Tóm tắt 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:27

Thêm vào BST

Báo xấu

15
lượt xem 3
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: Tóm tắt 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 MÔ MEN Ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 9520201 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KĨ THUẬT ĐIỆN. Hà Nội – 2022
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Thế Công PGS. TS. Phạm Văn Bình Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi ………giờ, ngày…..tháng…..năm…. Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Hiện nay với sự phát triển về công nghệ bán dẫn và vi điều khiển động cơ từ trở (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, xe điện và động cơ từ trở cũng được nghiên cứu sử dụng nhiều trong hệ thống cơ điện tử. Nhược điểm lớn nhất của SRM là có độ rung ồn và nhấp nhô mômen lớn. Tại Việt Nam nghiên cứu về động cơ từ trở còn hạn chế, 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. Do đó đề tài “Nghiên cứu kết cấu động cơ từ trở để cải thiện đặc tính mô men” 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. 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 1
mômen trung bình cao, độ nhấp nhô mômen nhỏ. Quy luật góc đóng, góc mở sẽ giúp cho các nhà thiết kế chế tạo SRM đưa ra dướng 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 mô men. 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 rotor/bước cực rotor cho SRM 6/4 và 12/8. Từ đó tìm giá trị tối ưu của tỉ lệ góc cực /bước cực stator, rotor để động cơ đạt được mô men trung bình lớn nhất. - Xác định được quan hệ giữa góc đóng, góc mở dòng điện với góc cực stator, rotor của SRM để tránh việc tạo mômen âm gây hậu quả giảm mômen trung bình và tăng độ nhấp nhô mômen. 2
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Lịch sử phát triển SRM 1.2 Ưu điểm 1.3 Nhược điểm 1.4 Ứng dụng của SRM 1.5 Các nghiên cứu trong nước và thế giới về SRM Tại Việt Nam, các nghiên cứu về động cơ từ trở SRM còn hạn chế. Tài liệu [7] (2009), Tạ Cao Minh và cộng sự nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng và điều khiển SRM 6/4-60kW, tốc độ 3000 vòng/phút. Tài liệu [9] (2012), tác giả Bùi Minh Định và cộng sự đã nghiên cứu tính toán tổn hao lõi thép của SRM 30 kW- 6/4 ở tốc độ cao và đưa ra phương pháp tối đa hóa mômen khởi động thông qua các phương án gia tốc cho động cơ. Tài liệu [14] (2017), nhóm tác giả Đỗ Thanh Tùng, Bùi Minh Định đã nghiên cứu thiết kế chế tạo SRM 5,5kW ứng dụng cho máy bơm. Thế giới về các nghiên cứu về SRM rất phong phú và đa dạng. Các nghiên cứu hiện nay chủ yếu tập trung vào hai phương diện: tối ưu hóa kết cấu động cơ và tối ưu hóa các phương pháp điều khiển. Tài liệu [28][29][30] đã nghiên cứu ảnh hưởng của số lượng cực stator, rotor đến nhấp nhô mômen. Số cực rotor càng nhiều hơn số cực stator thì SRM luôn có khả năng tăng mômen và giảm được độ nhấp nhô mômen. Tài liệu [31] nghiên cứu sự ảnh hưởng của góc cực stator, góc cực rotor đến mômen trung bình và nhấp nhô mômen của SRM 8/6. Bằng phương pháp FEM, cho từng giá trị góc cực rotor SRM 8/6, tác giả chỉ ra: với góc cực stator bằng 25º và góc cực rotor bằng 30º thì mômen trung bình lớn nhất và độ nhấp nhô mômen nhỏ nhất. Tài liệu [34], nhóm tác giả khảo sát trên mô hình động cơ SRM ứng dụng cho xe điện với nhiều cấu trúc khác nhau: 6/4; 12/8; 18/12; 24/16; 30/20; 36/24. Sử dụng thuật toán tối ưu với hàm mục tiêu: tối thiểu hóa nhấp nhô mômen, tối đa hóa hiệu suất động cơ. Với kết cấu SRM 12/8 tác giả đã chỉ ra góc cực stator bằng 150 thì đạt được hàm mục tiêu: độ nhấp nhô mômen nhỏ nhất, hiệu suất cao nhất. Tài liệu [35], nhóm tác giả sử dụng thuật toán tối ưu GA tính toán tối ưu góc cực stator và góc cực rotor để giảm thiểu nhấp nhô mômen. Tác giả thực hiện trên mô hình SRM 8/6, 4 pha 1,0 kW, 1500 3
vòng/phút với hàm mục tiêu hai biến là từ thông cực đại và tỉ số điện cảm đồng trục/ điện cảm lệch trục cực đại. Kết quả tác giả đạt được góc cực stator βs = 29.530 và góc cực rotor βr = 35.920 thì có độ nhấp nhô mômen giảm còn trên 70% so với kết cấu ban đầu βs = 280; βr =320. Tài liệu [36], nhóm tác giả khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ góc cực stator/ bước cực stator và tỉ lệ góc cực rotor/ bước cực rotor đến đặc tính mômen tĩnh của SRM 6/4. Tác giả khảo sát từng giá trị của tỉ lệ góc cực stator/ bước cực stator trong khoảng 0,45 đến 0,60 với bước nhảy 0,05 và tỉ lệ góc cực rotor/bước cực rotor thay đổi từ 0,45 đến 0,55 với bước nhảy 0,05. Các tác giả kết luận: với giá trị tỉ lệ góc cực rotor/ bước cực rotor bằng 0,45 và tỉ lệ góc cực stator/bước cực stator bằng 0,5 thì điểm cực đại trên đường đặc tính mômen tĩnh là cao nhất; tỉ lệ góc cực rotor/ bước cực rotor là 0,6; tỉ lệ góc cực stator/bước cực stator bằng 0,45 thì điểm cực đại của mômen tĩnh ở vị trí thấp nhất. Tài liệu [37], nhóm tác giả tính toán thiết kế tối ưu SRM 12/10 bốn pha, sử dụng thuật toán tối ưu GA. Nhóm tác giả đặt ra hàm mục tiêu là tối thiểu hóa nhấp nhô mômen với hai biến là góc cực stator, góc cực rotor. Tác giả khảo sát trong giới hạn: góc cực rotor lớn hơn hoặc bằng góc cực stator; tỉ số góc cực stator/ bước cực stator, tỉ số góc cực rotor/ bước cực rotor bằng 0,3 đến 0,5. Các tác giả kết luận: tỉ số góc cực stator/ bước cực stator và tỉ số góc cực rotor/ bước cực rotor đều bằng 0,4 thì SRM 12/10 có độ nhấp nhô mômen nhỏ nhất. 1.6 Một số nhận xét và đề xuất nghiên cứu SRM - Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng là phương pháp phần tử hữu hạn và thuật toán tính toán tối ưu GA, được mô phỏng bằng các phần mềm như Ansys Maxcell, Matlab. Các phương pháp nghiên cứu này là các phương pháp nghiên cứu hiện đại, nếu các thông số mô phỏng được tính toán lựa chọn đúng với thông số thực của SRM thì có tính chính xác cao. Vì vậy, trong luận án tác giả cũng sử dụng các phần mềm Ansys Maxcell, Matlab, sử dụng FEM để nghiên cứu và kiểm chứng các kết quả thông qua một số so sánh thực nghiệm. - Các nghiên cứu được công bố đều phân tích nhấp nhô mômen phụ thuộc vào dạng sóng dòng điện, điện áp, số cực rotor và stator, hình dáng và kích thước cực stator, rotor. Tuy nhiên ảnh hưởng của góc cực rotor đến biên độ các sóng hài mômen hay nhấp nhô mômen và quan 4
hệ ràng buộc giữa góc đóng, góc mở dòng điện đến đặc tính mômen thì chưa được xem xét cụ thể. Kế thừa các kết quả tổng quát trên, luận án đề xuất hướng nghiên cứu: phân tích ảnh hưởng ảnh hưởng của tỉ lệ góc cực/ bước cực stator, rotor đến mômen trung bình; ảnh hưởng của góc cực rotor đến độ nhấp nhô mômen và mối quan hệ giữa góc đóng, góc mở dòng điện với góc cực stator, rotor nhằm cải thiện mô men trung bình và độ nhấp nhô mô men trong SRM ba pha. SRM 3 pha trong nghiên cứu sử dụng động cơ với số cực stator là bội của 3: 6/4 và 12/8, vì loại động cơ này được sử dụng phổ biến (chiếm đến 70% số lượng các động cơ từ trở). 1.7 Kết luận chương 1 Nội dung chương đã giới thiệu lịch sử phát triển SRM, ưu nhược điểm; ứng dụng của SRM trong các hệ thống truyền động và phân tích tổng quan về tình hình nghiên cứu về SRM hiện nay, từ đó đề xuất nội dung nghiên cứu của luận án. SRM hiện nay là một trong những loại động cơ có xu hướng sử dụng nhiều cho những truyền động tốc độ cao, có yêu cầu điều chỉnh tốc độ dễ dàng, trong phạm vi rộng, gọn nhẹ. SRM ứng dụng cho xe điện có nhiều ưu điểm nổi bật như chi phí chế tạo thấp, mômen khởi động lớn, dải tốc độ làm việc rộng, kết cấu nhỏ gọn, tuổi thọ cao. Do sự phát triển của công nghệ bán dẫn và vi điều khiển nên việc thiết kế chế tạo bộ điều khiển cho SRM vốn trước đây chiếm phần đầu tư đáng kể trong sản phẩm SRM thì nay đã trở nên dễ dàng. Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước chủ yếu liên quan đến việc giảm độ nhấp nhô mômen và độ rung, ồn ở động cơ SRM, bằng cách tối ưu thông số thiết kế ở stator, rotor và hoàn thiện phương pháp điều khiển. Trên phương diện cải thiện kết cấu stator, rotor của động cơ thì phần lớn các nghiên cứu tập trung vào cải thiện hình dáng cực rotor; đề xuất gắn nam châm vĩnh cửu trên gông hay cực stator. Các cấu trúc SRM 8/6; 12/8; 6/4 thì được đề cập đến nhiều hơn so với cấu trúc SRM có nhiều cực stator/rotor như 12/10, 8/10; 16/20; 16/24; 36/24. Các kết quả nghiên cứu đa dạng nhưng mang tính chuyên dụng, tính toán tối ưu đều áp dụng cho một kích thước, kết cấu SRM nhất định, khó kết hợp để khắc phục các nhược điểm từng phương pháp. 5
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH TOÁN SRM 2.1 Kết cấu SRM 2.2 Đặc điểm bộ điều khiển SRM 2.3 Nguyên lý hoạt động của SRM Nguyên lý hoạt động của SRM không dựa vào sự tương tác từ trường, dòng điện rotor để tạo ra mômen quay mà dựa trên nguyên tắc “từ trở tối thiểu”, nghĩa là từ thông luôn đóng dọc trục theo đường đi với từ trở nhỏ nhất, do đó tạo là lực kéo, kéo rotor quay, hình thành mômen điện từ cho tính chất từ trở. 2.4 Lựa chọn số cực stator và rotor 2.5 Giới hạn của góc cực stator và rotor Góc cực stator βs và rotor βr được định nghĩa theo bề rộng mặt cực stator ts và rotor tr: ts t  s = 2 arcsin ;  r = 2 arcsin r (2.3) Dis Dis Để đảm bảo yêu cầu về đặc tính khởi động thì góc cực rotor và stator cần được tính toán lựa chọn trong giới hạn[1]: 2 min(  s ,  r )  (2.4) m.N r 2 s  − r (2.5) Nr r  s (2.6) 2.6 Mômen của SRM 2.6.1 Nguyên lý phát sinh mômen Khi đó mômen pha của động cơ SRM là: W f' 1 2 L T= = .i (2.25)  2  Và mômen tổng của động cơ chính là tổng mômen các pha dây quấn. k T =  Tk (2.26) m =1 Mômen phụ thuộc biến thiên của điện cảm theo vị trí rotor. Mômen tỷ lệ thuận với bình phương dòng điện. Hướng quay của động cơ phụ thuộc vào thứ tự cấp dòng điện kích thích trên các cực stator. Ở sườn lên của điện cảm, biến thiên của điện cảm theo vị trí rotor dương 6
(dL/dθ > 0) thì phát sinh mômen dương (chế độ động cơ). Ở sườn xuống của điện cảm, biến thiên điện cảm theo vị trí rotor âm (dL/dθ < 0) thì phát sinh mômen âm (chế độ máy phát) (hình 2.16). 2.6.2 Đặc tính mômen – tốc độ của SRM Hình 2.20 Đặc tính mômen - tốc độ của SRM [63] 2.7 Mômen trung bình và nhấp nhô mômen Giá trị mômen trung bình SRM được tính như sau:  1 k m Tavg =  T ( , i) dt  k  k =1 k (2.27) 0 Độ nhấp nhô mômen được định nghĩa như (2.9) và được tính: Tripple = Tmax − Tmin (2.28) Tỉ lệ phần trăm nhấp nhô mômen so với mômen trung bình được tính là: Tmax − Tmin % Tripple = (2.29) Tavg 2.8 Mô hình toán của động cơ SRM  dia     ua   Rs 0 0  ia   La M ab M ac   dt  u  =  0 Rs 0  ib  +  M ba Lb   dib  M bc   b      dt  uC   0    0 Rs   ic   M ca    M cb Lc     di  c  dt     dLa dM ab dM ac  (2.40)  d d d   i    a dM bc    +  dM ba dLb ib  d d d       ic     dM ca dM cb dLc   d  d d   7
Mômen động cơ sinh ra được tính bằng tổng mômen các pha: m T =  Tk ( , i) (2.41) k =1 Trong đó; m là số pha của SRM Phương trình cân bằng mômen: J d T = Tl + T fr + (2.42) N r dt Trong đó: T là mômen điện từ của động cơ; Tl là mômen tải; Tfr là mômen ma sát; J mà mômen quán tính; Nr là số cực rotor và ω là tốc độ góc. Khi rotor quay với tốc độ n ta có: d  = 2. .n = (2.43) dt 2.9 Xây dựng mô hình SRM trên Matlab Simulink Mô hình tổng thể của SRM được thiết lập từ mô hình trên từng pha của động cơ. Mô phỏng SRM ba pha 6/4: Hình 2.24.Mô hình ba pha SRM Kết quả phân tích mô hình Matlab Simulink: 8
Hình 2.25 Đặc tính từ thông theo Hình 2.26 Hỗ cảm pha C vị trí rotor và dòng điện tác động lên pha A. Hình 2.27 Hỗ cảm pha B tác Hình 2.28 Đặc tính mômen động lên pha A tĩnh theo vị trí rotor và dòng điện 2.10 Kết luận chương 2 SRM là loại động cơ có kết cấu đơn giản, hoạt động trên nguyên tắc “từ trở tối thiểu”, mômen điện từ của động cơ này có tính chất từ trở. Động cơ có thể làm việc ở cả chế độ động cơ và chế độ máy phát. Mômen của động cơ hình thành trong quá trình điện cảm biến thiên từ vị trí lệch trục hoàn toàn của cực rotor và cực stator đến vị trí đồng trục hoàn toàn. SRM có độ nhấp nhô mômen lớn do kết cấu bản thân động cơ và do động cơ hoạt động trên cơ sở phải đóng, cắt chuyển mạch dòng điện giữa các pha dây quấn. Mô hình toán SRM được xây dựng trên phần mềm MATLAB/Simulink. SRM được mô hình hóa bằng hệ các phương trình điện áp, từ thông, mômen. Thông qua mô hình toán có thể mô phỏng các đặc tính điện cảm, mômen của SRM. Các kết quả mô phỏng cho thấy điện cảm và mômen của SRM là hàm của cả vị trí góc quay rotor và dòng điện; hỗ cảm ảnh hưởng giữa các pha rất nhỏ; khi dòng điện tăng cao, mạch từ đến trạng thái bão 9
hòa, lúc này dòng điện tăng nhưng từ thông lại không đổi; mômen tăng tỉ thuận với dòng điện. CHƯƠNG 3 . MÔMEN TRUNG BÌNH VÀ NHẤP NHÔ MÔMEN TRONG SRM 3.1 Phân tích và tính toán điện cảm 3.1.1 Quan hệ giữa điện cảm và vị trí rotor 3.1.2 Tính toán điện cảm cực đại Lmax và điện cảm cực tiểu Lmin 3.1.2.1 Phương pháp tính toán chung 3.1.2.2 Tính toán điện cảm cực tiểu Lmin Lmin = Lu1 + Lu2 + Lu3 + Lu4+ Lu5 + Lu6 + Lu7 (3.6) 2.N .2 2N 2 Lu 2 = = (3.42) i 2(R sy 2 + Rg 2 + Rrp 2 ) + Rrp 2 + Rsy 2 N . 23  w3 N2 Lu 3 = =2 =2 2 ( Rsp 3 + Rg 3 + Rrp 3 ) + ( Rry 3 + Rsy 3 ) i i (3.56) w.(24 ) w2 Lu 4 = =2 2 ( Rsp 4 + Rg 4 + Rrp 4 ) + ( Rry 4 + Rsy 4 ) i (3.70) w.25 w2 Lu 5 = =2 i 2 ( Rsp 5 + Rg 5 + Rrp 5 ) + ( Rry 5 + Rsy 5 ) (3.88) 3  4  ( w.6 )  8 =3 w2 (3.98) Lu 6 = i 2 2 Rsp 6 + Rg 6 + Rsy 6 1 w.7 2w 2 Lu 7 = 8. = (3.103) 4 i Rsp 7 + Rg 7 + Rsy 7 3.1.2.3 Tính toán điện cảm cực đại Lmax Lmax = La1 + La 2 (3.105) w.a w 2 La1 = = i 2  Rsp1 + Rg1 + R p1  + R y1 + Rsy1 (3.114)   2 2 3 w2 La 2 = (3.117) 4 Rsp 7 + Rg 7 + Rsy 7 3.1.3 Phân tích đặc tính của điện cảm theo vị trí góc quay rotor Giả thiết độ từ cảm của mạch từ phụ thuộc vào độ lớn khe hở không khí, khe hở không khí thay đổi tuyến tính từng phần theo vị trí góc 10
rotor. Điện cảm có dạng tuyến tính từng phần theo vị trí góc góc rotor như Hình 3.15. Đặc tính điện cảm được chia thành các vùng: Vùng 1: 0    1 và 5    1 ; Vùng 2 1     2 ;Vùng 3:  2    3 ;Vùng 4: 3     4 ; Vùng 5:  4    5 . Hình 3.15 Đặc tính tuyến tính của điện cảm theo vị trí rotor Sự biến thiên của điện cảm hoàn toàn phụ thuộc vào dòng điện và vị trí góc rotor. Với một giá trị dòng điện không đổi so với vị trí góc quay rotor, điện cảm biến thiên theo vị trí góc rotor có dạng tuần hoàn với chu kì là một bước cực rotor 2 . Điện cảm L(θ) được tính tại các Nr vùng 1, 2,3,4,5 như sau:  L 0
2 / N r Nr n.2 Ln =   0 L( )cos(n.N r . + 3 ) d 1 2 Nr n.2 N n.2 =  L( )cos(n.N r . + 3 )d + r  0  L( )cos(n.N . +  r 3 ) d 1 3 4 Nr n.2 N n.2 +  L( )cos(n.N r . + 3 )d + r  2  L( )cos(n.N . +  r 3 ) d 3 (3.122) 2 / N r Nr n.2 +   4 L( )cos(n.N r . + 3 ) d 4( Lmax − Lmin ) 1 n.2 1 n.2 = (−1) n sin( nN r  r + ).sin( nN r  s + ) n 2 . N r . s 2 3 2 3 4( Lmax − Lmin )  r − s  + s  (−1) n cos(nN r − cos(nN r r ) n . N r . s  2 2 2  Xét với SRM 12/8, 1500 vòng/ phút, I = 50 A có kết quả như bảng 3.1 Bảng 3.1 Bảng tính toán giá trị điện cảm Ln n 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Ln 1,487 0,123 0,731 0,013 0,169 0,321 0,011 0,196 0,159 0,007 0,161 3.2 Ảnh hưởng góc cực rotor đến nhấp nhô mômen Mômen tổng của SRM được biểu diễn dưới dạng Fourier như sau: T = T0 + T3cos3( + 3 ) + T6cos6( + 6 ) + T9cos9( + 9 ) + T12cos12( + 12 ) (3.124)  L .N . L (2 − N r  r )  2 r − s r + s T0 =  max r r + min  2i .sin( 2 ).sin( 2 ) (3.125)  2 2  2i 2 ( Lmax − Lmin )   − s  + s  T3 = cos(3N r r − cos(3.N r . r ) (3.126) 3. .N r . s   2 2  2i 2 ( Lmax − Lmin )   − s  + s  T6 = cos(6N r r − cos(6.N r . r ) (3.127) 6. .N r . s   2 2  2i 2 ( Lmax − Lmin )  r − s  + s  T9 = cos(9N r − cos(9.N r . r ) (3.128) 9. .N r . s  2 2  2i 2 ( Lmax − Lmin )   − s  + s  T12 = cos(12.N r r − cos(12.N r . r ) (3.129) 12. .N r . s   2 2  Xét SRM 12/8 có βs =150, βr = 160 ÷220 Bảng 3.2. Kết quả tính toán biên độ sóng hài mômen SRM 12/8 với I =50A. 12
Lmax Lmin T0 T3 T6 T9 T12 βr (mH) (mH) (Nm) (Nm) (Nm) (Nm) (Nm) 160 1,434 0,215 7,318 1,158 0,632 0,214 0,229 0 17 1,480 0,218 7,082 0,402 0,297 0,210 0,050 0 18 1,504 0,229 7,547 0,286 0,450 0,239 0,008 190 1,545 0,238 7,219 0,499 0,541 0,309 0,098 0 20 1,570 0,246 7,374 0,563 0,526 0,163 0,186 0 21 1,584 0,254 7,124 0,910 0,531 0,250 0,502 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 3.3.1 Xét với SRM 6/4 Kết quả phân tích sự thay đổi của mômen trung bình khi thay đổi tỉ số góc cực stator/ bước cực stator và tỉ số góc cực rotor/ bước cực rotor của SRM 6/4 như hình 3.16; 3.17; 3.18. 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 Hình 3.17 Quan hệ mômen Hình 3.18 Quan hệ mômen trung bình cực đại với tỉ lệ góc trung bình cực đại với tỉ lệ góc cực stator/ bước cực stator SRM cực rotor/ bước cực rotor SRM 6/4 6/4 Với SRM 6/4 mômen trung bình cực đại nằm trong khoảng αr = 0,25 ÷ 0,40 và αs = 0,4 ÷ 0,55 là cao nhất. 13
3.3.2 Xét với SRM 12/8 Kết quả về sự thay đổi của mômen trung bình theo tỉ lệ góc cực stator, rotor/ bước cực stator rotor như hình 3.19; 3.20; 3.21. 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 Hình 3.20 Quan hệ mômen trung Hình 3.21 Quan hệ mômen bình cực đại với tỉ lệ góc cực trung bình cực đại với tỉ lệ stator/ bước cực stator SRM 12/8 góc cực rotor/ bước cực rotor SRM 12/8 SRM 12/8 tỉ số góc cực stator/ bước cực stator αs = 0,45 ÷ 0,55 và tỉ số góc cực rotor/ bước cực rotor αr = 0,35 ÷ 0,45 có mômen trung bình cực đại tốt nhất. 3.4 Ảnh hưởng của góc mở dòng điện đến đặc tính mômen Gọi α là góc lệch giữa thời điểm bắt đầu cấp dòng cho pha dây quấn θon (Turn on) và góc mà tại đó cực rotor và cực stator hoàn toàn không trùng khớp θu, ta có: a − (r +  s ) = (3.132) 2 Khi đó thời điểm bắt đầu cấp dòng điện vào pha dây quấn – góc θon được tính như sau: on 0 = u −  (3.133) Góc mở dòng điện (Turn on) cần phải thỏa mãn điều kiện: 14
a − (r +  s )   on  u (3.134) 2 Và góc đóng dòng điện (Turn off) được lựa chọn sao cho tổng góc dẫn dòng điện θdwell luôn nhỏ hơn hoặc bằng một nửa bước cực rotor. 1800   r −  s  u   dwell =  off −  on  −  (3.135) Nr  2  Góc đóng, mở dòng điện thỏa mãn điều kiện (3.134) và (3.135) thì SRM không bị phát sinh mômen âm trong quá trình sinh mômen của động cơ. Xét với mô hình SRM 6/4 với các trường hợp khác nhau của góc mở dòng điện ta có kết quả sau: a. Trường hợp I với góc cực stator βs = 300; góc cực rotor βr = 310 d) góc mở θon = 30,50 a) góc mở θon = 290 b) góc mở θon = 29,50 e)góc mở θon = 310 c) góc mở θon = 300 f) góc mở θon = 31,50 Hình 3.25 Đặc tính mômen khi βs = 300, βr = 310, góc θon biến thiên b. Trường hợp II với góc cực stator βs = 300; góc cực rotor βr = 320 d) góc mở θon = 310 a) góc mở θon = 29,50 15
b) góc mở θon = 300 e) góc mở θon = 31,50 c) góc mở θon = 30.50 f) góc mở θon = 320 Hình 3.26 Đặc tính mômen khi βs = 300, βr = 320, góc θon biến thiên a) góc mở θon = 300 d) góc mở θon = 31,50 b) góc mở θon = 30,50 e) góc mở θon = 320 f) c) góc mở θon = 31 0 góc mở θon = 32,50 Hình 3.27. Đặc tính mômen khi βs = 300, βr = 330, góc θon biến thiên c. Trường hợp III với góc cực stator βs = 300; góc cực rotor βr = 330 Đặc tính mômen không có điểm âm khi: góc cực stator βs =300, βr =310 thì θon = 30,50; với βs =300, βr =320 thì θon = 310 và với βs =300, βr =330 thì θon = 31,50. 3.5 Kết luận chương 3 Phân tích điện cảm, mô men dưới dạng triển khai Fourier để xét biên độ các sóng hài điện cảm khi thay đổi góc cực rotor. Sóng hài mômen SRM ba pha chủ yếu là bậc 3, bậc 6, bậc 9,.., các bậc sóng hài đều là bội của 3, là bội của số pha dây quấn stator. Mômen trung bình và nhấp nhô mômen thay đổi một cách phi tuyến theo sự tỉ lệ góc cực stator/ bước cực stator và tỉ lệ góc cực rotor/ bước 16
cực rotor. Với SRM 6/4 có: tỉ lệ góc cực stator/ bước cực stator αs = 0,4 ÷ 0,55; αr = 0,25÷ 0,40 thì có mômen trung bình lớn. Với SRM 12/8: tỉ số góc cực stator/ bước cực stator αs = 0,45 ÷ 0,55 và tỉ số góc cực rotor/ bước cực rotor αr = 0,35 ÷ 0,45 thì đạt được giá trị mômen trung bình cao nhất. Góc đóng, góc mở dòng điện là một hàm của góc cực stator và góc cực rotor. CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 4.1 Mô phỏng, phân tích sóng hài mômen theo sự thay đổi góc cực rotor với SRM 6/4 Hình 4.1 Mô hình 2D SRM Hình 4.2 Biên độ và góc pha các 6/4 sóng hài mômen SRM 6/4 với βS = 300, βR=300 Hình 4.3 Biên độ và góc pha Hình 4.4 Biên độ và góc pha các các sóng hài mômen SRM 6/4 sóng hài mômen SRM 6/4 với βS với βS = 300, βR=310 = 300, βR=320 17
Hình 4.5 Biên độ và góc pha Hình 4.6 Biên độ và góc pha các các sóng hài mômen SRM 6/4 sóng hài mômen SRM 6/4 với βS với βS = 300, βR=330 = 300, βR=340 Hình 4.7 Biên độ và góc pha Hình 4.8 Biên độ và góc pha các các sóng hài mômen SRM 6/4 sóng hài mômen SRM 6/4 với βS = với βS = 300, βR=350 300, βR = 360 Kết quả phân tích FEM mômen của SRM 6/4 với I =200 A. Bảng 4.1 Kết quả mômen, nhấp nhô mômen và hiệu suất SRM 6/4 Thông Đơn βs =300 βs =300 βs =300 βs =300 βs =300 βs =300 βs =300 số vị βr =300 βr =310 βr =320 βr =330 βr =340 βr =350 βr =360 Mômen trung Nm 19,44 18,75 18,34 18,46 18,00 19,05 19,28 bình Nhấp nhô Nm 12,46 6,99 5,18 5,36 5,1 8,94 10,77 mômen % Nhấp nhô % 64,17 37,37 28,28 29,06 32,96 47,03 55,95 mômen Công suất đầu kW 31,59 30,50 30,46 30,07 29,28 30,95 31,33 vào Công suất đầu kW 29,80 28,77 28,71 28,36 27,58 29,20 29,56 ra Hiệu % 94,34 94,33 94,25 94,29 94,20 94,36 94,37 suất Mômen Nm 18,97 18,31 18,27 18,05 17,55 18,59 18,82 trên trục Khi góc cực rotor bằng với góc cực stator (βS = 300, βR = 30 ) thì có 0 nhấp nhô mômen lớn nhất: 64,17%. Ban đầu góc cực rotor tăng từ 310 đến 340, thì mômen trung bình giảm từ 3,5 % đến 7,4% và nhấp nhô 18