Giới thiệu
Động cơ lồng sóc là loại động cơ điện phổ biến nhất hiện nay nhờ vào cấu trúc đơn giản, độ bền cao và tuổi thọ lâu dài Loại động cơ này có chi phí đầu tư thấp và yêu cầu bảo trì ít, làm cho nó trở thành lựa chọn kinh tế Kích thước của động cơ lồng sóc rất đa dạng, từ vài oát cho đến hàng triệu oát.
Các tổn thất gồm có:
- Tổn thất nhiệt trong cuộn dây rotor và stator
- Lõi thép: dòng điện xoáy và từ trễ
- Ma sát giữa trục, ổ bi, tổn thất quạt làm mát
- Phụ tải tản mạn (hiệu ứng bão hòa, hình học và từ thông tản…)
Động cơ thông thường có hiệu quả hoạt động thấp do không sử dụng vật liệu cao cấp, dẫn đến giảm hiệu suất Chúng không thể điều chỉnh tốc độ một cách linh hoạt mà chỉ thay đổi theo từng nấc Để đạt được sự biến đổi tốc độ mượt mà và liên tục, cần phải sử dụng thêm bộ điều chỉnh tốc độ phù hợp Hệ số công suất thấp cũng góp phần làm tăng hóa đơn tiền điện.
Hiệu suất và cải thiện hiệu suất của động cơ điện
Hiệu suất
Đối với động cơ điện, công suất ra (P2) biểu thị công suất cơ học tại trục rotor, trong khi công suất vào (P1) là năng lượng mà lưới điện cung cấp cho động cơ Hiệu suất của động cơ được xác định bằng tỷ lệ giữa công suất ra và công suất vào.
Hiệu suất động cơ chiếm tới 90%, và nó được xác định bởi tổn thất bên trong Để giảm thiểu tổn thất này, cần thay đổi thiết kế động cơ và điều kiện vận hành.
Các tổn thất bao gồm: 10% trong đó nếu tính theo 100% thì:
- tổn thất do ma sát và gió mát: 5%
-tồn thất do lõi và khe hở: 25%
Cải thiện hiệu suất động cơ bằng cách thay đổi kết cấu của động cơ
Ta có thể cải thiện trong quá trình thiết kế và chế tạo:
- Giảm tồn thất stator bằng cách tăng kích thước rãnh sator hoặc đường kính dây dẫn lớn hơn
+ Tăng kích thước cá thanh dẫn trong rotor và các vòng ngắn mạch ở hai đầu cuối
- Giảm tổn thất lõi và khe hở:
+ Các lá thép mỏng với chất lượng cao hơn
+ Làm dài thêm lõi để giảm mật độ từ thông theo yêu cầu
+ Giảm kích thước khe hở giữa rotor và stator do đó yêu cầu chế tạo thật chính xác
- Giảm tốn thất gió và ma sát: tăng vòng bi đỡ và cải tiến thiết kế luồng không khí làm mát
- Giảm tổn thất do tản mạn: tối ưu hóa thiết kế và chế tạo
- Giảm tồn thất năng lượng đối với hệ thống truyền động bằng curoa, đai tải, xích tải và bánh răng:
Thay động cơ tiêu chuẩn thành động cơ hiệu suất năng lượng cao
Tổn thất điện trở được giảm thiểu nhờ sử dụng vật liệu dẫn điện chất lượng cao và dây dẫn stator cùng thanh dẫn rotor có tiết diện cắt lớn Điều này giúp nâng cao hệ số công suất của động cơ Để cải thiện khả năng khởi động, kích thước rãnh rotor được thiết kế nhỏ ở phía trên và lớn hơn ở phía dưới.
Động cơ không đồng bộ có công suất lên đến 100KW thường sử dụng dây quấn rotor bằng nhôm với dạng rãnh, giúp cải thiện tính năng mở máy so với các loại rãnh thông thường Khi mở máy, hiệu ứng mặt ngoài khiến dòng điện rotor tập trung lên bề mặt thanh dẫn, làm tăng điện trở rotor rõ rệt, từ đó nâng cao hiệu suất mở máy Để tối ưu hóa giữa hệ số công suất và mô-men mở máy, việc sử dụng thiết bị điều khiển tốc độ là rất cần thiết Bên cạnh đó, việc thiết kế đặc biệt giúp giảm thiểu tổn thất lõi thép đến mức tối đa.
Vì tăng tiết diện cắt của lõi théo nên giảm được mật độ từ thông nhưng trọng lượng có tăng lên một ít
- Các lá tôn thép kỹ thuật điện mỏng hơn để giảm dòng điện xoáy (giảm nóng, giảm tổn thất nhiệt)
- Sử dụng vật liệu tổn thất từ thấp dẫn đến tổn thất do từ trễ thấp (dùng thép silic chất lượng cao).
So sánh với động cơ thường khác
1) Đặc tính của động cơ HEMS:
Hiệu suất cao khi so sánh với các động cơ thông thường khác
Mặc dù giá mua động cơ kính tế thường cao hơn so với động cơ thông dụng, nhưng sự chênh lệch này sẽ được bù đắp nhanh chóng nhờ vào chi phí tiền điện thấp hơn trong quá trình vận hành.
Quạt làm mát được thiết kế nhỏ gọn hơn so với động cơ thông dụng, nhờ vào việc phát nhiệt ít hơn, dẫn đến tổn thất năng lượng thấp hơn và giảm thiểu tiếng ồn hiệu quả.
Tuổi thọ của động cơ HEMS cao hơn
Động cơ HEMS có kích thước tương đương với các loại động cơ thông dụng, nhưng lại có khả năng công suất cao hơn Vì vậy, khi cần thay thế động cơ, việc lựa chọn động cơ HEMS sẽ đáp ứng yêu cầu công suất lớn hơn.
12 song kích thước bị hạn chế sẽ dễ dàng thực hiện khi thay động cơ thông dụng bằng động cơ HEMS
2) Các biện pháp giảm tổn thất động cơ HEMS a) Tổn thất cố định:
- Giảm mất độ từ thông
- Sử dụng loại thép tấm kỹ thuật điện tổn thất thấp làm lõi từ
- Sử dụng thép tấm kỹ thuật điện mỏng hơn để làm lõi từ
- Loại trừ biến dạng trên bề mặt hoặc các lồi lõm của lá thép làm lõi từ
- Sử dụng các quạt làm mát có tổn thất thấp
- Sử dụng vật liệu bôi trơn có độ nhớt thấp b) Tổn thất tải:
Tổn thất điện trở cuộn dây sơ cấp:
- Giảm dòng điện chạy trong cuộn dây sơ cấp
- Thu ngắn bớt chiều dài cuối cuộn dây
- Tăng mật độ chèn cuộn dây
- Tăng tiết diện căt của dây dẫn chạy qua
Tổn thất điện trở cuộn dây thứ cấp:
- Giảm dòng điện chạy trong cuộn dây thứ cấp
- Tăng tiết diện căt của dây dẫn chạy qua
Tổn thất phụ tải tản mạn:
- Giảm mật độ từ thông khe hở
- Đảm bảo tốt cách điện các rãnh rotor
- Tối ưu hóa số lượng các rãnh rotor
- Tối ưu hóa chiều dài khe hở.
Các biện pháp để giảm tổn thất của động cơ cảm ứng theo điều kiện vận hành 13 Chương 2: Tổng quan về các loại vật liệu NaNo được ứng dụng trong động cơ điện 2.1 Giới thiệu
Non tải sẽ làm tăng tổn thất, giảm hiệu suất và hệ số công suất của động cơ vì một sô lý do sau:
- Nhà sản xuất thiết bị có xu hướng sử dụng hệ số an toàn lớn hơn khi chọn động cơ
- Thiết bị thường được sử dụng non tải
- Những động cơ lớn hơn được lựa chọn để giúp duy trì đầu ra ở mức mong muốn kể cả khi điện áp đầu vào thấp một cách bất thường
Nên lựa chọn kỹ công suất động cơ dựa trên đánh giá chi tiết về mức
2) Chọn công suất động cơ cho tải thay đổi
Các động cơ công nghiệp thường phải làm việc trong các điều kiện tải thay đổi theo yêu cầu của quy trình Một kinh nghiệm phổ biến là chọn động cơ dựa trên mức tải cao nhất Tuy nhiên, điều này dẫn đến việc sử dụng động cơ tốn kém hơn, vì nó thường hoạt động ở công suất tối đa trong thời gian ngắn và có nguy cơ gặp phải tình trạng non tải.
Một lựa chọn khác là xác định công suất động cơ dựa trên đồ thị phụ tải của thiết bị cụ thể Điều này có nghĩa là công suất động cơ được chọn sẽ thấp hơn một chút so với mức tải cao nhất, cho phép động cơ hoạt động ở chế độ quá tải trong một khoảng thời gian ngắn.
Nguy cơ lớn nhất đối với động cơ là tình trạng quá nhiệt, ảnh hưởng nghiêm trọng đến tuổi thọ và hiệu suất, dẫn đến tăng chi phí vận hành Khi lựa chọn công suất động cơ, cần đảm bảo rằng nhiệt độ trung bình theo trọng số trong chu kỳ làm việc thực tế không vượt quá mức tăng nhiệt độ khi hoạt động ở chế độ đầy tải liên tục (100%) Quá nhiệt có thể xảy ra trong nhiều trường hợp khác nhau.
- Thay đổi về tải như thường xuyên tắt bật hoặc tải ban đầu cao
- Thường xuyên và bị quá tải trong một thời gian dài
- Khả năng làm mát động cơ bị hạn chế
3) Điều chỉnh hệ số công suất bằng cách lắp tụ bù Động cơ cảm ứng có đặc tính là hệ số công suất nhỏ hơn 1 dẫn tới hiệu suất toàn phần thấp hơn của hệ thống điện nhà máy
Tụ bù đấu song song với động cơ nhằm nâng cao hệ số công suất của hệ thống phát dẫn điện, không phải của chính động cơ Việc điều chỉnh hệ số công suất mang lại nhiều lợi ích, bao gồm giảm công suất phản kháng và công suất biểu kiến, giảm tổn thất nhiệt trên dây dẫn trước tụ bù, từ đó giúp điều chỉnh điện áp và tăng hiệu suất toàn bộ hệ thống điện.
Kích cỡ tụ bù phụ thuộc vào công suất phản kháng không tải kVA của động cơ, không nên vượt quá 90% công suất phản kháng không tải kVAR để tránh gây ra điện áp cao, có thể làm cháy động cơ Để xác định kVAr của động cơ, cần thực hiện kiểm tra không tải hoặc có thể sử dụng hệ số công suất điển hình của các động cơ tiêu chuẩn để xác định kích cỡ tụ bù phù hợp.
4) Điều khiển tốc độ của động cơ không đồng bộ
Việc điều chỉnh tần số cung cấp cho động cơ cảm ứng có thể thay đổi tốc độ hoạt động của nó Phương pháp điều khiển động cơ phụ thuộc vào các yếu tố như chi phí đầu tư, độ tin cậy của tải và các yêu cầu điều khiển đặc biệt Tiềm năng tiết kiệm điện tối ưu nhất từ bộ điều khiển biến tốc thường xuất hiện trong các ứng dụng yêu cầu mô-men xoắn không đổi Động cơ nhiều tốc độ là một trong những giải pháp hiệu quả cho việc này.
Các động cơ có thể được thiết kế để vận hành ở hai tốc độ theo tỷ lệ 2:1 hoặc với hai cuộn dây riêng biệt, cho phép đạt tổng cộng bốn tốc độ Những động cơ đa tốc độ này thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu điều khiển tốc độ cố định (2 hoặc 4 tốc độ) thay vì thay đổi tốc độ liên tục Tuy nhiên, động cơ loại này không kinh tế do hiệu suất thấp hơn so với động cơ một tốc độ Một giải pháp thay thế là bộ điều khiển tốc độ vô cấp (VSD).
Bộ điều khiển tốc độ vô cấp, hay còn gọi là bộ biến tần, có khả năng điều chỉnh tốc độ động cơ, đặc biệt là động cơ không đồng bộ tiêu chuẩn Chúng dễ dàng lắp đặt vào hệ thống hiện có và thường được bán riêng, vì động cơ có thể đã được trang bị sẵn Khi tải thay đổi, bộ điều khiển này có thể giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng của các bơm ly tâm và quạt xuống 50% hoặc hơn.
Một bộ điều khiển cơ bản bao gồm một bộ biến tần thực hiện chuyển đổi tần sô từ 50
Hz sang các tần số và điện áp thay đổi tùy theo yêu cầu tải Tần số thay đổi sẽ điều khiển tốc độ của động cơ cảm ứng
Hiện nay, có ba loại biến tần chính: biến tần nguồn dòng (CSI), biến tần điện áp biến thiên (VVI) và biến tần độ rộng xung (PWM) Đặc biệt, bộ điều khiển động cơ xoay chiều rotor dây quấn sử dụng rotor đặc biệt cho phép điều khiển tốc độ Rotor này bao gồm các cuộn dây được nâng khỏi động cơ nhờ các vành trượt trên trục, và các cuộn dây này được kết nối với mạch điều khiển thông qua các biến trở lắp nối tiếp Bằng cách điều chỉnh các biến trở, có thể kiểm soát mô-men động cơ, và các động cơ rotor dây quấn thường được sử dụng cho công suất từ 300HP trở lên.
- Đối với curoa, đai tải:
+ Dây luôn giữ mềm dẻo để giảm tổn thất do quá trình tiếp xúc với puli
Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, cần giữ căng dây và làm sạch bề mặt tiếp xúc với puli, tránh để dính dầu mỡ Việc này giúp ngăn ngừa hiện tượng trượt do ma sát kém, vì khả năng mang tải của dây có thể giảm đến 16% nếu bề mặt và puli bị bẩn.
+ Các mối nối 2 đầu dây phải liền, phẳng
+ Các dây cũ và hỏng phải kịp thời thay mới để tránh mất nhiều thời gian phải ngừng máy do sự cố đứt dây hay tuột dây
+Bôi trơn tốt đề giảm ma sát của các con lăn, các má xích
+ Che chắn kỹ để tránh bụi bặm
+ Điều chỉnh độ căng của xích để tránh va đập
+ Thực hiện chế độ bảo trì một cách đúng đắn
+ Điều chỉnh khoảng cách giữa hai tâm của bánh răng nếu cần thiết để giảm va đập
+ Đối với cặp bánh răng kiểu hở, hãy che chắn kỹ, tránh bụi
+Đối với hộp bánh răng kín, có chứa dầu bôi trơn, ta không nên châm dầu bôi trơn nhiều hơn mức quy định nhằm giảm tổn thất thủy lực
TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI VẬT LIỆU NANO ĐƯỢC ỨNG
DỤNG TRONG ĐỘNG CƠ
Chương này trình bày phương pháp sử dụng lồng tán (Ball Mill) để chế tạo hạt kích thước nanomet từ nguyên liệu hạt thô kích thước milimet và micromet TiO2 và SiO2 Đây là những vật liệu phổ biến được sử dụng làm lớp phủ bên trong động cơ Bên cạnh đó, chương cũng khảo sát các tính chất điện của vật liệu nano, bao gồm tính chất phóng điện cục bộ và phóng điện toàn phần (phóng điện thác lũ).
Phương pháp tạo hạt nano (Ball Mill)
Có hai phương pháp chính để sản xuất hạt nano: phương pháp tán nhỏ và phương pháp nhiệt phân Phương pháp tán nhỏ thường được sử dụng để tạo ra hạt nano dạng vô định hình, với nguyên lý hoạt động là đưa nguyên liệu thô vào một lồng kín hình trụ (Ball Mill) chứa nhiều viên bi tròn, giúp giảm kích thước hạt xuống nanomet Các chất bột nano như dioxide Silicon và Titan oxit được tổng hợp bằng phương pháp này, nổi bật với ưu điểm là chi phí thấp, sản lượng lớn và kích thước hạt đồng đều Trong quá trình tán nhỏ, lực ly tâm và cấu trúc phễu của lồng Ball Mill giúp thu gom bột nano về một đầu, tối ưu hóa quy trình sản xuất.
Hình 2.1.Sơ đồ mặt cắt của thùng quay Ball Mill
Hình 2.2 Nguyên lý tạo ra hạt kích thước nano từ nguyên liệu thô
Hình 2.3 Hình dạng thực tế của thùng Ball Mill sản xuất bột nano
Khảo sát đặc tính của hạt nano là rất quan trọng để hiểu và kiểm tra quá trình tổng hợp cho các ứng dụng Cấu trúc của hạt nano được phân tích qua nhiều kỹ thuật khác nhau, bao gồm kính hiển vi điện tử (SEM), kính nhiễu xạ tia X (XRD) và phương pháp chụp cộng hưởng từ (NMR).
Kính hiển vi điện tử Hitachi SU1510 là một thiết bị hiệu suất cao, nhỏ gọn, lý tưởng cho việc sử dụng trong phòng thí nghiệm Thiết bị này được áp dụng để phân tích kích thước hạt nano SiO2 và TiO2, và hình ảnh cấu trúc hạt của hai loại vật liệu này thường được ghi lại bằng kính Hitachi SU1510 trong các tài liệu nghiên cứu.
Hình 2.4 Kính hiển vị điện tử Hitachi SU1510 Ảnh chụp hạt SiO2 và TiO2
Các hạt nano SiO2 và TiO2 được phân tích kích thước và cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử quét Hình 2.5-2.8 trình bày các ảnh vi điện tử của SiO2 và TiO2 trước khi đưa vào lồng tán Ball Mill.
Hình 2.8-2.10 trình bày ảnh vi điện tử phân tích các hạt nano SiO2 và TiO2 được tổng hợp thông qua phương pháp lồng tán Ball Mill Kết quả cho thấy các hạt nano này có kích thước từ 40 đến 100 nm.
Hình 2.5 Ảnh hạt thô SiO2 ở thang đo 50um
Hình 2.6 Ảnh hạt thô SiO2 ở thang đo 30um
Hình 2.7 Ảnh hạt thô TiO2 ở thang đo 50um
Hình 2.8 Ảnh hạt thô TiO2 ở thang đo 30um
Hình 2.9 Ảnh hạt nano SiO2 ở thang đo 5um
Hình 2.10 Ảnh hạt nano TiO2 ở thang đo 5um
Quá trình tạo hỗn hợp bột nano SiO2 và TiO2[1]
Quá trình hóa rắn chuyển đổi men từ trạng thái lỏng sang rắn sử dụng hợp chất DDM (diamino diphenyl Methane) làm chất đóng rắn Hỗn hợp bao gồm 80% men nano và 20% nhựa epoxy, với tỷ lệ 0,27 g DDM cho mỗi 1 g nhựa epoxy DDM được làm tan chảy trong 10 phút ở nhiệt độ 60-80ºC, sau đó được trộn đều với men và nhựa trong cốc thủy tinh Hỗn hợp này được đổ vào khuôn phủ teflon và gia nhiệt ở 120ºC trong 2 giờ, sau đó 130ºC trong 3 giờ Khi nguội, thu được hỗn hợp bột nano rắn, sẵn sàng cho thí nghiệm phủ dây dẫn và máy điện.
Các đặc tính điện của hạt nano
Đặc tính phóng điện cục bộ (PD-Partical Discharge)
Phóng điện cục bộ là hiện tượng xảy ra do sự tích tụ điện tích tại một khu vực trong chất cách điện hoặc trên bề mặt của vật liệu cách điện Hiện tượng này xuất hiện dưới dạng các tia điện với thời gian rất ngắn, chỉ tính bằng micro giây Phóng điện cục bộ bao gồm nhiều dạng xả điện tích khác nhau, như xả điện trong khoảng trống hoặc vết nứt của chất điện môi rắn, lỏng, và xả điện trên bề mặt tại ranh giới của các vật liệu cách điện khác nhau Ngoài ra, phóng điện hồ quang corona cũng xảy ra trong môi trường khí không đồng nhất, cùng với hiện tượng phóng điện liên tục từ chất điện môi rắn dẫn đến việc hình thành kênh xả điện (treeing).
Phóng điện cục bộ gây ăn mòn vật liệu do tác động của electron năng lượng cao và ion gia tốc, đồng thời làm biến đổi hóa học vật liệu điện môi Số lượng tia phóng điện phụ thuộc vào loại điện áp, với điện áp xoay chiều tạo ra nhiều tia phóng điện nhất Mức độ ăn mòn trên điện môi còn phụ thuộc vào loại vật liệu được sử dụng Nghiên cứu hiện tại tập trung vào mối liên hệ giữa phóng điện cục bộ và thời gian chịu đựng ăn mòn của vật liệu điện môi Việc phát hiện và đo lường độ lớn của tia phóng điện dựa vào các trao đổi năng lượng diễn ra trong thời gian phóng điện.
23 hiện qua các giá trị như dòng điện xung, tổn thất điện môi, âm thanh, tăng áp suất khí, cường độ ánh sáng và phản ứng hóa học.
Bố trí thí nghiệm
Các tia phóng điện cục bộ là những xung điện nhọn với độ rộng xung tính bằng nano giây Tiêu chuẩn IEC 60.270 quy định rằng phóng điện cục bộ được xem như một xung tín hiệu có băng thông nhỏ hơn 500 kHz Để thực hiện thí nghiệm đo lường, cần sử dụng các thiết bị chủ yếu như đã nêu trong tài liệu.
Biến áp tự động Đầu vào của biến áp là nguồn 220V, 50Hz và ngõ ra điện áp thay đổi từ 0 đến 220V , 50Hz, một pha
Biến áp cao thế có tỉ số biến đổi 220V/1000kV, 50Hz, một pha, cho phép điều chỉnh điện áp đầu ra từ 0 đến 1000kV khi thay đổi đầu vào từ 0 đến 220V Lõi của biến áp được chế tạo từ sắt từ.
Tụ điện ghép được kết nối với tiếp điểm của tấm cách điện máy đo trở kháng AKV-D thông qua các biện pháp liên kết an toàn, đảm bảo cực nối đất hoạt động hiệu quả Trong quá trình thiết lập, tụ điện sẽ được xả điện tự do và sử dụng loại tụ có điện dung khoảng C = 1000pF để thực hiện đo trở kháng chính xác.
Thiết bị AKV-D là công cụ đo trở kháng, bao gồm cuộn cảm song song với tụ điện, với đơn vị đo trở kháng (Zm) được đặt gần mạch cao áp Mục đích chính của việc này là giảm điện áp đo kiểm trên mạch điện áp cao xuống mức an toàn để đo lường tín hiệu phóng điện cục bộ, đồng thời kết hợp với bộ khuếch đại cho các mạch điện cao áp nhằm đảm bảo đáp ứng tần số tương đối bằng phẳng trong băng thông cần đo Đơn vị trở kháng (Zm) được điều chỉnh để dễ dàng giám sát cấp điện áp và quan sát mối quan hệ pha giữa điện áp thử nghiệm và các tín hiệu khác.
24 xung phóng điện Kỹ thuật này giúp xác định tính chất bản chất của các tia phóng điện trong hiện tượng phóng điện cục bộ
Máy dao động ký kỹ thuật số
Máy dao động ký kỹ thuật số Agilent 54621A được sử dụng để hiển thị dạng sóng và các giai đoạn xuất hiện xung phóng điện khi đo điện áp xoay chiều Vị trí pha của xung phóng điện có mối liên hệ với điện áp kiểm tra, từ đó giúp suy luận về vị trí xuất hiện xung trên mẫu thử Bố trí thiết bị cho thí nghiệm đo lường sự phóng điện cục bộ được thể hiện trong các hình ảnh 2.11, 2.12 và 2.13.
Hình 2.11 Máy dao động ký kỹ thuật số Agilent 54621A
Hình 2.12 Bố trí thí nghiệm đo phóng điện cục bộ
Hình 2.13 Bố trí điện cực Thông số hai điện cực và mẫu thử
Bề dày mẫu thử (vật liệu điện môi): 3 mm Đường kính của điện cực trên: 25mm Đường kính của điện cực dưới: 75mm
Các điện cực và mẫu thử điện môi được đặt trong một chất lỏng cách điện có hằng số điện môi ổn định, như dầu cách điện, với giá trị pC được quy định cho các điều kiện khác nhau như đã trình bày trong Bảng 1.
Bảng 1 Giá trị điện dung cho phép trong các điều kiện thí nghiệm Điều kiện Điện dung cho phép
Tiến hành thí nghiệm
Ba phép đo quan trọng trong việc đo lường sự phóng điện cục bộ bao gồm: đầu tiên, xác định thời điểm xuất hiện hiện tượng phóng điện khi điện áp tăng đến giá trị xác định; thứ hai, xác định thời điểm khởi đầu xả điện và thời điểm tụt áp trong quá trình phóng điện; và cuối cùng, đo lường cường độ xả điện tại một điện áp nhất định hoặc trong khoảng giữa điện áp khởi đầu và điện áp chịu đựng tối đa của chất điện môi.
Trong quá trình kiểm tra chất điện môi, một giá trị điện áp thấp hơn mức điện áp gây ra phóng điện toàn phần được áp dụng Giá trị điện áp này sau đó được tăng dần cho đến khi đạt mức quy định và duy trì trong một khoảng thời gian nhất định trước khi giảm xuống và tắt Chất điện môi được coi là đạt yêu cầu nếu hiện tượng phóng điện không vượt quá một ngưỡng nhất định.
Một điện áp thấp hơn giá trị khởi đầu được áp dụng vào mẫu kiểm tra và tăng dần cho đến khi mức phóng điện vượt quá quy định Điện áp tại giới hạn phóng điện này sẽ được ghi lại Sau đó, điện áp được tăng thêm 10% và giảm xuống cho đến khi xảy ra phóng điện toàn phần hoặc nhỏ hơn mức quy định, và giá trị điện áp tương ứng cũng được ghi nhận Đối với một số điện môi, giá trị điện áp phóng điện toàn phần và điện áp khởi đầu có thể bị ảnh hưởng bởi thời gian mà điện áp được duy trì trên mức khởi đầu.
Kết quả thí nghiệm
2.3.4.1 Điện áp bắt đầu xả điện cục bộ và điện áp khi phóng điện toàn phần Điện áp bắt đầu xảy ra phóng điện và điện áp khi xảy ra xả điện toàn phần của các mẫu thử là vật liệu cách điện nano được tóm tắt trong Bảng 2
Bảng 2.Điện áp khi xảy ra phóng điện cục bộ và điện áp khi phóng điện toàn phần
Tỉ lệ % pha chất nano trong mẫu thử (SiO2:TiO2) Điện áp khởi đầu khi phóng điện, KVolt pC Điện áp khi có phóng điện toàn phần, KVolt pC
2.3.4.2 Đáp ứng xung của phóng điện cục bộ với điện áp khởi đầu
Kết quả đo đáp ứng xung của các xung phóng điện cục bộ tương ứng với giá trị điện áp khởi đầu của từng mẫu thử được trình bày từ Hình 2.14 đến Hình 2.19.
Khi quá trình phóng điện cục bộ bắt đầu, xung tần số cao xuất hiện trong khoảng thời gian từ vài nano giây đến vài micro giây, rồi biến mất và tái xuất hiện nhiều lần khi điện áp xoay chiều đảo cực Phóng điện cục bộ thường xảy ra gần các đỉnh và đáy của điện áp hình sin Đối với chất điện môi có khả năng cách điện kém, biên độ của xung sẽ ngắn hơn do phóng điện diễn ra ở điện áp thấp hơn.
Hình 14 Đáp ứng xung của PD điện áp khởi đầu với mẫu thử nguyên chất
Hình 15 Đáp ứng xung của PD điện áp khởi đầu với mẫu thử pha hợp chất micro
Hình 16 Đáp ứng xung của PD điện áp khởi đầu với mẫu thử pha hợp chất micro
Hình 17 Đáp ứng xung của PD điện áp khởi đầu với mẫu thử pha hợp chất nano
Hình 18 Đáp ứng xung của PD điện áp khởi đầu với mẫu thử pha hợp chất nano
Hình 19 Đáp ứng xung của PD điện áp khởi đầu với mẫu thử pha hợp chất nano
Phương pháp phủ vật liệu Nano trên dây dẫn và phân tích hiệu quả 3.1 Giới thiệu
Tiến hành thí nghiệm
Thí nghiệm đo đạt đặc tính của dây dẫn phủ lớp cách điện nano bao gồm hai phần chính Phần đầu tiên tập trung vào việc đo lường điện áp đánh thủng, ký hiệu là V, cùng với tổng số lần phóng điện xảy ra.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã xác định 33 cục bộ xuất hiện trên dây dẫn N và vẽ đặc tính V-N tương ứng với các điều kiện điện áp và xung điện áp Phần thứ hai của nghiên cứu tập trung vào việc kiểm tra khả năng chịu đựng của dây dẫn được phủ vật liệu nano cho đến khi bị đánh thủng, cụ thể là khảo sát thời gian chuyển trạng thái của phần bề dày còn lại của lớp phủ thông qua việc phân tích đặc tính V-N.
Hình 3.1 mô tả quy trình thí nghiệm đo đặc tính V-N cho mẫu dây xoắn được phủ lớp cách điện nano Mạch điện sử dụng nguồn điện một chiều cao áp, khóa bán dẫn chịu điện áp cao, nguồn tạo xung và cáp xoắn dài 10 m Mạch này có khả năng tạo ra các xung điện áp với các thông số thay đổi như cực tính, giá trị đỉnh, thời gian tăng áp, tốc độ lặp lại và độ rộng xung điện áp.
Hình 3.1 Bố trí thí nghiệm
Trong thí nghiệm này, điện áp được sử dụng là đơn cực với giá trị đỉnh từ 2 Kvolt đến 4 Kvolt, thời gian tăng điện áp là 120 ns và chu kỳ lặp lại điện áp đạt 10,000 pps Độ rộng xung được thiết lập là 10 us Để nghiên cứu thời gian biến đổi của bề dày lớp phủ trên dây dẫn, mẫu dây được tiếp xúc với điện áp gấp 1.5 lần giá trị điện áp tại thời điểm bắt đầu phóng điện cục bộ (PDIV) và tần số lặp lại điện áp là 5,000 pps.
Hình 3.2 Mẫu dây quấn dùng trong thí nghiệm
Hỗn hợp vật liệu nano được sử dụng để tạo thành lớp bao phủ bên trong (EI) bao gồm nhựa poly kết hợp với hạt nano SiO2 và TiO2, trong khi lớp vỏ bọc bên ngoài (AI) được làm từ nhựa polyamideimide Mật độ hạt nano (nanofiller concentration) dao động từ 0%wt đến 5%wt, với độ dày lớp phủ là 15 µm và lớp men vỏ bọc là 5 µm, tổng cộng đạt 20 µm.
Hình3.3 Cấu tạo dây dẫn phủ bằng vật liệu thường (a) và bằng vật liệu nano (b)
Tín hiệu phóng điện cục bộ được ghi nhận qua ống quang sát photomultiplier tube (PHT) để quan sát tia sáng phát sinh từ phóng điện Các tín hiệu này cũng được lưu trữ trên máy đo với tần số 2.5 GHz, tốc độ lấy mẫu 20 Gs/s và dung lượng 64M, sau đó phân tích dạng xung của phóng điện cục bộ Qua việc lặp lại các xung điện áp trong khoảng thời gian xác định, tổng số lần phóng điện cục bộ trên dây dẫn, ký hiệu N, được tính toán Độ dày bề mặt tiếp xúc của mẫu thử được phân tích bằng máy quét hiển vi điện tử (scanning electron microscope), trong khi độ dày lớp phủ còn lại và thời gian ăn mòn được đo với độ chính xác 1 µm Nhiệt độ trên dây dẫn và thời gian thay đổi nhiệt độ khi áp dụng xung cũng được ghi nhận bằng nhiệt kế hồng ngoại Các thí nghiệm được thực hiện trong điều kiện nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển.
Kết quả thí nghiệm
3.3.1 Đặc tính V-N Đặc tính phóng điện từ lúc bắt đầu phóng điện cục bộ đến khi phóng điện toàn phần (đánh thủng) được khảo sát trên mẫu thử là cáp đồng xoắn dưới điện áp cao lặp lại liên tục Hình 3.4 thể hiện điện áp và dạng sóng của các xung phóng điện.Trong điều kiện thí nghiệm, số lượng xung tạo ra là hai ứng với mỗi lần một xung điện áp đặt vào; một tại thời điểm bắt đầu áp xung và một vào thời điểm kết thúc xung điện áp Lần phóng điện ở thời điểm kết thúc xung điện áp xuất hiện là do điện tích phóng điện bề mặt của vật liệu phủ gây ra trong quá trình tăng của xung điện áp
Hình 3.4 Xung điện áp đặt vào mạch điện (hình trên) và xung phóng PD (hình dưới), với V = 2 KVpeak, f = 1000 pps
Hình 3.5 minh họa thời gian xảy ra quá trình phóng điện và nhiệt độ tại các vị trí khác nhau trên dây phủ vật liệu thông thường Quá trình này bắt đầu từ lúc phóng điện cho đến khi bị đánh thủng, diễn ra dưới điều kiện áp dụng các xung áp lặp lại với điện áp đỉnh 3 KVpeak và tốc độ lặp lại 1,000 xung mỗi giây (pps).
Đồ thị trong Hình 3.5 thể hiện mối quan hệ giữa phóng điện và nhiệt độ trên dây dẫn thông thường, cho thấy quá trình chuyển từ phóng điện sang đánh thủng dưới điều kiện điện áp lặp lại.
Hình 3.5 cho thấy mật độ tia phóng điện và nhiệt độ không thay đổi trong suốt quá trình, tương tự với dây phủ vật liệu nano Hình 3.6 biểu diễn đặc tính V-N dưới điện áp lặp lại liên tục, trong đó N là tổng số xung phóng điện được tạo ra, không phải tổng số xung điện áp đặt vào Mỗi đường biểu diễn trên Hình 3.6 đại diện cho kết quả của một lần thí nghiệm trên mẫu thử Kết quả cho thấy số lượng xung tạo ra giảm khi điện áp đặt vào tăng, và đường giảm này có thể được biểu diễn bằng phương trình 1, [5].
Với K là hằng số và n là hệ số mũ, Hình 3.7 thể hiện giá trị N của các dây dẫn phủ nano được chuẩn hóa theo giá trị N của dây dẫn không phủ nano trong cùng điều kiện thí nghiệm Giá trị này được biểu diễn như một hàm số của mật độ phủ hạt nano, X.
N cho 5wt% là 31 với giá trị V = 2.5 kVpeak (1.7 PDIV – 2.3 PDIV), và đạt gần 1000
37 khi extrapolated to 1.5 kVpeak, xung quanh vùng bắt đầu xảy ra phóng điện cục bộ PDIV
Hình 3.6 Đặc tính V-N dưới điện áp lặp lại (f = 10,000 pps)
Hình 3.7 Giá trị N chuẩn hóa theo mật độ pha hạt nano
Hình 3.8 biểu diễn giá trị n như là hàm số của mật độpha hạt nano Giá trị n tăng tuyến tính với mật độ pha hạt nano
Hình 3.8 Giá trị n xét như là hàm theo mật độ pha hạt nano 3.3.2 Thời gian ăn mòn phần vỏ bọc bao phủ dây dẫn
Sau mỗi lần áp dụng điện áp vào điểm tiếp xúc, bề mặt của điểm này được khảo sát qua ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử Hình 3.9 minh họa mặt cắt ngang của dây dẫn phủ nano với X = 2.5wt%, đã trải qua phóng điện lặp lại ở mức điện áp 2.9 kVpeak trong một giờ (N = 36 x 10^6) Độ dày ban đầu 20 µm của lớp vỏ phủ không bị ăn mòn xung quanh điểm tiếp xúc, tuy nhiên, dây phủ bị ăn mòn với độ sâu khoảng 5 µm và chiều dài 500 µm dọc theo bề mặt cắt ngang của dây dẫn từ điểm tiếp xúc Hình 3.9 cho thấy chỉ có AI bị ăn mòn, trong khi EI vẫn giữ nguyên trạng thái.
Hình 3.9 Ảnh SEM biểu diễn mặt cắt ngang dây phủ nano X = 2.5wt%, sau thí nghiệm đo PD với điện áp lặp V = 2.9 kVpeak trong 1 giờ, f = 5000 pps, N = 36 x 10 6
Hình 3.10 minh họa bề mặt của dây dẫn được phủ vật liệu nano (X = 1wt%) qua kính hiển vi điện tử, sau khi thực hiện thí nghiệm phóng điện trong 30 phút (N = 18 x 10^6) Hình dưới thể hiện sự biến thiên của lớp phủ còn lại theo chiều dọc.
Đường kẻ màu đỏ trên ảnh cho thấy độ dày lớn nhất của lớp phủ cũ là 11 mm, tương ứng với mức độ ăn mòn lớp EI Hình dạng ăn mòn của dây phủ vật liệu nano có sự trải rộng và phẳng hơn so với dây phủ vật liệu thông thường, mặc dù bề dày của phần còn lại của lớp phủ gần như tương đương.
Hình 3.10 Bề mặt dây dẫn phủ nano (X = 1wt%) sau thí nghiệm phóng điện áp lặp với PD (điểm tiếp xúc, V = 2.9 KVpeak, trong 30 phút, fP00 pps, N = 18 x 10 6 )
Hình 3.12 biểu diễn sự thay đổi độ dày của phần lớp vỏ còn lại đối với lớp vỏ nano (X
So với dây phủ vật liệu thông thường ở V = 1.5 PDIV, độ dày của lớp vỏ còn lại được xác định bằng cách lấy giá trị lớn nhất dọc theo đường ăn mòn sau mỗi lần thí nghiệm với thời gian cố định.
Dây dẫn phủ vật liệu nano cho thấy độ dày lớp phủ giảm dần trong giai đoạn đầu của quá trình ăn mòn, đạt ổn định ở 13 µm trước khi tiếp tục giảm cho đến khi xảy ra hiện tượng bùng phát điện (BD) Điều này cho phép thời gian dẫn đến BD của dây phủ nano kéo dài gấp khoảng 5 lần so với dây dẫn phủ thông thường, nơi độ dày lớp phủ giảm tuyến tính và dễ bị bẻ gãy khi số lượng PD tăng lên.
Hình 3.11 Bề mặt dây dẫn phủ nano (X = 1wt%) sau thí nghiệm phóng điện áp lặp với PD (điểm tiếp xúc, V = 2.9 KVpeak, trong 30 phút, fP00 pps, N = 18 x 10 6 )
Hình 3.12 Độ dày lớp men phủ còn lại theo hàm của tổng số lần phóng điện (PD), N
Hình 3.13 Quá trình ăn mòn dưới điện áp lặp của dây dẫn phủ nano (f = 5000 pps)
Hình 3.13 cho thấy mối quan hệ giữa điện áp đặt và quá trình ăn mòn của vật liệu nano (X 15wt%) Khi điện áp xung tăng, mức độ ổn định của lớp phủ nano trở nên sâu hơn, cho thấy khả năng chống lại hiện tượng phóng điện lặp lại Quá trình ổn định này được coi là một đặc tính quan trọng của lớp phủ nano ở lớp EI, giúp ngăn chặn sự lan rộng của ăn mòn theo hướng vòng cung và chiều dọc, như minh họa trong Hình 3.9 và Hình 3.10.
Phương pháp phủ vật liệu Nano trên Động cơ và phân tích kết quả 4.1 Giới thiệu
Bố trí thí nghiệm
Hỗn hợp hạt nano SiO₂ và TiO₂ được pha trộn theo tỷ lệ 1:3 và sau đó được trộn đều với lớp men bằng máy rung siêu âm Cuối cùng, hỗn hợp này được áp dụng lên cuộn dây quấn của động cơ cảm ứng từ ba pha roto lồng sóc, như minh họa trong Hình 4.1.
Hình 4.1 Cuộn dây động cơ có phủ lớp men với vật liệu nano
Bảng 2 Thông số của động cơ làm thí nghiệm
Thông số động cơ Giá trị động cơ
Dòng 3.45 A Điện áp 415 V Đo ngắn mạch và hở mạch động cơ
Mạch điện đo ngắn mạch và hở mạch động cơ được bố trí như trên Hình 4.2, [4].
Kết quả thí nghiệm
Kết quả đo từ trạng thái hở mạch và ngắn mạch của động cơ được trình bày trong Bảng 3 và Bảng 4 Qua việc đo dòng hở mạch và ngắn mạch, độ sụt áp được xác định bằng phương pháp đo mạch vòng Các kết quả cho thấy rằng tổn thất điện áp trên động cơ có phủ nano đã giảm đáng kể.
Bảng 3 Thí nghiệm hở mạch và ngắn mạch cho động cơ không phủ nano
Thí nghiệm hở mạch Voc (V) Ioc (A) Woc (W)
Thí nghiệm ngắn mạch Vsc Isc Wsc
Bảng 4 Thí nghiệm hở mạch và ngắn mạch cho động cơ có phủ nano
Thí nghiệm hở mạch Voc (V) Ioc (A) Woc (W)
Thí nghiệm ngắn mạch Vsc Isc Wsc
Kết quả thí nghiệm cho thấy động cơ có phủ nano đạt hiệu suất cao hơn gần 4% so với động cơ thông thường Sự cải thiện này chủ yếu do giảm tổn thất phân cực bên trong cuộn dây của động cơ phủ nano Các thông số thu được được trình bày với các hệ số khác nhau như trong Bảng 5.
Bảng 5 So sánh hiệu suất giữa hai loại động cơ
Hiệu suất động cơ cảm ứng thường
(không có lớp phủ nano), %
Hiệu suất động cơ cảm ứng có phủ vật liệu nano, %
Phân tích hiệu quả động cơ theo phương pháp thử tải trực tiếp[4]
Thí nghiệm thử tải được tiến hành trên hai động cơ, với các thông số đo lường bao gồm công suất ngõ ra, dòng điện, hiệu suất và hệ số công suất Động cơ thông thường đạt hiệu suất tối đa là 78%, trong khi động cơ được phủ nano có hiệu suất lên tới 83%.
