Phương pháp nâng cao hiệu suất động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc trong thiết kế

Phương pháp nâng cao hiệu suất động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc trong thiết kế

1 A GIỚI THIỆU LUẬN ÁN Tính cấp thiết luận án Động không đồng (KĐB) ba pha mà chủ yếu loại rơto lồng sóc với dải công suất từ vài trăm Watts đến hàng Megawatts dùng phổ biến cơng nghiệp phận hệ truyền động Sự phát triển kinh tế q trình cơng nghiệp hóa, đại hóa làm cho nhu cầu sử dụng chúng ngày nhiều Ở nước có cơng nghiệp phát triển quy mô công nghiệp lớn Mỹ, Trung Quốc, Châu Âu, Ấn Độ Việt Nam nguồn lượng mà chúng tiêu thụ tăng đáng kể Tiết kiệm lượng không mang lại lợi ích lớn mặt kinh tế mà cịn giảm đáng kể hiệu ứng nhà kính góp phần bảo vệ môi trường Một số nước sử dụng tiêu chuẩn động có hiệu suất cao, điển hình như: Mỹ, Châu Âu, Trung Quốc, Nhật… Để thực việc sử dụng lượng tiết kiệm hiệu nhà nước xây dựng loạt văn có tính chất pháp quy cấp phủ cấp Về cấp phủ: Đã ban hành Nghị định 102/2003/NĐ-CP tiết kiệm lượng, định số 79/2006 QĐ-CP Chương trình mục tiêu quốc gia sử dụng lượng tiết kiệm hiệu Về cấp bộ: Bộ Khoa học Công nghệ ban hành tiêu chuẩn “Động điện khơng đồng ba pha rơto lồng sóc hiệu suất cao” (ký hiệu: TCVN 7540 - 1:2005) có hiệu suất tối thiểu cao tiêu chuẩn sử dụng trước (TCVN 1987- 1994) từ đến % Cho đến tiêu chuẩn TCVN 7540-1:2005 chưa nhà máy chế tạo động điện Việt Nam áp dụng phổ biến cho sản phẩm thiết kế cơng nghệ chưa đáp ứng Hiệu suất động cải thiện cách tăng thể tích máy, sử dụng vật liệu tốt, công nghệ tiên tiến cách cải thiện thiết kế mạch điện mạch từ Giải pháp tăng thể tích tăng chi phí sản xuất, vận chuyển, lắp đặt tăng nhu cầu sử dụng điện để sản xuất vật liệu Cơng nghệ sản xuất phải phù hợp với đặc tính vật liệu, sử dụng loại thép tốt cần phải trang bị công nghệ phù hợp với chúng Với công nghệ sản xuất nhà máy chế tạo động điện Việt Nam chiều dài khe hở khơng khí δ khơng thể làm q nhỏ, hệ số ép chặt lõi sắt nhỏ, chiều dài lõi sắt giới hạn không lớn… nên sử dụng công nghệ tốt phải thay đổi phần lớn công nghệ sản xuất có nhà máy Vì điều kiện khách quan khác chi phí lớn nên việc thay đổi cơng nghệ nhà máy sản xuất khó thực Những vấn đề đề cập đặt cho lĩnh vực thiết kế chế tạo máy điện nhiệm vụ nghiên cứu, tính tốn thiết kế động KĐB ba pha rơto lồng sóc có hiệu suất cao đồng thời đảm bảo tiêu chuẩn kinh tế, kỹ thuật Đây nhiệm vụ quan trọng cấp thiết nhằm đáp ứng yêu cầu phát triển xã hội Đề tài “Phương pháp nâng cao hiệu suất động KĐB ba pha rơto lồng sóc thiết kế” nghiên cứu xây dựng phương pháp thiết kế tối ưu nhằm nâng cao hiệu suất động KĐB ba pha rôto lồng sóc Trên sở thành lập thuật tốn chương trình thiết kế động có hiệu suất tối thiểu đạt tiêu chuẩn TCVN 7540 – 1:2005 Kết đề tài sở để mở rộng nghiên cứu thiết kế động KĐB ba pha rơto lồng sóc có hiệu suất đạt tiêu chuẩn Mỹ Châu Âu Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu 2.1 Mục đích Nghiên cứu xây dựng phương pháp thiết kế tối ưu nhằm nâng cao hiệu suất động KĐB ba pha rơto lồng sóc Trên sở xây dựng thuật tốn chương trình thiết kế động có hiệu suất tối thiểu đạt tiêu chuẩn TCVN 7540 – 1:2005, đồng thời đưa giải pháp nâng cao hiệu suất động tiêu chuẩn Mỹ Châu Âu 2.2 Đối tượng Đối tượng nghiên cứu luận án động KĐB ba pha rơto lồng sóc có cơng suất từ 0,75 đến 90 kW, triển khai thiết kế động có cơng suất khoảng 0,75 đến 7,5 kW sản xuất rộng rãi nhà máy chế tạo động điện Việt Nam 2.3 Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan giải pháp giảm tổn hao phương pháp thiết kế tối ưu động KĐB ba pha rôto lồng sóc cơng suất 0,75 đến 90 kW - Khảo sát, phân tích ảnh hưởng thơng số thiết tổn hao động KĐB ba pha rôto lồng sóc cơng suất 0,75 đến 90 kW - Xây dựng phương pháp thiết kế mạch điện mạch từ nhằm giảm tổn hao đồng tổn hao sắt hai thành phần tổn hao động KĐB ba pha rơto lồng sóc - Xây dựng biểu thức toán học thể mối quan hệ hiệu suất động với nhóm thơng số kích thước cho động có cơng suất từ 0,75 đến 7,5 kW 3 - Xây dựng phương pháp thiết kế động KĐB ba pha rơto lồng sóc hiệu suất cao - Thiết kế động dãy công suất 0,75 đến 7,5 kW có hiệu suất tối thiểu tiêu chuẩn TCVN 7540 - 1:2005 so sánh với động chế tạo - Rút số kết luận lý luận thiết kế động KĐB ba pha rơto lồng sóc hiệu suất cao Kết cấu luận án Luận án gồm chương, 35 hình vẽ, 26 bảng 45 trang phụ lục Các chương luận án với nội dung sau: Chương 1: Tổng quan phương pháp thiết kế nâng cao hiệu suất động không đồng ba pha rơto lồng sóc Chương 2: Ảnh hưởng thông số thiết tổn hao hiệu suất động không đồng ba pha rôto lồng sóc Chương 3: Phương pháp thiết kế mạch điện mạch từ Chương 4: Xây dựng biểu thức mô tả quan hệ hiệu suất với kích thước chủ yếu mật độ từ thơng khe hở khơng khí Chương 5: Thiết kế động không đồng ba pha rơto lồng sóc hiệu suất cao B NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN Chương TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ NÂNG CAO HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA RƠTO LỒNG SĨC ĐẶT VẤN ĐỀ Sử dụng công nghệ tiên tiến vật liệu tốt giải pháp cải thiện hiệu suất động KĐB ba pha rơto lồng sóc Nhìn chung giải pháp vật liệu cơng nghệ có ưu điểm tăng hiệu suất động mà tăng thể tích máy Nhược điểm địi hỏi cơng nghệ phức tạp hơn, vật liệu công nghệ thường gắn liền với nên thực theo giải pháp phải đầu tư vốn lớn mà tận dụng cơng nghệ cũ Chính chưa áp dụng nhà máy chế tạo động điện Việt Nam Một giải pháp quan trọng góp phần việc nâng cao hiệu suất động KĐB ba pha rơto lồng sóc phương pháp thiết kế tối ưu Có nhiều cơng trình nghiên cứu nước thực theo giải pháp thiết kế tối ưu mang lại kết định 4 1.1 Tình hình nghiên cứu giới Trong phần tổng hợp, phân tích có hệ thống nghiên cứu thiết kế thiết kế tối ưu động KĐB ba pha rơto lồng sóc ngồi nước, (Luận án trang 22-31), gồm có phương pháp nhóm phương pháp tìm kiếm tồn cục, phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp mạng nhân tạo (neural network), phương pháp logic mờ (fuzzy logic) phương pháp giải thuật di truyền (genetic algorithm) Các nghiên cứu thực tính tốn thiết kế với cơng nghệ tiên tiến đáp ứng hàng loạt yêu cầu chế tạo nên sản xuất động có hiệu suất cao tiêu chuẩn TCVN 7540 - 1:2005 Tuy nhiên công nghệ nhà máy chế tạo động điện Việt Nam chưa phù hợp nên kết nghiên cứu khó áp dụng vào q trình sản xuất động Việt Nam 1.2 Tình hình nghiên cứu nước Cho đến nay, số tài liệu đề cập đến q trình tính tốn thiết kế, cơng trình mà tác giả tham gia (một phần nội dung sử dụng luận án) cịn có cơng trình Cơng ty chế tạo điện Hà Nội (CTAMAD) nghiên cứu thiết kế để hiệu suất động đạt tiêu chuẩn TCVN 7540 - 1:2005 cơng trình Cơng ty cổ phần Chế tạo máy điện Việt Nam – Hungari (VIHEM) “nghiên cứu thiết kế công nghệ chế tạo động tiết kiệm lượng” Ở CTAMAD thiết kế động kW, 2p = 4, f = 50 Hz đạt hiệu suất theo tiêu chuẩn TCVN 7540 - 1:2005 86% cơng trình chưa sâu nghiên cứu phương pháp thiết kế 1.3 Hướng nghiên cứu tác giả Để giải yêu cầu luận án đặt ra, tác giả đề hướng nghiên cứu xây dựng phương pháp thiết kế tối ưu hiệu suất động KĐB ba pha rơto lồng sóc sở: - Phân tích ảnh hưởng thơng số thiết tổn hao động KĐB ba pha rơto lồng sóc - Xây dựng phương pháp thiết kế mạch điện mạch từ tối ưu nhằm giảm tổn hao đồng tổn hao sắt động KĐB ba pha rơto lồng sóc - Xây dựng biểu thức toán học thể mối quan hệ hiệu suất động với nhóm thơng số kích thước cho động có cơng suất từ 0,75 đến 7,5 kW Với phương pháp thiết kế thành lập được, tiến hành: - Thiết kế động dãy cơng suất 0,75 đến 7,5 kW có hiệu suất tối thiểu tiêu chuẩn TCVN 7540 - 1:2005 so sánh với động chế tạo 5 - Đưa đưa giải pháp nâng cao hiệu suất động tiêu chuẩn Mỹ Châu Âu - Rút số kết luận lý luận thiết kế động KĐB ba pha rơto lồng sóc hiệu suất cao Kết luận chương 1 Trong chương nêu giải pháp nâng cao hiệu suất động Đồng thời tổng hợp, phân tích có hệ thống nghiên cứu thiết kế thiết kế tối ưu động KĐB ba pha rơto lồng sóc ngồi nước Một số nghiên cứu nâng cao hiệu suất động làm cho trọng lượng vật liệu tác dụng tăng lớn Việc sử dụng công nghệ, vật liệu tốt kết hợp với thiết kế phù hợp giúp cho nước Mỹ, Trung Quốc, Nhật Châu Âu … áp dụng tiêu chuẩn động có hiệu suất cao tiêu chuẩn TCVN 7540 - 1:2005 Cần khảo sát ảnh hưởng thông số thiết tổn hao động KĐB ba pha rơto lồng sóc, sở xây dựng phương pháp thiết kế mạch điện mạch từ tối ưu nhằm giảm tổn hao đồng tổn hao sắt Đây giải pháp hữu ích thích hợp với điều kiện chế tạo động điện Việt Nam Cần xây dựng mơ hình toán thể mối quan hệ hiệu suất với nhóm thơng số kích thước giúp cho q trình tính tốn thiết kế động KĐB ba pha rơto lồng sóc nhanh xác Chương ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ THIẾT KẾ ĐẾN TỔN HAO VÀ HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA RƠTO LỒNG SĨC 2.1 Q trình tính tốn thiết kế động KĐB ba pha rơto lồng sóc Q trình thiết kế động KĐB ba pha rơto lồng sóc bao gồm mơđun thiết kế, mơđun toán thiết kế nhỏ mà đầu chúng thông số thiết kế đưa vào chế tạo Các mơđun đưa sau: 2.1.1 Xác định kích thước chủ yếu: xác định đường kính stato D chiều dài lõi sắt l Các kích thước có quan hệ mật thiết với tải điện từ tải đường A mật độ từ thông khe hở không khí Bδ 2.1.2 Tính tốn dây quấn stato: phần tính tốn thơng số dây quấn số vịng dây, kích thước dây 2.1.3 Thiết kế lõi sắt stato: mục đích xác định kích thước rãnh thép stato Các kích thước hình 2.2 (Luận án trang 36) 2.1.4 Thiết kế lõi sắt rôto: thiết kế lõi sắt rôto xác định kích thước rãnh hình 2.3 (Luận án trang 37) 2.1.5 Tính tốn mạch từ: xác định mật độ từ thông sức từ động răng, gông stato 2.1.6 Xác đinh thông số sơ đồ mạch điện thay thế: phần xác định điện trở, điện kháng mạch stato, rơto nhánh từ hóa 2.1.7 Tính tốn kiểm tra chế độ định mức: tính tốn xác định dịng điện tiêu thụ, thành phần tổn hao, hiệu suất, hệ số công suất, độ bội mômen cực đại 2.1.8 Tính tốn kiểm tra chế độ khởi động: xác định bội số dòng điện khởi động (ik) bội số mơmen khởi động (mk) 2.1.9 Tính tốn kiểm tra nhiệt: xác định phương thức thơng gió tản nhiệt cho độ tăng nhiệt phù hợp với tiêu chuẩn 2.2 Tổn hao hiệu suất động KĐB ba pha rơto lồng sóc 2.2.1 Các thành phần tổn hao: tổn hao động diễn tả hình 2.4, (Luận án trang 39) 2.2.2 Hiệu suất: tính tốn: η = P2 ∑ ΔP = 1− P1 P1 2.3 Ảnh hưởng thông số thiết tổn hao hiệu suất Căn vào q trình thiết kế máy điện, thơng số ảnh hưởng đến hiệu suất q trình thiết kế gộp thành nhóm nhóm thơng số kích thước bản, nhóm thơng số thiết kế mạch điện, nhóm thơng số thiết kế mạch từ 2.3.1 Nhóm thơng số kích thước bản: phần phân tích ảnh hưởng chiều dài lõi sắt stato l đường kính lõi sắt stato D, phân tích ảnh hưởng tải đường A mật độ từ thơng khe hở khơng khí Bδ Mối quan hệ thông số D, l, Bδ, A thể biểu thức: CA = D l.n đb 6,1.10 = α δ k s k d A.Bδ P' (2.4) Khi chiều dài lõi sắt thay đổi ảnh hưởng đến điện trở dây quấn, từ thơng khe hở khơng khí mật độ từ thơng lõi thép nên tác động đến tổn hao đồng, sắt stato rơto Đường kính stato D thay đổi làm ảnh hưởng đến chiều dài phần đầu nối, tiết diện rãnh stato Sr1, tiết diện rãnh rơto Sr2 kích thước mạch từ nên tác động đến tổn hao đồng, tổn hao sắt stato rơto Qua phân tích cho thấy giá trị D nhỏ, l lớn dễ mang lại hiệu suất động cao 7 Cũng qua phân tích cho thấy D l xác định có tích (A.Bδ) khơng đổi, Bδ tăng A giảm làm cho số vòng dây giảm dẫn đến giảm tổn hao đồng stato lại tăng mật độ từ thơng lõi thép nên tăng tổn hao sắt Vì thiết kế cần phải chọn A Bδ phù hợp để tổn hao nhỏ đồng thời nâng cao mômen khởi động Mk, mômen cực đại Mmax đảm bảo độ tăng nhiệt θs Tóm lại, việc chọn giá trị thông số D, l, Bδ, A có ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất đặc tính động Do cần có phối hợp việc chọn giá trị thông số cho giảm thành phần tổn hao để hiệu suất động nâng cao 2.3.2 Nhóm thơng số thiết kế mạch điện: phần phân tích ảnh hưởng số dẫn tác dụng rãnh ur đến tổn hao đồng stato pcu1 Phân tích ảnh hưởng tiết diện rãnh stato Sr1 đến sức từ động, đến tổn hao sắt stato đến tổn hao đồng tổng tổn hao sắt stato Khi tính tốn thiết kế cần ý xác Sr1 với hệ số lấp đầy cực đại Hình 2.5: Quan hệ sức Quan hệ sức từ động Fz1 từ động stato Sr1 gông Fg1 stato, tổn hao sắt gông stato, tổng tổn hao sắt đồng stato với tiết diện rãnh stato Sr1 khảo sát động 5,5 kW, 2p = hình 2.5, 2.6, 2.7 Qua kết khảo sát (hình 2.5, hình 2.6) cho thấy tiết diện rãnh stato Sr1 tăng sức từ động tổn hao sắt stato tăng tổn hao đồng stato giảm (hình Hình 2.6: Quan hệ tổn hao sắt stato Sr1 2.7) Sẽ có giá trị Sr1 mà có tổng tổn hao đồng sắt stato nhỏ Tuy nhiên, giá trị Sr1 chưa tối ưu phải xét đến tiêu kỹ thuật khác 2.3.3 Nhóm thơng số thiết kế mạch từ: nhóm thơng số thiết kế mạch từ kích thước rãnh stato rơto Trong phần khảo sát ảnh Hình 2.7: Quan hệ tổn hao hưởng chiều cao rãnh stato đến sức sắt tổn hao đồng stato với Sr1 từ động tổn hao sắt stato Quan hệ chiều cao rãnh stato với sức từ động tổn hao sắt lõi sắt stato khảo sát động 5,5 kW, 2p = hình 2.11, hình 2.12 Hình 2.11: Quan hệ sức từ động Hình 2.12: Quan hệ tổn hao sắt stato chiều cao rãnh stato hrs stato chiều cao rãnh stato hrs Từ kết khảo sát hình 2.11 hình 2.12 cho thấy giá trị hr = * * hr ( hr = 1,76 cm) để sức từ động nhỏ khác với giá trị hr = hr∗ ∗ ( hr∗ ∗ = 1,7 cm) để tổn hao sắt nhỏ Do tính toán thiết kế cần chọn hr phù hợp để tổn hao nhằm nâng cao hiệu suất đồng thời đảm bảo tiêu kinh tế kỹ thuật khác Kết luận chương Kết chương đạt là: Đã phân tích ảnh hưởng thơng số thiết kế (nhóm thơng số kích thước bản, nhóm thơng số thiết kế mạch điện, nhóm thơng số thiết kế mạch từ) đến tổn hao đồng sắt hai thành phần chiếm tỷ lệ lớn tổn hao động KĐB ba pha rôto lồng sóc Trong q trình tính tốn thiết kế nhóm thơng số có mối liên quan lẫn nên cần có tính tốn tối ưu việc xác định chúng để tổn hao đồng sắt đồng thời đảm bảo tiêu chuẩn kỹ thuật khác Qua phân tích cho thấy, q trình thiết kế, tiết diện rãnh stato tính chọn cho hệ sô lấp đầy cực đại nên thay đổi tiết diện rãnh theo kích thước dây quấn chuẩn Chiều cao rãnh (stato,rôto) tối ưu xác định theo hàm mục tiêu tồn cục η lớn nhất, khơng nên tối ưu theo hàm mục tiêu địa phương (như tổng tổn hao sắt nhỏ hay tổng sức từ động nhỏ nhất) Việc phân tích tác động thơng số thiết hai thành phần tổn hao động KĐB ba pha rơto lồng sóc bước quan trọng để người thiết kế định hướng đưa giải pháp thiết kế mạch điện mạch từ tố iưu nhằm giảm nhỏ tổng tổn hao đồng sắt để hiệu suất động cao 9 Chương PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN VÀ MẠCH TỪ 3.1 Bài toán thiết kế động KĐB ba pha rơto lồng sóc hiệu suất cao Bài tốn thiết kế động tối ưu với hàm mục tiêu hiệu suất động cao Quá trình thực giải tốn quy hoạch phi tuyến có dạng: Tìm giá trị biến số độc lập X = (x1, x2, …, xn) để hàm mục tiêu đối tượng thiết kế hiệu suất η(X)→max thỏa mãn điều kiện: gi(X) ≥ 0; i = 1, 2, …, m Xmin ≤ X ≤ Xmax đó: - gi(X) ràng buộc để thiết kế khả thi chấp nhận thực tiễn Các ràng buộc bao gồm tiêu kỹ thuật, yêu cầu vật liệu công nghệ nhà máy sản xuất Chúng bao gồm: * Các yêu cầu vật liệu: mật độ từ thông cực đại gông stato Bg1max, mật độ từ thông cực tiểu gông stato Bg1min, mật độ từ thông cực đại gông rôto Bg2max, mật độ từ thông cực tiểu gông rôto Bg2min, mật độ từ thông cực đại stato Bz1max, mật độ từ thông cực tiểu stato Bz1min, mật độ từ thông cực đại rôto Bz2max, mật độ từ thông cực tiểu rôto Bz2min * Các yêu cầu công nghệ: bề rộng tối thiểu stato bzsmin, bề rộng tối thiểu rơto bzrmin, đường kính đáy nhỏ tối thiểu rãnh stato d2smin, đường kính đáy nhỏ tối thiểu rãnh rôto d2rmin, hệ số lấp đầy rãnh klđ, chiều dài khe hở khơng khí δ, chiều dài lõi sắt qua hệ số λ, số ép chặt kc * Các yêu cầu kỹ thuật: bội số mômen cực đại mmax, bội số mơmen khởi động mk, bội số dịng điện khởi động ik, hệ số công suất cosϕ - Các biến số độc lập x1, x2, …, xn thơng số thiết kế, bao gồm: Đường kính lõi sắt stato Dn, tương ứng với x1 Chiều dài lõi sắt stato, tương ứng với x2 Mật độ từ thơng khe hở khơng khí Bδ, tương ứng với x3 Đường kính lõi sắt stato D, tương ứng với x4 Tiết diện rãnh stato Srs, tương ứng với x5 Chiều cao rãnh stato hrs, tương ứng với x6 Bề rộng stato bzs, tương ứng với x7 Chiều cao rãnh rôto hrr, tương ứng với x8 Bề rộng rôto bzr, tương ứng với x9 10 Với kết phân tích chương 2, tác giả đề xuất q trình giải toán thiết kế tối ưu với hàm mục tiêu hiệu suất lớn (hình 3.2) gồm hai phần: phương pháp xác định kích thước chủ yếu tải điện từ, hai phương pháp thiết kế mạch điện Dữ liệu vào: thông số định mức, hiệu suất yêu mạch từ cầu, tiêu chuẩn … Phần thứ giải vấn đề Phương pháp chọn giá trị nhóm thơng số kích xác định nhóm thơng số kích thước thước bản: D , D, l, B bản, bao gồm thông số thiết kế Phương pháp thiết kế đường kính ngồi lõi sắt stato Dn, mạch điện mạch từ chiều dài lõi sắt stato l, đường kính Dữ liệu ra: Các thơng số thiết kế có lõi sắt stato D mật độ từ hiệu suất η lớn đồng thời đảm bảo ràng buộc công nghệ, vật liệu thơng khe hở khơng khí Bδ tương ứng tiêu kỹ thuật khác với biến số tốn thiết kế Hình 3.2: Sơ đồ khối thiết kế tối x1, x2, x3, x4 ưu hiệu suất động Phần thứ hai phương pháp thiết kế mạch điện mạch từ, thực xác định trị số nhóm thơng số kích thước Với giá trị nhóm thơng số kích thước phần tìm giá trị biến x5, x6, x7, x8, x9 cho nhận hiệu suất cao đồng thời đảm bảo tiêu chuẩn kỹ thuật khác Trong chương giải vấn đề xây dựng phương pháp thiết kế mạch điện mạch từ có giá trị thơng số Dn, D, l Bδ 3.2 Phương pháp thiết kế mạch điện mạch từ Phương pháp thiết kế mạch điện mạch từ có chức xác định miền thiết kế giới hạn (G) Số liệu vào: D , D, l, B theo vật liệu, công nghệ xác định Xác định tiết diện rãnh Tính toán dây stato (S ) ứng với k chiều cao tối ưu rãnh stato, rôto Sơ quấn đồ khối phương pháp thiết kế mạch Xác định kích thước Xác định kích thước răng, rãnh stato răng, rãnh rơto điện mạch từ hình 3.3 δ Phương pháp thiết kế mạch điện mạch từ n r1 lđmax δ Xác định miền giới hạn (G) theo vật liệu công nghệ chế tạo n 3.2.1 Xác định miền giới hạn (G) Xác định chiều cao tối ưu rãnh stato rôto theo vật liệu công nghệ chế tạo: mục đích giữ lại kích Dữ liệu ra: Các thơng số thiết kế có hiệu thước rãnh stato rôto thỏa suất η lớn đồng thời đảm bảo ràng buộc công nghệ, vật liệu mãn điều kiện công nghệ vật liệu, tiêu kỹ thuật khác loại bỏ kích thước rãnh Hình 3.3: Sơ đồ khối phương pháp khơng đảm bảo nhằm giảm thiết kế mạch điện mạch từ 11 phương án tính tốn khơng cần thiết Để thực mục đích đó, phần giải ba toán: xác định tiết diện rãnh stato có hệ số lấp đầy cực đại, xác định kích thước rãnh stato thỏa mãn vật liệu cơng nghệ, xác định kích thước rãnh rôto thỏa mãn vật liệu công nghệ Sơ đồ thuật toán ứng với ba toán hình 3.4, 3.5, 3.6 (Luận án trang 64-68) 3.2.2 Xác định chiều cao tối ưu rãnh stato, rôto Dữ liệu vào: Miền giới hạn G theo vật Bài toán thực xác liệu cơng nghệ định miền giới hạn G Ta có sơ i =1, h = h h =h đồ thuật toán xác định chiều cao rãnh j =1, h = h h =h stato, rôto tối ưu cho tổn hao Tính mạch từ, tính định Tính mạch đặc tính làm mức, tính từ, tính định nhỏ thỏa mãn điều kiện mức,và khởi động … việc tính khởi động ràng buộc hình 3.7 Sai Sai i = m, j = n Qua sơ đồ thuật toán hình 3.7 Đúng Đúng tìm chiều cao rãnh stato, rơto tối In phương án có Lưu phương án có hiệu hiệu suất lớn suất η lớn ưu có hiệu suất lớn đồng thời Kết thúc thỏa mãn tiêu kỹ thuật khác Tương ứng chiều cao có Hình 3.7: Sơ đồ thuật toán xác định chiều cao tối ưu rãnh stato, rôto thông số thiết kế cần thiết 3.3 Chương trình thiết kế động KĐB ba pha rơto lồng sóc có tổng tổn hao nhỏ Chương trình xây dựng dựa vào phương pháp thiết kế mạch điện mạch từ có giá trị nhóm thơng số kích thước Dn, D, l, Bδ Chương trình thiết kế động KĐB có hai phần chính: tính tốn kiểm tra tính tốn thiết kế động KĐB ba pha rơto lồng sóc 3.3.1 Chương trình tính kiểm tra động KĐB ba pha rơto lồng sóc Mục đích chương trình tính kiểm tra tính tốn kiểm tra động sản xuất nhà máy để đánh giá độ xác phần lý thuyết tính tốn thơng số thực tế Thơng qua tính tốn kiểm tra nhằm xây dựng chương trình thiết kế có độ xác cao, đáng tin cậy Chương trình xác định đặc tính làm việc động mà làm thử nghiệm mẫu thực Chương trình tính kiểm tra có sơ đồ cấu trúc hình 3.8, (luận án trang 72) 3.3.2 Chương trình tính tốn thiết kế động KĐB ba pha rơto lồng sóc có tổng tổn hao nhỏ Sơ đồ cấu trúc chương trình tính tốn thiết kế động KĐB ba pha rơto lồng sóc có tổng tổn hao nhỏ hình 3.9 (luận án trang 73) rs rr[j] rs[ i+1 ] rr rs[i] rr rs rr[ j+1 ] Kiểm tra điều kiện ràng buộc 12 3.3.3 Xây dựng phần mềm Phần mềm có hai chức năng: tính kiểm tra động KĐB thiết kế động KĐB ba pha rôto lồng sóc có tổng tổn hao nhỏ 3.4 Kết tính tốn kiểm tra Sử dụng chương trình tính kiểm tra luận án (đặt tên KTCLA) tính tốn so sánh với thơng số thử nghiệm động sản xuất: động 1,1 kW 1,5 kW nhà máy Z151 chế tạo; động 5,5 kW CTAMAD chế tạo Các kết tính kiểm tra thử nghiệm động so sánh qua bảng 3.1, bảng 3.2 bảng 3.3 Bảng 3.2: Kết tính kiểm tra Bảng 3.1: Kết tính kiểm tra động 1,5 kW động 1,1 kW 1,5 kW; 2p =4 1,1 kW; 2p =4 STT 10 11 Các thông số Đường kính dây Số vịng dây Mật độ dịng Bội số dịng khởi động Bội số mơmen khởi động Bội số mômen max Hiệu suất Cosϕ gFe gCu gAl Đơn vị mm vòng A/mm2 % % kg/kW kg/kW kg/kW ĐHBK HN Thiết kế Z151 chế tạo 0,8 312 5,31 5,3 2,05 2,2 78 81 13,641 1,5685 0,3845 Sai số so Thử nghiệm KTCLA 0,8 312 5,27 6,4 1,9 2,25 80,5 81,4 13,5 1,5 0,4 0,8 312 5,31 6,42 1,95 2,27 80,3 81,9 13,6 1,6 0,39 với thử nghiệm (%) 0,76 0,3 2,6 0,9 0,02 0,6 Qua tính kiểm tra động sản xuất cho thấy kết thơng số sử dụng chương trình tính kiểm tra gần với thơng số thiết kế thử nghiệm, sai số lớn (ở bội số mômen khởi động động 1,1 kW) 2,6% STT 10 11 Các thơng số Đường kính dây Số vịng dây Mật độ dòng Bội số dòng khởi động Bội số mômen khởi động Bội số mômen max Hiệu suất Cosϕ gFe gCu gAl Đơn vị ĐHBK HN Thiết kế Z151 chế tạo Thử nghiệm 0,9 240 5,4 2,42 80 83,5 12,7 1,3 0,34 0,9 240 5,34 5,37 1,98 2,18 % 80 % 82 kg/kW 12,7823 kg/kW 1,2764 kg/kW 0,3427 mm vòng A/mm2 KTCLA 0,9 240 5,41 6,1 2,03 2,4 80,3 82,9 12,8 1,3 0,34 Sai số so với thử nghiệm (%) 0,19 1,6 1,5 0,83 0,38 0,72 0,79 Bảng 3.3: Kết tính kiểm tra động 5,5 kW 5,5 kW; 2p =4 Đơn vị CTAMAD STT 10 11 Các thơng số Đường kính dây Số vịng dây Mật độ dòng Bội số dòng khởi động Bội số mômen khởi Bội số mômen max Hiệu suất Cosϕ gFe % % kg/kW kg/kW kg/kW Sai số so với thử KTCLA nghiệm (%) 4x0,75 156 6,4 5,51 2,05 2,36 85.5 86 7,34 0,764 0,215 mm vòng A/mm2 Thử nghiệm 4x0,75 156 6,4 5.53 2,39 86 85,6 7,4 0,77 0,22 4x0,75 156 6,4 5,52 2,05 2,4 85,9 85,7 7,36 0,767 0,22 0,1 2,5 0,4 0,1 0,1 3.5 Tính tốn thiết kế g g Sử dụng chương trình thiết kế luận án (đặt tên TKCLA) tính Bảng 3.4: Bảng so sánh kết thiết kế động kW, 2p = toán thiết kế động động kW số (thép 2211, p1/50 = 2,5 W/Kg) cực 2p = với điều kiện sản xuất gFe gCu gAl cosϕ η m m i phần lớn nhà máy chế tạo động (kg/kW) (kg/kW) (kg/kW) (%) (%) 82 83 2,1 2,3 7,7 0,31 điện Việt Nam, cụ thể chiều dài khe 84,05 83,17 2,0 2,3 5,2 7,7 0,3 hở khơng khí δ = 0,3 mm; hệ số ép 82 83 ≥ ≥ 2,2 ≤ 86 ≥ ≥ 2,2 ≤ 6,5 chặt lõi sắt kc = 0,95; chiều dài lõi sắt thông qua hệ số λmax (λmax ≤ 0,66), thép có tổn hao riêng p1/50 = 2,5 W/kg, kết tính tốn bảng 3.4 Cu Al Thơng số Phương pháp CTAMAD TKCLA TCVN 1984 – 1994 TCVN 754-1:2005 k max k 13 Qua bảng 3.4 cho thấy hiệu suất động tăng 2,05% so với tiêu chuẩn TCVN 1987 - 1994 CTAMAD So với kết CTAMAD, số vật liệu tác dụng: nhôm thấp 3,2%; đồng sắt Như với phương pháp thiết kế hợp lý nâng cao hiệu suất động mà tăng chi phí vật liệu tác dụng Kết tính tốn thiết kế bảng 3.4 kiểm nghiệm phần mềm SPEED VIHEM có sơ đồ dây quấn hình 3.10; đồ thị tốc độ, dòng khởi động, mơmen Bảng 3.5: Kết tính kiểm tra động hình 3.11; đồ thị sức từ động kW VIHEM hình 3.12, (Luận án trang 805,2 5,3 1,9 81) Kết kiểm nghiệm 2,0 2,04 2,3 2,35 2,1 VIHEM có tiêu kỹ thuật % 84,05 84,08 0,04 % 83,17 83 0,2 bảng 3.5 Qua bảng 3.5 cho thấy sai số thiết kế kiểm tra nhỏ, thông số kỹ thuật đảm bảo tiêu chuẩn đặt Tiếp tục sử dụng chương trình KTCLA để kiểm tra động kW vừa thiết kế, kết bảng 3.6 Bảng 3.6: Kết tính kiểm tra động kW Qua bảng 3.6 cho thấy sai số kết thiết kế kiểm tra x 0,73 x 0,73 nhỏ, thơng số kỹ thuật đảm Đường kính dây Số vòng dây 216 216 Bội số dòng khởi động 5,2 5,22 0,4 bảo tiêu chuẩn đặt Bội số mômen khởi động 2,0 2,01 0,5 Bội số mômen max 2,3 2,29 0,43 Kết chương trình Hiệu suất 84,05 84,06 0,1 83,17 83,09 0,1 Cosϕ 7,7 7,7 TKCLA kiểm nghiệm g g 1 0,3 0,3 chương trình KTCLA phần 10 g mềm SPEED VIHEM, kết tính so sánh với cho thấy có sai số nhỏ Vì chương trình KTCLA TKCLA hai chương trình có quy trình tính tốn ngược có chung thuật tốn nên sử dụng chương trình TKCLA để Bảng 3.7: Bảng so sánh kết thiết tính tốn thiết kế động kế động kW, 2p = hiệu suất cao Động kW, 2p = (thép 2211, p1/50 = 2,5 W/kg) gFe gCu gAl CTAMAD thực theo đề η cosϕ i (kg/kW) (kg/kW) (kg/kW) m m (%) (%) tài cấp nâng cao hiệu suất, 82 83 2,1 2,3 5,2 7,7 0,31 86 83 2,56 2,6 7,4 10,1 1,5 0,37 công ty thực nâng 86,1 83,01 2,24 2,38 6,37 1,067 0,3 hiệu suất lên 86% Với phương 31 50 19,4 16,9 6,7 - 3,2 pháp thiết kế nghiên cứu, thực thiết kế động nâng hiệu suất lên 86%, kết bảng 3.7 Từ kết bảng 3.7 cho thấy, với phương pháp thiết kế xây dựng, để đạt hiệu suất 86,1% mức tăng vật liệu STT Đơn vị Các thơng số TKCLA Tính kiểm tra (SPEED) Sai số (%) Bội số dịng khởi động Bội số mơmen khởi động (mk) Bội số mômen cực đại (mmax) Hiệu suất Cosϕ STT Đơn vị Các thơng số TKCLA mm vịng % % kg/kW kg/kW kg/kW Fe Cu Al Thông số Phương pháp k CTAMAD Nghiên cứu [14] TKCLA Mức tăng vật liệu [14] Mức tăng vật liệu max k kW, 2p =4 KTCLA Sai số(%) 14 Kết luận chương Kết đạt chương là: Để giảm thành phần tổn hao chính, chương xây dựng phương pháp thiết kế mạch điện mạch từ tối ưu có chức xác định tiết diện rãnh stato Sr tối ưu ứng với hệ số lấp đầy cực đại, kích thước rãnh tối ưu stato rôto thỏa mãn ràng buộc vật liệu, công nghệ đạt tổng tổn hao stato rôto nhỏ Đã xây dựng phần mềm có hai chức tính kiểm tra (ký hiệu KTCLA) tính tốn thiết kế (ký hiệu TKCLA) Dùng chương trình KTCLA để tính tốn kiểm nghiệm động chế tạo thiết kế Đã kiểm nghiệm kết thiết kế chương trình KTCLA phần mềm SPEED VIHEM cho thấy sai số tương đối nhỏ Như chương trình KTCLA TKCLA có độ xác chấp nhận được, sử dụng để tính tốn kiểm tra thiết kế động Đã nghiên cứu tính tốn thiết kế nâng hiệu suất động kW 2,05% mà thêm vật liệu tác dụng so với động sản xuất theo tiêu chuẩn TCVN 1987-1994 Thực thiết kế nâng hiệu suất động kW lên đạt tiêu chuẩn động hiệu suất cao TCVN 7540-1:2005 Nếu phần phương pháp chọn giá trị nhóm thơng số kích thước (hình 3.2) liên quan đến bốn thông số thiết kế đường kính ngồi lõi sắt stato Dn, chiều dài lõi sắt stato l, đường kính lõi sắt stato D mật độ từ thơng khe hở khơng khí Bδ (tương ứng với biến số toán thiết kế x1, x2, x3, x4) xây dựng mô hình tốn biểu thức có dạng η = f(x1, x2, x3, x4) việc giải biểu thức η = f(x1, x2, x3, x4) để xác định giá trị biến số x1, x2, x3, x4 thỏa mãn hiệu suất đặt nhanh xác Chương XÂY DỰNG BIỂU THỨC MÔ TẢ QUAN HỆ GIỮA HIỆU SUẤT VỚI KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU VÀ MẬT ĐỘ TỪ THƠNG KHE HỞ KHƠNG KHÍ Phương pháp thiết kế mạch điện mạch từ nghiên cứu chương tối ưu tiết diện rãnh stato, chiều cao rãnh stato rôto để η lớn đồng thời đảm bảo tiêu chuẩn kỹ thuật khác Khi có giá trị nhóm thơng số kích thức thực theo phương pháp vừa xét hết phương án để chọn số có hiệu suất cao đồng thời rút ngắn thời gian tính tốn cho q 15 trình thiết kế Tuy nhiên, xét tốn thiết kế tổng thể, việc chọn giá trị ban đầu kích thước chủ yếu tải điện từ D nhỏ, l lớn, Bδ lớn để tính tốn thiết kế sau điều chỉnh lặp lại đến đạt tiêu chuẩn đặt chiếm nhiều thời gian nhớ máy tính Vì cần thiết xây dựng biểu thức xác định quan hệ η với thơng số Dn, D, l, Bδ có dạng η = f(Dn, D, l, Bδ) Thông qua biểu thức xác định giá trị thông số Dn, D, l, Bδ theo hiệu suất đặt từ giai đoạn đầu thiết kế, kết hợp với phương pháp thiết kế mạch điện mạch từ chương tạo thành phương pháp thiết kế động KĐB ba pha rơto lồng sóc có hiệu suất cao tương đối hồn chỉnh mà vừa xét hết phương án để chọn phương án phù hợp đồng thời rút ngắn thời gian tính tốn cho q trình thiết kế 4.1 Xác định biến số độc lập, miền giới hạn phương pháp xây dựng biểu thức có dạng η = f(Dn, D, l, Bδ) Sau phân tích, phần đến kết luận là: - Biểu thức cần xây dựng hàm số có dạng: η = f(kD, λ, Bδ) - Phương pháp: Quy hoạch trực giao cấp hai - Khoảng biến thiên biến số: Bảng 4.1: Khoảng biến thiên Qua khảo sát vật liệu công biến độc lập nghệ sản xuất nhà máy chế (với thép 2211, ∋21, 5A-1300) Với 2p = 2; P = 0,75 ÷ 2,2 (kW) Với 2p = 2; P = ÷ 7,5 (kW) tạo động điện Việt Nam Công 0,52 ≤ k ≤ 0,6 0,55 ≤ k ≤ 0,63 0,46 ≤ λ ≤ 0,7 0,53 ≤ λ ≤ 0,83 ty Chế tạo điện Hà Nội, Công ty 0,61 ≤ B ≤ 0,73 (T) 0,67 ≤ B ≤ 0,75 (T) cổ phần Chế tạo máy điện Việt Nam Với 2p = 4; P = 0,75 ÷ 2,2 (kW) Với 2p = 4; P = ÷ 7,5 (kW)) 0,56 ≤ k ≤ 0,64 0,54 ≤ k ≤ 0,64 0,44 ≤ λ ≤ 0,7 0,57 ≤ λ ≤ 0,9 – Hungari , thông số kD, l, Bδ 0,7 ≤ B ≤ 0,82 (T) 0,74 ≤ B ≤ 0,84(T) động có cơng suất P = 0,75 ÷ 7,5 Với 2p = 6; P = 0,75 ÷ 2,2 (kW) Với 2p = 6; P = ÷ 7,5 (kW) 0,58 ≤ k ≤ 0,68 0,67 ≤ k ≤ 0,73 0,57 ≤ λ ≤ 0,71 0,55 ≤ λ ≤ 0,86 kW, số cực 2, 4, cực có khoảng 0,7 ≤ B ≤ 0,82 (T) 0,76 ≤ B ≤ 0,86 (T) biến thiên bảng 4.1 4.2 Quy hoạch trực giao, quy hoạch trực giao cấp 4.2.1 Quy hoạch trực giao: phần trình bày mơ hình quy hoạch trực gao, bảng số liệu thực nghiệm quy hoạch khái niệm quy hoạch trực giao 4.2.2 Quy hoạch trực giao cấp 2: theo quy hoạch này, cần làm ba loại thực nghiệm, gồm: n1 = 2k thực nghiệm toàn phần, n0 (n0 ≥ 1) thực nghiệm tâm miền quy hoạch nk = 2k thực nghiệm bố trí trục tọa độ, cách gốc tọa độ đoạn α > D δ D δ D δ D δ D δ D δ 16 4.3 Xây dựng biểu thức mô tả quan hệ hiệu suất với kích thước chủ yếu mật độ từ thơng khe hở khơng khí Trong phần trình bày trình xây dựng biểu thức dãy cơng suất P = ÷ 7,5 kW; 2p = Với biến số đầu vào (kD, λ Bδ tức k = 3), biểu thức có dạng: ~ η = b0 + ∑ j =1 b j x j + ∑ b ij x i x j + j =1 i< j ∑b j =1 jj x2 j (4.11) Quá trình xây dựng biểu thức giải vấn đề: xây dựng ma trận liệu hay ma trận thực nghiệm, xác định kiểm định hệ số, kiểm định biểu thức 4.3.1 Xây dựng ma trận thực nghiệm: Xác định giá trị biến số: gọi biến thực tế Zj, j = 1, k , Z j ≤ Z j ≤ Z j Với k = ta có Z1 tương ứng kD, Z2 tương ứng với λ, Z3 tương ứng Bδ Giá trị gốc, cận trên, cận biến số khoảng ΔZj bảng 4.3, (Luận án trang 94) Mã hóa lập ma trận thực nghiệm: phần trình bày trình mã hóa lập ma trận thực nghiệm Sau mã hóa biến, lập ma trận thực nghiệm tồn phần cho biến mã bảng 4.4 (Luận án trang 95), xác định giá trị cần làm thực nghiệm cho biến thực tế bảng 4.5 (Luận án trang 96) tiến hành tính tốn cho thực nghiệm để lập ma trận thực nghiệm đầy đủ bảng 4.6 (Luận án trang 97) 4.3.2 Xác định kiểm định hệ số: trình bày xác định hệ số kiểm nghiệm hệ số (các hệ số gồm b0, bj, bij, bjj) Sau xác định hệ số, ta biểu thức hồi quy lý thuyết: ~ η = 0,860713 – 0,00086x1 + 0,02158x2 – 0,00412x3 + 0,00059x1x2 – ′ 0,00321x1x3 + 0,000813x2x3 – 0,00423 x1′ – 0,01201 x′ – 0,0032 x3 (4.20) Sau kiểm định hệ số ta biểu thức hồi quy thực nghiệm: ~ = 0,87446 + 0,02158x – 0,00412x – 0,00423 x – 0,012 x – 0,0032 x (4.29) η 3 4.3.3 Kiểm định phù hợp biểu thức xây dựng Mục đích kiểm định đánh giá độ xác biểu thức xây dựng, sai số vượt mức cho phép biểu thức không chấp nhận Sau kiểm định cho thấy biểu thức (4.29) phù hợp Chuyển biến mã biến thực ta biểu thức cần nhận được: ˆ η = – 1,14525 + 3,1706kD + 0,77941λ + 1,94082Bδ – 2,64216 k D – 0,44126 λ2 – 1,28057 Bδ2 (4.34) 17 Tương tự ta có biểu thức cho dãy công suất khác tổng hợp theo bảng đây: Biểu thức η = f(kD, λ, Bδ) Cơng suất, số cực (0,75 ÷ 2,2) kW η = – 2,6805 + 5,981kD + 1,7682λ + 3,2776Bδ – ˆ 2p = 2,567kDBδ – 0,8494λBδ – 3,4156 k D – 0,8374 λ2 – 0,905 Bδ2 (4.35) ˆ (0,75 ÷ 2,2) kW η = – 0,15289 + 2,8045kD + 1,0106λ + 0,3074Bδ + 2p = 2,984kDBδ – 4,2893 k D – 0,78466 λ2 – 1,0178 Bδ2 (4.36) (3 ÷ 7,5) kW η = – 1,29869 + 3,06891kD + 0,866561λ + 2,704244Bδ ˆ 2p = 2 – 2,60077 k D – 0,53098 λ2 – 1,97835 Bδ2 (4.37) (0,75 ÷ 2,2) kW η = – 3,00284 + 4,62063kD + 4,51608λ + 2,25172Bδ – ˆ 2p = 2,05417λB – 2,4281 k – 3,33281 λ2 – 0,62999 B δ D δ (4.38) (3 ÷ 7,5) kW η = – 3,22478 + 7,794356kD + 0,944818λ + 2,55185Bδ ˆ 2p = – 5,5674 k D – 0,59368 λ2 – 1,62644 Bδ2 (4.39) Kết luận chương Kết chương đạt là: Đã xây dựng biểu thức η = f(kD, λ, Bδ) mô tả quan hệ hiệu suất với nhóm thơng số kích thước cho động dãy công suất từ 0,75 đến 7,5 kW số cực 2, cực Sai số sử dụng biểu thức ˆ η = f(kD, λ, Bδ) để tính hiệu suất trực tiếp (η ) từ biến số kD, λ, Bδ hiệu suất thực nghiệm (η) tương đối nhỏ (trong trường hợp xem xét, sai số lớn 0,57%) Điều cho thấy biểu thức có độ xác chấp nhận áp dụng xác định kích thước chủ yếu tải điện từ động KĐB ba pha rơto lồng sóc có hiệu suất cao Với biểu thức η = f(kD, λ, Bδ) thành lập góp phần xây dựng phương pháp thiết kế động KĐB ba pha rơto lồng sóc có định hướng hiệu suất cao giai đoạn đầu trình thiết kế xác định nhóm thơng số kích thước Như phương pháp thiết kế động KĐB ba pha rơto lồng sóc hiệu suất cao hoàn chỉnh xây dựng sở kết nhận từ chương 18 Chương THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA RƠTO LỒNG SĨC HIỆU SUẤT CAO 5.1 Phương pháp thiết kế động KĐB ba pha rơto lồng sóc hiệu suất cao Phương pháp xây dựng nhờ kết hợp kết từ chương 4, bao gồm: xác định nhóm thơng số kích thước theo hiệu suất giai đoạn đầu thiết kế nhờ vào biểu thức η = f(kD, λ, Bδ), thiết kế mạch điện mạch từ chương trình thiết kế 5.1.1 Phương pháp xác định nhóm thơng số kích thước theo hiệu suất Khi tiến hành thiết kế, dựa vào công suất tốc độ động để chọn đường kính ngồi lõi sắt stato (thường lấy chuẩn theo chiều cao tâm trục) hệ số λ phù hợp với điều kiện công nghệ chế tạo, sau vào hiệu suất cần đạt tiến hành xác định kD, Bδ theo biểu thức (4.34), (4.35), (4.36), (4.37), (4.38), (4.39) để tìm kD, Bδ Cũng xác định giá trị kích thước chủ yếu tải điện từ cách chọn trước giá trị kD cho λ biến thiên khoảng công nghệ cho phép Quan hệ hiệu suất với nhóm thơng số kích thước cho động kW số cực 2p = cho trước giá trị λ hình 5.4 cho trước giá trị kD hình 5.5 Hình 5.4: Quan hệ hiệu suất Hình 5.5: Quan hệ hiệu suất với nhóm thơng số kích thước với nhóm thơng số kích thước động kW; 2p = 4; kD = động kW; 2p = 4; λ = 0,6; Dn = 170 mm 0,65; Dn = 170 mm Từ hình 5.4 5.5 cho thấy có số giá trị kD, λ, Bδ thỏa mãn hiệu suất yêu cầu, chọn trị số kD, λ, Bδ phù hợp để nhận hiệu suất mong muốn đồng thời đáp ứng tiêu kinh tế kỹ thuật khác 5.1.2 Phương pháp thiết kế mạch điện mạch từ: phương pháp thiết kế mạch điện mạch từ có chức xác định miền giới hạn (G) theo 19 vật liệu, công nghệ xác định chiều cao tối ưu rãnh stato, rơto Trong miền cịn lại số phương án thiết kế thỏa mãn điều kiện vật liệu cơng nghệ Đó bên cạnh giới hạn chủ yếu chiều dài khe hở khơng khí δ, chiều dài lõi sắt, hệ số ép chặt lõi sắt kc cịn có giới hạn mật độ từ thông cho phép tối thiểu tối đa thép, giới hạn nhỏ bề rộng stato rơto, đường kính (hay bề rộng) đáy nhỏ rãnh rôto Sau có miền G, tiến hành tính tốn để xác định chiều cao rãnh tối ưu stato rơto Trong q trình tính tốn thiết kế, phần lớn phần tính tốn cần thiết tập trung xác định chiều cao rãnh tối ưu stato rôto Vì miền G loại bỏ phương án khơng cần thiết nên tiết kiệm thời gian trình tính tốn thiết kế 5.1.3 Chương trình tính tốn thiết kế động KĐB ba pha rơto lồng sóc hiệu suất cao: phần trình bày phương pháp xây dựng chương trình “tính tốn thiết kế động KĐB ba pha rơto lồng sóc hiệu suất cao” hồn chỉnh (đặt tên TKHSCLA), có sơ đồ cấu trúc hình 5.7, (Luận án trang 113) 5.2 Thiết kế động KĐB ba pha rơto lồng sóc hiệu suất cao 5.2.1 Thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7540 – 1:2005 Hiệu suất động với công suất P = kW số cực 2p = thiết kế chương có nhờ vào sử dụng “phương pháp thiết kế mạch điện mạch từ” kết hợp với việc chọn điều chỉnh lặp lại theo kinh nghiệm người thiết kế thông số kích thước chủ yếu (D, l) tải điện từ (Bδ, A) Vì thơng số D, l, Bδ, A chọn nên hàm mục tiêu chưa nhận giá trị cực trị toàn cục Sử dụng chương trình TKHSCLA tiến hành tính tốn thiết kế động với giới hạn chủ yếu nhà máy chế tạo động điện Việt Nam loại thép sử dụng, chiều dài khe hở khơng khí δ, chiều dài lõi sắt qua hệ số λ, hệ số ép chặt lõi sắt kc Kết tính tốn thiết kế bảng 5.1 Bảng 5.1: Bảng so sánh tiêu kỹ thuật Ghi chú: vật liệu tác dụng động 3kW, 2p = - TKCLA: Chương trình (thép 2211, p1/50 = 2,5 W/kg) thiết kế có tổng tổn hao gFe gCu gAl η cosϕ m i (kg/kW) (kg/kW) (kg/kW) m (%) (%) nhỏ 86 83 2,56 2,6 7,4 10,1 1,5 0,37 Nghiên cứu CTAMAD - TKHSCLA: Chương trình TKCLA 86,1 83,01 2,24 2,38 6,37 1,067 0,3 86,1 83,44 2,2 2,44 8,5 1,067 0,27 thiết kế động KĐB ba pha TKHSCLA 86 83 2,0 2,2 6,5 TCVN 7540 – 1:2005 rôto lồng sóc hiệu suất cao Thơng số Phương pháp k max k 20 Từ kết bảng 5.1 cho thấy: để hiệu suất đạt 86,1% theo TCVN 7540 – 1:2005, TKHSCLA giảm 5,9% vật liệu sắt 10% vật liệu nhôm so với TKCLA Đặc biệt để đạt kết này, TKHSCLA có thời gian tính tốn giảm nhiều lần so với TKCLA Thực tính toán thiết Bảng 5.3: Bảng so sánh tiêu kỹ thuật kế động kW số cực 2p = vật liệu tác dụng động kW, 2p = 4 ứng với giá trị kD, λ, Bδ với kD = 0,6; λ = 0,65; Dn = 170 mm khác, kết phương án (thép 2211, p1/50 = 2,5 W/kg) gFe gCu gAl B cosϕ η bảng 5.3 5.4 m m i (kg/kW) (kg/kW) (kg/kW) (T) (%) (%) Việc xác định giá 0,74 0,86 83 2,02 2,27 5,5 8,5 1,267 0,29 0,77 86,1 83,44 2,2 2,44 8,5 1,067 0,27 trị Bδ hợp lý mạng lại hiệu 0,82 85,2 83,62 2,31 2,54 6,2 8,5 0,767 0,25 suất động cao đồng thời tiết kiệm tiêu vật liệu tác Bảng 5.4: Bảng so sánh tiêu kỹ thuật dụng, phương pháp xác định vật liệu tác dụng động kW, 2p = kích thước chủ yếu mật độ với kD = 0,605; λ = 0,66; Dn = 170 mm (thép 2211, p1/50 = 2,5 W/kg) từ thơng khe hở khơng khí gFe gCu gAl cosϕ B η m m i theo biểu thức (T) (%) (kg/kW) (kg/kW) (kg/kW) (%) 0,74 0,859 83 2,07 2,27 5,6 8,7 1,267 0,295 η = f (λ , k D , Bδ ) giải 0,76 86,3 83,5 2,01 2,39 5,9 8,7 1,067 0,296 0,79 86,1 83,3 2,35 2,58 6,4 8,7 0,9 0,269 điều Các thiết kế bảng 5.3, 5.4 tính tốn thay đổi λ Bδ, tiếp tục tính toán thiết kế cho động thay đổi kD, kết bảng 5.5 Kết bảng 5.3, 5.4, 5.5 phương án thiết kế khác Bảng 5.5: Bảng so sánh tiêu kỹ thuật nhau, với phương án có vật liệu tác dụng động kW, 2p = thể chọn phương án có với λ = 0,66; Bδ = 0,76; Dn = 170 mm (thép 2211, p1/50 = 2,5 W/kg) tiêu kỹ thuật tốt đồng thời gFe gCu gAl kD η cosϕ m m i (kg/kW) (kg/kW) (kg/kW) chi phí cho vật liệu tác dụng (%) (%) 0,6 86,3 83,97 2,08 2,39 5,9 8,7 1,067 0,286 0,595 86,4 83,14 2,31 2,47 8,7 1,2 0,266 0,59 8,61 83,29 2,01 2,27 5,5 8,7 1,267 0,29 Kết tính tốn thiết kế bảng 5.3, 5.4 (khi cho mật độ từ thơng khe hở khơng khí thay Bảng 5.6: Bảng so sánh tiêu kỹ thuật đổi) cho thấy sử dụng loại vật liệu tác dụng động kW, 2p = sử dụng loại thép khác thép tốt (loại thép có suất tổn hao nhỏ độ từ thẩm 86,1 83,3 2,2 2,44 8,5 1,067 0,27 cao hơn) động có kích Thép 2211 Thép CS-50S600 86,1 84 2,0 2,26 5,7 0,967 0,27 thước gọn nhẹ Ứng dụng điều này, dùng loại thép CS-50S600 (có suất tổn hao riêng p1/50 = 1,63 W/kg) tiến hành thiết kế cho động kW trên, kết bảng 5.6 Thông số δ k Thông số max k k max k k Phương án max k mk mmax δ Phương án Thông số Phương án Thông số Phương pháp η cosϕ (%) (%) gFe ik gCu (kg/kW) (kg/kW) gAl (kg/kW) 21 Khi sử dụng thép tốt (có suất tổn hao nhỏ độ từ thẩm cao) động có kích thước nhỏ gọn giá thành thép loại cao nên tổng chi phí cho vật liệu sản phẩm cao 5.2.2 Thiết kế theo tiêu chuẩn Châu Âu mức Eff1 Ứng dụng phương pháp thiết kế động không đồng ba pha rôto lồng sóc hiệu suất cao xây dựng, thực tính tốn thiết kế động kW có số cực 2p = theo phương án công nghệ vật liệu khác thay đổi chiều dài khe hở khơng khí δ nhỏ hơn, hệ số ép chặt lõi sắt kc lớn hơn, chiều dài tối đa lõi thép thông qua hệ số λ, dùng loại thép CS-50S600 có tổn hao riêng tương đối nhỏ p1/50 = 1,63 W/kg Kết thể bảng 5.7 Bảng 5.7: Bảng so sánh tiêu kỹ thuật vật Với kết bảng liệu tác dụng động kW, 2p = thay đổi 5.7, phương án có xét vật liệu cơng nghệ đến điều kiện sản xuất m m i nhà máy chế tạo 86,1 83,3 2,2 2,44 8,5 1,067 0,27 động điện Việt 87 83,37 2,2 2,44 8,5 1,067 0,273 Nam, phương án 87,2 84,15 2,3 2,35 6,2 8,5 1,067 0,279 87,4 84,3 2,1 2,3 6,1 8,5 1,067 0,293 lại sử dụng loại 87,6 83,02 2,2 2,47 6,1 8,7 1,2 0,284 thép CS-50S600 có tổn hao riêng p1/50 = 1,63 W/kg Phương án thực giảm nhỏ chiều dài khe hở không khí, phương án thực giảm nhỏ chiều dài khe hở khơng khí đồng thời tăng hệ số ép chặt lõi thép kc, phương án tăng hệ số ép chặt lõi thép kc hệ số λ (hệ số λ = 0,66 nằm giới hạn cho phép nhà máy chế tạo động điện Việt Nam) Qua kết bảng 5.7 cho thấy trọng lượng thép khơng đổi (đường kính ngồi chiều dài lõi thép stato khơng đổi) vật liệu tốt chiếm tỷ lệ lớn việc nâng cao hiệu suất so với đầu tư công nghệ làm nhỏ chiều dài khe hở khơng khí tăng hệ số ép chặt thép, chiều dài khe hở khơng khí nhỏ có tác dụng tốt việc tăng hệ số công suất Qua khảo sát động kW số cực 2p = cho thấy giới hạn công nghệ vật liệu chủ yếu xét nhà máy chế tạo động điện Việt Nam chiều dài khe hở không khí δ = 0,3 mm; kc = 0,95; λmax ≤ 0,66; thép có tổn hao riêng p1/50 = 2,5 W/kg cần đầu tư thêm cơng Thơng số Phương án thiết kế Thép 2211, λ =0,65, kc = 0,95 Thép CS-50S600, λ =0,65; kc= 0,95 Thép CS-50S600; δ = 0,25 mm, λ = 0,65 Thép CS-50S600; δ = 0,25 mm, kc = 0,97, λ =0,65 Thép CS-50S600; kc = 0,97, λ =0,66 η cosϕ (%) (%) gFe k max k gCu (kg/kW) (kg/kW) gAl (kg/kW) 22 nghệ tăng hệ số ép chặt từ 0,95 lên 0,97, sử dụng loại thép có tổn hao riêng tương dối nhỏ (như loại thép CS-50S600) kết hợp với phương pháp thiết kế xây dựng nâng cao hiệu suất đạt tiêu chuẩn Châu Âu mức Eff1 5.3 Lợi ích phương án nâng cao hiệu suất động Năng lượng tiết kiệm vòng đời động hiệu suất cao xác định: W = Pđm.h.(1/η1 – 1/η2), kWh Hiện giá tiền kWh kinh doanh 1725 đồng số tiền tiết kiệm động hiệu suất cao: T = (1725.W), đồng Sơ ta có số tiền Bảng 5.8: Bảng tính tốn lợi ích kinh tế tiết kiệm động hiệu suất cao phương án nâng cao hiệu (thép 2211, p1/50 = 2,5 W/Kg) suất động kW đạt 86 10210 205200 87900 17319 tiêu chuẩn TCVN 754086,1 10452 82200 35200 17914 1:2005 (các thiết kế 86 10210 18750 8035 17585 86,1 10452 98000 42000 17891 bảng 5.3, 5.4, 5.5) mang 86 10210 18750 8035 17585 lại qua bảng tính tốn 5.8 86,1 10452 173250 74300 17784 86,4 11179 173400 74310 19036 Bảng 5.8 lợi 86,1 10452 217200 93000 17721 10 ích mang lại động theo phương án khác nhau, thực tế số lượng động chơ sử dụng hàng ngày nhiều (riêng CTAMAD hàng năm sản xuất khoảng 35.000.000 sản phẩm) nên lợi ích mang lại cho việc nâng cao hiệu suất động lớn Với số lượng động sử dụng công nghiệp xây dựng tiêu thụ khoảng 50% lượng điện quốc gia nên số tiền tiết kiệm mà động mang lại hàng ngàn tỷ đồng Ngồi lợi ích kinh tế tính bảng 5.7 cịn mang lại nhiều lợi ích xã hội mơi trường Thơng số Phương án η (%) Điện tiết kiệm (kWh) Chi phí tăng thêm vật liệu so với động thơng thường (đồng) Chi phí khác (đồng) Số tiền tiết kiệm 103(đồng) Kết luận chương Kết chương đạt là: Đã xây dựng phương pháp thiết kế động KĐB ba pha rơto lồng sóc hiệu suất cao tương đối hoàn chỉnh bao gồm xác định nhóm thơng số kích thước theo hiệu suất, thiết kế mạch điện mạch từ tối ưu cuối chương trình tính tốn thiết kế động KĐB ba pha rơto lồng sóc hiệu suất cao (chương trình đặt tên TKHSCLA) 23 Đã thực thiết kế nâng hiệu suất động 3kW số cực 2p = với phương án khác có hiệu suất thỏa mãn tiêu chuẩn động KĐB ba pha rơto lồng sóc hiệu suất cao (TCVN 7540- 1:2005) mà tăng nhiều vật liệu Q trình thiết kế có xét yếu tố cơng nghệ, vật liệu chủ yếu liên quan đến chiều dài khe hở khơng khí, độ dài lõi sắt qua hệ số λ, hệ số ép chặt kc loại thép dùng phổ biến nhà máy chế tạo động điện Việt Nam Đã thực đưa giải pháp vật liệu, công nghệ nâng hiệu suất động khơng đồng ba pha rơto lồng sóc đạt với tiêu chuẩn Châu Âu mức Eff1 Lợi ích việc sử dụng động hiệu suất cao lớn, cần sớm đưa động hiệu suất cao vào thiết kế, chế tạo Việt Nam KẾT LUẬN CHUNG Động KĐB ba pha mà chủ yếu loại rôto lồng sóc sử dụng phổ biến cơng nghiệp tiêu thụ lượng điện lớn Do vậy, nghiên cứu thiết kế, chế tạo động hiệu suất cao cần thiết, hiệu suất nâng cao mang lại lợi ích kinh tế mà cịn bảo vệ môi trường đồng thời giảm thiểu nguy ảnh hưởng đến sức khỏe người Những đóng góp luận án: Đề tài “Phương pháp thiết kế nâng cao hiệu suất động KĐB ba pha rôto lồng sóc thiết kế” hồn thành nghiên cứu với nội dung: - Đã tổng hợp, phân tích có hệ thống nghiên cứu thiết kế thiết kế tối ưu động KĐB ba pha rôto lồng sóc ngồi nước Nêu giải pháp nâng cao hiệu suất động - Đã phân tích chi tiết ảnh hưởng thông số thiết kế, bao gồm: nhóm thơng số kích thước bản, nhóm thơng số thiết kế mạch điện, nhóm thơng số thiết kế mạch từ đến tổn hao đồng sắt động KĐB ba pha rơto lồng sóc Đây hai thành phần tổn hao chiếm tỷ lệ lớn tổn hao động - Trong luận án xây dựng phương pháp thiết kế mạch điện mạch từ cho phép chọn tiết diện rãnh stato tối ưu với hệ số lấp đầy cực đại, xác định chiều cao rãnh stato rôto tối ưu để tổng tổn hao đồng sắt nhỏ đồng thời thỏa mãn ràng buộc khác 24 - Để tiết kiệm thời gian nâng cao độ xác thiết kế, luận án xây dựng biểu thức toán học thể quan hệ hiệu suất với nhóm thơng số kích thước cho động dãy công suất từ 0,75 đến 7,5 kW với số cực 2, Từ biểu thức xác định nhóm thơng số kích thước thỏa mãn yêu cầu hiệu suất tiêu kinh tế kỹ thuật khác giai đoạn đầu trình thiết kế - Trong luận án xây dựng phương pháp thiết kế tối ưu tương đối hồn chỉnh kết hợp xác định nhóm thơng số kích thước theo hiệu suất với thiết kế mạch điện mạch từ tối ưu Xây dựng phần mềm có hai chức tính kiểm tra tính tốn thiết kế Có thể sử dụng chương trình tính kiểm tra để kiểm nghiệm động thiết kế chế tạo - Trong luận án tính tốn thiết kế nâng hiệu suất động kW số cực 2p = lên 2,05% mà tăng thêm vật liệu tác dụng Đã thực thiết kế nâng hiệu suất động kW số cực 2p = lên đạt tiêu chuẩn TCVN 7540 - 1:2005 với chi phí đầu tư tương đối Kết thiết kế tính kiểm nghiệm VIHEM, sai số tiêu kỹ thuật thiết kế tính kiểm tra tương đối nhỏ - Đã thực đưa giải pháp vật liệu, cơng nghệ nâng hiệu suất động khơng đồng ba pha rơto lồng sóc với tiêu chuẩn Châu Âu mức Eff1 Kết nghiên cứu luận án góp phần đáng kể việc nâng cao hiệu suất động KĐB ba pha rơto lồng sóc thiết kế Kiến nghị hướng nghiên cứu mở rộng: - Lợi ích việc sử dụng động điện KĐB ba pha rơto lồng sóc có hiệu suất cao lớn Do cần sớm đưa động vào thiết kế, chế tạo sử dụng Việt Nam - Cần tiếp tục nghiên cứu xây dựng mơ hình η = f(kD, λ, Bδ) cho động có cơng suất lớn - Cần sử dụng vật liệu thép tốt đầu tư cơng nghệ để giảm trọng lượng kích thước đồng thời nâng cao hiệu suất động - Cần nghiên cứu xây dựng mơ hình máy điện đại nghiên cứu sâu phương pháp thiết kế nhằm không giảm tổn hao mà cịn giảm tổn hao phụ, tổn hao để nâng cao hiệu suất động  ... quan phương pháp thiết kế nâng cao hiệu suất động khơng đồng ba pha rơto lồng sóc Chương 2: Ảnh hưởng thông số thiết tổn hao hiệu suất động không đồng ba pha rơto lồng sóc Chương 3: Phương pháp thiết. .. Như phương pháp thiết kế động KĐB ba pha rôto lồng sóc hiệu suất cao hồn chỉnh xây dựng sở kết nhận từ chương 18 Chương THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA RƠTO LỒNG SĨC HIỆU SUẤT CAO 5.1 Phương. .. tổng tổn hao đồng sắt để hiệu suất động cao 9 Chương PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN VÀ MẠCH TỪ 3. 1 Bài toán thiết kế động KĐB ba pha rơto lồng sóc hiệu suất cao Bài toán thiết kế động tối ưu