Trong lĩnh vực kỹ thuật điện, đặc biệt là trong thiết kế và tối ưu hóa máy biến áp, việc hiểu rõ và áp dụng các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất, kích thước và chi phí là vô cùng quan trọng. Một trong những thông số như vậy là mật độ từ thông, một khái niệm cốt lõi có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của máy biến áp cũng như tác động vật lý và kinh tế của nó.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá quá trình hoạt động của từ thông và từ đó, có cái nhìn tổng thể về vật liệu lõi CRGO nhằm mục đích thu nhỏ kích thước và cắt giảm chi phí năng lượng trong Máy biến áp.
Từ thông trong Máy biến áp
Từ thông (Φ) là một thước đo cho từ trường tổng đi qua một diện tích nhất định. Nó được định lượng bằng weber (Wb) và biểu thị số lượng đường sức từ đi qua diện tích đó. Bản thân từ trường, được sinh ra bởi dòng điện và vật liệu từ tính, là một trường vectơ, nghĩa là nó có cả độ lớn và hướng.
Mật độ từ thông, ngược lại, đo lường cường độ của từ trường trên mỗi đơn vị diện tích. Nó được biểu diễn bằng tesla (T), trong đó 1 tesla tương đương 1 weber trên mét vuông (T = 1 Wb/m²). Về cơ bản, mật độ từ thông cung cấp một cách để định lượng mức độ dày đặc hoặc tập trung của các đường sức từ trong một khu vực cụ thể. Một mật độ từ thông cao có nghĩa là có một từ trường mạnh hơn được tập trung vào khu vực đó, trong khi mật độ từ thông thấp chỉ ra một từ trường yếu hơn.
Kích thước của máy biến áp có mối liên hệ chặt chẽ với mật độ từ thông. Mối quan hệ này được minh họa qua công thức:
B = Φ /A
B: là mật độ từ thông (Tesla, )
Φ: là từ thông (Weber, Wb)
A: là diện tích tiết diện của lõi
Mật độ từ thông B cao hơn cho phép sử dụng lõi máy biến áp có kích thước nhỏ hơn cho cùng một giá trị từ thông Φ. Điều này giúp giảm thiểu vật liệu cần thiết để chế tạo máy biến áp, tiềm năng làm giảm chi phí sản xuất.
Các đặc tính điện quan trọng của thép CRGO
Để tối ưu hóa thiết kế máy biến áp, các kỹ sư cố gắng vận hành gần mật độ từ thông tối ưu, cân bằng giữa việc giảm thiểu kích thước lõi và tránh độ bão hòa của vật liệu lõi. Sự cân bằng này rất quan trọng trong việc lựa chọn vật liệu lõi thích hợp, vật liệu này phải có điểm bão hòa cao, độ trễ thấp và tổn thất dòng điện xoáy để đạt được hiệu suất cao và chi phí thấp hơn.
Một trong những vật liệu đó là thép định hướng hạt cán nguội (CRGO), là vật liệu then chốt trong sản xuất lõi máy biến áp, được biết đến với khả năng từ thẩm đặc biệt cao. Đặc tính này cho phép CRGO truyền từ thông hiệu quả hơn, khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng để giảm tổn thất năng lượng trong máy biến áp. Khả năng từ thẩm cao của CRGO là kết quả của quy trình sản xuất độc đáo và sự định hướng cấu trúc hạt của nó.
Việc sản xuất CRGO bao gồm việc kiểm soát cẩn thận các quá trình gia nhiệt và làm mát, bên cạnh việc xử lý cơ học để căn chỉnh các hạt theo hướng của tấm thép. Định hướng hạt này tăng cường đáng kể các đặc tính từ tính của vật liệu bằng cách giảm đường đi có ít điện trở nhất đối với từ thông. Về bản chất, các hạt thẳng hàng tạo ra một con đường cho phép từ trường đi qua vật liệu tự do hơn, do đó làm tăng tính thấm của nó.
Một yếu tố khác góp phần tạo nên tính thấm cao của CRGO là hàm lượng silicon của nó. Thông thường, CRGO chứa khoảng 3% silicon, có tác dụng tăng điện trở và giảm tổn thất dòng điện xoáy. Dòng điện xoáy là dòng điện sinh ra trong dây dẫn do từ trường thay đổi trong dây dẫn, dẫn đến tiêu tán năng lượng. Bằng cách giảm thiểu các dòng điện này, thép CRGO cải thiện đáng kể hiệu suất của máy biến áp.
Đối với thép CRGO truyền thống, tổn thất lõi được bảo đảm ở mức cường độ từ trường 1.5 Tesla, trong khi đối với các loại thép cấp cao như CRGO HI-B-Steel và CRGO HI-B-LS Steel, mức bảo đảm này được mở rộng đến 1.7 Tesla.
Những con số này nhấn mạnh việc kỹ thuật vật liệu được tối ưu hóa để tăng cường hiệu suất điện từ, giảm thiểu sự tiêu hao năng lượng thông qua tổn thất do hiện tượng hysteresis và dòng điện xoáy, quan trọng cho thiết kế máy biến áp hiệu suất cao. Sự điều chỉnh hiệu suất này đảm bảo thép CRGO vẫn là lựa chọn hàng đầu trong các vật liệu sử dụng trong hệ thống truyền và phân phối năng lượng.