Trường ĐHSP Hà Nội Luận văn tốt nghiệp Lời cảm ơn Trong trình hoàn thành đề tài nhận nhiều giúp đỡ thầy giáo, cô giáo khoa Vật lí Trường ĐHSP Hà Nội bạn sinh viên khoa Vật lí Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy Trần Văn Giảng tận tình hướng dẫn trực tiếp thường xuyên giúp đỡ thời gian nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo khoa Vật lí tạo điều kiện thuận lợi cho hoàn thành khóa luận Do lần tham gia nghiên cứu khoa học thời gian tiến hành nghiên cứu có hạn nên đề tài không tránh khỏi thiếu sót hạn chế, mong nhận đóng góp ý kiến quý thầy cô bạn để khóa luận hoàn thiện Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 05 năm 2010 Sinh viên Lê Văn Dương GVHD: Trần Văn Giảng SVTH: Lê Văn Dương Trường ĐHSP Hà Nội Luận văn tốt nghiệp Lời cam đoan Đề tài nghiên cứu thực từ tháng 12 năm 2009 đến tháng năm 2010 Trường ĐHSP Hà Nội 2, Phường Xuân hòa Phúc Yên Vĩnh Phúc Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu không trùng với kết tác giả khác Nếu lời sai thật xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Hà Nội, ngàythángnăm 2010 Người cam đoan Lê Văn Dương GVHD: Trần Văn Giảng SVTH: Lê Văn Dương Trường ĐHSP Hà Nội Luận văn tốt nghiệp Mục lục Lời cảm ơn Lời cam đoan Phần 1: Mở đầu5 Lí chọn đề tài Đối tượng phạm vi 2.1 Đối tượng.6 2.2 Phạm vi nghiên cứu Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu 3.1 Mục đích nghiên cứu 3.2 Nhiệm vụ nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu.6 Phần 2: Nội dung Chương 1: Cơ sở lí luận Tầm quan trọng việc nâng cao hiệu suất máy biến áp Tổng quan máy biến áp 2.1 Nguyên lí làm việc máy biến áp.8 2.2 Định nghĩa máy biến áp 10 2.3 Các đại lượng định mức 10 2.4 Cấu tạo máy biến áp .11 2.4.1 Lõi thép 11 2.4.2 Dây quấn 14 2.5 Vỏ máy 14 2.6 Tổ nối dây máy biến áp 15 2.6.1 Cách kí hiệu đầu dây quấn 16 2.6.2 Các kiểu đấu dây quấn 17 2.6.3 Tổ nối dây máy biến áp .17 2.7 Những tượng xuất từ hoá lõi thép 18 GVHD: Trần Văn Giảng SVTH: Lê Văn Dương Trường ĐHSP Hà Nội Luận văn tốt nghiệp 2.7.1 Máy biến áp pha 18 2.7.2 Máy biến áp ba pha 19 a) Trường hợp máy biến áp nối Y/y .20 b) Trng hp ni D/y 21 c) Trường hợp máy biến áp ba pha nối Y/d 21 Các tổn hao máy biến áp 22 3.1 Tổn hao ngắn mạch .22 3.1.1 Tổn hao dây quấn 22 3.1.2 Tổn hao phụ dây quấn 23 3.1.3 Tổn hao vách thùng chi tiết kim loại khác Pt 25 3.2 Tổn hao không tải 26 Chương 2: Nghiên cứu sử dụng vật liệu từ tiên tiến thiết kế máy biến áp .30 Sơ lược lịch sử phát triển lõi dẫn từ máy biến áp .30 Nghiên cứu sử dụng vật liệu từ tiên tiến thiết kế máy biến áp .30 Phần 3: kết luận 36 Tài liệu tham khảo 37 GVHD: Trần Văn Giảng SVTH: Lê Văn Dương Trường ĐHSP Hà Nội Luận văn tốt nghiệp Phần 1: Mở đầu Lí chọn đề tài Đất nước ta bước vào trình CNH-HĐH hội nhập kinh tế quốc tế WTO, thời để đưa đất nước ngày phát triển Để đưa đất nước phát triển phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Con người, tài nguyên thiên nhiên, vị trí địa lí, khí hậu, lượng Trong bối cảnh nay, giới diễn khủng hoảng lượng Do vậy, việc bảo đảm an ninh lượng trở thành vấn đề cấp thiết Ngày nay, điện sử dụng rộng rãi tất lĩnh vực đời sống như: Công nghiệp, giao thông vận tải, nông - lâm nghiệp, thông tin liên lạc, dịch vụ.Nhưng việc sử dụng cho hợp lí toán phức tạp Tiết kiệm điện chủ trương không nước ta mà giới quan tâm Tiết kiệm điện nước ta vận động rộng khắp nước hoạt động thiết thực như: Sử dụng bóng đèn Compact thay cho bóng đèn sợi đốt, sử dụng điện cao điểm, sử dụng hợp lí điện doanh nghiệp, doanh nghiệp vừa nhỏ Tuy nhiên, vấn đề mà đề cập tới tiết kiệm điện không nhỏ giảm tổn hao lượng máy biến (Máy biến áp) Máy biến áp phận quan trọng hệ thống điện Việc tải điện xa từ nhà máy điện tới nơi tiêu thụ hệ thống điện phải có tối thiểu đến lần tăng giảm điện áp Do tổng công suất đặt (hay dung lượng) máy biến áp gấp lần công suất máy phát điện Gần người ta tính gấp đến lần Hiệu suất máy biến áp thường lớn ~98% số lượng máy biến áp nhiều nên tổng tổn hao hệ thống đáng kể cần phải ý đến việc giảm tổn hao, tổn hao không tải máy biến áp Để giải vấn đề ngành chế tạo máy biến áp người ta GVHD: Trần Văn Giảng SVTH: Lê Văn Dương Trường ĐHSP Hà Nội Luận văn tốt nghiệp nghiên cứu, ứng dụng loại vật liệu có suất tổn hao công suất từ hoá thấp hay đặc biệt thấp thiết kế máy biến áp, mặt khác thay đổi kết cấu mạch từ hay dùng quy trình công nghệ lắp ráp, thiết kế nhờ mà công suất điện áp máy biến áp nâng nên rõ rệt Do nhận thấy vấn đề thực tiễn mạnh dạn tìm hiểu đề tài: Máy biến áp số giải pháp nâng cao hiệu suất máy biến áp Đối tượng phạm vi 2.1 Đối tượng: Nghiên cứu máy biến áp giải pháp nâng cao hiệu suất máy biến áp 2.2 Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát phương diện lí thuyết, số giải pháp kĩ thuật nhằm nâng cao hiệu suất MBA Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu 3.1 Mục đích nghiên cứu: Nâng cao hiệu suất máy biến áp biện pháp quan trọng để tăng hiệu kinh tế 3.2 Nhiệm vụ nghiên cứu: - Nghiên cứu sở lí thuyết giải pháp kĩ thuật để nâng cao hiệu suất máy biến áp - Trên sở lí thuyết, ứng dụng phương pháp vào thực tế Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lí thuyết GVHD: Trần Văn Giảng SVTH: Lê Văn Dương Trường ĐHSP Hà Nội Luận văn tốt nghiệp Phần 2: Nội dung Chương 1: Cơ sở lí luận Tầm quan trọng việc nâng cao hiệu suất máy biến áp - Nâng cao hiệu suất máy biến áp, hay nói cách khác giảm tổn hao điện cho máy biến áp vấn đề quan trọng an ninh lượng quốc gia Mỗi ngày giới có hàng chục triệu máy biến áp phân phối điện hoạt động Các máy biến áp làm nhiệm vụ cấp điện áp thích hợp cho phụ tải Công suất máy biến áp vài chục vài trăm KVA Máy biến áp phân phối nước ta thường có cấp điện áp 35KV, 22KV, 10KV, 6KV/0,4KV để cấp điện cho đa số thiết bị điện công nghiệp dân dụng - Tổn hao điện máy biến áp vấn đề kinh tế kĩ thuật quan tâm, tổn hao chủ yếu bao gồm tổn hao điện cuộn dây (tổn hao đồng) tổn hao lõi dẫn từ (tổn hao sắt) Dưới xin trích dẫn lượng tổn hao điện máy biến dự tính năm 2010 số quốc gia giới: Quốc gia Tổn hao điện ( tỉ KWh) Mỹ 81 Châu Âu 43 Trung Quốc 49 Nhật Bản 32 Ân Độ 11 Hàn Quốc Thái Lan Nếu lượng điện tổn hao mà không thấy tiết kiệm nguồn điện khổng lồ đưa vào phục vụ sinh hoạt Ví GVHD: Trần Văn Giảng SVTH: Lê Văn Dương Trường ĐHSP Hà Nội Luận văn tốt nghiệp dụ như, Hàn Quốc năm 2010 họ tiết kiệm khoảng tỉ KWh, lượng điện cho thành phố khoảng 1,4 triệu dân, đồng nghĩa với việc giảm khoảng triệu CO2 , tương đương với lượng CO2 khoảng 220.000 ôtô thải Điều có nghĩa việc giải toán kinh tế giải vấn đề môi trường Qua đó, thấy việc làm giảm tổn hao máy biến áp có vai trò quan trọng ý nghĩa to lớn Tổng quan máy biến áp 2.1 Nguyên lí làm việc máy biến áp Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lí máy biến áp pha Ta xét sơ đồ nguyên lí làm việc máy biến áp pha hai dây quấn: Dây quấn có W1 vòng dây, dây quấn có W2 vòng dây, quấn lõi thép Khi đặt điện áp xoay chiều u1 vào dây quấn có dòng điện i1 dây quấn 1, dòng điện i1 sinh sức từ động F = i1 W1 , sức từ động sinh từ thông móc vòng hai dây quấn Theo định luật cảm ứng điện từ, cuộn dây xuất sức điện động cảm ứng e1 e2 Nếu dây quấn nối với tải bên Zt dây quấn có dòng điện i2 đưa tảivới điện áp u2 Như vậy, lượng dòng điện xoay chiều truyền từ dây quấn sang dây quấn qua lõi thép GVHD: Trần Văn Giảng SVTH: Lê Văn Dương Trường ĐHSP Hà Nội Luận văn tốt nghiệp Giả thiết điện áp đặt vào hàm số hình sin từ thông sinh hàm số hình sin m sin t (2.1) Do theo định luật cảm ứng điện từ, sức điện động cảm ứng cuộn dây là: e1 w1 d m sin(t ) d w1 w1 m sin(t ) E1 sin(t ) dt dt 2 e w2 d m sin(t ) d w2 w2 m sin(t ) E sin(t ) dt dt 2 Trong đó: E1 E2 .w1 m .w2 m 4.44 f w1 m 4.44 f w2 m Là giá trị hiệu dụng sức điện động dây quấn Các sức điện động cảm ứng dây quấn chậm pha so với từ thông góc Người ta định nghĩa tỉ số biến áp máy biến áp sau: k E1 U E2 U Nếu bỏ qua điện áp rơi dây quấn coi: E1 U , E2 U Do k xem tỉ số điện áp dây quấn GVHD: Trần Văn Giảng SVTH: Lê Văn Dương Trường ĐHSP Hà Nội Luận văn tốt nghiệp 2.2 Định nghĩa máy biến áp Từ nguyên lí làm việc trên, ta định nghĩa máy biến áp sau: Máy biến áp thiết bị điện từ đứng yên, làm việc nguyên lý cảm ứng điện từ, biến đổi hệ thống dòng điện xoay chiều điện áp thành hệ thống dòng điện xoay chiều điện áp khác, với tần số không thay đổi Máy biến áp có hai dây quấn gọi máy biến áp hai dây quấn Dây quấn nối với nguồn điện để thu lượng vào gọi dây quấn sơ cấp Dây quấn nối với tải để đưa điện gọi dây quấn thứ cấp Dòng điện, điện áp, công suất dây quấn theo tên sơ cấp thứ cấp tương ứng Dây quấn có điện áp cao gọi dây quấn cao áp, dây quấn có điện áp thấp gọi dây quấn hạ áp Nếu điện áp thứ cấp bé diện áp sơ cấp, ta có máy biến áp giảm áp, điện áp thứ cấp lớn điện áp sơ cấp ta có máy biến áp tăng áp máy biến áp ba dây quấn, hai dây quấn sơ cấp thứ cấp có dây quấn thứ ba với điện áp trung bình Máy biến áp biến đổi hệ thống dòng điện xoay chiều pha gọi máy biến áp pha, máy biến áp biến đổi hệ thống dòng điện xoay chiều ba pha gọi máy biến áp ba pha Máy biến áp ngâm dầu gọi máy biến áp dầu, máy biến áp không ngâm dầu gọi máy biến áp khô, máy biến áp có ba trụ nằm mặt phẳng gọi máy biến áp mạch từ phẳng, máy biến áp với ba trụ nằm không gian gọi máy biến áp mạch từ không gian 2.3 Các đại lượng định mức Các đại lượng định mức máy biến áp qui định điều kiện kĩ thuật máy Các đại lượng nhà máy chế tạo qui định thường ghi máy biến áp - Dung lượng hay công suất địng mức Sđm : Là công suất toàn phần (hay biểu kiến) đưa dây quấn thứ cấp máy biến áp, tính kilô vônampe (KVA) hay vôn-ampe (VA) GVHD: Trần Văn Giảng 10 SVTH: Lê Văn Dương Trường ĐHSP Hà Nội Luận văn tốt nghiệp Trong : : mật độ dòng điện A / m T : Tiết diện dây quấn m2 : Chiều dài dây dẫn m d : Tỉ trọng dây dẫn; đồng: cu 8900 Kg / m3 , Al 2700 Kg / m3 : Điện trở suất dây dẫn 750C cu 0, 02135m Al 0, 0344 m Rút gọn biểu thức (*) ta có: Pcu = 2, 4.1012. 2Gcu (W) (4-3) Trong Gcu trọng lượng đồng dây quấn Trường hợp dùng dây nhôm ta có: PAl = 12, 75.1012 2GAl (W) Như vậy, Pcu tỉ lệ với bình phương mật độ dòng điện, bảo đảm cho Pcu không đổi, tăng Gcu phải giảm Nhưng không nên đặt vấn đề tăng nhiều để giảm trọng lượng đồng Gcu , trọng lượng đồng không giảm mà tổn hao đồng nhiều (có thể mức qui định), đồng thời dây quấn phát nóng nhiều phải dùng nhiều dầu để làm nguội dây - Tổn hao đồng: dây quấn HA : Pcu1 = 2, 4.1012. Gcu1 (W) dây quấn CA: Pcu2 = 2, 4.1012. 2Gcu (W) Tổng tổn hao: Pcu = Pcu1 + Pcu2 (W) 3.1.2 Tổn hao phụ dây quấn Tổn hao phụ thường ghép vào tổn hao cách thêm hệ số k f vào tổn hao Pcu + Pf = Pcu k f GVHD: Trần Văn Giảng 23 SVTH: Lê Văn Dương Trường ĐHSP Hà Nội Luận văn tốt nghiệp Do việc xác định tổn hao phụ xác định trị số k f Trị số loại dây quấn khác Nó phụ thuộc vào kích thước hình học dây dẫn, vào xếp dây dẫn từ trường tản người ta tìm biểu thức tính k f sau: Đối với dây đồng tiết diện chữ nhật: + Với n : k f = 0, 095.108 a (n2 0, 2) + Với n > : k f = 0, 095.108. a n2 Trong công thức thì: b.m d m kr ; ' kr l l trị số ' luôn nhỏ 1; n số dẫn dây quấn thẳng góc với từ thông tản m số dẫn dây quấn song song với từ thông tản; a (b) kích thước dây dẫn theo hướng thẳng góc (song song) với từ thông tản (m); d đường kính dây dẫn tròn (m); l chiều cao toàn dây quấn (m); kr hệ số Ragovki B n dõy dn m dõy dn n n dõy dn k b m dõy dn l l a a, dây dẫn tròn GVHD: Trần Văn Giảng b, dây dẫn chữ nhật 24 SVTH: Lê Văn Dương Trường ĐHSP Hà Nội Luận văn tốt nghiệp Ta thấy k f tỉ lệ với luỹ thừa bậc kích thước dây dẫn ( a hay d ), nghĩa với dây dẫn chữ nhật kích thước hướng kính nhỏ dây tròn đường kính bé tổn hao phụ giảm Thường k f = 1,01 1,05 Trong dây quấn hình xoắn, tổn hao phụ từ trường tản có tổn hao phụ gây nên dòng điện phân bố không dây dẫn ghép song song hoán vị không hoàn toàn Khi số sợi ghép xem loại tổn hao phụ này; số sợi ghép song song n tổn hao phụ phải kể thêm vào với công thức gần sau: f k fhv 0, 53.102. ( )2 a ( n 20n 64), Trong cu 0, 02135m 3.1.3 Tổn hao vách thùng chi tiết kim loại khác Pt Như ta biết, phần từ thông tản máy biến áp khép mạch qua vách thùng dầu, xà ép gông, bulông chi tiết sắt khác Tổn hao phát sinh phận chủ yếu vách thùng dầu có liên quan đến tổn hao ngắn mạch Tổn hao khó tính xác chưa có phương pháp giải vấn đề cách đầy đủ Đối với máy biến áp công suất từ 1000 63000 KVA, tổn hao phụ vách thùng tính gần theo công thức sau: f ).104 50 Pt pt 2( R r12 ) k u ( (W) Trong k 2, un 11, 5% ; k 1,5 un>11,5% : Từ thông trụ dây quấn Bt.Tt (Wb) : Chiều cao dây quấn (m) f : Tần số (Hz) GVHD: Trần Văn Giảng 25 SVTH: Lê Văn Dương Trường ĐHSP Hà Nội Luận văn tốt nghiệp Pt : Chu vi thùng (m) R : Bán kính trung bình thùng R A B 2C (m) Trong : A chiều dài thùng (m) B chiều rộng thùng (m) C khoảng cách hai trụ (m) r12 bán kính trung bình rãnh từ tản (m) Tính Pt thường tiến hành sau sơ xác định kích thước thùng Nếu kích thước thùng chưa biết máy biến áp hai dây quấn tính gần theo công thức bán kinh nghiệm sau: Pt 10 ks (w) Muốn giảm Pt phải giảm từ thông dò ngang, nghĩa dây quấn bố trí giảm không đối xứng vòng dây Từ ta thấy loại dây quấn xen kẽ có tổn hao Pt lớn Pn = Pcu1 k f + Pcu2 k f + 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 cuộn dây khác hở mạch gọi chế độ không tải Tổn hao không tải máy biến áp gồm có: Tổn hao thép silic, tổn hao vỏ máy chi tiết sắt khác, tổn hao đồng dây quấn dòng điện không tải I0 gây ra, tổn hao dòng điện rò chất cách điện (tổn hao không đáng kể) Ta xem tổn hao không tải gồm hai phần: Tổn hao trụ sắt tổn hao gông từ, viết sau: P0 = k f ( pt Gt pg Gg ) GVHD: Trần Văn Giảng 26 (w) SVTH: Lê Văn Dương Trường ĐHSP Hà Nội Luận văn tốt nghiệp Trong k f hệ số tổn hao phụ xét đến yếu tố Bt Bg phân bố không công nghệ chế tạo thép bị bavia, hay xếp không chiều làm P0 tăng lên pt , pg suất tổn hao trụ gông, tức tổn hao 1Kg thép trụ gông (W/kg), phụ thuộc vào từ cảm Bt Bg, vào mã hiệu chiều dày thép muốn biết pt , pg phải biết mã hiệu thép, chiều dày thép Từ cảm tương ứng tính từ công thức sau: Bt = uv 104 (T) 4, 44.Tt Bg = Bt Tt Tg (T) Trong thiết kế mạch từ chiều từ thông chiều cán thép lệch suất tổn hao tăng lên Điều cần ý tính toán tổn hao góc nối trụ gông lõi thép Vì phải nhân thêm hệ số gia tăng tổn hao góc nối k p góc Ngay chỗ nối thép hay chỗ mối ghép xen kẽ có khe hở nên đường sức từ phải đổi hướng, làm tổn hao tăng lên Tổn hao phụ thuộc vào bề mặt khe hở đặc trưng suất tổn hao bề mặt khe hở pk (w/cm2) - Hình dáng tiết diện gông ảnh hưởng nhiều tới phân bố từ cảm trụ gông phải đưa thêm vào hệ số gia tăng tổn hao gông k pg Đối với gông có số bậc hay vài bậc so với trụ coi k pg = 1,0, gông tiết diện có vài bậc hay hình chữ nhật hệ số khoảng k pg = 1,04 1,07 Ngoài có số yếu tố công nghệ ảnh hưởng nhiều tới tổn hao không tải, phải kể đến số hệ số sau: GVHD: Trần Văn Giảng 27 SVTH: Lê Văn Dương Trường ĐHSP Hà Nội Luận văn tốt nghiệp - Hệ số tổn hao tháo lắp gông k pt để lồng dây quấn vào trụ làm chất lượng thép giảm, tổn hao tăng lên - Hệ số tổn hao ép trụ để đai k pe - Hệ số kể đến tổn hao cắt dập tôn thành k pc - Hệ số kể đến tổn hao gấp mép khử bavia k pb Do kể đến ảnh hưởng làm tăng tổn hao sắt góc mạch từ nên lúc tính toán trọng lượng sắt tổn hao không tải phải tiến hành sau: - Trọng lượng trụ: Gt = Gt + Gt (kg) Trong Gt trọng lượng sắt phần trụ ứng với chiều cao cửa sổ mạch từ Gt = t.Tt t (kg) Với Tt (m2) t (m) Gt trọng lượng sắt phần trụ nối với gông Gt = t (Tt a1g 103 G0 ) (kg) Với tiết diện gông hình chữ nhật Gt = - Trọng lượng phần gông: + Đối với máy biến áp ba pha: Gg = (Gg- 4G0) + 6G0 (kg) + Đối với máy biến áp pha: Gg = (Gg 2G0) + 4G0 (kg) - Tổn hao không tải: p p P0 = k pc k pb pt Gt pg (Gg ' NG0 ) t g G0 k p pk nk Tk k pg k pe k pt Trong N số lượng góc nối mạch từ Đối với máy biến áp ba pha N = 4; với máy biến áp pha N = GVHD: Trần Văn Giảng 28 SVTH: Lê Văn Dương Trường ĐHSP Hà Nội Luận văn tốt nghiệp k p kn k p 0' kt k p 0'' hệ số kể đến tổn hao phụ góc nối mạch từ tùy theo phối hợp mối nối htawngr nghiêng khác kn hệ số biểu thị số lượng góc có dạng mối nối nghiêng ( kn = 4) kt hệ số biểu thị số lượng góc có dạng mối nối thẳng ( kt = 2,5) nk số khe nối thép mạch từ - Để đơn giản ảnh hưởng tổn hao phụ nói biểu thị hệ số chung k pf : P0 = k ft pt (Gt G0 k p0 k p G0 ) k pf pg Gg ( N 2).G0 (w)n 2 * Hiệu suất máy biến áp: % (1 GVHD: Trần Văn Giảng P0 Pn ).100 Pdm P0 Pn 29 SVTH: Lê Văn Dương Trường ĐHSP Hà Nội Luận văn tốt nghiệp Chương 2: Nghiên cứu sử dụng vật liệu từ tiên tiến thiết kế máy biến áp Sơ lược lịch sử phát triển lõi dẫn từ máy biến áp - Lõi biến áp (1885, Stanley) làm thép cacbon có từ trường từ hóa H cao điện trở suất nhỏ (~ 25-30 cm) Sau đó, lõi biến áp làm thép silicon (còn goi tôn Silic Fe-Si) có điện trở suất cao (50-60 cm) Những năm 80-90 kỉ XX, thép tôn Silic định hướng cán nguội có điện trở suất cao lục kháng từ nhỏ chế tạo sử dụng Cũng vào khoảng năm 80 kỉ XX, thép vô định hình (thép biến siêu mỏng) đời Nhờ vào thành phần cấu trúc vi mô đặc biệt, thép vô định hình đáp ứng ba yêu cầu để giảm tổn hao lõi là: Lực kháng từ Hc nhỏ (5-10 A/m) so với (50-100 A/m tôn silic); độ dầy tự nhiên thép nhỏ (t~0,03mm) so với (t~0,3-0,5mm) tôn silic điện trở suất lớn ~130-170 cm (so với ~ 50-60 cm tôn silic) Hiện nhà khoa học nghiên cứu phát triển loại vật liệu dẫn từ Tương lai có máy biến áp nhỏ gọn kinh tế cao đời Nghiên cứu sử dụng vật liệu từ tiên tiến thiết kế máy biến áp Hiện nay, ngành chế tạo máy biến áp nước ta, vật liệu làm lõi dẫn từ thép kĩ thuật điện (tôn silic) truyền thống Tôn silic loại vật liệu từ mềm có cường độ từ cảm cao từ 1,4 1,5 T (đối với tôn cán nóng) 1,6 1,65 T(đối với tôn cán lạnh), có lực kháng từ Hc nhỏ ~50(A/m) có điện trở suất ~50-60 cm Tuy nhiên chưa phải loại vật liệu từ mềm lý tưởng để sản xuất máy biến áp Chúng ta biết để giảm tổn hao điện máy biến áp cần giảm tổn hao ngắn mạch (hay tổn hao đồng) tổn hao không tải (hay tổn hao sắt từ), muốn giảm hai loại tổn hao cải tiến quy trình công nghệ chế tạo cần phải nghiên cứu sử GVHD: Trần Văn Giảng 30 SVTH: Lê Văn Dương Trường ĐHSP Hà Nội Luận văn tốt nghiệp dụng loại vật liệu Tôi xin đề cập đến vấn đề sử dụng vật liệu thiết kế mạch từ máy biến áp Chúng ta biết để giảm tổn hao sắt từ máy biến áp cần giảm chủ yếu tổn hao từ trễ (~ HdB; H: Từ trường từ hóa, B: Cảm ứng từ) tổn hao dòng điện xoáy gây mát lượng tỏa nhiệt Công suất tổn hao Foucault tính theo công thức: Bs d k f f PFoucault = 3. Với d : Độ dày lõi Bs : Cảm ứng từ bão hòa lõi k f : Là hệ số đặc trưng f : Tần số từ trường xoay chiều : Khối lượng riêng vật liệu : Điện trở suất Như để giảm tổn hao dòng Foucault gây cần có vật liệu dẫn từ có điện trở suất lớn, độ dày thép nhỏ, lực kháng từ Hc nhỏ Hiện số nước tiên tiến Mỹ, Nhật, Nga sử dụng vật liệu dẫn từ vô định hình thiết kế máy biến áp với số ưu điểm trội sau: Tính chất Độ Hc Bs Tần số dày (A/m) (T) cm f (Hz) Vật liệu mm Thép kĩ thuật 0,3-0,5 50+ 1,65 50 5.101 Ferit 0,3 30 0,3 107+ 106 Permalloy 0,05 0,7 50+ 105 điện GVHD: Trần Văn Giảng 31 SVTH: Lê Văn Dương Trường ĐHSP Hà Nội Luận văn tốt nghiệp Nền VLVĐH 0,03 10 1,6+ 150+ 104 0,03 0,7 150+ 105 Fe Nền Co Qua bảng so sánh thấy vật liệu từ vô định hình Fe Co đáp ứng 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 tôn silic); độ dày tự nhiên thép nhỏ t~0,03mm (so với t~0,3-0,5mm tôn silic) có điện trở suất lớn ~130 cm-170 cm (so với ~50 cm-60 cm tôn silic) Nhờ vào tính chất mà tổn hao không tải máy biến áp dùng lõi dẫn từ vô định hình giảm mạnh tới gần 80% tức 10-25% so với máy biến áp dùng tôn silic truyền thống Điều minh họa qua bảng sau: Máy Công suất biến áp KVA pha pha Tổn hao không tải (W) Độ giảm tổn hao % Lõi thép Lõi thép KTĐ VĐH 50 140 32 75 100 245 62 75 300 1400 200 86 1000 3000 390 87 Về hiệu kinh tế, giá thành thép vô định hình cao so với tôn silic, nhiên tổn hao điện không tải nhỏ nên hiệu kinh tế rõ ràng Theo tính toán, thời gian thu lời 3-5 năm thay lõi dẫn từ tôn silic thép vô định hình: GVHD: Trần Văn Giảng 32 SVTH: Lê Văn Dương Trường ĐHSP Hà Nội Luận văn tốt nghiệp Biến áp 500KVA, pha, cấp điện áp 22KV Tổn hao không tải sử dụng 270W thép VĐH Tổn hao không tải sử dụng tôn 2.040W silic Tiết kiệm công suất điện 1.770W (2040W-270W) Tiết kiệm điện năm (chạy không tải) 15.505KWh (1.770 x 24h x 365):1000 Tiết kiệm tiền điện 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 giải tần số 50-60 Hz triển khai mạnh mẽ Hoa Kỳ, Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc, Nga Hiện nay, nước châu có khoảng 515.000 máy biến áp làm vật liệu từ vô định hình Tuy nhiên chưa dừng lại đó, nhà khoa học nghiên cứu tìm tòi phát triển loại vật liệu có tính chất từ ưu việt mà điển hình vật liệu từ mềm nano tinh thể Sản phẩm vật liệu từ mềm nano tinh thể Finemet (1988) nhóm nghiên cứu Y.Yoshizawa, S.oguma, K Yamauchi (phòng nghiên cứu vật liệu từ điện tử Hitachi Metals, Nhật Bản) Finemet vật liệu từ mềm có tính chất từ hoàn hảo, xếp vào nhóm vật liệu từ siêu mềm so với vật liệu từ truyền thống Điều thể qua bảng so sánh sau: GVHD: Trần Văn Giảng 33 SVTH: Lê Văn Dương Trường ĐHSP Hà Nội Luận văn tốt nghiệp Tính chất Độ Hc Bs Tần số dày (A/m) (T) cm f (Hz) 50+ 1,65 50 5.101 Vật liệu mm Thép kĩ thuật 0,3- điện 0,5 Ferit 0,3 30 0,3 107+ 106 Permalloy 0,05 0,7 50+ 105 0,03 10 1,6+ 150+ 104 0,03 0,7 150+ 105 O,02 1,5+ 150+ 105 Nền VLVĐH Fe Nền Co Vật liệu từ nano tinh thể Do việc nghiên cứu sử dụng vật liệu từ mềm nano tinh thể thiết kế chế tạo máy biến áp hướng đắn công nghệ chế tạo máy biến áp tương lai nước ta, từ năm 1990, nhờ quan tâm đầu tư Bộ khoa học công nghệ Bộ Giáo dục Đào tạo, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội triển khai nghiên cứu chế tạo vật liệu dẫn từ vô định hình nano tinh thể dạng băng mỏng 0,03mm triển khai ứng dụng vật liệu làm lõi biến tần số 400Hz cao hơn, phục vụ việc sửa chữa khí tài quân dụng Vài nghìn sản phẩm chủ yếu lõi dẫn từ công suất nhỏ, tần số 400 Hz chuyển đến tay người sử dụng Trong giai đoạn 2005 - 2007, trường chuyển giao công nghệ vật liệu từ đại (băng vô định hình, nano tinh thể, nam châm kết dính thiêu kết ) cho nhà máy thuộc Bộ Quốc GVHD: Trần Văn Giảng 34 SVTH: Lê Văn Dương Trường ĐHSP Hà Nội Luận văn tốt nghiệp Phòng Qua đó, tích luỹ nhiều kinh nghiệm quý phương diện công nghệ vật liệu khả phạm vi ứng dụng chúng Đây sở để nhà khoa học trường đề suất triển khai nghiên cứu xây dựng dây chuyền công nghệ chế tạo thép biến siêu mỏng cấu trúc vô định hình nano tinh thể với quy mô đủ lớn (30T/năm) chế tạo lõi dẫn từ cho máy biến áp phân phối điện tần số 50 Hz, công suất từ vài chục hàng trăm KVA Tôi tin tương lai không xa Việt Nam có nhà máy sản xuất vật liệu từ vô định hình 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 kinh tế đảm bảo an ninh lượng quốc gia GVHD: Trần Văn Giảng 35 SVTH: Lê Văn Dương Trường ĐHSP Hà Nội Luận văn tốt nghiệp Phần 3: Kết luận Sau trình tìm tòi nghiên cứu tài liệu đề tài hoàn thành Trong đề tài hoàn thành nhiệm vụ đặt ra: - Tầm quan trọng việc nâng cao hiệu suất máy biến áp - Tổng quan máy biến áp - Nghiên cứu sử dụng vật liệu từ tiên tiến thiết kế máy biến áp Đây vấn đề tương đối mẻ Do điều kiện thời gian ngắn sinh viên bước đầu làm quen với phương pháp nghiên cứu khoa học nên đề tài không tránh khỏi hạn chế thiếu sót định Vì vậy, mong nhận đóng góp ý kiến quý thầy cô bạn bè để đề tài hoàn thiện GVHD: Trần Văn Giảng 36 SVTH: Lê Văn Dương Trường ĐHSP Hà Nội Luận văn tốt nghiệp Tài liệu tham khảo [1] Phan Tử Thụ - Thiết kế máy biến áp điện lực NXB Khoa học 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 GVHD: Trần Văn Giảng 37 SVTH: Lê Văn Dương [...]... 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. .. mức sơ cấp I1đm và thứ cấp I2đm : Là những dòng điện dây của dây quấn sơ cấp và thứ cấp ứng với công suất và điện áp định mức, tính bằng kilô ampe (KA) hay ampe (A) - Tần số định mức fđm : Tính bằng Hz Thường máy biến áp điện lực có tần số công nghiệp là 50 Hz hoặc 60 Hz Ngoài ra trên nhãn máy biến áp điện lực còn ghi những số liệu khác như: Số pha m, sơ đồ và tổ nối dây quấn, điện áp ngắn mạch un... của máy biến áp: % (1 GVHD: Trần Văn Giảng P0 Pn ).100 Pdm P0 Pn 29 SVTH: Lê Văn Dương Trường ĐHSP Hà Nội 2 Luận văn tốt nghiệp 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. .. với (t~0,3-0,5mm) của tôn silic và điện trở suất rất lớn ~130-170 cm (so với ~ 50-60 cm 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... 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. .. tổn hao trong máy biến áp 3.1 Tổn hao ngắn mạch Tổn hao ngắn mạch của máy biến áp hai dây quấn là tổn hao trong máy biến áp khi ngắn mạch một dây quấn còn dây kia đặt vào điện áp ngắn mạch un để cho dòng điện trong cả hai dây quấn đều bằng định mức Tổn hao ngắn mạch có thể chia ra các thành phần như sau: * Tổn hao chính, tức tổn hao đồng trong dây quấn HA và CA do dòng điện gây ra Pcu1 và Pcu2 * Tổn... Đối với máy biến áp một pha: Gg = (Gg 2G0) + 4G0 (kg) - Tổn hao không tải: p p P0 = k pc k pb pt Gt pg (Gg ' NG0 ) t g G0 k p 0 pk nk Tk k pg k pe k pt 2 Trong đó N là số lượng góc nối của mạch từ Đối với máy biến áp ba pha N = 4; với máy biến áp một pha N = 2 GVHD: Trần Văn Giảng 28 SVTH: Lê Văn Dương Trường ĐHSP Hà Nội 2 Luận văn tốt nghiệp k p 0 kn k p 0' kt k p 0'' là hệ số kể... silic là một loại vật liệu từ mềm có cường độ từ cảm cao từ 1,4 1,5 T (đối với tôn cán nóng) và 1,6 1,65 T(đối với tôn cán lạnh), có lực kháng từ Hc nhỏ ~50(A/m) và có điện trở suất ~50-60 cm 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... 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 Độ Hc Bs Tần số dày (A/m)... 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 1000 63000 KVA, tổn hao phụ ở vách thùng có thể tính gần đúng theo công thức sau: f ).104 50 Pt 2 pt 2( R r12 ) k u 2 2 3 ( (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) f : Tần số (Hz) ... dạn tìm hiểu đề tài: Máy biến áp số giải pháp nâng cao hiệu suất máy biến áp Đối tượng phạm vi 2.1 Đối tượng: Nghiên cứu máy biến áp giải pháp nâng cao hiệu suất máy biến áp 2.2 Phạm vi nghiên... gọi máy biến áp pha, máy biến áp biến đổi hệ thống dòng điện xoay chiều ba pha gọi máy biến áp ba pha Máy biến áp ngâm dầu gọi máy biến áp dầu, máy biến áp không ngâm dầu gọi máy biến áp khô, máy. .. diện lí thuyết, số giải pháp kĩ thuật nhằm nâng cao hiệu suất MBA Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu 3.1 Mục đích nghiên cứu: Nâng cao hiệu suất máy biến áp biện pháp quan trọng để tăng hiệu kinh tế 3.2