Nghiên ứu á phương pháp tính toán điện từ trường đề xuất á giải pháp hạn hế điện từ trường gây ra bởi á thiết bị điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu phương pháp tính tốn điện từ trường Đề xuất giải pháp hạn chế điện từ trường gây thiết bị điện NGUYỄN ĐỨC HUY Ngành: Kỹ thuật điện Giảng viên hướng dẫn: TS Lê Đức Tùng Viện: Điện HÀ NỘI, 2020 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061132130741000000 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu phương pháp tính tốn điện từ trường Đề xuất giải pháp hạn chế điện từ trường gây thiết bị điện NGUYỄN ĐỨC HUY Ngành: Kỹ thuật điện Giảng viên hướng dẫn: TS Lê Đức Tùng HÀ NỘI, 2020 Chữ ký GVHD CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Nguyễn Đức Huy Đề tài luận văn: Nghiên cứu phương pháp tính tốn điện từ trường Đề xuất giải pháp hạn chế điện từ trường gây thiết bị điện Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số SV: CB170163 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 02/7/2020 với nội dung sau: - Trích dẫn tài liệu tham khảo theo format quy định - Hiệu chỉnh đề mục theo quy định chung Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội - Phần tóm tắt nội dung dùng từ “bài báo”, “nhóm tác giả” hiệu chỉnh lại cho phù hợp với với phạm vi luận văn thạc sĩ - Hiệu chỉnh lỗi tả in ấn Ngày tháng năm 2020 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn TS Lê Đức Tùng Nguyễn Đức Huy CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG LỜI CẢM ƠN Em xin cảm ơn giúp đỡ thầy giáo TS Lê Đức Tùng việc hồn thành luận văn Trong q trình làm luận văn, em tránh thiếu sót, mong thầy bạn góp ý để em hồn thiện luận văn Em xin cam đoan luận văn: “Nghiên cứu phương pháp tính tốn điện từ trường Đề xuất giải pháp hạn chế điện từ trường gây thiết bị điện” em tự nghiên cứu hướng dẫn thầy giáo TS Lê Đức Tùng Nghiên cứu tài trợ Bộ Giáo dục Đào tạo đề tài mã số B2018-BKA11-CtrVL Để hoàn thành đồ án em sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Em xin chân thành cảm ơn Hà Nội, ngày tháng Tác giả Nguyễn Đức Huy năm 2020 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ii CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan 1.1.1 Các phương pháp hữu hạn (Finite methods) 1.1.2 Các phương pháp tích phân số 12 1.1.3 Kết luận 17 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP PEEC 18 2.1 Lịch sử phát triển 18 2.2 Phương pháp tích phân số mạch điện thay tương đương PEEC (Partial Element Equivalent Circuit) 19 2.2.1 Phép đạo hàm phương trình tích phân điện trường (EFIE) 19 2.2.2 Chuyển đổi phương trình tích phân điện trường EFIE thành PEEC 20 2.2.3 Mạch điện thay tương đương PEEC 22 2.2.4 Kết luận 31 CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PEEC – GIẢI PHÁP HẠN CHẾ NHIỄU ĐIỆN TỪ 32 3.1 Biến đổi PEEC 32 3.2 Sự hỗ cảm hai sợi dây đồng trục 33 3.3 Bài toán áp dụng – giải pháp hạn chế nhiễu điện từ 35 CHƯƠNG KẾT LUẬN 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT PTHH : Phần tử hữu hạn FEM : Finite element method (Phương pháp phần tử hữu hạn) FDM : Finite difference Method (Phương pháp sai phân hữu hạn) MoM : Moment of method (phương pháp moment) PEEC : Partial element equivalent circuit (phương pháp mạch điện thay tương đương) FDTD : Phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian FVM : Phương pháp thể tích hữu hạn DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG Hình 1.1 Sóng điện từ Hình 1.2 Mơ hình Cell gồm thành phần trường điện từ mô FDTD Hình 1.3 Miền thể tích hữu hạn V trường hợp chiều Hình 1.4 Ơ lưới tính tốn mặt kiểm soát 10 Hình 1.5 Các phần tử hữu hạn sử dụng trình rời rạc: (a) Một chiều, (b) hai chiều (c) ba chiều 11 Hình 1.6 Hàm MoM điển hình, (a) Hàm xung chữ nhật, (b) Hàm xung tam giác, (c) Hàm xung hàm sin [12] 14 Hình 1.7 Mơ hình MoM sử dụng sở xung f cho phép tính gần phân bố tần số cộng hưởng cho lưỡng cực nửa bước sóng 14 Hình 1.8 Mơ hình ME thay mạch tương đương 16 Hình 2.1 Phần tử dây dẫn chia thành phần tử hình hộp chữ nhật với mật độ dịng khơng đổi 23 Hình 2.2 Bề mặt phần tử dây dẫn chia thành chia thành với có mật độ điện tích mặt khơng đổi 24 Hình 2.3 Mơ hình PEEC phần tử cuộn cảm  gồm có độ tự cảm phần tử  tổng suất điện động hỗ cảm 26 Hình 2.4 Mơ hình PEEC cho phần tử tụ điện (P) với  hệ số là tổng hiệu điện 27 Hình 2.5 Mơ hình PEEC cho phần tử điện trở R 28 Hình 2.6 Mơ hình PEEC cho mạch   29 Hình 2.7 Mơ hình PEEC cho mạch RLC 29 Hình 2.8 Mơ hình PEEC cho mạch RLC có thành phần điện mơi 30 Hình 2.9 Mơ hình PEEC cho mạch RLC chịu tác động điện trường ngồi 31 Hình 3.1 Hai cuộn dây đồng trục L1 L2 với mặt cắt hình chữ nhật 33 Hình 3.2 Mơ hình chia lưới cuộn dây 34 Hình 3.3 Mơ hình cuộn kháng pha vòng ngắn mạch 35 Hình 3.4 Mạch điện thay tương đương 36 Hình 3.5 Mơ hình cuộn dây 2D (trái), phân bố từ trường phương pháp FEM 2D (phải) 37 Hình 3.6 Sự phân bố từ trường mặt cắt vòng dây chắn từ 37 Hình 3.7 Kết áp dụng tính tốn phương pháp PEEC 38 Hình 3.8 Sự phân bố từ trường dọc trục cắt qua mặt phẳng có vịng chắn từ 39 Bảng 3.1.Kết so sánh dòng điện cảm ứng vòng chắn phương pháp khác 38 CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan Chúng ta sống thời đại điện từ, bao quanh ta đường dây tải điện, điện thoại, wifi, ti vi, tủ lạnh, vi tính, máy giặt, lị vi sóng… việc nghiên cứu ảnh hưởng nhiễm môi trường điện từ trường vấn đề cần thiết Trường điện từ dạng tồn đặc biệt vật chất, đặc trưng tập hợp tính chất điện từ Các tham số bản, biểu thị đặc tính trường điện từ là: tần số, chiều dài sóng tốc độ lan truyền Hình 1.1 Sóng điện từ Điện từ trường nguồn xạ điện tử Electromagnetic Fields (EMFs) Nguồn EMFs đến nhiều nơi tiếp xúc với người khác nhau, có nguồn tự nhiên nguồn nhân tạo Trong tự nhiên EMFs tạo trình sấm chớp từ trường Trái đất Trong thể người có trường điện từ để vận chuyển thông tin hệ thống thần kinh Các nguồn EMFs nhân tạo sinh từ trình sản xuất, truyền tải sử dụng điện Cả điện từ trường dạng xạ (tần số cao) xuyên qua vật cản tác động nguồn lượng lên người, ảnh hưởng nhiễm mơi trường điện từ trường đáng lo ngại Dòng điện nguyên nhân sinh điện từ trường Điện gia dụng thường dòng điện xoay chiều (alternating current; AC) Dòng điện AC xoay chiều cực theo theo chu kỳ Dòng điện 50Hz dòng điện xoay chiều 50 lần vòng giây Chu kỳ tạo nên dòng điện từ trường có tần số Điện từ trường phân làm loại theo tần số nó: - Loại ELF (tần số cực thấp; extremely low frequencies) – thiết bị điện - gia dụng, đường dây điện Loại HF LF (tần số cao [high frequencies] tần số thấp [low - frequencies]) – sóng radio AM Loại VLF (tần số thấp; very low frequencies) – tivi video - Loại VHF (tần số cao; very high frequencies) sóng tivi radio FM - Loại SHF (siêu tần số; super high frequencies) tần số microwave SHF ảnh hưởng đến phân tử Khi microwaves ngang vật thể có nước, làm cho phân tử nước bị rung động tạo nhiệt Tất tượng điện từ xảy thiết bị điện hệ thống điện mô tả hệ phương trình Maxwell với luật trạng thái chúng Lý thuyết trường điện từ Maxwell thống điện trường từ trường, cách phân tích tượng điện từ chi phối chúng Maxwell nhận thấy từ trường điện trường có mối quan hệ chặt chẽ Theo thuyết này, điện trường từ trường có mối quan hệ biện chứng, chúng chuyển hóa lẫn Mọi biến đổi điện trường làm xuất từ trường ngược lại Chúng đồng thời tồn không gian, tạo thành trường thống trường điện từ Trường điện từ dạng vật chất đặc trưng cho tương tác hạt mang điện Để diễn tả trường điện từ cách định lượng, Maxwell thiết lập nên hệ phương tình Maxwell diễn tả điện từ trường trường hợp tổng quát mơi trường Đó tập hợp phương trình đạo hàm riêng liên kết mối quan hệ trường điện từ (E, H) phân bố không gian biến đổi theo thời gian, phân bố dòng điện tích (J, ) đặc tính vật liệu (µ, σ): phương trình Maxwell-Faraday, Phương trình Maxwell-Ampere, Định lí Ostrogradsky – Gauss (OG) điện trường, Định lí OG từ trường Hệ phương trình Maxwell: Dạng vi phân           Dạng tích phân                      PT 1.1                    PT 1.3      : Véc tơ cường độ điện          : Vecto cường độ từ trường  trường  PT 1.4     : Véc tơ dòng điện dịch    : Vector từ cảm       : Mật độ điện tích khối   : Véc tơ mật độ dòng điện    