Nghiên cứu thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc - Luận án TS

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Đức Bắc NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ SERVO KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA ROTOR LỒNG SÓC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Hà Nội – 2021 luan an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Đức Bắc NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ SERVO KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA ROTOR LỒNG SÓC Ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 9520201 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. NGUYỄN THẾ CÔNG 2. TS TRẦN TUẤN VŨ Hà Nội – 2021 luan an LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các ấn phẩm được công bố chung với các cán bộ hướng dẫn khoa học và các đồng nghiệp đã được sự đồng ý của các tác giả trước khi đưa vào luận án.

Các kết quả trình bày trong luận án này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Người cam đoan Nguyễn Đức Bắc TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Nguyễn Thế Công TS. Trần Tuấn Vũ i luan an LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu đề tài, được sự giúp đỡ tận tình của các thầy giáo hướng dẫn, của các thầy cô trong Bộ môn Thiết bị điện- điện tử - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, sự giúp đỡ tận tình của bạn bè, đồng nghiệp, luận án đến nay đã hoàn thành.

Để có luận án này, tác giả vô cùng biết ơn và bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc nhất đến hai thầy giáo hướng dẫn khoa học trực tiếp là TS. Nguyễn Thế Công và TS. Trần Tuấn Vũ luôn dành nhiều công sức, tâm huyết, thời gian và tận tình hướng dẫn nghiên cứu sinh trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tác giả chân thành cảm ơn Bộ môn Thiết bị điện- điện tử, Viện Điện và Phòng Đào tạo/ bộ phận Đào tạo sau đại học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện để nghiên cứu sinh có điều kiện thuận lợi nhất về thời gian và cơ sở vật chất trong quá trình thực hiện luận án.

Tác giả cũng bày tỏ lời cảm ơn tới toàn thể thầy, cô giáo Bộ môn Điện kỹ thuật – Trường Đại học Xây dựng, nơi tác giả đang công tác đã tạo mọi điều kiện hỗ trợ để tác giả thuận lợi về thời gian học tập và nghiên cứu luận án. Tác giả cũng gửi lời cảm ơn tới PGS.TS Lưu Đức Thạch – Trưởng Khoa Cơ khí Xây dựng, đã tạo điều kiện thuận lợi về thời gian trong quá trình học tập và nghiên cứu luận án. Cuối cùng, tác giả dành lời cảm ơn tới bố mẹ, vợ, các con và gia đình đã luôn động viên về tinh thần trong những lúc khó khăn nhất để tác giả yên tâm nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tác giả luận án Nguyễn Đức Bắc ii luan an MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.

ii MỤC LỤC. iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU. v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT. vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.

viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ. ix MỞ ĐẦU .1 Tổng quan về động cơ servo. 4 Phân loại động cơ servo. 4 Ứng dụng của động cơ servo.

4 Các chế độ làm việc của động cơ. 5 Sự khác biệt giữa động cơ servo và động cơ thường .2 Các nghiên cứu về thiết kế tối ưu động cơ servo .3 Kết luận chương 1. THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ SERVO KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA .1 Thiết kế tối ưu đa mục tiêu động cơ servo. 15 Tối ưu đa mục tiêu.

16 Ứng dụng tối ưu đa mục tiêu động cơ servo. Thông số kỹ thuật yêu cầu thiết kế. Xây dựng bài toán thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ 3 pha. Đặc tính động cơ tối ưu .2 Mô phỏng phần tử hữu hạn.

34 Lý thuyết nghiêng rãnh rotor. 34 Mô phỏng so sánh rãnh nghiêng rotor và rãnh thẳng .3 Kết luận chương 2. MÔ PHỎNG NHIỆT ĐỘNG CƠ SERVO .1 Phân tích nhiệt trong động cơ. 41 iii luan an Đặt vấn đề.

41 Nguyên lí cơ bản về truyền nhiệt và dẫn nhiệt trong động cơ. Phát nóng và làm nguội trong vật thể đồng nhất. Độ chênh nhiệt độ theo chiều dày lớp cách điện. Tản nhiệt trên bề mặt .2 Mô hình phát nhiệt của động cơ.

46 Mô hình nhiệt của động cơ .3 Tính toán độ tăng nhiệt ở chế độ nhiệt ổn định .4 Mô phỏng nhiệt động cơ. 49 Kết quả mô phỏng nhiệt tại điểm làm việc liên tục. 50 Kết quả mô phỏng nhiệt tại điểm làm việc ngắn hạn .5 Kết luận chương 3. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .2 Xây dựng mô hình 3D động cơ mẫu thử .3 Chế tạo động cơ mẫu thử .4 Thử nghiệm động cơ.5 Kết quả thử nghiệm và so sánh với mô phỏng.

63 Kết quả đo mômen, dòng điện tại một số điểm hoạt động. 63 Kết quả đo nhiệt động cơ.6 Kết luận chương 4. 77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 78 ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN.

79 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI. 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 81 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ. 111 iv luan an DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Mô tả W Khối lượng điện từ của động cơ D Đường kính trong stator L Chiều dài mạch từ s Tần số trượt V Điện áp dây n Tốc độ động cơ f Tần số dòng stator Tm Mômen động cơ Is Dòng điện stator Sóng hài sức điện động Bm Mật độ từ thông v Vận tốc tiếp tuyến rotor τ Bước cực ξ Khoảng cách giữa điểm đầu và điểm cuối của thanh rotor pCu Tổn hao đồng trên dây quấn stator pAl Tổn hao đồng trên thanh dẫn rotor p Tổn hao sắt trong stator và rotor do từ trễ và dòng điện xoáy của từ trường chính sinh ra trong lõi sắt p.

Tổn hao cơ do ma sát, quạt gió pstray Tổn hao phụ v luan an C Nhiệt dung riêng của vật thể α Hệ số tản nhiệt của bề mặt vật thể nóng θ Độ chênh nhiệt độ giữa bề mặt vật thể nóng với môi trường xung quanh θ0 Độ tăng nhiệt ban đầu θ∞ Nhiệt bão hòa T Hằng số phát nóng Q Nhiệt lượng Sc Tiết diện của đường truyền dòng nhiệt λc Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách điện δc Chiều dày lớp cách điện R Nhiệt trở o Hệ số tản nhiệt bề mặt trong môi trường tĩnh v Tốc độ dòng không khí k Hệ số tính đến sự chuyển dịch dòng không khí R Nhiệt trở của bề mặt tản nhiệt Rcd Nhiệt trở cách điện RFe Nhiệt trở bề mặt lõi sắt RCu Nhiệt trở bề mặt phần đầu nối θ Độ tăng nhiệt độ của dây quấn θ Độ tăng nhiệt độ của lõi sắt stator vi luan an DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TT Chữ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt Sequential Quadratic 1 SQP Quy hoạch đa thức bậc 2 Programming 2 GA Genetic Algorithms Thuật toán di truyền 3 PSO Particle Swarm Optimization Phương pháp tối ưu bầy đàn 4 FEA Finite Element Analysis Phân tích phần tử hữu hạn 5 AC Alternating Curent Dòng điện xoay chiều 6 DC Direct Curent Dòng điện một chiều 7 EMF Electromotive force Sức điện động International Electrotechnical 8 IEC Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế Commission vii luan an DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1. Các đặc tính làm việc của động cơ. Kết quả áp dụng thuật toán SQP. Kết quả hàm mục tiêu f1(x) và f2(x).

Kết quả một số thông số chính của thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ. Lựa chọn phương thức làm mát và mật độ dòng điện [62]. Giá trị mômen và độ nhấp nhô theo góc nghiêng rotor. Nhiệt độ giới hạn tương ứng các cấp cách điện.

Hệ số tản nhiệt bề mặt ở môi trường tĩnh. Nhiệt độ bão hòa một số bộ phận động cơ với trường hợp nắp hở. Thông số kích thước của động cơ. Kết quả một số thông số chính của động cơ servo mẫu thử.

Kết quả đo mômen và dòng điện dây quấn stator khi điều chỉnh tần số tại n = 500 rpm, U = 340V. Kết quả đo mômen và dòng điện dây quấn stator khi điều chỉnh tần số tại n = 500 rpm, U = 360V. Kết quả đo mômen và dòng điện dây quấn stator khi điều chỉnh tần số tại n = 700 rpm, U = 350V. Kết quả đo mômen và dòng điện dây quấn stator khi điều chỉnh tần số tại n = 700 rpm, U = 380V.

Bảng so sánh kết quả đầu vào giữa thiết kế tối ưu và thử nghiệm. Kết quả so sánh giữa mô phỏng nhiệt và thực nghiệm tại tốc độ n = 500 rpm, chế độ làm việc ngắn hạn. Kết quả so sánh giữa mô phỏng nhiệt và thực nghiệm tại tốc độ n = 700 rpm, chế độ làm việc liên tục. Kết quả so sánh giữa mô phỏng nhiệt và thực nghiệm tại tốc độ n = 1000 rpm.

76 viii luan an DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. Phân loại động cơ servo. Một số ứng dụng động cơ servo. Đặc tính mômen – tốc độ của động cơ servo.

Biểu đồ phân bổ tượng trưng tối ưu đa mục tiêu Pareto. Đồ thị tượng trưng sử dụng thuật toán ɛ -constraint [48]. Kết quả hội tụ sử dụng thuật toán SQP các biến x1, x2. Kết quả hội tụ sử dụng thuật toán SQP của hàm f1(x) và ràng buộc g1(x)23 Hình 2.

Kết quả tính toán tối ưu mô phỏng Matlab. Kết quả phân bổ Pareto hai hàm mục tiêu f1(x) và f2(x). Lưu đồ thiết kế tối ưu đa mục tiêu động cơ servo không đồng bộ 3 pha. Lưu đồ thuật toán tối ưu hai mục tiêu SQP kết hợp ɛ-constraint.

Trình tự các bước thiết kế. Đặc tính phân bố tối ưu Pareto theo hai hàm mục tiêu. Đặc tính mômen theo tốc độ của động cơ tối ưu. Đặc tính công suất theo tốc độ.

Đặc tính điện áp dây theo tốc độ. Đặc tính dòng điện stator theo tốc độ. Sức điện động cảm ứng trong thanh dẫn rotor [67]. Kết quả mô phỏng FEA mômen và độ nhấp nhô theo góc nghiêng.

Kết quả mô phỏng mômen cực đại tại 500 rpm rotor rãnh nghiêng. Kết quả mô phỏng mômen cực đại tại 500 rpm rotor rãnh thẳng. Kết quả mô phỏng mômen cực đại tại 3500 rpm, rotor rãnh nghiêng. Kết quả mô phỏng mômen cực đại tại 3500 rpm, rotor rãnh thẳng.

So sánh mô phỏng FEA và thiết kế tối ưu .