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 1 2
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
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:
1 � � 2 ∆W = W. ∆v = 2 �0 (��. ∆x) (4.3)
Mối quan hệ giữa lực và phần năng lượng gia tăng được xác định theo công thức:
∆W 1 �2 (4.4)
F = =
∆x 2 �0��
Từ đó xác định được lực trên đơn vị diện tích bề mặt của khối xét:
F�= F A � 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:
�
��= √ (4.6) �0 . . V � �
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:
F�= � � 0 2 �.� 2 ( ) l� (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.
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 ��� � ��� � �� � = � � ���� − �� 1 [��] (4.9) � � 2 � � − �� �� [ ���� ��� � � � 2 ]
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) � = 1 ( 1 �2 − � �2) (b) (4.12) � �� � 2
�0 � 0 �
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.
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 4.13nhận 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 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, từ đó đưa ra mối quan hệ giữa ứng suất lực trung bình
trên bề mặt các khối trụ với giá
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 nhỏ hơn trên trụ của MBA, mặc dù cả hai đối tượng này có thể cùng sử dụng một loại vật liệu sắt từ như nhau.
Bức tranh quan hệ trên 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 nhỏ nhưng từ cảm lớn, kết hợp với lựa chọn vật liệu, kích thước, số lượng các tấm ngăn cách giữa các khối trụ để 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 hở tương 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 hở với 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 từ trường tản xung quanh khe hở, giảm từ dẫn tản và điện cảm tản. Số lượng 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 hở cần chia trên trụ, số lượng khe hở càng nhiều thì càng tăng tính phức tạp, giảm tính bền vững và tăng chi 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. Từ đó 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 trị điện cảm tản, điện cảm tổng với số lượng khe hở khác nhau trên trụ. Kết quả nghiên cứu giúp cho
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 số lượng 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 hở đã xác định, luận án đề xuất nghiên cứu các mô hình với số lượng khe hở thay đổi từ 1 khe đến 20 khe và mở rộng 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 trụ và mô hình đối tượng có phân chia