ĐỒ án THIẾT kế THIẾT bị điện thiết k ế động cơ điện không đồng bộ roto l ng sóc có các thông s s

Ngày nay, hiệu suất của động cơ đã dần trở thành một trong những tiêu chí được áp dụng trong công nghiệp.Vấn đề này đặt ra cho lĩnh vực thiết kế và chế tạo động cơ điện là không ngừng ng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN

1 Tính toán kích thước chủ yếu.

2 Tính toán stato, rotor

3 Xây dựng đặc tính mở máy và tính toán tham số không tải

download by : skknchat@gmail.com

Ngày giao đề tài: 14/9/2021 Ngày hoàn thành: 21/12/2021

download by : skknchat@gmail.com

LỜI NÓI ĐẦU

Động cơ không đồng bộ (KĐB) ba pha rôto lồng sóc được dùng phổ biến trong công nghiệp (vì có ưu điểm là độ tin cậy tốt, giá cả thấp, trọng lượng nhẹ, kết cấu chắc chắn và dễ bảo dưỡng), với dải công suất từ hàng trăm Watts đến vài Megawatts và là bộ phận chính trong các hệ truyền động Ngày nay, hiệu suất của động cơ đã dần trở thành một trong những tiêu chí được áp dụng trong công nghiệp.Vấn đề này đặt ra cho lĩnh vực thiết kế và chế tạo động cơ điện là không ngừng nghiên cứu, thiết kế để tạo ra sản phẩm đạt những chỉ tiêu về kinh tế - kỹ thuật nhằm đáp ứng yêu cầu phát triển của nền kinh tế quốc dân Chính vì vậy nhóm em được giao nhiệm vụ thực hiện đề tài : “ Thiết kế động cơ điện không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc” cho đồ án môn học của mình

Trong một khoảng thời gian ngắn chắc rằng bài làm của nhóm sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong được sự chỉ dẫn của Thầy giáo,

Cô giáo và các bạn Chúng em xin chân thành cảm ơn

download by : skknchat@gmail.com

PHẦN I: KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

Dây quấn ba pha

Dây quấn stato làm bằng dây dẫn điện được bọc cách điện (dây điện từ) được đặt trong các rãnh của lõi thép Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong ba dây quấn ba pha stato sẽ tạo ra từ trường quay Dây quấn ba pha có thể nối sao hoặc tam giác

Rôto dây quấn gồm lõi thép và dây quấn

Lõi thép do các lá thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau tạo thành các rãnh hướng trục.

Trong rãnh lõi thép rôto, đặt dây quân ba pha Dây quấn rôto thường nối sao,

ba đầu ra nối với ba vòng tiếp xúc bằng đồng (vành trượt), được nối với babiến trở bên ngoài để điều chỉnh tốc độ và mở máy

Động cơ không đồng bộ có hai loại: Động cơ rôto lồng sóc và động cơ rôto dây quấn.

II.NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ ba pha:

Khi ta cho dòng điện ba pha tần số f vào ba dây quấn stato sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ là n1 = 60f/p

Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn rôto và cảm ứng các sức điệnđộng Vì dây quấn rôto nối kín mạch, nên sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòngđiện trong các thanh dẫn rôto

download by : skknchat@gmail.com

Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay của máy với thanh dẫn mang dòngđiện rôto, kéo rôto quay với tốc độ n < n1 và cùng chiều với n1

Tốc độ quay của rôto n luôn luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường quay n1 vì tốc độ bằngnhau thì trong dây quấn rôto không còn sức điện động và dòng điện cảm ứng, chonên lực điện từ bằng không

Mđt: mômen điện từ gồm hai phần

Phần nhỏ tổn thất trên cuộn dây và tổn thất cơ do ma sát ở các ổ bi, ký hiệu ∆M Phần lớn

download by : skknchat@gmail.com

Biểu thức trên chính là phương trình đặc tính cơ Được biểu diễn quan hệ M = f(n) như hình

Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

IV.ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 1.Ưu

Điểm:

-Trong công nghiệp hiện nay phần lớn đều sử dụng động cơ không đồng

bộ ba pha Vì nó tiện lợi hơn, với cấu tạo, mẫu mã đơn giản, giá thành

hạ so với động cơ một chiều

-Ngoài ra động cơ không đồng bộ ba pha dùng trực tiếp với lưới điện xoay chiều ba pha,không phải tốn kém thêm các thiết bị biến đổi Vận hành tin cậy, giảm chi phí vận hành,bảo trì sữa chữa Theo cấu tạo người ta chia động cơ không đồng bộ ba pha làm hai loại

-Động cơ roto dây quấn và động cơ roto lồng sóc

2.Nhược Điểm:

Bên cạnh những ưu điểm động cơ không đồng bộ ba pha cũng có các nhược điểm sau:

Dể phát nóng đối với stato, nhất là khi điện áp lưới tăng và đối với roto khi điện

áp lưới giảm

Làm giảm bớt độ tin cậy vì khe hở không khí nhỏ

Khi điện áp sụt xuống thì mômen khởi động và mômen cực đại giảm rất nhiều vì mômen tỉ lệ với bình phương điện áp

3.Ứng dụng của động cơ không đồng bộ:

Ngày nay, các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất rộng rãi trong các thiết

bị hoặc dây chuyền sản xuất công nghiệp, trong giao thông vận tải, trong các thiết

Ước tính có khoảng 50% điện năng sản xuất ra được tiêu thụ bởi các hệ

xử lý, các hệ điều tốc sử dụng kỹ thuật điện tử ngày càng được sử dụng rộng rãi

và là công cụ không thể thiếu trong quá trình tự động hóa

Động cơ không đồng bộ có nhiều ưu điểm như: kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, có khả năng làm việc trong môi trường độc hại hoặc nơi cókhả năng cháy nổ cao Vì những ưu điểm này nên động cơ không đồng bộ được ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân với công suất từ vài chục đến

hàngnghìn kW Trong công nghiệp, động cơ không đồng bộ thường được dùng làm nguồn động lực cho các máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công cụ ở các nhàmáy công nghiệp nhẹ Trong nông nghiệp, được dùng làm máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm Trong đời sống hằng ngày, động cơ không đồng bộ ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng như: quạt gió, động cơ trong tủ lạnh, máy quay dĩa, Tóm lại, cùng với sự phát triển của nền sản xuất điện khí hóa và tự động hóa, phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng bộ ngày càng rộng rãi

So với máy điện DC, việc điều khiển máy điện xoay chiều gặp rất nhiều khó khănbởi vì các thông số của máy điện xoay chiều là các thông số biến đổi theo thời gian, cũng như bản chất phức tạp về mặt cấu trúc máy của động cơ điện xoay chiều so với máy điện một chiều

Cho nên việc tách riêng điều khiển giữa moment và từ thông để có thể điều khiểnđộc lập đòi hỏi một hệ thống có thể tính toán cực nhanh và chính xác trong việcqui đổi các giá trị xoay chiều về các biến đơn giản Vì vậy, cho đến gần đây, phầnlớn động cơ xoay chiều làm việc với các ứng dụng có tốc độ không đổi do cácphương pháp điều khiển trước đây dùng cho máy điện thường đắt và có hiệu suấtkém Động cơ không đồng bộ cũng không tránh khỏi nhược điểm này

V.Các phần mềm mô phỏng động cơ không đồng bộ

Hiện nay, cùng với sự phát triển của công nghệ máy tính, phương pháp PTHH là công cụ đặc biệt hữu hiệu để tính toán các bài toán vi phân điện từ trường của máy điện Một

số phần mềm phổ biến ứng dụng phương pháp PTHH để giải các bài toántrường điện từ trong lĩnh vực máy điện nói chung cũng như LSPMSM nói riêng

có thể thống kê như sau:

- Finite Elecment Method Magnetics (FEMM)

- Ansoft Maxwell 2D/3D (ANSYS Electromagnetics Solutions)

download by : skknchat@gmail.com

- MagNet2D/3D (Infolytica).

1.Finite Elecment Method Magnetics (FEMM)

-FEMM là một bộ phần mềm giải quyết các vấn đề liên quan đến điện từ trường

tần số thấp hai chiều và phạm vi đối xứng trục Error! Reference source not

found Hiện nay, chương trình này chủ yếu được sử dụng để giải các bài toán

điện từ, điều hòa điện từ tuyến tính/phi tuyến và các bài toán truyền nhiệt ở trạngthái ổn định FEMM được chia làm ba phần chính:

-Lớp tương tác (femm.exe) Chương trình này là bộ tiền xử lý với giao diện đa chứcnăng và hậu xử lý đối với các bài toán được giải bằng FEMM Chương trình bao gồmmột liên kết CAD xác định cấu trúc hình học, các đặc tính vật liệu và các điều kiện biênbài toán, các file DXF có thể được tận dụng để phân tích các cấu trúc hiện có

-Chương trình cho phép người sử dụng khảo sát trường điện từ ở các điểm bất

kỳ và biểu diễn các đặc tính theo các dạng người sử dụng mong muốn

-Chương trình Triangle.exe Chương trình này chia miền bài toán thành các lưới phần tử hữu hạn tam giác, là phần lõi của phương pháp PTHH Chương trình này do-Jonathan Shewchuck viết

-Các phần mềm phụ trợ (fkern.exe cho bài toán từ trường, belasolv.exe cho bài toán điện, hsolv.exe cho các bài toán nhiệt, csolv.exe cho các bài toán dòng) Mỗi phần mềm phụ trợ chứa một bộ file dữ liệu để xử lý bài toán và các phương trình vi phân tương đương.

-FEMM sử dụng ngôn ngữ lập trình Lua, về cơ bản Lua cho phép xây dựng, phântích cấu trúc, đánh giá kết quả sau khi xử lý Ngoài ra ưu điểm của Lua là chophép thay thế một giá trị số học bằng một phương trình toán học

2.Opera (Cobham)

Opera là phần mềm của hãng Cobham Opera bao gồm một bộ phần mềmhướng đối tượng hoàn chỉnh cho các bài toán điện từ trường, được dùng để

thiết kế, mô phỏng và đánh giá đặc tính Error! Reference source not found

Opera gồm một bộ thư viện mô hình 2D/3D mạnh để thiết kế và các công cụ

mô phỏng PTHH được chuyên môn hóa cao cho các dạng bài toán khác nhau:+ Trường điện từ;

+ Trường điện tần số thấp;

+ Trường điện từ tần số cao;

+ Phân tích nhiệt và ứng suất;

+ Thiết kế máy điện quay và tuyến tính;

+ Nam châm siêu mạnh;

+ Từ hóa/khử từ NCVC;

+ Từ trễ của vật liệu nam châm;

+ Điện trường trong môi trường dẫn điện - cách điện

Đối với mô phỏng, Opera có các phần mềm hậu xử lý, cho phép người sửdụng có thể xem và phân tích kết quả mô phỏng, thực hiện các tính toán phụtrợ Đối với thiết kế, phần mềm có giao diện rất dễ sử dụng, các thiết kế đượcOpera tối ưu hóa một cách tự động

Mô hình bài toán có thể được xây dựng từ phần mềm CAD sẵn có hoặc có thểđược tạo bởi Opera Phần mềm thiết kế mô hình đối tượng bao gồm:

+ Các phần mềm thiết kế mô hình 2D/3D;

+ Phần mềm chuyển đổi dữ liệu từ file CAD sẵn có;

+ Các đặc tính vật lý phi tuyến;

+ Hiệu chỉnh sửa đường cong B-H;

+ Thư viện đặc tính vật liệu;

+ Các vật liệu dẫn điện được thể hiện ở dạng 3D với độ chính xác cao;

+ Tự động sinh ra lưới PTHH khi mô phỏng

Các bộ phần mềm công cụ mô phỏng tính toán: Opera có hai phiên bản 2D và 3D Ở mỗi phiên bản, phần mềm sẽ tự động chia lưới PTHH để đạt độ chính xác mong muốn Người sử dụng có thể mô phỏng trường điện từ sau khi đã xây dựng mô hình Opera

cũng có các phần mềm phụ trợ phù hợp để phân tích các bài toán trường điện từ và các ứng dụng khác liên quan:

+ Công cụ trường điện từ tĩnh: Các ứng dụng điển hình là NCVC, nam châmđiện từ, các tính toán cộng hưởng từ MRI/NMR, các nghiên cứu thiết kế ban đầu củamáy điện quay

+ Công cụ trường điện từ tần số thấp: Các ứng dụng điển hình là phân tích ảnh hưởng dòng cảm ứng, máy biến áp, nam châm, cuộn dây, cảm ứng nhiệt

+ Công cụ trường điện từ tần số cao: Các ứng dụng điển hình là phân tích cộng hưởng, bộ lọc, cuộn cao tần

3.MagNet V7 (Infolytica)

MagNet V7 là phần mềm của hãng Infolytica MagNet V7 bao gồm hai phần mềm môphỏng 2D/3D cho các bài toán trường điện từ, là công cụ giúp người sử dụng dễ

dàng mô hình và dự đoán đặc tính vận hành của các thiết bị điện cơ và điện từ Error!

Reference source not found.:

MagNet ứng dụng phương pháp PTHH khi giải các phương trình vi tích phân Maxwell Mỗi mô đun phần mềm được tùy chỉnh để mô phỏng các trường điện từ ở dạng 2D và

3D MagNet được dùng để phân tích bài toán điện từ trường sau:

+ Trường điện từ biến đổi theo thời gian - Phi tuyến

Các phân tích phi tuyến;

Các tổn hao lõi, hiệu ứng tiệm cận và dòng xoáy;

Chuyển động: chuyển động quay, tuyến tính;

Các vấn đề liên quan đến điều chỉnh tải và tốc độ;

Tính toán dòng cảm ứng

+ Trường điện từ điều hòa theo thời gian - Xoay chiều

Các phân tích với tần số bất biến trong miền phức;

Dòng xoáy, hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng tiệm cận

+ Trường điện từ tĩnh:

Các phân tích phi tuyến;

Dòng điện chạy qua các loại vật liệu dẫn điện bao gồm cả vật liệu từ

4.ANSYS/Maxwell

ANSYS/Maxwell là phần mềm của hãng ANSYS ANSYS/Maxwell là phần mềm mô phỏng trường điện từ hàng đầu cho các kỹ sư thiết kế và phân tích các thiết bị điện cơ

và điện từ trường, bao gồm động cơ, cơ cấu truyền động, máy biến áp, cảm biến

và cuộn dây Error! Reference source not found Maxwell sử dụng phương

pháp tính toán hiện đại để tính toán các bài toán trong các lĩnh vực điện và điện

từ trường Phần mềm Maxwell có ưu điểm là quá trình tính toán tự động tối ưu,người sử dụng chỉ cần xác định các kết cấu hình học, tính chất vật liệu và cáctham số đầu ra mong muốn Từ các thiết lập của người sử dụng, Maxwell tự độngchia lưới phần tử hữu hạn thích hợp, hiệu quả và chính xác để giải quyết các bàitoán điện từ trường Quá trình chia lưới này đã được chứng minh là tối ưu, loại bỏ

sự phức tạp trong quá trình phân tích và cho phép tính toán nhanh hơn Bên cạnh

đó, Maxwell cũng cho phép người sử dụng hiệu chỉnh lưới phần tử hữu hạn trênmiền đối tượng bất kỳ để bài toán tính toán được chính xác hơn

Một tính năng quan trọng nữa của Maxwell là khả năng xây dựng các mô hình đốitượng giản đơn hơn bằng cách thiết lập các thông số từ các phần mềm phụ trợ, ví dụ

ANSYS Simplorer, RMxprt,… là các phần mềm mô phỏng hệ thống của ANSYS Với ưu điểm này, người sử dụng có thể xây dựng và mô phỏng đối tượng bằng các phần mềm khác nhau của ANSYS nhằm hoàn chỉnh mô hình điện cơ, thiết lập mô hình mô phỏng cơ điện tử và hệ thống điện tử công suất hợp nhất trong một phần mềm duy nhất.

5.Lựa chọn phần mềm mô phỏng

Các phần mềm ứng dụng phương pháp PTHH trong mô phỏng máy điện nêutrên đều có khả năng giải quyết các bài toán điện - từ trường để mô phỏng đặctính máy điện Từ tìm hiểu các thế mạnh của từng phần mềm, luận án lựachọn phần mềm ANSYS/Maxwell 2D để mô phỏng LSPMSM, kết quả môphỏng bằng ANSYS/Maxwell 2D làm cơ sở để so sánh và phân tích với kếtquả thu được khi mô phỏng dựa trên mô hình toán mà luận án đề xuất

VI.TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM ANSYS MAXWELL

Khái niệm về phần mềm Maxwell

Maxwell là một phần mềm mô phỏng, được đánh giá là phần mềm mô phỏng

điện từ hàng đầu giành cho kỹ sư chuyên về thiết kế và phân tích các thiết bị

cơ và điện từ trong động cơ, bộ truyền động, máy biến áp, cảm biến và cuộn

cảm Maxwell sử dụng phần tử hữu hạn để giải quyết các vấn đề liên quan

đến trường điện từ tĩnh trong miền tần số biến thiên (theo thời gian)

Ứng dụng:

Một ưu điểm nổi bật của Maxwell là tiến trình xử lí tự động tại những vị trí người dùng mong muốn để tao ra các vùng làm việc độc lập, đưa ra các đặc tính của vật liệu để trích

xuất dữ liệu ra bên ngoài Nhờ tính năng độc đáo này Maxwell có thể giải quyết

vấn đề một cách hiệu quả bằng việc tạo ra mắt lưới phù hợp, với độ chính xáccao Điều này được chứng tỏ thông qua quá trình tương thích tự động của cácmặt lạ, chúng sẽ phân tách các thành phần phức tạp thu được trong tiến trình

xử lí giúp các kỹ sư thuận lợi và dễ dàng trong khi thiết kế

Maxwell có khả năng phát hiện hifi, làm giảm các kiểu models cần phân tích

thông qua các phương pháp phân tích được ứng dụng rộng trong Simplorer,một phần mềm mô phỏng hệ thống đa vùng của ANSYS Khả năng này chophép tạo ra một dòng thiết kế điện từ mạnh mẽ, giúp người dùng liên kết chínhxác các mạch phức tạp với các models cửa Maxwell, tạo hiệu suất cao trongviệc thiết kế các hệ thống cơ điện và điện công suất

Các vấn đề chính được giải quyết

Các thành phần mà Maxwell giải quyết như:

download by : skknchat@gmail.com

➢ Trường tĩnh điện: Trường tĩnh điện, lực và momen xoắn, điện dung gây ra bỡi phân bố điện áp, chỉ vật liệu tuyến tính.

➢ Trường dẫn một chiều: Điện áp, trường điện và mật độ dòng được tính bỡi hiệu

điện thế Ma trận trở kháng có thể thêm vào các vật liệu cách điện quanh dây dẫn để tính điện trường bao gồm cả vật cách điện

➢ Trường từ tĩnh: Trường từ tĩnh momen xoắn, lực từ, cảm ứng gây ra bỡi dòngđiện một chiều, trường điện tĩnh ngoài và nam châm Các vật liệu tuyến tính và phi tuyến tính

➢ Dòng điện xoáy: Trường điện từ biến đổi điều hòa, lực momen xoắn và trở kháng gây ra bỡi dòng xoay chiều trường từ dao động ngoại (chỉ vật liệu tuyến tính).

➢ Trường điện không ổn định

PHẦN II: TÍNH TOÁN THAM SỐ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

3 PHA ROTO LỒNG SÓCI.CÁC THÔNG SỐ ĐỊNH MỨC

- Hiệu suấ t củ a động cơ dm= 0.91

- Kiểu máy: kín, tự làm mát bằng quạt gió

download by : skknchat@gmail.com

Hệ số công suất : cos ϕ đm = 0 ,89

KE =f(p) được tra trong hình 10-2 trang TKMĐ- Trần Khánh

Hà, Nguyễn Hồng Thanh

Với p=1 ta tra được kE =0,98

2 Đường kính Stato

Đường kính Stato phụ thuộc vào công suất tính toán P’

Với chiều cao tâm trục h=200 mm theo bảng 10-3có đường kínhngoài stato theo tiêu chuẩn Dn = 34.9 cm

đối với máy có số đôi cực 2p =2 tacó: D = (0,52 - 0,57)Dn

kdq =0,95 : chọn dây quấn 2 lớp, bước đủ

- Theo bảng 10.3a trang 233 TKMĐ- Tần Khánh Hà, Nguyễn Hồng Thanh

15 |

download by : skknchat@gmail.com

Với Dn=34.9 cm ta tra được: A=380 A/cm

Do lõi sắt ngắn nên làm thành một khối

Chiều dài lõi sắt stato, Rôto bằng:l1=l2= l =24.8 (cm)

30 đều nằm trong phạm vi kinh tế,

do đó việc chọn phương án trên là

hợp lý

7 Số rãnh Stato

Z1 = 2.m1.p.q1 =2.3.1.5 =30 (rãnh)Trong đó: m 1 =3 : là số pha c⇒ủa dây quấn Stato

2p = 2 : số đôi cực p = 1

q1: số rãnh của mỗi pha dưới mỗi bước cực, vì tốc độ của động là 3000 vòng/phút nên ta chọn q1 =5

download by : skknchat@gmail.com

Trong đó: a1 = 4 số nhánh song song

n1: số sợi dây ghép song song, chọn n1= 2

J1: mật độ dòng điện dây quấn Stato

Theo phụ lục IV, Bảng IV-1 Dãy công suất chiều cao tâm trục của

động cơ không đồng bộ Rôto lồng sóc, kiểu kín TCVN-1987-94- cách

download by : skknchat@gmail.com

Theo phụ lục VI ,bảng VI-1 chọ n dây quấn tráng men PETV có

đường kính (d/dcd= 0,74/0,805 ) có tiế t diệ n bằng S1= 0,430 mm2

12 Kiểu dây quấn

Chọn dây quấ n 2 lớ p bướ c đủ: 30

=2 =2=15

⇒ Chọ n y = 12, từ rãnh 1 ÷ 11, = 15

Hệ số bước ngắ n : β = 12/15=0.8

Hệ số dây quấn bước ngắn; Ky1=Sin (3.14/2 *0.8) = 0.95 Hệ số

quấn rải: sin( /2) sin(5.12,67/2)

5 sin(12 ,67/2)

= 0,951

Trong đó q= 5α=p.380/Z1=1.360/30=12.67

Hệ số dây quấn Stato: Kd1 = Ky1.Kr = 0,95.0,951 = 0,91

14 Mật độ từ không khe hở không khí