Nghiên cứu sai số của biến dòng lõi từ trong điều kiện dòng điện không sin

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGÔ ĐỨC KIÊN NGHIÊN CỨU SAI SỐ CỦA BIẾN DÒNG LÕI TỪ TRONG ĐIỀU KIỆN DÒNG ĐIỆN KHÔNG SIN Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN HƯỚNG THIẾT BỊ ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS PHÙNG ANH TUẤN Hà Nội – Năm 2011 LỜI CAM ĐOAN Tôi Ngô Đức Kiên, học viên lớp Cao học kỹ thuật điện hướng thiết bị điện 2009 Trong thời gian học tập nghiên cứu Viện đào tạo sau đại học – Đại học Bách khoa Hà Nội, lựa chọn thực đề tài “Nghiên cứu sai số biến dòng lõi từ điều kiện dòng điện không sin” Tôi xin cam đoan luận văn thực thân hướng dẫn TS Phùng Anh Tuấn với tài liệu trích dẫn phần tài liệu tham khảo phần cuối luận văn Hà Nội, ngày tháng năm 2011 Học viên Ngô Đức Kiên MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ LỜI MỞ ĐẦU 10 CHƯƠNG – TÌM HIỂU VỀ MÁY BIẾN DÒNG ĐIỆN 11 1.1 Khái niệm máy biến dòng: 11 1.2 Phân loại máy biến dòng: 12 1.2.1 Theo tác dụng máy biến dòng 12 1.2.2 Theo nơi đặt máy biến dòng 12 1.2.3 Theo vật liệu cách điện cuộn dây máy biến dòng: 12 1.2.4 Theo kết cấu máy biến dòng: 12 1.2.5 Theo tần số công tác máy biến dòng: 13 1.2.6 Theo số vòng dây cuộn dây sơ cấp máy biến dòng: 13 1.3 Lõi thép vật liệu từ chế tạo lõi thép máy biến dòng 14 1.3.1 Mạch từ (lõi thép): 14 1.3.2 Vật liệu từ chế tạo lõi thép: 14 1.4 Kết cấu số loại máy biến dòng: 18 1.4.1 Máy biến dòng vòng dây sơ cấp: 18 1.4.2 Máy biến dòng điện ngâm dầu T Φ H-35 với điện áp 35kV: 19 1.4.3 Máy biến dòng điện ngâm dầu 400kV: 20 1.4.4 Máy biến dòng kiểu mới: 20 1.5 Kiểm tra, lựa chọn biến dòng: 23 1.6 Các bước thực thiết kế máy biến dòng 24 1.6.1 Xác định kích thước lõi thép 24 1.6.2 Xác định dây quấn: 25 1.6.3 Xác định điện kháng máy biến dòng 26 CHƯƠNG – SÓNG HÀI VÀ DÒNG ĐIỆN KHÔNG SIN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 29 2.1 Nguồn gốc dòng điện không sin: 29 2.2 Một số số đánh giá sóng hài: 30 2.2.1 Tổng độ biến dạng hài (hệ số méo): 30 2.2.2 Tổng méo nhu cầu: 30 2.2.3 Hệ số ảnh hưởng viễn thông 31 2.2.4 Chỉ số V ⋅ T I ⋅ T 31 2.3 Một số dạng sóng hài dòng điện: 31 2.3.1 Trong máy biến áp 31 2.3.2 Trong mạch điện tử công suất 33 2.3.3 Trong thiết bị hồ quang 34 2.4 Một số ảnh hưởng sóng hài lên thiết bị điện 35 2.4.1 Đối với máy biến áp 35 2.4.2 Đối với máy điện quay 35 2.4.3 Đối với thiết bị đóng ngắt 36 2.4.4 Đối với tụ điện 36 2.4.5 Đối với cầu chì 37 2.4.6 Đối với rơle bảo vệ 37 2.4.7 Đối với dụng cụ đo 37 2.4.8 Đối với thiết bị điện tử công suất 38 2.4.9 Đối với thiết bị khác 38 CHƯƠNG – ĐỊNH LƯỢNG SAI SỐ CỦA BIẾN DÒNG KHI DÒNG ĐIỆN KHÔNG SIN 39 3.1 Thực nghiệm đo đạc máy biến dòng thực tế 39 3.1.1 Thực nghiệm với mạch điện thường 39 3.1.2 Thực nghiệm với mạch chỉnh lưu cầu pha 40 3.1.3 Thực nghiệm với mạch chỉnh lưu cầu ba pha 41 3.2 Phân tích lượng sóng hài dòng điện số mạch điện 42 3.2.1 Mô hình chỉnh lưu pha sử dụng Diode: 43 3.2.2 Mô hình chỉnh lưu pha sử dụng Thyristor: 45 3.3 Mô hình hóa 51 3.3.1 Mô với nguồn dòng hình sin có giá trị định mức I = 50A 52 3.3.2 Mô với nguồn dòng không sin thu từ mô hình chỉnh lưu pha dùng Thyristor 53 3.3.3 Mô với nguồn dòng không sin với thành phần hài bậc 56 3.3.4 Mô với nguồn dòng không sin với thành phần hài bậc 59 3.3.5 Mô với nguồn dòng không sin với thành phần hài bậc 62 3.4 Tổng hợp kết kết luận 65 KẾT LUẬN 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT KCĐ Khí cụ điện THD Tổng độ biến dạng sóng hài (hệ số méo) TDD Tổng méo nhu cầu TIF Hệ số ảnh hưởng viễn thông FFT Biến đổi Fourier DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 – Thông số số loại tôn dùng chế tạo lõi thép máy biến dòng Bảng 1.2 – Mật độ dòng điện dây quấn máy biến dòng dầu Bảng 1.3 – Mật độ dòng điện dây quấn máy biến dòng khô Bảng 1.4 – Bảng trị số Golstay Bảng 1.5 – Quan hệ H đường kính lõi hình xuyến d .1 Bảng 3.1 – Kết đo với nguồn thông thường Bảng 3.2 – Kết đo với mạch điện chỉnh lưu cầu pha Bảng 3.4 – Kết đo với nguồn chỉnh lưu cầu pha Bảng 3.5 – Kết đo mô với chỉnh lưu pha .1 Bảng 3.6 – Kết đo mô với thành phần hài bậc .1 Bảng 3.7 – Kết đo mô với thành phần hài bậc .1 Bảng 3.8 – Kết đo mô với thành phần hài bậc .1 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 – Sơ đồ đấu dây máy biến dòng điện Hình 1.2 – Một số loại máy biến dòng phổ biến Hình 1.3 – Lõi thép máy biến dòng Hình 1.4 – Máy biến dòng vòng dây sơ cấp Hình 1.5 – Máy biến dòng khô nhiều vòng dây sơ cấp Hình 1.7 – Máy biến dòng điện 400kV, tầng Hình 1.6 – Máy biến dòng điện T Φ H-35 Hình 1.8 – Nguyên lý chuyển đổi điện - quang Hình 1.9 – Nguyên lý chuyển đổi từ - quang Faraday Hình 2.1 – Dòng điện máy biến áp pha không kể tổn hao lõi thép .1 Hình 2.2 – Dòng điện máy biến áp pha kể đến tổn hao lõi thép Hình 2.3 – Chỉnh lưu cầu pha tải R-L .1 Hình 2.4 – Dạng sóng điện áp dòng điện đầu vào: Hình 2.5 – Chỉnh lưu cầu pha tải R-L .1 Hình 2.6 – Dạng sóng điện áp dòng điện đầu vào Hình 2.7 – Dạng sóng điện áp dòng điện hồ quang .1 Hình 3.1 – Đo dòng điện với nguồn xoay chiều thông thường Hình 3.2 – Đo dòng điện với mạch điện chỉnh lưu cầu pha Hình 3.3 – Đo dòng điện với mạch điện chỉnh lưu cầu pha Hình 3.4 – Mô hình chỉnh lưu cầu pha dùng Diode Hình 3.5 – Dòng áp thu qua mô hình chỉnh lưu pha Diode .1 Hình 3.6 – Phân tích sóng dòng điện chỉnh lưu pha dùng Diode Hình 3.7 – Mô hình chỉnh lưu pha dùng Thyristor Hình 3.8 – Giá trị điện áp dòng điện với góc điều khiển α = 00 Hình 3.9 – Phân tích phổ dòng điện đầu vào iA với α = 00 Hình 3.10 – Phân tích phổ dòng điện đầu vào iA với α = 300 .1 Hình 3.11 – Phân tích phổ dòng điện đầu vào iA với α = 600 .1 Hình 3.12 – Phân tích phổ dòng điện đầu vào iA với α = 900 .1 Hình 3.13 – Mô hình mô máy biến dòng lõi từ 50/5A Hình 3.14 – Kết mô với dòng điện sin định mức I = 50A Hình 3.15 – Phân bố từ cảm B lõi thép máy biến dòng Hình 3.16 – Kết mô với α = 00 , THD = 22,75% .1 Hình 3.17 – Kết mô với α = 300 , THD = 27,10% .1 Hình 3.18 – Kết mô với α = 600 , THD = 28,70% .1 Hình 3.19 – Kết mô với α = 900 , THD = 29,22% .1 Hình 3.20 – Kết mô với dòng không sin có I1 = 50A, I3 = 5A Hình 3.21 – Kết mô với dòng không sin có I1 = 50A, I3 = 10A Hình 3.22 – Kết mô với dòng không sin có I1 = 50A, I3 = 15A Hình 3.23 – Kết mô với dòng không sin có I1 = 50A, I3 = 20A Hình 3.24 – Kết mô với dòng không sin có I1 = 50A, I5 = 5A Hình 3.25 – Kết mô với dòng không sin có I1 = 50A, I5 = 10A Hình 3.25 – Kết mô với dòng không sin có I1 = 50A, I5 = 15A Hình 3.26 – Kết mô với dòng không sin có I1 = 50A, I5 = 20A Hình 3.27 – Kết mô với dòng không sin có I1 = 50A, I7 = 5A Hình 3.28 – Kết mô với dòng không sin có I1 = 50A, I7 = 10A Hình 3.29 – Kết mô với dòng không sin có I1 = 50A, I7 = 15A Hình 3.30 – Kết mô với dòng không sin có I1 = 50A, I7 = 20A Hình 3.31 – Sai số dòng điện theo số méo THD Nhận thấy từ cảm B lõi từ không phân bố mà tập trung số vị trí định với giá trị Bmax = 2,13T Bmin = 5, 24.10−3 T , lõi từ máy biến dòng có tượng bão hòa cục bộ, từ trường tập trung số vị trí định 3.3.2 Mô với nguồn dòng không sin thu từ mô hình chỉnh lưu pha dùng Thyristor Mô hình chỉnh lưu pha dùng Thyristor mục 3.2.2 ta có kết lượng sóng hài thông qua số méo THD tương ứng với góc điều khiển α = 00 ;300 ;600 ;900 Từ kết ta tiến hành mô máy biến dòng sử dụng với dạng sóng dòng điện không sin tổng hợp sóng f1 = 50Hz, I1 = 50A (I1max = 70,71A) điều hòa bậc cao có độ lớn đáng kể 5, 7, 11, 13, bỏ qua điều hòa bậc 3, có độ lớn nhỏ so với độ lớn thành phần tương ứng với kết phân tích độ méo THD từ mô hình chỉnh lưu pha dùng Thyristor Các kết mô trình bày sau a, Với α = 00 , THD = 22,75% Kết mô lượng sai số ∆I % = 2,319 Hình 3.16 – Kết mô với α = 00 , THD = 22,75% 53 b, Với α = 300 , THD = 27,10% Kết mô lượng sai số ∆I % = 2,515 Hình 3.17 – Kết mô với α = 300 , THD = 27,10% c, Với α = 600 , THD = 28,70% Kết mô lượng sai số ∆I % = 2, 662 Hình 3.18 – Kết mô với α = 600 , THD = 28,70% 54 d, Với α = 900 , THD = 29,22% Kết mô lượng sai số ∆I % = 3,127 Hình 3.19 – Kết mô với α = 900 , THD = 29,22% Tổng hợp kết mô phỏng: Góc điều khiển α = 00 α = 300 α = 600 α = 900 THD (%) 22,75 27,10 28,70 29,22 ∆I (%) 2,319 2,515 2,662 3,127 Bảng 3.5 – Kết đo mô với chỉnh lưu pha Có thể nhận thấy với dòng điện không sin từ chỉnh lưu pha Thyristor THD tăng, lúc độ lớn thành phần cố định sai số dòng điện máy biến dòng có xu hướng tăng lên 55 3.3.3 Mô với nguồn dòng không sin với thành phần hài bậc Trong số mạch điện, thành phần bậc chiếm tỷ lệ đáng kể định, mục đánh giá ảnh hưởng thành phần dòng điện hài bậc đến sai số máy biến dùng sử dụng Mô hình dùng nguồn dòng không sin với tần số f1 = 50Hz, giá trị I1 = 50A, với họa tần bậc (f3 = 150Hz) có giá trị I3 thay đổi a, Thành phần bậc có I3 = 5A: Với thành phần hài bậc có độ lớn I3 = 5A, số méo: THD = I 32 52 = = 10% I12 502 Kết mô lượng sai số ∆I % = −1,155 Hình 3.20 – Kết mô với dòng không sin có I1 = 50A, I3 = 5A b, Thành phần bậc có I3 = 10A: Với thành phần hài bậc có lượng I3 = 10A, số méo: THD = I 32 102 = = 20% I12 502 Kết mô lượng sai số ∆I % = −0,507 56 Hình 3.21 – Kết mô với dòng không sin có I1 = 50A, I3 = 10A c, Thành phần bậc có I3 = 15A: Với thành phần hài bậc có lượng I3 = 15A, số méo: THD = I 32 152 = = 30% I12 502 Kết mô lượng sai số ∆I % = 0,979 Hình 3.22 – Kết mô với dòng không sin có I1 = 50A, I3 = 15A 57 d, Thành phần bậc có I3 = 20A: Với thành phần hài bậc có lượng I3 = 20A, số méo: THD = I 32 202 = = 40% I12 502 Kết mô lượng sai số ∆I % = 3, 003 Hình 3.23 – Kết mô với dòng không sin có I1 = 50A, I3 = 20A Tổng hợp kết mô phỏng: I3 (A) 10 15 20 THD (%) 10 20 30 40 -0,202 -1,155 -0,507 0,979 3,003 ∆I (%) Bảng 3.6 – Kết đo mô với thành phần hài bậc Nhận thấy với thành phần hài bậc THD tăng, lúc độ lớn thành phần cố định sai số dòng điện máy biến dòng có xu hướng tăng lên 58 3.3.4 Mô với nguồn dòng không sin với thành phần hài bậc Trong số mạch điện, để giảm thành phần điều hỏa bậc người ta sử dụng cách đấu dây Y / ∆ thành phần bậc giảm cách đáng kể, lại thành phần bậc 5, 7… Mục đánh giá ảnh hưởng thành phần dòng điện hài bậc đến sai số máy biến dùng sử dụng Mô hình dùng nguồn dòng không sin với tần số f1 = 50Hz, giá trị I1 = 50A, với thành phần bậc (f5 = 250Hz) có giá trị I5 thay đổi a, Thành phần bậc có I5 = 5A: Với thành phần hài bậc có độ lớn I5 = 5A, số méo: THD = I52 52 = = 10% I12 502 Kết mô lượng sai số ∆I % = −0, 068 Hình 3.24 – Kết mô với dòng không sin có I1 = 50A, I5 = 5A b, Thành phần bậc có I5 = 10A: Với thành phần hài bậc có độ lớn I5 = 5A, số méo: THD = 59 I52 102 = = 20% I12 502 Kết mô lượng sai số ∆I % = 2, 015 Hình 3.25 – Kết mô với dòng không sin có I1 = 50A, I5 = 10A c, Thành phần bậc có I5 = 15A: Với thành phần hài bậc có độ lớn I5 = 5A, số méo: THD = I52 152 = = 30% I12 502 Kết mô lượng sai số ∆I % = 4,194 Hình 3.25 – Kết mô với dòng không sin có I1 = 50A, I5 = 15A 60 d, Thành phần bậc có I5 = 20A: Với thành phần hài bậc có độ lớn I5 = 5A, số méo: THD = I52 202 = = 40% I12 502 Kết mô lượng sai số ∆I % = 2, 015 Hình 3.26 – Kết mô với dòng không sin có I1 = 50A, I5 = 20A Tổng hợp kết mô phỏng: I5 (A) 10 15 20 THD (%) 10 20 30 40 -0,202 -0,068 2,015 4,194 6,870 ∆I (%) Bảng 3.7 – Kết đo mô với thành phần hài bậc Nhận thấy với thành phần hài bậc THD tăng, lúc độ lớn thành phần cố định sai số dòng điện máy biến dòng có xu hướng tăng lên tăng nhanh so với tăng thành phần hài bậc 61 3.3.5 Mô với nguồn dòng không sin với thành phần hài bậc Mục đánh giá ảnh hưởng thành phần dòng điện hài bậc đến sai số máy biến dùng sử dụng Mô hình dùng nguồn dòng không sin với tần số f1 = 50Hz, giá trị I1 = 50A, với thành phần bậc (f7 = 350Hz) có giá trị I7 thay đổi a, Thành phần bậc có I7 = 5A: Với thành phần hài bậc có độ lớn I7 = 5A, số méo: THD = I72 52 = = 10% I12 502 Kết mô lượng sai số ∆I % = −0, 203 Hình 3.27 – Kết mô với dòng không sin có I1 = 50A, I7 = 5A b, Thành phần bậc có I7 = 10A: Với thành phần hài bậc có độ lớn I7 = 10A, số méo: THD = I72 102 = = 20% I12 502 Kết mô lượng sai số ∆I % = 1, 077 62 Hình 3.28 – Kết mô với dòng không sin có I1 = 50A, I7 = 10A c, Thành phần bậc có I7 = 15A: Với thành phần hài bậc có độ lớn I7 = 15A, số méo: THD = I72 152 = = 30% I12 502 Kết mô lượng sai số ∆I % = 2,929 Hình 3.29 – Kết mô với dòng không sin có I1 = 50A, I7 = 15A 63 d, Thành phần bậc có I7 = 20A: Với thành phần hài bậc có độ lớn I7 = 20A, số méo: THD = I72 202 = = 40% I12 502 Kết mô lượng sai số ∆I % = 4, 654 Hình 3.30 – Kết mô với dòng không sin có I1 = 50A, I7 = 20A Tổng hợp kết mô phỏng: I7 (A) 10 15 20 THD (%) 10 20 30 40 -0,202 -0,203 1,077 2,929 4,654 ∆I (%) Bảng 3.8 – Kết đo mô với thành phần hài bậc Nhận thấy với thành phần hài bậc THD tăng, lúc độ lớn thành phần cố định sai số dòng điện máy biến dòng có xu hướng tăng lên tăng nhanh so với tăng thành phần hài bậc 64 3.4 Tổng hợp kết kết luận Qua kết mô hình hóa dựa máy biến dòng thực tế với kết đo đạc phòng thí nghiệm, đưa tổng kết định lượng quan hệ sai số dòng điện với lượng sóng hài – số méo THD chạy qua sơ cấp máy biến dòng sau: Hình 3.31 – Sai số dòng điện theo số méo THD Như nhận thấy sai số dòng điện máy biến dòng có phụ thuộc lớn vào dạng sóng dòng điện sơ cấp, dòng điện có dạng sóng không sin biểu hàm lượng sóng điều hòa bậc cao hay hệ số méo THD: - Sai số dòng ∆I % tăng THD tăng; - Đối với máy biến dòng sử dụng thành phần điều hòa bậc có tác động đến sai số dòng ∆I % lớn 65 KẾT LUẬN Việc nghiên cứu máy biến dòng điện dòng điện không sin với mô hình thí nghiệm thực tế mô hình mô đưa kết luận với điều kiện dòng điện không sin chất lượng máy biến dòng bị ảnh hưởng lớn, đánh giá sai số dòng điện máy biến dòng phụ thuộc vào hệ số méo THD Nguyên nhân ảnh hưởng: - Tổn hao đập mạch tăng dẫn dòng điện có dạng không sin; - Quấn rải dây quấn thứ cấp quanh lõi thép làm từ trường tập trung, lõi thép xuất số điểm bão hòa cục bộ; - Sai số máy biến dòng có xu hướng tăng hàm lượng sóng điều hòa bậc cao dòng điện tăng; - Mức độ ảnh hưởng sóng điều hòa bậc cao đến sai số máy biến dòng khác Đề tài nghiên cứu định lượng sai số dòng điện phụ thuộc vào hệ số méo THD dòng điện không sin, từ kết tác giả có số đề xuất mở rộng nghiên cứu trình độ cao hơn: - Tiếp tục nghiên cứu toàn diện ảnh hưởng điều kiện dòng điện không sin đến chất lượng máy biến dòng nhiều yếu tố; - Đưa mô hình, biểu thức toán học liên hệ dạng méo dòng điện đến sai số; - Đề xuất giải pháp khắc phục, làm giảm ảnh hưởng dòng điện không sin đến sai số 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO Bộ môn Máy điện - Khí cụ điện – Khí cụ điện cao áp – Đại học Bách Khoa Hà Nội Phạm Văn Chới, Bùi Tín Hữu, Nguyễn Tiến Tôn – Khí cụ điện – Nhà xuất khoa học kỹ thuật – 2004 Phan Đăng Khải, Huỳnh Bá Minh – Bù công suất phản kháng lưới cung cấp phân phối điện – Nhà xuất khoa học kỹ thuật – 2004 Nguyễn Xuân Phú, Tô Đằng – Khí cụ điện, kết cấu, sử dụng, sửa chữa – Nhà xuất khoa học kỹ thuật – 2007 Trần Quang Khánh – Bảo vệ rơle tự động hóa hệ thống điện – Nhà xuất giáo dục – 2009 Cahier techique no.194, 195 – Schneider Electric Colonel Wm T.T McLyman - Transformer and inductor design handbook Third Edition, Revised and Expanded – Marcel Dekker, Inc – 2004 Gary W.Chang, Paulo F.Ribeiro – Harmonics theory Mehmet Tumay, R.R.S Simpson and H El-Khatroushi – Dynamic model of a current transformer 10 Maxwell 3D Electromagnetic and Electromechanical Analysis – Ansoft Maxwell Userguide 11 Matlab Demo 67 ... sóng dòng điện không sin, điều có ảnh hưởng đến sai số máy biến dòng điện Xuất phát từ thực tế chọn đề tài nghiên cứu Nghiên cứu sai số biến dòng lõi từ điều kiện dòng điện không sin Luận văn... điện hướng thiết bị điện 2009 Trong thời gian học tập nghiên cứu Viện đào tạo sau đại học – Đại học Bách khoa Hà Nội, lựa chọn thực đề tài Nghiên cứu sai số biến dòng lõi từ điều kiện dòng điện. .. gồm chương: Chương 1: Tìm hiểu máy biến dòng điện Chương 2: Sóng hài dòng điện không sin hệ thống điện Chương 3: Định lượng sai số biến dòng dòng điện không sin Trong trình thực luận văn cố gắng