5. Cấu trúc nội dung của luận án
4.4.1. Phân bố từ trường
Hình 4.13.Phân bố từ cảm B trong mạch từ khi chưa ngắn mạch
Từ cảm trong mạch từ B = 1,57 T khi làm việc ở chế đ ình thường. Lúc này từ cảm tản trên cu n HA và CA rất nhỏ và hầu như ằng khơng.
4.4.2. Giá trị điện áp và dịng điện
Ở chế đ khơng tải, để kiểm tra tất cả dữ liệu đầu vào của ước xây dựng mơ hình và quá trình giải quyết bài tốn mơ phỏng MBA cĩ chính xác hay khơng. Ta tiến hành đo đạc các giá trị điện áp CA và HA của MB , được thể hiện ở Hình 4.14 và Hình 4.15 như sau:
Hình 4.14.Điện áp CA định mức Hình 4.15.Điện áp HA định mức
Hình 4.14 cho thấy giá trị điện áp hiệu d ng mơ phỏng là 21,88 kV so với giá trị điện áp C là 22 kV. Tương tự, Hình 4.15 giá trị điện áp hiệu d ng pha HA mơ phỏng là 231 V so với giá trị điện áp HA là 220 V. Ta thấy là kết quả sai lệch điện áp khoảng 5%.
Ở chế đ ngắn mạch th nghiệm, với điện áp ngắn mạch uk%=5,7 được cấp vào cu n CA, ta cĩ kết quả về d ng điện CA và HA ở Hình 4.16 và Hình 4.17:
+ Về dạng sĩng của d ng điện CA và H dao đ ng ở những chu kì đầu ti n sau đĩ đạt giá trị xác lập.
+ Về giá trị: Từ Hình 4.16 ta cĩ giá trị d ng điện hiệu d ng mơ phỏng là 9,63 A so với giá trị dịng điện C là 9,55 . Tương tự ở Hình 4.17, giá trị d ng điện hiệu d ng pha HA là 903,88 A so với giá trị d ng điện HA là 909,33 A. Ta thấy là kết quả sai lệch dịng điện khoảng 0,8%.
Hình 4.16. Dịng điện CA định mức Hình 4.17. Dịng điện HA định mức
4.4.3. Tổn hao khơng tải và tổn hao ngắn mạch thử nghiệm
Tiếp t c phân tích mơ hình ta cĩ kết quả mơ phỏng về tổn hao khơng tải P0 và tổn hao ngắn mạch Pk ở Hình 4.18 và Hình 4.19.
Hình 4.18.Tổn hao khơng tải MBA Hình 4.19. Tổn hao ngắn mạch của MBA
Các kết quả giá trị tổn hao mơ phỏng được so sánh với giá trị đo đạc thực tế ở Bảng 4.3
Bảng 4.3. So sánh các giá trị mơ phỏng và thực tế
Thứ tự Thơng số Mơ phỏng Thực tế Sai số %
1 Tổn hao khơng tải: P0 (W) 429,618 439,9 2,4 2 Tổn hao ngắn mạch Pk (W) 4978,3 5039,0 1,2
Từ kết quả so sánh ở Bảng 4.3, ta thấy sở d gi trị mơ phỏng nhỏ hơn gi trị thực tế bởi vì bản th n phương ph p PTHH là phương ph p gần đúng và mơ phỏng đã ỏ qua các vật liệu c ch điện và cấu trúc hỗ trợ MB đang ị bỏ qua trong mơ hình.
4.5. Mơ phỏng ở chế độ ngắn mạch sự cố
Tr n cơ sơ đúng đắn của mơ hình MB được thực hiện trong trường hợp th nghiệm khơng tải và ngắn mạch, thực hiện cho ngắn mạch sự cố phía hạ áp MBA mà thực nghiệm khơng thực hiện được, để ph n t ch và đưa ra kết quả từ cảm tản, ứng suất lực điện từ x và y
tác d ng vào cu n CA và HA.
Quá trình ngắn mạch sự cố ph a H tr n được điều khiển bằng khĩa S ở Hình 4.9. Thời điểm đĩng c c khĩa để tạo trạng thái ngắn mạch được thực hiện tại thời điểm 15 ms, vì tại thời điểm giá trị điện áp của pha B bằng 0, khi đĩ d ng điện ngắn mạch cĩ giá trị lớn nhất.
Phân tích theo miền thời gian với thời gian ph n t ch được được thiết lập là 0,1 s với ước thời gian là 0,001 s.
4.5.1. Dịng điện ngắn mạch
- D ng điện ngắn mạch trên cu n CA
Hình 4.20.Dịng điện ngắn mạch trên cuộn CA
- D ng điện ngắn mạch trên cu n HA
Hình 4.21.Dịng điện ngắn mạch trên cuộn HA
Kết quả ph n t ch d ng điện C , H được biểu di n như Hình 4.20 và Hình 4.21, cho thấy rằng: Tại thời điểm 25 ms, giá trị i n đ của d ng điện ngắn mạch cực đại trên pha B của dây quấn CA là ICA_max= 305,07 A, giá trị này lớn gấp 22,6 lần i n đ d ng điện định mức. Tương tự, trên dây quấn H d ng điện ngắn mạch cực đại đạt được trên pha B với đ lớn cực đại là IHA_max=29066,8 A.
Hình 4.22.Phân bố từ cảm trên mạch từ và cuộn dây của MBA tại thời điểm t =25ms
Hình 4.23.Phân bố từ cảm trên mạch từ và cuộn dây của MBA tại thời điểm t =25ms
Tại thời điểm t = 25 ms d ng điện ngắn mạch tr n pha B đạt cực đại) ở Hình 4.22 và Hình 4.23, ta thấy từ cảm tản trên vùng cu n d y tăng l n B =1,5356 T c n từ cảm trong mạch từ giảm đi và lúc này từ cảm tản phân bố tập trung ở khu vực giữa hai cu n quấn CA và HA là lớn nhất.
Tiến hành phân tích từ cảm tản của cu n dây pha B trên mặt mặt cắt Oxz của mặt phẳng đối xứng như Hình 4.26, ta được kết quả thể hiện ở Hình 4.24 và Hình 4.25.
Hình 4.24.Từ cảm tại cạnh ngồi cùng cuộn HA Hình 4.25. Từ cảm tại cạnh trong cùng cuộn CA
Kết quả phân tích ở Hình 4.24 và Hình 4.25 ta được từ cảm tại cạnh ngồi cùng cu n HA:
Bz_max = 1,454T, Bx_max = 0,393T và Bxzmax = 1,454T. Từ cảm tại cạnh trong cùng cu n CA:
Bz_max = 1,492T, Bx_max = 0,248T và Bxzmax = 1,492T.
Sau khi phân tích từ cảm tản, tiếp t c tìm phân bố ứng suất trên cu n HA và CA ở m c dưới đ y.
4.5.3. Phân tích ứng suất lực ngắn mạch trên cuộn dây hạ áp và cao áp
Đầu tiên, mơ hình MB 3D được khảo sát về phân bố từ cảm tản và ứng suất lực tại mặt cắt Oxz của mặt phẳng đối xứng như Hình 4.26 để so sánh các kết quả này với phương ph p giải tích và PTHH 2D. Cho nên tr c 0z tr c trong mơ hình 3D ở Hình 4.26 đĩng vai tr như tr c 0y trong mơ hình 2D.
Xét lực tác d ng lên cu n dây tại mặt cắt của MBA trên mặt phẳng 0xz, lúc này thành phần từ cảm tản By (trùng phương với d ng điện) bằng 0. Do đĩ, ứng suất lực điện từ này được chia làm hai thành phần:
+ Ứng suất lực hướng kính: x = Bz.Jy + Ứng suất lực hướng tr c: z = Bx.Jy Thành phần lực tổng: 2 2
x z x z
Khảo sát ứng lực x và z theo bề dày cu n HA và CA với c c đường thẳng ở các tọa đ ở Hình 4.5: vị trí biên trong (x0), ở giữa (x1) và biên ngồi (x2) cu n CA và HA.
Kết quả phân tích ứng suất lực x và z theo bề dày cu n HA và CA tại thời điểm t = 25 ms, được biểu di n trên các đồ thị ở Hình 4.27; Hình 4.28; Hình 4.29 và Hình 4.30.
Hình 4.27. Đồ thị ứng suất x theo chiều cao cuộn HA ứng với ba vị trí x khác nhau
Hình 4.28. Đồ thị ứng suất z theo chiều cao cuộn HA ứng với ba vị trí x khác nhau
Hình 4.29.Đồ thị ứng suất x theo chiều cao cuộn CA ứng với ba vị trí x khác nhau
Hình 4.30. Đồ thị ứng suất z theo chiều cao cuộn CA ứng với ba vị trí x khác nhau
Nhận xét:
+ Theo bề dày cu n dây (tr c x): Phân bố suất ứng x tại khu vực giữa của cu n HA và CA cĩ giá trị lớn nhất, cịn ứng suất z tại vị trí giữa của mỗi cu n dây cĩ giá trị lớn nhất.
Chieu cao cuon HA (mm)
x0 x1 x2 (mm) z1 z0 z2
Chieu cao cuon HA
Chieu cao cuon CA (mm)
x0 x1 x2 (mm) z1 z0 z2
+ Theo chiều cao cu n dây (tr c z): Phân bố suất ứng x cĩ giá trị lớn nhất tại giữa của mỗi cu n d y. Ngược lại, ứng suất z cĩ giá trị lớn nhất ở hai đầu cu n dây và cĩ giá trị nhỏ nhất và bằng khơng tại giữa cu n dây.
Kết quả giá trị ứng lực x và z theo bề dày cu n HA và CA với c c đường thẳng ở các tọa đ : vị trí biên trong (x0), ở giữa (x1) và biên ngồi (x2) cu n CA và H được thể hiện ở Bảng 4.4.
Bảng 4.4. Bảng giá trị ứng suất lực ở 3 vị trí theo bề dày cuộn HA và CA
Ứng suất lực lớn nhất tại các vị trí (N/m2) Cuộn HA Cuộn CA Hƣớng kính (x) Hƣớng trục (z) Hƣớng kính (x) Hƣớng trục (z) Biên trong (x0) 0,11. 107 1,948. 107 -3,427. 107 0,94. 107 Ở giữa (x1) 2,872. 107 2,071. 107 -1,616. 107 1,153. 107 Biên ngồi (x2) 5,444. 107 1,558. 107 0,12. 107 0,57. 107
Từ các kết quả phân bố ứng lực lớn nhất ở trên ta tính tổng ứng lực xz trên cu n CA và H như Hình 4.31 và Hình 4.32 và giá trị cực đại ở Bảng 4.5.
Hình 4.31. Tổng ứng suất xz trên cuộn HA Hình 4.32. Tổng ứng suất xz trên cuộn CA
Bảng 4.5. Bảng kết quả phân bố ứng suất cĩ giá trị lớn nhất
Ứng suất max Cuộn HA Cuộn CA
Tổng ứng suất xzmax
(N/m2) 5,444.10
7
3,427.107
Kết quả cho thấy: Thành phần ứng lực tổng xz lớn nhất này tại vị trí chính giữa biên ngồi của cu n HA và biên trong của cu n CA. Tổng ứng lực tác d ng dây quấn làm chúng bị kéo, ở Bảng 4.5 ứng suất lực là xzmax = 5,444.107 N/m2. Trường hợp dây quấn được xem là vật thể rắn và dây quấn cố định chặt, ứng suất lực cho phép của d y đồng σtbcp = (5÷10).107 N/m2 [8]. Do đĩ, khi xảy ra ngắn mạch với d ng điện cực đại thì ứng suất lớn nhất của dây quấn chưa vượt quá giới hạn cho phép.
Chieu cao cuon HA (mm) x
z
xz
Chieu cao cuon CA (mm)
x
z
Bảng 4.6. Bảng so sánh kết quả của hai phương pháp giải tích và PTHH
Thơng số Giải tích
PTHH Sai số tƣơng đối (%) 2D 3D (mặt cắt)
Dịng điện ImaxHA (A) 30 256 29 066,8 3,9%
Dịng điện ImaxCA (A) 317,59 305,07 3,9%
Bxymax trên cuộn HA (T) 1,490 1,480 1,454 2,4%
Bxymax trên cuộn CA (T) 1,491 1,482 1,492 0,6%
Ứng suất lực xymax (N/m2)
Cuộn HA 6,0138.107 5,969.107 5,444.107 9,4%
Cuộn CA 3,567.107 3,544.107 3,427.107 3,9%
Nhìn vào Bảng 4.6 ta thấy kết quả sai số là nhỏ, sai số ở đ y do bản th n hai phương ph p đều là c c phương ph p giải gần đúng và tr n cơ sở khác nhau của m t số giả thuyết. Kết quả ứng suất trên cu n HA và CA ở phương ph p PTHH 3D mặt cắt cĩ giá trị nhỏ hơn phương pháp giải tích và PTHH 2D. Ở phương ph p PTHH 3D cĩ thể x c định ứng suất lực tại bất kì vị trí nào trên cu n dây. Từ đĩ mới cĩ thể đ nh gi đúng giới hạn chịu lực của dây quấn, cũng như ph n ố ứng suất khơng đồng đều trên cu n dây hình chữ nhật. Do đĩ, ta cần tìm ứng suất trên nhiều điểm của cu n dây và n i dung này được trình bày ở m c 4.5.4.
4.5.4. Tìm vị trí cĩ ứng suất lớn nhất trên vịng dây quấn hình chữ nhật
4.5.4.1. Phân tích trên cuộn hạ áp
Để x c định vị trí nào trên cu n HA cĩ giá trị ứng suất lực lớn nhất ứng với trường hợp bán kính cong bên trong cu n HA là r =12, ta khảo s t 10 đường thẳng dọc biên ngồi cùng theo chiều cao cu n H như Hình 4.33, với 10 vị trí khảo sát nhìn từ hình chiếu bằng như Hình 4.34.
Hình 4.33. Các đường thẳng khảo sát trên cuộn HA
Hình 4.34. Vị trí 10 đường khảo sát trên cuộn HA ứng với r =12
Kết quả phân bố ứng suất lực trên 10 đường thẳng khảo sát theo chiều cao cu n H được thể hiện ở Hình 4.35 và hình ảnh phân bố lực tổng thể trên cu n HA ở Hình 4.36.
Đường thẳng khảo sát
Hình 4.35. Phân bố ứng suất của 10 vị trí theo chiều cao cuộn HA
Hình 4.36. Phân bố ứng suất trên cuộn HA
Trên mỗi đường thẳng khảo sát ta thấy ứng lực lớn nhất nằm tại vị trí giữa của đường thẳng (tức giữa cu n dây theo chiều cao . Nhìn đồ thị Hình 4.35 ta thấy rằng tr n 10 đường khảo sát thì vị trí giữa của đường thẳng tại các vị trí 4 và 6 cĩ giá trị lớn nhất, tức vùng vách cong phía ngồi của cu n HA cĩ ứng suất lực lớn nhất thể hiện rõ ở Hình 4.37.
Hình 4.37.Phân bố ứng suất lớn trên cuộn HA Hình 4.38. Phân bố ứng suất trên cuộn HA
Ta đã iết trên mỗi đường thẳng khảo sát thì ứng suất lực lớn nhất nằm tại vị trí giữa của đường thẳng (tức giữa cu n dây theo chiều cao). Lấy 10 điểm giữa lớn nhất của 10 đường khảo sát này ta vẽ đồ thị Hình 4.38 để thấy rõ vị trí cĩ ứng suất lực lớn nhất ở đường thẳng 4 và 6. Kết quả vị trí 4 cĩ giá trị ứng suất lớn nhất là: xyzmax = 5,789.107 (N/m2)
4.5.4.2. Phân tích trên cuộn cao áp
Tương tự, để x c định vị trí nào trên cu n CA cĩ giá trị ứng suất lực lớn nhất, ta khảo sát 10 đường thẳng dọc biên trong cùng theo chiều cao cu n C như Hình 4.39, với 10 vị trí khảo sát nhìn từ hình chiếu bằng như Hình 4.40.
Hình 4.39. Các đường thẳng khảo sát trên cuộn CA
Hình 4.40. Vị trí 10 đường khảo sát
Kết quả phân bố ứng suất lực trên 10 đường thẳng khảo sát theo chiều cao cu n CA được thể hiện ở Hình 4.41 và hình ảnh phân bố lực tổng thể trên cu n CA ở Hình 4.42
Hình 4.41. Phân bố ứng suất của 10 vị trí theo chiều cao cuộn CA
Hình 4.42. Phân bố ứng suất trên cuộn CA
Trên mỗi đường thẳng khảo sát ta thấy ứng lực lớn nhất nằm tại vị trí giữa của đường thẳng (tức giữa cu n dây theo chiều cao . Nhìn đồ thị Hình 4.41 ta thấy rằng tr n 10 đường khảo sát thì các đường thẳng tại các vị trí 4 và 6 cĩ giá trị lớn nhất tức vùng vách cong phía trong của cu n CA cĩ ứng suất lực lớn nhất thể hiện rõ ở Hình 4.43.
Đường thẳng khảo sát
Hình 4.43.Phân bố ứng suất lớn trên cuộn CA Hình 4.44. Phân bố ứng suất trên cuộn CA
Ta đã iết trên mỗi đường thẳng khảo sát thì ứng lực lớn nhất nằm tại vị trí giữa của đường thẳng (tức giữa cu n dây theo chiều cao). Lấy 10 điểm giữa lớn nhất của 10 đường khảo sát này ta vẽ đồ thị Hình 4.44 để thấy rõ vị trí cĩ ứng lực lớn nhất ở đường thẳng 4 và 6. Kết quả vị trí 4 cĩ giá trị ứng suất lớn nhất là: xyzmax = 3,975.107 (N/m2)
4.5.4.3. Kết quả vị trí cĩ ứng suất lực lớn nhất trên cuộn hạ áp và cao áp
Ở phương ph p PTHH 3D khơng những x c định ứng suất ở 1 vị trí trên cu n dây (như PTHH 3D – mặt cắt hay phương ph p PTHH 2D) mà nĩ c n tìm được ứng suất trên tất cả các vị trí cu n dây (như ở m c 4.5.4). Kết quả giữa phương ph p PTHH 3D – mặt cắt và phương pháp PTHH 3D được thể hiện m t lần nữa ở Bảng 4.7 để thấy rõ ưu điểm của phương ph p PTHH 3D.
Bảng 4.7. Bảng kết quả phân bố ứng suất cĩ giá trị lớn nhất giữa phương pháp PTHH 3D mặt cắt và PTHH 3D
Phân bố ứng suất max PTHH 3D (mặt cắt) PTHH 3D
Tổng ứng suất xyz (N/m2)
Cu n HA 5,444.107 5,789.107
Cu n CA 3,427.107 3,975.107
Sự phân bố ứng suất trên các vị trí của cu n HA và CA cho thấy vị trí tại vùng lân cận chỗ bẻ cong cu n dây là khá lớn. Do vậy, để x c định giá trị ứng suất lớn nhất và nhỏ nhất ứng với các hình dáng dây quấn khác nhau ta tiến hành mơ phỏng nhiều trường hợp với các bán kính cong dây quấn kh c nhau. Đ y là n i dung nghiên cứu tiếp theo (ở m c 4.6).
4.6. Tìm ứng suất lớn nhất trong các trƣờng hợp thay đổi bán kính cong r của cuộn dây cong r của cuộn dây
4.6.1. Các trường hợp khảo sát
+ Cuộn HA:
Gọi bán kính bên trong của cu n HA như Hình 4.45): r (mm) bán kính bên ngồi của cu n HA: r + 30 (mm)