Tối ưu hoá kíh thướ lá thép stato và rôto động ơ không đồng bộ xoay hiều ba pha rôto lồng só theo hiệu suất

ường cÈ Ẽiện lẾ loỈi mÌy Ẽiện xoay chiều Ẽọng vai trò trong mờt phần phÌt minh tiến bờ cũa KHKT vẾ lẾ thiết bÞ Ẽiện Ẽùc sữ dừng rờng r·i nhất trong hệ thộng cẬng nghiệp vẾ thÈng mỈi vợ

tối u hoá kích thớc lá thép stato và rôto động cơ không đồng bộ xoay chiều

ba pha rôto lồng sóc theo hiệu suất

Nguyễn thị minh hiền

Hà nội 2006

Lêi cam ®oan

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

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

Hµ néi ngµy 20 th¸ng 12 n¨m 2006

NguyÔn ThÞ Minh HiÒn

Mục lục

Các từ viết tắt

Danh mục các hình vẽ

Danh mục các bảng

Mở đầu 9

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

1.1 Sự cần thiết phải nâng cao hiệu suất 11

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

1.2.1 Tổn hao cơ 18

1.2.2 Tổn hao sắt 19

1.2.3 Tổn hao đồng 25

1.2.4 Tổn hao phụ 27

1 2.5 Các nghiên cứu về giảm tổn hao và tăng hiệu suất của động cơ ….28 1.3 Hiệu suất 29

1.4 Kết luận 30

Ch ơng 2: Phơng pháp thiết kế tối u 39

2.1 Cơ sở lý thuyết về thiết kế tối u 39

2.2 Các phơng pháp tính tối u 40

2.2.1 Nhóm phơng pháp tìm kiếm toàn cục 41

2.2.1.1 Phơng pháp duyệt toàn bộ trên lới đều 41

2.2.1.2 Phơng pháp thử nghiệm thống kê độc lập……….43

4.3 2.2.2 Phơng pháp tìm cực trị địa phơng 45

2.3 Kết luận 48

Chơng 3 Xác định sức từ động trên lá thép và hiệu suất của động cơ

không đồng bộ xoay chiều ba pha rôto lồng sóc 49

3.1 Xây dựng thuật toán tối u kích thớc lá thép theo sức từ động…49 3.1.1 Lu đồ thuật toán 51

3.1.2 Kết quả tính toán 57

3.2 Xây dựng đặc tính làm việc và khởi động 61

3.2.1.Thuật toán xây dựng đặc tính làm việc 61

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

3.3 Kết luận 71

Kết luận chung 72

Tài liệu tham khảo 75

Phụ lục 76

Các từ viết tắt

ĐC Động cơ

Kđb Không đồng bộ

9 Hình 2-1: Đồ thị biểu diễn các mắt lới của phơng

10 Hình 3 1 : Biểu đồ lới bài toán thiết kế tối u kích

-thớc lá thép

51

11 Hình 2 : Hình dạng mạch từ của ĐC 30 KW3- 58

12 Hình 3-3 : Kết quả tính sức từ động trên lá thép 59

13 Hình 3-4: Kích thớc tối u lá thép stato 60

14 Hình 3-5: Kích thớc tối u lá thép rôto 60

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

16 Hình 3 7 a: Đặc tính hiệu suất - η = f(P2) 65

17 Hình 3-7 b: Đặc tính tốc độ s = f (P2) 65

18 Hình 3 7 c Đặc tính làm việc P- 1 = f (P2) 66

19 Hình 3 7 d Đặc tính cos- φ = f (P2) 66

Danh mục các bảng

1 Bảng1-1: Tiêu chuẩn về hiệu suất của động cơ NEMA 13

2 Bảng1-2: Dự thảo tiêu chuẩn mới về hiệu suất của động

3 Bảng 1-3: Tiêu chuẩn Việt Nam1987 1994 và TCVN

-315 85 của động cơ KĐB ba pha kiểu IP44- 17

Mở đầu

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

đợc nâng cao nên cần phát triển nhiều loại máy điện mới Tốc độ phát triển của nền sản xuất công nông nghiệp của một nớc đòi hỏi một tốc độ phát triển tơng ứng của ngành công nghiệp điện lực, nhất là ngành chế tạo máy điện

Động cơ điện là loại máy điện xoay chiều đóng vai trò trong một phần phát minh tiến bộ của KHKT và là thiết bị điện đợc sử dụng rộng rãi nhất trong hệ thống công nghiệp và thơng mại với chức năng biến đổi năng lợng

điện thành năng lợng cơ, chúng trở nên đặc biệt quan trọng trong nền kinh tếquốc dân

Động cơ KĐB ba pha đặc biệt là động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc đợc dùng phổ biến trong công nghiệp (vì có u điểm là độ tin cậy cao, giá thành thấp, trọng lợng nhẹ, kết cấu đơn giản, chắc chắn, dễ sửa chữa và bảo dỡng), với dải công suất từ hàng trăm Watts đến Megawatts và là bộ phận chính trong

hệ truyền động

Từ năm 1990 trở về trớc, hiệu suất của ĐC là chỉ tiêu thứ yếu Vào những năm 90 của thế kỷ 20 thì hiệu suất của động cơ mới đợc quan tâm, trong khoảng thời gian này, trên thế giới đã xuất hiện nhiều công trình nghiên cứu thiết kế tối u hiệu suất động cơ và đã mang lại nhiều kết quả đáng kể Hiện nay nguồn năng lợng trên thế giới bị cạn kiệt dần và do sự tăng giá của năng lợng nói chung nên hiệu suất ĐC đã dần trở thành tiêu chí áp dụng trong ngành công nghiệp Nó sẽ mang lại lợi ích rất lớn không chỉ về mặt tiết kiệm năng lợng và kinh tế mà còn giảm đáng kể hiệu ứng nhà kính

Do vậy, nâng cao hiệu suất của ĐC trở nên vô cùng cần thiết Có rất nhiều biện pháp để nâng cao hiệu suất của ĐC nh công nghệ chế tạo phù hợp, thay đổi vật liệu chế tạo ngày càng mới, thay đổi các thông số kết cấu (cấu trúc răng, rãnh, khe hở không khí ) hoặc sử dụng thuật toán thiết kế để giảm nhỏ …tổn hao

Với sự phát triển nhanh chóng của kĩ thuật máy tính, một cuộc cách mạng kĩ thuật trong công tác thiết kế và chỉ đạo sản xuất ra sản phẩm bùng nổ

và đang đợc ứng dụng rộng rãi

Do kĩ thuật thiết kế dựa vào máy tính CAD kết hợp đợc đặc điểm tính nhanh và chính xác của máy tính với năng lực phân tích tổng hợp của ngời thiết kế nên gia tăng quá trình thiết kế, rút ngắn thời gian thiết kế, nâng cao chất lợng sản phẩm, thích ứng với yêu cầu đa dạng của sản phẩm có sản lợng

ít So với thiết kế cũ theo kinh nghiệm thì giá thành chế tạo sản phẩm giảm xuống rất nhiều, rút ngắn thời gian chuẩn bị sản xuất và nâng cao năng lực sản xuất nhiều lần

Với những phân tích trên, luận văn sử dụng thuật toán thiết kế tối u kích thớc lá thép theo sức từ động, nhằm giảm tổn hao sắt và tổn hao đồng,

nâng cao hệ số cosφ và hiệu suất của ĐC Với mục đích đó, trong luận văn đã

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

Bản luận văn bao gồm ba chơng

Chơng 1: Tổng quan về tổn hao và hiệu suất động cơ không đồng bộ

ba pha rôto lồng sóc

Chơng 2: Phơng pháp thiết kế tối u

Chơng 3 Xác định sức từ động trên lá thép và hiệu suất của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha rôto lồng sóc

Xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo bộ môn Thiết Bị Điện Điện Tử, trung -

tâm Đào Tạo & Bồi Dỡng SĐH trờng ĐHBK Hà Nội và cô giáo TS.Nguyễn

Hồng Thanh đã tận tình giúp đỡ tôi hoàn thành bản luận văn này

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

Chơng1: tổng quan về tổn hao và hiệu suất động cơ

Không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

1.1Sự cần thiết phải nâng cao hiệu suất

* Nhu cầu chung của toàn thế giới:

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

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

70 90%đợc dùng trong công nghiệp

-Với hệ thống công suất điện của Mỹ khoảng 700 GW thì 60% nguồn công suất này đợc sử dụng cho động cơ một pha và ba pha.Tổn hao của động cơ hàng năm (chỉ tính riêng nớc Mỹ) gần 400 tỷ kWh và tính ra tổn thất của

nó gần 3 tỷ đô la cho một năm [8]

Vì thế, nếu có giảm thấp nhất sự tiêu thụ năng lợng của động cơ nói chung và động cơ KĐB ba pha nói riêng sẽ là nguồn tiết kiệm năng lợng quan trọng nhất Thậm chí chỉ cần tăng một phần nhỏ hiệu suất của động cơ sẽ rất có

ý nghĩa trong việc tiết kiệm năng lợng và tác động đến nền kinh tế

Đứng trớc vấn đề đó tại Mỹ tiêu chuẩn hiệu suất cho hầu hết các dãy

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

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

Hiệu suất

(KW)

Tiêu chuẩn hiện tại Tiêu chuẩn sau 10/1997

ODP: ĐC có vỏ bảo vệ chống thấm nớc

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

Theo [13], tiêu chuẩn tính toán sự tiết kiệm năng lợng phụ thuộc vào giờ vận hành của ĐC và công suất sử dụng của ĐC Sự chênh lệch về hiệu suất của hai tiêu chuẩn đánh giá xác định công suất sử dụng và công suất tiết kiệm (KW) cho hai động cơ có cùng điều kiện làm việc, tốc độ và tải nhng khác nhau về hiệu suất đợc xác định theo công thức dới đây:

Công suất tiết kiệm:

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

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

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

KWsavíng- là công suất tiêu thụ đợc tiết kiệm

Nh vậy năng lợng tiết kiệm đợc hàng năm sẽ đợc tính theo công thức:

∆ A (KWh) = P (KW) H∆ 3 1năm (1- 2)

Trong đó

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

Một ví dụ cụ thể nh sau:

Trong nghiên cứu 19 trên tổng số 68 ĐC của một dự án [13], cho nhóm

10 hp với hiệu suất 77% và mỗi ĐC làm việc trong 4000 giờ mỗi năm, ở điều kiện tải 80% tải định mức thì năng lợng 19 ĐC đó tiêu thụ là:

100

19 10hp 0,8 0,746ì ì ì ì ì4000 589049= KWh

Nếu hiệu suất của ĐC tăng lên 88% thì năng lợng tiết kiệm đợc mỗi năm là:

19 10hp 0,8 0,746 (100 100) 4000 73631( )

Và nh vậy năng lợng tiêu phí sẽ giảm đi 12,5%

* Nhu cầu của Việt Nam:

Hoà chung vào nền công nghiệp phát triển của thế giới , nền công nghiệp của nớc ta đã có những bớc phát triển đáng kể, nhu cầu sử dụng điện năng ngày càng tăng Nguồn tin của tổng công ty điện lực Việt Nam (EVN) mới đây cho biết, năm 2006 Việt Nam có thể lâm vào tình trạng thiếu điện trầm trọng nh Trung Quốc (tám tháng đầu năm 2004 nhu cầu sử dụng điện ở Trung Quốc còn thiếu đến 40.000MW)

Để khắc phục tình trạng này một mặt Tổng Công Ty Điện Lực tăng cờng xây dựng thêm các nhà máy phát điện, mặt khác khuyến cáo toàn dân sử dụng tiết kiệm

Bên cạnh đó Việt Nam cũng đã đa ra dự thảo tiêu chuẩn mới (vào tháng

7 năm 2001), yêu cầu về hiệu suất tối thiểu đối với động cơ KĐB ba pha đợc chế tạo phải cao hơn trớc Một trong những dự thảo tiêu chuẩn mới ứng với các dãy công suất của động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc là kiểu IP44 nh

Bảng1-2

Bảng1-2

Dự thảo tiêu chuẩn mới về hiệu suất của động cơ

KĐB ba pha kiểu IP44

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

đợc sản xuất theo tiêu chuẩn trớc đây nh tiêu chuẩn Việt Nam 1987-1994,tiêu chuẩn TCVN 315 85.- Một vài dãy công suất theo các tiêu chuẩn này đợc trình bày ở bảng 1-3

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

của động cơ KĐB ba pha kiểu IP44

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

so với hiệu suất các tiêu chuẩn cũ là 3,5% Đứng trớc vấn đề này đã đặt ra cho lĩnh vực thiết kế và chế tạo máy điện cần nghiên cứu, tính toán thiết kế để tạo ra các sản phẩm đạt đợc những tiêu chuẩn về kinh tế và kỹ thuật nhằm đáp ứng yêu cầu phát triển của xã hội

1.2 Tổn hao trong động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc

Tổn hao trong động cơ có thể đợc diễn tả nh hình 1-1 [2], [7 ]

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

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

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

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

Bảng 1-4

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

Tỷ lệ phân phối tổn hao trung bình Tổn hao 2 cực(p=1) 4 cực (p=2)

-Tổn hao trên các ổ trục: phụ thuộc vào cấu tạo của chúng và dạng bôi trơn Trong các máy không lớn có thể dùng ổ bi tròn hoặc đĩa với mỡ sệt Trong các máy công suất lớn ngời ta dùng các ổ trợt và dầu lỏng bôi trơn để giảm bớt ma sát Trong các điều kiện khác nhau, tổn hao trên các ổ trục tăng khi tăng tốc độ quay, trọng lợng rôto và đờng kính ngang trục ở vùng đặt ổ trục

-Tổn hao do ma sát khi rôto quay trong môi trờng bao quanh: Tổn hao này chính là công suất phải tiêu hao để làm quay các cánh quạt gió Công suất này tỉ lệ với lợng tiêu hao để làm quay các cánh quạt gió Công suất này tỉ lệ với lợng tiêu hao chất tải nhiệt cần thiết Q, nghĩa là khối lợng đi qua hệ

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

đó càng lớn nếu hiệu suất càng thấp

Việc tính toán chính xác tổn hao cơ là rất khó,vì thế khi tính toán phần tổn hao này thì thờng hay dùng công thức thực nghiệm để làm giảm tổn hao này thì chủ yếu là phụ thuộc vào mặt công nghệ chế tạo là chính

1.2.2 Tổn hao trong thép

1.2.2.1 Tổn hao chính trong thép

Tổn hao chính trong thép vì từ trễ và dòng điện xoáy xuất hiện đồng thời Nguyên nhân là do hiện tợng từ hoá xoay chiều xảy ra trong thép khi từ trờng biến đổi

Tổn hao chính trong thép phụ thuộc vào loại thép và đợc đặc trng bởi suất tổn hao thép pFe (W/kg) Suất tổn hao này đợc tính theo suất tổn hao tiêu chuẩn p1/50 theo công thức gần đúng sau:

P1/50- Suất tổn hao thép ở tần số từ hoá f = 50Hz và mật độ từ thông

β = 1 Tesla;

β - Hệ số phụ thuộc vào loại lá thép

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

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

Tổn hao thép trong răng và gông phần ứng đợc tính theo công thức sau:

Gz, Gg – trọng lợng răng và gông phần ứng;

Kgc – hệ số gia công

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

1.2.2.2.Tổn hao phụ trong thép khi không tải

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

a) Tổn hao bề mặt

Khi máy điện quay răng rôto của máy KĐB lần lợt khi thì răng khi thì miệng rãnh của phần ứng, do đó gây ra ở lớp trên bề mặt của răng rôto một sự dao động của mật độ từ thông B Biên độ dao động của B càng lớn khi khe hở không khí càng nhỏ và miệng rãnh càng to

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

z n

f60

Z

=Vì tần số dao động cao nên các dòng điện xoáy cảm ứng trong thép đều tập trung lên lớp mỏng trên bề mặt lõi thép,vì vậy tổn hao gây nên bởi cácdòng

điện xoáy này gọi là tổn hao bề mặt

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

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

đợc xác định theo công thức:

Ngoài tổn hao bề mặt còn có tổn hao đập mạch do hiện tợng đập mạch

đáng kể của mật độ từ thông B trong răng Các nguyên nhân của sự đập mạch này do sự dao động của từ trờng trong vùng liên thông răng rãnh stato và rôto theo vị trí tơng đối của rãnh stato và rôto Tần số dao động trong răng stato bằng Z2.n/60

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

δ γ

δ

=+

(1- 9)

Với rãnh hở, muốn xác định γ cần phải tính bề rộng miệng rãnh

Tổng tổn hao thép lúc không tải:

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

1.2.2.3 Các biện pháp giảm tổn hao trong sắt

a Vật liệu chế tạo

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

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

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

ảnh hởng đến tính năng của nó Cho silic vào thép có thể làm cho điện trở suất tăng cao, do đó hạn chế đợc dòng điện xoáy nên tổn hao thép sẽ thấp xuống, tuy nhiên khi có silic thì cờng độ từ cảm cũng hạ thấp, độ cứng và độ ròn cũng tăng lên, vì vậy lợng silic trong thép nói chung không vợt quá 4,5%

Trong lõi thép của động cơ có từ trờng biến thiên, khi mật độ từ thông

và tần số biến biên không đổi thì tổn hao vì dòng điện xoáy của đơn vị thể tích của lõi thép tỷ lệ bình phơng với chiều dày là thép, vì vậy đại bộ phận máy

điện đều dùng tôn silic dày 0,5mm

Tuỳ theo công nghệ cán, ngời ta chia tôn silic ra làm 2 loại, tôn cán nóng và tôn cán nguội So với tôn cán nóng, tôn cán nguội có nhiều u điểm nh suất tổn hao nhỏ, cờng độ từ cảm cao, chất lợng bề mặt tốt, độ bằng

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

ở tôn silic cán nguội dị hớng, theo chiều cán, suất dẫn từ cao (với cờng độ từ trờng H = 25 A/cm, mật độ từ thông B25 có thể đạt 1,7 ữ 1,85T), suất tổn hao nhỏ, nhng theo chiều vuông góc với chiều cán thì tính năng kém

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

bộ chỉ dùng tôn cán nguội đẳng hớng

Việc chọn vật liệu cách điện có một ý nghĩa quyết định đến tuổi thọ và

độ tin cậy lúc vận hành của máy Do vật liệu cách điện có nhiều chủng loại, kỹ thuật chế tạo vật liệu cách điện ngày càng phát triển, nên việc chọn kết cấu cách điện ngày càng khó khăn và thờng tổng nhiều loại cách điện để thoả mãn

đợc những yêu cầu về cách điện

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

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

điện, ảnh hởng đến điện trở dây quấn và tổn hao nhiệt trong động cơ

Vật liệu cách điện thờng do nhiều vật liệu hợp lại nh mica phiến, chất phụ gia (giấy hay sợi thuỷ tinh) và chất kết dính (sơn hay keo dán) Đối với vật liệu cách điện, không những yêu cầu độ bền cơ cao, chế tạo dễ mà còn có yêu cầu về tính năng điện: có độ cách điện cao, dò điện ít Ngoài ra còn có yêu cầu

về tính năng nhiệt: chịu nhiệt tốt, dẫn nhiệt tốt và yêu cầu chịu ẩm tốt

Nớc ta là một nớc ở vùng nhiệt đới, nghĩa là có nhiệt độ và độ ẩm cao Môi trờng nhiệt đới có ảnh hởng rất xấu đến vật liệu kỹ thuật điện, vì vậy việc chú ý bảo vệ vật liệu còn phải xét đến việc sử dụng những vật liệu cách

điện phù hợp với môi trờng nhiệt đới

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

+ Các chỉ tiêu kỹ thuật nh công suất, bội số dòng điện mở máy KI, bộ

số mômen cực đại KMmax, bộ số mômen mở máy KM, …

+ Các chỉ tiêu kinh tế nh cosϕ, hiệu suất η, trọng lợng vật liệu, giá thành…

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

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

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

có thể sâu tới 0,5 ữ 1mm tính từ mép Đối với những lá tôn của động cơ nhỏ hoặc quá nhiều rãnh, kích thớc răng còn lại quá bé, hiện tợng này ảnh hởng khá rõ Để phục hồi lại tính dẫn từ ngời ta tiến hành ủ lá tôn

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

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

đợc hệ sộ ép chặt theo thiết kế, tạo độ chéo rãnh cho trớc, đảm bảo các kích thớc và yêu cầu kỹ thuật khác quy định

Để giảm lực ký sinh tiếp tuyến và hớng tâm, ngời ta thờng làm nghiêng rãnh rôto hay stato, vì vậy có thể triệt tiêu sóng điều hoà răng, giảm tổn hao phụ

1.2.3 Tổn hao đồng

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

ra, thành phần tổn hao này đợc xác định :

+I2:dòng ở rôto quy đổi

+r2: điện trở dây quấn rôto quy đổi

- ứng với mỗi công suất sẽ có dòng stato và rôto tơng ứng, từ (1 1) và (12) cho thấy muốn giảm tổn hao đồng chỉ có thể giảm điện trở dây quấn stato và rôto

Đứng về mặt thiết kế, giảm điện trở dây quấn gần nh là tăng tiết diện rãnh nhng không phải là vô hạn Điều này thờng gắn liền với quá trình tìm tiết diện rãnh tối u sao cho tổng tổn hao đồng và sắt nhỏ nhất mà vẫn thoả mãn các tiêu chuẩn kĩ thuật cho trớc Mối quan hệ này đợc trình bày nh hình 1- 2

Hình 1-2: Mối quan hệ giữa tổn hao đồng, sắt với tiết diện rãnh

Dựa vào mối quan hệ này mà trong quá trình thiết kế sẽ xây dựng một thuật toán tối u thực hiện quá trình tính toán để có đợc Sr*sao cho tổng tổn hao đồng và sắt nhỏ nhất

Tại S*

r = conts tối u không đổi tổn hao trong đồng pCu không phụ thuộc vào chiều cao rãnh và chiều rộng rãnh Sử dụng thuật toán để tìm sức từ động nhỏ nhất Fmin,ứng với chiều cao rãnh tối u hr*, mối quan hệ này đợc minh hoạ trên hình 1 3 Khi sức từ động giảm thì dòng điện từ hoá I nhỏ và dòng điện I- à 1nhỏ nâng cao hệ số cos , giảm tổn hao sắt và tổn hao đồng, nâng cao hiệu suất ϕ

của ĐC Đâycũng chính là phơng pháp đợc sử dụng trong luận văn để tối u hoá kích thớc lá thép động cơ nhằm nâng cao hiệu suất

Pf=P1-(Pcu+PFe+Pcơ+P2) (1- ) 14

Trong đó :

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

Tổn hao phụ là chủ đề của rất nhiều nghiên cứu, nguồn gây ra nó là một quá trình biến đổi điện từ rất phức tạp tổng hợp nhiều nghiên cứu khác nhau cho thấy nguồn gây ra tổn hao phụ xuất phát từ các yếu tố sau :

Trớc hết, do yêu cầu trong thiết kế nên mỗi động cơ mang một đặc

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

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

hở không khí

Tiếp đến, do có sự tập trung dây quấn nên dòng điện trong dây dẫn đặt ở rãnh stato kết hợp với dòng trong thanh dẫn rôto lồng sóc để tạo ra từ trờng chính khe hở không khí (từ trờng của sóng cơ bản ) trong suốt quá trình vận hành cũng đã sinh ra từ trờng các thành phần sóng dài (từ trờng của các sóng bậc cao) tồn tại chung với từ trờng Và một yếu tố khác là do có sự bão hoà lõi thép nên cũng sinh ra từ trờng sóng dài trong khe hở không khí Chính từ trờng này mà bên cạnh mômen do từ trờng sóng cơ bản tạo ra còn có mômen phụ mang bản chất kìm hãm và gây ra các ảnh hởng khác

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

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

1.2.5 ảnh hởng của tổn hao năng lợng trong động cơ

Các ảnh hởng của tổn hao năng lợng nh gây nóng máy, tạo mômen phụ làm giảm mômen quay máy điện, tạo ra lực hớng kính gây rung ồn Trong tất cả các trờng hợp chúng sẽ gây ảnh hởng lớn về mặt kinh tế và sự lựa chọn

của khách hàng

Mức dộ tổn hao có thể thay đổi đáng kể nếu thiết kế kém và điều khiển quá trình sản xuất bị khiếm khuyết Tổn hao lớn là nguyên nhân đáng kể làm nóng máy, cần phải tiêu tốn thêm một phần công suất cho các thiết bị làm mát

để làm nhiệt độ của máy đến nhiệt độ giới hạn cho phép, điều này càng làm giảm hiệu suất của máy hơn và tổn thất về kinh tế của tổn hao trên thực tế sẽ cao hơn

Lấy ví đơn giản : nếu ta cần công suất ra ở đầu trục của động cơ là 30KW, với hiệu suất là 90,5% thì công suất tiêu thụ động cơ là 33,15KW Nếu tổn hao là 0,005P1 thì khi đó tổn hao phụ Pf= 0,166 KW, với giá điện trong công nghiệp là 1000đ/KW thì chi phí cho động cơ trong một giờ là :

33,15KWì 1000đ/KWh=33150(đ/giờ)

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

34,81KW ì 1000đ/KWh = 34810(đ/giờ) Với tổn hao là 5% trong 1 giờ thì không đáng kể, nhng nếu tính trong 1 năm là 8760 giờ thì số tiền tổn hao phụ cho 1 động cơ 30 KW hiệu suất 90,5%

sẽ là 15.246.780(mời lăm triệu hai trăm bốn mơi sáu nghìn bảy trăm tám mơi đồng) đây quả là một con số không nhỏ

1.3 Hiệu suất

Hiệu suất của động cơ là tỷ số giữa công suất đầu ra (P2) và công suất

đầu vào (P1) :

2 1

P P

η = (1 15- ) Gọi tổng tổn thất của động cơ là:

1.4 Những nghiên cứu để giảm tổn hao và nâng cao hiệu suất của

động cơ

*) Trong tài liệu [9] đa ra phơng pháp thiết kế Hoocke-Jeeves, tối u

ĐC KĐB xoay chiều ba pha rôto lồng sóc hiệu suất lớn nhất Đầu vào của chơng trình máy tính trên cơ sở thông số và thủ tục thiết kế giải tích và đã

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

Khảo sát thiết kế ban đầu là đầu vào của chơng trình thiết kế tối u, từ

điểm cơ sở để tính hàm mục tiêu Qua mỗi quá trình tìm kiếm thăm dò, giới hạn liên tiếp cho phép sự thay đổi nhỏ và hàm mục tiêu đợc tính toán.Thuật toán của chơng trình nh sau:

Bớc 1: lựa chọn điểm b1 và tính hàm mục tiêu

Bớc 2: Thực hiện quá trình tìm kiếm địa phơng xung quanh điểm b1theo mọi hớng Tại mỗi bớc thay đổi số gia là ∆xi (i là số thứ tự của biến) và tính hàm mục tiêu Nếu hàm mục tiêu giảm, điểm hiện tại đợc quay trở về

điểm đã in phía trớc mặt khác biến số đa ra đợc giảm ∆xivà hàm mục tiêu

đợc tính lại Nếu giá trị của hàm nhỏ nhất hơn giá trị in trớc, điểm này đợc thay thế bằng điểm ban đầu, mặt khác xi đợc thay thễ bằng điểm xi+1 Mô hình này thực hiện cho tất cả các biến và điểm b2 đợc thay thế cuối cùng bằng

điểm b1

Bớc 3: Nếu b1 = b2 tìm kiếm xung quanh điểm b1 nhng với ố gia của biến nhỏ hơn

Bớc 4: Nếu b1 ≠ b2, mô hình đợc thực hiện, và chạy tới phần tại đó hàm mục tiêu nhỏ nhất Tốc độ thành công phụ thuộc vào chiều b1 đến b2, mô hình sẽ tốt nhất khi sự di chuyển theo chiều (b2- b1) Một phần hoàn thành bằng biểu thức chung:

P1 = b1 + a(b2 – b1)

Trong đó

P1 là n thành phần vectơ, n là số biến

a là hệ số gia tốc (lớn hơn 1, thờng cho là 2)

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

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

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

1 Đờng kính ngoài stato Dn mm) 188,59 266,31

2 Đờng kính trong stato D (mm) 101,87 100,03

3 Chiều cao rãnh stato hr (mm) 17,98 33,52

Nh vậy trong thiết kế tối u [9], dòng điện khởi động cao hơn và mômen khởi động thấp hơn, điều này trong phạm vi định nghĩa lợi dụng các ràng buộổitng khảo sát ban đầu Hệ số trợt nhỏ hơn thiết kế ban đầu và đây là một lợi thế.Việc giảm mômen khởi động và cực đại là kết quả tăng hiệu suất Dòng điện không tải nhỏ hơn so với thiết kế ban đầu và là một lợi thế

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

H×nh 1-4 a ,

H×nh 1- 4,b

Hình 1- 4,c

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

d- cosϕϕ ϕ và dòng điện e- hiệu suất và hệ số trợt

f- mômen

*) Trong tài liệu [12], tác giả chỉ ra phơng pháp giảm tổn hao và nâng cao hiệu suất bằng cách dùng thép hiếm và rôto đúc đồng Tác giả chỉ ra rằng, vật liệu dẫn từ đóng một vai trò quan trọng trong cấu trúc của ĐC Đặc tính chính là độ từ thẩm của mạch từ và các tổn hao riêng Hơn nữa việc chọn một loại thép kỹ thuật điện còn phụ thuộc vào công nghệ rèn, dập, giá cả, tính khả thi, kho chứa Ngoài ra kết hợp với thanh dẫn rôto bằng đồng đúc và vòng ngắn mạch bằng nhôm là kết quả tốt để nâng cao hiệu suất:

Việc chọn vật liệu dự vào độ từ và đờng cong từ hoá Loại thép tiêu chuẩn để tham khảo là thép 8050 Cách chọn thép theo các hớng sau:

- Thép kỹ thuật điện có tổn hao thấp : 5350 và 3150

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

Những đặc tính của thép đợc chỉ ra trên hình 1- 5

Hình 1-5 a, độ từ thẩm và tổn hao ở 1,5 T

Hình 1-5,b Đờng cong B-H của thép 8050 và 5350 H

Trên cơ sở phân tích trên, loại thép 5350H là loại thép hiếm đợc chọn,

đây là loại thép có độ từ thẩm và tổn hao phù hợp Kết quả so sánh trên hình

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

8050 ở 1,2 T (hình 1-5,b)

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

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

Tæn hao d©y quÊn stato pCu1∆ 351 327 337

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

có thể rút ra các kết luận sau đây:

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

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

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

đợc các thuật toán tối u tuy nhiên các thuật toán này tơng đối phức tạp, và phụ thuộc vào quá trình khảo sát sơ bộ để tìm ra miền ràng buộc của bài toán, nên giới hạn của bài toán không ổn định

4 Việc nâng cao hiệu suất của động cơ về cơ bản là phải giảm các thành phần tổn hao ếu coi khe hở không khí và các thành phần sóng là sóng cơ bản Nthì có thể dùng thuật toán để tìm tiết diện rãnh của lá thép tối u với sức từ

động và tổn hao đồng nhỏ nhất, đồng thời giảm mật độ dòng trong răng và gông của mạch từ để giảm tổn hao sắt

Chơng 2: Phơng Pháp Thiết Kế Tối u

2.1.Cơ sở lý thuyết về thiết kế tối u:

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

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

Bài toán tối u hoá tổng quát đợc biểu diễn nh sau:

Cực đại hoá (cực tiểu hoá) hàm F(x):

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

Ri(x) (≤ ≡ ≥, , ) bi; i =1ữm

x ∈ X ⊂ RnHàm F(x) đợc gọi là hàm mục tiêu, các hàm Ri(x), = i i m đợc gọi là

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

Tập hợp D ={x∈X Ri x/ ( )(≤ = ≥, , )bi i, =1,m đợc gọi là miền ràng }

buộc Mỗi điểm x = (x1, x2, x3,… ,xn)∈D đợc gọi là một phơng án x*∈D đạt cực đại (hay cực tiểu) của hàm mục tiêu cụ thể là:

F(x*)≥ F(x), ∀ x∈D (đối với bài toán max)

F(x*)≤ F(x), ∀x∈D (đối với bài toán min)

Đợc gọi là phơng án tối u Khi đó F(x*) đợc gọi là giá trị tối u của bài toán

Thông thờng, các bài toán thiết kế tối u về máy điện, hàm mục tiêu và hàm ràng buộc phụ thuộc một cách phi tuyến vào các biến số độc lập

Công cụ toán học để giải quyết các bài toán trên gọi là quy hoạch phi tuyến

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

Tìm các giá trị của các biến số độc lập x1,x2,…,xn sao cho các hàm mục tiêu của đối tợng thiết kế F F(x= 1,x2,…,xn) có giá trị nhỏ nhất hoặc lớn nhất với điều kiện:

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

Tại mỗi điểm xr ta có giá trị:

F = F(x r)

Và Rj = Rj(xr), = 1,j m

- Mỗi điểm xr trong En thoả mãn các ràng buộc R gọi là điểm cho phép

- Tập hợp các điểm cho phép là miền cho phép G hay là vùng giới hạn G Trong không gian n chiều En, hàm mục tiêu F có một giá trị vô hớng nhất định Do đó không gian n chiều của các biến số độc lập là trờng vô hớng của hàm mục tiêu Bởi vậy có thể xây dựng họ các đờng đồng mức của hàm mục tiêu Không gian của các biến số x1, x2,…,xn cũng là trờng vô hớng của hàm ràng buộc Ri và trong đó có thể xây dựng các đờng đồng mức

Giới hạn của các hàm ràng buộc là bề mặt:

Ri(x1,x2,…,xn) = 0; i= 1,m

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

Nh vậy ta chỉ xét bài toán tối u trong phần t thứ nhất của không gian En

2.2 Các phơng pháp tính tối u:

Vấn đề giải các bài toán thiết kế tối u tơng đối phức tạp Gần đây đã xuất hiện một loạt các phơng pháp cho phép giải một số dạng bài toán Tuy

nhiên cha có thể thành lập một phơng pháp cho một lời giải chính xác trong trờng hợp chung của bài toán quy hoạch phi tuyến

Các phơng pháp số với việc sử dụng máy tính đang đợc hình thành,

đồng thời nhiều bài toán quan trọng của thiết kế tối u đã đợc giải quyết trên máy tính

Các phơng pháp tính chủ yếu phân làm các nhóm: phơng pháp tìm

kiếm toàn cục cho toàn bộ miền G, phơng pháp tìm kiếm địa phơng cho một vùng trong miền G

2.2.1 Nhóm phơng pháp tìm kiếm toàn cục:

Mục đích của phơng pháp này là tìm giá trị cực trị toàn cục Với bài toán thiết kế tối u động cơ điện, theo các dữ liệu đầu vào, chơng trình máy tính sẽ thành lập các tổ hợp các giá trị của các biến số độc lập theo phơng pháp duyệt toàn bộ trên lới đều để tìm ra phơng án thiết kế tối u có F →min

và thoả mãn các ràng buộc Đây cũng là phơng pháp đợc sử dụng trong luận văn để thiết kế tối u kích thớc lá thép động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha rôto lồng sóc theo sức từ động Nội dung phơng pháp thiết kế nh sau:

2.2.1.1 Phơng pháp duyệt toàn bộ trên lới đều:

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

ví dụ dới đây

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

ai≤xi≤bi;i= 1,n

và thoả mãn các hàm ràng buộc đã cho, sao cho hàm mục tiêu F(x) đạt giá trị cực trị

Nội dung của phơng pháp duyệt toàn bộ trên lới đều là trên các đoạn

aibi phủ một lới đều với các bớc xác định:

h i = 1 (b i −a i i); =1,n

N ( 2- 1)