Phương pháp nâng cao hiệu suất động cơ không đồng bộ ba pha rô to lồng sóc trong thiết kế
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.37 MB, 136 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
ĐOÀN ĐỨC TÙNG
PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ KHƠNG
ĐỒNG BỘ BA PHA RƠ TO LỒNG SĨC TRONG THIẾT KẾ
Luận án tiến sĩ kỹ thuật
Chuyên ngành Thiết bị điện
Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Hồng Thanh
TS. Đặng Văn Đào
HÀ NỘI, 2009
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
ĐOÀN ĐỨC TÙNG
PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ KHƠNG
ĐỒNG BỘ BA PHA RƠ TO LỒNG SĨC TRONG THIẾT KẾ
Luận án tiến sĩ kỹ thuật
Chuyên ngành Thiết bị điện
Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Hồng Thanh
TS. Đặng Văn Đào
HÀ NỘI, 2009
1
MỤC LỤC
Trang bìa phụ
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
MỤC LỤC
.....................................................................................................1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ...........................................................................4
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ...........................................................................8
DANH MỤC CÁC BẢNG ..............................................................................11
MỞ ĐẦU
...................................................................................................13
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
THIẾT KẾ NÂNG CAO HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ KHÔNG
ĐỒNG BỘ BA PHA RƠTO LỒNG SĨC ................................21
ĐẶT VẤN ĐỀ .................................................................................................21
1.1 Tình hình nghiên cứu của thế giới ........................................................22
1.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước ......................................................31
1.3 Hướng nghiên cứu của tác giả ..............................................................32
CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ THIẾT KẾ ĐẾN TỔN
HAO VÀ HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA
PHA RƠTO LỒNG SĨC ..........................................................34
2.1Q trình tính tốn thiết kế động cơ KĐB ba pha rơto lồng sóc ...........34
2.1.1 Xác định kích thước chủ yếu ........................................................36
2.1.2 Tính tốn dây quấn stato ..............................................................36
2.1.3 Thiết kế lõi sắt stato......................................................................36
2.1.4 Thiết kế lõi sắt rơto .......................................................................37
2.1.5 Tính tốn mạch từ .........................................................................38
2
2.1.6 Xác định các thông số của sơ đồ mạch điện thay thế...................38
2.1.7 Tính tốn kiểm tra chế độ định mức ............................................38
2.1.8 Tính tốn kiểm tra chế độ khởi động ...........................................39
2.1.9 Tính tốn kiểm tra nhiệt ...............................................................39
2.2 Tổn hao và hiệu suất của động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc .............39
2.2.1 Các thành phần tổn hao ................................................................39
2.2.2 Hiệu suất .......................................................................................42
2.3 Ảnh hưởng của các thông số thiết kế đến tổn hao và hiệu suất. ..........42
2.3.1 Nhóm thơng số kích thước cơ bản................................................43
2.3.2 Nhóm thơng số thiết kế mạch điện ...............................................49
2.3.3 Nhóm thơng số thiết kế mạch từ ..................................................53
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN VÀ MẠCH TỪ..57
3.1 Bài tốn thiết kế động cơ KĐB ba pha rơto lồng sóc hiệu suất cao .......57
3.2 Phương pháp thiết kế mạch điện và mạch từ........................................62
3.2.1 Xác định miền giới hạn theo vật liệu và công nghệ chế tạo ........63
3.2.2 Xác định chiều cao tối ưu rãnh stato, rơto....................................69
3.3 Chương trình thiết kế động cơ KĐB ba pha rơto lồng sóc có tổng tổn
hao chính nhỏ nhất ..................................................................................71
3.3.1 Chương trình tính kiểm tra động cơ KĐB ba pha rơto lồng sóc ..71
3.3.2 Chương trình tính tốn thiết kế động cơ KĐB ba pha rơto lồng sóc có
tổng tổn hao chính nhỏ nhất. ...........................................................73
3.3.3 Xây dựng phần mềm ....................................................................75
3.4 Kết quả tính tốn kiểm tra ....................................................................76
3.5 Tính tốn thiết kế ..................................................................................78
CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG BIỂU THỨC MÔ TẢ QUAN HỆ GIỮA HIỆU
SUẤT VỚI KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU VÀ MẬT ĐỘ TỪ
THƠNG KHE HỞ KHƠNG KHÍ .............................................86
3
4.1 Xác định biến số độc lập, miền giới hạn và phương pháp xây dựng
biểu thức có dạng η = f(D n , D, l, B δ ) ....................................................87
4.2 Quy hoạch trực giao, quy hoạch trực giao cấp 2 ..................................89
4.2.1 Quy hoạch trực giao .....................................................................89
4.2.2 Quy hoạch trực giao cấp 2 ............................................................91
4.3 Xây dựng biểu thức mô tả quan hệ giữa hiệu suất với kích thước chủ
yếu và mật độ từ thơng khe hở khơng khí .............................................93
4.3.1 Xây dựng ma trận thực nghiệm ....................................................93
4.3.2 Xác định và kiểm định các hệ số ..................................................97
4.3.3 Kiểm định sự phù hợp của biểu thức đã xây dựng .................... 101
CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA RƠTO
LỒNG SĨC HIỆU SUẤT CAO..............................................107
5.1 Phương pháp thiết kế động cơ KĐB ba pha rơto lồng sóc hiệu suất cao.. 107
5.1.1 Phương pháp xác định nhóm thơng số kích thước cơ bản theo hiệu
suất ..............................................................................................107
5.1.2 Phương pháp thiết kế mạch điện và mạch từ ...............................111
5.1.3 Chương trình tính tốn thiết kế động cơ KĐB ba pha rơto lồng sóc
hiệu suất cao ................................................................................112
5.2 Thiết kế động cơ KĐB ba pha rơto lồng sóc hiệu suất cao ................114
5.2.1 Thiết kế theo tiêu chuẩn của Việt Nam TCVN 7540 – 1:2005 .......114
5.2.2 Thiết kế theo tiêu chuẩn của Châu Âu .............................................119
5.3 Lợi ích của các phương án nâng cao hiệu suất động cơ .....................121
KẾT LUẬN CHUNG ....................................................................................124
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ CĨ LIÊN
QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .........................................................127
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................128
PHỤ LỤC
4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Ký hiệu
Tên gọi
a1
Số mạch nhánh song song
A
Tải đường
b zr
Bề rộng răng rôto
b zs
Bề rộng răng stato
b 4r
Bề rộng miệng rãnh rôto
b 4s
Bề rộng miệng rãnh stato
B g1
Mật độ từ thông ở gông stato
B g2
Mật độ từ thông ở gông rôto
B z1
Mật độ từ thông ở răng stato
B z2
Mật độ từ thông ở răng rôto
Bδ
Mật độ từ thơng khe hở khơng khí
CA
Hằng số máy điện
Cosϕ
Hệ số cơng suất
d cđ
Đường kính của dây quấn kể cả cách điện
Dn
Đường kính ngồi lõi sắt stato
D
Đường kính trong lõi sắt stato
D’
Đường kính ngồi lõi sắt rơto
h gr
Chiều cao gơng rơto
h gs
Chiều cao gông stato
h rr
Chiều cao rãnh rôto
h rs
Chiều cao rãnh stato
h 4r
Chiều cao miệng rãnh rôto
h 4s
Chiều cao miệng rãnh stato
5
I đm
Dòng điện định mức
I1
Dòng điện định mức một pha dây quấn stato
I2’
Dịng điện pha rơto quy đổi
ik
Bội số dịng điện khởi động
Ik
Dòng điện khởi động
kA
Hệ số sử dụng máy điện
k d1
Hệ số dây quấn của dây quấn stato
kD
Hề số thể hiện quan hệ giữa đường kính trong và đường kính ngồi stato
kE
Hệ số sức điện động
k lđ
Hệ số lấp đầy dây quấn stato
k gcg
Hệ số gia công gông
k gcz
Hệ số gia cơng răng
ks
Hệ số dạng sóng
kµ
Hệ số bão hịa toàn mạch
l
Chiều dài lõi sắt stato
l đn
Chiều dài phần đầu nối dây quấn stato
L1
Chiều dài một pha của dây quấn stato
mk
Bội số mômen khởi động
Mk
Mômen khởi động
m max
Bội số mômen cực đại
M max
Mômen cực đại
n đb
Tốc độ đồng bộ
n1
Số sợi chập
p cơ
Tổn hao cơ
p cu1
Tổn hao đồng ở stato
p cu2
Tổn hao đồng ở rôto
p Fe
Tổn hao sắt
6
pf
Tổn hao phụ
P1
Công suất điện đưa vào động cơ
P2
Công suất cơ đưa ra ở trục động cơ
P’
Cơng suất tính tốn
q1
Số rãnh của một pha dưới mỗi cực
r1
Điện trở pha dây quấn stato
r2’
Điện trở pha dây quấn rôto quy đổi
sd
Tiết diện của dây quấn stato
S r1
Tiết diện có ích của rãnh stato
S r2
Tiết diện của rãnh rôto
S td
Tiết diện thanh dẫn rôto
t1
Bước răng stato
t2
Bước răng rôto
y
Bước ngắn dây quấn
U đm
Điện áp định mức
ur
Số thanh dẫn tác dụng trong một rãnh
Z1
Số rãnh stato
Z2
Số rãnh rôto
αδ
Hệ số cung cực từ
φ
Từ thông khe hở khơng khí
η
Hiệu suất
λ
Hệ số thể hiện quan hệ giữa chiều dài và đường kính ngồi lõi sắt stato
τ
Bước cực
w1
Số vịng dây nối tiếp một pha stato
2p
Số cực
7
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
Tên gọi
ANN
Mạng nơron nhân tạo
CTAMAD
Công ty Chế tạo điện cơ Hà Nội
FEM
Phương pháp phần tử hữu hạn
GA
Giải thuật di truyền
KĐB
Khơng đồng bộ
KTCLA
Chương trình tính kiểm tra động cơ khơng đồng bộ ba pha
rơto lồng sóc của luận án
NN
Mạng nơron
QHTG
Quy hoạch trực giao
QHTN
Quy hoạch thực nghiệm
SPEED
Phần mềm thiết kế động cơ của Trường ĐH GLASSGOW
TKCLA
Chương trình tính tốn thiết kế động cơ khơng đồng bộ ba
pha rơto lồng sóc của luận án có tổng tổn hao chính nhỏ nhất
TKHSCLA
Chương trình thiết kế động cơ khơng đồng bộ ba pha rơto
lồng sóc có hiệu suất cao của luận án
VIHEM
Công ty cổ phần Chế tạo máy điện Việt Nam – Hungari
8
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Tên hình vẽ
Hình
Trang
2.1
Các bước thiết kế động cơ KĐB ba pha rơto lồng sóc
35
2.2
Hình dạng và kích thước rãnh stato
36
2.3
Hình dạng và kích thước rãnh rơto
37
2.4
Giản đồ năng lượng của động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc
39
2.5
Quan hệ giữa sức từ động stato và S r1
51
2.6
Quan hệ giữa tổn hao sắt stato và S r1
52
2.7
Quan hệ giữa tổn hao sắt và tổn hao đồng stato với S r1
52
2.8
Quan hệ giữa các kích thước rãnh
54
2.9
Quan hệ giữa sức từ động và h r
54
2.10 Quan hệ giữa tổn hao sắt và h r
54
2.11 Quan hệ giữa sức từ động stato và chiều cao rãnh stato h rs
55
2.12 Quan hệ giữa tổn hao sắt stato và chiều cao rãnh stato h rs
55
3.1
Các biến số thiết kế
59
3.2
Sơ đồ khối thiết kế tối ưu hiệu suất động cơ
61
3.3
Sơ đồ khối phương pháp thiết kế mạch điện và mạch từ
62
3.4
Sơ đồ thuật toán xác định S r1 ứng với k lđmax
64
3.5
Sơ đồ thuật tốn xác định kích thước răng rãnh stato
66
3.6
Sơ đồ thuật tốn xác định kích thước răng rãnh rơto
68
3.7
Sơ đồ thuật toán xác định chiều cao tối ưu rãnh stato, rôto
70
9
3.8
Sơ đồ cấu trúc chương trình tính kiểm tra động cơ KĐB ba
72
pha rơto lồng sóc
3.9
Sơ đồ cấu trúc chương trình thiết kế động cơ KĐB ba pha rơto
73
lồng sóc có tổng tổn hao chính nhỏ nhất
3.10 Sơ đồ dây quấn động cơ 3 kW, 2p = 4
80
3.11 Đồ thị về tốc độ, dịng khởi động, mơmen
80
3.12 Đồ thị sức từ động động cơ 3 kW, 2p = 4
81
3.13 Biểu đồ so sánh hiệu suất, cosϕ và chi phí vật liệu động cơ 3 kW
83
4.1
Mơ hình quy hoạch trực giao
5.1
Quan hệ giữa đường kính ngồi lõi sắt stato và hệ số λ của 108
89
động cơ có số cực 2p = 2
a). P = (0,75 ÷ 2,2) kW
b). P = (3 ÷ 7,5) kW
5.2
Quan hệ giữa đường kính ngồi lõi sắt stato và hệ số λ của 108
động cơ có số cực 2p = 4
a). P = (0,75 ÷ 2,2) kW
b). P = (3 ÷ 7,5) kW
5.3
Quan hệ giữa đường kính ngoài lõi sắt stato và hệ số λ của 109
động cơ có số cực 2p = 6
a). P = (0,75 ÷ 2,2) kW
b). P = (3 ÷ 7,5) kW
5.4
Quan hệ giữa hiệu suất với nhóm thơng số kích thước cơ bản 110
động cơ 3 kW; 2p = 4; λ = 0,65; D n = 170 mm
10
5.5
Quan hệ giữa hiệu suất với nhóm thơng số kích thước cơ bản 110
động cơ 3 kW; 2p = 4; k D = 0,6; D n = 170 mm
5.6
Sơ đồ khối của phương pháp thiết kế động cơ KĐB ba pha 112
rơto lồng sóc hiệu suất cao
5.7
Sơ đồ cấu trúc chương trình tính tốn thiết kế động cơ KĐB 113
ba pha rơto lồng sóc hiệu suất cao
5.8
Biểu đồ so sánh hiệu suất, cosϕ và chi phí vật liệu của các 115
phương pháp thiết kế động cơ hiệu suất cao công suất 3 kW,
2p = 4
5.9
Biểu đồ so sánh hiệu suất, cosϕ và chi phí vật liệu khi sử dụng 118
loại thép 2211 và CS50S600
11
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng
Tên bảng
Trang
2.1
Tỷ lệ các thành phần tổn hao của động cơ KĐB 3pha
40
2.2
Trị số của D n theo h
46
3.1
Kết quả tính kiểm tra động cơ 1,1 kW
77
3.2
Kết quả tính kiểm tra động cơ 1,5 kW
77
3.3
Kết quả tính kiểm tra động cơ 5,5 kW
78
3.4
Bảng so sánh kết quả thiết kế động cơ 3 kW, 2p = 4
79
3.5
Kết quả tính kiểm tra động cơ 3 kW tại VIHEM
81
3.6
Kết quả tính kiểm tra động cơ 3 kW
82
3.7
Bảng so sánh kết quả thiết kế động cơ 3 kW, 2p = 4 hiệu suất cao
83
3.8
Bảng so sánh kích thước thiết kế động cơ 3 kW, 2p = 4
84
4.1
Khoảng biến thiên các biến độc lập
89
4.2
Bảng số liệu thực nghiệm quy hoạch trực giao
90
4.3
Giá trị các tham số
94
4.4
Ma trận thực nghiệm toàn phần cho các biến mã
95
4.5
Giá trị thực nghiệm các biến thực tế
96
4.6
Ma trận thực nghiệm đầy đủ
97
4.7
Kết quả tính tốn (η i − ηˆi ) 2
102
4.8
Kết quả so sánh η giữa tính theo biểu thức (4.34) và thực nghiệm
104
5.1
Bảng so sánh chỉ tiêu kỹ thuật và vật liệu tác dụng động cơ 114
3 kW, 2p = 4
5.2
Bảng so sánh các thông số thiết kế động cơ 3 kW, 2p = 4
115
12
5.3
Bảng so sánh chỉ tiêu kỹ thuật và vật liệu tác dụng động cơ 116
3 kW, 2p = 4 với k D = 0,6; λ = 0,65; D n = 170 mm
5.4
Bảng so sánh chỉ tiêu kỹ thuật và vật liệu tác dụng động cơ 116
3 kW, 2p = 4 với k D = 0,605; λ = 0,66; D n = 170 mm
5.5
Bảng so sánh chỉ tiêu kỹ thuật và vật liệu tác dụng động cơ 117
3 kW, 2p = 4 với λ = 0,66; B δ = 0,76; D n = 170 mm
5.6
Bảng so sánh chỉ tiêu kỹ thuật và vật liệu tác dụng động cơ 118
3 kW, 2p = 4 khi sử dụng các loại thép khác nhau
5.7
Bảng so sánh chỉ tiêu kỹ thuật và vật liệu tác dụng động cơ
120
3 kW, 2p = 4 khi thay đổi vật liệu và cơng nghệ
5.8
Bảng tính tốn lợi ích kinh tế của động cơ hiệu suất cao
122
13
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Động cơ khơng đồng bộ (KĐB) ba pha mà chủ yếu là loại rơto lồng sóc
với dải cơng suất từ vài trăm Watts đến hàng Megawatts được dùng phổ biến
trong cơng nghiệp vì là bộ phận chính trong các hệ truyền động. Sự phát triển
của nền kinh tế và q trình cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa làm cho nhu cầu sử
dụng chúng ngày càng nhiều. Ở các nước có nền cơng nghiệp phát triển hoặc
quy mô công nghiệp lớn như Mỹ, Trung Quốc, Châu Âu, Ấn Độ và ngay ở
Việt Nam nguồn năng lượng mà chúng tiêu thụ cũng tăng đáng kể.
Theo đánh giá của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (United States Department of
Engnery), có hơn một tỷ động cơ ở Mỹ được sử dụng, trong đó có từ 70 ÷ 90%
được dùng trong công nghiệp. Hệ thống điện của Mỹ công suất khoảng 700
GW thì 60% nguồn cơng suất được sử dụng cho động cơ KĐB [23], [27], [32].
Tổng điện năng tiêu thụ ở Châu Âu năm 2000 là 2574 tỷ kWh, trong đó 951 tỷ
kWh được sử dụng trong cơng nghiệp với 614 tỷ kWh được tiêu thụ bởi động
cơ điện, chiếm khoảng 65% [43].
Là một nước có dân số đơng và có nền cơng nghiệp phát triển, điện
năng các động cơ điện ở Trung Quốc tiêu thụ hàng năm hơn 600 tỷ kWh,
chiếm hơn 50% điện năng sử dụng [65]. Ở Ấn Độ, chỉ tính năm 2002 - 2003,
số lượng động cơ KĐB ba pha được đưa vào sử dụng là 1.520.156 chiếc, nền
công nghiệp tiêu thụ khoảng 50% tổng cơng suất thì riêng động cơ KĐB ba
pha chiếm 72% [44].
Nền kinh tế Việt Nam trong những năm gần đây có tốc độ tăng trưởng
cao, bình qn khoảng 8% năm. Trên 90% các máy điện sử dụng là động cơ
KĐB trong đó các động cơ cơng nghiệp chiếm khoảng 50% năng lượng điện
14
tiêu thụ của cả nước vì có mặt trên khắp các lĩnh vực kinh tế, công nghiệp,
nông nghiệp….Chỉ riêng Công ty chế tạo điện cơ Hà Nội (CTAMAD) hàng
năm sản xuất hơn 35.000 sản phẩm máy điện quay [14]. Năm 2008 sản lượng
điện thương phẩm cả nước đạt gần 66 tỷ kWh, tăng 12,8% so với năm 2007,
trong đó điện dùng cho công nghiệp và xây dựng chiếm tỷ trọng 50,22%; điện
dùng cho quản lý và tiêu dùng dân cư chiếm tỷ trọng 40,28% [16]
Sau cuộc khủng hoảng dầu mỏ lần thứ nhất (năm 1973), giá năng lượng
bắt đầu tăng cao và tăng rất cao trong năm 2008, nền công nghiệp thế giới
phát triển mạnh, sự cạnh tranh giữa các doanh nghiệp ngày càng gay gắt. Sử
dụng năng lượng hiệu quả cho phép các công ty công nghiệp và thương mại
giảm giá thành sản phẩm, tăng lợi nhuận và bằng cách ấy cịn để cạnh tranh.
Mục tiêu chính để tiết kiệm năng lượng được xác định trong các ngành công
nghiệp là động cơ KĐB, chúng sử dụng hầu hết nguồn năng lượng được phân
phối cho các thiết bị công nghiệp [32].
Tiết kiệm năng lượng khơng chỉ mang lại lợi ích lớn về mặt kinh tế mà
còn giảm đáng kể hiệu ứng nhà kính góp phần bảo vệ mơi trường. Đã có
nghiên cứu cho thấy việc sử dụng hệ thống động cơ hiệu suất cao có thể tiết
kiệm đến 202 tỷ kWh cho nguồn điện của Châu Âu, tương đương giảm được
10 tỷ Euro chi phí trong một năm cho nền cơng nghiệp, đồng thời nó cũng
mang lại các lợi ích khác như tiết kiệm (5 – 10) tỷ Euro cho việc bảo dưỡng
và cải thiện hệ thống, tiết kiệm khoảng 6 tỷ Euro cho việc cải thiện môi
trường, giảm được 6% nguồn năng lượng nhập khẩu của Châu Âu [43].
Ở Việt Nam, giả sử các động cơ KĐB hiệu suất cao tiết kiệm được 1%
tổng điện năng tiêu thụ (trên thực tế sẽ nhiều hơn do động cơ hiệu suất cao
loại nhỏ có số lượng sử dụng lớn và khả năng tăng hiệu suất của động cơ điện
cỡ nhỏ là cao), trung bình hiện nay tổng năng lượng điện quốc gia tiêu thụ là
15
66.000 GWh, trong đó động cơ KĐB chiếm 50% là 33.000 GWh và sơ bộ số
tiền 1 kWh điện kinh doanh là 1725 đồng [15] thì số tiền mà các động cơ hiệu
suất cao tiết kiệm được trong thời gian 1 năm sẽ là: 33.000 x 106 x 0,01 x 1725
= 569,2 tỷ đồng.
Gần đây đứng trước áp lực phải tiết kiệm năng lượng, hạn chế sử dụng
tài nguyên môi trường, hạn chế các phát thải để bảo vệ môi trường, một số
nước đã ra các điều luật bắt buộc các nhà sản xuất phải chế tạo ra các động cơ
điện có hiệu suất cao, điển hình như: Mỹ có tiêu chuẩn EPAct efficiency
standards [33], tiêu chuẩn Châu mức Eff1 [33], Trung Quốc có các tiêu chuẩn
động cơ hiệu suất cao như Y2 series và Y2e series [65], Nhật có JEC 37 và
JISC 4212:2000 High efficiency induction motors [60].
Để thực hiện việc sử dụng năng lượng tiết kiệm hiệu quả nhà nước đã
xây dựng một loạt các văn bản có tính chất pháp quy ở cấp chính phủ và cấp
bộ về sử dụng tiết kiệm hiệu quả.
Về cấp chính phủ: Đã ban hành Nghị định 102/2003/NĐ-CP về tiết
kiệm năng lượng, quyết định số 79/2006 QĐ-CP về Chương trình mục tiêu
quốc gia sử dụng năng lượng tiết kiệm hiệu quả. Tiếp theo Thủ tướng chính
phủ ký quyết định số 1855/QĐ-TTg, phê duyệt Chiến lược phát triển năng
lượng quốc gia đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2050.
Về cấp bộ: Bộ Khoa học và Công nghệ ban hành bộ tiêu chuẩn “Động
cơ điện khơng đồng bộ ba pha rơto lồng sóc hiệu suất cao” (ký hiệu: TCVN
7540 - 1:2005, xây dựng dựa trên tiêu chuẩn Canađa C390 - 98) yêu cầu về
hiệu suất tối thiểu đối với động cơ KĐB ba pha rơto lồng sóc được chế tạo
phải cao hơn tiêu chuẩn được sử dụng trước đây (TCVN 1987- 1994) từ 1 đến
5% [17], [18]. Hiệu suất theo tiêu chuẩn TCVN 1987- 1994, TCVN 75401:2005 và tiêu chuẩn Châu Âu mức Eff1 được thể hiện ở bảng dưới đây.
16
Bảng hiệu suất động cơ không đồng bộ ba pha rơto lồng sóc
theo các Tiêu chuẩn
TCVN 1987-1994 TCVN 7540-1:2005 Châu Âu mức Eff1
Công suất
(kW)
η (%)
η (%)
η (%)
2p = 2 2p = 4 2p = 6 2p = 2 2p = 4 2p = 6
2p = 2
2p = 4
1,1
77,5
75
74,0
80,6
82,2
78,3
82,8
83,8
1,5
81
77
75,0
82,6
83,5
79,9
84,1
85,0
2,2
83
80
81,0
84,0
84,9
81,9
85,6
86,4
3,0
84,5
82
81,0
85,5
86,0
83,5
86,7
87,4
4,0
86,5
84
82,0
86,5
87,0
84,7
87,6
88,3
5,5
87,5
85,5
85,0
87,5
87,9
86,1
88,6
89,2
7,5
87,5
87,5
85,5
88,3
88,9
87,3
89,5
90,1
11,0
88
87,5
86,0
89,5
89,9
88,7
90,5
90,1
15
88
89,0
87,5
90,2
90,8
89,6
91,3
91,8
18,5
88,5
90,0
88,0
90,8
91,2
90,3
91,8
99,2
22,0
88,5
90,0
90,0
91,0
91,6
90,8
92,2
92,6
30,0
90,5
91,0
90,5
91,7
92,3
91,6
92,9
93,2
37,0
90,0
91,0
91,0
92,5
92,8
92,2
93,3
93,6
45
91,0
92,0
91,5
93,0
93,0
92,7
93,7
93,9
55
91,0
92,5
92,0
93,0
93,5
93,1
94,0
94,2
75
91,0
93,0
92,0
93,6
94,0
93,7
94,6
94,7
90
92,0
93,0
92,0
94,2
94,4
94,1
95,0
95,0
Cho đến nay bộ tiêu chuẩn TCVN 7540-1:2005 vẫn chưa được các nhà
máy chế tạo động cơ điện Việt Nam áp dụng phổ biến cho các sản phẩm.
Nâng cao hiệu suất động cơ mang lại nhiều lợi ích kinh tế, xã hội và
mơi trường. Do vậy, thiết kế chế tạo động cơ có hiệu suất cao là rất cần thiết.
17
Hiệu suất động cơ có thể được cải thiện bằng cách như tăng thể tích máy
(tăng chỉ tiêu vật liệu tác dụng trên một động cơ), sử dụng vật liệu và cơng nghệ
tốt (như dùng thép kỹ thuật điện có tổn hao riêng thấp, sử dụng loại thép cán
mỏng, hệ số lấp đầy rãnh cao hơn, khe hở khơng khí đủ nhỏ, rơto lồng sóc được
đúc bằng đồng, dung sai sản xuất nhỏ) và bằng cách cải thiện thiết kế về mạch
điện và mạch từ nhằm tối ưu các thông số điện từ và thơng số kích thước răng
rãnh để mật độ từ thông trong lõi sắt phân bố ở răng và ở gông (cả stato và rôto)
một cách phù hợp làm cho tổng tổn hao sắt và đồng nhỏ nhất [33], [44].
Giải pháp tăng thể tích máy tuy làm cho hiệu suất động cơ tăng cao
nhưng có thể khơng đảm bảo yêu cầu về chiều cao tâm trục của kích thước lắp
đặt nếu đường kính quá lớn và yêu cầu về công nghệ chế tạo khi máy quá dài.
Hơn nữa, việc tăng vật liệu trên mỗi sản phẩm động cơ sẽ tăng chi phí sản
xuất, vận chuyển, lắp đặt và tăng nhu cầu sử dụng điện năng để sản xuất ra
các vật liệu đó [14],[37].
Cơng nghệ sản xuất phải phù hợp với đặc tính vật liệu, khi sử dụng các
loại thép tốt hơn cũng cần phải trang bị công nghệ phù hợp với chúng [57].
Với công nghệ sản xuất ở các nhà máy chế tạo động cơ điện Việt Nam hiện
nay như chiều dài khe hở khơng khí δ không thể làm quá nhỏ (động cơ 3 kW,
2p = 4 ở các nhà máy chế tạo động cơ điện Việt Nam có δ = 0,3 mm trong khi
của Nhật hay một số nhà máy ở Châu Âu có δ = 0,25 mm), chiều dài lõi sắt
qua hệ số λ (tỷ số giữa chiều dài và đường kính ngồi lõi sắt stato) cũng giới
hạn không quá lớn (động cơ 3 kW, 2p = 4 ở các nhà máy chế tạo động cơ điện
Việt Nam có λ max = 0,66 trong khi của Nga có thể đạt được λ max = 0,78), hệ
số ép chặt lõi sắt nhỏ…. nên sử dụng công nghệ tốt hơn phải thay đổi phần
lớn công nghệ sản xuất hiện có của nhà máy. Vì các điều kiện khách quan
khác nhau và do chi phí lớn nên việc thay đổi công nghệ của một nhà máy sản
xuất khó thực hiện.
18
Những vấn đề đã đề cập trên đặt ra cho lĩnh vực thiết kế và chế tạo máy
điện nhiệm vụ nghiên cứu, tính tốn thiết kế động cơ KĐB ba pha rơto lồng
sóc có hiệu suất cao đồng thời đảm bảo những tiêu chuẩn về kinh tế, kỹ thuật.
Đây là nhiệm vụ hết sức quan trọng và cấp thiết nhằm đáp ứng yêu cầu phát
triển của xã hội.
Đề tài “Phương pháp nâng cao hiệu suất động cơ KĐB ba pha rơto lồng
sóc trong thiết kế” sẽ nghiên cứu xây dựng phương pháp thiết kế tối ưu nhằm
nâng cao hiệu suất động cơ KĐB ba pha rơto lồng sóc. Trên cơ sở đó thành
lập thuật tốn và chương trình thiết kế động cơ có hiệu suất tối thiểu đạt tiêu
chuẩn TCVN 7540 – 1:2005.
Kết quả của đề tài còn là cơ sở để mở rộng nghiên cứu thiết kế các
động cơ KĐB ba pha rơto lồng sóc có hiệu suất đạt tiêu chuẩn của Mỹ và
Châu Âu.
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Khảo sát, phân tích và đánh giá được ảnh hưởng của các thông số thiết
kế đến các thành phần tổn hao đồng và sắt của động cơ KĐB ba pha rơto lồng
sóc.
- Xây dựng phương pháp thiết kế mạch điện và mạch từ nhằm giảm nhỏ
tổng tổn hao đồng và tổn hao sắt trong động cơ KĐB ba pha rơto lồng sóc.
- Xây dựng mơ hình tốn thể hiện mối quan hệ giữa hiệu suất động cơ
với nhóm thơng số kích thước cơ bản.
- Xây dựng phương pháp thiết kế động cơ KĐB ba pha rơto lồng sóc
hiệu suất cao.
- Thực hiện tính tốn thiết kế nâng hiệu suất động cơ lên một mức nhất
định mà khơng phải thêm vật liệu, đã tính tốn thiết kế động cơ có hiệu suất tối
19
thiểu bằng tiêu chuẩn động cơ hiệu suất cao TCVN 7540-1:2005 với chi phí đầu
tư tương đối ít.
- Thực hiện và đưa ra các giải pháp về vật liệu, công nghệ có thể nâng hiệu
suất động cơ khơng đồng bộ ba pha rơto lồng sóc bằng mức Eff1của Châu Âu.
- Kết quả của luận án có thể ứng dụng để các nhà máy chế tạo động cơ
điện Việt Nam sản xuất động cơ KĐB ba pha rơto lồng sóc có hiệu suất cao.
3. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1 Mục đích:
Nghiên cứu xây dựng phương pháp thiết kế tối ưu nhằm nâng cao hiệu
suất động cơ KĐB ba pha rơto lồng sóc. Trên cơ sở đó xây dựng thuật tốn và
chương trình thiết kế động cơ có hiệu suất tối thiểu đạt tiêu chuẩn TCVN
7540 – 1:2005, đồng thời đưa ra các giải pháp có thể nâng cao hiệu suất động
cơ bằng tiêu chuẩn của Mỹ và Châu Âu.
3.2 Đối tượng:
Đối tượng nghiên cứu của luận án là các động cơ KĐB ba pha rơto lồng
sóc có công suất từ 0,75 đến 90 kW, triển khai thiết kế động cơ có cơng suất
trong khoảng 0,75 đến 7,5 kW đang được sản xuất rộng rãi ở các nhà máy chế
tạo động cơ điện Việt Nam.
3.3 Phạm vi nghiên cứu:
- Nghiên cứu tổng quan các giải pháp giảm tổn hao và các phương pháp
thiết kế tối ưu động cơ KĐB ba pha rơto lồng sóc cơng suất 0,75 đến 90 kW.
- Khảo sát, phân tích ảnh hưởng của các thông số thiết kế đến tổn hao
động cơ KĐB ba pha rơto lồng sóc cơng suất 0,75 đến 90 kW.
20
- Xây dựng phương pháp thiết kế mạch điện và mạch từ tối ưu nhằm
giảm tổn hao đồng và tổn hao sắt là hai thành phần tổn hao chính trong động
cơ KĐB ba pha rơto lồng sóc.
- Xây dựng mơ hình tốn thể hiện mối quan hệ giữa hiệu suất động cơ
với nhóm thơng số kích thước cơ bản cho các động cơ có cơng suất từ 0,75
đến 7,5 kW.
- Xây dựng phương pháp thiết kế động cơ KĐB ba pha rơto lồng sóc
hiệu suất cao.
- Thiết kế động cơ trong dãy cơng suất 0,75 đến 7,5 kW có hiệu suất
tối thiểu đạt tiêu chuẩn TCVN 7540 - 1:2005 và so sánh với các động cơ đã
được chế tạo.
- Rút ra một số kết luận về lý luận và thiết kế động cơ KĐB ba pha rơto
lồng sóc hiệu suất cao.
4. Kết cấu của luận án
Luận án gồm 5 chương, 35 hình vẽ, 26 bảng và 13 trang phụ lục. Các
chương của luận án với nội dung sau:
Chương 1: Tổng quan về các phương pháp thiết kế nâng cao hiệu suất
động cơ khơng đồng bộ ba pha rơto lồng sóc.
Chương 2: Ảnh hưởng của các thông số thiết kế đến tổn hao và hiệu
suất động cơ không đồng bộ ba pha rơto lồng sóc.
Chương 3: Phương pháp thiết kế mạch điện và mạch từ.
Chương 4: Xây dựng biểu thức mô tả quan hệ giữa hiệu suất với kích
thước chủ yếu và mật độ từ thơng khe hở khơng khí.
Chương 5: Thiết kế động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc hiệu
suất cao.
21
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ
NÂNG CAO HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
RƠTO LỒNG SĨC
ĐẶT VẤN ĐỀ
Động cơ khơng đồng bộ được Nikola Tesla phát minh ở Pháp vào năm
1882 nhưng đến năm 1888, sau khi Tesla sang định cư ở Mỹ, mới được cấp
bằng sáng chế. Khoảng 1 năm sau động cơ KĐB rơto lồng sóc được Mikhail
Dolivo- Dobrovosky phát minh ở Châu Âu. Cùng với sự phát triển của vật liệu
và cơng nghệ, với một thể tích máy, đến năm 1976 cơng suất có thể đạt được
100 Hp so với năm 1897 chỉ là 7,5 Hp [68].
Sử dụng công nghệ tiên tiến và vật liệu tốt là một giải pháp cải thiện
hiệu suất của động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc. Trong những năm gần đây
đã có một số cơng trình nghiên cứu về giải pháp này như: nghiên cứu đặc tính
thép để ứng dụng chế tạo động cơ có hiệu suất cao [45], [46, [47], [57]; dùng
thép có chất lượng cao và các lá thép mỏng hơn để chế tạo động cơ [31], [52],
[64]; dùng công nghệ rôto đúc đồng thay cho nhơm [53]. Nhìn chung giải
pháp về vật liệu và cơng nghệ có ưu điểm là tăng hiệu suất động cơ mà khơng
phải tăng thể tích máy. Nhược điểm là địi hỏi cơng nghệ phức tạp hơn, vật
liệu và công nghệ thường gắn liền với nhau nên thực hiện theo giải pháp này
phải đầu tư vốn lớn mà ít tận dụng được cơng nghệ cũ. Chính vì thế nó chưa
được áp dụng ở các nhà máy chế tạo động cơ điện Việt Nam.
Một giải pháp quan trọng cũng góp phần trong việc nâng cao hiệu suất
động cơ KĐB ba pha rơto lồng sóc là phương pháp thiết kế. Đặc tính của
động cơ phụ thuộc vào nhiều thơng số (bao gồm các thông số liên quan đến
22
cấu trúc hình học và tải điện từ) gọi chung là thông số thiết kế. Mỗi thay đổi
của chúng sẽ ảnh hưởng khác nhau đến đặc tính động cơ. Vì có nhiều biến số
với khoảng biến thiên lớn nên trong q trình thiết kế phải tính lặp rất nhiều
lần nhằm chọn được giá trị các thơng số thiết kế thích hợp thỏa mãn các yêu
cầu về chỉ tiêu kỹ thuật đặt ra. Tuy nhiên điều này cũng được khắc phục bằng
cách sử dụng các phương pháp thiết kế tối ưu. Có nhiều cơng trình nghiên cứu
trong và ngồi nước thực hiện theo giải pháp thiết kế tối ưu và đã mang lại
những kết quả nhất định.
1.1 Tình hình nghiên cứu của thế giới
Việc sử dụng máy tính vào tính tốn thiết kế động cơ KĐB được thực
hiện vào những năm 1960 [41]. Hàm mục tiêu được chọn trong quá trình thiết
kế ở giai đoạn 1960 đến 1975 là giá thành chế tạo thấp nhất [19], [28]. Sau
cuộc khủng hoảng dầu mỏ lần thứ nhất (năm 1973), động cơ hiệu suất cao bắt
đầu được nghiên cứu [66].
Cùng với sự phát triển về cơng nghệ máy tính, các phương pháp tối ưu
hóa ngày càng được ứng dụng trong thiết kế động cơ tức là giải bài tốn quy
hoạch phi tuyến có dạng: Tìm giá trị của các biến số độc lập X = (x 1 , x 2 , …,
x n ) để hàm mục tiêu của đối tượng thiết kế f(X) → min (max) đồng thời thỏa
mãn các điều kiện ràng buộc:
g i (X) ≥ 0; i = 1, 2, …, m
X min ≤ X ≤ X max
Trong đó: x 1 , x 2 , …, x n là các thông số về kích thước của động cơ (như
đường kính lõi sắt stato và rôto, chiều dài lõi sắt stato, các kích thước răng
rãnh stato và rơto, chiều dài khe hở khơng khí…) và tải điện từ; X min , X max là
các giới hạn dưới và trên của các thông số; g i (X) là các ràng buộc về tiêu
chuẩn kỹ thuật; f(X) là hàm mục tiêu của động cơ thiết kế (như hiệu suất,
cosϕ, giá thành sản phẩm hoặc là một hàm đa mục tiêu).
23
Để giải bài toán tối ưu trên, cho đến nay, có các phương pháp: nhóm
phương pháp tìm kiếm tồn cục [26], [32], [37], [38], [64]; phương pháp phần tử
hữu hạn (Finite Element Method - FEM) [41], [42], [67]; phương pháp mạng
nhân tạo (neural network) [35]; phương pháp logic mờ (fuzzy logic) [39] và
phương pháp giải thuật di truyền (genetic algorithm) [29], [49].
E. F. Fuchs và H. Huang [32] nghiên cứu, kết hợp hai phương pháp
thiết kế động cơ: “The Method of Boundary Search Along Active Constraints”
và “The Han - Powell Method” thành một phương pháp thiết kế tối ưu sử dụng
chương trình máy tính giải bài tốn quy hoạch phi tuyến với hàm mục tiêu là
hiệu suất có dạng: − η (K 1 , X 1 ) → min , với X 1 là các biến số về thông số kết cấu
và K 1 là giới hạn các biến số. Phương pháp này nghiên cứu với các loại thép
CONCORE, G26M47, G26M45, G26M43 và ứng dụng trong thiết kế tối ưu
động cơ có cơng suất 5 Hp (3,7 kW), tốc độ 3520 vòng/phút. Kết quả nghiên
cứu cho thấy hiệu suất cao nhất khi sử dụng loại thép G26M43 và thấp nhất
khi sử dụng loại thép CONCORE.
Xian Liu, Gordon R.Slemon [64] phân tích hai phương pháp sử dụng
trong thiết kế tối ưu động cơ: phương pháp hàm phạt ngoài (The exterior
penalty function method) và phương pháp Lagrange đa chiều (The Augmented
Lagrangian Multiplier Method), đây là các phương pháp tính tốn có sử dụng
máy tính khá phổ biến vào giữa thập niên 1970 nhưng trước nó cịn khá mới
trong việc thiết kế máy điện.
Phương pháp hàm phạt ngồi có ưu điểm là chọn được điểm ban đầu
X 0 nhưng có nhược điểm là để hàm mục tiêu nhận được giá trị cực trị tồn
cục thì phải tăng nhiều giá trị hàm phạt, điều này làm cho giá trị của hàm phạt
vượt khỏi miền giới hạn.
