Tổng quan luận án

Tính cấp thiết của đề tài và khoảng trống nghiên cứu

Máy biến áp (MBA) phân phối là phần tử quan trọng trong hệ thống điện, chiếm tỷ trọng lớn trong tổng công suất đặt của lưới điện. Việc giảm tổn thất điện năng trong MBA phân phối mang lại hiệu quả kinh tế và kỹ thuật đáng kể. Tổn hao trong MBA bao gồm tổn hao đồng trên dây quấn và tổn hao sắt từ trong lõi thép, trong đó tổn hao sắt phụ thuộc trực tiếp vào chất lượng và đặc tính của vật liệu từ.

Vật liệu từ mềm vô định hình (VĐH) được phát hiện từ năm 1970 với cấu trúc nguyên tử sắp xếp ngẫu nhiên dạng "thủy tinh kim loại". So với thép kỹ thuật điện (tôn silic) truyền thống, thép VĐH có các đặc tính từ vượt trội: điện trở suất cao ($\rho = 130 - 170\ \mu\Omega\cdot\text{cm}$ so với $50 - 60\ \mu\Omega\cdot\text{cm}$), chiều dày lá thép siêu mỏng ($t = 0,02 - 0,03\text{ mm}$ so với $0,3 - 0,5\text{ mm}$), và lực kháng từ rất nhỏ ($H_c \approx 0,8 - 10\text{ A/m}$ so với $50 - 100\text{ A/m}$). Nhờ đó, việc ứng dụng lõi thép VĐH giúp giảm tổn hao không tải từ 60% đến 70% so với thép silic chất lượng cao.

Tuy nhiên, vật liệu từ VĐH dạng băng mỏng rất nhạy cảm với nhiệt độ, ứng suất cơ học và từ trường ngoài. Hiện tượng từ giảo (sự biến dạng hình học dưới tác dụng của từ trường và sự thay đổi từ tính dưới tác dụng của ứng suất cơ khí) diễn ra mạnh mẽ do hệ số từ giảo bão hòa của thép VĐH rất cao ($\lambda_s \approx 27\ \mu\text{m/m}$, cao gấp khoảng 3 lần so với tôn silic là $8 - 10\ \mu\text{m/m}$). Hiệu ứng từ giảo kết hợp với lực từ động tuần hoàn ở tần số $2f$ ($100\text{ Hz}$ đối với lưới điện $50\text{ Hz}$) gây rung động cơ học và phát xạ tiếng ồn lớn trong thân máy biến áp. Mật độ từ thông cao còn có nguy cơ phá vỡ kết cấu cơ khí ban đầu và sinh ra các thành phần sóng hài bậc cao.

Khoảng trống nghiên cứu được xác định: Các công trình nghiên cứu về hiện tượng từ giảo trên MBA lõi thép VĐH tại thời điểm thực hiện còn hạn chế. Phần lớn các công bố quốc tế tập trung vào đo đạc thực nghiệm riêng lẻ hoặc khảo sát mô hình hai chiều (2D), chưa có mô hình toán tổng quát tích hợp hệ hỗn hợp điện – từ – cơ có xét đến ảnh hưởng của kết cấu cơ khí kẹp chặt gông và trụ từ. Đồng thời, vị trí chịu biến dạng, chuyển vị lớn nhất trong không gian ba chiều (3D) của lõi thép chưa được định vị chính xác để phục vụ thiết kế và chế tạo thực tế tại Việt Nam.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Xây dựng mô hình toán khảo sát biến dạng, chuyển vị và rung động trong lõi thép máy biến áp.
  2. Tìm ra vị trí chịu biến dạng và chuyển vị lớn nhất trong lõi thép.
  3. Khảo sát sự rung ồn trong lõi thép khi có cố định gông và trụ từ so với trường hợp không cố định gông và trụ từ.
  4. So sánh, đánh giá kết quả đạt được từ mô hình toán với kết quả phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) và kết quả thực nghiệm, xác định lực kẹp sao cho máy biến áp có độ rung ồn nhỏ nhất.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Máy biến áp có cấu trúc dây quấn hình chữ nhật sử dụng lõi thép bằng vật liệu vô định hình loại 1 pha và 3 pha.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Về không gian: Khảo sát trên mô hình lõi MBA 1 pha công suất $3,3\text{ kVA}$ ($220\text{ V}/115\text{ V}$) và MBA 3 pha 3 trụ công suất $10\text{ kVA}$ ($380\text{ V}/220\text{ V}$, tổ đấu dây Y/Y); thực hiện mô phỏng giải tích 2D và 3D; đo đạc thực nghiệm tại phòng thí nghiệm.
    • Về nội dung và thời gian: Tập trung vào chế độ làm việc không tải ở tần số công nghiệp $50\text{ Hz}$; khảo sát phân bố lực cơ từ, ten xơ suất từ trở, biến dạng từ giảo, chuyển vị đàn hồi, độ rung gia tốc và mức phát xạ tiếng ồn (dB) theo cảm ứng từ $B$ và mô men lực kẹp cơ khí.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây

Tác giả đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước theo ba hướng chính:

                                  TỔNG QUAN TÀI LIỆU
Nghiên cứu tổn thất &              Nghiên cứu lực cơ từ              Nghiên cứu rung động &
thiết kế MBA lõi thép VĐH          ở lõi thép MBA                    tiếng ồn do từ giảo

1. Nghiên cứu về tổn hao và thiết kế MBA lõi thép vô định hình

  • Nghiên cứu quốc tế: S. Lupi (1987) [53] so sánh kinh tế giữa MBA thông thường và MBA lõi VĐH. Ng (1990) [34] chứng minh hiệu quả giảm tổn hao không tải của kim loại VĐH trên MBA 50 kVA. Matsuki [57] khảo sát kết cấu đai dây quấn và tổn hao sắt. Johnson [45] đánh giá ứng dụng VĐH ở tần số 60 Hz. Lenke [42] khảo sát đặc tính tần số trung (kHz). W. Taylor (1992) [62] chỉ ra tổn thất MBA chiếm 60% tổn thất lưới phân phối (trong đó tổn thất lõi chiếm 45%) và MBA 3 pha 25 kVA lõi VĐH giảm tổn hao từ 60W xuống 20W. Chang-Hung Hsu và Yeong-Hwa Chang (2007) [21] thực nghiệm ủ lõi SA1 trong từ trường DC $800\text{ A/m}$ tại $360^\circ\text{C}$ trong 2 giờ đạt tổn hao tối ưu $0,4\text{ W/kg}$ ở $B=1,2\text{ T}$. ERDF (Pháp) [22] thử nghiệm MBA VĐH từ 160 kVA đến 630 kVA. Pan-Seok Shin [64] áp dụng phương pháp đồng nhất hóa và PTHH; Stefan Sieradzki [65] khảo sát MBA 3 pha 5 trụ 160 kVA; Yinshun Wang và Xiang Zhao [72] thiết kế MBA 3 pha 630 kVA (10,5/0,4 kV); Benedito Antonio Luciano [52] nghiên cứu MBA 1 pha 1 kVA; D. Cendes (2003) [48] mô phỏng PTHH 2D/3D quá độ; Thorsten Steinmetz và Bogdan Cranganu-Cretu [66] nghiên cứu MBA khô phân phối 630 kVA.
  • Nghiên cứu tại Việt Nam: Dự án 13/97-HĐCGCN của Viện Vật lý kỹ thuật – ĐHBK Hà Nội [6] chế tạo băng từ mềm VĐH. Quyết định 6228/QĐ-BCT (2009) [1] của Bộ Công Thương phê duyệt nhiệm vụ thiết kế chế tạo MBA VĐH. Các hội thảo chuyển giao công nghệ của MUMSS (2011), Hitachi Metals và ECC-HCMC (2012) triển khai thử nghiệm tại Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh, Bình Dương, Đồng Nai, Bến Tre. Công ty Cổ phần Chế tạo Biến thế Hà Nội đúc cuộn dây epoxy trên lõi VĐH.

2. Nghiên cứu mối liên hệ cơ - từ trong lõi thép

  • Lõi thép silic: Masato Enokizono và Naoya Soda (1997) [56] khảo sát mối liên hệ $\mathbf{B} - \mathbf{H}$ qua từ thế vectơ $\mathbf{A}$ và ten xơ suất từ trở. Razek [15] dùng hàm mật độ năng lượng và PTHH chứng minh lực từ tập trung ở góc/cạnh gây biến dạng nhỏ, trong khi lực từ giảo phân bố toàn khối gây biến dạng lớn. Hongkui Li và Gang Chen (2009) [44] phân tích tổng lực từ và lực từ giảo. Setareh Gorji Ghalamestani và cộng sự (2010) [32] đo thực nghiệm biến dạng từ giảo song song và vuông góc đạt $14,5\ \mu\text{m/m}$ tại $B=1,5\text{ T}$. Lihua Zhu, Qingxin Yang, Rongge Yan [79] mô phỏng 2D MBA 3 pha 10 kVA, xác định chuyển vị trụ gấp 3 lần gông. Hassan Ebrahimi và cộng sự (2013, 2014) [28, 29] tính toán lực cơ từ trên cuộn kháng có ứng suất ngoài.
  • Lõi thép vô định hình: Jacek Salach và cộng sự (2010) [63] đo đường cong từ hóa của $\text{Fe}{25}\text{Ni}{55}\text{Si}{10}\text{B}{10}$ dưới ứng suất nén (làm tăng $B$) và kéo (làm giảm $B$). F. Asgar (2006) [9] xác định hệ số từ giảo của $\text{Fe}{90-x}\text{Si}x\text{B}{10}$ ($x=8$) đạt trên $20\ \mu\text{m/m}$. Y. Greneche (2013) [17] đo hệ số cơ từ $k{33}$, độ cảm từ giảo $d_{33}$ trên Metglas 2605SC. Haifeng Zhong và cộng sự [33] mô phỏng MBA 800 kVA/10 kV trên Ansys Maxwell, ghi nhận độ ồn và độ nhạy ứng suất cơ khí cao.

3. Nghiên cứu về rung động và tiếng ồn do từ giảo

Chang Yeong-Hwa và cộng sự (2008, 2011) [18, 20, 23] so sánh mức ồn giữa thép VĐH và tôn silic 23DZMH-90; so sánh lõi dạng C góc chữ nhật, C góc cong và hình xuyến (dạng C góc chữ nhật rung cao nhất; MBA 3 pha rung mạnh hơn MBA 1 pha). Yingying Wang và cộng sự (2010) [73] đo ồn thực nghiệm trên lõi Metglas 2605SA1 sau 12 giờ đêm khi thay đổi $B$ và lực kẹp. Chang-Hung Hsu và cộng sự (2013) [37], Jiangtao Liu và Liming Ying [49] nghiên cứu điều khiển thích nghi để giảm tiếng ồn từ giảo.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

  1. Xây dựng mô hình toán học tổng quát giải quyết bài toán tương tác cơ – từ trong hệ hỗn hợp điện – cơ của lõi thép MBA VĐH.
  2. Mở rộng khảo sát từ mô hình 2D sang mô hình 3D trên phần mềm Ansys Maxwell để xác định chính xác vị trí biến dạng và chuyển vị cực đại trong không gian lõi thép.
  3. Nghiên cứu thực nghiệm định lượng tác động của lực kẹp cơ khí (gông và trụ từ) bằng cờ lê lực nhằm tìm giá trị lực ép tối ưu triệt tiêu rung động và hạ thấp độ ồn phát xạ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm sử dụng

  • Hiện tượng từ giảo: Hiện tượng kích thước vật liệu thay đổi dưới tác dụng của từ trường ngoài (từ giảo thuận) hoặc tính chất từ thay đổi dưới tác dụng của ứng suất cơ học ngoài (từ giảo nghịch), được Joule phát hiện năm 1842 [55].
  • Hệ số từ giảo và độ cảm từ giảo:
    • Hệ số từ giảo dài: $$\lambda(H) = \frac{l(H) - l_0}{l_0}$$
    • Độ cảm từ giảo (áp từ, đơn vị $\text{m/A}$): $$d_{33} = \chi(H) = \frac{d\lambda}{dH}$$
    • Hệ phương trình trạng thái áp từ kết hợp từ trường $H$ và ứng suất $\sigma$: $$\begin{cases} B = d_{33}\sigma + \mu_\sigma H \ \varepsilon = \varepsilon_H \sigma + d_{33} H \end{cases}$$ Trong đó $\varepsilon_H$ là hệ số biến dạng phụ thuộc cường độ từ trường, $\mu_\sigma$ là hệ số từ thẩm thay đổi dưới tác dụng của ứng suất.
  • Cơ chế vi mô và từ giảo bão hòa: Cơ chế bắt nguồn từ tương tác spin – quỹ đạo và sự phân bố bất đối xứng cầu của đám mây điện tử. Biến dạng từ giảo bão hòa $\lambda_s$ của vật liệu dạng khối được tính theo biến dạng hướng dễ từ hóa $\lambda_{100}$ (trục $y$, trụ từ) và hướng khó từ hóa $\lambda_{111}$ (trục $x$, gông từ) [35, 40]: $$\lambda_s = \frac{2}{5}\lambda_{100} + \frac{3}{5}\lambda_{111}$$
  • Năng lượng từ giảo: $$E_{ms} = \frac{3}{2} \int_V \lambda_s \sigma \sin^2\alpha, dV$$
  • Lý thuyết đàn hồi và định luật Hooke tổng quát:
    • Định luật Hooke đơn trục: $\sigma = E\cdot\varepsilon$ ($E$ là mô đun Young).
    • Định luật Poisson: biến dạng ngang $\varepsilon_2 = \varepsilon_3 = -\nu\cdot\varepsilon_1$ ($\nu < 0,5$).
    • Ma trận độ cứng quan hệ ứng suất – biến dạng không gian 3 chiều $[\sigma] = [c][\varepsilon]$ với các hằng số Lamé $\lambda_L$ và mô đun đàn hồi trượt $G$: $$\lambda_L = \frac{E\nu}{(1+\nu)(1-2\nu)}; \quad G = \frac{E}{2(1+\nu)}$$
    • Quan hệ ứng suất – biến dạng trong mặt phẳng 2D:
      • Biến dạng phẳng: $$\begin{bmatrix} \sigma_x \ \sigma_y \ \tau_{xy} \end{bmatrix} = \frac{E}{(1+\nu)(1-2\nu)} \begin{bmatrix} 1-\nu & \nu & 0 \ \nu & 1-\nu & 0 \ 0 & 0 & \frac{1-2\nu}{2} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} \varepsilon_x \ \varepsilon_y \ \gamma_{xy} \end{bmatrix}$$
      • Ứng suất phẳng: $$\begin{bmatrix} \sigma_x \ \sigma_y \ \tau_{xy} \end{bmatrix} = \frac{E}{1-\nu^2} \begin{bmatrix} 1 & \nu & 0 \ \nu & 1 & 0 \ 0 & 0 & \frac{1-\nu}{2} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} \varepsilon_x \ \varepsilon_y \ \gamma_{xy} \end{bmatrix}$$
  • Năng lượng biến dạng đàn hồi riêng (nội năng): $dU_0 = \sigma_{ij} d\varepsilon_{ij}$.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  1. Phương pháp giải tích số: Xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả hệ hỗn hợp điện – cơ của mạch từ máy biến áp; sử dụng phần mềm MATLAB và MS Excel để tính toán số trị, lập trình giải thuật lặp xác định mật độ lực từ, lực từ giảo, biến dạng và chuyển vị.
  2. Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH): Ứng dụng phần mềm Ansys Maxwell để xây dựng mô hình mô phỏng 2D và 3D. Sử dụng kỹ thuật đồng nhất hóa vật liệu để mô phỏng các lớp băng mỏng VĐH, phân tích sự phân bố từ thế vectơ $\mathbf{A}$, cảm ứng từ $\mathbf{B}$, ten xơ suất từ trở và trường lực cơ từ.
  3. Phương pháp đo đạc thực nghiệm:
    • Xây dựng mô hình thực nghiệm đo độ rung và tiếng ồn trên MBA 1 pha $3,3\text{ kVA}$ ($220/115\text{ V}$) và MBA 3 pha $10\text{ kVA}$ ($380/220\text{ V}$, Y/Y).
    • Sử dụng cảm biến đo gia tốc rung, máy phân tích phổ tần số rung động và máy đo mức âm thanh (dB) tại điểm đo quy chuẩn (điểm 6) trong điều kiện vận hành không tải.
    • Sử dụng cờ lê lực để thay đổi và kiểm soát chính xác mô men lực siết bu-lông kẹp cơ khí tại gông và trụ từ.

Nguồn tư liệu và dữ liệu

  • Cơ sở dữ liệu thông số vật liệu: Băng thép vô định hình Metglas 2605SA1, SA1, HB1, 2605SC và các mẫu thép silic cán nguội định hướng M4, M5, 23DZMH-90.
  • Kết quả đo đạc thực nghiệm tại phòng nghiên cứu thuộc Viện Nghiên cứu quốc tế về Khoa học Kỹ thuật Tính toán và Viện Điện – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về vật liệu từ vô định hình và máy biến áp

Chương 1 trình bày tổng quan cấu trúc, công nghệ chế tạo, tính chất vật lý của vật liệu từ vô định hình và tình hình nghiên cứu ứng dụng chế tạo MBA.

Thông số kỹ thuật Thép vô định hình (Metglas/SA1) Thép kỹ thuật điện Silic (M4/M5)
Cấu trúc mạng nguyên tử Vô định hình ("thủy tinh kim loại") Tinh thể định hướng cán nguội
Chiều dày lá thép ($t$) $0,02 - 0,03\text{ mm}$ $0,30 - 0,50\text{ mm}$
Điện trở suất ($\rho$) $130 - 170\ \mu\Omega\cdot\text{cm}$ $50 - 60\ \mu\Omega\cdot\text{cm}$
Lực kháng từ ($H_c$) $0,8 - 10\text{ A/m}$ $50 - 100\text{ A/m}$
Hệ số từ giảo bão hòa ($\lambda_s$) $\approx 27\ \mu\text{m/m}$ $8 - 10\ \mu\text{m/m}$
Tổn hao không tải ($P_0$) Giảm $60% - 70%$ so với thép silic Chuẩn tham chiếu cao 
QUY TRÌNH CHẾ TẠO BĂNG MỎNG VĐH:
Hợp kim lỏng (Fe, Nb, Cu, B, Si) tại 1500°C

Chương 1 chỉ ra rằng đường cong từ trễ của thép VĐH rất hẹp, diện tích vòng từ trễ nhỏ nên tổn hao từ trễ không đáng kể. Tuy nhiên, hệ số từ giảo bão hòa cao ($\approx 27\ \mu\text{m/m}$) dẫn đến hiện tượng co giãn cơ học mạnh mẽ dưới tác dụng của từ trường xoay chiều, gây rung động và phát xạ tiếng ồn cao hơn so với máy biến áp lõi thép silic.

Chương 2: Khảo sát biến dạng của vật liệu từ vô định hình do hiệu ứng từ giảo

Chương 2 thiết lập cơ sở lý thuyết toán học về đàn hồi và từ giảo:

  • Cơ chế từ giảo: Tương tác spin – quỹ đạo dưới từ trường ngoài làm xoay các mô men từ và dịch chuyển ranh giới đomen từ, làm thay đổi khoảng cách mạng nguyên tử khi đám mây điện tử không có tính đối xứng cầu.
  • Biến dạng từ giảo và đàn hồi: Phân tích trạng thái biến dạng tổng $\varepsilon = \varepsilon_{elast} + \varepsilon_{ms}$ (biến dạng đàn hồi và biến dạng từ giảo).
  • Hệ phương trình ten xơ: Thiết lập ten xơ ứng suất $[\sigma]$ và ten xơ biến dạng $[\varepsilon]$ trong không gian tọa độ Descartes $(x,y,z)$, liên hệ qua ma trận độ cứng $[c]$ chứa các hằng số kỹ thuật ($E, G, \nu, \lambda_L$).
  • Khảo sát biến dạng phẳng và ứng suất phẳng: Đưa ra biểu thức giải tích rút gọn trên mặt phẳng 2D $(x,y)$, đặt nền tảng phương trình để giải bài toán trường liên kết cơ – từ ở Chương 3.

Chương 3: Khảo sát mối liên hệ cơ - từ trong lõi thép máy biến áp

Chương 3 tập trung xây dựng mô hình toán tính lực cơ từ và triển khai mô phỏng số bằng phương pháp phần tử hữu hạn trên Ansys Maxwell 2D và 3D:

  • Mô hình toán trường từ thế vectơ: Thiết lập phương trình vi phân liên hệ giữa mật độ dòng điện $\mathbf{J}$, từ thế vectơ $\mathbf{A}$ và suất từ trở $\nu$: $$\nabla \times (\nu \nabla \times \mathbf{A}) = \mathbf{J}$$
  • Suất từ trở khi $\mathbf{B}$ và $\mathbf{H}$ không cùng phương: Khảo sát ảnh hưởng của góc lệch $\theta$ giữa vectơ cảm ứng từ $\mathbf{B}$ và cường độ từ trường $\mathbf{H}$ ($\theta = 0^\circ, 15^\circ, 30^\circ$) có xét đến hiệu ứng từ giảo thuận và nghịch.
  • Phân bố lực và biến dạng:
    • Lực từ tác dụng chủ yếu tại các biên tiếp giáp và góc lõi từ.
    • Lực từ giảo $F_{ms}$ phân bố với mật độ dày đặc trên toàn bộ thể tích lõi thép, đặc biệt tập trung giá trị cực đại tại các góc của cửa sổ mạch từ.
  • Kết quả mô phỏng 2D và 3D:
Đại lượng khảo sát Kết quả mô hình toán Mô phỏng PTHH 2D Mô phỏng PTHH 3D
Vị trí biến dạng cực đại Góc cửa sổ mạch từ Góc cửa sổ mạch từ Góc trong cửa sổ mạch từ
Tỷ lệ chuyển vị ($u_{trụ} / u_{gông}$) $\approx 3,0$ lần $\approx 2,95$ lần $\approx 3,05$ lần
Độ chính xác tương quan Chuẩn giải tích Sai lệch $< 5%$ Phản ánh chính xác hiệu ứng biên 
PHÂN BỐ CHUYỂN VỊ VÀ BIẾN DẠNG TRÊN LÕI THÉP:

Chương 4: Sự rung ồn trong lõi thép vô định hình do hiệu ứng từ giảo

Chương 4 nghiên cứu sự rung động và tiếng ồn trong hệ hỗn hợp điện – cơ của MBA lõi thép VĐH:

  • Mô hình tương đương hệ hỗn hợp: Xây dựng sơ đồ thay thế tương đương gồm 4 hệ cơ học đại diện cho các phần tử gông từ, trụ từ, đệm kẹp và kết cấu khung ép.
SƠ ĐỒ HỆ HỖN HỢP ĐIỆN - CƠ:
Nguồn điện xoay chiều (f = 50 Hz)
  • Kết quả khảo sát giải tích và thực nghiệm:
    • Tần số rung động cơ bản của lõi từ xuất hiện ở tần số $2f = 100\text{ Hz}$ và các sóng hài bậc cao ($200\text{ Hz}, 300\text{ Hz}, 400\text{ Hz}$).
    • Khảo sát thực nghiệm trên MBA 1 pha ($3,3\text{ kVA}$) và MBA 3 pha ($10\text{ kVA}$) đo tại điểm số 6 trước và sau khi sử dụng sắt kẹp cố định gông và trụ từ:
Đối tượng thử nghiệm Chế độ kết cấu kẹp cơ khí Độ rung hiệu dụng ($a_{rms}$) Mức độ ồn tại điểm 6 (dB)
MBA 1 pha ($3,3\text{ kVA}$) Chưa kẹp cố định Mức rung tự do cao Mức ồn nền cao
MBA 1 pha ($3,3\text{ kVA}$) Kẹp bu-lông với lực siết tối ưu Giảm rõ rệt Giảm đáng kể so với ban đầu
MBA 3 pha ($10\text{ kVA}$) Chưa kẹp cố định Rung mạnh hơn MBA 1 pha Mức phát xạ âm lớn
MBA 3 pha ($10\text{ kVA}$) Kẹp bu-lông với lực siết tối ưu Biên độ rung giảm sâu Hạ mức ồn về giới hạn tiêu chuẩn
  • Kết quả thực nghiệm bằng cờ lê lực chứng minh: Khi tăng dần mô men lực kẹp gông và trụ, độ rung và tiếng ồn giảm dần đến một giá trị cực tiểu (điểm tối ưu). Nếu tiếp tục tăng lực kẹp vượt quá giới hạn này, ứng suất nén cơ học quá mức sẽ làm tăng biến dạng cục bộ và khiến độ rung ồn tăng trở lại.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và thực tiễn

Căn cứ theo văn bản luận án, 5 đóng góp mới được công bố bao gồm:

  1. Xây dựng mô hình toán mới trong hệ hỗn hợp cơ – từ: Thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả liên kết điện – từ – cơ, cho phép tính toán đồng thời lực từ, lực từ giảo, biến dạng và chuyển vị trong lõi thép MBA VĐH.
  2. Khảo sát toàn diện mối liên hệ cơ – từ: Đánh giá định lượng tương tác cơ từ có xét đến các yếu tố suất từ trở phi tuyến, góc lệch giữa $\mathbf{B}$ và $\mathbf{H}$ ($\theta = 0^\circ, 15^\circ, 30^\circ$), hiệu ứng từ giảo thuận – nghịch và gia tốc rung động của lõi từ.
  3. Định vị điểm tập trung biến dạng và chuyển vị cực đại: Xác định chính xác vị trí chịu ứng suất, biến dạng và chuyển vị lớn nhất nằm tại các góc của cửa sổ mạch từ (nơi chuyển tiếp giữa gông và trụ từ), cung cấp dữ liệu cho thiết kế hình học mạch từ.
  4. Xác định ứng suất kẹp tối ưu: Tính toán được giới hạn ứng suất nén ép cơ học của kết cấu sắt kẹp gông và trụ từ để chuyển vị và biến dạng lõi thép đạt giá trị nhỏ nhất.
  5. Thực nghiệm xác định lực kẹp tối ưu triệt tiêu rung ồn: Tiến hành thực nghiệm đo rung ồn trên MBA 1 pha ($3,3\text{ kVA}$) và MBA 3 pha ($10\text{ kVA}$) với các dải lực kẹp khác nhau bằng cờ lê lực, tìm ra giá trị mô men lực kẹp tối ưu giúp giảm độ rung và mức ồn phát xạ của MBA lõi thép VĐH xuống mức thấp nhất.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Giải pháp chế tạo cơ khí: Thiết kế hệ thống sắt kẹp chuyên dụng cho gông và trụ từ MBA VĐH; bắt buộc sử dụng cờ lê lực trong khâu lắp ráp để kiểm soát chính xác mô men siết bu-lông theo giá trị lực ép tối ưu đã tính toán.
  • Tối ưu hóa hình học cửa sổ mạch từ: Gia cố cơ học và bo tròn thích hợp tại các vị trí góc cửa sổ lõi từ nhằm giảm thiểu sự tập trung mật độ lực từ giảo.
  • Quy trình xử lý nhiệt: Áp dụng chế độ ủ lõi thép VĐH trong từ trường DC định hướng (theo khuyến nghị $360^\circ\text{C}$ trong 2 giờ dưới từ trường $800\text{ A/m}$) để hoàn thiện phẩm chất từ mềm trước khi lắp ráp gông kẹp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Các khảo sát thực nghiệm tập trung trên mô hình máy biến áp công suất nhỏ và trung bình ($3,3\text{ kVA}$ 1 pha và $10\text{ kVA}$ 3 pha) ở chế độ không tải với nguồn điện tần số công nghiệp $50\text{ Hz}$.
  • Việc mô phỏng 3D vật liệu VĐH dạng băng mỏng ($0,02 - 0,03\text{ mm}$) phụ thuộc vào kỹ thuật đồng nhất hóa vật liệu do giới hạn về năng lực tính toán khi chia lưới phần tử hữu hạn quy mô cực nhỏ.

Hướng phát triển của luận án

  1. Mở rộng mô hình toán và thử nghiệm trên các dòng máy biến áp phân phối công suất lớn (từ $100\text{ kVA}$ đến $630\text{ kVA}$ hoặc lớn hơn) vận hành ở cấp điện áp trung thế.
  2. Khảo sát hiện tượng từ giảo và rung ồn trong điều kiện máy biến áp mang tải định mức, quá tải và chịu ảnh hưởng của các thành phần sóng hài điện áp/dòng điện phi tuyến trên lưới điện thực tế.
  3. Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ gá kẹp tự động trên dây chuyền sản xuất công nghiệp MBA lõi thép vô định hình tại Việt Nam.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng và nội dung tham khảo

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật Điện, Thiết bị Điện, Vật lý Kỹ thuật:
    • Tham khảo phương pháp xây dựng mô hình toán hệ hỗn hợp điện – cơ (Chương 3, Chương 4).
    • Tham khảo phương pháp thiết lập ten xơ suất từ trở, thuật toán mô phỏng PTHH 2D/3D trên Ansys Maxwell kết hợp đồng nhất hóa vật liệu từ mỏng (Chương 2, Chương 3).
  • Kỹ sư thiết kế và các nhà máy chế tạo máy biến áp (như Công ty CP Chế tạo Biến thế Hà Nội, các đơn vị sản xuất MBA phân phối):
    • Tham khảo khuyến cáo về vị trí chịu ứng suất lớn nhất tại góc cửa sổ mạch từ để tối ưu hóa kết cấu cơ khí.
    • Ứng dụng quy trình xiết bu-lông kẹp gông và trụ từ bằng cờ lê lực với giá trị lực ép tối ưu nhằm xử lý triệt để vấn đề rung ồn khi thương mại hóa MBA VĐH.
  • Đơn vị quản lý, vận hành hệ thống điện phân phối (EVN và các công ty điện lực):
    • Có cơ sở khoa học để đánh giá mức độ ồn và tiêu chuẩn kỹ thuật khi lắp đặt trạm biến áp lõi thép VĐH trong các khu vực đông dân cư.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao máy biến áp lõi thép vô định hình có tổn hao không tải thấp hơn nhiều so với thép silic nhưng lại có mức độ rung ồn cao hơn?

Thép vô định hình có điện trở suất cao ($\rho = 130 - 170\ \mu\Omega\cdot\text{cm}$), độ dày siêu mỏng ($0,02 - 0,03\text{ mm}$) và lực kháng từ nhỏ ($H_c \approx 0,8 - 10\text{ A/m}$), giúp giảm tổn hao dòng xoáy và tổn hao từ trễ, làm giảm tổn hao không tải $60% - 70%$. Tuy nhiên, hệ số từ giảo bão hòa của thép VĐH rất cao ($\lambda_s \approx 27\ \mu\text{m/m}$, so với $8 - 10\ \mu\text{m/m}$ của tôn silic). Dưới tác dụng của từ trường xoay chiều tần số $50\text{ Hz}$, lực từ giảo dao động ở tần số $2f = 100\text{ Hz}$ sinh ra sự co giãn cơ học mạnh mẽ, dẫn đến độ rung và mức ồn phát xạ cao hơn.

2. Vị trí nào trong kết cấu lõi thép máy biến áp vô định hình chịu biến dạng và chuyển vị lớn nhất?

Kết quả phân tích mô hình toán và mô phỏng PTHH 2D/3D trên Ansys Maxwell xác định:

  • Mật độ lực từ giảo và biến dạng tập trung cao nhất tại các góc của cửa sổ mạch từ (vùng liên kết giữa gông từ và trụ từ).
  • Chuyển vị đàn hồi trên trụ từ lớn gấp khoảng 3 lần so với chuyển vị trên gông từ ($u_{trụ} \approx 3\cdot u_{gông}$).

3. Góc lệch $\theta$ giữa cảm ứng từ $\mathbf{B}$ và cường độ từ trường $\mathbf{H}$ ảnh hưởng như thế nào đến lực cơ từ trong lõi thép?

Khi góc lệch $\theta$ thay đổi (luận án khảo sát các giá trị $\theta = 0^\circ, 15^\circ, 30^\circ$), ten xơ suất từ trở của vật liệu biến thiên phi tuyến do hiệu ứng từ giảo thuận và nghịch. Góc $\theta$ càng lớn, các thành phần lực cơ từ tiếp tuyến và pháp tuyến phân bố càng phức tạp, làm gia tăng ứng suất nội và chuyển vị cục bộ tại các điểm góc mạch từ.

4. Luận án đã đề xuất giải pháp kỹ thuật cụ thể nào để giảm thiểu độ rung và tiếng ồn cho MBA lõi thép vô định hình?

Luận án đề xuất giải pháp sử dụng kết cấu khung sắt kẹp cố định đồng thời cả gông từ và trụ từ, kiểm soát lực xiết bu-lông bằng cờ lê lực. Thực nghiệm chứng minh tồn tại một giá trị mô men lực kẹp tối ưu: lực kẹp vừa đủ sẽ triệt tiêu chuyển vị cơ học tự do của các dải băng VĐH và hạ mức ồn tại điểm đo số 6 xuống thấp nhất; nếu kẹp quá lỏng hoặc quá chặt đều làm độ rung ồn tăng cao.

5. Quy trình xử lý nhiệt tối ưu cho vật liệu thép vô định hình SA1 được luận án ghi nhận như thế nào?

Dẫn xuất từ các kết quả thực nghiệm tổng thuật (tài liệu [21]), quy trình xử lý ủ lõi thép vô định hình SA1 đạt hiệu quả tối ưu tại nhiệt độ $360^\circ\text{C}$ trong thời gian 2 giờ dưới tác dụng của từ trường một chiều (DC) $800\text{ A/m}$, giúp giảm tổn thất lõi xuống còn khoảng $0,4\text{ W/kg}$ tại cảm ứng từ $B = 1,2\text{ T}$.

Kết luận

Luận án của tác giả Đỗ Chí Phi đã giải quyết bài toán tương tác cơ – từ và hiện tượng từ giảo trong máy biến áp sử dụng lõi thép vô định hình thông qua việc xây dựng mô hình toán hệ hỗn hợp điện – cơ kết hợp mô phỏng phần tử hữu hạn 2D/3D và kiểm chứng thực nghiệm. Kết quả nghiên cứu đã làm rõ quy luật phân bố lực từ giảo, xác định vị trí biến dạng cực đại tại các góc cửa sổ mạch từ và chứng minh tỷ lệ chuyển vị trụ từ cao gấp 3 lần gông từ. Luận án đã xác định được giải pháp kẹp chặt cơ khí gông và trụ từ với mô men lực ép tối ưu bằng cờ lê lực, góp phần giải quyết trở ngại về rung ồn và cung cấp cơ sở khoa học cho công nghệ thiết kế, chế tạo máy biến áp phân phối hiệu suất cao tại Việt Nam.