Thiết kế máy phát điện nam châm vĩnh cửu công suất nhỏ

Cuộc sống ngày càng phát triển nhu cầu của con người ngày càng cao, cùng với đó là các hoạt động văn hóa xã hội, sản xuất kinh doanh thì nguồn điện đóng vai trò không thể thiếu. Tuy nhiên, hiện nay nguồn điện không phải lúc nào cũng đáp ứng đủ 100% nhu cầu sử dụng của con người, bởi vậy mà vai trò của máy phát điện rất quan trọng và cần thiết. Hiện nay,máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu là thiết bị điện được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và có nhiều ưu điểm so với các loại máy phát khác sử dụng cho truyền động điện xoay chiều. Vì vậy,trong thời gian học em được giao nhiệm vụ “ Thiết kế mô phỏng máy phát điện nam châm vĩnh cửu có công suất nhỏ”dựa trên các thông số cho trước

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÁO CÁO ĐỒ ÁN 2 Thiết kế mô phỏng máy phát điện nam châm vĩnh cửu

có công suất nhỏ

Giảng viên hướng

Bộ môn: Thiết bị điện - điện tử

HÀ NỘI, 12/2021

Bọn em xin trân trọng gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy TS Nguyễn Nga Việt, người

đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và cho bọn em những ý kiến, đóng góp

quý báu để bọn em có thể hoàn thành đồ án này

Tuy bọn em đã cố gắng, nhưng chắc chắn đồ án vẫn còn nhiều thiếu sót cần được điềuchỉnh và bổ sung Rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ thầy để bọn em có thể hiểu

rõ về phần này hơn

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ

CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU CHUNG

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Cuộc sống ngày càng phát triển nhu cầu của con người ngày càngcao, cùng với đó là các hoạt động văn hóa xã hội, sản xuất kinhdoanh thì nguồn điện đóng vai trò không thể thiếu Tuy nhiên, hiệnnay nguồn điện không phải lúc nào cũng đáp ứng đủ 100% nhu cầu

sử dụng của con người, bởi vậy mà vai trò của máy phát điện rấtquan trọng và cần thiết

Hiện nay,máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu là thiết bị điệnđược sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và có nhiều ưu điểm so vớicác loại máy phát khác sử dụng cho truyền động điện xoay chiều Vì

vậy,trong thời gian học em được giao nhiệm vụ “ Thiết kế mô phỏng máy phát điện nam châm vĩnh cửu có công suất nhỏ”dựa trên các thông số cho trước.

2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

Với những thông số cho trước, tính toán thiết kế được các thông số của máy.Từ đó, thiết kế mô phỏng máy phát điện nam châm vĩnh cửu công suất nhỏ đạt hiệu suất trên 85%

Máy phát công suất nhỏ thường được sử dụng cho hệ thộng điện gió,thủy triều,…

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Kết hợp nghiên cứu giữa lý thuyết tính toán truyền thống và

phương pháp phần tử hữu hạn trên nền tảng phần mềm Ansys

Maxwell để thiết kế, mô phỏng và đánh giá các tham số điện từ (điện áp ra, dòng điện, mô men, công suất…) của máy phát điện nam châm vĩnh cửu

CHƯƠNG 2 :MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

Thông thường ,máy phát điện có mật độ từ trường từ nam châm vĩnh cửu nhỏ hơn loại kích từ từ nguồn điện một chiều, vì thế kích thước máy sẽ lớn hơn nếu cùng một công suất phát ra.Việc điều khiển máy phát đơn giản hơn mặc dù tính năng có bị hạn chế

2 CẤU TẠO

Về cấu tạo,máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu có cấu tạo tương tự máy phát điện đồng bộ thông thường,chỉ khác ở máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu thì nam châm vĩnh cửu được sử dụng để thay thế các cuộn kích từ trong các máy phát đồng bộ

Hình 1 Cấu tạo máy phát điện

Cấu tạo gồm có 2 phần chính :Stator và Rotor

Stator(phần ứng):

Stator của máy phát điện đồng bộ cũng giống như stator của máyđiện không đồng bộ, có cấu tạo gồm hai bộ phận chính là lõi thép vàdây quấn stator Dây quấn của stator còn được gọi là dây quấn phầnứng

Lõi thép được thiết kế dạng hình trụ giúp dẫn từ tốt Nó được hìnhthành bởi những lá thép kỹ thuật điện ghép với nhau bởi những rãnhnhỏ Những lá thép này được phun sơn tĩnh điện để bảo vệ nó không

bị ăn mòn, không bị oxy hóa, đảm bảo tuổi thọ bền lâu

Dây quấn là bộ phận được làm từ đồng nguyên chất có khả năng tạo

từ trường ổn định

Rotor(phần cảm) :

Rotor của máy phát bao gồm nam châm vĩnh cửu tạo ra trường để kích thích và thay thế nguồn cung cấp bên ngoài cho máy phát điện.các nam châm được gắn chặt trên lõi thép rotor Không gian giữa các nam châm được lấp đầy bằng các lá thép hình đặc biệt, các bộ phận đó tạo ra một dòng điện đóng cho từ trường

Hình 2 Mặt cắt ngang của máy phát nam châm vĩnh cửu

3 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC

Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu cũng giống như nguyên lý hoạt động của máy điện đồng bộ thông thường,chỉ khác nhau ở chỗ máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu thì cuộn kích từ trên rotor được thay thế bằng nam châm vĩnh cửu

Khi ta đưa dòng điện kích thích một chiều vào dây quấn kích thích đặt trên cực từ,dòng điện kích từ sẽ tạo nên một từ thông Φ(mật độ

từ thông B ) Nếu ta quay rotor lên đến tốc độ n (rpm) theo chiều quay cho trước, thì từ trường kích thích Φ sẽ quét qua dây quấn phần ứng và cảm ứng nên trong dây quấn đó suất điện động với tần số

4 LỰA CHỌN VẬT LIỆU TỪ CỨNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN

Vật liệu từ cứng ( còn gọi là nam châm cứng, nam châm vĩnh cửu ) làloại vật liệu từ có lực kháng từ Hc cao ( Hc > 150 Oe ), chu trình từ trễ rộng, cảm ứng từ dư Bd tương đối cao và bền vững

Vật liệu từ cứng có ảnh hưởng rất lớn đến tính năng của máy điện đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu : Mô men, hiệu suất, công suất, kích thước, trọng lượng, giá thành của máy Do vậy việc lựa chọn các vật liệu từ cứng để chế tạo cực từ cho máy phát điện đồng bộ là việc làm rất cần thiết

Các tiêu chí chung để lựa chọn vật liệu từ cứng cho ứng dụng trongmáy phát bao gồm:

-Các tham số từ trường: Cảm ứng từ dư Br ; Lực kháng từ Hc ; Tíchnăng lượng cực đại (BH)max

-Nhiệt độ làm việc của vật liệu.

-Dễ từ hóa

-Dễ gia công, tạo hình

-Các thông số về giá : Giá vật liệu; Giá gia công; Giá trên đơn vị năng lượng

Việc lựa chọn vật liệu từ cứng phải so sánh tổng thể các tham số trên trong từng ứng dụng cụ thể Trong đó đặc biệt phải chú ý đến nhiệt độ làm việc của vật liệu, bởi nó liên quan đến chế độ và vị trí làm việc của máy phát, liên quan đến việc đề ra công nghệ chế tạo, (BH)max thường sử dụng để đánh giá các vật liệu về năng lượng đầu ra cực đại trên đơn vị thể tích Tuy nhiên, không phải cứ vật liệu có (BH)max cao hơn thì luôn luôn tốt hơn Những vật liệu có Hccao là sự lựa chọn tốt hơn cho những máy có yêu cầu hiệu suất cao Cảm ứng từ dư Br cao lại có khả năng tạo ra từ trường lớn trong khe

hở không khí, từ đó tăng mô men của máy phát.Giá thấp lại thu hút cho những ứng dụng máy phát công suất lớn; Yêu cầu làm việc ở nhiệt độ cao lại cần đến các vật liệu SmCo Do đó không có cơ sở

để nói chung chung rằng vật liệu nào tốt hơn, vật liệu nào xấu hơn,

mà phải tùy theo yêu cầu của ứng dụng cụ thể

Cho đến nay, hầu hết các máy phát điện nam châm vĩnh cửu đều sử dụng một trong các vật liệu từ cứng : Alnico ( Aluminum Nickel

Cobalt ); Fe3O4 ( Ceramic, Ferrite ); SmCo (Samarium Cobalt);

NeFeBo (Neodymium Iron Boron )

Một so sánh tương đối sự khác nhau về giá cùng một số tham sốquan trọng khác của các vật liệu từ cứng

Hình 3 So sánh một vật liệu từ cứng

Kết luận : Bằng việc tổng hợp và chọn lọc trong các tài liệu tham

khảo, đưa ra được một số kết quả cho việc lựa chọn các vật liệu từ cứng trong việc thiết kế, chế tạo máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu như sau :

-Với những tính năng : Từ dư Br cao ( tới 1,56T), lực kháng từ Hc trên

10 kOe, khả năng tích trữ năng lượng tối đa (BH)max cỡ 64 MGOe, (NdFeB là nam châm mạnh nhất, có nhiệt độ làm việc gần 1500 C), cùng với sự phát triển và hoàn thiện công nghệ nhanh chóng của các nam châm trắng ( Vật liệu từ cứng đất hiếm, nam châm

Neodymium, nam châm NdFeB ) đã là vật liệu được lựa chọn cho cácứng dụng công nghệ cao, với môi trường làm việc có nhiệt độ không cao đặc biệt là ứng dụng trong các máy phát điện công suất nhỏ với kích thước được thu nhỏ và hiệu suất rất cao, trong đó có máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Hình 4 Thông số khi thiết kế máy phát điện nam châm vĩnh cửu

- Là nam châm đất hiếm mạnh thứ hai hiện nay và có nhiệt độ làm việc cỡ 3500 C, SmCo được lựa chọn cho các ứng dụng nhiệt độ cao,

ở vùng công suất thấp

-Giá thấp nhất, nhiệt độ làm việc cỡ 3000 C, Ferrite trở thành vật liệu

từ cứng được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay Đặc biệt là các máyđiện nam châm vĩnh cửu với công suất lớn

-Đối tượng của đề tài là máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

ở công suất nhỏ Vì vậy, qua phân tích ở trên, hiện nay vật liệu phùhợp cho chế tạo là NdFeB

-So sánh các thông số, trong đó ở vùng công suất thấp, quan trọngnhất là hiệu suất cao và kích thước, trọng lượng nhỏ, nên hai thông

số chính ở đây là Hc và Br cao Bên cạnh đó phải đảm bảo nhiệt độvận hành và giá thành lựa chọn vật liệu là NdFeB38 ( Br = 12,55kG; Hc = 11,7 kOe ) để tính toán một số thông số chính của máyphát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

5 ẢNH HƯỞNG NHIỆT ĐỘ ĐỐI VỚI MÁY PHÁT ĐIỆN

Khi làm việc,trong máy điện sinh ra các tổn hao,năng lượng tiêu tốn

đó biến thành nhiệt năng và làm nóng các bộ phận của máy.Khi trạng thái nhiệt của máy đã ổn định thì toàn bộ nhiệt lượng phát ra đều tỏa ra môi trường xung quanh nhờ sự chênh lệch nhiệt độ giữa các bộ phận của máy bị đốt nóng với môi trường

Nhiệt độ ảnh hưởng đến động cơ máy phát điện bắt đầu ở nhiệt độ 40℃, sau nhiệt độ này:

-Không khí vốn đã rất nóng và chất lượng của nó không còn tối ưu

để tạo ra quá trình cháy tốt khi trộn với nhiên liệu Điều này tạo ra

Nhiệt độ cao cũng liên quan đến mật độ không khí thấp hơn và có thể gây ra các vấn đề đánh lửa tương tự do không được cung cấp không khí đầy đủ Điều này có thể tạo gánh nặng cho động cơ tự đẩy

nó để cung cấp sức mạnh mà nó được thiết kế Tuy nhiên, do không

đủ lượng oxy có sẵn cho quá trình đốt cháy, nó không thực hiện được Trong nhiều trường hợp như vậy, động cơ bị quá nhiệt và đôi khi bị sập hoàn toàn

6 ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN NAM CHÂM VĨNH CỬU

Ưu điểm

- Với thiết kế rotor không cần cuộn dây kích thích, vành trượt và

bộ kích từ, từ đó có thể tránh được tia lửa điện, giảm chi phí bảo trì bảo dưỡng

- Sự vắng mặt của chổi than, cổ góp cơ khí và vòng trượt làm giảm nhu cầu bảo dưỡng thường xuyên liên quan và ngăn chặn nguy cơ hỏng hóc ở các bộ phận này

- Có tính ổn định và an toàn trong quá trình hoạt động, đồng thời không cần nguồn điện một chiều để kích từ

- Điều khiển đơn giản,dễ sử dụng

Nhược điểm

- Tính năng còn hạn chế

- Giá thành cao do nam châm vĩnh cửu chứa đất hiếm

CHƯƠNG 3 :THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

1 GIỚI THIỆU VỀ PMSG

- Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent magnetsynchronous generator - PMSG) là một dạng đặc biệt của máy điệnđồng bộ Máy điện đồng bộ thông thường có cuộn dây quấn phầnứng và cuộn dây quấn kích từ ở rotor được cấp dòng điện một chiềuqua chổi than và vành trượt Điều đó gây tổn hao rotor, làm giảmtuổi thọ máy Đây là lý do chính đỏi hỏi phải phát triển PMSG, nhằmkhắc phục những nhược điểm của máy điện đồng bộ thông thườngnhư đã trình bày ở trên, người ta thay cuộn kích từ, nguồn kích từmột chiều, chổi than vành trượt bằng một nam châm vĩnh cửu.Vì thếPMSG cần phải có sức điện động cảm ứng hình sinh, dòng điện phải

có dạng hình sin để tạo ra mô men điện từ không đổi giống như ởmáy đồng bộ thông thường

- Sự ra đời gần đây của nam châm mật độ năng lượng cao (namchâm đất hiếm) đã cho phép đạt được mật độ từ thông cực caotrong PMSG, do đó không cần phải quấn rotor Điều này cho phépmáy phát điện có cấu trúc nhỏ, nhẹ và chắc chắn Vì không có dòngđiện lưu thông trong rotor để tạo ra từ trường nên rotor của PMSGkhông nóng lên Chỉ sản sinh nhiệt trên stator, dễ làm nguội hơnrotor vì nó nằm ở ngoại vi của máy phát

- PMSG phù hợp với loại có công suất vừa và nhỏ, không có vai trò

ổn định lưới

Thường được dùng trong hệ thống điện gió,thủy triều…

Hình 5 Lưu đồ thiết kế máy phát nam châm vĩnh cửu

2.TÍNH TOÁN THÔNG SỐ MÁY PHÁT

Trong bài này ,máy phát điện P=500w,n=500 rpm được sử dụng đểtham chiếu

Bảng thông số cơ bản cho sẵn của máy phát :

Các công thức liên quan đến bảng thông số trên (Trần & Nguyễn,2006):

Stator :

-Đường kính ngoài lõi thép stator:

Trong đó : Ps là công suất biểu kiến (VA)

Pđm là công suất cơ định mức

là hiệu suất

là tỷ số giữa chiều dài lõi thep với bước cực

là mật độ từ thông khe hở không khí

- Đường kính trong lõi thép stator:

KD : Hệ số kết cấu

Rotor :

-Đường kính ngoài rotor

Trong đó : là khe hở không khí

Trong đó kE = 0,922 (Trần & Nguyễn, 2006, p 231)

kE là tỷ số sức điện động sinh ra trong máy và điện áp đặt vào

2 Dòng điện áp định mức

3

1,11( ) 3* * *cos 3* 220*0,85*0,8

3.1.Chiều dài của lõi stator

Chọn A = 250A/cm; Bδ = 0,782 T (Trần & Nguyễn, 2006, p 233)

Rãnh hình quả lê có khuôn dập đơn giản nhất, từ trở ở đáy rãnh so với hai dạng rãnh kia nhỏ hơn vì vậy giảm được sức từ động cần thiết trên răng.

Hình 6 Hình dạng rãnh stato

-Chọn kích thước miệng rãnh như sau:

Chiều cao miệng rãnh : Hs0 1,7(= mm)

3.2.4 Dây quấn stator

-Kiểu dây quấn :Dây quấn stato đặt vào rãnh của lõi thép stato và được cách điện với lõi thép Dây quấn có nhiệm vụ cảm ứng được sức điện động nhất định, đồng thời cũng tham gia vào việc chế tạo

từ trường cần thiết cho sự biến đổi năng lượng điện có trong máy.Các yêu cầu của dây quấn :

+ Đối với dây quấn điện trở và điện kháng của các pha bằng nhau

và của mạch nhánh song song cũng bằng nhau

+ Dây quấn được thực hiện sao cho có thể đấu thành mạch nhánh song song một cách dễ dàng Dây quấn được chế tạo và thiết kế saocho tiết kiệm được lượng đồng, dễ chế tạo, sửa chữa, kết cấu chắc

chắn, chịu được ứng lực khi máy bị ngắn mạch đột ngột Việc chọn dây quấn stato phải thỏa mãn tính kinh tế và kỹ thuật:

+ Tính kinh tế: tiết kiệm vật liệu, vật liệu cách điện, thời gian lồng dây

+ Tính kỹ thuật: dễ thi công hạn chế những ảnh hưởng xấu đến đặc tính của động cơ

Từ yêu cầu trên ta chọn dây quấn một lớp đồng khuôn bối dây bước ngắn Tác dụng là để làm giảm lượng đồng sử dụng, khử sóng bậc cao, giảm từ trường tản ở phần bối dây và trong rãnh stato, làm tăngcosφ, và cải thiện đặc tính mở máy của động cơ, giảm tiếng ồn điện

4.2 Độ dày nam châm

Chọn vật liệu từ cứng NdFeB-38,có mật độ từ dư là Br=1,255

T,Hc=11,7 kOe

Ta có

0,782( )

m r m

Suy ra độ dày nam châm d m=4,1(mm)

2.2 Tính toán trên phần mềm GNU Octave

1 Giới thiệu về GNU Octave

GNU Octave ( viết tắt là Octave ) là ngôn ngữ máy tính bậc cao , kiểu thông dịch (interpreter ) , được thiết kế nhằm trợ giúp việc tính toán số (numerical computation ) trong lĩnh vực khoa học, kỹ thuật

và một số lĩnh vực khác

Octave cung cấp các chương trình tiện ích, các hàm được lập sẵn đểgiải các bài toán thuộc đại số tuyến tính , giải tích số , hình học giải tích, phân tích thống kê , xử lý số liệu thực nghiệm Octave còn cung cấp các công cụ thể hiện nhiều loại đồ thị 2D, 3D rất phong phú

5 Tính toán trên GNU Octave

Code tính toán:

Kết quả tính toán

3 MÔ PHỎNG PMSG

Phần thiết kế này chủ yếu được thực hiện trên phần mềm AnsysElectronic Phần mềm này sử dụng chương trình phần tử hữu hạn(FEM), cho phép trao đổi dữ liệu giữa quá trình thiết kế và quá trình

mô phỏng

1 Giới thiệu Ansys Electronic

Trong thế giới ngày nay của các thiết bị điện tử hiệu năng cao và các

hệ thống điện khí tiên tiến, những ảnh hưởng của các trường điện từ trên các mạch và hệ thống không thể bỏ qua Phần mềm ANSYS có thể mô phỏng độc đáo hiệu suất điện từ qua thiết kế thành phần, mạch và hệ thống và có thể đánh giá nhiệt độ, độ rung và các hiệu ứng cơ học quan trọng khác Dòng thiết kế điện từ không đồng bộ này giúp bạn đạt được thành công thiết kế hệ thống tiên tiến cho các thiết bị điện tử tốc độ cao, các thành phần cơ điện và các hệ thống điện tử Ansys giúp bạn giải quyết các khía cạnh quan trọng nhất trong thiết kế sản phẩm của bạn thông qua mô phỏng

ANSYS Electronics là một nền tảng thống nhất cho các bài toán mô phỏng ở cấp hệ thống, điện-từ trường, và mạch điện

Trong phần thiết kế PMSG này,sẽ sử dụng tính năng RMxprt trong Ansys RMxprt giúp tính toán nhanh chóng các hiệu suất máy, cho phép người dùng đưa ra những quyết định về kích thước ban đầu và thực hiện hàng trăm các kịch bản phân tích “Nếu-thì” chỉ trong một vài giây

6 Các bước thiết lập thông số

2.1 Bắt đầu thiết lập thông số máy phát

Để thiết lập các thông số cần thiết cho máy phát, cần các loại máyphát cơ bản nhất đã được thiết lập thành các mẫu Tại màn hìnhchính cần mở Machine type để chọn loại máy phát Ở đây đối vớimáy phát nam châm vĩnh cửu ta chọn Adjust-speed synchoronousmachine