Bài viết đưa ra phương pháp mô hình hóa máy phát điện từ kháng được thực hiện trong các chương trình Excel, Elcut và Matlab - Simulink. Chương trình Elcut sử dụng để tính toán điện từ trường trong máy phát từ kháng bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG MÁY PHÁT SRG - ĐIÊZEN MODELING OF THE SYSTEM SWITCHED RELUCTANCE GENERATOR - DIESEL Phạm Công Tảo1,2, Nguyễn Phương Tỵ1,2, Phạm Thị Hoan1 Email: tao.phamcong@gmail.com Trường Đại học Sao Đỏ Trường Đại học Bách khoa miền Nam Liên bang Nga Ngày nhận bài: 07/11/2017 Ngày nhận sửa sau phản biện: 17/12/2017 Ngày chấp nhận đăng: 28/12/2017 Tóm tắt Bài báo đưa phương pháp mơ hình hóa máy phát điện từ kháng thực chương trình Excel, Elcut Matlab - Simulink Chương trình Elcut sử dụng để tính toán điện từ trường máy phát từ kháng phương pháp phần tử hữu hạn Sau thực tính tốn từ trường sử dụng cơng cụ trực quan LabelMover Ecut, kết tính tốn chương trình Elcut phụ thuộc mơmen từ thơng máy phát vào góc quay rotor dòng điện dây quấn stator Tiếp theo việc tính tốn, lựa chọn xây dựng đặc tính động điêzen, sau mơ tổ hợp động - máy phát từ kháng môi trường Matlab - Simulink Dòng điện đầu máy phát điện nạp cho ăcquy tàu biển Các kết nhận từ mô Matlab/ Simulink thư viện SimPowerSystems thơng số đóng - cắt cho máy phát điện từ kháng Từ khóa: Máy phát điện từ kháng; mơ hình tốn học máy phát điện từ kháng; động điêzen Abstract The paper presents method modeling of the Switched Reluctance Generator (SRG), implemented in program Excel, complex software Elcut and Matlab - Simulink Program Elcut used to calculate the electromagnetic field in SRG by finite element method After performing the successive calculations of the magnetic field using a visual tool LabelMover, the result of calculation in the program Elcut is dependence of the torque and the magnetic flux of the generator from rotation angle of the rotor relative to the stator and current of the stator winding The next task is the calculation and selection, build the mechanical properties of the diesel engine, then modeling the complex motor - switched reluctance generator in Matlab - Simulink The output current of the generatorcurrent to charge ship’s batteries The modeling results obtained from Matlab/Simulink and SimPowerSystems library are the switching parameters for switched reluctance generator Keywords: Switched Reluctance Generator (SRG); mathematical model SRG; diesel engine GIỚI THIỆU CHUNG Máy điện từ trở thay đổi máy điện biết đến từ năm 90 kỷ 19 khơng phát triển khơng áp dụng có nhược điểm độ nhấp nhô mômen, gây tiếng ồn cơng tác, khó thực việc điều khiển Tuy nhiên, năm gần dây phát triển công nghệ bán dẫn vi điều khiển, người ta bắt đầu quan tâm tới việc nghiên cứu đưa vào ứng dụng Máy phát điện từ kháng có chuỗi 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, mơmen 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] Việc cần có nguồn dòng xoay chiều điện áp cao, công suất lớn để nạp điện cho tổ ăcquy loại tàu thủy hay thiết bị di động cần thiết Việc nghiên cứu tổ hợp máy phát điêzen làm nguồn nạp cho tổ ăcquy di động tàu đề cập [2], nhiên tổ hợp nạp ăcquy biển có điện áp cao, cơng suất lớn tổ hợp máy phát xoay chiều - điêzen khơng phù hợp Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu máy phát từ kháng nghiên cứu tính chất hệ máy phát SRG - tuabin gió [3], dừng lại Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 13 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC phân tích đặc tính động học máy phát điện từ kháng [4], máy phát điện từ kháng ứng dụng lượng gió [5] Đến chưa có cơng trình nghiên cứu tính chất tổ hợp máy phát từ kháng - động điêzen làm nguồn di động nạp điện cho ăcquy tàu thủy đội tàu hàng hay tàu quân chủng hải quân Xuất phát từ điều đó, báo thực nghiên cứu tổ hợp máy phát từ kháng - động điêzen làm nguồn nạp di động cho tổ ăcquy loại tàu thủy đối tượng dùng ăcquy di động Nội dung báo xây dựng mơ hình tốn hệ thống kiểm nghiệm thực mơ Matlab MÁY PHÁT TỪ KHÁNG 2.1 Cấu tạo máy phát từ kháng Khác với máy đồng thông thường, rotor stator máy phát từ kháng có cực lồi hình a) b) Hình Cấu tạo máy phát điện từ kháng Cực lồi cấu tạo có lợi việc chuyển đổi lượng điện từ Trên cực stator có cuộn dây, cuộn dây cực đối 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 cuộn dây nam châm, mà giá thành sản xuất rẻ Máy có cấu tạo hình 1, stator có cực rotor cực Đây cấu tạo sử dụng rộng rãi Tuy nhiên, có máy có cấu tạo với số cực stator rotor khác 2.2 Nguyên lý hoạt động Trước hết ta xem xét hai khái niệm quan trọng máy phát từ kháng Vị trí đồng trục (Aligned position) Vị trí lệch trục (Unaligned position) Như hình 1, ta thấy hai cực lồi stator rotor nằm vị trí mà trục chúng trùng người ta gọi vị trí đồng trục, vị trí từ trở cực từ stator rotor nhỏ nhất, hai cực stator rotor lệch hồn tồn khơng có phần thiết diện chồng lên nhau, vị trí lệch trục, vị trí vị trí từ trở cực stator rotor lớn Để xét hoạt động loại máy ta lấy ví dụ loại động có số cực stator rotor 6/4 (hình 1) Giả sử cực r1 r1’ rotor cực c, c’ stator vị trí đồng trục hình 1a Bây đưa dòng điện kích thích vào cuộn dây pha A, dòng điện sinh từ thơng móc vòng qua cực a-a’ stator cực r2, r2’ rotor cách tương ứng Do rotor ln có xu hướng quay phía có độ từ cảm lớn tức từ trở nhỏ nên rotor lúc quay hướng đến vị trí đồng trục a-a’ r2-r2’ Khi chúng vị trí dòng điện kích thích pha A bị ngắt vị trí cực hình 1b Bây đưa dòng kích từ vào cuộn dây pha B, dòng lại sinh từ thơng móc vòng qua cực b-b’ r1-r1’ cách tương ứng, rotor lại kéo quay theo chiều kim đồng hồ đưa r1-r’1 hướng vị trí cân với b-b’ Tiếp tục cấp dòng điện cho cuộn dây pha C r2-r2’ lại quay theo chiều kim đồng hồ hướng c-c’ Cứ vậy, cách cấp điện cho cuộn dây theo thứ tự A, B, C động liên tục quay theo chiều kim đồng hồ 2.3 Nguyên lý điều khiển Do chiều quay máy phát phụ thuộc vào thứ tự phát xung, chế độ làm việc máy phát định dấu mômen Giả sử động tuyến tính, lúc có phương trình mơmen: dLdL M e = i2 (1) dθ Từ phương trình ta thấy dấu mơmen phụ L dL Căn vào đặc tính thuộc vào đại lượng d dθ biến thiên từ cảm theo góc quay ta phải đưa xung điều khiển vào vùng từ cảm tăng mơmen mang dấu dương Giá trị trung bình mơmen thay đổi cách thay đổi độ lớn dòng điện chạy cuộn dây stator thay đổi góc dẫn θ 14 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HĨA Thơng thường để đơn giản người ta thực thay đổi dòng điện mà khơng thay đổi góc dẫn Điều yêu cầu điều khiển phải bám theo tín hiệu đặt cách nhanh chóng tránh rơi vào vùng mơmen âm Điều khiển vòng kín cần thiết để tối ưu hóa góc chuyển mạch điện áp đặt vào cuộn dây Các pha stator chuyển đổi tín hiệu tạo từ trục định vị vị trí rotor thiết bị có sử dụng cảm biến Hall cảm biến quang Trên hình sơ đồ điều khiển máy phát SRG qua điôt pha A, dòng điện từ phía âm nguồn đến dương nguồn, UA< 0, giai đoạn máy phát phát lượng Sử dụng điôt D để dẫn nguồn ni vào pha ngăn dòng điện chạy ngược từ tải nguồn Ue Khi máy phát phát điện dòng điện từ pha, phần qua điơt D1 trở để kích thích cuộn dây stator, phần lại qua mạch lọc (gồm tụ C2, C3 cuộn dây điện cảm L) trước phát điện cho tải RT Điơt D1 có tác dụng để tránh dòng điện chạy từ nguồn Ue đến tải điện MƠ HÌNH TỐN CỦA TỔ HỢP MPTK - ĐỘNG CƠ ĐIÊZEN D1 3.1 Mơ hình tốn máy phát SRG Tính chất động học hệ thống MPTK - động điêzen gồm phương trình sau: Hình Sơ đồ điều khiển máy phát SRG Trên sơ đồ: Ue: điện áp nguồn nuôi thời gian khởi động; USRG, ISRG: điện áp dòng điện SRG; ISRGA, ISRG B, ISRG C: dòng điện pha A, B, C máy phát SRG; RT: tải điện; UKT, IKT: điện áp dòng điện kích từ; IKTA, IKTB, IKT C: dòng điện kích từ pha A, B, C; C1, C2, C3: tụ điện; VT1÷VT6: khóa thysistor; L: điện cảm; D1, D2: điơt; ITV: dòng điện trở về; UR: điện áp đầu máy phát [4] Các cuộn dây pha, pha A, pha B pha C máy phát SRG kết nối với mạch nửa cầu không đối xứng sử dụng van bán dẫn thyristor điôt Nguồn chiều Ue lấy từ pin ăcquy nguồn kích từ q trình khởi động ban đầu Khi cấp nguồn điện kích từ Ue cho cuộn dây pha A, B, C, xuất dòng điện kích từ Ikt, dòng điện chia chạy vào pha A, B, C IKT A, IKT B, IKT C Giả sử pha A: Giai đoạn hai khóa VT1 VT2 mở dòng điện IKT A qua khóa VT1 qua cuộn dây qua VT2 trở âm nguồn, lúc cuộn dây pha A kích thích, điện áp pha A UA> Giai đoạn 2, khóa VT1 ngắt khóa VT2 mở dòng qua điơt (điơt nối song song phía bên trái VT2) qua cuộn dây qua VT2, UA= lượng tích lũy mạch từ Giai đoạn 3, hai khóa VT1, VT2 khóa lại dòng (M - Mc ), đây: k: thứ tự pha, k = ÷ m; yk: thông lượng mạch từ thứ k qua cuộn dây; uк: điện áp cuộn dây thứ k; ik: dòng điện thứ k cuộn dây; rk: điện trở tác dụng thứ k cuộn dây; w: tần số góc quay rotor; J: mơmen qn tính tổng rotor tải; Z2: số rotor; М, Мс: mômen điện từ máy phát mômen cản tải; e; sức điện động; α: góc quay, đặc tính vị trí tương đối rotor so với stator [6] Trong phương trình trên, phương trình (2a) phương trình cân sức điện động máy phát, (2b) phương trình cân truyền động, (2c) phương trình xác định tốc độ góc quay máy phát M: mômen động điêzen; Mc: mômen máy phát mômen cản xác định (3) hay cụ thể hàm dòng điện từ thông sau: dL (ϕ , i ) dL (3) m M (ϕ , i ) = i 2 dϕ 3.2 Mơ hình tốn động điêzen Theo S.R Laydecman [7]: đặc tính động điêzen dựa vào phương trình: Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 15 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Me = 10 44.N e 10 ; 1,047.n e N Nmax Nee ==N max [ a (4) ne n n + b( e )2 –- c( e )3 ] nN nN nN (5) đây: Ne, Me, ne: công suất động cơ, mômen quay, tốc độ quay động tương ứng với điểm đặc tính; a, b, c: hệ số kinh nghiệm; Nmax, nN: công suất lớn động tốc độ động ứng với công suất lớn TÍNH TỐN TỪ TRƯỜNG VÀ ĐẶC TÍNH CỦA MÁY PHÁT Sử dụng phần mềm Elcut phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method Magnetics -FEMM) cho phép tính tốn phân bố từ trường lõi thép Trình tự tính tốn từ trường chương trình Elcut đưa tài liệu [9, 10] Kết tính tốn hệ thống mạch từ SRG1320 đưa hình 3.3 Mơ hình tốn học mạch điều khiển Dựa nguyên lý hoạt động điều khiển, ta có phương trình tốn học mơ tả điều khiển sau: a (6) Hình Họ đặc tính M = f(l,α) b Dòng điện kích từ: ikt = ikt A+ ikt B+ ikt C (7) c Dòng điện máy phát: iSRG= iSRG A+ iSRG B + iSRG C (8) d Dòng điện trở về: (9) Hình Họ đặc tính I = f(Ψ,α) 3.4 Mơ hình tốn học tải MƠ PHỎNG SRG – ĐIÊZEN Tải ăcquy, phụ thuộc điện áp đầu cực ăcquy nạp vào dòng điện thời gian biểu diễn phương trình sau: Trên sở mơ hình tốn hệ thống máy phát từ kháng - động điêzen để kiểm nghiệm đắn mơ hình, chúng tơi thực mô Matlab hệ thống máy phát từ kháng - động điêzen Hệ thống gồm: máy phát SRG-1320, động điêzen phận phụ khác, thông số chúng bảng 1, bảng (10) đó: U: điện áp ăcquy (V); E: suất điện động không đổi (V); k: điện trở phân cực (Ω); Q: dung lượng lớn ăcquy (Ah): i.t: dung lượng nạp thời điểm (Ah); R: điện trở ăcquy (Ω); i: dòng điện (A); C1: điện dung tụ C1; C20: hệ số tương ứng với dung lượng tụ C2 lúc ban đầu, b=r.I [8] HỆ THỐNG MÁY PHÁT Bảng Các thông số máy phát SRG-1320 TT Các thông số SRG Giá trị Công suất, kW 1320 Tần số quay, vòng/phút 1500 Điện áp nguồn ni, V 850 Hiệu suất, % Đường kính ngồi stator, mm 16 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 94,79 990 LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA TT 10 11 12 13 14 15 Các thông số SRG Giá trị Đường kính stator, mm Đường kính ngồi rotor, mm Chiều dài khối stator, mm Khe hở khơng khí, mm Số pha Số stator/rotor Chiều rộng stator, mm Đường kính rotor, mm Số mạch nhánh song song Số cuộn dây pha 675 672 530 1,5 18/12 60,43 460 14 Bảng Các thông số động điêzen Các thông số định mức Giá trị 1650 кVA / 1320 кW Công suất Điện áp đầu ra, V 380-415 Tần số dòng điện, Hz 50 Mẫu động Perkins 4012TAG2A Mẫu máy phát LeroySomer LL8124P Tần số quay động cơ, vòng/phút 1500 Cơng suất cực đại, kW 1422 Sơ đồ hệ thống mô Matlab trình bày hình 5, 6, Mơ hình hóa tổ hợp thực mơi trường Matlab/Simulink [11, 12] Mơ hình động điêzen - máy phát từ kháng đưa hình Mơ hình xây dựng từ hệ thống nhỏ sau: hệ thống nhỏ động điêzen - máy phát từ kháng 1320 kW hình hình a) b) Hình Hệ thống converter (a) khối pha (b) Matlab Trên hình sử dụng khối sau đây: điện trở tác dụng cuộn dây stator Rs, khối tính tổng dòng điện, mơmen S, khối Look-UpTable (2D) khối Look-UpTable chiều Trong khối LookUpTable (2D) sử dụng phương pháp nội suy [12] Trong chương trình Elcut kết cho giá trị mômen quay từ thông, từ số liệu thành lập mối quan hệ từ thông phụ thuộc vào dòng điện pha góc quay rotor tương đối so với stator Ψ=f(I,α), thư viện Simulink khối ITBL bảng Look-UpTable (2D) lại phụ thuộc dòng điện pha vào từ thơng mạch từ góc (angle) quay tương đối rotor so với stator I=f(Ψ,α), cần sử dụng phương pháp nội suy Góc quay nhận từ khối Pos_sensor từ chương trình ElcutLabelMover, đồ thị I=f(Ψ,α) đưa hình Hình Mơ hình động điêzen - máy phát từ kháng 1320 kW Matlab Hình Hệ thống SRG -1320 Matlab Trong mơ hình động điêzen - máy phát từ kháng bao gồm hệ thống sau đây: hệ thống converter bao gồm khối pha BR_CONV1, BR_CONV2, BR_CONV3 hình 6a, BR_CONV đưa sơ đồ hình 6b, tín hiệu đầu vào điều khiển thời gian khóa phía trên, tín hiệu khối From điều khiển thời gian khóa phía Khối TTBL phụ thuộc mômen quay vào góc quay rotor tương đối so với stator dòng điện pha, dạng đồ thị đưa hình Khối Mechanic phản ánh liên kết học máy phát Khối Pos_sensor để xác định góc quay rotor theo so sánh với chu kỳ lặp lại với vị trí rotor 30o Sử dụng điều khiển máy phát SRG phương pháp điều khiển dòng kích từ Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 17 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC để điều chỉnh dòng điện phát phù hợp với đặc tính tải Trong nghiên cứu sử dụng phương pháp điều khiển xung cho máy phát SRG, điểm khác biệt điều khiển cuộn dây stator máy phát SRG nhận xung đơn chế độ làm việc bình thường, phương pháp tối ưu hóa giá trị mơmen máy phát làm việc chế độ bình thường Phương pháp điều khiển xung nằm phương pháp điều chế xung PWM (Pulse Width Modulation) phương pháp [13], cách thay đổi góc đóng - cắt van bán dẫn hình thay đổi dòng điện kích từ cấp vào dây quấn stator Kết mô đưa hình IΦ= 745 A, dòng điện tổng đạt giá trị trung bình 1175 A Dòng điện đáp ứng mức nạp điện cho ăcquy mức dòng điện nạp trung bình Để điều chỉnh dòng điện đầu máy phát ta thay đổi chiều dài xung điện áp từ 72÷138o (giữ ngun góc đóng vị trí 300o thay đổi góc cắt van bán dẫn), tần số quay rotor thay đổi phạm vi 1000÷1500 vòng/phút, giữ ngun điện áp đầu vào KẾT LUẬN Bài báo đề xuất phương pháp mô hình hóa tổ hợp động điêzen - máy phát điện từ kháng với công suất 1320 kW dùng để nạp cho phóng nạp di động Mơ hình tốn kiểm nghiệm mô Matlab, kết mơ khả quan Bằng điều khiển thích hợp góc cắt điều chỉnh xung ta nhận dòng điện phù hợp với yêu cầu nguồn nạp điện cho ăcquy tàu biển nói riêng thiết bị cơng nghiệp nói chung TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] V.N Galushko, T.V Alferova, S.I Bakhur, A.A Alferov (2014) Modeling of switched reluctance motors The Journal of Russian: Electrical a) engineering and power engineering, pp 45-55 [2] Temirev A.P, Tsvetkov A.A, Kiselev V.I, Temirev A.A, Pham Cong Tao (2016) Mobile chargingdischarge complex for ship battery batteries Patent No 2595267 of Russian [3] F Messai, M Makhlouf, H Benalla and A Messai (2014) Double salient switched reluctance generator for wind energy application The Journal of Russian: Revue des Energies Renouvelables, Vol 17, No.1, pp 71-82 [4] N.B Kavitha, and B Vinu Priya (2014) Analysis of b) Dynamic Characteristics of Switched Reluctance Hình Dạng sóng đầu mơ hình động điêzen - máy phát từ kháng Generator International conference on Advances in Trên hình kết mô là: điện áp, dòng điện pha, mơmen máy phát hình 8a; tốc độ quay, dòng điện tổng pha, cơng suất Singapore, Switched reluctance generators for wind energy applications máy phát n = 1500 vòng/phút, dòng điện pha lớn technology, [5] Cardenas, R., W F Ray, and G M Asher (1995) Power Electronics Specialists Conference, PESC’95, pp 559-564 o (300o điện), độ rộng xung 108o điện, tốc độ and pp 576-580 máy phát hình 8b Trên biểu đồ rằng: ứng với góc đóng 25 engineering [6] Temiriov A.P (2011) Mathematical modeling, design and experimental determination of the 18 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA parameters of Switched Reluctance electric drives Novocherkassk, pp 794 [7] Kovylov Yu.L ( 2013) Theory of work processes and modeling of DVS Processes, Samarai Sgau building, pp 418 [8] Sinchenko S.V, Shirinsky S.V (2013) Construction of mathematical models of discharge characteristics of electrochemical accumulators of various types by means of replacement circuits Journal of Russian: Aviation and space technology and technology, No 7, pp 133-138 [9] Dubitsky S.D (2004) Elcut 5.1- platform for development of field analysis applications The Journal of Russian: Development environment, No.1, pp 20-26 [10] ELCUT (2003) Simulation of two-dimensional fields by the finite element method Version 5.1.Management of the user St Petersburg: Production cooperative TOP, pp 249 [11] Nguyễn Phùng Quang Động từ kháng triển vọng hệ thống Machatronics http:// www.ebookbkmt.com/2017/03/bckh-ong-co-tukhang-va-trien-vong-ung.html [12] Chernykh I.V (2008) Modeling of electrical devices in Matlab, SimPower Systems and Simulink Press, St Petersburg: Peter, 288 pp [13] Pham Cong Tao, Nguyen Quang Khoa, Pham Van Bien (2016) A method of mathematical and experimental determination of energy parameters of the high power switched reluctance motor with two-package construction Journal Successes of modern science, No 9, Volume 4, pp 149-155 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 19 ... Matlab/Simulink [11, 12] Mơ hình động điêzen - máy phát từ kháng đưa hình Mơ hình xây dựng từ hệ thống nhỏ sau: hệ thống nhỏ động điêzen - máy phát từ kháng 1320 kW hình hình a) b) Hình Hệ thống converter... sau: Trên sở mơ hình tốn hệ thống máy phát từ kháng - động điêzen để kiểm nghiệm đắn mô hình, chúng tơi thực mơ Matlab hệ thống máy phát từ kháng - động điêzen Hệ thống gồm: máy phát SRG-1320,... I=f(Ψ,α) đưa hình Hình Mơ hình động điêzen - máy phát từ kháng 1320 kW Matlab Hình Hệ thống SRG -1320 Matlab Trong mơ hình động điêzen - máy phát từ kháng bao gồm hệ thống sau đây: hệ thống converter