22 Mô hình nghiên cứu các kiểu ghép lá thép trụ

lá thép trụ

Để nghiên cứu xác định kiểu ghép lá thép phù hợp áp dụng cho các khối trụ của CKBN, luận án phân tích phân bố từ cảm trên các khối trụ với các kiểu ghép khác nhau, thực hiện mô hình hóa và mô phỏng CKBN bằng phương pháp PTHH với

CKBN một pha có công suất 35 MVAr, dùng trong tổ ba cuộn kháng một pha trên

lưới điện 500 kV Kích thước mạch từ và dây quấn thay đổi theo hệ số hình dáng khe

hở kg = Ag/lg được lựa chọn, trong nghiên cứu này, luận án xét bộ thông số kích thước

của CKBN với trường hợp tỉ lệ kg = 0,75; đường kính và chiều cao trụ Dc = 653 (mm), Hc = 1907 (mm); tổng chiều dài khe hở lg = 446 (mm); kích thước dây quấn Hw =

1637 (mm), Ww = 273 (mm); số vòng dây quấn N = 2262 (vòng)

Mô hình mạch từ của các kiểu ghép lá thép trụ như mô tả trên Hình 4 3 đều có chung cách ghép cho các phần gông trên, gông dưới và phần trụ hai bên Hướng ghép

lá thép của các phần này đều theo các trục tương ứng của hệ tọa độ Descartes toàn cục OXYZ như mô tả trong Bảng 4 1 Riêng các khối trụ ở các kiểu ghép khác nhau,

tùy theo kiểu ghép lá thép mà ta cần tạo các hệ tọa độ cục bộ để chia các khối trụ thành các phần tương ứng, từ đó xác định hướng ghép lá thép trên các phần của khối trụ

Ở kiểu khép thứ nhất trên Hình 4 3a, các lá thép được ghép xếp lớp có hướng ghép lá thép theo trục Y của hệ tọa độ toàn cục, ở kiểu ghép thứ hai và

Hình 4 4 Tạo hệ tọa độ tương đối “RelativeCS1”

kiểu ghép thứ ba cần tạo hệ tọa độ tương đối “RelativeCS1” dịch góc 450 quanh trục

Z của hệ tọa độ toàn cục, từ đó chia các khối trụ thành từng phần tương ứng nhằm

gán hướng ghép lá thép

Trên mỗi phần của khối trụ được gán đặc tính vật liệu và thiết lập hướng ghép

(a) Theo hệ tọa độ Global (b) Theo hệ tọa độ RelativeCS1

Hình 4 5 Chia khối trụ thành từng phần

lá thép ứng với kiểu ghép thứ hai và kiểu ghép thứ ba theo hướng trục X hoặc trục Y của hệ tọa độ toàn cục “Global” và hệ tọa độ tương đối “RelativeCS1”

Ở kiểu ghép thứ tư, các lá thép được ghép dạng hình quạt hướng kính xoay quanh trục Z nên cần thiết lập hệ tọa độ trụ khi khai báo vật liệu và xác định hướng ghép theo hệ tọa độ trụ này

4 2 3 Phân tích phân bố từ cảm với các kiểu ghép lá thép trụ

Thực hiện nghiên cứu phân bố từ cảm ứng với từng kiểu ghép các lá thép trụ như mô tả trên Hình 4 3 và Bảng 4 1 Khi thiết lập mô hình mô phỏng, giữ nguyên các thông số kích thước, điều kiện biên hay nguồn cấp như nhau trong từng trường hợp tương ứng các cách ghép trụ Kết quả phân bố từ cảm trên các khối trụ ứng với các kiểu ghép lá thép trụ khác nhau thể hiện trên Hình 4 6

Hình 4 6 cho thấy, từ cảm phân bố không đồng đều trên các khối trụ, từ cảm xung quanh khối trụ lớn hơn trong lòng khối trụ và có sự chênh lệch lớn giữa các kiểu ghép trụ khác nhau Sự chênh lệch này là do cấu trúc mạch từ của CKBN có khe hở ngăn cách giữa các khối trụ nên xuất hiện thành phần từ thông tản xung quanh khe hở hướng vào lá thép theo các phương khác nhau Phân bố từ cảm trên khối trụ mô tả trên Hình 4 6a tương ứng với kiểu ghép xếp lớp trên Hình 4 3a, kiểu ghép này giống như cách ghép truyền thống ở MBA, thành phần từ thông tản hướng vào các lá thép ở vùng 1 theo phương RD, TD và hướng vào lá thép ở vùng 2 theo phương LD gây nên chênh lệch từ cảm lớn giữa vùng 2 với vùng 1 và trong lòng của khối trụ Chênh lệch từ cảm giảm dần theo các kiểu ghép theo hình Hình 4 3b, Hình 4 3c, Hình 4 3d, kết quả tương ứng như mô tả trên Hình 4 6b, Hình 4 6c và Hình 4 6d Từ kết quả phân bố từ cảm này cho thấy, mặc dù cách ghép xếp lớp như kiểu 1, mô tả trên Hình 4 3a,

1 2 -a- Kiểu 1 -c- Kiể u 3 -b- Kiểu 2 -d- Kiểu 4 Hình 4 6 Phân bố từ cảm trên khối trụ với các kiểu ghép lá thép

thường được áp dụng để ghép mạch từ cả phần trụ và gông của MBA nhưng không

phù hợp cho các khối trụ của CKBN có công suất lớn dùng trong lưới điện cao áp

Cách ghép lá thép hướng kính theo hình quạt xung quanh trục Z như kiểu 4 trên Hình 4 3d sẽ tránh được thành phần từ thông tản hướng vào lá thép theo phương LD, nên

phân bố từ cảm đồng đều hơn so với các phương pháp ghép lá thép còn lại Mặc dù

từ cảm phân bố không đồng đều giữa các kiểu ghép lá thép, giá trị từ thông và từ cảm

trung bình trên bề mặt khối trụ tương đối giống nhau giữa các kiểu ghép lá thép, kết

quả thể hiện trong Bảng 4 2

Bảng 4 2 Từ thông và từ cảm trung bình trên bề mặt khối trụ

70 Các kiểu ghép lá thép Từ thông qua bề mặt khối trụ (Wb) Từ cảm trung bình trên bề mặt khối trụ (T) Kiểu 1 0,2955 0,8825 Kiểu 2 0,2932 0,8757 Kiểu 3 0,2941 0,8782 Kiểu 4 0,2936 0,8768

Giá trị từ cảm trên đoạn Y1-Y2 giữa khối trụ ứng với từng kiểu ghép được biểu thị trên Hình 4 7

Hình 4 7 Từ cảm trên đoạn Y1-Y2 giữa khối trụ với các kiểu ghép lá thép

Từ cảm trong lòng khối trụ cơ bản có giá trị như nhau với cả bốn cách ghép lá thép trụ Như đã phân tích kết quả phân bố từ cảm ở Hình 4 6 với cách ghép lá thép theo kiểu 4 ở Hình 4 3d, kiểu ghép lá thép trụ hướng kính theo hình quạt xung quanh trục Z có từ cảm phân bố đồng đều hơn trên khối trụ Với kiểu ghép này, từ cảm lớn nhất trên đoạn Y1-Y2 tại mặt ngoài khối trụ là 1,1835 (T), lớn hơn 38% so với giá trị trung bình đoạn xét trong khối trụ là 0,8574 (T)

Mặc dù kiểu ghép hình quạt như ở Hình 4 3d có từ cảm phân bố đồng đều hơn trên khối trụ so với ba kiểu ghép lá thép đầu, nhưng từ cảm xung quanh góc mép ngoài trên khối trụ vẫn lớn hơn phần còn lại như thể hiện qua giá trị từ cảm trên hai đoạn Y1-Y2 giữa khối trụ và đoạn Y3-Y4 trên mặt khối trụ thể hiện trên Hình 4 8

Để giảm chênh lệch từ cảm xung quanh góc mép các khối trụ, luận án đã thực hiện nghiên cứu mô hình trong trường hợp cắt vát góc các khối trụ với kích thước cắt vát 5mm, mô hình đối tượng sau khi cắt vát góc như mô tả trên Hình 4 9 Các lá thép trụ cũng được ghép theo hướng kính kiểu hình quạt xung quanh trục Z, là trục

của trụ

Hình 4 9 Mô hình CKBN một pha có các khối trụ được cắt vát góc

Phân bố từ cảm trên các khối trụ trong trường hợp cắt vát góc khối trụ so với trường hợp không cắt vát góc thể hiện trên Hình 4 10

(a) Không cắt vát (b) Cắt vát mép khối trụ

Hình 4 10 Phân bố từ cảm trên khối trụ trong trường hợp cắt vát mép khối trụ so với trường hợp không cắt vát

Kết quả phân bố từ cảm trên khối trụ Hình 4 10b cho thấy từ cảm phân bố đồng đều trên toàn bộ khối trụ Khi cắt vát góc cạnh mép xung quanh khối trụ, chênh lệch từ cảm ở vùng góc cạnh mép so với các vùng còn lại trên khối trụ giảm đáng kể, không còn vùng bị bão hòa mạch từ ở mép khối trụ như ở trường hợp không cắt vát góc khối trụ Hình 4 10a Giá trị từ cảm trung bình tại mặt trên khối trụ giảm còn 0,8248 (T), giảm 5,93% so với trường hợp không cắt vát góc khối trụ là 0,8768 (T) Phân bố từ cảm trên đoạn Y1-Y2 giữa khối trụ và trên đoạn Y3-Y4 sát mép vát cạnh như trên Hình 4 11

Hình 4 11 Từ cảm trên đoạn Y1-Y2 giữa khối trụ và trên đoạn Y3-Y4 sát mép vát cạnh

Kết quả nghiên cứu này cho ra bức tranh phân bố từ cảm trên các khối trụ ứng với từng kiểu ghép lá thép, từ đó có cơ sở lựa chọn được kiểu ghép phù hợp khi thiết kế chế tạo CKBN Kiểu ghép lá thép trụ hướng kính theo hình quạt xung quanh trục Z, là trục của các khối trụ, do tránh được thành phần từ thông tản hướng vào lá thép theo phương LD, nên phân bố từ cảm đồng đều hơn so với các phương pháp ghép lá thép còn lại, phù hợp để chế tạo các khối trụ CKBN dùng trong lưới điện cao áp và siêu cao áp Kiểu ghép này sau đó được cắt vát góc cạnh mép xung quanh khối trụ, cho kết quả phân bố từ cảm đồng đều hơn nữa so với trường hợp không cắt vát góc khối trụ

4 3 Nghiên cứu lực điện từ trên các khối trụ 4 3 1 Đặt vấn đề

Lực điện từ tác động lên các bộ phận, chi tiết kết cấu là nguồn gây ra rung ồn trên các thiết bị điện từ Mặc dù CKBN có cấu trúc tương đồng với MBA điện lực từ cấu trúc dây quấn, mạch từ đến cấu trúc vỏ máy và hệ thống cánh tản nhiệt, nhưng rung ồn trên CKBN cao hơn đáng kể so với MBA điện lực do các thành phần lực điện từ tác động lên các khối trụ được ngăn cách bởi các khe hở [86] Không gian khe hở ngăn cách giữa các khối trụ thường làm bằng đá, gốm hay các vật liệu không từ tính khác, đảm bảo độ cứng, chịu nhiệt và chịu lực điện từ xuất hiện giữa các khối trụ tác động lên

Để nghiên cứu lực điện từ tác động lên các khối trụ, ứng suất lực nén lên các tấm ngăn cách giữa các khối trụ, luận án thực hiện nghiên cứu trên mô hình CKBN một pha công suất 35 MVAr với trường hợp tỉ lệ kg = 0,75; đường kính và chiều cao trụ Dc = 653 (mm), Hc = 1907 (mm); tổng chiều dài khe hở lg = 446 (mm); kích thước dây quấn Hw = 1637 (mm), Ww = 273 (mm); số vòng dây quấn N = 2262 (vòng)

Thực hiện nghiên cứu đưa ra mối quan hệ giữa ứng suất lực với giá trị từ cảm trên trụ

4 3 2 Xác định lực điện từ

Lực điện từ tác động lên các khối trụ có thể được tính toán qua phương pháp giải tích hoặc tính qua tenxơ ứng suất Maxwell [97]

Phương pháp giải tích:

Phương pháp giải tích thường được áp dụng để xác định lực điện từ tác động lên các khối cấu trúc đơn giản, phân bố từ trường đồng đều Lực điện từ có thể được tính toán thông qua năng lượng Nếu tác động một lực vào khối có tiết diện Ac di chuyển đoạn ∆x, phần năng lượng gia tăng do công thực hiện của lực tác động lên đó được xác định theo công thức:

∆W = W ∆v = 1 �2

2 �0 (�� ∆x) (4 3)

Mối quan hệ giữa lực và phần năng lượng gia tăng được xác định theo công thức:

F= ∆W∆x = 1 �2 � (4 4)

Từ đó xác định được lực trên đơn vị diện tích bề mặt của khối xét:

F� = AF

� = 1 �2

2 �0 (N/m2) (4 5)

Biên độ từ cảm xác định thông qua công suất phản kháng, tần số lưới điện và thể tích khe hở theo phương trình:

�� = √ �

�0

�

� V�

(4 6)

Từ cảm trên trụ cũng có thể xác định qua sức từ động hay dòng điện với số vòng dây quấn và thông số khe hở:

� = �0

�

� l�

(4 7) Thay (4 7) vào (4 5), lực điện từ trên đơn vị diện tích bề mặt cũng có thể được xác định theo công thức:

� � �

2 l�

2

(N/m2) (4 8)

Phương trình (4 5) hoặc (4 8) được áp dụng để xác định lực điện từ trên bề mặt khối trụ có từ cảm phân bố đồng đều, tuy nhiên, phân bố từ cảm trên bề mặt khối trụ của CKBN không đồng đều nên thường tính toán qua các phương pháp PTHH

74

2 �0 �

Tenxơ ứng suất Maxwell:

Phương pháp Tenxơ ứng suất Maxwell được sử dụng rộng rãi để tính toán lực điện từ Lực điện từ trên mỗi đơn vị diện tích bề mặt khối trụ (N/m2) hay còn gọi là ứng suất lực, được xác định qua tenxơ ứng suất Maxwell, mô tả bằng ma trận vuông [3×3] biểu diễn như phương trình (4 9)

� = [ 1 2 �� �� ���� ���� 1 2 ���� �� �� ���� 2 ] (4 9)

Thông qua phương pháp này có thể đưa ra phân bố lực điện từ hay ứng suất lực trên bề mặt các khối trụ Sự phân kỳ của tenxơ ứng suất (f� ) được xác định qua mật độ lực trên mỗi đơn vị thể tích theo phương trình (4 10)a và lực tác động trên toàn bộ khối trụ được xác định theo phương trình (4 10)b

f� = ∇ ∙ � (a); �� = ∫�∇ ∙ ��� (b) (4 10)

Lực điện từ tác động trên bề mặt các khối trụ xác định theo phương trình dưới đây:

� = ∫ ��� (4 11)

�

Thành phần lực tiếp tuyến (Ft) tương ứng với lực hướng kính và thành phần lực pháp tuyến (Fn) tương ứng với lực hướng trục của lực điện từ trên một đơn vị diện tích bề mặt khối trụ có thể được biểu diễn thông qua các thành phần từ trường tiếp tuyến và pháp tuyến theo phương trình

�� = �� �� (a) � � 0 � 1 1 (b) (4 12) Thông qua phương pháp Tenxơ ứng suất Maxwell, luận án thực hiện nghiên cứu lực điện từ tác động trên các khối trụ, ứng suất lực trên bề mặt trên và dưới của khối trụ và trên các tấm ngăn cách giữa các khối trụ

4 3 3 Phân tích kết quả phân bố lực điện từ

Thông qua mô hình nghiên cứu, từ kết quả phân bố giá trị các thành phần pháp tuyến của từ cảm Bn và thành phần tiếp tuyến của cường độ từ trường Ht trên các bề mặt của các khối trụ, luận án thực hiện tính toán và đưa ra phân bố ứng suất lực trên bề mặt khối trụ như mô tả trên Hình 4 12

Kết quả phân bố ứng suất lực trên Hình 4 12 cho thấy, lực điện từ tác động lên các khối trụ tương tự như lực hút điện từ tác động lên phần động của nam châm điện, lực này có xu hướng tác động làm giảm chiều dài khe hở ngăn cách giữa các khối trụ

2 �0 � = ( �2 − � �2) �� �� − �� �� [�� ] �� �� �� − �� �� �� − ��

Hình 4 12 Phân bố ứng suất lực pháp tuyến trên bề mặt các khối trụ

Phân bố ứng suất lực trên hai đoạn Y1-Y2 và đoạn Y3-Y4 tương ứng thuộc bề mặt dưới của khối trụ trên và bề mặt trên của khối trụ dưới tiếp xúc với các tấm ngăn cách giữa trụ được thể hiện trên Hình 4 13

Hình 4 13 Phân bố ứng suất lực trên hai đoạn Y1-Y2 và Y3-Y4

Từ kết quả phân bố trên Hình 4 13 cho thấy, ứng suất lực trên hai đoạn xét có cùng độ lớn nhưng ngược chiều nhau Từ phân bố Hình 4 12 và kết quả trên Hình 4 13

nhận thấy, ứng suất lực xung quanh mép ngoài cùng trên mặt khối trụ lớn hơn đáng kể so với phần còn lại Thực hiện tương tự đối với tất cả các bề mặt khối trụ tiếp xúc với các tấm ngăn cách, thu được giá trị ứng suất lực hướng trục trung bình trên bề mặt từng khối trụ như đồ thị kết quả Hình 4 14

Hình 4 14 Ứng suất lực hướng trục trên bề mặt trên và dưới của các khối trụ

Trên Hình 4 14, các giá trị ứng suất lực hướng trục trung bình tác động lên các bề mặt phía trên của từng khối trụ mang giá trị dương, ngược lại, các giá trị ứng suất lực hướng trục trung bình tác động lên các bề mặt phía dưới của từng khối trụ mang giá trị âm Từ phân bố Hình 4 12 và kết quả trên Hình 4 14 nhận thấy, lực điện từ tác động lên bề mặt trên và dưới của mỗi khối trụ cùng phương nhưng ngược chiều nhau, có giá trị trung bình xấp xỉ nhau nên lực điện từ tác động lên cả khối trụ gần như bằng không

Các tấm ngăn cách đặt tại khe hở giữa các khối trụ tiếp xúc với bề mặt dưới của khối trụ trên và bề mặt trên của khối trụ dưới, do đó sẽ chịu tác động của hai thành phần lực cùng phương ngược chiều Các tấm ngăn cách này phải chịu ứng suất