Nghiên cứu xây dựng mô hình tính toán phân bố nhiệt độ động cơ điện không đồng bộ và động cơ nam châm vĩnh cửu

14 Bùi Minh Định, Vũ Ngọc Minh NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ ĐỘNG CƠ NAM CHÂM VĨNH CỬU MODELING OF THERMAL CALCULATION OF INDUCTION MOTORS AND LINE START PERMANENT MAGNET MOTORS Bùi Minh Định, Vũ Ngọc Minh Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; dinh.buiminh@hust.edu.vn Tóm tắt - Bài báo trình bày kết quả mô hình nhiệt nội động cho động cơ cảm ứng và động cơ nam châm vĩnh cửu bắt đầu bằng phương pháp phân tích, mô phỏng và thí nghiệm của FEM. Các thông số đầu vào của động cơ cảm ứng trong mô hình này là các thông số hình học và điều kiện làm việc. Chương trình Motor-CAD đã được sử dụng để tính toán sự phân bố nhiệt độ. Một số kết quả thử nghiệm và kiểm tra đã áp dụng cho động cơ công suất 11 kW, tốc độ 1.500 vòng/phút. Phương pháp mô phỏng cũng được sử dụng cho động cơ không đồng bộ ba pha công suất nhỏ và động cơ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp đều cho kết quả chính xác và đáng tin cậy. Ngoài ra, việc xây dựng mô hình nhiệt cho động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu là rất khó khăn và thách thức do biên dạng răng rãnh động cơ phức tạp, các điều kiện biên khác nhau, và quan trọng nhất là dòng chảy gió đối lưu bên trong khe hở không khí của động cơ. Abstract - This paper introduces an inovative thermal model for both induction motors and permanent magnet motors by FEM analytical, simulation and experimental methods. The input parameters of induction motors in this model are geometry parameters and working conditions. A Motor-CAD program is used to calculate temperature distribution in stator and rotor cores. An experimental and test hardware has been applied to electric motors of 11 kW-1,500 rpm. The simulation method is also for three phase - small power induction and permanent magnet motors. The simulation and test results are in good agreement. From these methods, the paper has shown that theoretical results and comparison of simulation and experimental results are in good agreement. The test procedures have been carried out by IEC 6300-34-1 for induction motors and line start permannet magnetic motors. Từ khóa - mạch nhiệt thông số rải; mô hình nhiệt; tính toán nhiệt; mô hình trường nhiệt; động cơ không đồng bộ công suất nhỏ. Key words - parameter thermal model; thermal model; thermal calculations; thermal shields model; asychronous motor small power. 1. Giới thiệu Trong [3] – [6], các tác giả đã phân tích cách xác định nhiệt trở cho các mô hình mạch nhiệt thông số dải cho động cơ không đồng bộ và thấy rằng các giá trị nhiệt trở phụ thuộc vào các kích thước hình học và thông số vật liệu của chúng. Do vậy, để tính toán các nhiệt trở cho mô hình này có hai phương pháp: phương pháp sử dụng dữ liệu thực nghiệm và phương pháp dựa trên một hồ sơ thiết kế mới của động cơ. Trong bài báo này, nhóm tác giả đề xuất sử dụng phương pháp dựa trên một hồ sơ thiết kế mới của động cơ, tức là tính toán sơ bộ các thông số mạch nhiệt của động cơ không đồng bộ ba pha công suất nhỏ, sau đó dùng phần mềm Motor-CAD để kiểm nghiệm kết quả thu được. 2. Mô hình giải tích Motor-CAD là phần mềm được viết bởi Dave Staton và các cộng sự tại phòng thí nghiệm SPEED Laboratory Glasgow dựa trên phương pháp phân tích mạch nhiệt. Hình 2 mô tả một mạch nhiệt được thiết lập trong môi trường làm việc của Motor-CAD. Mô hình giải thay thế nhiệt trở và các nguồn nhiệt tương đương được thể hiện Hình 1. Do nhiệt độ không phân bố đều trên toàn bộ thân động cơ, nên nhiệt độ cực đại trên mỗi phần tử có thể được tính như sau: ( ) ( ) 2 1 2 1 2 1 2 1 5 0 25 12 2 av av T T T T T T T T T − = − + + − − max . . ( ) (1) Trên mạch nhiệt này, các nút nhiệt được tự động thiết lập ở những điểm quan trọng trên động cơ như: gông stato, răng, đầu dây quấn, vỏ máy, trục quay Các nút nhiệt này được liên kết với các nhiệt trở dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ. Tổn thất là thông số đầu vào đặt ở các nút phù hợp. Thành phần nhiệt dung được kể đến khi xét đến quá trình quá độ nhiệt trong các động cơ. Tất cả các nhiệt trở dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ được tự động tính toán bằng các công thức lý thuyết đã được chứng minh trong các công trình khoa học công bố có liên quan. Đối với các vấn đề truyền nhiệt xác lập, Motor- CAD có thể tính toán các tham số và đưa ra lời giải gần như tức thời; với các vấn đề quá độ truyền nhiệt thông thường mất khoảng vài giây để tính toán. Đây chính là ưu điểm nổi bật của việc sử dụng Motor-CAD so với các phương pháp tính toán khác dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) hoặc dựa trên các tính toán động lực học chất lưu (CFD). Hình 1. Sơ đồ mạch nhiệt thay thế tương đương ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(124).2018 15 Hình 2. Mô hình mạch nhiệt trên phần mềm Motor-CAD Motor-CAD còn có điểm mạnh nữa đó là khả năng phân tích độ nhạy với nhiều tham số. Phân tích độ nhạy rất hữu ích để được những hiểu biết sâu về quá trình truyền nhiệt trong các động cơ và mức độ ảnh hưởng của các tham số thiết kế, vật liệu để từ đó đưa ra các điều chỉnh nhằm làm mát tốt hơn. Năm 2001, trong [1] tác giả có đề cập đến xu hướng sử dụng phần mềm tính toán và phân tích nhiệt cho các động cơ điện để đem lại những ưu điểm vượt trội so với các phương pháp phân tích nhiệt truyền thống chỉ dựa trên các thực nghiệm từ động cơ có sẵn, các dữ liệu từ catalog hoặc các hệ số kinh nghiệm. Đồng thời, nhóm tác giả cũng đưa ra quy trình thiết kế một động cơ như Hình 3: Hình 3. Quy trình thiết kế một động cơ [1] Trong quy trình này, từ các mục tiêu thiết kế, người thiết kế sẽ đưa ra các phương án thiết kế có thể. Sau đó, thiết kế sơ bộ (giải tích) bằng các phần mềm chuyên dụng về điện từ, nhiệt và cơ khí như Motor-CAD. Quá trình tính toán ở giai đoạn này cần nhanh, đưa ra được nhiều phương án thiết kế. Phân tích, so sánh các thiết kế sơ bộ để tìm ra được thiết kế tối ưu với thời gian ngắn nhất. Ở giai đoạn tiếp theo, các phân tích số được sử dụng cho các vấn đề điện từ, nhiệt và cơ khí trên mẫu thiết kế tối ưu đã được lựa chọn từ giai đoạn trước để thu được lời giải có độ chính xác cao hơn. Tất nhiên, các phân tích số sẽ tốn kém nhiều hơn về thời gian và chi phí tính toán. Do đó, chỉ nên dùng phương pháp này khi số mẫu phân tích đã được giới hạn. Cuối cùng, cần tiến hành các thực nghiệm để hiệu chỉnh lại hai mô hình số và mô hình giải tích để thu được các kết quả mô phỏng tốt hơn. Từ đó, tạo cơ sở để thu được các phân tích có độ chính xác cao hơn với các mẫu thiết kế cải tiến mới. Trong [2], các tác giả đã khảo sát và phân tích hàng loạt các dự án, bài báo và công trình khoa học sử dụng phần mềm Motor-CAD để xây dựng mô hình mạch nhiệt cho các loại máy điện khác nhau, mà phổ biến nhất là các động cơ điện không đồng bộ. Có thể kể đến là các dự án của GS. Aldo Boglietti và Andrea Cavagnino ở Politecnico di Torino, Italy với nhiều bài báo được công bố [3] – [7]. Điều này cho thấy, Motor-CAD là một giải pháp tin cậy, được các chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực phân tích nhiệt trong các động cơ sử dụng để nghiên cứu và thiết kế làm mát cho các động cơ điện. Trong chuyên đề này, tác giả sử dụng phần mềm Motor- CAD để tính toán, kiểm nghiệm các kết quả mô phỏng của mô hình mạch nhiệt thông số rải đã được đề xuất. 3. Mô hình mạch nhiệt cho động cơ không đồng bộ công suất 11 kW sử dụng phần mềm Motor-Cad A. Các thông số hình học của động cơ không đồng bộ Các thông số hình học của động cơ không đồng bộ được thiết lập theo phương ngang trục như Hình 4: Hình 4. Các thông số hình học ngang trục của động cơ 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 = 9 (cả chu vi là 36 cánh) + Khoảng cách giữa hai cánh là: 15 mm; + Độ dày của cánh là: 2 mm; + Chiều cao của cánh là: 23 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 theo phương dọc trục của động cơ như Hình 5: Hình 5. Các thông số hình học dọc trục của động cơ không đồng bộ 16 Bùi Minh Định, Vũ Ngọc Minh 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 6. Hình 6. Cấu trúc 3D của cánh tản nhiệt và phần nắp động cơ không đồng bộ B. Các thông số dây quấn động cơ không đồng bộ Các thông số tính toán của dây quấn được nhóm tác giả đưa ra trên mô hình nhiệt: x Hình 7. Các thông số dây quấn động cơ không đồng bộ Dây quấn cho mô hình động cơ là kiểu dây quấn 2 lớp với số vòng dây của một bối dây là 40 vòng. Do đó, tổng số thanh dẫn tác dụng trong một rãnh stato là 80. Hệ số điền kín của rãnh là 0,4602. 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 stato, hệ số đánh giá chất lượng tẩm sấy. C. Thiết lập dữ liệu đầu vào 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 8. Hình 8. Các thiết lập về kiểu làm mát và thông số chất lưu (không khí) Hình 9. Thông số về các tổn thất trong động cơ Hình 10. Thông số vật liệu chế tạo động cơ và vật liệu làm mát 4. Kết quả phân tích mô hình Độ tăng nhiệt độ của dây quấn bằng:  (1 / ) 1 ( / ) ( / ) Cu i Fe Fe Fe Cu c Cu Fe Cu Q R R Q R R R R R  + + = + + Độ tăng nhiệt độ của lá sắt stato: 1 / Fe c Cu Fe c Fe Q R R R   + = + Hình 11. Kết quả phân tích mô hình mạch nhiệt trên phần mềm Motor-CAD 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 11. Khảo sát phân bố nhiệt trên động cơ không đồng bộ ở một số điểm cơ bản được thể hiện trên Hình 12 và Hình 13. So sánh kết quả phân bố nhiệt tính toán bằng phần mềm Motor-CAD với kết quả xác định phân bố nhiệt bằng mô hình mạch nhiệt đã đề xuất. Motor-CAD cũng hỗ trợ công cụ để xác định sai số mô phỏng như Hình 14 và 15: ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(124).2018 17 Hình 12. Kết quả phân bố nhiệt trên động cơ theo phương hướng kính Hình 13. Kết quả phân bố nhiệt trên động cơ theo phương hướng trục Hình 14. Kết quả kiểm tra sai số giữa mô hình mạch nhiệt trên Motor-CAD và mô hình mạch nhiệt đề xuất Dạng đồ thị cột như sau: Hình 15. Kết quả so sánh về sai số nhiệt độ giữa mô hình mạch nhiệt trên Motor-CAD và mô hình mạch nhiệt đề xuất 5. Phân tích kết quả đo Để đánh giá kết quả tính toán và mô phỏng, hệ thống đo độ tăng nhiệt của động cơ được thực hiện theo tiêu chuẩn bài đo IEC 630034-2-1 như Hình 16. Hình 16. Hệ thống phần cứng hệ đo kiểm Độ tăng nhiệt độ trong dây quấn stator được đo theo các mức công suất khác nhau ở các tỷ lệ tải 25%, 50%,75% và 100% tải. Nhiệt độ động cơ tới hạn của động cơ có thể đạt được sau 2 đến 3 tiếng chạy liên tục ở chế độ tải định mức. Các số liệu đo được tự động lưu về theo form bảng thông số kỹ thuật như Hình 17. Hình 17. Bảng kết quả đo kiểm Nhiệt độ tới hạn lớn nhất của động cơ đo được là 96,7°C. So với kết quả mô phỏng trên Hình 13 thì sai số giữa mô phỏng và đo thực tế là 5°C. Sai số này là chấp nhận được. 6. Kết luận Từ các kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm rút ra một số kết luận như: phân bố nhiệt giữa mô hình mô phỏng và kết quả thực nghiệm là tương đối đồng nhất, sai lệch nhiệt độ lớn nhất là 5°C tại tâm dây quấn stato. Sai số này có thể do một số nguyên nhân như: chưa kể đến quá trình truyền nhiệt theo phương dọc trục của dây quấn stato đã bị bỏ qua. Hệ số truyền nhiệt giữa dây quấn stato và lõi thép phụ thuộc vào nhiều tham số công nghệ và vật liệu. Thuật toán tính toán hệ số này trong Motor-CAD rất phức tạp và được ghi nhận là khác biệt so với các công thức quy đổi gần đúng đã công bố và sử dụng để tính toán trong mô hình mạch nhiệt đề xuất. Quá trình trao đổi nhiệt đối lưu ở vùng không khí đầu cuối nắp máy rất phức tạp, nếu chỉ lựa chọn dựa trên các hệ số kinh nghiệm thì khó đạt được độ chính xác cao. Từ kết quả bài báo có thể áp dụng tính cho các loại động cơ khác nhau với công suất từ 2,2 kW đến 11 kW. Lời cảm ơn Nghiên cứu được tài trợ bởi Chương trình khoa học và công nghệ trọng điểm cấp quốc gia - Bộ Khoa học và Công nghệ thông qua đề tài Mã số KC.05/16-20. 18 Bùi Minh Định, Vũ Ngọc Minh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Staton, D. A., Pickering, S. J, Lampard, D, Recent Advancement in the Thermal Design of Electric Motors, SMMA 2001 Fall Technical Conference "Emerging Technologies for the Electric Motion Industry", 3-5 Oct 2001, Raleigh-Durham, North Carolina, USA. [2] Dave Staton, Douglas Hawkins and Mircea Popescu, Thermal Behaviour of Electrical Motors – An Analytical Approach, Motor Design Ltd., Ellesmere, SY12 0EG, U.K. [3] Boglietti, A., Cavagnino, A., Staton, D. A., Thermal Analysis of TEFC Induction Motors, Industry Applications Conference, 38th IAS Annual Meeting, Volume 2, 12-16 Oct. 2003, pp. 849-856. [4] Boglietti, A., Cavagnino, A., Staton, D. A., Thermal Sensitivity Analysis of TEFC Induction Motors, IEE PEMD, Edinburgh, April 2004. [5] Boglietti, A., Cavagnino, A., Staton, D. A., “TEFC Induction Motors Thermal Models: A Parameter Sensitivity Analysis”, IEEE Transactions on Industry Applications, Volume 41, Issue 3, May- June 2005, pp. 756-763. [6] Boglietti, A., Cavagnino, A., Staton, D.A., Popescu, M., Cossar, C., McGilp, M.I., 'End space heat transfer coefficient determination for different Induction Motor enclosure types', Industry Applications Conference, 2008. Edmonton, October 2008. [7] Boglietti, A., Cavagnino, A., Pastorelli, M., Staton, D. A., Vagati, A., Thermal Analysis of Induction and Synchronous Reluctance Machines, IEMDC 2005, San Antonio, USA, May 2005. (BBT nhận bài: 22/12/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 21/03/2018)