3. Các tổn hao trong máy biến áp
3.1.3. Tổn hao trong vách thùng và các chi tiết kim loại khác Pt
Như ta đã biết, một phần từ thông tản của máy biến áp khép mạch qua vách thùng dầu, các xà ép gông, các bulông và các chi tiết bằng sắt khác. Tổn hao phát sinh trong các bộ phận này chủ yếu là trong vách thùng dầu và có liên quan đến tổn hao ngắn mạch.
Tổn hao này khó tính chính xác được và hiện nay cũng chưa có phương pháp nào có thể giải quyết vấn đề này một cách đầy đủ. Đối với máy biến áp công suất từ 100063000 KVA, tổn hao phụ ở vách thùng có thể tính gần đúng theo công thức sau:
Pt 2 2 3 4 2 12 . . ( ).10 50 2( ) t f k u p R r (W)
Trong đó k 2, 2 khi un 11, 5%; k 1, 5 khi un>11,5%. : Từ thông trong một trụ dây quấn bằng Bt.Tt (Wb) : Chiều cao dây quấn (m)
Pt: Chu vi thùng (m) R: Bán kính trung bình của thùng 2 4 A B C R (m)
Trong đó : A là chiều dài thùng (m) B là chiều rộng thùng (m)
C là khoảng cách giữa hai trụ (m)
r12 là bán kính trung bình rãnh từ tản (m)
Tính Pt thường tiến hành sau khi đã sơ bộ xác định được kích thước thùng. Nếu kích thước thùng chưa biết thì đối với máy biến áp hai dây quấn có thể tính gần đúng theo công thức bán kinh nghiệm sau:
Pt 10ks (w)
Muốn giảm Pt thì phải giảm từ thông dò ngang, nghĩa là dây quấn bố trí làm sao giảm được sự không đối xứng về vòng dây. Từ đó ta thấy loại dây quấn xen kẽ có tổn hao Pt lớn nhất.
Pn = Pcu1.kf1 + Pcu2.kf2 + Pr1 + Pr2 + Pt (w) 3.2. Tổn hao không tải.
Khi cấp điện áp xoay chiều có tần số định mức vào cuộn sơ cấp và các cuộn dây khác hở mạch gọi là chế độ không tải.
Tổn hao không tải của máy biến áp gồm có: Tổn hao trong lá thép silic, tổn hao trong vỏ máy và các chi tiết bằng sắt khác, tổn hao đồng trong dây quấn do dòng điện không tải I0 gây ra, tổn hao do dòng điện rò trong các chất cách điện (tổn hao này không đáng kể).
Ta có thể xem tổn hao không tải gồm hai phần: Tổn hao trong trụ sắt và tổn hao trong gông từ, có thể viết như sau:
Trong đó kf là hệ số tổn hao phụ xét đến các yếu tố như Bt và Bg phân bố không đều hoặc do công nghệ chế tạo lá thép bị bavia, hay do xếp không cùng chiều...làm P0 tăng lên.
,
t g
p p là suất tổn hao của trụ và gông, tức là tổn hao của 1Kg thép trong trụ và gông (W/kg), nó phụ thuộc vào từ cảm Bt và Bg, vào mã hiệu và chiều dày lá thép...do đó muốn biết p pt, g phải biết mã hiệu thép, chiều dày lá thép. Từ cảm tương ứng tính từ các công thức sau:
Bt = 4 .10 4, 44. v t u T (T) Bg = Bt. t g T T (T)
Trong thiết kế mạch từ nếu chiều của từ thông và chiều cán lá thép lệch nhau thì suất tổn hao sẽ tăng lên. Điều này cần chú ý khi tính toán tổn hao ở các góc nối giữa trụ và gông của lõi thép. Vì vậy phải nhân thêm hệ số gia tăng tổn hao góc nối kp0 ở các góc.
Ngay ở chỗ nối của các lá thép hay chỗ mối ghép xen kẽ vì có khe hở nên đường sức từ phải đổi hướng, do đó làm tổn hao cũng tăng lên. Tổn hao này phụ thuộc vào bề mặt khe hở và được đặc trưng bằng suất tổn hao bề mặt khe hở pk (w/cm2).
- Hình dáng tiết diện gông ảnh hưởng nhiều tới sự phân bố từ cảm trong trụ và gông cho nên phải đưa thêm vào hệ số gia tăng tổn hao ở gông kpg. Đối với gông có số bậc bằng hay ít hơn vài bậc so với trụ thì có thể coi kpg= 1,0, đối với gông tiết diện có vài bậc hay hình chữ nhật thì hệ số đó khoảng kpg= 1,04 – 1,07.
Ngoài ra còn có một số yếu tố công nghệ ảnh hưởng rất nhiều tới tổn hao không tải, do vậy phải kể đến một số hệ số sau:
- Hệ số tổn hao do tháo lắp gông trên kpt để lồng dây quấn vào trụ làm chất lượng lá thép giảm, tổn hao tăng lên.
- Hệ số tổn hao do ép trụ để đai kpe
- Hệ số kể đến tổn hao do cắt dập lá tôn thành tấm kpc
- Hệ số kể đến tổn hao do gấp mép hoặc khử bavia kpb
Do kể đến những ảnh hưởng trên làm tăng tổn hao sắt ở các góc mạch từ nên lúc đó các tính toán về trọng lượng sắt và tổn hao không tải phải tiến hành như sau:
- Trọng lượng trụ: Gt = Gt’ + Gt’’ (kg)
Trong đó Gt’ là trọng lượng sắt của phần trụ ứng với chiều cao cửa sổ mạch từ. Gt’ = t.Tt.t. (kg)
Với Tt (m2) và t(m).
Gt’’ là trọng lượng sắt của phần trụ nối với gông.
Gt’’ = 3
1 0
( t g. .10 )
t T a G
(kg)
Với tiết diện gông hình chữ nhật Gt’’ = 0. - Trọng lượng của phần gông:
+ Đối với máy biến áp ba pha:
Gg = (Gg’- 4G0) + 6G0 (kg)
+ Đối với máy biến áp một pha:
Gg = (Gg’ – 2G0) + 4G0 (kg) - Tổn hao không tải:
P0 = ' 0 0 0 . . . ( ) . . . . . 2 t g pc pb t t g g p k k k pg pe pt p p k k p G p G NG G k p n T k k k
Trong đó N là số lượng góc nối của mạch từ. Đối với máy biến áp ba pha
' ''
0 . 0 0
p n p t p
k k k k k là hệ số kể đến tổn hao phụ ở các góc nối của mạch từ tùy theo sự phối hợp mối nối htawngr và nghiêng khác nhau.
n
k là hệ số biểu thị số lượng góc có dạng mối nối nghiêng (kn= 4)
t
k là hệ số biểu thị số lượng góc có dạng mối nối thẳng (kt= 2,5)
k
n là số khe nối giữa các lá thép trong mạch từ.
- Để đơn giản trong đó các ảnh hưởng của các tổn hao phụ đã nói trên được biểu thị bằng một hệ số chung kpf:
P0 = 0 0 0 0 0 . . ( ) ( 2). 2 2 p p ft t t pf g g k k G k p G G k p G N G (w)n
* Hiệu suất của máy biến áp:
0 0 % (1 n ).100 dm n P P P P P
Chương 2: Nghiên cứu sử dụng vật liệu từ tiên tiến trong thiết kế máy biến áp
1. Sơ lược lịch sử phát triển lõi dẫn từ máy biến áp.
- Lõi biến áp đầu tiên (1885, Stanley) làm bằng thép lá cacbon có từ trường từ hóa H cao và điện trở suất nhỏ (~ 25-30 cm). Sau đó, lõi biến áp được làm bằng lá thép silicon (còn goi là tôn Silic Fe-Si) có điện trở suất cao (50-60 cm). Những năm 80-90 của thế kỉ XX, thép tôn Silic định hướng cán nguội có điện trở suất cao và lục kháng từ nhỏ đã được chế tạo và sử dụng. Cũng vào khoảng những năm 80 của thế kỉ XX, thép vô định hình (thép biến thế siêu mỏng) ra đời. Nhờ vào thành phần và cấu trúc vi mô đặc biệt, thép vô định hình đáp ứng cả ba yêu cầu để giảm tổn hao lõi là: Lực kháng từ Hc rất nhỏ (5-10 A/m) so với (50-100 A/m của tôn silic); độ dầy tự nhiên của lá thép rất nhỏ (t~0,03mm) so với (t~0,3-0,5mm) của tôn silic và điện trở suất rất lớn
~130-170cm (so với ~ 50-60cm của tôn silic). Hiện nay các nhà khoa học đang nghiên cứu và phát triển các loại vật liệu dẫn từ mới. Tương lai sẽ có những máy biến áp nhỏ gọn và quả kinh tế cao ra đời.
2. Nghiên cứu sử dụng vật liệu từ tiên tiến trong thiết kế máy biến áp. Hiện nay, trong ngành chế tạo máy biến áp của nước ta, vật liệu làm lõi Hiện nay, trong ngành chế tạo máy biến áp của nước ta, vật liệu làm lõi dẫn từ vẫn là thép kĩ thuật điện (tôn silic) truyền thống. Tôn silic là một loại vật liệu từ mềm có cường độ từ cảm cao từ 1,41,5 T (đối với tôn cán nóng) và 1,61,65 T(đối với tôn cán lạnh), có lực kháng từ Hc nhỏ ~50(A/m) và có điện trở suất ~50-60cm. Tuy nhiên nó vẫn chưa phải là một loại vật liệu từ mềm lý tưởng để sản xuất máy biến áp. Chúng ta biết rằng để giảm tổn hao điện năng trong máy biến áp thì cần giảm tổn hao ngắn mạch (hay tổn hao đồng) và tổn hao không tải (hay tổn hao sắt từ), muốn giảm hai loại tổn hao này thì ngoài cải tiến quy trình công nghệ chế tạo còn cần phải nghiên cứu sử
dụng các loại vật liệu mới. Tôi xin đề cập đến vấn đề sử dụng vật liệu mới trong thiết kế mạch từ máy biến áp.
Chúng ta biết rằng để giảm tổn hao sắt từ trong máy biến áp thì cần giảm chủ yếu là tổn hao từ trễ (~ HdB; trong đó H: Từ trường từ hóa, B: Cảm ứng từ) và tổn hao dòng điện xoáy gây ra mất mát năng lượng và tỏa nhiệt.
Công suất tổn hao Foucault được tính theo công thức: PFoucault = 2 2 2 2 4 . . . 3. . s f B d k f
Với d: Độ dày của lõi
Bs: Cảm ứng từ bão hòa của lõi kf: Là một hệ số đặc trưng f : Tần số từ trường xoay chiều : Khối lượng riêng vật liệu : Điện trở suất.
Như vậy để giảm tổn hao do dòng Foucault gây ra cần có vật liệu dẫn từ có điện trở suất lớn, độ dày lá thép nhỏ, lực kháng từ Hc nhỏ.... Hiện nay ở một số nước tiên tiến như Mỹ, Nhật, Nga...đã và đang sử dụng vật liệu dẫn từ vô định hình trong thiết kế máy biến áp với một số ưu điểm nổi trội sau:
Tính chất Vật liệu Độ dày mm Hc (A/m) Bs (T) cm Tần số f (Hz) Thép kĩ thuật điện 0,3-0,5 50+ 1,65 50 5.101 Ferit 0,3 30 0,3 107+ 106 Permalloy 0,05 1 0,7 50+ 105
VLVĐH Nền Fe 0,03 10 1,6+ 150+ 104 Nền Co 0,03 1 0,7 150+ 105
Qua bảng so sánh chúng ta thấy vật liệu từ vô định hình trên nền Fe hoặc Co đã đáp ứng được cả ba yêu cầu để giảm tổn hao lõi sắt là: Lực kháng từ Hc nhỏ từ 1-10(A/m) so với (50-100A/m của tôn silic); độ dày tự nhiên của lá thép rất nhỏ t~0,03mm (so với t~0,3-0,5mm của tôn silic) và có điện trở suất rất lớn ~130cm-170cm (so với ~50cm-60cm của tôn silic).
Nhờ vào các tính chất trên mà tổn hao không tải của máy biến áp dùng lõi dẫn từ vô định hình giảm mạnh tới gần 80% tức là chỉ bằng 10-25% so với máy biến áp dùng tôn silic truyền thống. Điều này được minh họa qua bảng sau:
Máy biến áp
Công suất KVA
Tổn hao không tải (W) Độ giảm tổn hao % Lõi thép KTĐ Lõi thép VĐH 2 pha 50 140 32 75 100 245 62 75 3 pha 300 1400 200 86 1000 3000 390 87
Về hiệu quả kinh tế, mặc dầu giá thành của thép vô định hình hiện nay cao hơn so với tôn silic, tuy nhiên do tổn hao điện năng không tải nhỏ nên hiệu quả kinh tế là rõ ràng. Theo tính toán, thời gian thu lời là 3-5 năm khi thay thế lõi dẫn từ tôn silic bằng thép vô định hình:
Biến áp 500KVA, 3 pha, cấp điện áp 22KV 1 Tổn hao không tải khi sử dụng
thép VĐH
270W
2 Tổn hao không tải khi sử dụng tôn silic
2.040W
3 Tiết kiệm công suất điện 1.770W (2040W-270W)
4 Tiết kiệm điện trong một năm (chạy không tải)
15.505KWh
(1.770 x 24h x 365):1000 5 Tiết kiệm tiền điện trong một năm
(chạy không tải)
1.395USD
15.505 x 0,09USD/KWh Nguồn Kim Tae-Ho, cty công nghiệp Cherong - Seoul – Hàn Quốc.
Việc sử dụng vật liệu vô định hình trong giải tần số 50-60 Hz đã và đang được triển khai mạnh mẽ ở Hoa Kỳ, Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc, Nga...Hiện nay, tại 7 nước châu á đã có khoảng 515.000 máy biến áp làm bằng vật liệu từ vô định hình.
Tuy nhiên chưa dừng lại ở đó, hiện nay các nhà khoa học đã và đang nghiên cứu tìm tòi phát triển những loại vật liệu mới có tính chất từ ưu việt hơn mà điển hình là vật liệu từ mềm nano tinh thể. Sản phẩm vật liệu từ mềm nano tinh thể đầu tiên đó là Finemet (1988) do nhóm nghiên cứu của Y.Yoshizawa, S.oguma, K. Yamauchi (phòng nghiên cứu vật liệu từ và điện tử Hitachi Metals, Nhật Bản). Finemet là vật liệu từ mềm có tính chất từ hoàn hảo, và được xếp vào nhóm các vật liệu từ siêu mềm so với các vật liệu từ truyền thống. Điều đó được thể hiện qua bảng so sánh sau:
Tính chất Vật liệu Độ dày mm Hc (A/m) Bs (T) cm Tần số f (Hz) Thép kĩ thuật điện 0,3- 0,5 50+ 1,65 50 5.101 Ferit 0,3 30 0,3 107+ 106 Permalloy 0,05 1 0,7 50+ 105 VLVĐH Nền Fe 0,03 10 1,6+ 150+ 104 Nền Co 0,03 1 0,7 150+ 105 Vật liệu từ nano tinh thể O,02 1 1,5+ 150+ 105
Do vậy việc nghiên cứu sử dụng vật liệu từ mềm nano tinh thể trong thiết kế chế tạo máy biến áp đang là một hướng đi đúng đắn trong công nghệ chế tạo máy biến áp trong tương lai.
ở nước ta, từ năm 1990, nhờ sự quan tâm đầu tư của Bộ khoa học và công nghệ và Bộ Giáo dục và Đào tạo, tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã triển khai nghiên cứu chế tạo vật liệu dẫn từ vô định hình và nano tinh thể dưới dạng băng mỏng 0,03mm và triển khai ứng dụng vật liệu này làm lõi biến thế tần số 400Hz và cao hơn, phục vụ việc sửa chữa khí tài quân dụng. Vài nghìn sản phẩm chủ yếu là lõi dẫn từ công suất nhỏ, tần số 400 Hz đã được chuyển đến tay người sử dụng. Trong giai đoạn 2005 - 2007, trường cũng đã chuyển giao công nghệ các vật liệu từ hiện đại (băng vô định hình, nano tinh thể, nam châm kết dính và thiêu kết...) cho một nhà máy thuộc Bộ Quốc
Phòng. Qua đó, đã tích luỹ được nhiều kinh nghiệm quý cả về phương diện công nghệ vật liệu cũng như khả năng và phạm vi ứng dụng của chúng. Đây chính là cơ sở để các nhà khoa học của trường đề suất triển khai nghiên cứu xây dựng một dây chuyền công nghệ chế tạo thép biến thế siêu mỏng cấu trúc vô định hình và nano tinh thể với quy mô đủ lớn (30T/năm) chế tạo lõi dẫn từ cho các máy biến áp phân phối điện tần số 50 Hz, công suất từ vài chục cho đến hàng trăm KVA.
Tôi tin rằng trong tương lai không xa ở Việt Nam sẽ có nhà máy sản xuất vật liệu từ vô định hình và nano tinh thể, phục vụ cho ngành công nghiệp chế tạo máy biến áp. Qua đó, góp phần giảm tổn hao điện năng, tăng hiệu quả kinh tế và đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia.
Phần 3: Kết luận
Sau quá trình tìm tòi nghiên cứu tài liệu đề tài của tôi đã được hoàn thành. Trong đề tài này tôi đã hoàn thành được nhiệm vụ đặt ra:
- Tầm quan trọng của việc nâng cao hiệu suất máy biến áp - Tổng quan về máy biến áp
- Nghiên cứu sử dụng vật liệu từ tiên tiến trong thiết kế máy biến áp. Đây là một vấn đề tương đối mới mẻ. Do điều kiện thời gian ngắn và là một sinh viên bước đầu làm quen với phương pháp nghiên cứu khoa học nên đề tài không tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót nhất định. Vì vậy, tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và bạn bè để đề tài được hoàn thiện hơn.
Tài liệu tham khảo
[1] Phan Tử Thụ - Thiết kế máy biến áp điện lực. NXB Khoa học và Kĩ
thuật Hà Nội 2006.
[2] Đặng Văn Đào, Lê Văn Doanh - Giáo trình kĩ thuật điện. NXB Giáo
dục 2007.
[3] Vatlyvietnam.org [4] Thuvien247.net