Tác động của Thép Silic Hướng tới Hiệu suất và Âm thanh của Máy biến áp

1. Xu hướng phát triển công nghệ sản xuất biến áp điện ở Trung Quốc

Biến áp điện đang phát triển theo hai hướng chính:

Thứ nhất, phát triển về phía các biến áp siêu cao áp có kích thước lớn, với mức điện áp tăng từ 220kV, 330kV, và 500kV lên 750kV và 1000kV.

Thứ hai, phát triển về phía các loại tiết kiệm năng lượng, nhỏ gọn, ít tiếng ồn, trở kháng cao, và chống nổ. Các sản phẩm này chủ yếu là các biến áp nhỏ và vừa, như các biến áp phân phối S13 và S15 mới hiện được khuyến nghị sử dụng cho việc nâng cấp lưới điện thành thị và nông thôn.

Hướng phát triển biến áp của Trung Quốc trong tương lai vẫn sẽ tập trung vào các loại tiết kiệm năng lượng, ít tiếng ồn, chống cháy nổ, và độ tin cậy cao.

2. Tác động của vật liệu thép silic định hướng đối với hiệu suất biến áp điện

Trong các nước công nghiệp phát triển, năng lượng điện tiêu thụ do tổn thất sắt trong thép silic định hướng dành cho biến áp chiếm khoảng 4% tổng sản lượng điện. Do đó, việc giảm tổn thất sắt trong thép silic định hướng luôn là một chủ đề nghiên cứu quan trọng đối với các doanh nghiệp thép silic trên toàn thế giới. Tổn thất sắt có thể được phân rã thành tổn thất dòng cuộn cảm và tổn thất hysteresis.

Đối với vật liệu thép silic, các phương pháp chính để giảm tổn thất sắt trong thép silic định hướng bao gồm tăng hàm lượng silic, giảm độ dày tấm, và công nghệ tinh chỉnh miền từ.

(1) Tăng hàm lượng silic

Hiện nay, thép silic được sản xuất công nghiệp chứa hơn 3,0% silic theo khối lượng. Khi tăng lên 6,5%, tổn thất của thép silic giảm đáng kể, làm cho nó trở thành vật liệu tối ưu để sử dụng trong dải tần số từ 400Hz đến 10kHz.

(2) Giảm độ dày tấm

Thép silic định hướng hiện đang sử dụng ngày càng mỏng hơn. Độ dày 0,35mm đã bị loại bỏ, với độ dày thông thường hiện nay là 0,3mm, 0,27mm, 0,23mm, và 0,18mm, điều này có thể giảm tổn thất dòng cuộn cảm trong thép silic định hướng.

• Dải thép silic định hướng mỏng 0,20mm có thể được sử dụng ở tần số 400Hz hoặc thấp hơn, với mật độ từ thông đạt 1,5T và tổn thất sắt tương đối thấp.

• Dải thép silic định hướng mỏng 0,15mm, khi hoạt động ở tần số 1kHz với mật độ từ thông 1,0T, có giá trị tổn thất sắt nhỏ hơn 30W/kg. Do đó, quy cách dải mỏng này phù hợp để sử dụng ở tần số 1kHz hoặc thấp hơn.

• Dải thép silic định hướng mỏng 0,10mm và 0,08mm phù hợp hơn để sử dụng ở tần số dưới 3kHz. Ở tần số 3kHz, dải thép silic định hướng mỏng 0,10mm được sử dụng với mật độ từ thông khoảng 0,50T. Trong cùng điều kiện, quy cách 0,08mm có thể sử dụng mật độ từ thông cao hơn một chút, như 0,50-0,80T.

• Dải thép silic định hướng mỏng 0,05mm, khi hoạt động ở tần số 5kHz, có giá trị mật độ từ thông 0,5-0,6T. Do đó, dải thép silic định hướng mỏng 0,05mm có phạm vi ứng dụng rộng nhất trong năm quy cách được đề cập ở trên và phù hợp để sử dụng ở tần số 5kHz và thấp hơn.

(3) Tinh chỉnh miền từ

Công nghệ tạo rãnh: Narita của Nhật Bản đã báo cáo về tác động của việc tạo rãnh đối với cấu trúc miền từ và tổn thất trong thép silic định hướng, chỉ ra rằng việc tạo rãnh vuông góc với hướng dải có thể giảm hiệu quả khoảng cách giữa các bức tường miền và tổn thất dòng cuộn cảm.

Công nghệ xử lý bằng laser sử dụng đặc tính gia nhiệt và làm lạnh nhanh để xử lý bề mặt dải thép silic định hướng thông qua đánh dấu đường, thúc đẩy biến dạng nhựa vi mô và các đứt gãy mật độ cao trong khu vực được gia nhiệt, giảm chiều dài bức tường miền chính, đồng thời tạo ra ứng suất kéo dư, đạt mục đích tinh chỉnh miền từ và giảm tổn thất sắt.

Có hai phương pháp xử lý bằng laser: xử lý bằng laser xung và liên tục.

3. Tác động của bề mặt thép silic định hướng đối với tiếng ồn của biến áp

Một trong những nguyên nhân chính gây ra tiếng ồn của biến áp là sự co giãn từ của lõi thép silic định hướng.

Co giãn từ đề cập đến sự thay đổi chiều dài của vật liệu từ tính trong quá trình từ hóa. Co giãn từ của thép silic định hướng có mối liên hệ rất lớn với việc có hay không lớp phủ cách điện bề mặt. Áp lực từ lớp phủ trên dải thép silic có thể đối chọi với ứng suất nén do vật liệu và lắp ráp biến áp tạo ra, do đó giảm tiếng ồn của biến áp. Dải thép không có lớp phủ rất nhạy cảm với ứng suất nén. Khi áp lực tăng, giá trị co giãn từ tăng mạnh, trong khi dải có lớp phủ chỉ tăng nhẹ giá trị co giãn từ khi ứng suất nén tăng, cho thấy độ nhạy cảm thấp hơn với ứng suất nén.

Để thép silic định hướng có co giãn từ thấp nhằm giảm độ nhạy cảm với ứng suất, cũng như giảm tiếng ồn là mong muốn. Do ứng suất được tạo ra trong quá trình lắp ráp lõi biến áp, cần phải giảm độ nhạy cảm với ứng suất của vật liệu. Nhờ lớp phủ, độ nhạy cảm với ứng suất của thép silic định hướng trong quá trình co giãn từ giảm, và tiếng ồn của biến áp cũng giảm theo.

Ngoài ra, việc phủ cách điện lên thép silic định hướng thường vẫn có tác dụng giảm tổn thất cụ thể, giảm tổn thất sắt từ 9%-14%. Chất lượng lớp phủ cách điện nên tốt hơn 5g/m².

4. Tác động của thép silic định hướng có độ thấm từ cao đối với tổn thất không tải và mức độ tiếng ồn của biến áp điện

Lợi ích của thép silicon định hướng độ thấm cao Hi-B như sau:

(1) Đặc tính Từ hóa Xuất sắc

Đặc tính từ hóa thường được đo bằng mật độ thông lượng từ tại 800A/m để đánh giá chất lượng. Thép silicon định hướng độ thấm cao Hi-B có độ thấm tương đối khoảng 1920 tại 800A/m, trong khi thép CGO là 1820. Sử dụng thép silicon định hướng độ thấm cao Hi-B làm vật liệu lõi để giảm tổn thất không tải là hiệu quả nhất để tiết kiệm năng lượng.

(2) Độ co giãn từ thấp

Độ co giãn từ đề cập đến sự mở rộng và co lại chiều dài của lõi theo hướng từ hóa trong quá trình từ hóa xoay chiều, đây là một trong những nguyên nhân chính gây ra tiếng ồn biến áp. Do thép silicon định hướng độ thấm cao Hi-B có độ co giãn từ thấp, nên nó giảm đáng kể tiếng ồn biến áp và ô nhiễm môi trường.

5. Ảnh hưởng của Công nghệ Xử lý Lõi Biến áp

Trong quá trình sản xuất và xử lý, thép silicon định hướng chịu ứng suất cắt và tác động của việc xử lý thủ công. Việc gia công cơ khí và các yếu tố suy giảm bên ngoài ảnh hưởng đáng kể đến tổn thất cụ thể của tấm thép silicon, đôi khi tăng tổn thất cụ thể từ 3,08% đến 31,6%.

Gờ từ cắt dọc thép silicon định hướng: Nếu chất lượng cắt kém với sai số kích thước lớn, khi xếp chồng lõi, sẽ gây ra khe hở lớn giữa các tấm, nhiều chỗ chồng lên nhau và lớp lõi không đều, dẫn đến tăng dòng điện không tải, đôi khi vượt tiêu chuẩn. Sau khi loại bỏ gờ, tổn thất cụ thể giảm. Các thử nghiệm cho thấy sau khi loại bỏ gờ 30QG120, tổn thất cụ thể P1.5 giảm 2,1%-2,6% (trung bình 2,3%), và P1.7 giảm 1,6%-3,5% (trung bình 2,5%).

Cải thiện chất lượng cắt thép silicon định hướng, giảm gờ, đồng thời cải thiện độ phẳng và áp dụng lực kẹp thích hợp cho cột lõi. Phản hồi từ các nhà sản xuất biến áp cho thấy việc giảm gờ 0,02mm làm giảm tổng độ dày chồng (tại điểm kẹp) từ 2-3mm, và tiếng ồn giảm 3-4dB. Do đó, gờ nên được kiểm soát trong phạm vi 0,03mm.

Thép silicon định hướng cần trải qua các quy trình cắt, dập và xếp chồng, tạo ra ứng suất nội bộ, gây biến dạng hạt, dẫn đến giảm độ thấm từ và tăng tổn thất sắt cụ thể. Các ứng suất được tạo ra trong thép silicon định hướng trong quá trình cắt, dập, xếp chồng và các hoạt động xử lý khác có thể được giảm bằng cách xử lý nung, có thể giảm tổn thất sắt cụ thể của thép silicon định hướng cán nguội khoảng 30%.