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

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 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 tốt nghiệp thạc sĩ

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

Nguyễn thị minh hiền

Hà nội 2006

Lêi cam ®oan

T«i xin cam ®oan nh­ng kÕt qu¶ nghiªn cøu ®­îc tr×nh bÇy trong luËn

v¨n lµ do chÝnh b¶n th©n t«i thùc hiÖn

Hµ néi ngµy 20 th¸ng 12 n¨m 2006

NguyÔn ThÞ Minh HiÒn

Mục lục

Các từ viết tắt

Danh mục các hình vẽ

Danh mục các bảng

Mở đầu 9

Chương 1: Tổng quan về tổn hao và hiệu suất động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc 11

1.1 Sự cần thiết phải nâng cao hiệu suất 11

1.2 Tổn hao trong động cơ KĐB 3 pha rôto lồng sóc 17

1.2.1 Tổn hao cơ 18

1.2.2 Tổn hao sắt 19

1.2.3 Tổn hao đồng 25

1.2.4 Tổn hao phụ 27

1.2.5 Các nghiên cứu về giảm tổn hao và tăng hiệu suất của động cơ….28 1.3 Hiệu suất 29

1.4 Kết luận 30

Chương 2: Phương pháp thiết kế tối ưu 39

2.1 Cơ sở lý thuyết về thiết kế tối ưu 39

2.2 Các phương pháp tính tối ưu 40

2.2.1 Nhóm phương pháp tìm kiếm toàn cục 41

2.2.1.1 Phương pháp duyệt toàn bộ trên lưới đều 41

2.2.1.2 Phương pháp thử nghiệm thống kê độc lập……….43

4.3 2.2.2 Phương pháp tìm cực trị địa phương 45

2.3 Kết luận 48

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 dựng thuật toán tối ưu kích thước lá thép theo sức từ động…49 3.1.1 Lưu đồ thuật toán 51

3.1.2 Kết quả tính toán 57

3.2 Xây dựng đặc tính làm việc và khởi động 61

3.2.1.Thuật toán xây dựng đặc tính làm việc 61

3.2.2 Thuật toán tính toán kiểm tra đặc tính khởi động 68

3.3 Kết luận 71

Kết luận chung 72

Tài liệu tham khảo 75

Phụ lục 76

Các từ viết tắt

ĐC Động cơ

Kđb Không đồng bộ

STĐ Sức từ động

10 Hình 3-1 : Biểu đồ lưới bài toán thiết kế tối ưu kích

thước lá thép

51

15 Hình 3-6 Mạch điện thay thế của động cơ KĐB

19 H×nh 3-7 d §Æc tÝnh cosφ = f (P2) 66

Danh môc c¸c b¶ng

Mở đầu

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

được nâng cao nên cần phát triển nhiều loại máy điện mới Tốc độ phát triển của nền sản xuất công nông nghiệp của một nước đòi hỏi một tốc độ phát triển tương ứng của ngành công nghiệp điện lực, nhất là ngành chế tạo máy điện

Động cơ điện là loại máy điện xoay chiều đóng vai trò trong một phần phát minh tiến bộ của KHKT và là thiết bị điện được sử dụng rộng rãi nhất trong hệ thống công nghiệp và thương mại 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 sóc 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, chắc chắn, dễ sửa chữa và bảo dưỡng), với dải công suất từ hàng trăm Watts đến Megawatts và là bộ phận chính trong

hệ truyền động

Từ năm 1990 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 thế giới bị cạn kiệt dần và do sự tăng giá của năng lượng nói chung nên hiệu suất ĐC đã dần trở thành tiêu chí áp dụng trong ngành công nghiệp Nó sẽ mang lại lợi ích rất lớn không chỉ về 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 trở 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 số kết cấu (cấu trúc răng, rãnh, khe hở không khí… ) hoặc sử dụng thuật toán thiết kế để giảm nhỏ

Với sự phát triển nhanh chóng của kĩ thuật máy tính, một cuộc cách mạng 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 thuật toán thiết kế tối ưu kích thước lá thép theo sức từ động, nhằm giảm tổn hao sắt và tổn hao đồng,

sử dụng công cụ máy tính để xây dựng thuật toán tính toán tự động, vì vậy việc thiết kế có thể linh hoạt hơn, giảm thời gian thiết kế và có thể ứng dụng vào sản xuất ĐC điện trong các nhà máy chế tạo

Bản luận văn bao gồm ba chương

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

ba pha rôto lồng sóc

Chương 2: Phương pháp thiết kế tối ưu

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.

Xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo bộ môn Thiết Bị Điện - Điện Tử, trung tâm Đào Tạo & Bồi Dưỡng SĐH trường ĐHBK Hà Nội và cô giáo TS.Nguyễn Hồng Thanh đã tận tình giúp đỡ tôi hoàn thành bản luận văn này

Trong thời gian có hạn, bản luận văn không thể tránh khỏi thiếu sót Rất mong sự đóng góp ý kiến của thầy, cô và các bạn đồng nghiệp

Chương1: tổng quan về tổn hao và hiệu suất động cơ

Không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

1.1Sự cần thiết phải nâng cao hiệu suất

* Nhu cầu chung của toàn thế giới:

Theo đánh giá của bộ Hoa Kỳ (United States Department of Engnery) đã

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

70 -90%được dùng trong công nghiệp

Với hệ thống công suất điện của Mỹ khoảng 700 GW 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 tỷ kWh và tính ra tổn thất của

nó gần 3 tỷ 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 KĐB ba pha nói riêng sẽ là nguồn tiết kiệm năng lượng quan trọng nhất Thậm 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

Đứng trước vấn đề đó tại Mỹ tiêu chuẩn hiệu suất cho hầu hết các dãy

động cơ điện áp thấp đã được thông qua vào 10/1997 trên NEMA (National Electrical Manufactures Association) MG1-1993, phần 15.59 và được so sánh với dãy tiêu chuẩn đã và đang hiện hành tại Mỹ [13] ( bảng 1-1)

Bảng1-1 Tiêu chuẩn về hiệu suất của động cơ NEMA

Hiệu suất

(KW)

ODP: ĐC có vỏ bảo vệ chống thấm nước

TEFC: ĐC có vỏ bảo vệ hoàn toàn và có quạt làm mát

Theo [13], tiêu chuẩn tính toán sự tiết kiệm năng lượng phụ thuộc vào giờ vận hành của ĐC và công suất 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:

savngs

std HE

KW 100 100P(KW ) Hp LF 0, 746

LF – hệ số tải ( tỷ lệ phần trăm của tải định mức)

Estd – hiệu suất của ĐC theo tiêu chuẩn hiện tại trong điều kiện tải nhất định

EHE – hiệu suất của ĐC theo tiêu chuẩn hiệu dãy ĐC hiệu suất cao trong điều kiện tải nhất định

KWsavíng- là công suất tiêu thụ được tiết kiệm

Như vậy năng lượng tiết kiệm được hàng năm sẽ được tính theo công thức:

∆ A (KWh) = ∆ P (KW)3 H1năm (1-2)

Trong đó

H1 năm: số giờ vận hành của ĐC trong 1 năm

Một ví dụ cụ thể như sau:

Trong nghiên cứu 19 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 điều kiện tải 80% tải định mức thì năng lượng 19 ĐC đó tiêu thụ là:

100

Nếu hiệu suất của ĐC tăng lên 88% thì năng lượng tiết kiệm được mỗi năm là:

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

* Nhu cầu của Việt Nam:

Hoà chung vào nền công nghiệp phát triển của thế giới, nền công nghiệp của nước ta đã có những bước phát triển đáng kể, nhu cầu sử dụng điện năng 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 điện trầm trọng như Trung Quốc (tám 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 thiểu 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 pha rôto lồng sóc là kiểu IP44 như Bảng1-2

Bảng1-2

Dự thảo tiêu chuẩn mới về hiệu suất của động cơ

KĐB ba pha kiểu IP44

Với dự thảo tiêu chuẩn như bảng 1-1, có thể so sánh các dãy động cơ

được sản 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 ở bảng 1-3

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

của động cơ KĐB ba pha kiểu IP44

Bằng cách lấy bình quân hiệu suất ở bảng 1-3 (với 2p = 4 là 88,3% ) và bình quân hiệu suất với các công suất tuơng ứng ở bảng 1-1 (với 2p = 4 là 91,4%), từ hai kết quả này cho thấy hiệu suất ở dự thảo tiêu chuẩn mới cao hơn

so với hiệu suất các tiêu chuẩn cũ là 3,5% Đứng trước vấn đề này đã đặt ra cho lĩnh vực thiết kế và chế tạo máy 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 1-1 [2], [7]

Hình 1-1: Giản dồ năng lượng của động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc

Các vùng mũi tên chỉ ra những thành phần tổn hao cần phải tính toán trong quá trình thiết kế hoặc kiểm tra Có thể nhóm các tổn hao động cơ thành

Tỷ lệ phân phối các thành phần tổn hao sẽ thay đổi theo tốc độ quay của

động cơ,điều này đã được nghiên cứu ở 23 động cơ có công suất từ 37,5kW đến 225kW, kiểu kín, làm mát bằng quạt (totally enclosed fan-cooled) ký hiệu là IP54, số cực 2 và 4 cực được trình bày ở bảng 1-4[6]

Bảng 1-4

Tỷ lệ phân phối trung bình các thành phần tổn hao của động cơ

Tỷ lệ phân phối tổn hao trung bình

-Tổn 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 Trong các máy công suất lớn người ta dùng các ổ trượt và dầu lỏng bôi trơn để giảm bớt ma sát Trong các điều kiện khác nhau, tổn hao trên các ổ trục tăng khi tăng tốc độ quay, trọng lượng rôto và đường kính ngang trục ở vùng đặt ổ trục

-Tổn hao do ma sát khi rôto quay trong môi trường bao quanh: Tổn hao này chính là công suất phải tiêu hao để làm quay các cánh quạt gió Công suất này tỉ 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

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

đó càng lớn nếu hiệu suất càng thấp

tổn hao này thì thường hay dùng công thức thực nghiệm để làm giảm tổn hao này thì chủ yếu là phụ thuộc vào mặt công nghệ chế tạo là chính

1.2.2 Tổn hao trong thép

1.2.2.1 Tổn hao chính trong thép

Tổn 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 đổi

Tổn hao chính trong thép phụ thuộc vào loại thép và được đặc trưng bởi

chuẩn p1/50 theo công thức gần đúng sau:

β - Hệ số phụ thuộc vào loại lá thép

Có thể tra P1/50 và β của một số loại thép Nga trong phụ lục tài liệu [1]

Tổn hao thép trong máy điện trên thực tế còn phụ thuộc nhiều vào những thiếu sót trong quá trình gia công lõi thép như bavia, dũa thành rãnh khi đã ghép lõi sắt, mài bề mặt stato và rôto , đóng gông sắt… Do đó khi tính toán tổn hao trên các phần của lõi sắt phải thêm các hệ số xét đến ảnh hưởng của gia công

Tổn hao thép trong răng và gông phần ứng được tính theo công thức sau:

Đối với máy điện KĐB kgcz= 1,8, kgcg= 1,6

1.2.2.2.Tổn hao phụ trong thép khi không tải

Tổn hao phụ trong thép sinh ra bởi các dòng điện xoáy và hiện tượng từ trễ trong thép ở phần răng và trên bề mặt stato và rôto tạo nên bởi các sóng điều hoà bậc cao và sóng điều hoà răng của từ trường stato và rôto

a) Tổn hao bề mặt

Khi máy điện quay răng rôto của máy KĐB lần lượt khi thì răng khi thì miệng rãnh của phần ứng, do đó gây ra ở lớp trên bề mặt của răng rôto một sự dao 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

Tần số dao động phụ thuộc vào số răng Z và tôc độ quay n

điện xoáy này gọi là tổn hao bề mặt

ở máy điện KĐB, tổn hao bề mặt lớn vì khe hở không khí nhỏ Tổn hao tập trung chủ yếu trên bề mặt rôto còn trên bề mặt stato ít hơn do miệng rãnh rôto bé

Suất tổn hao bề mặt trung bình trên một đơn vị bề mặt stato hay rôto

được xác định theo công thức:

2(1) 1,5( )2

.0,5 ( ) 10

Ngoài tổn hao bề mặt còn có 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 trường trong vùng liên thông răng rãnh stato và rôto theo vị trí tương đối của rãnh stato và rôto Tần số dao động trong răng stato bằng Z2.n/60

Biên độ dao động của mật độ từ thông trong răng bằng :

δ γ

δ

=+

(1-9)

răng ở ĐC KĐB chọn t1< t2 (Z1< Z2) cũng có tác dụng giảm tổn hao đập mạch này

Tổng tổn hao thép lúc không tải:

PFe = PFez1+ PFeg1+Pbm1+Pđm1+Pbm2+Pđm2 (1-11)

1.2.2.3 Các biện pháp giảm tổn hao trong sắt

a Vật liệu chế tạo

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

để chế tạo có một vai trò rất quan trọng ảnh hưởng đến giá thành và tuổi thọ làm việc của động cơ Ngoài ra vật liệu chế tạo phù hợp cũng giảm được tổn hao của động cơ

Để chế tạo các phần của hệ thống mạch từ của động cơ người ta dùng những vật liệu sắt từ khác nhau như các loại thép là kỹ thuật điện, thép đúc, thép rèn, thép lá và hợp kim thép Hàm lượng silic trong thép là kỹ thuật điện có

ảnh hưởng đến tính năng của nó Cho silic vào thép có thể làm cho điện trở suất tăng cao, do đó hạn chế được dòng điện xoáy 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 silic 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 tần số biến biên không đổi thì tổn hao vì dòng điện xoáy của đơn vị thể tích của lõi thép tỷ lệ bình phương với chiều dày là thép, vì vậy đại bộ phận máy

điện đều dùng tôn silic dày 0,5mm

Tuỳ theo công nghệ cán, người ta chia tôn silic ra làm 2 loại, tôn cán nóng và tôn cán nguội So với tôn cán nóng, tôn cán nguội có nhiều ưu điểm như suất tổn hao nhỏ, cường độ từ cảm cao, chất lượng bề mặt tốt, độ bằng

phảng tốt nên hệ số ép chặt lá tôn cao, có thể sản xuất thành cuộn, do đó các nước phát triển đều dùng tôn cán nguội thay tôn cán nóng Tuỳ theo sự sắp xếp các tinh thể silic trong tôn cán nguội mà phân làm hai loại: đẳng hướng và dị hướng

ở tôn silic cán nguội dị hướng, theo chiều cán, suất dẫn từ cao (với

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

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

bộ chỉ dùng tôn cán 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 có nhiều chủng loại, kỹ thuật chế tạo vật liệu cách điện ngày càng phát triển, nên việc chọn kết cấu cách điện ngày càng khó khăn và thường tổng nhiều loại cách điện để thoả mãn

được những yêu cầu về cách điện

Một trong những yếu tố cơ bản nhất làm giảm tuổi thọ của vật liệu cách

điện là nhiệt độ Nếu nhiệt độ vượt quá nhiệt độ cho phép thì chất điện môi, độ bền cơ của vật liệu bị giảm đi nhiều, dẫn đến sự già hoá nhanh chóng, chất cách

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

Vật liệu cách điện thường do nhiều vật liệu hợp lại như mica phiến, chất phụ gia (giấy hay sợi thuỷ tinh) và chất kết dính (sơn hay keo dán) Đối với vật liệu cách điện, không những yêu cầu độ bền cơ cao, chế tạo dễ mà còn có yêu cầu về tính năng điện: có độ cách điện cao, dò điện ít Ngoài ra còn 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 có nhiệt độ và độ ẩm cao Môi trường nhiệt đới có ảnh hưởng rất xấu đến vật liệu kỹ thuật điện, vì vậy việc chú ý bảo vệ vật liệu còn phải xét đến việc sử dụng những vật liệu cách

điện phù hợp với môi trường nhiệt đới

Công nghệ chế tạo máy điện đóng một vai trò không nhỏ trong sự tiến bộ khoa học kỹ thuật, việc nghiên cứu công nghệ đi sâu vào thực tế sản xuất, mỗi bước công nghệ ảnh hưởng đến chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của máy Các chỉ tiêu của máy điện được chia làm 2 nhóm:

+ Các chỉ tiêu kinh tế như cosϕ, hiệu suất η, trọng lượng vật liệu, giá thành…

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

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

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

có thể sâu tới 0,5 ữ 1mm 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

Việc sơn cách điện các lá tôn có thể tăng điện trở đối với dòng điện Fucô trong lõi sắt

Khi ghép các lá tôn thành lõi thép yêu cầu công đoạn ghép phải tạo được mạch từ chắc chắn về mặt cơ khí không bị ngắn mạch đối với dòng Fucô, đạt

được hệ sộ ép chặt theo thiết kế, tạo độ chéo rãnh cho trước, đảm bảo các kích thước và yêu cầu kỹ thuật khác quy định

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 điều hoà răng, giảm tổn hao phụ

1.2.3 Tổn hao đồng

Đây là tổn hao do hiệu ứng Joule ở dây quấn stato và rôto do sóng cơ bản gây

ra, thành phần tổn hao này được xác định :

+I2:dòng ở rôto quy đổi

+r2: điện trở dây quấn rôto quy đổi

ứng với mỗi công suất sẽ có dòng stato và rôto tương ứng, từ 1) và 2) cho thấy muốn giảm tổn hao đồng chỉ có thể giảm điện trở dây quấn stato và rôto

rãnh nhưng không phải là vô hạn Điều này thường gắn liền với quá trình tìm tiết diện rãnh tối ưu sao cho tổng tổn hao đồng và sắt nhỏ nhất mà vẫn thoả mãn 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 tổn hao đồng, sắt với tiết diện rãnh

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

hao đồng và sắt nhỏ nhất

Tại S*

vào chiều cao rãnh và chiều rộng rãnh Sử dụng thuật toán để tìm sức từ động nhỏ nhất Fmin,ứng với chiều cao rãnh tối ưu hr*, mối quan hệ này được minh hoạ

nhỏ nâng cao hệ số cosϕ, giảm tổn hao sắt và tổn hao đồng, nâng cao hiệu suất

của ĐC Đâycũng chính là phương pháp được sử dụng trong luận văn để tối ưu hoá kích thước lá thép động cơ nhằm nâng cao hiệu suất

Pf=P1-(Pcu+PFe+Pcơ+P2) (1-14)

Trong đó :

P1 và P2 là công suất tiêu thụ và công suất ra ở trục của động cơ

quá trình biến đổi điện từ rất phức tạp tổng hợp nhiều nghiên cứu khác nhau cho thấy nguồn gây ra tổn hao phụ xuất phát từ các yếu tố sau :

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

điểm cấu tạo răng rãnh ở stato và rôto riêng Chính sự cấu tạo này đã tạo ra khe

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

hở không khí

rãnh stato kết hợp với dòng trong thanh dẫn rôto lồng sóc để tạo ra từ trường chính khe hở không khí (từ trường của sóng 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) tồn tại chung với từ trường Và một yếu tố 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 này mà bên cạnh mômen do từ trường sóng cơ bản tạo ra còn có mômen phụ mang bản chất kìm hãm và gây ra các ảnh hưởng khác

Tóm lại, thành phần lớn nhất của tổn hao phụ là năng lượng của các thành phần sóng dài Một phần lớn năng lượng này được tiêu tán thành các dòng điện trong dây quấn stato và rôto, thông lượng sóng dài trong các lõi thép,

từ thông tản trong các lá thép tán mỏng và dòng xoáy ở rôto và stato

1.2.5 ảnh hưởng của tổn hao năng lượng trong động cơ

Các ảnh hưởng của tổn hao năng lượng như gây nóng máy, tạo mômen phụ làm giảm mômen 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 tế và sự lựa chọn

của khách hàng

Mức dộ tổn hao có thể thay đổi đáng kể nếu thiết kế kém và điều khiển quá trình sản xuất bị khiếm khuyết Tổn hao lớn là nguyên nhân đáng 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 này càng làm giảm hiệu suất của máy hơn và tổn thất về kinh tế của tổn hao trên thực tế sẽ cao hơn

Lấy ví đơn 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 0,005P1 thì khi đó tổn hao phụ Pf= 0,166 KW, với giá điện trong công nghiệp là 1000đ/KW thì chi phí cho động cơ trong một giờ là :

33,15KWì1000đ/KWh=33150(đ/giờ)

Nếu tổn hao phụ của động cơ không phải 0,005P1 mà là 0,05P1thì tổn hao phụ thực sự là 1,66KW Công suất tiêu thụ thực tế là 34,81KW và chi phí cho đông cơ vận hành trong 1 giờ là :

P P

1.4 Những nghiên cứu để giảm tổn hao và nâng 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 lồng sóc hiệu suất lớn nhất Đầu vào của chương trình máy tính trên cơ sở thông số và thủ tục thiết kế giải tích và đã

được thử nghiệm dựa trên tiêu chuẩn thiết kế hiệu suất ĐC lồng sóc Đầu ra của chương trình là đầu vào của chương trình tối ưu Tác giả đã kiểm chứng kết quả với ĐC 5 hp, so với các phương pháp hiện thời [8] tốt hơn thiết kế của Han- Powell và phương pháp tìm kiếm dọc theo biên của miền ràng buộc Trong tài liệu [9] tác giả tìm kiếm thường lệ i, sử dụng để phát triển chương trình máy tính cho mô hình khảo sát Việc tìm kiếm này cho phép tìm giá trị phù hợp của giới hạn lớn nhất (hoặc nhỏ nhất)của hàm mục tiêu

Khảo sát thiết kế ban đầu là đầu 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:

theo mọi hướng Tại mỗi bước thay đổi số gia là ∆xi (i là số thứ tự của biến) và tính hàm mục tiêu Nếu hàm mục tiêu giảm, điểm hiện tại được quay trở về

được tính lại Nếu giá trị của hàm nhỏ nhất hơn giá trị in trước, điểm này được thay thế bằng điểm ban đầu, mặt khác xi được thay thễ bằng điểm xi+1 Mô

điểm b1

biến nhỏ hơn

Bước 4: Nếu b1 ≠ b2, mô hình được thực hiện, và chạy tới phần tại đó

hình sẽ tốt nhất khi sự di chuyển theo chiều (b2- b1) Một phần hoàn thành bằng biểu thức chung:

P1 = b1 + a(b2 – b1)

Trong đó

P1 là n thành phần vectơ, n là số biến

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

Công thức tổng quát cho hai điểm bi và bi+1:

Bảng 1-5 Gía trị biến, hàm mục tiêu và ràng buộc trong thiết kế tối ưu của

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

Như vậy trong thiết kế tối ưu [9], dòng điện khởi động cao hơn và mômen khởi động thấp hơn, điều này trong phạm vi định nghĩa lợi dụng các ràng buộổitng 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 tăng hiệu suất Dòng điện không tải nhỏ hơn so với thiết kế ban đầu và là một lợi thế

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

H×nh 1-4,a

H×nh 1-4,b

Hình 1-4,c

Hình 1-4 quan hệ giữa các biến và công suất ra

d- cosϕ và dòng điện e- hiệu suất và hệ số trượt

f- mômen

*) Trong tài liệu [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 trò quan trọng trong cấu trúc của ĐC Đặc tính chính là độ từ thẩm của mạch từ và các tổn hao riêng Hơn nữa việc chọn một loại thép kỹ thuật điện còn phụ thuộc vào công nghệ rèn, dập, giá cả, tính khả thi, kho chứa Ngoài ra kết hợp với thanh dẫn rôto 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

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

Những đặc tính của thép được chỉ ra trên hình 1-5

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

1-5, nhận thấy sự tăng của dòng điện từ hoá tương ứng với việc giảm tổn hao Joule và tổn hao sắt.( 3,5 W/kg so với 5,5 của 8050 ) , mật độ từ thẩm cao hơn

8050 ở 1,2 T (hình 1-5,b)

Kết quả kiểm tra ở ĐC 3KW; 7,5 KW; 15 KW như bảng 1-6

B¶ng 1-6: KÕt qu¶ kiÓm tra hiÖu suÊt vµ tæn hao

Sau khi tìm hiểu về hiệu suất của động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc, ta

có thể rút ra các kết luận sau đây:

1 Động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, là bộ phận chính trong các hệ thống dây chuyền sản xuất nên việc nâng cao hiệu suất của động cơ trở nên vô cùng cần thiết

2 Qua tham khảo và phân tích công việc của các nhóm tác giả trên cho thấy: bằng các phương pháp ở các góc độ khác nhau các tác giả đã tính được một số thành phần hoặc toàn bộ tổn hao

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

được các thuật toán tối ưu tuy nhiên các thuật toán này tương đối phức tạp, và phụ thuộc vào quá trình khảo sát sơ bộ để tìm ra miền ràng buộc của bài toán, nên giới hạn của bài toán không 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 sóng cơ bản thì có thể 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 tổn hao sắt

Chương 2: Phương Pháp Thiết Kế Tối ưu

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

Thiết kế tối ưu là giai đoạn phát triển cao nhất của thiết kế Nhờ máy tính

điện tử mà có thể sử dụng các thuật toán tối ưu hiện đại trong thiết kế tự động hoá

Bài toán tối ưu hoá tổng quát được biểu diễn như sau:

F(x) → max (min) Với các điều kiện ràng buộc:

Ri(x) (≤,≡,≥) bi; i =1ữm

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

Tập hợp D ={x X Ri x∈ / ( )(≤ = ≥, , )bi i, =1,m} được gọi là miền ràng buộc Mỗi điểm x = (x1, x2, x3,… ,xn)∈D được gọi là một phương án x*∈D đạt cực đại (hay cực tiểu) của hàm mục tiêu cụ thể là:

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 tuyến

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

Tìm các giá trị của các biến số độc lập x1,x2,…,xn sao cho các hàm mục tiêu của đối tượng thiết kế F = F(x1,x2,…,xn) có giá trị nhỏ nhất hoặc lớn nhất với điều kiện:

chiếu của vectơ x r lên các trục toạ độ của không gian n chiều En

Tại mỗi điểm xr ta có giá trị:

Và Rj = Rj(xr),j = 1,m

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

nhất định Do đó không gian n chiều của các biến số độc lập là trường vô hướng của hàm mục tiêu Bởi vậy có thể xây dựng họ các đường đồng mức của hàm mục tiêu Không gian của các biến số x1, x2,…,xn cũng là trường vô hướng của

Giới hạn của các hàm ràng buộc là bề mặt:

Ri(x1,x2,…,xn) = 0; i= 1,m

Giới hạn của các biến số độc lập là xj =0; j= 1,n

Như vậy ta chỉ xét bài toán tối ưu trong phần tư thứ nhất của không gian En

2.2 Các phương pháp tính tối ưu:

Vấn đề 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

nhiên chưa có thể thành lập một phương pháp cho một lời giải chính xác trong trường hợp chung của bài toán quy hoạch phi tuyến

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

đồng thời nhiều bài toán quan trọng của thiết kế tối 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 miền G, phương pháp tìm kiếm địa phương cho một vùng trong miền G

2.2.1 Nhóm phương pháp tìm kiếm toàn cục:

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 dữ liệu đầu vào, chương trình máy tính sẽ thành lập các tổ hợp các giá trị của các biến số độc lập theo phương

và thoả mãn các ràng 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 chiều ba pha rôto lồng sóc theo sức từ động Nội dung phương pháp thiết kế như sau:

2.2.1.1 Phương pháp duyệt toàn bộ trên lưới đều:

Phương pháp này được sử dụng khi các biến số độc lập không nhiều, và miền giới hạn G không lớn Quá trình tính toán thực hiện được minh hoạ bằng

ví dụ dưới đây

Ví dụ:Tìm giá trị của các biến số độc lập x1,x2,….,xn trong khoảng

ai≤xi≤bi;i= 1,n

giá trị cực trị

Nội dung của phương pháp duyệt toàn bộ trên lưới đều là trên các đoạn

aibi phủ một lưới đều với các bước xác định:

h i = 1 (b a i i − i); =1,n