Nghiên cứu xây dựng mô hình tính toán phân bố nhiệt độ động cơ điện không đồng bộ và động cơ nam châm vĩnh cửu

Bài viết trình bày kết quả mô hình nhiệt nội động cho động cơ cảm ứng và động cơ nam châm vĩnh cửu bắt đầu bằng phương pháp phân tích, mô phỏng và thí nghiệm của FEM. Các thông số đầu vào của động cơ cảm ứng trong mô hình này là các thông số hình học và điều kiện làm việc.

Bùi Minh Định, Vũ Ngọc Minh 14 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ ĐỘNG CƠ NAM CHÂM VĨNH CỬU MODELING OF THERMAL CALCULATION OF INDUCTION MOTORS AND LINE START PERMANENT MAGNET MOTORS Bùi Minh Định, Vũ Ngọc Minh Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; dinh.buiminh@hust.edu.vn Tóm tắt - Bài báo trình bày kết mơ hình nhiệt nội động cho động cảm ứng động nam châm vĩnh cửu bắt đầu phương pháp phân tích, mơ thí nghiệm FEM Các thông số đầu vào động cảm ứng mơ hình thơng số hình học điều kiện làm việc Chương trình Motor-CAD sử dụng để tính tốn phân bố nhiệt độ Một số kết thử nghiệm kiểm tra áp dụng cho động công suất 11 kW, tốc độ 1.500 vòng/phút Phương pháp mơ sử dụng cho động không đồng ba pha công suất nhỏ động nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp cho kết xác đáng tin cậy Ngồi ra, việc xây dựng mơ hình nhiệt cho động điện đồng nam châm vĩnh cửu khó khăn thách thức biên dạng rãnh động phức tạp, điều kiện biên khác nhau, quan trọng dòng chảy gió đối lưu bên khe hở khơng khí động Abstract - This paper introduces an inovative thermal model for both induction motors and permanent magnet motors by FEM analytical, simulation and experimental methods The input parameters of induction motors in this model are geometry parameters and working conditions A Motor-CAD program is used to calculate temperature distribution in stator and rotor cores An experimental and test hardware has been applied to electric motors of 11 kW-1,500 rpm The simulation method is also for three phase - small power induction and permanent magnet motors The simulation and test results are in good agreement From these methods, the paper has shown that theoretical results and comparison of simulation and experimental results are in good agreement The test procedures have been carried out by IEC 6300-34-1 for induction motors and line start permannet magnetic motors Từ khóa - mạch nhiệt thơng số rải; mơ hình nhiệt; tính tốn nhiệt; mơ hình trường nhiệt; động không đồng công suất nhỏ Key words - parameter thermal model; thermal model; thermal calculations; thermal shields model; asychronous motor small power Giới thiệu Trong [3] – [6], tác giả phân tích cách xác định nhiệt trở cho mơ hình mạch nhiệt thông số dải cho động không đồng thấy giá trị nhiệt trở phụ thuộc vào kích thước hình học thơng số vật liệu chúng Do vậy, để tính tốn nhiệt trở cho mơ hình có hai phương pháp: phương pháp sử dụng liệu thực nghiệm phương pháp dựa hồ sơ thiết kế động Trong báo này, nhóm tác giả đề xuất sử dụng phương pháp dựa hồ sơ thiết kế động cơ, tức tính tốn sơ thông số mạch nhiệt động không đồng ba pha cơng suất nhỏ, sau dùng phần mềm Motor-CAD để kiểm nghiệm kết thu thất thông số đầu vào đặt nút phù hợp Thành phần nhiệt dung kể đến xét đến trình độ nhiệt động Tất nhiệt trở dẫn nhiệt, đối lưu xạ tự động tính tốn công thức lý thuyết chứng minh cơng trình khoa học cơng bố có liên quan Đối với vấn đề truyền nhiệt xác lập, MotorCAD tính tốn tham số đưa lời giải gần tức thời; với vấn đề độ truyền nhiệt thông thường khoảng vài giây để tính tốn Đây ưu điểm bật việc sử dụng Motor-CAD so với phương pháp tính toán khác dựa phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) dựa tính tốn động lực học chất lưu (CFD) Mơ hình giải tích Motor-CAD phần mềm viết Dave Staton cộng phòng thí nghiệm SPEED Laboratory Glasgow dựa phương pháp phân tích mạch nhiệt Hình mơ tả mạch nhiệt thiết lập môi trường làm việc Motor-CAD Mơ hình giải thay nhiệt trở nguồn nhiệt tương đương thể Hình Do nhiệt độ khơng phân bố tồn thân động cơ, nên nhiệt độ cực đại phần tử tính sau: Tmax = 1.5Tav − 0.25( T1 + T2 ) + (T1 − T2 ) 12 ( 2Tav − T1 − T2 ) (1) Trên mạch nhiệt này, nút nhiệt tự động thiết lập điểm quan trọng động như: gông stato, răng, đầu dây quấn, vỏ máy, trục quay… Các nút nhiệt liên kết với nhiệt trở dẫn nhiệt, đối lưu xạ Tổn Hình Sơ đồ mạch nhiệt thay tương đương ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(124).2018 Hình Mơ hình mạch nhiệt phần mềm Motor-CAD Motor-CAD có điểm mạnh khả phân tích độ nhạy với nhiều tham số Phân tích độ nhạy hữu ích để hiểu biết sâu trình truyền nhiệt động mức độ ảnh hưởng tham số thiết kế, vật liệu để từ đưa điều chỉnh nhằm làm mát tốt Năm 2001, [1] tác giả có đề cập đến xu hướng sử dụng phần mềm tính tốn phân tích nhiệt cho động điện để đem lại ưu điểm vượt trội so với phương pháp phân tích nhiệt truyền thống dựa thực nghiệm từ động có sẵn, liệu từ catalog hệ số kinh nghiệm Đồng thời, nhóm tác giả đưa quy trình thiết kế động Hình 3: 15 Trong [2], tác giả khảo sát phân tích hàng loạt dự án, báo cơng trình khoa học sử dụng phần mềm Motor-CAD để xây dựng mơ hình mạch nhiệt cho loại máy điện khác nhau, mà phổ biến động điện khơng đồng Có thể kể đến dự án GS Aldo Boglietti Andrea Cavagnino Politecnico di Torino, Italy với nhiều báo công bố [3] – [7] Điều cho thấy, Motor-CAD giải pháp tin cậy, chuyên gia hàng đầu lĩnh vực phân tích nhiệt động sử dụng để nghiên cứu thiết kế làm mát cho động điện Trong chuyên đề này, tác giả sử dụng phần mềm MotorCAD để tính tốn, kiểm nghiệm kết mơ mơ hình mạch nhiệt thơng số rải đề xuất Mơ hình mạch nhiệt cho động khơng đồng công suất 11 kW sử dụng phần mềm Motor-Cad A Các thơng số hình học động khơng đồng Các thơng số hình học động không đồng thiết lập theo phương ngang trục Hình 4: Hình Các thơng số hình học ngang trục động Hình Quy trình thiết kế động [1] Trong quy trình này, từ mục tiêu thiết kế, người thiết kế đưa phương án thiết kế Sau đó, thiết kế sơ (giải tích) phần mềm chuyên dụng điện từ, nhiệt khí Motor-CAD Q trình tính tốn giai đoạn cần nhanh, đưa nhiều phương án thiết kế Phân tích, so sánh thiết kế sơ để tìm thiết kế tối ưu với thời gian ngắn Ở giai đoạn tiếp theo, phân tích số sử dụng cho vấn đề điện từ, nhiệt khí mẫu thiết kế tối ưu lựa chọn từ giai đoạn trước để thu lời giải có độ xác cao Tất nhiên, phân tích số tốn nhiều thời gian chi phí tính tốn Do đó, nên dùng phương pháp số mẫu phân tích giới hạn Cuối cùng, cần tiến hành thực nghiệm để hiệu chỉnh lại hai mơ hình số mơ hình giải tích để thu kết mơ tốt Từ đó, tạo sở để thu phân tích có độ xác cao với mẫu thiết kế cải tiến Trong đó, chọn kiểu cánh làm mát cánh mở, theo phương dọc trục, phân bố tròn Số cánh 36 Các kích thước cánh xác định sau: + Số cánh ¼ góc = (cả chu vi 36 cánh) + Khoảng cách hai cánh là: 15 mm; + Độ dày cánh là: mm; + Chiều cao cánh là: 23 mm Trong phương án làm mát, có bố trí thêm nắp động bao lấy phần cánh làm mát để tăng cường cho trình làm mát cưỡng quạt gắn trục động Sau thiết lập thơng số ngang trục, nhóm tác giả thiết lập thơng số hình học theo phương dọc trục động Hình 5: Hình Các thơng số hình học dọc trục động khơng đồng Bùi Minh Định, Vũ Ngọc Minh 16 Mơ hình động khơng đồng nhóm tác giả dùng để nghiên cứu thuộc kiểu kín, làm mát quạt gắn trục động gọi kiểu TEFC (Total End Fan Cooling) Dạng cấu trúc 3D mơ hình cánh tản nhiệt động thể Hình Hình Thơng số tổn thất động Hình Cấu trúc 3D cánh tản nhiệt phần nắp động không đồng B Các thông số dây quấn động không đồng Các thơng số tính tốn dây quấn nhóm tác giả đưa mơ hình nhiệt: Hình 10 Thông số vật liệu chế tạo động vật liệu làm mát Kết phân tích mơ hình Độ tăng nhiệt độ dây quấn bằng: Cu = QCu (1 + Ri / RFe ) + QFe  RFe + ( Rc / RCu ) + ( RFe / RCu ) Độ tăng nhiệt độ sắt stato:  Fe = QFe Rc + Cu + Rc / RFe x Hình Các thơng số dây quấn động không đồng Dây quấn cho mơ hình động kiểu dây quấn lớp với số vòng dây bối dây 40 vòng Do đó, tổng số dẫn tác dụng rãnh stato 80 Hệ số điền kín rãnh 0,4602 Các tham số đầu vào dây quấn có ảnh hưởng tới kết phân tích nhiệt như: bề dày lớp giấy cách điện, bề dày phần khe hở cách điện lõi thép stato, hệ số đánh giá chất lượng tẩm sấy C Thiết lập liệu đầu vào Các liệu đầu vào động bao gồm: thông số kiểu làm mát; tổn hao cơng suất; đặc tính vật liệu; điều kiện làm việc thông qua số thông số đặc trưng đối lưu vùng khơng khí cuối nắp động Các thông số thiết lập qua bảng thiết lập giới thiệu Hình Hình Các thiết lập kiểu làm mát thông số chất lưu (khơng khí) Hình 11 Kết phân tích mơ hình mạch nhiệt phần mềm Motor-CAD Sau thiết lập thông số mơ hình mạch nhiệt phần mềm Motor-CAD, chạy phân tích nhiệt chế độ xác lập Kết phân tích mơ hình mơ nhiệt thể dạng sơ đồ mạch nhiệt Hình 11 Khảo sát phân bố nhiệt động không đồng số điểm thể Hình 12 Hình 13 So sánh kết phân bố nhiệt tính tốn phần mềm Motor-CAD với kết xác định phân bố nhiệt mơ hình mạch nhiệt đề xuất Motor-CAD hỗ trợ công cụ để xác định sai số mơ Hình 14 15: ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(124).2018 17 Phân tích kết đo Để đánh giá kết tính tốn mơ phỏng, hệ thống đo độ tăng nhiệt động thực theo tiêu chuẩn đo IEC 630034-2-1 Hình 16 Hình 12 Kết phân bố nhiệt động theo phương hướng kính Hình 16 Hệ thống phần cứng hệ đo kiểm Độ tăng nhiệt độ dây quấn stator đo theo mức công suất khác tỷ lệ tải 25%, 50%,75% 100% tải Nhiệt độ động tới hạn động đạt sau đến tiếng chạy liên tục chế độ tải định mức Các số liệu đo tự động lưu theo form bảng thông số kỹ thuật Hình 17 Hình 13 Kết phân bố nhiệt động theo phương hướng trục Hình 17 Bảng kết đo kiểm Nhiệt độ tới hạn lớn động đo 96,7°C So với kết mơ Hình 13 sai số mô đo thực tế 5°C Sai số chấp nhận Hình 14 Kết kiểm tra sai số mơ hình mạch nhiệt Motor-CAD mơ hình mạch nhiệt đề xuất Dạng đồ thị cột sau: Hình 15 Kết so sánh sai số nhiệt độ mơ hình mạch nhiệt Motor-CAD mơ hình mạch nhiệt đề xuất Kết luận Từ kết mô kết thực nghiệm rút số kết luận như: phân bố nhiệt mơ hình mơ kết thực nghiệm tương đối đồng nhất, sai lệch nhiệt độ lớn 5°C tâm dây quấn stato Sai số số nguyên nhân như: chưa kể đến trình truyền nhiệt theo phương dọc trục dây quấn stato bị bỏ qua Hệ số truyền nhiệt dây quấn stato lõi thép phụ thuộc vào nhiều tham số công nghệ vật liệu Thuật tốn tính tốn hệ số Motor-CAD phức tạp ghi nhận khác biệt so với công thức quy đổi gần cơng bố sử dụng để tính tốn mơ hình mạch nhiệt đề xuất Q trình trao đổi nhiệt đối lưu vùng khơng khí đầu cuối nắp máy phức tạp, lựa chọn dựa hệ số kinh nghiệm khó đạt độ xác cao Từ kết báo áp dụng tính cho loại động khác với công suất từ 2,2 kW đến 11 kW Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Chương trình khoa học công nghệ trọng điểm cấp quốc gia - Bộ Khoa học Công nghệ thông qua đề tài Mã số KC.05/16-20 Bùi Minh Định, Vũ Ngọc Minh 18 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Staton, D A., Pickering, S J, Lampard, D, Recent Advancement in the Thermal Design of Electric Motors, SMMA 2001 Fall Technical Conference "Emerging Technologies for the Electric Motion Industry", 3-5 Oct 2001, Raleigh-Durham, North Carolina, USA [2] Dave Staton, Douglas Hawkins and Mircea Popescu, Thermal Behaviour of Electrical Motors – An Analytical Approach, Motor Design Ltd., Ellesmere, SY12 0EG, U.K [3] Boglietti, A., Cavagnino, A., Staton, D A., Thermal Analysis of TEFC Induction Motors, Industry Applications Conference, 38th IAS Annual Meeting, Volume 2, 12-16 Oct 2003, pp 849-856 [4] Boglietti, A., Cavagnino, A., Staton, D A., Thermal Sensitivity Analysis of TEFC Induction Motors, IEE PEMD, Edinburgh, April 2004 [5] Boglietti, A., Cavagnino, A., Staton, D A., “TEFC Induction Motors Thermal Models: A Parameter Sensitivity Analysis”, IEEE Transactions on Industry Applications, Volume 41, Issue 3, MayJune 2005, pp 756-763 [6] Boglietti, A., Cavagnino, A., Staton, D.A., Popescu, M., Cossar, C., McGilp, M.I., 'End space heat transfer coefficient determination for different Induction Motor enclosure types', Industry Applications Conference, 2008 Edmonton, October 2008 [7] Boglietti, A., Cavagnino, A., Pastorelli, M., Staton, D A., Vagati, A., Thermal Analysis of Induction and Synchronous Reluctance Machines, IEMDC 2005, San Antonio, USA, May 2005 (BBT nhận bài: 22/12/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 21/03/2018) ... chạy phân tích nhiệt chế độ xác lập Kết phân tích mơ hình mơ nhiệt thể dạng sơ đồ mạch nhiệt Hình 11 Khảo sát phân bố nhiệt động không đồng số điểm thể Hình 12 Hình 13 So sánh kết phân bố nhiệt tính. .. trúc 3D mơ hình cánh tản nhiệt động thể Hình Hình Thông số tổn thất động Hình Cấu trúc 3D cánh tản nhiệt phần nắp động không đồng B Các thông số dây quấn động không đồng Các thông số tính tốn dây... động Hình 5: Hình Các thơng số hình học dọc trục động không đồng Bùi Minh Định, Vũ Ngọc Minh 16 Mơ hình động khơng đồng nhóm tác giả dùng để nghiên cứu thuộc kiểu kín, làm mát quạt gắn trục động