Nghiên cứu thiết kế mô phỏng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu hiệu suất cao khởi động trực tếp IE3 cấp điện áp 660v

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu thiết kế mô động đồng nam châm vĩnh cửu hiệu suất cao khởi động trực tiếp IE3 cấp điện áp 660V ĐINH XUÂN QUYẾT dinhxuanquyet88@gmail.com Ngành Kỹ thuật điện Giảng viên hướng dẫn: TS Bùi Minh Định Chữ ký GVHD Viện: Điện HÀ NỘI, 10/2021 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Đinh Xuân Quyết Đề tài luận văn: “Nghiên cứu thiết kế mô động đồng nam châm vĩnh cửu hiệu suất cao khởi động trực tiếp IE3 cấp điện áp 660V” Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số SV: CB190083 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 22 tháng 10 năm 2021 với nội dung sau: Bố cục lại Chương mục Cập nhật quy chuẩn, tiêu chuẩn Rà sốt lại lỗi tả tài liệu trích dẫn Làm rõ vấn đề hiệu suất kết cấu động Ngày 29 tháng 10 năm 2021 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn Bùi Minh Định Đinh Xuân Quyết CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG Đặng Quốc Vương ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Nghiên cứu thiết kế mô động đồng nam châm vĩnh cửu hiệu suất cao khởi động trực tiếp IE3 cấp điện áp 660V (Design and simulation of high efficiency Line Start Permanent Magnet Synchronous Motor IE3 660V) Giáo viên hướng dẫn Ký ghi rõ họ tên Bùi Minh Định Lời cảm ơn Những nội dung luận văn nghiên cứu hướng dẫn Giáo viên hướng dẫn Đầu tiên, tơi xin tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới TS Bùi Minh Định (Bộ môn Thiết bị điện - Điện tử, Viện Điện, Đại học Bách khoa Hà Nội) người trực tiếp hướng dẫn tơi tồn q trình học tập nghiên cứu Ngồi kiến thức chun mơn kỹ nghiên cứu thầy truyền cho nhiều động lực để phấn đấu hồn thiện thân Bên cạnh đó, tơi xin gửi lời cảm ơn tới tập thể thầy cô môn Thiết bị điện - Điện tử, Đại học Bách khoa Hà Nội giúp đỡ cho thời gian học tập Tôi xin dành lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đồng nghiệp người bên cạnh để ủng hộ, cổ vũ tinh thần cho Mặc dù cố gắng mình, khả hạn chế thân luận văn tránh khỏi thiếu sót, mong nhận góp ý từ thầy cô, đồng nghiệp quan tâm đến luận văn để vấn đề nghiên cứu luận văn sáng tỏ, hồn thiện hơn./ Tóm tắt nội dung luận văn Động đồng nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp từ lưới viết tắt LSPMSM (Line Start Permanent Magnet Synchronous Motor) loại động phát triển thập kỷ gần đây, động LSPMSM kết hợp động đồng rotor nam châm gắn chìm viết tắt IPMSM (Interior Permanent Magnet Synchronous Motor) động khơng đồng rotor có vành ngắn mạch viết tắt IM (Interior Motor) Các động điện đồng nam châm vĩnh cửu LSPMSM có cấp điện áp thông thường 380VAC Để áp dụng vào công nghiêp có thị trường ngách lĩnh vực mỏ có điện áp 660VAC Với kích thước chiều cao tâm trục, cơng suất động việc bố trí tối ưu kết cấu nam châm để tạo từ thông sức điện động tương ứng cho điện áp 660VAC đảm bảo hiệu suất cấp IE3 Động LSPMSM dùng làm động điện phòng nổ, ứng dụng lĩnh vực hầm mỏ, chống cháy nổ Dùng môi trường khắc nghiệt như: khai thác mỏ, khai thác khoáng sản, luyện kim, bơm xăng dầu mơi trường dễ cháy nổ Việc tính tính tốn mô đặt hệ thống cảnh báo nhiệt độ bên động quan tâm thiết kế nhằm đảm bảo động không bị nhiệt mức nhiệt 10% thời gian lâu làm suy giảm mật độ từ dư động 15% - 20% Mục tiêu nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng điện áp đến chất lượng hiệu suất, khởi động nhiệt động Việc ứng dụng công cụ thiết kế mô chuyên dụng phần mềm: Simcenter Speed, Ansys Maxwell, Motor CAD, phương pháp phần tử hữu hạn FEM (Finite Element Method) vào thiết kế giúp tối ưu thiết kế, tìm điểm làm việc tới hạn Đặc biệt để ước lượng độ chênh lệch nhiệt độ nam châm so với nhiệt độ dây quấn stator Vì nhiệt độ bên nam châm khó đo được, nam châm đặt rotor quay với tốc độ cao nên khơng có cảm biến tiếp xúc với rotor để đo nhiệt độ nam châm vĩnh cửu Tiết kiệm điện ưu tiên hàng đầu phát triển kinh tế xã hội nước ta nói riêng giới nói chung Chính việc nâng cao hiệu suất của hệ thống tiêu thụ điện cần thiết Điều đặt vấn đề nâng cao hiệu suất cho động điện, để giảm thiểu chi phí điện Việc làm chủ thiết kế chế tạo giúp doanh nghiệp nâng cao lực cạnh tranh, đa dạng hóa sản phẩm tạo động cấp hiệu suất IE3, giúp tiết kiệm 3% - 5% so với động điện thông thường lĩnh vực khai thác mỏ hầm lò HỌC VIÊN Ký ghi rõ họ tên Đinh Xuân Quyết MỤC LỤC Lời cảm ơn iv Tóm tắt nội dung luận văn v TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ LSPMSM 1.1 Giới thiệu động LSPMSM 1.2 Cấu tạo động LSPMSM 1.3 1.4 1.2.1 Phần tĩnh 1.2.2 Phần động Nguyên lý hoạt động động LSPMSM 1.3.1 Quá trình khởi động 1.3.2 Quá trình hoạt động tĩnh .7 Ứng dụng động LSPMSM 1.4.1 Giới thiệu chung động phòng nổ 1.4.2 Tình hình nghiên cứu động phịng nổ 1.4.3 Các tiêu chuẩn động thiết kế động LSPMSM cho phòng nổ 10 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN THIẾT KẾ 23 2.1 2.2 2.3 Phương án thiết kế 23 2.1.1 Thiết kế hoàn toàn 23 2.1.2 Thiết kế cải tiến 23 Phương pháp tính tốn 23 2.2.1 Tính tốn giải tích 23 2.2.2 Phương pháp tính tốn đại 23 Trình tự thiết kế 24 THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ LSPMSM HIỆU SUẤT VÀ ĐIỆN ÁP CAO 26 3.1 Yêu cầu thiết kế 26 3.2 Tính tốn thiết kế kích thước động 26 3.2.1 Tính chọn kích thước stator 26 3.2.2 Tính tốn dây quấn, rãnh stator khe hở khơng khí 29 3.2.3 Tính tốn rãnh gơng rotor 36 3.2.4 Tính tốn kích thước vị trí đặt nam châm vĩnh cửu 40 3.2.5 Tính tốn mạch từ động 42 3.2.6 Tham số động chế độ định mức 45 3.2.7 Tổn hao hiệu suất động 47 3.3 3.4 Tính tốn kết cấu khí cho động 50 3.3.1 Kết cấu vỏ stator 50 3.3.2 Kết cấu rotor 51 3.3.3 Kết cấu trục quay 51 Kết thiết kế động LSPMSM 52 3.4.1 Kích thước hình học bên ngồi 52 3.4.2 Kích thước hình học bên 53 3.4.3 Bố trí dây quấn 55 3.4.4 Kết tính tốn thiết kế điện từ 56 MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ LSPMSM SỬ DỤNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG SIMCENTER SPEED 60 4.1 Giới thiệu phần mềm Simcenter Speed 60 4.2 Thiết lập thông số đầu vào 61 4.3 4.2.1 Thiết lập thông số thép kỹ thuật điện 61 4.2.2 Thiết lập thông số nam châm vĩnh cửu 62 4.2.3 Thiết lập thơng số kích thước hình học 62 Kết mô 65 4.3.1 Kết mô tĩnh 65 4.3.2 Kết mô điện từ 68 4.3.3 Kết mô đặc tính làm việc 70 TÍNH TỐN NHIỆT CHO ĐỘNG CƠ LSPMSM 73 5.1 Đặt vấn đề 73 5.2 Phương pháp tính tốn, mơ nhiệt cho động điện 73 5.3 Xây dựng mơ hình mạch nhiệt 76 5.4 Tính tốn giá trị nhiệt trở sơ đồ mạch nhiệt 77 5.4.1 Nhiệt trở dẫn nhiệt vỏ máy môi trường làm mát 77 5.4.2 Nhiệt trở dẫn nhiệt gông stator môi trường làm mát 81 5.4.3 Nhiệt trở dẫn nhiệt stator gông stator 82 5.4.4 Nhiệt trở dẫn nhiệt dây quấn stator 83 5.4.5 Mơi trường khơng khí bên động 87 5.4.6 Khe hở khơng khí 90 5.4.7 Nhiệt trở dẫn nhiệt rotor 92 5.5 Tính tốn thơng số tổn hao 96 5.6 Kết tính tốn nhiệt 99 MÔ PHỎNG NHIỆT CHO ĐỘNG CƠ LSPMSM SỬ DỤNG PHẦN MỀM MOTOR CAD 103 6.1 Giới thiệu phần mềm Motor CAD 103 6.2 Thiết lập thông số đầu vào 104 6.3 6.2.1 Thiết lập thơng số hình học 104 6.2.2 Thiết lập thông số dây quấn 106 6.2.3 Thiết lập thông số tổn hao 106 Kết mô nhiệt 107 KẾT LUẬN 110 7.1 Kết luận 110 7.2 Hướng phát triển luận văn tương lai 111 TÀI LIỆU THAM KHẢO 112 PHỤ LỤC 115 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu tạo động LSPMSM Hình 1.2 Các phận động Hình 1.3 Cấu tạo lõi thép stator Hình 1.4 Cấu tạo dây quấn stator Hình 1.5 Khe hở khơng khí bề mặt rotor mặt stator Hình 1.6 Cấu trúc rotor động LSPMSM Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý hoạt động động Hình 1.8 Từ trường quay rotor Hình 1.9 Thơng số động khơng đồng 11kW IE3 phịng nổ hãng ABB Hình 1.10 Chiều cao tâm trục động 11 Hình 1.11 Tiêu chuẩn IEC-60034-30 hiệu suất theo công suất động điện 12 Hình 1.12 Chế độ làm việc liên tục – Kiểu chế độ làm việc S1 16 Hình 1.13 Phương pháp làm mát theo IC411 (Quạt kiểu TEFC) 18 Hình 1.14 Nam châm vĩnh cửu gắn rotor 19 Hình 1.15 Đường cong từ hóa nam châm từ cứng - Tích lượng 19 Hình 1.16 Hình ảnh phát triển vật liệu chế tạo nam châm vĩnh cửu 20 Hình 1.17 Đặc tính khử từ nam châm vĩnh cửu tăng nhiệt 21 Hình 1.18 Sự thay đổi đặc tính B-H nam châm NdFeB-N38 theo nhiệt độ 22 Hình 2.1 Sơ đồ khối bước tính toán thiết kế động điện 25 Hình 3.1 Chiều cao tâm trục động 27 Hình 3.2 Cấu tạo ½ thép stator 27 Hình 3.3 Cấu tạo rãnh stator 33 Hình 3.4 Cấu tạo ½ thép rotor 36 Hình 3.5 Cấu tạo rãnh rotor 38 Hình 4.6 Vành ngắn mạch 40 Hình 3.7 Bố trí nam châm vĩnh cửu 40 Hình 3.8 Khoảng cách cầu nối Wf 42 Hình 3.9 Kích thước bối dây stator 45 Hình 3.10 Kích thước gân tản nhiệt ngồi vỏ máy 50 Hình 3.11 Cấu tạo quạt gió động 51 Hình 3.12 Kích thước lắp ráp động 52 Hình 3.13 Mơ hình 3D động LSPMSM 53 Hình 3.14 Cấu tạo lõi thép động LSPMSM 54 Hình 3.15 Kích thước thép stator 54 Hình 3.16 Kích thước thép rotor vành ngắn mạch 54 Hình 3.17 Sơ đồ bố trí dây quấn rãnh stator 55 Hình 3.18 Sơ đồ trải dây quấn động 55 Hình 3.19 Sơ đồ bố trí dây quấn lớp bước ngắn 56 Hình 5.1 Quy trình làm việc phần mềm SPEED 61 Hình 4.2 Thơng số đường cong B-H thép M300-35A 61 Hình 4.3 Thơng số thép M300-35A 62 Hình 4.4 Thơng số nam châm NdFeB-N38H 62 Hình 4.5 Kết cấu động LSPMSM thiết kế phần mềm SPEED 63 Hình 4.6 Các thơng số hình học nhập vào phần mềm SPEED 64 Hình 4.7 Thơng số dây quấn nhập vào phần mềm SPEED 65 Hình 4.8 Kết mơ tĩnh 65 Hình 4.9 Kết tính tốn mật độ từ thơng 66 Hình 4.10 Sức điện động gông rotor 66 Hình 4.11 Dịng điện sức điện động stator 67 Hình 4.12 Mật độ từ thông sức điện động rotor 67 Hình 4.13 Kết phân tích mật độ từ cảm 68 Hình 4.14 Kết phân tích mật độ từ cảm chân rãnh nối với barie từ 69 Hình 4.15 Phân bố mật độ từ trường khe hở khơng khí khơng tải 69 Hình 4.16 Mật độ từ thơng khe hở khơng khí 70 Hình 4.17 Đường đặc tính tốc độ theo thời gian 70 Hình 4.18 Đường đặc tính mơ-men với tốc độ khởi động 71 Hình 4.19 Đồ thị dịng điện khởi động 71 Hình 4.20 Dòng điện dọc trục, dòng điện ngang trục 71 Hình 5.1 Mơ hình mạch nhiệt tập trung đơn giản 74 Hình 5.2 Mơ hình FEA phân tích nhiệt độ dây quấn 75 Hình 5.3 Mơ hình CFD phân tích nhiệt chuyển động chất lưu cho động điện 75 Hình 5.4 Sơ đồ mạch nhiệt tập trung cho động LSPMSM 76 Hình 5.5 Mạch nhiệt vỏ máy nhiệt độ môi trường 77 Hình 5.6 Kích thước gân tản nhiệt 78 Hình 5.7 Phân bố thơng thường thay đổi tốc độ dịng khí gân tản nhiệt 79 Hình 5.8 Nhiệt trở gơng vỏ máy 82 Hình 5.9 Chuyển đổi dạng rãnh stator 83 Hình 5.10 Tỷ lệ phần trăm theo thể tích kim loại có rãnh 85 Hình 5.11 Dịng nhiệt từ bên bối dây quấn 85 Hình 5.12 Mơ hình nhiệt vịng dây quấn 86 Hình 5.13 Mơ hình nhiệt dây quấn stator 86 Hình 5.14 Mơ hình nhiệt phần động 87 Hình 5.15 Khơng khí tản nhiệt cho động 88 Hình 5.22 Mạch điện tính tốn nhiệt phần mềm PSIM Từ kết điện đo phần mềm PSIM (Hình 5.22) ta có bảng tổng hợp nhiệt độ điểm tính tốn sau: Bảng 5.3 Bảng kết tính tốn nhiệt tính tốn giải tích STT Ký hiệu Giá trị T1 40 o Nhiệt độ môi trường T2 82,6 o Vỏ máy T3 87,2 o Gông rotor Đơn vị C C C Vị trí tính tốn nhiệt 101 T4 87,2 o Nam châm vĩnh cửu T5 87,7 o Gông stator T6 93,4 o Đầu cuối dây quấn T7 87,1 o Bề mặt rotor T8 91,3 o Răng stator T9 92,5 o Dây quấn rãnh 10 T10 88,4 o Ổ bi 11 T11 87,2 o Răng rotor C C C C C C C C Với động phòng nổ hoạt động nhiệt độ môi trường 40 oC Với cách điện cấp F nhiệt độ làm việc lớn θmax = 155oC Độ tăng nhiệt cho phép ứng với nhiệt độ môi trường (T1 = 40oC) ∆θcp = 115oC Từ kết phân bố nhiệt độ động LSPMSM 11 kW tính tốn giải tích cho thấy: Nhiệt độ nam châm vĩnh cửu T4 = 87,2 oC Nhiệt độ làm việc tối đa nam châm vĩnh cửu NdFeB-N38H [25] Tw = 120oC Với kết tính tốn nhiệt đảm bảo nam vĩnh cửu chưa chưa nhiệt, chưa ảnh hưởng nhiều tới mức độ suy giảm mật độ từ dư nam châm vĩnh cửu Điểm có nhiệt độ cao (Hot Spot) động đầu cuối bối dây quấn stator có giá trị T6 = 93,4oC So với nhiệt độ mơi trường thiết lập 40 oC độ tăng nhiệt điểm nóng là: ∆θwind = 93,4oC - 40oC = 53,4oC Độ tăng nhiệt độ nằm giới hạn cho phép cách điện cấp F Một điểm đáng quan tâm việc đo nhiệt độ nam châm vĩnh cửu thực tế khó khăn nam châm thường đặt rotor quay động LSPMSM Nên thông thường, để xác định nhiệt độ nam châm vĩnh cửu ta thường dựa độ chênh nhiệt độ nam châm vĩnh cửu nhiệt độ dây quấn đo động Với kết tính tốn trên, độ chênh nhiệt độ nam châm vĩnh cửu đầu cuối dây quấn là: ∆θmag-wind = 93,4oC - 87,2 oC = 6,2oC thơng qua độ chênh nhiệt độ ta ước lượng nhiệt độ nam châm vĩnh cửu 102 MÔ PHỎNG NHIỆT CHO ĐỘNG CƠ LSPMSM SỬ DỤNG PHẦN MỀM MOTOR CAD Trong luận văn này, học viên sử dụng phần mềm Motor CAD để mơ phỏng, phân tích mơ hình mạch nhiệt cho động LSPMSM Nội dung mô ứng dụng cho động LSPMSM với thông số thiết kế điện tổn hao công suất xác định phần mềm Simcenter Speed Chương luận văn, kết mô nhiệt so sánh với kết tính tốn nhiệt phương pháp giải tích Chương luận văn 6.1 Giới thiệu phần mềm Motor CAD Motor CAD phần mềm thương mại chuyên dụng để phân tích nhiệt cho loại máy điện quay, có khả áp dụng cho nhiều loại máy điện khác nhau, nhiều dải công suất nhiều kiểu làm mát khác Motor CAD công cụ hỗ thiết kế động tối ưu thiết kế để nâng cao hiệu suất, giảm kích thước chi phí sản xuất động Phần mềm sử dụng hàng loạt công ty lớn lĩnh vực thiết kế động Bosch, Dupont, Siemens, ABB nhiều công ty khác việc tối ưu trình làm mát động điện quay với nhiều kiểu làm mát khác như: TENV (Loại vỏ kín, thơng gió tự nhiên); TEFC (Loại vỏ kín, làm mát quạt); TV (Thơng gió xun qua); LC (Làm mát chất lỏng) Motor CAD phần mềm viết Dave Staton cộng phịng thí nghiệm SPEED Laboratory Glasgow dựa phương pháp phân tích mạch nhiệt (Hình 6.1) mơ tả mạch nhiệt thiết lập môi trường làm việc Motor CAD Hình 6.1 Mơ hình mạch nhiệt phần mềm Motor CAD Trên mạch nhiệt này, nút nhiệt tự động thiết lập điểm quan trọng động như: gông stator, răng, đầu dây quấn, vỏ máy, trục quay… Các 103 nút nhiệt liên kết với nhiệt trở dẫn nhiệt, đối lưu xạ Tổn hao thông số đầu vào đặt nút phù hợp Thành phần nhiệt dung kể đến xét đến trình độ nhiệt động điện Đối với vấn để truyền nhiệt xác lập, phần mềm Motor CAD tính tốn tham số đưa lời giải gần tức thời; với vấn đề độ truyền nhiệt thông thường khoảng vài giây để tính tốn Đây ưu điểm bật việc sử dụng phần mềm Motor CAD so với phương pháp tính tốn khác dựa phương pháp phần tử hữu hạn FEM dựa tính tốn động lực học chất lưu CFD (Computational Fluid Dynamics) Hiện phần mềm Motor CAD phát triển mơ hình tính tốn nhiệt cho động PMSM mà chưa có mơ hình tính nhiệt chi tiết cho động LSPMSM Học viên nhận thấy rằng, động LSPMSM làm việc xác lập ổn định đặc trưng nhiệt động LSPMSM tương đồng với động PMSM loại IPM, nên học viên đề xuất sử dụng module tính nhiệt cho động PMSM phần mềm Motor CAD để tính nhiệt cho động LSPMSM Khi đó, để đơn giản mô phỏng, giả thiết tổn hao cấu trúc lồng sóc động LSPMSM tốc độ đồng không hệ số truyền nhiệt phần vật liệu làm lồng sóc tương đương với hệ số truyền nhiệt lõi thép chế tạo rotor Đối với tính nhiệt phần mềm Motor CAD thực tính với sơ đồ nhiệt thay ta cần quan tâm yếu tố kích thước tổn hao, giá trị đặc trưng nhiệt vật liệu sử dụng liệu có sẵn phần mềm Ngồi phần mềm Motor CAD hỗ trợ lấy liệu từ phần mềm SPEED, thuận tiện cho người thiết kế hồn thiện cơng việc từ mơ đặc tính tới mô nhiệt để đưa thiết kế hồn thiện 6.2 Thiết lập thơng số đầu vào Để tính nhiệt độ động LSPMSM việc xác định phân bố tổn hao động LSPMSM quan trọng Dựa mơ hình mạch nhiệt đề xuất (Hình 6.1) cần xác định tổn hao sau: • Tổn hao gơng stator • Tổn hao stator • Tổn hao dây quấn (phần dẫn rãnh) • Tổn hao phụ • Tổn hao Việc xác định tổn hao trên, học viên sử dụng phần mềm SPEED để hỗ trợ việc ước lượng tính tốn tổn hao động LSPMSM 11 kW Trong phần mềm SPEED, thành phần tổn hao tổn hao phụ tổn hao dịng điện xốy nam châm chưa tính đến 6.2.1 Thiết lập thơng số hình học Các thơng số hình học theo phương dọc trục phương hướng kính động đưa vào phần mềm (Hình 6.2 & Hình 6.3): 104 Hình 6.2 Thơng số hình học theo phương hướng kính Hình 6.3 Thơng số hình học theo phương dọc trục Hình 6.4 Kiểm tra hình dạng 3D kết cấu làm mát sử dụng cho động 105 Ở đây, động LSPMSM sử dụng kiểu làm mát TEFC (Làm mát kiểu vỏ kín có quạt cưỡng gắn phía đầu trục động cơ) Quạt làm mát định hướng nắp chắn gió Vỏ động thiết kế với 32 gân tản nhiệt 6.2.2 Thiết lập thông số dây quấn Dây quấn stator đặc biệt phần đầu dây quấn stator thường điểm có độ tăng nhiệt lớn động điện Hình 6.5 mơ tả thông số dây quấn động LSPMSM nhập phần mềm: Hình 6.5 Mơ hình dây quấn nhập vào phần mềm Motor CAD 6.2.3 Thiết lập thông số tổn hao Tổn hao công suất tác dụng động LSPMSM giữ vai trò nguồn nhiệt (Heat Source) sơ đồ mạch nhiệt Các dạng tổn hao công suất tác dụng cần phải thiết lập phần mềm bao gồm: Tổn hao lõi thép gông stator, tổn hao lõi thép rotor, tổn hao đồng dây quấn stator, tổn hao dòng điện xoáy nam châm vĩnh cửu, tổn hao ma sát ổ bi, tổn hao ma sát bề mặt rotor, tổn hao quạt gió làm mát Giá trị tổn hao nhập vào phần mềm Hình 6.6: 106 Hình 6.6 Bảng nhập thơng số tổn hao 6.3 Kết mô nhiệt Sau nhập đầy đủ thông số, phần mềm Motor CAD tiến hình tính tốn giá trị nhiệt trở sơ đồ mạch nhiệt chi tiết đề xuất sử dụng Từ sơ đồ mạch nhiệt, giải nhiệt độ nút nhiệt cần quan tâm động LSPMSM, thu phân bố nhiệt độ động chế độ làm việc với tải định mức Sơ đồ thay nhiệt kết tính tốn nhiệt ổn định động LSPMSM sau (Hình 6.7): Hình 6.7 Sơ đồ mạch nhiệt phần mềm Motor CAD Kết quản tính tốn nhiệt theo phương hướng kính phương dọc trục hình sau (Hình 6.8 & Hình 6.9): 107 Hình 6.8 Sơ đồ phân bố nhiệt độ theo phương hướng kính động Hình 6.9 Sơ đồ phân bố nhiệt độ theo phương dọc trục động Hình 6.10 Kết giá trị mô nhiệt Từ kết phân bố nhiệt độ động LSPMSM 11 kW phân tích cho thấy điểm có nhiệt độ cao (Hot Spot) động phần dây quấn stator, có giá trị 93,1oC; so với nhiệt độ môi trường thiết lập TAmbient = 40oC độ tăng nhiệt điểm nóng ∆T = 53,1oC 108 Nhiệt độ nam châm vĩnh cửu 85,9oC; độ chênh nhiệt độ nam châm nhiệt độ môi trường ∆T = 45,9 oC Bảng so sánh kết phân tích nhiệt phương pháp mạch nhiệt thơng số tập trung tính tốn giải tích (Chương 5), với mơ nhiệt sử dụng phần mềm Motor CAD dựa bảng thống kê sau: Bảng 6.1 Bảng so sánh kết tính tốn nhiệt STT Điểm tính tốn nhiệt Tính tốn giải tích Mơ Sai lệch Motor CAD Đầu cuối dây quấn 93,4oC 93,1 oC 0,3 oC Nam châm vĩnh cửu 87,2oC 85,9 oC 1,3 oC Vỏ máy 82,6oC 86,8 oC 4,2 oC Gông stator 87,7oC 89oC 1,3 oC Răng stator 91,3oC 91oC 0,3 oC Bề mặt rotor 87,1oC 85,4 oC 1,7 oC Từ kết so sánh nhiệt độ động thu phương pháp tính tốn giải tích mơ phần mềm Motor CAD thấy kết sai lệch từ (0,3oC ÷ 4,2oC) kết chấp nhận sử dụng để tính tốn hiệu chỉnh động 109 KẾT LUẬN 7.1 Kết luận Các đóng góp Luận văn: Đưa nhìn tổng quan động LSPMSM Tìm hiểu ưu điểm ưu việt động LSPMSM tính ứng dụng thực tế động Ứng dụng động LSPMSM vào lĩnh vực hầm mỏ, hầm lị, khai thác khống sản, nơi có mơi trường ẩm ướt bụi, dễ gây cháy nổ Dùng làm động phòng nổ hiệu suất cao Thiết kế động LSPMSM với hiệu suất cao cấp IE3, điện áp cao 660VAC Tính tốn sơ thông số động LSPMSM phương pháp giải tích Tổng quan mơ hình nhiệt cho động LSPMSM Từ đề xuất xây dựng tính tốn mơ hình mạch nhiệt thơng số tập trung cho động LSPMSM Thực mô thông số (mạch điện, mạch từ, đặc tính học, tổn hao, hiệu suất) động LSPMSM phần mềm SPEED Đánh giá đặc tính làm việc động LSPMSM thông qua kết mơ Tính tốn giải tích giá trị nhiệt động LSPMSM mơ hình mạch nhiệt tập trung, sử dụng phần mềm mô Motor CAD để mơ kiểm chứng kết tính tốn nhiệt cho động LSPMSM Ứng dụng vật liệu tôn Silic vào thiết kế tính tốn động Sử dụng loại tôn Silic dày 0,35 mm (thông thường dùng tôn 0,5 mm) để giảm tổn thất lõi thép Động đồng nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp LSPMSM có hiệu suất cao, đáp ứng tiêu chuẩn yêu cầu ngày cao động điện Vì vậy, động LSPMSM chắn giải pháp thay phần động khơng đồng rotor lồng sóc tương lai Động LSPMSM loại động tiết kiệm lượng, có hiệu suất cao phù hợp với ứng dụng thực tế Tuy nhiên, chủng loại động lạ Việt Nam Các doanh nghiệp chế tạo động điện nước chưa tiếp cận chưa thể làm chủ cơng nghệ thiết kế, chế tạo, sản xuất hồn chỉnh Hơn nữa, tài liệu tham khảo nước hạn chế giải tốn thiết kế điện từ Do đó, tác giả mong vấn đề khoa học, phương pháp luận kỹ thuật tính tốn luận văn góp phần hữu ích việc cập nhật kiến thức đại phương pháp tính tốn thiết kế cho động LSPMSM hiệu suất điện áp cao ứng dụng hầm mỏ, hầm lò 110 7.2 Hướng phát triển luận văn tương lai Xây dựng mơ hình tính tốn nhiệt độ bền cho động LSPMSM Hoàn thiện bổ sung phần mềm mơ tính tốn nhiệt cho động Nghiên cứu tính tốn việc đo lường xác nhiệt độ Nam châm vĩnh cửu động LSPMSM Xây dựng quy trình lắp đặt, chế tạo, vận hành động LSPMSM hiệu suất điện áp cao IE3 Nghiên cứu xây dựng tài liệu thiết kế dãy động điện LSPMSM tiết kiệm lượng sử dụng vật liệu có mật độ từ cảm cao, dải công suất rộng, đạt mức hiệu suất lượng IE3 Phương án nhiệt cho dãy động LSPMSM Động LSPMSM thiết bị điện từ có cấu tạo phức tạp bao gồm nam châm, dẫn lồng sóc, dây quấn stator, vật liệu chế tạo lõi stator rotor Do việc tính tốn mơ để tối ưu vật liệu chế tạo: Nam châm vĩnh cửu, rotor, stator, dây quấn mối liên hệ điện từ vật liệu để đạt thông số kỹ thuật theo yêu cầu, tiết kiệm vật liệu chế tạo Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đến khả khởi động động LSPMSM Do thời gian thực luận văn có hạn lý thuyết kiến thức thực tế cịn kinh nghiệm nên luận văn tránh khỏi thiếu chi tiết chưa mạch lạc, phương pháp nghiên cứu chưa phong phú cịn nhiều thiếu sót Rất mong nhận góp ý đánh giá từ phía Hội đồng q Thầy/Cơ để luận văn hồn thiện hơn./ Xin chân thành cảm ơn! 111 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Vũ Thanh, "Nghiên cứu thiết kế tối ưu động đồng ba pha nam châm vĩnh cửu", Luận án Tiến sĩ, Đại học Bách khoa Hà Nội, 2016 [2] Bùi Minh Định, Đặng Quốc Vương thành viên, "Đề tài cấp nhà nước: "Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo động điện tiết kiệm lượng sử dụng vật liệu có mật độ từ cảm cao"," Viện Điện, Đại học Bách Khoa Hà Nội Thuộc Chương trình Nghiên cứu phát triển cơng nghệ lượng Mã số: "KC 05.02/16-20", 2016-2018 [3] Tiêu chuẩn "TCVN 6734 : 2000", Thiết bị điện dùng hầm lị - u cầu an tồn kết cấu sử dụng, 2000 [4] Tiêu chuẩn "TCVN 7079-0:2002", Thiết bị điện dùng mỏ hầm lò Phần 0: Yêu cầu chung, 2002 [5] Tiêu chuẩn "TCVN 7079-1 : 2002", Thiết bị điện dùng mỏ hầm lò Phần 1: Vỏ không xuyên nổ - Dạng bảo vệ "d", 2002 [6] Tiêu chuẩn "TCVN 7279-9 : 2003", Thiết bị điện dùng mơi trường khí nổ - Phần 9: Phân loại ghi nhãn, 2003 [7] Tiêu chuẩn "TCVN 6627-1:2014", Máy điện quay - Phần 1: Thông số đặc trưng tính năng, 2014 [8] QCVN 07-2020, "Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia an toàn Máy phát điện phòng nổ sử dụng mỏ hầm lò" [9] Tiêu chuẩn "TCVN 1987-1994", Về động điện không đồng ba pha roto ngắn mạch có cơng suất 0,55kW đến 90kW [10] International Standard, IEC 60034-2-1:2014, Rotating Electrical Machines - Part 2-1: Standard Methods for Determining Losses and Efficiency from Tests, 2014 [11] International Standard, IEC 60034-30-1:2014, Rotating Electrical Machines - Part 30-1: Efficiency Classes of Line Operated AC Motors, 2014 [12] Tiêu chuẩn, "TCVN 6627-5 : 2008", Máy điện quay - Phần 5: Cấp bảo vệ vỏ nhờ thiết kế tích hợp (Mã IP) - Phân loại, 2008 [13] Tiêu chuẩn, "TCVN 8086: 2009", Về cách điện - đánh giá nhiệt ký hiệu cấp chịu nhiệt, 2009 [14] Trần Khánh Hà, Nguyễn Hồng Thanh,, "Thiết kế máy điện", Nhà xuất Khoa học & Kỹ thuật, 2006 [15] Tiêu chuẩn, TCVN 6627-6 : 2011, Máy điện quay - Phần 6: Phương pháp làm mát (Mã IC), 2011 112 [16] "Welkon Limited," "Electric Motor Cooling Systems", [Online] Available: https://www.welkon.net/downloads/motor_cooling.pdf [17] Jacek F Gieras, Mitchell Wing, "Permanent Magnet Motor Technology, Design and Applications, Second Edition, Revised and Expanded", Marcel Dekker, Inc, 2010 [18] Amar Bousbaine, "An Investigation Into The Thermal Modelling Of Induction Motor", Department of Electronic and Electrical Engineering University of Sheffield, June 1993 [19] Gunnar Kylander, "Thermal modelling of small cage induction motors", Goteborg: Department of Electrical Machines and Power Electronics, February 1995 [20] Joachim Lindstrom, "Development of an Experimental Permanent Magnet Motor Drive", Goteborg, Sweden: Department of Electric Power Engineering, April 1999 [21] Bjorn Andersson, "Lumped Parameter Thermal Modelling of Electric Machines", Goteborg, Sweden: Department of Energy and Environment Chalmers University of Technology, 2013 [22] A Boglietti, A Cavagnino, and D Staton, "TEFC Induction Thermal Models: A Parameters Sensitivity Analysis", IEEE Trans Ind Appl., Vol 41, No 3, PP 756–763, May/Jun, 2005 [23] Aldo Boglietti, Senior Member, IEEE, Andrea Cavagnino, Member, IEEE, David Staton,, "Evolution and Modern Approaches for Thermal Analysis of Electrical Machines", IEEE Electronics, March 2009 [24] Bui Minh Dinh, Dinh Xuan Quyet, "Line Start Permanent Magnet Synchronous Motor for Underground Mining Drive Appliaction” Journal of Science: Proceedings of the 4th European International Conference on Industrial Engineering and Operations Management," Rome, Italy, August 2-5, 2021 [25] "Arnold Magnetic Technologies," Neodymium Iron Boron Magnets (NdFeB), [Online] Available: https://bom.to/gVuog2rb4rQ5z [26] "Tata Steel in Europe," "Typical data for SURA M300-35A", [Online] Available: https://www.tatasteeleurope.com/ts/sites/default/files/m30035a.pdf [27] Ion Boldea, Syed A Nasar, The Induction Machines Design Handbook, Second, Taylor and Francis Group, 2010 [28] Ayman M EL-Refaie, Student Member, IEEE, Nathan C Harris, Thomas M Jahns, Fellow, IEEE, and, "Thermal Analysis of Multibarrier Interior Interior PM Synchronous Machine Using Lumped Parameter Model", IEEE Transactions on Energy Conversion, July 2004 113 [29] Bui Minh Dinh, Dang Quoc Vuong, Dinh Xuan Quyet, "Synchronous Reluctance Motor for Coal Mine Ventilation Drives" Journal of Science: Proceedings of the 1st Asian Pacific International Conference on Industrial Engineering and Operations Management," Harbin, China, July 9-11, 2021 114 PHỤ LỤC A1 Tham số vật liệu đầu vào STT Tham số vật liệu Ký hiệu Giá trị Đơn vị Mật độ từ dư nam châm vĩnh cửu Br 1,26 T Khối lượng riêng thép γFe 7600 kg/m3 Suất tổn hao thép (50Hz) p10 W/kg Hệ số dẫn nhiệt không khí λa 0,03 W/m.K Khối lượng riêng khơng khí pAir 1,127 kg/m3 Vận tốc khơng khí vAir m/s Hệ số dẫn nhiệt gang λironf 30 W/m.K Hệ số dẫn nhiệt thép λFe 25 W/m.K Hệ số dẫn nhiệt vật liệu ngâm tẩm λi 0,3 W/m.K 10 Hệ số dẫn nhiệt đồng λCu 384 W/m.K 11 Hệ số dẫn nhiệt nhôm λAl 175 W/m.K 12 Hệ số dẫn nhiệt nam châm λMag 10 W/m.K 13 Hệ số dẫn nhiệt trục quay λSh 20 W/m.K 115 ... Cooled Ý nghĩa Động đồng nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp Động khơng đồng rotor có vành ngắn mạch Động đồng rotor nam châm vĩnh cửu Động đồng rotor nam châm vĩnh cửu gắn chìm Động đóng kín... Đinh Xuân Quyết CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG Đặng Quốc Vương ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Nghiên cứu thiết kế mô động đồng nam châm vĩnh cửu hiệu suất cao khởi động trực tiếp IE3 cấp điện áp 660V (Design and simulation... tốn thiết kế động điện 25 THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ LSPMSM HIỆU SUẤT VÀ ĐIỆN ÁP CAO 3.1 Yêu cầu thiết kế Với yêu cầu tiêu chuẩn động LSPMSM hiệu suất điện áp cao ứng dụng cho hầm mỏ hầm lị Động phải có kết