Thiết kế và đo đạc thực nghiệm máy biến áp có lõi thép bằng vật liệu vô định hình

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Thiết kế và đo đạc thực nghiệm máy biến áp có lõi thép bằng vật liệu vô định hình thực hiện tính toán, thiết kế và sản xuất một MBA ba pha lõi thép VĐH công suất 10 kVA, điện áp 22/0,4 kV. Các kết quả đo đạc thực nghiệm ở chế độ làm việc không tải và ngắn mạch như: dòng điện, điện áp, tổn thất được so sánh với kết quả mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Thiết kế và đo đạc thực nghiệm máy biến áp có lõi thép bằng vật liệu vô định hình

42 Đỗ Chí Phi, Đoàn Thanh Bảo, Phùng Anh Tuấn, Lê Văn Doanh THIẾT KẾ VÀ ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM MÁY BIẾN ÁP CÓ LÕI THÉP BẰNG VẬT LIỆU VÔ ĐỊNH HÌNH DESIGNING AND EXPERIMENTALLY MEASURING AMORPHOUS STEEL CORE TRANSFORMERS Đỗ Chí Phi2, Đoàn Thanh Bảo3, Phùng Anh Tuấn1, Lê Văn Doanh1 1 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; tuan.phunganh1@hust.edu.vn; ledoanhbk@yahoo.com 2 Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng; dochiphi@gmail.com 3 Trường Đại học Quy Nhơn; dtbao@ftt.edu.vn Tóm tắt - Vật liệu từ vô định hình (VĐH) được phát hiện từ năm Abstract - Amorphous materials were discovered in 1970 due to 1970. Nhờ vào thành phần và cấu trúc vi mô đặc biệt cho nên their composition and special microstructure; therefore they are ngày càng được sử dụng rộng rãi để chế tạo mạch từ cho máy more widely used to produce magnetic circuit of the transformer, biến áp (MBA). Khi sử dụng MBA có lõi thép bằng vật liệu VĐH, because when used, transformers with steel core material will nó sẽ giảm tổn hao không tải rất đáng kể so với MBA có lõi thép decrerase no load loss significantly compared with high quality silic silic chất lượng cao. Bài báo này thực hiện tính toán, thiết kế và steel core transformers. In this paper, the authors perform sản xuất một MBA ba pha lõi thép VĐH công suất 10 kVA, điện calculations,design and produce a amorphous steel core three- áp 22/0,4 kV. Các kết quả đo đạc thực nghiệm ở chế độ làm việc phase transformer 10 kVA capacity, voltage 22/0.4 kV. The không tải và ngắn mạch như: dòng điện, điện áp, tổn thất được experimental results measured in the no-load mode and short so sánh với kết quả mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu circuits mode such as current, voltage, losses are compared with hạn. Kết quả cũng cho thấy, tổn hao không tải của MBA lõi thép simulation results using finite element method. Results also showed VĐH đã giảm được 61% so với MBA lõi thép silic. Qua đó, tác giả that no load losses of amorphous steel core transformers decrease đề ra hướng nghiên cứu xử lý lõi thép cũng như công nghệ chế 61% compared with silic steel core ones. Thereby, the authors tạo để góp phần hoàn thiện quy trình sản suất và thực nghiệm proposed research on processing steel-core as well as technology MBA lõi thép VĐH. designed to contribute to improving the process of production and experiment on amorphous steel core transformers. Từ khóa - máy biến áp; vô định hình; thiết kế; tổn hao; phần tử Key words - transformer; amorphous; design; loss; finite hữu hạn. element. 1. Đặt vấn đề Bên cạnh đó, vật liệu từ VĐH rất nhạy cảm với các tác Các máy biến áp (MBA) đóng vai trò quan trọng trong động như nhiệt độ, ứng lực, các biến dạng, từ trường hệ thống truyền tải và phân phối điện. Điện áp từ máy phát ngoài…, do đó chế tạo MBA lõi thép VĐH cũng có một số điện đến các hộ tiêu thụ phải biến đổi qua nhiều cấp nên khó khăn nhất định trong công nghệ chế tạo và xử lý vật tổng công suất các MBA thường bằng 7-8 lần tổng công liệu, phục hồi từ tính sau gia công, nên cần phải nghiên cứu suất các máy phát điện. MBA có hai loại tổn hao công suất chuyên sâu để thiết kế, chế tạo MBA sao cho tối ưu nhất. [1]. Tổn hao đồng là tổn hao phát nhiệt do dòng điện trong Trong bài báo này, nhóm tác giả đã thực hiện tính các dây quấn sơ cấp và thứ cấp gây ra. Tổn hao đồng tỷ lệ toán, thiết kế và chế tạo một MBA ba pha công suất 10 với bình phương của hệ số tải. Tổn hao sắt từ (tổn hao kVA, điện áp cao áp (CA)/hạ áp (HA) là 22/0,4 kV, đấu không tải) là tổn hao do hiện tượng dòng điện xoáy và hiện ∆/Y. Các kết quả đo đạc thực nghiệm ở chế độ làm việc tượng từ trễ trong lõi thép gây ra. Tổn hao từ trễ phụ thuộc không tải và ngắn mạch như: dòng điện, điện áp, tổn thất vào chất lượng vật liệu, còn tổn hao dòng điện xoáy phụ được so sánh với kết quả mô phỏng bằng phương pháp thuộc vào bề dày và hàm lượng silic chứa bên trong vật liệu phần tử hữu hạn (PTHH). Kết quả cũng cho thấy, tổn hao đó. Tổn hao không tải là tổn hao luôn tồn tại khi MBA hoạt không tải của MBA lõi thép VĐH đã giảm được 61% so động dù cho có tải hay không. Vì vậy, giảm tổn hao không với MBA lõi thép silic. Qua đó, tác giả đề ra hướng tải trong MBA mang ý nghĩa rất quan trọng. Các nhà chế nghiên cứu xử lý lõi thép để giảm tổn hao không tải hơn tạo luôn tìm cách giảm thiểu các tổn hao trong MBA, đồng nữa cũng như góp phần hoàn thiện quy trình sản suất, thời họ cũng tìm cách nâng cao độ tin cậy trong vận hành. thực nghiệm MBA lõi thép VĐH. Đầu những năm 70 của thế kỷ XX, người ta mới bắt đầu có ý tưởng sử dụng vật liệu vô định hình (VĐH) để chế tạo lõi thép MBA phân phối nhằm giảm tổn thất điện năng trong khâu truyền tải và phân phối điện. Năm 1998 đã có khoảng gần hai triệu MBA sử dụng lõi thép VĐH vận hành trên lưới điện phân phối trên toàn thế giới [2]. Điều này cho thấy việc sử dụng MBA lõi thép VĐH có tốc độ tăng nhanh; phù hợp với xu thế chung, hướng đến sử dụng năng lượng hiệu quả và tiết kiệm hơn. Điện năng tổn hao trong lõi thép các MBA chiếm vào khoảng 1,04 đến 2,04% điện năng truyền tải. Hình 1. Vật liệu VĐH dùng chế tạo lõi thép
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN 1 43 2. Các tính chất của vật liệu VĐH S2 Lõi từ VĐH dễ dàng từ hoá và khử từ, có các đặc tính 3 St   52, 5(cm 2 ) (1) từ tốt hơn hẳn so với thép silic tinh thể cán nguội [4]: B - Điện trở suất tăng nhiều lần, chiều dày lá thép giảm Do thép VĐH có Bm=1,468 T nên chọn B=1,1 T. khoảng 10 lần. Tiết diện thực của lõi thép: - Lực kháng từ rất nhỏ, đường cong từ trễ hẹp, do đó Ss  1, 2St  63(cm2 ) (2) tổn hao từ trễ có thể bỏ qua. Chiều dày lõi thép (Ta có chiều rộng lá thép là 142 - Tổn hao sắt từ giảm 70-80% so với lõi thép silic tinh (mm) = 0,142 (m): thể định hướng cán nguội. Ss Tuy nhiên, cảm ứng từ bão hòa của thép VĐH nhỏ a  0, 022m  22mm (3) (khoảng 1,45 T – 1,6 T) do đó lõi thép của MBAVĐH lớn 2.0.142 hơn lõi thép tôn silic có cùng công suất. Diện tích cửa sổ của lõi thép [5]: S2 Bảng 1. Các thông số cơ bản của vật liệu VĐH dùng chế tạo Aw   0, 0111m 2  11100mm 2 lõi thép MBA 3,33.f .Bm .Ss .K w .J.103 Thứ tự Thông số Giá trị (4) 1 Khối lượng riêng[g/cm3] 7,20 12 12 Kw    0, 23 (5) 2 Mô đun Young[Gpa] ~ 120 30  kV(U1 ) 52 3 Điện trở suất [μΩ.cm] ~ 130 Chiều cao và chiều rộng cửa sổ: 4 Chiều rộng lá thép [mm] 142,0 A w  C w .H w ; H w  (2  4)C w  5 Chiều dày lá thép [mm] 0,033 6 Cảm ứng từ bão hòa (Tesla) 1,468 Hw Cw  7 Từ giảo bão hòa[ppm] 27 2 (6) 8 Lực kháng từ[A/m] < 2,5 H w  2A w  149mm 9 Tổn thất lõi [VA/kg] 50Hz, 1.3T < 0,22 Hw 10 Tổn thất lõi [VA/kg] 50Hz; 1.4T < 0,26 Cw   74,5mm 2 3. Tính toán thiết kế và thi công Số vòng trên vôn: 3.1. Tính toán thiết kế U  4.44  f  w   m  4.44  f  w  B m  Ss (7) 4 10 n v  0, 46 (8) 4, 44  f  Bm  Ss Các thông số điện cơ bản và thông số về kích thước thiết kế của MBA công suất 10 kVA - 22/0,4 kV nêu ở Bảng 2. Bảng 2. Các thông số điện cơ bản và kích thước của MBA Thứ tự Thông số Giá trị 1 Số pha 3 2 Tần số [Hz] 50 3 Công suất [kVA] 10 Hình 2. Hình dạng MBA 4 Nối dây Δ/Y 5 Điện áp dây CA/HA [kV] 22/0,4 6 Số vòng dây quấn/pha CA/HA [vòng] 10120/106 7 Dòng điện pha CA/HA [A] 0,15/14,43 8 Đường kính dây CA/HA (V) 0,285/2,71 9 Mật độ dòng điện J [A/mm2] 2,5 10 Chiều dày lõi a[mm] 22 11 Chiều rộng cửa sổ của lõi thép Cw[mm] 74,5 12 Chiều cao cửa sổ lõi thép Hw[mm] 149 13 Chiều sâu của lõi thép [mm] 142 14 Chiều dày lá thép [mm] 0,033 Hình 3. Các kích thước cần tính toán trong thiết kế MBA 15 Tiết diện lõi Ai [mm2] 6300 Tính toán các thông số MBA: J= 2,5 (A/mm2), 16 Cảm ứng từ Bm[Tesla] 1,468 Bm=1,468 (Tesla), S2=10 kVA 17 Khối lượng lõi thép [kg] 46 Theo [1] ta tính được tiết diện tính toán trên trụ của Ngoài ra, còn có các kích thước khác [mm]: C1=118,5; MBA là: C2=237; C3=281; D=27; D1=35,5; D2=40,5;D3=55,5; R = 30.
44 Đỗ Chí Phi, Đoàn Thanh Bảo, Phùng Anh Tuấn, Lê Văn Doanh 3.2. Thi công MBA Hình 4. Quá trình thi công một trụ của MBA Hình 9. Dòng điện định mức phía HA Từ kết quả mô phỏng từ Hình 6 đến Hình 9, ta nhận thấy rằng các thông số định mức của MBA như dòng, điện áp CA cũng như HA đều phù hợp với yêu cầu thiết kế, cụ thể nêu ở Bảng 3: Bảng 3. Kết quả mô phỏng các đại lượng điện của MBA theo thông số thiết kế ở chế độ định mức Điện áp (kV) U1=21,5 U2=0,226 Dòng điện (A) I1=0,157 I2=14,7 Công suất (kVA) S1=10,1 S2=9,97 Hình 5. MBA lõi VĐH hoàn chỉnh 4.1.2. Mô phỏng cảm ứng từ B trong lõi MBA 4. Mô phỏng và đo đạc thực nghiệm MBA theo các Trong tính toán thiết kế và mô phỏng, ta chọn vật liệu VĐH thông số thiết kế 2605SA1, 50 Hz, có cảm ứng từ bão hòa Bm (T) ở Bảng 4. 4.1. Mô phỏng các đại lượng điện trong MBA Bảng 4. Cảm ứng từ của vật liệu VĐH và thiết kế 4.1.1. Mô phỏng dòng điện và điện áp của MBA ở chế độ Cảm ứng từ Lực kháng từ định mức Cảm ứng từ bão hòa: Bm = 1,468 [T] H = 80[A/m] Cảm ứng từ thiết kế: B = 1,1[T] H = 8[A/m] Hình 6. Điện áp định mức phía CA Hình 10. Kết quả mô phỏng cảm ứng từ B(T) trong MBA bằng ANSYS Maxwell Kết quả mô phỏng cảm ứng từ B trên Hình 10 cho thấy giá trị lớn nhất của B là 1,296 Tesla, trong khi vật liệu có Bm=1,468 Tesla hoàn toàn phù hợp với yêu cầu tính toán lý thuyết. 4.1.3. Mô phỏng tổn hao không tải trong lõi MBA Hình 7. Điện áp định mức phía HA Hình 8. Dòng điện định mức phía CA Hình 11. Kết quả mô phỏng dòng không tải
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN 1 45 Hình 12. Kết quả mô phỏng tổn thất không tải Hình 15. Tổn thất ngắn mạch Với kết quả mô phỏng trên Hình 12 ta thấy tổn thất Từ kết quả mô phỏng như trên Hình 14 và Hình 15 ta trung bình trên lõi P0=13,585 W. thấy khi đưa điện áp ngắn mạch vào phía cao áp có giá trị: Theo [6] tổn thất lõi trong MBA được tính theo công 1, 6814 U1n   1,189kV thức sau: 2 (11) 2 U1n%  5, 4% P0  Kh f  Bm  Ke  sfBm  [W / kg] (10) Trong đó Kh=0,001902, Ke=0, α=1, =2,21913, Hình 15 ta xác định được tổn thất ngắn mạch khi mô f =50 Hz, Bm=1,468 T, s=0,033 mm là chiều dày lá thép. phỏng là Pn=181,5 W. Theo (10) ta có tổn thất đối với lõi thép đã thiết kế là: 4.2. Thực nghiệm đo tổn thất không tải và tổn thất ngắn P0= 0.25 (W/kg) x 46kg=11,5W mạch Để kiểm tra độ chính xác của thiết kế cũng như mô 4.2.1. Đo tổn thất không tải phỏng, ta so sánh các kết quả tổn hao không tải với nhau và được thể hiện ở Bảng 5. Bảng 5. So sánh tổn hao không tải của MBA VĐH 10kVA Thông số Tính toán Mô phỏng Tài liệu [7, 8] Tổn hao không tải Po (W) 11,5 13,585 12 Từ Bảng 5, ta thấy kết quả tính toán so với tài liệu [7, 8] là rất trùng khớp nhau, vì chỉ có sai lệch là 4,2%. Còn sai lệch giữa kết quả mô phỏng và tài liệu [7, 8] là 13,3%. Sở dĩ có sai số này là vì phương pháp PTHH là gần đúng và khi tính toán chạy phần mềm Maxwell đã xem các Hình 16. Sơ đồ thí nghiệm không tải MBA ba pha thông số không thay đổi. 4.1.4. Mô phỏng tổn hao ngắn mạch trong lõi MBA Hình 17. Mô hình thí nghiệm không tải MBA ba pha Hình 13. Điện áp ngắn mạch Hình 18. Điện áp, dòng điện và công suất tổn thất không tải đo phía hạ áp Từ Hình 18 ta thấy kết quả đo tổn thất không tải bằng thực nghiệm là P0 = 19,28W, cao hơn so với kết quả mô phỏng là 5,732 W. Kết quả giữa thực nghiệm và mô phỏng này được so sánh với MBA silic ở Bảng 6. Hình 14. Dòng ngắn mạch
46 Đỗ Chí Phi, Đoàn Thanh Bảo, Phùng Anh Tuấn, Lê Văn Doanh Bảng 6. So sánh MBA VĐH và MBA silic 10kVA thấy rằng: Thông số MBA VĐH MBA Silic Độ giảm Với cùng một công suất 10 kVA, khi so sánh tổn hao khảo sát [7,8] tổn hao (%) không tải của MBA silic với kết quả thử nghiệm của Tổn hao Thử nghiệm 19,28 45 MBA VĐH thiết kế thì độ giảm tổn hao là 45%. Tuy không tải Mô phỏng 35 nhiên, nếu so sánh với kết quả mô phỏng MBA VĐH thì P0(W) 13,585 61 độ giảm tổn hao được 61%. Sở dĩ kết quả tổn hao ở thử So sánh kết quả tổn hao không tải của MBA VĐH ở mô nghiệm lớn hơn mô phỏng là do những nguyên nhân sau: phỏng với MBA silic [7, 8] thì độ giảm tổn hao được 61%. - Công nghệ chế tạo lõi thép còn hạn chế; 4.2.2. Đo tổn thất ngắn mạch - Quá trình gia công, xử lý lõi thép chưa đạt yêu cầu; Đo tổn thất ngắn mạch và điện áp ngắn mạch của - Chưa xử lý ủ lõi sau gia công nên tổn thất không tải MBA ba pha theo sơ đồ sau: tương đối lớn. Qua so sánh kết quả thực nghiệm với kết quả mô phỏng, nhóm tác giả nhận thấy rằng: Cần phải cải tiến công nghệ chế tạo, xử lý ủ lõi thép trong từ trường DC ở nhiệt độ và thời gian thích hợp nhằm giảm tổn thất không tải và đây cũng là hướng nghiên cứu tiếp theo của nhóm. TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình 19. Đo tổn thất ngắn mạch MBA ba ở điện áp thấp [1] Phạm Văn Bình, Lê Văn Doanh, Thiết kế Máy biến áp, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, (2002). [2] Đoàn Thanh Bảo, Phạm Văn Bình, Huỳnh Đức Hoàn, Đỗ Chí Phi, “Sử dụng điện năng tiết kiệm và hiệu quả với máy biến áp vô định hình", Tạp chí Khoa học & Công nghệ các Trường Đại học Kỹ thuật, số 91, (2012), trang 18–22. [3] ANSYS Inc, “ANSYS Maxwell 2D V16,” ansysinfo@ansys.com, vol. 14, no. REV5.0, (2013) pp. 1–1011. Hình 20. Kết quả đo tổn thất ngắn mạch MBA ba ở điện áp thấp [4] PGS.Phạm Văn Bình - Lê Văn Doanh, Số 126 (5/2011). “Máy biến Quy đổi tổn thất ngắn mạch về giá trị danh định: áp lõi thép vô định hình giải pháp đột phá tiết kiệm điện”, Tạp chí Tự động Hóa ngày nay. I I I  [5] Man Mohan and Puneet Kumar Singh “Distribution transformer I m   12 23 31   0,028A (12) with amorphous-crgo core: an effort to reduce the cost of  3  amorphous core distribution transformer”, ARPN Journal of Điện áp ngắn mạch đo được (V): Engineering and Applied Sciences, (2012), vol. 7, no. 6. [6] Thorsten Steinmetz, Bogdan Cranganu-Cretu and Jasmin Smajic I  “Investigations of No-Load and Load Losses in Amorphous Core U1n   1   U m  1,334kV (13) Dry-Type Transformers” XIX International Conference on  Im  Electrical Machines - ICEM Rome (2010). U1n% = 6% [7] Nguyễn Hoàng Nghị, Phạm Văn Bình, “Khả năng và sự cần thiết sử dụng vật liệu từ vô định hình trong máy biến thế tần số công So với kết quả mô phỏng tổn thất ngắn mạch cao hơn nghiệp”, Tạp chí Hoạt động Khoa học, Số 5.2009, trang 33-34. 3 W, sai số khoảng 1,65%. [8] Z. H. Li and J. H. Zhu, Nguyen Hoang Nghi, Development and Application of Amorphous and Nanocrystalline Alloys in China and 5. Kết luận in Vietnam, Central Iron and Steel Research Institute Advanced Trong quá trình thiết kế, mô phỏng và thử nghiệm cho Technology and Materials Co., Ltd, pp 1-68, April-June, 2008. (BBT nhận bài: 27/06/2015, phản biện xong: 15/09/2015)