Nội dung

1 Đồ án tốt nghiệp: Sử dụng GUIDE thiết kế động cơ không đồng bộ Đề Tài ỨNG DỤNG PHẦN MỀM GUIDE TRONG MATLAB ĐỂ THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTO LỒNG SÓC Sinh Viên: Nguyễn Văn Ngọc Vanngocpro@gmail.com 2 Đồ án tốt nghiệp: Sử dụng GUIDE thiết kế động cơ không đồng bộ CHƢƠNG 1: ......................................................................................................... 8 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ .................... 8 1.1. Đặc điểm kết cấu máy điện không đồng bộ ................................................ 8 1.1.1. Nguyên lý làm việc và kết cấu máy điện không đồng bộ ............................ 8 1.1.2. Kết cấu máy điện không đồng bộ............................................................... 12 1.2. Vật liệu sử dụng chế tạo máy điện không đồng bộ .................................. 16 1.2.1. Cấu tạo của động cơ không đồng bộ .......................................................... 16 1.2.2. Stator (phần tĩnh)....................................................................................... 17 1.2.3. Rôto (phần quay) ........................................................................................ 19 1.3. Bài toán tự động thiết kế động cơ không đồng bộ ................................... 20 1.3.2. Nội dung chính bài toán thiết kế động cơ không đồng bộ ......................... 21 1.4. Cơ sở dữ liệu bảo đảm công việc tự động thiết kế máy điện không đồng bộ .......................................................................................................................... 23 1.4.1. Tổng quan................................................................................................... 23 1.4.2. Cơ sỡ dữ liệu tính toán thiết kế động cơ không đồng bộ ........................... 23 CHƢƠNG 2: ....................................................................................................... 34 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MATLAB ............................................................ 34 2.1. Công năng của matlab và khả năng xây dựng chƣơng trình tự động thiết kế máy điện trong môi trƣờng matlab .................................................... 34 2.1.1. Công năng của matlab ................................................................................ 34 2.1.2. Khả năng xây dựng chương trình tự động thiết kế máy điện trong môi trường matlab ....................................................................................................... 36 2.2 Các phép toán trong Matlab ứng dụng để thiết kế tự động máy điện .... 37 2.2.1. Các toán tử số học (Arithmetic Operators) ................................................ 37 2.2.2. Toán tử quan hệ (Relational Operators):.................................................... 38 2.2.3. Toán tử logig (Logical Operators): ............................................................ 39 2.2.4. Ký tự đặc biệt (Special Characters): .......................................................... 39 2.2.5. Dấu „:‟ ........................................................................................................ 40 Vanngocpro@gmail.com 3 Đồ án tốt nghiệp: Sử dụng GUIDE thiết kế động cơ không đồng bộ 2.2.6. Lệnh INPUT ............................................................................................... 40 2.2.7. Lệnh IF …ELSEIF …ELSE ...................................................................... 42 2.2.8. Một số hàm lượng giác: ............................................................................. 42 2.2.9. Lệnh LOG .................................................................................................. 43 2.2.10. Lệnh LOG2 .............................................................................................. 43 2.2.11. Lệnh LOG10 ............................................................................................ 43 2.2.12. Lệnh ROUND .......................................................................................... 43 2.2.13. Lệnh SQRT .............................................................................................. 44 2.2.14. Lệnh FPLOT ............................................................................................ 44 2.2.15. Lệnh NUM2STR ...................................................................................... 44 2.2.16. Lệnh STR2NUM ...................................................................................... 45 2.3. Xây dựng lƣu đồ thuật toán thiết kế động cơ không đồng bộ trong môi trƣờng matlab ..................................................................................................... 45 2.3.1. Lưu đồ thuật toán thiết kế động cơ không đồng bộ .................................. 45 2.3.2. Giải thích lưu đồ thuật toán ........................................................................ 47 CHƢƠNG 3 : ...................................................................................................... 49 ỨNG DỤNG MATLAB XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ....................................................................... 49 3.1. Xây dựng cơ sở dữ liệu đảm bảo việc tự động thiết kế máy điện không đồng bộ trong matlab ......................................................................................... 49 3.1.1. Cơ sở dữ liệu phần tính toán kích thước chú yếu ...................................... 49 3.1.3. Cơ sở dữ liệu phần tính toán thông số Stator ............................................. 50 3.1.3. Cơ sở dữ liệu phần tính toán thông số Rotor ............................................. 51 3.1.4. Cơ sở dữ liệu phần tính toán thông số mạch từ ......................................... 52 3.1.5. Cơ sở dữ liệu phần tính toán tham số động cơ chế độ định mức ............... 53 3.1.6. Cơ sở dữ liệu phần tính toán tham số động cơ chế độ định mức ............... 54 3.1.7. Cơ sở dữ liệu phần tính toán đặc tính làm việc.......................................... 54 3.1.8. Cơ sở dữ liệu phần tính toán đặc tính khởi động ....................................... 56 Vanngocpro@gmail.com 4 Đồ án tốt nghiệp: Sử dụng GUIDE thiết kế động cơ không đồng bộ 3.1.9. Cơ sở dữ liệu phần tính toán nhiệt ............................................................. 56 3.1.10. Cơ sở dữ liệu phần tính toán vật liệu tác dụng và chỉ tiêu sử dụng ......... 57 3.2. Chƣơng trình chính và các chƣơng trình con xác định các tham số kết cấu ........................................................................................................................ 59 3.2.1. Giao diện nhập các thông số đầu vào và di chuyển đến các giao diện tính toán chi tiết ........................................................................................................... 59 3.2.2. Chương trình tính toán kích thước chú yếu ................. 错误!未定义书签。 3.2.3. Chương trình tính toán Stator ...................................... 错误!未定义书签。 3.2.4. Chương trình tính toán Rotor ....................................... 错误!未定义书签。 3.2.5. Chương trình tính toán các thông số mạch từ .............. 错误!未定义书签。 3.3. Chương trình chính và các chương trình con xác định các tham số sơ đồ thay thế ........................................................................................... 错误!未定义书签。 3.3.1. Tham số động cơ ở chế độ định mức ........................... 错误!未定义书签。 3.3.2. Chương trình tính toán tổn hao .................................... 错误!未定义书签。 3.4. Chƣơng trình xác định các đặc tính chất lƣợng......... 错误!未定义书签。 3.4.1. Chương trình tính toán đặc tính làm việc của động cơ 错误!未定义书签。 3.4.2. Chương trình tính toán đặc tính khởi động .................. 错误!未定义书签。 3.4.3. Chương trình tính toán nhiệt ........................................ 错误!未定义书签。 3.4.4. Chương trình tính toán vật liệu tác dụng ..................... 错误!未定义书签。 3.5. Kết quả thử nghiệm cho một số loại công suất......................................... 60 3.5.1. Xác định khích thước chủ yếu ................................................................... 60 3.5.2. Dây quấn, rãnh stato và khe hở không khí ................................................. 62 3.5.3. Dây quấn, rãnh và gông rôto ...................................................................... 68 3.5.4. Tính toán mạch từ ...................................................................................... 72 3.5.6. Tổn hao thép và tổn hao cơ ........................................................................ 79 3.4.7. Đặc tính làm việc ....................................................................................... 81 3.5.8. Tính toán đặc tính khởi động ..................................................................... 85 Vanngocpro@gmail.com 5 Đồ án tốt nghiệp: Sử dụng GUIDE thiết kế động cơ không đồng bộ 3.5.9. Tính toán nhiệt ........................................................................................... 90 LỜI NÓI ĐẦU 1. Cơ sở khoa học Động cơ điện được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực của đời sống xã hội, đặc biệt là trong các ngành công nghiệp sản xuất hiện đại. Vì vậy, khi thiết kế động cơ điện phải đảm bảo chất lượng, độ tin cậy cao và giá thành phải phù hợp. Đi đôi với sử dụng, bảo trì và sửa chữa động cơ điện cũng là một vấn đề cần thiết. Tuy nhiên việc thiết kế động cơ điện nói chung và động cơ không đồng bộ nói riêng còn qua nhiều bước tính toán bằng tay do đó mất nhiều thời gian hơn. Cho nên chúng ta cần có một phương pháp tính toán nhanh, chính xác hơn. Việc ứng dụng phần mềm Matlap trên giao diện thiết kế GUIDE/Matlab cho phép chúng ta xây dựng chương trình thiết kế tự động máy điện không đồng bộ cho kết quả tính toán đầu ra chính xác thông qua nhập thông số đầu vào. 2. Tính thực tiễn của đề tài Việc thiết kế động cơ điện phải qua nhiều bước tính toán, cụ thể như để thiết kế được một động cơ không đồng bộ thì ta phải tính toán dây quấn, rãnh stator, khe hở không khí, gông rôto, tính toán mạch từ và các tham số định mức…như thế đối với động cơ mà ta đi tính toán lại thì sẽ mất nhiều thời gian và độ chính xác không cao do quá trình tính toán ta thường làm tròn số. Vì vậy đề tài xây dựng chương trình tự động thiết kế máy điện không đồng bộ bằng phần mềm Matlab là cần thiết. Trên giao diện GUIDE/Matlab, ta chỉ cần nhập các thông số đầu vào và nhấn nút tính toán, phần mềm sẽ tự động tính toán và cho ta kết quả nhanh và chính xác ở đầu ra. Giúp chúng ta tiết kiệm thời gian mà làm việc lại hiệu quả. Vanngocpro@gmail.com 6 Đồ án tốt nghiệp: Sử dụng GUIDE thiết kế động cơ không đồng bộ 3. Mục tiêu của đề tài Sau khi đề tài hoàn thành, nó sẽ được ứng dụng trong các nhà máy chế tạo, các xưởng sửa chữa động cơ. Với tính ưu việt của nó, nhà sản xuất sẽ tiết kiệm thời gian và chi phí cho việc thiết kế động cơ mà đảm bảo sự chính xác. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài Tìm hiểu về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ ba pha. Thiết kế động cơ với phương pháp thông thường, xác định thông số đầu vào, đầu ra cho động cơ và áp dụng vào cho chương trình của Matlab. Tạo giao diện sử dụng trên GUIDE/Matlab với giao diện là thiết kế động cơ không đồng bộ, viết chương trình cho GUIDE/Matlab thực hiện việc thiết kế. 5. Nội dung nghiên cứu - Thu thập tài liệu có liên quan - Nghiên cứu thiết kế động cơ không đồng bộ bằng phần mềm Matlab trên giao diện GUIDE trong phạm vi là tính toán thiết kế động cơ không đồng bộ bằng phần mềm Matlab. Vanngocpro@gmail.com Đồ án tốt nghiệp: Sử dụng GUIDE thiết kế động cơ không đồng bộ 7 BỐ CỤC NỘI DUNG LUẬN VĂN MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.1. Đặc điểm kết cấu máy điện không đồng bộ 1.2. Vật liệu sử dụng chế tạo máy điện không đồng bộ 1.3. Bài toán tự động thiết kế động cơ KĐB 1.4. Cơ sở dữ liệu bảo đảm công việc tự động thiết kế máy điện KĐB CHƢƠNG 2:GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MATLAB 2.1. Công năng của Matlab và khả năng xây dựng chương trình tự động thiết kế máy điện trong môi trường Matlab 2.2. Các phép toán trong Matlab ứng dụng trong thiết kế tự động máy điện 2.3. Xây dựng lưu đồ thuật toán thiết kế máy điện không đồng bộ trong môi trường Matlab CHƢƠNG 3 : ỨNG DỤNG MATLAB XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3.1 Xây dựng cơ sở dữ liệu bảo đảm công việc tự động thiết kế máy điện KĐB trong Matlab 3.2. Chương trình chính và các chương trình con xác định các tham số kết cấu 3.3. Chương trình chính và các chương trình con xác định các tham số sơ đồ thay thế 3.4. Chương trình xác định các đặc tính chất lượng 3.5. Kết quả thử nghiệm cho một số loại công suất KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ Vanngocpro@gmail.com 8 Đồ án tốt nghiệp: Sử dụng GUIDE thiết kế động cơ không đồng bộ CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.1. Đặc điểm kết cấu máy điện không đồng bộ 1.1.1. Nguyên lý làm việc và kết cấu máy điện không đồng bộ 1.1.1.1. Tổng quan về máy điện không đồng bộ Máy điện không đồng bộ do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, bảo quản thuận tiện, giá thành rẻ nên được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực. Nhất là loại có công suất dưới l00kW. Động cơ điện không đồng bộ có 2 loại: Một loại rôto lồng sóc và một loại rôto dây quấn. Động cơ điện không đồng bộ rôto lồng sóc có cấu tạo đơn giản nhất, nhất là loại rôto lồng sóc đúc nhôm nên chiếm số lượng khá lớn trong loại có công suất nhỏ và vừa. Nhược điểm của động cơ này là khó điều chỉnh tốc độ và dòng điện khởi động bằng 6 - 7 lần dòng điện định mức. Để bổ khuyết cho nhược điểm này, người ta chế tạo loại động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc nhiều tốc độ và dùng rôto rãnh sâu, lồng sóc kép để hạ dòng điện khởi động, đồng thời tăng mômen khởi động lên. Động cơ điện không đồng bộ rôto dây quấn có thể điều chỉnh tốc độ trong một chừng mực nhất định, có thể tạo mômen khởi động lớn mà dòng điện khởi động không cao lắm. Nhưng chế tạo khó khăn hơn loại rôto lồng sóc do đó có giá thành cao hơn, khó khăn trong việc bảo quản. Hiện nay nước ta sản suất động cơ không đồng bộ theo dãy tiêu chuẩn. Dãy động cơ không đồng bộ công suất từ 0.55 - 90kW ký hiệu là K theo tiêu chuẩn Việt Nam 1987 - 1994. Ngoài tiêu chuẩn trên còn có tiêu chuẩn TCVN 315 - 85, quy định dãy công suất động cơ điện không đồng bộ rôto lồng sóc từ l00kW - 1000kW, gồm các cấp công suất sau: 110, 160, 200, 250, 320, 400, 500, 630, 800, và 1000kW. Vanngocpro@gmail.com Đồ án tốt nghiệp: Sử dụng GUIDE thiết kế động cơ không đồng bộ 9 Ký hiệu của động cơ điện không đồng bộ rôto lồng sóc được ghi theo ký hiệu về tên gọi của dãy động cơ điện, ký hiệu về chiều cao tâm trục quay, ký hiệu về kích thước lắp đặt dọc trục và ký hiệu về số trục. 1.1.1.2. Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ 3 pha có 2 phần chính: Stator (phần tĩnh), Rôto (phần quay). Stator gồm có lõi thép trên đó có chứa các dây quấn . Khi đấu dây quấn 3 pha vào lưới điện 3 pha, trong đây quấn sẽ có dòng điện chạy, hệ thống dòng điện này tạo ra từ tường quay, quay với tốc độ: n1 = 60* f1 p (1.1) Trong đó: f1 : Là tần số nguồn điện. p: Là số đôi cực từ dây quấn. Phần quay nằm trên trục quay bao gồm lõi thép rôto và dây quấn rôto. Dây quấn rôto gồm một số thanh dẫn đặt trong các rãnh của mạch từ, hai đầu được nối bởi 2 vành ngắn mạch. Từ trường quay của stator cảm ứng trong dây rôto sức điện động E, vì dây quấn rôto kín mạch nên sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng điện chạy trong các thanh dẫn rôto. Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay của máy với thanh dẫn mang dòng điện rôto, kéo rôto quay với tốc độ n < n1 và cùng chiều với n1 Vanngocpro@gmail.com Đồ án tốt nghiệp: Sử dụng GUIDE thiết kế động cơ không đồng bộ 10 Hình 1.1. Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay của máy với thanh dẫn mang dòng điện rôto. Tập hợp các lực tác dụng lên thanh dẫn theo phương tiếp tuyến với bề mặt rôto tạo ra mômen quay rôto. Như vậy, ta thấy điện năng lấy từ lưới điện đã được biến thành cơ năng trên trục động cơ. Chiều quay của rôto là chiều quay của từ trường, vì vậy phụ thuộc vào thứ tự pha của điện áp lưới đặt trên dây quấn stator. Tốc độ rôto n là tốc độ làm việc và luôn luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường và chỉ trong trường hợp đó mới xảy ra cảm ứng sức điện động trong dây quấn rôto. Hiệu số tốc độ quay của từ trường và rôto được đặc trưng bằng một đại lượng gọi là hệ số trượt. s= n1  n n1 (1.2) Khi s = 0 nghĩa là n1 = n tốc độ rôto bằng tốc độ từ trường, chế độ này gọi là chế độ không tải lý tưởng. Ở chế độ không tải thực s ~ 0 bởi sức cản của gió, ổ bi... Khi hệ số trượt s = 1, lúc đó rôto đứng yên (n = 0), mômen bằng mômen mở máy. Hệ số trượt ứng với tải định mức gọi là hệ số trượt định mức. Tương ứng với hệ số trượt này là tốc độ định mức của động cơ. Tốc độ động cơ không đồng bộ bằng: n = n1 *(1- s) Vanngocpro@gmail.com (1.3)