BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

ĐOÀN THANH BẢO

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÁY BIẾN ÁP CÓ LÕI THÉP
SỬ DỤNG VẬT LIỆU VÔ ĐỊNH HÌNH
Chuyên ngành: Thiết bị điện – Điện tử

LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. PHẠM VĂN BÌNH

HÀ NỘI 2010


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công
trình nào khác.
Tác giả luận văn

Đoàn Thanh Bảo


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT...................................................4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ..........................................................................................5
DANH MỤC CÁC BẢNG...............................................................................................9

Vật liệu từ mềm vô định hình và nanomet:........................................................34

2.3.1. Vật liệu từ mềm vô định hình: .......................................................................34
2.3.2

Vật liệu từ mềm nanomet:..............................................................................35

2.4. Các tính chất từ: ......................................................................................................36
2.4.1. Dị hướng từ tinh thể: ......................................................................................36
2.4.2. Dị hướng từ đàn hồi: ......................................................................................40
2.4.3. Dị hướng từ cảm ứng: ....................................................................................41
2.5.
2.5.1

Tổn hao công suất trong lõi dẫn từ và khả năng ứng dụng:...............................41
Tổn hao từ trễ ................................................................................................41

2.5.2. Tổn hao dòng xoáy.........................................................................................43

-1-


2.5.3. Tổn hao công suất trong lõi dẫn từ. ...............................................................43
2.5.4. Khả năng ứng dụng. .......................................................................................45
2.6.

Các phương pháp chế tạo vật liệu vô định hình:................................................46

2.7.


3.2.2.3. Dây quấn hình xoắn: .................................................................................73

-2-


3.2.2.4. Dây quấn hình xoáy ốc liên tục:................................................................75
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3.......................................................................................77
CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT TỪ TRƯỜNG VÀ TỔN HAO KHÔNG TẢI MÁY
BIẾN ÁP SỬ DỤNG LÕI THÉP VẬT LIỆU VÔ ĐỊNH HÌNH BẰNG
PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ...............................................................78
4.1. Giới thiệu chung:....................................................................................................78
4.2. Phương pháp phần tử hữu hạn với chương trình FEMM:......................................78
4.2.1. Giới thiệu phần mềm FEMM:.........................................................................78
4.2.2. Các thông số thiết kế của MBA khi sử dụng phần mềm FEMM:...................80
4.3. Ứng dụng phần mềm FEMM trong việc khảo sát sự phân bố từ trường và tổn hao
không tải của máy biến áp 50kVA - 35kV/0,4kV..........................................................81
4.3.1. Các thông số thiết kế được sử dụng. ...............................................................81
4.3.1.1. Mô hình và kích thước mạch từ: ...............................................................81
4.3.1.2. Các thông số cuộn dây: .............................................................................82
4.3.1.3. Thông số về dòng điện trên các cuộn dây.................................................83
4.3.2. Nhập số liệu và kết quả hiển thị sau khi chạy chương trình: .........................84
4.3.2.1. Nhập số liệu: .............................................................................................84
4.3.2.2. Kết quả sau khi chạy chương trình với thép KTĐ 2211 ...........................84
4.3.2.3. Kết quả sau khi chạy chương trình với thép VĐH:...................................88
4.3.2.4. So sánh kết quả và kết luận:......................................................................91
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4.......................................................................................92
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................93
TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................95
PHẦN PHỤ LỤC...........................................................................................................99


EVN
VLKT
HTĐ

Tổn thất điện năng
Tập đoàn Điện lực Việt Nam.
Viện Vật lý kỹ thuật.
Hệ thống điện.

-4-


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình
1.1

Tên hình vẽ
Đồ thị biểu diễn xu hướng của thế giới sử dụng vật liệu tốt hơn
để giảm tổn hao không tải của máy biến áp.

Trang
22

1.2

Đường cong từ trễ của vật liệu vô định hình và thép silic.

23

1.3

2.4

Mô hình dị hướng ngẫu nhiên.

37

2.5

2.6

Dị hướng từ hiệu dụng <K> của vật liệu nanomet với định
hướng ngẫu nhiên của hạt phụ thuộc kích thước hạt D.
Lực kháng từ HC phụ thuộc vào kích thước hạt D của các vật
liệu mềm.

38

38

2.7

Các cấu trúc nguyên tử

48

2.8

Quy trình chế tạo vật liệu vô định hình

49

Máy biến áp 1 pha 50kVA - 6 kV/210 V.

53

2.14

Máy biến áp 3 pha: a) 3 trụ ; b) 5 trụ.

53

2.15

Máy biến áp khô 3 pha 1000kVA - 6 kV/210V.

54

3.1

Tiết diện trụ của MBA.

56

3.2

a – Ghép vuông góc. b – Ghép chéo góc.

56

3.3


Cuộn tôn

59

3.9

Giá quay của máy quấn băng.

59

3.10

a) Bộ phận truyền động dẫn băng tôn. b) Máy quấn tôn.

60

3.11

Hàn cố định lõi tôn.

61

3.12

Tháo khuôn mạch từ.

61

3.13



3.17

Lõi thép vô định hình.

63

3.18

Ghép thép vào cuộn dây.

63

3.19

a – Nén chặt mạch từ. b- Hàn mạch từ.

64

3.20

Các phương pháp quấn dây.

67

3.21

Dây quấn hình trụ một lớp.

67


3.27

Cách điện phần đầu của dây quấn hình ống nhiều lớp.

72

3.28

Dây quấn hình xoắn. a) mạch đơn. b) mạch kép.

73

3.29

Ví dụ về tăng chiều cao dây quấn của dây quấn mạch đơn có 4
sợi song song khi hoán vị.

74

3.30

Cách thực hiện hoán vị phân bố đều.

74

3.31

Dây quấn hình xoắn.


4.3

4.4

4.5

4.6

Mô hình đường sức từ MBA lõi thép KTĐ 2211 mang tải định mức.
Đường MN khảo sát từ trường MBA lõi thép KTĐ 2211 mang
tải định mức.
Đồ thị biểu diễn độ lớn cảm ứng từ B dọc đường MN của
MBA lõi thép KTĐ 2211 mang tải định mức.
Đường MN khảo sát từ trường MBA lõi thép KTĐ 2211 khi
không tải.
Đồ thị biểu diễn độ lớn cảm ứng từ B dọc đường MN của MBA
lõi thép KTĐ 2211 khi không tải.

85
85

86

86

87

4.7

Mô hình đường sức từ MBA lõi thép VĐH mang tải định mức.

1.2
1.3
2.1
3.1

Tên bảng
So sánh tổn hao không tải máy biến áp 1 pha và 3 pha có lõi
thép silic thông thường và lõi thép vô định hình.
Tổn hao sắt từ (Fe), tổn hao đồng và tổng tổn hao của máy biến
thế cùng công suất sử dụng hai loại vật liệu dẫn từ khác nhau.
Hiệu quả kinh tế khi sử dụng lõi dẫn từ VĐH.
So sánh một số thông số kỹ thuật của thép vô định hình và
thép cán nguội.

Trang
25

25
26
47

Kích thước lá đồng và nhôm thường gặp.

71

PL.1

Quan hệ B(H) của lá thép kỹ thuật điện cán nguội 2211.

100

105

PL.5.2

Máy biến áp khô 3 pha – 1000kVA – 6kV/210V-60Hz

107

PL.5.3

Máy biến áp 1 pha – 50kVA – 6kV/210V-60Hz

-9-


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Máy biến áp đầu tiên, xuất hiện vào khoảng năm 1890, là kiểu máy biến áp khô,
bị giới hạn bởi cấp điện do độ cách điện của vật liệu cách điện hiện có lúc bấy giờ có
độ chịu nhiệt thấp còn bị giới hạn bởi công suất của máy do phương thức làm mát, mức
độ chịu nhiệt của cách điện dây dẫn và vật liệu làm lõi chưa đáp ứng hết yêu cầu để
giảm tổn hao. Thời gian sau, với sự xuất hiện của tôn silic đã tiếp tục làm giảm tổn
hao. Cho đến năm 1972, hàng ngàn máy biến áp ra đời phục vụ đời sống.
Máy biến áp là một thiết bị điện vô cùng quan trọng trong ngành điện. Khi điện
được sản xuất ra thì phải truyền tải điện năng tới nơi tiêu thụ, trong quá trình truyền tải
điện năng đó thì không thể vắng mặt các máy biến áp, nó dùng để tăng và giảm điện áp
lưới sao cho phù hợp nhất đối với việc tăng điện áp lên cao để tránh tổn thất điện năng
khi truyền tải cũng như giảm điện áp cho phù hợp với tiêu thụ.
Trong quá trình truyền tải, phân phối và tiêu thụ điện năng đã phát sinh sự tổn
thất khá lớn. Cho nên giảm tổn thất điện năng là một vấn đề cần thiết không chỉ đối

khí thải CO2. Ngoài ra, vật liệu từ mềm nano tinh thể cũng được nghiên cứu phát triển
và ứng dụng. Ngoài khả năng giảm mạnh tổn hao điện năng trong lõi dẫn từ của các
máy biến áp 50 Hz, các vật liệu vô định hình và nano tinh thể còn được sử dụng trong
các thiết bị hoạt động ở giải tần số cao (400-30.000 Hz), rất cần trong công nghiệp
quân sự và kỹ thuật điện tử.
Ở nước ta, từ năm 1990, tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và sau đó nhiều
đơn vị khác đã triển khai nghiên cứu chế tạo vật liệu dẫn từ vô định hình và nano tinh
thể dưới dạng băng mỏng 0,03 mm bằng công nghệ nguội nhanh liên tục và triển khai
ứng dụng vật liệu này. Và khả năng vật liệu từ nguội nhanh này đưa vào ứng dụng
trong kỹ thuật làm các lõi dẫn từ của các máy biến áp ở tần số 50 Hz ở nước ta là rất
lớn.

- 11 -


2. Ý nghĩa khoa học – thực tiễn:
-

Luận văn đã nghiên cứu về vật liệu từ vô định hình và công nghệ chế tạo vật
liệu vô định hình.

-

Luận văn đã đưa ra đặc tính kỹ thuật và so sánh tính chất từ của vật liệu vô
định hình với thép kỹ thuật điện.

-

Luận văn đã nghiên cứu về sử dụng vật liệu vô định hình chế tạo lõi thép
MBA giảm tổn hao không tải và khả năng ứng dụng ở nước ta.

với thép kỹ thuật điện.

-

Nghiên cứu công nghệ chế tạo mạch từ và dây quấn của máy biến áp có lõi
thép vật liệu vô định hình.

-

Khảo sát từ trường và tổn hao không tải MBA sử dụng lõi thép bằng vật liệu
vô định hình bằng Phương pháp Phần tử hữu hạn.

- 12 -


™ Những thuận lợi và khó khăn khi tiến hành nghiên cứu:
-

Thuận lợi:
Về lĩnh vực lý thuyết, thừa kế kho tài liệu về MBA [1] [2], [9], [16],[19],

[20] là các tài liệu chuyên sâu, đề cập một cách chi tiết và có hệ thống những
vấn đề cơ bản về lý thuyết, công nghệ chế tạo, kinh nghiệm vận hành, bảo
dưỡng và thử nghiệm máy biến áp.
Các phương pháp hiện đại trong nghiên cứu tính toán thiết kế kỹ thuật
điện [6] là tài liệu chuyên sâu trình bày đầy đủ và hệ thống các phương pháp
hiện đại nghiên cứu từ trường trong các thiết bị điện.
Đặc tính kỹ thuật và tính chất từ của vật liệu vô định hình đã được
nghiên cứu đầy đủ và chi tiết [5], [11].
Ứng dụng vật liệu từ vô định hình vào sản xuất lõi biến áp, lõi dẫn từ đã

là thuần trở.

-

Trong khi chạy phần mềm FEMM, xem lõi thép vô định hình là đồng nhất
và không bị thay đổi từ tính.

™ Nội dung luận văn: gồm 4 chương
• Chương 1: Tổng quan về các phương pháp giảm tổn thất điện năng của
máy biến áp.
• Chương 2: Vật liệu từ mềm vô định hình.
• Chương 3: Công nghệ chế tạo mạch từ và dây quấn của máy biến áp vô
định hình.
• Chương 4: Khảo sát từ trường và tổn hao không tải MBA sử dụng lõi
thép bằng vật liệu vô định hình bằng Phương pháp Phần tử
hữu hạn.

- 14 -


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG CỦA
MÁY BIẾN ÁP.
ĐẶT VẤN ĐỀ:
Trong sự phát triển kinh tế - xã hội của đất nước, ngành Điện lực giữ vai trò
quan trọng. Cùng với sự tăng trưởng kinh tế nhu cầu về điện năng của nước ta trong
những năm gần đây tăng rất nhanh, cụ thể:
− Năm 2005, sản lượng điện sản xuất (toàn hệ thống điện Quốc Gia) là: 44.922 GWh.
− Năm 2006, sản lượng điện sản xuất là: 51.318 GWh tăng 14,2% so với năm 2005.
− Năm 2007, sản lượng điện sản xuất là: 58.412 GWh tăng 13,8% so với năm 2006.

Trung tâm Điều độ HTĐ Quốc Gia triển khai đồng bộ các giải pháp, kết quả TTĐN
toàn EVN đã giảm từ 12,23% (năm 2003) xuống 9,21% (năm 2008). Để tiếp tục đẩy
mạnh công tác giảm TTĐN trên hệ thống lưới điện, Ban chỉ đạo giảm TTĐN của EVN

- 15 -


đã ban hành “Hướng dẫn các biện pháp cơ bản về quản lý kỹ thuật – vận hành và quản
lý kinh doanh để giảm TTĐN”. Hướng dẫn này hệ thống hóa lại các giải pháp giảm
TTĐN trong nhiều năm qua, phổ biến đến tận các tổ đội quản lý vận hành, quản lý kinh
doanh nhằm tiếp tục tăng cường các biện pháp quản lý giảm TTĐN.
Ngày 12/3/2010, [8] Bộ Công Thương đã có chỉ thị số 10/CT-BCT về tăng cường
công tác tiết kiệm điện năm 2010. Theo đó, Bộ yêu cầu UBND các tỉnh, thành phố trực
thuộc Trung ương giao Sở Công Thương các địa phương đẩy mạnh triển khai các biện
pháp tiết kiệm điện theo Chỉ thị số 19/2005/CT-TTg của Thủ Tướng Chính Phủ. Thực
hiện chỉ đạo của Bộ Công Thương, ngày 23/3/2010, Tập đoàn Điện lực Việt Nam đã ra
Chỉ thị số 993/CT-EVN về việc tăng cường công tác tiết kiệm điện năm 2010.
Đúng 20h30 tối 27/3/2010, 20 tỉnh thành trong cả nước đã đồng loạt tắt đèn và
các thiết bị sinh hoạt không cần thiết để hưởng ứng chiến dịch “Giờ Trái đất năm
2010”. Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) đã tích cực tham gia với vai trò là nhà tài
trợ chính và là một trong các Đại sự thiện chí của chương trình. Trung tâm Điều độ Hệ
thống điện Quốc gia cho biết: Trong Giờ trái đất, toàn hệ thống tiết kiệm được 500.000
kWh, tương đương khoảng 450 triệu đồng (với chương trình Giờ trái đất năm 2009. cả
nước tiết kiệm được 140.000 kWh) [8].
Chiều 26/07/2010, dưới sự chủ trì của Phó Thủ tướng Hoàng Trung Hải, Ban chỉ
đạo chương trình mục tiêu quốc gia về sử dụng năng lượng tiết kiệm, hiệu quả đã đánh
giá kết quả thực hiện giai đoạn I của Chương trình, bước đầu đề xuất các nội dung triển
khai giai đoạn II (2011-2015). Theo báo cáo của Ban chỉ đạo, trong 3 năm từ 2006 đến
2008, lượng năng lượng tiết kiệm được tương đương 15,2 tỷ kWh điện. Tỷ lệ tiết kiệm
tăng dần theo các năm với mức 1,56%, 3,15% và 3,48%. Kết luận cuộc họp, Phó Thủ

d - độ dày của lá thép

•

f - tần số từ trường xoay chiều

+ tỉ lệ nghịch với:
•

γ - Khối lượng riêng vật liệu,

•

ρ - điện trở suất.

Muốn giảm tổn hao dòng xoáy thì vật liệu dẫn từ phải được chế tạo thành
các lá thép mỏng, điện trở suất cao và dùng ở tần số thấp.
- Tổn hao từ trễ được đặc trưng bởi đường cong từ trễ của vật liệu và thông số
quan trọng tạo ra chu trình trễ là lực kháng từ Hc, lực kháng từ Hc càng nhỏ thì tổn hao
từ trễ sẽ nhỏ.

- 17 -


Sự phát triển của Khoa học - công nghệ đã có nhiều loại vật liệu từ mềm với đặc
tính ngày càng tốt hơn và tổn hao ít hơn. Sau đây, là một số vật liệu từ mềm [51]:
- Tôn silic: Là hợp kim của sắt (khoảng 85%), với Silic (Si), hoặc chứa thêm
khoảng 5,4% nhôm (Al), còn được gọi là hợp kim Sendust, là một trong những vật liệu
sắt từ mềm được dùng phổ biến nhất có độ cứng cao, có độ từ thẩm cao và tổn hao trễ
thấp. Tuy nhiên, vật liệu này trên nền kim loại, nên có điện trở suất thấp.

Trong những năm 1960, giấy cách điện kiểu màng mỏng và polyamit (như Mylar
cho cấp F và Nomex cho cấp H) được sử dụng để thiết kế MBA khô hiện đại và tin cậy
hơn. Các chất cách điện có độ chịu nhiệt cao hơn đã nâng cao được hiệu suất của MBA
mà lại sử dụng ít vật liệu hơn, do đó làm cho máy gọn nhẹ hơn, tổn hao ít hơn, tiết
kiệm chi phí vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa. Thêm vào đó, MBA dầu lại không đáp
ứng được những địa điểm có yêu cầu nghiêm ngặt về môi trường và an toàn – phòng
chống cháy nổ. Nhu cầu về sử dụng MBA khô đã tạo ra hướng nghiên cứu và phát
triển công nghệ chế tạo MBA khô tốt hơn, vận hành tin cậy và chống cháy tốt hơn.
Vào những năm 1950 ngành khoa học vật liệu mới composite phát triển mạnh ở
các nước phát triển và người ta đã ứng dụng nó làm vật liệu cách điện cho máy biến áp.
Kết quả là từ đó đến nay số lượng máy biến áp khô đúc epoxy được tiêu thụ rất nhiều
trên thế giới và là ngành sản xuất chủ lực của một số hãng nổi tiếng như ABB,
Schneider, Sismens,… MBA khô có cuộn dây đúc trong epoxy và công nghệ đúc
epoxy trong môi trường chân không đã làm cho cuộn dây MBA tránh được triệt để sự
xâm nhập của hơi ẩm và muối. Đây là các đặc tính lý tưởng thay thế cho các công nghệ
khác trong các phương tiện liên quan đến đường thủy, bãi biển và các nhà máy xử lý
nước.
Lõi biến áp đầu tiên (1885, Stanley) làm bằng thép lá cacbon có điện trở suất
nhỏ (ρ ~ 25-30 µΩ.cm). Sau đó, lõi biến áp được làm bằng lá thép silicon (còn gọi là

- 19 -


tôn silic, Fe-Si) có điện trở suất cao hơn (ρ ~ 50-60 µΩ.cm). Những năm 80-90 của thế
kỷ XX, tôn silic định hướng (cán nguội) có điện trở suất cao và lực khử từ HC nhỏ đã
được chế tạo và sử dụng.
Từ năm 1947, cấu trúc vô định hình của chất rắn được phát hiện và phát
triển cho đến nay gọi là vật liệu từ mềm vô định hình, quá trình phát triển trải qua
nhiều giai đoạn khác nhau, sau đây là quá trình phát triển của vật liệu từ mềm vô định
hình:

Bên cạnh nước Mỹ, các nước Tây Âu và Nhật Bản đã nghiên cứu và phát
triển vật liệu vô định hình.

™ Ở Trung Quốc:
-

Năm 1977, Thành lập nhóm nghiên cứu vật liệu tại Viện nghiên cứu sắt
và thép (CISRI), thiết bị (dạng nhỏ) làm nguội nhanh dạng băng ngoài
không khí đã được sản xuất và kiểm tra.

- 20 -


-

Năm 1980, từ 3÷10 kg sản phẩm vật liệu làm nguội nhanh đã được ra đời
ở CISRI và đã giới thiệu cho khách hàng.

-

Năm 1986, Băng vô định hình Nền Fe-Ni với 40 kg, bề rộng 100mm
được sản xuất tại CISRI.
Dự án sản xuất băng vô định hình nền Fe với công suất 100 tấn/năm được
bắt đầu.

-

Năm 1988, Thành công kỹ thuật quấn băng tự động tại CISRI. Nó là một
trong mười thành công mới của Khoa học – công nghệ trong năm tại
Trung Quốc.


Nhờ vào thành phần và cấu trúc vi mô đặc biệt, thép vô định hình (VĐH) đáp
ứng cả 3 yêu cầu để giảm tổn hao lõi là: lực kháng từ rất nhỏ, HC ~ 5-10 A/m (so với
~50-100 A/m của tôn silic); độ dày tự nhiên của lá thép rất nhỏ, t ~ 0.03 mm (so với ~
0,3-0,5 mm của tôn silic) và điện trở suất rất lớn ρ ~ 130-170 micro Om cm (so với
~50-60 micro Om cm của tôn silic). Nhờ vào các tính chất trên mà tổn hao lõi của
thép VĐH giảm mạnh so với thép silicon loại tốt nhất.
PFe (W)

100

7 lần

150

Thép silic
3 lần

Tổn hao lõi thép

200

50
Vật liệu vô
định hình
1955

1960 1965

1970

định hình

1,6
1,2
0,8
04

1,4

1,2 1,0 0,8

0,6

0,4

0,2

0
0,2

04

Thép silic

0,4

0,6

0,8