đồ án i tìm hiểu và mô phỏng động cơ cảm ứng bằng phần mềm ansys electronics

Phương trình Maxwell của trường điện từ đãđược gọi là lần thống nhất vĩ đại thứ hai trong vật lý.Vì vậy sau này Ansoft một tập đoàn hàng đầu trong lĩnh vực thiết kế các phầnmềm mô phỏng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ



Đồ án I Tìm hiểu và mô phỏng động cơ cảm ứng bằng phần mềm

Ansys Electronics

Giáo viên hướng dẫn: T.S Bùi Minh Định

Nhóm sinh viên thực hiện:

Lời nói đầu

Nói đến Maxwell nhiều người nghĩ đến James Clerk Maxwell nhà vật lý vĩđại người Scotland với nhiều thành tựu nổi bật trong đó phải kể đến đó là thiết lậpnên lý thuyết cổ điển về bức xạ điện từ Phương trình Maxwell của trường điện từ đãđược gọi là lần thống nhất vĩ đại thứ hai trong vật lý

Vì vậy sau này Ansoft một tập đoàn hàng đầu trong lĩnh vực thiết kế các phầnmềm mô phỏng đã cho ra mắt phần mềm ANSYS Maxwell mang tên nhà vật lý vỹđại là một phần mềm mô phỏng công nghiệp

Đồ án của nhóm mang tên “Mô phỏng động cơ cảm ứng bằng phần mềm

Ansys Electronics” đã giúp em có được cơ hội được tìm hiểu học hỏi về một phần

mềm có nhiều ứng dụng to lớn trong công nghiệp đặc biệt là trong lĩnh vực mà emđang theo học Nhờ sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của những người lái đò, nhữngngười đi trước như thầy trong đề tài này em đã hiểu khái quát chức năng cách cài đặt

và sử dụng phần mềm Em đã thực hiện một số ví dụ mô phỏng trên phần mềm vàthu được kết quả tương đối chính xác Bên cạnh những kết quả khiêm tốn mà chúng

em đạt được, chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót khi thực hiện đề tài do hạnchế về kinh nghiệm Sự phê bình góp ý của thầy sẽ là bài học quý báo cho chúng

em, giúp chúng em có một nền tảng tốt hơn, có thêm kinh nghiệm quý báo cho côngviệc thực tế sau này

Em mong nhận được những đóng góp quý báu của thầy để giúp chúng emthành thạo về phần mềm này

Một lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy

để chúng em hoàn thành đề tài

Kính chúc thầy mạnh khỏe, đạt được nhiều thành công trong nghiên cứu khoahọc và sự nghiệp giảng dạy

MỤC LỤC

Lời nói đầu 2

A Giới thiệu 4

I Giới thiệu chung 4

II Cấu tạo 5

1 Stator 5

2 Roto 6

III Nguyên lý làm việc 8

IV Các chế độ làm việc 10

1 Chế độ động cơ 10

2 Chế độ máy phát 10

V Ưu, nhược điểm 10

1 Ưu điểm 10

2 Nhược điểm 10

3 Các điểm lưu ý khi vận hành 11

VI Ứng dụng 11

1 Trong công nghiệp 11

2 Trong nông nghiệp 11

3 Trong đời sống hằng ngày 11

B Giới thiệu về ansys electronics 13

I Giới thiệu về ANSYS 13

1 Lịch sử phát triển phần mềm ANSYS 13

2 Các module trên phần mềm 15

3 Khả năng ứng dụng của phần mềm ANSYS trong kỹ thuật 15

II.Giới thiệu về phần mềm ANSYS ELECTRONICS 19

1 Giới thiệu phần mềm ansys maxwell 2D và các công cụ trong phần mềm 21

2 Nhập thông số vào RMxprt: 33

3 Xuất từ file RMxprt trên sang Maxwell 2D để quan sát các đặc tính quá độ, các hình ảnh từ trường 40

C Mô phỏng trên phần mềm ansys 41

I Các bước thiết lập thông số 41

1 Bắt đầu thiết lập các thông số cho động cơ 41

2 Thiết lập thông số chung 41

3 Thiết lập thông số stator 42

4 Thiết lập thông số cho rotor 43

5 Thiết lập các thông số về điện 45

6 Phân tích (analyze) 45

II Xuất ra thiết kế và kết quả 46

1 Xuất ra thiết kế 46

2 Khởi động động cơ 48

KẾT LUẬN 51

A GIỚI THIỆU

I Giới thiệu chung

Động cơ không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lýcảm ứng điện từ, có tốc độ quay của roto n (tốc độ của máy) khác với tốc độ quaycủa từ trường n1

Động cơ không đồng bộ so với các loại động cơ khác có cấu tạo và vận hànhkhông phức tạp, giá thành rẻ, làm việc tin cậy nên được sử dụng nhiều trong sảnxuất và sinh hoạt

Hình 1 Động cơĐộng cơ điện không đồng bộ có các loại: động cơ ba pha, hai pha và một pha Cácđộng cơ có công suất nhỏ hơn 600 W thường là động cơ ba pha có ba dây quấn làmviệc, trục các dây lệch nhau trong không gian một góc điện

Bảng 1 Các thông số trên động cơ không đồng bộ

Công suất cơ có ích trên trục

Điện áp dây stato:

Dòng điện dây Stato

Tần số dòng điện stato

Tốc độ quay roto

Hệ số công suất

Hiệu suất

II Cấu tạo

Cấu tạo của máy điện không đồng bộ gồm hai bộ phận chính là: stato và roto, ngoài

ra còn có vỏ máy và nắp máy

1 Stator

Hình 2 Mặt cắt ngang động cơStato là phần tĩnh gồm hai phần chính là lõi thép và dây quấn, ngoài ra có võ máy vànắp máy

1.1 Lõi thép

Lõi thép stato hình trụ do các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh bên trong, ghép lạivới nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục Lõi thép được ép và bên trong vỏ máy

Hình 3 Lõi thép stator

1.2 Dây quấn

Dây quấn stato làm bằng dây quấn bọc cách điện (dây điện từ) được đặt trong cácrãnh lõi thép Hình dưới là sơ đồ triển khai dây quấn ba pha đặt trong 12 rãnh củastato, dây quấn pha A trong các rãnh 1, 4, 7, 10, pha B đặt trong các rãnh 3, 6, 9,12,pha C đặt trong các rãnh 2, 5, 8, 11

Hình 4 Sơ đồ quấn dâyDòng điện xoay chiều ba pha chạy trong ba dây quấn stato sẽ tạo ra từ trường quay

1.3 Vỏ máy

Vỏ máy làm bằng nhôm hoặc bằng gang, dùng để giữ chặt lõi thép và cố định máytrên bệ Hai đầu vỏ có nắp máy, ở đỡ trục Vỏ máy và nắp máy còn dùng để bảo vệmáy

Hình 5 Lõi thép rotor

2.2 Dây quấn

Dây quấn roto có hai kiểu: roto ngắn mạch (còn gọi là roto không đồng bộ lồng sóc)

và roto dây quấn

Động cơ điện có roto lồng sóc gọi là động cơ không đồng bộ lồng sóc Loại rotolồng sóc công suất trên 100 kW, trong các rãnh của lõi thép roto đặt các thanh đồng,hai đầu nối ngắn mạch hai vòng đồng tạo thành các lồng sóc

Hình 6 Lồng sóc

Ở động cơ roto lồng sóc công suất nhỏ được chế tạo bằng cách đúc nhôm vào cácrãnh lõi thép roto, tạo thành thanh nhôm, hai đầu đúc ngắn mạch và cánh quạt làmmát

Hình 7 Rotor có lồng sócLoại động cơ có roto dây quấn gọi là động cơ không đồng bộ roto dây quấn Trongrãnh lõi thép roto người ta đặt dây quấn ba pha Dây quấn roto thường nối sao, bađầu ra nối với ba vòng tiếp xúc bằng đồng, cố định trên trục roto và được cách điệnvới trục.

Hình 8 Rotor dây quấnNhờ ba chổi than tì sát vào ba vòng tiếp xúc, dây quấn roto được nối với 3 vòng tiếpxúc, nhờ đó chổi than dây quấn roto nối được với ba biến trở bên ngoài để mở máyhay điều chỉnh tốc độ

Hình 9 Sơ đồ cấp điệnĐộng cơ lồng sóc là loại rất phổ biến do giá thành rẻ và làm việc đảm bảo Động cơroto dây quấn có ưu điểm về mở máy và điều chỉnh tốc độ song giá thành đắt và vậnhành kém tin cậy hơn động cơ lồng sóc, nên chỉ được dùng khi động cơ lồng sóckhông đáp ứng được các yêu cầu về truyền động.

III Nguyên lý làm việc

Khi ta cho dòng điện ba pha tần số f vào ba pha dây quấn stato, sẽ tạo ra từ trườngquay p đôi cực, quay với tốc độ:

Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn roto, cảm ứng các sức điện động Vìtrong dây quấn roto nối ngắn mạch, nên sức điện động cảm ứng sinh sẽ sinh ra dòngđiện chạy trong các thanh dẫn roto Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường qua củamáy với thanh dẫn mang dòng điện roto, kéo roto quay cùng chiều quay với từtrường với tốc độ n

Để minh họa, hình bên dưới vẽ từ trường quay tốc độ n1, chiều sức điện động vàdòng điện cảm ứng trong thanh dẫn roto, chiều vẽ lực điện từ

Hình 10 Từ trường quayKhi xác định chiều sức điện động cảm ứng theo quy tắc bàn tay phải, ta căn cứ vàochiều chuyển động tương đối của thanh dẫn với từ trường Nếu coi từ trường đứngyên, thì chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn ngược với chiều n1, từ đó ápdụng quy tắc bàn tay phải, xác định được chiều suất điện động như hình vẽChiều lực điện từ xác định theo quy tắc bàn tay trái, trùng với chiều quay.

Tốc độ n của máy nhỏ hơn tốc độ từ trường quay n1 vì nếu tốc độ bằng nhau thìkhông có sự chuyển động tương đối, trong dây quấn roto không có suất điện động

do đó dòng điện cảm ứng, lực điện từ bằng không

Độ chênh lệch giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ máy gọi là tốc độ trượt

khởi động và dây quán này nối với các phần tử như tụ điện hoặc điện trở để tạomômen khởi động cho dộng cơ.

2 Chế độ máy phát

Nếu ta dùng một động cơ khác kéo động cơ không đồng bộ quay với tốc độ lớn hơntốc độ đồng bộ và các đầu ra của động cơ được nối với lưới điện Động cơ khôngđồng bô cũng có thể trở thành máy phát điện độc lập nếu ở đẩu ra của động cơ đượckích từ bằng các tụ điện Máy phát điện không đồng bộ làm việc không ổn định nên

ít được sử dụng

V Ưu, nhược điểm

1 Ưu điểm

 Kết cấu đơn giản nên giá thành rẻ

 Vận hành dể dàng, bảo quản thuận tiện

 Sử dụng rộng rãi và phổ biến trong phạm vi công suất nhỏ và vừa

 Sản xuất với nhiều cấp điện áp khác nhau (từ 24 V đến 10 kV) nên rất thíchnghi cho từng người sử dụng

2 Nhược điểm

 Hệ số công suất thấp gây tổn thất nhiều công suất phản kháng của lưới điện

 Không sử dụng được lúc non tải hoặc không tải

 Chế tạo rôto có khe hở thật nhỏ để hạn chế dòng điện từ hóa và nâng cao hệ

số công suất

 Mặt dù có nhiều khuyết điểm nhưng động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc cónhững ưu điểm mà những động cơ khác không có được và quan trọng nhất làđơn giản, dể sử dụng, giá thành rẻ Thực tế động cơ không đồng bộ rôto lồngsóc được áp dụng rộng rãi, chiếm số lượng 90%, về công suất chiếm 55%

VI Ứng dụng

Động cơ không đồng bộ được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp, nông nghiệp,đời sống hằng ngày với công suất từ vài chục đến hàng nghìn kW

1 Trong công nghiệp

Động cơ không đồng bộ thường được dùng làm nguồn động lực cho các máy cánthép loại vừa và nhỏ, cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ

2 Trong nông nghiệp

Được dùng làm máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm …

3 Trong đời sống hằng ngày

Động cơ không đồng bộ ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều ứng dụngnhư: quạt gió, động cơ trong tủ lạnh, máy quay dĩa,

Ngày nay, các hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ không đồng bộ được ứngdụng rất rộng rãi trong các thiết bị hoặc dây chuyền sản xuất công nghiệp, trong giaothông vận tải, trong các thiết bị điện dân dụng,

Các hệ truyền động điện có thể hoạt động với tốc độ không đổi hoặc với tốc độ thayđổi được Hiện nay khoảng 75 – 80% các hệ truyền động là loại hoạt động với tốc

trên mỗi phần nhỏ ấy và tổng hợp kết quả Về lí thuyết thì chia càng nhỏ độ chínhxác càng cao, tuy nhiên thời gian tính toán sẽ lâu hơn

C MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM ANSYS

Việc nhập thông số vật liệu đầu vào đảm bảo cho công việc tính toán chính xác vàsát với thực tế hơn Các vật liệu sử dụng trong nội dung Đồ án đều được lấy sẵntrong phần mềm với sự xem xét kỹ lưỡng biểu đồ B-H của từng vật liệu

I Các bước thiết lập thông số

1 Bắt đầu thiết lập các thông số cho động cơ.

Để thiết lập các thông số cần thiết cho động cơ, cần chọn loại động cơ, các loại động

cơ bản nhất đã được thiết lập thành các mẫu Tại màn hình chính cần mở Machinetype để chọn loại động cơ Ở đây đối với động cơ rotor lồng sóc, cần chọn loại động

cơ three phase induction motor

2 Thiết lập thông số chung

Các thông số lần lượt về số cực của động cơ, các đại lượng hao phí và tốc độ thamchiếu được nhập vào trong bảng thông số đầu tiên là bảng machine

Hình 11 Thông số cơ bản của động cơ

3 Thiết lập thông số stator

Các thông số hình học của stator, hệ số xếp chồng, vật liệu, số rãnh, loại rãnh…được nhập vào cửa sổ tiếp theo

Hình 12 thông số hình học và cơ bản khác của stator

Nhập các thông số về độ dài để thiết lập hình dạng của rãnh cho loại rãnh đã đượcchọn ở bước trên

Hình 13 Thiết lập hình dạng của rãnh statorThiết lập dạng dây quấn cho stator bằng các thông số về số lớp dây quấn, kiểu quấndây, số nhánh dây song song, số mạch định hướng trên rãnh( thông số này có thể gõ

là 0 nếu muốn phần mềm tự thiết kế), số dây trên 1 ống, size của dây quấn

Hình 14 Thông số về dây quấn stator

4 Thiết lập thông số cho rotor.

Các thông số đã tính toán khi thiết kế trong bảng sau:

Bảng 2 thông số cơ bản cho rotorThông số Giá trị Đơn vị

Hệ số xếp chồng 0.95

Số rãnh 30

Đường kính rotor 96.7 mm

Chiều dài 137 mm

Độ rộng lệch 1

Thiết lập các thông số như bảng trên vào phần mềm như hình dưới đây:

Hình 15 Các thông số cơ bản của rotor

Ở bảng trên cần phải chọn vật liệu cho rotor, mẫu động cơ này được sử sụng loạithép steel_1008 đã được thiết lập sẵn trong phần mềm

Tiếp theo, cũng như dạng rãnh của stator, thiết lập các thông số về độ dài để tạo radạng rãnh của rotor vã cũng là dạng thanh dọc của lồng sóc

Hình 16 Thiết lập hình dạng cho rãnh rotor

Vì là rotor lồng sóc nên ta cần thiết lập các thông số của lồng sóc Thiết lập cácthông số về chiều dài thanh dọc, chiều cao và rộng của lồng sóc Vật liệu của lồngsóc ở đây được chọn là đồng, nên cần chọn vật liệu thanh và hai vòng đầu cuối đều

là cooper Điền các thông số đã tính toán vào cửa sổ winding rotor như hình sau:

Hình 17 Các thông số hình học và vật liệu của lồng sóc.

5 Thiết lập các thông số về điện

Để mô phỏng động cơ, khi đã thiết lập xong các thông số hình học, cần thiết lập cácthông số về điện như tải quạt, công suất ra, điện áp định mức, tốc độ quay định mức,nhiệt độ vận hành như sau:

II Xuất ra thiết kế và kết quả.

Các thành phần quan trọng của động cơ được chia ra rõ ràng từng yếu tố và đượcsắp xếp theo sơ đồ cây ở ô cửa sổ bên cạnh

Hình 20 Các thành phần của động cơ phân chia theo vật liệu.

Và từng thành phần giống nhau được đánh số theo thứ tự, khi bấm vào sẽ hiện lênvới 1 màu khác biệt

Hình 21 Vị trí một cuộn dây được đánh số

Trong thiết kế 2d được xuất ra này, phần mềm sẽ tối giản việc hiển thị bằng cách chỉhiện thị đối xứng 1 nửa hay ¼ động cơ tùy vào dự đối xứng của động cơ

Việc xuất ra 2D giúp chúng ta quan sát cơ bản một động cơ Tại giao diện này còncho phép sửa đổi thiết kế động cơ này ở mục draw Tại mục draw có các công cụ vẽ2d cơ bản, tuy nhiên cũng khá đầy đủ để vẽ các đường theo thiết kế riêng như lệnh

vẽ đường cong, lệnh vẽ đường tròn Ngoài ra còn có thêm các lệnh đục lỗ, làm liền

lỗ, những công cụ hỗ trợ khá mạnh cho việc sửa đổi các thiết kế không có sẵn Vàviệc hiển thị 1 nửa (hoặc1/4) động cơ không ảnh hưởng đến thiết kế thêm khi cácphần bên dưới không hiển thị sẽ tự động được vẽ đối xứng như phần đã hiển thị

Hình 22 Các lệnh vẽ cơ bản

1.2 Xuất 3D.

Công cụ xuất 3d cho phép người sử dụng xuất ra bản 3d của động cơ với đầy đủ tất

cả thành phần chi tiết hiển thị một cách hợp lý theo màu

Hình 23 Mô phỏng động cơ 3d

Do hiển thị ở chế độ 3d nên độ chi tiết sẽ cao hơn so với xuất 2d, có thể nhìn mọithành phần cơ bản Vì vậy, đi cùng với đó là biểu đồ cây thể hiện từng thành phầncũng sẽ chi tiết hơn so với 2d Các thành phần bị che lấp bên trong có thể được nhìnthấy bằng cách ẩn tạm thời các thành phần bên ngoài Và tại giao diện này cũng cho

phép chỉnh sửa các chi tiết của stator, rotor dưới dạng hình học bằng các công cụ vẽ3d cơ bản

2 Khởi động động cơ.

2.1 Chạy

Phần mềm mô phỏng này cho phép chạy thử động cơ từ bước khởi động Phần mềm

sẽ đo đạc và hiển thị ra các biểu đồ thông số cơ bản của động cơ như momen, tốc độ,công suất, cường độ dòng điện, điện áp… Quá trình khởi động sẽ được làm chậmtùy theo yêu cầu Khởi động càng lâu sẽ càng cho ra biểu độ mượt hơn, giảm sự gấpkhúc và phát hiện dễ hơn những thời điểm có sự biến đổi bất thường của các thôngsố

Trước khi cho động cơ khởi động, cần cài đặt một vài thông số đầu vào như thờigian chạy mô phỏng, bước nhảy đo thông số, tần số điện cấp vào…

Hình 24 Một vài thông số trước khi khởi động

2.2 Phân tích kết quả khởi động động cơ.

Động cơ thỏa mãn yêu cầu từ nhà sản xuất

KẾT LUẬN

Sau khoảng thời gian tích cực tìm hiểu và được thầy giáo tận tình chỉ bảo chúng

em cuối cùng cũng đã hiểu được cách sử dụng công cụ tính toán từ trường Maxwell2D trong phần mềm Ansys Electronics để mô phỏng, tính toán, phân tích kết quả củamột hệ điện từ và đặc biệt là mô phỏng được động cơ không đồng bộ ba pha để xem

từ trường cũng như các đáp ứng của động cơ khi thay đổi cấu tạo cũng như tham sốđầu vào Từ việc mô phỏng động cơ em hiểu rõ hơn về cấu tạo cũng như nguyên líhoạt động của động cơ không đồng bộ, hơn nữa, điều đó khiến cho em cảm thấythích thú hơn với việc thiết kế máy điện, tạo định hướng cũng như nền tảng để emtiếp tục học các môn học về sau

Những nội dung chính chúng em đã thực hiện được trong môn học ĐỒ ÁN I nàylà:

+ Về kiến thức: Hiểu sâu hơn về cấu tạo, nguyên lí làm việc của động cơ KĐB

và một số loại động cơ khác; nắm được sơ bộ cách thiết kế động cơ không đồng bộ;biết sử dụng phần mềm để mô phỏng động cơ và thay đổi thông số để xem các kếtquả khác nhau, từ đó kết luận sự ảnh hưởng của thông số đó tới đặc tính động cơ vàmột số kiến thức khác cũng được trau dồi trong quá trình làm ĐỒ ÁN

+ Về kỹ năng: Giúp em có được một số kỹ năng mềm cần thiết như tìm đọc tàiliệu; kĩ năng làm việc nhóm; kỹ năng giao tiếp và một số kỹ năng khác nữa.Tuy nhiên sau một thời gian mày mò thực hiện với phần mềm, em vẫn còn nhiềuchỗ chưa thực hiện được hoặc thực hiện nhưng chưa đạt, nhưng do thời gian có hạnkhông thể thực hiện được khối công việc lớn, do đó em xin được dành lại tiếp tụctìm hiểu trong những đồ án môn học tiếp theo