Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu kết cấu động cơ từ trở để cải thiện đặc tính mô men

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:167

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án "Nghiên cứu kết cấu động cơ từ trở để cải thiện đặc tính mô men" là nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ góc cực stator/ bước cực stator và tỉ lệ góc cực rotor/ bước cực rotor đến mômen trung bình của SRM 3 pha; Nghiên cứu sự tác động của góc cực rotor đến nhấp nhô mômen của SRM 3 pha...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu kết cấu động cơ từ trở để cải thiện đặc tính mô men

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐINH HẢI LĨNH NGHIÊN CỨU KẾT CẤU ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ ĐỂ CẢI THIỆN ĐẶC TÍNH MÔMEN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KĨ THUẬT ĐIỆN Hà Nội – 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐINH HẢI LĨNH NGHIÊN CỨU KẾT CẤU ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ ĐỂ CẢI THIỆN ĐẶC TÍNH MÔMEN Ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 9520201 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KĨ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. Nguyễn Thế Công 2. PGS.TS. Phạm Văn Bình Hà Nội - 2022
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 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 20… Người cam đoan Đinh Hải Lĩnh TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Nguyễn Thế Công PGS.TS. Phạm Văn Bình i
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu đề tài, tác giả đã gặp nhiều khó khăn. Một mặt do trình độ còn hạn chế, một mặt do khó khăn về thiết bị thực nghiệm, song tác giả đã rất cố gắng và được sự giúp đỡ tận tình của các thầy giáo hướng dẫn, sự giúp đỡ 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 hoàn thành 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 PGS. Phạm Văn Bình luôn dành nhiều công sức, thời gian quan tâm, động viên và tận tình hướng dẫn nghiên cứu sinh trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn TS. Bùi Minh Định đã hỗ trợ và đóng góp các ý kiến quý báu để nghiên cứu sinh hoàn thiện luận án. Tác giả chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong Bộ môn Thiết bị Điện - Điện tử, Viện Điện và phòng Đào tạo - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất về thời gian và cơ sở vật chất trong quá trình nghiên cứu sinh thực hiện luận án. Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới các Anh/Chị/Em đồng nghiệp, bạn bè đã động viên, giúp đỡ về mọi mặt góp phần vào sự thành công của luận án. Sau cùng, tác giả dành lời cảm ơn tới gia đình: bố mẹ, chồng và các con đã luôn động viên, hỗ trợ về vật chất và tinh thần trong những lúc khó khăn, mệt mỏi nhất để tác giả yên tâm trong quá trình nghiên cứu, góp phần không nhỏ vào thành công của luận án. Tác giả luận án Đinh Hải Lĩnh ii
MỤC LỤC MỤC LỤC ................................................................................................................... III DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................... VI DANH MỤC HÌNH VẼ................................................................................................. I DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... VIII MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 Lý do chọn đề tài ......................................................................................................... 1 Mục đích của luận án .................................................................................................. 1 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ................................................................. 2 Đối tượng nghiên cứu.................................................................................................. 2 Phạm vi nghiên cứu ..................................................................................................... 2 Phương pháp nghiên cứu............................................................................................. 2 Các kết quả (mới) dự kiến sẽ đạt được của đề tài ....................................................... 2 Kết cấu của luận án ..................................................................................................... 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ................................................................................ 4 1.1 Lịch sử phát triển SRM ......................................................................................... 4 1.2 Ưu điểm ................................................................................................................. 4 1.3 Nhược điểm ........................................................................................................... 5 1.4 Ứng dụng của SRM ............................................................................................... 5 1.5 Các nghiên cứu trong nước và thế giới về SRM ................................................... 6 1.5.1 Các nghiên cứu trong nước ............................................................................ 6 1.5.2 Các nghiên cứu trên thế giới .......................................................................... 7 1.6 Một số nhận xét và đề xuất nghiên cứu SRM ..................................................... 15 1.7 Kết luận chương 1 ............................................................................................... 15 iii
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH TOÁN SRM................. 17 2.1 Kết cấu SRM ....................................................................................................... 17 2.2 Đặc điểm bộ điều khiển SRM ............................................................................. 18 2.3 Nguyên lý hoạt động của SRM ........................................................................... 21 2.4 Lựa chọn số cực stator và rotor ........................................................................... 24 2.5 Giới hạn của góc cực stator và rotor ................................................................... 25 2.6 Mômen của SRM ................................................................................................ 29 2.6.1 Nguyên lý phát sinh mômen ........................................................................ 29 2.6.2 Đặc tính mômen – tốc độ của SRM ............................................................. 36 2.7 Mômen trung bình và nhấp nhô mômen ............................................................. 37 2.8 Mô hình toán SRM .............................................................................................. 39 2.9 Xây dựng mô hình SRM trên Matlab Simulink .................................................. 42 2.10 Kết luận chương 2 ............................................................................................. 47 CHƯƠNG 3 MÔMEN TRUNG BÌNH VÀ NHẤP NHÔ MÔMEN TRONG SRM .................................................................................................................... 48 3.1 Phân tích và tính toán điện cảm .......................................................................... 48 3.1.1 Quan hệ giữa điện cảm và vị trí rotor .......................................................... 48 3.1.2 Tính toán điện cảm cực đại Lmax và điện cảm cực tiểu Lmin ........................ 49 3.1.3 Phân tích đặc tính của điện cảm theo vị trí góc quay rotor ......................... 71 3.2 Ảnh hưởng góc cực rotor đến nhấp nhô mômen ................................................. 73 3.3 Ảnh hưởng của tỉ lệ góc cực/ bước cực stator và tỉ lệ góc cực rotor/ bước cực rotor đến mômen trung bình ...................................................................................... 75 3.3.1 Xét với SRM 6/4 .......................................................................................... 76 3.3.2 Xét với SRM 12/8 ........................................................................................ 79 3.4 Ảnh hưởng của góc mở dòng điện đến đặc tính mômen .................................... 82 iv
3.5 Kết luận chương 3 ............................................................................................... 88 CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM .......................................... 90 4.1 Mô phỏng, phân tích sóng hài mômen theo sự thay đổi góc cực rotor với SRM 6/4 .............................................................................................................................. 90 4.2 Mô phỏng, phân tích sóng hài mômen theo sự thay đổi góc cực rotor với SRM 12/8 ............................................................................................................................ 95 4.3 Thực nghiệm ..................................................................................................... 104 4.3.1 Thực nghiệm 1: Đo tốc độ và mômen theo thời gian SRM 12/8 .............. 108 4.3.2 Thực nghiệm 2: Đo mômen - tốc độ SRM 12/8 ........................................ 109 4.4 Kết luận chương 4 ............................................................................................. 110 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................................111 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................112 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ..................119 PHỤ LỤC 1. THÔNG SỐ KÍCH THƯỚC SRM 6/4 VÀ SRM 12/8 ....................120 PHỤ LỤC 2. CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MATLAB VÀ TÍNH TOÁN LMAX VÀ LMIN ......................................................................................................................121 v
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu/Chữ Đơn vị Ý nghĩa viết tắt Chữ viết tắt SRM Động cơ từ trở/ Động cơ từ trở chuyển mạch (Switched Reluctance Motor) SyRM Động cơ từ trở đồng bộ (Synchronous Reluctance Motor) FEM Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method) DC Dòng một chiều (Direct Current) GA Thuật toán di truyền (Genetic Algorithm) S.đ.đ Sức điện động Ký hiệu Asp mm2 Diện tích cực stator Asp1,2,3,4,5,6 ,7 mm2 Diện tích cực stator ứng với đường dẫn từ thông số 1,2,3,4,5,6,7 Asy1,2,3,4,5,6 ,7 mm2 Diện tích gông stator ứng với đường dẫn từ thông số 1,2,3,4,5,6,7 Arp1,2,3,4,5,6 ,7 mm2 Diện tích cực rotor ứng với đường dẫn từ thông số 1,2,3,4,5,6,7 Ary1,2,3,4,5,6 ,7 mm2 Diện tích gông rotor ứng với đường dẫn từ thông số 1,2,3,4,5,6,7 Ag1,2,3,4,5,6, Diện tích khe hở không khí ứng với đường dẫn từ thông số 7 mm2 1,2,3,4,5,6,7 bs mm Bề dầy gông stator br mm Bề dầy gông rotor B T Mật độ từ thông Bsp T Mật độ từ thông trên cực stator Bsp1,2,3,4,5,6, Mật độ từ thông trên cực stator ứng với đường dẫn từ thông số 7 T 1,2,3,4,5,6,7 vi
Bsy1,2,3,4,5,6, Mật độ từ thông trên gông stator ứng với đường dẫn từ thông số 7 T 1,2,3,4,5,6,7 Brp1,2,3,4,5,6, Mật độ từ thông trên cực rotor ứng với đường dẫn từ thông số 7 T 1,2,3,4,5,6,7 Bry1,2,3,4,5,6, Mật độ từ thông trên gông rotor ứng với đường dẫn từ thông số 7 T 1,2,3,4,5,6,7 Bg1,2,3,4,5,6, Mật độ từ thông tại khe hở không khí ứng với đường dẫn từ thông số 7 T 1,2,3,4,5,6,7 Dir mm Đường kính trong rotor Dis mm Đường kính trong stator Dor mm Đường kính ngoài rotor Dos mm Đường kính ngoài stator e V Sức điện động cảm ứng fs Hz Tần số số xung điện áp stator F A.vòng Sức từ động F1,2,3,4,5,6,7 A.vòng Sức từ động ứng với đường dẫn từ thông số 1,2,3,4,5,6,7 g mm Chiều dài khe hở không khí tại vị trí đồng trục hoàn toàn H A/m Cường độ từ trường Hg A/m Cường độ từ trường trong khe hở không khí Hsp A/m Cường độ từ trường trên cực stator Hsy A/m Cường độ từ trường trên gông stator Hrp A/m Cường độ từ trường trên cực rotor Hry A/m Cường độ từ trường trên gông rotor hs mm Chiều cao cực stator hr mm Chiều cao cực rotor i A Dòng điện stator ik A Dòng điện pha dây quấn thứ k ia,b,c A Dòng điện pha A, B, C vii
J Nm Mômen quán tính LFe mm Chiều dài lõi thép sp1,2,3, mm 4,5,6,7 Chiều dài đường dẫn từ thông trên cực stator số 1,2,3,4,5,6,7. sy1,2,3, mm 4,5,6,7 Chiều dài đường dẫn từ thông trên gông stator số 1,2,3,4,5,6,7. rp1,2,3, mm 4,5,6,7 Chiều dài đường dẫn từ thông trên cực rotor số 1,2,3,4,5,6,7. ry1,2,3, mm 4,5,6,7 Chiều dài đường dẫn từ thông trên gông stator số 1,2,3,4,5,6,7 mm g Chiều dài khe hở không khí ứng với vị trí đồng trục hoàn toàn L H Điện cảm Lk H Điện cảm pha dây quấn thứ k La,b,c H Điện cảm pha A, B, C m Số pha dây quấn stator của động cơ SRM Mab, ac H Hỗ cảm do cuộn dây pha B, pha C tác động lên cuộn dây pha A. Mba, bc H Hỗ cảm do cuộn dây pha A, pha C tác động lên cuộn dây pha B. Mca, cb H Hỗ cảm do cuộn dây pha A, pha B tác động lên cuộn dây pha C Vòng/p n hút Tốc độ quay của rotor N Vòng Số vòng dây trên một pha dây quấn stator Ns Số cực stator Nr Số cực rotor p Số cực của một pha dây quấn Rk Ω Điện trở dây quấn stator pha thứ k Rs Ω Điện trở dây quấn stator viii
A.vg/ Rg Wb Từ trở khe hở không khí A.vg/ Rsy Wb Từ trở gông stator A.vg/ Rsp Wb Từ trở cực stator A.vg/ Rry Wb Từ trở gông rotor A.vg/ Rrp Wb Từ trở cực rotor ts mm Bề rộng cực stator tr mm Bề rộng cực rotor T Nm Mômen tổng các pha dây quấn của động cơ Tripple Nm Độ nhấp nhô mômen Tavg Nm Mômen trung bình Tk Nm Mômen của pha dây quấn thứ k Tl Nm Mômen tải Tfr Nm Mômen ma sát uk V Điện áp pha dây quấn thứ k ua,b,c V Điện áp pha A, B, C We J Năng lượng điện đầu vào Wf J Năng lượng từ trường Wco J Năng lượng cơ W’f J Đối năng lượng từ trường Vg A.vg Từ áp trên khe hở không khí (sức từ động trên khe hở không khí) Vsy A.vg Từ áp trên gông stator (sức từ động trên gông stator) Vry A.vg Từ áp trên gông rotor (sức từ động trên gông rotor) Vsp A.vg Từ áp trên cực stator (sức từ động trên cực stator) ix
Vrp A.vg Từ áp trên cực rotor (sức từ động trên gông rotor) αs Tỉ lệ góc cực stator/ bước cực stator αr Tỉ lệ góc cực rotor/ bước cực rotor βs (0) Góc cực stator βr (0) Góc cực rotor θ (0) Vị trí góc quay rotor θd (0) Độ rộng xung điện áp nguồn/góc Dwell của dòng điện θon (0) Góc mở dòng điện vào pha dây quấn stator θoff (0) Góc đóng dòng điện ψk Wb Từ thông móc vòng của pha dây quấn thứ k Ψa,b,c Wb Từ thông móc vòng của pha A, B, C ϕ1,2,3,4,5,6,7 Từ thông móc vòng ứng với các đường dẫn từ thông số Wb 1,2,3,4,5,6,7 k s Chu kỳ của xung dòng điện cấp cho pha dây quấn stator µ0 H/m Độ từ thẩm của không khí; µ0 = 4π.10-7 H/m µ T.m/A Độ từ thẩm của vật liệu từ τs (0) Bước cực stator τr (0) Bước cực rotor ω rad/s Tốc độ góc định mức η % Hiệu suất s (0) Góc quay của từ trường stator sau mỗi xung r (0) Góc quay của rotor sau mỗi xung x
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ các phương án nghiên cứu giảm độ nhấp nhô mômen và độ ồn SRM .. 8 Hình 1.2 Kết cấu chèn phiến ngăn stator (a) và stator kép (b) ........................................ 9 Hình 1.3 Kết cấu rãnh nghiêng SRM 12/8 ...................................................................... 9 Hình 1.4 Kết cấu đục lỗ trên gông rotor SRM 8/6 ........................................................ 10 Hình 1.5 Kết cấu khía rãnh trên cực rotor SRM 8/6 ..................................................... 10 Hình 1.6 Hình dạng tạo cánh trên mỏm cực rotor ........................................................ 11 Hình 1.7 Kết cấu dạng lõm bề mặt cực stato và cực rotor chữ T .................................. 11 Hình 1.8. Kết cấu hình thang cực stator, rotor SRM 8/6 ............................................... 12 Hình 1.9 Hình ảnh SRM 12/8 và SRM 12/10 có gắn nam châm vĩnh cửu ................... 14 Hình 1.10 Kết cấu stator có gắn nam châm trên gông stator......................................... 14 Hình 1.11 Kết cấu stator có gắn nam châm trên cực Stator .......................................... 14 Hình 2.1 Động cơ từ trở loại 6/4 (a) và 8/6 (b) ............................................................. 17 Hình 2.2 Nguyên lý cấp dòng điện cho các pha dây quấn của SRM ............................ 18 Hình 2.3 Sơ đồ bộ biến đổi cho động cơ SRM 3 pha [1] .............................................. 18 Hình 2.4 Hai trạng thái và mạch vòng khép kín dòng điện: Van T1, T2 dẫn (a), Van T1, T2 không dẫn (b) .............................................................................................. 19 Hình 2.5. Nguyên lý điều khiển độ rộng xung điện áp [1] ............................................ 20 Hình 2.6 Nguyên lý điều khiển dòng điện trên một pha động cơ SRM ........................ 21 Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động của động cơ từ trở 6/4 .................................................. 22 Hình 2.8 Đặc tính điện cảm tại các vị trí đặc biệt ......................................................... 23 Hình 2.9 Hình vẽ mô tả góc cực stator, rotor ................................................................ 25 Hình 2.10 Quá trình phát sinh mômen khi góc cực stator, rotor bằng nhau ................. 26 Hình 2.11 Quá trình phát sinh mômen khi góc cực rotor lớn hơn góc cực stator ......... 27 Hình 2.12 So sánh mômen trung bình trường hợp βr = βs (a) và βr > βs (b) ................ 28 i
Hình 2.13 Sự thay đổi của mômen tĩnh theo vị trí góc rotor khi góc cực rotor thay đổi .......................................................................................................................... 28 Hình 2.14 Sơ đồ tam giác chọn góc cực stator và rotor cho SRM 6/4 .......................... 29 Hình 2.15 Mô hình biến đổi điện cơ với chuyển động quay [61]: ................................ 31 Hình 2.16 Biến đổi năng lượng ở hệ thống bão hoà: a) dòng điện không đổi; ............ 32 Hình 2.17 Đặc tính -i của cuộn dây quấn trên lõi thép: a) Mạch từ phi tuyến;b) Mạch từ tuyến tính [61] ............................................................................................. 33 Hình 2.18 Sơ đồ nguyên lý phát sinh mômen của SRM ............................................... 36 Hình 2.19. Đặc tính mômen - tốc độ của SRM [63] ..................................................... 37 Hình 2.20 Hình ảnh mô tả dạng sóng nhấp nhô mômen SRM [11] .............................. 38 Hình 2.21 Mạch điện tương đương một pha SRM ........................................................ 40 Hình 2.22 Mô hình tính toán điện cảm và hỗ cảm trên một pha của SRM 6/4 ............. 43 Hình 2.23 Mô hình ba pha SRM ................................................................................... 44 Hình 2.24. Đặc tính từ thông theo vị trí rotor và dòng điện ......................................... 44 Hình 2.25 Hỗ cảm pha C tác động lên pha A. ............................................................... 45 Hình 2.26 Hỗ cảm pha B tác động lên pha A ................................................................ 45 Hình 2.27 Đặc tính mômen tĩnh theo vị trí rotor và dòng điện ..................................... 46 Hình 2.28 Đặc tính mômen 3D theo vị trí rotor và dòng điện ...................................... 46 Hình 3.1 Đồ thị biểu diễn điện cảm theo vị trí góc rotor .............................................. 48 Hình 3.2 Đường cong từ hóa B- H của thép M19-24G ................................................. 50 Hình 3.3 Lưu đồ thuật toán tính chọn mật độ từ cảm cực stator ................................... 51 Hình 3.4 Đường đi của từ thông tại vị trí lệch trục hoàn toàn....................................... 52 Hình 3.5 Đường đi của đường từ thông 1 tại vị trí lệch trục hoàn toàn ........................ 52 Hình 3.6 Mô hình mạch từ đầy đủ (a) và mô hình mạch từ rút gọn tương ứng (b) ...... 53 Hình 3.7 Đường đi từ thông số 2 (a) và mạch từ tương ứng (b). .................................. 57 ii
Hình 3.8 Đường đi từ thông tại số 3 .............................................................................. 59 Hình 3.9 Đường đi từ thông tại số 4 .............................................................................. 61 Hình 3.10 Biểu diễn đường dẫn số từ thông 5............................................................... 63 Hình 3.11 Biểu diễn đường từ thông 6 (a) và mạch từ tương ứng (b) ......................... 65 Hình 3.12 Mạch từ ứng với đường dẫn từ thông số 7 ................................................... 67 Hình 3.13 Các đường dẫn từ thông tại vị trí đồng trục ................................................. 68 Hình 3.14 Mô hình mạch từ tại vị trí đồng trục............................................................. 69 Hình 3.15 Đặc tính tuyến tính của điện cảm theo vị trí góc rotor ................................. 71 Hình 3.16. Sự thay đổi của mômen trung bình khi thay tỉ lệ góc cực stator, rotor/ bước cực stator, rotor với SRM 6/4 ........................................................................... 77 Hình 3.17 Quan hệ mômen trung bình cực đại và tỉ lệ góc cực stator/ bước cực stator .......................................................................................................................... 78 Hình 3.18 Quan hệ mômen trung bình cực đại và tỉ lệ góc cực rotor/ bước cực rotor SRM 6/4............................................................................................................ 79 Hình 3.19 Sự thay đổi của mômen trung bình khi thay tỉ lệ góc cực stator, rotor/ bước cực stator, rotor với SRM 12/8 ......................................................................... 80 Hình 3.20 Quan hệ mômen trung bình cực đại với tỉ lệ góc cực stator/ bước cực stator .......................................................................................................................... 81 Hình 3.21 Quan hệ mômen trung bình cực đại với tỉ lệ góc cực rotor/ bước cực rotor .......................................................................................................................... 81 Hình 3.22. Dòng điện và điện cảm trên một pha theo vị trí góc rotor .......................... 83 Hình 3.23 Đặc tính mômen theo tốc độ với các góc đóng, góc mở dòng điện khác nhau[11] ............................................................................................................ 83 Hình 3.24 Đặc tính dòng điện, từ thông, điện cảm và mômen theo vị trí góc rotor khi βs = 300; βr =310 và θon = 310 ................................................................................ 85 Hình 3.25 Đặc tính mômen khi βs = 300, βr = 310, góc mở θon biến thiên ..................... 86 iii
Hình 3.26 Đặc tính mômen khi βs = 300, βr = 320, góc mở θon biến thiên ..................... 87 Hình 3.27. Đặc tính mômen khi βs = 300, βr = 330, góc mở θon biến thiên .................... 88 Hình 4.1 Mô hình 2D SRM 6/4 ..................................................................................... 90 Hình 4.2 Biên độ và góc pha các sóng hài mômen SRM 6/4 với βS = 300, βR=300 ..... 90 Hình 4.3 Biên độ và góc pha các sóng hài mômen SRM 6/4 với βS = 300, βR=310 ....... 91 Hình 4.4 Biên độ và góc pha các sóng hài mômen SRM 6/4 với βS = 300, βR=320 ....... 91 Hình 4.5 Biên độ và góc pha các sóng hài mômen SRM 6/4 với βS = 300, βR=330 ....... 92 Hình 4.6 Biên độ và góc pha các sóng hài mômen SRM 6/4 với βS = 300, βR=340 ....... 92 Hình 4.7 Biên độ và góc pha các sóng hài mômen SRM 6/4 với βS = 300, βR=350 ....... 93 Hình 4.8 Biên độ và góc pha các sóng hài mômen SRM 6/4 với βS = 300, βR = 360 ..... 93 Hình 4.9 Đặc tính mômen - tốc độ SRM 6/4 ................................................................. 95 Hình 4.10 Mô hình 2D SRM 12/8 ................................................................................ 95 Hình 4.11. Mật độ từ thông SRM 12/8 với βS=150, βR=180 .......................................... 96 Hình 4.12. Sóng hài mômen SRM 12/8 ........................................................................ 96 Hình 4.13 Biên độ và góc pha các sóng hài mômen SRM 12/8 với βS=150, βR=150 ... 97 Hình 4.14 Biên độ và góc pha các sóng hài mômen SRM 12/8 với βS=150, βR=160 ... 97 Hình 4.15 Biên độ và góc pha các sóng hài mômen SRM 12/8 với βS=150, βR=170 ... 98 Hình 4.16 Biên độ và góc pha các sóng hài mômen SRM 12/8 với βS=150, βR=180 .... 98 Hình 4.17 Biên độ và góc pha các sóng hài mômen SRM 12/8 với βS=150, βR=190 .... 99 Hình 4.18 Biên độ và góc pha các sóng hài mômen SRM 12/8 với βS=150, βR=200 ... 99 Hình 4.19 Biên độ và góc pha các sóng hài mômen SRM 12/8 với βS=150, βR=210 ... 100 Hình 4.20 Đặc tính dòng điện theo vị trí rotor SRM 12/8 với βS=150, βR=180............ 102 Hình 4.21 Đặc tính từ thông theo dòng điện SRM 12/8 với βS=150, βR=180............... 103 Hình 4.22 Đặc tính điện cảm SRM 12/8 với βS=150, βR=180 ...................................... 103 iv
Hình 4.23 Đặc tính từ thông theo vị trí rotor của SRM 12/8 với βS=150, βR=180 ....... 103 Hình 4.24. Dạng sóng mômen trung bình theo vị trí rotor SRM 12/8 với βS=150, βR=180 ........................................................................................................................ 104 Hình 4.25 Đặc tính mômen- tốc độ SRM 12/8 ............................................................ 104 Hình 4.26 Hình ảnh SRM 12/8 (a), bộ điều khiển (b) và thiết bị điều chỉnh tốc độ (c) ........................................................................................................................ 105 Hình 4.27 Kết cấu SRM 12/8 thực nghiệm ................................................................. 105 Hình 4.28 Sơ đồ đấu nối thực nghiệm SRM 12/8 ...................................................... 106 Hình 4.29 Hệ thống đo mômen SRM 12/8 .................................................................. 107 Hình 4.30 Bộ đọc và xuất dữ liệu đo ........................................................................... 107 Hình 4.31 Hình ảnh thực hiện thí nghiệm SRM 12/8 ................................................. 108 Hình 4.32 Đặc tính tốc độ theo thời gian SRM 12/8 ................................................... 108 Hình 4.33 Đặc tính mômen theo thời gian SRM 12/8 ................................................. 109 Hình 4.34 Đặc tính mômen- tốc độ SRM 12/8 thực nghiệm và mô phỏng................. 109 v
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Số cặp cực stator và rotor thường gặp của SRM ........................................... 24 Bảng 3.1 Bảng tính toán giá trị điện cảm Ln của SRM 12/8 ......................................... 73 Bảng 3.2. Kết quả tính toán biên độ sóng hài mômen SRM 12/8 với I =50A. ............. 75 Bảng 3.3. Giá trị góc cực stator và rotor động cơ SRM 6/4 tương ứng với tỉ lệ αs, αr .. 77 Bảng 3.4 Giá trị góc cực stator và rotor động cơ SRM 12/8 tương ứng với tỉ lệ αs, αr . 80 Bảng 3.5 Các cặp góc cực βS và βR và góc đóng θoff, góc mở θon ................................. 85 Bảng 4.1 Kết quả mômen, nhấp nhô mômen và hiệu suất SRM 6/4 ............................ 94 Bảng 4.2 Kết quả biên độ sóng hài mômen SRM 12/8 với I =50 A phân tích FEM và giải tích ........................................................................................................... 100 Bảng 4.3 Kết quả mômen, nhấp nhô mômen và hiệu suất SRM 12/8 với dòng điện I = 50 A ................................................................................................................ 101 Bảng 4.4 Kết quả mômen, nhấp nhô mômen và hiệu suất SRM 12/8 với dòng điện I = 60 A ................................................................................................................ 101 Bảng 4.5 Thông số mẫu SRM 12/8 thực nghiệm ........................................................ 106 Bảng 4.6. Kết quả đo mômen, tốc độ SRM12/8 mô phỏng và thực nghiệm .............. 110 viii
Mở đầu Lý do chọn đề tài Trong những năm gần đây xu hướng nghiên cứu, chế tạo các loại động cơ cho xe điện được nghiên cứu và phát triển một cách nhanh chóng. Động cơ từ trở (SRM) là một trong những động cơ có xu thế ứng dụng cho xe điện một cách mạnh mẽ. SRM có nhiều ưu điểm nổi bật như: Kết cấu đơn giản, chi phí chế tạo thấp; mômen khởi động lớn, dải điều chỉnh tốc độ lớn, chịu quá tải ngắn hạn tốt. Tuy nhiên động cơ từ trở có nhược điểm là độ nhấp nhô mômen cao, độ rung, ồn lớn [1]. Hiện nay với sự phát triển về công nghệ bán dẫn và vi điều khiển nên các nhược điểm của động cơ đã phần nào được khắc phục và động cơ từ trở đã được nhiều nước trên thế giới nghiên cứu, thiết kế và chế tạo với dải công suất từ nhỏ đến trung bình. SRM đã và đang được quan tâm nhiều trong các ứng dụng công nghiệp như hệ thống năng lượng gió; các thiết bị điều khiển tốc độ cao, xe điện, các máy nén khí, máy giặt, ứng dụng trong hệ thống kéo [2] và SRM cũng được nghiên cứu sử dụng nhiều trong hệ thống cơ điện tử [3]. Tại Việt Nam hiện nay động cơ từ trở chưa được nghiên cứu rộng rãi và chưa có tài liệu nào hướng dẫn thiết kế tính toán chi tiết về SRM, nhất là việc tính toán thiết kế hạn chế độ nhấp nhô của mômen, một nguyên nhân gây ồn, rung ảnh hưởng xấu đến chế độ làm việc của SRM. Hai đơn vị sản xuất động cơ điện là Công ty Cổ phần Chế tạo Điện cơ Hà Nội (HEM) và Công ty cổ phần Chế tạo Máy điện Việt Nam – Hungary (VIHEM) đã có một quá trình lâu dài sản xuất động cơ điện, công nghệ sản xuất động cơ mới chỉ tập trung vào chế tạo các loại động cơ truyền thống như động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu và động cơ một chiều. SRM mới được đưa vào sản xuất chế tạo đơn chiếc dưới dạng phục vụ các đơn đặt hàng nghiên cứu khoa học; chưa đề cập đến việc khắc phục nhược điểm về độ rung ồn, độ nhấp nhô mômen. Do đó nghiên cứu tính toán tối ưu hóa kết cấu stator, rotor để làm giảm độ nhấp nhô mômen của SRM sẽ là chìa khóa để phổ biến loại động cơ này. Vì vậy đề tài “Nghiên cứu kết cấu động cơ từ trở để cải thiện đặc tính mômen” là cấp thiết trong thời điểm này. Mục đích của luận án + Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ góc cực stator / bước cực stator và tỉ lệ góc cực rotor / bước cực rotor đến mômen trung bình của SRM 3 pha. + Nghiên cứu sự tác động của góc cực rotor đến nhấp nhô mômen của SRM 3 pha. + Đề xuất mối quan hệ ràng buộc giữa góc đóng, góc mở dòng điện với góc cực stator, rotor của SRM 3 pha để tránh việc tạo điểm mômen âm trên đường đặc tính mômen dẫn đến làm giảm mômen trung bình. 1
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án - Ý nghĩa khoa học: + Đánh giá ảnh hưởng của tỉ lệ góc cực/ bước cực stator, rotor đến mômen trung bình và góc cực rotor đến nhấp nhô mômen của SRM 3 pha thông qua mô hình tính toán và phân tích, mô phỏng. Từ đó đề xuất cách xác định tỉ lệ góc cực/ bước cực stator, rotor; góc cực stator và góc cực rotor nhằm đảm bảo mômen trung bình lớn đồng thời giảm thiểu nhấp nhô mômen trong thiết kế SRM 3 pha. + Góc đóng, góc mở dòng điện cấp cho dây quấn stator là một hàm của góc cực stator và góc cực rotor. Xác định được quan hệ ràng buộc giữa góc đóng, góc mở dòng điện với góc cực stator, rotor sẽ giúp cho các bộ điều khiển gắn cùng động cơ thiết lập được góc đóng, góc mở dòng điện phù hợp cho từng kết cấu SRM. - Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu sẽ giúp ích cho các nhà thiết kế, chế tạo SRM đánh giá xác định được kết cấu động cơ có mômen trung bình cao, độ nhấp nhô mômen nhỏ. Quy luật góc đóng, góc mở sẽ giúp cho các nhà thiết kế, chế tạo đưa ra hướng dẫn sử dụng để điều chỉnh góc đóng, góc mở dòng điện hợp lý nhất. Đối tượng nghiên cứu SRM 3 pha: SRM 12/8, công suất 1,5 kW, tốc độ 1500 vòng/phút và SRM 6/4 công suất 30 kW, tốc độ 15000 vòng/phút. Phạm vi nghiên cứu Kết cấu stator, rotor của động cơ từ trở ba pha để cải thiện mômen trung bình, nhấp nhô mômen. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp, tham khảo tài liệu trong nước và quốc tế. Đặt ra bài toán, xây dựng và mô hình hóa động cơ. - Sử dụng phương pháp mạch từ tương đương và giải tích để nghiên cứu tính toán xác định điện cảm, mômen. Áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn trên Ansys Maxwell và Motor Cad để mô phỏng các đặc tính dòng điện, từ thông và mômen của SRM. - Dùng thực nghiệm kiểm chứng việc lựa chọn các thông số mô hình, mô phỏng là hợp lý, không làm kết quả tính toán, mô phỏng sai khác với kết quả thực tế. Các kết quả (mới) dự kiến sẽ đạt được của đề tài - Sử dụng phân tích Fourier mômen của SRM để đánh giá ảnh hưởng của góc cực rotor đến độ nhấp nhô mômen của SRM và đề xuất các xác định góc cực rotor hợp lý cho mỗi kết cấu SRM 3 pha. - Đề xuất cách xác định tỉ lệ góc cực/bước cực stator, rotor nhằm đảm bảo mômen trung bình lớn đồng thời giảm thiểu nhấp nhô mômen trong thiết kế 3 pha. Đưa ra quy luật tăng giảm của mômen theo tỉ lệ góc cực stator/bước cực stator, tỉ lệ góc cực 2