Luận văn tối Ưu hoá kích thước lá thép stato và rôto Động cơ không Đồng bộ xoay chiều ba pha rôto lồng sóc theo hiệu suất

Luận văn thạc sỹ khoa học 10 'Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Với sự phát triển nhanh chồng của kĩ thuật máy tính, một cuộc cách mang kĩ thuật trong công tác thiết kế và chỉ đạo sản x

Trang 1

TỐI ƯU HOÁ KÍCH THƯỚC LA THÉP STATO VA

ROTO DONG CO KHONG DONG BO XOAY CHIEU

BA PHA ROTO LONG SOC THEO HIEU SUAT

NGUYEN THI MINH HIEN

HA NOT 2006

Trang 2

Luận văn thạc sỹ khoa học 3 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

LỜI CAM ĐOAN

lôi xin cam đoan nhưng kết quả nghiên cứu được trình bẩy trong luận văn là do chính bản thân tôi thực hiện

Hà nội ngày 20 tháng 12 năm 2006

Aguyễn Thị Minh Hiển

Trang 3

3.3.1 Nhâm phương pháp tùn kiếm Loàn cục

2.2.1.1 Phương pháp duyệt toàn bộ trên lưới đều ¬

Trang 4

Chương 3 Xác định sức từ động trên lá thép và hiệu suất của động, cơ

không đồng bộ xoay chiều ba pha rôto lồng sóc 49

3.1 Xây đựng thuật toán tối ru kích thước lá thép theo xức tit ding 49

3.1.1 Lưu đề thuật toân ee SE

3.3 Xây dụng đặc tính làm việc về khôi động wa OL

3.2.2 Thudt todn tinh toán kiểm tra đặc tính khởi động 68

Trang 5

Trang 6

a- cos vi dong dign

ÿ- hiệu suất và hệ số trượt

6 _ | Hình 1-4 quan hệ giữa các biến và công suất ra 34

c- mémen

7 | Hình 1-5 a, do tir tham va tén hao 6 LS T 35

5350H

9 Hinh 2-1: Dé thi biéu diễn các mắt lưới của phương 0

pháp duyệt toàn bộ trên lưới đều

13 |Tlình 3-4: Kích thước tối ưu lá thép stato s0

14 | Hình 3-5: Kích thước tối ưu lá thép rôto 60

1s | Hình 3-6 Mạch điện thay thế của động co KDB 64

Trang 7

1 Bangl-1 Tiéu chuẩn về hiệu suất của dong co NEMA 13

cơ KĐB ba pha kiểu P44

3 Bảng 1-3: Tiêu chuẩn Việt Nam1987-1994 và TCVN 17

315-85 cla động cơ KĐB ba pha kiểu IP44

4 Bảng 1-4: Tỷ lệ phân phối trung bình các thành phân tổn — 4g

hao của động cơ Bảng 1-5: Gía trị biến, hàm mục tiêu và ràng buộc trong

Š thiết kế tối ưu của tác giả và thiết kế ban đầu cho ĐC 33

Trang 8

M6 DAU

Xã hội không ngừng phát triển, sinh hoạt của nhân dân không ngừng

được nâng cao nén cẩn phát triển nhiều loại máy điện mới lốc độ phát triển

của nền sản xuất công nông nghiệp của một nước đồi hỏi một tốc dé phát triển

tương ứng của ngành công nghiệp điện lực, nhất là ngành chế tạo máy điện

Động cơ diện là loại máy điện xoay chiều đồng vai trồ trong một phần

phái mình tiến bộ của KHKT và là thiết bị điện được sử dụng rộng rãi nhất trong hệ thống công nghiệp và thương rnại với chức năng biến đổi năng lượng

điện thành năng lượng cơ, chúng trở nên đặc biệt quan trọng trong nền kinh tế quốc dân

Động cơ KĐB ba pha đặc biệt là động cơ KĐB ba pha rôto lồng sốc được

dùng phổ biến trong công nghiệp (vì có ưu điểm là độ tin cậy cao, giá thành

thấp, trọng lượng nhẹ, kết cấu đơn giản, chấc chắn, dễ sửa chữa và bảo dưỡng),

với dải công suất từ hàng trăm Watis đến Mcgawatis và là bộ phận chính trong

hệ truyền động

Từ năm ¡990 trở về trước, hiệu suất của ĐC là chỉ tiêu thứ yếu Vào

những năm 90 của thế kỷ 20 thì hiệu suất của động cơ mới được quan tâm, trong khoảng thời gian này, trên thế giới đã xuất hiện nhiều công trình nghiên cứu thiết kế tối ưu hiệu suất động cơ và đã mang lại nhiều kết quả đáng kể

Hiện nay nguồn năng lượng trên thé giới bị cạn kiệt dẫn và do sự tăng giá của năng lượng nói chưng nên hiệu suất ĐC đã dần trở thành tiêu chí áp dung trong

ngành công nghiện Nó sẽ mang lại lợi ích rất lớn không chỉ vẻ mặt tiết kiệm năng lượng và kinh tế mà còn giảm đáng kể hiệu ứng nhà kính

Do vậy, nâng cao hiệu suất của ĐC trổ nên vô cùng cần thiết Có rất

nhiều biện pháp để nâng cao hiệu suất của ĐC như công nghệ chế tạo phù hợp,

thay đổi vật liệu chế tạo ngày càng mới, thay đổi các thông s ấu (cấu trúc

răng, rãnh, khe hở không khí ) hoặc sử dụng thuật toán thiết kế để giảm nhỏ

tốn hao

Trang 9

Luận văn thạc sỹ khoa học 10 'Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Với sự phát triển nhanh chồng của kĩ thuật máy tính, một cuộc cách

mang kĩ thuật trong công tác thiết kế và chỉ đạo sản xuất ra sản phẩm bùng nổ

và đang được ứng dụng rộng rãi

Do kĩ thuật thiết kế dựa vào máy tính CAD kết hợp được đặc điểm tính nhanh và chính xác của máy tính với năng lực phân tích tổng hợp của người

thiết kế nên gia tăng quá trình thiết kế, rút ngắn thời gian thiết kế, nâng cao chất lượng sản phẩm, thích ứng với yêu cầu đa dạng của sản phẩm có sản lượng

ít So với thiết kế cũ theo kinh nghiệm thì giá thành chế tạo sản phẩm giảm xuống rất nhiều, rút ngắn thời gian chuẩn bị sản xuất và nâng cao năng lực sản

xuất nhiều lần

Với những phân tích trên, luận văn sử dụng (buát toán thiết kế tất ưu

kích thước lá thép theo sức từ động, nhằm giảm tổn hao sắt và tổn hao đồng,

nâng cao hệ số cos@ và hiệu suất của ĐC Với mục dích đó, trong luận văn đã

sử dụng công cụ máy tính để xây dựng thuật toán tĩnh toán tự động, vì vậy việc

thiết kế cố thể linh hoạt hơn, giám thời gian thiết kế và có thể ứng dụng vào sản

xuất ĐC điện trong các nhà máy chế tạo

Ban luận văn bao gồm ba chương

Chương 1: Tổng quan về tổn hao và hiệu suất động cơ không đông bộ

ba pha rôto lầng sóc

Chương 2: Phương pháp thiết kế tối ưu

Chương 3 Xúc định sức từ động trên lá thép và hiệu suấi của động cơ

không đồng bộ xoay chiều ba pha rôfo lông sóc

Xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo bộ môn Thiết Dị Điện - Điện TỦ, trung

tâm Pao ‘Tao & Béi Dưỡng SĐH trường ĐHBK Hà Nội và cô giáo TS.Nguyễn

Lông Thanh đã tận tình giúp đỡ tôi hoàn thành bản luận văn này

Trong thời gian cổ bạn, bản luận văn không thể tránh khỏi thiếu sói Rất

mong sự đóng gốp ý kiến của thầy, cô và các bạn đồng nghiệp

Trang 10

Chuongl: TONG QUAN VE TON HAO VÀ HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ

KHONG DONG BO BA PHA ROTO LONG SÓC

1.1Sự cần thiết phải nâng cao hiệu suất

* Nhu câu chung của toàn thế giới:

'Theo đánh giá của bộ Hoa Ky (United States Department of Lingnery) da

có hơn một tỷ động cơ đước sử dụng trong công việc hàng ngày, trong đó có từ

70 -904bđược đùng trong công nghiệp

Với hệ thống công suất diện của Mỹ khoảng 700 QW thì 60% nguồn

công suất này được sử dụng cho động cơ một pha và ba pha.TỔn hao của động

cơ hàng năm (chỉ tính riêng nước Mỹ) gần 400 1ÿ kWh và lính ra tổn thất của

nó gần 3 1ÿ đô la cho một năm [8]

Vì thế nếu có giảm thấp nhất sự tiêu thụ năng lượng của động cơ nói

chung và động cơ KĐH ba pha nói riêng sẽ là nguồn tiết kiệm năng lượng quan

trọng nhất 'Ihậm chí chỉ cần tăng một phần nhỏ hiệu suất của động cơ sẽ rất có

ý nghĩa trong việc tiết kiệm năng lượng và tác động đến nền kinh tế

Đừng trước vấn để đó tại Mỹ tiêu chuẩn hiệu suất cho hấu hết các dãy

động cơ điện áp thấp dã dược thông qua vào 10/1997 trên NEMA (National

Electrical Manufacturcs Associadon) MGI-1993, phần 15.59 và dược so sánh

với dấy tiêu chuẩn đã và đang hiện hành tại Mỹ [13] ( bảng 1-1)

Trang 11

Hảng1-1 Tiêu chuẩn về hiệu suất của động cơ NEMA

Hiệu suất "Tiêu chuẩn hiện tại “tiêu chuẩn sau 10/1997

OP: ĐC có vỗ bảo vệ chống thấm nước

'THEC: ĐC có vỗ bảo vệ hoàn toàn và có quạt làm mát

Trang 12

Theo [13], tiêu chuẩn tính toán sự tiết kiệm năng lượng phụ thuộc vào giờ

vận hành của ĐC và công suấi sử dụng của ĐC Sự chênh lệch về hiệu suất của hai tiêu chuẩn đánh giá xác định công suất sử dụng và công suất tiết kiệm (KW) cho hai động cơ có cùng điều kiện làm việc, tốc độ và tải nhưng khác

nhau về hiệu suất được xác định theo công thức dưới đây:

Công suất tiết kiệm:

APŒKW, )=HpxLFx0,746E x [2-2] (eb

Trong đó:

Hp— loại ĐC ( 1 hp, I0 hp, 100 hp )

LF — hé sé tai ( tỷ lệ phần trầm của tải dịnh mức)

Rau — hiệu suất của ĐC theo tiêu chuẩn hiện tại trong diều kiện tải

nhất định

ung — hiệu suất của ĐC theo liêu chuẩn hiệu đấy ĐC hiệu suất cao

trong điểu kiện tải nhất định

Wzwm- là công suất tiêu thụ được tiết kiệm

Như vậy năng lượng Hết kiệm được hàng năm sẽ được tính theo công

'Irong nghiên cứu I9 trên tổng số 68 ĐC của một dự án |13|, cho nhóm

10 hp với hiệu suất 77% và mỗi ĐC làm việc trong 4000 giờ mỗi năm, ở điểu kiện tải 80% tải định mức thì năng lượng 19 PC dé tiêu thụ là

19 x10hp x0,8 x0,746 <A> 4000 = 589049(KIFR)

Trang 13

Va như vậy năng lượng tiêu phí sẽ giảm đi 12,5%

* Nhu cầu của Việt Nam:

Hoà chung vào nên công nghiệp phát triển của thế giới, nên công nghiệp

của nước ta đã có những bước phát triển đáng kể, nhu cầu sử dụng điện nảng

ngày càng tăng Nguồn tin của tổng công ty điện lực Việt Nam (EVN) mới đây

cho biết, năm 2006 Việt Nam có thể lâm vào tình trạng thiếu diện trẩm trọng

như Trung Quốc (tầm tháng đầu năm 2004 nhu cầu sử dụng điện ở Trung Quốc

còn thiếu đến 40.000MW)

Để khắc phục tình trạng này một mặt Tổng Công Ty Điện Lực tăng

cường xây dựng thêm các nhà máy phát điện, mặt khác khuyến cáo toàn dân sử dụng tiết kiệm

Bên cạnh đó Việt Nam cũng đã đưa ra dự thảo tiêu chuẩn mới (vào tháng

7 năm 2001), yêu cầu về hiệu suất tối thiếu đối với động cơ KĐB ba pha được

chế tạo phải cao hơn trước Một trong những dự thảo tiêu chuẩn mới ứng với

các dãy công suất của động cơ KĐB ba phá rôio lồng sóc là kiểu IP44 như Bảng 1-2

Trang 14

Luận văn thạc sỹ khoa học IS Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Trang 15

Với dự thảo tiêu chuẩn như bang 1-1, oó thế sơ sánh các dãy động cơ được sẵn xuất theo tiêu chuẩn trước đây như tiêu chuẩn Việt Nam 1987-1994, tiêu chuẩn TCVN 315-85 Một vài dãy công suất theo các tiêu chuẩn này được trình bày & bang 1-3

Bảng 1-3 Tiêu chuẩn Việt Nam1987-1994 pà TCVN 315-85

của dộng co KDB ba pha kidu 1P44

(KW) H(%) cosp|ln(%) coso |Tị (#) | cosp | (%) cosp

11 775 087| 750 081 | 740 | 074 |700 068

Ls 81.0 085) 77.0 0.83 | 75.0 | 0.74 | 74.0 0.65 2.2 $3.0 0.87] 800 083 | 810 | 073 | 765 071

Trang 16

Bằng cách lấy bình quản hiệu suất ở bảng 1-3 (với 2p = 4 là 88,3% ) và

bình quân hiệu suất với các công suất tuzng ứng ở bảng 1-1 (với 2p = 4 là 91,4%), từ hai kết quả này cho thấy hiệu suất ở dự thảo liêu chuẩn 1nới cao hơn

so với hiệu suất các tiêu chuẩn cũ là 3,5% Đứng trước vấn để này đã đạt ra cho

lĩnh vực thiết kế và chế tạo mấy điện cần nghiên cứu, tính toán thiết kế để tạo ra

các sản phẩm đạt được những tiêu chuẩn về kinh tế và kỹ thuật nhằm đáp ứng

yêu cầu phát triển của xã hội

1.2 Tổn hao trong động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc

'Tổn hao trong động cơ có thể được diễn tả như hình I-I [2], [7]

Stato Khe hở kk Roto

=I[]L all edit

Hình 1-1: Giản đồ năng lượng của động cơ KDB ba phá rôto lồng sóc

Các vùng mũi tên chỉ ra những thành phần tổn hao cẩn phải tính toán

trong quá trình thiết kế hoặc kiểm tra Có thể nhóm các tổn hao động cơ thành

4 dạng như sau:

-Một phần năng lượng sẽ tần di trong máy dươí dạng tổn hao nãng lượng

do ia sat goi fa dn han co(pes)

-Tén hao khi lit thong bién đổi chu kỹ trong các mạch từ gọi là tổn haa

-Tén hao nang lượng khi đồng điện chảy dọc trong các thanh dẫn gọi là

tổn hao điện (tổn hao đồng):p

Trang 17

"Lỷ lệ phân phối tổn hao trung bình

Các tổn hao sắt (pe), dổng (Pai,pe) ở bảng 1-4 chỉ đo thành phần sống

cơ bản gây ra

1.2.1 Tân hao cơ

'Tổn hao cơ gồm có: các tổn hao do ma sát ổ bị , tổn hao do ma sat khi rôto quay quanh môi trường bao quanh nó (môi trường không kh? và các tốn hao làm mát đều thuộc tổn hao này

- Vốn hao trên các ổ trục: phụ thuộc vào cấu tạo của chúng và dạng bôi

trơn Trong các máy không lớn có thể dùng ổ bi tròn hoặc đĩa với mỡ sệt 'Irong,

các máy công suất lớn người ta đùng các A trượt và đầu lỗng bồi trơn để giảm bết ma sát Trong các điều kiện khác nhau, tổn hao trên các 6 trục tăng khi tăng

tốc độ quay, trọng lượng rôto và đường kính ngang trục ở vũng đặt ổ trục

-Tén hào do ma sát khi rôto quay trong môi trường bao quanh: Tổn hao

này chính là công suất phải tiêu hao để làm quay ảnh quạt gió Công suất

này tí lệ với lượng tiêu hao để làm quay các cánh quạt gió Công suất này tỉ lệ

với lượng tiêu hao chất tải nhiệt cần thiết Q, nghĩa là khối lượng đi qua hệ

Trang 18

thống làm mất trong một don vị thời gian và áp suất H do quạt tạo ra Công suất

đồ căng lớn nếu hiệu suất càng thấp

Việc tính toán chính xác lổn hao cơ là rất khó,„vì thế khi tính toán phần

tổn hao này thì thường hay dùng công thức thực nghiệm để làm giảm lồn bao

này thì chủ yếu là phụ thuộc vào mặt công nghệ ché tao là chính

1.2.2 Tổn hao trong thép

1.2.2.1 Tôn hao chính trong thép

'Iốn hao chính trong thép vì từ trễ và dòng điện xoáy xuất hiện đồng thời

Nguyên nhân là do hiện tượng từ hoá xoay chiều xảy ra trong thép khi từ trường biến dối

'Tổn hao chỉnh trong thén phụ thuộc vào loại thép và được đặc trưng bài

suất tổn hao thép pm: (W /&g) Suất tổn hao này được tính theo suất tổn hao tiêu

chun pise theo công thức gần đúng san:

B- He 86 phụ thuộc vào loại lá thép

Có thể tra Piso và [§ của một số loại thép Nga trong phụ lục tài liệu [1]

'Tổn hao thép trong mấy điện trên thực tế cồn phụ thuộc nhiều vào những thiếu sót trong quá trỉnh gia công lối thép như bavia, đũa thành rãnh khi đã

chép lõi sắt, mài bẻ mặt stato và rôto , déng gông sắt Do đồ khi tính toán tồn

hao trên các phân uủa lõi sắt phải thêm các hệ số xé! đến ảnh hưởng của gia

Trang 19

Đối với máy điện KĐE kạœ= 1,8, kuạ= L6

1.2.2.2.Tến hao phụ trong thép khi không tải

'Tổn hao phụ trong thép sinh ra bởi các dồng điện xoấy và hiện tượng từ

trễ trong thép ở phân răng và trên bẻ mặt stato và réto tao nên bởi các sóng điều hoa bậc cao và sống điều hoà răng của từ trường stato và rôto

a) Tn hao bể mặt

hi máy diện quay ráng rôto của máy KĐB lần jug! khi thi ring khi thi

xuiệng rãnh của phần ứng, đo đồ gây ra ở lớp trên bể mặt của răng rÔ(0 một sự đao động của mật độ từ thông B Biên độ dao động của B càng lớn khi khe hở không khí càng nhỏ và miệng rãnh càng to

"Tân số đao động phụ thuộc vào số ráng Z và tốc độ quay n

Vì tần số dao động cao nên các dòng điện xoáy cảm ứng trong thép déu

tập trung lên lớp mỏng trên bể mặt lõi thép,vì vậy tốn hao gây nên bởi cácdòng, điện xoáy này gọi là tổn hao bể mặt

Õ máy điện KĐB, tổn hao bể mặt lớn vì khe hở không khí nhỏ Tổn hao

tập trung chủ yếu trên bể mặt rôto cồn Irên bể rnật stato it hon do miéng rainh

Trang 20

Pays "¬= = 9.5K (20 }2(108z}` d-6

Trong đồ

Z wy - SỐ Tăng rồto( stato);

n tốc độ quay của rôto;

Ngoài tổn hao bé mat cồn cố tổn hao đập mạch do hiện tượng đập mạch

đáng kể của mật độ từ thông B trong răng Các nguyên nhân của sự đập mạch này do sự dao động của từ irường trong vùng liên thông răng rãnh stato và réto

theo vị trí tương đối của rãnh sfato và rôto Tần số dao động trong ring stato

Trang 21

a Vật liệu chế tạo

"Trong thiết kế động cơ không đồng bộ rôto lồng sốc, vấn đề chọn vật liệu

để chế tạo có một vai trò rất quan trọng ảnh hưởng đến giá thành và tuổi thọ

lâm việc của động cơ Ngoài ra vật liệu chế tạo phù hợp cũng giảm được tổn hao của động cơ

Để chế L các phần của hệ thống mạch từ của động cơ người ta dùng

những vật liệu sắt từ khác nhau như các loại thép lì kỹ thuật diện, thép dic,

thép rèn, thép lá và hợp kim thép Hàm lượng silic trong thép là kỹ thuật điện có

ảnh hưởng đến tính nang của nó Cho silic vào thếp có thể làm cho điện trở suất

tang cao, do đồ hạn chế được đồng điện xoấy nên tổn hao thép sẽ thấp xuống,

tuy nhiên khi có silic thì cường độ từ cảm cũng hạ thấp, độ cứng và độ ròn cũng

tăng lên, vì vậy lượng silie trong thép nói chung không vượt quá 4,5%

"Trong lõi thép của động cơ có từ trường biến thiên, khi mật độ từ thông

và tấn số biến biên không ddi thi tén hao vi dong diện xoáy của dơn vị thể tích của lỗi thép tỷ lệ bình phương với chiểu dày là thép, vì vậy dại bộ phận mnáy

diện đều dùng tôn siic đày 0,5mmn

Tuỳ theo công nghệ cán, người ta chia 16n silic ra làm 2 loại, tôn cần

nồng và tôn cán nguội So với tôn cần nóng, tôn cần nguội có nhiều ưu điểm

như suất tổn hao nhỏ, cường độ từ cảm cao, chất lượng bẻ mật tốt, độ bằng

Trang 22

phẳng tốt nên hệ số ép chặt lá tôn cao, có thể sản xuất thành cuộn, do đó các

nước phát Iriển đều dùng lôn cần nguội thay tôn cán nồng Tuỹ theo sự sắp xếp các tỉnh thể silic trong tôn cần nguội rnà phân làm hai loại: đẳng hướng và dị

hướng,

Ở tôn silic cần nguội dị hướng, theo chiểu cán, suất dẫn từ cao (với

cường độ từ trường H = 25 A/cm, mật độ từ théng Bas cố thể đạt 17 : 1,851),

suất tổn hao nhỗ, nhưng theo chiếu vuông góc với chiều cán thì tính năng kém

đi nhiều, có khi không bằng cả tôn cán nồng, vì vậy trong động cơ không đồng

bộ chỉ dùng Lõn cần nguội đẳng hướng

Việc chọn vật liệu cách điện có một ý nghĩa quyết định đến tuổi thọ và

độ tin cậy lúc vận hành của máy Do vật liệu cách điện cố nhiều chủng loại, kỹ

thuật chế tạo vật liệu cách điện ngày càng phát triển, nên việc chọn kết cấu cách điện ngày cảng khó khăn và thường tổng nhiều loại cách điện để thoả mãn được những yêu cầu về cách điện

Một trong những yếu tố cư bản nhất lầm giảm tuổi thọ của vật liệu cách

điện là nhiệt dộ Nếu nhiệt dộ vượt quá nhiệt dộ cho phép thả chất diện môi, độ

bên cơ của vật liệu bị giảm di nhiều, dẫn đến sự giả hoá nhanh chống, chất cách

điện, ảnh hưởng đến điện trở đây quấn và tổn hao nhiệt trong động cơ

Vật liệu cách điện thường đo nhiều vật liệu hợp lại như mica phiến, chất phụ gia (giấy hay sợi thuỷ tinh) và chất kết đính (sơn hay keo đán), Đối với vật liệu cách điện, không những yêu cầu độ bển cơ cao, chế tạo dễ mà cồn cố yêu cầu về tính năng điện: có độ cách điện cao, dò điện ít Ngoài ra cồn có yêu cầu

về tính năng nhiệt chịu nhiệt tốt, dẫn nhiệt tốt và yêu cầu chịu ẩm tốt

Nước ta là một nước ở vùng nhiệt đới, nghĩa là cố nhiệt độ và độ ẩm cao Môi trường nhiệt đới cổ ảnh hưởng rất xấu đến vật liệu kỹ thuật điện, vì vậy việc chú ý bảo vệ vật liệu còn phải xót đến việc sử dụng những vật liệu cách điện phù hợp với môi trường nhiệt đới

b Công nghệ chế tạo động cơ không đồng hộ

Trang 23

Công nghệ chế tạo máy diện đóng một vai trò không nhỏ trong sự tiến bộ

khoa học kỹ thuậi, việc nghiên cứu công nghệ đi sâu vào thực tế sản xuất, mỗi bước công nghệ ảnh hưởng đến chỉ tiêu kinh lế kỹ thuật của máy Các chỉ tiêu của máy điện được chia làm 2 nhóm:

+ Các chỉ tiêu kỹ thuật như công suất, bội số đồng điện mở máy Kr, bộ

số Tưởnen cực đại Kwuxx, BỘ số mômen tiở máy Km,

+ Các chỉ liêu kinh tế như cos@, hiệu suất n, trọng lượng vật liệu, giá thành

Khi lập một dây chuyển công nghệ cần quan tâm đến tất cả các chỉ tiêu

đó

Công nghệ chế tạo mạch từ đồng một vai trò quyết định đến tốn hao và

hiệu suất của động cơ không đồng bộ Khi dập lá tôn mạch từ, khuôn dập phải

đủ sắc nếu không sẽ tạo lồng mo trên sản phẩm và do đó làm giảm hệ số ép

chiều cao bai via không được vượt quá 0,01mm Với chiều cao này sau khi sơn

cách điện ba via sẽ không làm ngắn mạch đối với lá tôn bên cạnh, không gây ra

tổn hao sắt từ

Khi dập lá tôn, đo tác động cơ khí mạnh, kết cẩn các phần tử thép bị thay

dổi, do đó làm giảm khả năng dẫn từ của thép ở gần các gờ mép ảnh hưởng này

6 thé sau (61 0,5 + Immn tính từ mép Đối với những lá tôn của động cơ nhỏ

hoặc quá nhiều rãnh, kích thước răng còn lại quá bé, hiện tượng này ảnh hưởng khá rõ Để phục hồi lại tính dẫn từ người ta tiến hành ủ lá tôn

Trang 24

Để giảm lực ký sinh tiếp tuyến và hướng tâm, người ta thường làm

nghiêng rãnh rôto hay stato, vì vậy có thể triệt tiêu sóng điểu hoà răng, giảm

tổn hao phụ

1.2.3 Tén hao ding

Đây là tổn hao do hiéu tmg Joule ở đây quan stato va réto do sống cơ bản gây

ra, thành phần tổn hao này được xác định :

+lz:dðng ở rôto quy đổi

+r›: diện trở dây quấn rôto quy đổi

Trang 25

(Ứng với mỗi công suất sẽ cố dòng stato và rôto tương ứng, từ (1-1) và (1-

2) cho thấy muốn giảm tổn hao đồng chỉ có thể giảm điện trở đây quấn sIata và

réto

Đứng về mặt thiết kế, giảm điện trở đây quấn gần như là tăng tiết diện

rãnh nhưng không phải là vô hạn Điều này thường gắn liển với quá trình tìm

tiết điện rãnh tối ưu sao cho tổng tổn hao đồng và sắt nhỏ nhất mà vẫn thoả măn

các tiêu chuẩn kĩ thuật cho trước Mối quan hệ này được trình bày như hình

1-2

Hình 1-2: Mối quan hệ giữa tẩn bao đồng, sốt với tiết điện rãnh

Dựa vào mối quan hệ này mà trong quá trình thiết kế sẽ xây dựng một

thuật toán tối ưu thực hiện quá trình tính toán để có được S.'sao cho tổng tổn hao déng va sắt nhỏ nhất

Tai 3°, = conts tối ưu không đổi tổn hao trong đồng pc, không phụ thuộc

vào chiêu cao rãnh và chiều rộng rãnh Sứ đụng thuật toán để tìm sức từ động

nhỏ nhất l'„ ứng với chiểu cao rãnh tối ưu h;”, mối quan hệ này được minh hoạ trên hình 1-3 Khi sức từ động giảm thì dòng điện ti hod lp nhd va dong dién 11

nhỏ nâng cao hệ số cos@, giản tổn hao sắt và tổn hao đồng, nâng cao hiệu suất

Trang 26

Thành phân tổn hao này được xem như là tổn hao còn lại trong tổng tổn

hao của động cơ sau khi đã trừ đi các tổn hao kể trên, có thể được xác định như sau

Pr=P1-(PeutPretPeotP2) (1-14)

Trong dé:

Py va Po Ja cOng sual tiêu thụ và công suất ra ở trục của động cơ

Tén hau phụ là chủ đề của rất nhiều nghiên cứu, nguồn gây ra nó là ruột quá trình biến đổi điện từ rất phức tạp tổng hợp nhiều nghiên cứu khác nhau

cho thấy nguồn gây ra tổn háo phụ xuất phát từ các yếu tố sau

Trước hết, do yêu cầu trong thiết kế nên mỗi động cơ mang một đặc

Trang 27

hở không khí không đều nên gây ra từ truờng biến đổi phức tạp xung quanh khe

hở không khí,

Tiếp đến, do có sự tập trung dây quấn nên đồng diện trong đây dẫn đặt ở

rãnh stato kết hợp với dòng trong thanh dẫn rôto lồng sốc để tạo ra từ trường

chính khe hở không khí (từ trường của sống cơ bản ) trong suốt quá trình vận hành cũng đã sinh ra từ trường các thành phần sóng dài (từ trường của các sóng bậc cao) tổn tại chung với từ trường Và một yếu tổ khác là do có sự bão hoà

lõi thép nên cũng sinh ra từ trường sóng dài trong khe hở không khí Chính từ trường nầy mà bên cạnh mômen do từ trường sống cơ bản tạo ra còn có mômen

phụ mang bản chất kìm hãm và gây ra các ảnh hưởng khác

"Tóm lại, thành phân lớn nhất của tổn hao phụ là năng lượng của các thành phần sóng đài Một phần lớn năng lượng này được tiêu tần thành các

dòng điện trong dây quấn stato và rôfo, thông lượng sống dài trong các lõi thép,

từ thông tản trong các lá thép tần mỏng và dồn xoáy ở rồ(o và sIato

1.2.5 Ảnh hưảng của tấn hao năng lượng trong động cơ:

Các ảnh hưởng cửa tổn bao năng lượng như gây nống mấy, tạo mômen

phụ làm giảm iiônten quay máy điện, tạo ra lực hướng kính gây rung ồn Trong

tất cả các trường hợp chúng sẽ gây ảnh hưởng lớn về mặt kinh lế và sự lựa chọn

của khách hằng,

Mức độ tốn hao có thể thay đổi dáng kể nếu thiết kế kém và diéu khiển

quá trình sản xuất bị khiếm khuyết Tổn bao lớn là nguyên nhân dáng kể làm

nóng máy, cần phải tiêu tốn thêm một phần công suất cho các thiết bị làm mát

để làm nhiệt độ của máy đến nhiệt độ giới hạn cho phép, điều nãy càng làm

giảm hiệu suất của máy hơn và tổn thất về kinh tế của tổn hao trên thực tế sẽ

cao hơn

Trang 28

Tấy ví dơn giản : nếu ta cần công suất ra ở đầu trục của động cơ là

30KW, với hiệu suất là 90,5% thì công suất tiêu thụ động cơ là 33,15KW Nếu tổn hao là 0,005P thì khi đó tổn hao phụ P,= 0,166 KW, với giá điện trong công nghiệp là 1000đ/KW thủ chỉ phí cho động cơ trong một giờ là :

33,15KW x 1000đ/KWHh=33150(đ/g1ờ)

Nếu lổn hao phụ của dộng cơ không phải 0.005P: rnà là 0,05Puthì tổn

hao phụ thực sự là 1,66KW Công suất tiêu thụ thực tế là 34,81KW và chỉ phí cho đông cơ vận hành trong I già là :

Hiệu suất của động cơ là lÿ số giữa công suất đầu ra (P›) và công suất

đầu vao (Pi):

5

tạ } P => (1-15) 1-15

Gọi tổng tổn thất của dộng cơ là

DOP — Peat Prot Peat Pea t Pj (1-16)

Khi đó hiệu suất của động cơ là:

Trang 29

1.4 Những nghiên cứu để giảm tổn hao và nàng cao hiệu suất của

động cơ

*) Trong tài liệu [9] đưa ra phương pháp thiết kế Hoocke-Jeeves, tối ưu

ĐC KĐB xoay chiều ba pha rôto lổng sóc hiệu suất lớn nhất Đầu vào của chương trình mấy tính trên cơ sở thông số và thủ tục thiết kế giải tích và dã dược thử nghiệm dựa trên tiêu chuẩn thiết kế hiệu suất †2C lồng sóc Hau ra cha

chương trình là đầu vào của chương trình tối ưu Tác giả đã kiểm chứng kết quả với ĐC 5 hp, sơ với các phương pháp hiện thời [8] tốt hơn thiết kế của Han-

Powell và phương pháp tìm kiểm dọc theo biên cúa miền ràng buộc Trong tải

liệu [9] tác giả tìm kiếm thường lệ ¡, sử dụng để phát triển chương trình máy

tính cho mô hình khảo sát Việc tìm kiếm này cho phếp tìm giá trị phù hợp của giới hạn lớn nhất (hoặc nhỏ nhất)của hàm mục tiêu

Khảo sát thiết kế ban đầu là đẩu vào của chương trình thiết kế tối ưu, từ

điểm cơ sở để tính hàm mục tiêu Qua mỗi quá trình tìm kiếm thăm dò, giới

hạn liên tiếp cho phép sự thay đổi nhỏ và hàm mục tiêu được tính toán Thuật

toán của chương trình như sau:

Bước L: lựa chọn điểm bạ và tính hàm mục liêu

Bước 2: Thực hiện quá trình tìm kiếm địa phương xung quanh điểm bị theo mợi hướng Tại mỗi bước thay đổi số gia là Áa¡ (¡ là số thứ tự của biến) và

tính hàm mục tiếu Nếu hàm mục tiêu giảm, điểm hiện tại được quay trở về diém dã in phía trước mặt khác biến số dưa ra được giảm Axivà hầm mục tiêu

được tính lại Nếu giá trị của hàm nhỗ nhất hơn giá trị in trước, điểm này được

thay thế bằng điểm ban đầu, mặt khác x¡ được thay thế bằng điểm xua Mô hình này thực hiện cho tất cả các biến và điểm bz được thay thế cuối cùng bằng

Trang 30

a là hệ số gia tốc đớn hơn 1, thường cho là 2)

Công thức tổng quất cho hai điểm bị và bụi

Trang 31

Bảng 1-5 Gia trị biển, hàm mục tiêu và rùng buộc trong thiết kế tối ưa cáo

tức giả và thiết kế ban đầu cho ĐC KĐB 5 hp

TT ‘Thong sé Thiết kế ban đầu | Thiết kế tối ưu

1 | Đường kính ngoài stato Dạ mn) 188,59 206,31

2 | Dudng kinh trong stato D (mm) 101,87 100,03

3 Chiều cao rãnh stato hs (mm) 17,98 33,52

15 | Thời gian chạy trên mấy tính(s) 123

Như vậy trong thiết kế tối ưu [9], đồng điện khỏi động cao hơn và

mômen khởi động thấp hơn, điều này trong phạm vi định nghĩa lợi dụng các

ràng buộốitng khảo sát ban đầu Hệ số trượt nhỏ hơn thiết kế ban đầu và đây là một lợi thế,Việc giảm mômen khởi động và cực đại là kết quả tàng hiệu suất

Đồng điện không tải nhỏ hơn so với thiết kế ban đầu và là một lợi thế

So sánh kết quả với thiết kế ban dau và tài liệu [8] như hình 1-4

Trang 32

Trang 33

*) Trong tài Hệu [12], tác giả chỉ ra phương pháp giảm tổn hao và nâng

cao hiệu suất bằng cách dùng thép hiếm và rôto đúc đồng Tác giả chỉ ra rằng,

vật liệu dẫn từ đóng một vai trồ quan trọng trong cấu trúc của Đ2 Đặc tính

chỉnh là độ từ thẩm của mạch từ và các lổn hao riêng Hơn nữa việc chọn một

loại thép kỹ thuật điện cồn phụ thuộc vào công nghệ rèn, dập, giá cả, tính khả

thủ, kho chứa Ngoài ra kết hợp với thanh dẫn rôio bằng đồng đúc và vòng ngắn

mạch bằng nhôm là kết quả tốt để nâng cao hiệu suất:

'Việc chọn vật liệu dự vào độ từ và đường cong từ hoá Loại thép tiêu

chuẩn để tham khảo là thép 8050 Cách chọn thép theo các hướng sau:

- Thép kỹ thuật điện có tổn hao thấp : 5350 và 3150

- Thếp có từ thêm cao là : 8050 H và 5350 H

Trang 34

Những đậc tính của thép được chỉ ra trên hình I-5

Hình 1-5 a, độ từ thẩm và tổn hao ở 1,5 T

Hình 1-5,b Đường cong B-H của thép 8050 và 5350 H

Trên cơ sở phân tích trên, loại thép 5350H là loại thép hiếm được chọn,

đây là loại thép có độ từ: thẩm và tổn hao phù hợp Kết quả so sánh trên hình |-

5, nhận thấy sự tảng của dòng điện từ hoá tương ứng với việc giảm tổn hao

Joule va tén hao sat.( 3,5 W/kg so với 5,5 của 8050 ) , mật độ từ thẩm cao hơn

8050 6 1,2 T (hinh 1-5,b)

Kết quả kiểm tra ở ĐC 3KW; 7.5 KW; 15 KW như bảng 1-6

Trang 35

Bảng 1-6: Kết quả kiểm tra hiệu suất và tẩn bao

“ln hao dây quấn stato ApCul 351 327 337

"Tổn hao thanh dẫn rôto ApOu2 284 141 138

Trang 36

kết luận sau đây

1 Động co KDB ba pha roto lông sốc được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, là bộ phận chính trong các hệ thống dây chu yên sản xuất nên việc nâng cao hiệu suất của động cơ trở nên vô cũng cần thiết

2 Qua tham khảo và phân tích công việc của các nhóm tác giả trên cho

thấy: bằng các phương pháp ở cấc góc độ khác nhau các tác giả đã tính được

một số thành phần hoặc toàn bộ tốn hao

Trang 37

3.Với sự phát triển của công nghệ máy tính, các tác giả [8], [9] dã đưa ra

được các thuật toán tối tu luy nhiên các thuật toán này tương đối phức Lạp, và

phụ thuộc vào quá trình khảo sát sơ bộ để tùu ra miễn ràng buộc của bài toán, nên giới hạn của bài loan khong ổn định

4 Việc nâng cao hiệu suất của động cơ về cơ bản là phải giảm các thành

phần tổn hao Nếu coi khe hở không khí và các thành phần sóng là sống cơ bản

thì có thế dùng thuật toán để tìm tiết diện rãnh của lá thép tối ưu với sức từ động và tổn hao đồng nhỏ nhất, đồng thời giảm mật độ dòng trong răng và gông của mạch từ để giảm tốn hao sắt

Trang 38

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ TỐI ƯU

2.1.Cơ sở lý thuyết về thiết kế tối mu:

"Thiết kế tối ưu là giai đoạn phát triển cao nhất của thiết kế Nhờ máy tính điện tử mà có thé sử dụng các thuật toán tối ưu hiện đại trong thiết kế tự động hoá

1ài toán tối ưu hoá tổng quát được biểu diễn như sau;

Cực đại hoá (cực tiểu hoá) hầm F(x)

F(x) —> max (min)

Với các điều kiện rằng buộc;

Rị@) (S23) bị ¡=1:m

xe KCR

Hàm E(x) được gọi là hàm mục tiêu, các hàm R¡(x), í=im được gọi là

các hàm ràng buộc, mỗi đẳng thức hoặc bất đẳng thức trong hệ điều kiện được

gọi là ràng buộc

buộc Mỗi điểm x = (Xi, X2, X3 Xa)€ D được gọi là một phương án x”€ l2 đạt

cực đại (hay cực tiểu) của hàm mục tiêu cụ thể là:

F(x")> F(x), V xe D (dei vi bai toán max)

F(+)<F(), Vxe D (đối với bãi loán min)

Được gọi là phương ẩn tối ưu Khi đó F(x°) được gọi là giá trị tối ưu của

bài toán

'Thông thường, các bài toán thiết kế tối ưu về máy điện, hàm mục tiêu và hàm ràng buộc phụ thuộc một cách phi tuyến vào các biến số độc lập

Công cụ toán học để giải quyết các bài toán trên gọi là quy hoạch phi tuyển

Để xác định nhiệm vụ của bài toán quy hoạch phi tuyến ta lầm như sau

Trang 39

Tìm các giá trị của các biến số độc lập xi,X›, ,Xa sao cho các hàm mục tiêu của dối tượng thiết kế F = F(xi,xz, ,xa) có giá trị nhỏ nhất hoặc lớn nhất với điều kiện:

Xị> 0 VỚI j — Ln

Để hiểu rð bản chất của bài toán này, chúng ta thể hiện bằng hình học bài toán quy hoạch thực nghiệm phi tuyến,

“Trong không gian n chiều của biến số độc lập (n biến sổ), H", mỗi điểm

tương ứng với một tập hợp các số thực xi",xz" xu" chúng có giá trị bằng hình

chiến của vectơ x” lên các trục toa độ của không gian n chiều E"

"Tại mỗi điểm x'1a có giá trị:

R=F(œx)

Va Rj =Rj(x5, jl

- Mỗi điểm x' trong E" thoá mãn các ràng buộc R gọi là điểm cho phép

- Tập hợp các điểm cho phép là miễn cho phép G hay là vùng giới hạn G

"Trong không gian n chiều E", hàm mục tiêu F có một giá trị vô hướng

nhất định Do đó không gian n chiều của các biến số độc lập là trường vô hướng

của hàm mục tiêu Hởổi vậy có thể xây dựng họ các đường đồng mức của hàm

mục liêu Không gian của các biển số xạ, xs, ,x„ cũng là trường vô hướng của

hàm ràng buộc R¡ và trong đố có thể xây dựng các đường đồng mức

Giới hạn của các hàm ràng buộc là bể mặt:

RIÓK,X Xa) = Ú; (— lợn

Giới hạn cũa các biến số độc lập là xị =0; ƒ — l,n

hư vậy ta chỉ xét bài toán tối ưu trong phần tư thứ nhất của không gian l“",

2.2 Các phương pháp tính tối ưu:

Vấn để giải các bài toán thiết kế tối ưu tương đối phức tạp Gần đây đã

xuất hiện một loạt các phương pháp cho phép giải một số dạng bài toán Tuy

Trang 40

nhiên chưa có thể thành lập một phương pháp cho một lời giải chính xác trong

trường hợp chung của bài toán quy hoạch phì tuyến

Các phương pháp số với việc sử dụng máy tĩnh đang được hình thành,

đồng thời nhiều bài toán quan trọng của thiết kế Lối ưu đã được giải quyết trên

máy tính

Các phương pháp tính chủ yếu phân làm các nhóm: phương pháp tìm

kiếm toàn cục cho toàn bộ miễn Œ, phương pháp tìm kiếm địa phương cho một vùng trong miễn G,

Mục đích của phương pháp này là tìm giá trị cực trị toàn cục Với bài toán thiết kế tối ưu động cơ điện, theo các đữ liệu đầu vào, chương trình máy tính sẽ thành lập các tổ hợp các giá trị của các biến số độc lập theo phương

pháp đuyệt toàn bộ trên lưới đều để tìm ra phương ấn thiết kế tối ưu có F—>min

và thoả mãn các rằng buộc Đây cũng là phương pháp được sử dụng trong luận văn để thiết kế tối ưu kích thước lá thép động cơ không đồng bộ xoay chiếu ba

ha rôto lổng sóc (hoo sức từ động Nội dung nhương phấp thiết kế như sau

2.2.1.1 Phương pháp duyệt toần bộ trên lưới đều

Phương pháp này được sứ dụng khi cấc biển số độc lập không nhiều, và

miền giới hạn G không lớn Quá trình tính toán thực hiện được minh hoạ bằng

Tiêu đề	Tối ưu hoá kích thước lá thép stato và rôto động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha rôto lồng sóc theo hiệu suất
Tác giả	Nguyễn Thị Minh Hiền
Trường học	Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Kỹ thuật điện
Thể loại	Luận văn thạc sỹ
Năm xuất bản	2006
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	95
Dung lượng	1,4 MB

Luận văn tối Ưu hoá kích thước lá thép stato và rôto Động cơ không Đồng bộ xoay chiều ba pha rôto lồng sóc theo hiệu suất

Các biện pháp giảm tổn hao trong sắt