gian trường liên tục là tổ hợp của nhiều phần nhỏ rời rạc hay phân chia đối tượng nghiên cứu thành những phần nhỏcó kích thước hữu hạn, liên kết với nhau bởi một số hữu hạn các điểm, gọi là nút. Các phần nhỏđược hình thành gọi là các PTHH. Có nhiều dạng PTHH như phần tử một chiều, hai chiều và ba chiều. Các phần tử hữu hạn có thểlà các đoạn, tam giác, tứ giác, biến thiên bậc nhất, bậc hai hay bậc ba như mô tả trên Hình 3.2.
Ưu điểm của phương pháp PTHH là tính tổng qt, có khảnăng mơ phỏng các đối tượng có cấu trúc phức tạp khác nhau cấu tạo từ nhiều loại vật liệu (vật liệu dẫn điện, vật liệu dẫn từ, vật liệu cách điện, …) ở dạng bài tốn tuyến tính lẫn phi tuyến. Trong nội dung chương này, luận án dựa vào các thơng số kích thước chính của CKBN như kích thước mạch từ gồm kích thước gơng và các khối trụ, kích thước và số vòng dây quấn, khoảng cách cách điện giữa dây quấn và mạch từ… để xây dựng mơ hình CKBN qua đó thực hiện mơ hình hóa và mơ phỏng bằng phương pháp PTHH để đưa ra phân bố từ thông trên mạch từ, từ thơng rị, từ thông tản xung quanh khe hở, năng lượng tích lũy trong khu vực khe hở giữa các khối trụ, giá trị điện cảm và các thành phần tổn hao công suất trong máy.
3.2.2 Phần mềm Ansys Maxwell
Ansys Maxwell là một trong những công cụ mạnh sử dụng phương pháp PTHH được tạo bởi hãng Ansoft. Công cụ này được ứng dụng để thực hiện nghiên
cứu phân tích các bài tốn về trường điện từ trên mơ hình 2D và 3D của đối tượng nghiên cứu thơng qua các nhóm bộ giải về từ trường “Magnetic” như “Magnetostatic”, “Eddy-Current” hay bộ giải “Transient” phân tích bài tốn điện từ theo miền thời gian và các nhóm bộ giải vềđiện trường “Electric” như “Electrostatic”, “DC conduction” và “Electric Transient”.
Q trình giải bài tốn bằng phương pháp PTHH được mơ tảtrên lưu đồ Hình 3.3 [93], [94].
Thơng qua bộ giải “Magnetostatic” có thể xác định được các thông số điện cảm, phân bố từ cảm trên mạch từ, dây quấn, phân bố từ thông tản xung quanh khe hở trên trụ và nhiều thơng số
khác. Theo [93] điện cảm có thể được xác định thơng qua quan hệ từ thơng móc vịng với dịng điện như ví dụ mơ tả trên Hình 3.4 với ba thanh dẫn mang dòng điện. Ma trận điện cảm biểu diễn mối quan hệ giữa từ thơng móc vịng với dịng điện: �𝛹𝛹𝛹𝛹12 𝛹𝛹3 �=�𝑑𝑑𝑑𝑑1121 𝑑𝑑𝑑𝑑1222 𝑑𝑑𝑑𝑑1323 𝑑𝑑31 𝑑𝑑32 𝑑𝑑33� � 𝑑𝑑1 𝑑𝑑2 𝑑𝑑3� (3.1)
Nếu hệ thống có n thành phần dịng điện trên dây dẫn thì ma trận điện cảm có kích thước [n × n] tương ứng.
Khi đặt dịng điện i1 có giá trị 1 A, dịng i2 và i3 đều bằng 0 A, ma trận điện cảm trở thành: �𝛹𝛹𝛹𝛹12 𝛹𝛹3�= [𝑑𝑑]� 1 0 0� =� 𝑑𝑑11 𝑑𝑑21 𝑑𝑑31� (3.2)
Ma trận điện cảm là ma trận vuông đối xứng qua đường chéo, các đại lượng trên đường chéo của ma trận điện cảm là điện cảm tự cảm ( L11, L22 và L33) cịn các đại lượng ngồi đường chéo của ma trận điện cảm là điện cảm hỗ cảm có L12 = L21, L13 = L31 và L23 = L32.
Việc đầu tiên của q trình phân tích mơ phỏng là thiết lập lưới trên mơ hình đối tượng. Với bộ giải “Magnetostatic”, hệ thống thực hiện chia lưới thích nghi, từ lưới ban đầu được khởi tạo sau đó tinh chỉnh qua các bước lặp để giảm kích thước của các PTHH tại các khu vực hay những vùng có sai số lớn, do đó nâng cao độ chính
xác và giảm thời gian mơ phỏng. Chi tiết q trình chia lưới trên mơ hình đối tượng được thực hiện theo lưu đồ Hình 3.5. Hệ thống sẽ khởi tạo lưới ban đầu, tính tốn trường và thực hiện phân tích độ chính xác thơng qua giá trị năng lượng. Cơ chế so sánh tùy thuộc vào bộ giải được sử dụng. Ví dụ với bộ giải “Magnetostatic” này, hệ thống sẽ so sánh giá trị mật độdịng điện từ phép tính Curl H với tồn bộ dịng kích thích đầu vào, giá trị lý tưởng
là bằng 0. Tuy nhiên trong các bài toán thực tế, với sốlượng PTHH sẽ tồn tại giá trị chênh lệch mật độdòng. Năng lượng được tính từ mật độdịng điện dư này được hệ thống ghi nhận là “ Energy Error”, nếu phần trăm giữa “ Energy Error” với năng lượng tổng lớn hơn giá trịđặt thì hệ thống sẽchia lưới mịn hơn (chia thành các phần tử nhỏhơn) tại các khu vực hay những vùng có sai số lớn. Với các vịng tính lặp sau, hệ thống sẽ tính thêm phần trăm thay đổi của năng lượng tổng so với vịng tính trước gọi là “Delta Energy (%)”. Quá trình tinh chỉnh lưới thích nghi qua các vịng lặp cho đến khi cả hai thông số “Energy Error %” và “Delta Energy (%)” thấp hơn giá trị sai số mong muốn hoặc đến giới hạn số vòng lặp tối đa khi thiết lập.
3.3 Mơ hình hóa và mơ phỏng CKBN
3.3.1 Đối tượng mơ phỏng
Mơ hình CKBN được thiết lập theo các thông số kỹ thuật của CKBN ba pha có cơng suất định mức Qđm = 91 MVAr, điện áp Uđm = 500 kV - 50 Hz, kiểu đấu dây Y0, điện kháng XL = 2712 H do hãng ABB chế tạo, các thơng số kích thước chính được thể hiện trong Bảng 3.1 và trên Hình 3.6.
Bắt đầu với bộ giải lựa chọn
Khởi tạo lưới ban đầu
Tính tốn trường
Kiểm tra sai sốnăng lượng “Energy Error %” Chia lưới mịn hơn Khảo sát kết quả Đ S
Bảng 3.1 Thơng số chính của CKBN 91 MVAr Thông số Ký hiệu Giá trị Thông số Ký hiệu Giá trị Công suất phản kháng Q (MVAr) 91 Điện áp định mức U (kV) 500 Dòng điện định mức I (A) 105 Điện kháng hãng cơng bố XL (Ω) 2712 Đường kính trụ Dc (mm) 666 Chiều cao trụ Hc (mm) 1978
Chiều sâu gông Dy (mm) 776
Tổng chiều dài khe hở trên trụ lg (mm) 400 Số vòng dây quấn mỗi nhánh N (vòng) 2244 Khoảng cách giữa trụ và dây quấn bcw (mm) 135
Chiều rộng dây quấn Ww (mm) 236
Chiều cao dây quấn Hw (mm) 1559
Ảnh chụp thực tế các phần mạch từ và cuộn dây của CKBN 91 MVAr - 500 kV thể hiện trên Hình 3.7 và kết quảđo thực nghiệm trong Bảng 3.2.