Nghiên cứu ảnh hưởng số răng rãnh rôto đến hiệu suất và hệ số công suất ở chế độ xác lập động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp

Bài viết Nghiên cứu ảnh hưởng số răng rãnh rôto đến hiệu suất và hệ số công suất ở chế độ xác lập động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp nghiên cứu ảnh hưởng của số lượng răng rãnh rôto đến thông số vận hành của động cơ có công suất 2,2 kW, 3 pha, bốn cực được cải tiến từ động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 11, 2020 11 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG SỐ RĂNG RÃNH RÔTO ĐẾN HIỆU SUẤT VÀ HỆ SỐ CÔNG SUẤT Ở CHẾ ĐỘ XÁC LẬP ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU KHỞI ĐỘNG TRỰC TIẾP STUDYING EFFECT OF ROTOR SLOT NUMBERS ON EFFICIENCY AND POWER FACTOR OF LINE START PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTORS IN STEADY STATE Lê Anh Tuấn1, Bùi Minh Định2, Phạm Văn Tuấn3 Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội; leanhtuan0985@gmail.com Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; dinh.buiminh@hust.edu.vn Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh; tuanvp.bk@gmail.com Tóm tắt - Động đồng nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp với hiệu suất vận hành cao, hệ số công suất xấp xỉ chế độ xác lập giải pháp thay phần cho động không đồng rơto lồng sóc sử dụng phổ biến thời điểm Đối với động này, kết cấu rôto ảnh hưởng lớn đến thông số làm việc Với cấu hình rơto, bên cạnh lựa chọn kích thước rãnh lựa chọn số lượng rãnh thích hợp cần phải tính đến Vì vậy, báo nghiên cứu ảnh hưởng số lượng rãnh rôto đến thông số vận hành động có cơng suất 2,2 kW, pha, bốn cực cải tiến từ động không đồng rôto lồng sóc Từ kết quả, báo rút số kết luận để nâng cao hiệu suất hiệu số công suất thiết kế lựa chọn số lượng rãnh rôto Abstract - These days, line start permanent magnet synchronous motors with high productivity and high power factor in steady state will be a feasible solution to partially replacing squirrel cage induction motors which are widely used In designing process Beside stator’s configuration, dimension of magnet rod and the type of magnet material, motor‘s productivity and power factor are especially influenced by the rotor’s configuration Therefore, this paper studies the effect of number of rotor slots as one of the aspects of rotor’s configuration on productivity and power factor of a 2,2 kW, phase, pole line start permanent magnet synchronous motor As a result, some good proposals enhancing productivity and power factor of these motors will be extracted Từ khóa - Động đồng nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp; nam châm vĩnh cửu; rãnh; hiệu suất; hệ số công suất Key words - Line start permanent magnet synchronous motors; permanent magnet; slot; productivity, power factor Đặt vấn đề Động không đồng rơto lồng sóc (Squirrel cage induction motor - SCIM) phổ biến lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, sinh hoạt, điều khiển,… chế tạo đơn giản, vận hành tin cậy, phải bảo dưỡng Tuy nhiên, động SCIM lại có nhược điểm hiệu suất thấp, hệ số cơng suất khơng cao Trong xu hướng tiết kiệm điện giới nói chung sách tiết kiệm điện Việt Nam nói riêng địi hỏi giải pháp thay phần động không đồng loại động khác có hiệu suất hệ số công suất cao vận hành Trong dạng động nay, động đồng nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp (Line start permanent magnet synchronous motor - LSPMSM) ngồi ưu điểm dịng động đồng nam châm vĩnh cửu hiệu suất vận hành, hệ số công suất cao, kết cấu nhỏ gọn, vận hành với tốc độ ổn định, thuận tiện vận hành bảo dưỡng,… LSPMSM cịn có ưu điểm khả tự khởi động cấp nguồn, người ta kỳ vọng LSPMSM động hiệu suất cao thay phần cho động không đồng tương lai [1], [2] Đối với LSPMSM, khẳng định có hiệu suất làm việc, hệ số công suất cao, thiết kế khơng tốt thơng số làm việc động khơng đảm bảo chí thấp so với động SCIM Các yếu tố liên quan thiết kế LSPMSM kể đến là: Cấu hình stato, kích thước vật liệu nam châm vĩnh cửu (NCVC), cấu hình rơto, cấu tạo rãnh rơto,… Nghiên cứu tập trung phân tích ảnh hưởng số lượng rãnh rôto đến thông số làm việc LSPMSM pha, 2,2 kW, tốc độ 1.500 vòng/phút cải tạo từ SCIM (SCIM thuộc chủng loại 3K112-S4 Công ty Cổ phần Chế tạo điện Hà Nội) Trong đó, cấu hình stato, kích thước nam châm vĩnh cửu NdFeB-N45, kích thước rãnh rơto giữ nguyên Bài báo nghiên cứu thay đổi số lượng rãnh rôto mô để đánh giá chất lượng vận hành chế độ xác lập động Từ kết đạt được, báo rút số kết luận thiết kế để đảm bảo hiệu suất, hệ số công suất vận hành động Kết nghiên cứu mô 2.1 Mơ hình LSPMSM chế độ xác lập Trong chế độ vận hành xác lập, LSPMSM thường mơ hình hóa tương tự động đồng nam châm vĩnh cửu (Permanet magnet synchronous motor-PMSM) theo trục tọa độ d-q Phía stato, đại lượng pha biến đổi theo hệ trục tọa độ d-q gắn liền với trục rơto theo biến đổi Park [3] Phương trình điện áp LSPMSM [4]: U = E0 +r1I+j Xd Id +Xq Iq (1) U = E0 +r1I+j Xσ I+j Xad Id +Xaq Iq (2) Trong đó: - E0 =j.ω.ψd , d từ thông nam châm vĩnh cửu sinh - r1 điện trở dây quấn stato - X điện kháng tản dây quấn stato; Xad, Xaq điện kháng từ hóa đồng dọc trục điện kháng từ hóa đồng ngang trục Từ phương trình (1), (2), xây dựng đồ thị véctơ điện áp Hình Lê Anh Tuấn, Bùi Minh Định, Phạm Văn Tuấn 12 jIdXad = jIX  Ir1 Tem = E0 jIqXaq q q’ j  d I U E0 U2 1 sinθ+ sin2θ π ns Xd Xq Xd (13) 2.2 Răng rãnh rơto 2.2.1 Cấu hình LSPMSM Động LSPMSM điển hình có cấu tạo stato giống động khơng đồng bộ, rơto có lồng sóc cuộn khởi động Tuy nhiên, LSPMSM khác biệt so với động SCIM động loại có gắn thêm NCVC bề mặt chìm lõi thép rơto Một số cấu hình rơto LSPMSM điển Hình 2, Hình Ef U Pem = π ns Nam châm vĩnh cửu Iq Trục Lõi thép Lồng sóc Id Hình Đồ thị điện áp LSPMSM [4] Từ (1), (2), biến đổi ta được: U = E +j Xs I+Id (r1 +jXad )+Iq (r1 +jXaq ) Uf U Uf U+j(X ad Id Ir1 jX I (3) Cấu hình Cấu hình Cấu hình Hình Một số cấu tạo rôto LSPMSM NCVC gắn bề mặt [5] (4) Xaq Iq ) I = Id + Iq (5) Id = Isinψ ; Iq = Icos ψ Điện áp đầu vào xác định theo trục d-q sau: Usinθ = Id r1 +Iq X q (6) Ucosθ=E0 -Id Xd +Id Xq (7) Trong đó, q góc tải động Cấu hình Cấu hình Cấu hình Hình Một số cấu tạo rơto LSPMSM NCVC gắn chìm [6] Để đánh giá ảnh hưởng số lượng rãnh rôto đến hiệu suất hệ số công suất LSPMSM, báo nghiên cứu LSPMSM pha, 2,2kW, bốn cực thử nghiệm có cấu sau: Các thành phần dòng điện xác định sau: Id = Iq = U (X q cosθ-r1sinθ)-E X q (8) X d X q +r12 U (r1cosθ+X d sinθ)-E R X d X q +r12 (9) Công suất mômen điện từ xác định sau: Công suất đầu vào: Pin [E Iq RI Hình LSPMSM 2,2 kW thử nghiệm Id Iq (X d X q )] (10) Bỏ qua tổn hao lõi thép stato, công suất điện từ xác định công suất đầu vào trừ phần công suất hao điện trở cuộn dây stato: Công suất tổn hao cuộn dây stato: Pw r1 I r1 (Id2 Iq2 ) (11) Công suất điện từ Pem =Pin -ΔPw =3[E0 Iq -Id Iq (Xq -Xd )] Mômen điện từ (12) 2.2.2 Răng rãnh rôto Khác với động PMSM thông thường, rôto LSPMSM thường có rãnh (tương tự SCIM) để đặt dẫn lồng sóc [4] Trong giai đoạn mở máy, LSPMSM khởi động động không đồng nhờ có kết cấu lồng sóc Tuy nhiên, kết cấu lồng sóc có tác dụng động mở máy Hiện nay, thiết kế lồng sóc chủ yếu tập trung vào kích thước số lượng rãnh để động có khả khởi động tốt, bên cạnh cần đảm bảo thơng số điều kiện vận hành xác lập Nguyên nhân chủ yếu là, điện trở rôto cao mômen khởi động lớn động dễ khởi động, điện trở rơto nhỏ động ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 11, 2020 khó khởi động chí khơng khởi động với tải cần mômen ban đầu lớn tải Bên cạnh đó, điện trở rơto nhỏ q trình đồng hóa để động vào ổn định với tốc độ đồng dễ dàng so với trường hợp điện trở rôto lớn Về cấu tạo rãnh rôto, người ta thường sử dụng rãnh hình lê thiết kế, với mục đích để giảm thiểu từ trường tản rãnh Trong nghiên cứu, LSPMSM 2,2 kW, pha thử nghiệm có cấu tạo rãnh rơto với kích thước Hình 13 khe hở khơng khí NCVC sinh dạng sóng sức điện động khơng tải phân tích đánh giá chi tiết Các đặc tính có mối liên hệ với trị số sức điện động không tải E0 đại lượng ảnh hưởng đến thông số vận hành động Khi số lượng rãnh rôto khác dẫn đến thay đổi giá trị sức điện động không tải E0 Sự thay đổi kéo theo biến đổi hiệu suất hệ số công suất động chế độ làm việc xác lập báo phân tích chi tiết phần sau Phân bố từ trường, mật độ từ trường khe hở khơng khí dạng sóng sức điện động khơng tải mô LSPMSM 2,2 kW thử nghiệm với Z2=20 sau: Hình Kích thước rảnh LSPMSM thử nghiệm Để đánh giá ảnh hưởng số lượng rãnh rôto đến thông số vận hành LPSMSM chế độ xác lập, báo nghiên cứu số số lượng rãnh rôto khác động thử nghiệm Trong đó, cấu hình stato, kích thước rãnh rơto, kích thước vật liệu NCVC khơng đổi Số rãnh rôto (Z2) thử nghiệm nghiên cứu cụ thể sau: Z2 = 16, 20, 28 36 rãnh Số lượng rãnh rôto phù hợp với dải công suất động thử nghiệm 2,2 kW [7] a) b) c) d) Hình Cấu hình rãnh rơto LSPMSM thử nghiệm a)-16 rãnh, b)-20 rãnh, c)-28 rãnh, d)-36 rãnh 2.3 Phân bố từ trường, mật độ từ trường khe hở khơng khí sức điện động không tải LSPMSM Phương pháp phần tử hữu hạn chứng minh hiệu độ xác giải tốn vi tích phân liên quan đến trường điện từ máy điện Vì báo sử dụng phần mềm Maxwell2D (Version16) ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Elecment MethodFEM) để mô LPMSM chế độ vận hành xác lập Trong mô phỏng, phân bố từ trường, mật độ từ trường Hình Đường từ trường NCVC sinh với Z2=20 Từ Hình thấy, đường từ trường mơ hình thành nên bốn phân vùng từ trường đối xứng Bốn phân vùng thể cực từ tương ứng từ trường NCVC sinh Hình Phân bố mật độ từ trường NCVC sinh với Z2=20 Hình cho thấy, đường phân bố mật độ từ trường khe hở khơng khí lúc khơng phải dạng xung vuông lý tưởng mà bị chia cắt có mặt rãnh stato, rôto Trong điều kiện không tải, từ trường NCVC sinh quét qua cuộn dây stato cảm ứng sức điện động không tải E0 cuộn dây Khi mơ phỏng, đặc tính sức điện động khơng tải cuộn dây có dạng sau: Hình Dạng sóng sức điện động khơng tải E0 với Z 21=20 Lê Anh Tuấn, Bùi Minh Định, Phạm Văn Tuấn 14 Từ Hình 9, nhận thấy, dạng sóng sức điện động khơng tải E0 từ trường NCVC sinh cuộn dây dao động với tần số 50Hz Tuy nhiên, dạng sóng E0 khơng có dạng sin mà dạng điều hịa Đối với LSPMSM thiết kế để vận hành với sóng sin (điện áp, dịng điện có tần số 50Hz) Vì vậy, dạng sóng điều hịa tiếp tục phân tích Fourier (FFT) để tìm giá trị biên độ sức điện động sóng thành phần điều hòa bậc cao kèm Từ giá trị chuỗi mơ tả dạng sóng sức điện động khơng tải thu từ mô phỏng, báo ứng dụng phần mềm MATLAB để phân tích FFT dạng sóng E0 Kết cuối biên độ tần số sóng tần số bội số sóng (như Hình 10 Bảng 1) 180 Z16 Z20 160 Z28 Z36 140 Biên độ (V) 120 100 80 60 40 20 0 100 200 300 400 500 600 TÇn sè (Hz) Hình 10 Phân tích FFT dạng sóng E0 ứng với số lượng rãnh rơto khác Bảng Biên độ sóng điều hịa phân tích FFT Số rãnh rơto Z2=16 Z2=20 Z2=28 Z2=36 Bậc 141,6 160,5 164,5 168,1 Bậc 14,8 20,5 25,9 23,9 Tỷ lệ (%) 10,5 12,8 15,7 14,2 Khi phân tích FFT dạng sóng E0 có số lượng rãnh rơto khác nhận thấy, biên độ thành phần sóng lớn Tuy nhiên, thành phần sóng bậc chiếm tỷ lệ đáng kể so với sóng bậc (lớn Z2=28 tương ứng với 15,7%) Bên cạnh đó, thành phần sóng bậc 9, bậc 11 tồn tại, tỷ lệ nhỏ so với thành phần sóng bậc (lớn 5,4% ứng với Z 2=20) Các thành phần sóng điều hịa bậc cao trình vận hành làm gia tăng tổn hao sắt, tổn hao đồng ảnh hưởng đến chất lượng vận hành động [8] 2.4 Phân tích RMxprt cho LSPMSM với số lượng rãnh rôto khác Để xác định hiệu suất hệ số công suất LSPMSM, báo sử dụng phần mềm Ansys/RMxprt Phần mềm sử dụng phổ biến nghiên cứu lĩnh vực động điện nói chung LSPMSM nói riêng [9], [10] Ở chế chế độ vận hành xác lập, phần mềm ứng dụng để mơ tính tốn hiệu suất hệ số công suất LSPMSM 2,2 kW thử nghiệm với số lượng rãnh rơto khác Kết tính tốn hiệu suất hệ số cơng suất với Ansys/RMxprt Bảng Bảng Hệ số công suất hiệu suất LSPMSM 2,2kW với số lượng rãnh rôto khác Số rãnh rôto Z2=16 Z2=20 Z2=28 Z2=36 Hệ số công suất 0,88 0,92 0,98 0,99 Hiệu suất (%) 89,1 93 93,9 94 Qua kết mô LSPMSM với Ansys/RMxprt kết luận rằng, số lượng rãnh rơto khác hiệu suất hệ số công suất động khác Với LSPMSM 2,2 kW thử nghiệm, số lượng rãnh rơto lớn 20 rãnh độ thay đổi giá trị hệ số công suất tương đối nhỏ, độ thay đổi giá trị hiệu suất không đáng kể Với số rãnh Z2=16 hiệu suất hệ số công suất động bị suy giảm đáng kể Ngun nhân giải thích sau, số lượng tăng dạng sóng E0 chia cắt thành nhiều bậc thang hơn, phân tích FFT biên độ thành phần sóng lớn Trong với số lượng nhỏ dạng sóng E0 “bằng phẳng” biên độ thành phần sóng giảm Cụ thể, Z2=16 thành phần E0 141,6 V thành phần E0 Z2=20 160,5 V, độ thay đổi 11,8% Như phân tích Mục 2.1, E0 ảnh hưởng đến hệ số công suất hiệu suất máy điện, thành phần E0 thay đổi dẫn đến hiệu suất hệ số công suất động bị biến đổi theo Như vậy, lựa chọn số rãnh rơto Z2=16 hiệu suất hệ số công suất LPMSM nhỏ đáng kể so với Z220 Lúc này, giá trị hiệu suất hệ số công suất tương ứng 89,1% 0,88 Với kết này, LSPMSM không đạt lớp IE4 theo tiêu chuẩn xếp lớp hiệu suất động xoay chiều hạ áp IEC 60034-30-1 (Bảng 3) Bảng Tiêu chuẩn xếp lớp hiệu suất động xoay chiều hạ áp 2,2 kW, cực theo IEC 60034-30-1 [11], [12] Công suất IE1 IE2 IE3 IE4 2,2 kW 79,7 % 84,3% 86,7 % 89,5 % Kết luận Ở chế độ xác lập, LSPMS động có hiệu suất cao, hệ số công suất lớn (xấp xỉ 1) Tuy nhiên, thông số chịu ảnh hưởng cấu hình thiết kế động Nếu lựa chọn cấu hình rơto, stato, khơng hợp lý dẫn đến hiệu suất hệ số công suất LSPMSM thấp (thậm chí thấp so với động khơng đồng có dải cơng suất) Đối với rơto, bên cạnh xác định kích thước rãnh lựa chọn số lượng rãnh rơto hợp lý phải tính đến Như vậy, việc lựa chọn rãnh rơto lựa chọn kích thước số lượng rãnh để đảm bảo hiệu suất, hệ số cơng suất q trình vận hành xác lập Đối với LPSMSM thí nghiệm 2,2 kW thử nghiệm trên, để đảm bảo hiệu suất số lượng rãnh rôto với Z2  20 hợp lý (đạt lớp IE4) Nhưng tiếp tục đảm bảo hệ số cơng suất (xấp xỉ 1) Z2  28 hợp lý Tuy nhiên, lựa chọn Z2 = 36 khó khăn bố trí, tăng độ phức tạp chế tạo rôto gia tăng nguyên vật liệu lồng sóc Bên cạnh đó, hiệu suất hệ số công suất Z2=36 không tăng nhiều so sánh với Z2=28 Vì vậy, với LSPMSM 2,2 kW Z2=28 rãnh số lượng thích hợp nhất, có hiệu suất đáp ứng lớp IE4 theo ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 11, 2020 tiêu chuẩn IEC 60034-30-1 có hệ số cơng suất lớn (93,9%) Tóm lại, cấu hình rơto ngồi kích thước rãnh người thiết kế cần lựa chọn số lượng rãnh hợp lý nhằm đảm bảo hiệu suất, hệ số cơng suất q trình vận hành đồng thời đơn giản tiết kiệm nguyên vật liệu trình chế tạo [6] TÀI LIỆU THAM KHẢO [7] [1] L S Maraaba, Z M Al-Hamouz, “Mathematical modeling, simulation and experimental testing of interior-mount LSPMSM under stator inter-turn fault”, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol 34 , Issue: , pp 1213 - 1222, Sept 2019 [2] Lê Anh Tuấn, Bùi Đức Hùng, Phùng Anh Tuấn, “Nghiên cứu ảnh hưởng bão hòa mạch từ hiệu ứng mặt ngồi đến đặc tính khởi động động đồng nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ - Đại học Đà Nẵng, số 9(118), trang 63-67, 2017, [3] L S Maraaba, Z M Al-Hamouz, A Milhem, M Abido, “Modelling of interior-mount LSPMSM under asymmetrical stator winding”, IET Electric Power Applications, Vol 12 , Issue: 5, pp 693-700, May 2018 [4] D Stoia, M Cernat, A A Jimoh, D V Nicolae, “Analytical Design and Analysis of Line Starting Permanent Magnet Synchronous Motors”, IEEE Africon’09, 2009, pp.1-7 [5] H Saikura, S Arikawa, T Huguchi, Y Yokoi, T Abe, “Efficiency [8] [9] [10] [11] [12] 15 Improvement of a Self-Start Type Permanent Magnet Synchronous Motor”, IEEE 2014 International Power Electronics Conference, 2014, pp 3007-3011 A.Nekoubin, “Design a Line Start Permanent Magnet Synchronous Motor and Analysis Effect of the Rotor Structure on the Efficiency”, World Academy of Science, Engineering and Technology, International Journal of Electrical and Computer Engineering, Vol:5, No:9, 2011 Trần Khánh Hà, Nguyễn Hồng Thanh, Thiết kế máy điện, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 2002 P Li, J X Shen, W Sun, Y Zhang, “Investigation of LSPMSM with unevenly distributed squirrel cage bars”, International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), 2013 U Demir, M.C Aküner, “Using Taguchi method in defining critical rotor pole data of Lspmsm considering the power factor and efficiency”, Tehnicki Vjesnik 2, 2017 S K Chawrasia, C K Chanda, S Banerjee, “Design and Analysis of In-Wheel Motor for an Electric Vehicle”, IEEE Calcutta Conference (CALCON), 2020 B Tsybikov, E Beyerleyn, P Tyuteva, “Comparison of energy efficiency determination methods for the induction motors”, MATEC Web of Conferences, 2017 V Goman, S Oshurbekov, V Kazakbaev, V Prakht, V Dmitrievskii, “Energy effciency analysis of fixed-speed pump drives with various types of motors”, MDPI, Electrical, Electronics and Communications Engineering, 2019 (BBT nhận bài: 18/8/2020, hoàn tất thủ tục phản biện: 23/11/2020) ... Anh Tuấn, ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng bão hịa mạch từ hiệu ứng mặt ngồi đến đặc tính khởi động động đồng nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp? ??, Tạp chí Khoa học Công nghệ - Đại học Đà Nẵng, số 9(118),... trở rôto cao mômen khởi động lớn động dễ khởi động, điện trở rơto nhỏ động ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 11, 2020 khó khởi động chí khơng khởi động. .. thử nghiệm, số lượng rãnh rôto lớn 20 rãnh độ thay đổi giá trị hệ số công suất tương đối nhỏ, độ thay đổi giá trị hiệu suất không đáng kể Với số rãnh Z2=16 hiệu suất hệ số cơng suất động bị suy