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




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

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




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

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.


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




8

Đồ án tốt nghiệp: Sử dụng GUIDE thiết kế động cơ không đồng bộ


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

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)



(1.3)


Đồ án tốt nghiệp: Sử dụng GUIDE thiết kế động cơ không đồng
bộ

11

Một đặc điểm quan trọng của động cơ không đồng bộ là dây quấn rôto
không được nối trực tiếp với lưới điện, sức điện động và dòng điện trong rôto có
được là do cảm ứng, chính vì vậy người ta gọi động cơ này là động cơ cảm ứng.
Tần số dòng điện trong rôto rất nhỏ, nó phụ thuộc vào tốc độ trượt của
rôto so với từ trường.
f2 = p*

n1  n
n * ( n  n)
= p* 1 1
= s*f1
60 * n1
60


12

- Momen mở máy nhỏ.

1.1.2. Kết cấu máy điện không đồng bộ
Mặc dù kích thước của các bộ phận vật liệu tác dụng và đặc tính của máy
phụ thuộc phần lớn vào tính toán thông gió tản nhiệt, nhưng cũng có phần liên
quan đến kết cấu của máy. Thiết kế kết cấu phải đảm bảo sao cho máy gọn nhẹ,
thông gió tản nhiệt tốt mà vẫn có độ cứng vững và độ bền nhất định. Thường căn
cứ vào điều kiện làm việc của máy để thiết kế ra một kết cấu thích hợp, sau đó
tính toán cơ các bộ phận để xác định độ cứng và độ bền của các chi tiết máy. Vì
vậy thiết kế kết cấu là một phần quan trọng trong toàn bộ thiết kế máy điện.
Máy điện có rất nhiều kiểu kết cấu khác nhau. Sở dĩ như vậy vì những
nguyên nhân chính sau:
- Có nhiều loại máy điện và công dụng cũng khác nhau như máy một

chiều, máy đồng bộ, máy không đồng bộ... cho nên yêu cầu đối với kết cấu máy
cũng khác nhau. Công suất máy khác nhau nhiều. Ở những máy công suất nhỏ
thì giá đỡ đồng thời là nắp máy. Đối với máy lớn thì phải có trục đỡ riêng.
- Tốc độ quay khác nhau. Máy tốc độ cao thì rôto cần phải chắc chắn hơn,

máy tố độ chậm thì đường kính rôto thường lớn.
- Sự khác nhau của động cơ sơ cấp kéo nó ( đối với máy phát điện) hay tải

( đối với động cơ điện) như tuabin nước, tuabin hơi, máy diezen, bơm nước hay
máy công tác. Phương thức truyền động hay lắp ghép cũng khác nhau.
- Căn cứ vào tính toán điện từ và tính toán thông gió có thể đưa ra nhiều

phương án khác nhau. Những phương án này về kích thước, trọng lượng, tính
tiện lợi khi sử dụng, độ tin cậy khi làm việc, tính giản đơn khi chế tạo và giá

Theo cách này máy được chia thành các kiểu kết cấu sau:
-

Kiểu hở.
Loại này không có trang bị bảo vệ sự tiếp xúc tự nhiên các bộ phận quay

và bộ phận mang điện, cũng không có trang bị bảo vệ các vật bên ngoài rơi vào
máy. Loại này được chế tạo theo kiểu tự làm nguội. Theo cấp bảo vệ thì đây là
loại IP00. Loại này thường đặt trong nhà có người trông coi và không cho người
ngoài đến gần.
-

Kiểu bảo vệ.
Có trang bị bảo vệ chống sự tiếp xúc ngẫu nhiên các bộ phận quay hay




Đồ án tốt nghiệp: Sử dụng GUIDE thiết kế động cơ không đồng
bộ

14

mang điện, bảo vệ các vật ở ngoài hoặc nước rơi vào theo các góc độ khác nhau.
Loại này thường là tự thông gió. Theo cấp bảo vệ thì kiểu này thuộc cấp bảo vệ
từ IP11 đến IP33.
-

Kiểu kín.
Là loại máy mà không gian bên trong máy và môi trường bên ngoài máy


trong có đặc điểm là trong lúc gia công, tốc độ cắt gọt chậm nhưng phế liệu bỏ
đi ít hơn loại không có gân trong.
Loại vỏ bằng thép tấm hàn gồm ít nhất là hai vòng thép tấm trở lên và
những gân ngang làm thành khung. Những dạng khác đều xuất phát từ dạng cơ
bản đó.
b) Lõi thép stator
Khi đường kính ngoài lõi thép nhỏ hơn 1m thì dùng tấm nguyên để làm lõi
thép. Lõi thép sau khi ép vào vỏ sẽ có một chốt cố định với vỏ để khỏi bị quay
dưới tác động của mômen điện từ
Nếu đường kính ngoài của lõi thép lớn hơn 1m thì dùng các tấm hình rẻ
quạt ghép lại. Khi ấy để ghép lõi thép, thường dùng hai tấm thép dầy ép hai đầu.
Để tránh lực hướng tâm và lực hút các tấm, thường làm những cách đuôi nhạn
hình rẻ quạt trên các tấm vào các gân trên vỏ máy.
1.1.2.3. Kết cấu rôto của máy điện xoay chiều và một chiều
Về kết cấu rôto máy điện một chiều và xoay chiều có nhiều điểm giống
nhau. Khi xét đến kết cấu của rôto cần phải chú ý đến các lực tác động lên rôto
khi máy làm việc.
Nếu đường kính của rôto nhỏ hơn 350 mm thì lõi thép rôto thường được
ép trực tiếp lên trục hoặc ống lồng trục. Đó là vì đường kính rôto không lớn,
phần trong của lõi thép cắt ra không dùng được vào việc gì có kinh tế lớn mà kết
cấu rôto lại được đơn giản hóa. Việc dùng ống lồng cũng hạn chế, chỉ dùng khi
cần thiết như ở động cơ điện trên tàu để thay trục được dễ dàng. Khi đường kính
rôto lớn hơn 350 mm, đường kính trong rôto cố gắng lấy lớn hơn để dùng lõi lấy
ra làm việc khác, do đó cần giá đỡ rôto.
Khi đường kính rôto lớn hơn 1000 mm thì dùng các tấm tôn silic hình rẻ






17

Động cơ không đồng bộ về cấu tạo được chia thành hai loại: động cơ không
đồng bộ ngắn mạch hay còn gọi là rôto lồng sóc và loại rôto dây quấn.
1.2.2. Stator (phần tĩnh)
Stator bao gồm vỏ máy, lõi thép và dây quấn.
-

Vỏ máy

Hình 1.3. Tổng quan vỏ máy động cơ
Vỏ máy là nơi cố định lõi thép, dây quấn và đồng thời là nơi ghép nối nắp
hay gối đỡ trục. Vỏ máy có thể được làm từ gang nhôm hay thép. Để chế tạo vỏ
máy, người ta có thể đúc, hàn, rèn. Vỏ máy có hai kiểu: vỏ kiểu kín và vỏ kiểu
bảo vệ. Vỏ kiểu kín yêu cầu phải có diện tích tản nhiệt lớn. Vì vậy người ta làm
nhiều rãnh tản nhiệt trên thân máy. Vỏ kiểu bảo vệ thường có bề mặt nhẵn, gió
làm mát thổi trực tiếp trên bề mặt ngoài lõi thép và trong vỏ máy.
Hộp cực là nơi để đấu điện từ lưới điện vào. Đối với động cơ kiểu kín, hộp cực
yêu cầu phải kín, giữa thân cực và vỏ máy với nắp hộp cực phải có gioăng cao
su. Trên vỏ máy phải có bulông vòng để cẩu máy khi nâng hạ, vận chuyển và
bulông tiếp đất.
-

Lõi thép




Đồ án tốt nghiệp: Sử dụng GUIDE thiết kế động cơ không đồng


Hình 1.6. Rôto và trục động cơ
Rôto của động cơ không đồng bộ gồm lõi thép, dây quấn và trục (đối với
động cơ rôto dây quấn còn có vành trượt).
- Lõi thép

Lõi thép của rôto bao gồm các lá théo kỹ thuật điện như của stator, điểm
khác biệt ở đây là không cần sơn cách điện giữa các lá thép vì tần số làm việc
của rôto rất thấp, chỉ vài Hz, nên tổn hao do dòng điện Phucô trong rôto rất thấp.
Lõi thép được ép trực tiếp lên trục máy hoặc lên một giá rôto của máy. Phía
ngoài của lõi thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn rôto.
- Dây quấn rôto

Có hai loại chính: rôto kiểu dây quấn và rôto kiểu lồng sóc
Loại rôto kiểu dây quấn
Rôto dây quấn có dây quấn giống như dây quấn stator. Máy điện kiểu
trung bình trở lên có dây quấn kiểu sóng hai lớp, vì bớt những đầu dây nối, kết
cấu dây quấn trên rôto chặt chẽ. Máy điện cỡ nhỏ dùng kiểu dây quấn đồng tâm
một lớp. Dây quấn ba pha của rôto thường đấu hình sao.
Đặc điểm của loại động cơ kiểu dây quấn là có thể thông qua chổi than
đưa điện trở phụ hay sức điện động phụ vào mạch rôto để cải thiện tính năng mở




20

Đồ án tốt nghiệp: Sử dụng GUIDE thiết kế động cơ không đồng
bộ



21

Đồ án tốt nghiệp: Sử dụng GUIDE thiết kế động cơ không đồng
bộ

động hóa Matlab để tính toán hiển thị các thông số tính toán và các kết quả tính
toán trên một giao diện trực quan, giúp nhân viên chế tạo hiểu rõ được các kích
thước cũng như vật liệu chế tạo, từ đó đưa vào quá trình sản xuất chế tạo máy
điện không đồng bộ.
1.3.2. Nội dung chính bài toán thiết kế động cơ không đồng bộ

Thông số
nhập vào

Hiển thị các thông số
tính toán
Tính toán
So sánh kết quả TT với
yêu cầu bài toán




22

Đồ án tốt nghiệp: Sử dụng GUIDE thiết kế động cơ không đồng
bộ

1.3.2.1. Các thông số nhập vào

bộ

23

- Đặc tính làm việc
- Đặc tính khởi động
- Tính toán nhiệt
- Trọng lượng và vật liệu sử dụng

1.3.2.4. So sánh kết quả tính toán với yêu cầu bài toán
Sai lệch giữa kết quả tính toán với yêu cầu của khách hàng phải nằm trong
giới hạn cho phép khi đó mới có thể tiến hành chế tạo và sản xuất, nếu sau khi
tính toán mà kết quả tính toán so với yêu cầu bài toán sai lệch quá nhiều thì
người thực hiện phải lựa chọn lại các thông số lựa chọn theo khoảng nhất định
nào đó.
Giao diện này sẽ hiển thị hai giá trị tương đương để người thiết kế có thể
quan sát trực quan và đánh giá xem xét tính chính xác của hệ thống tự động thiết
kết động cơ không đồng bộ.
1.4. Cơ sở dữ liệu bảo đảm công việc tự động thiết kế máy điện không đồng
bộ
1.4.1. Tổng quan
Cơ sở lý thuyết cũng như các thông số tra cứu đều dựa vào các tham số
thiết kế động cơ không đồng bộ bình thường, các công thức tính toán đều áp
dụng phương pháp và lấy công thức tính toán truyền thông
Các đồ thị và bảng biểu phải được mã hóa ra các con số cụ thể để đưa vào
chương trình lập trình tự động hóa.
Trong phần này sẽ thực hiện công việc chuyển đổi các bảng tính toán, các
đồ thị, biểu thức kinh nghiệm thành các con số cụ thể và đưa vào phần mềm lập
trình tự động hóa MATLAB.
1.4.2. Cơ sỡ dữ liệu tính toán thiết kế động cơ không đồng bộ


8 - 12

kD

0,52 - 0,57

0,64 - 0,68

0,7 - 0,72

0,74 - 0,77

Đường kính ngoài Dn có liên quan mật thiết với kết cấu máy điện, cấp
cách điện và chiều cao tâm trục máy h đã được tiêu chuẩn hóa bởi bảng 1.2.(
theo bảng 10.3 trang 230 sách TKMĐ)




Đồ án tốt nghiệp: Sử dụng GUIDE thiết kế động cơ không đồng
bộ

25

Bảng1.2. Cơ sở dữ liệu xác định đường kính Dn theo chiều cao tâm trục
h; cm

5


14,9

16,8

19,1

22,5

27,2

h; cm

18

20

22,5

25

28

31,5

35,5

40

45



6,1.107
 .ks .kd . A.B D 2 .ndb

Pđm
 cos 

(1.7)

(1.8)

.

Trong đó hiệu suất và hệ số công suất định mức của máy tra ở bảng 1.3.( theo
bảng 10.1 trang 228 sách TKMĐ)
Bảng1.3: Cơ sở dữ liệu xác định hệ số công suất và hiệu suất theo công suất
động cơ
Cấp

Hiệu suất %

Cos 

công Tốc độ n (Vòng/phút)
suất;

Tốc độ n (Vòng/phút)

3000


0,65

0,75

77

72

69

68

0,87

0,73

0,74

0,62

1,1

77,5

75

74

70


80

81

76,5

0,87

0,83

0,73

0,71

3

84,5

82

81

79

0,88

0,83

0,76