Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết phân tích ảnh hưởng góc mở dòng điện đến đặc tính mô men và mối quan hệ của góc cực stator/rotor với góc mở dòng điện. Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn, phần mềm Speed PC-SRD được sử dụng để tính toán và phân tích, mô phỏng trên mô hình động cơ từ trở 6/4 – 30kW. Kết quả phân tích của bài báo là cơ sở tính toán bộ điều khiển động cơ từ trở theo các phương pháp điều khiển điện áp hay dòng điện.
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử ẢNH HƯỞNG CỦA GĨC CỰC ROTOR VÀ GĨC MỞ DỊNG ĐIỆN ĐẾN ĐẶC TÍNH MƠ MEN, ĐỘ NHẤP NHƠ MƠ MEN CỦA ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ Đinh Hải Lĩnh*, Bùi Minh Định, Nguyễn Thế Cơng, Phạm Văn Bình Tóm tắt: Động từ trở loại động có nhiều ưu điểm kết cấu đơn giản, khơng có dây quấn hay nam châm rotor; làm việc dải tốc độ cao; có mật độ cơng suất/khối lượng lớn Tuy nhiên, cấu trúc cực lồi đặc tính mạch từ phi tuyến nên động từ trở có độ ồn nhấp nhô mô men lớn so với loại động truyền thống khác Bài toán giảm độ nhấp nhơ mơ men tối đa hóa mơ men trung bình mục tiêu quan trọng thiết kế điện từ cho động từ trở Bề rộng cực rotor thơng số có ảnh hưởng lớn đến mơ men trung bình nhấp nhơ mơ men động Đồng thời góc mở dịng điện yếu tố định trình phát sinh mơ men, góc mở nằm sườn lên điện cảm sinh mơ men dương, góc mở nằm sườn xuống biến thiên điện cảm sinh mơ men âm Trong báo tác giả đưa phân tích ảnh hưởng góc mở dịng điện đến đặc tính mơ men mối quan hệ góc cực stator/rotor với góc mở dịng điện Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn, phầm mềm Speed PC-SRD sử dụng để tính tốn phân tích, mơ mơ hình động từ trở 6/4 – 30kW Kết phân tích báo sở tính tốn điều khiển động từ trở theo phương pháp điều khiển điện áp hay dịng điện Từ khóa: Động từ trở; Đặc tính mơ men; Mơ men trung bình; Nhấp nhơ mơ men; Góc mở dịng điện; Bề rộng cực rotor ĐẶT VẤN ĐỀ Động từ trở (SRM) loại động điện có cấu tạo rotor stator có dạng cực lồi, stator có dây quấn tương tự dây quấn kích từ động chiều, rotor khối sắt, khơng có dây quấn hay nam châm Với cấu tạo đặc biệt này, động SRM bền vững khí, cho phép thiết kế dải tốc độ cao, lên tới hàng chục nghìn vịng/phút; mơ men khởi động lớn, công suất học tạo ngun lý biến đổi mơmen từ trở SRM có số cấu trúc phổ biến như: 6/4 (tức stator có cực, rotor có răng), 8/6, 10/6, 12/8,… Với cấu trúc 6/4 hay 12/8 điều khiển có yêu cầu ba pha điều khiển, số lượng van điều khiển so với cấu trúc 8/6 cần pha điều khiển, cấu trúc 10/6 cần pha điều khiển; số pha điều khiển nhiều chuyển đổi phức tạp số van điều khiển sử dụng lớn Vì vậy, phạm vi báo tác giả lựa chọn mơ hình SRM 6/4 có ba pha điều khiển, điều khiển cấu trúc phổ biến áp dụng cho cấu trúc 12/8 Động hoạt động nguyên lý cấp dòng điện cho pha dây quấn; dòng điện chuyển mạch – đóng cắt điện nhờ khóa bán dẫn [1] Hình Mơ hình kết cấu SRM loại 6/4 điều khiển [1] Ở chế độ động dịng điện đóng cắt theo sườn lên điện cảm (hình 2) 44 Đ H Lĩnh, … , P V Bình, “Ảnh hưởng góc cực rotor … động từ trở.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Đặc tính điện cảm theo vị trí góc rotor ngun lý đóng cắt dịng điện để phát sinh mơ men Hiện nay, động SRM nhiều nhà nghiên cứu, thiết kế chế tạo quan tâm, đặc biệt lĩnh vực ứng dụng cho xe điện Động có nhược điểm độ ồn lớn, độ nhấp nhô mô men cao Trong q trình tính tốn thiết kế SRM cần tính chọn nhiều thơng số kết cấu điện từ cho động để giảm thiểu nhấp nhơ momen, tăng mơ men trung bình Bề rộng cực rotor, stator tính tốn lựa chọn để có chiến lược điều khiển phù hợp Nếu góc mở xung điện áp, cấp dịng q sớm tạo mơ men âm, góc mở xung q muộn khơng lợi dụng mô men cao vùng tăng đặc điện cảm Góc mở xung phù hợp thời điểm từ cảm L bắt đầu tăng đóng xung điện cảm đạt cực đại Lmax Khi tính tốn thiết kế tối ưu cực từ stator/rotor, nhiều tác giả tập chung vào giá trị góc cực stator/rotor để giảm thiểu nhấp nhô mô men [2-6] nghiên cứu phương pháp điều khiển để giảm nhấp nhô mô men [1, 710] mà chưa đề cập đến mối liên hệ mật thiết góc đóng mở dịng điện Chính vậy, báo tác giả nghiên cứu đánh giá mối quan hệ bề rộng cực rotor với mơ men SRM ảnh hưởng góc mở dịng điện đến mơ men trung bình nhấp nhơ mơ men Kết báo có ý nghĩa quan trọng cho nhà điều khiển SRM MÔ HÌNH GIẢI TÍCH ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ SRM Phương trình điện áp pha dây quấn [1]: d ( , i) u Ri dt (1) Với i dòng điện pha dây quấn, R điện trở pha dây quấn, giá trị từ thơng móc vịng pha dây quấn; di d (2) i dt dt Mô men điện từ pha dây quấn: biến thiên lượng học dWm theo vị trí góc quay rotor tạo mơ men điện từ: dWm WF (3) dWm Ts d ; Ts i d Coi từ thơng tuyến tính, bỏ qua ảnh hưởng bão hịa, suy mơ men điện từ pha là: u Ri Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 72, 04 - 2021 45 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử dL T is2 d (4) ẢNH HƯỞNG CỦA GÓC CỰC ROTOR, STATOR VÀ GĨC MỞ ON ĐẾN ĐẶC TÍNH MƠ MEN Bỏ qua ảnh hưởng bão hòa mạch từ xét mơ hình tuyến tính ta có mơ men pha động SRM là: L Lmin Ts is2 max s (5) Trong đó, Lmax; Lmin điện cảm vị trí đồng trục lệch trục hoàn toàn (2 R g )l.N l.N ( R r ) Lmax s ; Lmin r 4g 4( R r ) (6) Với R: Bán kính ngồi stator; r: Bán kính rotor; g: Chiều dài khe hở khơng khí; N: Số vịng dây pha dây quấn; l: Chiều dài lõi thép; µ0: Độ từ thẩm khơng khí; βS: Bề rộng cực stator; βr : Bề rộng cực rotor Hiệu hoạt động tối ưu động phụ thuộc vào thời điểm đưa dòng điện vào dây quấn sator so với vị trí góc quay rotor Đặt góc θon góc mà thời điểm dịng điện đưa vào pha dây quấn; θoff góc thời điểm biến đổi cắt dịng đưa vào pha dây quấn Gọi α góc lệch thời điểm bắt đầu cấp dòng cho pha dây quấn θon góc mà cực rotor cực stator hồn tồn khơng trùng khớp θu, ta có: a (r s ) (7) Khi đó, thời điểm bắt đầu cấp dịng điện vào pha dây quấn – góc θon tính sau: on u (8) Như vậy, bề rộng cực rotor stator lớn góc lệch α nhỏ so với vị trí đồng trục góc mở dịng điện θon tiến gần với góc quay rotor vị trí lệch trục Ứng với giá trị góc cực rotor/ sator động từ trở lại có giá trị góc mở θon khác Góc mở θon lựa chọn nằm khoảng vị trí từ lúc cực rotor lệch trục hoàn toàn với cực stator pha dây quấn đến vị trí cực rotor bắt đầu trùng với cực stator, tức phải nằm sườn lên điện cảm để không phát sinh mô men âm Với mơ hình SRM 6/4, cơng suất 30kW, tốc độ quay 27000 vòng/phút Theo biểu thức (7) (8) thơng số α, θon tính tốn để khảo sát là: a (r s ) 900 ( r s ) on0 u 450 (9) (10) Trong đó, với động từ trở 6/4 có góc lệch trục θu = 450 vị trí góc đồng trục hồn tồn θa = 900 KẾT QUẢ TÍNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG Mơ hình mơ SRM 6/4 với số điểm tự chia lưới 32000 điểm PC-SRD hình thông số động bảng 46 Đ H Lĩnh, … , P V Bình, “Ảnh hưởng góc cực rotor … động từ trở.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Hình Mơ hình mơ động SRM 6/4 chia lưới Bảng Kích thước động SRM 6/4 Thông số Giá trị Khe hở không khí 0.4mm Đường kính ngồi stator 160mm Chiều cao cực stator 24.6mm Đường kính ngồi rotor 80mm Đường kính trục 30mm Bề dầy gông rotor 15mm Bề dầy gông từ stator 15mm Chiều dài động 80mm Số vòng dây/1 cực 11vòng Điện áp nguồn chiều 250V Giả thiết chọn góc cực stator βs = 30 , thay đổi góc cực rotor ta tính tốn giá trị góc θon, θoff tương ứng với bề rộng cực stator rotor bảng Bảng Các cặp góc cực từ βS βR góc đóng θoff, góc mở θon trường hợp Góc lệch trục θu (0) Góc đồng trục θa (0) Góc α (0) Góc mở θon0 (0) Góc đóng θoff (0) = θon + 450 Ghi βS (0) βR(0) 30 31 45 90 14.5 30.5 75.5 TH.I 30 32 45 90 14 31 76 TH.II 30 33 45 90 13.5 31.5 76.5 TH.III TT 4.1 Trường hợp THI với góc cực stator βs = 300; góc cực rotor βr = 310 Đặc tính mơ men pha dây quấn động SRM ứng với góc mở θon =280, 290; 300; 30.50; 310; 320 thể hình 4.a), b), c), d) e) f) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 72, 04 - 2021 47 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử a) Góc mở θon = 280 d) Góc mở θon = 30.50 b) Góc mở θon = 290 e) Góc mở θon = 310 c) Góc mở θon = 300 f) Góc mở θon = 320 Hình Đặc tính mơ men βs = 300, βr = 310, góc mở θon biến thiên Phân tích kết hình 4: góc mở θon > θon0 = 30.50 đường đặc tính mơ men khơng có điểm âm; Khi góc mở θon < θon0 = 30.50 đường đặc tính mơ men có điểm âm góc mở dòng điện nằm vùng độ dốc âm điện cảm Khi góc Δθon = θon - θon0 nhiều điểm âm mơ men lớn 4.2 Trường hợp TH.II với góc cực stator βs = 300; góc cực rotor βr = 320 a) Góc mở θon = 290 d) Góc mở θon = 310 b) Góc mở θon = 300 e) Góc mở θon = 320 c) Góc mở θon = 30.50 f) Góc mở θon = 330 Hình Đặc tính mơ men βs = 300, βr = 320, góc mở θon biến thiên 48 Đ H Lĩnh, … , P V Bình, “Ảnh hưởng góc cực rotor … động từ trở.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Đặc tính mơ men pha dây quấn động SRM ứng với góc mở θon = 290; 300; 31 ; 320; 330 thể hình 3.a), b), c), d) e) f) Phân tích kết hình 5: trường hợp góc cực rotor βr = 320 có góc mở theo tính tốn θon0 = 31 Khi góc mở θon < θon0; θon = 290 điểm âm mơ men đặc tính mơ men lớn nhất, điểm âm mơ men giảm có góc θon = 300 Đến góc mở góc mở tính tốn θon = θon0 điểm mơ men âm khơng có Và góc θon = 320; 330 > 310 đường đặc tính mơ men hồn tồn khơng có điểm âm 4.3 Trường hợp TH.III với góc cực stator βs = 300; góc cực rotor βr = 330 Đặc tính mơ men pha dây quấn động SRM ứng với góc mở θon = 300; 310; 31,50; 320; 330 thể hình 6.a), b), c), d), e) f) a) Góc mở θon = 290 d) Góc mở θon = 31,50 b) Góc mở θon = 300 e) Góc mở θon = 320 c) Góc mở θon = 310 f) Góc mở θon = 330 Hình Đặc tính mơ men βs = 300, βr = 330, góc mở θon biến thiên Phân tích kết hình 6: trường hợp góc cực rotor βr = 330 có góc mở theo tính tốn θon0 = 31.50 Khi góc mở θon < θon0; θon = 300 điểm âm mơ men đặc tính mơ men lớn nhất, điểm âm mơ men giảm có góc θon = 310 Đến góc mở góc mở tính tốn θon = θon0 =31.50 điểm mơ men âm khơng có Và góc θon = 320; 330 > 31.50 đường đặc tính mơ men hồn tồn khơng có điểm âm Tổng hợp trường hợp tính mơ men trung bình, độ nhấp nhơ mơ men tốc độ max ứng với góc mở θon ≥ θon0 bảng Bảng cho thấy: Khi giữ bề rộng stator không đổi, tăng bề rộng cực rotor βr mơ men trung bình có xu hướng giảm; mơ men trung bình đạt giá trị lớn βr = 310 Trường hợp βs =300; βr =310 ; θon = 310 mơ men trung bình đạt giá trị lớn 20.309 (Nm) tỉ lệ nhấp nhô mô men 1.14; với βs =300; βr =310 ; θon = 310 mơ men trung bình đạt giá trị cực đại 20.309 Nm tỉ lệ nhấp nhô mô men 1.10; với βs =300; βr =330; θon = 330 mơ men trung bình đạt giá trị nhỏ 17.495 Nm tỉ lệ nhấp nhô mô men 1.16 Khi bề rộng cực rotor lớn so với bề rộng cực stator mơ men trung bình giảm Đồng thời, cặp cực (βs, βr) định, góc mở θon xa góc mở tính tốn θon0 mơ men trung bình giảm Như vậy, thay đổi độ lệch bề rộng cực rotor sator Δβ =βr –βs góc mở θon phải thay đổi theo để có đặc tính mơ men khơng có điểm âm mơ men trung bình lớn Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 72, 04 - 2021 49 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Khi góc mở θon = θon0 trường hợp góc cực stator/rotor có giá trị mơ men trung bình lớn nhấp nhơ mơ men nhỏ Kết đặc tính điện cảm, dịng điện, từ thơng mơ men trường hợp góc cực βs =300; βr =310 θon = 310 thể hình 7, Bảng Kết tính tốn mơ men trung bình, nhấp nhơ mơ men tốc độ cực đại ứng với góc mở θon ≥ θon0 TT βS (0) 30 30 30 βR(0) 31 32 33 góc α Góc mở Dịng điện max θon0 (0) (A) Mơ men trung bình (Nm) Độ nhấp nhô mô men 14.5 30.5 299.8 19.729 1.11 14.5 31 294.93 20.309 1.10 14.5 32 283,82 19.556 1.12 14 31 286.756 19.749 1.14 14 32 275.79 18.952 1.16 14 33 264.84 18.052 1.18 13.5 31.5 273.787 18.849 1.16 13.5 32 268.365 18.422 1.17 13.5 33 257.573 17.495 1.20 Hình Mật độ từ cảm stator rotor trường hợp cực βs =300; βr =310 50 Đ H Lĩnh, … , P V Bình, “Ảnh hưởng góc cực rotor … động từ trở.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Đặc tính dịng điện, từ thơng, điện cảm mơ men theo vị trí góc rotor βs =300; βr =310 θon = 310 KẾT LUẬN Bài báo tính tốn, phân tích góc mở dịng điện đến đặc tính mơ men pha trường hợp góc cực rotor từ 300 đến 330 với góc cực stator 300 Ứng với giá trị bề rộng cực sator, rotor khác góc mở dịng điện pha phải thay đổi cho phù hợp Với βs =300 βr =310; 320 góc mở dịng điện θon = 310; βr =330 θon = 330 đạt đặc tính mơ men khơng có điểm âm, đồng thời mơ men trung bình đạt giá trị cực đại nhấp nhô mô men nhỏ Và trường hợp góc rotor khác kết tính tốn phân tích cho thấy, với bề rộng cực stator 300, chọn bề rộng cực rotor 310 cho mơ men trung bình cao tỉ lệ nhấp nhô mô men nhỏ Có thể nhận thấy, ảnh hưởng bề rộng cực rotor góc mở dịng điện pha có ảnh hưởng lớn tới mơ men trung bình, đặc tính mơ men tỉ lệ nhấp nhơ mơ men Do vậy, tính tốn thiết kế điện từ SRM việc lựa chọn số cực rotor stator cho phù hợp cịn phải tính tốn bề rộng cực stator, rotor góc mở dịng điện để đạt mơ men trung bình tốt tỉ lệ nhấp nhô mô men nhỏ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] R Krishnan, "Switched reluctance motor drives: Modeling, simulation, analysis, design, and applications" 2017 [2] T Wichert, “Design and construction modifications of switched reluctance machines,” p 161, 2008 [3] A Tap, L Xheladini, T Asan, M Imeryuz, M Yilmaz, and L T Ergene, “Effects of the rotor design parameters on the torque production of a PMaSynRM for washing machine applications,” Proceedings - 2017 International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment, OPTIM 2017 and 2017 Intl Aegean Conference on Electrical Machines and Power Electronics, ACEMP 2017, pp 370–375, 2017, doi: 10.1109/OPTIM.2017.7974998 [4] J Choi, T H Kim, K Jang, and J Lee, “Geometric and Electrical Optimization Design of SR Motor Based on Progressive Quadratic Response Surface Method,” vol 39, no 5, pp 3241–3243, 2003 [5] S RISSE and G HENNEBERGER, “Design and optimization of a Switched Reluctance motor for electric vehicle propulsion,” pp 1526–1530, 2016, [Online] Available: http://cat.inist.fr/?aModele=afficheN&cpsidt=14174377 [6] V Rallabandi, J Wu, P Zhou, D G Dorrell, and D M Ionel, “Optimal Design of a Switched Reluctance Motor with Magnetically Disconnected Rotor Modules Using a Design of Experiments Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 72, 04 - 2021 51 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử [7] [8] [9] [10] Differential Evolution FEA-Based Method,” IEEE Transactions on Magnetics, vol 54, no 11, pp 1– 5, 2018, doi: 10.1109/TMAG.2018.2850744 M D Bui, S Schneider, S Arnaout, and U Schaefer, “Torque maximization of a high-speed switched reluctance starter in acceleration test,” 2013 15th European Conference on Power Electronics and Applications, EPE 2013, no 1, pp 1–5, 2013, doi: 10.1109/EPE.2013.6631908 S Smaka, M Cosovic, and S Masic, “The effects of magnetic circuit geometry on torque generation of 8/14 switched reluctance machine,” 2013 24th International Conference on Information, Communication and Automation Technologies, ICAT 2013, pp 1427–1432, 2013, doi: 10.1109/ICAT.2013.6684050 B Nguyen and C Ta, “Finite Element Analysis, Modeling and Torque Distribution Control for Switched Reluctance Motors with High Non-linear Inductance Characteristics,” pp 693–698, 2011 L Q Dũng, “Torque-ripple minimization in switched reluctance motors,” pp 1–9, 2014 ABSTRACT THE EFFECTS OF ROTOR POLE ARCS, TURN_ON ANGLE ON TORQUE CHARACTERISTIC AND TORQUE RIPPLE OF SWITCHED RELUCTANCE MOTOR Switched Reluctance Motors have inherent advantages such as simple structure with non winding construction in rotor side, with no permanent magnet in the rotor, and possible operation in high speed The high torque production in switched reluctance motor comes from the tendency of the rotor poles to align with the excited stator poles SRM can operate in the whole magnetic circuit saturation region, thus making the most of the ferromagnetic material's capabilities, power density per mass of the SRM However, because SRM construction with doubly salient poles and its non-linear magnetic characteristics, the problems of acoustic noise and torque ripple are more severe than these of other traditional motors Reducing torque ripple and maximizing average torque are one of the important goals of designing the SRM Rotor pole arc is a parameter has a great influence on the average torque and the turn_on angle phase current is a decisive factor in the torque generation process In the paper, the author analyzes the influence of turn_on angle on torque characteristics, the relationship of stator/rotor pole arc with turn_on angle phase current The finite element method, software Speed PC-SRD was employed to caculate and analysis with switched reluctance motors 6/4-30kW The results are essential basis for the designing driver of switched reluctance motor Keywords: Switched Reluctance Motor; Torque characteristic; Average torque; Torque ripple; Turn_on angle; Rotor pole arcs Nhận ngày 01 tháng 01 năm 2021 Hoàn thiện ngày 07 tháng năm 2021 Chấp nhận đăng ngày 12 tháng năm 2021 Địa chỉ: Viện Điện - Đại học Bách khoa Hà Nội * Email: hailinh.vfu@gmail.com 52 Đ H Lĩnh, … , P V Bình, “Ảnh hưởng góc cực rotor … động từ trở.” ... Hình Đặc tính mơ men βs = 300, βr = 320, góc mở θon biến thiên 48 Đ H Lĩnh, … , P V Bình, ? ?Ảnh hưởng góc cực rotor … động từ trở. ” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Đặc tính mơ men pha dây quấn động. .. hợp góc cực rotor βr = 330 có góc mở theo tính tốn θon0 = 31.50 Khi góc mở θon < θon0; θon = 300 điểm âm mơ men đặc tính mơ men lớn nhất, điểm âm mơ men giảm có góc θon = 310 Đến góc mở góc mở tính. .. Mật độ từ cảm stator rotor trường hợp cực βs =300; βr =310 50 Đ H Lĩnh, … , P V Bình, ? ?Ảnh hưởng góc cực rotor … động từ trở. ” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Đặc tính dịng điện, từ thơng, điện