Mô phỏng động cơ cảm ứng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN  Đồ án I Mô động cảm ứng phần mềm Ansys Electronics Điểm Lời phê nhận xét giáo viên Lời nói đầu Nói đến Maxwell nhiều người nghĩ đến James Clerk Maxwell nhà vật lý vĩ đại người Scotland với nhiều thành tựu bật phải kể đến thiết lập nên lý thuyết cổ điển xạ điện từ Phương trình Maxwell trường điện từ gọi lần thống vĩ đại thứ hai vật lý Vì sau Ansoft tập đoàn hàng đầu lĩnh vực thiết kế phần mềm mô cho mắt phần mềm ANSYS Maxwell mang tên nhà vật lý vỹ đại phần mềm mô cơng nghiệp Đồ án nhóm mang tên “Mơ động cảm ứng phần mềm Ansys Electronics” giúp em có hội tìm hiểu học hỏi phần mềm có nhiều ứng dụng to lớn công nghiệp đặc biệt lĩnh vực mà em theo học Nhờ giúp đỡ bảo tận tình người lái đị, người trước thầy đề tài em hiểu khái quát chức cách cài đặt sử dụng phần mềm Em thực số ví dụ mơ phần mềm thu kết tương đối xác Bên cạnh kết khiêm tốn mà chúng em đạt được, chắn khơng tránh khỏi thiếu sót thực đề tài hạn chế kinh nghiệm Sự phê bình góp ý thầy học q báo cho chúng em, giúp chúng em có tảng tốt hơn, có thêm kinh nghiệm quý báo cho công việc thực tế sau Em mong nhận đóng góp quý báu thầy để giúp em trở thành chuyên gia phần mềm Một lần chúng em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ nhiệt tình thầy để chúng em hồn thành đề tài khóa luận Kính chúc thầy cô mạnh khỏe, đạt nhiều thành công nghiên cứu khoa học nghiệp giảng dạy Contents A Giới thiệu I Giới thiệu chung Động không đồng loại máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ quay roto n (tốc độ máy) khác với tốc độ quay từ trường n1 Động không đồng so với loại động khác có cấu tạo vận hành khơng phức tạp, giá thành rẻ, làm việc tin cậy nên sử dụng nhiều sản xuất sinh hoạt Hình Động Động điện khơng đồng có loại: động ba pha, hai pha pha Các động có cơng suất nhỏ 600 W thường động ba pha có ba dây quấn làm việc, trục dây lệch không gian góc điện Bảng Các thơng số động khơng đồng Cơng suất có ích trục Điện áp dây stato: Dòng điện dây Stato Tần số dịng điện stato Tốc độ quay roto Hệ số cơng suất Hiệu suất II Cấu tạo Cấu tạo máy điện khơng đồng gồm hai phận là: stato roto, ngồi cịn có vỏ máy nắp máy Stator Hình Mặt cắt ngang động Stato phần tĩnh gồm hai phần lõi thép dây quấn, ngồi có võ máy nắp máy 1.1 Lõi thép Lõi thép stato hình trụ thép kỹ thuật điện dập rãnh bên trong, ghép lại với tạo thành rãnh theo hướng trục Lõi thép ép bên vỏ máy Hình Lõi thép stator 1.2 Dây quấn Dây quấn stato làm dây quấn bọc cách điện (dây điện từ) đặt rãnh lõi thép Hình sơ đồ triển khai dây quấn ba pha đặt 12 rãnh stato, dây quấn pha A rãnh 1, 4, 7, 10, pha B đặt rãnh 3, 6, 9,12, pha C đặt rãnh 2, 5, 8, 11 Hình Sơ đồ quấn dây Dịng điện xoay chiều ba pha chạy ba dây quấn stato tạo từ trường quay 1.3 Vỏ máy Vỏ máy làm nhôm gang, dùng để giữ chặt lõi thép cố định máy bệ Hai đầu vỏ có nắp máy, đỡ trục Vỏ máy nắp máy dùng để bảo vệ máy Roto Roto phần quay gồm lõi thép, dây quấn trục máy 2.1 Lõi thép Lõi thép gồm thép kỹ thuật điện dập rãnh mặt ghép lại, tạo thành rãnh theo hướng trục, có lỗ để lắp trục Hình Lõi thép rotor 2.2 Dây quấn Dây quấn roto có hai kiểu: roto ngắn mạch (cịn gọi roto khơng đồng lồng sóc) roto dây quấn Động điện có roto lồng sóc gọi động khơng đồng lồng sóc Loại roto lồng sóc cơng suất 100 kW, rãnh lõi thép roto đặt đồng, hai đầu nối ngắn mạch hai vòng đồng tạo thành lồng sóc Hình Lồng sóc Ở động roto lồng sóc cơng suất nhỏ chế tạo cách đúc nhôm vào rãnh lõi thép roto, tạo thành nhôm, hai đầu đúc ngắn mạch cánh quạt làm mát Hình Rotor có lồng sóc Loại động có roto dây quấn gọi động không đồng roto dây quấn Trong rãnh lõi thép roto người ta đặt dây quấn ba pha Dây quấn roto thường nối sao, ba đầu nối với ba vòng tiếp xúc đồng, cố định trục roto cách điện với trục Hình Rotor dây quấn Nhờ ba chổi than tì sát vào ba vòng tiếp xúc, dây quấn roto nối với vịng tiếp xúc, nhờ chổi than dây quấn roto nối với ba biến trở bên để mở máy hay điều chỉnh tốc độ Hình Sơ đồ cấp điện Động lồng sóc loại phổ biến giá thành rẻ làm việc đảm bảo Động roto dây quấn có ưu điểm mở máy điều chỉnh tốc độ song giá thành đắt vận hành tin cậy động lồng sóc, nên dùng động lồng sóc khơng đáp ứng u cầu truyền động III Nguyên lý làm việc Khi ta cho dòng điện ba pha tần số f vào ba pha dây quấn stato, tạo từ trường quay p đôi cực, quay với tốc độ: Từ trường quay cắt dẫn dây quấn roto, cảm ứng sức điện động Vì dây quấn roto nối ngắn mạch, nên sức điện động cảm ứng sinh sinh dòng điện chạy dẫn roto Lực tác dụng tương hỗ từ trường qua máy với dẫn mang dòng điện roto, kéo roto quay chiều quay với từ trường với tốc độ n Để minh họa, hình bên vẽ từ trường quay tốc độ n1, chiều sức điện động dòng điện cảm ứng dẫn roto, chiều vẽ lực điện từ Hình 10 Từ trường quay Khi xác định chiều sức điện động cảm ứng theo quy tắc bàn tay phải, ta vào chiều chuyển động tương đối dẫn với từ trường Nếu coi từ trường đứng yên, chiều chuyển động tương đối dẫn ngược với chiều n1, từ áp dụng quy tắc bàn tay phải, xác định chiều suất điện động hình vẽ Chiều lực điện từ xác định theo quy tắc bàn tay trái, trùng với chiều quay Tốc độ n máy nhỏ tốc độ từ trường quay n1 tốc độ khơng có chuyển động tương đối, dây quấn roto khơng có suất điện động dịng điện cảm ứng, lực điện từ không Độ chênh lệch tốc độ từ trường quay tốc độ máy gọi tốc độ trượt Hệ số trượt tốc độ là: Khi roto đứng yên (n = 0), hệ số trượt s = 1; roto quay định mức s = 0,02 ÷ 0,06 Tốc độ động là: IV Các chế độ làm việc Chế độ động Ở chế độ động cơ, gồm loại: pha pha Về mặt kết cấu, động điện không đồng pha không khác so với pha Điều khác biệt động không đồng pha không tự mở máy được, dây quấn stato có quấn thêm dây quấn khởi động dây quán nối với phần tử tụ điện điện trở để tạo mômen khởi động cho dộng Chế độ máy phát Nếu ta dùng động khác kéo động không đồng quay với tốc độ lớn tốc độ đồng đầu động nối với lưới điện Động không đồng bơ trở thành máy phát điện độc lập đẩu động kích từ tụ điện Máy phát điện khơng đồng làm việc khơng ổn định nên sử dụng V Ưu, nhược điểm Ưu điểm • Kết cấu đơn giản nên giá thành rẻ • Vận hành dể dàng, bảo quản thuận tiện • Sử dụng rộng rãi phổ biến phạm vi công suất nhỏ vừa • Sản xuất với nhiều cấp điện áp khác (từ 24 V đến 10 kV) nên thích nghi cho người sử dụng Nhược điểm • Hệ số cơng suất thấp gây tổn thất nhiều cơng suất phản kháng lưới điện • Khơng sử dụng lúc non tải khơng tải • Khó điều chỉnh tốc độ • Đặc tính mở máy khơng tốt, dịng mở máy lớn (gấp 6-7 lần dịng định mức) 10 Hình 22 Thơng số rãnh rotor - Nháy đúp vào Winding để điền thông số, roto lồng sóc > Bấm OK Hình 23 Thơng số lồng sóc - Nháy đúp vào Shaft để chon trục từ hay khơng từ > Bấm OK Hình 24 Chọn trục từ hay không từ 37 Bấm chuột phải vào Analysis > bấm chuột trái vào Solution Setup > Điền thông số mô > Bấm OK Hình 25 Solution Setup Nhập xong thơng số sau: Hình 26 Các thơng số nhập Vào RMxprt > Bấm chọn Validation Check để kiểm tra lỗi cảnh báo Hình 27 Check lỗi Vào RMxprt > Bấm chọn Analyze All để chay mô 38 Bấm chuột phải vào Results > Creat RMxprt Report > Rectangular Plot để xem quả mô (hoặc chọn Creat Quick Reports) Chọn kết muốn xem: Dịng điện, hiệu suất, cơng suất, momen > Bấm New Report Hình 28 Đặc tính Trong Results > Solution data để xem chi tiết kết mơ Hình 29 Solution data Chọn chế độ định mức, ngắn mạch, khóa roto để xem kết mơ 39 Xuất từ file RMxprt sang Maxwell 2D để quan sát đặc tính q độ, hình ảnh từ trường Bấm RMxprt > Analysis Setup > Creat Maxwell Design > Chọn Maxwell 2D Design > bấm OK Sau chạy xong mô ta giao diện sau Hình 30 Giao diện mơ 2d Xem kết phần Results Hình 31 Mơ men Có thể thay đổi thời gian mơ tần suất lấy mẫu cách vào Analysis > Setup1 > 40 C Mô phần mềm ansys Việc nhập thông số vật liệu đầu vào đảm bảo cho cơng việc tính tốn xác sát với thực tế Các vật liệu sử dụng nội dung Đồ án lấy sẵn phần mềm với xem xét kỹ lưỡng biểu đồ B-H vật liệu I Các bước thiết lập thông số Bắt đầu thiết lập thông số cho động Để thiết lập thông số cần thiết cho động cơ, cần chọn loại động cơ, loại động thiết lập thành mẫu Tại hình cần mở Machine type để chọn loại động Ở động rotor lồng sóc, cần chọn loại động three phase induction motor Thiết lập thông số chung Các thông số số cực động cơ, đại lượng hao phí tốc độ tham chiếu nhập vào bảng thơng số bảng machine Hình 32 Thông số động Thiết lập thơng số stator Các thơng số hình học stator, hệ số xếp chồng, vật liệu, số rãnh, loại rãnh… nhập vào cửa sổ 41 Hình 33 thơng số hình học khác stator Nhập thông số độ dài để thiết lập hình dạng rãnh cho loại rãnh chọn bước Hình 34 Thiết lập hình dạng rãnh stator Thiết lập dạng dây quấn cho stator thông số số lớp dây quấn, kiểu quấn dây, số nhánh dây song song, số mạch định hướng rãnh( thơng số gõ muốn phần mềm tự thiết kế), số dây ống, size dây quấn Hình 35 Thơng số dây quấn stator 42 Thiết lập thông số cho rotor Các thơng số tính tốn thiết kế bảng sau: Bảng thông số cho rotor Thông số Giá trị Đơn vị Hệ số xếp chồng 0.95 Số rãnh 30 Đường kính rotor 96.7 mm Đường kính trục 30 mm Chiều dài 137 mm Độ rộng lệch Thiết lập thông số bảng vào phần mềm hình đây: Hình 36 Các thơng số rotor Ở bảng cần phải chọn vật liệu cho rotor, mẫu động sử sụng loại thép steel_1008 thiết lập sẵn phần mềm Tiếp theo, dạng rãnh stator, thiết lập thông số độ dài để tạo dạng rãnh rotor vã dạng dọc lồng sóc Hình 37 Thiết lập hình dạng cho rãnh rotor 43 Vì rotor lồng sóc nên ta cần thiết lập thơng số lồng sóc Thiết lập thơng số chiều dài dọc, chiều cao rộng lồng sóc Vật liệu lồng sóc chọn đồng, nên cần chọn vật liệu hai vịng đầu cuối cooper Điền thơng số tính tốn vào cửa sổ winding rotor hình sau: Hình 38 Các thơng số hình học vật liệu lồng sóc Thiết lập thơng số điện Để mô động cơ, thiết lập xong thơng số hình học, cần thiết lập thông số điện tải quạt, công suất ra, điện áp định mức, tốc độ quay định mức, nhiệt độ vận hành sau: Hình 39 Các thông số điện Ở phần này, cần phải lựa chọn tần số điện 50Hz cấp cho máy 44 Phân tích (analyze) Như vậy, sau bước thiết lập thơng số hồn thành thiết lập động cảm ứng Chế độ analyze all giúp phân tích thơng số máy, giúp tìm điểm không hợp lý thông báo phần massage manager II Xuất thiết kế kết Xuất thiết kế 1.1 Xuất 2D Phần mềm cho phép xuất dạng 2d động qua mặt cắt ngang Mặt cắt ngang thể yếu tố quan trọng động hình Hình 40 Mặt cắt 2d động Các yếu tố quan trọng hiển thị trục, rãnh stator, rãnh rotor, lớp dây quấn Các yếu tố thể với tỉ lệ thông số thiết lập với độ xác cao, zoom lên đo khe hở khơng khí stator rotor Các thành phần quan trọng động chia rõ ràng yếu tố xếp theo sơ đồ ô cửa sổ bên cạnh 45 Hình 41 Các thành phần động phân chia theo vật liệu Và thành phần giống đánh số theo thứ tự, bấm vào lên với màu khác biệt Hình 42 Vị trí cuộn dây đánh số Trong thiết kế 2d xuất này, phần mềm tối giản việc hiển thị cách thị đối xứng nửa hay ¼ động tùy vào dự đối xứng động Việc xuất 2D giúp quan sát động Tại giao diện cho phép sửa đổi thiết kế động mục draw Tại mục draw có công cụ vẽ 2d bản, nhiên đầy đủ để vẽ đường theo thiết kế riêng lệnh vẽ đường cong, lệnh vẽ đường tròn Ngồi cịn có thêm lệnh đục lỗ, làm liền lỗ, công cụ hỗ trợ mạnh cho việc sửa đổi thiết kế khơng có sẵn Và việc hiển thị nửa (hoặc1/4) động không ảnh hưởng đến thiết kế thêm phần bên không hiển thị tự động vẽ đối xứng phần hiển thị 46 Hình 43 Các lệnh vẽ 1.2 Xuất 3D Công cụ xuất 3d cho phép người sử dụng xuất 3d động với đầy đủ tất thành phần chi tiết hiển thị cách hợp lý theo màu Hình 44 Mô động 3d Do hiển thị chế độ 3d nên độ chi tiết cao so với xuất 2d, nhìn thành phần Vì vậy, với biểu đồ thể thành phần chi tiết so với 2d Các thành phần bị che lấp bên nhìn thấy cách ẩn tạm thời thành phần bên Và giao diện cho phép chỉnh sửa chi tiết stator, rotor dạng hình học công cụ vẽ 3d 47 Khởi động động 2.1 Chạy Phần mềm mô cho phép chạy thử động từ bước khởi động Phần mềm đo đạc hiển thị biểu đồ thông số động momen, tốc độ, cơng suất, cường độ dịng điện, điện áp… Quá trình khởi động làm chậm tùy theo yêu cầu Khởi động lâu cho biểu độ mượt hơn, giảm gấp khúc phát dễ thời điểm có biến đổi bất thường thông số Trước cho động khởi động, cần cài đặt vài thông số đầu vào thời gian chạy mô phỏng, bước nhảy đo thơng số, tần số điện cấp vào… Hình 45 Một vài thông số trước khởi động 48 2.2 Phân tích kết khởi động động 2.3.1 Mơ men tốc độ Hình 46 Mơ men tốc độ q trình q độ 2.3.2 Cơng suất Hình 47 Cơng suất q trình q độ 2.3.3 Cường độ dịng điện Hình 48 Cường độ dịng q độ 49 2.3.4 Điện áp Hình 49 Điện áp độ Nhận xét: Các dạng đồ thị đặc tính phù hợp với lý thuyết Động thỏa mãn yêu cầu từ nhà sản xuất KẾT LUẬN Sau khoảng thời gian tích cực tìm hiểu thầy giáo tận tình bảo chúng em cuối hiểu cách sử dụng cơng cụ tính tốn từ trường Maxwell 2D phần mềm Ansys Electronics để mơ phỏng, tính tốn, phân tích kết hệ điện từ đặc biệt mô động không đồng ba pha để xem từ trường đáp ứng động thay đổi cấu tạo tham số đầu vào Từ việc mô động em hiểu rõ cấu tạo ngun lí hoạt động động khơng đồng bộ, nữa, điều khiến cho em cảm thấy thích thú với việc thiết kế máy điện, tạo định hướng tảng để em tiếp tục học mơn học sau Những nội dung chúng em thực môn học ĐỒ ÁN I là: + Về kiến thức: Hiểu sâu cấu tạo, nguyên lí làm việc động KĐB số loại động khác; nắm sơ cách thiết kế động không đồng bộ; biết sử dụng phần mềm để mô động thay đổi thông số để xem kết 50 khác nhau, từ kết luận ảnh hưởng thơng số tới đặc tính động số kiến thức khác trau dồi trình làm ĐỒ ÁN + Về kỹ năng: Giúp em có số kỹ mềm cần thiết tìm đọc tài liệu; kĩ làm việc nhóm; kỹ giao tiếp số kỹ khác Tuy nhiên sau thời gian mày mò thực với phần mềm, em nhiều chỗ chưa thực thực chưa đạt, thời gian có hạn khơng thể thực khối cơng việc lớn, em xin dành lại tiếp tục tìm hiểu đồ án mơn học Nội dung báo cáo cịn sơ sài thừa/thiếu nội dung, em mong nhận lời nhận xét, góp ý, chỉnh sửa từ thầy giáo bạn để nội dung em thực hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! 51 ... cho động Để thiết lập thông số cần thiết cho động cơ, cần chọn loại động cơ, loại động thiết lập thành mẫu Tại hình cần mở Machine type để chọn loại động Ở động rotor lồng sóc, cần chọn loại động. .. rotor dạng hình học cơng cụ vẽ 3d 47 Khởi động động 2.1 Chạy Phần mềm mô cho phép chạy thử động từ bước khởi động Phần mềm đo đạc hiển thị biểu đồ thông số động momen, tốc độ, cơng suất, cường độ... phỏng, tính tốn, phân tích kết hệ điện từ đặc biệt mô động không đồng ba pha để xem từ trường đáp ứng động thay đổi cấu tạo tham số đầu vào Từ việc mô động em hiểu rõ cấu tạo nguyên lí hoạt động