69_6059

LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA Xác định tham số điện từ động SRM thông qua thực nghiệm Experimental determination of electromagnetic parameters of the switched reluctance motor Phạm Công Tảo Email: tao.phamcong@gmail.com Trường Đại học Sao Đỏ Ngày nhận bài: 08/01/2020 Ngày nhận sửa sau phản biện: 28/3/2020 Ngày chấp nhận đăng: 30/3/2020 Tóm tắt Bài báo đưa phương pháp xác định tham số điện từ động từ kháng (Switched reluctance motor - SRM) dựa kết đo thực nghiệm Phương pháp đưa xác định phụ thuộc tổn hao lượng chu kỳ từ hóa đảo chiều từ thơng ΔWth(Ψ), lượng sử dụng đóng Wđ cắt Wc pha Chỉ tiêu lượng chế độ làm việc máy điện từ kháng SRM-1.250 kW thay đổi công suất tải xác định Từ khóa: Động từ kháng; tổn hao lượng; tổn hao cơng suất; tiêu lượng; đóng-cắt pha Abstract The paper presents a method to determine the electromagnetic parameters of the switched reluctance motor (SRM) based on experimental measurement data The methods show the dependence of energy losses in magnetic reversal cycle and magnetic flux ΔWth(Ψ), as well as the energy used when switching switch phase Indicators of energy in the different operating modes of the SRM-1.250 kW resistance and changes in power on load are also determined Keywords: Switched Reluctance Motor; loss energy; loss power; energy indicator; switch phase ĐẶT VẤN ĐỀ Máy điện từ kháng có từ thập niên 90 kỷ XIX chưa phát triển Tuy nhiên, phát triển mạnh mẽ công nghệ bán dẫn vi điều khiển, người ta quan tâm tới việc nghiên cứu ứng dụng Máy điện từ kháng nói chung, động từ kháng (SRM) nói riêng thiết kế vật liệu tiêu tốn giảm 1,7 lần so với máy điện thơng thường, cho phép tiết kiệm lượng khoảng 30÷40% Máy phát điện từ kháng có ưu điểm sau: Cấu tạo đơn giản (trong rotor khơng có dây quấn, khơng có tiếp xúc điện chổi than cổ góp), hiệu suất cao, qn tính rotor bé nên kết cấu bền vững phù hợp với máy có tốc độ quay cao, moment khởi động lớn chịu tải ngắn hạn tốt, làm việc tin cậy Khả tối ưu chế độ làm việc theo thay đổi tốc độ tải, thực hệ thống điều khiển tương đối đơn giản [1÷7] Người phản biện: PGS.TS Trần Hoài Linh TS Đỗ Văn Đỉnh Nhiệm vụ đặt qua thực nghiệm mẫu mơ hình SRM - 1.250 kW xem xét phương pháp xác định tiêu lượng chế độ làm việc máy điện từ kháng công suất lớn, xác định giá trị moment quay trục động cơ, công suất đầu vào, đầu máy, hệ số công suất η hệ số biến đổi lượng điện - Việc xác định hình thành dựa gia cơng sóng điện áp dòng điện đo máy điện từ kháng Kết nhận đưa đánh giá tiêu lượng với phương pháp tải tác dụng tương hỗ hai khối SRM Những kết đo trực tiếp giá trị trung bình giá trị hiệu dụng dòng điện điện áp tương ứng dụng cụ đo điện CẤU TẠO CỦA MÁY PHÁT TỪ KHÁNG 2.1 Dạng kết cấu đơn giản máy điện từ kháng Khác với máy đồng thông thường, rotor stator máy phát từ kháng có cực lồi hình Với cấu tạo cực lồi có lợi việc chuyển đổi lượng điện từ Trên cực Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số (68) 2020 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC stator có cuộn dây, cuộn dây cực đối mắc nối tiếp với Tám cuộn dây hình nhóm lại với thành góc pha có chuyển đổi cấp điện độc lập cho pha Rotor gồm nhiều lớp ép lại với mà khơng có cuộn dây nam châm mà giá thành sản xuất rẻ Máy phát hình 1, stator có cực rotor cực a) b) Hình Cấu tạo máy phát điện từ kháng Trên hình 1.a vị trí stator rotor đồng trục (aligned position), hình 1.b vị trí stato rotor lệch trục (unaligned position) Đây cấu tạo sử dụng rộng rãi Tuy nhiên, có máy có cấu tạo với số cực stator rotor khác bội số nói [1] 2.2 Các thơng số hình dạng SRM - 1250 kW Các thông số SRM - 1.250 kW đưa bảng [3] Bảng Các thông số SRM - 1.250 kW Các thông số Công suất định mức (kW) Giá trị 1.250 Số vòng quay định mức (vòng/phút) 190 Điện áp định mức (V) 900 Hiệu suất (%) 96 Đường kính ngồi stator (mm) 2.200 Đường kính rotor (mm) 1.685 Chiều dài khối (mm) 285 Khe hở khơng khí (mm) Số pha Số stator/rotor 24/16 Số mạch nhánh song song Số cuộn dây pha 23 Trên hình hình dạng kết cấu bên ngồi SRM - 1.250 kW [3] Hình Hình dạng cấu trúc bên ngồi máy SRM - 1.250 kW Trong đó: - mặt bích trục đầu máy; - trục đầu máy; 3, - ổ bi, gối đỡ; - vỏ stator máy dạng đứng; 5, - hộp dùng đầu vào cáp cấp nguồn điện cho máy; - nắp đậy cảm biến nhiệt độ; - cảm biến vị trí rotor; 10 - khớp nối công nghệ; 11, 14 - mặt tựa giá đỡ cho ổ bi thứ thứ hai; 12, 16 - mặt tựa thứ thứ hai cho vỏ máy stator; 13 - lỗ gia công vỏ máy stator; 15 - bảng điều khiển vỏ máy, phía máy với nhiều lỗ để thơng gió làm mát; 17 - trụ cột dây để di chuyển máy; 18 - lỗ để ghép nối với giá đỡ [3] XÁC ĐỊNH ĐƯỜNG CONG ĐẢO CHIỀU TỪ HÓA VÀ CÁC CHỈ TIÊU NĂNG LƯỢNG TRONG CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA SRM-1250 kW 3.1 Xác định đường cong đảo chiều từ hóa Để xác định đường cong đảo chiều từ hóa nửa pha máy SRM - 1250 kW vị trí đồng trục, cực lồi stator rotor nằm vị trí mà trục chúng trùng hình 1a Dạng sóng dòng điện điện áp nửa pha bắt đầu đóng cắt nửa pha, giá trị dịng điện Imax = 100 A, Imax = 800 A, hình đưa biểu đồ dòng điện điện áp đóng nửa pha, hình biểu đồ dịng điện điện áp cắt nửa pha với Imax = 100 A Imax = 800 A Điểm đặc biệt dao động lúc đóng Imax = 800 A chỗ giới hạn dòng điện sau hai Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số (68) 2020 LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA xung ngắn điện áp dương dịng điện vượt cao giá trị thiết lập dẫn đến ngắt đồng thời khóa mạch lực dịng điện chạy qua diod ngược (trong sơ đồ hình cầu biến đổi) q trình tiếp đến nửa pha điện áp âm [4,5] Thời gian trạng thái xác định cách cài đặt hệ thống điều khiển q trình đóng lặp lại khóa IGBT (khoảng thời gian ms) Kết dòng điện giảm xuống gần 300 A sau lại tăng giá trị thiết lập dòng điện giới hạn Đây xác định chu kỳ lặp lại hai xung ngắn điện áp Xuất phát từ dạng sóng ban đầu dịng điện i(t) biểu đồ từ thông Ψ(t) ta xây dựng đồ thị Ψ(I), họ đường cong Ψ(I) dòng điện thay đổi từ 100÷800 A đưa hình Sự thay đổi giá trị ban đầu Ψ0 cho chu kỳ từ trường, chúng lồng vào nhau, điều hiển thị rõ hình 6, tỷ lệ tăng thấy rõ đoạn đầu đường cong đảo chiều từ trường hình Họ đường cong từ hóa nhận mang đến trường hợp đặc biệt từ hóa dịng điện phần Để có chu kỳ đảo chiều từ hóa tồn phần cần thiết nguồn điện cấp với thay đổi điện áp dịng điện, ví dụ, sử dụng máy biến áp pha Khi sử dụng nguồn dòng điện chiều, sử dụng chuyển mạch đầu pha cách thí nghiệm “bật/tắt” pha liên tiếp Hình Biểu đồ dao động đóng nửa pha với dòng điện 100 A 800 A Hình Họ đường cong đảo chiều từ hóa nửa pha dòng điện giới hạn xác lập khác Hình Biểu đồ dao động cắt nửa pha với dòng điện 100 A 800 A Từ hình 3, Imax = 100 A tần số đóng cắt cao hơn, thiết lập thời gian tăng lên với tăng dòng điện Imax, để nhận biểu đồ từ thông tổng Ψ(I) đoạn dịng điện tăng, ta thực tích phân tín hiệu điện áp, điều kiện ban đầu Ψ0 = 0, với tđ thời gian đóng: # 𝛹𝛹(𝑡𝑡) = 𝛹𝛹! + ( 𝑈𝑈" 𝑑𝑑𝑡𝑡 (1) #đ Đối với đoạn dịng điện giảm, tích phân tương tự ta tính tốn với giá trị ban đầu Ψmax, tích phân thời điểm dòng điện đạt tới giá trị giới hạn % 𝛹𝛹(𝑡𝑡) = 𝛹𝛹!"# + ( 𝑈𝑈$ 𝑑𝑑𝑡𝑡 %đ (2) Hình Đoạn đầu họ đường cong đảo chiều từ hóa nửa pha dịng điện giới hạn xác lập khác Để đánh giá tổn thất thép q trình từ hóa chu kỳ, sử dụng cơng thức tính tổn thất từ hóa chu kỳ tồn phần phần nhận trước nghiên cứu mẫu SRM khác [4÷6] Nhưng cần lưu ý rằng, việc đánh giá tổn thất trước đưa nhận từ việc xử lý liệu họ đường cong từ hóa thực nghiệm khơng thể sử dụng trực tiếp để đánh giá tổn thất thép q trình đóng - cắt pha SRM, phần khác mạch Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số (68) 2020 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC từ từ hóa diễn chu kỳ tần số khác khác Nhưng đánh giá gần kết nhận tương đối đơn giản [4÷6] Trên hình đưa phụ thuộc tổn hao lượng chu kỳ đảo chiều từ hóa từ thơng cực đại ΔWth(Ψmax), chúng nhận chênh lệch lượng tiêu thụ đóng nửa pha Wđ lượng cắt nửa pha Wc Đường nét đứt cho thấy giá trị gần chênh lệch Sự phụ thuộc ΔWth(Ψmax) qui định hàm chức giá trị cực đại từ thơng chu trình đảo chiều từ hóa Các tính tốn lượng Wđ, Wc thực theo công thức (3) (4), với tc thời gian cắt Trong trường hợp (công thức 3) tích phân thực đến thời điểm Ψ(t) = Ψmax, trường hợp thứ hai (công thức 4) thực đến thời điểm Uf = If = t Wđ (t ) = ị (U f × I f / 2)dt (3) Wc (t ) = ò (U f × I f / 2)dt (4) tđ t Hình Dạng sóng điện áp dịng điện chu kỳ làm việc đóng cắt nửa pha n = 190 vịng/phút Tương tự thí nghiệm đóng cắt nửa pha rotor đứng yên, xác định biểu đồ Ψ(t) tính theo cơng thức (1), nhận biểu đồ Ψ(t) đưa hình tc Để xác định xác tổn hao thép theo cơng thức (3) (4) thay vào Uf 𝐸𝐸! = 𝑈𝑈! − "! #"! $ (trong Ef sức điện động pha), tính tốn sơ cho thấy sai số việc xác định Wđ Wc bỏ qua điện áp rơi điện trở tác dụng nửa pha (Rnf) trường hợp khơng q 1% Hình Sự phụ thuộc tổn hao lượng chu kỳ đảo chiều từ hóa ΔWth(Ψmax), lượng tiêu thụ đóng Wđ lượng cắt nửa pha 3.2 Xác định tiêu lượng chế độ làm việc đo công suất tải SRM - 1.250 kW a Xác định tiêu lượng chế độ làm việc Khảo sát tín hiệu chu kỳ đóng cắt nửa pha tốc độ n = 190 vòng/phút, dạng sóng ban đầu điện áp Uph(t) dịng điện nửa pha inf(t) biểu thị hình 8 Hình Chu kỳ làm việc đóng - cắt nửa pha n = 190 vịng/phút Trên hình ngồi đường cong đảo chiều từ hóa nhận nửa pha vị trí stator rotor đồng trục Ψđtr(inf), đưa đường cong đảo chiều từ hóa vị trí stator rotorở lệch trục Ψltr(inf) Đồ thị Ψltr đ không trùng với phần ban đầu Ψ(t) chu kỳ đóng cắt pha đồ thị Ψltrc không trùng với Ψltrđ nằm gần đường cong đảo chiều từ hóa vị trí đồng trục Điều chứng minh quan sát thực tế với số vòng quay rotor sau đóng nửa pha khối động dòng điện xuất nửa pha khối máy phát [2÷5] Trong đường: Ψđtr - từ thơng vị trí đồng trục; Ψltr đ - từ thơng vị trí lệch trục đóng; Ψltr c - từ thơng vị trí lệch trục cắt Đối với đồ thị thực Ψltr(inf), ta lấy phần ban đầu tăng dịng điện đóng pha chu kỳ làm việc đóng - cắt pha, tính tốn xác đường thẳng Ψ!"# = 𝐿𝐿$% 𝑖𝑖$% 1 𝑊𝑊𝑊𝑊 Ở 𝐿𝐿!" = 200 𝐴𝐴 = 5 𝑚𝑚𝐻𝐻 với Lnf - điện cảm nửa pha vị trí lệch trục Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số (68) 2020 LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HĨA Để xác định cơng suất đầu vào, đầu nửa pha cho chế độ làm việc động Đồ thị công suất điện tức thời (hình 10) tiêu thụ nửa pha tính tốn theo cơng thức: pđ nf (t ) = uf (t ) × inf (t ) (5) Năng lượng điện nửa pha tính theo cơng thức tương tự cơng thức (3), tích phân tồn chu kỳ đóng - cắt t t Wđ nf (t ) = ò (uf × inf )dt = ị pđ nf (t )dt tđ (6) tđ Tính tốn giá trị trung bình pđ nf (t) chu kỳ đóng cắt Tđ-c = 19,59 ms, đưa cơng suất điện chu kỳ đóng-cắt Pđ ck = 97,3 kW, cịn nhân với tồn thời gian chu kỳ đóng cắt Tđ-c đưa lượng học (Wc) (trong trường hợp khơng tính tổn hao điện cuộn dây tổn hao lõi thép) tđtđ +TT đ đ- c- c Wcc((tt)) = W òòpp (tt )ddtt =PP tđtđ đ.đ.nfnf ,91KJKJ ××TTđđ-c-c =11,91 đ.ck đ.ck (7) Để tính hao tổn điện, tính tốn theo đồ thị đường cong i2nf(t) khoảng thời gian Tđ-c, giá trị hiệu dụng dòng điện nửa pha Inf = 307 А với Rnf = 0,02 Ω, tổn thất công suất điện nửa pha xác định Các tổn thất điện thép đánh giá theo biểu đồ ΔWth (Ψmax) (hình 7) Và từ hình thấy với chu kỳ đóng - cắt, Ψmax = 6,58 Wb, cho Wth = 37,492 J Điều tương ứng với tổn thất 𝑊𝑊"# = 1,9 𝑘𝑘𝑊𝑊 điện thép ∆𝑃𝑃!" = 𝑇𝑇đ%& 𝑃𝑃đ = 12 𝑃𝑃đ $% = 12.97,3 = 1167,5 kW 𝑃𝑃$ = 12 𝑃𝑃$ &' = 12.93,5 = 1122 kW 𝑃𝑃" Và hiệu suất: 𝜂𝜂 = ∙ 100% = 96% 𝑃𝑃đ Từ đồ thị W đ nf(t) hình 10 xác định hệ số biến đổi điện - K đc: 𝑊𝑊" 1,9 = = 0,71 𝑊𝑊đđ 2,685 Với W đđ - cơng suất điện đóng 𝐾𝐾đ" = Vì số rotor ZR =16, góc quay rotor w xác định theo tài liệu [4] 2𝜋𝜋 𝜔𝜔 = = 19,6 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟/𝑠𝑠 16 ∙ 𝑇𝑇đ"# Phù hợp với tốc độ quay rotor: 30 ∙ 𝜔𝜔 𝑛𝑛 = = 190 vòng/phút 𝜋𝜋 Giá trị moment quay trục xác định theo công thức: 𝑀𝑀 = 𝑃𝑃!ơ 1122 = = 57,25 kN m 𝜔𝜔 19,6 b Đo công suất tải Các dao động ban đầu xem xét phân chia phương pháp để xác định số lượng chế độ vận hành SRM-1.250 kW nhận với giúp đỡ máy tính, module tổng hợp nhiều kênh bên tương tự/số L-CardE14-440 Chức tổ hợp cho phép ta nhanh chóng nhận thơng tin công suất tải chế độ tải tương hỗ lẫn khối SRM (một khối làm việc chế độ động khối lại làm việc chế độ máy phát) Hình 11 đưa biểu đồ điện áp dòng điện nửa pha n = 190 vòng/phút, đoạn gia cơng, xử lý Microsoft Excel thành sơ đồ đưa (hình 6) Chúng ghi lại khoảng thời gian 2,83 giây với độ phân giải 0,015 ms (tần số 66,66 kHz) Giá trị nhận Pđ ck = 97,17 kW gần với giá trị thu trước 97,3 kW Hình 10 Biểu đồ công suất điện tức thời pđ nf(t) lượng điện tức thời Wđ nf(t) với chu kỳ làm việc đóng - cắt nửa pha n = 190 vịng/phút Kết cơng suất nửa pha (khơng tính tốn tổn thất cơ) Pc = Pđ ck - DPđ - DPst = 93,5 кВт (8) Với điều kiện phân phối tải nửa pha đồng làm việc ba pha khối (máy SRM - 1.250 kW có cấu tạo gồm hai khối hồn tồn giống nhau), tính tổng cơng suất điện, cơng suất máy Hình 11 Dạng sóng ban đầu điện áp, dịng điện cơng suất tức thời nửa pha máy SRM - 1.250 kW tốc độ quay 190 vịng/phút Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số (68) 2020 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC KẾT LUẬN Thực nghiệm chứng minh xác định tham số máy điện từ kháng SRM thông qua đặc tính biểu đồ thực nghiệm kết hợp cơng thức tốn học Kết thực nghiệm đánh giá xác tham số cho máy điện từ kháng cơng suất 1.250 kW dịng điện, điện áp, từ thông, công suất điện, công suất từ tìm hiệu suất máy SRM - 1.250 kW Thực nghiệm xác định phụ thuộc tổn thất lượng chu kỳ đảo chiều từ hóa từ thơng ΔWst (Ψmax), lượng đóng Wđ cắt pha Wc TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Công Tảo, Nguyễn Phương Tỵ, Phạm Thị Hoan (2017), Mơ hình hệ thống máy phát SRG- điezen, Tạp chí nghiên cứu khoa học Đại học Sao Đỏ Số 4(59) Trang 13-20 [2] Alechxay Petrovich Temirev, Gennady Konstantinovich Ptakh, Alexander Vladimirovich Anisimov (2009), Triển vọng phát triển máy điện từ kháng nhà máy khai thác chế biến cơng ty Alrosa, Tạp chí Cơ điện Số Trang 42-50 [3] Alechxay Petrovich Temirev, Andrey Arkadevich Tsvetkov, Phạm Công Tảo (2016), Động điện từ kháng 1.250 kW-187 vòng/phút, Phát minh sáng chế số 99654 Liên bang Nga, đăng ký nhà nước ngày 16/8/2016 [4] Gennady Konstantinovich Ptakh (2015), Máy điện từ kháng công suất trung bình cơng suất lớn thí nghiệm ngồi nước, Tạp chí Khoa học điện tử Số Trang 23-33 [5] Alexey Sergeevich Tsvetkov, Vasily Ivanovich Kiselev (2014), Máy điện từ kháng cho nhà máy khai thác chế biến công ty "Alrosa", Hội thảo hệ thống điện thông minh tổ hợp, trường Đại học Bách khoa Miền Nam Liên bang Nga mang tên M.I Platov Novocherkassk ngày 10-12 tháng 6/2014 Trang 70-76 [6] Phạm Công Tảo, Alechxay Petrovich Temirev (2018), Phương pháp xác định thông số máy điện từ kháng công suất cao, Tạp chí Điện tử cơng suất thực nghiệm Số (71) Trang 16-20 [7] Nguyễn Phùng Quang, Động từ kháng triển vọng ứng dụng hệ thống Machatronics,https://drive.google.com/file/d/ 1ScMits_7NlyQWPPEMJOKdJ1U2tSQ7hpi/ view, cập nhật ngày 20/01/2020 THÔNG TIN TÁC GIẢ Phạm Cơng Tảo - Tóm tắt q trình đào tạo, nghiên cứu (thời điểm tốt nghiệp chương trình đào tạo, nghiên cứu): + Năm 2003: Tốt nghiệp Đại học ngành Điện công nghiệp, Trường Đại học Nông nghiệp + Năm 2009: Tốt nghiệp Thạc sĩ ngành Kỹ thuật đo lường điều khiển tự động, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội + Năm 2020: Tốt nghiệp Tiến sĩ ngành Các tổ hợp Hệ thống kỹ thuật điện, Trường Đại học Bách khoa Miền Nam Liên bang Nga - Tóm tắt cơng việc tại: Giảng viên, khoa Điện, Trường Đại học Sao Đỏ - Lĩnh vực quan tâm: Kỹ thuật điện, hệ thống điện, điện tự động hóa - Email: tao.phamcong@gmail.com - Điện thoại: 0336791663 10 Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số (68) 2020