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 ngoài (tt)

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Trong năm qua, Việt Nam tập trung đầu tư phát triển nguồn lưới điện nhằm đảm bảo cung cấp điện cho mục tiêu phát triển kinh tế - xã hội, đảm bảo an ninh, quốc phòng đất nước đáp ứng nhu cầu điện cho sinh hoạt nhân dân Tuy nhiên thời gian tới, Việt Nam gặp khó khăn việc bảo đảm cung cấp điện Để ổn định nguồn điện cho sản xuất, kinh doanh nhu cầu sinh hoạt thiết yếu nhân dân, thời gian qua Bộ, Ban, Ngành Chính phủ Việt Nam ban hành nhiều sách, thị, đề án, giải pháp cụ thể để bước thực tiết kiệm điện Với mục đích sử dụng lượng có hiệu quả, động điện đồng nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp (LSPMSM) với ưu điểm hiệu suất giải pháp thay động không đồng (KĐB) số lĩnh vực tương lai Thống kê lại, LSPMSM có ưu điểm sau đây: - Hiệu suất biến đổi điện-cơ lớn - Khởi động trực tiếp từ lưới - So với động KĐB cơng suất, chế tạo LSPMSM có kích thước nhỏ gọn - LSPMSM thuộc dòng động đồng NCVC, dạng động không tiếp xúc, có tuổi thọ cao, dễ bảo dưỡng trình vận hành Bên cạnh ưu điểm, LSPMSM tồn nhược điểm khó khởi động Q trình khởi động phức tạp có mặt mômen NCVC sinh mômen “ngắt” q trình mở máy Do đó, nghiên cứu đặc tính khởi động LSPMSM chìa khóa để phổ biến loại động Vì vậy, “Nghiên cứu đặc tính khởi động động đồng nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp có xét đến ảnh hưởng bão hòa mạch từ hiệu ứng mặt ngồi” cấp thiết có tính thời cao thời điểm Mục đích đề tài Xây dựng mơ hình tốn để nghiên cứu đặc tính khởi động LSPMSM có xét đến yếu tố bão hòa mạch từ hiệu ứng mặt ngồi Từ đặc tính khởi động thu được, đánh giá yếu tố, thơng số ảnh hưởng đến q trình khởi động Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu luận án động đồng nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp, có ưu điểm hiệu suất hệ số công suất vận hành Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu trình khởi động LSPMSM có xét đến ảnh hưởng bão hòa mạch từ hiệu ứng mặt thực nghiệm với động công suất 2,2 kW Phƣơng pháp nghiên cứu Để thực đề tài luận án, NCS sử dụng phương pháp nghiên cứu là: Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, phương pháp mơ hình hóa mơ phỏng, phương pháp thực nghiệm Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Ý nghĩa khoa học Xây dựng mơ hình tốn mơ q trình khởi động LSPMSM có xét đến ảnh hưởng bão hòa mạch từ hiệu ứng mặt Ý nghĩa thực tiễn Kết nghiên cứu giúp ích cho nhà thiết kế, chế tạo đánh giá điều chỉnh kết cấu để có đặc tính khởi động LSPMSM phù hợp Các đóng góp luận án - Đề xuất mơ hình tốn mơ đặc tính khởi động LSPMSM có xét đến ảnh hưởng bão hòa mạch từ hiệu ứng mặt ngồi - Đề xuất phương pháp mơ hình tham số tập trung để tính tốn đặc tính điện cảm từ hóa đồng dọc trục, ngang trục Lmd, Lmq LSPMSM có xét đến ảnh hưởng bão hòa mạch từ - Nghiên cứu ảnh hưởng hiệu ứng mặt ảnh hưởng đến trình khởi động LSPMSM - Thiết kế chế tạo động LSPMSM mẫu pha, 2,2 kW, tốc độ 1.500 vg/phút thực nghiệm đặc tính khởi động, hiệu suất hệ số công suất Kết cấu luận án bao gồm Phần mở đầu, chương, kết luận kiến nghị phụ lục, cụ thể: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Mơ hình tốn mơ đặc tính khởi động LSPMSM Chương 3: Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính khởi động LSPMSM Chương 4: Thực nghiệm đánh giá kết Kết luận kiến nghị CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Lịch sử phát triển LSPMSM 1.2 Ƣu điểm LSPMSM 1.3 Nhƣợc điểm LSPMSM 1.4 Các nghiên cứu nƣớc giới LSPMSM 1.4.1 Các nghiên cứu nƣớc 1.4.2 Các nghiên cứu giới 1.5 Kết luận Từ nghiên cứu ngồi nước liên quan đến LSPMSM rút số kết luận sau: - Động KĐB phổ biến có kết cấu học vững chắc, tin cậy, hiệu suất thấp so sánh với dòng động đồng Trong xu hướng tiết kiệm điện giới nói chung Việt Nam nói riêng, thời gian tới có nhiều tiêu chuẩn yêu cầu hiệu suất ngày cao động cơ, động KĐB khơng đáp ứng LSPMSM ngồi ưu điểm dòng động đồng NCVC hiệu suất vận hành cao, kết cấu nhỏ gọn, tuổi thọ cao… có ưu điểm khởi động trực tiếp Vì vậy, LSPMSM giải pháp thay cho động KĐB số lĩnh vực tương lai - Ở thời điểm gần đây, phát triển công nghệ chế tạo vật liệu NCVC đặc biệt NCVC đất NdFeB ngày rẻ, nên vấn đề khởi động LSPMSM xem yếu tố then chốt định phổ biến động Vì vậy, nghiên cứu đặc tính khởi động LSPMSM giải pháp nâng cao chất lượng khởi động động có tính thời cao - Tổng hợp nghiên cứu ngồi nước, có hai phương pháp phổ biến khảo sát đặc tính khởi động LSPMSM: Phương mơ hình hóa máy điện, LPSMSM mơ hình hệ phương trình vi phân viết theo hệ tọa độ d-q phương pháp đại sử dụng phần mềm ứng dụng phương pháp PTHH Trên sở đó, luận án lựa chọn phương pháp mơ hình hóa phương pháp để nghiên cứu đặc tính khởi động LSPMSM, nhiên phương pháp PTHH luận án vận dụng để kiểm chứng kết từ phương pháp mơ hình hóa - Ở thời điểm tại, mơ hình tốn LSPMSM Honsigner đề xuất viết theo hệ trục tọa độ d-q ứng dụng nhiều Nhưng tượng bão hòa mạch từ, tượng hiệu ứng mặt chưa xét đến nghiên cứu Để khắc phục hạn chế này, luận án đề xuất hướng nghiên cứu xét ảnh hưởng bão hòa mạch từ hiệu ứng mặt ngồi mơ hình tốn để nghiên cứu đặc tính khởi động LSPMSM nhằm khắc phục để kết mơ xác - Đối với ảnh hưởng bão hòa mạch từ: + Điện kháng từ hóa đồng dọc trục ngang trục (Lmd, Lmq) hai thông số mơ hình tốn LSPMSM, xét đến ảnh hưởng bão hòa mạch từ, hai thơng số phải xem xét đại lượng phi tuyến + Do ảnh hưởng bão hòa mạch từ, điện cảm tản stato, rôto Lls, L’lr bị ảnh hưởng phải xét đại lượng phi tuyến - Đối với ảnh hưởng tượng hiệu ứng mặt ngoài: LSPMSM có cấu tạo rơto lồng sóc, q trình khởi động ảnh hưởng tượng hiệu ứng mặt ngồi nên điện trở điện kháng tản rơto phải xét đại lượng phi tuyến CHƢƠNG MƠ HÌNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG ĐẶC TÍNH KHỞI ĐỘNG CỦA LSPMSM 2.1 Mơ hình máy điện đồng tổng qt 2.2 Mơ hình LSPMSM 2.3 Mơ LSPMSM 2.3.1 Mơ LSPMSM từ mơ hình tốn 2.3.1.1 MATLAB tốn vi phân 2.3.1.2 Mơ LSPMSM MATLAB/Simulink Trong luận án, khơng làm giảm tính tổng qt sử dụng LSPMSM thử nghiệm pha, cực, 2,2 kW, tốc độ 1.500 vòng/phút hiệu chỉnh từ động không đồng Động không đồng động 3K112-S4, pha, 2,2 kW, tốc độ 1.450 vòng/phút Cơng ty Cổ phần chế tạo động Hà Nội (HEM) chế tạo Mơ đặc tính khởi động LSPMSM từ mơ hình tốn phần mềm MATLAB/Simulink với khối tính tốn xét trên, thơng số LSPMSM tính tốn bảng 2.2 Các đặc tính tốc độ, dòng điện, mơmen khởi động mơ thể hình 2.12 50 1600 40 1400 Dòng điện (A) Tốc độ (Vßng/phót) 30 1200 1000 800 600 400 200 10 -10 -20 -30 -200 20 -40 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 -50 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 Thêi gian (s) Thêi gian (s) 1.4 1.6 1.8 60 60 50 50 40 30 M«men (N.m) M«men (N.m) 40 20 10 -10 20 10 -10 -20 -30 -200 30 -20 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 -30 Tốc độ (Vòng/phút) 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 Th¬i gian (s) Hình 2.12 Đặc tính khởi động LSPMSM, J=JR, TL=TLđm Từ đồ thị đặc tính khởi động hình 2.16 thu mơ LSPMSM từ mơ hình tốn cho thấy: LSPMSM khởi động khó khăn, q trình khởi động, đặc tính tốc độ khởi động xuất nhiều đoạn giảm tốc 2.3.2 Mô LSPMSM từ phần mềm ứng dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn 2.4 Kết luận LSPMSM mơ hình hóa hệ phương trình điện áp, từ thơng, mơmen viết theo hệ tọa độ d, q, thơng qua mơ hình tốn ứng dụng phần mềm tính tốn để mơ đặc tính khởi động LSPMSM MATLAB/Simulink có ưu điểm phần mềm phổ biến, giao diện dễ sử dụng, tài liệu hướng dẫn phong phú, chức phần mềm kết hợp mơ hình giải toán tương tự với phương pháp số đại, kết hiển thị đa dạng (đồ thị, giá trị,…) linh hoạt dễ dàng chuyển đổi với phần mềm khác Vì vậy, luận án lựa chọn phần mềm MATLAB/Simulink công cụ để mô đặc tính từ mơ hình tốn LSPMSM Các kết mơ MATLAB/Simulink phân tích đánh giá để khảo sát đặc tính khởi động LSPMSM Luận án ứng dụng phần mềm MATLAB/Simulink để mô đặc tính khởi động LSPMSM cơng suất 2,2 kW, 1.500 vòng/phút hiệu chỉnh từ động KĐB, pha 3K112-S4, 2,2 kW Công ty Cổ phần Chế tạo điện Hà Nội (HEM) Trong chương này, đặc tính khởi động LSPMSM mơ với thông số điện trở, điện cảm tản, điện cảm từ hóa đồng dọc trục, ngang trục stato, rơto xét tính tốn dạng số Trong luận án ứng dụng phần mềm sử dụng phương pháp PTHH (ANSYS/Maxwell 2D) để mô LSPMSM, làm sở so sánh đánh giá với kết mơ từ mơ hình tốn hiệu chỉnh luận án đề xuất CHƢƠNG CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN ĐẶC TÍNH KHỞI ĐỘNG CỦA LSPMSM 3.1 Các yếu tố ảnh hƣởng đến đặc tính khởi động LSPMSM 3.1.1 Ảnh hƣởng bão hòa mạch từ đến điện cảm từ hóa đồng dọc trục ngang trục Lmd, Lmq 1) Mơ hình mạch từ tương đương LPM đề xuất tính tốn đặc tính điện cảm từ hóa đồng ngang trục cho LSPMSM Phương pháp LPM E C F Lovelace đề xuất tính tốn đặc tính Lmq áp dụng cho IPM, LSPMSM rơto có cấu tạo lồng sóc ngồi thành phần từ trở phi tuyến gông từ stato, rôto, stato IPM phải xét đến thành phần từ trở phi tuyến rơto q trình q độ Áp dụng phương pháp mạch từ LPM đề xuất để tính tốn đặc tính Lmq có xét đến bão hòa mạch từ cho LSPMSM thử nghiệm 2,2 kW hiệu chỉnh từ động KĐB 2,2 kW 3K112-S4, sơ đồ mạch từ LPM để tính tốn Lmq LSPMSM điển hình hình 2.14 thể hình 3.1 Rsy Rst Fqs Fqs Rg Rrt Rry Hình 3.1 Sơ đồ mạch từ LPM tính giá trị Lmq LSPMSM 2) So sánh phương pháp LPM đề xuất với phương pháp phần tử hữu hạn FEM Để kiểm tra độ xác phương pháp LPM đề xuất, phương pháp PTHH luận án sử dụng để tính tốn đặc tính Lmq LSPMSM thử nghiệm Để đơn giản tính tốn, LSPMSM thiết kế ban đầu từ phần mềm ANSYS/RMxprt, thơng số kích thước răng, rãnh, chiều dài, số rãnh rơto, stato, kích thước vị trí khe NCVC rơto LSPMSM thử nghiệm cập nhật cho RMxprt bảng 2.2 hình 3.4 bên Hình 3.4 Cấu hình LSPMSM thử nghiệm Từ mơ hình LSPMSM khai báo RMxprt, thực chuyển đổi sang mơ hình dạng 2D MAXWELL2D để tính tốn tốn điện từ trường liên quan 3) Kết tính tốn Lmq phương pháp LPM đề xuất 4) Kết mô với phương pháp PTHH (FEA-MAXWELL2D) 5) Tổng hợp kết mô từ phương pháp LPM đề xuất phương pháp PTHH Hai đặc tính Lmq = f(iqs) thu từ phương pháp LPM đề xuất phương pháp PTHH áp dụng cho LSPMSM thử nghiệm 2,2 kW tổng hợp hình 3.10 bên Chi tiết tính tốn Lmq(iqs) với số giá trị dòng iqs khác tổng hợp bảng 3.1 Hai đặc tính kết thu từ phương pháp LPM phương pháp PTHH phân tích để đánh giá, từ khẳng định việc ứng dụng kết tính tốn đặc tính điện cảm từ hóa đồng ngang trục Lmq tốn tính tốn khởi động LSPMSM mà luận án nghiên cứu phần sau Hình 3.10 Đặc tính Lmq=f(iqs) với thép B50A800 sử dụng PTHH (FEM) LPM 0.25 Lmq-LPM Lmq-PTHH mq L (H) 0.2 Lmq-H»ng sè 0.15 0.1 0.05 0 10 15 20 25 30 Dòng điện iqs(A) 6) ỏnh giỏ kt qu Từ kết tính tốn đặc tính điện cảm từ hóa đồng ngang trục Lmq thu với hai phương pháp LPM PTHH (ANSYS/MAXWELL2D) cho LSPMSM thử nghiệm 2,2 kW rút kết luận sau: - Giá trị điện cảm Lmq LSPMSM biến đổi có bão hòa mạch từ, mơ đặc tính khởi động LSPMSM sử dụng giá trị Lmq trạng thái xác lập (hằng số) kết khơng phản ánh xác - Phương pháp LPM so sánh với phương pháp PTHH cho kết dạng đường đặc tính, sai số lớn hai phương pháp 17% iqs=5A Giá trị iqs lớn, sai số hai phương pháp nhỏ (với iqs =30A sai số hai phương pháp 1% ) - So sánh hai phương pháp thấy phương pháp LPM đề xuất dùng để tính tốn đặc tính Lmq LSPMSM phương pháp đơn giản, dễ lập trình với phép tính (so sánh với phương pháp MEC LPM với LSPMSM có phần tử, phương pháp MEC xét tương đương LSPMSM lên đến 111 phần tử mạch từ) - Mục đích luận án nghiên cứu đặc tính khởi động LSPMSM, kết tính tốn đặc tính Lmq áp dụng để nghiên cứu đặc tính khởi động LSPMSM phần sau 3.1.1.2 Điện cảm từ hóa đồng dọc trục Lmd 1) Mơ hình mạch từ tương đương LPM đề xuất tính tốn đặc tính điện cảm từ hóa đồng dọc trục Lmd cho LSPMSM Từ phương pháp LPM lưu đồ thuật tốn tính tốn đặc tính Lmq Lovelace, Mirahki đề xuất, luận án đề xuất mạch từ tương đương LPM lưu đồ thuật toán để tính tốn đặc tính Lmd cho LSPMSM với số bổ sung mạch từ LPM tính tốn: - Bổ sung thành phần từ trở phi tuyến rôto - Bổ sung thành phần từ trở phi tuyến cầu nối Áp dụng phương pháp LPM tính tốn đặc tính Lmd cho LSPMSM thử nghiệm 2,2 kW, pha hình 2.14, mơ hình mạch từ thay LPM để tính tốn Lmd xác định hình 3.12 Rsy Hình 3.12 Mạch từ LPM luận án đề xuất để tính tốn đặc tính Lmd =f(ids) Rst Fds Fds Rg Rrt Rb Rm Rry1 Rry2 Rbrd 2) Kết mô với phương pháp PTHH (FEA-MAXWELL2D) 3) Tổng hợp kết mô từ phương pháp LPM đề xuất phương pháp PTHH Hai đặc tính Lmd = f(ids) thu từ phương pháp LPM đề xuất phương pháp PTHH áp dụng cho LSPMSM thử nghiệm 2,2 kW tổng hợp hình 3.20 bên dưới, chi tiết tính tốn tổng hợp bảng 3.2 Hai đặc tính thu từ hai phương pháp phân tích đánh giá phương pháp LPM đề xuất, từ ứng dụng kết tính tốn đặc tính điện cảm từ hóa đồng dọc trục Lmd tốn mơ khởi động LSPMSM mà luận án nghiên cứu phần sau 0.1 Lmd-PTHH 0.08 Lmd-H»ng sè 0.07 md L (H) Hình 3.20 Đặc tính Lmd=f(ids) với phương pháp LPM đề xuất phương pháp PTHH Lmd-LPM 0.09 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 10 15 20 25 30 Dòng điện ids(A) 4) Đánh giá kết Qua hai đặc tính điện cảm từ hóa đồng dọc trục Lmd có xét đến bão hòa mạch từ kết thu từ phương pháp LPM đề xuất phương pháp PTHH (ANSYS/MAXWELL2D), rút kết luận sau: - Giá trị điện cảm từ hóa đồng dọc trục Lmd LSPMSM biến đổi có bão hòa mạch từ Vì vậy, mơ đặc tính 10 khởi động LSPMSM sử dụng giá trị Lmd trạng thái số kết tính tốn khơng phản ánh xác thực tế - Tính tốn đặc tính Lmd phương pháp LPM luận án đề xuất so sánh với phương pháp PTHH cho kết tương đương, sai số lớn hai phương pháp 13% ids=20A÷25A Với phương pháp LPM đề xuất giải vấn đề vùng dòng điện nhỏ (ids