Nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu từ và công nghệ chế tạo đến hiệu suất máy biến áp điện lực

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

VŨ HẢI THƯỢNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA VẬT LIỆU TỪ VÀ CÔNG NGHỆ
CHẾ TẠO ĐẾN HIỆU SUẤT MÁY BIẾN ÁP ĐIỆN LỰC

Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN HƯỚNG THIẾT BỊ ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. BÙI ĐỨC HÙNG

Hà Nội – Năm 2014


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 là công trình
nghiên cứu của tôi, chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Hà Nội, ngày tháng

năm 2014

Tác giả luận văn

Vũ Hải Thượng

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................... i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................ iv
DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................... vi
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................................1
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.............................................................................1
3. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................1
4. Cấu trúc của luận văn ..........................................................................................2
CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ MÁY BIẾN ÁP VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO

MÁY BIẾN ÁP ĐIỆN LỰC .......................................................................................3
1.1. Tổng quan về máy biến áp ...............................................................................3
1.1.1. Khái niệm và công dụng ..........................................................................3
1.1.2. Sơ lược lịch sử phát triển .........................................................................4
1.1.3. Cấu tạo và nguyên lý làm việc ..................................................................5
1.1.4. Tổn hao và hiệu suất ..............................................................................10
1.2. Công nghệ chế tạo máy biến áp điện lực .......................................................17
1.2.1. Trình tự công nghệ cơ bản trong chế tạo máy biến áp điện lực .............17
1.2.2. Công nghệ chế tạo mạch từ .....................................................................18
1.2.3. Công nghệ chế tạo dây quấn ..................................................................19
Kết luận chương 1 .................................................................................................27

i

CHƯƠNG 2.

TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ TRONG CHẾ TẠO MÁY

BIẾN ÁP
2.1. Giới thiệu chung ............................................................................................28
2.1.1. Các khái niệm cơ bản ..............................................................................28
2.1.2. Quá trình từ hóa sắt từ .............................................................................31
2.2. Thép kỹ thuật điện .........................................................................................31
2.3. Hợp kim vô định hình ....................................................................................34
Kết luận chương 2 .................................................................................................39
CHƯƠNG 3.

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO

MẠCH TỪ ĐẾN TỔN HAO TRONG MÁY BIẾN ÁP ..........................................40
3.1. Giới thiệu chung .............................................................................................40
3.2. Công nghệ chế tạo mạch từ phẳng bằng cách ghép các lá tôn ......................41
3.2.1. Pha băng tôn cuộn ...................................................................................41
3.2.2. Cắt tôn .....................................................................................................42
3.2.3. Mài bavia các lá tôn ................................................................................43
3.2.4. Ủ các lá tôn..............................................................................................43
3.2.5. Lắp ráp mạch từ ......................................................................................43
3.3. Công nghệ chế tạo mạch từ phẳng bằng cách quấn các băng tôn ..................46
3.4. Công nghệ chế tạo mạch từ không gian .........................................................48
Kết luận chương 3 .................................................................................................54
CHƯƠNG 4.

XÂY DỰNG PHẦN MỀM THIẾT KẾ MÁY BIẾN ÁP ..............55

4.1. Mục đích và yêu cầu thiết kế..........................................................................55
4.1.1. Mục đích thiết kế.....................................................................................55
4.1.2. Yêu cầu thiết kế .......................................................................................55

ii


4.2. Quy trình xây dựng bảng tính ........................................................................56
4.2.1. Lưu đồ thuật toán ....................................................................................56
4.2.2. Các thông số cơ bản ................................................................................59
4.2.3. Tính toán mạch từ ...................................................................................60
4.2.4. Tính toán dây quấn hạ áp ........................................................................61
4.2.5. Tính toán dây quấn cao áp ......................................................................62
4.2.6. Lựa chọn các khoảng cách cách điện ......................................................63
4.2.7. Tính toán khối lượng và kích thước tổng ................................................63
4.2.8. Tính toán giá thành vật liệu.....................................................................64
4.2.9. Tính toán làm mát ...................................................................................65
4.2.10. Các cơ sở dữ liệu ...................................................................................65
4.3. Cách sử dụng bảng tính ..................................................................................66
4.4. Thiết kế máy biến áp 50kVA, 35/0,4kV sử dụng bảng tính ..........................66
4.5. Đánh giá kết quả.............................................................................................70
Kết luận chương 4 .................................................................................................78
KẾT LUẬN ...............................................................................................................79
KẾT LUẬN CHUNG ............................................................................................79
KIẾN NGHỊ VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU ...............................................80
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... viii
PHỤ LỤC .................................................................................................................. ix

iii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
TT

Ký hiệu, chữ

Ý nghĩa

viết tắt

1.

Bm, ⃗

2.

S, P, Q

3.

d, , 

4.

ltb, s

5.

Rd

Điện trở một chiều

6.



Điện dẫn suất

7.

ur%, ux%

8.

u

Độ giảm điện áp

9.

, 

Độ từ thẩm, độ cảm từ

10.

i, I, ̇

Giá trị tức thời, giá trị hiệu dụng, vectơ dòng điện

11.

i, ̇

12.

ir

13.

u, U

Giá trị tức thời và hiệu dụng của điện áp

14.

e, E

Giá trị tức thời và hiệu dụng của sức điện động

15.

f, 

Giá trị tức thời và hiệu dụng của từ thông

16.

k, ku

Hệ số biến áp và hệ số biến đổi điện áp

17.

k

Hệ số dạng sóng

18.

h

Hệ số tổn hao từ trễ

19.

kp

Hệ số tổn hao phụ trong lõi thép

20.

kf

Hệ số tổn hao phụ trong dây quấn

21.

, e

Hiệu suất của máy, hiệu suất truyền tải năng lượng

22.

cos

Hệ số công suất

Biên độ, vectơ cảm ứng từ
Công suất biểu kiến, công suất tác dụng, công suất
phản kháng
Chiều dày, khối lượng riêng, điện trở suất
Chiều dài trung bình, tiết diện vòng dây

Điện áp ngắn mạch tác dụng, phản kháng %

Giá trị tức thời, vectơ dòng điện phản khảng không
tải
Giá trị tức thời dòng điện tác dụng dòng điện không
tải

iv

Ghi chú


23.

β

Hệ số mang tải

24.

KTĐ

Kỹ thuật điện

25.

J

26.

MBA

27.

TC

Nhiệt độ Curie

28.

N

Số vòng dây

29.

p, P

30.

m

31.

s.đ.đ

Sức điện động

32.

s.t.đ

Sức từ động

33.

f, 

Tần số, tần số góc

34.

t

35.

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam 1984-1994

36.

VĐH

Vô định hình

37.

⃗

Mật độ dòng điện
Máy biến áp

Suất tổn hao, tổn hao
Số pha; khối lượng

Thời gian

Vectơ cường độ từ trường

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. Một số thông số kỹ thuật của hợp kim vô định hình so với thép KTĐ .......35
Bảng 2. Suất tổn hao trong lõi thép sử dụng kết hợp thép VĐH và thép KTĐ ........37
Bảng 3. Tổn hao và hiệu suất của MBA lõi vô định hình so với lõi thép silic .........37

Bảng 4. Thông số các lá thép MBA 800 kVA - 22/0,4 kV theo công nghệ step-lap 46
Bảng 5. Tổn hao trong một số MBA sản xuất tại Việt Nam so với TCVN ..............48
Bảng 6. So sánh tổn hao của MBA Hexaformer và MBA theo TCVN ....................53
Bảng 7. Bảng so sánh các thông số của MBA có lõi VĐH và lõi thép KTĐ ...........70
Bảng 8. So sánh kết quả thiết kế MBA theo công nghệ cắt chéo và quấn tôn..........70
Bảng 9. So sánh các phương pháp giảm tổn hao trong máy biến áp ........................80

v


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ truyền tải điện năng ..........................................................................3
Hình 1.2. Mạch từ máy biến áp một pha .....................................................................5
Hình 1.3. Mạch từ máy biến áp 3 pha .........................................................................5
Hình 1.4. Dây quấn máy biến áp .................................................................................6
Hình 1.5. Nguyên lý làm việc của máy biến áp ..........................................................7
Hình 1.6. Trình tự công nghệ chế tạo máy biến áp điện lực .....................................18
Hình 1.7. Dây quấn hình ống trụ ...............................................................................21
Hình 1.8. Sơ đồ quấn dây xoáy ốc liên tục mạch đơn đầu ra phía ngoài ..................21
Hình 1.9. Dây quấn xoáy ốc liên tục mạch đơn thực tế ............................................23
Hình 1.10. Dây quấn xoắn đơn .................................................................................24
Hình 1.11. Dây quấn xoắn kép ..................................................................................24
Hình 1.12. Sơ đồ gá khuôn quấn cuộn dây trực tiếp lên lõi thép ..............................25
Hình 1.13. Sơ đồ quấn băng đồng .............................................................................25
Hình 2.1. Chu trình từ trễ ..........................................................................................30
Hình 2.2. Cấu trúc tinh thể của thép kỹ thuật điện cán nguội ...................................32
Hình 2.3. Đặc tính suất tổn hao của thép KTĐ cán nguội (Nga) .............................33
Hình 2.4. Đặc tính suất tổn hao của thép KTĐ cán nguội (Mĩ) ...............................33
Hình 2.5. Đặc tính suất tổn hao thép KTĐ cán nguội (Nhật) ..................................34
Hình 2.6. Đặc tính suất tổn hao của vật liệu VĐH và thép KTĐ..............................35

Hình 2.7. Đặc tính từ hóa của vật liệu VĐH và thép KTĐ .......................................35
Hình 2.8. Đặc tính hiệu suất của hợp kim vô định hình và thép kỹ thuật điện .........36
Hình 3.1. Sơ đồ dây chuyền pha băng tôn cuộn........................................................41
Hình 3.2. Sơ đồ máy cắt lá tôn tự động.....................................................................42
Hình 3.3. Các kiểu ghép lá tôn cắt chéo thành mạch từ ba pha ba trụ phẳng ...........45
Hình 3.4. Mạch từ máy biến áp 800 kVA 22/0,4 kV ................................................45
Hình 3.5. Lá thép máy biến áp theo công nghệ step-lap ...........................................46
Hình 3.6. Quấn băng tôn thành mạch từ kín .............................................................47
Hình 3.7. Mạch từ ba pha không gian .......................................................................49

vi


Hình 3.8. Phân bố từ trường khi nhìn từ trên xuống .................................................50
Hình 3.9. Phân bố từ trường khi nhìn từ mặt trước...................................................50
Hình 3.10. Sóng dòng điện bậc cao...........................................................................51
Hình 3.11. Sóng điện áp bậc cao ...............................................................................51
Hình 3.12. Dạng mạch từ và mặt cắt trụ của máy biến áp Hexaformer ....................52
Hình 3.13. Máy quấn mạch từ máy biến áp Hexaformer ..........................................52
Hình 4.1. Lưu đồ thuật toán thiết kế máy biến áp trên phần mềm Excel .................57
Hình 4.2. Bản vẽ mạch từ máy biến áp 50 kVA, 35/0,4 kV .....................................68
Hình 4.3. Bản vẽ dây quấn máy biến áp 50 kVA, 35/0,4 kV ...................................69
Hình 4.4. Bảng tính MBA 50kVA - 35/0,4kV công nghệ cắt chéo ..........................72
Hình 4.5. Bảng tính MBA 50kVA - 35/0,4kV công nghệ quấn tôn .........................73
Hình 4.6. Bảng tính MBA 250kVA - 22/0,4kV công nghệ cắt chéo ........................74
Hình 4.7. Bảng tính MBA 250kVA - 22/0,4kV công nghệ quấn tôn .......................75
Hình 4.8. Bảng tính MBA 630kVA - 22/0,4kV công nghệ cắt chéo ........................76
Hình 4.9. Bảng tính MBA 630kVA - 22/0,4kV công nghệ quấn tôn .......................77

vii

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Máy biến áp (MBA) điện lực được sử dụng với số lượng rất lớn để truyền tải
và phân phối điện năng. Hiện nay, trong nước có rất nhiều nhà máy chế tạo MBA
với nhiều cấp công suất và điện áp khác nhau. Tuy nhiên, do sự đa dạng của vật liệu
từ và việc ứng dụng các công nghệ chế tạo lõi thép ở các nhà máy khác nhau nên về
cấu trúc của máy cũng như giá thành chế tạo cũng rất khác nhau nếu cùng thỏa mãn
một tiêu chuẩn được áp dụng. Nói cách khác, vật liệu từ và công nghệ chế tạo sẽ
ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và tính năng của MBA.
Sử dụng vật liệu từ phù hợp với công nghệ chế tạo để sản xuất được MBA
thỏa mãn các yêu cầu kinh tế, kỹ thuật là mong muốn lớn nhất của các nhà máy.
Đồng thời, vấn đề sử dụng vật liệu từ mới và công nghệ chế tạo hiện đại cũng đang
được rất nhiều nhà máy quan tâm.
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Việc nghiên cứu sự ảnh hưởng của vật liệu từ và công nghệ chế tạo tới hiệu
suất của MBA một mặt là cơ sở để đánh giá, so sánh các loại vật liệu từ, các công
nghệ chế tạo khác nhau, mặt khác sẽ giúp cho các doanh nghiệp định hướng tốt hơn
trong việc lựa chọn vật liệu từ và công nghệ chế tạo phù hợp để tăng hiệu quả sản
xuất.
3. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Mục đích của đề tài:
Làm rõ được ảnh hưởng của công nghệ chế tạo tới tổn hao của các loại vật liệu
từ khác nhau dùng để chế tạo mạch từ MBA điện lực.
- Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
+ Tìm hiểu đặc tính của các loại vật liệu từ được sử dụng để chế tạo MBA
hiện đang được sử dụng tại Việt Nam và các công nghệ đang được sử dụng để chế
tạo mạch từ tại các doanh nghiệp trong nước.

1


+ Phân tích ảnh hưởng của vật liệu từ và công nghệ chế tạo đến hiệu suất của
MBA.
+ Đưa ra kết luận, đề xuất giải pháp sử dụng vật liệu và công nghệ hợp lý.
4. Cấu trúc của luận văn
Luận văn bao gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về máy biến áp và công nghệ chế tạo máy biến áp điện
lực.
Chương 2: Tổng quan về vật liệu từ trong chế tạo máy biến áp
Chương 3: Phân tích ảnh hưởng của công nghệ chế tạo mạch từ đến tổn hao
trong máy biến áp
Chương 4: Xây dựng phần mềm thiết kế máy biến áp
Luận văn mang ý nghĩa thực tiễn cao và hi vọng là tài liệu hữu ích cho các
sinh viên, kỹ sư quan tâm đến vấn đề này. Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng do
trình độ còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong được
sự góp ý để luận văn hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS. Bùi Đức Hùng, các thầy cô trong bộ môn
Thiết bị điện - Điện tử trường Đại học Bách khoa Hà Nội và các đồng nghiệp đã
giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này.

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÁY BIẾN ÁP VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ
TẠO MÁY BIẾN ÁP ĐIỆN LỰC
1.1. Tổng quan về máy biến áp
1.1.1. Khái niệm và công dụng [3]
Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ,

dùng để biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp này thành một hệ
thống dòng điện xoay chiều ở điện áp khác với tần số không đổi.
Trên hình 1.1 mô tả sơ đồ truyền tải điện năng đơn giản trong hệ thống điện từ
nhà máy phát điện đến hộ tiêu thụ. Theo đó, để truyền tải và phân phối điện năng
với khoảng cách xa sao cho kinh tế cần phải có máy biến áp. Điện áp trên đường
dây truyền tải càng cao thì dòng điện chạy trên đường dây càng bé, do đó trọng
lượng và chi phí dây dẫn càng giảm, đồng thời tổn hao năng lượng trên đường dây
cũng giảm. Mặt khác, tại hộ tiêu thụ yêu cầu điện áp thấp thì phải giảm điện áp
xuống. Chính vì vậy nên trong hệ thống điện có rất nhiều máy biến áp. Thực tế,
tổng công suất của các máy biến áp điện lực lớn hơn 6 8 lần tổng công suất phát ra
từ các nhà máy phát điện. Mặc dù hiện nay các máy biến áp có hiệu suất rất cao
nhưng với số lượng máy biến áp rất lớn và tiếp tục tăng thì vấn đề thiết kế chế tạo,
vận hành sử dụng hiệu quả máy biến áp vẫn mang tính thời sự.

Hình 1.1. Sơ đồ truyền tải điện năng
3


1.1.2. Sơ lược lịch sử phát triển [15]
- Năm 1831: Michael Faraday phát hiện ra hiện tượng dòng điện tạo ra từ
trường và ngược lại, sự biến thiên từ trường cũng tạo ra dòng điện là cơ sở đầu tiên
cho sự phát triển của máy điện nói chung và máy biến áp nói riêng.
- Năm 1884: máy biến áp đầu tiên được sáng chế ra bởi Károly Zipernowsky,
Miksa Déri và Ottó Titusz Bláthy.
- Năm 1886: máy biến áp cho điện xoay chiều lần đầu tiên được đưa vào sử
dụng tại Massachusetts, Mĩ.
- Năm 1889: Mikhail Dolivo-Dobrovolsky chế tạo ra máy biến áp 3 pha đầu
tiên và sử dụng vào mục đích truyền tải điện năng đi xa.
- Năm 1900: máy biến áp ngâm dầu lần đầu tiên được sử dụng.
- Năm 1907 người ta đã sản xuất máy biến áp 110kV, năm 1921 sản xuất máy

biến áp 220kV, năm 1937 sản xuất máy biến áp 287kV, năm 1952 sản xuất máy
biến áp 400kV.
- Đến đầu những năm 20 của thế kỷ XX, máy biến áp lớn nhất được sản xuất
tại Mỹ có công suất 16.700kVA , máy biến áp này sử dụng tới 72 tấn dầu làm mát.
Năm 1952 tại Thuỵ Điển đã sử dụng máy biến áp 400kV có công suất 115MVA.
Năm 1957, Liên Xô đã sản xuất máy biến áp 400kV-167MVA, đến năm 1995 đã
chế tạo ra máy biến áp khổng lồ 500kV-135MVA.
- Giữa thế kỷ XX, sự phát triển của khoa học vật liệu mới như compozit và
hợp chất cao phân tử đã tạo điều kiện cho việc chế tạo các máy biến áp khô.
- Vào nửa cuối thế kỷ XX, những nghiên cứu và công nghệ chế tạo hợp kim
vô định hình có những tính năng tương tự như thép kỹ thuật điện như: từ cảm bão
hoà cao, dị hướng, từ hoá hiệu quả và sử dụng vật liệu chi phí thấp ... đã hoàn thiện,
làm cơ sở cho việc chế tạo lõi thép máy biến áp sử dụng vật liệu từ vô định hình.
Hiện nay, do yêu cầu tổn hao trong máy biến áp càng phải giảm nhỏ nên các
nghiên cứu về vật liệu mới có tính năng tốt ở cả dây quấn, lõi thép và cách điện tiếp
tục được tiến hành. Đồng thời, các công nghệ chế tạo hiện đại, ổn định cũng tiếp tục
phát triển.

4


1.1.3. Cấu tạo và nguyên lý làm việc
1.1.3.1. Cấu tạo [3]
1. Lõi thép
Lõi thép của máy biến áp dùng làm mạch dẫn từ. Để giảm tổn hao do dòng
điện xoáy gây nên, lõi thép được ghép từ các lá thép (còn gọi là lá tôn) kỹ thuật điện
cán nguội có chiều dày đến khoảng 0,15 mm. Hiện nay một số nước đã sử dụng vật
liệu từ vô định hình để làm lõi thép máy biến áp [7]. Trên bề mặt các lá thép đều
được phủ sơn cách điện. Lõi thép cần phải dẫn từ tốt, tổn hao sắt nhỏ, công suất từ
hóa nhỏ, kết cấu chắc chắn.

Lõi thép gồm hai phần chính: trụ và gông (xà). Trụ là phần có đặt dây quấn,
gông là phần nối giữa các trụ thành mạch từ kín.
Lõi thép có nhiều hình
dáng khác nhau như: kiểu trụ,
kiểu bọc, kiểu trụ-bọc. Mạch từ
ba pha có các trụ nằm trong mặt
phẳng hoặc ba trụ trong không
gian. Tuy nhiên, hiện nay thông
dụng nhất vẫn là kiểu mạch từ

Hình 1.2. Mạch từ máy biến áp một pha

ba pha ba trụ trong mặt phẳng.

a) Kiểu trụ; b) Kiểu bọc

Hình 1.3. Mạch từ máy biến áp 3 pha
a) 3 pha 3 trụ; b) 3 pha 4 trụ; c) 3 pha 5 trụ
5


2. Dây quấn
Dây quấn là phần dẫn điện của máy biến áp có nhiệm vụ thu năng lượng vào
và truyền năng lượng ra. Dây quấn phải cảm ứng được một s.đ.đ cho trước, cho
phép dòng điện định mức đi qua lâu dài mà không phát nóng quá mức, có kết cấu
chắc chắn, tản nhiệt tốt.
Dây quấn gồm hai phần chính là phần dẫn điện và phần cách điện. Dây dẫn
thường dùng là đồng. Hiện nay nhiều nhà máy đang chuyển sang dùng dây nhôm.
Dây dẫn được bọc giấy, bọc sợi cotton hoặc tráng men cách điện.
Dây quấn thường có các kiểu chính: hình ống trụ, hình xoắn ốc, dây quấn phân

đoạn, dây quấn xoáy ốc liên tục, dây quấn từ băng đồng.

Hình 1.4. Dây quấn máy biến áp
a) Hình ống trụ quấn từ dây đồng dẹt; b) Hình ống trụ quấn từ dây đồng tròn;
c) Hình xoắn ốc; d) Hình xoáy ốc liên tục
3. Các bộ phận khác
a) Vỏ máy
Vỏ máy biến áp để đựng máy biến áp, có nhiệm vụ bảo vệ ruột máy với môi
trường. Vỏ máy bao gồm các bộ phận: Thùng dầu, nắp máy, các bộ tản nhiệt, bộ lọc
dầu đối lưu.
Thùng dầu có chứa dầu biến áp. Dầu biến áp vừa có nhiệm vụ tăng cường cách
điện cho máy vừa có nhiệm vụ làm mát máy. Trên thân của thùng thường gắn các
bộ tản nhiệt.
6


Nắp máy để đậy thùng và trên đó đặt các chi tiết quan trọng như các sứ ra của
dây quấn, bình dãn dầu (bình dầu phụ), ống bảo hiểm.
b) Bình giãn dầu
Bình giãn dầu là một thùng nhỏ hình trụ lắp trên nắp máy, dùng làm nơi chứa
lượng dầu nở ra khi nhiệt độ của dầu tăng lúc máy làm việc.
c) Ống bảo hiểm
Ống bảo hiểm là ống hình trụ gắn trên nắp thùng, phía dưới thông với thùng
dầu chính, phía trên có tấm kính mỏng để dễ dàng vỡ ra để dầu thoát ra ngoài khi áp
suất dầu trong thùng lớn.
1.1.3.2. Nguyên lý làm việc [1]
Xét máy biến áp một pha hai dây quấn như hình 1.5.
1. Trường hợp máy biến áp không tải
Khi không tải thì dây quấn thứ cấp để hở mạch, dây quấn sơ cấp nối với điện
áp xoay chiều hình sin (u1) có dòng điện chạy trong dây quấn tạo nên từ trường

xoay chiều trong mạch từ. Do hệ số dẫn từ của lõi thép lớn hơn nhiều hệ số dẫn từ
của các vật liệu xung quanh nên có thể coi từ thông móc vòng với dây quấn sơ cấp
và thứ cấp bằng nhau.

Hình 1.5. Nguyên lý làm việc của máy biến áp
Theo định luật cảm ứng điện từ trong dây quấn sơ cấp và thứ cấp sẽ cảm ứng
các s.đ.đ e1 và e2 tương ứng:
(1.1)

=−

7


(1.2)

=−
trong đó:

e1, e2 - giá trị tức thời của s.đ.đ cảm ứng trong dây quấn sơ cấp và thứ cấp (V).
f - giá trị tức thời của từ thông trong lõi thép (Wb).
N1, N2 - số vòng dây của dây quấn sơ cấp và thứ cấp (vòng).
t - thời gian (s).
Trong mạch điện sơ cấp điện áp u1 sẽ cân bằng với s.đ.đ e1 cộng với điện áp
rơi do dòng điện từ hóa sinh ra trên tổng trở của dây quấn. Dòng từ hóa có trị số khá
nhỏ so với dòng điện định mức nên thành phần điện áp rơi có thể bỏ qua. Như vậy
điện áp u1 sẽ bằng e1 hay sự biến thiên của e1 sẽ hoàn toàn giống sự biến thiên của
u1 tại mọi thời điểm tức là cũng có quy luật sin và có thể viết thành:
(1.3)

= √2

trong đó: E1 - trị số hiệu dụng của s.đ.đ;  = 2f - tần số góc; f - tần số.
Do đó, biểu thức của từ thông có thể viết thành:
=

1

sin(

√2

+ )
2

(1.4)

Như vậy từ thông cũng biến thiên theo quy luật sin và vượt trước s.đ.đ cảm
ứng góc /2. Trị số cực đại của từ thông bằng:
Φ =

1

√2

(1.5)

Từ đó ta có biểu thức trị số hiệu dụng của s.đ.đ dây quấn sơ cấp là:
=

√2

Φ =

2
√2

Φ = 4,44

Φ

(1.6)

Tương tự ta cũng có biểu thức s.đ.đ của dây quấn thứ cấp:
= 4,44

Φ

(1.7)

Người ta định nghĩa hệ số biến đổi của máy biến áp bằng tỉ số giữa s.đ.đ sơ
cấp và thứ cấp:
=

=

(1.8)

8

và hệ số biến đổi điện áp của máy biến áp bằng tỉ số giữa điện áp sơ cấp U1 và điện
áp thứ cấp không tải U20:
=

(1.9)

Dễ thấy khi không tải thì E2 = U20 và U1 gần bằng E1 nên k = ku.
2. Trường hợp máy biến áp có tải
Khi dây quấn thứ cấp nối với tải sẽ có dòng điện chạy trong dây quấn thứ cấp.
Nếu điện áp sơ cấp không đổi thì s.đ.đ e1 thay đổi rất ít khi tải thay đổi vì thành
phần điện áp rơi trên dây quấn sơ cấp thường nhỏ. Kết quả là từ thông f cũng thay
đổi rất ít. Lúc không tải từ thông f do s.t.đ (i0N1) sinh ra. Lúc có tải sẽ xuất hiện
s.t.đ (i2N2) ở dây quấn thứ cấp. Để từ thông f không đổi thì trong dây quấn sơ cấp
phải có thêm s.t.đ (-i2N2) để bù lại (i2N2) ở mọi thời điểm. Do đó, khi tải tăng tức là
dòng điện thứ cấp tăng thì dòng điện sơ cấp cũng tăng theo để tạo thêm s.t.đ đủ bù
lại s.t.đ ở dây quấn thứ cấp. Ta có phương trình cân bằng s.t.đ như sau:
+

=

(1.10)

Đặt thành phần s.t.đ phía sơ cấp đủ bù lại s.t.đ phía thứ cấp là i’2 N1 = i2N2 thì
ta sẽ có:
+
=

=

(1.11)

−

(1.12)

Biểu diễn dưới dạng phức số:
̇ = ̇ − ̇

(1.13)

trong đó: i0 là dòng điện không tải.
Thực tế khi từ thông biến thiên sẽ sinh ra tổn hao trong lõi thép được đặc trưng
bởi thành phần dòng điện tác dụng ir trùng pha với điện áp u1. Từ thông trong mạch
từ do thành phần dòng điện phản kháng i0x sinh ra và trùng pha với i0x. Do đó dòng
điện không tải i0 sẽ gồm 2 thành phần là i0r và i0x. Giá trị của i0r thường rất nhỏ so
với i0x nên trong nhiều trường hợp có thể bỏ qua [3].

9


1.1.4. Tổn hao và hiệu suất [1]
1.1.4.1. Tổn hao trong máy biến áp
1. Tổn hao trong lõi thép
a) Tổn hao từ trễ
Từ trễ là hiện tượng bất thuận nghịch giữa quá trình từ hóa và đảo từ ở các vật
liệu sắt từ do chúng có khả năng giữ lại từ tính. Hiện tượng từ trễ được biểu hiện
thông qua đường cong từ trễ (còn gọi là chu trình từ trễ hay mắt từ trễ). Tổn hao từ
trễ trong một chu trình từ trễ là diện tích của đường cong từ trễ. Mắt từ trễ càng hẹp
thì tổn hao càng nhỏ. Ngoài ra, tổn hao từ trễ còn phụ thuộc vào thành phần hóa

học, nhiệt độ, phương pháp gia công cơ - nhiệt của vật liệu từ.
Tổn hao từ trễ trên một đơn vị khối lượng vật liệu từ (ph) có thể tính gần đúng
theo công thức sau:
=

. .

( /

)

(1.14)

Trong đó:
ph - suất tổn hao từ trễ
h - hệ số phụ thuộc thành phần hóa học, phương pháp gia công.
f - tần số dòng từ hóa (Hz).
Bm - giá trị biên độ của từ cảm (T).
x - số mũ phụ thuộc vào Bm và phương pháp gia công
b) Tổn hao Phucô
Tổn hao Phucô là tổn hao do dòng điện xoáy xuất hiện trong vật liệu từ khi có
sự biến thiên của từ trường ngoài. Suất tổn hao Phucô trên một đơn vị khối lượng
(pw) có thể tính theo công thức:
=

4 1
.
.( .
3 .

. .

) ( /

Trong đó:
pw - suất tổn hao Phucô
d - chiều dày lá thép (m)
 - khối lượng riêng (kg/m3)

10

)

(1.15)


 - điện trở suất (.m)
k - hệ số dạng sóng (k = 1,11 với dòng điện xoay chiều hình sin)
Ta thấy tổn hao dòng phucô tỉ lệ với bình phương chiều dày lá thép, tần số,
cường độ từ cảm, hệ số hình dáng, đồng thời tỉ lệ nghịch với điện trở suất và khối
lượng riêng của lõi thép. Do đó để giảm tổn hao dòng phucô thì phải giảm chiều dày
lá thép hoặc tăng điện trở suất. Thực tế người ta kết hợp cả hai biện pháp. Lá thép
kỹ thuật điện thường dày từ 0,35mm trở xuống đến khoảng 0,15mm. Lá thép vô
định hình có bề dày nhỏ hơn, đến khoảng 25m [7].
Thép kỹ thuật điện chứa hàm lượng Si khoảng 3% có điện trở suất khoảng
48.10-8 .m. Hàm lượng Si tăng làm giảm tổn hao từ trễ, giảm tổn hao dòng phucô
nhưng làm lá thép cứng, gây khó khăn khi cắt lá thép và nhanh làm mòn dụng cụ
cắt.
Tổn hao từ trễ và tổn hao dòng phucô không thay đổi khi máy có tải hay
không tải. Tổng tổn hao của chúng gọi là tổn hao sắt từ hay chính là tổn hao không

tải của máy biến áp.
=

+

(1.16)

trong đó pt là suất tổn hao sắt từ.
Thực tế tổn hao tổng thường lớn hơn tổng (ph + pw), đó là do có tổn hao bất
thường mà nguyên nhân có thể là do dòng điện phân tử trong cấu trúc kim loại gây
nên.
Tổn hao sắt từ trong máy biến áp được tính bằng:
∆

=

(

+

)

(1.17)

trong đó:
mT, mG - khối lượng trụ, gông;
pT, pG - suất tổn hao trụ, gông ứng với góc β = 0 (góc giữa phương
từ hóa và chiều cán);
kp - hệ số tổn hao phụ trong lõi thép (xem thêm TL [2], [6]).
Như vậy tổn hao không tải phụ thuộc rất nhiều yếu tố, trong đó phương pháp

chế tạo mạch từ đóng vai trò quan trọng (được đặc trưng bởi hệ số kp). Phương pháp
11


nào càng ít tác động cơ học vào lá thép thì hệ số kp càng thấp. Khe hở không khí ở
mối ghép các lá thép càng nhỏ càng tốt. Nên dùng công nghệ quấn mạch từ thay thế
công nghệ cắt - ghép lá thép để giảm tổn hao không tải.
2. Tổn hao trong dây quấn
Tổn hao cơ bản trong dây quấn được tính theo công thức:
∆

=

+

(1.18)

trong đó:
m - số pha;
R1d, R2d - điện trở dây quấn sơ cấp và thứ cấp đo với dòng một chiều;
I1, I2 - giá trị hiệu dụng của dòng điện sơ cấp và thứ cấp.
Thực tế tổn hao do dòng điện xoay chiều tạo nên (Pu) lớn hơn P’u. Phần lớn
hơn đó gọi là tổn hao phụ. Tổn hao phụ do dòng điện cảm ứng trong kim loại do từ
trường tản gây nên (dòng điện phucô) và còn do dùng dây quấn song song không
hoán vị triệt để.
Tổn hao phụ được đặc trưng bằng hệ số tổn hao phụ trong dây quấn kf > 1. Do
đó Pu được tính:
∆

=

+

(1.19)

Hệ số kf phụ thuộc vào độ dẫn điện, cách tạo dây quấn, tần số, vật liệu chế tạo
dây quấn và nhiệt độ (xem thêm TL [2], [6]).
Theo quy định của nhà nước, tổn hao của từng dây quấn được tính ở 750C:
∆

=

.

=

.

(1.20)

trong đó: ltb - chiều dài trung bình vòng dây;
N - số vòng dây;
s - tiết diện dây;
750 - điện dẫn suất dây dẫn ở 750C.
Trong các tính toán thiết kế hay sử dụng công thức dạng sau:
∆

=

.

12

(1.21)


trong đó: J = I/s - mật độ dòng điện;
M = m..N.ltb - khối lượng dây quấn;
 - khối lượng riêng của dây quấn.
Với dây dẫn đồng có: 75 = 47.106 -1m-1;  = 8,9.103 kg/m3 thì:
∆

= 2,4.

. 10

(1.22)

Với dây dẫn nhôm có: 75 = 28,5.106 -1m-1;  = 2,7.103 kg/m3 thì:
∆

= 13.

. 10

(1.23)

Tổn hao phụ do dòng điện phucô (Pup) được tính như sau:
Xét dây quấn đồng tâm có m lớp, mỗi lớp có n vòng dây, tất cả các vòng dây
nối tiếp nhau. Giả thiết không gian từ trường đồng nhất dọc dây quấn, chỉ có thành

phần từ trường tản song song với trục, dòng điện phân bố đều ở tiết diện dây dẫn.
Hệ số tổn hao phụ kf được tính theo công thức:
− 0,2
.
9

=1+

(1.24)

Với:
.ℎ

= .2 .

.

10

(1.25)

c, h - bề dày và bề rộng của dây dẫn chữ nhật;
 = 1/ - điện trở suất của dây dẫn;
Ltb - chiều cao đẳng trị trung bình của dây quấn, có thể tính theo công thức:
=

+

+

2
3

(1.26)

Lu - chiều cao dây quấn;
 - khe hở giữa dây quấn sơ và thứ;
’ - khe hở đẳng trị của dây quấn:
=

+

+
3

a1, a2 - bề dày dây quấn sơ và thứ.
Đặt:

13

(1.27)


=

− 0,2
.
9

− 1 =

(1.28)

thì tổn hao dòng phucô được tính bằng:
Δ

=

∆

(1.29)

Nếu tăng bề rộng c của dây dẫn và giữ nguyên chiều cao h thì sẽ giảm được
tổn hao cơ bản nhưng tăng tổn hao phụ do dòng phucô. Do đó khi tăng c đến một
giới hạn nào đó thì tổn hao tổng sẽ tăng. Bề rộng giới hạn của dây dẫn (cth) để tổng
tổn hao không tăng được xác định bởi:
= 1,37. 10

. .ℎ

= 1,6. 10

.ℎ

ớ

ớ

≥2

(1.31)

=1

Khi dây dẫn bằng nhôm thì trị số cth tăng

(1.30)

= 1,28 lần.

Như vậy tổn hao trong dây quấn (thay đổi theo tải) không chỉ phụ thuộc vào
điện dẫn suất của dây mà việc chọn kết cấu dây quấn, số sợi chập, kích thước bề
rộng, bề dày của dây cũng ảnh hưởng đáng kể đến loại tổn hao này.
1.1.4.2. Hiệu suất trong máy biến áp
Hiệu suất  của máy biến áp là tỉ số giữa công suất tác dụng P2 của máy cung
cấp cho phụ tải và tổng công suất P1 của máy nhận từ lưới, bao gồm cả công suất
phụ trợ (động cơ quạt gió, bơm nước, bơm dầu…).
Xét máy biến áp được làm mát tự nhiên, tổng công suất máy nhận từ lưới là:
=

+∆

+∆

+∆

+∆

(1.32)

trong đó:
P0 - tổn hao không tải;
Pn - tổn hao ngắn mạch.
Ta có:
=

14

(1.33)


với:
=
∆

(1.34)

=

(1.35)

=

trong đó: m - số pha; Rn - điện trở ngắn mạch quy đổi sang sơ cấp; k - hệ số biến áp.
Thay vào biểu thức trên ta có:
=
+∆
⇒

(1.36)

+

1

=
1+

∆

.

1

+

.

(1.37)

Trong biểu thức trên m và k với mỗi máy biến áp là hằng số, P0 và U2 hầu
như không đổi khi phụ tải thay đổi, Rn phụ thuộc chút ít vào nhiệt độ cũng có thể
xem như không đổi. Do đó với dòng tải không đổi thì hiệu suất giảm khi cos tăng.
Nếu đặt mU2I2  mU1I1(1 - u) = S1(1 - u) sẽ có được công thức tính hiệu
suất thường dùng trong thực tế như sau:
=

(1 − Δ )
(1 − Δ )
+∆

+∆

(1.38)

với u là độ giảm điện áp được tính như sau:
Δ = (

+

)

(1.39)

trong đó:
β - hệ số mang tải của máy biến áp (β = I1/I1đm).
ur và ux là điện áp rơi trên điện trở và điện kháng ngắn mạch tính theo
U1đm:
=
đ

(1.40)

=
đ

Để xác định hiệu suất cực đại ứng với một tải nào đó ta lấy đạo hàm của biểu
thức (1.36) theo I2 và cho bằng không. Dễ dàng tính được:

15

=∆

đ.

(1.41)

=∆

với I2th - dòng điện ứng với hiệu suất cực đại; Pđ.th - tổn hao đồng ứng với I2th.
Ta thấy hiệu suất cực đại ứng với phụ tải mà tổn hao đồng bằng tổn hao không
tải. Công suất lưới cung cấp cho máy biến áp ứng với hiệu suất cực đại bằng:
=

đ

.

∆
∆

(1.42)

Hiệu suất của máy biến áp thay đổi khi tải thay đổi và đạt cực đại khi β = 0,45
 0,5 [3]. Trị số này là khá thấp và rất khó có thể tăng lên cao nên việc chọn công
suất máy biến áp phù hợp với tải và vận hành hợp lý cũng góp phần nâng cao hiệu
suất cho máy.
Chính vì vậy trong thực tế còn hay dùng khái niệm về hiệu suất truyền tải
năng lượng e.

=

∑

(

∑ (
)+∑ ( Δ

)
đ ) + (∑

)Δ

. 100

(1.43)

trong đó:
k - số khoảng thời gian ứng với công suất máy biến áp cung cấp cho tải P2i;
ti (h)- thời gian từng khoảng tương ứng với tổn hao trong dây quấn Pđi;
(∑

)Δ

- tổn hao năng lượng trong lõi thép. Máy biến áp làm việc liên

tục trong lưới điện trong một năm (tương đương 8760 giờ) thì tổng tổn hao này
bằng 8760.P0 (Wh).
Theo công thức 1.43 hiệu suất truyền tải của máy biến áp được xét trong một

khoảng thời gian dài (1 năm) còn hiệu suất theo công thức 1.38 chỉ tính tại một thời
điểm trong quá trình làm việc nên hiệu suất truyền tải năng lượng mang tính tổng
quát hơn. Nếu có nhiều máy làm việc song song thì việc lựa chọn số lượng máy làm
việc tại những thời điểm phụ tải khác nhau sẽ giúp nâng cao hiệu suất chung.
Hiệu suất truyền tải năng lượng có ý nghĩa thực tiễn quan trọng. Về tính kinh
tế phải so sánh giá thành vốn đầu tư, lãi, khấu hao và giá thành năng lượng tổn hao,
chi phí vận hành để lựa chọn thông số thích hợp cho máy biến áp.
16