8. Cấu trúc nội dung của luận án
3.5 Nghiên cứu xác định điện cảm rò trong CKBN
Trong vùng làm việc tuyến tính điện kháng hay điện cảm có giá trị không đổi, dòng điện định mức tại điện áp định mức:
=
đ
3.4.1.2 Xác định thể tích khe hở trên trụ
Như đã trình bày, cần tăng từ trở mạch từ bằng cách thêm khe hở trên trụ, qua đó tăng năng lượng tích trữ khu vực khe hở. Thể tích của phần khe hở cần thêm vào mạch từ là thông số quan trọng cần tính toán, có thể được xác định thông qua các phương trình dựa trên mô hình mạch từ. Thể tích khe hở phụ thuộc vào các thông số chính của cuộn kháng như công suất phản kháng, từ cảm mạch từ, tần số lưới điện.
Với mạch từ của CKBN có từ cảm trong vùng tuyến tính của đường cong từ hóa, vì từ thẩm rất lớn nên từ trở lõi thép Rc rất nhỏ so với từ trở khe hở, do đó có thể coi Rc 0, có quan hệ giữa sức từ động F với từ thông chính trong mạch từ m và từ trở khe hở:
= . = .
Trong đó, Rg là từ trở phần khe hở trên trụ, xác định theo phương trình: 1 (3.8)=0.
Từ (3.7) và (3.8) xác định được quan hệ giữa dòng điện trên dây quấn với thông số khe hở trên trụ:
54
Trong đó: Bmax là giá trị từ cảm cực đại, được xác định từ đường cong từ hóa của vật liệu làm mạch từ.
Quan hệ giữa sức điện động cảm ứng trên dây quấn với thông số mạch từ theo phương trình:
= (
2
√2
Từ (3.9) và (3.10) xác định được thể tích của khe hở theo phương trình:
= . =
Từ phương trình (3.11) có thể thấy, với công suất phản kháng và tần số của lưới điện đã có, thể tích khe hở cần thêm vào trên trụ của CKBN phụ thuộc vào từ cảm cực đại được lựa chọn. Cùng giá trị thể tích khe hở trên trụ, để giảm chiều dài khe hở lg, cần tăng tiết diện khe hở Ag, hay chính là tăng tiết diện của trụ, do đó sẽ thay đổi thể tích mạch từ và số vòng dây quấn. Kích thước tổng thể của CKBN sẽ thay đổi theo tỷ lệ giữa tiết diện và chiều dài khe hở Ag/lg được lựa chọn.
Từ tỉ lệ Ag/lg được lựa chọn và thể tích khe hở có được từ phương trình
(3.11), xác định được tiết diện khe hở và chiều dài tổng của khe hở:
=√ .
=
3.4.1.3 Xác định số vòng và kích thước dây quấn khi bỏ qua từ thông tản
Năng lượng chủ yếu tập trung ở khu vực khe hở giữa các khối trụ, thông qua điện cảm và từ trở khe hở có thể tính toán được số vòng dây quấn. Điện cảm khe hở được xác định qua điện cảm tổng của cuộn kháng và điện cảm rò, điện cảm rò được tính chọn sơ bộ qua tỷ lệ % so với điện cảm tổng.
= −
Điện kháng khe hở và sức điện động tương ứng:
= 2 . . ; E = .
=
Thay (3.16) vào (3.9) được:
55
=
Khi chưa xét tới ảnh hưởng của từ thông tản xung quanh khe hở, từ (3.15) và
(3.17) xác định được quan hệ giữa số vòng dây quấn với điện cảm khe hở và từ trở khe hở:
=
2
Thay Rg từ phương trình (3.8) vào (3.18) xác định được số vòng dây quấn sơ bộ:
= √
Tiết diện dây quấn được xác định theo công thức:
=
Trong đó: j là mật độ dòng điện.
Tiết diện cuộn dây trong cửa sổ mạch từ được xác định theo công thức: =
Trong đó: ku là hệ số điền đầy dây quấn trong cửa sổ mạch từ. Thay (3.19) và (3.20) vào (3.21) nhận được:
=đ
j.
Từ tiết diện cuộn dây, xác định được kích thước chiều cao Hw và chiều rộng Ww cuộn dây trong cửa sổ mạch từ. Khi tiết diện Aw không đổi, hình dáng cuộn dây sẽ thay đổi theo tỷ lệ giữa chiều cao và chiều rộng cuộn dây Hw/Ww được lựa chọn, tỉ lệ này quyết định đến hình dáng tổng thể của CKBN. Chiều cao cuộn dây tính từ tiết diện và tỉ lệ hình dáng cuộn dây:
=√ .
Sau khi có thông số kích thước khe hở và dây quấn, phần này sẽ xác định kích thước mạch từ gồm gông và các khối trụ.
56
Các khối trụ giữa của CKBN được lồng dây quấn bên ngoài, nên để giảm chu
vi trung bình vòng dây thường chọn trụ giữa có tiết diện tròn, đường kính được tính từ tiết diện theo công thức:
= √
4.
Các khoảng cách cách điện từ dây quấn đến trụ bcw, từ dây quấn đến gông byw được xác định theo điện áp thử.
Chiều cao tổng của trụ giữa gồm các khối trụ và khe hở giữa các khối trụ:
= +2.
Khi chia nhỏ khe hở có chiều dài tổng lg thành g khe hở nhỏ hơn phân bố trên trụ giữa, chiều cao mỗi khối trụ ở trụ giữa xác định theo công thức:
ℎ
1
Ngoài phần trụ giữa gồm các khối trụ có tiết diện tròn, các phần mạch từ còn lại như phần gông trên, gông dưới và hai trụ ngoài do không quấn dây nên chọn tiết diện chữ nhật. Chiều sâu của gông và hai trụ ngoài có thể lấy bằng đường kính của trụ giữa:
=
Tiết diện gông và trụ ngoài bằng một nửa tiết diện trụ giữa, từ đó chiều cao gông trên, gông dưới và chiều rộng của hai trụ bên xác định theo công thức:
=
Chiều dài gông trên và gông dưới:
=2. + +2 +4.
3.4.1.5 Xác định số vòng dây quấn khi kể đến ảnh hưởng của từ thông tản
Như mô tả trên Hình 2.23 xuất hiện thành phần từ thông tản xung quanh khe hở trên trụ, lan ra khỏi các khối trụ và quay về các khối trụ lân cận làm tăng từ dẫn phần khe hở, do đó làm tăng điện cảm tổng và giảm công suất phản kháng nhận từ lưới điện. Phần này sẽ tính toán điều chỉnh số vòng dây quấn khi xét tới ảnh hưởng của từ thông tản nhằm đạt được điện cảm và từ đó đạt được công suất theo yêu cầu.
57
Từ dẫn ứng với từ thông tản xung quanh khe hở được xác định theo công thức (2.36) với trụ có tiết diện tròn:
1
Trong đó: l1g = lg/g là chiều dài mỗi khe hở trên trụ. Từ dẫn của mỗi khe hở không khí trên trụ:
1
Từ dẫn của khe hở khi kể đến ảnh hưởng của từ thông tản xung quanh khe hở:
=
Từ đó xác định được số vòng dây quấn khi kể đến từ dẫn lõi thép và từ dẫn khe hở có xét đến ảnh hưởng của
từ trường tản xung quanh khe hở:
= √
3.4.2 Mô hình mô phỏng
Thông qua các thông số kích thước của CKBN đã được xác định sơ bộ từ phương pháp giải tích, bước tiếp theo thực hiện thiết lập và dựng mô hình CKBN qua đó thực hiện mô hình hóa và mô phỏng bằng phương pháp PTHH để hiệu chỉnh thông số thiết kế nhằm đạt được điện cảm hay công suất theo yêu cầu với dung sai cho phép quy định trong tiêu chuẩn IEC 60076-6 [16]. Lưu đồ tính toán mô phỏng và điều chỉnh thông số được thể hiện như trên Hình 3.19. Trên lưu đồ Hình 3.19, sai lệch điện cảm tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể hoặc theo các tiêu chuẩn hiện hành.
Hình 3.19 Lưu đồ tính toán mô phỏng
bằng phương pháp PTHH
58
Theo tiêu chuẩn IEC 60076-6 [16], sai số cho phép của giá trị điện cảm so với yêu cầu là 5%.
Mô hình ½ CKBN một pha được thiết lập như trên Hình 3.20.
Hình 3.20 Mô hình CKBN một pha
Để thuận lợi cho việc thay đổi kích thước của mô hình cho các CKBN có thông số công suất và điện áp khác nhau, luận án thực hiện tạo bộ biến như trên
Hình 3.21 và gán thông số vị trí, kích thước các phần tương ứng trên mô hình cuộn kháng qua bộ biến này.
Hình 3.21 Bộ biến dựng mô hình CKBN
Mạch từ được ghép bằng các lá thép kỹ thuật điện mã hiệu M3 hãng AK Steel [95] có đặc tính thể hiện trong Phụ lục 2.
Thông qua phương pháp giải tích và thực hiện hiệu chỉnh trên mô hình mô phỏng nhằm đạt điện cảm hay công suất theo yêu cầu, luận án thực hiện tính toán và đưa ra thông số của CKBN một pha công suất 35 MVAr, trong tổ CKBN ba pha tổng công suất sẽ là 105 MVAr dùng trong lưới điện 500 kV như thể hiện trong
Bảng 3.9. Thông số kích thước của một số trường hợp với tỉ lệ Ag/lg khác nhau được xác định và tổng hợp trong Phụ lục 3.
59
Bảng 3.9 Thông số chính CKBN một pha công suất 35 MVAr Thông số Công suất phản kháng Điện áp định mức Dòng điện định mức Điện cảm tổng Đường kính trụ Chiều cao trụ
Tổng chiều dài khe hở trên trụ Số vòng dây quấn
Chiều rộng dây quấn Chiều cao dây quấn
Giá trị điện cảm tổng tính qua năng lượng được so sánh với giá trị theo yêu cầu tính qua giải tích thể hiện trên Bảng 3.10.
Bảng 3.10 Sai số điện cảm giữa hai phương pháp của CKBN một pha 35 MVAr
Thông số
Điện cảm tổng L (H)
Luận án tiếp tục thực hiện tính toán mô phỏng tương tự cho các CKBN khác, kết quả thông số kích thước của các CKBN một pha có công suất 50/3 MVAr, 64/3 MVAr, 80/3 MVAr, 128/3 MVAr, 190/3 MVAr, 260/3 MVAr và 330/3 MVAr dùng trong lưới điện cao áp 110 kV, 220 kV và siêu cao áp 500kV theo tổ ba cuộn kháng một pha thể hiện trong Phụ lục 3. Kết quả nhận được trong các tính toán này sẽ giúp có được thông số kích thước của mô hình đối tượng để thực hiện các nghiên cứu phân tích trong những nội dung tiếp theo.
3.5 Nghiên cứu xác định điện cảm rò trong CKBN
Điện cảm rò là một trong những thành phần điện cảm cần được xác định ngay tại những bước đầu khi tính toán thông số CKBN. Trên lưu đồ Hình 3.18 cho thấy, thông số dây quấn của CKBN được xác định thông qua thành phần điện cảm khe hở trên trụ, tổng thành phần điện cảm này cùng với điện cảm tản xung quanh khe hở và
điện cảm rò là điện cảm tổng của CKBN. Điện cảm tổng dễ dàng xác định được từ công suất yêu cầu và điện áp lưới điện, do đó xác định được giá trị hay tỷ lệ giữa điện
60
cảm rò so với điện cảm tổng là cần thiết đối với các nhà nghiên cứu, thiết kế hay chế tạo CKBN. Đây là một trong những đại lượng chính cần lựa chọn sơ bộ trong quá trình tính toán giải tích, giá trị phần trăm điện cảm rò chọn sơ bộ càng chính xác sẽ giúp giảm số lượng mô hình ảo đối tượng khi thực hiện nghiên cứu.
Tương ứng với từng CKBN có công suất, điện áp và các thông số kích thước đã xác định được ở nội dung trước và được tổng hợp trong Phụ lục 3, luận án thực hiện xác định các thành phần điện cảm thông qua năng lượng, từ đó đưa ra quan hệ giữa tỉ lệ giá trị điện
cảm rò so với điện cảm tổng ứng với các giá trị công suất tại từng cấp điện áp như thể hiện trên
Hình 3.22.
điện cảm tổng tăng. Từ kết quả nhận được, tác giả thiết lập đa thức là hàm quan hệ giữa % điện cảm rò theo công suất và điện áp, thông qua phương pháp nội suy Lagrange. Theo lý thuyết nội suy Lagrange [96], có thể xác định được đa thức P(x) có bậc nhỏ hơn hoặc bằng n thỏa mãn các điều kiện P(xi) = yi với i từ 1 đến n+1. Chi tiết phương pháp nội suy Lagrange mô tả trong Phụ lục 4. Công thức tổng quát như phương trình:
+1
()=∑ ∏
=1 ≠
Áp dụng công thức (3.35) thông qua công cụ Matlab dựng được đa thức quan hệ giữa tỉ lệ điện cảm rò theo công suất và các cấp điện áp 110 kV, 220 kV, 500 kV:
% = ( , ) = (−9,913. 10−10. 2 + 6,116. 10−7. − 3,451. 10−4). 2 (3.36) + (1,329. 10−7.2 − 8,83. 10−5. + 9,037. 10−2). − (9,008. 10−7.2 + 3,002. 10−5. − 8,289) 61 download by : skknchat@gmail.com
Đa thức (3.36) giúp dễ dàng xác định % điện cảm rò tại các giá trị công suất và điện áp khác nhau. Thêm nữa, điện cảm rò phụ thuộc đáng kể vào hình dáng cao thấp của mạch từ hay cửa sổ mạch từ. Theo phương pháp tính toán kích thức mạch từ cho thấy, hệ số hình dáng dây quấn kw trong cửa sổ mạch từ quyết định đến hình dáng tổng thể
Hình 3.23 Thiết lập thay đổi giá trị hệ số hình dáng dây quấn
của mạch từ. Tại mỗi CKBN có công suất và điện áp khác nhau, luận án thực tính toán điện cảm rò với các giá trị kw thay đổi từ 4 đến 12 với bước thay đổi 0,2 như giá trị thiết lập trên Hình 3.23.
tỉ lệ giá trị điện cảm rò so với điện tổng ứng với hệ số hình dáng dây quấn kw khác nhau cho một số cấp công suất trên lưới điện cao áp và siêu cao áp thể hiện
trên các Hình
Hình 3.25 và
3.26. Từ kết quả đạt được, tương tự, luận án thiết lập đa thức
quan hệ giữa tỉ lệ điện cảm rò Ll theo hệ số hình dáng dây quấn khi thay đổi từ 4 đến 12 tại các dải công suất khác nhau trên lưới điện cao áp 110 kV:
% (110 ) = ( , ) = (−7,313. 10−6. 2+ 14,22. 10−4. + 105,7. 10−3).2 (3.37) + (16,5. 10−5. 2 − 0,033 71. − 2,536 ). + (−12, 32. 10−4. 2 + 0,268 9. + 19,77 )
Với U = 110 kV; kw = 4 12; Q = 50/3 MVAr 330/3 MVAr. Kết quả tính từ đa thức có giá trị sai khác trung bình 1,9% so với đặc tính trên Hình 3.24.
62
download by : skknchat@gmail.com
Hình 3.26 Quan hệ giữa Ll/Ltot theo hệ số kw tại các cấp công suất khác nhau trên lưới điện 220 kV
Tương tự, đa thức quan hệ giữa tỉ lệ điện cảm rò theo hệ số hình dáng dây quấn và công suất của CKBN trên lưới điện cao áp 220 kV:
% (220 ) = ( , )
= (−8,258. 10−6.2 + 14,75. 10−4. + 97,92. 10−3).2 + (17,68. 10−5.2 − 0,0338. − 2,387). + (−12,53. 10−4.2 + 0,2648. + 19,01)
Với U = 220 kV; kw = 4 12; Q = 50/3 MVAr 330/3 MVAr. Kết quả tính từ đa thức có giá trị sai khác trung bình 1,8% so với đặc tính trên Hình 3.25.
Hình 3.25 Quan hệ giữa Ll/Ltot theo hệ số kw tại các cấp công suất khác nhau trên lưới điện 500 kV
63
Đa thức quan hệ giữa tỉ lệ điện cảm rò theo hệ số hình dáng dây quấn và công suất của CKBN trên lưới điện siêu cao áp 500 kV:
% (500 ) = ( , )
= (−7,277. 10−6.2 + 13,36. 10−4. + 97,43. 10−3).2 + (16,12. 10−5.2 − 0,0316. − 2,361). + (−11,73. 10−4.2 + 0,2531. + 18,86)
Với U = 500 kV; kw = 4 12; Q = 50/3 MVAr 330/3 MVAr. Kết quả tính từ đa thức có giá trị sai khác trung bình 1,8% so với đặc tính trên Hình 3.26.
Các kết quả đạt được thể hiện trên đặc tính Hình 3.24, Hình 3.25 và Hình 3.26
hay qua các đa thức quan hệ giữa tỉ lệ điện cảm rò theo hệ số hình dáng dây quấn tại các dải công suất khác nhau trên lưới điện cao áp và siêu cao áp giúp các nhà nghiên cứu, thiết kế và các hãng chế tạo có cơ sở lựa chọn tra cứu giá trị điện cảm rò Ll (%) khi tính toán thiết kế, qua đó giảm số lượng mô hình đối tượng ảo cần thực hiện.
3.6 Kết luận chương
Trong chương này, luận án thực hiện mô hình hóa và mô phỏng CKBN ba pha có công suất Qđm = 91 MVAr, kết quả được so sánh với giá trị định mức và so với các kết quả đo thực nghiệm được thực hiện tại tổng công ty Thiết bị điện Đông Anh EEMC có sai số chấp nhận được, điều đó cho thấy tính đúng đắn của mô hình nghiên cứu. Trên cơ sở này, trong các nội dung tiếp theo, luận án tiếp tục sử dụng phương pháp PTHH để nghiên cứu, phân tích, đánh giá đặc tính điện từ của CKBN. Tiếp theo, luận án xác định thông số kích thước CKBN kết hợp giữa mô hình giải tích và mô hình mô phỏng, đưa ra kết quả của các CKBN một pha có công suất khác nhau dùng trong lưới điện cao áp và siêu cao áp theo tổ ba cuộn kháng một pha, thể hiện trong Phụ lục 3. Cũng trong chương này, luận án thực hiện nghiên cứu và xây