Bài viết giới thiệu sơ lược về nguyên lý cơ bản của máy biến áp không định hình (amorphous) lõi C và các đặc tính từ hóa có liên quan. Bên cạnh đó, bài viết còn đề cập về các quan điểm chính của quá trình thiết kế loại máy biến áp này so sánh với các loại máy biến áp truyền thống.
Trang 1BảN TiN HỘi Miền naM - THáNg 4/2016 17
TRÍCH LƯợC
Bài viết giới thiệu sơ lược về
nguyên lý cơ bản của máy biến án
không định hình (amorphous) lõi C
và các đặc tính từ hóa có liên quan
Bên cạnh đó, bài viết còn đề cập về
các quan điểm chính của quá trình
thiết kế loại máy biến áp này so sánh
với các loại máy biến áp truyền thống
Ưu điểm của máy biến áp lõi không
định hình so với các loại máy biến áp
truyền thống đó là: tổn hao lõi thấp,
dòng từ hóa thấp, dòng thứ tự không
ít hơn, vận hành êm hơn, hiệu suất
cao hơn và có tuổi thọ cao hơn
thể và được gọi là hợp kim vô định hình Cấu trúc này trái ngược với cấu trúc phân tử của tôn cán lạnh định hướng truyền thống và cho phép tăng cường khả năng từ hóa của vật liệu
Mô hình sản xuất vật liệu không định hình như sau: bước 1 - nung chảy vật liệu, bước 2- cán ép tấm, bước 3 - điều chỉnh độ dày cán ép tấm, bước 4 – quấn cuộn Các bước 2,3,4 đều được làm lạnh nhanh với tỉ lệ 106 C/s
TỔNG QUAN VỀ MÁY BIẾN ÁP
AMORPHOUS
tHs.trần tHế Du
Ban Quản lý Đầu tư – EVN SPC
Tổn hao của lõi máy biến áp được quyết định bởi khả năng từ hóa của vật liệu Khả năng từ hóa càng cao, tổn hao càng thấp Ưu điểm của máy biến áp lõi không định hình đó là tổn hao lõi thép rất thấp Trong các loại vật liệu không định hình trên thị trường hiện nay, vật liệu mang cấu trúc iron-boron-silicon (Fe78B13Si9) được đánh giá cao và áp dụng phổ biến với tỉ lệ tổn hao rất có ưu thế
so với các loại máy biến áp truyền thống
CÁC CHỈ SỐ CHÍnH TROng QuÁ TRÌnH THiẾT KẾ MÁY BiẾn ÁP
1) Điểm hạn chế của vật liệu không định hình đó là giới hạn bão hòa thấp, giòn hơn và chi phí đầu tư ban đầu cao hơn ( theo (Boyd E.L and Borst J.D 1984, Nicols DeCristofaro 1998) Đặc tính từ hóa (B-H) của hai loại vật liệu được thể hiện trong biểu đồ 2 giới hạ bão hòa của vật liệu không định hình (Fe78B13Si9)
là 1.69 Tesla và 2.03 Tesla đối với vật liệu CRgO Do đó, vật liệu không định hình chỉ thích hợp sử dụng cho các máy biến áp phân phối
Xét về khía cạnh tổn thất: tổn thất lõi của các máy biến áp phân phối chủ yếu phụ thuộc vào mật độ từ thông Bm Tổn thất lõi Pc được tính theo công thức (Lee Ji-kwang, 1999)
MỞ ĐẦu
Lịch sử phát triển của công nghệ
lõi máy biến áp bắt đầu từ năm 1985
Khi đó, lõi máy biến áp làm từ vật liệu
thép carbon Không lâu sau đó, vật
liệu thép carbon được thay thế bằng
tôn xilic (silicon steel) Hiện nay, vật
liệu chính của các loại máy biến áp
đang lưu hành được áp dụng là tôn
cán lạnh định hướng (CRgO) Các yêu
cầu về giảm tổn thất, tiết kiệm năng
lượng và bảo vệ môi trường dẫn đến
nhu cầu cấp thiết phát triển công
nghệ lõi tổn thất thấp Vật liệu không
định hình (armorphous alloy) hiện là
vật liệu lý tưởng đáp ứng được các
nhu cầu nói trên
Một hợp kim vô định hình là gì?
Kim loại có cấu trúc tinh thể với một
sự sắp xếp có trật tự của các nguyên
tử. Một kim loại trong một trạng thái
lỏng ở nhiệt độ cao có thể giữ lại cấu
trúc chất lỏng của nó khi củng cố nếu
nó được làm lạnh nhanh chóng. Các
hợp kim phi tinh thể kết quả có một
sự sắp xếp ngẫu nhiên của các tinh
Trang 218 BảN TiN HỘi Miền naM - THáNg 4/2016
Pc = [6.5(f/1000) 1.51 Bm 1.74 ] watts/Kg.
Biểu đồ 1 thể hiện đặc tính từ trễ của hai loại vật liệu Dễ
dàng thấy được tổn hao từ trễ của vật liệu không định hình
thấp hơn loại vật liệu truyền thống
đó là sự xuất hiện của dòng thứ tự không Đối với máy biến
áp không định hình, thực nghiệm cho thấy dòng thứ tự không được giảm một cách đáng kể
6.) Đối với các máy biến áp truyền thống, dòng từ hóa của máy biến áp bằng khoảng 1% hoặc 2% dòng định mức Cường độ dòng từ hóa phụ thuộc vào hai yếu tố: 1- đường đặc tính từ hóa và số khớp nối trong lõi máy biến áp khi lắp đặt Thông thường, các máy biến áp 3 pha 3 dây truyền thống có khoảng 6 khớp nối lắp đặt Các máy biến áp lõi không định hình có kết cấu lõi hình C, do đó chỉ có 3 khớp nối lắp đặt Điều này chứng minh dòng từ hóa của các máy biến áp lõi không định hình thấp hơn các máy biến áp truyền thống
Hình 1-a Lõi hình C hình 1 b- Bố trí lõi hình C – Máy biến áp 1 pha
Hình 1c -Cấu trúc lõi hình C máy biến áp 3 pha
7.) Tuổi thọ trung bình của máy biến áp lõi không định hình theo khuyến nghị của các nhà sản xuất là khoảng 30 năm
so sánh với trung bình 25 năm của các máy biến áp truyền thống
KẾT LuẬn
Ưu điểm của máy biến áp lõi không định hình so với các loại máy biến áp truyền thống đó là: tổn hao lõi thấp, dòng từ hóa thấp, dòng thứ tự không ít hơn, vận hành êm hơn, hiệu suất cao hơn và có tuổi thọ cao hơn Hiện tại, chi phí đầu tư cho một máy biến áp lõi không định hình tuy cao hơn các loại máy biến áp truyền thống nhưng lại đem lại lợi ích về mặt kinh tế và năng lượng sau một thời gian sử dụng nhất định do tổn thất lõi thấp
Với định hướng đầu tư lâu dài, EVN SPC trong năm
2015 đã lắp đặt khoảng 1.600 máy biến áp lõi không định hình với sự hỗ trợ đầu tư theo cơ chế tín chỉ chung JCM:
Cơ chế Hợp tác Tín chỉ - Joint Crediting Mechanism Đây là một bước tiến rất quan trọng trên quan điểm đầu tư và tiết kiệm năng lượng Ngày 26/2/2016 vừa qua, tại thành phố
Đà Lạt, Tổng công ty Điện lực miền Nam đã cùng với Công tyYuKo Keiso tổ chức Hội nghị khởi động dự án JCM 2016 với sự tham dự của đại diện Lãnh đạo Tổng công ty Điện lực miền Trung, Tổng công ty Điện lực Thành phố Hồ Chí Minh, Công ty TNHH MTV Điện lực Khánh Hòa và Công ty TNHH MTV Điện lực Đồng Nai
THaM KHẢO
a. Amoiralis, Marina and Antonios, 2009: Transformer design and optimization: A literature survey, iEEE trans on Power Delivery vol 24 No 4, pp 1999-2024
b. Bendito Antonio, Misael Elias and Claudio Shyinti
Kim-Biểu đồ 1 – Đặc tính từ hóa
2.) Xét đến quan điểm đầu tư trong thiết kế máy biến
áp, tiết diện của lõi càng nhỏ thì càng kinh tế Tuy nhiên,
tiết diện càng nhỏ thì mật độ từ thông càng cao, do đó tổn
thất càng cao Với các máy biến áp loại lớn với thiết kế mật
độ từ thông thấp, tiết diện lõi tất nhiên sẽ phải lớn hơn và
do đó chi phí sản xuất lõi và quấn dây sẽ cao hơn
(Dasgup-ta 2011, Sawhney 2006, Say M.g 1977) Điều này cho thấy
nếu xét đến yếu tố kinh tế, vật liệu không định hình là loại
vật liệu không lý tưởng cho các máy biến áp công suất lớn
Kenedy (1998) nhấn mạnh rằng công nghệ máy biến
áp không định hình là loại công nghệ mang lại hiệu quả
về mặt tiết kiệm năng lượng với chi phí tăng hơn so với
vật liệu truyền thống (từ 20 – 30%) Chi phí sản xuất 1 máy
biến áp bao gồm chi phí lõi, chi phí quấn dây và chi phí sản
xuất Trong đó, chi phí lõi và chi phí quấn dây phụ thuộc
vào hình dạng và kích thước của tiết diện lõi Đối với các
loại lõi hình chữ nhật hoặc tam giác (lõi 1 cấp), chi phí lõi
thấp nhưng chí phí quấn dây lại cao so với các loại máy
biến áp đa cấp (multi stepped) khác
3.) Hệ số lấp đầy (Ks) là tỉ lệ giữa tổng tiết điện dây quấn
trên tổng tiết diện cửa sổ mạch từ (wire fit in the core - dây
quấn thích hợp với lõi từ) Với vật liệu truyền thống, tỉ lệ
này là 0.9 hoặc hơn, đối với vật liệu không định hình, tỉ lệ
này là từ 0.8 đến 0.9 (Bendito et al 1999) Với việc giảm hệ
số lấp đầy nói trên, tổng tiết diện lõi sẽ tăng dẫn đến kích
thước tổng thể tăng Điểm trừ là kích thước tăng sẽ làm chi
phí tăng, tuy nhiên, điểm cộng chính là khả năng tản nhiệt
sẽ tốt hơn
4.) Theo Amoiralis (2009), chi phí cho máy biến áp có thể
xem xét trên khía cạnh tổng chi phí sở hữu (TOC) bao gồm:
chi phí mua máy biến áp cộng với tổng tổn thất trong quá
trình vận hành Qua một thời gian vận hành, tổng chi phí
sở hữu tăng lên, lúc này, máy biến áp không định hình với
chi phí đầu tư ban đầu cao hơn và tổn thất giảm, do đó,
máy biến áp không định hình sẽ trở nên kinh tế qua một
thời gian vận hành nhất định
5.) Trong trường hợp máy biến áp 3 pha, 3 cuộn dây, tình
trạng bất đối xứng hay xảy ra do chiều dài các đường sức
từ của 3 pha không bằng nhau (ΦA , ΦB , and ΦC) Trong
trường hợp này, ΦB được tạo ra bởi dây quấn trung tâm
và ΦA và ΦC được tạo ra bởi các cuộn dây ở cạnh biên lõi
máy biến áp Kết quả của tình trạng bất đối xứng nói trên
Trang 3BảN TiN HỘi Miền naM - THáNg 4/2016 19
inami, 1999: Single phase 1-KVA Amorphous core
Trans-former, iEEE trans on magnetics, vol- 35,No.4, July
c. BHEL, 2009: Transformers Tata Mc-graw Hill
publica-tion, Australia
d. Boyd E.L and Borst J.D 1984: Design concepts for an
amorphous metal distribution transformer, iEEE Trans
Pow-er Apparatus and Systems, vol.103,no.11,pp.3365-3372
e. Dasgupta i 2011: Design of transformers, Tata Mcgraw
Hill publishers
f. Kennedy B 1998: Energy Efficient Transformers,
Mc-graw-Hill
g. Kulkarni S.V.,Khaparde S.A 2005: Transformer
Engi-neering: Design and Practice, Marcel Dekker, inc New
York, USA
h. Lee Ji-Kwang 1999: Development of three phase
100 KVA superconducting power transformer with
amor-phous core, iEEE trans on Applied superconductivity, vol.9, No.2.pp.1293-1296
i. Martin J Heathcote 1988: J and P Transformer book, Ox-ford university press
j Say M.g 1977: Performance and Design of AC Ma-chines, Pitman, London
k Chulz R N Chretien, N Alexandrov and Aubin R 1998:
A new design for amorphous core distribution transformer, Materials Science and Engineering, vol.99(1-2),pp 19-21
l Journal of Emerging Trends in Engineering and Applied Sciences (JETEAS) 3(2):217-220 (iSSN: 2141-7016)
m. URL:http//www.hitachi-ies.co.jp/products/trans/in-dex.htm (Accessed on 23-March-2012)
n.www.hilltech.com/products/emc /Amorphous_ Shielding.html (Accessed on 23-March-2012)
HỘI THẢO PHỔ BIẾN TIÊU CHUẨN QUỐC GIA VỀ HIỆU SUẤT NĂNG LƯỢNG CỦA MÁY BIẾN ÁP
V ừa qua, đại diện Tổng công ty Điện lực miền Nam
đã tham dự Hội thảo phổ biến một số nội dung
cập nhật, hiệu chỉnh tiêu chuẩn Quốc gia về Máy
biến áp (MBA) gồm TCVN 8525:2015 và TCVN
6306-1:2015 Hội thảo do Viện tiêu chuẩn chất lượng Việt
Nam phối hợp với Hiệp hội Đồng Quốc tế tại Việt Nam tổ
chức, có sự tham gia của các Đơn vị trong ngành điện và
các Nhà sản xuất Máy biến áp
Nội dung Hội thảo gồm 3 phần: i) Các quy định về dán
nhãn năng lượng đối với máy biến áp; ii) Cập nhật các nội
dung TCVN 8525:2015; Cập nhật nội dung TCVN
6306-1:2015;
Đối với việc dán nhãn năng lượng: Theo Quyết định số
51/2011/QĐ-TTg ngày 12/9/2011 V/v “quy định danh mục
phương tiện thiết bị phải dán nhãn năng lượng, áp dụng
mức hiệu suất năng lượng tối thiểu và lộ trình thực hiện”
Từ ngày 01/01/2015 không được phép sản xuất và nhập
khẩu các thiết bị có mức năng lượng nhỏ hơn mức hiệu
suất năng lượng tối thiểu
Bộ Khoa học công nghệ sẽ chủ trì ban hành tiêu chuẩn
hiệu suất năng lượng và sẽ thực hiệu soát xét, công bố 05
năm một lần tiêu chuẩn hiệu suất năng lượng
Để thực hiện việc dán nhãn năng lượng các doanh
ng-hiệp phải thực hiện thử nghiệm và trình hồ sơ cho Tổng
cục Năng lượng đánh giá chứng nhận sau đó Bộ Công
Thương sẽ cấp giấy chứng nhận
Tiêu chuẩn Việt Nam về mức hiệu suất năng lượng
(HSNL) hiện nay đang áp dụng phiên bản TCVN 8525:2010,
Ks.nguyễn BÌnH PHương
Ban KTSX-EVN SPC
Tiêu chuẩn Việt Nam về Hiệu suất năng lượng được ban hành lần 1 trong TCVN 8525:2010
Hiệu suất năng lượng là tỷ số phần trăm giữa công suất tác dụng đầu ra và công suất tác dụng đầu vào của MBA phân phối ở hệ số tải 50% và hệ
số công suất bằng 1, được xác định theo công thức:
trong đó :
E50% - hiệu suất tính bằng phần trăm của máy biến áp ở 50 % phụ tải và ở hệ số công suất bằng 1;
S - công suất danh định của máy biến áp phân phối tính bằng kVA;
Pk - tổn hao có tải của máy biến áp phân phối, tính bằng kW;
Po - tổn hao không tải của máy biến áp phân phối, tính bằng kW
Kết quả tính toán E50% phải được hiệu chỉnh
về nhiệt độ chuẩn là 75 oC theo TCVN 6306-1 (iEC 60076-1) đối với MBA ngâm dầu và TCVN 6306-11 (iEC 60076-11) đối với MBA loại khô
% 100 25
, 0 5 , 0
5 , 0
0
%
+
⋅ +
⋅
⋅
=
P P S
S E
k