Nghiên cứu ảnh hưởng của dây quấn đối với điện cảm tản của cuộn kháng

Nhằm đưa ra công thức tính toán điện cảm rò phụ thuộc hình học cuộn dây, khoảng cách không khí giữa các lớp dây quấn, kích thước trụ từ của cuộn kháng.. Cuộn dây có đặc tính như vậy, bởi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

TRƯƠNG CÔNG THẠNH

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA DÂY QUẤN ĐỐI VỚI ĐIỆN CẢM TẢN CỦA CUỘN KHÁNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS PHÙNG ANH TUẤN

Hà Nội – Năm 2013

MỤC LỤC

TRANG BÌA PHỤ 1

LỜI CAM ĐOAN 4

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 8

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI 11

CHƯƠNG 2 KHÁI NIỆM CHUNG CUỘN KHÁNG 13

2.1 Định nghĩa 13

2.2 Cấu tạo cuộn kháng: 13

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA DÂY QUẤN ĐỐI VỚI GIÁ TRỊ ĐIỆN CẢM 15

3.1 Cách tính toán điện cảm của cuộn dây: 15

3.1.1Tính toán điện cảm của cuộn dây: 15

3.1.2Tính toán điện cảm của cuộn solenoid: 16

3.1.3Tính toán hỗ cảm giữa hai cuộn dây: 17

3.1.4Tính toán điện cảm của hai vòng dây quấn đồng tâm: 19

3.1.5Tính toán điện cảm của cuộn dây quấn quanh hình xuyến: 20

3.1.6Điện cảm của dây quấn cách điện quấn quanh cuộn Solenoid: 21

3.2 Nghiên cứu điện cảm của dây quấn trong thực tế: 22

3.2.1Khảo sát cuộn kháng có lõi từ: 22

3.2.2Khảo sát máy cuộn không lõi từ: 27

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CUỘN KHÁNG ĐIỆN DÙNG LÀM ĐỐI TƯỢNG KHẢO SÁT 29

4.1 Thông số cơ bản của động cơ điện: 29

4.2 Nguyên tắc làm việc của động cơ bơm dầu: 29

4.3 Tính toán và thiết kế cuộn kháng điện CK: 30

CHƯƠNG 5 MÔ HÌNH TOÁN ĐIỆN KHÁNG: 38

5.1 Đinh nghĩa: 38

5.2 Mô hình tính toán điện kháng tản trong dây quấn: 38

5.3 Kết luận sơ bộ: 47

5.4 Áp dụng tính toán cuộn kháng điện CK: 47

CHƯƠNG 6 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG FEMM 4.2 49

6.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng 49

6.2 Mô phỏng cuộn dây của cuộn kháng điện: 50

6.3 Mô phỏng mạch từ của cuộn kháng 50

6.4 Thực hiện mô phỏng của cuộn kháng trong chương trình FEMM 4.2 51

CHƯƠNG 7 KẾT LUẬN 56

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

LỜI CAM ĐOAN

Bài luận văn này là công trình nghiên cứu của Trương Công Thạnh Tôi cam đoan nội dụng bài luận văn không sao chép

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu Nội dụng, ý nghĩa

Hệ số công suất

Từ thông Cường đô từ cảm

Hệ số từ thẩm chân không

Hỗ cảm, động cơ Điện trở, bán kính cuộn dây Sức từ động

Thời gian Công suất biểu kiến, diện tích, Thể tích

Chiều cao cuộn dây

Bề dày cuộn dây Chiều dài cuộn dây

Bề dày khe hở không khí Trọng lượng

Hệ số Rogovskii Đường kính

Số vòng quay động cơ Contactor

Rơle nhiệt

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 4-1 Số lá thép của mỗi cấp trụ từ 32Bảng 4-2 Số lá thép của mỗi cấp gông từ 34

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 2-1 Cuộn kháng có lõi thép 14

Hình 2-2 Cuộn kháng không có lõi thép (lõi không khí) 14

Hình 3-1 Từ thông sinh ra cuộn dây 15

Hình 3-2 Cuộn dây Solenoid 16

Hình 3-3 Từ thông móc vòng cuộn dây số 1 sang cuộn số 2 17

Hình 3-4 Từ thông móc vòng cuộn dây số 2 sang cuộn số 1 18

Hình 3-5 Hai vòng dây đơn đồng tâm 19

Hình 3-6 Cuộn dây vòng xuyến có N vòng 20

Hình 3-7 Một cuộn dây quấn quanh một Solenoid 21

Hình 3-8 Cuộn kháng ba trụ, ba cuộn dây 23

Hình 3-9 Đặc tính của lá thép kỹ thuật điện 24

Hình 3-10 Các đường sức từ thông 25

Hình 3-11 Mạch từ có lõi thép 26

Hình 3-12 Mạch điện tương đương có lõi thép 27

Hình 3-13 Cấu trúc không lõi từ và cuộn dây và phân bố từ thông 28

Hình 3-14 Mạch từ không lõi thép 28

Hình 3-15 Mạch điện tương đương không lõi thép 28

Hình 4-1 Nguyên lý khởi động cơ bằng cuộn kháng CK 30

Hình 4-2 Mạch nguyên lý khởi động cơ M 31

Hình 4-3 Mặt cắt ngang tiết diện trụ 32

Hình 4-4 Tiết diện gông từ 33

Hình 4-5 Mặt cắt của bó dây quấn 34

Hình 4-6 Kích thước mạch từ 35

Hình 4-7 Bố trí dây quấn ở cửa sổ khung mạch từ 36

Hình 4-8 Bố trí dây quấn ở cửa sổ cuộn kháng 37

Hình 5-1 Cấu hình trục của cuộn dây đơn giản 39

Hình 5-2 Bố trí dây quấn với n cuộn 43

Hình 5-3 Mô hình cuộn kháng có nhiều lớp dây quấn 46

Hình 5-4 Bố trí dây quấn trong cuộn kháng điện CK 47

Hình 6-1 Giao diện nhập liệu FEMM 4.2 49

Hình 6-2 Giao diện mô phỏng FEMM 4.2 50

Hình 6-3 Kích thước cơ bản trong mô phỏng 51

Hình 6-4 Dữ liệu nhập trong FEMM 4.2 52

Hình 6-5 Đường sức từ trường chính 53

Hình 6-6 Đường sức từ trường móc vòng trong không khí 53

Hình 6-7 Năng lượng từ trường rò 54

LỜI MỞ ĐẦU

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội là trường đại học kỹ thuật đa ngành, một trong những trường đại học kỹ thuật hàng đầu Việt Nam, là trường đại học trọng điểm quốc gia tại Việt Nam Trường đã đào tạo hàng vạn kỹ sư, thạc sĩ, tiến sĩ phục

vụ cho các ngành công nghiệp và khoa học kĩ thuật tại Việt Nam Đội ngũ giảng viên là giáo sư, tiến sĩ, thạc sĩ kinh nghiệm dồi dào, đầy lòng nhiệt huyết Viện Điện một trong những đơn vị đầu tiên được thành lập của trường Đại học Bách khoa Hà Nội Viện Điện có uy tín, truyền thống trong lĩnh vực đào tạo, nghiên cứu khoa học

và chuyển giao công nghệ Qua hơn 50 năm xây dựng và trưởng thành, các thế hệ thầy và trò luôn tự hào đã góp phần không nhỏ trong công cuộc xây dựng đất nước Tôi tham gia học tập tại Viện Điện thuộc trường đại học Bách khoa Hà Nội Tôi đã được đào tạo, nâng cao trình độ, nghiên cứu chuyên sâu ngành điện, cũng như tìm

ra phương pháp, phương hướng nghiên cứu Định hướng này giúp tôi tìm hiểu, nghiên cứu lĩnh vực kỹ thuật điện, thiết bị điện và cho tôi nhiều kiến thức bổ ích

trong công việc, cũng như trong học tập Tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của dây quấn đối với điện cảm tản của cuộn kháng”

Tôi đã cố gắng học hỏi tìm hiểu, thu thập tài liệu liên quan đến đề tài để hoàn thành một cách tốt nhất Trong thời gian thực hiện đề tài với sự cố gắng của bản thân, cùng sự giúp đỡ tận tình và cụ thể của giáo viên hướng dẫn, tôi đã hoàn thành

đề tài Tiến sĩ Phùng Anh Tuấn là giáo viên hướng dẫn tôi thực hiện đề tài Dù đề tài đã hoàn thành, nhưng kiến thức còn hạn chế nên trong đề tài không tránh được những thiết sót, tôi kính mong nhận sự được góp ý, hướng dẫn của qúy thầy cô và cùng với sự giúp đỡ của các đồng nghiệp để tôi hoàn thành tốt đề tài

Trân trọng cảm ơn!

Người thực hiện Trương Công Thạnh

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI

Nền kinh tế nước ta ngày càng phát triển, bên cạnh đó khoa học kỹ thuật cũng không ngừng phát triển, hiện đại hoá từng ngày Khi đó các nguồn năng lượng cần được sử dụng một cách phù hợp, tiết kiệm, hiệu quả mang lại hiệu suất cao Trong đó, nguồn năng lượng điện là một trong những nguồn năng lượng quan trọng, trọng yếu trong thời kỳ phát triển, hiện đại hóa công nghiệp của đất nước và nguồn năng lượng này không dự trữ Để tăng tổng công suất cung cấp điện đáp ứng nhu cầu phát triển phụ tải hiện tại và trong tương lai

Ngoài ra, tăng tổng công suất điện đủ quá trình công nghiệp hoá và hiện đại hoá nền kinh tế đất nước Quá trình sử dụng thiết bị điện ngoài công suất hữu ích, còn các tổn thất không công Tổn thất này bao gồm tổn thất do cơ khí, tổn thất phát nóng, tổn quá trình truyền tải… Để nâng cao hệ số công suất sử dụng thiết bị điện là giảm tổn thất Giảm tổn thất phát nóng là một phần giảm tổn thất năng lượng tiêu thụ điện và một phần nâng cao tuổi thọ thiết bị Các thiết bị điện ngày càng sử dụng rộng rãi từ thiết bị điện công suất nhỏ đến công suất lớn trong nhiều lĩnh vực Trong

đó, cuộn kháng là một thiết bị điện quan trọng Cuộn kháng được sử dụng phổ biến trong hệ thống điện Nghiên cứu điện cảm rò trong cuộn kháng nhằm giảm điện kháng rò và tổn thất phát sinh do điện kháng rò và giảm tổn thất điện năng

Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của dây quấn đối với điện cảm tản của cuộn kháng” Ta tìm hiểu, nghiên cứu các đặc điểm, tính chất, sự ảnh hưởng, sự phân bố của cuộn kháng Điện cảm là một đặc tính quan trọng của cuộn kháng Điện cảm rò

là một thông số của cuộn kháng và nó phụ thuộc nhiều yếu tố khác nhau

Ta tìm ra mối quan hệ điện cảm rò với các kích thước hình học của cấu tạo cuộn kháng Nhằm đưa ra công thức tính toán điện cảm rò phụ thuộc hình học cuộn dây, khoảng cách không khí giữa các lớp dây quấn, kích thước trụ từ của cuộn kháng Ta tìm hiểu các đặc tính cụ thể theo từng loại cấu tạo cuộn kháng

Ngoài ra, ta áp dụng chương trình FEEM để mô phỏng sự phân bố từ trường trong không khí để từ đó tính toán điện cảm rò Các thông số nhập chương trình FEMM là kích thước cơ bản của cuộn dây, mạch từ

Trong thực tế cuộn dây được thiết kế, lắp ráp sẽ có chiều cao không đồng nhất Khi đó sẽ ảnh hưởng đến thông số điện cảm rò của cuộn kháng Ta đề xuất hệ

số hiệu chỉnh cho trường hợp này

CHƯƠNG 2 KHÁI NIỆM CHUNG CUỘN KHÁNG

2.1 Định nghĩa

Điện cảm là một phần tử có đặc tính chống lại sự biến thiên của dòng điện đi qua cuộn dây và cho dù là một đoạn thẳng của dây dẫn cũng tồn tại điện cảm Cuộn dây có đặc tính như vậy, bởi vì nó tạo ra một sức điện động điện cảm trong cuộn dây, đây là hệ quả của chống lại từ trường biến thiên trong cuộn dây Khi sức điện động cảm ứng xuất hiện trong cùng mạch từ, khi có dòng điện biến thiên sinh ra trong cuộn dậy một điện cảm L nhưng thường được gọi là sức điện động cảm ứng chống lại và có cực tính ngược chiều với chiều điện áp trong cuộn dây Khi sức điện động cảm ứng này cảm ứng các thành phần kế cận nằm trong cùng một từ trường, sức điện động cảm ứng này là cảm ứng hỗ cảm M Hiện tượng tự cảm là trường hợp đặc biệt của điện cảm hỗ cảm

Cuộn kháng điện là một cuộn dây điện cảm có điện cảm không đổi Cuộn kháng điện dùng để hạn chế dòng ngắn mạch đồng thời duy trì một trị số điện áp ở mức nhất định khi có sự cố ngắn mạch xảy ra Ngoài ra, cuộn kháng điện ứng dụng trong mạch khởi động động cơ có công suất lớn, nhằm hạn chế dòng điện khởi động khi bắt đầu khởi động

2.2 Cấu tạo cuộn kháng:

Cuộn kháng có lõi thép: là cuộn kháng có cuộn dây quấn quanh mạch từ lõi thép Mạch từ lõi thép ghép từ các lá thép kỹ thụât điện như hình 2-1

Cuộn kháng có lõi thép: là cuộn kháng có cuộn dây nhưng không có lõi thép (hay lõi thép là không khí) như hình 2-2

Hình 2-1 Cuộn kháng có lõi thép

Hình 2-2 Cuộn kháng không có lõi thép (lõi không khí)

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA DÂY QUẤN ĐỐI VỚI

GIÁ TRỊ ĐIỆN CẢM

Dây quấn được chế tạo từ kim loại đồng hoặc nhôm Trong đó, dây quấn đồng tâm có tiết diện cắt ngang là những đường tròn đồng tâm và dây quấn xen kẽ Trong hệ thống điện sử dụng phỗ biến là dây quấn đồng tâm Do vậy, ta chỉ khảo

sát điện cảm tả của dây quấn đồng tâm

3.1 Cách tính toán điện cảm của cuộn dây:

3.1.1 Tính toán điện cảm của cuộn dây:

Xét một cuộn dây có N vòng dây và dòng điện I có hướng ngược chiều kim đồng hồ, mô tả hình 3-1 Nếu dòng điện I là không thay đổi, khi đó từ thông sinh ra cuộn dây sẽ là ổn định Tuy nhiên, khi dòng điện I biến thiên theo thời gian, trong cuộn dây sinh ra sức điện động cảm ứng sẽ tạo ra để chống lại sự biến thiên của từ thông, áp dụng định luật Faraday Dòng điện cảm ứng tạo ra sẽ chạy theo chiều kim đồng hồ nếu giá trị dI/dt > 0, ngược chiều kim đồng hồ nếu giá trị dI/dt < 0 Đặc tính từ trường biến thiên theo chu kỳ, chống lại sự biến thiên của dòng điện được gọi là "điện cảm" Sức điện động sinh ra trong cuộn dây được gọi là sức điện động

tự cảm hoặc sức điện động phản điện động, ký hiệu εL Tất cả các dòng điện chạy trong vòng dây có cùng đặc tính

Hình 3-1 Từ thông sinh ra cuộn dây Công thức xác định sức điện động tự cảm là:

B L

Khi xét ảnh hưởng điện cảm L

L

dI L dt

Từ công thức (3-1) và (3-2) ta có kết quả điện cảm L

B N

3.1.2 Tính toán điện cảm của cuộn solenoid:

Tính toán điện cảm của một cuộn solenoid có N vòng dây, chiều dài l, bán kính R cho dòng điện I chạy qua cuộn solenoid, như hình 3-2

Hình 3-2 Cuộn dây Solenoid

Ta bỏ qua tất cả các hiệu ứng bề mặt ngoài và áp dụng định luật Ampe thì có

từ trường bên trong cuộn solenoid là

2 . 20

3.1.3 Tính toán hỗ cảm giữa hai cuộn dây:

Xét hai cuộn dây 1, 2 được đặt gần nhau, như trình bày hình vẽ 3-3

Hình 3-3 Từ thông móc vòng cuộn dây số 1 sang cuộn số 2

Cuộn dây thứ nhất có N1 vòng dây và có dòng điện I1, chúng sinh ra một từ trường Br1 Khi hai cuộn dây này đặt gần nhau, một phần đường sức từ trường trong cuộn dây 1 sẽ móc vòng sang cuộn dây 2 Đặt Φ21 là từ thông sinh ra trong cuộn dây

2 do dòng điện I1 sinh ra Đặt cuộn dây 1 một dòng điện I1 biến thiên theo thời gian,

sẽ tạo ra sức điện động cảm ứng cuộn dây 1 và cùng với từ trường biến thiên trong cuộn dây 2:

Tỷ lệ từ thông Φ21 biến thiên theo thời giantrong cuộn dây 2 là tỉ lệ thuận với

tỷ lệ thời gian biến thiên của dòng điện trong cuộn dây 1:

2 21 21

1

N M

Hình 3-4 Từ thông móc vòng cuộn dây số 2 sang cuộn số 1

Từ trường cuộn dây 2 sinh ra

2

N M

I





(3-12) Tuy nhiên, theo định lý thuận nghịch, định luật Ampe và định luật Biot-Savart, người ta có thể chứng minh rằng điện cảm hỗ cảm là hằng số như nhau:

3.1.4 Tính toán điện cảm của hai vòng dây quấn đồng tâm:

Khảo sát hai vòng dây đơn đồng tâm trong cùng mặt phẳng, hai vòng dây đồng tâm có bán kính lần lượt R1 và R2 (R1 >> R2) như thể hiện trong hình 3-5 Điện cảm hỗ cảm giữa hai vòng sinh ra được khảo sát như sau:

Hình 3-5 Hai vòng dây đơn đồng tâm

Ta thấy rằng từ trường tại tâm của vòng dây do I1 trong cuộn dây bên ngoài như sau:

0 1 1

1

2

I B

R





(3-14) Xét R1 >> R2, ta xem như từ trường đi qua toàn bộ vòng dây bên trong là B1

Do đó, từ thông đi qua cuộn dây bên trong là:

2 2

2

0 2 21

1 2 1

R M

3.1.5 Tính toán điện cảm của cuộn dây quấn quanh hình xuyến:

Xác định điện cảm của cuộn dây có N vòng dây quấn quanh vòng xuyến và

có mặt cắt ngang của nó là hình chữ nhật, với bán kính bên trong là a, bán kính bên ngoài là b và chiều cao h, như hình 3-6

Áp dụng định luật Ampe, từ trường được định theo biểu thức sau :

Hình 3-6 Cuộn dây vòng xuyến có N vòng

Từ thông đi qua vòng hình xuyến có thể tính được bằng cách tích hợp trên mặt cắt ngang hình chữ nhật, với dA=hdr như các thành phần riêng biệt trong khu vực Như hình 3-6

b B

Một lần nữa, điện cảm L chỉ phụ thuộc vào các yếu tố hình học Xét trường hợp mà a >> b-a Trong giới hạn này, giá trị logarit trong phương trình trên có thể được mở rộng như là

3.1.6 Điện cảm của dây quấn cách điện quấn quanh cuộn Solenoid:

Cuộn dây solenoid có chiều dài l, mặt cắt ngang A gồm N1 vòng Một cuộn dây bọc cách điện gồm có N2 được quấn xung quanh cuộn solenoid, như hình 3-7

- Xác định M hỗ cảm, giả thiết tất cả các đường từ thông của solenoid đi qua các cuộn dây bên ngoài

- Quan hệ M hỗ cảm của cuộn dây L1và L2 của cuộn solenoid và cuộn dây có cực tính dương

Hình 3-7 Một cuộn dây quấn quanh một Solenoid

Từ thông đi qua mỗi vòng của cuộn dây bên ngoài từ cuộn dây solenoid là

0 1 1 21

0 1 2

2 21 1

N N A N

1

N A N

3.2.1 Khảo sát cuộn kháng có lõi từ:

Ta phân tích cầu trúc của cuộn kháng thành mạch từ, mạch điện tương đương nhưng chúng có liên quan với nhau Sau đó ta thực hiện phân tích và tính toán theo từng bước Xét cuộn kháng có cấu tạo 3 pha, 3 trụ Lõi từ được ghép từ các lá thép

kỹ thuật điện, như hình vẽ 3-8 [2]

Hình 3-8 Cuộn kháng ba trụ, ba cuộn dây

Cuộn dây được lắp đặt theo thứ tự từ trong ra ngoài Quá trình tính toán mạch tương đương của cuộn kháng được thực hiện theo kiểu từng bước và thực hiện như đối với máy biến áp Trước tiên, ta phân tích cấu trúc từ tính của chúng

Phân tích cấu trúc từ tính của mạch từ coi là một phương pháp chính xác nhất Ta cần tính toán được các đường sức từ và được đại điện cho chúng là các từ trở Các đường sức từ chạy trong lõi từ có thể xác định dễ dàng, khi từ thông tập trung tại mạch từ có độ từ thẩm cao Từ trường không chạy hoàn toàn trong mạch từ

và chúng rò giữa khoảng trống giữa các cuộn dây Cấu trúc cuộn dây khác nhau có kết quả mạch từ cũng khác nhau

Các đường từ thông được chia thành ba loại chính sau:

- Từ thông chính: là tập hợp các đường sức từ chạy trong lõi từ Từ thông giữa các pha khác nhau là từ thông móc vòng qua lõi từ Đặc tính của lá thép kỹ thuật điện có đường đặc tính từ tính là phi tuyến, trong điều kiện bình thường thì nó có độ

từ thẩm lớn Đường đặc tính như hình vẽ 3-9

Độ từ thẩm được xác định như sau

B H

Khi mạch từ trạng thái bảo hòa thì ΔB thay đổi rất nhỏ, độ từ thẩm giảm và có giá trị ≈ 0

Hình 3-9 Đặc tính của lá thép kỹ thuật điện

- Từ thông rò: là từ thông trong không khí bao gồm khoảng trống giữa cuộn dây, giữa cuộn dây trong cùng và trụ từ Tập trung chủ yếu ở khoảng trống giữa hai cuộn dây vì tại đây tập trung năng lượng từ thông lớn Những đường sức từ có đặc tính là tuyến tính và có độ từ thấm là μ0 Ngoài ra, đường sức từ này còn chạy giữa cuộn dây trong cùng và trụ từ của cuộn dây đó Đường sức từ này có đặc tính rất quan trọng đến điều kiện bão hòa của cuộn dây trong cùng với lõi từ Từ thông rò móc vòng giữa các pha khác nhau là không đáng kể

- Từ thông thứ tự không: là những đường từ thông chạy theo khoảng trống giữa thành thùng cuộn kháng và dầu làm mát Chúng được mô tả các trạng thái thứ

tự không của cuộn kháng Khoảng trống chứa dầu làm mát là tương đối lớn giữa mạch từ và thùng dầu, đặc tính của nó xem như là tuyến tính và có độ từ thấm μ0

Mạch từ tương đương là tập hợp các đường từ thông khép kín như hình 3-10 Trong mô hình mạch từ trên gồm có thành phần ngang trục là giá trị từ thông tổn thất và thành phần dọc trục là giá trị từ thông đi qua Mỗi đường là một nhánh mạch

từ và được đặc trưng là điện kháng có đặc tính là tuyến tính hoặc phi tuyến Ngoài

ra, mô hình của các cuộn dây như là các nguồn sức từ động (mmf) Các cuộn dây chuyển thành nguồn sức từ động nối tiếp với nhau trong trụ từ

Hình 3-10 Các đường sức từ thông Cuộn dây bên ngoài cùng là bao quanh tất cả các đường từ thông rò, còn cuộn dây bên trong cùng là bao quanh duy nhất một con đường từ thông rò Khảo sát từ cuộn dây ngoài cùng đến cuộn dây trong cùng, với nguồn sức từ động tương ứng của cuộn dây ngoài cùng (F3) được kết nối với nút dưới cùng, tất cả các đường

từ thông rò kết nối phía trên F3 Nguồn sức từ động của cuộn dây bên trong kế tiếp (F2) kết nối ở trên của F3 Cuộn dây 2 không khép kín từ thông rò khoảng trống giữa cuộn dây 2 và 3, do vậy chúng được kết nối với nút giữa F2 và F3 Từ thông giữa cuộn dây 2 và 3 có sự khác nhau là điện trợ R23 Theo cách tương tự, R12 kết nối giữa F2 và F3 Các từ thông được tạo ra bởi các cuộn dây đặt trong cùng F1 chỉ đi qua trụ từ (RLeg) và điện trở giữa khoảng trống trụ và cuộn dây 1 (RC1) Điểm thứ hai của điện cảm tản được kết nối với một nút trên cùng Hướng của nguồn sức từ động là tùy chọn Kết quả được hiển thị trong hình 3-11 [2]

Các quy tắc cho việc chuyển đổi mạch từ và mạch điện tương đương được áp dụng cho mạch từ phức tạp của hình 3-11 Sau khi thay thế các nguồn dòng với máy biến áp và điện cảm cuộn dây là các đầu vào của máy biến áp, mạch điện thay thế tương đương như hình 3-12

Hình 3-11 Mạch từ có lõi thép Các máy biến áp lý tưởng lấy theo tỷ lệ số vòng dây của cuộn dây và được kết nối các bộ phận thay thế khác Sự kết nối của cuộn dây và chuyển pha với nhau qua các đầu vào của máy biến áp lý tưởng r - r’, s – s’, t – t’ Các đầu vào r, s, t là đầu phía trên cuộn dây, còn r’, s’, t’ là đầu phía dưới cuộn dây [2]

Các thành phần chính của cuộn kháng tương đương có thể được mô tả trong hình 3-12 như sau:

- Điện cảm mạch từ tương đương: Nó bao gồm điện cảm trụ từ (LLeg) và gông

từ (LYoke) tương ứng ở phía bên trái và bên phải của mạch tương đương Điện cảm lõi từ có đặc tính phi tuyến

- Điện cảm rò cuộn dây tương đương: Điện cảm rò là độc lập giữa ba pha, điện cảm rò thay thế giữa các pha là LC1, L12 và L23 và có đặc tính tuyến tính

- Điện cảm thứ tự không: là điện cảm L0 và có đặc tính tuyến tính

- Điện trở cuộn dây: mô tả R phía đầu vào cuộn dây máy biến áp lý tưởng

- Tỷ số điện áp: tỷ số của máy biến áp lý tưởng

Hình 3-12 Mạch điện tương đương có lõi thép

3.2.2 Khảo sát máy cuộn không lõi từ:

Từ thông rò của loại này trong mô hình topo phụ thuộc vào cấu hình cuộn dây Trong hệ thống điện sử dụng chủ yếu là dây quấn kiểu đồng tâm Cấu trúc lõi, dây quấn và phân bố từ thông như hình 3-13 [2]

Thiết lập mạch từ và mạch điện tương đương của cuộn dây đồng tâm tương

tự trình tự thiết lập cuộn kháng lõi thép, trình bày hình 3-14 và 3-15 Điện cảm rò

LC1 như là một điện cảm ngắn mạch giữa cuộn dây trong cùng với một cuộn dây ảo

vô cùng bé quấn quanh bề mặt lõi từ Điện cảm rò giữa lõi từ và cuộn dây bên trong

mà khoảng trống này cùng chứa dầu làm mát và có độ từ thấm μ0

Hình 3-13 Cấu trúc không lõi từ và cuộn dây và phân bố từ thông

Hình 3-14 Mạch từ không lõi thép

Hình 3-15 Mạch điện tương đương không lõi thép

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CUỘN KHÁNG ĐIỆN DÙNG

LÀM ĐỐI TƯỢNG KHẢO SÁT

4.1 Thông số cơ bản của động cơ điện:

Pđm= 200kW, Uđm= 380V, Iđm= 353A, Cosφ = 0,85, n = 2980RPM

Động cơ điện là động cơ sơ cấp của bơm dầu thô tại giàn khoan khai thác dầu khí Đây là một trong những thiết bị chính và quan trọng của hệ thống công nghệ khai thác dầu Hệ thống điện trên giàn khoan (3 pha, 3 dây, 380V, 50Hz) là hệ thống điện trung tính cách ly và hệ thống điện có công suất bé Hệ thống điện này luôn luôn phải đảm bảo chất lượng điện năng, có với độ tin cậy rất cao, không xảy

ra dao động lớn khi các phụ tải lớn đưa vào làm việc và khi khởi động các động cơ

có công suất lớn bắt đầu khởi động Các phương pháp để đảm bảo chất lượng điện năng của hệ thống điện này có nhiều phương pháp khác nhau

Trong đó có các phương pháp chọn phương án khởi động các động cơ điện

mà có công suất lớn như bơm dầu, động cơ cẩu, máy nén khí, động cơ bơm trám, động cơ bơm cứu hỏa Do vậy, ta đã chọn phương pháp khởi động cơ trên bằng cuộn kháng điện CK Nguyên lý khởi động cơ M bằng cuộn kháng điện trình bày hình vẽ 4-1

4.2 Nguyên tắc làm việc của động cơ bơm dầu:

Khi nhấn nút "Start" bắt đầu quá trình khởi động của động cơ M thì trạng thái contactor K1 đóng và K2 mở Động cơ M bắt đầu quá trình khởi động bằng cuộn kháng điện CK thì điện áp đầu cực động cơ U’M = k*UL và dòng điện I’kđ = k*Ikđ lấy từ hệ thống điện (k < 1) Sau thời gian cài đặt t=5÷10s (thời gian rơle thời gian) contactor K2 đóng thì cuộn kháng điện CK bị ngắn mạch và K1 vẫn trạng thái đóng Kết thúc quá trình khởi động cơ M làm việc lưới và động cơ làm việc bình thường Qúa trình khởi động động cơ M bằng cuộn kháng điện CK có dòng điện khởi động động cơ giảm k lần