Tài liệu Nghiên cứu lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn máy biến áp khô bọc epoxy sử dụng lõi thép vô định hình [tt]

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐOÀN THANH BẢO NGHIÊN CỨU LỰC NGẮN MẠCH TỔNG HỢP TÁC DỤNG LÊN DÂY QUẤN MÁY BIẾN ÁP KHÔ BỌC EPOXY SỬ DỤNG LÕI THÉP VÔ ĐỊNH HÌNH Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 62520202 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Hà Nội – 2015 Công trình này được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Phạm Văn Bình 2. TS. Phạm Hùng Phi Phản biện 1: PGS.TS. Võ Quang Lạp Phản biện 2: PGS.TS. Lê Tòng Phản biện 3: PGS.TS. Kim Ngọc Linh Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Vào hồi ….. giờ, ngày ….. tháng…… năm ………. Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Vấn đề hư hỏng do bị ngắn mạch và cũng như giảm tổn hao công suất của máy biến áp (MBA) phân phối có ý nghĩa kinh tế kỹ thuật rất quan trọng. Việc sử dụng MBA lõi thép vô định hình (MBAVĐH) giảm tổn hao không tải đến 60-70%, mang lại hiệu quả kinh tế cao. Ở MBAVĐH do có cấu trúc đặc biệt của lõi thép và cuộn dây là hình chữ nhật nên phân bố điện trường, từ trường tản và phân bố lực tác dụng lên cuộn dây cũng sẽ không đối xứng trên cùng một vòng dây. Hơn nữa là lúc xảy ra ngắn mạch thì lực này lớn sẽ rất nguy hiểm đối với cuộn dây, nó làm uốn cong, xê dịch hoặc phá hủy dây quấn MBA, thậm chí làm nổ MBA. Ở MBA khô phân phối có cuộn dây đúc nhựa epoxy với đặc tính ưu điểm được sử dụng nhiều ở các tòa nhà, khu dân cư, đường hầm, trên tàu bè và trên sàn ngoài khơi [2]. Tuy nhiên, khi tính toán ứng suất ở dây quấn MBA khi khô ngắn mạch, cần xét các ứng suất thành phần: (1) Ứng suất gây ra do phân bố nhiệt độ không đồng đều lớp epoxy; (2) Ứng suất do chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn và lớp epoxy; (3) Ứng suất sẵn có giữa lớp epoxy và dây quấn. Vì vậy, lời giải cho bài toán nghiên cứu lý thuyết, tính toán về lực điện từ và ứng suất nhiệt tác dụng lên dây quấn MBA khi ngắn mạch và kích thước hợp lí của bán kính cong dây quấn theo độ tăng của ứng suất lực là nghiên cứu cần được thực hiện. Do đó, luận án: “Nghiên cứu lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn máy biến áp khô bọc epoxy sử dụng lõi thép vô định hình” được đặt ra là cần thiết và có ý nghĩa quan trọng trong giai đoạn hiện nay. 2. Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu:  Xây dựng mô hình toán của từ trường tản trong cửa sổ mạch từ MBA với từ thế vectơ A. Từ đó, tính ứng suất lực trên dây quấn MBA lõi VĐH, khi MBA xảy ra ngắn mạch 3 pha đối xứng với dòng điện ngắn mạch cực đại.  Chỉ ra vị trí có giá trị ứng lực lớn nhất trên cuộn dây của MBAVĐH. Đưa ra đường cong thay đổi ứng suất lực vào bán kính cong dây quấn, giúp sự lựa chọn hợp lí bán kính cong tại góc của dây quấn theo độ tăng của ứng suất lực.  Tính toán lực ngắn mạch tổng hợp có tính đến sự xếp chồng ứng suất nhiệt giữa dây quấn và lớp epoxy. Đối tượng nghiên cứu MBA khô bọc epoxy có hình dạng dây quấn hình chữ nhật sử dụng lõi thép bằng vật liệu VĐH. Phạm vi nghiên cứu  Tập trung vào xây dựng và giải mô hình toán của từ trường tản trong cửa sổ mạch từ MBA với từ thế vectơ A. Tính ứng suất lực trên dây quấn trong điều kiện MBA bị ngắn mạch 3 pha đối xứng.  Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) bằng phần mềm mô phỏng Ansys Maxwell 2D và 3D để xác định vị trí có ứng suất lớn nhất trên dây quấn so sánh với điều kiện tiêu chuẩn cho phép của dây quấn.  Tập trung vào đánh giá sự phụ thuộc của giá trị ứng suất lực vào bán kính cong của dây quấn. Từ đó, đưa ra cách lựa chọn hợp lí giữa bán kính cong dây quấn theo độ tăng của ứng suất lực. 2 Phương pháp nghiên cứu  Sử dụng phương pháp giải tích số Matlab để giải mô hình toán.  So sánh và đánh giá kết quả của hai phương pháp: giải tích số và PTHH 2D.  Ứng dụng phương pháp PTHH 3D bằng phần mềm mô phỏng Ansys Maxwell để phân tích và tính toán ứng suất lực ngắn mạch sự cố trên dây quấn MBA. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học  Xây dựng và giải mô hình toán để phân tích và tính toán từ trường tản trong vùng không gian dây quấn. Kết hợp phương pháp giải tích số và phương pháp PTHH để tính toán lực điện từ tác dụng lên dây quấn khi ngắn mạch. Để từ đó chứng minh tính hiệu quả của phương pháp PTHH.  Sử dụng phương pháp PTHH 3D để tính toán cho các bài toán có tính chất phi tuyến và hình dạng phức tạp mà phương pháp giải tích rất khó thực hiện. Ý nghĩa thực tiễn  Việc xác định vị trí có ứng suất lực lớn nhất trên dây quấn của MBA có ý nghĩa thực tiễn giúp cho việc tính toán, thiết kế tối ưu cuộn dây của MBA. Phần nào tham gia vào nghiên cứu hoàn thiện công nghệ và chế tạo MBA sử dụng vật liệu VĐH ở Việt nam.  Phương pháp PTHH với phần mềm Ansys Maxell 3D, cho phép xác định ứng lực trên từng vị trí vòng dây trong trường hợp ngắn mạch sự cố nguy hiểm nhất phía hạ áp MBA mà phương pháp thực nghiệm không thực hiện được. Giúp ích cho các kỹ sư trong việc thiết kế MBA và giảm công sức thử nghiệm phá hủy khi chế tạo MBA. 4. Cấu trúc nội dung của luận án Ngoài phần mở đầu, nội dung của luận án gồm 4 chương và phụ lục, cụ thể: Chương 1: Tổng quan Chương 2. Mô hình toán của từ trường tản trong cửa sổ mạch từ máy biến áp Chương 3. Tính toán ứng suất lực điện từ bằng phương pháp giải tích và PTHH 2D Chương 4. Tính toán lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn MBA. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu chương 1.2. Máy biến áp khô MBA khô có cuộn dây đúc trong nhựa epoxy thích hợp ở những nơi có yêu cầu cao về phòng chống cháy nổ, nơi đông người qua lại, các công trình gần biển, các toà nhà cao tầng, dưới lòng đất v.v... Số lượng MBA khô loại này ngày càng chiếm thị phần lớn trên thị trường thế giới. Nhưng giá thành của MBA khô cao hơn, công suất và cấp điện áp của MBA khô bị giới hạn so với MBA dầu [8]. 1.3. Máy biến áp hiệu suất cao Xu thế hiện nay người ta ưu tiên lựa chọn các MBA có hiệu suất cao. Lựa chọn phương án thiết kế MBA có hiệu suất cao mang ý nghĩa lớn, vì tuổi thọ của MBA có thể từ 30 đến 50 năm, sai lầm trong lựa chọn thiết kế sẽ phải gánh chịu thiệt thòi trong thời gian dài. Khoảng những năm 80 của thế kỷ XX, thép VĐH (thép biến áp siêu mỏng) ra đời. Nhờ vào thành phần và cấu trúc vi mô đặc biệt, thép VĐH đáp ứng cả 3 yêu cầu để giảm tổn hao lõi là lực kháng từ rất nhỏ, HC ~ 5-10 A/m (so với ~50-100 A/m của tôn silic); 3 độ dày tự nhiên của lá thép rất nhỏ, t ~ 0.03 mm (so với ~ 0,3-0,5 mm của tôn silic) và điện trở suất rất lớn ρ ~ 130-170 μΩcm (so với ~50-60 μΩcm của tôn silic). Nhờ vào các tính chất trên mà tổn hao lõi của thép VĐH giảm mạnh so với thép silicon loại tốt nhất [6,18,34]. 1.4. Những nghiên cứu ở ngoài nước về máy biến áp lõi vô định hình 1.4.1. Phương pháp chế tạo vật liệu vô định hình Để chế tạo vật liệu VĐH, cho tới hiện nay người ta biết 20 phương pháp khác nhau. Tuy nhiên, để đơn giản có thể theo phương pháp nguội nhanh từ tinh thể lỏng [26,58]. 1.4.2. Giảm tổn hao máy biến áp lõi vô định hình Vấn đề sử dụng MBAVĐH giảm tổn hao không tải, mang lại hiệu quả kinh tế và sự phát triển trong tương lai được đề cập trong các tài liệu: S. Lupi [49]; Harry W. [34]; H. Matsuki [56]; Robert U. Lenke [46]; W. J. Ros, T. M. Taylor [17,65]; Pháp [25]; L. A. Johnson [42] Trong lĩnh vực nghiên cứu và thiết kế đã có nhiều đóng góp của những tác giả như G. Segers - A. Even -M.Desinedt [30]; Pan-Seok Shin [61], Benedito Antonio Luciano [20], D. Lin; P. Zhou; W. N. Fu; Z. Badics and Z. J. Cendes [48], Stefan Sieradzki [67], Pan-Seok Shin [61] … Tiếp đó, công suất MBAVĐH cũng được nâng cao lên đến 630kVA, tác giả Yinshun Wang, Xiang Zhao [77]. Vấn đề đi sâu vào thiết kế, thử nghiệm MBAVĐH cũng được nghiên cứu kỹ càng và sâu sắc hơn, cụ thể tác giả Benedito Antonio Luciano [20]; D. Lin, P. Zhou, W. N. Fu, Z. Badics, and Z. J. Cendes tại Mỹ năm 2003 [48]; Thorsten Steinmetz, Bogdan Cranganu-Cretu [69]. 1.5. Những nghiên cứu ở trong nước về máy biến áp lõi vô định hình Đề tài Bộ Công Thương “Thiết kế chế tạo chế tạo MBA giảm tổn hao không tải sử dụng vật liệu thép từ VĐH siêu mỏng, chế tạo trong nước” [1]. Năm 2011 và 2012, Công ty Mitsubishi và Hitachi Metals phối hợp với Trung tâm tiết kiệm năng lượng Tp. Hồ Chí Minh đã tổ chức Hội thảo thúc đẩy sử dụng MBA Amorphous (VĐH) hiệu suất cao trong hệ thống lưới điện tại Việt nam. 1.6. Nghiên cứu lực điện từ ở máy biến áp silic Về vấn đề lực điện từ tác dụng lên dây quấn MBA lõi thép silic, trên thế giới đã có nhiều tác giả nghiên cứu như năm 2001, Adly, A.A [12]; năm 2004, Tang Yun-Qiu [36]; Năm 2007, A. C. de Azevedo [16]. Nhóm Hyun-Mo Ahn, Ji-Yeon Lee đã phân tích, tính toán lực điện từ ngắn mạch của MBA lõi thép silic có tiết diện tròn bằng phương pháp PTHH [37,38,39,40]. Khi MBA bị ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch tương tác với từ thông tản như Hình 1.15 gây ra ứng suất cơ học rất nghiêm trọng đối với MBA. Vì vậy, yêu cầu thiết kế MBA phải chịu được dòng ngắn mạch khi hệ thống bị lỗi như ngắn mạch một pha chạm đất, ngắn mạch ba pha,… Hình 1.15. Lực điện từ, dòng điện và từ thông tản của mba [39] Hình 1.18. Dòng điện ngắn mạch cuộn CA và HA [38] 4 Nhóm tác giả thực hiện trên các MBA khô 1 pha với công suất 50 kVA và 1 MVA, phân tích từ trường tản bằng phương pháp PTHH với phần mềm Maxwell V12. Khi ngắn mạch xảy ra, MBA có thể bị hư hỏng bởi dòng điện quá độ. Phân tích lực điện từ, dòng ngắn mạch sử dụng Maxwell Circuit Edit V12.1. Dòng điện đỉnh cuộn HA là 6142,5 A và cuộn CA là 746,1 A được hiển thị ở Hình 1.18. Kết quả là lực hướng kính và hướng trục trên cuộn dây HA và CA ở Hình 1.19; Hình 1.20; Hình 1.21; Hình 1.22. Hình 1.19. Lực hướng kính trên cuộn CA [38] Hình 1.20. Lực hướng trục cuộn CA [38] Hình 1.21. Lực hướng kính trên cuộn HA [38] Hình 1.22. Lực hướng trục cuộn HA [40] Hình 1.23. Các vị trí khảo sát trên cuộn dây [38] Hình 1.24. Lực hướng kính trên cuộn CA [38] Ở Hình 1.23, tác giả đã khảo sát lực hướng kính trên cuộn dây HA ở 16 vị trí khác nhau, kết quả giá trị phân bố lực trên 16 điểm tương đối đồng đều nhau ở Hình 1.24, do phân bố đồng đều của từ thông tản trên cuộn dây của MBA lõi thép silic có tiết diện tròn. Ngoài ra, tính toán từ trường tản và lực cơ khí sinh ra ở MBA khi ngắn mạch bằng phương pháp PTHH theo miền thời gian cũng được nhiều tác giả quan tâm được công bố trong các công trình [12,13,19,28,44,45,51,74]. 1.7. Nghiên cứu lực điện từ ở máy biến áp lõi vô định hình MBAVĐH do có cấu trúc đặc biệt của lõi thép và cuộn dây là hình chữ nhật nên phân bố điện trường, từ trường tản và phân bố lực tác dụng lên cuộn dây cũng sẽ không đối xứng trên cùng một vòng dây. Hơn nữa, lúc xảy ra ngắn mạch thì lực này lớn sẽ rất nguy hiểm đối với cuộn dây [16,33,48,59]. 5 Nhóm tác giả Haifeng Zhong – WenhaoNiu - Tao Lin - Dong Han - Guoqiang Zhang [32], đã nghiên cứu phân tích khả năng chịu ngắn mạch của một MBAVĐH có công suất 800kVA-10kV. Từ đó, đề xuất một kết cấu kẹp các cuộn dây MBA để có thể chịu được lực ngắn mạch lớn gây ra. Nhóm tác giả B. Tomczuk, D. Koteras [71,72] đã tính toán lý thuyết và thực nghiệm về thành phần từ trường và điện kháng ngắn mạch của MBA 3 pha lõi VĐH công suất S = 10kVA. Nhóm tác giả K. Zakrzewski; B. Tomczuk, D. Koteras [81] đã tính toán phân bố từ thông của 2 loại MBA không đối xứng (AAT là MBA mạch từ phẳng) và MBA đối xứng (AST là MBA mạch từ không gian) có công suất 10kVA. Nhóm tác giả M.Mouhamad, C.Elleau [59], đã đưa ra kết quả thử nghiệm ngắn mạch MBAVĐH sử dụng lõi thép vật liệu 2605SA1, có công suất từ 250 đến 630 kVA. Đồng thời tính toán dòng điện ngắn mạch và lực điện động tác dụng lên cuộn dây hình chữ nhật có xét đến chiều dày cuộn dây. Tính toán lực điện động theo định luật Ampe giữa dây quấn CA và HA tương tác với nhau trong hai trường hợp: (1) Chưa xét đến chiều dày của cuộn dây; (2) Có xét đến chiều dày cuộn dây. Hình 1.26. Sơ đồ cuộn dây HA và CA Hình 1.27 MBAVĐH ba pha cuộn dây hình chữ nhật Do vậy, nhóm tác giả khuyến cáo trong tính toán lực tác dụng lên dây quấn nên tính theo cách thứ 2, quan trọng hơn khi tính lực cho MBA lõi VĐH vì các cuộn dây có hình chữ nhật ở Hình 1.27 chứ không phải tròn, phân bố lực sẽ không đối xứng như Hình 1.29. Hình 1.28. Cuộn dây HA và CA Hình 1.29 Cuộn HA và CA sau khi bị tác động lực điện từ Do cuộn dây hình chữ nhật nên có biến dạng không đối xứng, cuộn dây HA bị đẩy vào trong lõi và cuộn CA có xu hướng đẩy ra ngoài lõi ở Hình 1.28 và có xu hướng căng tròn như Hình 1.29. 1.8. Những vấn đề còn tồn tại 1) Tính lực điện từ tác dụng lên dây quấn chưa tính đến phân bố của từ trường tản trong vùng không gian dây quấn của MBAVĐH có cuộn dây hình chữ nhật; cũng chưa tìm ra vị trí có ứng suất lớn nhất hay lực tại chỗ góc mạch từ trên cuộn dây hình chữ nhật. 2) Chưa xác định giá trị tại vị trí trên cuộn dây có ứng suất lớn nhất hay nhỏ nhất để từ đó đưa ra giải pháp khắc phục. Cũng như chưa đưa ra cách lựa chọn hợp lí giữa bán kính cong dây quấn theo độ tăng của ứng suất lực. 3) Chưa tính lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn bao gồm lực điện từ và ứng suất nhiệt trong dây quấn MBA khô bọc epoxy. 6 1.9. Đề xuất hướng nghiên cứu của tác giả 1) Nghiên cứu xây dựng mô hình toán tổng quát của từ trường tản trong cửa sổ mạch từ MBA với từ thế vectơ A. 2) Tính toán ứng suất lực điện từ lớn nhất trên cuộn dây khi ngắn mạch. Xác định vị trí có ứng suất lớn nhất trên vòng dây HA và CA. Sau đó so sánh với tiêu chuẩn ứng suất cho phép của dây quấn. 3) Đánh giá sự thay đổi của giá trị ứng suất theo bán kính thay đổi từ tròn đến vuông. Từ đó khuyến cáo về việc lựa chọn hợp lí giữa bán kính cong dây quấn theo độ tăng của ứng suất lực. 4) Tính toán ứng suất lực tổng trên dây quấn MBA khô bọc epoxy có tính đến ứng suất nhiệt tác dụng vào dây quấn do độ chêch nhiệt độ giữa dây quấn và epoxy; và phân bố nhiệt độ không đồng đều ở lớp epoxy. 1.10. Kết luận chương 1 Trong chương này, luận án giới thiệu về ưu điểm MBA khô có cuộn dây đúc epoxy và xu thế hiện nay người ta ưu tiên lựa chọn các MBA có hiệu suất cao. Đặc biệt, khi sử dụng MBA lõi thép bằng vật liệu VĐH làm giảm tổn hao không tải đến 60 -70% so với thép silic loại tốt. MBAVĐH do có cấu trúc đặc biệt của lõi thép và cuộn dây là hình chữ nhật nên phân bố điện trường, từ trường tản và phân bố lực tác dụng lên cuộn dây cũng sẽ không đối xứng trên cùng một vòng dây. Hơn nữa, lúc xảy ra ngắn mạch thì lực này lớn sẽ rất nguy hiểm đối với cuộn dây. Sau đó trình bày về những nghiên cứu trong và ngoài nước về tính toán lực điện từ tác dụng lên dây quấn của MBA lõi thép VĐH. Tổng kết các công trình nghiên cứu này là những vấn đề còn tồn tại, luận án đề ta mục tiêu và phương pháp nghiên cứu để giải quyết những mặt còn tồn tại đó. Nội dung nghiên cứu của luận án được trình bày ở những chương tiếp theo. CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH TOÁN CỦA TỪ TRƯỜNG TẢN TRONG CỬA SỔ MẠCH TỪ MÁY BIẾN ÁP 2.1. Giới thiệu chương 2 2.2. Lý thuyết về dòng điện ngắn mạch và lực điện từ 2.2.1. Dòng điện ngắn mạch 2.2.1.1. Ngắn mạch ở trạng thái xác lập: In = Iđm . 100 un % (2.7) Giả sử điện áp ngắn mạch un% =5, dòng ngắn mạch xác lập bằng 20 lần dòng định mức sẽ gây nên sự cố phá hỏng kết cấu dây quấn MBA [8,10]. 2.2.1.2. Quá trình quá độ của ngắn mạch: Khi xảy ra ngắn mạch đột nhiên phía thứ cấp của MBA, dòng điện ngắn mạch có dạng tổng quát sau: i = i + i = In 2 sin(ωt - ψ - φn R - n ωt Xn ) + C.e (2.11) trong đó: φn = arctg ωL t X = arctg n R Rn (2.12) 7 Hằng số C được xác định theo điều kiện ban đầu: C = In 2sin(ψ + φn ) (2.13) Thế (2.13) vào (2.11) ta có: R  - n ωt  Xn  (2.14) i = In 2 sin(ωt - ψ - φ n ) + sin(ψ + φ n ).e   Tại thời điểm nguy hiểm nhất là ngắn mạch khi điện áp về 0 (ψ=0), dòng điện cực đại xảy ra ở gần thời điểm t0=(π/2+n)/, và có độ lớn bằng [8,21]: u π - R ( +φn )   uX 2 (2.17) i max = I n 2 1+ sinφ n e    2.2.2. Lực điện từ 2.2.2.1. Khái niệm Lực điện từ tác dụng lên dây quấn của MBA được sinh ra là do sự tương tác giữa dòng điện và từ thông tản trong vùng dây quấn. Theo lực Lorentz ta viết lực điện từ có công thức như sau [53,54,66]: (2.21) Fdt =  I.Bsin(I, B)dl L Khi đó lực điện từ cũng bao gồm các thành phần: F =  (JxB)dv = iFx + jFy + kFz (2.24) v Trong đó: I (A) và J (A/m2) là cường độ và mật độ dòng điện trong dây dẫn; B (T) và F (N) là từ cảm và lực điện từ tác động lên dây dẫn; Fx, Fy và Fz là các thành phần của lực. Khi bị ngắn mạch dòng điện trong dây quấn và từ thông tản tăng lớn, lúc này sẽ sinh lực điện từ lớn tác dụng lên dây quấn [79]. Quá trình này được tóm tắt ở Hình 2.3. Dòng điện <=> Từ trường Lực điện từ: Fđt Chế độ làm việc bình thường I ≤ Iđm nên Fđt < Fcp Fđt  B  I  2   Fđt  I BI  Xảy ra ngắn mạch I rất lớn Fđt rất lớn Fđt ≈ B x I B ≈ I Lực cơ→ ≈ hỏng khíFđtphá 2 I dây quấn Nhiệt độ cao Hình 2.3. Quá trình sinh ra cơ khí phá hỏng dây quấn MBA 2.2.2.2. Thành phần của lực điện từ [21,27,67] a. Lực hướng kính Fx Lực hướng kính được tạo ra có chiều vuông góc với chiều cao cuộn dây. Nó sinh ra do sự tác dụng của dòng điện trong dây quấn nằm trong từ cảm tản dọc trục By. b. Lực hướng trục Fy Lực hướng trục được tạo ra có chiều song song với chiều cao cuộn dây. Nó sinh ra do sự tác dụng của dòng điện trong dây quấn nằm trong từ cảm tản ngang Bx. 8 2.3. Xây dựng mô hình toán với từ thế vectơ A 2.3.1. Phương trình Maxwell [3,31,57] 2.3.2. Phương trình từ thế vectơ A Khi miền nghiên cứu từ trường là trong vùng cửa sổ mạch từ có mật độ dòng điện của nguồn ngoài J và các cuộn dây CA và HA không tồn tại dòng điện dịch: D 0 t Từ hệ phương trình Maxwell ta dẫn ra phương trình từ trường dừng: (2.36) rotH  J (2.37) divB  0 (2.38) B  H Điều kiện: divB= 0 ta đặt: (2.39) B = rotA hay B   A Do đó: (2.40) div(rotA) = 0 Thế (2.38) và (2.39) vào (2.36) ta có phương trình viết cho từ thế vectơ có dạng phương trình Laplace-Poisson: -μJ  trong d©y dÉn (2.41) 2A =  0 ®iÖn m«i  Hay có thể viết lại như sau: 2A 2A 2A + + 2 = -μJ x 2 y 2 z (2.42) Khảo sát từ thế vectơ trong cửa sổ MBA tọa độ Descartes (x,y), lúc này từ trường, và từ thế biến thiên theo phương vuông góc với mặt phẳng bị triệt tiêu: A BZ  0 vµ 0 (2.43) z nên từ (2.42) viết lại như sau: 2 A 2 A   μJ x 2 y 2 (2.44) Từ (2.43) và (2.39) ta suy ra: A A ; By   ; Bz  0 y x Bx  (2.45) Xét một MBA và bỏ qua dòng điện từ hóa. Tổng sức từ động sẽ được viết: g W .i s s (2.46) =0 s=1 Khi đó tổng mặt cắt của cuộn dây thứ s sẽ là aSbS và mật độ dòng (không xét hiệu ứng dòng xoáy) có độ lớn và hướng theo công thức sau: JS = ± WsiS a S bS (2.47) g Theo công thức (2.46) thì: J .a b S s=1 S S =0 (2.48) 9 2.3.2.1. Điều kiện biên Tại cửa sổ mạch từ của MBA có 2 dây quấn ở Hình 2.12. Thành phần mật độ từ thông theo trục x, y tại các đường biên của cửa sổ mạch từ MBA: y = 0; y = h và x = 0; x = d: và  A   A  Bx      0  y  y0  y  y=h (2.51)  A   A  By        0  x  x=0  x  x=d (2.52) d22 y d12 d21 • + h21 + h22 • h  + b2 • h12  h11 + b1 a2 d11 a1 x d Hình 2.12. Mô hình các kích thước 2D của MBA 2.3.2.2. Tính hằng số tích phân Aj,k Để giải phương trình (2.44) giả thiết A có nghiệm tổng quát dạng chuỗi điều hòa như sau: (2.53) A(x, y)  A j,k cosm jx cosn k y j k Để thỏa mãn ở (2.51) với y = 0 và (2.52) với x = 0 thì điều kiện cần là: π (2.54) sinm jd = 0 víi m j =  j -1 d π sinn k h = 0 víi n k =  k -1 (2.55) h Trong đó: j và k là số nguyên từ 1 →∞ Thế (2.53) vào (2.44) ta có được phương trình từ thế trong vùng dây quấn thứ s  m j 2 j  + n k2 A j,k cosm jx cosn k y = μ 0JS k Hằng số tích phân Aj,k trong hai trường hợp sau: π + Với j = 1, k ≠ 1 ta có m j = 0, n k = (k -1) , giá trị hằng số tích phân Aj,k là: h (2.56) 10 2 μ0 g A1,k  3 Jsa s (sinn k h s2 - sinn k h1s ) (2.63)  n k d.h s=1 + Tương tự, với j ≠ 1, k = 1 ta có: 2 μ0 g (2.64)  A j,1 = 3 Js bs (sinm jd s2 - sinm jd1s )  m j d.h s1 Trường hợp tổng quát hằng số tích phân Aj,k như sau: g 4 μ0 1 (2.65) A j,k = J sinm jds2 - sinm jd1s  (sinn k h s2 - sinn k h1s ) 2 2  s d.h m jn k (m j + n k ) s=1 Trường hợp khi j = k =1 và m1 = n1 = 0, suy ra chuỗi dao động là hằng số. Tuy nhiên để biết sự phân bố mật độ từ thông ta phải biết các từ thế vectơ khác nhau. Hình dạng của đường sức từ được xác định bởi giá trị hằng số của từ thế vectơ. 2.3.3. Phương trình ứng suất lực trên dây quấn viết theo từ thế vectơ A(x,y) + Ứng suất lực theo trục x   A x,s = - Js  j,k (sinn k h s2 - sinn k h1s )(cosm jds2 - cosm jd1s ) (2.71) n j1 k=1 k + Ứng suất lực theo trục y   A  y,s = Js  j,k (cosn k h s2 - cosn k h1s )(sinm jds2 - sinm jd1s ) (2.73) n j1 k 1 k 2.4. Kết luận chương 2 Trong trường hợp ngắn mạch vận hành (ngắn mạch sự cố) dòng điện ngắn mạch quá độ (dòng điện đỉnh) sẽ rất lớn. Hơn nữa, tại thời điểm nguy hiểm nhất là ngắn mạch khi điện áp pha về 0 (ψ=0). Mặt khác, hầu hết các trường hợp ngắn mạch không đối xứng, dòng điện ngắn mạch không vượt quá trị số dòng điện ngắn mạch đối xứng. Do vậy, chúng ta chỉ cần xem xét trạng thái ngắn mạch nguy hiểm nhất là ngắn mạch đối xứng. Để tính toán lực điện từ tác dụng vào dây quấn MBA ta cần xác định 2 đại lượng: Đại lượng thứ nhất, là độ lớn dòng điện ngắn mạch; đại lượng thứ hai là từ cảm tản. Do vậy, chúng ta cần tìm ra mô hình toán của từ trường tản trong cửa sổ mạch từ. Do đó, luận án tiến hành xây dựng mô hình toán của từ trường tản trong cửa sổ mạch từ với từ thế vectơ A, để tính toán ứng suất lực tác dụng lên dây quấn MBA. Phương trình từ thế vectơ A được viết có dạng phương trình Laplace-Poisson; Phương trình được viết cho trường hợp tổng quát như: MBA có số dây quấn là: 1, 2, 3, …,s; các dây quấn này có tỉ lệ chiều cao bằng nhau và không bằng nhau. CHƯƠNG 3: TOÁN TÍNH ỨNG SUẤT LỰC ĐIỆN TỪ BẰNG PHƯƠNG PHÁP GIẢI TÍCH VÀ PTHH 2D 3.1. Giới thiệu chương 3.2. Tính toán ứng suất lực ngắn mạch trên dây quấn bằng phương pháp giải tích 11 Bắt đầu Bước 1: Các thông số cơ bản của MBA Bước 2: Tính toán dòng ngắn mạch Bước 3: Tính từ cảm tản trên các cuộn dây với từ thế vectơ A, tìm ra từ cảm tản lớn nhất trên các cuộn dây Bước 4: Tính ứng suất lực tác dụng lên dây quấn HA và CA Sai So sánh với tiêu chuẩn bền Đúng Kết thúc Hình 3.1. Lưu đồ thuật toán tính ứng suất tác dụng trên dây quấn 3.2.1. Mô hình MBA 630kVA - 22/0,4kV: Mô hình được áp dụng cho một MBA phân phối 3 pha, công suất 630kVA điện áp 22/0,4kV của hãng SANAKY. Bảng 3.1. Các giá trị thông số điện cơ bản MBA Thứ tự Thông số Giá trị 1 Số vòng dây quấn pha CA/HA W2/W1 (vòng) 1715/18 2 Dòng điện pha CA/HA (A) 9,55/909,33 3 Điện áp ngắn mạch uk% 5,7 3.2.2. Tính dòng ngắn mạch trên các cuộn dây Như đã phân tích ở mục 2.2.1 dòng điện quá độ đạt giá trị cực đại khi  = 0. Giá trị tức thời của dòng quá độ lớn nhất được thiết lập bởi công thức (2.14). Với các thông số có được của MBA, ta tính toán giá trị điện kháng tản, điện trở ngắn mạch và dòng điện ngắn mạch: Xn = 43,77  và Rn = 15,74  (3.3) φn = arctg ωL t X = arctg n  1, 225(rad) = 70,21 R Rn (3.4) Dòng điện ngắn mạch cuộn CA và HA: Cuén CuộnCao CA¸p 400  200    100 0    -100 -200 -300 0     0.02 0.04 Thêi gian[s] 0.06 4 Dßng ®iÖn ng¾n m¹ch In [A]  300 Dßng ®iÖn ng¾n m¹ch In [A]  Dòng điện i’ - - - - Tắt dần i”  Dòng inCA = i’+i”  x 10 Cuộnh¹HA Cuén ¸p 4  Dòng điện i’ - - - - Tắt dần i”   Dòng inHA = i’+i”  3  2  0    -1  -2  0.08 -3 0 0.02 Hình 3.2. Dòng điện ngắn mạch trên cuộn CA   1    0.04 Thêi gian[s] 0.06  0.08 Hình 3.3. Dòng điện ngắn mạch trên cuộn HA 12 Ở Hình 3.2 và Hình 3.3, giá trị dòng điện ngắn mạch cực đại (Imax), cuộn CA 317,59 (A); cuộn HA 30256 (A); giá trị Imax lớn gấp 23,5 lần biên độ dòng định mức. 3.2.3. Tính toán từ trường tản trên các cuộn dây hạ áp và cao áp 3.2.3.1. Vectơ từ thế A viết cho một máy biến áp hai dây quấn 3.2.3.2. Tính toán từ trường tản trên các cuộn dây hạ áp và cao áp MBA công suất 630kVA - 22/0,4kV, thông số kích thước lấy từ bản vẽ thiết kế của công ty chế tạo MBA SANAKY Hà Nội như Hình 3.4. Từ Imax ta tính được mật độ dòng điện trên cuộn HA và CA: J1 = J2 = W1i1 18.30256 6 = .10 = 40,28.106 A / m 2 a1b1 30.450 (3.23) W2i 2 1715.317,59 6 = .10 = 23,89.106 A / m 2 a 2b2 55.414 Khi đó, phương trình từ thế vectơ A được viết lại dưới dạng: A = A1,k + A j,1 + A j,k  A = cos(n y) 2 μ 0  J  d1 - d1  sinn h1 - sinn h1  + J  d 2 - d 2  sinn h 2 - sinn h 2   k 1 2 1 k 2 k 1 2 2 1 k 2 k 1   1,k  n 3k d.h  k=1   2μ A j,1 =  cos(m j x) 3 0  J1  h12 - h11  sinm jd12 - sinm jd11  + J 2  h 22 - h12  sinm jd 22 - sinm jd12   m j d.h j=1    J1  sinm jd12 - sinm jd11  sinn k h12 - sinn k h11    4 μ0 1   . A j,k =  cos(n k y).cos(m j x) 2 2 2 2 2 2 d.h m n (m + n )   k=2 j=2 +J sinm d sinm d x (sinn h sinn h ) j k j k  j 2 j 1 k 2 k 1   2 (3.24) Từ biểu thức (3.24) với A là tổng của các chuỗi số A1,k, Aj,1, Aj,k. Khi đó giá trị thành phần từ cảm theo hướng x và y tại cửa sổ mạch từ được viết lại như sau: 2 μ0  1 1 1 1 2 2 2 2   Bx = -  sin(n k y) n 3 d.h  J1  d 2 - d1  sinn k h 2 - sinn k h1  + J 2  d 2 - d1  sinn k h 2 - sinn k h1   k=1 k    J1  sinm jd12 - sinm jd11  sinn k h12 - sinn k h11   4 μ0 1    sin(n y).c o s ( m x ) . k j   d.h m jn k (m 2j + n k2 )  +J 2  sinm jd 22 - sinm jd12  x (sinn k h 22 - sinn k h12 )  k=2 j=2   (3.26)   By =  sin(m j x) 2 μ 0  J1  h12 - h11  sinm jd12 - sinm jd11  + J 2  h 22 - h12  sinm jd 22 - sinm jd12     m3j d.h  j=1   J1  sinm jd12 - sinm jd11  sinn k h12 - sinn k h11    4 μ0 1     cos(n k y).sin(m j x) . d.h m jn k (m 2j + n k2 )  +J 2  sinm jd 22 - sinm jd12  x (sinn k h 22 - sinn k h12 )   k=2 j=2    Vậy để Bx, By có thể đạt độ chính xác tới 10-3 T thì khi đó ta cần j, k tiến tới 30. Axy 0.1 VectorAA(Wbm (T.m) -1) Vectơ Để giải phương trình từ thế vectơ A, thực hiện bằng phương pháp giải tích số hoặc PTHH. Đầu tiên, thực hiện giải bằng phương pháp giải tích số (phần mềm Matlab). Thay tất cả những dữ liệu có được vào biểu thức (3.24) và việc khai triển chuỗi với j, k tiến đến n=30, ta được kết quả biểu diễn dưới dạng đồ thị vectơ từ thế A như Hình 3.5. 0.05 0 -0.05 -0.1 60 60 x 40 20 20 0 40 y 0 Hình 3.5. Đồ thị vecto từ thế A(x,y) trong cửa sổ mạch từ 13 Triển khai theo công thức (3.26), ta có được kết quả phân bố của từ cảm tản Bx và By trên cuộn HA và CA như Hình 3.6 và Hình 3.7. Bx By Vị trí giữa hai cuộn dây 2 0.5 0 Tu cam By (T) Tu cam Bx (T) 1  -0.5 -1 60 x 60 40 20 20 0 0 Vị trí giữa hai cuộn dây 40 y Hình 3.6. Đồ thị từ cảm hướng kính Bx  1 0 -1 60 60 40 x 40 20 20 0 0 y Hình 3.7. Đồ thị từ cảm hướng trục By Nhìn đồ thị Hình 3.6 ta thấy sự phân bố từ cảm Bx theo chiều y tập trung lớn ở hai đầu cuộn dây có Bxmax = 0,324(T) và nhỏ dần khi vào giữa cuộn dây. Nhìn đồ thị Hình 3.7 ta thấy sự phân bố từ cảm By theo trục y có giá trị nhỏ ở hai đầu cuộn dây và ở giữa cuộn dây có giá trị lớn nhất Bymax = 1,491 (T). 3.2.4. Các kết quả về ứng suất lực trên dây quấn hạ áp và cao áp Ứng suất lực (hay gọi là ứng suất): Công thức tính ứng suất: σ = F/A (N/m2); với F là lực (N) và A là diện tích bề mặt (m2) [7]. 3.2.5. Nhận xét các kết quả đạt được từ phương pháp giải tích Hình 3.15. Đồ thị phân bố ứng suất σxy tại cạnh ngoài cùng cuộn HA Hình 3.16. Đồ thị phân bố ứng suất σxy tại cạnh trong cùng cuộn CA Các giá trị ứng suất lớn nhất xymax tại vị trí giữa cạnh ngoài cùng cuộn HA và trong cùng cuộn CA, ở Hình 3.15 và Hình 3.16 được thể hiện ở Bảng 3.4. Bảng 3.4. Bảng kết quả giá trị ứng suất cuộn HA và CA bằng giải tích Cuộn HA Cuộn CA Ứng suất lực xymax (N/m2) 6,0138.107 3,567.107 Hướng kính xmax 1,889.107 1,124.107 Hướng trục ymax 5.107 < 6,0138.107 < 10.107 So sánh xymax và cp Ở Bảng 3.4 ứng suất σxymax = 6,0138.107 N/m2. So với ứng suất cho phép của dây đồng σtbcp = (5÷10).107 N/m2 [8]. Do đó khi xảy ra ngắn mạch với dòng điện cực đại thì ứng suất lớn nhất của dây quấn chưa vượt quá giới hạn cho phép. 3.3. Tính toán ứng suất lực ngắn mạch trên dây quấn bằng phương pháp PTHH 2D 3.3.1. Mô hình kích thước MBA trên Ansys Maxwell 14 Sau khi phân tích bằng phần mềm Ansys Maxwell, ta có kết quả phân bố từ cảm tản trên cạnh ngoài cùng của cuộn HA và cạnh trong cùng của cuộn CA: cuon HA Cuon HA 1.50 Maxwell2DDesign3 BB_X x BB_Y y BBxy xy 1.25 0.75 0.50 0.25 0.50 0.25 0.00 -0.25 Hình 3.19. Biểu diễn vecto từ cảm B trong Maxwell 100 200 300 Chieu cao cuon HA (mm) 400 500 BB_Y y BB_X x Bxy Bxy 0.75 -0.25 0 Curve Info 1.00 0.00 -0.50 Maxwell2DDesign3 1.25 Tu cam tan B(T) Tu cam tan B(T) 1.00 Cuon CA 1.50 Curve Info -0.50 Hình 3.21. Phân bố từ cảm tại cạnh ngoài cùng cuộn HA 0 100 200 300 Chieu cao cuon CA (mm) 400 500 Hình 3.22. Phân bố từ cảm tại cạnh trong cùng cuộn CA Hình 3.21 (Hình 3.22), ta thấy từ cảm tản tại cạnh ngoài (trong) cùng cuộn dây HA (CA) thành phần By là lớn hơn nhiều lần Bx với sự phân bố là lớn nhất ở giữa có giá trị cực đại là Bymax=1,48T (Bymax=1,482T) và giảm dần sang hai bên. Giá trị lớn nhất của từ cảm Bxmax = 0,37T (Bxmax = 0,277T) phân bố tập trung ở hai đầu cuộn dây và bằng 0 tại chính giữa cuộn dây. 3.3.2. Ứng suất lực trên các cuộn hạ áp và cao áp 3.3.3. Nhận xét các kết quả đạt được từ phương pháp PTHH 2D x y xy x y xy (mm) Hình 3.28. Đồ thị phân bố ứng suất σxy tại cạnh ngoài cùng cuộn HA (mm) Hình 3.29. Đồ thị phân bố ứng suất σxy tại cạnh trong cùng cuộn CA Các giá trị ứng suất lớn nhất xymax tại vị trí giữa cạnh ngoài cùng cuộn dây HA và trong cùng CA được thể hiện ở Bảng 3.5. Bảng 3.5. Bảng kết quả giá trị ứng suất lực trên cuộn HA và CA bằng phương pháp PTHH 2D Cuộn HA Cuộn CA Ứng suất lực xymax (N/m2) 7 5,969.10 3,544.107 Hướng kính xmax 2,222.107 1,109.107 Hướng trục ymax 5.107 < 5,969.107 < 10.107 So sánh xymax và cp Ở Bảng 3.5 ứng suất kéo lớn nhất là σxymax = 5,969.107 N/m2. So với ứng suất cho phép của dây đồng σtbcp = (5÷10).107 N/m2 [8]. Do đó khi xảy ra ngắn mạch với dòng điện cực đại thì ứng suất lớn nhất của dây quấn chưa vượt quá giới hạn cho phép. 3.4. So sánh về ứng suất lực trên dây quấn giữa phương pháp giải tích và phương pháp PTHH 2D 3.4.1. Từ cảm tản Bx, By và Bxy trên cuộn hạ áp và cao áp So sánh các kết quả từ cảm tản Bxymax tại cạnh ngoài cùng cuộn HA và cạnh trong cùng cuộn CA của PP giải tích và PTHH ở các mục 3.2.3 và 3.3.1 với sai số là 0,67%. 3.4.2. Ứng suất lực x và y trên cuộn hạ áp và cao áp 15 Hình 3.31. Đồ thị phân bố ứng suất lực x trên cuộn HA giữa giải tích và PTHH 2D Hình 3.32. Đồ thị phân bố ứng suất lực y trên cuộn HA giữa giải tích và PTHH 2D Hình 3.33. Đồ thị phân bố ứng suất lực x Hình 3.34. Đồ thị phân bố ứng suất lực y trên cuộn CA giữa giải tích và PTHH 2D trên cuộn CA giữa giải tích và PTHH 2D So sánh kết quả của hai phương pháp về các giá trị ứng suất lực hướng kính x và hướng trục y lớn nhất trên cuộn HA và CA. 3.4.3. Nhận xét kết quả so sánh Các đồ thị ở Hình 3.31, Hình 3.32, Hình 3.33, Hình 3.34, ta thấy rằng về phân bố ứng suất lực x và y trên dây quấn HA và CA giữa phương pháp giải tích và PTHH 2D là gần như trùng nhau với sai số ở Bảng 3.7. Bảng 3.7. So sánh kết quả ứng suất lực có giá trị lớn nhất giữa phương pháp giải tích và PTHH 2D Giải tích PTHH 2D Sai số (%) Ứng suất lực xymax (N/m2) 7 6,0138.10 5,969.107 Hướng kính xmax 1,889.107 2,222.107 Cuộn HA Hướng trục ymax 6,0138.107 5,969.107 0,75 Tổng xymax 7 7 3,567.10 3,544.10 Hướng kính xmax 7 1,124. 10 1,109.107 Cuộn CA Hướng trục ymax 7 3,567.10 3,544.107 0,65 Tổng xymax 7 2 (5÷10).10 Cho phép cp (N/m ) 7 5.10 < 6,0138.107 < 10.107 So sánh xymax và cp Ở Bảng 3.7 ứng suất kéo lớn nhất là σxymax = 6,0138.107 N/m2. So với ứng lực cho phép của dây đồng σtbcp = (5÷10).107 N/m2 [8,9]. Do đó khi xảy ra ngắn mạch với dòng điện cực đại thì ứng suất lớn nhất của dây quấn chưa vượt quá giới hạn cho phép. 3.5. Kết luận chương 3 Trong chương này, luận án đã trình bày quá trình tính toán ứng suất lực tác dụng lên dây quấn MBA 630kVA -22/0,4kV đã được thiết kế, sản xuất và đo đạc thực nghiệm tại công ty chế tạo biến thế SANAKY Hà Nội, bằng phương pháp giải tích và PTHH 2D. Tiến hành so sánh kết quả ứng suất lực giữa hai phương pháp giải tích và PTHH 2D sai số lớn nhất là 0,75%. Qua sai số này ta thấy tính đúng đắn và tin cậy của mô hình giải tích thiết lập, cũng như sử dụng PTHH để giải quyết bài toán là thích hợp. Điều này mở ra hướng nghiên cứu tiếp theo ở chương sau là sử dụng phương pháp PTHH 3D cho những bài toán có hình dạng phức tạp hơn. 16 CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN LỰC NGẮN MẠCH TỔNG HỢP TÁC DỤNG LÊN DÂY QUẤN MÁY BIẾN ÁP 4.1. Giới thiệu chương 4.2. Thuật toán tính ứng suất lực điện từ trên dây quấn máy biến áp lõi thép vô định hình bằng phương pháp PTHH 3D 4.3. Xây dựng mô hình 3D MBA trên phần mềm Ansys Maxwell 4.3.1. Quá trình giải quyết bài toán trên Asys Maxwell 4.3.2. Thiết lập bài toán mô phỏng MBA 630kVA Sử dụng một MBAVĐH 630 kVA-22/0,4 kV và thông số kích thước lấy từ bản vẽ thiết kế của công ty chế tạo MBA SANAKY Hà Nội. Lõi thép bằng vật liệu từ mềm VĐH có mã hiệu 2605SA1 có từ cảm bão hòa là 1,63T; các giá trị B(H) ở Phụ lục 1. Hình 4.6 và Hình 4.7 là các hình ảnh tổng thể về lõi thép bằng vật liệu từ VĐH trước khi và sau khi bố trí lắp đặt dây quấn tại công ty chế tạo MBA. MBA này đã tiến hành thử nghiệm và có biên bản kiểm tra xuất xưởng ở Phụ lục 2. Bắt đầu Xây dựng mô hình mô phỏng 3D MBA (Dựa trên các thông số điện và kích thước thiết kế của MBA) Mô phỏng 2 trường hợp: không tải và NM thử nghiệm Po, U1đm, U2đm và Pk, I1đm, I2đm Sai So sánh trùng khớp với thực nghiệm: P0 và Pk Đúng Mô phỏng ngắn mạch sự cố: INMmax và Bmax Chỉ ra vị trí có max -Ứng lực mặt phẳng 2D oxz: xz -Ứng lực mặt phẳng 3D oxyz: xyz So sánh tiêu chuẩn bền xyz  σgh Đúng Sai Khuyến cáo cho nhà sản xuất Kết thúc Hình 4.1. Lưu đồ thuật toán tính ứng suất trên các cuộn dây Bảng 4.2. Các thông số đo đạc thực nghiệm của MBAVĐH 630 kVA - 22/0,4 kV Thứ tự Thông số Giá trị 1 Dòng điện không tải i0% 0,2 2 Tổn hao không tải: P0 [W] 439,9 3 Tổn hao ngắn mạch Pk [W] 5039,0 4 Điện áp ngắn mạch uk% 5,7 17 Hình 4.6. Lõi thép MBA bằng vật liệu VĐH Hình 4.7.Mạch từ và cuộn dây của MBAVĐH Các thông số về điện và kích thước thiết kế của MBA này là dữ liệu đầu vào phần mềm Ansys Maxwell. Hình 4.8 cho thấy hình dạng của một mô hình MBA trong môi trường phân tích Maxwell 3D. Để giảm thời gian tính toán và mô hình có tính chất đối xứng nên khảo sát mô hình 3D mặt cắt ½ , vật liệu cách điện và cấu trúc hỗ trợ đang bị bỏ qua trong mô hình. Hình 4.8. Mô hình MBAVĐH Maxwell 3D Hình 4.10. Chia lưới mô hình MBA trong Maxwell Tổng số lượng phần tử lưới chia là 215918 phần tử như Hình 4.10. Thời gian phân tích được được thiết lập là 0,1s với bước thời gian là 0,001s. 4.4. Mô phỏng ở chế độ không tải và ngắn mạch thử nghiệm 4.4.3. Tổn hao không tải và tổn hao ngắn mạch thử nghiệm Phân tích mô hình ta có kết quả mô phỏng về tổn hao không tải P0 và tổn hao ngắn mạch Pk ở Hình 4.18 và Hình 4.19. Hình 4.18. Tổn hao không tải MBA Hình 4.19. Tổn hao ngắn mạch của MBA Bảng 4.3. So sánh các giá trị mô phỏng và thực tế Thứ tự Thông số Mô phỏng Thực tế Sai số % 1 Tổn hao không tải: P0 (W) 429,618 439,9 2,4 2 Tổn hao ngắn mạch Pk (W) 4978,3 5039,0 1,2 Từ kết quả so sánh ở Bảng 4.3, ta thấy sở dĩ giá trị mô phỏng nhỏ hơn giá trị thực tế bởi vì bản thân phương pháp PTHH là phương pháp gần đúng và mô phỏng đã bỏ qua các vật liệu cách điện và cấu trúc hỗ trợ MBA đang bị bỏ qua trong mô hình. 18 4.5. Mô phỏng ở chế độ ngắn mạch sự cố Thời điểm tạo trạng thái ngắn mạch được thực hiện tại 15 ms, lúc này điện áp của pha B về 0, khi đó dòng điện ngắn mạch có sẽ đạt trị số cực đại. 4.5.1. Dòng điện ngắn mạch Hình 4.20. Dòng điện ngắn mạch cuộn CA Hình 4.21. Dòng điện ngắn mạch cuộn HA Tại thời điểm 25 ms, giá trị biên độ của dòng điện ngắn mạch cực đại trên pha B của dây quấn CA (HA) là ICA_max= 305,07 A (IHA_max=29066,8 A), giá trị này lớn gấp 22,6 lần biên độ dòng điện định mức. 4.5.2. Phân bố từ trường tản Hình 4.22. Phân bố từ cảm trên mạch từ và cuộn dây của MBA tại thời điểm t =25ms Tại thời điểm t = 25 ms (dòng điện ngắn mạch trên pha B đạt cực đại). Từ cảm tản tại cạnh ngoài cùng HA Bz_max = 1,454T, Bx_max = 0,393T và Bxzmax = 1,454T. Từ trường tại cạnh trong cùng CA Bz_max = 1,492T, Bx_max = 0,248T và Bxzmax = 1,492T. 4.5.3. Phân tích ứng suất lực ngắn mạch trên cuộn dây HA và CA Tổng ứng lực xz trên cuộn CA và HA như Hình 4.31 và Hình 4.32: x z xz Chieu cao cuon HA (mm) Hình 4.31. Tổng ứng suất xz trên cuộn HA x z xz Chieu cao cuon CA (mm) Hình 4.32. Tổng ứng suất xz trên cuộn CA Kết quả cho thấy: Thành phần ứng lực tổng xz lớn nhất này tại vị trí chính giữa biên ngoài của cuộn HA và biên trong của cuộn CA. Tổng ứng suất lực là xzmax = 5,444.107