích của đường cong từ trễ Mắt từ trễ càng hẹp thì tổn hao càng nhỏ Ngoài ra, tổn hao từ trễ còn phụ thuộc vào thành phần hóa học, nhiệt độ, phương pháp gia công cơ - nhiệt của vật liệu từ

Tổn hao từ trễ trên một đơn vị khối lượng vật liệu từ (ph) có thể tính gần đúng theo công thức sau:

Bm - giá trị biên độ của từ cảm (T)

x - số mũ phụ thuộc vào Bm và phương pháp gia công

b) Tổn hao Phucô

Tổn hao Phucô là tổn hao do dòng điện xoáy xuất hiện trong vật liệu từ khi có

sự biến thiên của từ trường ngoài Suất tổn hao Phucô trên một đơn vị khối lượng (pw) có thể tính theo công thức:

 - điện trở suất (.m)

k - hệ số dạng sóng (k = 1,11 với dòng điện xoay chiều hình sin)

Ta thấy tổn hao dòng phucô tỉ lệ với bình phương chiều dày lá thép, tần số, cường độ từ cảm, hệ số hình dáng, đồng thời tỉ lệ nghịch với điện trở suất và khối lượng riêng của lõi thép Do đó để giảm tổn hao dòng phucô thì phải giảm chiều dày

lá thép hoặc tăng điện trở suất Thực tế người ta kết hợp cả hai biện pháp Lá thép

kỹ thuật điện thường dày từ 0,35mm trở xuống đến khoảng 0,15mm Lá thép vô định hình có bề dày nhỏ hơn, đến khoảng 25m [7]

Thép kỹ thuật điện chứa hàm lượng Si khoảng 3% có điện trở suất khoảng 48.10-8 .m Hàm lượng Si tăng làm giảm tổn hao từ trễ, giảm tổn hao dòng phucô nhưng làm lá thép cứng, gây khó khăn khi cắt lá thép và nhanh làm mòn dụng cụ cắt

Tổn hao từ trễ và tổn hao dòng phucô không thay đổi khi máy có tải hay không tải Tổng tổn hao của chúng gọi là tổn hao sắt từ hay chính là tổn hao không tải của máy biến áp

trong đó pt là suất tổn hao sắt từ

Thực tế tổn hao tổng thường lớn hơn tổng (ph + pw), đó là do có tổn hao bất thường mà nguyên nhân có thể là do dòng điện phân tử trong cấu trúc kim loại gây nên

Tổn hao sắt từ trong máy biến áp được tính bằng:

trong đó:

mT, mG - khối lượng trụ, gông;

pT, pG - suất tổn hao trụ, gông ứng với góc β = 0 (góc giữa phương

từ hóa và chiều cán);

kp - hệ số tổn hao phụ trong lõi thép (xem thêm TL [2], [6])

Như vậy tổn hao không tải phụ thuộc rất nhiều yếu tố, trong đó phương pháp chế tạo mạch từ đóng vai trò quan trọng (được đặc trưng bởi hệ số kp) Phương pháp

nào càng ít tác động cơ học vào lá thép thì hệ số kp càng thấp Khe hở không khí ở mối ghép các lá thép càng nhỏ càng tốt Nên dùng công nghệ quấn mạch từ thay thế công nghệ cắt - ghép lá thép để giảm tổn hao không tải

2 Tổn hao trong dây quấn

Tổn hao cơ bản trong dây quấn được tính theo công thức:

trong đó:

m - số pha;

R1d, R2d - điện trở dây quấn sơ cấp và thứ cấp đo với dòng một chiều;

I1, I2 - giá trị hiệu dụng của dòng điện sơ cấp và thứ cấp

Thực tế tổn hao do dòng điện xoay chiều tạo nên (Pu) lớn hơn P’u Phần lớn hơn đó gọi là tổn hao phụ Tổn hao phụ do dòng điện cảm ứng trong kim loại do từ trường tản gây nên (dòng điện phucô) và còn do dùng dây quấn song song không hoán vị triệt để

Tổn hao phụ được đặc trưng bằng hệ số tổn hao phụ trong dây quấn kf > 1 Do

s - tiết diện dây;

750 - điện dẫn suất dây dẫn ở 750C

Trong các tính toán thiết kế hay sử dụng công thức dạng sau:

trong đó: J = I/s - mật độ dòng điện;

M = m..N.ltb - khối lượng dây quấn;

 - khối lượng riêng của dây quấn

Với dây dẫn đồng có: 75 = 47.106 -1m-1;  = 8,9.103 kg/m3 thì:

Với dây dẫn nhôm có: 75 = 28,5.106 -1m-1;  = 2,7.103 kg/m3 thì:

Tổn hao phụ do dòng điện phucô (Pup) được tính như sau:

Xét dây quấn đồng tâm có m lớp, mỗi lớp có n vòng dây, tất cả các vòng dây nối tiếp nhau Giả thiết không gian từ trường đồng nhất dọc dây quấn, chỉ có thành phần từ trường tản song song với trục, dòng điện phân bố đều ở tiết diện dây dẫn

Hệ số tổn hao phụ kf được tính theo công thức:

c, h - bề dày và bề rộng của dây dẫn chữ nhật;

 = 1/ - điện trở suất của dây dẫn;

Ltb - chiều cao đẳng trị trung bình của dây quấn, có thể tính theo công thức:

Lu - chiều cao dây quấn;

 - khe hở giữa dây quấn sơ và thứ;

’ - khe hở đẳng trị của dây quấn:

a1, a2 - bề dày dây quấn sơ và thứ

Đặt:

= 1,37 10

= 1,6 10

Khi dây dẫn bằng nhôm thì trị số cth tăng = 1,28 lần

Như vậy tổn hao trong dây quấn (thay đổi theo tải) không chỉ phụ thuộc vào điện dẫn suất của dây mà việc chọn kết cấu dây quấn, số sợi chập, kích thước bề rộng, bề dày của dây cũng ảnh hưởng đáng kể đến loại tổn hao này

1.1.4.2 Hiệu suất trong máy biến áp

Hiệu suất  của máy biến áp là tỉ số giữa công suất tác dụng P2 của máy cung cấp cho phụ tải và tổng công suất P1 của máy nhận từ lưới, bao gồm cả công suất phụ trợ (động cơ quạt gió, bơm nước, bơm dầu…)

Xét máy biến áp được làm mát tự nhiên, tổng công suất máy nhận từ lưới là:

β - hệ số mang tải của máy biến áp (β = I1/I1đm)

ur và ux là điện áp rơi trên điện trở và điện kháng ngắn mạch tính theo

U1đm:

=đ

=đ

(1.40)

Để xác định hiệu suất cực đại ứng với một tải nào đó ta lấy đạo hàm của biểu thức (1.36) theo I2 và cho bằng không Dễ dàng tính được:

= ∆ đ. = ∆ (1.41) với I2th - dòng điện ứng với hiệu suất cực đại; Pđ.th - tổn hao đồng ứng với I2th

Ta thấy hiệu suất cực đại ứng với phụ tải mà tổn hao đồng bằng tổn hao không tải Công suất lưới cung cấp cho máy biến áp ứng với hiệu suất cực đại bằng:

= đ ∆

Hiệu suất của máy biến áp thay đổi khi tải thay đổi và đạt cực đại khi β = 0,45

 0,5 [3] Trị số này là khá thấp và rất khó có thể tăng lên cao nên việc chọn công suất máy biến áp phù hợp với tải và vận hành hợp lý cũng góp phần nâng cao hiệu suất cho máy

Chính vì vậy trong thực tế còn hay dùng khái niệm về hiệu suất truyền tải năng lượng e

trong đó:

k - số khoảng thời gian ứng với công suất máy biến áp cung cấp cho tải P2i;

ti (h)- thời gian từng khoảng tương ứng với tổn hao trong dây quấn Pđi;

(∑ )Δ - tổn hao năng lượng trong lõi thép Máy biến áp làm việc liên tục trong lưới điện trong một năm (tương đương 8760 giờ) thì tổng tổn hao này bằng 8760.P0 (Wh)

Theo công thức 1.43 hiệu suất truyền tải của máy biến áp được xét trong một khoảng thời gian dài (1 năm) còn hiệu suất theo công thức 1.38 chỉ tính tại một thời điểm trong quá trình làm việc nên hiệu suất truyền tải năng lượng mang tính tổng quát hơn Nếu có nhiều máy làm việc song song thì việc lựa chọn số lượng máy làm việc tại những thời điểm phụ tải khác nhau sẽ giúp nâng cao hiệu suất chung

Hiệu suất truyền tải năng lượng có ý nghĩa thực tiễn quan trọng Về tính kinh

tế phải so sánh giá thành vốn đầu tư, lãi, khấu hao và giá thành năng lượng tổn hao, chi phí vận hành để lựa chọn thông số thích hợp cho máy biến áp

1.2 Công nghệ chế tạo máy biến áp điện lực

1.2.1 Trình tự công nghệ cơ bản trong chế tạo máy biến áp điện lực [4]

Máy biến áp điện lực hiện nay có phạm vi công suất rất rộng (từ hàng chục kVA đến hàng ngàn MVA) Điện áp sử dụng cũng thay đổi trong phạm vi lớn (từ vài kV đến hàng trăm kV) Vật liệu để chế tạo mạch từ có thể là tôn cán nóng, cán lạnh hoặc thép vô định hình, vật liệu chế tạo dây quấn có thể là đồng hoặc nhôm Mạch từ có dạng đối xứng hoặc không đối xứng Dây quấn kiểu hình ống trụ, hình xoắn, xoáy ốc liên tục… Chính vì vậy mà công nghệ chế tạo máy biến áp cũng rất

đa dạng Hơn nữa, ở nước ta hiện nay mỗi nhà máy thường chỉ sản xuất máy biến áp trong một phạm vi công suất và điện áp nhất định, dây chuyền sản xuất khác nhau nên trình tự công nghệ sản xuất cũng có nhiều điểm khác nhau

Xét sơ đồ công nghệ chế tạo máy biến áp được ghép từ các lá tôn kỹ thuật điện cán nguội cắt trên máy cắt tôn và được ép bằng xá ép gông (hình 1.6) Dây quấn được quấn từ dây đồng có tiết diện tròn hoặc chữ nhật kiểu ống trụ Các chi tiết cách điện được gia công trên các máy cắt, dập, uốn

Lõi sắt và dây quấn sau khi được chế tạo hoàn chỉnh được tập kết đến phân xưởng tổng lắp ráp Đầu tiên gông và xà ép trên được tháo ra rồi thả các cuộn dây vào các trụ Các đầu dây cuộn sơ cấp, thứ cấp lên sứ và các đầu điều chỉnh được cố định chặt vào các giá gỗ đặt hai bên thân máy Gông và xà ép được ghép trở lại và

ép sơ bộ cuộn dây trước khi đem đi sấy khô trong buồng sấy Sau khi ra khỏi buồng sấy, ruột máy được ép lại thật chặt lần cuối Quá trình tổng lắp ráp là thả ruột máy vào thùng đã có sẵn bộ tản nhiệt, đấu các đầu dây điều chỉnh và các đầu lên sứ Gá lắp sứ cao áp, hạ áp, các chi tiết khác như ống phòng nổ, ống dẫn dầu, bình dầu phụ, rơle khí, chỉ thị dầu, bộ điều chỉnh điện áp Sau khi siết các bulông mặt máy, sứ và các chi tiết khác máy được đem đi hút chân không rồi tra dầu biến áp Ty sứ cao áp

sẽ được siết sau cùng khi đã xả hết khí Cuối cùng là lắp bánh xe vận chuyển dưới đáy thùng rồi vận chuyển đến khu vực thử nghiệm Những máy đạt yêu cầu sẽ được gắn nhãn, lập hồ sơ máy và vận chuyển đến kho bảo quản

Hình 1.6 Trình tự công nghệ chế tạo máy biến áp điện lực

1.2.2 Công nghệ chế tạo mạch từ

Mạch từ máy biến áp có nhiều kiểu khác nhau, mỗi kiểu có ưu, nhược điểm và tính chất công nghệ riêng Vật liệu sử dụng chủ yếu làm mạch từ hiện nay vẫn là thép silic cán nguội định hướng Thép silic rất nhạy cảm với những tác động cơ khí nên công nghệ chế tạo mạch từ phải cố gắng giữ được thông số ban đầu của thép silic (như tổn hao riêng, độ thẩm từ…) trong quá trình gia công Quy trình công nghệ và thiết bị công nghệ phải đảm bảo độ chính xác gia công cao với một năng suất lao động hợp lý sao cho đáp ứng được các chỉ tiêu thiết kế (như P0, Pn, i0%,

un% ), hạ giá thành và nâng cao độ tin cậy của máy biến áp Chính vì vậy công nghệ chế tạo mạch từ là một trong hai nhiệm vụ quan trọng nhất đảm bảo tính năng

và chất lượng của máy biến áp

Để giảm tổn hao trong mạch từ các nhà máy cần quan tâm tới 4 yếu tố cơ bản:

- Vật liệu làm mạch từ có chất lượng tốt, thể hiện qua 3 yêu cầu: lực kháng từ (HC) nhỏ; độ dày tự nhiên của lá thép nhỏ và điện trở suất lớn Thực tế hiện nay hầu hết các nhà máy đều sử dụng thép Silic cán nguội chất lượng cao, thép plasma… có chiều dày mỏng Một số nhà máy đã bắt đầu sử dụng vật liệu từ vô định hình có tổn hao không tải rất thấp

- Công nghệ cắt lá thép cũng có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của mạch

từ Thép silic rất nhạy cảm với những tác động cơ học nên cần hạn chế tối đa những

tác động không cần thiết lên lá thép trong quá trình cắt Hiện nay các nhà máy đều

sử dụng máy cắt tôn tự động với công nghệ cắt chéo cho chất lượng lá thép tốt và đồng đều

- Công nghệ sắp xếp và ép lõi thép Công việc này đảm bảo khe hở giữa các lá thép là nhỏ nhất và kết cấu chắc chắn Tại các nhà máy lớn đều sử dụng công nghệ cắt - ghép step-lap và ép lõi thép bằng xà ép gông hoặc đai

- Thiết kế lõi thép Lựa chọn phương án thiết kế tốt sẽ đem lại hiệu quả lâu dài

vì tuổi thọ của máy biến áp có thể từ 30 đến 50 năm

Hiện nay nhiều nhà máy trong nước đã sử dụng công nghệ quấn mạch từ nên

đã giảm được đáng kể tác động cơ khí lên lá thép, không có khe hở lắp ghép Cũng cần lưu ý rằng vật liệu từ vô định hình rất mỏng nên chỉ có thể áp dụng công nghệ này để chế tạo mạch từ

Những nội dung này sẽ được trình bày cụ thể ở chương 3 của luận văn

1.2.3 Công nghệ chế tạo dây quấn [4]

Cùng với công nghệ chế tạo mạch từ, công nghệ chế tạo dây quấn giữ nhiệm

vụ quan trọng thứ hai trong chế tạo máy biến áp Tuổi thọ và độ tin cậy của máy biến áp phụ thuộc chủ yếu vào công nghệ chế tạo dây quấn Vật liệu dùng để làm dây quấn có thể là đồng hoặc nhôm Dây nhôm có nhược điểm là dẫn điện kém nhưng nhẹ và rẻ Để đảm bảo tổn hao không đổi thì khi dùng dây nhôm phải dùng dây to hơn nên cuộn dây sẽ to hơn, cửa sổ mạch từ phải rộng hơn, lượng tôn làm gông sẽ tăng, vỏ máy phải lớn hơn và lượng dầu sẽ nhiều hơn so với khi dùng dây đồng Về mặt công nghệ thì dây đồng dễ hàn, nhôm khó hàn, khó xử lý mối ghép đồng - nhôm

Để quấn dây cần phải có máy quấn dây, hệ thống kẹp và dẫn hướng dây, khuôn quấn dây, các chi tiết cách điện và các thiết bị, dụng cụ phụ trợ khác Máy quấn dây cần có tốc độ quay thích hợp, phanh hãm tốt, chống quay ngược khi dừng máy, điều khiển đơn giản, tin cậy Hệ thống kẹp và dẫn hướng sẽ đảm bảo các vòng dây được chặt chẽ theo cả hướng dọc trục và hướng kính Các sợi dây dẫn sau khi ra khỏi cuộn dây nguyên liệu (rulô) được dẫn qua hệ thống nắn thẳng, dẫn hướng, kẹp

giữ và được căng với một lực thích hợp trước khi đi vào khuôn quấn Khuôn quấn dây cần đảm bảo chắc chắn, cứng vững, dễ tháo lắp, có khả năng điều chỉnh đường kính và chiều dài trong một phạm vi nhất định

1.2.3.1 Phương pháp quấn dây hình ống trụ

Dây quấn hình ống trụ có các vòng dây sát nhau theo hướng trục, có thể dùng dây có tiết diện chữ nhật (dây dẹt) hoặc dây tròn Dây quấn có thể quấn được nhiều lớp, diện tích tản nhiệt ít nên cần tăng cường tản nhiệt bằng cách tạo các rãnh thông dầu dọc giữa các lớp dây Loại dây quấn này thích hợp với dây quấn hạ áp hoặc cao

áp của máy biến áp phân phối công suất nhỏ (đến 630kVA) và điện áp đến 35kV Đối với dây quấn hình ống trụ dùng dây dẹt một lớp được quấn trên ống cách điện bằng giấy - bakelit Trước tiên, đầu đầu được uốn một góc gần 900 có bọc tăng cường cách điện rồi cột kèm với tấm nẹp đầu dây Tấm nẹp này vừa có tác dụng san bằng chỗ khuyết cuộn dây, cách điện dây với xà, lại vừa có tác dụng giữ vòng dây cuối không bị bung ra Cho máy quấn chạy để quấn hết lớp thứ nhất Vòng cuối cùng của lớp cũng được cột với tấm nẹp đầu Đặt các thanh gỗ tròn hoặc các ống giấy tròn dọc theo đường sinh của cuộn dây để tạo các rãnh thông dầu dọc rồi cho máy chạy quấn lớp thứ hai đè lên các ống đó Để giữ cho các vòng dây không bị nở

ra do đàn hồi người ta dùng các đoạn băng vải lót dưới sợi dây rồi lật ngược lại để vòng sau đè lên ghim giữ vòng trước

Khi quấn xong ta tiến hành cắt và uốn đầu dây ra cho vuông góc rồi băng đai cho chặt Dùng băng vải buộc chặt bối dây theo chiều dọc và tháo cuộn dây ra khỏi máy quấn

Dây quấn hình ống trụ nhiều lớp dùng dây dẫn tròn cần lưu ý đặt giấy cách điện lớp và sau 3 đến 5 lớp thì tạo rãnh thông dầu dọc Sau khi uốn và ghim đầu dây vào đầu khuôn thì đặt vòng cách điện đầu cuộn dây rồi tiếp tục quấn đến hết lớp và đặt vòng cách điện cuối cuộn dây Sau khi quấn xong một lớp cần đặt cách điện lớp trước khi quấn lớp thứ 2 theo chiều ngược lại

Các đầu dây điều chỉnh được lấy ra ngoài bằng chính dây quấn đó (với dây tròn) hoặc hàn một dải đồng mỏng có tiết diện bằng tiết diện dây dẫn (với dây dẹt)

Hình 1.7 Dây quấn hình ống trụ a) Một lớp dùng dây dẹt 2 sợi chập; b) Hai lớp dùng dây dẹt 2 sợi chập;

c) Dùng dây tròn nhiều lớp 1.2.3.2 Phương pháp quấn dây xoáy ốc liên tục

Dây quấn kiểu xoáy ốc liên tục sử dụng dây dẫn dẹt quấn thành các đĩa (galet) nối tiếp nhau Giữa các galet có rãnh dầu ngang nên diện tích tản nhiệt của dây quấn lớn, làm mát tốt Loại dây quấn kiểu này có kết cấu chắc chắn, chịu được dòng điện lớn, điện áp cao nên thích hợp với các máy biến áp truyền tải công suất vừa và lớn Tuy nhiên công nghệ quấn dây phức tạp, khó tự động hóa

Xét trường hợp đơn giản là dây quấn có số vòng trong một galet là số nguyên, dây dẫn dẹt một sợi đã bọc cách điện, các đầu dây ra nằm phía ngoài

Hình 1.8 Sơ đồ quấn dây xoáy ốc liên tục mạch đơn đầu ra phía ngoài

1 Đầu dây chuyển tiếp; 2 Tấm cách điện

Đầu tiên ta uốn đầu đầu vuông góc rồi cố định tạm vào khuôn Dây dẫn sau khi đi qua bộ phận nắn, ép sẽ được quấn sơ bộ bằng máy theo hướng kính cho đủ số vòng dây của galet đầu theo bản vẽ Gạt tấm cách điện mang cá vào tạo rãnh thông dầu ngang (hình 1.8a)

Dìm dây dẫn xuống sát mặt khuôn để quấn galet thứ 2 Galet thứ nhất sẽ được quấn lại bằng tay bằng cách dìm chỗ chuyển tiếp giữa bối thứ nhất và thứ hai xuống sát mặt khuôn và bắt đầu quấn lại từ đó Các vòng dây của galet đầu sẽ lần lượt được tở ra và quấn lại Đầu đầu của dây quấn sẽ được đưa ra phía ngoài, chỗ chuyển tiếp giữa 2 galet nằm sát mặt khuôn Dùng búa gỗ để dồn các vòng dây sao cho thật chặt Chú ý luôn kiểm tra đường kính ngoài của bối dây (hình 1.8b, c)

Galet 2 được quấn chặt Sau khi quấn đủ số vòng của galet này thì gạt tấm cách và dìm dây dẫn xuống mặt khuôn và cố định tạm vào khuôn (hình d)

Tiếp tục quấn galet thứ 3 sơ bộ bằng máy tương tự như galet thứ nhất Galet thứ 3 sẽ được quấn lại bằng tay giống galet 1 (hình e, f)

Quá trình quấn cứ tiếp tục như vậy, galet cuối cùng sẽ là số chẵn, các galet lẻ

sẽ được quấn lại bằng tay Tất cả các chỗ chuyển tiếp đều được uốn bằng dụng cụ uốn chuyên biệt và được bọc tăng cường cách điện Các đầu dây điều chỉnh được làm từ các sợi dây nhỏ hoặc lá đồng mỏng chập lại và hàn cố định vào dây dẫn, sau

đó bọc giấy cáp cách điện và băng vải tăng cường

Khi cần dòng điện lớn thì người ta chập nhiều sợi lại Để đảm bảo chiều dài các sợi chập giống nhau, hạn chế tổn hao phụ thì các sợi chập phải được hoán vị khi chuyển từ galet này sang galet kia Mỗi sợi được chuyển trên một khoảng thanh khuôn khác nhau nên số chỗ chuyển tiếp bằng số sợi chập

Hình 1.9 Dây quấn xoáy ốc liên tục mạch đơn thực tế 1.2.3.3 Phương pháp quấn hình xoắn

Dây quấn hình xoắn cũng sử dụng dây dẫn dẹt, vòng sau cạnh vòng trước như

lò xo Giữa các vòng dây có rãnh thông dầu ngang nên diện tích làm mát lớn Kiểu dây quấn này thường chập nhiều sợi thành một mạch đơn hoặc 2, 4 lộ song hành thành dây quấn xoắn kép Dây quấn kiểu này chỉ quấn được một lớp nên số vòng ít, chỉ có 2 đầu dây: một đầu trên, một đầu dưới Dây quấn hình xoắn có dòng điện lớn nên được dùng làm dây quấn hạ áp máy biến áp phân phối công suất lớn

Để quá trình quấn thuận lợi thì cần sắp xếp thứ tự các lô dây trên các giá đỡ thành nhiều hàng, nhiều tầng sao cho các sợi dây đi qua bộ phận kẹp giữ không bị vướng nhau

Đầu đầu của cuộn dây được uốn vuông góc và bó lại rồi kẹp thật chặt vào khuôn Cho máy quấn chạy với tốc độ rất thấp, vừa quấn vừa vỗ đập dây bằng búa

gỗ Quấn hết vòng đầu tiên thì dồn các tấm cách điện mang cá vào để tạo khoảng cách cách điện và các rãnh thông dầu ngang

Tiếp tục quấn các vòng tiếp theo đến chỗ hoán vị lần thứ nhất thì chia các sợi dây thành 2 nhóm, kẹp giữ chặt vòng dây lại rồi tiến hành hoán vị hai nhóm cho nhau Sau đó cả hai phần lại chập với nhau và quấn các vòng tiếp theo đến chỗ hoán

vị toàn bộ nửa dây quấn (hình 1.10)

Mỗi sợi dây tại chỗ hoán vị sẽ được uốn rồi dùng băng vải quấn lại chỗ uốn Hoán vị xong các sợi dây lại chập với nhau và quấn tiếp Vị trí điểm hoán vị được

bố trí theo thiết kế để các sợi được hoán vị hoàn toàn

Đối với dây quấn xoắn kép thì tại chỗ hoán vị người ta chuyển sợi dây phía trên của mạch I sang phía trên của mạch II và sợi phía dưới của mạch II sang phía dưới của mạch I (hình 1.11)

Hình 1.10 Dây quấn xoắn đơn Hình 1.11 Dây quấn xoắn kép

1.2.3.4 Phương pháp quấn trực tiếp trên lõi thép

Khi sản xuất máy biến áp dùng tôn cuộn quấn thành mạch từ có gông liền trụ thì dây quấn phải được quấn trực tiếp lên trụ Chính vì vậy mà máy quấn và khuôn quấn sẽ khác so với các kiểu quấn trên

Lõi thép được gá lắp lên máy quấn dây Phần trụ có quấn dây sẽ được quấn băng bằng sợi thủy tinh 5 Ống cách điện được chia thành 2 nửa để ốp vào trụ thông qua hai vành thép chữ Z 6 Ống cách điện 4 sẽ chịu lực khi quấn nên được chế tạo

có độ cứng vững cao hơn các ống quấn theo các kiểu quấn trên Ống sẽ được cố định chặt với vành thép chữ Z bằng các bulông 1 Vành chữ Z cũng gồm 2 nửa được ghép với nhau bằng các tấm nối thông qua vít 7 Toàn bộ khuôn hình chữ Z được quay thông qua bánh răng truyền động 2 và luôn được giữ cách ly với trụ, gông một khoảng hở nhỏ Các vòng dây 3 sẽ được quấn lên khuôn Dây quấn hạ áp quấn bên trong, dây quấn cao áp được quấn đè ngay trên dây quấn cao áp Sau khi

quấn dây xong thì vành chữ Z được tháo ra, khe hở giữa ống và trụ sẽ được chèn các thanh gỗ hoặc phíp để cố định dây quấn, khe hở giữa ống với gông cũng được chèn các vành cách điện

Quá trình quấn thực hiện tương tự ở các trụ tiếp theo nhờ cơ cấu gá lắp đặc biệt Việc tẩm sấy được thực hiện với cả dây quấn và lõi thép

Hình 1.12 Sơ đồ gá khuôn quấn cuộn dây trực tiếp lên lõi thép

a) Mặt cắt dọc trục; b) Mặt cắt ngang trục 1.2.3.5 Phương pháp quấn từ băng đồng

Để giảm bề dày của bối dây, tức là giảm được tổn hao do từ trường tản thì một

số nhà máy dùng băng đồng (hoặc nhôm) để quấn dây Băng đồng có bề dày khoảng 0,5  1mm, chiều rộng được tính toán phù hợp với tiết diện dây dẫn yêu cầu

Trên hình 1.13 trình bày sơ đồ

quấn cuộn dây từ băng đồng Giữa các

lớp dây (hay các vòng dây) là một lớp

băng giấy cách điện 2 Chiều rộng của

băng giấy lớn hơn băng đồng Để chặn

băng đồng không bị trôi ra mép cần

dùng hai dải băng cách điện 3 có chiều

dày bằng chiều dày của băng đồng chặn

ở hai đầu

Hình 1.13 Sơ đồ quấn băng đồng

1 Băng đồng; 2 Băng giấy cách điện lớp; 3 Băng cách điện đầu Trình tự quấn băng đồng như sau:

- Hàn thanh đồng đầu đầu vào đầu băng đồng

- Gắn đầu băng cách điện lên mặt khuôn rồi đè đầu băng đồng đã được hàn đầu ra lên trên băng cách điện

- Gắn hai tấm cách điện ở hai đầu

- Quấn dây Nếu cần rãnh thông dầu dọc thì đặt băng giấy hình sóng hoặc thanh giấy bìa rồi quấn đè băng giấy, băng đồng lên trên đến khi đủ số vòng

- Cắt rời băng đồng và băng cách điện

- Hàn đầu cuối với thanh đồng đầu cuối

- Bọc kín cuộn dây bằng giấy cách điện

Kiểu dây quấn này thích hợp với dây quấn hạ áp của máy biến áp phân phối Khi đó dây quấn cao áp có thể quấn trực tiếp lên dây quấn hạ áp

Lựa chọn kiểu quấn dây nào cho dây quấn hạ áp hay cao áp cần tính toán kỹ càng Dây quấn hình ống là đơn giản nhất nhưng chỉ sử dụng với dây hạ áp khi dòng điện không lớn, số sợi chập ít và phải chập theo hướng kính, còn nếu dùng cho dây quấn cao áp thì điện áp không quá cao Loại dây quấn này có tổn hao bởi từ trường tản lớn Dây quấn hình xoắn thì chỉ có một lớp nên số vòng phải ít sẽ thích hợp với dây quấn hạ áp máy công suất lớn Dây quấn xoáy ốc liên tục nếu dùng cho dây quấn hạ áp thì sẽ giúp phân dòng, dùng cho dây quấn cao áp để phân áp Dây quấn từ băng đồng hay quấn trực tiếp cần máy quấn đặc biệt

Kết luận chương 1

Tổn hao không tải trong máy biến áp chủ yếu gồm tổn hao bởi từ trễ và do dòng điện xoáy (hiệu ứng phucô) trong lõi thép Hai tổn hao này phụ thuộc vào tính chất của loại vật liệu từ sử dụng làm lõi thép, dạng kết cấu lõi và công nghệ chế tạo lõi Thép kỹ thuật điện hiện nay vẫn là vật liệu từ chính để sản xuất lõi thép và ngày càng được cải thiện chất lượng, tuy nhiên hiện nay đã có nhiều nghiên cứu về việc

sử dụng vật liệu từ vô định hình có suất tổn hao thấp hơn nhiều và một số công ty

đã triển khai sản xuất lõi thép MBA sử dụng loại vật liệu này Tính chất của hai loại vật liệu này sẽ được đề cập cụ thể hơn ở chương 2 Ảnh hưởng của công nghệ chế tạo mạch từ đến tổn hao trong mạch từ sẽ trình bày cụ thể hơn trong chương 3

Để tăng hiệu suất trong máy biến áp ngoài việc giảm tổn hao không tải thì giảm tổn hao có tải (tổn hao ngắn mạch) cũng cần được lưu ý bởi vì loại tổn hao này chiếm tỷ trọng lớn khi MBA làm việc Việc lựa chọn kết cấu dây quấn sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến tổn hao ngắn mạch cũng như tuổi thọ, độ tin cậy của MBA

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ TRONG CHẾ TẠO

MÁY BIẾN ÁP 2.1 Giới thiệu chung [5]

2.1.1 Các khái niệm cơ bản

Thông thường người ta hay quan tâm đến giá trị độ từ thẩm hiệu dụng (hay độ

từ thẩm tương đối) được định nghĩa bởi:

Người ta dựa vào đại lượng này để phân chia các vật liệu thành 5 loại như sau:

- Vật liệu nghịch từ có  < 0, || khoảng 10-5 và không phụ thuộc vào hướng của từ trường ngoài

- Vật liệu thuận từ có  > 0, khoảng 10-3 và không phụ thuộc vào cường độ của từ trường ngoài

- Vật liệu sắt từ có  > 0, có trị số rất lớn có thể đạt 106, phụ thuộc rất lớn vào

từ trường ngoài và nhiệt độ Vật liệu này có điện trở suất nhỏ nên sử dụng khi từ trường ngoài biến thiên với tần số thấp (50 - 100Hz) Đây là loại vật liệu chủ yếu làm mạch từ của MBA điện lực

- Ferit từ có  > 0, có trị số lớn nhưng nhỏ hơn sắt từ Ferit có điện trở suất rất cao nên có thể sử dụng với từ trường ngoài có tần số cao (400 Hz đến MHz)

- Vật liệu kháng từ có  > 0, có trị số rất nhỏ khoảng 10-3 - 10-5 và phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ

Độ từ thẩm của vật liệu sắt từ bị ảnh hưởng rất lớn do những tác động cơ học Khâu pha, cắt có thể làm giảm độ từ thẩm của thép kỹ thuật điện ở gần mép cắt Khi quấn lá thép thành mạch từ kín thì vùng góc uốn có bán kính nhỏ cũng có thể làm

độ từ thẩm giảm

2.1.1.2 Từ hóa và đường cong từ hóa

Từ hóa là quá trình thay đổi các tính chất từ của vật chất (cấu trúc từ, momen từ…) dưới tác dụng của từ trường ngoài Thực chất đây là sự thay đổi các mômen từ nguyên tử Khi đặt trong từ trường ngoài các mômen từ nguyên tử có xu hướng bị quay đi theo từ trường ngoài dẫn đến sự thay đổi về tính chất từ

Đường cong từ hóa là đồ thị mô tả quá trình từ hóa vật từ từ trạng thái ban đầu chưa nhiễm từ theo từ trường ngoài mà thể hiện trên đồ thị là sự thay đổi của từ độ, cảm ứng từ Đối với các chất sắt từ đường cong từ hóa là các đường phi tuyến Từ đường cong từ hóa ta có thể xác định được một số thông số quan trọng như:

- Độ từ thẩm  = dB/dH

- Độ từ thẩm ban đầu r tại H = 0:

= lim

→Trị số cảm ứng từ khi H = 0 gọi là cảm ứng từ dư Br

- Độ từ thẩm cực đại max là giá trị cực đại của độ từ thẩm trên đường cong

(H)

- Cảm ứng từ bão hòa Bs là giá trị lớn nhất trong chu trình từ hóa

Các thông số này đều được cho trong cataloge của các vật liệu từ Khi tính toán thiết kế mạch từ MBA thường chọn giá trị từ cảm B tại điểm gần với vùng có

độ từ thẩm cực đại, đồng thời nên chọn vật liệu từ có trị số max và Bs càng lớn càng tốt

2.1.1.3 Từ trễ và chu trình từ trễ

Như trong chương 1 đã trình bày hiện tượng từ trễ xuất hiện là do vật liệu từ

có khả năng giữ lại từ tính được biểu hiện qua đường cong từ trễ như sau: Sau khi

từ hóa một vật sắt từ đến một từ trường bất kì, nếu ta giảm dần từ trường rồi quay lại theo chiều ngược thì nó không đi theo đường cong cũ nữa mà đi theo đường khác Nếu ta đảo từ trường theo một chu trình kín từ chiều này sang chiều kia thì ta

sẽ có một đường cong kín gọi là chu trình từ trễ

Nguyên nhân cơ bản của hiện tượng từ trễ là sự tương tác giữa các mômen từ

có tác dụng ngăn cản các mômen từ bị quay theo từ trường

Vật liệu từ trễ khi đặt trong từ trường biến thiên sẽ thu năng lượng của từ trường ngoài (với mức độ tiêu thụ chính bằng diện tích của mắt trễ), biến nó thành nhiệt năng làm cho vật liệu nóng lên Trong máy điện, phần năng lượng này chính

là tổn hao từ trễ Mắt trễ càng nhỏ thì tổn hao từ trễ càng nhỏ

Hình 2.1 Chu trình từ trễ 2.1.1.4 Nhiệt độ Curie

Nhiệt độ Curie (TC) trong các chất sắt từ là nhiệt độ chuyển pha sắt từ - thuận

từ Ở dưới nhiệt độ Curie vật liệu mang tính chất sắt từ, ở trên nhiệt độ Curie chất sẽ mất sắt từ và trở thành thuận từ Ví dụ sắt có TC = 1043K, Coban có TC = 1388K

Khi tiến hành khâu ủ cần lưu ý đến TC của vật liệu từ Nếu để nhiệt độ ủ cao không những làm già hóa cách điện mà còn làm mất tính sắt từ của vật liệu từ

2.1.2 Quá trình từ hóa sắt từ

Lý thuyết và thực nghiệm đã chỉ ra rằng tính chất đặc biệt của trạng thái sắt từ

là do cấu trúc vùng (gọi là đômen từ), mà trong mỗi đômen này các mômen từ sắp xếp hoàn toàn song song nhau tạo nên từ độ tự phát của vật liệu sắt từ

Khi không có từ trường ngoài, do năng lượng nhiệt làm cho các đômen từ trong toàn khối sắp xếp hỗn độn nên tổng độ từ hóa của toàn khối bằng không Khi có từ trường ngoài vật liệu sẽ có hai hiện tượng xảy ra: sự lớn dần của các đômen có mômen theo phương của từ trường và sự quay của các mômen từ theo hướng của từ trường

Khi tăng dần từ trường đến mức đủ lớn thì các mômen từ sắp xếp song song với nhau và trong vật liệu chỉ có một đômen duy nhất, ta có trạng thái bão hòa từ Nếu ta ngắt từ trường thì các mômen từ sẽ có xu hướng hỗn độn và lại tạo thành các đômen, nhưng các đômen này vẫn còn tương tác với nhau nên tổng mômen từ trong toàn khối sẽ khác không, đó chính là hiện tượng từ trễ

Muốn khử hoàn toàn mômen từ của vật liệu, ta cần đặt một từ trường ngược sao cho tổng các mômen từ trong toàn khối bằng không

Quá trình từ hóa lõi thép MBA có thể gây nên những hiện tượng phức tạp như: quá áp, sóng điều hòa bậc cao, tăng tổn hao … [1; 3]

2.2 Thép kỹ thuật điện [4]

Hiện nay thép kỹ thuật điện sử dụng để chế tạo máy biến áp chủ yếu là thép cán nguội dẫn từ không đẳng hướng Loại thép này được sản xuất dưới dạng cuộn

có chiều dày 0,23; 0,27; 0,3 và 0,35mm Chiều rộng của cuộn tôn thường là 750;

860 và 1000mm Mỗi cuộn tôn nặng không quá 5 tấn

Từ những năm 1934 - 1937, N P Gossowi lần đầu tiên giới thiệu vật liệu thép cán nguội có tổn hao nhỏ và hệ số từ thẩm lớn trong giới hạn từ cảm làm việc của máy biến áp Thép kỹ thuật điện là một kim loại đa tinh thể gồm nhiều tinh thể dạng khối tạo thành Khi tiến hành cán nguội các tinh thể được sắp xếp theo cùng một