8. Cấu trúc nội dung của luận án
2.3 Vật liệu làm mạch từ
2.3.1 Đặc điểm của thép kỹ thuật điện
Các vật liệu từ có từ tính mạnh yếu khác nhau, được phân loại theo cấu trúc và tính chất từ gồm: Chất nghịch từ, chất thuận từ, chất sắt từ, chất phản sắt từ và chất feri từ (feri từ có tên gọi xuất phát từ nhóm vật liệu ferrite). Vật liệu sắt từ thường được phân chia theo khả năng từ hóa và khử từ thành 2 loại là vật liệu từ cứng và vật liệu từ mềm. Vật liệu từ cứng là các loại vật liệu sắt từ khó từ hóa và khó khử từ, có
lực kháng từ Hc cao. Ngược lại, với vật liệu từ mềm, dễ từ hóa và dễ khử từ.
Cũng giống như MBA, mạch từ của cuộn kháng điện được ghép bởi các lá thép kỹ thuật điện, thuộc loại vật liệu từ mềm. Các thông số điện từ của cuộn kháng điện phụ thuộc vào đặc tính của loại
thép kỹ thuật điện được sử dụng. Một trong những đặc tính từ của vật liệu sắt từ là đường cong từ hóa, thể hiện mối quan hệ giữa cường độ từ trường H và mật độ từ thông B, theo quan hệ phi tuyến như mô tả trên Hình 2.1. Cường độ từ trường H phụ thuộc vào dòng điện và số vòng dây quấn.
Mối quan hệ giữa H và B thể hiện qua phương trình:
T ừ th ẩm , từ c ảm B (2.16) (2.15) Từ thẩm Cường độ từ trường H
Hình 2.1 Đường cong từ hóa
Đường cong từ hóa
B = μrμ0H Trong đó:
μ0 = 4 .10-7 H/m là hằng số từ hay độ từ thẩm chân không. μr: là độ từ thẩm tương đối của vật liệu sắt từ
Từ thẩm của vật liệu sắt từ μ = μrμ0 được xác định theo tỉ lệ B và H, không phải là một hằng số mà thay đổi theo giá trị cường độ từ trường khi làm việc.
Phương trình (2.13) cũng có thể được biểu diễn thông qua độ phân cực từ J: B = μ0H + J (2.14) Độ phân cực từ J được xác định thông qua độ từ thẩm chân không μ0 và từ
độ hay độ từ hóa M của vật liệu theo phương trình: J= μ0M
Quan hệ giữa các đại lượng từ cảm B với H và M theo phương trình: B = μ0(H+M)
Độ cảm từ m đặc trưng cho khả năng từ hóa của vật liệu từ, được xác định qua tỉ lệ giữa M và H:
=
Vật liệu sắt từ có độ từ thẩm tương đối và độ cảm từ rất lớn μr >>1, m >> 0, là loại vật liệu từ mạnh, trong chúng luôn tồn tại các mômen từ tự phát, sắp xếp một cách có trật tự theo cùng một hướng. Theo lý thuyết Weiss về bản chất từ tính của sắt từ, vật liệu sắt từ được chia nhỏ thành các đômen từ [65] có mômen từ song song với nhau, nhưng các đômen từ khác nhau có thể có mômen từ có hướng khác nhau. Cấu
21
trúc đômen từ của vật liệu sắt từ đơn tinh thể được công bố bởi nhóm tác giả trong công trình [66]. Ở trạng thái khử từ, chiều của mômen từ trong các đômen sắp xếp sao cho thỏa mãn các điều kiện: triệt tiêu từ độ và cực tiểu hóa năng lượng tổng cộng trong vật sắt từ nên tổng các mômen từ của cả vật sắt từ bằng không.
Hình 2.2 minh họa quá trình hình thành các vách đômen khi cực tiểu hóa năng lượng và tăng số lượng đômen. Kích thước
và số lượng các đômen phụ thuộc vào loại vật liệu, kích thước và hình dạng của vật sắt từ. Các véc tơ mômen từ định hướng đối song song từng cặp dẫn đến từ độ của toàn vật bằng không. Vách đômen là vùng chuyển tiếp ngăn cách giữa 2 đômen từ liền kề nhau, được gọi là vách Bloch như mô tả trên Hình 2.3. Trong đó, mômen từ biến đổi về chiều dần dần từ đômen này tới
đômen kia.
Lý thuyết về đômen từ được áp dụng để giải thích về đường cong từ hóa và chu trình từ trễ [67], [68]. Khi từ hóa các chất sắt từ qua từ trường ngoài, cấu trúc đômen sẽ bị thay đổi, ban đầu sẽ là quá trình dịch chuyển của các vách ngăn. Các vùng có mômen từ hướng gần trùng với từ trường ngoài H lớn dần lên còn các vùng mà mômen từ của chúng không trùng với phương từ hóa thì thu hẹp dần và biến mất, khi từ trường từ hóa tăng dần lên
như được mô tả trên các phân đoạn I đến V trên Hình 2.4. Đến khi từ trường từ hóa H đủ lớn, sẽ chỉ còn các vùng có mômen từ gần trùng với phương của H. Như mô tả ở phân đoạn V, nếu tiếp tục tăng cường độ từ trường ngoài thì các mômen từ này sẽ thực hiện quá trình quay để định
Hình 2.3 Sự xoay hướng của vectơ mômen từ trong vách Bloch giữa hai đômen
Hình 2.4 Đường cong từ hóa và chu trình từ trễ của vật liệu sắt từ [68]
22
download by : skknchat@gmail.com
Hình 2.2 Quá trình hình thành các
vách đômen [65]
Tăng số lượng đômen Cực tiểu năng lượng
hướng hoàn toàn song song và cùng chiều với từ trường từ hóa, lúc này từ độ của mẫu đạt tới giá trị bão hòa. Sự biến đổi khác nhau về đômen từ trong quá trình từ hóa tạo nên các cơ chế từ hóa và các tính chất từ khác nhau của mỗi loại vật liệu sắt từ.
Ở tất cả các chất sắt từ đều biểu hiện tính từ dư [65]. Tức là sau khi được từ hóa, nếu ngắt từ trường ngoài (H = 0) thì sắt từ vẫn còn giữ được từ tính có độ từ dư Br như trên Hình 2.4. Đường nét đứt mô tả vòng từ trễ của vật liệu sắt từ.
2.3.2 Đặc tính tuyến tính
Đặc tính từ của cuộn kháng điện phụ thuộc vào vật liệu điện từ dùng để chế tạo mạch từ, là quan hệ giữa từ thông móc vòng trên dây quấn với dòng điện. Đặc tính từ của cuộn kháng điện có thể là đặc tính tuyến tính như mô tả trên Hình 2.5a,
đặc tính phi tuyến như Hình 2.5b hay đặc tính bão hòa như Hình 2.5c [16].
(a)
Hình 2.5 Các kiểu đặc tính từ của cuộn kháng điện [16]
Để có đặc tính tuyến tính như trên Hình 2.5a thì cuộn kháng này không sử dụng vật liệu sắt từ và có giá trị điện kháng không đổi, coi là hằng số khi có sai số trong giới hạn cho phép của giá trị điện kháng được quy định cụ thể trong tiêu chuẩn IEC 60076-6 [16], nằm trong khoảng ±5% giá trị điện kháng tại điện áp định mức. Cuộn kháng này thường là cuộn kháng khô lõi không khí mắc nối tiếp trên lưới điện
để hạn chế dòng điện ngắn mạch. Cuộn kháng có đặc tính phi tuyến và đặc tính bão hòa như trên Hình 2.5b và Hình 2.5c
đều có cấu trúc mạch từ làm bằng vật liệu sắt từ. Với cuộn kháng có đặc tính như
Hình 2.5c là cuộn kháng bão hòa, cuộn kháng này được thiết kế để có điện kháng thay đổi theo điện áp hay dòng điện khi
hoạt động, như cuộn kháng mắc nối tiếp trên đường dây để điều chỉnh dòng công suất qua các nhánh [69], thông qua việc thay đổi điện kháng có thể thay đổi được tổng trở
23
download by : skknchat@gmail.com
của đường dây. Cuộn kháng có dạng đặc tính phi tuyến như Hình 2.5b có đoạn đặc tính tuyến tính phụ thuộc vào vật liệu điện từ dùng để chế tạo mạch từ. Khi làm việc ở vùng tuyến tính này điện kháng có giá trị
không đổi. Các thông số của đặc tính phi tuyến được mô tả trên Hình 2.6, đường thẳng a tiếp tuyến với đoạn tuyến tính của đường cong từ hóa cắt đường thẳng b là đường tiếp tuyến với đoạn bão hòa tại điểm k, gọi là điểm bão hòa. Góc 1 và 2 tương
Hình 2.7 Quan hệ điện áp và dòng điện
ứng là góc dốc của đoạn đặc tính tuyến tính
trên cuộn kháng
và đoạn đặc tính bão hòa. Các CKBN dùng
trong lưới điện cao áp và siêu cao áp có dạng đặc tính này, làm việc ở vùng tuyến tính nên là cuộn kháng tuyến tính. Thông thường, vai trò của CKBN trên lưới điện cao áp và siêu cao áp để tránh quá áp gây ra bởi dung dẫn đường dây khi không tải hoặc tải nhỏ, do đó cần tính chọn thông số cuộn kháng đảm bảo vùng làm việc tuyến tính ở giá trị điện áp lớn nhất của lưới điện. Giá trị điện áp đảm bảo cho cuộn kháng làm việc ở vùng tuyến tính càng cao hơn so với giá trị điện áp định mức thì tiết diện mạch từ cần lớn hơn hay thể tích khe hở lớn hơn để tránh bão hòa mạch từ. Đặc tính tuyến tính của cuộn kháng điện cũng có thể mô tả qua đặc tính quan hệ giữa điện áp và dòng điện trên cuộn kháng như Hình 2.7. Các nhà chế tạo cuộn kháng cần tính toán thiết
kế các thông số sao cho cuộn kháng làm việc ở đoạn đặc tính tuyến tính, dòng điện trên dây quấn tăng tỉ lệ thuận với điện áp đặt vào, thường chọn điện áp đến 1,1 lần điện áp lớn nhất của lưới điện. Ở ví dụ đường đặc tính trên
Hình 2.7, CKBN có đặc tính tuyến tính khi
điện áp đạt đến cỡ 1,3 lần điện áp định mức.
2.3.3 Vai trò của khe hở trên trụ của CKBN
Đặc điểm cấu tạo của CKBN cũng có những phần tương tự với MBA điện lực như dây quấn, mạch từ, cấu trúc cách điện hay vỏ máy nên có thể chế tạo sản xuất tại các nhà máy
chế tạo MBA. Việc tính toán cũng có nhiều phần giống như tính toán MBA. Tuy nhiên
24
khác biệt chính ở CKBN so với MBA thông thường là ở phần dây quấn và mạch từ: dây quấn cuộn kháng mỗi pha chỉ có một cuộn dây nên khi làm việc, toàn bộ dòng điện trên dây quấn là dòng từ hóa. Để CKBN nhận vào công suất phản kháng đủ lớn theo yêu cầu từ lưới điện, kích thước máy phù hợp, cần tăng từ trở bằng cách thêm khe hở trên mạch từ qua đó tăng năng lượng tích trữ khu vực khe hở. Các khe hở được bố trí trên trụ, ngăn cách các khối trụ thường bằng các tấm vật liệu phi từ tính, ví dụ như ceramic. Sức từ động tỉ lệ với dòng điện và số vòng dây quấn hay tỉ lệ với từ thông và từ trở. Khi thêm khe hở trên trụ sẽ thay đổi đặc tính B(H) của mạch từ, tăng được giá trị dòng điện trên dây quấn hay tăng cường độ từ trường tại mức bão hòa mạch từ như mô tả trên Hình 2.8 [70] .