Nghiên cứu hệ thống điều chỉnh động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu

Phần Véc tơ không gian - Mô tả toán học động đồng nam châm vĩnh cửu Phần TổNG QUAN Về ĐộNG CƠ ĐồNG Bộ 1.1 Khái niệm phân loại động đồng 1.1.1 Khái niệm động đồng Những động điện xoay chiỊu cã tèc ®é quay cđa roto (n) b»ng tèc độ quay từ trờng (n1) gọi động đồng (ĐCĐB) chế độ xác lập động ®iƯn ®ång bé cã tèc ®é quay cđa roto lu«n không đổi tải thay đổi, tuỳ thuộc vào tần số nguồn (s = 2fs/p) số đôi cực động 1.1.2 Phân loại động đồng * Phân loại theo cấu tạo - Động đồng cực lồi - Động đồng cực ẩn * Phân loại theo nguồn kích thích - Động đồng kích thích nam châm điện (viết tắt: ĐCĐBNCĐ) - Động đồng kích thích nam châm vĩnh cửu (viết tắt: ĐCĐBNCVC) đối tợng nghiên cứu đề tài 1.2 NGuyên lý cấu tạo ĐCĐBNCVC Theo TL [3], [6], [16] động đồng nói chung, động đồng nam châm vĩnh cửu nói riêng máy điện xoay chiều có phần cảm đặt rotor phần ứng hệ dây quấn ba pha đặt stator Với ĐCĐBNCVC phần cảm đợc kích thích phiến nam châm bố trí bề mặt dới bề 17 Phần Véc tơ không gian - Mô tả toán học động đồng nam châm vĩnh cửu mặt rotor Các nam châm thờng đợc làm ®Êt hiÕm vÝ dô nh− Samariu- cobalt (SmCO5, SmCO17 ) Neodymium-ion-boron (NdFeB), nam châm có suất lợng cao tránh đợc hiệu ứng khử từ, thờng đợc gắn bề mặt bên lõi thép rotor để đạt đợc độ bền khí cao, tốc độ làm việc cao khe hở nam châm đắp vËt liƯu dÉn tõ sau ®ã bäc b»ng vËt liƯu có độ bền cao, ví dụ nh sợi thuỷ tinh bắt bulon vít lên nam châm Ngoài có nam châm gốm độ bền cao Theo kết cấu động ta chia ĐCĐBNCVC thành hai loại : Động cực ẩn động cực lồi mà ta xét dới để thấy rõ đặc điểm cấu tạo loại máy điện 1.2.1 Động đồng nam châm vĩnh cửu cực lồi Cấu tạo động gồm hai phần Startor rotor * Startor máy ®iƯn ®ång bé nam ch©m vÜnh cưu gåm hai bé phận lõi thép dây quấn, có vỏ máy nắp máy - Lõi thép startor gồm thép kỹ thuật điện (tôn silic dầy 0,5mm) hai mặt đợc phủ lớp sơn cách điện đợc dập rÃnh bên sau đợc ghép lại với tạo thành hình trụ rỗng, bên mặt tạo thành rÃnh theo hớng trục để đặt dây quấn sau (hình 1.1) Dọc chiều dài lõi thép startor cách khoảng cm lại cã mét r·nh th«ng giã ngang trơc réng 10mm Lâi thép startor đợc đặt cố định thân máy Thân máy phải đợc thiết kế cho hình thành hệ thống thông gió để làm mát máy tốt Nắp máy thờng đợc chế tạo từ gang đúc, thép nhôm đúc - Dây quấn startor thờng đợc chế tạo đồng có tiết diện hình tròn chữ nhật (tuỳ thuộc vào công suất máy), bề mặt đợc phủ lớp cách điện, đợc quấn thành bối lồng vào rÃnh lõi thép startor, đợc đấu nối 18 Phần Véc tơ không gian - Mô tả toán học động đồng nam châm vĩnh cửu theo qui luật định tạo thành sơ đồ hình tam giác * Rotor máy điện cực lồi thờng có tốc độ quay thấp nên đờng kính rotor lớn, chiều dài lại nhỏ Tỷ số chiều dài/ đờng kính nhỏ Rotor thờng đĩa nhôm hay nhựa trọng lợng nhẹ có độ bền cao Các nam châm đợc gắn chìm đĩa Các loại máy thờng đợc gọi máy từ trờng hớng trục (rotor đĩa) Loại thờng đợc sử dụng kỹ thuật robot Hình 1.1 Động đồng nam châm vÜnh cöu cùc låi - lâi thÐp stator; - rotor; - nam châm vĩnh cửu 1.2.2 Động đồng nam châm vĩnh cửu cực ẩn * Startor động đồng nam châm vĩnh cửu cực ẩn có cấu tạo tơng tự nh động cực lồi * Rotor máy điện cựu ẩn thờng làm thép hợp kim chất lợng cao, đợc rèn thành khối trụ sau gia công phay rÃnh để đặt nam châm Khi nam châm ẩn rotor đạt đợc cấu trúc học bền 19 Phần Véc tơ không gian - Mô tả toán học động đồng nam châm vĩnh cửu vững hơn, kiểu thờng đợc sử dụng động cao tốc Tốc độ loại thờng cao nên để hạn chế lực li tâm rotor thờng có dạng hình trống với tỷ số chiều dài/đờng kính lớn Máy đợc gọi máy từ trờng hớng kính (rotor trụ dài), thờng đợc sử dụng máy công cụ Tuy nhiên với cấu trúc nam châm vĩnh cửu chìm, máy đợc coi khe hở không khí Trong trờng hợp nam châm đợc lắp bên lõi thép rotor mặt vật lý coi thay đổi bề mặt hình học nam châm Mỗi nam châm đợc bọc mảng cực thép nên làm mạch từ máy thay đổi mạnh, mảng cực thép tạo đờng dẫn từ cho từ thông cắt ngang cực không gian vuông góc với từ thông nam châm Do hiệu øng cùc låi lµ râ rµng vµ nã lµm thay đổi chế sản sinh mô men máy điện Hình1.2 Động đồng nam châm vÜnh cöu cùc Èn - lâi thÐp stator; - rotor; - nam châm vĩnh cửu Với yêu cầu truyền động secvô vận hành phải êm, cần phải hạn chế mô men (rÃnh) mô men đập mạch sóng hài không gian thời 20 Phần Véc tơ không gian - Mô tả toán học động đồng nam châm vĩnh cửu gian sinh Để đạt đợc điều ngời ta thờng tạo hình cho nam châm, uốn nam châm lợn chéo theo trục rotor, uốn rÃnh dây quấn startor kết hợp với tính toán số kích thớc nam châm Kỹ thuật tạo rôtor xiên đắt tiền phức tạp Trong điều kiện bình thờng truyền động secvô, mô men điều hoà cỡ 2% mô men định mức coi chấp nhận đợc Tuy nhiên hạn chế đợc đa số mô men điều hoà (rÃnh) truyền động động đồng nam châm vĩnh cửu cấp từ biến đổi cách sử dụng biến đổi chất lợng cao điều khiển có chứa phần tử đo xác thông số hoạt động nh tốc độ, vị trí động Trong máy điện nam châm vĩnh cửu kinh điển, startor có răng, ngày ta chế tạo startor không Trong trờng hợp dây quấn startor đợc chế tạo từ bên sau đợc lồng vào định vị startor Máy điện nh không đập mạch tốc độ thấp tổn thất giảm, tăng đợc không gian cho dây quấn startor, nên sử dụng dây quấn tiết diện lớn tăng dòng điện định mức máy điện tăng đợc công suất máy Nhng khe hở không khí lớn gây bất lợi cho từ thông khe hở nên phải chế tạo rotor có đờng kính lớn có bề mặt nam châm lớn Động đồng nam châm vĩnh cưu cùc Èn cã nhiỊu kiĨu rotor kh¸c D−íi ba kiểu rotor thờng gặp thực tế a cc b Hình 1.3 Các kiểu rotor động đồng nam châm vĩnh cửu cực ẩn 21 Phần Véc tơ không gian - Mô tả toán học động đồng nam châm vĩnh cửu 1.3 Sơ đồ thay động đồng Để nghiên cứu, phân tích trình điện từ xảy bên động xây dựng đặc tÝnh c¬ cđa chóng, ng−êi ta th−êng sư dơng s¬ đồ thay pha với giả thiết sau: - Ba pha động đối xứng, điện áp nguồn hoàn toàn hình sin đối xứng - Các thông số động không đổi (nghĩa không phụ thuộc vào nhiệt độ, điện trở số, mạch từ không bÃo hoà nên điện kháng không đổi) - Dòng điện chiều kích thích không thay đổi (Ikt = const) - Bỏ qua hao tổn hao tổn phụ - Bỏ qua ảnh hởng từ trờng bậc cao máy Khi mô tả đại lợng điện áp dòng điện dạng véc tơ phức, theo TL[6], ta có phơng trình điện áp cho pha động đồng bé nh− sau: U = E + I ( R +JX ) (1.1) Trong đó: U điện áp pha E = .f.kw.N. sức điện động dây quấn phần ứng I dòng điện chạy mạch phần ứng R điện trở phần ứng X điện kháng phần ứng Từ phơng trình (1.1) ta có sơ đồ thay pha động đồng nh sau R X I U E Hình 1.4 Sơ đồ thay động đồng 22 Phần Véc tơ không gian - Mô tả toán học động đồng nam châm vĩnh cửu 1.4 Các đặc tính động ®ång bé Khi ta ®ãng stator ®éng c¬ ®ång bé vào nguồn điện xoay chiều có tần số f1 không đổi, động quay với tốc độ không đổi tốc độ đồng bộ: =2 f1/p (1.2) Trong phạm vi mô men cho phép M Mmax, đặc tính cứng tuyệt đối (độ cứng đặc tính = ) Theo TL [2], [8] đặc tính động đồng nh hình 1.5 Mmax M Hình 1.5 Đặc tính động đồng Khi mô men vợt trị số Mmax tốc độ động ®ång bé Trong hƯ trun ®éng dïng ®éng c¬ ®ång ngời ta sử dụng đặc tính góc:M = f() Đặc tính góc biểu diễn mối quan hệ mô men động với góc lệch véc tơ điện áp pha lới điện véc tơ sức điện động cảm ứng dây quấn stator từ trờng chiều sinh Từ phơng trình (1.1) bá qua ®iƯn trë R cđa stator ta cã ®å thị véc tơ nh hình 1.6 Từ đồ thị véc tơ (hình 1.6) ta có: U.cos = E cos( - θ ) (1.3) mµ 23 cos(ϕ - θ ) = U sin I.X Phần Véc tơ không gian - Mô tả toán học động đồng nam ch©m vÜnh cưu U j IX E θ ϕ I Hình 1.6 Đồ thị véc tơ mạch stator động đồng Thay vào phơng trình ta ®−ỵc: Ucosϕ = E U.sinθ I.X UI cosϕ = EU sin X (1.4) Vì UI cos công suất pha động nên công suất pha động là: P=3 EU sin X (1.5) Mô men động là: M= P = 3EU sin 1X (1.6) Đây phơng trình đặc tính góc động đồng (hình 1.7) Trên ®−êng ®Ỉc tÝnh gãc ta thÊy, θ = Π/2 mô men đạt cực đại: Mmăx = EU X (1.7) Mô men Mmăx đặc trng cho khả tải động Khi tải tăng, góc lệch tăng, > /2 mô men lại giảm Động đồng thờng làm việc 24 Phần Véc tơ không gian - Mô tả toán học động đồng nam châm vĩnh cửu định mức với đm = 200 ữ 300 Hệ số tải mô men: M = M max = ÷ 2,5 M dm M (1.8) M M1 3Π/2 /2 M2 Hình 1.7 Đặc tính góc động đồng Quá trình phân tích với động đồng cực ẩn Với động đồng cực lồi phân bố khe hở không khí rotor stator không nên máy xuất mô men phản kháng phụ, theo TL [2], [8] phơng trình đặc tính góc có d¹ng sau: 3UE 3U ⎛⎜ 1 ⎞⎟ − sin θ + sin 2θ M= ω X d 2ω ⎜⎝ X q X d ⎟⎠ (1.9) Víi Xd, Xq điện kháng dọc trục ngang trục Đờng cong biểu diễn M tổng hai thành phần: M1 = 3UE sin θ ω X d (1.10) 3U ⎛⎜ 1 ⎞⎟ sin 2θ − M2 = X q X d (1.11) Trên đồ thị đặc tính góc biểu diễn M1, M2 đờng nét đứt Đối với máy cực ẩn Xd = Xq nên M2 = M = M1 Nhng th−êng M2 rÊt nhá nªn cã thĨ bá qua Khi đăc tính góc động cực lồi cực ẩn nh 25 Phần Véc tơ không gian - Mô tả toán học động đồng nam châm vĩnh cửu 1.5 Điều chỉnh tốc độ động đồng 1.5.1 Nguyên lý điều chỉnh tốc ®é ®éng c¬ ®ång bé Theo TL [2], [7] tèc độ quay ĐCĐB đợc tính biểu thức: s = Trong đó: 2f s p (1.12) fs tần số nguồn cung cấp p số đôi cực từ động Từ công thức (1.12) ta thấy ®iỊu chØnh tÇn sè ngn cung cÊp sÏ ®iỊu chØnh ®−ỵc tèc ®é quay cđa ®éng Do vËy cÊu trúc hệ truyền động điều chỉnh tốc độ ĐCĐB có biến đổi tần số (gọi tắt biến tần) * Bộ biến tần thiết bị điện tử dùng để biến đổi lợng điện xoay chiều từ tần số sang tần số khác, đợc chia làm hai loại: - Bộ biến tần trực tiếp biến tần dùng để biến đổi trực tiếp điện áp xoay chiều U1 có tần số f1 thành điện áp xoay chiều U2 có tần số f2 cung cấp cho tải mà không cần qua khâu trung gian Vì biến tần có hiệu suất biến đổi điện cao Tuy nhiên thực tế sơ đồ mạch van phức tạp, nên có loại điều chỉnh tần số thấp tần số nguồn cung cấp (f2