Nghiên cứu, thiết kế động cơ cảm ứng startor dây quấn kép
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.85 MB, 104 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN
BÙI ANH TÀI
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ
CẢM ỨNG STARTOR DÂY QUẤN KÉP
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN
Bình Định - Năm 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN
BÙI ANH TÀI
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ
CẢM ỨNG STARTOR DÂY QUẤN KÉP
Ngành: Kỹ thuật điện
Mã số:
8520201
Ngƣời hƣớng dẫn: PGS.TS. Đoàn Đức Tùng
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các kết quả khoa học đƣợc trình bày trong luận văn này là
thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài và
chƣa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt đƣợc
là chính xác và trung thực.
Tác giả luận văn
Bùi Anh Tài
LỜI CẢM ƠN
Để hồn thành cơng trình này, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc và kính
trọng đến PGS.TS Đoàn Đức Tùng đã trực tiếp hƣớng dẫn, định hƣớng khoa
học trong quá trình nghiên cứu. Thầy đã dành nhiều thời gian, chỉ bảo và hỗ
trợ rất nhiều cho tơi trong suốt q trình thực hiện đề tài.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Trƣờng Đại học Quy Nhơn, Phòng
Đào tạo Sau Đại học, Khoa Kỹ thuật & Công nghệ đã tạo mọi điều kiện
thuận lợi cho học viên trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Trƣờng đã hỗ trợ, tạo điều tạo điều kiện
trong công tác để tơi có thời gia học tập.
Tác giả luận
văn
Bùi Anh Tài
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC BẢNG BIỂU
DANH MỤC HÌNH ẢNH
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG STATOR DÂY
QUẤN KÉP ............................................................................................................... 4
1.1. Giới thiệu .................................................................................................. 4
1.2. Cấu tạo, nguyên lý máy điện cảm ứng stator dây quấn kép ..................... 4
1.2.1. Kết cấu stator của máy điện ............................................................... 5
1.2.2. Kết cấu rotor của máy điện ................................................................ 7
1.2.3. Nguyên lý hoạt động .......................................................................... 9
1.3. Phân loại máy điện cảm ứng stator dây quấn kép .................................. 12
1.4. Các chế độ vận hành............................................................................... 13
1.4.1. Chế độ vận hành với 2 nguồn đồng bộ ............................................ 13
1.4.2. Chế độ vận hành với 2 nguồn không đồng bộ ................................. 13
1.5. Kết luận chƣơng 1 .................................................................................. 13
CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG STATOR
DÂY QUẤN KÉP ................................................................................................ 15
2.1. Tổng quan ............................................................................................... 15
2.2. Cơ sở lý tuyết về thiết kế máy điện cảm ứng stator dây quấn kép......... 15
2.3. Thiết kế tự động phần khung máy điện cảm ứng stator dây quấn kép... 18
2.3.1. Cơ sở tiền đề .................................................................................... 18
2.3.2. Nội dung chính bài tốn thiết kế tự động động cơ khơng đồng bộ. 18
2.4. Cơ sở dữ liệu bảo đảm công việc tự động thiết kế máy điện không đồng
bộ…….. ........................................................................................................... 21
2.4.1. Xác định khích thƣớc chủ yếu ......................................................... 21
2.4.2. Kết quả thiết kế ................................................................................ 25
2.5. Thiết kế và tính tốn lại các thông số máy cảm ứng stator dây quấn kép
......................................................................................................................27
2.5.1. Cuộn dây Stator ............................................................................... 27
2.5.2. Mật độ từ thông trong khe hở khơng khí ......................................... 28
2.5.3. Số vịng dây mỗi pha....................................................................... 32
2.5.4. Ƣớc tính cơngsuất ............................................................................ 33
2.6. Ƣớc lƣợng các thông số của máy điện ................................................... 35
2.6.1. Điện cảm từ hóa L m2 .............................................................. 35
2.6.2. Điện cảm rị của stator ..................................................................... 40
2.6.3. Điện cảm rò trên rotor ...................................................................... 43
2.6.4. Điện trở thanh rotor rb..........................................................................................................................................................44
2.6.5. Điện trở vòng ngắn mạch re ....................................................................................................................................... 44
2.6.6. Điện trở Stator rs.............................................................................................................................................................................44
2.7. Mơ hình tốn học của DSIM .................................................................. 45
2.7.1. Mạch tƣơng đƣơng của DSIM trong d-q ......................................... 45
2.7.2. Mơ hình Simulink ............................................................................ 46
2.8. Kết luận chƣơng 2 .................................................................................. 49
CHƢƠNG 3. PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ MÁY
ĐIỆN CẢM ỨNG STATOR DÂY QUẤN KÉP ................................................. 51
3.1. Giới thiệu ................................................................................................ 51
3.2. Phần mềm ANSYS ................................................................................. 52
3.3. Thiết kế động cơ với ANSYS RMxprt và Maxwell ............................... 54
3.4. Xây dựng mô hình 2D bằng MAXWELL .............................................. 55
3.5. Mơ hình FEM cho máy 4 cực và 12 cực tiêu chuẩn .............................. 56
3.5.1. Mô phỏng máy điện dây quấn kép dựa trên phần mềm Ansys
Maxwell ........................................................................................................ 56
3.5.2. Thiết lập dây quấn ............................................................................ 59
3.5.3. Đặc tính hiệu suất dƣới dạng đồ thị ................................................. 60
3.5.4. Mơ hình FEM cho DSIM ................................................................. 64
3.5.5. Kết quả mơ phỏng cho các chế độ hoạt động khác nhau của DSIM
.............................................................................................................................67
3.6. Kết luận chƣơng 3.................................................................................. 71
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 73
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................. 74
PHỤ LỤC ............................................................................................................. 76
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
DSP:
Bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số
DSIG: Máy phát điện cảm ứng cuộn dây Stator kép DSIM:
Máy điện cảm ứng Stator dây quấn kép
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1.Cơ sở dữ liệu hệ số KD theo số đôi cực ........................................... 21
Bảng 2.2.Cơ sở dữ liệu xác định đƣờng kính Dn theo chiều cao tâm trục ...... 21
Bảng 2.3. Cơ sở dữ liệu xác định hệ số công suất và hiệu suất theo công suất
động cơ .............................................................................................................21
Bảng 2.4.Cơ sở dữ liệu xác định hệ số KE theo đƣờng kính ngồi Stator ..... 22
Bảng 2.5.Cơ sở dữ liệu xác định A và B ....................................................... 23
Bảng 2.6.Cơ sở dữ liệu xác định hệ số chỉ từ thông tản ................................. 24
Bảng 2.7.Cơ sở dữ liệu xác định tích số AJ .................................................... 24
Bảng 2.8.Sức từ động trung bình một rãnh stator ........................................... 25
Bảng 2.9.Các thơng số chính của stator .......................................................... 26
Bảng 2.10. Các thơng số chính của rotor ........................................................ 27
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Vỏ máy động cơ................................................................................. 5
Hình 1.2. Lõi thép stato động cơ. ...................................................................... 6
Hình 1.3. Dây quấn stato động cơ ..................................................................... 6
Hình 1.4. Rotor và trục động cơ ........................................................................ 7
Hình 1.5. Nguyên lý của DSIM ....................................................................... 10
Hình 1.6. Mặt cắt của DSIM............................................................................ 10
Hình 2.1. Thuật tốn thiết kế máy điện cảm ứng stator dây quấn kép ............ 17
Hình 2.2. Quy trình thiết kế phần khung máy điện KĐB rotor lồng sóc ........ 19
Hình 2.3. Cơ sở dữ liệu cho thiết kế tự động................................................... 25
Hình 2.4. Đặc tính làm việc của động cơ ........................................................ 26
Hình 2.5. Sơ đồ dây quấn độc lập với số cực khác nhau ................................. 28
Hình 2.6. Mật độ từ thơng theo hàm K1 để xác định điều kiện hoạt động của
máy điện ..........................................................................................................32
Hình 2.7. Cấu hình đầu cuối cuộn dây ............................................................ 41
Hình 2.8. Hệ tọa độ khơng gian dq .................................................................. 45
Hình 2.9. Mạch d-q tƣơng đƣơng của DSIM .................................................. 46
Hình 3.1. Tích hợp các tam giác trong hình học vật lý ................................... 55
Hình 3.2. Các loại máy điện ............................................................................ 56
Hình 3.3. Giao diện làm việc ........................................................................... 57
Hình 3.4. Thơng số stator ................................................................................ 57
Hình 3.5. Thông số rãnh stator ........................................................................ 58
Hình 3.6. Hình dạng stato ................................................................................ 58
Hình 3.7. Thơng số roto ................................................................................... 59
Hình 3.8. Hình dạng của máy điện .................................................................. 59
Hình 3.9. Sơ đồ cuộn dây 4 cực và 12 cực ...................................................... 60
Hình 3.10. Đồ thị dịng điện đầu vào theo tốc độ (máy 4 cực) ...................... 60
Hình 3.11. Đồ thị công suất theo tốc độ máy (máy 4 cực) ............................. 60
Hình 3.12. Đồ thị hệ số cơng suất theo tốc độ (máy 4 cực) ........................... 61
Hình 3.13. Đồ thị tốc độ và mơ men (máy 4 cực) .......................................... 61
Hình 3.14. Đồ thị tốc độ và hiệu suất (máy 4 cực)......................................... 62
Hình 3.15. Đồ thị dịng điện theo tốc độ (máy 12 cực) .................................. 62
Hình 3.16. Đồ thị cơng suất theo tốc độ (máy 12 cực) .................................. 63
Hình 3.17. Đồ thị hệ số công suất theo tốc độ (máy 12 cực) ......................... 63
Hình 3.18. Đồ thị mơ men theo tốc độ (máy 12 cực) ..................................... 64
Hình 3.19. Đồ thị hiệu suất theo tốc độ (máy 12 cực) ................................... 64
Hình 3.20. Mơ hình đƣợc nhập trên nền Maxwell 2D ................................... 65
Hình 3.21. Điện áp stato thời gian Vs ............................................................ 65
Hình 3.22. Tốc độ theo thời gian.................................................................... 66
Hình 3.23. Từ thơng theo thời gian (4 cực).................................................... 66
Hình 3.24. Từ thơng theo thời gian (12 cực).................................................. 66
Hình 3.25. Sự phân bố từ thơng trên stator và rotor. ...................................... 67
Hình 3.26. Dịng điện trên stator .................................................................... 67
Hình 3.27. Dịng điện rotor ở chế độ hoạt động bình thƣờng ........................ 68
Hình 3.28. Mơ men theo thời gian ................................................................. 68
Hình 3.29. Tốc độ quay theo thời gian ........................................................... 68
Hình 3.30. Dịng điện rotor ............................................................................ 69
Hình 3.31. Dòng điện stator ........................................................................... 69
Hình 3.32. Đặc tính tốc độ theo thời gian ...................................................... 70
Hình 3.33. Đặc điểm dịng điện stator theo thời gian ..................................... 70
Hình 3.34. Đặc điểm dịng điện rotor theo thời gian ...................................... 71
Hình 3.35. Tốc độ quay theo thời gian ........................................................... 71
1
MỞ ĐẦU
1.1. Lý do chọn đề tài
Máy điện cảm ứng nhờ kết cấu chắc chắn, chi phí hợp lý, hiệu suất hiệu
quả, chi phí bảo dƣỡng, bảo trì thấp và độ tin cậy cao trong các tình huống tải
khác nhau. Máy điện cảm ứng đƣợc sử dụng phổ biến trong lĩnh vực công
nghiệp, nông nghiệp và cùng với xu thế phát triển, cạnh tranh của ngành công
nghiệp ô tô điện hiện nay. Do đó, các nhà nghiên cứu rất quan tâm đến việc
ngày càng nâng cao hiệu suất, hệ số công suất của máy.
Một trong những cải tiến của máy điện khơng đồng bộ đó là máy điện cảm
ứng Stator dây quấn kép và loại máy này có các ƣu điểm nhƣ:
Dòng điện trên thanh Rotor thấp
Hai cuộn dây quấn Stator đƣợc cách ly về điện.
Cả hai cuộn dây quấn Stator đƣợc phân bố hình sin
Khe hở khơng khí xung quanh Rotor đều
Độ bão hịa thấp
Việc thiết kế máy điện cảm ứng Stator bộ dây quấn kép đáp ứng một số lợi
thế nhƣ giảm chi phí sản xuất, thuận tiện trong q trình điều khiển tốc độ.
Điều này rất quan trọng đối với các ứng dụng thực tế của máy, để quá trình
sản xuất và chi phí sẽ tƣơng tự nhƣ máy cảm ứng Stator một bộ dây quấn thì
cần phải có thiết kế cơ sở, tính tốn thơng số cơ bản, phân tích và đánh giá. Vì
những lý do trên, em chọn đề tài nghiên cứu của mình: “Nghiên cứu, thiết kế
động cơ cảm ứng Stator dây quấn kép"
1.2. Tổng quan về tài liệu và tình hình nghiên cứu
Hiện nay, khái niệm về máy điện cảm ứng stator dây quấn kép vẫn còn mới
đối với quá trình nghiên cứu và chế tạo máy điện trong nƣớc. Tuy nhiên, vấn
đề này đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên quốc tế. Đầu tiên,
Munoz và Lipo [3] đã thảo luận về một thiết kế mới và phƣơng pháp điều
khiển tốc độ của động cơ cảm ứng lồng sóc 3 pha và phát triển một nguyên
mẫu có hai cuộn dây stato theo tỷ lệ cực 1: 3. Thử nghiệm này đã đƣợc thực
2
hiện trên một động cơ nguyên mẫu và Bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số (DSP)
đƣợc sử dụng cho mục đích điều khiển tốc độ với kết quả đã đƣợc cơng bố.
Bên cạnh đó, các phƣơng pháp điều khiển để điều chỉnh tốc độ của DSIM
đƣợc đề xuất bởi Lili Bu và các cộng sự. [4]. Tốc độ rotor đƣợc điều chỉnh
bằng cách thay đổi điện áp cung cấp cho một trong các cuộn dây stator, đƣợc
gọi là cuộn dây máy phát. Các tác giả cho rằng đây là cấu trúc liên kết đơn
giản nhất để kiểm soát tốc độ tốt hơn. Tuy nhiên, quan sát thấy rằng điều này
có nhƣợc điểm là kém hiệu quả và giảm mơ-men xoắn cực đại và làm kích
thƣớc máy cồng kềnh hơn.
Feifei Bu và cộng sự [5] đã thảo luận về việc sử dụng Máy phát điện cảm
ứng cuộn dây Stator kép (DSIG) trong hệ thống phát điện gió để giảm cơng
suất của bộ điều khiển kích từ tĩnh. Mơ phỏng và thử nghiệm đƣợc thực hiện
để kiểm tra thuật toán điều khiển rời rạc. Kết quả thực nghiệm đã đƣợc đối
sánh với kết quả mô phỏng. Tuy nhiên, thiết kế và tối ƣu hóa hệ thống này chỉ
áp dụng đặc biệt cho hệ thống điện gió.
Hadiouche và cộng sự đã nghiên cứu việc xử lý các sóng hài khơng mong
muốn khi DSIM đƣợc cấp nguồn bởi bộ nghịch lƣu. Các dòng điện hài này
trong cuộn dây stator làm tăng tổn hao gây q nhiệt máy và tử đó một mơ
hình của DSIM đã đƣợc phát triển và thảo luận trong bài báo này. Nó cho
thấy rằng chiều cao của cuộn dây ảnh hƣởng đến trở kháng của cuộn dây, từ
đó ảnh hƣởng đến dịng điện hài lƣu thơng trong stator. Ngồi ra, các tác giả
đã chỉ ra sự giảm đáng kể sóng hài của từ thơng trong khe hở khơng khí.
1.3. Nội dung và mục đích nghiên cứu
- Trình bày quy trình thiết kế bao gồm đánh giá tải từ tính cho máy cảm
ứng Stator dây quấn kép và phƣơng pháp để ƣớc tính tƣơng đƣơng các thơng
số của máy.
- Trình bày mơ hình mơ phỏng máy tính của máy cảm ứng Staror dây quấn
kép với khe hở khơng khí khơng đổi, trong đó có sóng hài khơng gian của
cuộn dây Stator và mạch Rotor..
3
1.4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
1.4.1. Đối tượng nghiên cứu
+ Máy điện cảm ứng Stator dây quấn kép.
1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
+ Nghiên cứu cấu tạo
+ Tìm hiểu và tính tốn các thơng số của máy điện.
+ Phân tích và đánh giá dựa trên phần mềm.
1.5. Phƣơng pháp nghiên cứu
+ Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về cấu tạo, nguyên lý và phạm vi ứng dụng.
+ Tìm hiểu các tài liệu liên quan để phục vụ tính tốn các tham số của máy
điện
+ Phân tích và đánh giá kết quả dựa trên phần mềm.
4
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG
STATOR DÂY QUẤN KÉP
1.1. Giới thiệu
Động cơ điện cảm ứng (IM) là một loại động cơ điện xoay chiều không
đồng bộ trong đó nguồn điện đƣợc cung cấp cho thiết bị quay bằng cảm ứng
điện từ. Động cơ cảm ứng đã đƣợc sử dụng phổ biến và chiếm vài trò quan
trọng trong các ngành cơng nghiệp vì thiết kế và các tính năng cấu tạo đơn
giản, khả năng chịu tải tốt, chi phí vốn và bảo trì thấp, độ trƣợt nhỏ và hiệu
suất đạt yêu cầu trong mọi điều kiện làm việc. Với những phát triển mới nhất
về Điện tử Công suất và Lý thuyết Điều khiển Kỹ thuật số (thiết kế có sự hỗ
trợ của máy tính) và sự sẵn có của các vật liệu tốt hơn, động cơ cảm ứng đã
chứng tỏ mình là máy điện linh hoạt nhất trong các ngành công nghiệp trong
các ứng dụng tốc độ không đổi /thay đổi. Luận văn này đề cập đến thiết kế
mới của động cơ cảm ứng thông thƣờng dẫn đến hoạt động với tốc độ thay
đổi phạm vi rộng. Điều này đạt đƣợc bằng cách cung cấp thêm một cuộn dây
stator hay còn đƣợc gọi là máy điện cảm ứng stator dây quấn kép [6].
Ý tƣởng sử dụng máy cuộn dây stator kép có thể đƣợc tìm thấy trong một
số bài báo đƣợc xuất bản từ đầu thế kỷ 20. Tuy nhiên, việc điều khiển các
máy này ở hiệu suất cao thƣờng gặp rất nhiều khó khăn. Điều này là do sự
thiếu hụt về các bộ chuyển đổi điện tử cơng suất và sự phân tích khơng đầy đủ
về cơ sở lý thuyết cũng nhƣ mô phỏng số. Gần đây, các máy cuộn dây kép
thuộc nhiều loại khác nhau đang đƣợc chế tạo nhiều hơn và ứng dụng rộng rãi
trong thực tế, bởi vì hai bộ cuộn dây stator cung cấp khả năng chuyển đổi
năng lƣợng linh hoạt hơn. Ví dụ, năng lƣợng có thể đƣợc truyền khơng chỉ
giữa stator và rotor nhƣ những gì đƣợc tìm thấy trong các máy cuộn dây đơn,
mà còn gián tiếp giữa các bộ cuộn dây stator.
1.2. Cấu tạo, nguyên lý máy điện cảm ứng stator dây quấn kép
Về cấu tạo của máy điện cảm ứng stator dây quấn kép cũng bao gồm các
thành phần cơ bản nhƣ: stator, rotor, hộp đấu dây, quạt làm mát.... Tuy nhiên
phần dây quấn trên stator không giống với các máy điện thơng thƣờng mà nó
5
có thể bao gồm hai, hoặc nhiều cuộn dây có cùng số cực hoặc là khác nhau về
số cực.
1.2.1. Kết cấu stator của máy điện
1.1.2.1. Vỏ máy
Hình 1.1.
Vỏ máy động cơ
Vỏ máy là nơi cố định lõi thép, dây quấn và đồng thời là nơi ghép nối nắp
hay gối đỡ trục. Vỏ máy có thể đƣợc làm từ gang nhơm hay thép. Để chế tạo
vỏ máy, ngƣời ta có thể đúc, hàn, rèn. Vỏ máy có hai kiểu: vỏ kiểu kín và vỏ
kiểu bảo vệ. Vỏ kiểu kín yêu cầu phải có diện tích tản nhiệt lớn. Vì vậy ngƣời
ta làm nhiều rãnh tản nhiệt trên thân máy. Vỏ kiểu bảo vệ thƣờng có bề mặt
nhẵn, gió làm mát thổi trực tiếp trên bề mặt ngoài lõi thép và trong vỏ máy.
Hộp cực là nơi để đấu điện từ lƣới điện vào. Đối với động cơ kiểu kín, hộp
cực yêu cầu phải kín, giữa thân cực và vỏ máy với nắp hộp cực phải có
gioăng cao su. Trên vỏ máy phải có bulơng vịng để cẩu máy khi nâng hạ, vận
chuyển và bulông tiếp đất.
Khi thiết kế kết cấu vỏ stator phải kết hợp với yêu cầu về truyền nhiệt và
thơng gió, đồng thời phải có đủ độ cứng và độ bền, không những sau khi lắp
lõi thép và cả khi gia cơng vỏ. Thƣờng đủ độ cứng thì đủ độ bền. Vỏ có thể
chia làm hai loại: loại có gân trong và loại khơng có gân trong. Loại khơng có
gân trong thƣờng dùng đối với máy điện cỡ nhỏ hoặc kiểu kín, lúc đó lƣng lõi
thép áp sát vào mặt trong của vỏ máy và truyền nhiệt trực tiếp lên vỏ máy.
Loại có gân trong có đặc điểm là trong lúc gia công, tốc độ cắt gọt chậm
nhƣng phế liệu bỏ đi ít hơn loại khơng có gân trong. Loại vỏ bằng thép tấm
hàn gồm ít nhất là hai vòng thép tấm trở lên và những gân ngang làm thành
khung. Những dạng khác đều xuất phát từ dạng cơ bản đó.
1.1.2.2. Lõi thép stator
6
Hình 1.2.
Lõi thép stator động cơ.
Lõi thép là phần tử dẫn từ. Vì từ trƣờng đi qua lõi thép là từ trƣờng quay,
nên để giảm tổn hao lõi thép đƣợc làm từ những lá théo kỹ thuật điện dày
0.5mm ép lại. Yêu cầu lõi thép phải dẫn từ tốt, tổn hao sắt nhỏ và chắc chắn.
Mỗi lá thép kỹ thuật điện đều đƣợc phủ sơn cách điện trên bề mặt để giảm
tổn hao do dịng điện xốy gây lên (dịng điện phucơ).
Khi đƣờng kính ngồi lõi thép nhỏ hơn 1m thì dùng tấm nguyên để làm lõi
thép. Lõi thép sau khi ép vào vỏ sẽ có một chốt cố định với vỏ để khỏi bị quay
dƣới tác động của mômen điện từ
Nếu đƣờng kính ngồi của lõi thép lớn hơn 1m thì dùng các tấm hình rẻ
quạt ghép lại. Khi ấy để ghép lõi thép, thƣờng dùng hai tấm thép dầy ép hai
đầu. Để tránh lực hƣớng tâm và lực hút các tấm, thƣờng làm những cách đi
nhạn hình rẻ quạt trên các tấm vào các gân trên vỏ máy.
1.1.2.3. Dây quấn
Hình 1.3.
Dây quấn stator động cơ
Dây quấn stator đƣợc đặt vào rãnh của lõi thép và đƣợc cách điện tốt với
lõi thép. Dây quấn đóng vai trị quan trọng trong máy điện vì nó trực tiếp
tham gia các q trình biến đổi năng lƣợng điện năng thành cơ năng hay
ngƣợc lại, đồng thời về mặt kinh tế, dây quấn cũng chiếm giá thành khá cao
trong một động cơ.
DSIM thông thƣờng đƣợc cấu tạo bằng cách tách cuộn dây stator thành hai
cuộn dây giống nhau dẫn đến sự ghép nối lẫn nhau giữa hai cuộn dây stator.
7
Điều này dẫn đến các dịng điện tuần hồn đƣợc tạo ra khi có sự mất cân bằng
nhỏ trong điện áp cung cấp. Nếu chúng ta sử dụng các cuộn dây không giống
nhau, tức là khác nhau về số cực thì mơ-men xoắn tạo ra bởi hai cuộn dây này
có thể triệt tiêu với nhau. Loại này cịn có thể đƣợc phân loại trên cơ sở độ
lệch pha giữa hai cuộn dây.
1.2.2. Kết cấu rotor của máy điện
Hình 1.4.
Rotor và trục động cơ
Rotor của động cơ không đồng bộ gồm lõi thép, dây quấn và trục (đối với
động cơ rotor dây quấn cịn có vành trƣợt).
1.2.2.1. Lõi thép
Lõi thép của rotor bao gồm các lá théo kỹ thuật điện nhƣ của stator, điểm
khác biệt ở đây là không cần sơn cách điện giữa các lá thép vì tần số làm việc
của rotor rất thấp, chỉ vài Hz, nên tổn hao do dịng điện Phucơ trong rotor rất
thấp. Lõi thép đƣợc ép trực tiếp lên trục máy hoặc lên một giá rotor của máy.
Phía ngồi của lõi thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn rotor.
1.2.2.2. Dây quấn rotor
Có hai loại chính: rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu lồng sóc
a. Loại rotor kiểu dây quấn
Rotor dây quấn có dây quấn giống nhƣ dây quấn stator. Máy điện kiểu
trung bình trở lên có dây quấn kiểu sóng hai lớp, vì bớt những đầu dây nối,
kết cấu dây quấn trên rotor chặt chẽ. Máy điện cỡ nhỏ dùng kiểu dây quấn
đồng tâm một lớp. Dây quấn ba pha của rotor thƣờng đấu hình sao.
Đặc điểm của loại động cơ kiểu dây quấn là có thể thơng qua chổi than đƣa
điện trở phụ hay sức điện động phụ vào mạch rotor để cải thiện tính năng mở
máy, điều chỉnh tốc độ hay cải thiện hệ số công suất của máy.
8
b. Loại rotor kiểu lồng sóc
Kết cấu của loại dây quấn này rất khác với dây quấn stator. Trong mỗi rãnh
của lõi thép rotor, đặt các thanh dẫn bằng đồng hay nhôm và đƣợc nối tắt ở
hai đầu bằng hai vịng ngắn mạch bằng đồng hoặc nhơm. Nếu là rotor đúc
nhơm thì trên vịng ngắn mạch cịn có các cánh khuấy gió.
Rotor thanh đồng đƣợc chế tạo từ đồng hợp kim có điện trở suất cao nhằm
mục đích nâng cao mơmen mở máy.
Để cải thiện tính năng mở máy, đối với máy có cơng suất lớn, ngƣời ta làm
rãnh rotor sâu hoặc dùng lồng sóc kép. Đối với máy điện cỡ nhỏ, rãnh rotor
đƣợc làm chéo góc so với tâm trục.
c. Trục
Trục máy điện mang rotor quay trong lòng stator, vì vậy nó cũng là một chi
tiết rất quan trọng. Trục của máy điện tùy theo kích thƣớc có thể đƣợc chế tạo
từ thép Cacbon. Trên trục của rotor có lõi thép, dây quấn, vành trƣợt và quạt
gió.
Khi xét đến kết cấu của rotor cần phải chú ý đến các lực tác động lên rotor
khi máy làm việc.
Nếu đƣờng kính của rotor nhỏ hơn 350 mm thì lõi thép rotor thƣờng đƣợc
ép trực tiếp lên trục hoặc ống lồng trục. Đó là vì đƣờng kính rotor khơng lớn,
phần trong của lõi thép cắt ra khơng dùng đƣợc vào việc gì có kinh tế lớn mà
kết cấu rotor lại đƣợc đơn giản hóa. Việc dùng ống lồng cũng hạn chế, chỉ
dùng khi cần thiết nhƣ ở động cơ điện trên tàu để thay trục đƣợc dễ dàng. Khi
đƣờng kính rotor lớn hơn 350 mm, đƣờng kính trong rotor cố gắng lấy lớn
hơn để dùng lõi lấy ra làm việc khác, do đó cần giá đỡ rotor.
Khi đƣờng kính rotor lớn hơn 1000 mm thì dùng các tấm tơn silic hình rẻ
quạt ép lại. Lúc đó dùng giá đỡ rotor hình cánh sao. Giá đỡ rotor trong các
máy lớn thƣờng làm bằng thép tấm hàn lại.
Lõi thép cần đƣợc ép chặt với áp suất từ 5 kg/cm2 đối với máy cỡ trung,
đến 10 kg/cm2 đối với máy cỡ nhỏ và phải có những vịng ép để đảm bảo giữ
áp suất đó. Để tránh lõi thép ở hai đầu bị tản ra thì trong máy nhỏ dùng những
tấm thép dầy l,5mm ép lại. Trong máy lớn dùng tấm thép có răng. Răng phải
tán hay hàn vào tấm thép ép để đảm bảo khi quay không văng ra.
9
Vịng ép của máy điện một chiều và máy khơng đồng bộ rotor dây quấn
một mặt dùng để ép chặt lõi thép, một mặt dùng để làm giá đỡ đầu dây cuốn.
Trong máy điện cỡ nhỏ thƣờng đúc bằng gan, trong máy lớn thƣờng dùng tấm
thép hàn lại. Dùng giá đỡ liền vành ép sẽ dễ dàng cho việc đai đầu dây cho
khỏi văng ra khi quay.
Rotor máy điện không đồng bộ thƣờng có rãnh nữa kín và dùng nêm cố
định trong dây rãnh.
1.2.3. Nguyên lý hoạt động
Thống kê cho một phần đáng kể năng lƣợng tạo ra trong công nghiệp là do
sử dụng các máy điện cảm ứng, điều này đòi hỏi phải cải thiện hiệu suất của
máy điện để nâng cao hiệu quả và tiết kiệm về chi phí trong các nhà máy. Tuy
nhiên tới thời điểm hiện tại vẫn còn một số tồn tại trong thiết kế của động cơ
cảm ứng dẫn đến hệ số công suất thấp và hoạt động không hiệu quả. Điều này
mở ra khả năng cải thiện kỹ năng thiết kế và một trong những cách tốt hơn hết
là có thêm cuộn dây stator kép. Hai cuộn dây này có thể đƣợc cấp điện ở các
điện áp khác nhau với tần số nguồn hoặc ở điện áp thay đổi và tần số thay đổi.
Kết quả từ thông tổng phụ thuộc vào sự tƣơng tác giữa hai từ thông tạo ra bởi
hai cuộn dây và nó có thể đƣợc điều chỉnh để đáp ứng các yêu cầu về điều
kiện vận hành nhƣ:
- Đặc tính tốc độ và mô-men xoắn
- Hiệu suất máy
- Hệ số cơng suất của máy
- Sóng hài trong hệ thống.
Trong DSIM, khung stator mang hai cuộn dây có thể có thiết kế giống nhau
hoặc khác nhau về số vịng dây, kích thƣớc của dây dẫn, khả năng mang dòng
và số cực. Trong luận văn này, chỉ ra rằng, khi hai cuộn dây stator đƣợc làm
việc từ hai nguồn biến đổi điện áp / tần số biến đổi khác nhau, động cơ cung
cấp độ tin cậy và tính linh hoạt tốt hơn để điều khiển đặc tính tốc độ mơ-men
xoắn và khái niệm DSIM đƣợc giải thích rõ ràng qua hình 1.5.
10
Hình 1.5.
Ngun lý của DSIM
Trong DSIM, để kiểm sốt tốc độ và mô-men xoắn của máy điện trong
một phạm vi rộng thì một trong các cuộn dây stator sẽ đƣợc cấp điện áp và tần
số danh định và cuộn dây kia sẽ đƣợc cấp điện áp thay đổi và mặt cắt của một
DSIM đƣợc hiển thị trong hình. 1.6.
Hình 1.6.
Mặt cắt của DSIM
Do hiệu ứng đƣợc tạo ra bởi các cuộn dây stator khác nhau dẫn đến DSIM
hoạt động nhƣ hai máy cảm ứng độc lập đƣợc ghép nối cơ học với cùng một
trục. Do đó, tất cả các kỹ thuật điều khiển đƣợc sử dụng cho truyền động
động cơ cảm ứng đều có thể áp dụng cho DSIM. Điều này cũng bao gồm cả
phƣơng pháp điều khiển V/f. Thuật toán điều khiển cơ bản đƣợc thực hiện ở
đây là tạo ra hai thành phần mô-men xoắn khác nhau (cộng hoặc trừ) sao cho
đặc tính tốc độ mơ-men xoắn đƣợc tạo ra đáp ứng yêu cầu của ứng dụng cụ
thể. Không giống nhƣ các phƣơng pháp điều khiển tốc độ thông thƣờng ,
DSIM cung cấp sự linh hoạt để điều khiển tốc độ mơ-men xoắn kết quả đặc
tính của động cơ và tần số rotor khơng cịn phụ thuộc vào tốc độ cơ học tức là
n = (60f /p) (1 − s). Điều này chỉ ra rằng DSIM tạo điều kiện cho việc điều
11
khiển tốc độ mịn hơn và cung cấp khả năng kiểm soát tốc độ mƣợt mà hơn so
với máy cảm ứng thơng thƣờng mà khơng cản trở các đặc tính và hiệu suất
của máy.
Sự khác biệt về số lƣợng cực giúp cho loại máy này loại bỏ đƣợc sự ghép
từ giữa hai cuộn dây Stator và cũng tách riêng các mômen đƣợc tạo ra bởi
mỗi cuộn dây trong số chúng [7] .
Nguồn đƣợc cung cấp cho hai cuộn dây thông qua hai máy biến áp tự ngẫu
3 pha (trong trƣờng hợp nguồn cung cấp 50Hz) hoặc bởi hai VSI (trong
trƣờng hợp nguồn điện áp thay đổi và tần số thay đổi) điều này giúp cho
mômen đƣợc điều khiển riêng biệt theo các giá trị mong muốn.
DSIM có hai cuộn dây Stator dùng chung lõi máy và cuộn dây rotor lồng
sóc chung cho nên nó có một số lợi thế nhƣ sau:
- Độ tin cậy tốt hơn.
- Linh hoạt hơn để thao tác đƣờng cong tốc độ mô-men xoắn của động cơ.
Do đó, tần số tối thiểu sẽ đƣợc duy trì mà không phụ thuộc vào tốc độ cơ
học của máy điện, tính năng này đặc biệt quan trọng để giảm thiểu tác động
tiêu cực của điện trở Stator khi hoạt động ở tốc độ thấp.
Do số lƣợng cực không giống nhau và có hiệu ứng tách rời khiến DSIM
hoạt động giống nhƣ hai máy cảm ứng thông thƣờng độc lập đƣợc ghép vào
cùng một trục. Do đó, tất cả các phƣơng pháp điều khiển đƣợc sử dụng cho
máy cảm ứng thơng thƣờng đều có thể áp dụng cho DSIM. Hai cuộn dây
Stator đƣợc cách ly hoàn toàn về điện và có khả năng đáp ứng động nhanh.
Hai cuộn dây đối xứng, khơng có sự ghép nối lẫn nhau và do đó khơng có
dịng điện tuần hồn. Trong bất kỳ điều kiện hoạt động nào, tần số stator của
DSIM đều phụ thuộc vào tần số trƣợt, tốc độ rotor và thành phần mơmen
xoắn. Do đó, khơng giống nhƣ động cơ cảm ứng thơng thƣờng đó là sẽ khơng
có mối tƣơng quan trực tiếp giữa tốc độ và tần số nguồn cấp.
Có thể chọn bất kỳ tỷ lệ số cực nào cho hai cuộn dây stator, tuy nhiên để sử
dụng vật liệu từ đạt đến giới hạn tối đa của nó và tránh hiện tƣợng bão hòa và
tổn thất lõi thép, các nghiên cứu cho thấy rằng sự kết hợp tốt nhất chính là 1:
3 [8]. Để giảm hiện tƣợng ghép từ giữa hai cuộn dây stator, các cuộn dây có
thể có số cực khác nhau, ví dụ 2 cực và 6 cực. Cả hai cuộn dây stator đều
12
đƣợc cấp nguồn điện áp và tần số riêng lẻ từ hai bộ biến tần có nguồn điện áp
khác nhau hoặc từ hai máy biến áp tự ngẫu 3 pha khác nhau để cung cấp điện
áp đầu vào thay đổi đƣợc.
1.3. Phân loại máy điện cảm ứng stator dây quấn kép.
Nói chung, máy cuộn dây kép có thể đƣợc chia thành các loại sau:
Đầu tiên là các máy lâu đời nhất trong lịch sử và nó đƣợc gọi là máy điện
cảm ứng rotor dây quấn. Trong loại này, cuộn dây rotor luôn đƣợc gọi là cuộn
dây thứ cấp, và cả hai cuộn dây stator và rotor có cùng số lƣợng cực và số
pha. Ƣu điểm đáng kể nhất của máy này nằm ở khả năng đạt đƣợc tần số đầu
ra không đổi ở tốc độ rotor thay đổi. Điều này rất hữu ích trong việc chuyển
đổi năng lƣợng gió thành điện năng và khả năng bổ sung năng lƣợng trƣợt của
rotor giúp cải thiện hiệu suất của toàn bộ hệ thống.
Tiếp theo, từ quan điểm của cuộn dây stator, máy cuộn dây kép đã đƣợc
phân thành hai loại [9]. Đầu tiên là máy điện dây quấn stator kép đƣợc thiết
kế để tăng khả năng công suất của máy phát điện đồng bộ loại lớn. Loại thứ
hai còn đƣợc gọi là máy tự xếp lớp, đƣợc tạo thành từ các cuộn dây 3 pha
đƣợc bố trí trong cấu trúc stator chung và cấu trúc rotor đặc biệt cho phép tác
động của kết nối tầng của các lớp dây thông qua cấu trúc lồng nhau các vòng
trên rotor. Máy dây quấn kép thứ nhất với cấu trúc rotor trịn hoặc có thể có
hai bộ quấn ba pha tƣơng tự nhƣng riêng biệt cho cùng một số cực. Đối với
máy điện rotor lồng sóc cũng có hai bộ cuộn dây ba pha stator đối xứng
nhƣng riêng biệt có cùng số cực. Vì hai cuộn dây có cùng số cực, chúng đƣợc
kết hợp với nhau dẫn đến dịng điện tuần hồn đáng kể khi có sự khơng cân
bằng trong điện áp cung cấp.
Máy dây quấn kép thứ hai đã đƣợc giới thiệu bởi Hunt vào năm 1907. Nó
có hai bộ dây quấn stator với số lƣợng cực khác nhau, cùng một số pha và sử
dụng cùng một lõi stator. Điều này đòi hỏi một cấu trúc rotor đặc biệt có các
vịng dây lồng nhau trên rotor để kết hợp các hiệu ứng của kết nối tầng. Cấu
trúc rotor đặc biệt làm tăng chi phí của máy, hiệu suất tƣơng đối thấp, nhƣng
có tiềm năng trong các ứng dụng truyền động với phạm vi tốc độ hẹp.
Cuối cùng là máy cảm ứng lồng sóc cuộn dây stator kép đƣợc phát triển
gần đây. Loại này đƣợc tun bố là có ƣu điểm dễ điều khiển khơng cần sử
13
dụng các cảm biến kết hợp với mạch điều khiển (đặc biệt là ở tốc độ thấp), độ
tin cậy cao, sử dụng đầy đủ các cuộn dây stator và không có dịng điện tuần
hồn. Và đây là loại máy đƣợc xem xét trong luận văn này.
1.4. Các chế độ vận hành.
Máy điện cảm ứng stator dây quấn kép có hai chế độ vận hành. Đó là chế
độ vận hành đồng bộ và chế độ vận hành không đồng bộ.
1.4.1. Chế độ vận hành với 2 nguồn đồng bộ.
Trong chế độ này, các tần số cấp cho hai cuộn dây stator có cùng tỷ lệ với
số cực nghĩa là 1: 3 (f1 / f2 = P1 / P2). Do đó Mơ-men xoắn đƣợc điều khiển
bằng cách điều chỉnh điện áp cung cấp. Giả sử, DSIM có các cuộn dây stator
đƣợc bố trí theo 4 cực / 12 cực. Điều này dẫn đến việc cấp nguồn cho hai
cuộn dây ở hai tần số có tỷ lệ 1: 3. Thao tác này phù hợp với các ứng dụng tốc
độ trung bình và cao vì các mơmen tạo ra có cùng hƣớng và chúng cộng
hƣởng với nhau
1.4.2. Chế độ vận hành với 2 nguồn khơng đồng bộ.
Trong chế độ này, cuộn dây có số cực thấp hơn đƣợc cấp với tần số không
đổi với giá trị nhỏ nhất có thể và cuộn dây cực cao hơn đƣợc cấp với tần số
thay đổi (giá trị cao hơn). Vì vậy, cuộn dây 4 cực đƣợc cấp với tần số tối thiểu
(ví dụ 5 Hz) và cuộn dây 12 cực đƣợc cấp với tần số thay đổi cao hơn (ví dụ
50 Hz). Do đó mơ-men xoắn đƣợc điều khiển bởi tần số cung cấp và điện áp
vào cuộn dây cực cao. Hoạt động này phù hợp với các ứng dụng tốc độ thấp
nhƣ trong chế độ hoạt động không đồng bộ, hai mô-men xoắn đối nghịch
nhau.
Đối với động cơ nhiều tốc độ sử dụng hai hoặc nhiều cuộn dây stator, mỗi
cuộn dây phải đƣợc thiết kế đấu nối hình sao và nó phải mắc nối tiếp (khơng
cho phép mắc song song). Nguyên nhân là do khi đấu nối song song hoặc khi
đấu nối vào lƣới điện, các cuộn dây này sẽ hoạt động nhƣ một cuộn dây thứ
cấp bị ngắn mạch của máy biến áp và tạo ra dòng điện lớn dẫn đến quá nhiệt.
1.5. Kết luận chƣơng 1
Nội dung chính của chƣơng 1 đã đi vào tìm hiểu về máy điện cảm ứng
stator dây quấn kép trên các phƣơng diện nhƣ cấu tạo, phân loại và nguyên lý
