Nghiên cứu mô hình và mô phỏng đặc tính động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp

SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH VÀ MƠ PHỎNG ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU KHỞI ĐỘNG TRỰC TIẾP MODELING AND SIMULATING OF LINE START PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTORS Lê Anh Tuấn1,*, Phạm Văn Tuấn2, Nguyễn Thị Minh Hiền1 TÓM TẮT Ngày nay, động điện đồng nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp nghiên cứu ứng dụng ngày phổ biến để thay động khơng đồng rơto lồng sóc có hiệu suất cao, vận hành ổn định có dao động điện áp, phụ tải khối lượng nhỏ động khơng đồng rơto lồng sóc cơng suất tốc độ Tuy nhiên để ứng dụng vào thực tế cịn gặp số hạn chế mơ men khởi động thấp, chất lượng giá thành vật liệu nam châm vĩnh cửu biến đổi, Vì nghiên cứu mơ hình tốn mơ đặc tính động tiền đề để giải khó khăn nhằm phổ biến động điều kiện Từ khóa: Động đồng nam châm vĩnh cứu khởi động trực tiếp; nam châm vĩnh cửu; động đồng bộ; mơ hình tốn; mơ ABSTRACT Line Start Permanent Magnet Synchronous Motors are now developed and become more and more popular in order to replace Squirrel Cage Induction Motors (SCIM) due to high efficiency, small size, weight and stable operation in conditions of the fluctuation of voltage or load However, there are still some disadvantages of Line Start Permanent Magnet Synchronous Motors, such as low start moment, permanent magnet materials,… Therefore, study of modeling and simulating of Line Start Permanent Magnet Synchronous Motors plays an important role in enhancing the motors in order to popularize Line Start Permanent Magnet Synchronous Motors Keywords: Line-Start Permanent Magnet Synchronous Motors; Permanent Magnet; Synchronous Motors; modeling; simulating Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Khoa Điện, Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Vinh * Email: leanhtuan0985@gmail.com Ngày nhận bài: 17/01/2020 Ngày nhận sửa sau phản biện: 20/6/2020 Ngày chấp nhận đăng: 23/12/2020 KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa V Điện áp dọc trục, ngang trục stator vds, vqs Điện áp dọc trục, ngang trục rotor v’dr, v’qr V quy đổi Dòng điện đồng dọc trục, ids, iqs A ngang trục stator Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn rs, r’r  Lmd, Lmq H Lls, L’lr H yds, yqs Wb y’ds, y’qs Wb Điện trở stator rotor quy đổi Điện kháng đồng dọc trục ngang trục stator Điện kháng tản stator rotor quy đổi Từ thông dọc trục ngang trục stator Từ thông dọc trục ngang trục rotor quy đổi CHỮ VIẾT TẮT LSPMSM Line-Start Permanent Magnet Synchronous Motor (động điện đồng nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp) NCVC Nam châm vĩnh cửu GIỚI THIỆU Trong thập kỷ gần đây, nhiều tác giả nghiên cứu ứng dụng LSPMSM thay cho động không đồng LSPMSM cải tiến động đồng nam châm vĩnh cửu, nói cách khác lai động khơng đồng động đồng cách đặt nam châm vào rơto lồng sóc động không đồng Vào năm 1978, Binns [1] lần đầu đưa khái niệm dòng động mới, động đồng nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp Từ đến nay, nhiều hướng nghiên cứu ứng dụng động đưa Để đánh giá q trình khởi động LSPMSM địi hỏi cần có mơ hình tốn mơ tả q trình động với tham số đầu vào phụ thuộc thông số động (thiết kế lồng sóc rơto, vị trí nam châm, cản từ,…) Năm 1984, T.J.Miler [2] mơ tả q trình khởi động LSPMSM nhấn mạnh ảnh hưởng thơng số đến q trình khởi động Khi khởi động, động động khơng đồng bộ, lúc mơmen khởi động tổ hợp thành phần mômen không đồng thành phần mô men nam châm vĩnh cửu sinh Tuy nhiên, thành phần mô men NCVC sinh làm cho q trình đồng hóa động khó khăn Vol 56 - No (Dec 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 13 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Năm 1980, Honsinger [3] người đề xuất mơ hình tốn động LSPMSM thơng qua hệ phương trình vi phân với tham số đầu vào: điện áp, điện cảm, điện trở stato rôto, từ thông NCVC sinh Tuy nhiên, cơng nghệ tính tốn thời điểm chưa phát triển nên nghiên cứu Honsinger không trực tiếp giải gần toán vi phân Nhiều nghiên cứu sau ứng dụng mơ hình tốn LSPMSM Honsinger đề xuất thấy tài liệu [4, 5, 6] Năm 1997, M A Rahman, A M Osheiba T S Radwan [7] đề xuất phương trình tính tốn hai đặc tính q trình khởi động động mơmen độ trượt Bên cạnh đó, tác giả nghiên cứu tác động điện áp nguồn cấp, tần số nguồn, tỉ số cực lồi, tỉ số điện áp không tải đến thông số Với mơ hình đề xuất này, việc tính tốn đánh giá trình khởi động LSPMSM đơn giản so với việc giải hệ phương trình vi phân mơ hình mà Honsinger đề xuất cho LSPMSM Năm 2000, Juliette Soulard, Hans-Peter Nee [8] nghiên cứu q trình đồng hóa LSMPSM đề xuất phương trình tính tốn mơmen khơng đồng mơmen cản NCVC trình khởi động động Qua nghiên cứu này, sơ đánh giá trường hợp xấu q trình đồng hóa có tải đồng thời xét đến ảnh hưởng tham số đến trình khởi động Các nghiên cứu sau ứng dụng phương trình tính tốn Soulard Nee thấy tài liệu [9, 10, 11] Tuy đưa mơ hình hệ phương trình vi phân mơ q trình hoạt động chế độ khởi động vận hành tĩnh Honsinger, M A Rahman, Juliette Soulard không trực tiếp giải tốn vi phân mà dựa vào mơ hình để đề xuất phương trình tính tốn thơng số động Nguyên nhân chủ yếu khó khăn việc giải tìm nghiệm tốn vi phân Ngày với phát triển công nghệ cơng nghệ máy tính việc giải tìm nghiệm gần phương trình vi phân ngày đơn giản dễ dàng Trong nội dung nghiên cứu này, báo nghiên cứu mơ hình tốn LSPMSM Honsinger đề xuất đồng thời ứng dụng MATLAB/Simulink để mô đặc tính làm việc LSPMSM Qua kết mơ phỏng, đặc tính làm việc phân tích để đánh giá khả hoạt động LSPMSM Các đặc tính quan tâm nội dung nghiên cứu là: Tốc độ khởi động, mômen khởi động, dòng điện khởi động động cơ… Việc nghiên cứu mơ hình tốn ứng dụng phần mềm MATLAB/Simulink mơ đặc tính làm việc LSPMSM bước tiền đề để giải vấn đề chuyên sâu khác trình nghiên cứu LSPMSM sau Trong nghiên cứu, nhóm tác giả thực nghiệm mô LSPMSM pha, cực, 380V, 2,2kW, tốc độ 1.500 vòng/phút hiệu chỉnh từ động không đồng P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 rơto có đặt NCVC Một số cấu hình rơto điển hình LSPMSM phổ biến hình Hình Một số cấu tạo rơto LSPMSM 2.2 Mơ hình tốn LSPMSM Trong nghiên cứu LSPMSM, tác giả Takahashi, Aliabad, Kwang Hee Kim… [12, 13, 14] ứng dụng mơ hình tốn LSPMSM Honsinger đề xuất để nghiên cứu đặc tính làm việc động Ứng dụng định luật Kirchoff 2, mơ hình tốn LSPMSM bao gồm hệ phương trình vi phân điện áp stato, rơto; từ trường stato, rôto biểu diễn dạng biến đổi theo trục tọa độ dq Tổng hợp lại, mơ hình tốn LSPMSM thể dạng hệ phương trình vi phân sau: Phương trình điện áp: Điện áp stato dy ds  v ds  rs ids  dt  wm y qs  v  r i  dy qs  w y m ds  qs s qs dt Điện áp rôto  ' dy 'dr ' ' 0 v dr  rdr idr   dt  ' v '  r ' i'  dy qr   qr qr qr dt (2) Phương trình từ thơng: Từ thơng stato ' ' y  ds  ( L ls  L md ).ids  L md idr  ym  ' y qs  ( L ls  L mq ).iqs  L mq iqr (3) Từ thông rôto ' ' ' ' ' y  dr  Llr idr  Lmd ( ids  idr )  ym  ' ' ' ' y qr  Llr iqr  Lmq ( iqs  iqr ) NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Một số cấu hình rơto LSMPSM Đến thời điểm tại, rơto LSPMSM có cấu tạo giống động không đồng bộ, nhiên lõi thép (1) (4) Từ mơ hình, mạch điện thay LSPMSM thể hình 2, 14 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (12/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 rs Vds wr yqs Llr ’ Lls ids Lmd r dr ’ idr ’ i m’ Hình Sơ đồ mạch điện thay dọc trục rs Vqs wr yqs iqs Hình Khối tính tốn dịng điện Idr Llr ’ Lls Lmq rqr ’ Hình Sơ đồ mạch điện thay ngang trục 2.3 Mô LSPMSM sử dụng MATLAB/Simulink i qr ’ Ứng dụng Mathlab/Simulink để mơ đặc tính làm việc LSPMSM từ mơ hình tốn động mục 2.1 Tổng hợp số module sử dụng trình mơ hình ÷ 2.4 Ứng dụng mơ hình tốn với LSPMSM thử nghiệm Trong báo này, khơng làm giảm tính tổng qt lựa chọn mô động thử nghiệm 2,2kW, pha, cực Trong đó, phần rơto cải tạo từ động không đồng 2,2kW-3K112S4 Công ty Cổ phần chế tạo điện Hà Nội (hình 8) Các thơng số LSPMSM 2,2kW thử nghiệm (điện cảm tản stato, điện cảm tản rôto quy đổi, điệm cảm đồng từ hóa ngang trục, dọc trục,…) tính tốn dựa cấu hình stato, rơto, kích thước vị trí đặt NCVC Tổng kết lại, thông số LSPMSM 2,2kW thử nghiệm xác định bảng Hình Khối tính tốn mơmen Hình Cấu tạo rơto LSPMSM thử nghiệm Bảng Các thơng số LSPMSM thử nghiệm Hình Khối tính tốn dịng điện trục d-q Hình Khối biến đổi Vabc sang Vdq Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Tham số Đường kích stato Số rãnh stato Số rãnh rơto Chiều dài khe hở khơng khí Tần số nguồn Điện trở stato Điện trở rôto Điện cảm tản stato Điện cảm tản lồng sóc rơto quy đổi Điện cảm từ hóa đồng dọc trục Điện cảm từ hóa đồng ngang trục Mật độ từ thông dư NCVC Mômen qn tính rơto động Mơmen tải định mức Ký hiệu Din  F Rs Rr Lls L’lr Lmd Lmq Br J Mđm Giá trị 104 36 28 0,5 50 3,6 13 13,2 28,4 131 1,1 0,03 14 Đơn vị mm Mm Hz   mH mH mH mH T Kg.m2 N.m Vol 56 - No (Dec 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 15 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 xác định bảng Thơng qua kết đặc tính làm việc, q trình mơ cho phép đánh giá khả làm việc động Cụ thể người sử dụng nghiên cứu đánh giá q trình biến đổi lượng, đặc tính làm việc (tốc độ, dịng điện, mơmen,…) Đối với LSPMSM xác định khó khăn việc khởi động Như vậy, từ đặc tính tốc độ mơ thu đánh giá q trình khởi động động cơ: khả năng, chất lượng khởi động, thời gian để động vào vận hành ổn định Sau mơ LSPMSM thử nghiệm, đặc tính làm việc kết thể hình Từ kết mơ phỏng, nhận thấy LSPMSM 2,2kW thử nghiệm có khả khởi động với mơmen tải đặt giá trị định mức Thời gian khởi động động 0,6s sau vào ổn định Dòng điện cực đại imax khoảng 40A, bội số dòng điện khởi động gấp 10 lần dòng điện định mức Từ đường đặc tính tốc độ mơ cho thấy LSPMSM khởi động khó khăn, trình khởi động xuất nhiều đoạn giảm tốc (10 đoạn) 2.5 Mơ LSPMSM với MATLAB/Simulink 1600 Tèc ®é (Vßng/phót) 1400 1200 1000 800 600 400 200 -200 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 1200 1400 1600 Thêi gian (s) 60 50 M«men (N.m) 40 30 20 10 -10 -20 -30 -200 200 400 600 800 1000 Tốc độ (Vòng/phút) 50 40 Dòng điện (A) 30 20 10 -10 -20 -30 -40 -50 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 Thêi gian (s) 60 50 M«men (N.m) 40 30 20 10 -10 -20 -30 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 Th¬i gian (s) Hình Các đặc tính mơ LSPMSM thử nghiệm Nhóm tác giả ứng dụng MATLAB/Simulink với sơ đồ khối lập trình từ mục 2.2 để mô LSPMSM 2,2kW thử nghiệm Các thông số LSPMSM thử nghiệm Hình 10 Chia lưới mơ đường từ thông LSPMSM với ANSYS/Maxwell 2D Bên cạnh mơ LSPMSM thực nghiệm với MATLAB/Simulink, nhóm tác giả tiến hành mô LSPMSM thực nghiệm với phần mềm sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn ANSYS/Maxwell 2D Một số hình ảnh mơ LSPMSM 2,2kW thực nghiệm hình 10 Đặc tính tốc độ khởi động thu từ hai phương pháp mô so sánh với hình 11 16 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (12/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 1800 1600 Tốc độ (Vòng/phút) 1400 Matlab Maxwell 1200 1000 800 600 400 200 -200 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Thêi gian (s) Hình 11 Đặc tính tốc độ LSPMSM mô với ANSYS/Maxwell 2D MATLAB/Simulink Kết từ hình 11 cho thấy đường đặc tính tốc độ LSPMSM 2,2kW thu từ hai phương pháp: mô từ mơ hình tốn với MATLAB/Simulink mơ phần mềm ANSYS/Maxwell 2D tương đồng Cả hai phương pháp có đường đặc tính tốc độ với tải định mức Mtải = 14N.m sau 0,5s vào đồng bộ, bên cạnh để đạt đến tốc độ đồng (1.500 vg/ph) lần đầu LSPMSM trải qua lần giảm tốc Tuy nhiên, mơ với MATLAB/Simulink có ưu điểm thời gian mô nhanh so với phương pháp mô với ANSYS/Maxwell 2D Theo thống kê, MATLAB/Simulink mơ đặc tính tốc độ khoảng thời gian 1s 30s để tính tốn, với ANSYS/Maxwell 2D khoảng 45 phút Như vậy, thời gian mô với MATLAB/Simulink trường hợp nhanh nhiều so với phương pháp mô với ANSYS/Maxwell 2D KẾT LUẬN Nghiên cứu đưa mơ hình tốn mơ LSPMSM với MATLAB/Simulink Các kết mô thu đặc tính LSPMSM q trình làm việc như: tốc độ, dịng điện, mơmen, độ trượt,… Bên cạnh đó, báo trình bày so sánh kết thu với phần mềm ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô động Kết cho thấy tương đồng Tuy nhiên mô LSPMSM với MATLAB/Simulink cho tốc độ tính tốn nhanh Từ kết nhận thấy mơ hình tốn mô LSPMSM Matlab/Simulink công cụ hữu hiệu nghiên cứu ứng dụng động thực tế Với mơ hình này, nhà thiết kế đánh giá sơ khả làm việc máy điện từ có điều chỉnh cần thiết cho phù hợp Đối với nhà nghiên cứu, công cụ tiền đề để sâu phân tích đặc tính, thơng số LSPMSM cần quan tâm Ngồi ra, mơ hình tốn tảng để tích hợp sơ đồ điều khiển trình động ứng dụng khối điều khiển Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Binns K.J, Barnard W R., Jabbar M A., 1978 Hybrid Permanent-magnet Synchronous Motors Proc Inst Elect., England, March [2] T J E Miller, 1984 Synchronous of Line-Start Permanent-Magnet AC Motors IEEE Transaction on Power Appratus ans System, vol PAS-103, no [3] V B Honsinger, 1980 Permanent Magnet Machines: Asychronous Operation IEEE Transaction on Power Appratus ans Systems, vol PAS-99, no [4] Arash Hassanpour Isfahani, Sadegh Vaez-Zadeh, 2011 Effects of Magnetizing Inductance on Start-Up and Synchronization of Line-Start PermanentMagnet Synchronous Motors IEEE Transactions on magnetics, vol 47, no [5] A Hasanpour Isfahani, S Vaez-Zadeh, M A Rahman, 2011 Evaluation of Synchronization Cappability in Line Start Permanent Magnet Synchronous Motor IEEE International Electric Machines & Drives Conference [6] S F Rabbi, M A Rahman, 2012 Analysis of Starting and Synchronization Process for Line Start IPM Motors International Conference on Electrical and Computer Engineering, pp 311-314 [7] M A Rahman, A M Osheiba, T S Radwan, 1997 Synchronizatoion process of line-start permanent magnet synchronous motors Electric machines and power systems, vol 25, pp 577-592 [8] Juliette Soulard, Hans-Peter Nee, 2000 Study of the Synchronization of Line-Start Permanent Magnet Synchronous Motors IEEE Industry Applications Conference, vol 1, pp 424-431, Rome [9] Kazumi Kurihara, M Azirur Rahman, 2004 High-Efficiency Line-Start Interior Permanent-Magnet Synchronous Motors IEEE Transactions on industry applications, vol 40, no [10] Dan Stoia, Mihai Cernat, Kay Hameyer, Drago Ban, 2009 Line-Start Permanent Magnet Synchronous Motors, Analysis and Design, EDPE [11] Akeshi Takahashi, Satoshi Kikuchi, Kenji Miyata, Shin’ichi Wakui, Hiroyuky Mikami, Kazumasa Ide, Andreas Binder, 2008 Transient-Torque Analysis for Line-Starting Permanent-Magnet Synchronous Motors Proceedings of the 2008 ICE on Electrical Machines [12] Akeshi Takahashi, Satoshi Kikuchi, Hiroyuki Mikami, Kazumasa Ide, Andreas Binder, 2012 D-q Space Vector Analysis for Line-Starting Permanent Magnet Synchronous Motors International Conference on Electrical Machines, pp 136-142 [13] A D Aliabad, M Mirsalim, 2012 Analytic modelling and dynamic analysis of pole-changing line-start permanent-magnet motors IET Electr Power Applications, vol 6, Iss 3, pp 149-155 [14] Kwang Hee Kim, Jian Li, Jin Hak Jang, Yun Hyun Cho, 2012 A Study on Line-Start Permanent Magnet Machine with Improved Saliency Ratio International Conference on Electromagnetic Field Problems and Applications, pp 1-4, Dalian, Liaoning AUTHORS INFORMATION Le Anh Tuan1, Pham Van Tuan2, Nguyen Thi Minh Hien1 Faculty of Electrical Engineering, Hanoi University of Industry Faculty of Electrical Engineering, Vinh University of Technology Education Vol 56 - No (Dec 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 17 ... việc khởi động Như vậy, từ đặc tính tốc độ mơ thu đánh giá q trình khởi động động cơ: khả năng, chất lượng khởi động, thời gian để động vào vận hành ổn định Sau mô LSPMSM thử nghiệm, đặc tính. .. để mơ đặc tính làm việc LSPMSM Qua kết mơ phỏng, đặc tính làm việc phân tích để đánh giá khả hoạt động LSPMSM Các đặc tính quan tâm nội dung nghiên cứu là: Tốc độ khởi động, mơmen khởi động, ... điện khởi động động cơ? ?? Việc nghiên cứu mơ hình tốn ứng dụng phần mềm MATLAB/Simulink mơ đặc tính làm việc LSPMSM bước tiền đề để giải vấn đề chuyên sâu khác trình nghiên cứu LSPMSM sau Trong nghiên