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 DỊNG 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 cơng tác máy biến dịng: 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 dịng 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 – SĨNG HÀI VÀ DỊNG ĐIỆN KHÔNG SIN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 29 2.1 Nguồn gốc dịng điện khơng 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 dịng 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 DỊNG KHI DỊNG ĐIỆN KHƠNG 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 Mơ hình chỉnh lưu pha sử dụng Diode: 43 3.2.2 Mô hình chỉnh lưu pha sử dụng Thyristor: 45 3.3 Mơ hình hóa 51 3.3.1 Mơ với nguồn dịng hình sin có giá trị định mức I = 50A 52 3.3.2 Mô với nguồn dịng khơng sin thu từ mơ hình chỉnh lưu pha dùng Thyristor 53 3.3.3 Mô với nguồn dịng khơng sin với thành phần hài bậc 56 3.3.4 Mơ với nguồn dịng không sin với thành phần hài bậc 59 3.3.5 Mơ với nguồn dịng khơng 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 dịng điện dây quấn máy biến dịng khơ 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 dịng 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 dịng khơ nhiều vòng dây sơ cấp Hình 1.7 – Máy biến dịng 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 khơng 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 dịng điện đầu vào Hình 2.7 – Dạng sóng điện áp dịng điện hồ quang .1 Hình 3.1 – Đo dịng điện với nguồn xoay chiều thông thường Hình 3.2 – Đo dịng điện với mạch điện chỉnh lưu cầu pha Hình 3.3 – Đo dòng điện với mạch điện chỉnh lưu cầu pha Hình 3.4 – Mơ hình chỉnh lưu cầu pha dùng Diode Hình 3.5 – Dịng áp thu qua mơ hình chỉnh lưu pha Diode .1 Hình 3.6 – Phân tích sóng dịng điện chỉnh lưu pha dùng Diode Hình 3.7 – Mơ hình chỉnh lưu pha dùng Thyristor Hình 3.8 – Giá trị điện áp dịng điện với góc điều khiển α = 00 Hình 3.9 – Phân tích phổ dịng điện đầu vào iA với α = 00 Hình 3.10 – Phân tích phổ dịng điện đầu vào iA với α = 300 .1 Hình 3.11 – Phân tích phổ dịng điện đầu vào iA với α = 600 .1 Hình 3.12 – Phân tích phổ dịng điện đầu vào iA với α = 900 .1 Hình 3.13 – Mơ hình mơ máy biến dịng lõi từ 50/5A Hình 3.14 – Kết mơ với dòng điện sin định mức I = 50A Hình 3.15 – Phân bố từ cảm B lõi thép máy biến dịng 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 mơ với dịng khơng sin có I1 = 50A, I3 = 5A Hình 3.21 – Kết mơ với dịng khơng sin có I1 = 50A, I3 = 10A Hình 3.22 – Kết mơ với dịng khơng sin có I1 = 50A, I3 = 15A Hình 3.23 – Kết mơ với dịng khơng sin có I1 = 50A, I3 = 20A Hình 3.24 – Kết mơ với dịng khơng sin có I1 = 50A, I5 = 5A Hình 3.25 – Kết mơ với dịng khơng sin có I1 = 50A, I5 = 10A Hình 3.25 – Kết mơ với dịng khơng sin có I1 = 50A, I5 = 15A Hình 3.26 – Kết mơ với dịng khơng sin có I1 = 50A, I5 = 20A Hình 3.27 – Kết mơ với dịng khơng sin có I1 = 50A, I7 = 5A Hình 3.28 – Kết mơ với dịng khơng sin có I1 = 50A, I7 = 10A Hình 3.29 – Kết mơ với dịng khơng sin có I1 = 50A, I7 = 15A Hình 3.30 – Kết mơ với dịng khơng 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 dịng có tượng bão hòa cục bộ, từ trường tập trung số vị trí định 3.3.2 Mơ với nguồn dịng khơng sin thu từ mơ hình chỉnh lưu pha dùng Thyristor Mơ hình chỉnh lưu pha dùng Thyristor mục 3.2.2 ta có kết lượng sóng hài thơng qua số méo THD tương ứng với góc điều khiển α = 00 ;300 ;600 ;900 Từ kết ta tiến hành mơ máy biến dịng sử dụng với dạng sóng dịng điện khơng sin tổng hợp sóng f1 = 50Hz, I1 = 50A (I1max = 70,71A) điều hịa bậc cao có độ lớn đáng kể 5, 7, 11, 13, bỏ qua điều hòa bậc 3, có độ lớn q nhỏ so với độ lớn thành phần tương ứng với kết phân tích độ méo THD từ mơ 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 mơ 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 mơ 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 mơ 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 mơ với chỉnh lưu pha Có thể nhận thấy với dịng điện khơng sin từ chỉnh lưu pha Thyristor THD tăng, lúc độ lớn thành phần cố định sai số dịng điện máy biến dịng có xu hướng tăng lên 55 3.3.3 Mơ với nguồn dịng khơng 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 Mơ hình dùng nguồn dịng khơng 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 mơ với dịng khơng 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 mơ với dịng khơng 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 mơ với dịng khơng 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 mơ với dịng khơng 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 dịng điện máy biến dịng có xu hướng tăng lên 58 3.3.4 Mơ với nguồn dịng khơng 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 Mơ hình dùng nguồn dịng khơng 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 mơ với dịng khơng 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 mơ với dịng khơng 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 mơ với dịng khơng 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 mơ với dịng khơng 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 dịng điện máy biến dịng có xu hướng tăng lên tăng nhanh so với tăng thành phần hài bậc 61 3.3.5 Mô với nguồn dịng khơng 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 Mơ hình dùng nguồn dịng khơng 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 mơ với dịng khơng 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 mơ với dịng khơng 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 mơ với dịng khơng 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 mơ với dịng khơng 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 dịng điện máy biến dịng có xu hướng tăng lên tăng nhanh so với tăng thành phần hài bậc 64 3.4 Tổng hợp kết kết luận Qua kết mơ hình hóa dựa máy biến dịng thực tế với kết đo đạc phịng 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 dịng sau: Hình 3.31 – Sai số dòng điện theo số méo THD Như nhận thấy sai số dòng điện máy biến dịng có phụ thuộc lớn vào dạng sóng dịng điện sơ cấp, dịng điện có dạng sóng khơng sin biểu hàm lượng sóng điều hịa 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 dịng ∆I % lớn 65 KẾT LUẬN Việc nghiên cứu máy biến dịng điện dịng điện khơng sin với mơ hình thí nghiệm thực tế mơ hình mơ đưa kết luận với điều kiện dịng điện khơng sin chất lượng máy biến dịng 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 khơng 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 dịng có xu hướng tăng hàm lượng sóng điều hịa bậc cao dòng điện tăng; - Mức độ ảnh hưởng sóng điều hịa 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 dịng điện khơng 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 dịng điện khơng sin đến chất lượng máy biến dịng nhiều yếu tố; - Đưa mơ hình, biểu thức tốn 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 mơn Máy điện - Khí cụ điện – Khí cụ điện cao áp – Đại học Bách Khoa Hà Nội Phạm Văn Chới, Bùi Tín Hữu, Nguyễn Tiến Tơn – 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 Xn Phú, Tơ 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 ... tài nghiên cứu ? ?Nghiên cứu sai số biến dòng lõi từ điều kiện dịng điện khơng sin? ?? Luận văn gồm chương: Chương 1: Tìm hiểu máy biến dịng điện Chương 2: Sóng hài dịng điện khơng sin hệ thống điện. .. có lượng sai số dịng điện, lượng sai số thay đổi theo kiểu mạch điện tức thay đổi theo dạng sóng dịng điện chạy qua biến dòng Sai lệch tồn biến dịng có ngun nhân từ sai số sai số: - Sai số thiết... LƯỢNG SAI SỐ CỦA BIẾN DÒNG KHI DỊNG ĐIỆN KHƠNG SIN 3.1 Thực nghiệm đo đạc máy biến dòng thực tế Từ việc phân tích tượng ảnh hưởng dịng điện khơng sin tượng bảo hòa mạch từ đến sai số biến dòng,