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