Ứng dụng phần mềm Motor - CAD trong mô phỏng phân bố nhiệt độ động cơ không đồng bộ roto lồng sóc 2 cực công suất 0,75kW

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:9

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong bài viết, nhóm tác giả sử dụng kết quả kích thước của động cơ đã tính toán sẵn và ứng dụng phần mềm Motor - Cad để tính toán phân bố nhiệt độ trong động cơ, trong điều kiện vận hành ổn định, đánh giá kết quả với điều kiện đảm bảo của cách điện sử dụng trong động cơ.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Ứng dụng phần mềm Motor - CAD trong mô phỏng phân bố nhiệt độ động cơ không đồng bộ roto lồng sóc 2 cực công suất 0,75kW

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Ứng dụng phần mềm Motor - CAD trong mô phỏng phân bố nhiệt độ động cơ không đồng bộ roto lồng sóc 2 cực công suất 0,75kW Ngô Văn Hà*, Dƣơng Thị Lan, Đỗ Thị Hoa Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh *E-mail: ngovanha72@gmail.com Tóm tắt: Việc áp dụng tính toán và mô phỏng trên máy tính không còn là vấn đề mới trên thế giới. Hiện nay, để hoàn thiện chế tạo một động cơ điện các nhà sản xuất đều thực hiện quá trình mô phỏng kết quả tính toán trên phần mềm chuyên dụng, giúp cải thiện đáng kể hiệu quả công suất đầu ra động cơ và tự tin đưa ra quyết định thiết kế. Trong bài viết, nhóm tác giả sử dụng kết quả kích thước của động cơ đã tính toán sẵn [7] và ứng dụng phần mềm Motor - Cad để tính toán phân bố nhiệt độ trong động cơ, trong điều kiện vận hành ổn định, đánh giá kết quả với điều kiện đảm bảo của cách điện sử dụng trong động cơ. Từ khoá: Mạch nhiệt thông số rải, mô hình nhiệt, tính toán nhiệt, mô hình trường nhiệt, động cơ không đồng bộ công suất nhỏ. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Các động cơ không đồng bộ roto lồng sóc [4] có cấu tạo như hình 1, đã được mô hình hóa bằng các mô hình nhiệt mạng phân tích có số lượng nút khác nhau. Các mô hình có số lượng nút nhỏ chạy nhanh nhưng có thể khó thiết lập chính xác, các mô hình có số lượng nút lớn có thể được lập trình để đưa ra dự đoán nhiệt chính xác. Điều này được thực hiện bằng cách chia các hiện tượng truyền nhiệt riêng lẻ thành các điện trở nhiệt riêng biệt mà các thuật toán toán học tồn tại cho tính toán của chúng, ví dụ: điện trở nhiệt để biểu thị sự truyền nhiệt qua các thành phần phức hợp như cuộn dây và ổ trục, sự dẫn truyền qua các thành phần rắn như răng và sắt lưng, đối lưu và bức xạ từ bề mặt bên trong và bên ngoài của máy. Các mô hình nhiệt đơn giản hơn được mô tả trong bài viết này được thực hiện trong phần mềm Motor-CAD [1]. Motor-CAD [5] là một gói phần mềm phân tích mạng dành riêng cho phân tích nhiệt của máy điện. Nó bao gồm các thuật toán để tự động mô hình hóa các hiện tượng nhiệt phức tạp. Phần mềm có một số mô hình nhiệt đơn giản để giúp dự đoán các nhiệt độ này. Tuy nhiên, điều quan trọng là phải hiệu chỉnh các mô hình vì chúng có một số nút hạn chế và không bao gồm tính toán trước các hiện tượng nhiệt khó dự đoán như truyền nhiệt qua các cuộn dây dẫn, khoảng trống giao diện giữa các thành phần, làm mát hỗn loạn xung quanh các cuộn dây cuối và lồng cuối, đối lưu từ các bề mặt phức tạp,... [6]. Hình 1. Cấu tạo động cơ không đồng bộ 3 pha lồng sóc Kỷ yếu Hội nghị KHCN lần 7, tháng 5/2022 159
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH 2. MÔ HÌNH MẠCH NHIỆT ĐIỆN TRỞ 2.1. Mô hình mạch nhiệt đơn giản Hình 2 cho thấy mô hình nhiệt cho động cơ, trong đó có nhiệt trở đặc trưng cho độ chênh nhiệt giữa cuộn dây và môi trường xung quanh (Rα). Đây là mô hình nhiệt đơn giản nhất có thể để dự đoán sự tản nhiệt của động cơ và sự gia tăng nhiệt độ của các dây dẫn stator (θC) [6]: θC = θo + RαQth (1) Qth tương ứng cho tổng tổn thất động cơ (bao gồm tổn hao cuộn dây stator, lõi thép stator và rotor). Mô hình này có thể được kết hợp với điện dung nhiệt tổng thể để ước tính hằng số thời gian nhiệt của động cơ. Tuy nhiên, mô hình này chỉ có thể được sử dụng để hiểu về quá trình làm nóng và làm mát chung của phần lớn máy chứ không phải để làm nóng nhanh cuộn dây trong điều kiện quá tải. Thông thường, hằng số thời gian nhiệt của cuộn dây nhỏ hơn nhiều so với điện dung nhiệt của máy điện có kích thước lớn. Hình 2. Mô hình nhiệt với 1 nhiệt điện trở 2.2. Mô hình mạch nhiệt với 5 – 10 nút Một mô hình nhiệt phức tạp hơn sử dụng từ 5 đến 10 nút [3] để thể hiện các tính năng quan trọng trong máy. Ví dụ, mạng 5 nút được chỉ ra trong hình 3 có các nút đại diện cho môi trường xung quanh, lớp stator, vỏ, cuộn dây và rotor. Đối với sơ đồ mạch nhiệt của động cơ điện không đồng bộ kiểu kín, trong đó các nhiệt điện trở chính gồm có các điện trở nhiệt bên trong giữa cuộn dây với lõi thép stator và lõi thép stator với vỏ máy có thể được hiệu chỉnh từ sự giảm nhiệt độ bên trong bên trong stator. Nhiệt điện trở trên lớp cách điện được xác định như sau [6]: Rc = δc/(λc x Sc) (2) Trong đó: δc là chiều dày lớp cách điện (cm), λc là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách điện rãnh và Sc là tiết diện truyền nhiệt của lớp cách điện (cm2). Hình 3. Mô hình nhiệt với 5 nút [3] Hình 4 cho thấy, một mô hình nhiệt sử dụng 10 nút và 18 nhiệt trở được coi là mô hình nhiệt đơn giản. Với các mô hình như vậy, tất cả các nhiệt trở có thể được tính toán bằng 160 Kỷ yếu Hội nghị KHCN lần 7, tháng 5/2022
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH cách sử dụng phép đo hoặc các mô hình nhiệt phức tạp hơn. Một lựa chọn khác là tính toán một số nhiệt trở và điện dung dựa trên kích thước và đặc tính vật liệu cho thành phần cụ thể. Một vấn đề với việc hiệu chuẩn các mô hình như vậy bằng cách sử dụng dữ liệu thử nghiệm là có thể khá khó khăn khi cô lập các cơ chế truyền nhiệt riêng lẻ, tức là đối lưu và bức xạ từ vỏ máy và nắp máy,... Quá trình hiệu chuẩn dễ dàng hơn nhiều bằng cách sử dụng mạng nhiều nút phức tạp hơn các mô hình như thông tin chi tiết hơn có sẵn cho các cơ chế truyền nhiệt khác nhau trong máy, tức là chúng ta có thể tính toán các giá trị riêng lẻ cho các điện trở đối lưu, bức xạ, dẫn điện theo kết cấu động cơ. Hình 4. Mô hình nhiệt với 10 nút [3] 2.3. Mô hình mạch nhiệt ứng dụng phần mềm Motor - Cad Các mô hình nhiệt phân tích chi tiết có xu hướng sử dụng 20 nút trở lên, mô hình hóa phức tạp trong đường truyền nhiệt như khoảng cách giữa các thành phần, bản chất vật liệu của cuộn dây, hệ thống làm mát các bộ phận hoạt động và đầu nối cuộn dây,... Các chi tiết như vậy có thể là được mô hình hóa bằng cách sử dụng các kỹ thuật số như phân tích phần tử hữu hạn (FEA) và tính toán động lực học chất lỏng (CFD). Tuy nhiên, một mô hình phân tích chi tiết có lợi thế lớn về tốc độ tính toán. Khả năng tính toán gần như tức thời của kỹ thuật phân tích này giúp bạn có thể chạy các tình huống trong thời gian thực. Nó cũng tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân tích độ nhạy trên các ẩn số nhiệt chính để đánh giá tầm quan trọng của chúng đối với hiệu suất nhiệt, tức là khoảng trống bề mặt hiệu quả, độ tốt ngâm tẩm, v.v. Điểm mạnh chính của các kỹ thuật số là mô phỏng dòng chảy và phát triển các công thức đối lưu cho sử dụng trong phân tích mạch rải, thay vì thực hiện tối ưu hóa mạch nhiệt. Mạng nhiệt triển khai trong Motor-CAD cho máy điện có hệ thống làm mát được thể hiện trong hình 12, mạch bao gồm các điện trở nhiệt và nguồn nhiệt được kết nối giữa các nút thành phần của động cơ. Hình dạng được xác định bởi một tập hợp các thông số hình học như kiểu vỏ máy (hình trụ, hình vuông, làm mát hướng tâm hoặc làm mát dọc trục,...), Chiều rộng răng, chiều sâu rãnh,... Một số tham số được tạo ra từ các thông số lựa chọn (kiểu vỏ máy, kiểu,...) và một số là giá trị tính toán (số rãnh, số cực, độ sâu rãnh,...). Người dùng có thể chọn nhiều kiểu làm mát. Từ hình dạng, kiểu làm mát và vật liệu đã chọn, một mạng điện trở nhiệt (có tổn hao và nhiệt dung) được tự động xây dựng để có thể thực hiện cả tính toán nhiệt ở Kỷ yếu Hội nghị KHCN lần 7, tháng 5/2022 161
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH trạng thái ổn định và tạm thời. Nhiệt độ của các nút quan trọng trong hình dạng máy (chẳng hạn như vỏ, rãnh, lõi thép, điểm nóng nhất,...) được dự đoán bằng cách sử dụng phân tích. Tất cả các điện trở nhiệt và điện dung nhiệt trong mạng được tính toán tự động từ dạng hình học, kiểu làm mát và vật liệu được sử dụng bằng cách sử dụng lý thuyết truyền nhiệt phân tích tiêu chuẩn [6]. Motor-CAD có chứa một số thuật toán toán học được phát triển đặc biệt để cho phép tính toán nhiệt chính xác cho các bộ phận khó phân tích hơn, ví dụ: Cuộn dây, là một bộ phận phức hợp bao gồm các sợi dây được đặt ngẫu nhiên được bao quanh bởi lớp men cách điện, chất ngâm tẩm và không khí và lớp cách điện rãnh [6]. Và cần nhiều nỗ lực thực hiện thiết lập các tham số mặc định thực tế cho các đại lượng khó ước tính hơn, chẳng hạn như khe hở không khí giữa các lá thép stato với vỏ máy [6]. Đây là loại phương pháp tiếp cận mô hình tham số hóa trước dạng hình học chung của khe hở không khí của động cơ điện và máy phát tương tự. Có thể có một số khác biệt về hình học, chẳng hạn như hình dạng cánh làm mát vỏ máy (không cánh làm mát, cánh hướng tâm và cánh dọc trục có nhiều hình dạng khác nhau,...), hình dạng thanh dẫn rotor khác nhau (lồng đơn và lồng đôi với hình tròn và hình chữ nhật, thanh,...) và rãnh hình dạng (răng song song, rãnh song song, v.v.) nhưng nhìn chung tất cả các máy đều rất giống nhau. Các hình dạng hình học khác nhau được tính đến trong Motor-CAD bằng cách cho phép người dùng chọn các loại thành phần khác nhau (kiểu vỏ, kiểu dây quấn, loại rãnh,...). 2.4. Mô hình mạch nhiệt cho động cơ không đồng bộ công suất 0,75kW sử dụng phần mềm Motor - Cad Các thông số hình học của động cơ không đồng bộ được thiết lập theo phương ngang trục như hình 5 (sử dụng kết quả đã được tính trong tài liệu [7]). Hình 5. Các thông số hình học ngang trục của động cơ không đồng bộ Trong đó, chọn kiểu cánh làm mát là cánh mở, theo phương dọc trục, phân bố tròn. Số cánh là 36. Các kích thước cánh lần lượt được xác định như sau: - Số cánh trên ¼ góc = 16 (cả chu vi là 64 cánh) - Khoảng cách giữa hai cánh là: 5 mm; - Độ dày của cánh là: 1 mm; - Chiều cao của cánh là: 10 mm. Trong phương án làm mát, có bố trí thêm nắp động cơ bao lấy phần cánh làm mát để tăng cường cho quá trình làm mát cưỡng bức bằng quạt gắn trên trục động cơ. Sau khi thiết lập các thông số ngang trục, nhóm tác giả thiết lập các thông số hình học 162 Kỷ yếu Hội nghị KHCN lần 7, tháng 5/2022
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH theo phương dọc trục của động cơ như hình 6: Hình 6. Các thông số hình học dọc trục của động cơ không đồng bộ Mô hình động cơ không đồng bộ được nhóm tác giả dùng để nghiên cứu thuộc kiểu kín, làm mát bằng quạt gắn trên trục động cơ, còn gọi là kiểu TEFC (Total End Fan Cooling). Dạng cấu trúc 3D của mô hình cánh tản nhiệt của động cơ được thể hiện trên hình 7: Hình 7. Cấu trúc 3D của cánh tản nhiệt, đế, trục, ổ bi, vỏ động cơ, stator và rotor của động cơ không đồng bộ Các thông số tính toán của dây quấn động cơ được nhóm tác giả đưa ra trên mô hình nhiệt: Hình 8. Các thông số dây quấn stator của động cơ không đồng bộ Dây quấn cho mô hình động cơ là kiểu dây quấn 1 lớp với số vòng dây của một bối dây là 136 vòng. Do đó, tổng số thanh dẫn tác dụng trong một rãnh stato là 136. Hệ số điền kín của rãnh là 0,3715. Các tham số đầu vào của dây quấn có ảnh hưởng tới kết quả phân tích nhiệt như: bề dày lớp giấy cách điện, bề dày phần khe hở giữa cách điện và lõi thép stator, hệ số đánh giá chất lượng tẩm sấy. Kỷ yếu Hội nghị KHCN lần 7, tháng 5/2022 163
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Các dữ liệu đầu vào của động cơ bao gồm: thông số về kiểu làm mát; tổn hao công suất; đặc tính vật liệu; điều kiện làm việc thông qua một số thông số đặc trưng của đối lưu của vùng không khí cuối nắp động cơ. Các thông số trên được thiết lập qua bảng thiết lập được giới thiệu như hình 9, trong đó nhiệt độ môi trường xung quanh là 40 oC, tốc độ không đồng bộ của trục động cơ là 2850 vòng/phút và hệ số ép chặt của lõi thép stato và rotor đều là 0,97. Hình 9. Thiết lập kiểu làm mát cho động cơ không đồng bộ Hình 10. Thông số tổn thất trong động cơ 164 Kỷ yếu Hội nghị KHCN lần 7, tháng 5/2022
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Hình 11. Thông số về vật liệu chế tạo động cơ 3. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH MÔ HÌNH Sau khi đã thiết lập các thông số cơ bản của mô hình mạch nhiệt trên phần mềm Motor-CAD, chạy phân tích nhiệt ở chế độ xác lập. Kết quả phân tích bằng mô hình mô phỏng nhiệt được thể hiện dưới dạng sơ đồ mạch nhiệt như hình 12. Hình 12. Kết quả phân tích mô hình mạch nhiệt trên phần mềm Motor-CAD Khảo sát phân bố nhiệt trên động cơ không đồng bộ ở một số điểm cơ bản được thể hiện trên hình 13 và hình 14. Kỷ yếu Hội nghị KHCN lần 7, tháng 5/2022 165
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Hình 13. Kết quả phân bố nhiệt trên động cơ theo phương hướng kính Hình 14. Kết quả phân bố nhiệt trên động cơ theo phương hướng dọc trục Thông qua mô phỏng, nhóm tác giả có được nhiệt độ của từng bộ phận của động cơ khi làm việc ở chế độ tải định mức: - Nhiệt độ của vỏ động cơ là 95~99oC; - Nhiệt độ của lõi thép stator tăng dần từ ngoài vào trong là 101 ~ 113oC; - Nhiệt độ dân quấn stator là 117~119oC; - Nhiệt độ trên rotor là 140oC; - Nhiệt độ của trục dao động trong khoảng 113~138oC; - Nhiệt độ của vòng bi trong khoảng 99~112oC. Hình 15. Mối quan hệ giữa hệ số già hóa của cách điện động cơ theo nhiệt độ làm việc của các cấp cách điện A, B, F, H [2]. 166 Kỷ yếu Hội nghị KHCN lần 7, tháng 5/2022
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Theo tài liệu [2], cách điện sử dụng trong động cơ là cách điện cấp F với nhiệt độ dây quấn khi động cơ làm việc ở chế độ định mức là 117-119oC, tương ứng với độ tăng nhiệt độ là 77-79oC (nhiệt độ môi trường xung quanh là 40oC) luôn nằm trong giới hạn cho phép. 4. KẾT LUẬN Từ kết quả mô phỏng, ta có thể đánh giá chi tiết nhiệt độ của từng bộ phận ở trong động cơ, nhiệt độ trong lõi động cơ đạt đến 140oC thỏa mãn theo cấp cách điện F của vật liệu cách điện trong động cơ. Nhiệt độ này tương đối cao, nguyên nhân là do động cơ làm có công suất nhỏ, kích thước nhỏ nên quá trình làm mát sẽ kém hơn các động cơ có công suất lớn và kích thước lớn hơn, ngoài ra, động cơ không có bố trí lắp thêm quạt làm mát trên trục động cơ. Các mô hình nhiệt phân tích đơn giản hoặc chi tiết có thể được sử dụng thành công trong việc dự đoán sự gia tăng nhiệt độ trong các động cơ không đồng bộ. Mức độ chi tiết và chính xác của các mô hình này phụ thuộc mạnh mẽ vào số lượng nút và cách thiết lập điện trở nhiệt. Từ kết quả bài báo có thể áp dụng tính cho các loại động cơ khác nhau với công suất dưới 11 kW. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Afrah Thamer Abdullah, Amer Majbel Ali (2019), ―Thermal Analysis of a Three-Phase Induction Motor with Frame Design Considerations‖, 2nd International Conference on Sustainable Engineering Techniques (ICSET 2019). [2]. Amel Adouni, Antonio J. Marques Cardoso (2021), ―Thermal Analysis of Low-Power Three-Phase Induction Motors Operating under Voltage Unbalance and Inter-Turn ShortCircuit Faults‖, Machines 2021, 9, 2.https://dx.doi.org/10.3390/machines9010002 [3]. D. Staton, M. Popescu, C. Cossar, M. McGilp (2010), ―Analytical thermal models for small induction motors‖, COMPEL International Journal of Computations and Mathematics in Electrical. [4]. Https://vi.wikipedia.org/wiki/Động_cơ_điện_không_đồng_bộ [5]. https://www.motor-design.com/motor-cad/ [6]. Trần Khánh Hà, Nguyễn Hồng Thanh (2007), ―Thiết kế máy điện‖, nhà xuất bản KHKT. [7]. Trần Thanh Tuyền, Dương Thị Lan (2019), ―Ứng dụng phần mềm mô phỏng Ansys Maxwell trong giảng dạy thiết kế động cơ không đồng bộ roto lồng sóc 2 cực công suất 0,75kW và đánh giá kết quả thiết kế với các động cơ sản xuất tại Việt Nam", Tạp chí Đại học Quảng Bình, số 19/2019. Analytical thermalfor 0.75kW 2-pole squirrel cage asynchronous motor by Motor - CAD software Van Ha Ngo, Thi Lan Duong, Thị Hoa Do Quảng Ninh University of Industry Abstract: Applying calculations and simulations on computers is no new issue in the world, to perfect the fabrication of an electric motor, manufacturers now perform the simulation process of calculation results. on specialized software that greatly improves motor output efficiency and makes design decisions confidently. In the content of the article, the authors use the results of the pre-calculated electrical motor‘s dimensions [7] and apply the Motor - Cad software to analyticthermal model of the engine components under stable operating conditions, evaluation results with guaranteed conditions of insulation used in motors. Keywords: parameter thermal model, thermal model, thermal calculations, thermal shields model, asychronous motor small power. Kỷ yếu Hội nghị KHCN lần 7, tháng 5/2022 167