8. Cấu trúc nội dung của luận án
4.3.3Phân 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 từtrường Ht trên các bề
mặt của các khối trụ, luận án thực hiện tính toán và đưa ra phân bốứng suất lực trên bề mặt khối trụnhư mô tả trên Hình 4.12.
Kết quả phân bố ứng suất lực trên Hình 4.12cho 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.
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 trênHình 4.13.
Từ kết quả phân bố trên Hình 4.13 cho thấy, ứng suất lực trên hai đoạn xét có cùng độ lớnnhưng ngược chiều nhau. Từ phân bố Hình 4.12và 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 tấmngăn 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 4.12 Phân bốứng suất lực pháp tuyến trên bề mặt các khối trụ
Trên Hình 4.14, các giá trịứng 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 từtác động lên bề mặt trên và dưới của mỗi khối trụcùng phương nhưng ngược chiều nhau, có giá trị
trung bình xấp xỉ nhau nên lực điện từtác 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 nén rất lớn, lên tới hơn 257,5 kN/m2 hay tương đương 26,3 Ton/m2, giá trị này càng lớn khi tiết diện tiếp xúc của các tấm ngăn cách càng nhỏ hơn so với tiết diện bề mặt các khối trụ. Luận án tiếp tục thực hiện nghiên cứu mô hình CKBN với các trường hợp từ
cảm trên trụ có giá trị khác nhau, từđó đưa ra mối quan hệ
giữa ứng suất lực trung bình trên bề mặt các khối trụ với giá
trị từ cảm. Hình 4.15 Quan hệ giữa ứng suất lực trung bình trên bề mặt các khối trụ với từ cảm
Kết quả trên Hình 4.15 cho thấy, nếu chọn từ cảm trên các khối trụ là 1,65 T thì ứng suất lực hướng trục tác động trên bề mặt khối trụ lên tới trên 1000 kN/m2. Kết quả này cho ta lời giải thích tại sao các nhà chế tạo thường chọn mật độ từ thông trên trụ của CKBN nhỏhơn trên trụ của MBA, mặc dù cảhai đối tượng này có thể cùng sử dụng một loại vật liệu sắt từnhư nhau.
Bức tranh quan hệtrên là cơ sở khoa học cho các nhà nghiên cứu, chế tạo, các nhà sản xuất có cơ sở lựa chọn phương án thiết kế chế tạo mạch từ có khe hở lớn để
từ cảm nhỏ hay tính chọn khe hở nhỏnhưng từ cảm lớn, kết hợp với lựa chọn vật liệu,
kích thước, sốlượng các tấm ngăn cách giữa các khối trụđể chịu được ứng suất lực.
4.4 Nghiên cứu xác định số lượng khe hở trên trụ
4.4.1 Đặt vấn đề
Như đã được phân tích chi tiết trong nội dung mục 2.3.3, cho thấy vai trò quan trọng của khe hở thêm vào trên trụ, CKBN có đặc tính tuyến tính trong dải điện áp làm việc và đạt công suất phản kháng theo yêu cầu. Với mỗi giá trị từ cảm sẽ xác
định được thể tích khe hởtương ứng và qua đó xác định được tiết diện và chiều dài tổng của khe hở trên trụ. Thể tích khe hở phụ thuộc vào công suất của CKBN, máy có công suất càng lớn thì thể tích và chiều dài khe hở càng lớn. Tại cùng giá trị công suất, nếu tính chọn từ cảm như nhau thì thể tích khe hở cần thêm trên trụ cũng giống nhau dù CKBN này được xác định cho cấp điện áp cao áp hay siêu cao áp khác nhau, giá trị điện áp quyết định đến khoảng cách giữa dây quấn tới trụ, khoảng cách này
được xác định theo khoảng cách cách điện tối thiểu, điện áp nhỏ hơn sẽ có khoảng cách từ dây quấn đến trụ nhỏ hơn. Với khe hở trên trụ có chiều dài lớn, thành phần từ thông tản mở rộng ra xung quanh khe hởvới bán kính lớn cắt vào các vòng dây quấn,
từ dẫn tản lớn, điện cảm tản lớn, dẫn đến điện cảm tổng lớn. Do đó cần thiết phải chia khe hở có chiều dài lớn này thành nhiều khe hở nhỏ phân bố trên trụ, qua đó giảm bán kính từtrường tản xung quanh khe hở, giảm từ dẫn tản và điện cảm tản. Sốlượng khe hở cần chia nhỏ phụ thuộc vào tỉ lệ giữa tiết diện và chiều dài khe hở kg, công
suất của CKBN và điện áp lưới điện. Một trong các yêu cầu đầu tiên cần xác định là số lượng khe hởcần chia trên trụ, số lượng khe hở càng nhiều thì càng tăng tính phức tạp, giảm tínhbền vững và tăngchi phí trong chế tạo. Nội dung luận án sẽ nghiên cứu phân tích số khe hở phù hợp. Trong nội dung phần này, luận án thực hiện mô hình hóa và mô phỏng CKBN một pha ở các dải công suất khác nhau, dùng trong lưới điện cao áp và siêu cao áp 500 kV. Từđó đưa ra phân bố từ cảm trên các khối trụ, phân bố từ cảm dọc chiều cao dây quấn và phân tích quan hệ giữa các giá trịđiện cảm tản,
các nhà thiết kế chế tạo có cơ sở lựa chọn số khe hở phù hợp cần thêm trên trụ.
4.4.2 Mô hình nghiên cứu theo sốlượng khe hở trên trụ
Để nghiên cứu đánh giá tác động của sự phân chia khe hở trên trụ tới thông số điện cảm, đầu tiên, luận án thực hiện nghiên cứu trên mô hình đối tượng và mô phỏng
cho các trường hợp số lượng khe hở khác nhau của CKBN một pha công suất 35 MVAr với trường hợp tỉ lệ kg = 0,98 có đường kính trụ Dc = 698 (mm) và tổng chiều dài khe hở lg = 390 (mm). Từ chiều dài tổng của khe hởđã xác định, luận án đề xuất nghiên cứu các mô hình với sốlượng khe hởthay đổi từ1 khe đến 20 khe và mở rộng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
đến 30 khe hở trên trụ. Trên Hình 4.16 là mô hình CKBN trường hợp không chia khe hở, chỉ có một khe hở giữa trụvà mô hình đối tượng có phân chia thành các khe hở
nhỏ trên trụ. Tiết diện và chiều dài khe hở này được tính toán ở phần trước. Tất cả
các thông sốkích thước của đối tượng ởcác trường hợp khe hởkhác nhau đều được gán biến hay được xác định qua các biến độc lập (chiều dài khe hở lg, đường kính trụ
Dc, chiều cao mỗi khối trụ lc, khoảng cách giữa dây quấn với trụ và gông bcw, kích
thước dây quấn Hw và Ww) qua đó có thể thực hiện nghiên cứu bài toán tổng quát với CKBN có thông số bất kỳ.
Hình 4.16 Mô hình CKBN một pha khi không phân chia và chia khe hở trên trụ
Hình 4.17 Phân bố từ thông tản xung quanh khe hở
Khe hởđược thêm vào trên trụđể tăng từ trở mạch từ, tuy nhiên lại xuất hiện từtrường tản lớn xung quanh khe hởnhư trên Hình 4.17, gây ra những ảnh hưởng tới thông số CKBN. Trên Hình 4.17 có thể thấy, xuất hiện từ thông tản xung quanh khu
(c) (b) (a) D1 D2 (c) (b) (a)
vực khe hở, móc vòng giữa hai khối trụ. Thành phần từ thông này tản ra từ các khối trụ và quay về khối trụ lân cận, hướng vào các lá thép theo các góc khác nhau làm
ảnh hưởng đến các thông số của CKBN, trong đó có sựgia tăng từ cảm xung quanh các khối trụ, dẫn đến sự phân bố từ cảm trên khối trụkhông đồng đều, làm gia tăng
tổn hao sắt từ. Thêm nữa, thành phần từ thông tản này móc vòng với dây quấn xung quanh khe hở, gây tăng điện cảm và tổn hao do dòng điện xoáy trên dây quấn. Ở trường hợp không chia thành các khe hở nhỏ như Hình 4.17a, do chỉ có một khe hở
với chiều dài lớn, từ trường tản lớn móc vòng vào không gian dây quấn làm tăng thành phần điện cảm tản và do đó tăng điện cảm tổng lớn hơn giá trị theo yêu cầu.
Do điện cảm lớn nên làm giảm dòng điện và công suất phản kháng thực nhận từlưới
điện. Để giảm ảnh hưởng của từtrường tản, cần chia khe hở có chiều dài lớn thành nhiều khe hở nhỏ phân bố dọc trên trụ, với tổng chiều dài khe hởkhông thay đổi. Qua
đó tăng từ trở tổng vùng lân cận xung quanh khe hở, giảm điện cảm tản và điện cảm tổng của CKBN. Như mô tả trên Hình 4.17b khi chia thành 3 khe hở, từtrường tản có giảm nhưng vẫn cắt vào không gian dây quấn. Với trường hợp chia nhiều khe hở hơn như trên Hình 4.17c, từ trường tản giảm đáng kể so với trường hợp ít khe hở, thành phần từtrường này gần như không móc vòng tới không gian dây quấn, chỉ còn lại thành phần từtrường rò trên đó. Kết quả phân bố từ cảm và giá trị điện cảm của
các trường hợp phân chia sốlượng khe hởkhác nhau được thể hiện ở phần tiếp theo.
4.4.3 Phân tích kết quả
Luận án thực hiện nghiên cứu với từng trường hợp có sốlượng khe hở khác nhau, từ1 cho đến 30 khe hở phân bố trên trụ, đưa ra phân bốbiên độ từ cảm ở các vịtrí khác nhau và xác định điện cảm trong từng trường hợp sốlượng khe hở trên trụ. Phân bố từ cảm trên đoạn D1-D2 dọc theo chiều cao dây quấn ứng với sốlượng khe hởkhác nhau như Hình 4.18 dưới đây.
Kết quả phân bố từ cảm trên Hình 4.18 cho thấy, trường hợp không phân chia khe hở hoặc số khe hở ít, giá trị từ cảm có sự chênh lệch lớn dọc chiều cao cạnh dây quấn, điểm có từ cảm lớn nhất có từ cảm lớn gấp 1,7 lần giá trị trung bình. Giá trị từ
cảm khu vực dây quấn lân cận khe hở có giá trị lớn hơn khu vực còn lại dọc theo chiều cao dây quấn. Khi tăng số lượng khe hở, chênh lệch từ cảm giảm đáng kể và phân bốđồng đều hơn tại mọi vị trí theo chiều cao dây quấn, qua đó giảm ảnh hưởng bởi từ trường tản lên dây quấn. Kết quả nghiên cứu chỉ ra trên Hình 4.19, ở trường hợp chia thành 8 khe hở, chênh lệch giữa điểm có từ cảm lớn nhất với giá trị từ cảm trung bình giảm đáng kể, từ cảm phân bốtương đối đồng đều dọc chiều cao dây quấn, chênh lệch là 6,4%. Chênh lệch này chỉ còn 5,5% nếu chia thành 9 khe hở.
Để thấy được phân bố từ cảm ở các khối trụ, xét hai đoạn vuông góc với nhau X1-X2 và Y1-Y2 trên khối trụ, giá trị từ cảm trên hai đoạn xét ứng với từng trường hợp sốlượng khe hởkhác nhau được thể hiện tương ứng trên hai Hình 4.20 và Hình 4.21 cùng hình chú thích mô tả vị trí xét.
Hình 4.20 Phân bố từ cảm trên đoạn X1-X2 ngang khối trụ Hình 4.19 Chênh lệch giữa điểm có từ cảm lớn nhất với giá trị từ
Kết quả trên Hình 4.20 và Hình 4.21 cho thấy sự phân bốkhông đồng đều từ
cảm trên các khối trụ, có sự chênh lệch giữa giá trị từ cảm ở xung quanh cạnh khối trụ với từ cảm trong lòng khối trụ, nguyên nhân do xuất hiện thành phần từ thông tản xung quanh lân cận các khe hở nên từ thông ở bề mặt cạnh ngoài của các khối trụ lớn
hơn phía trong khối trụ. Khi tăng sốlượng khe hở sẽ giảm độ chênh lệch biên độ từ
cảm giữa bề mặt ngoài khối trụ với từ cảm trong lòng khối trụ.
Tiếp theo, luận án xác định các thành phần điện cảm thông qua năng lượng, từ đó đưa ra mối quan hệ giữa điện cảm tản và điện cảm tổng ứng với các trường hợp sốlượng khe hở trên trụ khác nhau. Điện cảm là thông số quyết định đến dòng điện trên dây quấn và công suất phản kháng khi hoạt động của CKBN. Kết quả các thành
Hình 4.21 Phân bố từ cảm trên đoạn Y1-Y2
Hình 4.22 Quan hệ giữa điện cảm tổng và điện cảm tản với sốlượng khe hở trên trụ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
phần điện cảm ứng với các trường hợp khe hở thay đổi từ1 đến 30 khe hở thể hiện
trên đặc tính Hình 4.22.
Từđặc tính quan hệ giữa giá trị điện cảm tản và điện cảm tổng với số lượng khe hở phân bố trên trụ cho thấy, với số lượng khe hở
nhỏ thì chiều dài mỗi khe hở lớn, thành phần từ thông tản và điện cảm tản lớn, dẫn đến điện cảm tổng lớn. Khi tăng sốlượng khe hở từ 1
đến 8 khe điện cảm tản và điện cảm tổng giảm rõ rệt, do khi tăng số khe thì từ dẫn tổng vùng lân cận xung quanh khe hở giảm, hay ngược lại từ trở vùng xung quanh khe hở tăng, dẫn đến giảm từtrường tản và
điện cảm tản. Tiếp tục tăng số khe hở lên tới 30 khe cho thấy điện cảm có giảm nhưng không đáng kể. Với kết quả trên, khi chia số khe hở từ 8 khe sẽ đạt được giá trị điện cảm theo yêu cầu.
Thực hiện nghiên cứu tương
tự với các CKBN một pha có công suất khác nhau dùng trong lưới điện cao áp và siêu cao áp. Kết quả quan hệ giữa điện cảm tản và điện cảm tổng theo số khe hở của CKBN có công suất 128/3 MVAr, trên lưới
điện áp 110kV, 220 kV và 500 kV
tương ứng trên Hình 4.23. Từ đặc tính quan hệ giữa điện cảm tản hay
điện cảm tổng ứng với các máy có công suất và điện áp khác nhau đưa ra cơ sở lựa chọn số khe hở cần chia
(a)
(b)
(c)
Hình 4.23 Quan hệ giữa điện cảm với số khe của CKBN 128/3 MVAr: (a) lưới 110 kV, (b) lưới 220
trên trụ phù hợp, kết quả thể hiện trên Hình 4.24. Kết quả nghiên cứu trên Hình 4.24 cho thấy cùng một cấp điện áp, do khoảng cách giữa dây quấn và trụ như nhau, được
xác định theo khoảng
cách cách điện tối thiểu nên máy có công suất càng lớn thì số lượng khe hở cần chia nhỏ trên trụ càng nhiều. Tại cùng một
giá trị công suất, CKBN có điện áp nhỏhơn sẽ có khoảng cách giữa dây quấn và trụ
ngắn hơn, do đó sốlượng khe hở cần chia nhỏ nhiều hơn. Từ kết quảđạt được, luận án thiết lập đa thức quan hệ giữa số lượng khe hở cần chia trên trụ tại các dải công suất khác nhau từ50/3 MVAr đến 330/3 MVAr trong lưới điện cao áp 110 kV, 220 kV và siêu cao áp 500 kV, kết quảđược lấy theo giá trị nguyên từphương trình (4.13):