5. Cấu trúc nội dung của luận án
1.4. Những nghiên cứu ở ngồi nƣớc về máy biến áp lõi vơ định hình
1.5 mơ tả lịch s ứng d ng th p VĐH chế tạo MBA phân phối.
1,2 0,8 0,4 0 0,2 0,4 0,6 1,0 H(A/m) 1,6 0,8 1,2 1,4 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 0,4 0,8 1,2 1,6 B (T) Thép vơ định hình Thép silic
Hình 1.4. Biểu thị đường cong từ trễ của vật liệu VĐH và thép silic [18]
Hình 1.5. Lịch sử ứng dụng thép VĐH chế tạo MBA phân phối [18]
Khi lựa chọn phương n thiết kế MBA cĩ hiệu suất cao mang m t ý ngh a lớn, vì tuổi thọ của MBA cĩ thể từ 30 đến 50 năm, sai lầm trong lựa chọn thiết kế sẽ phải gánh chịu thiệt thịi trong thời gian dài.
1.4. Những nghiên cứu ở ngồi nƣớc về máy biến áp lõi vơ định hình hình
1.4.1. Phương pháp chế tạo vật liệu vơ định hình
Để chế tạo vật liệu VĐH, cho tới hiện nay người ta s d ng 20 phương ph p kh c nhau. Tuy nhi n, để đơn giản cĩ thể theo phương ph p ngu i nhanh từ tinh thể lỏng.
Ngu i nhanh là cơng nghệ làm đơng cứng gần như tức thời các hợp kim lỏng. Đại lượng đặc trưng cho qu trình ngu i của hợp kim là tốc đ ngu i, cĩ đơn vị là 0K/s đ Kelvin/giây).
South Corolia
Trong cơng nghệ luyện kim, tốc đ ngu i thơng thường là khoảng m t vài ch c đến m t vài trăm đ trong m t giây, với tốc đ ngu i chậm như vậy, các hợp kim đều kết tinh khi đơng cứng. Khi tăng tốc đ ngu i lên vài trăm ngàn tới m t triệu đ trong m t giây, hợp kim lỏng bị đơng cứng nhanh đến mức quá trình kết tinh khơng kịp xảy ra. Khi đĩ thu được kim loại - hợp kim ở trạng thái hồn tồn mới với cấu trúc vi mơ khơng tinh thể, được gọi là hợp kim VĐH (amorphous alloys) hoặc thủy tinh kim loại (metallic glasses) do các kim loại đĩ cĩ cấu trúc vi mơ khơng trật tự, tương tự như cấu trúc của thủy tinh silicat. Hợp kim VĐH thường được chế tạo dưới dạng ăng mỏng vài ch c micromet ngay trong qu trình đơng cứng [1,26,58].
Hình 1.6. Các cấu trúc nguyên tử [80]
Trong đĩ: L nấu chảy; (B) Hệ thống rĩt; (C) Tr c quay;
(D1) (D2) Thiết bị kiểm tra đ dày và bề r ng ăng; E Thiết bị quấn ăng
Hình 1.7. Quitrình chế tạo vật liệu VĐH [23,80]
Cấu trúc Tinh thể Cấu trúcVơ định hình Cấu trúc Nano tinh thể Cấu trúc nguyên t thường tr i , th p vơ định hình (phải).
Dùng vật liệu VĐH làm lõi thép MBA 1 pha, 3 pha (MBA dầu và MBA khơ) là m t giải pháp tiết kiệm năng lượng của Cơng ty Hitachi [35].
Hình 1.8. Máy biến áp 3 pha: a) 3 trụ ; b) 5 trụ [35]
1.4.2. Giảm tổn hao máy biến áp lõi vơ định hình
Từ năm 1960, cấu trúc VĐH của chất rắn được phát hiện và phát triển cho đến nay gọi là vật liệu từ mềm VĐH, qu trình ph t triển trải qua nhiều giai đoạn khác nhau, quá trình phát triển của vật liệu từ mềm VĐH ở c c nước Mỹ, Nga, Nhật Bản, Trung Quốc,…. [58]
Lịch s phát triển của MB VĐH đã trải qua nhiều giai đoạn khác nhau từ khi bắt đầu phát hiện ra vật liệu VĐH từ năm 1960 đến những năm 80 của thế kỷ XX thì người ta mới bắt đầu s d ng vật liệu VĐH làm lõi MBA, quá trình phát triển MB VĐH cĩ thể tĩm tắt qua những cơng trình nghiên cứu qua những ài o sau đ y:
Năm 1987, S. Lupi đã đề cập đến vấn đề kinh tế khi s d ng MB VĐH và đưa ra so sánh chi phí giữa hai MBA lõi th p thơng thường và lõi VĐH, từ đĩ khẳng định s d ng MB VĐH sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao [49].
Năm 1991, tác giả W.Harry đã giới thiệu những tính chất đ c đ o hợp kim VĐH, bắt đầu dùng vật liệu VĐH làm lõi thép MBA phân phối và sự phát triển trong tương lai [34].
Năm 1992, H. Matsuki đã nghi n cứu về các hình dạng lõi của MBA để giảm tổn hao điện năng. Tác giả đã mơ tả các hình dạng thích hợp cho MBA để giảm tổn hao điện năng. Trong đĩ, hệ số tự cảm, điện kháng tản, điện trở và tổn hao sắt được đo cho c c lõi cĩ hình dạng kh c nhau để đ nh gi c c đặc tính làm việc của MBA [56].
Vật liệu VĐH với những đặc tính giảm tổn thất trong lõi thép cho nên nĩ cĩ thể ứng d ng khơng những cho MBA mà vào l nh vực m y điện quay hay ở thiết bị cĩ tần số cao.
Năm 1992, Jerry C F Li [42] đã nghi n cứu về ứng d ng vật liệu VĐH giảm tổn thất trong lõi thép của MBA và đ ng cơ. MBA phân phối lõi VĐH tần số 60Hz đã được sản xuất trên thị trường và đã đề cập đến nhiều trong các cơng trình nghiên cứu. Khả năng s d ng MB VĐH khơng ngừng lại ở đĩ, đến năm 2009 Robert U. Lenke [46] đã đưa ra đặc tính lõi
thép của biến áp phân phối VĐH s d ng cho tần số 50÷60Hz. Ngồi ra, lõi th p VĐH cũng được s d ng trong l nh vực điện t cơng suất ở tần số kHz để giảm tổn hao.
Tại Hoa kỳ, năm 1992 y u cầu đặt ra là phải cải thiện hệ thống lưới điện phân phối để giảm tổn thất MBA. Nghiên cứu của tác giả W. J. Ros, T. M. Taylor [65] chỉ ra rằng trong tất cả các tổn thất ở lưới phân phối thì tổn thất MBA chiếm 60% trong đĩ tổn thất lõi 45% trong tổng số tổn thất của hệ thống. C thể điển hình m t biến áp pha 25 kVA với lõi thép silic sẽ cĩ tổn hao lõi 60W cịn với lõi VĐH sẽ cĩ 20W. Hay MB VĐH đã giảm tổn thất 60% -70% so với thép silic loại tốt. Chính vì vậy MB VĐH mở ra m t lợi ích kinh tế cho hệ thống lưới điện phân phối, nĩ mang hiệu quả kinh tế, tiết kiệm năng lượng đồng ngh a với giảm khí thải [17].
Tại Pháp [25], các cơng ty chế tạo biến p như ERDF đã tiến hành các th nghiệm khơng tải cũng như ngắn mạch trên nhiều MB VĐH từ cơng suất 160kV đến 630kV để đ nh gi và đưa ra ti u chuẩn cho MB VĐH trước khi sản xuất cung cấp cho thị trường c c nước ở Châu Âu.
Ở Châu Á [42] tổn thất điện năng được chính phủ c c nước quan t m hàng đầu và yêu cầu đặt ra đối với các cơ quan các nước thực hiện chống lãng ph điện năng. Theo m t khảo sát tại Nhật Bản trong tổng số tổn thất khơng tải điện năng vượt là 1,5 lần so với cơng suất dự t nh, do đĩ phải tiến hành giảm tổn thất bằng s d ng MB VĐH.
Vấn đề s d ng điện năng tiết kiệm và hiệu quả với MB VĐH khơng chỉ di n ra ở Nhật Bản mà cịn ở c c nước Ch u Á như: Lào, Nepal, Philippine, Đài Loan, Ấn đ , Hàn Quốc, Trung Quốc,….Việc dùng MBA lõi VĐH sẽ giảm tổn hao khơng tải đến 70-80% so với MBA tơn silic. Đồng thời đưa ra kinh nghiệm s d ng cũng như khả năng ph t triển s d ng MB VĐH trong tương lai [42].
1.4.3. Thiết kế máy biến áp lõi vơ định hình
Trong l nh vực nghiên cứu và thiết kế đã cĩ nhiều đĩng gĩp của những tác giả như: G. Segers - A. Even -M.Desinedt [30]; Pan-Seok Shin [61], Benedito Antonio Luciano [20], D. Lin; P. Zhou; W. N. Fu; Z. Badics and Z. J. Cendes [48],…Như t c giả Pan-Seok Shin [61] đã s d ng phương ph p đồng nhất để tính tốn từ trường trong lõi thép của MB VĐH, trong đĩ tác giả s d ng phương ph p phần t hữu hạn (PTHH để phân tích từ trường MBA.
Stefan Sieradzki [68] đã đưa ra c c c ch thay đổi hình dạng của mạch từ MBAVĐH 3 pha từ đĩ t c giả tiến hành tính tốn và kiểm tra bằng thực nghiệm tổn thất MBA 5 tr 160kVA.
Tiếp đĩ, cơng suất MB VĐH cũng được nâng cao lên đến 630kVA [77] tác giả Yinshun Wang, Xiang Zhao đã x y dựng thiết kế và tính tốn tổn thất của m t MBA 3 pha với cơng
suất tr n 630 kV điện p sơ cấp/thứ cấp là 10,5 kV/0.4 kV thơng qua thí nghiệm ngắn mạch và khơng tải theo tiêu chuẩn.
Vấn đề đi s u vào thiết kế, th nghiệm MB VĐH cũng được nghiên cứu kỹ càng và sâu sắc hơn, c thể tác giả Benedito Antonio Luciano [20] thiết kế, th nghiệm MB VĐH 1 pha 1kV , đồng thời vấn đề ủ ph c hồi từ t nh cũng được đề cập để nâng cao hiệu suất. Tác giả đã trình ày phương pháp ủ lõi bằng khí argon trong từ trường m t chiều dọc theo chiều dài lõi.
Phân tích mơ hình mạch từ của lõi th p VĐH để phân tích tổn hao khơng tải thì cĩ nhiều tác giả với các phương ph p thực hiện khác nhau, ví d như: nhĩm t c giả D. Lin, P. Zhou, W. N. Fu, Z. Badics, and Z. J. Cendes tại Mỹ năm 2003 [48] phân tích mơ hình tổn thất lõi bằng phương pháp PTHH 2D và 3D ở chế đ qu đ . Kết quả th nghiệm trên hai mơ hình lõi VĐH và lõi sillic cho thấy tổn hao tr n lõi VĐH là thấp hơn.
Những cơng trình nghiên cứu tr n đối tượng MB VĐH khơng ngừng lại ở m t mức đ chung chung đĩ mà nghi n cứu đi vào đối tượng c thể là MB khơ VĐH. Nhĩm t c giả Thorsten Steinmetz, Bogdan Cranganu-Cretu [69] tiến hành nghiên cứu tổn thất khơng tải và cĩ tải của MB khơ VĐH. T c giả tập trung ph n t ch, đ nh gi tổn hao khơng tải của MBA phân phối khơ lõi VĐH 630kVA như Hình 1.9, đưa ra phương ph p cải tiến trong thiết kế mạch từ MBA để tổn hao là thấp nhất. Đồng thời thơng qua phương ph p PTHH khảo sát mạch từ để chứng minh đặc điểm thiết kế mạch từ mà tác giả đề ra như Hình 1.10.
Hình 1.9. Tổn hao khơng tải và cĩ tải của MBA khơ VĐH [69]
T
ổn hao
(W
)
Tổn hao khơng tải Tổn hao tải
% tải
Hình 1.10.Mơ hình mạch từ của MBA khơ VĐH trong phân tích FEM [69]
1.5. Những nghiên cứu ở trong nƣớc về máy biến áp lõi vơ định hình hình
Viện Vật lý kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hà N i: Từ dự án sản xuất số 13/97-HĐCGCN đã cĩ hơn 10 năm kinh nghiệm, đã nghiên cứu thành cơng cơng nghệ chế tạo vật liệu từ VĐH dạng ăng mỏng và ứng d ng các sản phẩm ăng từ mềm VĐH vào sản xuất MBA nhỏ tần số cao. Dự n đã đào tạo được nhiều Tiến s , Thạc s , trên 50 bài báo khoa học liên quan và tham dự trên 10 h i nghị khoa học quốc tế [6].
Ngày 10 th ng 12 năm 2009, lần đầu tiên ở nước ta đưa việc nghiên cứu ứng d ng vật liệu VĐH làm lõi th p MB điện lực; B trưởng B Cơng Thương đã ký Quyết định số 6228/QĐ – BCT về: Kế hoạch khoa học cơng nghệ năm 2010 [1] với n i dung c thể như sau: “Thiết kế chế tạo chế tạo MBA giảm tổn hao khơng tải s d ng vật liệu thép từ vơ định hình siêu mỏng, chế tạo trong nước”.
Ngày 14 th ng 1 năm 2011, Mitsu ishi UFJ Morgan Stanley Securities, Co., Ltd. (MUMSS) phối hợp với Trung tâm tiết kiệm năng lượng Tp. Hồ Ch Minh đã tổ chức “H i thảo thúc đẩy s d ng máy biến áp Amorphous hiệu suất cao trong hệ thống lưới điện tại Việt nam”. Sau h i thảo cĩ chương trình đầu tư nghi n cứu, sản xuất MB VĐH tại Việt nam.
Ngày 13 th ng 1 năm 2012, Cơng ty Hitachi Metals đã phối hợp với với Trung tâm tiết kiệm năng lượng Tp. Hồ Ch Minh đã tổ chức h i thảo: “M y iến p lõi tơn vơ định hình hiệu suất cao và ứng d ng hiệu quả tại Việt Nam”. Tại h i thảo đưa ra những đặc trưng của MB VĐH hiệu suất cao và kết quả đo ph tải điện của MBA ở Việt Nam, thơng qua kết quả vận hành thực tế MBA lõi tơn VĐH hiệu suất cao đồng thời đề xuất tiêu chuẩn mới cho MBA này tại Việt Nam.
Khởi đ ng tại Việt Nam từ năm 2010, với sự phối hợp của ECC-HCMC, Hitachi đã chuyển giao thành cơng MBA hiệu suất cao cho cơng ty sản xuất MBA tại Việt Nam. Năm
Lõi ngồi
2011, ECC-HCMC đã tiến hành lắp đặt và đo th nghiệm MBA này tr n lưới điện ở m t số địa phương như Hà N i, Tp.HCM, Bình Dương, Đồng Nai và Bến Tre. Kết quả vận hành thực tế cũng như những phương ph p đ nh gi mới, tiêu chuẩn mới cho MBA đã được các chuyên gia ph n t ch, đ nh gi và đề xuất tại h i thảo.
Ở Việt Nam, MBA khơ thì cơng ty cổ phần chế tạo biến thế Hà N i đã nhập m y đúc cu n d y, khuơn đúc d y quấn và cũng đã chế tạo được thành cơng MBA khơ cĩ cu n dây đúc trong epoxy. MB khơ được sản xuất đã được th nghiệm và đảm bảo chất lượng để vận hành.
Nĩi chung, MBA cĩ lõi thép làm bằng vật liệu VĐH cần được nhanh chĩng đưa vào s d ng ở Việt nam, tuy nhiên nĩ cịn rất mới mẻ với Việt Nam. Chính vì vậy, cần phải cĩ nhiều cơng trình nghiên cứu tính tốn ứng lực, truyền nhiệt, phân bố c ch điện cũng như t nh to n, thiết kế, cơng nghệ chế tạo để áp d ng vào thực tế sản xuất trong nước.
1.6. Nghiên cứu lực điện từ ở máy biến áp lõi silic
Về vấn đề lực điện từ tác d ng lên dây quấn MBA cĩ lõi thép silic, trên thế giới đã cĩ nhiều tác giả nghiên cứu đề cập và được liệt k sau đ y:
Năm 2001, dly . đã tính tốn lực tác d ng lên dây quấn MBA, trong quá trình chuyển đổi nấc phân áp của MBA làm xuất hiện d ng điện xung. M c đ ch của tác giả là phân tích, tính tốn lực điện từ gây ra bởi dịng điện xung kích MBA. Kết quả cả hai trường hợp là dịng điện xung k ch và d ng điện ngắn mạch sinh ra lực tác d ng lên cu n dây biến áp là giống nhau. Tính tốn trên mơ hình 3D của MBA m t pha, trong đĩ cĩ s d ng kỹ thuật mạng noron để tính tốn tổn hao, đồng thời s d ng kết quả thực nghiệm để so sánh. Kết quả về lực điện từ ngắn mạch cũng được so s nh và đ nh gi với nhau [12].
Năm 2004, Tang Yun-Qiu đã tính tốn lực ngắn mạch trên dây quấn MBA, trình bày tính tốn lực hướng kính và hướng tr c khi ngắn mạch ba pha trên m t MBA 72MVA, phân tích từ trường tản và lực theo phương ph p PTHH. C c kết quả t nh to n được so sánh với th nghiệm [36].
Năm 2007, . C. De Azevedo đã phân tích từ trường của MBA khi xảy ra ngắn mạch, d ng phương ph p PTHH theo miền thời gian (Hình 1.11) để tính tốn lực cơ học xảy ra trong cu n dây biến p trong điều kiện ngắn mạch. Tác giả s d ng tính tốn bằng giải tích và mơ phỏng số để khảo sát MBA hai trường hợp ình thường và ngắn mạch, kết quả lực hướng tr c và hướng kính ở Hình 1.12 và Hình 1.13 giữa hai phương ph p này được so sánh và đ nh giá với nhau [16].
Hình 1.11. Phân bố từ thơng của MBA dây
quấn đồng tâm [16] Hình 1.12.Các thành phần lực hướng kính cuộn dây đồng tâm [16] Hình 1.13.Mật độ từ thơng hướng kính và lực dọc trục [16]
Hình 1.14.Ứng suất trên vịng dây của các cuộn dây [16]
Nhĩm tác giả: Hyun-Mo Ahn và Ji-Yeon Lee đã ph n t ch, t nh to n lực điện từ ngắn mạch của MBA lõi thép silic cĩ tiết diện trịn bằng phương ph p PTHH [37,38,39,40]. Nhĩm tác giả khẳng định khi MBA bị ngắn mạch vào lúc đang hoạt đ ng trong hệ thống điện, các dịng điện ngắn mạch tương t c với từ thơng tản như ở Hình 1.15 gây ra ứng suất cơ học rất nghiêm trọng đối với dây quấn MBA. Vì vậy, yêu cầu thiết kế MBA phải chịu được dịng ngắn mạch khi hệ thống bị lỗi như ngắn mạch m t pha chạm đất, ngắn mạch a pha,…
Hình 1.15.Lực điện từ, dịng điện và từ cảm tản của MBA [39]