Nỗ lực hạn chế biến đổi khí hậu luôn thôi thúc các nhà sản xuất liên tục nghiên cứu, thiết kế các loại máy biến áp có tổn thất điện năng thấp nhất. Tuy nhiên, thực tế phũ phàng đã buộc mong muốn giảm tổn thất máy biến áp trở thành một cuộc đánh đổi, hoặc chi phí thấp hơn hoặc tổn thất thấp hơn.

Thay đổi thiết kế để giảm tổn thất máy biến áp

Thay đổi thiết kế để giảm tổn thất máy biến áp luôn liên quan đến sự đánh đổi. Ví dụ, hoặc giảm tổn thất không tải (P­₀ - tổn hao sắt hay Fe) trong khi nâng cao tổn thất ngắn mạch (P_k - hay còn gọi là tổn hao đồng Cu) hoặc tăng điện áp trên cuộn đồng để giảm tổn hao ngắn mạch trong khi tăng tổn hao lõi (tổn hao không tải).

Sự thay đổi trong tiết diện dây dẫn kèm chiều dài cuộn dây và mạch từ sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất theo nhiều cách khác nhau. Điều này khiến các đơn vị sản xuất máy biến áp phải tìm kiếm sự cân bằng hiệu quả về chi phí.

Để nâng cao hiệu suất máy biến áp, tổn hao lõi có lẽ được chú ý nhiều nhất. Cấu trúc lõi thép cho phép hai tính năng tiết kiệm năng lượng quan trọng. Đầu tiên, tính chất vốn có giữa hướng cán thép và hướng từ trường cho phép sử dụng thép định hướng trong các máy biến áp. Điều này làm giảm đáng kể tổn thất từ ​​trễ trong lõi. Thứ hai, vật liệu mỏng hơn có thể được sử dụng trong lõi máy biến áp. Độ dày thông thường của thép định hình, loại sử dụng phổ biến cho các loại máy biến áp là 0,25 mm đến 0,35 mm. Với độ dày này sẽ đảm bảo làm giảm tổn thất dòng xoáy.

Tuy nhiên, sự thay đổi bắt đầu từ năm 1980 với việc nghiên cứu áp dụng thép vô định hình làm lõi từ máy biến áp. Vật liệu này không chứa cấu trúc dạng hạt. Thép vô định hình chỉ dày 0,0254 mm, được Westinghouse sử dụng lần đầu tiên vào năm 1986 cho máy biến áp phân phối (25 kVA). Nhờ sử dụng thép vô định hình mà tổn hao lõi trong máy biến áp đã giảm xuống so với máy thông thường.

Hầu hết các đơn vị sản xuất máy biến áp đều sử dụng thép silic có độ thẩm từ cao. Sự phát triển của công nghệ vật liệu áp dụng cho lõi máy biến áp được tóm tắt bằng bảng dưới đây:

Sự phát triển của vật liệu lõi

Nhìn tổng thể, ngày nay có hai loại thép được sử dụng trong sản xuất máy biến áp là thép Amorphous (thép vô định hình) và thép định hướng hạt cán nguội (CRGO). Có thể thấy rằng tổn thất trong lõi kim loại vô định hình nhỏ hơn 25% so với CRGO. Thép Amorphous cho độ thẩm thấu cao vì độ dày của chúng ở dạng mỏng (như ruy-băng) dẫn đến tổn thất lõi ít ​​hơn nhiều so với CRGO. Tuy nhiên việc phải đánh đổi buộc cả đơn vị sản xuất và chủ đầu tư luôn phải cân nhắc. Sử dụng mật độ thông lượng cao hơn trong CRGO (lên đến 1,5 T) dẫn đến tổn thất lõi cao hơn. Tuy nhiên, với lõi CRGO thì số lượng đồng được sử dụng ít hơn vì khối lượng lõi ít ​​hơn. Điều này làm giảm tổn thất ngắn mạch.

Nỗ lực thiết kế để giảm thiểu tổn thất không tải (tổn thất Fe)

Loại máy biến áp mới sử dụng lõi từ tổn hao thấp làm từ kim loại vô định hình được ra mắt vào năm 1986. Tổn hao lõi thấp hơn từ 60% đến 70% so với tổn thất của máy biến áp sử dụng thép silic. Cho đến nay, các máy biến áp Amorrphous được sử dụng chủ yếu làm máy phân phối. Công suất máy biến áp vô định hình thường trong khoảng từ 10 kVA đến 2500 kVA, tối đa là 10.000 kVA.

Máy biến áp làm mát bằng dầu với lõi vô định hình hiện được sử dụng trong các công trình công nghiệp và thương mại. Chi phí và kỹ thuật sản xuất kim loại vô định hình là trở ngại lớn cho việc đưa ra thị trường máy biến áp Amorphous. Lõi thép vô định hình đã hạn chế kích thước của máy. Kim loại này không dễ gia công, rất cứng, khó cắt mỏng hơn thép CRGO và không có khổ thép lớn (khổ thép vô định hình tối đa hiện nay là 213,4 mm trong khi khổ thép CRGO lên tới 1.000 mm). Trên thế giới, giá thành máy Amorphous thường cao hơn từ 15% đến 40% so với máy biến áp sử dụng lõi thép silicon.

Hiện tại, lõi vô định hình không được áp dụng trong máy biến áp kiểu khô. Tuy nhiên, vẫn có những nghiên cứu được thực hiện trên các máy biến áp lõi vô định hình và việc sử dụng kim loại đặc biệt này trong các máy biến áp kiểu khô có thể trở thành hiện thực trong tương lai.

Nếu chủ đầu tư có ý định sử dụng máy biến áp lõi vô định hình thì nên xác định đánh đổi kinh tế. Nói cách khác, chấp nhận máy Amorphous giá cao hơn và tổn thất lõi sắt từ (tổn thất không tải) thấp hơn. Tổn thất đặc biệt quan trọng khi máy biến áp được tải nhẹ, chẳng hạn như trong khoảng từ 9 giờ tối đến 6 giờ sáng. Khi được tải nhẹ, tổn hao lõi trở thành thành phần lớn nhất trong tổng tổn thất của máy biến áp. Do đó, chi phí tiền điện tại vị trí đặt máy biến áp Amorphous là yếu tố quan trọng trong việc thực hiện các phân tích kinh tế.

Nỗ lực thiết kế để giảm thiểu tổn thất ngắn mạch (Cu)

Theo công thức P = I²R, tổn thất công suất máy biến áp chủ yếu là tổn thất ngắn mạch (Cu). Do vậy việc sử dụng dây đồng dày hơn làm cho mật độ dòng điện thấp hơn có thể giảm tổn thất công suất. Tuy nhiên, việc tăng độ dày tùy ý có thể làm tăng tổn thất dòng điện xoáy. Trong bối cảnh này, cuộn dây được cấu hình đúng cách sẽ giảm tối đa tổn thất ngắn mạch.

Nói chung, các phương pháp thiết kế đều tập trung vào cấu tạo máy biến áp và hướng đến giảm tổn thất. Những yếu tố đó tập trung vào 3 yếu tố: Sử dụng nhiều vật liệu hơn; Chất liệu vật liệu tốt hơn; Vật liệu mới hơn. Mỗi thiết kế hình thành đều nhằm cố gắng đạt được các thông số kỹ thuật kèm chi phí vật liệu tối thiểu hoặc khối lượng tối thiểu hoặc chi phí sở hữu tổng thể tối thiểu. Trên thế giới ngày càng có nhiều người tiêu dùng (chủ đầu tư) lựa chọn loại máy biến áp dựa trên tổng chi phí sở hữu thay vì chi phí mua máy. Tổng chi phí vận hành do tổn thất và tổng chi phí đầu tư là cơ sở của tổng chi phí sở hữu máy biến áp.

Nỗ lực thiết kế và tạo ra vật liệu mới sử dụng cho máy biến áp lõi vô định hình tuy về lý thuyết là giảm tổn hao lõi những qua phân tích thực tế những ưu nhược điểm của máy Amorphous đã khiến nhiều chủ đầu tư chần chừ khi lựa chọn loại máy này. Cuộc chiến giữa máy biến áp Amorphous và CRGO sẽ còn tiếp diễn cho đến chừng nào một trong hai loại thể hiện được sự vượt trội trong mọi hoàn cảnh sử dụng.

BBT Galaxy M&E