Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng động cơ không đồng bộ bằng phần mềm Maxwell

Trong đề tài này tác giả tập trung nghiên cứu ứng dụng phần mềm Maxwell trong việc thiết kế động cơ không đồng bộ ba pha để tối ưu hóa kết cấu, tính năng làm việc cho hiệu suất sử dụng cao hơn, giảm thiểu thời gian chế tạo thử.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 14, Số (2019) NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BẰNG PHẦN MỀM MAXWELL Phan Thị Hồng Phượng*, Lê Vĩnh Thắng, Tạ Thị Lài Ph}n hiệu Đại học Huế Quảng Trị, Đại học Huế *Email: hongphuong2403@gmail.com Ngày nhận bài: 4/01/2019; ngày hoàn thành phản biện: 16/01/2019; ngày duyệt đăng: 16/01/2019 TÓM TẮT Ngày nay, với nhiều ph{t minh khoa học lĩnh vực kỹ thuật ng|y c|ng có nhiều cơng cụ để khảo s{t c{c loại động Một số c{c tính cơng cụ nghiên cứu c{c động l| x}y dựng mơ hình mơ động nhằm tăng tính trực quan hệ thống rút ngắn thời gian nghiên cứu, thời gian chế tạo thử, giảm chi phí thiết kế v| nghiên cứu Qua qu{ trình mơ hình hóa v| mơ lựa chọn lại kết cấu phù hợp cho người sử dụng v| qu{ trình cơng t{c động Trong đề t|i n|y t{c giả tập trung nghiên cứu ứng dụng phần mềm Maxwell việc thiết kế động không đồng ba pha để tối ưu hóa kết cấu, tính l|m việc cho hiệu suất sử dụng cao hơn, giảm thiểu thời gian chế tạo thử Từ khóa: Động cơ, phần mềm Maxwell, mô MỞ ĐẦU Hiện giới có nhiều phần mềm liên quan đến động nói chung v| qu{ trình điện từ trường hay nhiệt động học nói riêng động c{c phần mềm đa phương KIVA, phần mềm nhiệt động học qu{ trình cơng t{c PROMO, đặc biệt phần mềm Maxwell mơ trường điện từ h|ng đầu cho c{c kỹ sư thiết kế 3-D 2-D gồm động cơ, cấu truyền động, m{y biến {p, cảm biến v| cuộn d}y Ansys Maxwell sử dụng phương ph{p x{c phần tử hữu hạn FEM để giải c{c phương trình vi tích ph}n hệ phương trình Maxwell viết cho trường điện từ Từ đó, biết phân bố trường điện từ m{y điện, tính to{n tham số m{y điện [4] Kh{c với phương ph{p thiết kế truyền thống, sử dụng c{c cơng thức giải tích, hệ số kinh nghiệm, bảng tính < ứng dụng FEM, cần phải x}y dựng mơ hình hình 107 Nghiên cứu thiết kế, mô động không đồng phần mềm Maxwell học cho m{y điện, khai b{o thông số vật liệu, đặt c{c giả thiết điều kiện biên, sử dụng m{y tính số để giải to{n với khối lượng tính to{n lớn [4] SỨC ĐIỆN ĐỘNG MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Để m{y điện l|m việc tốt, yêu cầu sức điện động xoay chiều phải biến đổi hình sin theo thời gian, cịn sức điện động chiều phải có trị số khơng đổi [2] Thực tế l| khơng thể cấu tạo m{y nên từ trường cực từ v| d}y quấn kh{c sin Ta ph}n tích chúng th|nh sóng (bậc 1) v| sóng bậc cao  (bậc 3,5, ), ph}n từ cảm B th|nh c{c sóng sin B1, B3, B5, B7, với từ trường B1 có bước cực  cịn B có bước cực  = / Khi roto chuyển động, từ trường B1, B3, B5, cảm ứng d}y quấn sức điện động e1, e3, e5, tần số f khác nên sức điện động tổng d}y quấn có dạng khơng sin Ngun nh}n l|m cho sức điện động cảm ứng không sin l| từ cảm B không sin Sau đ}y l| c{c biện ph{p để l|m cho sức điện động cảm ứng có dạng sin 2.1 Tạo độ cong mặt cực: Với  l| khe hở nhỏ mặt cực  tăng dần phía mõm cực từ, để B hình sin x c{ch mặt cực bằng: x   cos  x /   Với b l| bề rộng mặt cực; b = (0,650,76) max = (1,52,5) 2.2 Rút ngắn bước dây quấn: Khi y =  tất c{c sức điện động bậc cao tồn vì: k n  sin   / 2  1 Khi y <  sức điện động bậc cao tùy ý bị triệt tiêu, như:   y /   / 4   E5  Tương tự, E7 = rút ngắn rút ngắn d}y quấn  / k n5  sin 52 /7 Bước ngắn không đồng thời triệt tiêu tất sức điện động bậc cao phải chọn bước ngắn thích hợp; Rút ngắn bước d}y sức điện động bậc giảm khơng đ{ng kể 2.3 Thực dây quấn rải: Khi q = kr =  nghĩa l| c{c sức điện động bậc cao khơng giảm Khi q > c{c sức điện động bậc cao giảm nhỏ 108 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 14, Số (2019) Một số bậc cao khơng bị giảm yếu m| có kr = kr1 bậc sức điện động biểu thị  z  2mqk  Trong đó: k = 1,2,3, 2mq=Z/p nên: z  v| m l| số pha; q l| số rãnh pha cực từ Vì Z k  , sóng điều hịa z gọi l| sóng điều hịa p Sở dĩ có kr = kr1 l| góc lệch z c{c sức điện động c{c bối d}y đặt c{c rãnh liên tiếp từ trường bậc z ho|n to|n góc lệch  ứng với từ trường sóng bản: z  . z  2p  Z  2p  2k    k  1  2k  Z  p  Z Hình Trường hợp rãnh chéo bước [3] Quấn rải khơng triệt tiêu sóng điều hịa răng, nhiên q tăng z tăng theo Bmz nhỏ đi, kết l| sóng điều hịa nhỏ tương ứng v| dạng sóng sức điện động cải thiện phần *3] 2.4 Thực rãnh chéo:  z  Z k  , trường hợp k = l| lớn nhất, p Để triệt tiêu sức điện động n|y ta chọn bước rãnh chéo: bc  2..p / Z  .D / Z [1] THIẾT LẬP THÔNG SỐ ĐỘNG CƠ VÀO PHẦN MỀM MAXWELL Động công suất 1,1kW, số cực 2p=2, điện {p định mức 220/380V, cos = 0,92 Tổ nối d}y Y/∆ thiết lập vào phần mềm Maxwell: Công suất: 1100W Điện áp vào động cơ: 380V Tốc độ từ trường: 3000 vòng/phút Tần số: 50Hz; Động đấu hình Y 109 Nghiên cứu thiết kế, mơ động không đồng phần mềm Maxwell Chạy mô với lựa chọn 1: dây quấn lớp, tập trung cực từ Chạy mô với lựa chọn 2: dây quấn lớp, quấn rải cực từ, bước ngắn KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH 4.1 Điện áp vào động InputVoltage 375.00 Maxwell2DDesign1 Curve Info InputVoltage(PhaseA) Setup1 : Transient 250.00 InputVoltage(PhaseB) Setup1 : Transient Y1 [V] 125.00 InputVoltage(PhaseC) Setup1 : Transient 0.00 -125.00 -250.00 -375.00 0.00 25.00 50.00 75.00 100.00 Time [ms] 125.00 150.00 175.00 200.00 Hình Điện {p đầu vào dây quấn với lựa chọn InputVoltage Curve Inf o 250.00 InputVoltage(PhaseA) Setup1 : Transient InputVoltage(PhaseB) Setup1 : Transient 125.00 Y1 [V] Maxwell2DDesign2 375.00 InputVoltage(PhaseC) Setup1 : Transient 0.00 -125.00 -250.00 -375.00 0.00 50.00 100.00 Tim e [m s ] 150.00 200.00 Hình Điện {p đầu vào dây quấn với lựa chọn Ở hai trường hợp (Hình hình 3), điện áp vào dây quấn động ba pha biến thiên theo hàm hình sin theo thời gian có dạng U = 310,069sin2*pi*50*time, động đấu 110 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 14, Số (2019) 4.2 Điện áp cảm ứng cuộn dây stator động InducedVoltage 375.00 Maxwell2DDesign1 Curve Info InducedVoltage(PhaseA) Setup1 : Transient 250.00 InducedVoltage(PhaseB) Setup1 : Transient Y1 [V] 125.00 InducedVoltage(PhaseC) Setup1 : Transient 0.00 -125.00 -250.00 -375.00 0.00 25.00 50.00 75.00 100.00 Time [ms] 125.00 150.00 175.00 200.00 Hình Điện áp cảm ứng dây quấn lúc làm việc (lựa chọn 1) InducedVoltage 300.00 Maxwell2DDesign2 Curve Info InducedVoltage(PhaseA) Imported 200.00 InducedVoltage(PhaseB) Imported Y1 [V] 100.00 InducedVoltage(PhaseC) Imported 0.00 -100.00 -200.00 -300.00 0.00 25.00 50.00 75.00 100.00 Time [ms] 125.00 150.00 175.00 200.00 Hình Điện áp cảm ứng dây quấn lúc làm việc (lựa chọn 2) Hình v| l| điện áp cảm ứng đo cuộn dây stator lúc làm việc Với thiết kế 1, dây quấn lớp, tập trung, bước đủ thành phần sóng hài lớn làm biến dạng sóng hình sin (U=Umsin2*pi*50*time) cuộn dây stator Khi sử dụng dây quấn lớp bước ngắn quấn rải giảm sóng hài dây quấn động Điều giảm tiếng ồn cho động Độ lớn điện áp phụ thuộc vào số mạch nhánh song song, số vòng dây quấn pha động Thời gian khởi động với thiết kế lựa chọn khoảng 25ms Thời gian khởi động với thiết kế lựa chọn d|i hơn, khoảng 50ms Điện áp cuộn dây stator giảm trình khởi động 111 Nghiên cứu thiết kế, mô động không đồng phần mềm Maxwell 4.3 Dòng điện cuộn dây staotor Winding Currents Maxwell2DDesign1 Curve Info Current(PhaseA) Setup1 : Transient 30.00 Y1 [A] Current(PhaseB) Setup1 : Transient Current(PhaseC) Setup1 : Transient 10.00 -10.00 -30.00 0.00 25.00 50.00 75.00 100.00 Time [ms] 125.00 150.00 175.00 200.00 Hình Dịng điện pha dây quấn (lựa chọn 1) Winding Currents Maxwell2DDesign2 80.00 Curve Info Current(PhaseA) Setup1 : Transient Current(PhaseB) Setup1 : Transient 40.00 Y1 [A] Current(PhaseC) Setup1 : Transient -10.00 -60.00 0.00 50.00 100.00 Time [ms] 150.00 200.00 Hình Dịng điện pha dây quấn (lựa chọn 2) Hình v| l| dòng điện pha dây quấn stator động cơ, biến thiên theo luật hình sin có dạng I=Imsin(2*pi*50+phi), dùng dây quấn lớp trị số dòng điện dây quấn tăng lên Trị số dòng khởi động tăng gấp khoảng lần dòng định mức Ở lựa chọn 1, thời gian khởi động khoảng 25ms, lựa chọn thời gian khởi động dài hơn, khoảng 50ms q trình khởi động dịng điện biến đổi phức tạp 4.4 Tổn hao mạch từ động SolidLoss 3.00 Maxwell2DDesign1 Curve Info SolidLoss Setup1 : Transient 2.50 SolidLoss [kW] 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 0.00 25.00 50.00 75.00 100.00 Time [ms] 125.00 150.00 Hình Tổn hao mạch từ động (lựa chọn 1) 112 175.00 200.00 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế SolidLoss 1.20 Tập 14, Số (2019) Maxwell2DDesign2 Curve Info SolidLoss Imported 1.00 SolidLoss [kW] 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 0.00 25.00 50.00 75.00 100.00 Time [ms] 125.00 150.00 175.00 200.00 Hình Tổn hao mạch từ động (lựa chọn 2) Hình tổn hao mạch từ lúc không tải Khi lựa chọn tức dây quấn tập trung, bước đủ đỉnh tổn hao cao thời gian khởi động ngắn (25ms), tổn hao trình xác lập sau khởi động nhỏ nhiều Với lựa chọn thiết kế đỉnh tổn hao thấp nhiên thời gian khởi động dài (50ms) nên tổn hao kéo theo không kém, sau qu{ trình qu{ độ khởi động xảy tổn hao lớn lựa chọn thiết kế nhiều 4.5 Momen động Torque Maxwell2DDesign1 Moving1.Torque [NewtonMeter] Curve Info Moving1.Torque Setup1 : Transient 2.50 -2.50 -7.50 -12.50 -17.50 0.00 25.00 50.00 75.00 100.00 Time [ms] 125.00 150.00 175.00 200.00 Hình 10 Mơ men động (lựa chọn 1) Torque Maxwell2DDesign2 Moving1.Torque [NewtonMeter] Curve Info Moving1.Torque Setup1 : Transient 5.00 -5.00 -15.00 -25.00 0.00 25.00 50.00 75.00 100.00 Time [ms] 125.00 Hình 11 Mơ men động (lựa chọn 2) 113 150.00 175.00 200.00 Nghiên cứu thiết kế, mô động khơng đồng phần mềm Maxwell Hình 10 v| 11 l| momen động Momen động dùng d}y quấn bước ngắn lớp quấn rãi (lựa chọn 2) có nhiều cực trị thời gian khởi động d|i so với lựa chọn 4.6 Từ trường động Hình 12 Từ trường quan sát từ trường quay (lựa chọn 1) Hình 13 Từ trường quan sát mô từ trường quay (lựa chọn 2) Hình 12 13 mơ tả từ trường lúc quay động l| từ trường quay tròn Lựa chọn từ trường tập trung cực từ, với lựa chọn từ trường phân tán cực từ Từ trường khe hở khơng khí có biên độ lớn nhất, trường hợp có biên độ cực đại lớn trường hợp KẾT LUẬN Động không đồng loại động phổ biến sử dụng nhiều đời sống sinh hoạt cơng nghiệp Nó thuộc loại m{y điện quay xoay chiều sử 114 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế dụng nhiều loại m{y điện buộc người học c{c kĩ sư hiểu rõ qu{ trình điện từ để thiết kế, vận hành hiệu Tập 14, Số (2019) điện phải Kết mô động thấy chi tiết thiết bị điện với kết tính to{n được, thấy từ tính động m| mắt thường khơng nhìn thấy tính to{n khó khăn để tìm ra, chí tính tốn tay có độ xác khơng cao Lúc mơ động cơ, quan s{t từ trường sinh động l| từ trường quay tròn Các tham số động điện áp, sức điện động, dòng điện, từ thơng biến thiên theo qui luật hình sin theo thời gian Tuy nhiên, kết thấy điện áp cảm ứng dây quấn động bị biến dạng có sóng hài bậc cao gây ra, sử dụng dây quấn lớp bước ngắn quấn rải làm giảm sóng hài cuộn dây động Tuy nhiên, thời gian khởi động động lớn gấp đơi, qu{ trình khởi động dòng điện momen biến đổi phức tạp, tổn hao mạch từ tăng Việc giảm bớt sóng h|i động giảm tiếng ồn động Tuy nhiên, Đối với động 1,1kW sử dụng điện áp dây 380V nên dùng dây quấn lớp tốt Qua phân tích kết sau chạy mơ giúp người thiết kế có lựa chọn phù hợp loại động phù hợp với yêu cầu thực tế, giảm thời gian chế tạo thử Khi ứng dụng phần mềm mô thiết kế m{y điện cịn gặp nhiều khó khăn, c{c thơng số đưa v|o mơ hình mơ thơng số chế tạo thực tế sai kh{c, FEM khơng thể phản {nh tồn t{c động yếu tố công nghệ chế tạo nên mô hình mơ mơ hình thực tế có sai số Do đó, phương pháp cần kết hợp phương ph{p mô kinh nghiệm thiết kế chế tạo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Khánh Hà, Nguyễn Hồng Thanh (2001), Thiết kế máy điện, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [2] Vũ Gia Hanh (2001), Máy điện 1, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [3] Bùi Tấn Lợi (2008), Máy điện 1, Nhà xuất Đ| Nẵng, Đ| Nẵng [4] Phần mềm mô điện từ trường lĩnh vực thiết kế m{y điện - Ansys Maxwell – Website: http://webdien.com [5] Hướng dẫn sử dụng phần mềm Ansys Maxwell để mô động không đồng ba pha - TS Đo|n Thanh Bảo, Website: https://www.youtube.com/watch 115 Nghiên cứu thiết kế, mô động không đồng phần mềm Maxwell DESIGN RESEARCH AND ASYNCHRONOUS MOTOR SIMULATION BY MAXWELL SOFTWARE Phan Thi Hong Phuong*, Le Vinh Thang, Ta Thi Lai Quang Tri Branch, Hue University *Email: hongphuong2403@gmail.com ABSTRACT With many current scientific inventions in the field of technology, there are more and more tools to be able to survey the types of motor One of the features of the motor research tool is that it is possible to build a motor simulation model to increase the system's visualization as well as shorten the study time, trial production time, reduce costs in design and research Through modeling and simulation processes that can optimize the working process, new structures are more suitable for users In this topic, the author focuses on studying Maxwell application in the design of three-phase asynchronous motors to optimize the structure, working features for higher use efficiency and minimization of trial productiontime Keywords: Motor, Maxwell software, simulation Phan Thị Hồng Phượng sinh ngày 24/3/1982 Quảng Trị Năm 2006, bà tốt nghiệp Kỹ sư ng|nh Kỹ thuật điện Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Năm 2010, b| tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ng|nh Mạng Hệ thống điện Đại học B{ch khoa Đ| Nẵng Từ năm 2010 đến nay, bà giảng viên Phân hiệu Đại học Huế Quảng Trị Lĩnh vực nghiên cứu: Hệ thống điện, m{y điện v| c{c lĩnh vực liên quan Lê Vĩnh Thắng sinh ngày 24/6/1991 Quảng Bình Năm 2014, ơng tốt nghiệp Kỹ sư ng|nh Hệ thống điện Trường Đại học Điện lực Hà Nội Năm 2017, ông tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ng|nh Kỹ thuật điện Đại học B{ch khoa Đ| Nẵng Từ nắm 2015 đến nay, ông giảng viên Phân hiệu Đại học Huế Quảng Trị Lĩnh vực nghiên cứu: Hệ thống điện, Hệ thống phong điện v| c{c lĩnh vực liên quan 116 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 14, Số (2019) Tạ Thị Lài sinh ng|y 11/02/1986 Quảng Trị Năm 2010, b| tốt nghiệp Cử nhân Sư phạm kỹ thuật Điện – Điện tử Trường Đại học B{ch Khoa Đ| Nẵng Năm 2013, b| tốt nghiệp Thạc Sĩ chuyên ng|nh Mạng v| hệ thống điện Đại học Bách khoa Đ| Nẵng Từ 2010 đến nay, bà giảng dạy Bộ môn Kỹ thuật điện, Phân hiệu Đại học Huế Quảng Trị Lĩnh vực nghiên cứu: Lưới điện, lượng tái tạo v| c{c lĩnh vực liên quan 117 Nghiên cứu thiết kế, mô động không đồng phần mềm Maxwell 118 ... giảng dạy Bộ môn Kỹ thuật điện, Phân hiệu Đại học Huế Quảng Trị Lĩnh vực nghiên cứu: Lưới điện, lượng tái tạo v| c{c lĩnh vực liên quan 117 Nghiên cứu thiết kế, mô động không đồng phần mềm Maxwell. .. Time [ms] 125.00 Hình 11 Mơ men động (lựa chọn 2) 113 150.00 175.00 200.00 Nghiên cứu thiết kế, mô động không đồng phần mềm Maxwell Hình 10 v| 11 l| momen động Momen động dùng d}y quấn bước ngắn... 3000 vòng/phút Tần số: 50Hz; Động đấu hình Y 109 Nghiên cứu thiết kế, mô động không đồng phần mềm Maxwell Chạy mô với lựa chọn 1: dây quấn lớp, tập trung cực từ Chạy mô với lựa chọn 2: dây quấn