Nghiên cứu đặc tính khởi động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp có xét đến ảnh hưởng của bão hòa mạch từ và hiệu ứng mặt ngoài697

         - 2018         Ngành      - 2018  Tơi xin cam đoan đơy lƠ cơng trình nghiên c u c a riêng Các s li u, k t qu tính tốn trình bày Lu n án trung th c vƠ ch a đ c cơng b b t c cơng trình khác Hà Nội, ngày 12 tháng năm 2018 T P TH TS Bùi Đức Hùng H NG D N KHOA H C PGS TS Nguyễn Anh Nghĩa i Nghiên c u sinh Lê Anh Tuấn  Đ hoàn thành lu n án này, tác gi tr c tiên bày t l i c m n sâu s c nh t đ n hai th y giáo h ng d n khoa h c tr c ti p TS Bùi Đ c Hùng PGS TS Nguy n Anh Nghĩa dành nhi u công s c, th i gian quan tơm, đ ng viên t n tình h ng d n nghiên c u sinh su t trình th c hi n lu n án Tác gi xin chân thành c m n TS Phùng Anh Tu n, TS Bùi Minh Đ nh đƣ h đóng góp Ủ ki n quỦ báu đ nghiên c u sinh hoàn thi n lu n án tr Tác gi chân thành c m n th y, cô B môn Thi t b Đi n - Đi n t , Vi n Đi n Vi n đƠo t o Sau đ i h c - Tr ng Đ i h c Bách khoa Hà N i đƣ t o m i u ki n đ nghiên c u sinh có u ki n thu n l i nh t v th i gian vƠ c s v t ch t trình th c hi n lu n án Tác gi bƠy t l i c m n sơu s c t i Ban Lƣnh đ o toàn th anh/ch Phòng T ch c lao đ ng ti n l ng T ng công ty Đi n l c - TKV n i tác gi công tác đƣ t o m i u ki n đ tác gi thu n l i v th i gian h c t p nghiên c u lu n án Tác gi trân tr ng c m n Công ty C ph n ch t o n c HƠ N i (HEM) đƣ t o m i u ki n cho tác gi công tác gia công ch t o m u th nghi m LSPMSM Tác gi trân tr ng c m n Vi n Nghiên c u qu c t v Khoa h c & K ỹ thu t tính tốn (DASI) đƣ t o u ki n thu n l i cho phép tác gi s d ng ch ng trình ph n m m ANSYS/Maxwell 2D đ th c hi n tốn mơ ph ng FEM cho LSPMSM Tác gi xin g i l i c m n t i b n bè đƣ đ ng viên, giúp đỡ v vào s thành công c a lu n án m i m t góp ph n Cu i cùng, tác gi dành l i c m n t i b mẹ, v đƣ đ ng viên h tr v v t ch t tinh th n cho tác gi nh ng lúc khó khăn, m t m i nh t đ tác gi yên tâm trình nghiên c u, góp ph n khơng nh vào thành cơng c a lu n án Tác giả luận án Lê Anh Tuấn ii  L I CAM ĐOAN i L IC M N ii M C L C iii DANH M C CÁC KÝ HI U VÀ CH VI T T T vi DANH M C CÁC B NG BI U xii DANH M C CÁC HÌNH M TH NH VÀ Đ xiii Đ U ầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầ CH NG T NG QUAN 1.1 L ch s 1.2 phát tri n c a LSPMSM u m c a LSPMSM 1.3 Nh c m c a LSPMSM 1.4 Các nghiên c u n c th gi i v LSPMSM 1.4.1 Các nghiên c u n c 1.4.2 Các nghiên c u th gi i 1.5 K t lu n 13 CH NG MỌ HỊNH TOÁN VÀ MỌ PH NG Đ C TÍNH KH I Đ NG C A LSPMSM 15 2.1 Mơ hình máy n đ ng b t ng quát 15 2.2 Mơ hình tốn LSPMSM 18 2.3 Mô ph ng LSPMSM 21 2.3.1 Mơ ph ng LSPMSM từ mơ hình toán 21 2.3.2 Mô ph ng LSPMSM ph n m m ng d ng ph ng pháp ph n t h u h n 27 2.4 K t lu n 31 CH NG CÁC Y U T NH H NG Đ N Đ C TÍNH KH I Đ NG C A LSPMSM 33 3.1 Các y u t 3.1.1 nh h ng đ n đ c tính kh i đ ng c a LSPMSM 33 nh h ng bão hòa m ch từ đ n n c m từ hóa đ ng b d c tr c ngang tr c Lmd , Lmq 33 3.1.2 nh h ng c a hi u ng m t 53 3.1.3 nh h ng c a bão hòa m ch từ đ n n kháng t n stato, rôto 1, x’ 2x 60 3.1.4 nh h ng c a nhi t đ 64 3.1.5 nh h ng c a tính ch t t i 66 iii 3.2 T ng h p y u t nh h ng đ n đ c tính kh i đ ng c a LSPMSM 69 3.2.1 Mơ hình tốn c a LSPMSM xét nh h ng c a bão hòa m ch từ hi u ng m t 69 3.2.2 S đ MATLAB/Simulink v i m ch từ hi u ch nh đ 3.2.3 K t qu xu t 71 mô ph ng 74 3.2.4 So sánh k t qu mô ph ng v i ph ng pháp t ng h p đ xu t vƠ ph ng pháp ph n t h u h n 76 3.3 Kh o sát nh h ng kích th c NCVC đ n đ c tính kh i đ ng LSPMSM l a ch n kích th c NCVC LSPMSM 2,2 kW 80 3.3.1 LSPMSM v i đ dày NCVC khác 81 3.3.2 LSPMSM v i b r ng NCVC khác 84 3.3.3 L a ch n kích th 3.4 K t lu n ch CH c NCVC cho LSPMSM 2,2 kW 87 ng 87 NG TH C NGHI M VÀ ĐÁNH GIÁ K T QU 89 4.1 Gi i thi u chung 89 4.2 ng d ng LabVIEW Card NI USB-6009 đo đ c tính dịng n t c đ kh i đ ng LSPMSM 89 4.2.1 Gi i thi u ph n m m LabVIEW 89 4.2.2 Card đo l ng NI USB-6009 91 4.3 Mơ hình thí nghi m LSPMSM 92 4.3.1 Đo dòng n 92 4.3.2 Đo t c đ LSPMSM 93 4.4 LSPMSM 2,2 kW th c nghi m 95 4.4.1 C u hình rơto LSPMSM 95 4.4.2 Gia công NCVC 95 4.4.3 Hoàn thi n rôto 96 4.4.4 L p ráp LSPMSM 96 4.4.5 Bàn th nghi m LSPMSM 97 4.5 K t qu mô ph ng vƠ đo l ng đ c tính t c đ vƠ dịng n kh i đ ng LSPMSM ch đ không t i 98 4.5.1 Đ c tính dịng n kh i đ ng 98 4.5.2 Đ c tính t c đ 4.6 K t lu n ch kh i đ ng 99 ng 100 K T LU N VÀ KI N NGH 102 iv TÀI LI U THAM KH O 103 Ti ng Vi t 103 Ti ng Anh 103 DANH M C CÁC CỌNG TRỊNH Đẩ CỌNG B C A LU N ÁN 109 PH L Cầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầ 110 PH L C A 110 PH L C B 130 PH L C C 137 v  Kí hiệu/ Viết tắt Đơn vị A Wb.m-1 Ý nghĩa Vect từ th m Ti t di n h u ích khe h Am m Ti t di n b Asy m2 Ti t di n gông từ stato Ast m2 Ti t di n trung bình stato Ary m Ti t di n trung bình gơng từ rơto m Ti t di n trung bình gơng từ rơto ph n NCVC Ary2 m Ti t di n trung bình gơng từ rơto ph n d Art m2 Ti t di n trung bình rơto a m Chi u r ng vƠnh ng n m ch Ag Ary1 khơng khí m t kh i NCVC i NCVC a1 B B Tesla Tesla S m ch nhánh song song M t đ từ thông M t đ từ thông quy đ i khe h Bg Tesla M tđ từ thông khe h Br Tesla M tđ từ thông d Bsy Tesla M tđ từ thông gông từ stato Bst Tesla M tđ từ thông stato Bry Tesla M tđ từ thông gông từ rôto B ry1 Tesla M tđ từ thơng gơng từ rơto phía kh i NCVC B ry2 Tesla M tđ từ thông gông từ rơto phía d Brt Tesla M tđ từ thơng rơto Bs Tesla M tđ từ thơng bƣo hịa lõi thép rôto b m Chi u cao vƠnh ng n m ch b42 C bh C1 m B r ng mi ng rƣnh rơto H s bƣo hịa H s bi n đ i t ng đ ng rƣnh h stato bƣo hòa m ch H ng rƣnh h rơto bƣo hịa m ch t C2 c c' cv m m s bi n đ i t khơng khí khơng khí NCVC ng đ Chi u dƠy cách n rƣnh Chi u dƠy cách n nêm H s th tích NCVC vi i kh i NCVC D m Đ ng kính stato Dn m m Đ Đ ng kính ngoƠi stato ng kính ngoƠi rơto m Đ ng kính tr c rơto m Đ ng kính trung bình c a vịng ng n m ch m m Đ Đ ng kính dơy d n ng kính dơy d n có k m Đ ng kính đáy trịn nh ng kính đáy trịn l n rƣnh stato D' Dt Dv d dcđ d1 đ n cách n rƣnh stato d2 E0 f m Đ V Hz S c n đ ng c m ng NCVC sinh T n s dòng n stato f2 Hz T ns dòng n rôto F ds A Từ th sinh b i dòngdsi Fg A S c từ đ ng khe h Frt A S c từ đ ng rôto Fst A S c từ đ ng stato F sy A S c từ đ ng gông từ stato F qs A Từ th Fry A S c từ đ ng gông từ rôto Fry1 A S c từ đ ng gơng từ rơto phía kh i NCVC Fry2 A S c từ đ ng gơng từ rơto phía d F ztb FEM g g' g"d A m m m S c từ đ ng trung bình m t rƣnh stato Ph ng pháp ph n t h u h n Chi u dƠi khe h khơng khí Khe h khơng khí t ng đ ng có tính đ n rƣnh stato vƠ r Chi u dƠi khe h khơng khí quy đ i theo tr c d g"q m Chi u dƠi khe h Hc A/m L c kháng từ NCVC Hsy A/m C ng đ từ tr ng gông từ stato Hry A/m C ng đ từ tr ng gông từ rôto Hry1 Hry2 A/m A/m C C ng đ ng đ từ tr từ tr ng gơng từ rơto phía kh i NCVC ng gơng từ rơto phía d i kh i NCVC hr2 m Chi u cao rƣnh rôto hm m Chi u cao kh i NCVC IM IPM khơng khí sinh b i dòngqsi Đ ng c Đ ng c i kh i NCVC khơng khí quy đ i theo tr c q không đ ng b đ ng b NCVC g n chìm vii I đm A Dịng đ nh m c stato i ds A ThƠnh ph n dòng n stato d c tr c i qs A ThƠnh ph n dòng n stato ngang tr c In A Inbh A Ik i as , ibs, i cs A Dòng ng n m ch xét đ n hi u ng m t ngoƠi v i s = Dòng ng n m ch xét đ n bƣo hòa vƠ hi u ng m t ngoƠi v s=1 Dòng n kh i đ ng JR A kg.m2 Dịng n pha A, B, C Mơmen qn tính rơto kC H s Carter Kđ1 k lđ H s đ u n i dơy qu n stato H s l pđ y k dq1 H s dơy qu n stato k H s khe h khơng khí k1 H s khe h khơng khí stato k2 H s khe h khơng khí rơto kfq H s hình dáng từ hóa ngang tr c kfd H s hình dáng từ hóa d c tr c kFe H s ép ch t thép k L(s) H s n c m hi u k R(s) H s n tr kbh H s bƣo hòa kbhx1 H s bƣo hòa n kháng t n stato kbhx2 H s bƣo hịa n kháng t n rơto krl H s qu n r i dơy qu n stato ky1 H s b L1 hi u ng m t ngoƠi ng m t ngoƠi c ng n dơy qu n stato m Chi u dƠi dơy qu n pha stato LSPMSM LPM Ld H Đ ng c đ ng b NCVC kh i đ ng tr c ti p Ph ng pháp mơ hình tham s t p trung Đi n c m đ ng b d c tr c stato Lq Lls Lmd H H H Đi n c m đ ng b ngang tr c stato Đi n c m t n cu n dơy stato Đi n c m từ hóa đ ng b d c tr c Lmq H Đi n c m từ hóa đ ng b L’ lr H Đi n c m t n l ng sóc rơto quy đ i L’ r0 H Đi n c m t ng c a n c m t n t p đ u n i rôto L’ r2 H Đi n c m t n rƣnh rôto xét đ n hi u viii ngang tr c ng m t ngoƠi g - chi u dài khe h khơng khí 0,5 mm A g - ti t di n h u ích c a khe h khơng khí Theo [71], [29] Ag r1.l p Trong đó: - tỷ l gi a cung c c/b c c c, = 0,97; r1 - bán kính stato, r1 = 52 mm; l2 - chi u dài lõi thép rôto, 2l = 70 mm Ag - Từ tr khe h 0,97 52.10 3.70.10 5,5.10 (m2 ) khơng khí: k C.g Ag Rg - Từ tr r1 l2 p 1, 25.0,5.10 .10 5,5.10 8,97.104 kh i nam châm: R m0 lm rec Am Trong đó: lm: Chi u dày c a NCVC,ml = mm; rec đ từ th m t ng đ i c a NCVC, rec = 1,05; A m di n tích c a NCVC A m = wm.l2 = 34.10-3 70.10-3 = 2,31.10-3 (m2 ) R m0 - Từ tr khe h lm rec Am 5.10 .10 7.1,05.2,31.10 1, 64.10 barrier từ đ u c c NCVC: R ml 4.d h2) l r (h1 Trong đó: d = 3,5 mm; h1 = 5,5 mm; h2 = mm R ml - 4.d h2 ) lr (h1 4.3,5.10 .10 70.10 3.(2 5,5).10 Rg R m0 1, 23.105 1, 7.106 0, 0547 R m0 R ml 1, 7.10 2,1.107 0, 0773 132 2,1.107 1/ A B 2.( m ).( r ) Abdg Bs - Trong đó: A bdg = t.lr, t - chi u dài kho ng c u n i, t = mm,bdgA= × 70 = 1,4.10-4 (m2 ); Bs - m t đ từ thơng bão hịa c a lõi thép rôto (Thép B50-A800),s B = 1,88 T; Br - m t đ từ d c a NCVC, v i NCVC NdFeB-N35 r =B1,2 T 1/ 1/ 0,0547 A B 2,31.10 2.( m ).( r ) Abdg Bs 1, 4.10 -M tđ từ thông khe h Bg Bg - Biên đ 2.0.0773 1, 231 1, 1,88 khơng khí: C (1 Am / Ag B r ) (1 ) 2, 31/ 5,5 1, 0,3752 T 0, 0547(1 2.0, 0773 4.1, 231) từ thông c B r b n m t c c NCVC sinh ra: Ds lr sin( / 2).B g p M1 - T ng từ thơng móc vòng cu n dây stato NCVC sinh [72]: M M k W N ph M1 4.D.l r k w1.N ph ( ).sin( ).Bg p 4.104.10 3.70.10 ( 0,902.312 0,97 ).sin( ).0,3752 0, 48 2 - S c từ đ ng không t i NCVC sinh [29]: E0 2 k w.N ph .f M1 2 f M 2 50.0, 48 109 V B.3  Ld, Lq đ Đi n kháng từ hóa d c tr c ngang tr c c tính tốn nh sau: ch đ làm vi c xác l p c a LSPMSM 1 [71] xd xad x1 - Đi n kháng từ hóa đ ng b xad d c tr c đ c xác đ nh [71]: 0.D.l r.f (k w1 Nph ) 2 " p gd Trong đó: D = 104 (mm) - đ ng kính c a stato; 133 l2 = 70 (mm) - chi u dài lõi thép rôto; f = 50 (Hz) - t n s ngu n c p; p = - s c p c c; N ph = w1 = 312 - s vòng dây n i ti p m t pha stato; kW1 = 0,902 - h s dây qu n stato; gd ” - chi u dài khe h khơng khí theo tr c d quy đ i gd g g k 1.k ad P m R g k1ad k C g k C h s khe h không khí (k ), kC = 1,25 g k C.g 1, 25.0,5 0, 625 (mm) sin( ) k1ad k1 ) sin( / 2) /2 k ad H sin( s o o o o o Pm 0,97 sin( sin(0,97 ) 0,97 ) 1, 272 sin(0, 97 / 2) 0, 97 / 0, 656 từ d n c a NCVC: rec Am Pm lm từ th m t ng đ i c a NCVC NdFeB-N35 rec = 1,05 đ -7 = .10 (T.m/A) đ t th m chân không l m = (mm) chi u dƠi NCVC theo ph ng ngang A m w m.l wm = 34 (mm) 2l = 70 (mm) A m w m l 34.70 2380 (mm2 ) rec Am lm 1, 05.4 .10 2,38.10 5.10 6,1.10 Từ tr Pg Ag r1 Ag khe h không khígR : A g ' r1.l p D1 104 52 (mm) 2 r1.l 0,97 .52.70 5,55.10 (m ) p 134 Pg Rg Ag g .10 7.5,55.10 0,625.10 3 1,115.10 Rg = 8,97.104 gd g k 1.k ad P m.R g k 1ad 0, 625.10 1, 272.0, 656 1 6,1.10 7.8,97.104 xad 0.D.l.f (k w1.N ph ) 2 p gd xad 6.4 .10 7.104.10 3.70.10 3.50 (0,902.312)2 2,98.10 - Đi n c m từ hóa đ ng b L md xad .f 2,98 10 18, 21 ( ) d c tr c: 18, 21 0,0579 (H) .50 - Đi n kháng đ ng b : xd xad x x = x1 lƠ n kháng t n dây qu n stato đƣ xác đ nh KĐB, x1 = 4,1 (Ω) Đi n kháng đ ng b d c tr c: xd xad x Ph 18, 21 4,1 22,31( ) 2 [71] xq xaq x xaq 0.D.l.f (k w1 Nph )2 p 2.g"q Trong đó: gq g k 1aq Theo [71] sin( ) k 1aq 0, 625 0,94 0,97 sin(0,97 ) 0,94 gq g k 1aq xaq 0.D.l.f (k w1 Nph )2 " p gq xaq 6.4 .10 7.104.10 3.70.10 3.50 (0,902.312)2 22 0,665.10 0, 665 (mm) 135 81, 73 ( ) l c A đ ng c Đi n c m từ hóa ngang tr c: L mq Đi n kháng đ ng b xq x aq 81,73 0, 26 (H) .50 .f ngang tr c: x aq x 81,73 4,1 85,83 ( ) 136 C  md, Lmq C.1 TÍNH TỐN   CLmq 1.1 Diện tích gơng từ stato A sy h g1.l1 Trong đó: hg1 - chi u cao gông stato, hgs = 16 mm; l1 - chi u dài stato: 1l = 70 mm A sy h g1.l 16.70 1,12.10 m 1.2 Chiều dài gông từ stato Lsy chi u dƠi trung bình đ L sy ng từ thơng gơng từ stato R so (R si h r1) Trong đó: Rso - bán kính ngồi lõi s t stato, Rso = 85 mm; Rsi - bán kính lõi s t stato, R si = 52 mm; hr1 - chi u cao th c t stator,r1h= 17 mm L sy R so R si h r1 / 85.10 52.10 17.10 1.3 Diện tích phần lõi sắt rơto A ry dr1 R D ).l 2 7,5 32,5.0.785 ( ).70 1.16.10 ( m2 1.4 Chiều dài phần gông từ rơto Theo tính tốn lry = wm /2 = 34/2 = 17 mm 1.5 Diện tích khe hở khơng khí Ag R siL1 2p Trong Rsi bán kính stato, Rsi = 52 mm Ag R si l / 2p 52.10 3.70.10 / 2,8.10 m 2.2 137 / 60,5 mm 1.6 Chiều dài stato lst h r1 17,02mm 1.7 Chiều dài rôto lrt = hr2 = 19 mm 1.8 Mật độ từ thông gông stato Bsy A g.B g A sy 1.9 Mật độ từ thông gông rôto Bsy A g.B g A ry 1.10 Mật độ từ thông stato Bz1 Bg l1 t bz1 l1 kc B g t bz1 kc Trong đó: t1 - b c rãnh stato,1t đƣ tính kc - h s b z1 - b r ng stato m c A,1 = t 9,07 mm; ép ch t lõi s ct,=k 0,97; b ' z1 (D 2.h 41 d1) d1 Z1 Trong đó: ng kính stato, D = 104 mm; D: lƠ đ h41 = 0,5 mm; d1 = mm; Z1 s rãnh stato, Z1 = 36 b ' z1 (104 2.0,5 5) 4,6 mm 36 b '' z1 [ D 2.(h 41 h12 )] d2 Z1 Trong đó: h12 = 11,42 mm; d2 = 6,5 mm b '' z1 [ D 2.(h 41 h12 )] d2 Z1 [104 2.(0,5 11, 42)] 6, 25 4,9 mm 36 138 B r ng trung bình stato bz1 bz1 b z1 H s 4,6 4,9 4,75 stato z1 bz1 t1 4, 75 9,07 0,52 Chi u cao stato d2 17,02 1.11 Mật độ từ thông rôto Theo [11] h ' z1 h r1 Bg l2 t2 B z2 bz l2 kc 6,5 14,85 mm Bg t2 bz kc Trong đó: t2 - b c rãnh rơto,2tđƣ tính kc - h s bz2 - b r ng rôto chuyên đ 2,2 t= 11,55 mm; ép ch t lõi s t, kc = 0,97; b ' z1 1/3 chi u cao .(D' d1 2.h 42 ) d2 Z2 Trong đó: D’ lƠ đ ng kính ngoƠi rơto, D’ = 103 mm; d1 = 5,5 mm; h42 = 0,5 mm; Z2 s rãnh rôto, Z2 = 28 b ' z1 b '' z2 (D' d 2.h 42 ) d1 Z2 (103 5,5 2.0,5) 5,5 5,32 mm 28 (D' 2.h r d ) d2 Z2 Trong đó: hr2 = 19 mm; d2 = 2,5 mm b '' z (D' 2.h r d ) d2 Z2 (103 2.19 2,5) 2,5 5, 07 mm 28 139 b 'z b ''z 2 rôto bz2 H s z2 b z2 t2 5,32 5, 07 5, 11,55 5, mm 0, 45 Chi u cao rôto h ' z h r2 d2 19 2,5 18,17 mm 1.12 Sức từ động khe hở khơng khí Fg Bg g e 1.13 Sức từ động gông stato Fsy = B_H_G(Bsy ).Lsy 1.14 Sức từ động stato Fsy = B_H_R(Bst).Lst 1.15 Sức từ động gông rôto Fry = B_H_G(Bry).Lry 1.16 Sức từ động rôto Fry = B_H_R(Brt).Lrt T MATLAB 2.1 Hàm tính tốn đặc tính B-H thép kỹ thuật điện B50_A800 function [H] = B_H_B50_A800( B ) %UNTITLED2 Summary of this function goes here % Detailed explanation goes here %UNTITLED Summary of this function goes here % Detailed explanation goes here B_B50A800=[0 0.14 0.3 1.38 1.48 1.52 1.56 1.68 1.745 1.8 1.865 2.02 2.085 2.1]; H_B50A800=[0 50 100 300 500 700 1000 3000 5000 7000 10000 30000 60000 100000]; i=1; H=0; while B_B50A800(i)