Nghiên cứu kết cấu động cơ từ trở để cải thiện đặc tính mô men TT

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 MƠ MEN Ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 9520201 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KĨ THUẬT ĐIỆN Hà Nội – 2022 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Thế Cơng PGS TS Phạm Văn Bình Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi ………giờ, ngày… tháng… năm… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Hiện với phát triển công nghệ bán dẫn vi điều khiển động từ trở (SRM) quan tâm nhiều ứng dụng công nghiệp hệ thống lượng gió; thiết bị điều khiển tốc độ cao, xe điện, máy nén khí, máy giặt, ứng dụng hệ thống kéo, xe điện động từ trở nghiên cứu sử dụng nhiều hệ thống điện tử Nhược điểm lớn SRM có độ rung ồn nhấp nhơ mơmen lớn Tại Việt Nam nghiên cứu động từ trở hạn chế, việc tính tốn thiết kế hạn chế độ nhấp nhô mômen, nguyên nhân gây ồn, rung ảnh hưởng xấu đến chế độ làm việc SRM Do đề tài “Nghiên cứu kết cấu động từ trở để cải thiện đặc tính mơ men” cấp thiết thời điểm Mục đích luận án + Nghiên cứu ảnh hưởng tỉ lệ góc cực stator / bước cực stator tỉ lệ góc cực rotor / bước cực rotor đến mơmen trung bình SRM pha + Nghiên cứu tác động góc cực rotor đến nhấp nhơ mơmen SRM pha + Đề xuất mối quan hệ ràng buộc góc đóng, góc mở dịng điện với góc cực stator, rotor SRM pha để tránh việc tạo điểm mơmen âm đường đặc tính mơmen dẫn đến làm giảm mơmen trung bình Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án - Ý nghĩa khoa học: + Đánh giá ảnh hưởng tỉ lệ góc cực/ bước cực stator, rotor đến mơmen trung bình góc cực rotor đến nhấp nhơ mơmen SRM pha thơng qua mơ hình tính tốn phân tích, mơ Từ đề xuất cách xác định tỉ lệ góc cực/ bước cực stator, rotor; góc cực stator góc cực rotor nhằm đảm bảo mơmen trung bình lớn đồng thời giảm thiểu nhấp nhơ mơmen thiết kế SRM pha + Góc đóng, góc mở dòng điện cấp cho dây quấn stator hàm góc cực stator góc cực rotor Xác định quan hệ ràng buộc góc đóng, góc mở dịng điện với góc cực stator, rotor giúp cho điều khiển gắn động thiết lập góc đóng, góc mở dịng điện phù hợp cho kết cấu SRM - Ý nghĩa thực tiễn: Kết nghiên cứu giúp ích cho nhà thiết kế, chế tạo SRM đánh giá xác định kết cấu động có mơmen trung bình cao, độ nhấp nhơ mơmen nhỏ Quy luật góc đóng, góc mở giúp cho nhà thiết kế chế tạo SRM đưa dướng dẫn sử dụng để điều chỉnh góc đóng, góc mở dịng điện hợp lý Đối tượng nghiên cứu: SRM pha: SRM 12/8, công suất 1,5 kW, tốc độ 1500 vịng/phút SRM 6/4 cơng suất 30 kW, tốc độ 15000 vòng/phút Phạm vi nghiên cứu Kết cấu stator, rotor động từ trở ba pha để cải thiện mơmen trung bình, nhấp nhơ mơ men Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp, tham khảo tài liệu nước quốc tế Đặt tốn, xây dựng mơ hình hóa động - Sử dụng phương pháp mạch từ tương đương giải tích để nghiên cứu tính tốn xác định điện cảm, mômen Áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn Ansys Maxwell Motor Cad để mơ đặc tính dịng điện, từ thơng mômen SRM - Dùng thực nghiệm kiểm chứng việc lựa chọn thơng số mơ hình, mơ hợp lý, khơng làm kết tính tốn, mơ sai khác với kết thực tế Các kết (mới) dự kiến đạt đề tài - Sử dụng phân tích Fourier mơmen SRM để đánh giá ảnh hưởng góc cực rotor đến độ nhấp nhô mômen SRM đề xuất xác định góc cực rotor hợp lý cho kết cấu SRM pha - Đề xuất cách xác định tỉ lệ góc cực/bước cực stator, rotor nhằm đảm bảo mơmen trung bình lớn đồng thời giảm thiểu nhấp nhơ mơmen thiết kế pha Đưa quy luật tăng giảm mơmen theo tỉ lệ góc cực stator/bước cực stator, tỉ lệ góc cực rotor/bước cực rotor cho SRM 6/4 12/8 Từ tìm giá trị tối ưu tỉ lệ góc cực /bước cực stator, rotor để động đạt mơ men trung bình lớn - Xác định quan hệ góc đóng, góc mở dịng điện với góc cực stator, rotor SRM để tránh việc tạo mômen âm gây hậu giảm mômen trung bình tăng độ nhấp nhơ mơmen CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Lịch sử phát triển SRM 1.2 Ưu điểm 1.3 Nhược điểm 1.4 Ứng dụng SRM 1.5 Các nghiên cứu nước giới SRM Tại Việt Nam, nghiên cứu động từ trở SRM hạn chế Tài liệu [7] (2009), Tạ Cao Minh cộng nghiên cứu xây dựng mơ hình mơ điều khiển SRM 6/4-60kW, tốc độ 3000 vòng/phút Tài liệu [9] (2012), tác giả Bùi Minh Định cộng nghiên cứu tính tốn tổn hao lõi thép SRM 30 kW- 6/4 tốc độ cao đưa phương pháp tối đa hóa mơmen khởi động thơng qua phương án gia tốc cho động Tài liệu [14] (2017), nhóm tác giả Đỗ Thanh Tùng, Bùi Minh Định nghiên cứu thiết kế chế tạo SRM 5,5kW ứng dụng cho máy bơm Thế giới nghiên cứu SRM phong phú đa dạng Các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào hai phương diện: tối ưu hóa kết cấu động tối ưu hóa phương pháp điều khiển Tài liệu [28][29][30] nghiên cứu ảnh hưởng số lượng cực stator, rotor đến nhấp nhô mômen Số cực rotor nhiều số cực stator SRM ln có khả tăng mơmen giảm độ nhấp nhô mômen Tài liệu [31] nghiên cứu ảnh hưởng góc cực stator, góc cực rotor đến mơmen trung bình nhấp nhơ mơmen SRM 8/6 Bằng phương pháp FEM, cho giá trị góc cực rotor SRM 8/6, tác giả ra: với góc cực stator 25º góc cực rotor 30º mơmen trung bình lớn độ nhấp nhơ mơmen nhỏ Tài liệu [34], nhóm tác giả khảo sát mơ hình động 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 nhơ mơmen, tối đa hóa hiệu suất động Với kết cấu SRM 12/8 tác giả góc cực stator 150 đạt hàm mục tiêu: độ nhấp nhô mômen nhỏ nhất, hiệu suất cao Tài liệu [35], nhóm tác giả sử dụng thuật tốn tối ưu GA tính tốn tối ưu góc cực stator góc cực rotor để giảm thiểu nhấp nhơ mơmen Tác giả thực mơ hình SRM 8/6, pha 1,0 kW, 1500 vòng/phút với hàm mục tiêu hai biến từ thông cực đại tỉ số điện cảm đồng trục/ điện cảm lệch trục cực đại Kết tác giả đạt góc cực stator βs = 29.530 góc cực rotor βr = 35.920 có độ nhấp nhơ mơmen giảm cịn 70% so với kết cấu ban đầu βs = 280; βr =320 Tài liệu [36], nhóm tác giả khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ góc cực stator/ bước cực stator tỉ lệ góc cực rotor/ bước cực rotor đến đặc tính mômen tĩnh SRM 6/4 Tác giả khảo sát giá trị tỉ lệ góc cực stator/ bước cực stator khoảng 0,45 đến 0,60 với bước nhảy 0,05 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 0,45 tỉ lệ góc cực stator/bước cực stator 0,5 điểm cực đại đường đặc tính mơmen tĩnh cao nhất; tỉ lệ góc cực rotor/ bước cực rotor 0,6; tỉ lệ góc cực stator/bước cực stator 0,45 điểm cực đại mơmen tĩnh vị trí thấp Tài liệu [37], nhóm tác giả tính tốn thiết kế tối ưu SRM 12/10 bốn pha, sử dụng thuật toán tối ưu GA Nhóm tác giả đặt hàm mục tiêu tối thiểu hóa nhấp nhơ mơmen với hai biến góc cực stator, góc cực rotor Tác giả khảo sát giới hạn: góc cực rotor lớn góc cực stator; tỉ số góc cực stator/ bước cực stator, tỉ số góc cực rotor/ bước cực rotor 0,3 đến 0,5 Các tác giả kết luận: tỉ số góc cực stator/ bước cực stator tỉ số góc cực rotor/ bước cực rotor 0,4 SRM 12/10 có độ nhấp nhơ mơmen nhỏ 1.6 Một số nhận xét đề xuất nghiên cứu SRM - Các phương pháp nghiên cứu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn thuật toán tính tốn tối ưu GA, mơ phần mềm Ansys Maxcell, Matlab Các phương pháp nghiên cứu phương pháp nghiên cứu đại, thơng số mơ tính tốn lựa chọn với thơng số thực SRM có tính xác cao Vì vậy, luận án tác giả sử dụng phần mềm Ansys Maxcell, Matlab, sử dụng FEM để nghiên cứu kiểm chứng kết thông qua số so sánh thực nghiệm - Các nghiên cứu cơng bố phân tích nhấp nhơ mơmen phụ thuộc vào dạng sóng dịng điện, điện áp, số cực rotor stator, hình dáng kích thước cực stator, rotor Tuy nhiên ảnh hưởng góc cực rotor đến biên độ sóng hài mơmen hay nhấp nhô mômen quan hệ ràng buộc góc đóng, góc mở dịng điện đến đặc tính mơmen chưa xem xét cụ thể Kế thừa kết tổng quát trên, luận án đề xuất hướng nghiên cứu: phân tích ảnh hưởng ảnh hưởng tỉ lệ góc cực/ bước cực stator, rotor đến mơmen trung bình; ảnh hưởng góc cực rotor đến độ nhấp nhơ mơmen mối quan hệ góc đóng, góc mở dịng điện với góc cực stator, rotor nhằm cải thiện mơ men trung bình độ nhấp nhơ mô men SRM ba pha SRM pha nghiên cứu sử dụng động với số cực stator bội 3: 6/4 12/8, loại động sử dụng phổ biến (chiếm đến 70% số lượng động từ trở) 1.7 Kết luận chương Nội dung chương giới thiệu lịch sử phát triển SRM, ưu nhược điểm; ứng dụng SRM hệ thống truyền động phân tích tổng quan tình hình nghiên cứu SRM nay, từ đề xuất nội dung nghiên cứu luận án SRM loại động có xu hướng sử dụng nhiều cho truyền động tốc độ cao, có yêu cầu điều chỉnh tốc độ dễ dàng, phạm vi rộng, gọn nhẹ SRM ứng dụng cho xe điện có nhiều ưu điểm bật chi phí chế tạo thấp, mơmen khởi động lớn, dải tốc độ làm việc rộng, kết cấu nhỏ gọn, tuổi thọ cao Do phát triển công nghệ bán dẫn vi điều khiển nên việc thiết kế chế tạo điều khiển cho SRM vốn trước chiếm phần đầu tư đáng kể sản phẩm SRM trở nên dễ dàng Các cơng trình nghiên cứu ngồi nước chủ yếu liên quan đến việc giảm độ nhấp nhô mômen độ rung, ồn động SRM, cách tối ưu thơng số thiết kế stator, rotor hồn thiện phương pháp điều khiển Trên phương diện cải thiện kết cấu stator, rotor động phần lớn nghiên cứu tập trung vào cải thiện hình dáng cực rotor; đề xuất gắn nam châm vĩnh cửu gông hay cực stator Các cấu trúc SRM 8/6; 12/8; 6/4 đề cập đến nhiều so với cấu trúc SRM có nhiều cực stator/rotor 12/10, 8/10; 16/20; 16/24; 36/24 Các kết nghiên cứu đa dạng mang tính chun dụng, tính tốn tối ưu áp dụng cho kích thước, kết cấu SRM định, khó kết hợp để khắc phục nhược điểm phương pháp CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MƠ HÌNH TỐN SRM 2.1 Kết cấu SRM 2.2 Đặc điểm điều khiển SRM 2.3 Nguyên lý hoạt động SRM Nguyên lý hoạt động SRM không dựa vào tương tác từ trường, dòng điện rotor để tạo mômen quay mà dựa nguyên tắc “từ trở tối thiểu”, nghĩa từ thơng ln đóng dọc trục theo đường với từ trở nhỏ nhất, tạo lực kéo, kéo rotor quay, hình thành mơmen điện từ cho tính chất từ trở 2.4 Lựa chọn số cực stator rotor 2.5 Giới hạn góc cực stator rotor Góc cực stator βs rotor βr định nghĩa theo bề rộng mặt cực stator ts rotor tr:  s = arcsin ts t ;  r = arcsin r Dis Dis (2.3) Để đảm bảo yêu cầu đặc tính khởi động góc cực rotor stator cần tính tốn lựa chọn giới hạn[1]: min(  s ,  r )  s  2 m.N r 2 − r Nr r  s (2.4) (2.5) (2.6) 2.6 Mômen SRM 2.6.1 Nguyên lý phát sinh mômen Khi mơmen pha động SRM là: W f' L (2.25) T= = i   Và mơmen tổng động tổng mômen pha dây quấn k T =  Tk (2.26) m =1 Mômen phụ thuộc biến thiên điện cảm theo vị trí rotor Mơmen tỷ lệ thuận với bình phương dịng điện Hướng quay động phụ thuộc vào thứ tự cấp dịng điện kích thích cực stator Ở sườn lên điện cảm, biến thiên điện cảm theo vị trí rotor dương (dL/dθ > 0) phát sinh mơmen dương (chế độ động cơ) Ở sườn xuống điện cảm, biến thiên điện cảm theo vị trí rotor âm (dL/dθ < 0) phát sinh mơmen âm (chế độ máy phát) (hình 2.16) 2.6.2 Đặc tính mơmen – tốc độ SRM Hình 2.20 Đặc tính mơmen - tốc độ SRM [63] 2.7 Mơmen trung bình nhấp nhơ mơmen Giá trị mơmen trung bình SRM tính sau:  k m Tavg = (2.27)  T ( , i) dt  k 0 k =1 k Độ nhấp nhơ mơmen định nghĩa (2.9) tính: Tripple = Tmax − Tmin (2.28) Tỉ lệ phần trăm nhấp nhơ mơmen so với mơmen trung bình tính là: % Tripple = Tmax − Tmin Tavg (2.29) 2.8 Mơ hình tốn động SRM  ua   Rs u  =   b  uC   0 Rs 0  ia   La  ib  +  M ba Rs   ic   M ca  dLa  d  dM ba +   d   dM ca  d dM ab d dLb d dM cb d M ab Lb M cb dM ac  d   i   a dM bc    ib d      ic  dLc  d   dia    M ac   dt  di  M bc   b   dt  Lc     dic   dt  (2.40) Mơmen động sinh tính tổng mômen pha: m T =  Tk ( , i) (2.41) k =1 Trong đó; m số pha SRM Phương trình cân mơmen: T = Tl + T fr + J d N r dt (2.42) Trong đó: T mơmen điện từ động cơ; Tl mômen tải; Tfr mômen ma sát; J mà mơmen qn tính; Nr số cực rotor ω tốc độ góc Khi rotor quay với tốc độ n ta có: d  = 2. n = (2.43) dt 2.9 Xây dựng mơ hình SRM Matlab Simulink Mơ hình tổng thể SRM thiết lập từ mơ hình pha động Mơ SRM ba pha 6/4: Hình 2.24.Mơ hình ba pha SRM Kết phân tích mơ hình Matlab Simulink: rotor Điện cảm có dạng tuyến tính phần theo vị trí góc góc rotor Hình 3.15 Đặc tính điện cảm chia thành vùng: Vùng 1:    1 5    1 ; Vùng 1     ;Vùng 3:     3 ;Vùng 4: 3     ; Vùng 5:     5 Hình 3.15 Đặc tính tuyến tính điện cảm theo vị trí rotor Sự biến thiên điện cảm hồn tồn phụ thuộc vào dịng điện vị trí góc rotor Với giá trị dịng điện khơng đổi so với vị trí góc quay rotor, điện cảm biến thiên theo vị trí góc rotor có dạng tuần hồn với chu kì bước cực rotor 2 Điện cảm L(θ) tính Nr vùng 1, 2,3,4,5 sau:  L  L − L     + s     −  − r  max   + Lu s    N r   L( ) =  Lmax  − Lmax − Lmin   −   +  r −  s   + L    a  s   N r     Lmin  0