Giới thiệu chung

5. Cấu trúc nội dung của luận án

1.1Giới thiệu chung

Trong chương này, luận án giới thiệu tổng quan về bài toán mô phỏng số các thiết bị điện - điện tử. Tác giả trình bày về MBA khô có cuộn dây đúc epoxy, phân tích ưu và nhược điểm loại MBA này so với MBA dầu. Sau đó, các phân tích MBA lõi thép VĐH, tổng quan nghiên cứu trong nước và ngoài nước được giới thiệu, ưu điểm nổi bật của MBA VĐH là về vấn đề giảm tổn hao, tính toán thiết kế MBA VĐH; nghiên cứu lực điện từ ở MBA sử dụng lõi thép silic truyền thống, lực điện từ ở MBAVĐH, luận án tập trung vào nghiên cứu lực nhiệt động ngắn mạch ở MBA khô có tính đến sự thay đổi các thông số α, , Cp của epoxy thay theo đổi nhiệt độ sau ngắn mạch, ảnh hưởng sự thay đổi dẫn đến khả năng truyền dẫn nhiệt, phân bố nhiệt cũng như làm thay đổi lực nhiệt động. Trên cơ sở những vấn đề còn tồn tại về nghiên cứu lực ngắn mạch tổng hợp của MBA lõi thép VĐH mà các nghiên cứu trước đó chưa thực hiện được, tác giả đề ra hướng nghiên cứu cho luận án.

1.2 Mô phỏng số các thiết bị điện – điện tử

Các thiết bị điện là một phần không thể thiếu đối với nền văn minh dựa trên điện năng của con người. Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, các thiết bị điện ngày này ngày càng tinh vi và hiện đại hơn. Bên cạnh sự phức tạp về hình dạng hình học từ dày đến mỏng, nhiều dạng thù hình, từ kích thước rất nhỏ đến rất lớn, các thiết bị điện còn sử dụng rất nhiều vật liệu khác nhau: vật liệu dẫn điện, vật liệu dẫn từ, vật liệu cách điện (composit), vật liệu kết cấu. Ngoài ra, các thiết bị điện – điện tử còn hoạt động ở dải tần rộng. Do đó, những diễn biến về điện từ, cơ nhiệt trong thiết bị rất phức tạp. Do vậy, việc nghiên cứu thiết kế chế tạo các thiết bị điện tiên tiến là một thách thức không nhỏ đối với khoa học.

Trong quá trình chế tạo các thiết bị điện, giảm được chi phí là một trong những vấn đề quan trọng và luôn được các nhà nghiên cứu, thiết kế và chế tạo trong và ngoài nước quan tâm. Cùng với sự phát triển của khoa học máy tính và các kiến thức vật lý hiện đại, việc sử dụng các phương pháp số để tính toán mô phỏng các đại lượng trường trong máy điện nói chung và MBA nói riêng luôn được quan tâm. Hơn nữa, phương pháp số cũng giúp cho việc dễ dàng thay đổi các tham số, tạo ra nhiều mô hình ảo đáp ứng yêu cầu thiết kế mà không tốn thêm chi phí nào. Ngoài ra, việc áp dụng phương pháp số trong các ngành công nghiệp còn giúp:

+ Giảm số lượng mẫu thử cũng như thời gian kiểm tra sản phẩm;

+ Nhanh chóng thu hồi vốn do giảm được thời gian xây dựng sản phẩm mới; + Quy trình mềm dẻo và đáp ứng nhanh hơn, cho phép thay đổi thiết kế ngay cả ở các giai đoạn sau của quá trình xây dựng sản phẩm;

9

Hơn nữa, các phần mềm công nghiệp ngày càng hoàn thiện có thể sử dụng để giải các bài toán cơ học vật rắn, cơ học thuỷ khí, các bài toán động, bài toán tường minh và không tường minh, các bài toán tuyến tính và phi tuyến, các bài toán về trường điện từ, các bài toán về nhiệt, động lực học chất lỏng thậm chí là các bài toán tương tác đa trường vật lý.

Để phân tích và mô phỏng các hiện tượng điện từ (tức là giải hệ phương trình Maxwell tương ứng), các nhà nghiên cứu, thiết kế có thể sử dụng phương pháp giải tích và phương pháp PTHH. Với các các thiết bị điện có cấu trúc hình học đơn giản, người ta có thể sử dụng phương pháp giải tích để giải và đưa ra kết qủa. Tuy nhiên, đối với các bài toán/thiết bị điện cấu trúc thiết bị điện phức tạp thì phương pháp số được sử dụng như một giải pháp duy nhất [14].

Các phương pháp số thường được áp dụng trong tính toán và mô phỏng bài toán trường điện từ như sau:

+ Phương pháp PTHH;

+ Phương pháp phần tử biên (PTB);

+ Phương pháp sai phân hữu hạn (SPHH);

+ Phương pháp tích phân số PEEC (Partial Element Equivalent Circuit). MoM (Method of Moment)

Việc lựa chọn một trong những phương pháp trên hoàn toàn phụ thuộc vào các hiện tượng vật lý cần mô phỏng như là ở tần số cao hay thấp, có vật liệu từ hay không, có xét đến hiệu ứng điện cảm hay điện dung, nguồn kích thích ngoài... Tuy nhiên, không có một phương pháp là vạn năng và tối ưu trong mọi bài toán và việc lựa chọn phương pháp tốt nhất phụ thuộc vào tính chất thiết bị điện và dải hoạt động của nó.

Trong các phương pháp được mô tả ở trên, phương pháp (PTHH) đã trở thành một phương pháp tổng quát cho việc giải các bài toán điện từ như là các bài toán từ tĩnh và các bài toán từ động [15]. Hiện nay, phương pháp này được phát triển và và được nhúng vào trong các phầm mềm, cụ thể: phần mềm Maxwell của Công ty Ansys, phần mềm Flux3D của Công ty Cedrat.

Tuy nhiên khi sử dụng phương pháp này để mô phỏng các thiết bị điện phức tạp, có nhiều khoảng trống không khí, việc mô phỏng đúng trường điện từ ở gần vật dẫn có xét đến hiệu ứng bề mặt (skin effect) và hiệu ứng gần (proximity effect) tạo ra các phương trình PTHH với số bậc tự do lớn. Điều này làm cho việc giải phương trình bằng máy tính điện tử là rất khó khăn thậm chí là không thể thực hiện được. Như vậy, các phương pháp PTHH thực sự không thích hợp trong việc mô phỏng các hệ thống thiết bị điện có cấu trúc phức tạp và kích thước lớn rất nhiều so với vùng dẫn cần nghiên cứu và tính toán.

Các phương pháp tích phân số thường không tổng quát như phương pháp PTHH, tuy nhiên nó lại là phương pháp khá thích hợp trong từng bài toán mô phỏng cụ thể.

10

Ưu điểm lớn nhất của các phương pháp này khi so sánh với phương pháp phần tử hữu hạn là việc không phải mô phỏng thành phần không khí xung quanh thiết bị điện. Do vậy khi mô phỏng các thiết bị điện lớn, phức tạp có nhiều không khí bao quanh, chúng ta chỉ cần sử dụng một số lượng biến vừa phải.

Một ví dụ điển hình là phương pháp tích phân số PEEC dùng để mô phỏng thiết bị điện không có vật liệu từ bằng mạch điện thay thế tương đương thông số tập trung với các giá trị phần tử được tính bằng phương trình tích phân [16]. Phương pháp này chỉ có thể tính toán với các loại vật liệu dẫn điện mà không thể tính toán được các loại khác như: vật liệu dẫn từ, vật liệu vừa dẫn điện vừa dẫn từ như phương pháp phần tử hữu hạn. Tuy nhiên, các thành phần không khí bao quanh thiết bị sẽ không cần phải xét đến trong quá trình mô phỏng. Mạch điện thu được sẽ được sử dụng trong các phần mềm mô phỏng mạch điện thông dụng như SPICE, Saber… từ đó hiện tượng điện từ của thiết bị điện sẽ được nghiên cứu trong một hệ thống có tính đến các thiết bị điện khác cùng tham gia.

Bên cạnh việc nghiên cứu quá trình điện từ trường trong thiết bị điện, việc nghiên cứu về các quá trình nhiệt, cơ trong các thiết bị điện cũng quan trong không kém. Bằng cách tận dụng sức mạnh của những phần mềm mô phỏng số công nghiệp cũng như sức mạnh của máy tính chúng ta có thể giải những bài toán tương tác đa trường vật lí điện từ - cơ – nhiệt.

Trước đây, để có thể giải các bài toán phức tạp và kết hợp nhiều trường vật lý) cần phải đòi hỏi sự kết hợp nhiều phần mềm khác nhau. Hiện nay, phần mềm ANSYS Multiphysics cung cấp một công cụ phân tích đắc lực kết hợp các mô đun: tính toán kết cấu, nhiệt, động lực học dòng chảy (CFD), âm học, và điện từ trong một sản phẩm tích hợp duy nhất.

1.3 MBA trong hệ thống điện

Như chúng ta đã biết, MBA đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong hệ thống điện, được sử dụng vô cùng rộng rãi trong hệ thống điện, nhất là trong lưới điện phân phối từ dân dụng đến công nghiệp và dịch vụ, thương mại. Trong các MBA điện lực có thể chia là hai loại chính:

• MBA truyền tải: là các MBA công suất lớn, điện áp cao thường ở vị trí trực tiếp truyền tải các công suất lớn trên lưới điện.

• MBA phân phối: thường công suất tầm vài chục kVA đến 10MVA làm việc ở lưới trung áp dùng để truyền tải điện năng tầm ngắn, và để biến đổi điện áp xuống hạ áp phục vụ các phụ tải.

Đến những năm cuối của thế kỷ XX, hầu như tất cả các MBA đều thuộc loại MBA dầu, trong đó dầu đóng vai trò vừa hỗ trợ làm mát các cuộn dây, vừa làm tăng độ bền cách điện của chúng. Chất lượng dầu ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy, tuổi thọ của MBA. Trong quá trình vận hành cần phải thường xuyên theo dõi tình trạng dầu để kịp thời phát hiện những thay đổi tính chất của dầu thông qua việc xác định hàng loạt các chỉ tiêu quan trọng như tạp chất cơ khí và carbon lơ lửng, độ bền cách

11

điện, chỉ số acid, nhiệt độ chớp cháy của dầu, độ nhớt, độ trong, độ ổn định, góc tổn thất điện môi... Để quản lý chất lượng dầu cần phải trang bị nhiều phương tiện kỹ thuật, cần có các cán bộ quản lý, cán bộ kỹ thuật giỏi, biến chế công nhân đông đảo với tay nghề cao... Mặt khác, với số lượng lớn MBA dầu thì nguy cơ cháy, nổ luôn luôn thường trực, đe dọa sự cố thiết bị và gây tai nạn cho người, ô nhiễm môi trường xung quanh.

Ngoài ra, đối với các công trình hiện nay ở Việt Nam như: các chung cư cao (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

tầng, trung tâm thương mại, ngân hàng, văn phòng cao ốc, hầm lò, xưởng hoá chất…,

việc lắp đặt MBA dầu không thể thực hiện được ở tầng hầm vì vi phạm Quy chuẩn về an toàn phòng chống cháy nổ. Do đó, các MBA dầu phải lắp đặt tại vị trí tầng 1,

điều này đã ảnh hưởng đến mỹ quan công trình, có độ ồn khi hoạt động, đặc biệt là thiệt hại kinh tế. Vì vị trí tầng 1 được xem như là đất vàng của các chủđầu tư. Đây là

bài toán kinh doanh mà không bất kỳ chủđầu tư nào muốn.

Hiện nay, để đáp ứng các yêu cầu về an toàn phòng chống cháy nổ, yêu cầu về mỹ quan, cho các khu vực địa điểm như các trung tâm thương mại, nhà ga, sân bay, ga tàu điện ngầm, các công trình cao tầng... các chủ đầu tư phải sử dụng MBA khô. Một trong những đặc tính ưu việt của MBA khô so với MBA dầu truyền thống là MBA khô rất khó cháy nổ. Ngoài ra còn nhiều yếu tố khác khiến MBA khô càng ngày càng được ứng dụng rộng rãi. Ví dụ ngoại quan MBA khô đẹp hơn, lắp đặt dễ dàng hơn, gần như không phải bảo trì bảo dưỡng trong suốt quá trình sử dụng.

Bắt đầu từ những năm 60 của thế kỷ trước, MBA khô đã dần được đưa vào áp dụng rộng rãi. Ngày nay, với sự tiến bộ của công nghệ chế tạo và của các loại vật liệu mới, MBA khô càng ngày càng có công suất cao hơn, điện áp cao hơn, hình thức đẹp hơn, và ngày càng thân thiện hơn với môi trường. Hiện nay, MBA khô đã có thể chế tạo tới công suất vài chục MVA, điện áp tới 110kV.

Tỷ lệ MBA khô trên tổng số MBA sử dụng ở các nước phát triển đang ngày càng tăng nhanh. Ví dụ như ở châu Âu, ở Mỹ hiện nay là khoảng 30%, ở Trung quốc khoảng 20%.

1.3.1 MBA khô

Có hai loại MBA khô thường gặp: MBA có cuộn dây không đúc trong cách điện rắn và MBA có cuộn dây đúc trong cách điện rắn.

• MBA khô có cuộn dây đúc trong epoxy:

Cuộn dây MBA sau khi quấn xong được bao phủ (đúc trong) epoxy. Loại này đã bắt đầu được ứng dụng và phát triển rộng rãi trong những năm 60 của thế kỷ trước. Hiện dung lượng máy lớn nhất có thể đạt được đến 20000kVA, điện áp lên đến 36kV.

12

Hình 1.1 Hình ảnh minh hoạMBA khô đúc epoxy kiểu khô [17]

Đối với MBA khô đúc epoxy, epoxy có khả năng chịu đựng nhiệt độ cao hơn, khả năng thay đổi chế độ thổi gió cưỡng bức thuận lợi hơn ở máy dầu nên máy có khả năng chịu quá tải cao hơn hoặc lâu hơn so với máy dầu;

Máy không phải bảo dưỡng trong suốt quá trình vận hành: do bề mặt cuộn dây nhẵn, diện tích bề mặt tương đối ít nên ít có khả năng bụi và các tạp chất tích tụ. MBA trong quá trình vận hành hầu như không phải bảo dưỡng kiểm tra thay dầu hoặc lọc dầu. Chỉ cần định kỳ lau sạch bề mặt máy và các cuộn dây;

Độ phóng điện cục bộ rất nhỏ: do các tiến bộ của kỹ thuật đúc epoxy trong chân không nên các khiếm khuyết của lớp keo epoxy ví dụ như rỗ khí, nứt ngậm... ngày nay hầu như đã được loại bỏ. Vì vậy mà hiện tượng phóng điện cục bộ được giảm thiểu, tuổi thọ của MBA được nâng cao;

Không cháy: do đặc tính của epoxy sau khi đã hoá cứng rất khó cháy, chỉ có thể cháy ở nhiệt độ rất cao. Các vật tư khác của MBA khô epoxy như vật liệu cách điện, các vật tư đồng, sắt từ... cũng rất khó cháy. Do vậy MBA khô epoxy được coi là rất an toàn về phòng chống cháy nổ;

Tính thẩm mỹ cao: đây là lý do chính khiến MBA khô đúc epoxy rất được ưa chuộng. MBA khô được lắp đặt ở nhiều vị trí yêu cầu cả về mỹ quan, như các cao ốc, toà nhà văn phòng, trung tâm thương mại...;

Một hạn chế của MBA kiểu đúc epoxy là việc chế tạo khuôn đúc tương đối phức tạp và tốn kém, do vậy MBA khô kiểu này chỉ phù hợp cho sản xuất số lượng lớn.

• MBA khô có dây quấn không đúc trong epoxy:

Cuộn dây của MBA được quấn theo kiểu liên tục hoặc quấn thành bánh. Khi quấn dây sẽ thực hiện cách điện của dây quấn luôn bằng các vật liệu cách điện cao thế như mica, polyimide. Sau khi quấn cuộn dây sẽ được tẩm sấy bằng sơn cách điện cấp F hoặc cấp H, tuỳ theo cấp cách điện của MBA.

13

Hình 1.2 MBA có dây quấn được quấn bằng giấy cách điện Nomex

MBA khô kiểu dây quấn không đúc trong epoxy cũng có những đặc điểm tương tự như MBA khô kiểu đúc epoxy, nhưng có một số điểm khác biệt sau đây:

Về ưu điểm:

+MBA khô kiểu không đúc trong epoxy rất thích hợp cho các thiết kế và chế tạo đơn lẻ, vì chế tạo cuộn dây không cần tới khuôn đúc với chi phí lớn như máy có cuộn dây đúc trong epoxy. Chính vì vậy mà máy có thể thiết kế linh hoạt hơn, phù hợp hơn với một số các đối tượng sử dụng đặc thù.

Về nhược điểm:

+Do hạn chế về đặc tính cách điện của vật liệu, MBA khô kiểu này chỉ áp dụng cho dãy điện áp bằng hoặc dưới 15kV.

+Khả năng chịu đựng dòng ngắn mạch không cao như máy kiểu đổ epoxy, do kết cấu cuộn dây không vững chắc bằng.

+Bề mặt cuộn dây có tính chất xù xì, không nhẵn, dễ dàng tạo điều kiện tích tụ bụi bẩn, gây khó khăn khi bảo dưỡng máy, dễ tạo đường lan truyền cho phóng điện bề mặt. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Chính vì những hạn chế trên mà hiện nay MBA khô kiểu dây quấn không đúc trong epoxy này dần ít được sử dụng.

Qua những phân tích ở trên, cho đến thời điểm hiện tại, trên thị trường hiện nay phổ biến dạng MBA khô đúc Epoxy. Hạn chế duy nhất của MBA kiểu này là giá thành của máy tương đối cao so với loại đúc epoxy. Tuy nhiên theo đánh giá chung