Tài liệu Luận án tiến sĩ kỹ thuật điện nghiên cứu hiện tượng từ giảo trong máy biến áp lõi thép vô định hình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỖ CHÍ PHI NGHI N CỨU HI N TƢ NG TỪ GIẢO TRONG TH P V Đ NH H NH LUẬN ÁN TI N SĨ KỸ THUẬT ĐI N Hà Nội – 2016 Á BI N ÁP I BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỖ CHÍ PHI NGHI N CỨU HI N TƢ NG TỪ GIẢO TRONG TH P V Á BI N ÁP Đ NH H NH Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện Mã số: 62520202 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. LÊ VĂN DOANH 2. TS. PHÙNG ANH TUẤN Hà Nội – 2016 I i LỜI CA ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực. XÁC NHẬN CỦA TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GV. HƯỚNG DẪN 1 GV. HƯỚNG DẪN 2 TÁC GIẢ LUẬN ÁN PGS. TS Lê Văn Doanh TS. Phùng Anh Tuấn Đỗ Chí Phi ii LỜI CẢ ƠN Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn kính trọng và sâu sắc đến hai thầy hướng dẫn khoa học trực tiếp, PGS. TS. Lê Văn Doanh và TS. Phùng Anh Tuấn đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học trong quá trình nghiên cứu. Hai thầy đã dành nhiều thời gian và tâm huyết, hỗ trợ về mọi mặt để tác giả hoàn thành luận án. Tác giả trân trọng cảm ơn PGS.TS. Nguy n Việt Hùng, Viện trưởng Viện nghiên cứu quốc tế về khoa học k thuật tính toán, đã tạo điều kiện thuận lợi cho ph p tác giả s d ng chương trình phần mềm Ansys Maxwell được hỗ trợ bản quyền, tại ph ng nghiên cứu của Viện để thực hiện bài toán mô phỏng máy biến áp. Tác giả trân trọng cảm ơn Th.S Lê Xuân Đại, công tác tại Viện nghiên cứu quốc tế về khoa học k thuật tính toán thu c trường Đại học ách khoa Hà N i. Người đã hết l ng hỗ trợ tác giả trong việc triển khai thuật toán mô phỏng trong phần mềm Ansys Maxwell. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học ách Khoa Hà N i, Viện Đào tạo Sau Đại học, Viện Điện và B môn Thiết bị Điện - Điện t đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Chân thành cảm ơn các Giảng viên và cán b B môn Thiết bị điện - Điện t , đã hỗ trợ tận tình giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn an Giám hiệu trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng, Khoa Điện – Điện Lạnh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tác giả được tập trung nghiên cứu tại Hà N i trong suốt thời gian qua. Xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ và đ ng viên của các đồng nghiệp, nhóm NCS – Viện Điện. Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ l ng biết ơn đến các Đấng sinh thành và gia đình nhỏ của mình luôn ở bên tác giả những lúc khó khăn, mệt mỏi nhất, để đ ng viên, hỗ trợ về mặt tinh thần, giúp tác giả có thể đứng vững trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện bản luận án này. Tác giả luận án Đỗ Chí Phi iii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................................... ii MỤC LỤC ............................................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT................................................................. vi DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU ................................................................................................ viii DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ ................................................................................. ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ........................................................................................... xii MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 1 1. Tính cấp thiết của đề tài: ......................................................................................... 1 2. Mục tiêu, đối tƣợng, phƣơng pháp và phạm vi nghiên cứu ................................. 2 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................................... 3 4. Các đóng góp mới của luận án ................................................................................ 4 5. Cấu trúc nội dung của luận án................................................................................ 4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ VÔ ĐỊNH HÌNH .................................... 6 VÀ MÁY BIẾN ÁP ................................................................................................................... 6 1.1. Giới thiệu .................................................................................................................. 6 1.2. Vật liệu từ vô định hình ........................................................................................... 6 1.2.1. Cấu trúc mạng tinh thể .......................................................................................... 6 1.2.2. Công nghệ chế tạo vật liệu từ vô định hình........................................................... 6 1.3. Máy biến áp sử dụng lõi thép vô định hình ........................................................... 9 1.4. Các nghiên cứu ở ngoài nƣớc về MBA lõi thép VĐH ......................................... 11 1.4.1. Nghiên cứu về giảm tổn hao MBA lõi th p VĐH ............................................... 11 1.4.2. Nghiên cứu thiết kế M A VĐH ......................................................................... 12 1.5. Các nghiên cứu ở trong nƣớc về MBA lõi thép VĐH ......................................... 14 1.6. Nghiên cứu mối liên hệ cơ từ ở lõi MBA .............................................................. 15 1.6.1. Nghiên cứu mối liên hệ cơ từ ở lõi th p silic ...................................................... 15 1.6.2. Nghiên cứu mối liên hệ cơ từ ở lõi th p VĐH. ................................................... 18 1.6.3. Ảnh hưởng của từ giảo đến sự rung ồn trong lõi th p VĐH ............................... 20 1.7. Những vấn đề còn tồn tại ....................................................................................... 23 iv 1.8. Đề xuất hƣớng nghiên cứu của tác giả ................................................................. 23 1.9. Kết luận ................................................................................................................... 24 CHƢƠNG 2 KHẢO SÁT BIẾN DẠNG CỦA VẬT LIỆU TỪ VÔ ĐỊNH HÌNH DO HIỆU ỨNG TỪ GIẢO .................................................................................................... 25 2.1. Giới thiệu ................................................................................................................ 25 2.2. Cơ sở lý thuyết về từ giảo ...................................................................................... 25 2.2.1. Khái niệm từ giảo ................................................................................................ 25 2.2.2. Hệ số từ giảo ....................................................................................................... 25 2.2.3. Cơ chế của hiện tượng từ giảo............................................................................. 26 2.2.4. Từ giảo bão h a ................................................................................................... 27 2.2.5. Năng lượng từ giảo .............................................................................................. 27 2.2.6. Ứng d ng hiệu ứng từ giảo trong vật liệu từ ....................................................... 27 2.3. Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng .................................................................... 28 2.3.1. Định luật Hooke .................................................................................................. 28 2.3.2. Định luật Poisson ................................................................................................ 28 2.3.3. Biến dạng trượt .................................................................................................... 29 2.3.4. Biến dạng dài ....................................................................................................... 30 2.3.5. Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng ................................................................... 32 2.3.6. N i năng riêng ..................................................................................................... 36 2.4. Biến dạng của vật liệu từ do hiệu ứng từ giảo ..................................................... 37 2.4.1. Biến dạng từ giảo ................................................................................................ 37 2.4.2. Ten xơ ứng suất và biến dạng do hiệu ứng từ giảo ............................................. 38 2.4.3. Khảo sát ứng suất và biến dạng do hiệu ứng từ giảo trong lõi th p M A .......... 40 2.5. Kết luận ................................................................................................................... 42 CHƢƠNG 3 KHẢO SÁT MỐI LIÊN HỆ CƠ - TỪ TRONG LÕI THÉP MÁY BIẾN ÁP ........................................................................................................................... 43 3.1. Giới thiệu ................................................................................................................ 43 3.2. Mô hình toán tính lực cơ từ trong lõi thép của vật liệu từ. ................................ 43 3.2.1. Mối liên hệ giữa mật đ d ng điện và từ thế vectơ A ......................................... 44 3.2.2. Tính toán suất từ trở của lõi vật liệu có x t đến yếu tố từ giảo ........................... 47 3.2.3. Khảo sát mối liên hệ cơ - từ do hiệu ứng từ giảo thuận ...................................... 50 3.2.4. Khảo sát mối liên hệ cơ - từ có x t đến hiệu ứng từ giảo nghịch ....................... 60 3.3. Xây dựng mô hình mô phỏng trên Ansys Maxwell ............................................. 70 v 3.3.1. Xây dựng mô hình mô phỏng 2D ........................................................................ 70 3.3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng 3D ........................................................................ 74 3.4. Kết luận ................................................................................................................... 77 CHƢƠNG 4 SỰ RUNG ỒN TRONG LÕI THÉP VÔ ĐỊNH HÌNH DO HIỆU ỨNG TỪ GIẢO ...................................................................................................................... 79 4.1. Giới thiệu ................................................................................................................ 79 4.2. Khái niệm về sự rung động và tiếng ồn................................................................ 79 4.3. Mô hình toán .......................................................................................................... 81 4.3.1. Mối tương quan giữa điện và cơ ......................................................................... 81 4.3.3. Mô hình toán trong hệ hỗn hợp của lõi th p M A ............................................. 85 4.4. Khảo sát trên mô hình toán và mô hình thực nghiệm ........................................ 90 4.4.1. Các kích thước cơ bản của lõi th p M A 1 pha VĐH ........................................ 90 4.4.2. Kết quả khảo sát trên mô hình toán ..................................................................... 91 4.4.3. Kết quả thực nghiệm đo đ rung trên lõi M A .................................................. 93 4.5. Kết luận ................................................................................................................... 98 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................................. 100 Đóng góp khoa học của luận án....................................................................................... 101 Hƣớng phát triển của luận án ......................................................................................... 101 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .............................. 102 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ............................................................. 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................... 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT ........................................................................... 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG ANH ............................................................................ 103 1. Phụ lục 1................................................................................................................ 110 2. Phụ lục 2................................................................................................................ 112 3. Phụ lục 3................................................................................................................ 115 4. Phụ lục 4................................................................................................................ 123 vi DANH MỤC CÁC KÍ HI U VÀ TỪ VI T TẮT Kí hiệu / Đơn vị Ý nghĩa Viết tắt Đ dày của lá th p t m ρ µΩcm f Hz Tần số u μm Chuyển vị U0 V Điện áp cực đại U V Điện áp hiệu d ng  V sức điện đ ng do hiệu ứng từ giảo v m/H Suất từ trở μ H/m Hệ số từ thẩm của vật liệu μ0 H/m Hệ số từ thẩm không khí μr - Hệ số từ thẩm tương đối μσ H/m Hệ số từ thẩm thay đổi do ứng suất ngoài B Đ Góc giữa và hướng quay θ Đ Góc giữa và H  Wb.v ng LD H Hệ số tự cảm R1  Điện trở dây quấn At m2 Tiết diện của tr và gông từ Lt m Chiều dài của tr từ Lg m Chiều dài của gông từ  μm/m S - E V/m Vectơ cường đ điện trường H A/m Vectơ cường đ từ trường H A/m Cường đ từ trường D C/m2 Vectơ cảm ứng điện B T = kg/s2.A Vectơ cảm ứng từ B T = kg/s2.A Cảm ứng từ ( Mật đ từ thông) Điện trở suất Từ thông móc v ng Thông số từ giảo Ten xơ hướng từ giảo vii J A/m2 Vectơ mật đ d ng điện J A/m2 Mật đ d ng điện A T.m Từ thế Vectơ  - Hệ số Poisson εelast μm/m Biến dạng đàn hồi εms μm/m Biến dạng do hiệu ứng từ giảo ε μm/m Biến dạng tồng εH m2/N Hệ số biến dạng do cường đ từ trường H d33 m/A Hệ số cơ từ σ N/m2 Ứng suất Hw m Chiều cao c a sổ mạch từ Cw m Chiều r ng c a sổ mạch từ 2a m Chiều dày lõi th p ma F N Lực từ Fms N Lực từ giảo F N Lực tổng λs μm/m Hệ số từ giảo bão h a E N/m2 Mô đun đàn hồi Young λL N/m2 Hằng số Lame G N/m2 Mô đun đàn hồi trượt viii DANH MỤC CÁC KÍ HI U Ý nghĩa Viết tắt  BA Toán t Napla Biến áp MBA Máy biến áp VĐH Vô định hình PTHH Phần t hữu hạn ix DANH MỤC CÁC H NH VÀ ĐỒ TH Trang Hình 1.1. Các cấu trúc mạng tinh thể [76] ................................................................................ 6 Hình 1.2. Sơ đồ thiết bị điều khiển công nghệ rót khép kín [4]. ................................................ 7 Hình 1.3. Sơ đồ thiết bị điều khiển công nghệ rót liên tục [5] ................................................. 8 Hình 1.4. Qui trình chế tạo vật liệu vô định hình [61] .............................................................. 9 Hình 1.5. Máy biến áp 3 pha [36] ............................................................................................. 9 Hình 1.6. Lịch sử tổn hao không tải của MBA 50 kVA [34] .................................................... 10 Hình 1.7. Biểu thị đường cong từ trễ của vật liệu VĐH và thép silic [12] ............................. 10 Hình 1.8. Lịch sử ứng dụng thép VĐH chế tạo MBA phân phối [8] ....................................... 10 Hình 1.9. Tổn thất không tải giữa lõi thép VĐH SA1 và thép silic M5 [21] ........................... 12 Hình 1.10. Tổn thất lõi VĐH theo nhiệt độ và thời gian ủ [21] .............................................. 13 Hình 1.11. Tổn hao không tải và có tải của MBA khô VĐH [66] ........................................... 14 Hình 1.12. Mô hình mạch từ của MBA khô VĐH [66] ............................................................ 14 Hình 1. 13. Phân bố lực và độ biến dạng của lõi thép [15] .................................................... 15 Hình 1.14. Phân bố lực trong lõi thép MBA [44] .................................................................... 16 Hình 1.15. Biến dạng từ giảo được đo bằng thực nghiệm trên thép kỹ thuật điện [32] ........ 16 Hình 1.16. Đồ thị cảm ứng từ B và chuyển vị trên lõi thép MBA [79]. ................................... 17 Hình 1.17. Đồ thị biến dạng và phân bố lực từ giảo trong lõi thép MBA [79]. ...................... 17 Hình 1.18. Khảo sát sự ảnh hưởng của ứng suất ngoài đến lõi thép [28]. ............................. 17 Hình 1.19. Đường cong từ hóa thay đổi dưới tác dụng của ứng suất [39] ............................. 18 Hình 1.20. Đường cong từ hoá của vật liệu bị thay đổi dưới tác dụng của của ứng suất ngoài [63] ................................................................................................................ 18 Hình 1.21. Hệ số từ giảo của vật liệu VĐH dưới tác dụng của cường độ từ trường [9] ....... 19 Hình 1.22. Độ biến dạng và các hệ số vật liệu phụ thuộc vào từ trường [17] ........................ 19 Hình 1.23. Cấu trúc kẹp cuộn dây của MBA VĐH [33] .......................................................... 20 Hình 1.24. Biễu diễn sự rung ồn trong MBA [58] ................................................................... 20 Hình 1.25. Độ ồn của MBA có lõi thép VĐH và thép silic 23DZMH-90 [20] ........................ 21 Hình 1.26. Các dạng lõi của máy biến áp ba pha ba trụ [18] ................................................. 21 Hình 1. 27. Đồ thị minh h a sự thay đổi cường độ âm thanh khi thay đổi cảm ứng từ B đối với cấu trúc khác nhau của lõi thép [18]. ............................................................... 21 Hình 1.28. Độ rung của lõi thép MBA VĐH với các cấu trúc lõi khác nhau [18] .................. 22 Hình 1.29. Cường độ âm thanh theo cảm ứng từ B(T) [73] .................................................... 22 Hình 2.1. Cơ chế hiện tượng từ giảo ....................................................................................... 26 Hình 2.2. Mẫu vật liệu thử và quan hệ giữa ứng suất với biến dạng [81] .............................. 28 Hình 2.3. Mẫu hình chữ nhật chịu nén với hệ số Poisson vào khoảng 0,3 [82] ...................... 29 Hình 2.4. Mô tả biến dạng trượt mặt phẳng 2-3 [82] .............................................................. 29 Hình 2.5. Mô tả biến dạng trượt mặt phẳng 1-3 [82] .............................................................. 30 Hình 2.6. Mô tả biến dạng trượt mặt phẳng 1-2 [82] .............................................................. 30 Hình 2.7. Mô tả các phương của ứng suất [82] ...................................................................... 31 x Hình 2.8. Mô tả biến dạng dài theo phương 1 [82] ................................................................. 31 Hình 2.9. Mô tả biến dạng dài theo phương 2 [82] ................................................................ 31 Hình 2.10. Mô tả biến dạng dài theo phương 3 [82] ............................................................... 32 Hình 2.11. Chuyển vị do ứng suất đơn trục [81] ..................................................................... 36 Hình 2.12. Năng lượng trong vùng đàn hồi tuyến tính [81] .................................................... 37 Hình 2.13. Mô tả biến dạng từ giảo dưới tác dụng của từ trường ngoài [58] ........................ 37 Hình 2.14. Mô hình MBA VĐH dùng để khảo sát ................................................................... 40 Hình 2.15. Đồ thị đường cong từ hóa và hệ số từ thẩm (a) và biến dạng do hiệu ứng từ giảo (b) ............................................................................................................................ 40 Hình 2.16. Đồ thị ứng suất do hiệu ứng từ giảo ...................................................................... 41 Hình 3.1. Các bước thực hiện khảo sát mối liên hệ cơ từ trong lõi thép của MBA VĐH ........ 43 Hình 3.2. Mô hình MBA khảo sát ............................................................................................ 47 Hình 3.3. Điều kiện biên .......................................................................................................... 47 Hình 3.4. Mối quan hệ giữa B và H [56] ................................................................................. 52 Hình 3.5. Suất từ trở của vật liệu khi B(T) và H(A/m) cùng phương....................................... 53 Hình 3.6. Suất từ trở của vật liệu khi B và H không cùng phương có xét đến hiệu ứng từ giảo .......................................................................................................................... 54 Hình 3.7. Vị trí khảo sát chuyển vị trong lõi thép VĐH của MBA do hiệu ứng từ giảo thuận.55 Hình 3.8. Các bước khảo sát mối liên hệ cơ từ trong lõi thép VĐH........................................ 56 Hình 3.9. Lực cơ từ và chuyển vị trên trụ MBA ...................................................................... 57 Hình 3.10. Các thành phần lực cơ từ và chuyển vị khi θ = 00 ............................................... 58 Hình 3.11. Các thành phần lực cơ từ và chuyển vị khi θ = 150 .............................................. 58 Hình 3.12. Các thành phần lực cơ từ và chuyển vị khi θ = 300 ............................................... 59 Hình 3.13. Mô hình MBA khi có sử dụng sắt kẹp cố định gông và trụ từ................................ 60 Hình 3.14. Phần tử tam giác trong hệ t a độ (x,y) .................................................................. 62 Hình 3.15. Đồ thị ứng suất tổng theo ứng suất từ giảo và ứng suất đàn hồi........................... 64 Hình 3.16. Suất từ trở của vật liệu khi B và H không cùng phương khi xét đến hiệu ứng từ giảo .......................................................................................................................... 66 Hình 3.17. Lưu đồ giải thuật tính toán khi xét đến hiệu ứng từ giảo nghịch........................... 66 Hình 3.18. Vị trí khảo sát trên lõi thép MBA ........................................................................... 67 Hình 3.19. Đồ thị biến dạng và chuyển vị khảo sát tại điểm A................................................ 67 Hình 3.20. Đồ thị biến dạng và chuyển vị khảo sát tại điểm B............................................... 68 Hình 3.21. Đồ thị biến dạng và chuyển vị khảo sát tại điểm C ............................................... 68 Hình 3.22. Biến dạng do lực cơ từ và chuyển vị theo thời gian (b) ........................................ 69 Hình 3. 23. Lưu đồ giải thuật tính toán trên phần mềm .......................................................... 70 Hình 3.24. Đồng nhất hóa vật liệu khi thực hiện trên phần mềm Ansys Maxwell [10]........... 70 Hình 3. 25. Mô hình khảo sát dùng phương pháp PTHH ........................................................ 71 Hình 3.26. Sự phân bố lưới tại khoảng trống giữa gông và trụ .............................................. 71 Hình 3.27. Sự phân bố vectơ cảm ứng từ B và từ thế vectơ A ................................................ 71 Hình 3.28. Sự phân bố cảm ứng từ tại khoảng trống của góc trụ bên trong lõi thép .............. 72 Hình 3.29. Sư phân bố lực từ và lực từ giảo phân tích trên phần mềm mô phỏng .................. 72 Hình 3.30. Chuyển vị trên gông từ........................................................................................... 72 xi Hình 3.31. Chuyển vị trên trụ từ .............................................................................................. 73 Hình 3.32. Biến dạng do hiệu ứng từ giảo ............................................................................... 73 Hình 3.33. Tiến trình thực hiện bài toán trên phần mềm mô phỏng........................................ 74 Hình 3.34. Mô hình máy biến áp 3 pha ba trụ và chia lưới mô phỏng .................................... 75 Hình 3.35. Sự phân bố lực trong lõi máy biến áp mô phỏng trên phần mềm Ansys Maxwell.75 Hình 3.36. Biến dạng trong lõi MBA VĐH mô phỏng trên phần mềm Ansys Maxwell 3D .... 75 Hình 3.37. Chuyển vị trong lõi MBA VĐH mô phỏng trên phần mềm Ansys Maxwell 3D .... 76 Hình 4.1. Các bước thực hiện mô hình toán ............................................................................ 81 Hình 4.2. Sơ đồ thể hiện mối tương quan giữa điện và cơ ...................................................... 81 Hình 4.3. Mô hình nguyên lý [24] ........................................................................................... 84 Hình 4. 4. Sơ đồ thay thế tương đương trong hệ hỗn hợp ....................................................... 85 Hình 4.5. Mô hình MBA 1 pha có sắt kẹp cố định gông và trụ................................................ 85 Hình 4.6. Mô hình khảo sát...................................................................................................... 86 Hình 4.7. Sơ đồ tương đương trong hệ hỗn hợp ...................................................................... 86 Hình 4.8. Sơ đồ tương đương của hệ cơ 1 ............................................................................... 87 Hình 4.9. Sơ đồ tương đương của hệ cơ 2 ............................................................................... 88 Hình 4.10. Sơ đồ tương đương của hệ cơ 3 ............................................................................. 88 Hình 4.11. Sơ đồ tương đương của hệ cơ 4 ............................................................................. 89 Hình 4.12. Kích thước MBA khảo sát ...................................................................................... 90 Hình 4. 13. Đồ thị cảm ứng từ(a), Cường độ dòng điện không tải (b) theo thời gian ............ 91 Hình 4.14.Chuyển vị trên trụ và gông từ ................................................................................. 92 Hình 4.15. Đồ thị biến dạng của lõi thép................................................................................. 92 Hình 4. 16. Độ rung trong lõi thép MBA ................................................................................. 92 Hình 4.17. Mô hình thực nghiệm đo độ rung và tiếng ồn trong lõi MBA ................................ 93 Hình 4.18. Kết quả đo độ rung của MBA 1 pha ...................................................................... 93 Hình 4.19. Kết quả độ rung giữa thực nghiệm và mô hình toán ............................................. 94 Hình 4.20. Kết quả độ rung hiệu dụng .................................................................................... 94 Hình 4.21. Phân tích phổ độ rung trong miền tần số .............................................................. 95 Hình 4.22. Độ rung khi sử dụng cơ lê lực kẹp gông và trụ từ với mô men lực khác nhau ...... 95 Hình 4.23. Sơ đồ bố trí điểm đo độ ồn ..................................................................................... 96 Hình 4.24. Độ ồn trong MBA một pha trước và sau khi cố định gông từ................................ 96 Hình 4.25. Kết quả độ rung trên gông của MBA ba pha ......................................................... 97 Hình 4.26. Độ ồn trong MBA ba pha trước và sau khi cố định gông từ.................................. 98 xii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 2.1. So sánh biến dạng của thép vô định hình với thép silic theo cảm ứng từ B[T] do hiệu ứng từ giảo ....................................................................................................... 41 Bảng 3.1. Các thông số điện cơ bản và kích thước của MBA .................................................. 57 Bảng 3.2. Thành phần lực và chuyển vị lớn nhất theo góc lệch giữa B và H .......................... 59 Bảng 3.3. So sánh biến dạng và chuyển vị do hiệu ứng từ giảo thuận – nghịch trên trụ từ .... 67 Bảng 3.4. So sánh chuyển vị do hiệu ứng từ giảo tại gông và trụ từ ....................................... 69 Bảng 3.5. So sánh chuyển vị tại gông và trụ từ (μm) ............................................................... 73 Bảng 3.6. So sánh biến dạng và chuyển vị của lõi thép vô định hình từ kết quả của mô hình toán với kết quả phân tích bằng phương pháp PTHH............................................. 74 Bảng 3.7. So sánh biến dạng và chuyển vị của lõi thép vô định hình theo kết quả của mô hình toán, mô hình mô phỏng 2D với mô hình mô phỏng 3D. ................................ 76 Bảng 4.1. Mối tương quan giữa điện và cơ trong hệ thống hỗn hợp [16] ............................... 82 Bảng 4.2. Ký hiệu các thông số của MBA ................................................................................ 83 Bảng 4.3. Các thông số điện cơ bản và kích thước của lõi thép MBA..................................... 91 Bảng 4. 4. So sánh độ rung hiệu dụng giữa kết quả thực nghiệm và kết quả trên mô hình toán .......................................................................................................................... 94 Bảng 4.5. Độ ồn của MBA một pha tại điểm 6 ........................................................................ 96 Bảng 4.6. Độ ồn của MBA ba pha tại điểm 6 .......................................................................... 98 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: Biến áp điện lực là m t phần t quan trọng cấu thành lưới điện. Nguyên lý hoạt đ ng của máy biến áp (MBA) điện lực vẫn giữ nguyên không đổi kể từ khi MBA ba pha đầu tiên được chế tạo vào năm 1899. Tuy vậy tính năng của nó được hoàn thiện và phát triển liên t c trong suốt hơn 100 năm qua. Cho đến những năm trước 1980, người ta vẫn chỉ tập trung vào việc tìm cách nâng cao công suất và điện áp của MBA, trong vài thập kỷ gần đây việc phát triển máy biến áp điện lực mới đi sâu vào các khía cạnh kinh tế và sinh thái. M A phân phối luôn đóng góp m t vai tr hết sức quan trọng trong cơ sở hạ tầng của hệ thống điện, nó chiếm tỉ lệ lớn trong tổng công suất của hệ thống M A, vì thế vấn đề giảm tổn hao công suất của M A phân phối có ý ngh a kinh tế kỹ thuật rất quan trọng. Để giảm tổn hao công suất trong MBA, cần thiết kế máy sao cho tổng tổn hao của dây đồng và tổn hao sắt từ nhỏ nhất, trong đó tổn hao sắt ph thu c rất nhiều vào chất lượng của loại th p. Vật liệu từ mềm vô định hình (VĐH) được phát hiện từ năm 1970, nhờ vào thành phần và cấu trúc vi mô đặc biệt nên đặc tính từ của th p VĐH tốt hơn hẳn so với th p silic tinh thể cán ngu i như đã trình bày trong tài liệu [7], c thể: - Điện trở suất tăng nhiều lần, chiều dày lá th p giảm khoảng 10 lần. - Lực kh từ rất nhỏ 0,8 A/m, đường cong từ tr hẹp, do đó tổn hao từ tr có thể bỏ qua. Trong thời gian gần đây, công nghệ vật liệu từ đã có những tiến b nhảy vọt cho ph p ứng d ng vật liệu từ VĐH trong việc chế tạo mạch từ của M A phân phối [8,30,34,38,61,71]. Các tài liệu [3,34,43,60,66] đã đề cập đến vấn đề kinh tế khi s d ng MBA lõi th p VĐH và đưa ra so sánh chi phí tổn thất giữa hai loại M A lõi th p silic thông thường và lõi VĐH, từ đó khẳng định s d ng MBA lõi th p VĐH giảm tổn hao không tải từ 60-70% và sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao. Với những ưu điểm như trên, MBA lõi th p VĐH được ứng d ng sản xuất r ng rãi và dần thay thế M A lõi th p truyền thống. ên cạnh đó, vật liệu từ VĐH là những dải băng mỏng có đ dày từ 0,02mm đến 0,03mm, rất nhạy cảm với nhiệt đ , biến dạng cơ học khi gia công cũng như biến dạng bởi từ trường ngoài. Từ giảo là hiện tượng hình dạng, kích thước của các vật liệu từ bị thay đổi dưới tác d ng của từ trường ngoài hoặc ngược lại, tính chất từ của vật liệu từ bị thay đổi khi có sự tác đ ng của ứng suất bên ngoài, chính hiện tượng này cùng với sự chuyển đ ng ngang của lá th p do lực từ sẽ gây nên sự rung đ ng của lõi từ, với tần số rung đ ng thích hợp sẽ phát ra âm thanh tiếng ồn trong lõi th p M A. 2 Quá từ thông cũng là m t tình trạng nguy hiểm, khi mật đ từ thông tăng lên đến mức rất cao có thể gây ra d ng điện xoáy (d ng điện Fuco) quá mức trong lõi th p và trong các b phận dẫn điện khác bên trong lõi MBA. Mật đ từ thông cao cũng gây ra từ giảo mãnh liệt bên trong lõi th p của MBA, tạo nên sự co giãn mạnh mẽ làm cho lõi th p giãn nở hoặc co lại, gây phá vỡ kết cấu ban đầu làm hư hỏng MBA. Ngoài ra, hiện tượng từ giảo cũng tạo ra các tạp âm gây nhi u với các thành phần hài bậc cao ảnh hưởng đến chất lượng điện năng, tổn thất công suất, phát sinh nhiệt…. Vật liệu từ VĐH có hệ số từ giảo bão h a tương đối cao (khoảng 27μm/m) nên hiệu ứng từ giảo xảy ra sẽ mạnh hơn so với th p silic (khoảng 8-10μm/m), th p VĐH là vật liệu mới nên các công trình nghiên cứu về hiệu ứng từ giảo trên lõi th p của MBA chưa được công bố nhiều. Việt nam đã bắt đầu sản xuất M A phân phối lõi VĐH thay thế cho MBA truyền thống. Do đó, Nghiên cứu hiện tượng từ giảo trong máy biến áp lõi thép vô định hình” được đặt ra có ý ngh a rất quan trọng trong giai đoạn hiện nay, và đây cũng là vấn đề kỹ thuật được các nhà sản xuất và vận hành M A đang rất quan tâm. Để nghiên cứu toàn diện về hiệu ứng từ giảo, luận án tập trung xây dựng m t mô hình toán tổng quát tính toán lực từ và lực từ giảo, thông qua mô hình toán khảo sát mối liên hệ giữa cơ và từ trong lõi th p. Lời giải cho bài toán cơ và từ với mô hình toán đã xây dựng nhằm khảo sát sự biến dạng và rung đ ng trong lõi th p. Đồng thời so sánh, đánh giá kết quả đạt được từ mô hình toán với kết quả phân tích bằng phương pháp phần t hữu hạn (PTHH) và kết quả thực nghiệm là nghiên cứu mới cần được công bố. 2. Mục tiêu, đối tƣợng, phƣơng pháp và phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu:  Xây dựng mô hình toán khảo sát biến dạng, chuyển vị và rung đ ng trong lõi th p MBA.  Tìm ra vị trí chịu biến dạng và chuyển vị lớn nhất trong lõi th p.  Khảo sát sự rung ồn trong lõi th p khi có cố định gông và tr từ so với trường hợp không cố định gông và tr từ.  So sánh, đánh giá kết quả đạt được từ mô hình toán với kết quả phân tích bằng phương pháp phần t hữu hạn (PTHH) và kết quả thực nghiệm, xác định lực kẹp sao cho M A có đ rung ồn nhỏ nhất. Đối tượng nghiên cứu:  MBA có cấu trúc dây quấn hình chữ nhật s d ng lõi th p bằng vật liệu VĐH 3 pha và m t pha. Phạm vi nghiên cứu:  Tập trung vào xây dựng mô hình toán tính lực cơ từ trong lõi th p. 3  Khảo sát lực cơ từ trong lõi th p M A.  Khảo sát biến dạng và chuyển vị trong lõi th p M A.  Ứng d ng phần mềm mô phỏng Ansys Maxwell 2D và 3D để phân tích và tìm ra vị trí có biến dạng và chuyển vị lớn nhất.  Đánh giá sự rung ồn khi có s d ng sắt kẹp gông và tr so với trường hợp không có sắt kẹp.  Xác định lực p của sắt kẹp tối ưu để đ rung ồn trong lõi th p nhỏ nhất. Phương pháp nghiên cứu:  S d ng phương pháp giải tích số, sau đó s d ng phần mềm Matlab và Excel để tính toán và phân tích kết quả.  So sánh kết quả đạt được của mô hình toán với các kết quả nghiên cứu trước đây [79].  Khảo sát để tìm ra vị trí có biến dạng và chuyển vị lớn nhất trên lõi th p M A bằng phương pháp PTHH.  Xây dựng mô hình thực nghiệm đo tổn hao, đo rung ồn trong lõi th p M A. Sau đó so sánh và đánh giá kết quả của mô hình thực nghiệm với mô hình toán. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học:  Nghiên cứu hệ thống các lý thuyết cơ bản về hiện tượng từ giảo.  Nghiên cứu lực cơ từ cùng với biến dạng và chuyển vị trong lõi th p VĐH do hiệu ứng từ giảo.  Nghiên cứu hệ thống các lý thuyết cơ bản về sự rung ồn trong lõi th p do hiện tượng từ giảo gây ra.  Nghiên cứu xây dựng mô hình toán tổng quát để phân tích và tính toán lực cơ từ, biến dạng và chuyển vị trong lõi th p.  Áp d ng phương pháp PTHH với mô hình 2D và 3D để thực hiện mô phỏng, xác định vị trí chịu biến dạng và chuyển vị lớn nhất nhằm ph c v cho đo đạc thực nghiệm được chính xác. Ý nghĩa thực tiễn  Th p VĐH rất nhạy cảm với nhiệt đ , các biến dạng khi gia công cũng như biến dạng do từ trường ngoài, hệ số từ giảo bão h a của th p VĐH (27μm/m) cao hơn nhiều so với th p silic (8-10μm/m). Do đó, việc nghiên cứu ảnh hưởng của từ giảo đến MBA lõi th p VĐH có ý ngh a hết sức quan trọng.  Hiện tượng từ giảo gây ra biến dạng, chuyển vị và rung ồn trong lõi th p MBA, do đó nghiên cứu mối liên hệ giữa cơ và từ trong lõi th p có ý ngh a rất quan trọng, nhằm xác định 4 ứng suất n n của sắt kẹp gông và tr từ MBA sao cho biến dạng, chuyển vị trên lõi th p nhỏ nhất, góp phần hoàn thiện công nghệ và chế tạo MBA s d ng vật liệu VĐH ở Việt Nam. 4. Các đóng góp mới của luận án N i dung của luận án đã tập trung nghiên cứu tính toán lực cơ từ, biến dạng và rung ồn trong MBA lõi th p VĐH. M t số kết quả nghiên cứu mới của luận án có thể được tóm lược lại như sau: (1) Xây dựng được m t mô hình toán mới trong hệ hỗn hợp cơ từ. (2) Khảo sát mối liên hệ cơ từ trong lõi th p M A có x t đến các yếu tố liên quan, c thể: o Khảo sát lực cơ từ. o Khảo sát biến dạng và chuyển vị o Khảo sát gia tốc (đ rung của lõi) (3) Chỉ ra vị trí chịu biến dạng và chuyển vị lớn nhất nhằm khuyến cáo cho nhà thiết kế và chế tạo c a sổ mạch từ khi thực hiện gia công lõi th p. (4) Xác định được ứng suất kẹp của gông và tr từ để biến dạng, chuyển vị trên lõi th p nhỏ nhất. (5) Thực nghiệm đo đ rung ồn trong lõi th p khi cố định gông và tr từ với các lực kẹp khác nhau nhằm xác định giá trị lực kẹp tối ưu nhất, giảm đ rung ồn của M A lõi th p VĐH đến mức thấp nhất. Đây cũng là vấn đề kỹ thuật được quan tâm rất nhiều đối với các nhà sản xuất và vận hành M A. 5. Cấu trúc nội dung của luận án Ngoài phần mở đầu và các m c theo quy định, n i dung nghiên cứu của luận án được trình bày trong 4 chương và 4 ph l c, c thể: Mở đầu: Trình bày các vấn đề chung của luận án, tóm tắt về n i dung nghiên cứu, những đóng góp của luận án và kết cấu của luận án. Chƣơng 1: Tổng quan về vật liệu từ vô định hình và máy biến áp Chương này, tác giả giới thiệu tổng quát về vật liệu từ VĐH và MBA lõi th p VĐH, so sánh tổn thất không tải của M A có lõi th p VĐH với lõi th p silic. Trình bày những nghiên cứu ở ngoài nước và trong nước về M A lõi th p VĐH, vấn đề giảm tổn hao cũng như nghiên cứu thiết kế MBA lõi th p VĐH. Các công trình nghiên cứu về mối liên hệ giữa cơ và từ ở MBA silic và MBA lõi th p VĐH cũng được nêu ra, trên cơ sở những vấn đề c n tồn tại về nghiên cứu mối liên hệ giữa cơ và từ của M A lõi th p VĐH, tác giả đề ra hướng nghiên cứu cho luận án và được thực hiện ở các chương tiếp theo. 5 Chƣơng 2: Khảo sát biến dạng của vật liệu từ vô định hình do hiệu ứng từ giảo Trong chương này, tác giả trình bày cơ sở lý thuyết về hiện tượng từ giảo và biến dạng đàn hồi, biến dạng do hiệu ứng từ giảo dưới sự tác đ ng của từ trường và ứng suất ngoài. Xây dựng mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng theo định luật Hooke, tính các ten xơ ứng suất và biến dạng do hiệu ứng từ giảo dưới sự tác đ ng của từ trường ngoài, khảo sát sự biến dạng của vật liệu từ VĐH do hiệu ứng từ giảo. Các công thức tính toán trong chương hai là cơ sở để thực hiện xây dựng mô hình toán khảo sát mối liên hệ giữa cơ và từ trong chương ba. Chƣơng 3: Khảo sát mối liên hệ cơ - từ trong lõi thép máy biến áp Trong chương a, luận án tập trung vào việc xây dựng mô hình tính toán để tính lực từ và lực từ giảo trên lõi th p M A, khảo sát mối liên hệ giữa cơ và từ theo hiệu ứng từ giảo thuận và nghịch. Xác định ứng suất n n đặt vào lõi th p sao cho biến dạng và chuyển vị của lõi th p nhỏ nhất, giảm thiểu sự rung ồn đến mức thấp nhất. So sánh kết quả khảo sát trên MBA lõi th p VĐH với M A lõi th p silic đã được nghiên cứu trước đây [79]. Kết quả của mô hình toán được so sánh với kết quả phân tích bằng phương pháp PTHH với mô hình 2D và 3D. Khảo sát đ biến dạng và chuyển vị của lõi th p bằng phương pháp PTHH để xác định vị trí chuyển vị và biến dạng lớn nhất trên lõi th p, giúp cho việc đo đạc thực nghiệm chính xác hơn, đồng thời đây cũng là vấn đề các nhà sản xuất MBA cần quan tâm khi chế tạo lõi th p. Chƣơng 4: Sự rung ồn trong lõi thép vô định hình do hiệu ứng từ giảo Trong chương Bốn, luận án tập trung xây dựng mô hình toán trong hệ hỗn hợp điện – từ – cơ trong M A lõi th p VĐH. Thông qua mô hình toán, tác giả khảo sát đ biến dạng, chuyển vị, đ rung của lõi từ có x t đến các yếu tố liên quan như sắt kẹp tại gông và tr từ. Đo đạc thực nghiệm về đ rung ồn trong MBA lõi th p VĐH 1 pha công suất 3,3 kVA, điện áp 220V/115V và M A 3 pha công suất 10 kVA, điện áp 380V/220V (Y/Y). So sánh và đánh giá kết quả của mô hình toán với kết quả mô phỏng và đo đạc thực nghiệm, đưa ra những nhận định về vấn đề kỹ thuật mà các nhà sản xuất và vận hành M A lõi th p VĐH đang rất quan tâm. 6 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LI U TỪ V VÀ Đ NH H NH Á BI N ÁP 1.1. Giới thiệu Chương này, giới thiệu tổng quát về vật liệu từ VĐH và MBA lõi th p VĐH, so sánh tổn thất không tải của M A lõi th p VĐH với MBA lõi th p silic. Trình bày những nghiên cứu ở ngoài nước và trong nước về M A lõi th p VĐH. Các công trình nghiên cứu về mối liên hệ cơ từ ở MBA lõi th p silic và M A lõi th p VĐH cũng được nêu ra, trên cơ sở những vấn đề c n tồn tại cũng như những hạn chế về nghiên cứu mối liên hệ cơ từ của M A lõi th p VĐH, tác giả đề ra hướng nghiên cứu cho luận án. 1.2. Vật liệu từ vô định hình 1.2.1. Cấu trúc mạng tinh thể Mạng tinh thể tôn silic có cấu trúc hoàn toàn xác định, được sắp xếp đều đặn trong quá trình làm ngu i và cán lá tôn (hình 1.1a). Kết quả hình thành mạng tinh thể có tính chất định hướng theo chiều cán. Điểm khác biệt quan trọng của vật liệu từ VĐH so với vật liệu từ truyền thống là người ta thực hiện quá trình làm lạnh đ t ng t vật liệu bằng cách phun chùm tia Nitơ lỏng vào khối vật liệu đang nóng chảy. Tốc đ giảm nhiệt đ đạt tới m t triệu đ C trong m t giây. Kết quả mạng tinh thể bị phá vỡ, tạo nên trạng thái vật liệu cấu trúc có tính chất ngẫu nhiên, c n gọi là “thủy tinh kim loại” a) a) Thép vô định hình b) b) Thép tôn Silic định hướng cán nguội Hình 1.1. Các cấu trúc mạng tinh thể [76] 1.2.2. Công nghệ chế tạo vật liệu từ vô định hình Vật liệu VĐH được chế tạo từ 20 phương pháp khác nhau. Tuy nhiên, để đơn giản có thể s d ng phương pháp ngu i nhanh từ tinh thể lỏng [26,59]. Phương pháp ngu i nhanh đơn tr c: Là phương pháp ngu i nhanh trên trống quay, nhưng s d ng m t trống quay với tốc đ cao, hợp kim được phun trên bề mặt trống nhờ v i phun đặt sát bề mặt. Đ dày của băng hợp kim ph thu c vào 2 yếu tố là khoảng cách từ v i phun