Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng khởi động của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp 3 PHA, 2,2kW

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp có hiệu suất cao đáp ứng các tiêu chuẩn đối với động cơ điện chắc chắn sẽ là giải pháp thế động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc trong tương lai. Nhưng khó khăn lớn nhất của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp vẫn là quá trình khởi động. Trong quá trình vận hành, đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp chịu ảnh hưởng của một số yếu tố như: Nhiệt độ, vật liệu chế tạo, loại tải,... Bài báo trình bày nghiên cứu và đánh giá khả năng khởi động của đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp 2,2kW tại dải nhiệt độ môi trường làm việc thông thường của động cơ. Từ kết quả thu được bài báo đề xuất một số giải pháp nâng cao chất lượng khởi động cho đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp trong thiết kế và vận hành.

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN KHẢ NĂNG KHỞI ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU KHỞI ĐỘNG TRỰC TIẾP PHA, 2,2kW TEMPERATURE EFFECT ON THE START UP CHARACTERISTICS OF LINE START PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTORS PHASE 2.2kW Lê Anh Tuấn*, Phạm Văn Cường, Nguyễn Thị Minh Hiền, Vũ Thị Kim Nhị TÓM TẮT Động đồng nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp có hiệu suất cao đáp ứng tiêu chuẩn động điện chắn giải pháp động khơng đồng rơto lồng sóc tương lai Nhưng khó khăn lớn động đồng nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp trình khởi động Trong trình vận hành, đồng nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp chịu ảnh hưởng số yếu tố như: Nhiệt độ, vật liệu chế tạo, loại tải, Bài báo trình bày nghiên cứu đánh giá khả khởi động đồng nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp 2,2kW dải nhiệt độ môi trường làm việc thông thường động Từ kết thu báo đề xuất số giải pháp nâng cao chất lượng khởi động cho đồng nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp thiết kế vận hành Từ khoá: Động đồng nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp, nam châm vĩnh cửu, động đồng bộ, nhiệt độ ABSTRACT Line start permanent magnet synchronous motors with high efficiency are one of alternative solutions to replace induction motors in the future However, start-up capability of line start permanent magnet synchronous motors is still a key factor in design and operation of these motors In operation, line start permanent magnet synchronous motors are influenced by some factors, such as temperature, material, kind of loads In this paper, the start-up of a line start permanent magnet synchronous motor 2.2kW in various temperatures is in detail studied Some recommendations for enhancing line start permanent magnet synchronous motors start-up characteristics in changing environmental temperature are proposed Keywords: Line-start permanent magnet synchronous motors, permanent magnet, synchronous motors, temperature Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội * Email: leanhtuan0985@gmail.com Ngày nhận bài: 05/9/2019 Ngày nhận sửa sau phản biện: 07/10/2019 Ngày chấp nhận đăng: 20/12/2019 CHỮ VIẾT TẮT LSPMSM Động đồng nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp NCVC Nam châm vĩnh cửu 16 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Số 55.2019 KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Vds, Vqs V Lmd, Lmq H Lls, L’lr H Lds, Lqs H Ldr, Lqr H Ý nghĩa Điện áp dọc trục, ngang trục stato Điện cảm từ hóa dọc trục ngang trục Điện cảm tản dây quấn stato rôto quy đổi Điện cảm đồng dọc trục ngang trục stato Điện cảm đồng dọc trục ngang trục rôto GIỚI THIỆU Trong thời gian gần đây, LSPMSM quan tâm nghiên cứu nhằm ứng dụng thay cho động khơng đồng có ưu điểm lớn hiệu suất vận hành Một LSPMSM điển hình có cấu tạo stato giống động khơng đồng bộ, rơto có lồng sóc, nhiên rơto động loại có gắn thêm NCVC bề mặt gắn chìm lõi thép Tuy có ưu điểm hiệu suất vận hành khả khởi động LSPMSM nhược điểm lớn động Giải vấn đề khởi động LSPMSM xem then chốt việc định phổ biến dạng động Đối với LSPMSM, thơng số định đến khả làm việc xác định: Điện trở stato, rôto, điện cảm tản dây quấn stato, điện cảm tản rôto, điện cảm từ hóa dọc trục, ngang trục, cấu trúc rơto… [1, 3, 4] Thông thường, nghiên cứu giá trị điện trở dây quấn tính tốn quy đổi giá trị nhiệt độ 750C [5] Bên cạnh đó, giá trị điện trở stato rơto thường xét số với giả thiết trình khởi động động ngắn, không đủ thời gian gia nhiệt cho điện trở Tuy nhiên thực tế, động không khởi động từ trạng thái nhiệt độ môi trường (khởi động lạnh) mà nhiều trường hợp bắt buộc khởi động tình trạng có phát nóng làm việc (ví dụ điện đột ngột thời gian ngắn dừng sản xuất tạm thời) [3] SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Như động phải khởi động lại nhiệt độ dây quấn thay đổi (khởi động nóng) Để nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ, nhóm tác giả phân tích đặc tính khởi động LSPMSM 2,2kW cực, pha, tốc độ 1.500 vòng/phút, rơto cải tạo từ SCIM pha, 2,2kW, kiểu 3K112-S4, cách điện cấp F Công ty Cổ phần chế tạo điện Hà Nội số nhiệt độ khác Từ kết thu được, báo phân tích đề xuất số giải pháp tăng cường mômen khởi động cho LSPMSM ĐIỆN TRỞ DÂY QUẤN, MƠ HÌNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG ĐẶC TÍNH KHỞI ĐỘNG CỦA LSPMSM 2,2kW Động mẫu có kích thước thể hình Bên cạnh đó, nghiên cứu số giả thiết đặt sau: - Không xét đến hiệu ứng mặt ngồi bão hòa mạch từ tản - Phụ tải tải số trình khởi động - Trong phạm vi xét, nhiệt độ không ảnh hưởng đến đặc tính từ hóa vật liệu NCVC Cấu tạo tham số tính tốn LSPMSM 2,2kW thí nghiệm bảng 2.1 Điện trở dây quấn - Điện trở dây dẫn tính sau [5]: r  ρ l S (1) Trong đó, l chiều dài dây dẫn (m),  điện trở suất (.m2/m), S tiết diện dây dẫn (m2) - Điện trở suất nhiệt độ tính tốn ρθ  ρ20 [1+α(θ-20)] (2) Trong đó, 20 điện trở suất dây dẫn 200C (nhiệt độ phòng thí nghiệm),  nhiệt độ dây dẫn, α hệ số nhiệt điện trở dây dẫn Điện trở suất đồng nhôm nhiệt độ trình bày bảng Bảng Điện trở suất , .mm2/m-nguồn [5] Vật liệu dây dẫn Hình Cấu tạo LSPMSM thí nghiệm Nhiệt độ tính tốn: 0C 20 75 115 Đồng 1/56 1/46 1/41 Nhơm đúc (rơto lồng sóc) 1/28 1/23 1/20,5 Từ cơng thức (1) cho thấy điện trở tỷ lệ thuận với điện trở suất, điện trở dây dẫn phụ thuộc nhiệt độ 2.2 Mơ hình tốn LSPMSM Để nghiên cứu mơ đặc tính khởi động, ta xét đến mơ hình tốn LSPMSM Mơ hình tốn LSPMSM Honsinger [6] đề xuất có dạng sau sau: Phương trình điện từ:  V r i p.(L i L i' )ω (L i L i' )  ds s ds ds ds md dr r qs qs mq qr   ' ' '  V r i p ( L i L i ) ω (L i L       qs qs mq qr r ds ds md idr ψm)  qs s ds (3)   Vdr rr' idr' p.(Ldr idr' Lmd.ids )   ' ' '     Vqr rr iqr p(Lqr iqr Lmq.iqs ) Phương trình điện cơ:   ' ' ' ' Me  p Lmd idr iqs Lmq iqr ids   ψm' iqs  (Lmd Lmq ).ids iqs     2     P  p.ω  (M M  ω *F)  r e c r  2.J   (4) Từ mơ hình tốn, báo ứng dụng phần mềm MATLAB/Simulink để mơ đặc tính LSPMSM 2.3 Mơ đặc tính khởi động LSPMSM Để phân tích ảnh hưởng nhiệt độ đến q trình khởi động, nghiên cứu sử dụng LSPMSM thí nghiệm mẫu Hình Các kích thước chủ yếu LSPMSM a) Rãnh stato b) Rãnh rơto, c) Kích thước NCVC Bảng Các thơng số LSPMSM Thơng số Đường kính stato Số rãnh stato Số rãnh rôto Chiều dài khe hở khơng khí Tần số nguồn Điện cảm tản dây quấn stato Điện cảm tản rôto quy đổi Điện cảm từ hóa dọc trục Điện cảm từ hóa ngang trục Từ thông NCVC Mật độ từ dư NCVC Mômen quán tính rơto Mơmen tải định mức Ký hiệu Din  F Lls L’lr Lmd Lmq ’m Br JR TL Giá trị 104 36 28 0,5 50 13 13,2 28,4 131 0,59 1,1 0,03 14 Đơn vị mm mm Hz mH mH mH mH Wb T Kg.m2 N.m No 55.2019 ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 17 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 signal2 signal1 Ids ias Iqs ibs signal2 Teta ics signal3 signal uqs ubs uqs uabc sang udq r Ids Ids Iqs Iqs I’dr I’dr I’qr I’qr Mđt Mđt Mt Tính tốn r 14 Mơmen tải Integrator s Hình Mơ hình LSPMSM mơ phng vi MATLAB/Simulink 1800 1600 Tốc độ (Vòng/phút) 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0.2 0.4 0.6 0.8 600 400 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 Từ kết mô đặc tính khởi động LSPMSM 2,2kW dải nhiệt độ 200C ÷ 1200C thấy nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến q trình khởi động Nhiệt độ mơi trường cao chất lượng khởi động LSPMSM tốt Việc cải thiện đặc tính khởi động chủ yếu nhiệt độ môi trường làm việc tăng, điện trở rơto tăng tương ứng dẫn đến q trình khởi động mômen kéo (mômen không đồng bộ) tăng, LSPMSM có mơmen khởi động tốt Nhưng nhiệt độ tăng 750C mức độ ảnh hưởng nhiệt độ lên đặc tính khởi động nhỏ khơng đáng kể r Tính tốn Mơmen udq sang idq ucs 800 Hình Đặc tính tốc độ khởi động LSPMSM dải nhiệt độ 200C ÷ 1200C ubs uds 1000 Hiển thị iabc uas uds t=20oC t=40oC t=75oC t=120oC 1200 Thêi gian (s) idq sang iabc Teta 1400 -200 Hiển thị udq ucs 1600 Hiển thị idq uas 1800 200 signal1 signal LSPMSM sau mô dải nhiệt độ 200C ÷ 1200C thể hin hỡnh Tốc độ (Vòng/phút) T mụ hỡnh tốn, ứng dụng MATLAB/Simulink mơ đặc tính khởi động LSPMSM (tốc độ, mơmen, dòng,…) hình Tuy nhiên, đặc tính đặc tính tốc độ khởi động quan trọng Với đặc tính đánh giá khả khởi động động cơ, lựa chọn đặc tính tốc độ để đánh giá mô LSPMSM Với LSPMSM 2,2kW đặc tính tốc độ khởi động LSPMSM mơ hình 4, thơng số LSPMSM 2,2kW tính tốn tổng hợp bảng 2, điện trở tính tốn nhiệt độ 750C 1.2 1.4 1.6 1.8 Thêi gian (s) MƠ HÌNH THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ LSPMSM Để đánh giá thử nghiệm LSPMSM, nhóm nghiên cứu thực chế tạo lắp đặt mơ hình LSPMSM 2,2kW cải tạo từ động không đồng pha 3K112-S4 Công ty Cổ phần chế tạo điện Hà Nội Với mơ hình trên, ngồi đánh giá đặc tính khởi động, mơ hình cho phép đánh giá hiệu suất động để chứng minh ưu điểm LSPMSM so với động không đồng Cấu hình dùng thử nghiệm LSPMSM hình Hình Đặc tính tốc độ khởi động mơ LSPMSM không tải ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ TỚI ĐẶC TÍNH KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ Để đánh giá ảnh hưởng nhiệt độ, nghiên cứu khảo sát đặc tính khởi động LSPMSM 2,2kW dải nhiệt độ phù hơp với điều kiện vận hành thực tế Dải nhiệt độ khảo sát từ 200C (nhiệt độ phòng thí nghiệm) đến 1200C (nhiệt độ mơi trường trung bình làm việc động cấp cách điện F-Nhiệt độ tối đa 1550C) Khi nhiệt độ thay đổi, giá trị tính tốn điện trở stato, rơto xác định bảng Bảng Giá trị điện trở stato, rôto theo nhiệt độ Nhiệt độ (0C) Điện trở stato () Điện trở rôto () 20 2,96 1,73 40 3,18 1,87 75 3,6 2,11 120 4,11 2,41 Mô đặc tính khởi động LSPMSM với thơng số tính toán cho bảng giá trị điện trở stato, rôto dải nhiệt độ khảo sát bảng Đặc tính khởi động 18 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Số 55.2019 Hình Cấu hình thử nghiệm LSPMSM Hệ thống thực nghiệm bao gồm LSPMSM thử nghiệm, động nối trục với máy phát điện xoay chiều ba pha kích từ NCVC Máy phát điện nối với tải trở (bóng đèn sợi đốt) cho phép điều chỉnh mức độ tải đặt vào hệ thống Nhóm nghiên cứu tiến hành thực số thực nghiệm: * Đặc tính khởi động khơng tải: Đặc tính nhiệt độ khơng tải ứng với nhiêt độ phòng thí nghiệm so sánh với kết mơ từ mơ hình SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 tốn LSPMSM Đặc tính khởi động (tốc độ khởi động) LSPMSM thực nghiệm đo lường thông qua Encoder Encoder kết nối với trục hệ động cơ-máy phát Kết thực nghiệm hình 1800 Mơ Đo lường 1600 1400 Tốc độ (vòng/phút) 1200 1000 KẾT LUẬN Qua mơ đặc tính khởi động LSPMSM 2,2kW dải nhiệt độ 200C ÷ 1200C, rút kết luận sau: 800 600 400 200 bộ, LSPMSM không tổn hao điện trở roto gây Bên cạnh đó, LSPMSM thực nghiệm đảm bảo khả khởi động với tải định mức Bảng Hiệu suất hệ số công suất LSPMSM thực nghiệm Hệ số công suất Tải định mức Hiệu Động (2,2kW) suất (cosj) LSPMSM Khởi động 93% 0,95 SCIM 3K112-S4 Khởi động 80% 0,83 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Thời gian (s) Hình Đặc tính tốc độ khởi động LSPMSM Kết mô thực nghiệm cho thấy tương đồng đặc tính tốc độ khởi động Như vậy, kết mơ từ mơ hình tốn LSPMSM phù hợp với thực tế * Hiệu suất LSPMSM Công suất tác dụng đầu LSPMSM (công suất đầu trục) tính tốn thơng qua cơng suất máy phát kích từ NCVC với tải khác Cơng suất tiêu thụ đầu vào LSPMSM đo trực tiếp thông qua Oát kế W1 Công suất tác dụng đầu LSPMSM đo gián tiếp thông qua Oát kế W2 Hiệu suất LSPMSM tính tốn thơng qua tỷ lệ giá trị công suất đầu công suất đầu vào Do máy phát điện kích từ NCVC có hiệu suất cao công suất tổn hao nối trục (động cơ-máy phát) nhỏ nên kết tính tốn hiệu suất LSPMSM từ cấu hình thử nghiệm chấp nhận Mơ hình triển khai đo lường thực tế hình Hình Mơ hình thử nghiệm LSPMSM Hiệu suất LSPMSM 2,2kW thực nghiệm hiệu suất động không đồng 2,2kW 3K112-S4 Công ty Cổ phần chế tạo điện Hà Nội cho bảng Kết thực nghiệm LSPMSM cho thấy ưu điểm vượt trội mặt hiệu suất hệ số công suất (gần 1) LSPMSM so với động khơng đồng Ưu điểm có vận hành ổn định với tốc độ đồng  Nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính khởi động LSPMSM Nhiệt độ cao đặc tính khởi động LSPMSM tốt  Khi thiết kế, cần tính tốn để LSPMSM khởi động tốt nhiệt độ môi trường mà động vận hành  Đối với LSPMSM khởi động khó khăn, vận hành người sử dụng cần ý đến nhiệt độ để đảm bảo khả khởi động LSPMSM Khi nhiệt độ môi trường làm việc LSPMSM thấp (thấp nhiệt độ khuyến cáo từ nhà sản xuất), người sử dụng cần có biện pháp gia nhiệt động trước khởi động  LSPMSM động ưu điểm hiệu suất, hệ số công suất so sánh với động không đồng bộ, bên cạnh giữ khả khởi động trực tiếp từ lưới động thay phần cho động không đồng thời gian tới TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A H Isfahani, S V Zadeh, 2009 Line Start Permanent Magnet Synchronous Motors: Challenges and Opportunities ScienceDirect, Energy, Vol 34, Iss 11, November 2009, pp 1755-1763 [2] Bùi Đức Hùng, 1998 Nghiên cứu q trình khởi động động khơng đồng rơto lồng sóc Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội [3] D Stoia., O Chirilă, M Cernat, K Hameyer, D Ban, 2010 The Behavior of The LSPMSM in Asynchronous Operation Power Electronics and Motion Control Conference (EPE/PEMC), pp T4-45 - T4-50 [4] M A Rahman, A M Oisheiba, T S Radwan, 1997 Synchronization Process of Line-Start Permanent Magnet Synchronous Motors Electric Machines and Power Systems, Taylor & Francis [5] Trần Khánh Hà, Nguyễn Hồng Thanh, 2002 Thiết kế máy điện Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội [6] V B Honsinger, 1980 Permanent Magnet Machines: Asychronous Operation IEEE Transaction on Power Appratus ans Systems, vol PAS-99, no AUTHORS INFORMATION Le Anh Tuan, Pham Van Cuong, Nguyen Thi Minh Hien, Vu Thi Kim Nhi Faculty of Electrical Engineering Technology, Hanoi University of Industry No 55.2019 ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 19 ... đồng Cấu hình dùng thử nghiệm LSPMSM hình Hình Đặc tính tốc độ khởi động mô LSPMSM không tải ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ TỚI ĐẶC TÍNH KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ Để đánh giá ảnh hưởng nhiệt độ, nghiên cứu khảo... 1859 -35 85 E-ISSN 2615-9619 Như động phải khởi động lại nhiệt độ dây quấn thay đổi (khởi động nóng) Để nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ, nhóm tác giả phân tích đặc tính khởi động LSPMSM 2,2kW cực, pha,. .. (gần 1) LSPMSM so với động không đồng Ưu điểm có vận hành ổn định với tốc độ đồng  Nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính khởi động LSPMSM Nhiệt độ cao đặc tính khởi động LSPMSM tốt  Khi