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 Thiết kế mô máy phát điện nam châm vĩnh cửu có cơng suất nhỏ Họ tên Trần Duy Anh Phạm Đức Dũng MSSV 20181088 20181127 Giảng viên hướng dẫn: Bộ môn: Viện: TS Nguyễn Nga Việt Thiết bị điện - điện tử Điện HÀ NỘI, 12/2021 Lời cảm ơn Hiện nay,máy phát điện nghiên cứu ứng dụng rộng rãi nước.Tuy nhiên,vấn đề mẻ bọn em.Trong q trình nghiên cứu,bọn em có học tập nhiều kinh nghiệm quý báu,thu nhập kết tương đối xác Bọn em xin trân trọng gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy TS Nguyễn Nga Việt, người tận tình hướng dẫn, giúp đỡ cho bọn em ý kiến, đóng góp quý báu để bọn em hồn thành đồ án Tuy bọn em cố gắng, chắn đồ án cịn nhiều thiếu sót cần điều chỉnh bổ sung Rất mong nhận ý kiến đóng góp từ thầy để bọn em hiểu rõ phần MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ CHƯƠNG : GIỚI THIỆU CHUNG ĐẶT VẤN ĐỀ Cuộc sống ngày phát triển nhu cầu người ngày cao, với hoạt động văn hóa xã hội, sản xuất kinh doanh nguồn điện đóng vai trị khơng thể thiếu Tuy nhiên, nguồn điện lúc đáp ứng đủ 100% nhu cầu sử dụng người, mà vai trò máy phát điện quan trọng cần thiết Hiện nay,máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu thiết bị điện sử dụng rộng rãi cơng nghiệp có nhiều ưu điểm so với loại máy phát khác sử dụng cho truyền động điện xoay chiều Vì vậy,trong thời gian học em giao nhiệm vụ “ Thiết kế mô máy phát điện nam châm vĩnh cửu có cơng suất nhỏ”dựa thông số cho trước MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Với thơng số cho trước, tính tốn thiết kế thơng số máy.Từ đó, thiết kế mô máy phát điện nam châm vĩnh cửu công suất nhỏ đạt hiệu suất 85% Máy phát công suất nhỏ thường sử dụng cho hệ thộng điện gió,thủy triều,… PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Kết hợp nghiên cứu lý thuyết tính tốn truyền thống phương pháp phần tử hữu hạn tảng phần mềm Ansys Maxwell để thiết kế, mô đánh giá tham số điện từ (điện áp ra, dịng điện, mơ men, cơng suất…) máy phát điện nam châm vĩnh cửu CHƯƠNG :MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU KHÁI NIỆM Máy phát điện đồng loại máy phát điện xoay chiều có tốc độ rơto (n) với tốc độ từ trường quay máy (n1) Ở chế độ xác lập thiết bị có tốc độ quay rôto n không đổi Máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu máy phát điện đồng rotor làm nam châm vĩnh cửu,từ trường kích từ ln khơng đổi Thơng thường ,máy phát điện có mật độ từ trường từ nam châm vĩnh cửu nhỏ loại kích từ từ nguồn điện chiều, kích thước máy lớn công suất phát ra.Việc điều khiển máy phát đơn giản tính có bị hạn chế CẤU TẠO Về cấu tạo,máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu có cấu tạo tương tự máy phát điện đồng thông thường,chỉ khác máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu nam châm vĩnh cửu sử dụng để thay cuộn kích từ máy phát đồng Hình Cấu tạo máy phát điện Cấu tạo gồm có phần :Stator Rotor Stator(phần ứng): Stator máy phát điện đồng giống stator máy điện khơng đồng bộ, có cấu tạo gồm hai phận lõi thép dây quấn stator Dây quấn stator gọi dây quấn phần ứng Lõi thép thiết kế dạng hình trụ giúp dẫn từ tốt Nó hình thành thép kỹ thuật điện ghép với rãnh nhỏ Những thép phun sơn tĩnh điện để bảo vệ khơng bị ăn mịn, khơng bị oxy hóa, đảm bảo tuổi thọ bền lâu Dây quấn phận làm từ đồng nguyên chất có khả tạo từ trường ổn định Rotor(phần cảm) : Rotor máy phát bao gồm nam châm vĩnh cửu tạo trường để kích thích thay nguồn cung cấp bên cho máy phát điện nam châm gắn chặt lõi thép rotor Không gian nam châm lấp đầy thép hình đặc biệt, phận tạo dịng điện đóng cho từ trường Hình Mặt cắt ngang máy phát nam châm vĩnh cửu NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC Nguyên lý làm việc máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu giống nguyên lý hoạt động máy điện đồng thông thường,chỉ khác chỗ máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu cuộn kích từ rotor thay nam châm vĩnh cửu Khi ta đưa dịng điện kích thích chiều vào dây quấn kích thích đặt cực từ,dịng điện kích từ tạo nên từ thơng Φ(mật độ từ thông B ) Nếu ta quay rotor lên đến tốc độ n (rpm) theo chiều quay cho trước, từ trường kích thích Φ qt qua dây quấn phần ứng cảm ứng nên dây quấn suất điện động với tần số LỰA CHỌN VẬT LIỆU TỪ CỨNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN Vật liệu từ cứng ( gọi nam châm cứng, nam châm vĩnh cửu ) loại 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 bền vững Vật liệu từ cứng có ảnh hưởng lớn đến tính máy điện đồng kích thích nam châm vĩnh cửu : Mơ men, hiệu suất, cơng suất, kích thước, trọng lượng, giá thành máy Do việc lựa chọn vật liệu từ cứng để chế tạo cực từ cho máy phát điện đồng việc làm cần thiết Các tiêu chí chung để lựa chọn vật liệu từ cứng cho ứng dụng máy phát bao gồm: -Các tham số từ trường: Cảm ứng từ dư B r ; Lực kháng từ Hc ; Tích lượng cực đại (BH)max -Nhiệt độ làm việc vật liệu -Dễ từ hóa -Dễ gia cơng, tạo hình -Các thơng số giá : Giá vật liệu; Giá gia công; Giá đơn vị lượng Việc lựa chọn vật liệu từ cứng phải so sánh tổng thể tham số ứng dụng cụ thể Trong đặc biệt phải ý đến nhiệt độ làm việc vật liệu, liên quan đến chế độ vị trí làm việc máy phát, liên quan đến việc đề công nghệ chế tạo, (BH)max thường sử dụng để đánh giá vật liệu lượng đầu cực đại đơn vị thể tích Tuy nhiên, khơng phải vật liệu có (BH)max cao ln ln tốt Những vật liệu có H c cao lựa chọn tốt cho máy có yêu cầu hiệu suất cao Cảm ứng từ dư Br cao lại có khả tạo từ trường lớn khe hở khơng khí, từ tăng mơ men máy phát.Giá thấp lại thu hút cho ứng dụng máy phát công suất lớn; Yêu cầu làm việc nhiệt độ cao lại cần đến vật liệu SmCo Do khơng có sở để nói chung chung vật liệu tốt hơn, vật liệu xấu hơn, mà phải tùy theo yêu cầu ứng dụng cụ thể Cho đến nay, hầu hết máy phát điện nam châm vĩnh cửu sử dụng vật liệu từ cứng : Alnico ( Aluminum Nickel Cobalt ); Fe3O4 ( Ceramic, Ferrite ); SmCo (Samarium Cobalt); NeFeBo (Neodymium Iron Boron ) Một so sánh tương đối khác giá số tham số quan trọng khác vật liệu từ cứng Hình So sánh vật liệu từ cứng Kết luận : Bằng việc tổng hợp chọn lọc tài liệu tham khảo, đưa số kết cho việc lựa chọn vật liệu từ cứng việc thiết kế, chế tạo máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu sau : -Với tính : Từ dư Br cao ( tới 1,56T), lực kháng từ Hc 10 kOe, khả tích trữ lượng tối đa (BH)max cỡ 64 MGOe, (NdFeB nam châm mạnh nhất, có nhiệt độ làm việc gần 150 C), với phát triển hồn thiện cơng nghệ nhanh chóng nam châm trắng ( Vật liệu từ cứng đất hiếm, nam châm Neodymium, nam châm NdFeB ) vật liệu lựa chọn cho ứng dụng công nghệ cao, với mơi trường làm việc có nhiệt độ khơng cao đặc biệt ứng dụng máy phát điện công suất nhỏ với kích thước thu nhỏ hiệu suất cao, có máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu Hình Thơng số thiết kế máy phát điện nam châm vĩnh cửu - Là nam châm đất mạnh thứ hai có nhiệt độ làm việc cỡ 3500 C, SmCo lựa chọn cho ứng dụng nhiệt độ cao, vùng công suất thấp -Giá thấp nhất, nhiệt độ làm việc cỡ 300 C, Ferrite trở thành vật liệu từ cứng sử dụng rộng rãi Đặc biệt máy điện nam châm vĩnh cửu với công suất lớn -Đối tượng đề tài máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu cơng suất nhỏ Vì vậy, qua phân tích trên, vật liệu phù hợp cho chế tạo NdFeB -So sánh thơng số, vùng công suất thấp, quan trọng hiệu suất cao kích thước, trọng lượng nhỏ, nên hai thơng số Hc Br cao Bên cạnh phải đảm bảo nhiệt độ vận hành giá thành lựa chọn vật liệu NdFeB38 ( B r = 12,55 kG; Hc = 11,7 kOe ) để tính tốn số thơng số máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu ẢNH HƯỞNG NHIỆT ĐỘ ĐỐI VỚI MÁY PHÁT ĐIỆN Khi làm việc,trong máy điện sinh tổn hao,năng lượng tiêu tốn biến thành nhiệt làm nóng phận máy.Khi trạng thái nhiệt máy ổn định tồn nhiệt lượng phát tỏa môi trường xung quanh nhờ chênh lệch nhiệt độ phận máy bị đốt nóng với mơi trường Nhiệt độ ảnh hưởng đến động máy phát điện bắt đầu nhiệt độ 40℃, sau nhiệt độ này: -Khơng khí vốn nóng chất lượng khơng cịn tối ưu để tạo trình cháy tốt trộn với nhiên liệu Điều tạo điện -Nhiên liệu động lên đến nhiệt độ cao q trình đốt cháy khơng diễn điều kiện thích hợp -Hiệu hệ thống làm mát bị giảm sút Do đó, tản nhiệt khơng kích cỡ, máy phát điện ngừng hoạt động nhiệt độ nước cao Nhiệt độ cao liên quan đến mật độ khơng khí thấp gây vấn đề đánh lửa tương tự không cung cấp không khí đầy đủ Điều tạo gánh nặng cho động tự đẩy để cung cấp sức mạnh mà thiết kế Tuy nhiên, khơng đủ lượng oxy có sẵn cho q trình đốt cháy, khơng thực Trong nhiều trường hợp vậy, động bị nhiệt bị sập hoàn toàn ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN NAM CHÂM VĨNH CỬU Ưu điểm 10 chắn, chịu ứng lực máy bị ngắn mạch đột ngột Việc chọn dây quấn stato phải thỏa mãn tính kinh tế kỹ thuật: + Tính kinh tế: tiết kiệm vật liệu, vật liệu cách điện, thời gian lồng dây + Tính kỹ thuật: dễ thi cơng hạn chế ảnh hưởng xấu đến đặc tính động Từ yêu cầu ta chọn dây quấn lớp đồng khuôn bối dây bước ngắn Tác dụng để làm giảm lượng đồng sử dụng, khử sóng bậc cao, giảm từ trường tản phần bối dây rãnh stato, làm tăng cosφ, cải thiện đặc tính mở máy động cơ, giảm tiếng ồn điện từ lúc động vận hành - Chọn dây quấn, số lớp 2, gồm nhánh song song, sợi loại dây 0,5mm Thiết kế rotor 4.1 Khe hở khơng khí Khe hở khơng khí g = 86, 75 − 84, 25 = 2,5(mm) 4.2 Độ dày nam châm Chọn vật liệu từ cứng NdFeB-38,có mật độ từ dư B r=1,255 T,Hc=11,7 kOe Bδ = Br Ta có dm = 0,782(T ) dm + g Suy độ dày nam châm d m = 4,1(mm) 2.2 Tính toán phần mềm GNU Octave Giới thiệu GNU Octave GNU Octave ( viết tắt Octave ) ngơn ngữ máy tính bậc cao , kiểu thơng dịch (interpreter ) , thiết kế nhằm trợ giúp việc tính tốn số (numerical computation ) lĩnh vực khoa học, kỹ thuật số lĩnh vực khác Octave cung cấp chương trình tiện ích, hàm lập sẵn để giải toán thuộc đại số tuyến tính , giải tích số , hình học giải tích, phân tích thống kê , xử lý số liệu thực nghiệm Octave cịn cung cấp cơng cụ thể nhiều loại đồ thị 2D, 3D phong phú Tính tốn GNU Octave Code tính tốn: 16 Kết tính tốn 17 18 MƠ PHỎNG PMSG Phần thiết kế chủ yếu thực phần mềm Ansys Electronic Phần mềm sử dụng chương trình phần tử hữu hạn (FEM), cho phép trao đổi liệu trình thiết kế q trình mơ Giới thiệu Ansys Electronic Trong giới ngày thiết bị điện tử hiệu cao hệ thống điện khí tiên tiến, ảnh hưởng trường điện từ mạch hệ thống bỏ qua Phần mềm ANSYS mơ độc đáo hiệu suất điện từ qua thiết kế thành phần, mạch hệ thống đánh giá nhiệt độ, độ rung hiệu ứng học quan trọng khác Dòng thiết kế điện từ không đồng giúp bạn đạt thành công thiết kế hệ thống tiên tiến cho thiết bị điện tử tốc độ cao, thành phần điện hệ thống điện tử Ansys giúp bạn giải khía cạnh quan trọng thiết kế sản phẩm bạn thông qua mô ANSYS Electronics tảng thống cho tốn mơ cấp hệ thống, điện-từ trường, mạch điện Trong phần thiết kế PMSG này,sẽ sử dụng tính RMxprt Ansys RMxprt giúp tính tốn nhanh chóng hiệu suất máy, cho phép người dùng đưa định kích thước ban đầu thực hàng trăm kịch phân tích “Nếu-thì” vài giây Các bước thiết lập thông số 2.1 Bắt đầu thiết lập thông số máy phát Để thiết lập thông số cần thiết cho máy phát, cần loại máy phát thiết lập thành mẫu Tại hình cần mở Machine type để chọn loại máy phát Ở máy phát nam châm vĩnh cửu ta chọn Adjust-speed synchoronous machine 19 Hình Bảng Machine type 2.2 Thiết lập thông số chung Các thông số số cực máy phát, đại lượng hao phí tốc độ tham chiếu nhập vào bảng thông số bảng machine Hình Thơng số máy phát 2.3 Thiết lập thơng số stator Các thơng số hình học stator, hệ số xếp chồng, vật liệu, số rãnh, loại rãnh… nhập vào cửa sổ 20 Hình Thơng số stator Nhập thơng số độ dài để thiết lập hình dạng rãnh cho loại rãnh chọn bước Hình 10 Thông số rãnh stator Thiết lập dạng dây quấn cho stator thông số số lớp dây quấn, kiểu quấn dây, số nhánh dây song song, số mạch định hướng rãnh, số dây ống, size dây quấn 21 Hình 11 Thơng số dây quấn 2.4 Thiết lập thơng số cho rotor Hình 12 Thông số rotor Ở bảng cần phải chọn vật liệu cho rotor, mẫu máy phát sử sụng loại thép M19-24G thiết lập sẵn phần mềm Nháy đúp vào Pole để điền thông số 22 Hình 13 Thơng số pole 2.5 Thiết lập thông số điện Để mô máy phát, thiết lập xong thơng số hình học, cần thiết lập thông số điện tải quạt, công suất ra, điện áp định mức, tốc độ quay định mức, nhiệt độ vận hành sau: Hình 14 Thơng số điện Phân tích (ANALYZE) Như vậy, sau bước thiết lập thông số hoàn thành thiết lập máy phát.Chế độ analyze all giúp phân tích 23 thơng số máy, giúp tìm điểm khơng hợp lý thơng báo phần massage manager 3.1 Xuất thiết kế a.Dạng 2d Hình 15 Mặt cắt 2d máy phát Phần mềm cho phép xuất dạng 2d động qua mặt cắt ngang Mặt cắt ngang thể yếu tố quan trọng động hình Các yếu tố quan trọng hiển thị trục, rãnh stator, rãnh rotor, lớp dây quấn Các yếu tố thể với tỉ lệ thông số thiết lập với độ xác cao, zoom lên đo khe hở khơng khí stator rotor Các thành phần quan trọng máy phát chia rõ ràng yếu tố xếp theo sơ đồ cửa sổ bên cạnh 24 Hình 16 Các thành phần máy phát theo vật liệu b.Dạng 3d Hình 17 Dạng 3d máy phát Do hiển thị chế độ 3d nên độ chi tiết cao so với xuất 2d, nhìn thành phần Vì vậy, với biểu đồ thể thành phần chi tiết so với 2d Các thành phần bị che lấp bên nhìn thấy cách ẩn tạm thời thành phần bên Và giao diện cho phép chỉnh sửa chi tiết stator, rotor dạng hình học công cụ vẽ 3d 25 Khởi động máy phát a Chạy Phần mềm mô cho phép chạy thử máy phát từ bước khởi động Phần mềm đo đạc hiển thị biểu đồ thông số động momen, tốc độ, cơng suất, cường độ dịng điện, điện áp… Quá trình khởi động làm chậm tùy theo yêu cầu Khởi động lâu cho biểu độ mượt hơn, giảm gấp khúc phát dễ thời điểm có biến đổi bất thường thông số Trước cho máy phát khởi động, cần cài đặt vài thông số đầu vào thời gian chạy mô phỏng, bước nhảy đo thơng số, tần số điện cấp vào… Hình 18 Thông số trước khởi động b Kết khởi động máy phát Mơ men 26 Hình 19 Mơ men Giá trị mô men tốc độ thể giá trị âm hoạt động chế độ máy phát Dịng điện đầu Hình 20 Dịng điện đầu Dòng điện ổn định mức 0.7A Điện áp đầu 27 Hình 21 Điện áp đầu Điện áp đầu tốt mức 220V Cơng suất điện Hình 22 Cơng suất điện Nhận xét: Công suất đầu đánh giá 497 W, hiệu suất 91.7% Như hiệu suất thiết kế thỏa mãn mục tiêu đề ( 85%) Các dạng đồ thị đặc tính phù hợp với lý thuyết Máy phát điện thỏa mãn yêu cầu đề ban đầu 28 Tài liệu tham khảo Bùi Minh Định,Đinh Hải Lĩnh Surface and Interrior Permanent Magnet Motor for Sport 2.Hồng Thanh-Thiết kế máy điện(2006) Nguyen Đức Bắc,Trần Tuấn Vũ,Nguyễn Thế Công,Nguyễn Huy Phương, Nguyễn Văn Thiện(2018) ELECTROMAGNETIC DESIGN FOR PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS SERVOMOTOR Phạm Đại Thắng,Trần Anh Nguyện, Đào Minh Trung Quách Ngọc Thịnh(2019) MÔ PHỎNG MÁY PHÁT ĐIỆN TUABIN GIÓ PMSG SỬ DỤNG PHẦN MỀM PSIM Yuan-Chih Chang *, Hao-Chin Chang and Chien-Yu Huang(2018) Design and Implementation of the PermanentMagnet Synchronous Generator Drive in Wind Generation Systems Các trang web,youtube… 29