Từ học và vật liệu từ có một lịch sử lâu đời và có các đặc tính kỳ diệu. Vật liệu từ, theo các tài liệu đã dẫn, được phát hiện cách đây khoảng 4000 năm, do một người chăn cừu tên là Magnes ở vùng Magnesia thuộc Hy Lạp tình cờ phát hiện ra. Ông thấy các đinh bằng sắt dưới đế giày mình có bám dính các viên đá. Viên đá này được đặt tên là manhetit, sau này, manhetit được biết có công thức hóa học là Fe3O4 hay FeO.Fe2O3. Vào thế kỷ thứ VI trước công nguyên, Thales là người đầu tiên đưa ra khái niệm từ học là thuộc tính của Fe¬¬3O4 với đặc tính là hút các vật bằng sắt.
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn công trình nghiên cứu riêng hướng dẫn Tiến sĩ Bùi Anh Tuấn Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực luận văn cám ơn thông tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Tác giả MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC .2 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU 10 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÁC ĐẶC TÍNH CỦA VẬT LIỆU TỪ 12 1.1 Lịch sử phát triển vật liệu từ 12 1.1.1 Thời kỳ sơ khai 12 1.1.2 Sự phát triển vật liệu từ 12 1.2 Một số khái niệm từ học phân loại vật liệu từ 13 1.2.1 Một số khái niệm từ học 13 1.2.2 Các loại vật liệu từ 17 1.2.3 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ từ trường χ-1 momem từ (M) vật liệu từ 19 1.2.4 Các loại vật liệu từ ứng dụng 20 1.2.5 Cách phân loại khác vật liệu từ 22 1.3 Momen từ nguyên tử 22 1.3.1 Momen từ quỹ đạo điện tử 22 1.3.2 Momen từ spin điện tử 23 1.4 Thuận từ 24 1.4.1 Lý thuyết cổ điển thuận từ (Lý thuyết Langevin) 24 1.4.2 Định luật Curie 26 1.5 Sắt từ 27 1.5.1 Các tính chất từ chất sắt từ 27 1.5.2 Lý thuyết Weiss giải thích tượng trật tự từ tự phát chất sắt từ 30 1.5.3 Nhiệt độ trật tự từ (TC) 34 1.6 Cấu trúc đomen 37 1.6.1 Mở đầu 37 1.6.2 Nguyên nhân tạo thành đomen 37 1.6.3 Vách đomen 39 1.7 Vật liệu từ mềm 39 1.7.1 Mở đầu 39 1.7.2 Các yêu cầu vật liệu từ mềm 40 1.7.3 Ferit từ mềm 40 1.7.4 Vô định hình nano tinh thể từ mềm 46 CHƯƠNG II CÁC MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐƯỜNG CONG TỪ TRỄ 48 2.1 Giới thiệu chung 48 2.2 Chế độ ổn định tĩnh ổn định động vật liệu từ 48 2.2.1 Chế độ ổn định tĩnh 48 2.2.2 Chế độ ổn định động 49 2.3 Mô hình mô chế độ ổn định tĩnh 50 2.3.1 Mô hình mô Ising 50 2.3.2 Phương trình toán học mô hình 51 2.3.3 Tác động nhiệt độ đến mô hình 52 2.3.4 Mô hình mô Preisach 54 2.4 Mô hình mô Jiles –Atherton 59 2.4.1 Các khái niệm 59 2.4.2 Ảnh hưởng tham số mô hình Jiles – Atherton đến hình dạng đường cong từ trễ 63 2.5 Mô hình mô đặc tính động 64 2.5.1 Mô hình mô đặc tính động Preisach 65 2.5.2 Mô hình mô đặc tính động Jiles – Atherton 66 2.5.3 Mô hình mô đặc tính động ‘‘Flux tubes’’ 68 2.6 Kết luận 69 CHƯƠNG III MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH CỦA CÁC VẬT LIỆU TỪ DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ 71 3.1 Giới thiệu loại vật liệu từ 71 3.2 Sự thay đổi đường cong từ trễ theo tần số nhiệt độ 72 3.3 Đặc tính vật liệu từ ảnh hưởng nhiệt độ 73 3.3.1 Sự thay đổi đường cong từ trễ theo tần số nhiệt độ 73 3.3.2 Phân tích thay đổi tính chất vật liệu từ ảnh hưởng nhiệt độ 76 3.4 Mô đặc tính vật liệu từ 76 3.4.1 Biểu diễn hệ thống điện - từ phần mềm Matlab - Simulink 76 3.4.2 Xác định tối ưu tham số 77 3.5 Kết luận 87 CHƯƠNG IV MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA BÔ CẢM BIẾN DÒNG ĐIỆN DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA NHIỆT ĐỘ 88 4.1 Giới thiệu chung 88 4.2 Các thông số cảm biến dòng 88 4.2.1 Đặc tính cảm biến dòng 89 4.2.2 Mô đặc tính làm việc cảm biến dòng 90 4.2.3 Các tiêu chuẩn đánh giá độ xác cảm biến dòng 93 4.3 Kết 94 4.4 Kết luận 100 KẾT LUẬN 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO 102 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1.a: Bảng chuyển đổi số đơn vị từ hai hệ CGS SI 17 Bảng 1.1.b: Bảng chuyển đổi số đơn vị từ hai hệ CGS SI 17 Bảng 1.2 Một số vật liệu sắt từ thông dụng 30 Bảng 3.1 Các đặc tính loại vật liệu từ 72 Bảng 4.1 Thông số cảm biến dòng 89 Bảng 4.2 Giá trị tham số điện – từ biến đổi theo nhiệt độ 94 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Lực tác dụng từ trường lên cực từ 13 Hình 1.2 Mẫu từ tính có hai cực từ S N 14 Hình 1.3 Cảm ứng từ B vật liệu từ hóa 15 Hình 1.4 Tổng hợp giá trị loại vật liệu từ (hệ SI) 19 Hình 1.5 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ χ-1 momen từ (M) vật liệu từ khác Phía bên trái đồ thị mô hình xếp momen từ nguyên tử từ 19 Hình 1.6 a Từ độ phụ thuộc momen từ vào từ trường chất nghịch từ, thuận từ phản sắt từ, b đường cong từ trễ chất sắt từ feri từ 20 Hình 1.7 Vec tơ µ tác dụng từ trường H 25 Hình 1.8 Đồ thị biểu diễn hàm Langenvin 26 Hình 1.9 Từ độ kim loại Fe, Co Ni phụ thuộc vào từ trường 28 Hình 1.10 Sự phụ thuộc vào H 29 Hình 1.11 Spin từ điểm A chịu tác dụng từ trường tạo nguyên tử xung quanh 31 Hình 1.12 Phương pháp xác định từ độ tự phát; BJ(α): hàm Brillouin (1.46); (1), (2) phương trình (1.45) với giá trị T khác H = (3) phương trình (1.45) H ≠0 32 Hình 1.13 Từ độ tỷ đối (I/I0) phụ thuộc vào nhiệt độ rút gọn T/TC Đường lý thuyết tính theo hàm Brillouin với giá trị J = ½, J = J = (lý thuyết cổ điển) Các số liệu thực nghiệm kim loại Fe (o), kim loại Co, Ni 33 Hình 1.14 Từ độ rút gọn (I/I0) độ cảm từ ( -1) phụ thuộc 36 vào nhiệt độ chất sắt từ 36 Hình 1.15 Từ độ tự phát tỷ đối -1 vùng gần nhiệt độ Curie 36 Hình 1.16 Mẫu từ tính phân chia thành đomen, giảm lượng trường khử từ (từ trường không gian xung quanh mẫu) 38 Hình 1.17 Một số cấu trúc đo men a Tinh thể đa trục từ, b tinh thể đơn trục từ, c tinh thể sắt từ chứa 4%Si 38 Hình 1.18 Đường trễ B(H) vật liệu từ với thông số từ mềm 39 Hình 1.19 Độ từ thấm ban đầu phụ thuộc kích thước hạt ferit MnZn 42 Hình 1.20 Độ từ thẩm ban đầu phụ thuộc vào nhiệt độ manhetit 43 Hình 1.21 Sự phụ thuộc thông số từ đơn (đơn vị tùy ý) ferit FeCu vào nồng độ Fe 43 Hình 2.1 Tổn hao công suất đơn vị chu kỳ chế độ ổn định tĩnh (0.5Hz) với FeNi80/20 49 Hình 2.2 Tổn hao công suất đơn vị chu kỳ chế độ ổn định động (50Hz) với FeNi 80/20 49 Hình 2.3 Hình ảnh dòng điện cảm ứng vật liệu 50 Hình 2.4 Hình ảnh dòng điện cảm ứng dịch chuyển thành Bloch vật liệu 50 Hình 2.5 Tinh thể mạng momen từ nguyên tử 51 Hình 2.6 Sự tác động mô men từ 51 Hình 2.7 Sự thay đổi lượng ΔEi mô men i 53 Hình 2.8 Ảnh hưởng tham số J đến đường cong từ trễ 53 Hình 2.9 Ảnh hưởng tham số β đến đường cong từ trễ 53 Hình 2.10 Đường bao sở mô hình Preisach 54 Hình 2.11 Mặt phẳng hàm Preisach 55 Hình 2.12 Hình ảnh trạng thái khử từ tam giác Preisach 56 Hình 2.13 Mô tả đường cong từ hóa ban đầu (a), (b) phần đường cong từ trễ theo hướng xuống (c) 57 Hình 2.14 Ảnh hưởng tham số a (Lorentz) đến hình dạng đường cong từ trễ 58 Hình 2.15 Ảnh hưởng tham số b (Lorentz) đến hình dạng đường cong từ trễ 58 Hình 2.16 Đường cong từ trễ tham chiếu 63 Hình 2.17 Ảnh hưởng tham số a 63 Hình 2.18 Ảnh hưởng tham số c 63 Hình 2.19 Ảnh hưởng tham số k 63 Hình 2.20 Ảnh hưởng tham số α 63 Hình 2.21 Ảnh hưởng tham số Ms 63 Hình 2.22 Hàm chuyển đổi mô hình 65 Hình 2.23.a Vật liệu dẫn từ với dòng điện Foucault 68 Hình 2.23.b Vật liệu không dẫn từ với dòng điện Foucault nội 68 Hình 3.1 Sơ đồ đo đường cong từ trễ 73 Hình 3.2 Đường cong từ trễ theo nhiệt độ θ FeNi 80/20 74 Hình 3.3 Đường cong từ trễ theo nhiệt độ θ MnZn N30 74 Hình 3.4 Đường cong từ trễ theo nhiệt độ θ Vitroperm 800F 75 Hình 3.5 Độ từ cảm bão hòa theo nhiệt độ θ 75 Hình 3.6 Độ từ cảm dư theo nhiệt độ θ 75 Hình 3.7 Từ trường khử từ theo nhiệt độ θ 75 Hình 3.8 Tổn hao sắt từ theo nhiệt độ θ 75 Hình 3.9 Biểu diễn hệ thống điện – từ đơn giản Matlab với nguồn vào dòng điện 77 Hình 3.10 Sự thay đổi tham số alpha theo nhiệt độ hai phương pháp tối ưu hóa FeNi 80/20 78 Hình 3.11 Sự thay đổi tham số a theo nhiệt độ θ hai phương pháp tối ưu FeNi 80/20 78 Hình 3.12 Đường cong từ trễ B(H) đo mô FeNi 80/20, θ = 23-310 °C, f = 0.5 Hz 79 Hình 3.13 Sai số tương đối từ cảm cực đại theo nhiệt độ θ 79 Hình 3.14 Sai số bình phương theo nhiệt độ θ 79 Hình 3.15 Sự thay đổi tham số Jiles – Atherton theo nhiệt độ θ 79 Hình 3.16 Đường cong từ trễ B(H) đo mô MnZn N30 80 Hình 3.17 Sai số tương đối từ cảm cực đại theo nhiệt độ θ 80 Hình 3.18 Sai số bình phương theo nhiệt độ θ 80 Hình 3.19 Sự thay đổi tham số Jiles – Atherton theo nhiệt độ θ 80 Hình 3.20 Đường cong từ trễ B(H) đo mô Vitroperm 800F, θ = 23555°C, f = 1Hz 81 Hình 3.21 Sai số tương đối từ cảm cực đại theo nhiệt độ θ 81 Hình 3.22 Sai số bình phương theo nhiệt độ θ 81 Hình 3.23 Sự thay đổi tham số Jiles – Atherton theo nhiệt độ θ 81 Hình 3.24 Đường cong từ trễ B(H) đo mô FeNi 80/20 23°C 310°C 83 Hình 3.27 Đường cong từ trễ B(H) đo mô MnZn N30 23°C 100°C 84 Hình 3.28 Sai số tương đối tổn hao sắt từ theo nhiệt độ θ 84 Hình 3.29 Sai số bình phương theo nhiệt độ θ 84 Hình 3.30 Đường cong từ trễ B(H) đo mô Vitroperm 800F 23°C 555°C 85 Hình 3.31 Sai số tương đối tổn hao sắt từ theo nhiệt độ θ 85 Hình 3.32 Sai số bình phương theo nhiệt độ θ 85 Hình 3.33 Sự thay đổi tham số γ theo nhiệt độ ba mẫu vật liệu 86 Hình 4.1 Hình ảnh cảm biến dòng với lõi từ hình tròn 88 Hình 4.2 Sơ đồ đo đặc tính làm việc cảm biến dòng theo nhiệt độ 90 Hình 4.3 Sơ đồ SIMULINK mô nguyên lý làm việc cảm biến dòng 91 Hình 4.4 Giao diện khối‘‘Signal generator’’ 92 Hình 4.5 Cấu trúc khối ‘‘Enroulement primaire’’ 92 Hình 4.6 Giao diện khối ‘‘Enroulement primaire’’ 92 Hình 4.7 Giao diện khối ‘‘Tube fer’’ 93 Hình 4.8 Độ xác thực nghiệm mô cảm biến dòng theo nhiệt độ 95 Hình 4.9 Ảnh hưởng nhiệt độ đến hình dạng dòng thứ cấp với I1_max=500A f=20 Hz 96 Hình 4.10 Dạng sóng dòng điện thứ cấp tần số khác 160°C I1_max =500A 97 Hình 4.11 Sự thay đổi sai số tương đối (ΔI2) sai số bình phương (OF1) cảm biến dòng theo nhiệt độ 98 Hình 4.12 Dòng thứ cấp thực nghiệm mô 500A - 20Hz - 160°C 99 Hình 4.13 Sự thay đổi độ xác cảm biến dòng theo nhiệt độ 500A 20Hz 99 MỞ ĐẦU Vật liệu từ loại vật liệu chức quan trọng, sử dụng rộng rãi Vật liệu từ vật liệu cốt lõi hàng trăm triệu máy biến động điện hoạt động ngày đêm đảm bảo việc chuyển đổi lượng toàn cầu Trong 100 năm qua, vật liệu từ có bước phát triển vượt bậc chủng loại đến tính kỹ thuật Sự đời thép kỹ thuật dị hướng (1933), ferrit từ mềm (1940), xuất vật liệu từ mềm vô định hình (1970) nano tinh thể (1988) cho thấy mở rộng từ thành phần kim loại - hợp kim sang oxit, mở rộng cấu trúc từ trật tự tinh thể sang vô định hình Các loại nam châm có phát triển vượt bậc từ nam châm nén thép (1900) đến nam châm đất (1966) Nhờ mà tích trữ lượng nam châm tăng gấp gần 50 lần Cùng với cải thiện mạnh mẽ thông số từ xuất chế từ học trật tự từ tồn hệ không trật tự tinh thể (1960), chế dẫn điện phụ thuộc spin (1988) tương tác trao đổi đàn hồi nam châm nano composit (1991) Sự phát triển mạnh mẽ loại vật liệu từ tính thay đổi tính chất điều kiện làm việc khác đòi hỏi nhà nghiên cứu phải tiếp tục không ngừng xây dựng mô hình lý thuyết nhằm phản ánh xác thực thay đổi Trong khuôn khổ luận văn, tác giả nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ tần số đến thay đổi tính chất vật liệu từ mềm Từ đó, tác giả giới thiệu số mô hình mô thay đổi Sau phân tích ưu, nhược điểm số mô hình này, tác giả dùng chương trình Matlab – Simulink để xây dựng chương trình mô Đề tài tập trung nghiên cứu ảnh hưởng tần số nhiệt độ đến loại vật liệu từ khác Giới thiệu số mô hình mô thay đổi tính chất vật liệu từ theo nhiệt độ 10 CHƯƠNG IV MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA BÔ CẢM BIẾN DÒNG ĐIỆN DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA NHIỆT ĐỘ 4.1 Giới thiệu chung Sau đánh giá hiệu hai mô hình mô đường cong từ trễ theo nhiệt độ mẫu vật liệu từ khác nhau, ta sử dụng mô hình để mô hệ thống điện – từ đơn giản cảm biến dòng Một cảm biến dòng thông dụng (Hình 4.1) bao gồm cuộn dây sơ cấp (thông thường kim loại dẫn điện đặt xuyên qua lõi từ nên số vòng dây 1) cuộn dây thứ cấp quấn xung quanh lõi từ Nếu bỏ qua tổn thất dòng điện thứ cấp tỷ lên với dòng điện sơ cấp thông qua tỷ số số vòng dây cuộn sơ thứ Hình 4.1 Hình ảnh cảm biến dòng với lõi từ hình tròn Việc sử dụng cảm biến dòng bị hạn chế số trường hợp tượng bão hòa Trong trường hợp này, cảm biến dòng làm việc chế độ không tuyến tính Ngoài ra, cảm biến dòng làm việc dải rộng nhiệt độ Chính lý mà phần này, nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đến độ xác cảm biến dòng thông qua kết qura thực nghiệm mô 4.2 Các thông số cảm biến dòng Bộ cảm biến dòng sử dụng trường hợp sản xuất hãng ABB, lõi từ có dạng hình tròn làm vật liệu FeNi 80/20, cuộn dây 88 sơ cấp cuộn dây thứ cấp Các điều kiện thử nghiệm tiến hành gần giống với điều kiện thực tế (dòng điện sơ cấp, điện trở tải,…) Bảng 4.1 giới thiệu thông số cảm biến dòng Bảng 4.1 Thông số cảm biến dòng Kích cỡ lõi từ: Đặc tính vật liệu FeNi 80/20: lm = 108mm Bs_max = 0.66T Hmax = Sec = 24mm2 200A/m d = 4mm Br_max = 0.5T h = 6mm Hc ≤ 15A/m Mv = 8800 kg/m3 ρ = 60*10-8 Ωm μmax = (15-45)*104 Số vòng dây cuộn sơ cấp N1 = 130 Số vòng dây cuộn thứ cấp N2 = 5000 Điện trở cuộn thứ cấp Rs = 58.36 Ω Điện trở tải Rc = 10 Ω 4.2.1 Đặc tính cảm biến dòng Thiết bị đo đặc tính cảm biến dòng tác động nhiệt độ (Hình 4.2) Như giới thiệu chương trước, cảm biến dòng đặt hộp kim loại không dẫn từ, sau đặt vào bên lò nung (Hình 3.3) Điện trở tải (Rc) đặt bên lò nung để đo dòng điện thứ cấp Nhiệt độ lõi từ đo cập nhiệt độ gắn phần khác bề mặt lõi từ Dòng điện sơ cấp điều chỉnh máy phát, máy biến tần đo dựa giá trị điện trở shunt Các kết đo thực nhiệt độ, giá trị dòng sơ cấp tần số khác 89 Máy phát R GBF Máy phát tần Rơ le Rs Rc Hộp kim loại Card lưu liệu Hình 4.2 Sơ đồ đo đặc tính làm việc cảm biến dòng theo nhiệt độ 4.2.2 Mô đặc tính làm việc cảm biến dòng Mô hình mô ‘‘flux tubes’’ tiếp tục sử dụng để mô thay đổi tính chất lõi từ cảm biến dòng theo nhiệt độ Sự mô dựa theo phương trình sau: l d l m H dyn F 1 ( ) m S ec S ec dt (4.1) với: lm : chiều dài trung bình ống từ thông, Hdyn : cường độ từ trường tác động lên ống từ thông, : từ thông, Sec: tiết diện ống từ thông, F−1 : hàm từ trễ chế độ ổn định tĩnh xác định từ mô hình Jiles - Atherton, γ : hệ số xác định từ kết đo chế độ ổn định động Vật liệu FeNi 80/20 nghiên cứu thực đo đạc chương III Đặc biệt, hệ số γ hàm F−1 tương ứng, thay đổi chúng theo nhiệt độ xác định điều kiện thực tế khác (tần số cường độ từ trường) Với giả thiết giá trị γ hàm F−1 độc lập với điều kiện kích thích khác nhau, ta viết lại phương trình (4.1) dạng sau: 90 N1 I1 N I N1 I stat β d dt (4.2) với : N1I1 : lực điện từ cuộn sơ, N2I2 : lực điện từ cuộn thứ, N1.Istat = l m F 1 ( S ec ) β= lm S ec Phương trình biểu diễn đầy đủ đặc tính cảm biến dòng Mặt khác, phương trình điện hai cuộn dây sơ thứ sau: d u1 (t ) R1 i1 (t ) N dt u (t ) R2 i2 (t ) N d dt (4.3) Kết hợp phương trình (4.2), (4.3), ta biểu diễn cảm biến dòng chương trình Matlab-Simulink (Hình 4.3) Sơ đồ mô tương đương với sơ đồ đo đặc tính cảm biến dòng Hình 4.2 Hình 4.3 Sơ đồ SIMULINK mô nguyên lý làm việc cảm biến dòng Mỗi khối Hình 4.3 giới thiệu chi tiết Khối ‘‘Signal Generator’’(1) (Hình 4.4) cho phép đặt giá trị dạng sóng nguồn điện áp đầu vào 91 Hình 4.4 Giao diện khối‘‘Signal generator’’ Khối ‘‘Enroulement primaire’’(5) ‘‘Enroulement secondaire’’(7) thiết lập từ phương trình điện từ hai cuộn dây sơ thứ cấp (4.3) Hình 4.5 biểu diễn cấu trúc khối ‘‘Enroulement primaire’’ Hình 4.6 biểu diễn giao diện khối này, cần phải cung cấp thông tin giá trị điện trở số vòng dây cuộn sơ Hình 4.5 Cấu trúc khối Hình 4.6 Giao diện khối ‘‘Enroulement primaire’’ ‘‘Enroulement primaire’’ Khối ‘‘Enroulement secondaire’’ giao diện biểu diễn tương tự, tức cần phải khai báo giá trị điện trở số vòng dây cuộn thứ cấp (R2 N2) giao diện 92 Hình 4.7 Giao diện khối ‘‘Tube fer’’ Giao diện khối ‘‘Tube fer’’(6) giới thiệu Hình 4.7 Ở đây, giao diện cho phép lưu tất thông tin liên quan đến kích thước lõi từ (chiều dài, tiết diện) giá trị tham số mô hình ‘‘Flux tubes’’ (gamma, k, a, alpha, c, Ms) Điện trở R tương đương với tổng điện trở mắc nối tiếp điện trở Shunt Hình 4.2 Điện trở Rc điện trở tải Như vậy, mô hình tồn bảy tham số phụ thuộc vào nhiệt độ: γ mô hình ‘‘Flux tubes’’, năm tham số mô hình Jiles-Atherton (k, a, , c , Ms) điện trở cuộn dây thứ cấp 4.2.3 Các tiêu chuẩn đánh giá độ xác cảm biến dòng Để đánh giá chất lượng cảm biến dòng nhiệt độ thay đổi, sử dụng tiêu chuẩn sau cho kết thực nghiệm mô phỏng: Error (%) 100 N N1.I1 (i ) N I (i ) max( N I ) N i 1 1 (4.4) với : I1, I2 : dòng điện sơ cấp thứ cấp (thực nghiệm mô phỏng), N : số điểm đo chu kỳ I1, I2 Mặt khác, để so sánh kết mô thực nghiệm, sử dụng hai tiêu chí sau: 93 Tiêu chí thứ sai số bình phương (OF1): OF1 N I mes ( j ) I sim ( j ) max( I mes ) j 1 N (4.5) với: I2mes, I2sim : dòng điện thứ cấp thực nghiệm mô chu kỳ Tiêu chí thứ hai sai số tương đối biên độ cực đại dòng điện thứ cấp thực nghiệm max(I2mes) mô max(I2sim): I (%) max( I mes ) max( I sim ) 100 max( I mes ) (4.6) 4.3 Kết Bộ cảm biến dòng đánh giá chất lượng với ba giá trị dòng điện sơ cấp 100–250–500A dải nhiệt độ từ 250C đến 185°C tần số từ 10 đến 50 Hz Bảng 4.2 tóm tắt lại giá trị mô hình ‘‘Flux tubes’’ điện trở cuộn dây thứ cấp theo nhiệt độ Bảng 4.2 Giá trị tham số điện – từ biến đổi theo nhiệt độ T Alpha (°C) a c (A/m) k Ms (A/m) (A/m) gamma R2_mes (Ω) 25 1.89E-5 3.741 0.474 3.852 575964 3.002E-3 58.36 37 1.74E-5 3.378 0.457 3.735 571468 2.871E-3 60.07 53 149E-5 2.885 0.424 3.324 565051 2.844E-3 63.96 74 1.23E-5 2.356 0.378 3.075 555814 2.638E-3 68.01 93 1.09E-5 2.055 0.345 2.779 547256 2.566E-3 72.98 117 9.51E-6 1.825 0.315 2.472 534316 2.512E-3 78.85 130 9.13E-6 1.773 0.340 2.329 525521 2.511E-3 81,4 163 8.27E-6 1.689 0.281 1.901 503107 2.441E-3 89.03 185 7.81E-6 1.667 0.292 1.748 486020 2.391E-3 94.28 Tất tham số mô hình mô ‘‘Flux tubes’’ có xu hướng giảm nhiệt độ tăng lên Ngược lại, điện trở cuộn dây thứ cấp có xu hướng tăng lên theo chiều tăng nhiệt độ Ở nhiệt độ đo, giá trị tham số đặt vào khối ‘‘Tube fer’’ ‘‘Enroulement 94 secondaire’’ sơ đồ Matlab-Simulink (Hình 4.3) Hình 4.8 a-b-c biểu diễn độ xác thực nghiệm mô cảm biến dòng tần số nhiệt độ khác Dựa vào pương trình (4.4) để tính toán sai số Trục hoành trục tung biểu diễn thay đổi nhiệt độ tần số Cột bên phải hình 4.8 a-b-c biểu diễn sai số %, độ xác cảm biến dòng Màu sắc cột tỷ lệ với sai số, màu sắc sáng sai số lớn Sai số thực nghiệm (%) với N1.I1=100A.vòng Sai số mô (%) với N1.I1=100A.vòng a) Sai số mô (%) với N1.I1=250A.vòng Sai số thực nghiệm (%) với N1.I1=250A.vòng b) Sai số thực nghiệm (%) với N1.I1=500A.vòng Sai số mô (%) với N1.I1=500A.vòng c) Hình 4.8 Độ xác thực nghiệm mô cảm biến dòng theo nhiệt độ 95 Từ hình vẽ, ta thấy độ xác cảm biến dòng phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, tần số kích thích giá trị dòng điện sơ cấp Với dòng điện sơ cấp 100A, cảm biến dòng làm việc bình thường, nhiệt độ không đổi sai số tăng lên tần số tăng (Hình 4.8a) nhiệt độ tăng lên sai số tăng tần số dòng điện sơ cấp không đổi Có thể nói, cảm biến dòng hoạt động tốt dòng điện sơ cấp 100A với sai số < 2.5% dải nhiệt độ tần số cho Khi tăng giá trị dòng điện sơ cấp lên 250A (Hình 4.8b), tượng bão hòa từ bắt đầu xuất Sai số tăng lên theo tần số tăng nhiệt độ không đổi Trong giới hạn nhiệt độ đo 230C – 1850C, cảm biến dòng hoạt động tốt dải tần số 20 – 50 Hz Ở tần số 20 Hz, sai số cảm biến dòng tăng nhanh nhiệt độ cao (sai số khoảng 8% 10 Hz 1300C) Sai số tiếp tục tăng lên nhiệt độ tăng độ suy giản độ cảm ứng từ bão hòa Hiện tượng thấy rõ dòng điện sơ cấp 500A (Hình 4.8c) Bộ cảm biến dòng làm việc bình thường dải tần số 40-50 Hz Dưới tần số 30 Hz, sai số cảm biến dòng tăng lên nhanh nhiệt độ 140°C (sai số khoảng 20% 20 Hz 140 ° C) Cuối cùng, để tìm hiểu thay đổi chất lượng cảm biến dòng theo nhiệt độ, ta biểu diễn dạng tín hiệu dòng điện thứ cấp nhiệt độ khác (Hình 4.9) Khi nhiệt độ tăng, độ méo dòng điện thứ cấp xuất Điều chứng tỏ độ xác cảm biến dòng giảm xuống nhiệt độ cao với tần số kích thích Hình 4.9 Ảnh hưởng nhiệt độ đến hình dạng dòng thứ cấp với I1_max=500A f=20 Hz 96 Độ xác cảm biến dòng phụ thuộc vào tần số dòng sơ cấp chứng minh Hình 4.10 Với nhiệt độ, độ xác cảm biến dòng giảm xuống tần số giảm Hình 4.10 Dạng sóng dòng điện thứ cấp tần số khác 160°C - I1_max =500A Những kết cho phép đánh giá chất lượng cảm biến dòng với lõi từ FeNi 80/20, dải rộng nhiệt độ, dòng điện tần số Mặt khác, thừa nhận kết mô thực nghiệm gần tương đương (Hình 4.8 a-b-c), đặc biệt nhiệt độ cao Ví dụ, sai số tương đối thực nghiệm 15% 7.1% mô 500A, 20Hz 160°C Hình 4.11 a-b-c biểu diễn sai số tương đối giá trị dòng điện cực đại (deltaI2 (4.6)) trung bình 10% sai số bình phương (OF1) trung bình 2.5*10-3 Khi cảm biến dòng hoạt động tần số 20 Hz với còng điện sơ cấp 500A, sai số tương đối dòng điện thứ cấp cực đại (deltaI2) vượt 10% từ nhiệt độ 160°C (Hình 4.11c) 97 Sai số bình phương (OF1) với N1.I1=100A.vòng ΔI2 với N1.I1=100A.vòng a) ΔI2 với N1.I1=250A.vòng ΔI2 với N1.I1=500A.vòng b) Sai số bình phương (OF1) với N1.I1=250A.vòng Sai số bình phương (OF1) với N1.I1=500A.vòng c) Hình 4.11 Sự thay đổi sai số tương đối (ΔI2) sai số bình phương (OF1) cảm biến dòng theo nhiệt độ Hình 4.12 biểu diễn tương thích dạng sóng dòng điện thứ cấp thực nghiệm mô nhiệt độ cao 98 Thực nghiệm Mô Thời gian (s) Hình 4.12 Dòng thứ cấp thực nghiệm mô 500A - 20Hz - 160°C Với mô hình mô này, mô ảnh hưởng điện trở R2 cuộn dây thứ cấp vật liệu từ đến độ xác cảm biến dòng cách độc lập đồng thời nhiệt độ thay đổi (Hình 4.13) Trên hình vẽ này, đương cong màu xanh tương đương với kết mô biểu diễn Hình 4.8c Độ xác – sai số (%) R2 Thay đổi Vật liệu từ thay đổi R2 vật liệu từ thay đổi Nhiệt độ Hình 4.13 Sự thay đổi độ xác cảm biến dòng theo nhiệt độ 500A - 20Hz Từ Hình 4.13, ta quan sát thấy độ xác cảm biến dòng thay đổi nhiệt độ 1300C ba trường hợp Từ nhiệt độ trở đi, độ xác có thay đổi lớn Nếu không tính đến thay đổi điện trở R2 thay đổi tính chất vật liệu từ theo nhiệt độ không thấy thay đổi 99 4.4 Kết luận Trong chương này, nghiên cứu thử nghiệm khả làm việc cảm biến dòng với lõi từ vật liệu FeNi 80/20 điều kiện khác Những kết thực nghiệm mô chứng minh rằng, độ xác cảm biến dòng phụ thuộc lớn vào tần số kích thích cường độ dòng sơ cấp Mặt khác độ xác cảm biến dòng giảm xuống nhiệt độ môi trường làm việc tăng cao Những kết mô đạt hiệu cao Hơn nữa, mô hình mô cho thời gian tính toán nhanh dẽ sử dụng Chính lẽ đó, mô hình mô cho phép dự báo khả làm việc thiết bị điện từ điều kiện làm việc khác 100 KẾT LUẬN Có thể nói, vật liệu từ trái tim thiết bị điện, để quản lý hiệu qủa nguồn lượng cần phải làm chủ đặc tính vật liệu Trong phạm vi nghiên cứu luận văn, việc giới thiệu tóm tắt thông số, đặc tính ứng dụng số loại vật liệu từ lĩnh vực khác nhau, tập trung vào nghiên cứu, phân tích ảnh hưởng nhiệt độ đến thay đổi tính chất loại vật liệu từ Đây hướng nghiên cứu hoàn toàn mà có không nhiều tác giả đề cập Hơn nữa, với công nghệ ngày phát triển, đòi hỏi thiết bị điện, điện tử phải làm việc điều kiện khắc nghiệt tần số cao, nhiệt độ cao,… Thông qua luận văn, số mô hình mô thay đổi tính chất vật liệu từ theo nhiệt độ giới thiệu phân tích Một mô hình sử dụng, mô hình Jiles – Atherton mô chế độ ổn định tĩnh mô hình “ Flux tubes” mô chế độ ổn định động Dựa kết thực nghiệm đo ba mẫu vật liệu từ khác nhau: FeNi 80/20, MnZn N30 nano Vitroperm 800F, chất lượng hai mô hình mô kiểm chứng Thông qua việc so sánh kết thực nghiệm mô phỏng, xác định thay đổi tính chất vật liệu từ nhiệt độ Ngoài ra, thay đổi tổn hao không tải theo nhiệt độ xác định từ mô hình Trong phần cuối luận văn, tiến hành áp dụng hai chương trình mô để nghiên cứu tác động tần số nhiệt độ đến khả làm việc cảm biến dòng điện với lõi từ vật liệu FeNi 80/20 hãng ABB sản xuất Kết mô so sánh, đối chiếu với kết thực nghiệm [9] Từ kết đạt được, cho phép thấy khả làm việc cảm biến dòng phụ thuộc lớn vào nhiệt độ tần số 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Thân Đức Hiền, Lưu Tuấn Tài, Từ học vật liệu từ, NXB Bách Khoa – Hà Nội, Hà Nội [2] J.M.D Coey, Magnetism & Magnetic material, Cambridge University Press, 2011 [3] D.C.Jiles, D.L.Atherton, ‘‘Theory of ferromagnetic hysteresis’’ Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol.61, pp 48-60, 1986 [4] M.A Raulet, F Sixdenier, L Morel, ‘‘Limits and rules of use a dynamic flux tube model’’ Compel, Vol 27 No 1, pp 256 -265, 2008 [5] Romain Marion, Riccardo Scorretti, Nicolas Siauve, Marie-Ange Raulet and Laurent Krähenbühl, ‘‘Identification of Jiles-Atherton model parameters using Particle Swarm Optimization’’ IEEE Transactions on Magnetics, pp.894897, 44(6) 2008 [6] Marion Romain, ‘‘Contribution la modélisation de l’aimantation dynamique: approche bidimensionnelle des systèmes tridimensionnels’’ Thèse de doctorat, Université Claude Bernard Lyon1, 2010 [7] P.Wilson, J.N.Ross, A.D.Brown, ‘‘Dynamic Electrical-Magnetic-Thermal Simulation of magnetic components’’ IEEE Workshop on Computers in Power Electronics Piscataway NJ USA, pp 287 – 292, 2000 [8] P.Wilson, ‘‘Simulation of magnetic components models in electric circuits including dynamic thermal effects’’ IEEE Transactions on Power Electronics, vol.17, n°.1, pp.55 – 65, 01/2002 [9] Anh Tuan BUI, Caractérisation et modélisation du comportement des matériaux magnétiques doux sous contrainte thermique Thèse de doctorat, Université Claude Bernard Lyon1, 2011 [10] http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetism 102 [...]... nhau Độ từ cảm của các chất này tương đối lớn và có giá trị dương Hình 1.4 Tổng hợp giá trị của các loại vật liệu từ (hệ SI) 1.2.3 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ và từ trường của χ-1 và momem từ (M) của các vật liệu từ Hình 1.5 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của χ-1 và momen từ (M) của các vật liệu từ khác nhau Phía bên trái các đồ thị là mô hình sắp xếp momen từ của các nguyên tử từ 19 Với các chất nghịch từ, ... CONG TỪ TRỄ Chương III - MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH CỦA CÁC VẬT LIỆU TỪ DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ Chương IV - MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA BỘ CẢM BIẾN DÒNG ĐIỆN DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA NHIỆT ĐỘ 11 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÁC ĐẶC TÍNH CỦA VẬT LIỆU TỪ 1.1 Lịch sử phát triển của vật liệu từ 1.1.1 Thời kỳ sơ khai Từ học và vật liệu từ có một lịch sử lâu đời và có các đặc tính kỳ diệu Vật liệu từ, theo các tài liệu. .. kháng từ Hình 1.6 a Từ độ phụ thuộc của momen từ vào từ trường ngoài đối với chất nghịch từ, thuận từ và phản sắt từ, b đường cong từ trễ của chất sắt từ và feri từ 1.2.4 Các loại vật liệu từ ứng dụng [1] Về mặt ứng dụng, trong công nghiệp và đời sống hàng ngày, người ta chia vật liệu từ làm ba loại chính Đó là vật liệu từ cứng, vật liệu từ mềm và vật liệu ghi từ - Vật liệu từ cứng Vật liệu này dùng để... ghi từ mật độ cao Vật liệu từ có cấu trúc nanomet, ứng dụng trong lĩnh vực y - sinh để điều trị bệnh 1.2.5 Cách phân loại khác đối với vật liệu từ - Phân loại dựa theo cấu trúc Vật liệu từ đơn tinh thể Vật liệu từ đa tinh thể Vật liệu từ vô định hình Thủy tinh từ Vật liệu từ có cấu trúc nanomet Siêu thuận từ - Các phân loại khác Các kim loại, hợp kim từ tính Các loại gốm từ tính Các. .. thuộc vào nhiệt độ Sự phụ thuộc 1 của chất thuận từ là đường thẳng qua gốc tọa độ Đó là chất thuận từ lý tưởng Các chất sắt từ và feri từ có momen từ tự phát (Ms≠0) ở nhiệt độ T < Tc và ở T > Tc là chất thuận từ Với chất phản sắt từ, T < TN là chất thuận từ Sự phụ thuộc vào từ trường ngoài của momen từ các chất nghịch từ, thuận từ và phản sắt từ (hình 1.6a) và của chất feri từ và sắt từ (hình 1.6b)... khuôn khổ đề tài nghiên cứu, dựa vào các kết quả thực nghiệm về ảnh hưởng của tần số và nhiệt độ trên các loại mẫu vật liệu từ khác nhau, tác giả sẽ chỉ ra những sự thay đổi tính chất của các loại vật liệu này đồng thời giới thiệu một vài mô hình mô phỏng sự thay đổi này Nội dung của luận văn được phân thành 4 chương chính: Chương I - TỔNG QUAN VỀ CÁC ĐẶC TÍNH CỦA VẬT LIỆU TỪ Chương II - CÁC MÔ HÌNH MÔ... nhiệt độ trên nhiệt độ Curie, chất sắt từ chuyển từ trật tự từ sang trạng thái các momen từ định hướng hỗn loạn 28 Hình 1.10 Sự phụ thuộc vào H Nhiệt độ TC được gọi là nhiệt độ chuyển pha (trật tự ↔ bất trật tự) Tại T=TC, một số tính chất liên quan đến trật tự từ có dị thường theo nhiệt độ như: hệ số dãn nở nhiệt, nhiệt dung của vật liệu, biến dạng từ giảo… Các tính chất lý thú của vật liệu từ được... nguyên nhiệt độ gọi là nhiệt độ thuận từ Curie hay nhiệt độ Weiss Khi momen từ chỉ do spin đóng góp, thay J trong (1.62) bằng S Từ độ của chất sắt từ ở dưới nhiệt độ Curie (TC) và độ cảm từ ở trên nhiệt độ thuận từ Curie (θ) được mô tả trên hình 1.14 35 Hình 1.14 Từ độ rút gọn (I/I0) và độ cảm từ ( -1) phụ thuộc vào nhiệt độ của chất sắt từ Theo lý thuyết trường phân tử , ở dưới nhiệt độ Curie, chất. .. Các chất phản sắt từ Đó là các chất mà các momen từ định hướng đối song song và bù trừ nhau ở dưới một nhiệt độ nhất định, gọi là nhiệt độ Néel (TN) Độ cảm từ của các chất không lớn và có giá trị dương 18 - Các chất feri từ Các chất feri từ có trật tự từ tự phát ở dưới nhiệt độ Curie Thông thường, đó là hợp chất của kim loại chuyển tiếp và các nguyên tử oxy Các momen từ của chất feri từ sắp đối song... cùng vật liệu số momen từ trong một đơn vị thể tích là như nhau nếu vật liệu đồng chất Từ độ do vật liệu từ tạo ra Năng lượng của momen từ của nam châm trong từ trường là: E mH (1.11) - Cảm ứng từ ( B ) Cảm ứng từ B hay mật độ từ thông gồm đóng góp của từ trường H tạo bởi cuộn dây và từ độ I của vật liệu từ được từ hóa đặt trong lòng cuộn dây Hình 1.3 Cảm ứng từ B trong vật liệu