BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỖ CHÍ PHI NGHIÊN CỨU HIỆN TƢỢNG TỪ GIẢO TRONG MÁY BIẾN ÁP LÕI THÉP VÔ ĐỊNH HÌNH Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 62520202 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Hà Nội – 2016 Công trình hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội gười hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Văn Doanh TS Phùng Anh Tuấn Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi … giờ, ngày … tháng… năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư iện Thư iện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Thư iện Quốc gia Việt Nam ội MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Vật liệu từ mềm vô định hình (VĐH) phát từ năm 1970, nhờ vào thành phần cấu trúc vi mô đặc biệt nên đặc tính từ thép VĐH tốt hẳn so với thép silic tinh thể cán nguội trình bày tài liệu [7], cụ thể: - Điện trở suất tăng nhiều lần, chiều dày thép giảm khoảng 10 lần - Lực khử từ nhỏ 0,8 A/m, đường cong từ trễ hẹp, tổn hao từ trễ bỏ qua Bên cạnh đó, vật liệu từ VĐH nhạy cảm với nhiệt độ, biến dạng học gia công biến dạng từ trường Hiệu ứng biến dạng tác động từ trường ứng suất học gọi hiệu ứng từ giảo, hiệu ứng với chuyển động ngang thép lực từ gây nên rung động lõi từ, với tần số rung động thích hợp phát âm tiếng ồn lõi thép MBA Vật liệu từ VĐH có hệ số từ giảo bão hòa tương đối cao (khoảng 27μm/m) so với thép silic (khoảng 8-10μm/m) nên hiệu ứng từ giảo xảy mạnh so với thép silic, thép VĐH vật liệu nên công trình nghiên cứu hiệu ứng từ giảo lõi thép MBA chưa công bố nhiều Việt nam bắt đầu sản xuất MBA phân phối lõi VĐH thay cho MBA truyền thống Do đó, N đặt có ý nghĩa quan trọng giai đoạn nay, vấn đề kỹ thuật nhà sản xuất vận hành MBA quan tâm Mục tiêu, đối tƣợng, phƣơng pháp phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu:  Xây dựng mô hình toán khảo sát biến dạng, chuyển vị rung động lõi thép MBA  Tìm vị trí chịu biến dạng chuyển vị lớn lõi thép  Khảo sát rung ồn lõi thép có cố định gông trụ từ so với trường hợp không cố định gông trụ từ  So sánh, đánh giá kết tính toán mô hình với kết mô thực nghiệm, xác định lực kẹp cho MBA có độ rung ồn nhỏ Đối tượng nghiên cứu Máy biến áp có hình dạng dây quấn hình chữ nhật sử dụng lõi thép vật liệu VĐH pha pha Phạm vi nghiên cứu  Tập trung vào xây dựng mô hình toán tính lực từ lõi thép để khảo sát lực từ, biến dạng chuyển vị lõi thép MBA  Ứng dụng phần mềm mô Ansys Maxwell 2D 3D để phân tích tìm vị trí có biến dạng chuyển vị lớn  Đánh giá rung ồn có sử dụng sắt kẹp gông trụ so với trường hợp sắt kẹp Xác định lực ép sắt kẹp để độ rung ồn lõi thép nhỏ Phương pháp nghiên cứu  Sử dụng phương pháp giải tích số, sau sử dụng phần mềm Matlab Excel để tính toán phân tích kết So sánh kết đạt mô hình toán với kết nghiên cứu trước [79] Khảo sát để tìm vị trí có biến dạng chuyển vị lớn lõi thép MBA phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) Xây dựng mô hình thực nghiệm đo tổn hao, đo rung ồn lõi thép MBA Sau so sánh đánh giá kết mô hình thực nghiệm với mô hình toán Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Ý nghĩa khoa học  Nghiên cứu hệ thống lý thuyết tượng từ giảo  Nghiên cứu lực từ với biến dạng chuyển vị lõi thép VĐH hiệu ứng từ giảo  Nghiên cứu hệ thống lý thuyết rung ồn lõi thép tượng từ giảo gây  Nghiên cứu xây dựng mô hình toán tổng quát để phân tích tính toán lực từ, biến dạng chuyển vị lõi thép  Áp dụng phương pháp PTHH với mô hình 2D 3D để thực mô phỏng, xác định vị trí chịu biến dạng chuyển vị lớn nhằm phục vụ cho đo đạc thực nghiệm xác Ý nghĩa thực tiễn  Thép VĐH nhạy cảm với nhiệt độ, biến dạng gia công biến dạng từ trường ngoài, hệ số từ giảo bão hòa thép VĐH (27μm/m) cao nhiều so với thép silic (27μm/m) Do đó, việc nghiên cứu ảnh hưởng từ giảo đến MBA lõi thép VĐH có ý nghĩa quan trọng  Hiện tượng từ giảo gây biến dạng, chuyển vị rung ồn lõi thép MBA, nghiên cứu mối liên hệ từ lõi thép có ý nghĩa quan trọng, nhằm xác định ứng suất nén sắt kẹp gông trụ từ MBA cho biến dạng, chuyển vị lõi thép nhỏ nhất, góp phần hoàn thiện công nghệ chế tạo MBA sử dụng vật liệu VĐH Việt Nam Cấu trúc nội dung luận án Ngoài phần mở đầu, nội dung luận án gồm chương phụ lục, cụ thể: Chương 1: Tổng quan vật liệu từ vô định hình máy biến áp Chương 2: Khảo sát biến dạng vật liệu từ Chương 3: Khảo sát mối liên hệ cơ- từ lõi thép máy biến áp Chương 4: Sự dung ồn lõi thép vô định hình hiệu ứng từ giảo CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ VÔ ĐỊNH HÌNH VÀ MÁY BIẾN ÁP 1.1 Giới thiệu 1.2 Vật liệu từ vô định hình 1.2.1.Cấu trúc mạng tinh thể 1.2.2.Công nghệ chế tạo vật liệu từ vô định hình Vật liệu VĐH chế tạo từ 20 phương pháp khác Tuy nhiên, để đơn giản sử dụng phương pháp nguội nhanh từ tinh thể lỏng [26,59] 1.3 Máy biến áp sử dụng lõi thép vô định hình Xu nay, nhà sản xuất tìm kiếm vật liệu mới, đồng thời hoàn thiện thiết kế để chế tạo MBA có tổn hao thấp Nói cách khác, người ta luôn phải có biện pháp cải tiến thiết kế công nghệ chế tạo nhằm hoàn thiện cấu trúc, hình dạng, thông số kỹ thuật, kinh tế….và quan trọng sử dụng vật liệu để giảm tổn hao MBA Chế tạo MBA lõi VĐH có tổn hao không tải thấp thay cho biến áp truyền thống hướng nhằm giảm tổn thất điện lưới điện góp phần nâng cao hiệu kinh tế cải thiện môi trường 1.4 Các nghiên cứu nƣớc MBA VĐH 1.4.1 Nghiên cứu giảm tổn hao MBA VĐH Vấn đề sử dụng MBAVĐH giảm tổn hao không tải, mang lại hiệu kinh tế phát triển tương lai đề cập tài liệu: S LUPI [53], HARRY W NG [34], H Matsuki [57], L A Johnson [45], Robert U Lenke [42], W J Ros, T M Taylor [62], Chang-Hung Hsu , Yeong-Hwa Chang [21] MBA lõi thép VĐH mở lợi ích kinh tế cho hệ thống lưới điện phân phối, mang hiệu kinh tế, tiết kiệm lượng đồng nghĩa với giảm khí thải cải thiện môi trường [10] 1.4.2 Nghiên cứu thiết kế MBA VĐH Trong lĩnh vực nghiên cứu thiết kế có nhiều đóng góp tác giả như: G Segers - A Even -M.Desinedt 31; Pan-Seok Shin [64], Benedito Antonio Luciano [52], D Lin; P Zhou; W N Fu; Z Badics and Z J Cendes [48], Pan-Seok Shin [64] , Stefan Sieradzki [65], Yinshun Wang, Xiang Zhao [72] Vấn đề sâu vào thiết kế, thử nghiệm MBA VĐH nghiên cứu kỹ sâu hơn, cụ thể tác giả Benedito Antonio Luciano [52], Chang-Hung Hsu , Yeong-Hwa Chang [21] thiết kế, thử nghiệm MBA lõi thép VĐH, xử lý ủ lõi từ trường DC để phục hồi từ tính nhằm giảm tổn thất nâng cao hiệu suất, kết thử nghiệm hiệu suất so sánh với MBA lõi thép silic Phân tích mô hình mạch từ lõi thép VĐH để tính toán tổn hao không tải có nhiều tác giả với phương pháp thực khác nhau, ví dụ như: nhóm tác giả D Lin, P Zhou, W N Fu, Z Badics, and Z J Cendes [48]; Thorsten Steinmetz, Bogdan Cranganu-Cretu [66] đưa phương pháp cải tiến thiết kế mạch từ MBA để tổn hao thấp nhất, thông qua phương pháp PTHH khảo sát mạch từ để chứng minh đặc điểm thiết kế mạch từ mà tác giả đề 1.5 Các nghiên cứu nƣớc MBA VĐH Viện Vật lý kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hà Nội: Sản xuất công vật liệu từ VĐH dạng băng mỏng ứng dụng sản phẩm băng từ mềm VĐH vào sản xuất MBA nhỏ tần số cao [6], Đề tài Bộ Công Thương “Thiết kế chế tạo chế tạo MBA giảm tổn hao không tải sử dụng vật liệu thép từ VĐH siêu mỏng, chế tạo nước” [1] Năm 2011 2012, Công ty Mitsubishi Hitachi Metals phối hợp với Trung tâm tiết kiệm lượng Tp Hồ Chí Minh tổ chức Hội thảo thúc đẩy sử dụng MBA Amorphous (VĐH) hiệu suất cao hệ thống lưới điện Việt nam 1.6 Nghiên cứu mối liên hệ từ lõi MBA 1.6.1 Nghiên cứu mối liên hệ từ lõi thép silic Vấn đề lực từ lõi thép silic MBA giới có nhiều công trình công bố, điển hình như: Các tác giả Masato Enokizono and Naoya Soda [56], M Besbes, Z Ren, A Razek [54,15,44], xây dựng mô hình toán tính lực từ từ giảo lõi MBA, phân tích mô hình phương pháp PTHH để khảo sát lực từ lõi thép Nhóm tác giả Lihua Zhu, Qingxin Yang, Rongge Yan, tác giả Qingxin Yang thực lõi MBA ba pha 10kVA, khảo sát với mô hình 2D cho thấy lực từ giảo ảnh hưởng lớn đến độ biến dạng chuyển vị lõi thép [79] 1.6.2 Nghiên cứu mối liên hệ từ lõi VĐH Để khảo sát toàn diện tính chất từ vật liệu VĐH, nhóm tác giả: Y Le Bras, A Lasheras, J Gutierrez, F Mazaleyrat J.M Greneche tiến hành đo hệ số từ, độ cảm từ giảo biến dạng vật liệu VĐH 2605SC [17] Nhóm tác giả: Haifeng Zhong, WenhaoNiu, Tao Lin, Dong Han, Guoqiang Zhang [33], nghiên cứu MBA lõi thép VĐH có công suất 800kVA/10kV cho thấy vật liệu VĐH nhạy cảm với lực khí, mức độ tiếng ồn cao khả chịu đựng ngắn mạch MBA lõi tôn silic Ngoài ra, biến dạng đặc tính từ vật liệu VĐH nhạy cảm với ứng suất tác giả công trình [13,65,74,80] quan tâm đề cập đến 1.6.3 Ảnh hưởng từ giảo đến rung ồn lõi thép VĐH Các lực từ giảo lực từ động gây nên rung động tác động đến phận khác thân MBA gây nên tiếng ồn [58] Các tác giả Chang Yeong-hwa, Chang-hung Hsu, Ching-pei Tseng Daichi Azuma , Ryusuke Hasegawa nghiên cứu độ ồn lõi MBA sử dụng vật liệu VĐH thép silic [20,23] Kết khảo sát độ ồn lõi thép VĐH cao thép silic Hiện tượng từ giảo MBA việc gây tiếng ồn gây nên rung động lõi thép Nhóm tác giả Yeong-Hwa Chang, Chang-Hung Hsu, Huei-Lung Chu, Ching-Pei Tseng [18]; Yingying WANG, Weijun XING, Guoqiang ZHANG, Wenhao NIU, Dong HAN [73,37] nghiên cứu rung động từ - MBA ba pha ba trụ với cấu trúc lõi khác 1.7 Những vấn đề tồn Với phân tích cho thấy nghiên cứu lực từ MBA lõi thép silic lõi VĐH hạn chế số lượng công trình công bố vấn đề mà công trình chưa khai thác hết Cụ thể vấn đề tồn sau: Mô hình toán tổng quát khảo sát lực từ xét đến yếu tố liên quan lõi thép VĐH chưa thực Cấu trúc lõi thép VĐH khác với lõi thép silic nên cần khảo sát đủ yếu tố như: Lực từ, biến dạng chuyển vị lõi thép VĐH Mô hình toán tính chuyển vị độ rung lõi thép VĐH chưa xây dựng (chủ yếu đo đạc thực nghiệm) Vị trí chịu biến dạng chuyển vị lớn lõi thép chưa 1.8 Đề xuất hƣớng nghiên cứu tác giả Với â í , luận án ề xuấ ớng nghiên c sa â : - Tổng hợp nghiên cứu tác giả trước đây, xây dựng mô hình toán tổng quát phân tích thông số liên quan đến từ giảo như: Lực từ giảo, biến dạng, chuyển vị…so sánh kết mô hình toán với kết phân tích phần mềm AnsysMaxwell đánh giá vấn đề tồn đề xuất mô hình toán - Khảo sát biến dạng chuyển vị lõi thép mô hình 3D với phần mềm Ansys Maxwell, vị trí biến dạng chuyển vị lớn lõi MBA nhằm hỗ trợ cho việc đo đạc thực nghiệm xác - Xây dựng mô hình toán hệ hỗn hợp từ, thông qua mô hình toán khảo sát mối liên hệ từ MBA lõi thép VĐH có xét đến yêu tố liên quan lực kẹp gông trụ từ - Thực nghiệm đo độ rung ồn MBA lõi VĐH để xác định lực kẹp gông trụ MBA ứng với độ rung tiếng ồn nhỏ 1.9 Kết luận Trong chương này, luận án giới thiệu vật liệu VĐH phương pháp chế tạo vật liệu Từ nghiên cứu nước nước tính toán thiết kế MBA, mối liên hệ từ MBA lõi thép silic lõi thép VĐH, ảnh hưởng từ giảo đến độ rung ồn MBA lõi thép VĐH lõi thép silic, tác giả nhận thấy vấn đề tồn hạn chế nghiên cứu lực từ lõi thép như: Tính toán lực từ chưa xét hết yếu tố liên quan lực kẹp gông trụ từ; chưa vị trí chịu biến dạng chuyển vị lớn lõi thép để từ đưa giải pháp khắc phục; Khảo sát độ rung ồn lõi thép chưa có mô hình toán cụ thể, kết luận chủ yếu thông qua đo đạc thực nghiệm Trên sở phân tích vấn tồn tại, tác giả đề mục tiêu phương pháp nghiên cứu để giải mặt tồn Nội dung nghiên cứu luận án trình bày chương CHƢƠNG KHẢO SÁT BIẾN DẠNG CỦA VẬT LIỆU TỪ VÔ ĐỊNH HÌNH DO HIỆU ỨNG TỪ GIẢO 2.1 Giới thiệu 2.2 Cơ sở lý thuyết từ giảo 2.2.1 Khái niệm từ giảo Từ giảo tượng hình dạng, kích thước vật liệu từ bị thay đổi tác dụng từ trường (từ giảo thuận) ngược lại, tính chất từ vật liệu từ bị thay đổi có tác động ứng suất bên (từ giảo nghịch) Từ giảo phát vào năm 1842 James Prescott Joule quan sát mẫu thử niken [55] 2.2.2 Hệ số từ giảo Hệ số từ giảo tỉ lệ thay đổi chiều dài thể tích tác động từ trường ngoài: λ(H)= l(H) - l0 l0 (2.1) Trong đó: l0 chiều dài vật thể từ trường; l(H) chiều dài vật thể bị thay đổi từ trường H (A/m) Trong kỹ thuật, người ta quan tâm đến đại lượng độ cảm từ giảo, định nghĩa biến thiên hệ số từ giảo theo cường độ từ trường: d33 = χ(H) = dλ dH (2.3) Mối liên hệ độ cảm từ giảo với ứng suất từ trường thể qua hệ phương trình (2.4) [46,78]: H       d33H    B  d33   H Trong đó: (2.4) H ε : Hệ số biến dạng phụ thuộc vào cường độ từ trường H, đơn vị m2/N d33= χ(H) : Độ cảm từ giảo, đơn vị m/A σ: Ứng suất tác động vào vật liệu, đơn vị N/m2 μσ: Hệ số từ thẩm, thay đổi tác dụng ứng suất 2.3 Quan hệ ứng suất biến dạng 2.3.1.Định luật Hooke Định luật Hooke: Trong giới hạn đàn hồi, độ biến dạng tỉ đối vật rắn tỉ lệ thuận với ứng suất tác dụng vào vật (2.7) σ1 =Eε1 E: Được gọi mô đun đàn hồi Young (N/m ) 2.3.2.Định luật Poisson Khi vật liệu bị giãn đơn trục giãn dài 1 kèm theo biến dạng ngang có trị số 2 = 3, trái dấu tỉ lệ với độ giản dài theo định luật Poisson: (2.8) 2  3   1 Trong  hệ số Poisson thứ nguyên (theo thực nghiệm  < 0.5) 2.3.3.Quan hệ ứng suất biến dạng Ma trận viết dạng tổng quát (Định luật Hooke tổng quát): (2.6)    c[ ] Trong đó: []: Ten xơ ứng suất cơ; [c]: Ma trận độ cứng; []: Ten xơ biến dạng + Trường hợp biến dạng phẳng   1     x   x  E       (2.30)   y   y  (1   )(1  2 )       xy   2   xy      + Trường hợp ứng suất phẳng   1     x   x     E      (2.31)  y   y  2    xy      xy  0    2.4 Biến dạng vật liệu từ hiệu ứng từ giảo 2.4.1 Biến dạng từ giảo Tương tự khái niệm, biến dạng từ giảo thay đổi kích thước vật liệu tác dụng từ trường tính chất từ vật liệu thay đổi tác dụng ứng suất học εms ` H=0 H=H1>0 H=-H1 Hình 2.13 M d dụ 2.4.2 Ten xơ ứng suất biến dạng hiệu ứng từ giảo [58] Dưới tác dụng từ trường vật liệu từ bị biến dạng cho công thức [29]: (2.39)  ms  B  S Sij  3 B B  3Bi Bj  ij B2   i j  ij  2B 2 B    (2.40) Sij ten xơ hướng từ giảo, ij hàm Delta Kronecker 0 i  j i,j = x,y,z (2.42) δij  =   i=j Tương tự biến dạng đàn hồi, quan hệ ứng suất biến dạng hiệu ứng từ giảo tuân theo định luật Hooke Trước hết, giả sử từ giảo không phụ thuộc vào ứng suất hay biến dạng trượt, phụ thuộc vào thành phần song song vuông góc với hướng dễ từ hóa (trong tọa độ (x,y) xem hướng dễ từ hóa trục y hướng khó từ hóa trục x), cảm ứng từ lõi thép MBA tương đối tốt Khi ứng suất biến dạng từ giảo lại hai thành phần [14,32]: + Thành phần vuông góc với hướng dễ từ hóa σms (xx ), εms (xx ) + Thành phần song song với hướng dễ từ hóa σms// (yy ), εms// (yy ) Tương tự biến dạng đàn hồi, quan hệ ứng suất biến dạng từ giảo tính theo định luật Hooke:  ms //   ms //     [c]   (2.44)  ms   ms      Biến dạng theo phương song song với hướng dễ từ hóa cho bỡi công thức [77]:  B  ms//  s   ;  ms   ms //  Bm  s : Hệ số từ giảo bão hòa (μm/m), thép VĐH s  27(m / m) (2.46) + Trường hợp biến dạng phẳng:  ms//  E 1      ms//  (2.48)    (1  )(1  2)           ms   ms  + Trường hợp ứng suất phẳng:  ms//  E 1    ms//  (2.49)    (1   )        ms   ms  2.4.3 Khảo sát ứng suất biến dạng hiệu ứng từ giảo lõi thép MBA Khảo sát cụ thể lõi MBA VĐH, vật liệu dùng chế tạo lõi có mã hiệu 2605SA1, mô đun đàn hồi Young E = 120 (GPa), tỷ số Poisson  = 0,28, hệ số từ giảo bão hòa s  27(m / m) , Cảm ứng từ Bm = 1,468T, bảng thông số cho phụ lục Đồ thị đường cong từ hóa hệ số từ thẩm vật liệu VĐH hình 2.15a, kết khảo sát biến dạng hiệu ứng từ giảo vật liệu từ hình 2.15 b Hình 2.15a đường cong từ hóa độ từ thẩm tương đối vật liệu từ VĐH mã hiệu 2605SA1 dùng chế tạo lõi thép đo thực nghiệm cho phụ lục 400000 300000 1,0 Đường cong B-H 0,8 200000 Đường cong hệ số từ thẩm tương đối 0,6 0,4 100000 0,2 0,0 Biến dạng theo hướng khó từ hóa 30 Biến dạng từ giảo *μm/m] Cảm ứng từ B [Tesla] 1,2 Biến dạng theo hướng dễ từ hóa Hệ số từ thẩm tương đối [H/m] 1,4 50 100 150 Cường độ từ trường H [A/m] 10 -10 0,00 0 20 200 0,35 0,70 Cảm ứng từ B*T+ a) Hình 2.15 Đồ óa số 1,05 1,40 b) d ẩ (a) ( ) Như độ biến dạng thép vô định hình hiệu ứng từ giảo cao thép silic định hướng cán nguội khoảng ( m/m) B = 1,1(Tesla) [79] Ứng suất theo hướng dễ từ hóa Ứng suất theo hướng dễ từ hóa Ứng suất theo hướng khó từ hóa 4,00E+06 Ứng suất *N/m2] Ứng suất *N/m2] 4,00E+06 3,00E+06 2,00E+06 3,00E+06 2,00E+06 1,00E+06 1,00E+06 0,00E+00 0,00 0,00E+00 0,00 0,35 0,70 1,05 Cảm ứng từ B*T+ 1,40 0,35 0,70 1,05 Cảm ứng từ B*T+ 1,40 a) T ờng h p bi n dạng phẳng Hình 2.16 Đồ b) T ờng h p ng suất phẳng s ấ d Trong tính toán thiết kế MBA, chọn B=1,1T ứng suất dọc //  2,07MPa ứng suất ngang   0,253MPa Hình 2.16b trường hợp ứng suất phẳng, ứng suất từ giảo có thành phần ứng suất dọc (B=1,1T, //  1,82MPa) Kết có ý nghĩa quan trọng việc khảo sát chuyển vị độ rung lõi thép MBA, sở ban đầu để xác định ứng suất dọc ứng suất ngang thực cố định gông trụ từ MBA tính toán hiệu ứng từ giảo nghịch xét đến chương xét thành phần ứng suất dọc biến dạng phẳng theo công thức:  ms // (1     ) E   ms // (1   )(1  2 ) (2.52) 2.5 Kết luận Chương hai luận án tập trung phân tích sở lý thuyết biến dạng từ giảo biến dạng đàn hồi, áp dụng định luật Hooke để xây dựng ma trận độ cứng biến dạng học Do lõi thép MBA dạng hình khối nên tập trung phân tích ứng suất biến dạng theo phương hệ tọa độ Descartes, công thức xây dựng chương hai làm sở để thiết lập mô hình toán chương ba tính toán biến dạng, chuyển vị lõi thép MBA hiệu ứng từ giảo Ứng suất biến dạng từ giảo vật liệu theo hướng dễ từ hóa cao nhiều so với hướng khó từ hóa Do đó, khảo sát chuyển vị biến dạng lõi thép chủ yếu tập trung phân tích theo hướng dễ từ hóa 12 2) Kết khảo sát Chuyển vị *μm] Lực -từ *kN] 48 36 24 12 0,0 0,4 0,7 1,1 a) Cảm ứng từ B*T+ Hình 3.9 Lự a) c 1,4 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0 -2,5 -5,0 -7,5 -10,0 b) ể Cảm ứng từ By 0,005 0,01 0,015 1,5 0,5 0,02-0,5 -1 -1,5 -2 Cảm ứng từ B*T+ Chuyển vị u 60 Thời gian *s+ ụ b) ụ MBA Lực từ chuyển vị trụ lõi thép điểm A phụ thuộc vào cảm ứng từ B(T) hình 3.9 a&b, so với công trình [79] nghiên cứu chuyển vị trụ lõi thép VĐH có umax-A = 9,522μm lớn khoảng 4,5μm so với lõi thép siliic Điều này, chứng tỏ MBA lõi thép VĐH có biến dạng độ rung ồn lớn lõi thép silic Trường hợp khảo sát điểm B (góc lõi từ), lực từ chuyển vị theo góc θ trình bày hình 3.10, 3.11 3.12 30 23 Lực tổng Lực theo phương x phương y 15 23 Lực tổng Lực theo phương y 15 Lực theo phương x 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Cảm ứng từ B*T+ 1,2 Hình 3.10a Chuyển v θ = 1,4 15 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Cảm ứng từ B*T+ 1,2 0,2 1,4 1,5 6,0 4,0 4,0 2,0 0,5 2,0 0,5 -2,0 -0,5 Cảm ứng từ B(T) -4,0 -6,0 Chuyển vị tổng 0,005 0,01 0,015 0,02 Chuyển vị theo phương x Chuyển vị theo phương y -2,0 -1 -4,0 -1,5 -6,0 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 0,005 0,01 Cảm ứng từ B(T) 0,015 -0,5 0,02 1,5 Chuyển vị tổng 2,0 0,5 0,0 Chuyển vị theo Chuyển vị theo phương y phương x -2,0 -1 -4,0 -1,5 -6,0 Cảm ứng từ B(T) -0,5 -1 0,005 0,01 0,015 0,02 -1,5 Thời gian*s+ Hình 3.10b Chuyển v θ = Chuyển vị tổng 0,0 Chuyển vị *μm] 6,0 Chuyển vị *μm] 1,5 0,4 b) θ = 15 c) θ = 300 Cảm ứng từ B*T+ Hình 3.11a Chuyển v θ = 15 Hình 3.12a Chuyển v θ = 300 4,0 Chuyển vị theo phương x phương y Lực theo phương x 6,0 0,0 Lực tổng Lực theo phương y 23 0 Chuyển vị *μm] 30 Các thành phần lực *kN+ Các thành phần lực *kN+ Các thành phần lực *kN+ 30 Thời gian*s+ c) θ = 30 b) θ = 150 Thời gian*s+ Hình 3.11b Chuyển v θ = 15 Hình 3.12b Chuyển v θ = 300 Chuyển vị lực lớn góc lõi thép theo phương x,y tương ứng với góc θ khác cho bảng 3.2 Bảng 3.2 T ầ ự Góc lệch B H Lực chuyển vị Chuyển vị theo phương x (μm) Chuyển vị theo phương y (μm) Chuyển vị tổng (μm) Lực từ theo phương x (kN) Lực từ theo phương y (kN) Lực từ tổng (kN) ể θ = 00 3,082 3,082 4,3586 18,8 18,8 26,6 ấ e ó θ = 150 2,397 3,397 4,1575 14,6 20,7 25,4 ữa B H θ = 300 1,3235 3,4805 3,7236 8,08 21,3 22,7 3.2.4 Khảo sát mối liên hệ - từ hiệu ứng từ giảo nghịch 3.2.4.1 Mô hình toán tính lực từ hiệu ứng từ giảo nghịch 13 Biến dạng từ giảo tác dụng từ trường ứng suất hệ từ liên hệ mật thiết với Hàm lượng tổng xác định sau [79]:  B   B,ε  =  H  B,ε  dBdΩ   JAdΩ +  σ  0,ε  dεdV  u Tf VdV   u Tf ΓdΓ  u Tf msdV Ω0 fms: Mật Ω  V V0 V г (3.59) V độ lực khối từ giảo (N); f : Lực khối (N); f : Lực mặt (N) Phương trình (3.59) gồm có thành phần lượng từ mag thành phần lượng mec hệ phương trình (3.60): B   =  mag  H  B, ε  dBdΩ   JAdΩ  Ω Ω    = σ  0, ε  dεdV  u Tf VdV  u Tf ΓdΓ  u Tf msdV mec  V  V   V (3.60) Cực tiểu hóa hàm lượng từ theo từ vectơ A lượng theo chuyển vị u:  mag   B  =   H  B,ε  dBdΩ   JAdΩ    A  Ω  A Ω       mec   T V T Γ T ms  u  u   σ  0, ε  dεdV  u f dV   u f dΓ  u f dV   V  V  V  (3.61) Bỏ qua lực mặt phương trình (3.61) viết lại hệ tọa độ (x,y) sau:    B     H  B,ε  dBdR   JAdR    A  R R       h σ  0,ε  dεdS  u T dS  u T dS   S ma S ms   u   d  S B   Ứng suất từ tính: ij_ma =Bi Hj  ij  B.H   H(B,0)dB    (3.65) (3.63) Trong ứng suất từ giảo σms = σms// tính từ công thức (2.52) chương Khai triển phương trình thứ hệ phương trình:   B T A  B  B T A H B ,  d B J dR=   R  Ai 0 R Ai  R Ai B 0 H B, dBdR  R J Ai dR  (3.66) Gọi Ni hàm dạng tam giác hệ tọa độ (x,y) n(e) Rời rạc hóa từ vectơ A ta có: A   Nie Aie (3.71) i 1 Khi phương trình (3.68) viết lại cho nút i phần tử e sau:    ν Se j=1 xx Nie N je N N je N N je N N je   νxy ie  νyx ie +νyy ie A dxdy  JNiedxdy=0 y y y x x y x x  je  (3.73) Se Phương trình (3.73) phù hợp với kết công trình nghiên cứu [56] Phương trình (3.73) viết lại dạng ma trận sau: Sije  Aej   Jie       Sije  : Ma trận độ cứng từ phần tử; Aej  :Từ     e Ji  : Mật độ dòng điện phần tử   vectơ phần tử Suất từ trở trường hợp tính theo công thức: (3.75) 14 vxx vxy  v0xx v0xy  S      // S    / /  v  B,     v0    vms      B  B  B  vyx vyy   v0yx v0yy  B (3.76) Trong σ//(N/m2) ứng suất dọc, thành phần theo phương y tọa độ (x,y) tính theo công thức: //  elast// ms// (3.77) elast// (N / m ) : Là thành phần ứng suất nén sắt kẹp cố định gông trụ từ theo phương y Ứng suất từ giảo xác định sau: (1     )Es (3.78)  ms//  B (1  )(1  2) Bm2 Khi đó, ứng suất đàn hồi σelast giá trị trung bình ứng suất từ giảo: B (1     ) Es 1 (1     ) Es (3.79)  elast / /   B2dB    1,23MPa m  (1   )(1  2 ) B Bm (1   )(1  2 ) Đây ứng suất kẹp cố định gông trụ lõi thép MBA m Để tính chuyển vị, xét phương trình thứ hai hệ(3.65), thành phần chuyển vị tính theo lực ma trận độ cứng công thức (3.80): Kije  uei   Fimae  Fimse  (3.80)      Trong đó: Kije  : Ma trận độ cứng phần tử; uie  : Chuyển vị nút phần tử Fimae  : Lực từ (N); Fimse  : Lực từ giảo (N)     Khi xét phần tử nút ma trận độ cứng xác định sau [79]:   Nie     x j  e hd E e  Kij  4e (1  2 )   Nie   e j1  y    N N je   Nie N je     ie  dxdy x y y x     j  e   N je   Nie N je   Nie N je   Nie N je    dxdy  dxdy  x x y  x x   y y  e j1  N je 1-υ Nie N je  + dxdy x y y    (3.81) Trong đó: e : Diện tích phần tử (m2); N : Hàm dạng tuyến tính phần tử tam giác hd: Chiều dày lỏi thép (m);  : Tỷ số Poisson Lực từ lực từ giảo tính theo công thức[29]:  Fimae   i 1 Se  h  hd ema Niedxdy;Fimse   e d msNie dxdy (3.82) i 1 Se Với ứng suất từ giảo tính theo công thức (2.52) chương Từ phương trình (3.75) (3.80) ta có hệ phương trình sau: Sije  Aej   Jie         e Kij  uei   Fimae  Fimse   (3.84) Giải hệ phương trình (3.84) tìm từ véc tơ A chuyển vị u 3.2.4.2 Khảo sát mối liên hệ từ hiệu ứng từ giảo nghịch 1) Lưu đồ giải thuật Tính toán mối liên hệ từ xét đến hiệu ứng từ giảo nghịch thể lưu đồ giải thuật sau: 15 Bắt đầu Nhập thông số MBA vật liệu từ VĐH hd ax Tính toán cảm ứng từ B Tính νk Tính toán lực từ lực từ giảo, ứng suất, biến dạng(Fmak, Fmsk, σk,εk) A-A y C hd Tính chuyển vị từ vectơ (uk,Ak) Sai Cw B B A H Hw B Δuk+ΔAk[...]... CƠ - TỪ TRONG LÕI THÉP MÁY BIẾN ÁP 3.1 Giới thiệu 3.2 Mô hình toán tính lực cơ từ trong lõi thép của vật liệu từ 3.2.1 Mối liên hệ giữa mật độ dòng điện và từ thế vectơ A 3.2.1.1 Hệ phương trình Maxwell Khi miền nghiên cứu từ trường là mạch từ có mật độ dòng điện của nguồn là J(A/mm2), giả thiết rằng trong lõi thép MBA không tồn tại điện trường hay: D 0 t (3.9) Phương trình từ trường dừng ở trong. .. giữa gông và trụ từ) Với kết quả trên có thể khẳng định MBA lõi thép VĐH chịu ảnh hưởng của từ giảo lớn dẫn đến biến dạng và chuyển vị lớn nên sự rung ồn trong lõi thép VĐH cao hơn so với lõi thép silic [18,20] CHƢƠNG 4 SỰ RUNG ỒN TRONG LÕI THÉP VÔ ĐỊNH HÌNH DO HIỆU ỨNG TỪ GIẢO 4.1 Giới thiệu 4.2 Mô hình toán 4.2.1.Mối tương quan giữa điện và cơ 4.2.2.Mô hình nguyên lý cơ bản 19 Kích thước ban đầu x(t,L)... b) Mô hình toán đã khảo sát đầy đủ về biến dạng, chuyển vị trên lõi thép đối với hiệu ứng từ giảo thuận cũng như hiệu ứng từ giảo nghịch Xác định được ứng suất kẹp gông và trụ từ làm cơ sở để khảo sát sự rung ồn trong lõi thép MBA 3.2.5 Xây dựng mô hình mô phỏng 2D Với lõi thép VĐH do cấu trúc lá thép mỏng khoảng 0,033mm nên chia lưới cho từng lá thép cần một số lượng lưới lớn, khối lượng tính toán lớn... thuận được khảo sát ứng với hệ số từ giảo bão hòa Biến dạng và chuyển vị của lõi theo cảm ứng từ B do lực từ tạo ra nhỏ hơn rất nhiều so với lực từ giảo (hình 3.22 a&b) Biến dạng tổng Biến dạng do lực từ Biến dạng do lực từ giảo Chuyển vị do lực từ 12 9 6 3 0 a) Chuyển vị do lực từ giảo Chuyển vị tổng Chuyển vị [μm] Biến dạng *μm/m] 15 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 Cảm ứng từ B*T+ Hình 3.22 B 1,0 1,2 dạ 1,4 d ự... gông và trụ từ để biến dạng, chuyển vị và độ rung ồn trong lõi thép VĐH của MBA nhỏ nhất (4) Xây dựng được mô hình toán trong hệ hỗn hợp điện cơ – từ khảo sát đầy đủ chuyển vị, biến dạng và độ rung của lõi thép có xét đến các yếu tố liên quan như sắt kẹp cố định gông và trụ từ (5) Xác định được ứng suất kẹp cố định gông và trụ từ để lõi thép của MBA có biến dạng và chuyển vị nhỏ nhất, cụ thể trong trường... do lực từ và lực từ giảo gây ra lớn hơn trên trụ từ Kết quả khảo sát biến dạng của lõi thép được trình bày trên hình 3.32 Biến dạng do hiệu ứng từ giảo chủ yếu tập trung tại góc của lõi thép có giá trị εmax=14,276μm/m Hình 3.32 B dạ d Bảng 3.6 S s dạ à ể ủa Mô tả MH toán MH 2D Đánh giá sai số (%) 15,0425 14,2760 5,07% Biến dạng tại góc của lõi thép εmax (µm/m) Chuyển vị trên gông từ xmax(µm) 6,5625... thuận 3.2.3.1 Mô hình toán tính lực cơ - từ trong lõi thép máy biến áp Để tính toán lực cơ từ trong lõi thép MBA theo hiệu ứng từ giảo thuận ta chỉ xét sự biến dạng của lõi thép do từ trường ngoài H(A/m) tạo ra, bỏ qua tổn hao từ trể và dòng điện xoáy, năng lượng từ trường xác định như sau [14]: B   B, = H B, dBd (3.36) 0 Lực F được tính từ phương trình (3.36):  (B, )  B F     H... trụ từ thì biến dạng và chuyển vị do hiệu ứng từ giảo giảm đáng kể, chuyển vị giảm 4,482 μm, biến dạng giảm 11,4 μm/m Điểm khác biệt so với trường hợp hiệu ứng từ giảo thuận, khi khảo sát tại góc của lõi thép thì biến dạng và chuyển vị theo phương x (phương của gông từ) lớn hơn phương y (phương của trụ từ) , do đó khi thực hiện sắt kẹp gông và trụ từ cần quan tâm đến biến dạng trên gông từ của lõi thép. .. trên lõi thép MBA một pha và ba pha, xác định được mối liên hệ giữa độ rung với tỉ số đồng dạng cơ học trong lõi thép Hƣớng phát triển của luận án - Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu ứng từ giảo của MBA lõi thép VĐH - Khảo sát ảnh hưởng của hiệu ứng từ giảo đến tổn thất lõi thép trước và sau khi ủ phục hồi từ tính của vật liệu - Yếu tố tần số cũng là một tham số quan trọng cần được nghiên cứu. .. Hình 4.25 độ rung giảm khi có cố định gông và trụ từ, Hình 4.26 cường độ âm thanh trung bình giảm khoảng 4,33 dB (hình 4.25c) 4.4 Kết luận Chương bốn đã xây dựng được mô hình toán mới trong hệ hỗn hợp điện - cơ - từ, khảo sát được chuyển vị, biến dạng và độ rung của lõi thép trước và sau khi sử dụng sắt kẹp cố định gông và trụ từ Kết quả của mô hình toán được so sánh và đánh giá với kết quả thực nghiệm ... liệu từ vô định hình máy biến áp Chương 2: Khảo sát biến dạng vật liệu từ Chương 3: Khảo sát mối liên hệ cơ- từ lõi thép máy biến áp Chương 4: Sự dung ồn lõi thép vô định hình hiệu ứng từ giảo. .. chuyển vị lõi thép VĐH hiệu ứng từ giảo  Nghiên cứu hệ thống lý thuyết rung ồn lõi thép tượng từ giảo gây  Nghiên cứu xây dựng mô hình toán tổng quát để phân tích tính toán lực từ, biến dạng... LIỆU TỪ VÔ ĐỊNH HÌNH VÀ MÁY BIẾN ÁP 1.1 Giới thiệu 1.2 Vật liệu từ vô định hình 1.2.1.Cấu trúc mạng tinh thể 1.2.2.Công nghệ chế tạo vật liệu từ vô định hình Vật liệu VĐH chế tạo từ 20 phương pháp