BÁO cáo bài tập lớn tối ưu hóa máy điện tối ưu hóa ĐỘNG cơ KHÔNG ĐỒNG bộ 1 PHA 1HP sử DỤNG hàm FMICON TRONG MATLAB

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN TỐI ƯU HĨA MÁY ĐIỆN Nhóm Đề tài: TỐI ƯU HĨA ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ PHA 1HP SỬ DỤNG HÀM FMICON TRONG MATLAB Giảng viên hướng dẫn: TS Trần Tuấn Vũ Bộ môn: Thiết bị điện - điện tử Viện: Điện HÀ NỘI, 2021 Mục lục I Thơng số mơ hình INPUT: cơng suất 1hp, f=50hz, V=230v Tính tốn kích thước - Số cực P=2 - Hệ số đầu Co = 0.32 - Hệ số tần số: Kf= 0.96 - Hằng số cho kiểu pha: Kt= 1.42 - Diện tích mặt cắt ngồi stator: D0sqL= 2525.5 cm2 - Đường kính ngồi stator D0= 20 cm - Đường kính stator Di= 10 cm - Chiều dài stator L= cm - Số rãnh stator S1= 24 rãnh - Chiều rộng miệng stator b10 = 0.2430 cm - Độ sâu rãnh đầu nhọn stator h10= 0.07 cm - Độ sâu miệng rãnh: h11= 0.0910 cm - Độ rộng bt1= 0.59 cm - Chiều cao gông stator dc1= 3.2195 cm - Độ rộng rãnh b11= 0.7611 cm - Độ rộng rãnh b13= 1.339 cm - Độ sâu rãnh stator h14= 2.193 cm - Khe hở khơng khí Lg= 0.043 cm Thiết kế cuộn dây - Hệ số bước cực cuộn dây: 0.993, 0.935, 0.823, 0.663, 0.465, 0.239 - Số phần trăm vòng dây cuộn: 24.1+ 22.7 + 20.0 +16.1+ 11.3+ 5.8= 100% - Hệ số cuộn dây: 0.789 - Từ thông cực:FI= 0.0034 (Wb) - Số vòng dây cuộn dây: 44+ 42+ 37+ 30+ 21+ 10=184 - Dòng điện dây dẫn chính: Im= 7.021 A - Đường kính dây: dmc1= 1.584 sq.mm - Mật độ dịng điện dây dẫn cdm= 4.33 (A/sq.mm) - Tổng diện tích khe: Asg= 2.349 cm2 - Diện tích điền đầy 44 dẫn; Socm= 0.7724 cm2 - Hệ số không gian rãnh Sfsm= 0.329 - Chiều dài thực cuộn: 63.6, 55.0, 46.4, 37.8, 29.2, 20.6 (cm) - Chiều dài thực tổng cuộn dây: L=47.7 - Điện trở cuộn dây: R= 2.3279 ohm - Tổn thất đồng cuộn dây Pcus= 114.737 w - Khối lượng tổng cuộn dây Wcum= 2.474 kg Thiết kế rotor - Đường kính ngồi Rotor: Dr= 9.9146 cm - Chiều dài tổng rotor: L= cm - Số rãnh rotor S2= 30 - Độ rộng tiết diện nhỏ bt2= 0.448 cm - Độ rộng rãnh rotor b20= 0.075 cm - Chiều cao miệng rãnh h20= 0.08 cm - Bán kính rãnh r21= 0.259 cm - Đường kính dẫn rotor drc= 4.88 cm - Chiều dài tác dụng rotor dc2= 2.513 cm - Điện trở rotor 75 độ C R2md= 3.5359 ohm - Dòng điện chuyển đổi rotor I2d= 4.634 A - Tổn hao đồng rotor Pcur= 75.915 W - Tổng khối lượng đồng rotor Wcur= 0.35 kg Tính tốn Amp-Turns - Hệ số khe hở stator Kgs= 1.1359 - Hệ số khe hở stator Kgr= 1.0226 - Hệ số khe hở khơng khí Kag= 1.1616 - Chiều dài tác động khe hở không khí Lgd= 0.0496 cm - Mật độ từ thơng khe hở khơng khí Bag= 0.5659 T vịng xoay ampe =259.5 Mật độ từ thông lõi stator Bc1= 1.1507 T vòng xoay ampe =34.7 Mật độ từ thơng rotor Bt2= 1.35 T vịng xoay ampe =3.8 Mật độ từ thông lõi rotor Bc2= 1.1507 T vòng xoay ampe =7.4 - Mật độ từ thơng stator Bt1= 1.35 T vịng xoay ampe =11 - Tổng từ thông =316.5 hệ số bão hịa= 1.220 Tính tốn tổn thất trở kháng - Điện kháng tản rãnh Xs = 1.7529 ohms - Điện kháng Zig - Zag: Xzz= 2.8111 ohms - Điện kháng tản vòng ngắn mạch Xe= 2.7330 ohms - Điện kháng tản đai Xb= 1.0237 ohms - Điện tản làm rãnh nghiêng Xsk= 1.1471 ohms - Tổng điện kháng tản Xtl= 8.9378 ohms - Điện kháng từ hòa Xm= 209.632 ohms - Điện kháng lúc mở máy Xe= 214.101 ohms - Dịng từ hóa Imu= 1.0743 amps Thiết kế cuộn dây khởi động - Hệ số bước cực cuộn dây: 1.0, 0.971, 0.885, 0.749, 0.568, 0.355 - Số vòng dây cuộn: 62 + 60+ 55+ 46+ 35+ 22=280 - Hệ số cuộn dây Kwa= 0.825 - Tỉ số chuyển đổi K= 1.591 - Chiều dài thực cuộn dây:67.9, 59.3, 50.7, 42.1, 33.5, 24.9 - Chiều dài thực cuộn dây: L= 50.76 cm - Đường kính dẫn 0.508cm diện tích CS: Aac1= 0.203 mm2 - Điện trở cuộn dây khởi động: R1a= 29.4503 ohms - Điện trở đầu nối cuộn dây khởi động Rdr= 8.9524 ohms - Tổng điện trở đầu nối cuộn dây khởi động Rat= 38.4027 ohms - Tổng điện trở đầu nối cuộn dây Rm= 5.8638 ohms - Tổng tổn hao điện kháng đầu nối cuộn dây Xla= 22.6292 ohms - Trở kháng cố định cuộn dây ZLm= 10.6897 ohms - Trở kháng cố định cuộn dây phụ Zla= 44.5740 ohms - Momen khởi động Tqst= 1.757 (Nm) - Dòng điện cố định rotor cuộn dây khởi động Isa= 5.16A - Dòng điện cố định rotor cuộn dây Ism= 21.516A - Tổng dịng điện khởi động Ist= 26.676 A - Đường kính dây dẫn dac1= 0.508 mm - Mật độ dòng điện cuộn dây khởi động cda= 25.458 A/mm2 - Khối lượng đồng cuộn dây khởi động Wcua= 0.513 kg Khối lượng, tổn hao hiệu suất - Răng stator :cân nặng(Kg)=1.4510 tổn hao sắt= 25.87 kg - Dây quấn stator : cân nặng (Kg)=6.2778 and tổn hao sắt = 88.39 kg - Tổng tổn hao sắt Pi= 217.08 W - Tổn hao ma sát Pfw= 14.92 W - Tổng cân nặng (Kg)=14.526 trọng lượng riêng Wt(Kg/HP)= 14.53 - Tốc độ quay (RPM) Ns =3000 hệ số trượt (pu)= 0.05 - Dòng định mức (Amps) I1 = 5.94 A - Momen xoắn TqFL=1078.75 - Momen cản Tb= 30.68 - Công suất đầu Popt= 775.27 W - Hệ số công suất pfx= 0.872 - Hiệu suất eff= 65.06% II Phương pháp tối ưu đa mục tiêu ứng dụng hàm Fmincon matlab để giải toán Lý thuyết tối ưu Việc tối ưu hóa hay tìm giá trị cực đại (hoặc cực tiểu) mục tiêu thay mơ hình tốn học yêu cầu (mục tiêu) giúp giải cách logic Nó phải xác định xác công thức: F ( X ) = (f1( X ), f2( X ), , f ( X )) Với X = {x,x,•••,xn} e S í Rn A x i e Di = ỉb {d i1 , d i2 , , d iq } , ì mm2 i = !, , nd ub X < X < X- , i = nd,•••, n Ràng buộc gj(X) < 0, j = 1„„,l h (X) = 0, k = 1„„, m Các hàm mục tiêu (f1(X), f2(X), •••) nhiều tiêu chí xác định mục tiêu, để giảm thiểu chi phí để tối đa hóa hiệu suất, mômen, công suất Các biến thiết kế (X = {x1, x2, , xn}) đại lượng đầu vào có ảnh hưởng đến hiệu suất, khối lượng, mômen động Các thông số thay đổi trình lặp lại thiết kế tối ưu Việc lựa chọn số lượng biến vấn đề tối ưu hóa Có thể thay đổi số lượng lớn biến thiết kế để tăng khơng gian tìm kiếm q trình tối ưu hóa lâu khó hội tụ Các ràng buộc ( g (X), h (X) ) liên quan đến đa lĩnh vực cơ, nhiệt, điện từ, thể thông số kỹ thuật máy Ví dụ, hiệu suất động phải cao để nâng cao hiệu mặt lượng, nhiệt độ cuộn dây phải thấp giới hạn tăng nhiệt lớp cách điện, q trình tối ưu hóa, người thiết kế thêm nhiều ràng buộc khơng thể thông số kỹ thuật ngầm hiểu cho chuyêngia để đảm bảo thiết kế tối ưu tính tốn khả thi sản xuất mật độ từ thơng, mật độ dịng điện Những ràng buộc thêm phải đáp ứng phù hợp với mô hình xây dựng Tối ưu đa mục tiêu Thơng thường, trình thiết kế để đáp ứng yêu cầu đề yêu cầu nâng cao ta phải sử dụng phương pháp tối ưu đa mục tiêu Tối ưu hóa hai mục tiêu trường hợp cụ thể tối ưu hóa đa mục tiêu, lựa chọn tối ưu kích thước giúp giảm chi phí hệ thống đến mức tối thiểu đồng thời tối ưu hiệu suất để đảm bảo hiệu mặt lượng Một phương pháp giải toán tối ưu đa mục tiêu hiệu sử dụng thuật toán 8-constraint Trong phương pháp này, hàm mục tiêu chọn để tối ưu hóa f1(x) hàm khác f2(x), f3(x), chuyển thành ràng buộc bổ sung biến toán đa mục tiêu thành đơn mục tiêu Thay đổi giá trị hàm mục tiêu thành ràng buộc bổ sung f2(x) < {s1, e2, , sn} để thu giá trị tối ưu so sánh đưa kết luận Tối ưu đơn mục tiêu Thuật tốn lập trình bậc hai (Sequential Quadratic Programming-SQP) phương pháp tốt để giải toán tối ưu hóa đơn mục tiêu với ràng buộc phi tuyến Ý tưởng thuật toán SQP xây dựng tốn lập trình bậc dựa xấp xỉ bậc hai hàm Lagrangian L(x,Ầ) cách tuyến tính hóa ràng buộc phi tuyến: — f (s) = ^[1ST * Hk + Af (xk )T * S] s s2 Với ràng buộc: Agj(xk)T *s + gj *(xk)-0 Agj(xk)T *s + gj *(xk) < Các giải pháp chương trình lập trình bậc hai, sau sử dụng để tạo thành xấp xỉ xk : xk +1 +1 =x +Ằ k k * s Ứng dụng hàm Fmincon vào tính tốn thiết kế tối ưu động khơng đồng pha 4.1 Hàm Fmincon Thông thường, trình thiết kế để đáp ứng yêu cầu đề yêu cầu nâng cao ta phải sử dụng phương pháp tối ưu đa mục tiêu với nhều điều kiện ràng buộc khác Các điều kiện phụ thường mô tả dạng phương trình bất phương trình hỗn hợp hai Trong Optimization toolbox Matlab có cung cấp cho ta hàm Fmincon để nhằm phục vụ yêu cầu Sử dụng Fmincon hàm tích hợp thuật tốn tối ưu SQP Tht tốn tìm minimum f(x): c ( x )