Luận án tiến sĩ nghiên cứu hiện tượng từ giảo trong máy biến áp lõi thép vô định hình

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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

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

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

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

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 tượng, phương 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

CHƯƠNG 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 nước 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 nước 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

1.8 Đề xuất hướng nghiên cứu của tác giả 23

1.9 Kết luận 24

CHƯƠNG 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

CHƯƠNG 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

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

CHƯƠNG 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

Hướng 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

μσ H/m Hệ số từ thẩm thay đổi do ứng suất ngoài

At m2 Tiết diện của tr và gông từ

E V/m Vectơ cường đ điện trường

B T = kg/s2.A Vectơ cảm ứng từ

B T = kg/s2.A Cảm ứng từ ( Mật đ từ thông)

J A/m2 Vectơ mật đ d ng điện

εms μm/m Biến dạng do hiệu ứng từ giảo

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

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 = 0 0 58

Hình 3.11 Các thành phần lực cơ từ và chuyển vị khi θ = 15 0 58

Hình 3.12 Các thành phần lực cơ từ và chuyển vị khi θ = 30 0 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

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

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

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

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 tượng, phương 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

 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

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

Chương 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

Chương 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

Chương 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

Chương 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

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LI U TỪ V Đ NH H NH

VÀ 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) Thép vô định hình 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

đến mặt trống và tốc đ trống Phương pháp này d tiến hành và giá thành thấp nhưng có m t nhược điểm là d xảy ra sự sai khác về cấu trúc cũng như tính chất bề mặt ở 2 phía của băng hợp kim đồng thời tính lặp lại về chiều dày của hợp kim thường không cao

Phương pháp ngu i nhanh hai tr c: Là phương pháp ngu i nhanh s d ng 2 trống quay đặt tiếp xúc với nhau và quay ngược chiều nhau Hợp kim được làm lạnh giữa 2 khe của bề mặt trống, vừa bị làm lạnh vừa bị cán p nên có đ dày rất chuẩn xác (chỉ ph thu c vào khoảng cách giữa hai trống và tốc đ trống) đồng thời tính chất ở hai bề mặt sai khác rất thấp, điểm khó của phương pháp này là tính đồng b giữa hai trống quay

Điểm quan trọng của phương pháp ngu i nhanh là chế tạo các trống quay trên m t tr c cực kỳ chính xác (đ rung của bề mặt trống rất thấp, chỉ cỡ m t vài micromet), đồng thời bề mặt của các trống phải được x lý rất sạch và nhẵn Các trống thường được chế tạo bằng các kim loại có khả năng thu nhiệt nhanh và ít bị ôxi hóa Hai loại vật liệu phổ biến được dùng là đồng và môlipđen Để chế tạo các băng hợp kim đặc biệt chứa các kim loại d bị ôxi hóa, người ta có thể đặt cả hệ trong môi trường bảo vệ (được hút chân không cao, và được nạp các khí bảo vệ), quá trình chế tạo được thể hiện trên các hình 1.2 và 1.3

Hình 1.2 Sơ đồ thiết bị điều khiển công nghệ rót khép kín [4] (1 Van khí; 2 vòng cảm ứng;

3 Hợp kim lỏng; 4 Băng mỏng; 5 Bình khí Argon; 6 Trống đồng; 7 Ống thạch anh; 8 Dụng

cụ đo nhiệt)

- Phôi liệu: Hợp kim có thành phần Fe, Nb, Cu, , Si được nấu từ các fero Fe-B, Fe-Si, Fe-B-Si với hàm lượng Fe trên 80% và bổ sung Nb nguyên chất, nguyên chất Hợp kim ban đầu được nấu bằng l cảm ứng cao tần, phương pháp nấu này bảo đảm cho hợp kim ban đầu

có đ sạch cao, không bị oxy hóa và có đ đồng nhất về thành phần như hình 1.2

- Nguyên lý: Nguyên liệu ban đầu được tính theo thành phần hợp thức, được nấu chảy bằng l cảm ứng cao tần trong ống thạch anh, trong chân không hoặc khí trơ tránh oxy hóa

T

ủ

L cao tần

Tủ điều khiển

bởi tiếp xúc với oxy môi trường Hợp kim nóng chảy được phun qua nhờ áp suất khí Ar, tia kim loại lỏng ra khỏi v i phun gặp bề mặt trống bị dàn mỏng, truyền nhiệt cho trống và mất nhiệt nhanh chóng, đông cứng và văng ra khỏi bề mặt trống dưới dạng băng mỏng Trong thời gian tiếp xúc giữa hợp kim lỏng và mặt trống, hợp kim giảm nhiệt đ từ 15000C tới nhiệt đ

ph ng trong thời gian rất ngắn (vài phần nghìn giây) [4]

Hình 1.3 Sơ đồ thiết bị điều khiển công nghệ rót liên tục [5]

Sơ đồ khối thiết bị điều khiển công nghệ ampoule liên t c (hình1.3), đây là dây chuyền với quy mô công nghiệp

Trong đó: 1 Nồi nấu hợp kim với dung tích 200kg, nhiệt đ 15000C, công suất 30-200kg/mẻ

và cơ cấu rót; 2 Nồi chứa trung gian, nhiệt đ 14800

C; 3 V i phun, nhiệt đ 14500C; 4 Tang trống quay nhanh và hệ thống làm mát; 5 Các thiết bị điều khiển và đo lường (nhiệt đ , áp suất, khoảng cách, tốc đ ); 6 Sản phẩm: Th p biến áp dạng băng mỏng

Vật liệu VĐH được s d ng nhiều trong ngành công nghiệp, quân sự trong m t vài thập

kỷ qua Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, vật liệu VĐH đã ngày càng được s

d ng nhiều hơn Đáng chú ý nhất là s d ng vào chế tạo lõi th p cho MBA Trên hình 1.4 mô

tả tổng quát quy trình chế tạo vật liệu VĐH dạng băng mỏng có kích thước lớn để chế tạo lõi

M A lực

L nung cao tần

Nguồn nhiệt nung

v i phun

Nguồn nhiệt nung nồi trung gian

Tủ điều

khiển

Dung tích: 200 kg

Hình 1.4 Qui trình chế tạo vật liệu vô định hình [61]

Trong đó: (A) Lò nấu chảy; (B) Hệ thống rót; (C) Trục quay; (D1) (D2) Thiết bị kiểm tra độ dày

và bề rộng băng; (E) Thiết bị quấn băng

Công ty Hitachi [36] đã s d ng vật liệu VĐH làm lõi th p MBA 1 pha, 3 pha và đã sản xuất r ng rãi cung cấp cho các nước trên thế giới

Hình 1.5 Máy biến áp 3 pha [36]

1.3 áy biến áp sử dụng lõi thép vô định hình

Xu thế hiện nay, các nhà sản xuất luôn tìm kiếm vật liệu mới, đồng thời hoàn thiện thiết

kế để chế tạo M A có tổn hao thấp Nói cách khác, người ta luôn luôn phải có biện pháp cải tiến thiết kế và công nghệ chế tạo nhằm hoàn thiện về cấu trúc, hình dạng, thông số kỹ thuật, kinh tế….và quan trọng nhất là s d ng vật liệu mới để giảm tổn hao của MBA

Khoảng những năm 70 của thế kỷ XX, th p VĐH ra đời, nhờ vào thành phần và cấu trúc

vi mô đặc biệt, th p 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); đ dày tự nhiên của lá th p rất nhỏ khoảng 0,03 mm (so với ~ 0,3-0,5 mm của tôn silic) và điện trở suất rất lớn từ 130-170 micro Ohm.cm (so với ~50-60 micro Ohm.cm của tôn silic) Nhờ vào các tính chất trên mà tổn hao

lõi của th p VĐH giảm mạnh so với th p silic loại tốt nhất [6] Hình 1.6 mô tả lịch s tổn hao

không tải của MBA 50 kVA do nâng cao chất lượng vật liệu chế tạo lõi th p từ năm 1970 đến năm 1990

Hình 1.6 Lịch sử tổn hao không tải của MBA 50 kVA [34]

Hình 1.6 cho thấy xu hướng dùng th p để giảm tổn hao là m t việc rất cần thiết, bắt đầu

từ năm 1955 đến năm 1990, các nhà sản xuất đã dùng loại th p chất lượng tốt hơn tổn hao không tải nhỏ hơn Tuy nhiên, hiện vẫn c n tồn tại những MBA cũ có tổn hao lớn đang được

s d ng trên lưới điện Từ năm 1980, xu hướng của thế giới chọn vật liệu VĐH làm lõi th p cho MBA để giảm tổn hao không tải

Đường cong từ hóa của th p VĐH trên hình 1.7 có v ng từ tr nhỏ hơn rất nhiều so với tôn silic (M4) nên tổn hao từ tr trong th p VĐH nhỏ đến mức có thể bỏ qua

Hình 1.7 Biểu thị đường cong từ trễ của vật liệu VĐH và thép silic [12]

Mô tả lịch s ứng d ng th p VĐH trong chế tạo M A phân phối được trình bày trên hình 1.8

Hình 1.8 Lịch sử ứng dụng thép VĐH chế tạo MBA phân phối [8]

Gấp 7 lần

50 100 150 200

1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990

Năm

Gấp 3 lần

Th p từ vô định hình Tôn silic chất lượng cao

M A dầu Tôn silic thường

1,0 1,2 1,4

0,4 0,8 1,2 1,6

B (T) Th p vô

định hình

Th p silic

Chế tạo MBA lõi th p VĐH có tổn hao không tải thấp thay thế cho các biến áp truyền thống hiện nay là hướng đi đúng nhằm giảm tổn thất điện năng trên lưới điện góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế và cải thiện môi trường

1.4 Các nghiên cứu ở ngoài nước về MBA lõi thép VĐH

1.4.1 Nghiên cứu về giảm tổn hao MBA lõi thép VĐH

Lịch s phát triển của MBA lõi th p VĐH đã trải qua nhiều giai đoạn khác nhau từ khi bắt đầu phát hiện ra vật liệu VĐH từ năm 1960 đến những năm 80 của thế kỷ XX thì người ta mới bắt đầu s d ng vật liệu VĐH làm lõi M A, quá trình phát triển MBA lõi th p VĐH có thể tóm tắt thông qua các công trình nghiên cứu của những bài báo sau đây:

Từ năm 1960, cấu trúc VĐH của chất rắn được phát hiện và phát triển cho đến nay gọi là vật liệu từ mềm VĐH [59], quá trình phát triển qua nhiều giai đoạn khác nhau và ngày càng được ứng d ng r ng rãi ở các nước như: Mỹ, Nga, Nhật Bản, Trung Quốc,…

Năm 1987, S LUPI đã đề cập đến vấn đề kinh tế khi s d ng MBA lõi th p VĐH và đưa

ra so sánh chi phí giữa MBA lõi th p thông thường với lõi th p VĐH, từ đó khẳng định s

d ng MBA lõi th p VĐH sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao [53]

Năm 1991, tác giả HARRY W NG [34] đã giới thiệu những tính chất đ c đáo kim loại VĐH và đã bắt đầu dùng vật liệu VĐH làm lõi th p MBA phân phối, đồng thời khuyến cáo nên dùng M A lõi th p VĐH cho sự phát triển trong tương lai

Năm 1992, H Matsuki đã nghiên cứu về các dạng đai của dây quấn và lõi MBA để giảm tổn hao công suất Hệ số tự cảm, điện kháng tản, điện trở và tổn hao sắt được đo cho các dạng khác nhau để đánh giá các đặc tính làm việc của MBA [57]

Năm 1992, L A Johnson [45] đã viết về ứng d ng vật liệu VĐH giảm tổn hao trong lõi

th p của MBA và đ ng cơ MBA phân phối lõi VĐH tần số 60 Hz đã được sản xuất trên thị trường và đã đề cập đến nhiều khả năng s d ng MBA lõi th p VĐH sẽ không ngừng phát triển Năm 2009, Robert U Lenke [42] đã đưa ra đặc tính lõi th p của biến áp phân phối lõi

th p VĐH s d ng ở tần số trung Tác giả khuyến cáo nên dùng M A lõi th p VĐH trong

l nh vực điện t công suất ở tần số kHz để giảm tổn hao, chịu điện áp kích thích dạng xung và bảo đảm vấn đề về làm mát

Tại Hoa kỳ, năm 1992 với yêu cầu phải cải thiện hệ thống lưới điện phân phối để giảm tổn hao không tải của MBA Nghiên cứu của tác giả W J Ros, T M Taylor [62] chỉ ra rằng trong tất cả các tổn hao ở lưới phân phối thì tổn hao MBA chiếm 60% trong đó tổn hao lõi 45% trong tổng số tổn hao của hệ thống C thể là m t biến áp ba pha 25 kVA với lõi th p silic sẽ có tổn hao lõi 60W c n với lõi th p VĐH sẽ có tổn hao 20W, hay s d ng MBA lõi

th p VĐH sẽ giảm tổn hao 60% -70% so với th p silic loại tốt ên cạnh đó, tác giả Hung Hsu, Yeong-Hwa Chang [21] đã tiến hành thực nghiệm cho thấy tổn hao trong lõi th p VĐH thấp hơn rất nhiều so với lõi th p silic (M5) ( hình 1.9)

Chang-Hình 1.9 Tổn hao không tải giữa lõi thép VĐH SA1 và thép silic M5 [21]

Chính vì vậy MBA lõi th p VĐH mở ra m t lợi ích kinh tế cho hệ thống lưới điện phân phối, nó mang hiệu quả kinh tế, tiết kiệm năng lượng đồng ngh a với giảm khí thải cải thiện môi trường [10]

Tại Pháp [22], các công ty chế tạo biến áp như ERDF đã tiến hành các th nghiệm không tải cũng như ngắn mạch trên nhiều MBA lõi VĐH từ công suất 160kVA đến 630kVA để đánh giá toàn diện về khả năng chịu tải và tổn hao không tải, đưa ra tiêu chuẩn cho MBA lõi th p VĐH trước khi sản xuất cung cấp cho thị trường các nước ở Châu Âu

Ở Châu Á [45], tổn hao điện năng được chính phủ quan tâm hàng đầu và yêu cầu đặt ra đối với các cơ quan cả nước thực hiện chống lãng phí điện năng Theo m t khảo sát tại Nhật Bản, tổng tổn hao không tải điện năng vượt 1,5 lần so với công suất dự tính, do đó phải tiến hành s d ng MBA lõi th p VĐH để giảm tổn hao

Vấn đề s d ng điện năng tiết kiệm và hiệu quả với MBA lõi th p VĐH không chỉ di n

ra ở Nhật Bản mà c n ở các nước Châu Á như: Lào, Nepal, Philippine, Đài Loan, Ấn đ , Hàn Quốc, Trung Quốc,….Việc dùng M A lõi th p VĐH sẽ giảm tổn hao không tải từ 60-70% Đồng thời đưa ra kinh nghiệm s d ng cũng như khả năng phát triển MBA lõi th p VĐH trong tương lai [45]

1.4.2 Nghiên cứu thiết kế MBA VĐH

Trong l nh vực nghiên cứu về thiết kế đã có nhiều đóng góp của những tác giả như: G Segers - A Even -M.Desinedt 31; Pan-Seok Shin [64], Benedito Antonio Luciano [52], D Lin; P Zhou; W N Fu; Z Badics and Z J Cendes [48],…Như tác giả Pan-Seok Shin [64] đã

s d ng phương pháp đồng nhất hóa để tính toán từ trường trong lõi th p của MBA lõi th p VĐH, trong đó tác giả s d ng phương pháp PTHH để phân tích từ trường MBA

Stefan Sieradzki [65] đã đưa ra các cách thay đổi hình dạng của mạch từ MBA vô định hình ba pha từ đó tác giả tiến hành tính toán và kiểm tra bằng thực nghiệm tổn hao MBA 3 pha 5 tr 160kVA

Tiếp đó, công suất MBA lõi th p VĐH cũng được nâng cao lên ở 630kVA [72] tác giả Yinshun Wang, Xiang Zhao đã xây dựng, thiết kế và tính toán tổn hao của m t MBA 3 pha

với công suất trên 630 kVA điện áp sơ cấp/thứ cấp là 10,5 kV/0.4 kV thông qua thí nghiệm ngắn mạch và không tải theo tiêu chuẩn, tổn hao trong MBA lõi th p VĐH nhỏ hơn nhiều so với lõi th p silic

Vấn đề đi sâu vào thiết kế, th nghiệm MBA lõi th p VĐH cũng được nghiên cứu kỹ và sâu hơn, c thể tác giả Benedito Antonio Luciano [52] thiết kế, th nghiệm MBA lõi th p VĐH 1 pha 1kVA, x lý ủ lõi trong từ trường DC để ph c hồi từ tính cũng nhằm giảm tổn hao và nâng cao hiệu suất, các kết quả th nghiệm về hiệu suất cũng được so sánh với MBA lõi th p silic.Tương tự, tác giả Chang-Hung Hsu, Yeong-Hwa Chang [21] đã tiến hành thực nghiệm ủ lõi th p VĐH SA1 trong từ trường DC 800A/m nhằm xác định điều kiện nhiệt đ , thời gian ủ tối ưu để tổn hao trên lõi nhỏ nhất (hình 1.10)

Hình 1.10 Tổn thất lõi VĐH theo nhiệt độ và thời gian ủ [21]

Hình 1.10 cho thấy thời gian và nhiệt đ ủ lõi tối ưu là 3600C trong 2 giờ, tổn hao lõi khoảng 0,4W/kg tại cảm ứng từ B =1,2T

Phân tích mô hình mạch từ lõi th p VĐH để tính toán tổn hao không tải thì có nhiều tác giả với các phương pháp thực hiện khác nhau, ví d như: nhóm tác giả D Lin, P Zhou, W N

Fu, Z Badics, and Z J Cendes tại Mỹ năm 2003 [48] phân tích mô hình tổn hao lõi bằng phương pháp phần t hữu hạn 2D và 3D ở chế đ quá đ Kết quả th nghiệm trên hai mô hình lõi VĐH và lõi sillic cho thấy tổn hao trên lõi VĐH là thấp nhất

Những công trình nghiên cứu trên M A lõi th p VĐH không dừng lại ở m t mức đ chung chung mà nghiên cứu đi vào đối tượng c thể là M A khô lõi th p VĐH, nhóm tác giả Thorsten Steinmetz, Bogdan Cranganu-Cretu [66] đã tiến hành nghiên cứu tổn hao không tải

và có tải của M A khô lõi th p VĐH Tác giả tập trung phân tích, đánh giá tổn hao không tải của MBA phân phối khô lõi VĐH 630kVA như hình 1.11, đưa ra phương pháp cải tiến trong thiết kế mạch từ MBA để tổn hao thấp nhất, thông qua phương pháp PTHH khảo sát mạch từ

để chứng minh đặc điểm thiết kế mạch từ mà tác giả đề ra như hình 1.12

0 0,5 1,0 1,5 2,0

2,5

SA1 annealed at 3300C, 2h SA1 annealed at 3600C, 2h SA1 annealed at 3600C, 10h SA1 annealed at 3600C, 50h SA1 annealed at 3900C, 2h SA1 annealed at 4300C, 2h SA1 annealed at 4500C, 2h SA1 annealed at 470 0 C, 2h

Hình 1.11 Tổn hao không tải và có tải của MBA khô VĐH [66]

Hình 1.12 Mô hình mạch từ của MBA khô VĐH [66]

1.5 Các nghiên cứu ở trong nước về MBA lõi thép VĐH

Viện Vật lý kỹ thuật, Đại học ách khoa Hà N i: Từ dự án sản xuất số 13/97-HĐCGCN

đã có hơn 10 năm kinh nghiệm, đã triển khai nghiên cứu thành công công nghệ chế tạo vật liệu từ VĐH dạng băng mỏng và ứng d ng các sản phẩm băng từ mềm VĐH vào sản xuất MBA nhỏ tần số cao Dự án đã đào tạo được nhiều Tiến s , Thạc s , trên 50 bài báo khoa học liên quan và tham dự trên 10 h i nghị khoa học quốc tế [6]

Ngày 10 tháng 12 năm 2009, lần đầu tiên ở nước ta đưa việc nghiên cứu ứng d ng vật liệu VĐH làm lõi th p M A điện lực; B trưởng B Công Thương đã ký Quyết định số 6228/QĐ – BCT về Kế hoạch khoa học công nghệ năm 2010 [1] với n i dung c thể như sau: “Thiết kế chế tạo chế tạo MBA giảm tổn hao không tải s d ng vật liệu th p từ VĐH siêu mỏng, chế tạo trong nước”

Ngày 14 tháng 1 năm 2011, Mitsubishi UFJ Morgan Stanley Securities, Co.Ltd (MUMSS) phối hợp với Trung tâm tiết kiệm năng lượng thành phố Hồ Chí Minh đã tổ chức

“H i thảo thúc đẩy s d ng MBA Amorphous (th p VĐH) hiệu suất cao trong hệ thống lưới điện tại Việt nam” Sau h i thảo có chương trình đầu tư nghiên cứu, sản xuất MBA lõi th p VĐH tại Việt Nam

Ngày 13 tháng 1 năm 2012, Công ty Hitachi Metals đã phối hợp với với Trung tâm tiết kiệm năng lượng thành phố Hồ Chí Minh đã tổ chức h i thảo: “MBA lõi th p VĐH hiệu suất cao và ứng d ng hiệu quả tại Việt Nam” H i thảo đã đưa ra các đặc trưng của MBA lõi th p VĐH và đề xuất tiêu chuẩn mới cho loại BA này tại Việt Nam

Khởi đ ng tại Việt Nam từ năm 2010, với sự phối hợp của ECC-HCMC, Hitachi đã chuyển giao thành công M A hiệu suất cao cho công ty sản xuất MBA tại Việt Nam Năm

2011, ECC-HCMC đã tiến hành lắp đặt và đo th nghiệm MBA hiệu suất cao trên lưới điện ở

m t số địa phương như Hà N i, thành phố Hồ Chí Minh, ình Dương, Đồng Nai và ến Tre Kết quả vận hành thực tế cũng như những phương pháp đánh giá mới, tiêu chuẩn mới cho

M A đã được các chuyên gia phân tích và đánh giá hiệu quả của M A lõi th p VĐH so với

M A lõi th p silic

Ở Việt Nam, công ty cổ phần chế tạo biến thế Hà N i đã chế tạo thành công M A khô lõi

th p VĐH có cu n dây đúc trong epoxy và được th nghiệm đảm bảo chất lượng để vận hành trên lưới điện

Nhì chung, ở Việt Nam đang triển khai chế tạo MBA phân phối lõi th p VĐH, và đây là vật liệu mới nên những công trình nghiên cứu về các yếu tố liên quan đến lõi th p như: Mối liên hệ giữa cơ và từ, sự biến dạng, sự rung đ ng và đ ồn… chưa được công bố nhiều

1.6 Nghiên cứu mối liên hệ cơ từ ở lõi MBA

1.6.1 Nghiên cứu mối liên hệ cơ từ ở lõi thép silic

Vấn đề lực cơ từ ở lõi th p silic của MBA trên thế giới đã có nhiều công trình công bố, điển hình như:

Năm 1997 tác giả Masato Enokizono and Naoya Soda [56] đã xây dựng mô hình toán

khảo sát mối liên hệ giữa vectơ cảm ứng từ B và vectơ cường đ từ trường H trên lõi M A

m t pha dựa vào vectơ từ thế A, khảo sát thông qua ten xơ suất từ trở được đo bằng thực nghiệm cùng với sự thay đổi góc lệch giữa H và B Công trình nghiên cứu của tác giả là cơ sở

để khảo sát mối liên hệ cơ từ tại các góc của lõi th p M A

Năm 1996 [54] và 2001 [15], nhóm tác giả M esbes, Z Ren, A Razek đã xây dựng mô hình tính toán lực cơ từ bằng hàm mật đ năng lượng, thông qua mô hình toán khảo sát lực cơ

từ cũng như biến dạng của lõi th p bằng phương pháp PTHH Kết quả khảo sát lực cơ từ và

đ biến dạng của lõi th p cho thấy rằng: Phân bố lực từ đều nhau, vectơ lực tập trung tại các cạnh và góc của lõi vật liệu nên gây ra biến dạng của lõi vật liệu nhỏ (hình1.13a), trong khi đó lực từ giảo xuất hiện trên toàn b khối vật liệu nên gây ra đ biến dạng lớn hơn (hình 1.13b)

a) Chỉ có lực từ b) Tổng lực từ và lực từ giảo

Hình 1 13 Phân bố lực và độ biến dạng của lõi thép [15]

Năm 2009, tác giả Hongkui Li, Gang Chen thu c trường đại học Shenyang Ligong của Trung Quốc đã xây dựng mô hình toán tính lực từ và từ giảo trong lõi M A, phân tích mô hình bằng phương pháp PTHH để khảo sát lực cơ từ trong lõi th p, và cho thấy lực từ phân bố trong lõi th p với mật đ thưa và nhỏ (hình 1.14a), lực từ giảo tập trung với mật đ dày và lớn hơn so với lực từ (hình 1.14b) Do đó khi x t đến đ biến dạng cũng như rung ồn trong lõi

th p của MBA cần x t đến tổng lực (hình 1.14c) [44]

a) Lực từ b) Lực từ giảo c) Tổng lực

Hình 1.14 Phân bố lực trong lõi thép MBA [44]

Năm 2010, nhóm tác giả Setareh Gorji Ghalamestani, Tom G D Hilgert, Lieven Vandevelde, Joris J J Dirckx and Jan A A Melkebeek [32], đã tiến hành đo thực nghiệm biến dạng của th p kỹ thuật điện do hiệu ứng từ giảo theo hướng song song (λ (B) ) và hướng //vuông góc (λ (B) ) với hướng từ hóa, kết quả đ biến dạng do hiệu ứng từ giảo theo hai hướng khoảng 14,5 μm/m tại =1,5T (hình 1.15)

Hình 1.15 Biến dạng từ giảo được đo bằng thực nghiệm trên thép kỹ thuật điện [32]

M t nghiên cứu sâu hơn về sự rung đ ng của lõi th p do ảnh hưởng của từ giảo được nhóm tác giả Lihua Zhu, Qingxin Yang, Rongge Yan thu c trường đai học kỹ thuật Hebei và tác giả Qingxin Yang thu c trường đại học bách khoa Tianjin của Trung Quốc đã thực hiện trên lõi M A ba pha 10kVA, khảo sát với mô hình 2D cho thấy được lực từ giảo ảnh hưởng rất lớn đến đ biến dạng và chuyển vị của lõi th p c thể như trên hình 1.16 và 1.17 [79]

0

0 0,5 1,0 1,5 2,0 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5

-5 -10 -15

5 10 15

a) Cảm ứng từ B và chuyển vị trên gông từ b) Cảm ứng từ B và chuyển vị trên trụ từ

Hình 1.16 Đồ thị cảm ứng từ B và chuyển vị trên lõi thép MBA [79]

a) Biến dạng b) Phân bố lực từ giảo

Hình 1.17 Đồ thị biến dạng và phân bố lực từ giảo trong lõi thép MBA [79]

Chuyển vị trên tr lớn hơn gấp 3 lần chuyển vị trên gông (hình 1.16 a&b), biến dạng theo hướng d từ hóa (hướng theo chiều dọc của lá th p) lớn hơn so với biến dạng theo hướng khó

từ hóa (hướng theo chiều ngang của lá th p) (hình 1.17a) Lực từ giảo tập trung tại các góc của lõi th p nên biến dạng chủ yếu tập trung tại góc của lõi th p (hình 1.17b)

Gần đây nhất vào năm 2013 và 2014 nhóm tác tác giả Hassan Ebrahimi,YanhuiGao, Akihisa Kameari, Hiroshi Dozono, and Kazuhiro Muramatsu thu c trường đại học Saga của Nhật đã xây dựng mô hình tính lực từ, lực từ giảo và biến dạng trên lõi th p của cu n kháng khi có sự tác đ ng của ứng suất ngoài [29,28] (hình 1.18)

a) Mẫu khảo sát b) Biến dạng của lõi thép dưới tác dụng của ứng suất

Hình 1.18 Khảo sát sự ảnh hưởng của ứng suất ngoài đến lõi thép [28]

-3,00 -2,25 -1,50

-2,0 -1,5 -1,0 -0,5

0 1,0 2,0 5,0

-6,0 -5,0

-2,0 -4,0 -3,0 -1,0

σxx

σxy

σyy

Ngoài ra, việc khảo sát lực cơ từ trong lõi th p silic được nhiều tác giả trên thế giới quan tâm nghiên cứu và được công bố trong các công trình [25,27,41,51,69,75]

1.6.2 Nghiên cứu mối liên hệ cơ từ ở lõi thép VĐH

Hiện nay, loại th p VĐH được s d ng để chế tạo lõi M A có hai loại phổ biến đó là

H 1 và SA1 Vì đây là vật liệu mới nên các công trình nghiên cứu về mối liên hệ giữa cơ và

từ trên lõi th p gặp nhiều khó khăn, các công trình nghiên cứu c n hạn chế, phần lớn những công bố chủ yếu do đo đạc thực nghiệm như: hệ số cơ từ, sự thay đổi đặc tính từ dưới tác

d ng của ứng suất và nhiệt đ Các công trình nghiên cứu [11,39,50,68] cho thấy th p VĐH rất nhạy cảm với ứng suất ngoài c thể như hình 1.19

Hình 1.19 Đường cong từ hóa thay đổi dưới tác dụng của ứng suất [39]

Năm 2010, nhóm tác giả Jacek Salach, Roman Szewczyk, Adam Bienkowski, Piotr Frydrych [63], đã tiến hành thực nghiệm đo đường cong từ hóa của vật liệu VĐH

Fe25Ni55Si10B10 dưới tác d ng của ứng suất n n và ứng suất k o Khi vật liệu từ chịu tác đ ng của ứng suất ngoài thì thu c tính từ thay đổi, c thể trên hình 1.20a khi chịu ứng suất n n thì cảm ứng từ (T) tăng lên và ngược lại khi chịu tác đ ng của ứng suất k o thì cảm ứng từ B(T) giảm xuống như hình 1.20b

a) Ứng suất nén b) Ứng suất kéo

Hình 1.20 Đường cong từ hoá của vật liệu bị thay đổi dưới tác dụng của của ứng suất ngoài [63]

Hệ số từ giảo của vật liệu từ VĐH cao hơn so với lõi th p silic, c thể năm 2006, nhóm tác giả F Alam, M M Kamal và M A Asgar [9] đã thực hiện đo trên vật liệu từ VĐH

Fe90-xSixB10 với x=8, hệ số từ giảo bão h a lớn hơn 20μm/m khi B 3500 Gauss (hình 1.21)

Hình 1.21 Hệ số từ giảo của vật liệu VĐH dưới tác dụng của cường độ từ trường [9]

Để khảo sát toàn diện tính chất cơ từ của vật liệu VĐH, năm 2013, nhóm tác giả: Y Le Bras, A Lasheras, J Gutierrez, F Mazaleyrat và J.M Greneche đã tiến hành đo hệ số cơ từ,

đ cảm từ giảo và biến dạng trên vật liệu VĐH 2605SC [17]

Hình 1.22 Độ biến dạng và các hệ số vật liệu phụ thuộc vào từ trường [17]

Trong đó ε(μm/m): Đ biến dạng; d33(ηm/A): Đ cảm từ giảo; k33: Hệ số cơ từ; η: Hệ số cản vật liệu Các hệ số trên hình 1.22 làm cơ sở để khảo sát mối liên hệ cơ từ trong lõi th p MBA

Nhóm tác giả Haifeng Zhong, WenhaoNiu, Tao Lin, Dong Han, Guoqiang Zhang [33], đã nghiên cứu MBA lõi th p VĐH có công suất 800kVA/10kV và nhận định MBA lõi th p VĐH rất nhạy cảm với lực cơ khí, mức đ tiếng ồn cao hơn và khả năng chịu ngắn mạch k m hơn

so với M A lõi tôn silic Các ứng suất và biến dạng của vỏ cũng như các thanh kẹp dây quấn

0 20 40 0 50 100

0 35 70 0 0,3

được tính toán với sự hỗ trợ của phần mềm Ansys Maxwell, công trình nghiên cứu đã đưa ra khuyến cáo cho các nhà sản xuất M A lõi th p VĐH cần quan tâm nhiều đến thiết kế về cu n dây cũng như các cấu trúc hỗ trợ khác (hình 1.23)

Hình 1.23 Cấu trúc kẹp cuộn dây của MBA VĐH [33]

Ngoài ra, các biến dạng và đặc tính từ của vật liệu VĐH rất nhạy cảm với ứng suất được các tác giả trong các công trình [13,65,74,80] quan tâm đề cập đến

1.6.3 Ảnh hưởng của từ giảo đến sự rung ồn trong lõi thép VĐH

Trong M A hiện tượng từ giảo gây nên những rung đ ng cơ học và phát xạ âm thanh (tiếng ù) không mong muốn Lõi th p M A được chế tạo dưới dạng các lá mỏng (đối với lõi

th p silic) hoặc những giải băng mỏng (th p VĐH) sẽ chịu sự giãn nở và co lại dưới tác đ ng của từ trường với tần số 2f (f: là tần số của nguồn điện Hz, ở Việt Nam f =50Hz) Các lực từ giảo và lực từ đ ng tuần hoàn trong lõi của M A gây nên sự rung đ ng và tác đ ng đến các

b phận khác nhau của thân M A gây nên tiếng ồn (hình 1.24) [58]

Hình 1.24 Biễu diễn sự rung ồn trong MBA [58]

Trường điện từ xoay chiều

Rung lõi th p

Các sóng âm của chất lỏng trong bình chứa M A Rung đ ng khung

máy biến áp Cấu trúc sinh ra

Rung bình chứa Phát ra tiếng ồn

Không khí sinh ra

Cấu trúc sinh ra

Lực từ giảo gây nên sự rung đ ng của lõi, lực từ đ ng gây nên sự chuyển đ ng ngang của các lá th p là nguyên nhân phát ra tiếng ồn từ M A như hình 1.24 Do đó, khi cố gắng giảm tiếng ù của MBA, ta cần chú trọng đến tần số rung đ ng của lõi th p

Các tác giả Chang Yeong-hwa, Chang-hung Hsu, Ching-pei Tseng và Daichi Azuma , Ryusuke Hasegawa đã nghiên cứu đ ồn trong lõi M A s d ng vật liệu VĐH và th p silic [20,23] Kết quả khảo sát đ ồn của lõi th p VĐH cao hơn th p silic (hình 1.25)

Hình 1.25 Độ ồn của MBA có lõi thép VĐH và thép silic 23DZMH-90 [20]

Hiện tượng từ giảo trong M A ngoài việc gây ra tiếng ồn c n gây nên sự rung đ ng trong lõi th p Nhóm tác giả Yeong-Hwa Chang, Chang-Hung Hsu, Huei-Lung Chu, Ching-Pei Tseng tháng 10 năm 2011 [18] đã nghiên cứu sự rung đ ng từ - cơ trong M A ba pha ba

tr với cấu trúc lõi khác nhau như hình 1.26

Hình 1.26 Các dạng lõi của máy biến áp ba pha ba trụ [18]

Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng, biến áp VĐH hình dạng C- góc hình chữ nhật có cường đ rung cao nhất Lõi hình xuyến có đ rung đ ng và tiếng ồn thấp hơn lõi dạng C (hình 1.27 và 1.28), đ rung đ ng của M A ba pha cao hơn so với MBA m t pha

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]

30 35 40 45 50 55 60 65 70

a) MBA một pha b) MBA ba pha

Hình 1.28 Độ rung của lõi thép MBA VĐH với các cấu trúc lõi khác nhau [18]

Năm 2010, nhóm tác giả Yingying WANG, Weijun XING, Guoqiang ZHANG, Wenhao NIU, Dong HAN [73] đã tiến hành khảo sát tiếng ồn của các máy biến áp lực lõi VĐH bằng thực nghiệm Các ph p đo tiếng ồn đã được thực hiện bằng cách thay đổi cảm ứng từ của lõi VĐH Tiếng ồn cũng đã được đo tại các vị trí có lực kẹp chặt khác nhau của mô hình, vật liệu chế tạo lõi là Metglas ® 2605SA1 Tất cả các thí nghiệm được thực hiện với điều kiện không tải và sau 12 giờ đêm để tránh các thành phần hài của lưới điện, cũng như tiếng ồn bên ngoài Nhóm tác giả cũng đã kết luận tiếng ồn của M A lõi VĐH cao hơn lõi th p silic

Hình 1.29 Cường độ âm thanh theo cảm ứng từ B(T) [73]

Song song với những nghiên cứu ở trên, các công trình của các tác giả khác cũng đã nghiên cứu về sự rung đ ng và tiếng ồn trong lõi th p VĐH như: Năm 2013, nhóm tác giả Chang-Hung Hsu, Chun-Yao Lee, Yeong-Hwa Chang, Faa-Jeng Lin, Chao-Ming Fu và Jau-Grace Lin [37], Jiangtao Liu, Liming Ying [49], đã nghiên cứu tiếng ồn và sự rung đ ng của lõi từ VĐH do hiệu ứng từ giảo gây ra với các cấu trúc lõi hình tam giác, hình vuông, hình chữ nhật, hình xuyến và hình oval, xây dựng mô hình toán học điều khiển thích nghi nhằm giảm tiếng ồn cho M A lõi th p VĐH

Tóm lại, vật liệu VĐH có hệ số từ giảo cao hơn so với th p silic nên hiệu ứng từ giảo di n

ra mạnh mẽ hơn, dẫn đến sự rung đ ng trong lõi th p và phát xạ âm thanh tiếng ồn cao Đây

C-core (transformer) with rectangular corner

C-core (transformer) with arc corner

2 4 6

8 10

0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045 0,05 0,055 0,06

Time [sec]

C-core (transformer) with rectangular corner C-core (transformer) with arc corner Toroidal-core (transformer)

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,4

B [T]

1,3

45 40 35 30

50 55 60

25 20

65 70

là vấn đề cần được quan tâm nghiên cứu chuyên sâu khi M A lõi th p VĐH ngày càng được ứng d ng sản xuất r ng rãi thay thế cho MBA truyền thống trong giai đoạn hiện nay

1.7 Những vấn đề còn tồn tại

Với những phân tích ở trên cho thấy rằng nghiên cứu về lực cơ từ ở MBA lõi th p silic và lõi VĐH vẫn c n hạn chế số lượng công trình công bố, và các vấn đề mà những công trình này chưa khai thác hết C thể như sau:

1 Mô hình toán tổng quát khảo sát lực cơ từ khi x t đến các yếu tố liên quan trong lõi

th p VĐH chưa được thực hiện

2 Khảo sát lực từ và lực từ giảo trong vật liệu dẫn từ cũng như trong lõi th p M A chủ yếu dùng mô hình 2D

3 Cấu trúc của lõi th p VĐH khác với lõi th p silic nên cần khảo sát đây đủ các yếu tố như: Lực cơ từ, biến dạng và chuyển vị trên lõi th p VĐH

4 Mô hình toán tính chuyển vị và đ rung của lõi th p VĐH chưa được xây dựng (chủ yếu là đo đạc thực nghiệm)

5 Vị trí chịu biến dạng và chuyển vị lớn nhất trong lõi th p chưa được chỉ ra

1.8 Đề xuất hướng nghiên cứu của tác giả

Vật liệu từ VĐH là những dải băng mỏng, có đ dày từ 0,02mm đến 0,03mm Chúng rất nhạy cảm với nhiệt đ , các biến dạng khi gia công và biến dạng bởi từ trường ngoài Do đó, khi gia công lõi th p có những khó khăn nhất định về khía cạnh cơ khí Hệ số từ giảo bão h a của vật liệu tương đối lớn nên lực từ giảo lớn Lực từ giảo mãnh liệt có thể phá vỡ các kết cấu

cơ khí của lõi th p trong M A Do vậy, việc nghiên cứu hiện tượng từ giảo gây ra biến dạng trong lõi th p VĐH của MBA cần được nghiên cứu chuyên sâu

Với những vấn đề phân tích ở trên, luận án đề xuất hướng nghiên cứu sau đây:

- Tổng hợp nghiên cứu của các tác giả trước đây, xây dựng mô hình toán tổng quát phân tích các thông số liên quan đến từ giảo như: Lực từ giảo, biến dạng, chuyển vị…so sánh kết quả của mô hình toán với kết quả phân tích trên phần mềm Ansys Maxwell đánh giá những vấn đề c n tồn tại và đề xuất mô hình toán mới

- Khảo sát biến dạng và chuyển vị trong lõi th p bằng mô hình 3D với phần mềm Ansys Maxwell, chỉ ra vị trí biến dạng và chuyển vị lớn nhất trong lõi M A nhằm hỗ trợ cho việc

đo đạc thực nghiệm chính xác hơn

- Xây dựng mô hình toán mới trong hệ hỗn hợp cơ từ, thông qua mô hình toán khảo sát mối liên hệ cơ từ của MBA lõi th p VĐH có x t đến các yếu tố liên quan như lực kẹp gông và

tr từ

- Thực nghiệm đo đ rung ồn của MBA lõi VĐH để xác định lực kẹp gông và tr của MBA ứng với đ rung và tiếng ồn nhỏ nhất

1.9 Kết luận

Trong chương này, luận án đã giới thiệu về vật liệu VĐH và các phương pháp chế tạo vật liệu Số lượng máy biến áp khô loại này ngày càng chiếm thị phần lớn trên thị trường thế giới

Xu thế hiện nay, các nước ưu tiên lựa chọn M A có hiệu suất cao Đặc biệt, khi s d ng

M A lõi th p VĐH tổn hao không tải giảm từ 60% -70% so với th p silic loại tốt Tuy nhiên, MBA lõi th p VĐH có hệ số từ giảo bão h a tương đối lớn (27μm/m) nên gây ra sự biến dạng

và rung ồn trong lõi th p cao hơn so với M A lõi th p silic Hơn nữa, MBA hiện nay được lắp đặt tại các khu dân cư nên vấn đề tiếng ồn được các nhà sản xuất và vận hành M A rất quan tâm

Sau đó trình bày về những nghiên cứu trong nước và ngoài nước về tính toán thiết kế MBA, mối liên hệ giữa cơ và từ trong MBA lõi th p silic và lõi th p VĐH, Ảnh hưởng của từ giảo đến đ rung ồn trong MBA lõi th p VĐH và lõi th p silic Qua quá trình nghiên cứu tổng hợp các công trình đã công bố tác giả nhận thấy những vấn đề c n tồn tại cũng như hạn chế

về nghiên cứu lực cơ từ trong lõi th p như:

Tính toán lực cơ từ chưa x t hết các yếu tố liên quan như lực kẹp của gông và tr từ; chưa chỉ ra vị trí chịu biến dạng và chuyển vị lớn nhất trong lõi th p để từ đó đưa ra giải pháp khắc

ph c; Khảo sát đ rung ồn trong lõi th p chưa có mô hình toán c thể, mọi kết luận chủ yếu thông qua đo đạc thực nghiệm Trên cơ sở phân tích những vấn c n tồn tại, tác giả đề ra m c tiêu và phương pháp nghiên cứu để giải quyết những mặt c n tồn tại đó N i dung nghiên cứu của luận án được trình bày ở những chương tiếp theo

CHƯƠNG 2 KHẢO SÁT BI N DẠNG CỦA VẬT LI U TỪ V Đ NH H NH

DO HI U ỨNG TỪ GIẢO 2.1 Giới thiệu

M c đích của chương này là trình bày cơ sở lý thuyết về từ giảo, biến dạng đàn hồi và biến dạng từ giảo 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 các chương tiếp theo

2.2 Cơ sở lý thuyết về từ giảo

2.2.1 Khái niệm từ giảo

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 (từ giảo thuận) hoặc ngược lại, tính chất từ của vật liệu từ bị thay đổi khi

có sự tác đ ng của ứng suất bên ngoài (từ giảo nghịch) Từ giảo được phát hiện vào năm 1842 bởi James Prescott Joule khi quan sát mẫu th niken [55]

2.2.2 Hệ số từ giảo

Hệ số từ giảo là tỉ lệ của sự thay đổi về chiều dài hoặc thể tích dưới sự tác đ ng của từ trường ngoài:

0 0

l(H) - lλ(H)=

0 0

V(H) - Vλ(H)=

Trong đó: l0,V0 lần lượt là chiều dài và thể tích của vật thể khi không có từ trường; l(H), V(H) là chiều dài và thể tích của vật thể bị thay đổi trong từ trường H (A/m)

Hệ số từ giảo là đại lượng không có thứ nguyên Theo các công thức trên, nếu (H) > 0 ta

có từ giảo dương, (H) < 0 ta sẽ có từ giảo âm

Hiện tượng từ giảo dẫn đến sự thay đổi về chiều dài gọi là từ giảo dài, c n hiện tượng dẫn đến sự thay đổi về toàn thể tích gọi là từ giảo khối Trong kỹ thuật, người ta c n quan tâm đến đại lượng đ cảm từ giảo, và được định ngh a bởi sự biến thiên của hệ số từ giảo theo cường

Đ cảm từ giảo mang ý ngh a tương tự như đ cảm từ, đều chỉ khả năng phản ứng của vật liệu hay khả năng thay đổi tính chất từ giảo dưới tác d ng của từ trường ngoài, thường gọi là

áp từ, đơn vị là m/A

Mối liên hệ giữa đ cảm từ giảo với ứng suất và từ trường ngoài được thể hiện qua hệ phương trình (2.4) [46,78]:

H 33 33

εH: Hệ số biến dạng ph thu c vào cường đ từ trường H, đơn vị m2/N

d33= χ(H) : Đ cảm từ giảo, đơn vị m/A

ζ: Ứng suất ngoài tác đ ng vào vật liệu, đơn vị N/m2

μζ: Hệ số từ thẩm, thay đổi dưới tác d ng của ứng suất

2.2.3 Cơ chế của hiện tượng từ giảo

a) Dạng đối xứng cầu không có từ giảo b) Không có đối xứng cầu có từ giảo c) Sự quay của mô men spin dưới tác dụng của từ trường ngoài

Hình 2.1 Cơ chế hiện tượng từ giảo

Cơ chế của hiện tượng từ giảo do tương tác spin-quỹ đạo và sự phân bố của đám mây điện t : Khi đám mây điện t có dạng đối xứng cầu (có ngh a là mô men quỹ đạo bằng 0), tất

cả các vị trí của các ion lân cận đều tương đương đối với sự phân bố điện t Khi có sự tác

đ ng của từ trường ngoài, mô men spin tuy có quay đi, nhưng sự phân bố không gian của điện

t hoàn toàn không thay đổi nên khoảng cách giữa các điện t vẫn giữ nguyên (không dẫn đến

sự thay đổi về kích thước cũng như hình dạng mẫu) Nếu đám mây điện t không có dạng đối xứng cầu (có ngh a là mô men quỹ đạo khác 0), lúc này các vị trí phân bố xung quanh không

c n tính chất đối xứng, sự quay của mô men spin khi có từ trường ngoài dẫn đến sự thay đổi

S N S N

S N

N S

S N

N S

N S N S