MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU CÔNG SUẤT NHỎ
3.2. MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU
Máy điện đồng bộ :
Máy điện đồng bộ là các máy điện xoay chiều có tốc độ của roto bằng với tốc độ của từ trường quay. Dây quấn stato được nối với lưới điện xoay chiều, dây quấn rotor được kích từ bằng dòng điện một chiều. Ở chế độ xác lập, máy điện đồng bộ có tốc độ quay của rotor luôn không đổi khi tải thay đổi.
Máy điện đồng bộ thường được dùng làm máy phát trong hệ thống điện với cơ năng được cung cấp bằng một động cơ sơ cấp ( các loại tuabin, động cơ kéo...). Công suất của máy phát có thể lên đến 1000MVA hay lớn hơn, và các máy phát thường làm việc song song với nhau trong hệ thống.
Động cơ đồng bộ được sử dụng khi cần công suất truyền động lớn, có thể đến hàng chục MW. Ngoài ra, động cơ đồng bộ còn được dùng làm các máy bù đồng bộ ( động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ không tải), dùng để cải thiện hệ số công suất và ổn định điện áp cho lưới điện.
Cấu tạo phần tĩnh :
Nếu phần cảm nằm ở stato thì lá thép có dạng như ở hình 3.1, cuộn dây kích từ được quấn quanh cực từ.
33
Hình 3.1. Lõi thép phần cảm ở stato
Còn nếu stato đóng vai trò làm phần ứng thì mạch từ gồm các lá thép điện kỹ thuật ghép lại với nhau, phía trong có đặt các rãnh để đặt cuộn dây.
Nếu rô to là phần cảm thì chia làm hai loại:
- Rô to cực ẩn : lõi thép là một khối thép rèn hình trụ, mặt ngoài phay thành các rãnh để đặt cuộn dây kích từ. Cực từ rô to của máy cực ẩn không lộ ra rõ rệt. Cuộn dây kích từ đặt đều trên 2/3 chu vi rô to. Với cấu tạo như trên, rô to cực ẩn có độ bền cơ học rất cao, dây quấn kích từ rất vững chắc do đó các loại máy đồng bộ có tốc độ từ 1500v/ph trở lên đều được chế tạo với rô to cực ẩn, mặc dù chế tạo phức tạp và khó khăn hơn rô to cực lồi.
- Rô to cực hiện : Lõi thép gồm những lá thép điện kỹ thuật ghép với nhau, các cực từ hiện ra rõ rệt. Phía ngoài cực từ là mỏm cực, có tác dụng làm cho cường độ từ cảm phân bổ dọc theo stato rất giống hình sin. Dây quấn kích thích quấn trên các cực từ hai đầu cuộn dây nối với hai vành trượt qua 2 chổi than tới nguồn điện một chiều bên ngoài.
34
Hình 3.2. Rô to cực ẩn Hình 3.3. Rô to cực hiện
Do tốc độ của gió nằm trong khoảng 70 – 120 v/ph nên số đôi cực của máy phát gió phải nhỏ (p= 1) và số bin càng nhỏ thì điện áp càng lớn.
Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu:
Hình 3.4. Mặt cắt ngang của máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
Các máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu có bốn cực từ, phần cắt ngang của nó được mô tả trong hình 3.4. Các nam châm được gắn chặt trên
35
lõi thép rô to. Không gian giữa các nam châm được lấp đầy bằng các lá thép hình đặc biệt, các bộ phận đó tạo ra một dòng điện đóng cho từ trường. Nam châm vĩnh cửu đã được sử dụng rộng rãi để thay thế các cuộn kích từ trong các máy đồng bộ, với những ưu điểm là thiết kế rô to không cần cuộn dây kích thích, vành trượt và bộ kích từ máy phát có thể giúp tránh gây nhiệt trong các cánh quạt và cung cấp hiệu quả tổng thể của hệ thống cao hơn.
Nguyên lý làm việc của máy phát :
Nguyên lý hoạt động của máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu cũng giống như nguyên lý hoạt động của máy điện đồng bộ, chỉ khác nhau ở chỗ ở máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu thì cuôn kích từ trên rô to được thay thế bằng nam châm vĩnh cửu.
Hình 3.5. Nguyên lý làm việc cơ bản
Khi ta đưa dòng điện kích thích một chiều it vào dây quấn kích thích đặt trên cực từ, dòng điện it sẽ tạo nên một từ thông t. Nếu ta quay rô to lên đến tốc độ n (v/ph) , thì từ trường kích thích t sẽ quét qua dây quấn phần ứng và cảm ứng nên trong dây quấn đó suất điện động và dòng điện phần ứng biến thiên với tần số f1 = p.n/60. Trong đó p là số đôi cực của máy.
36
Với máy điện đồng bộ 3 pha, dây quấn phần ứng nối sao (Y) hoặc nối tam giác (Δ) .
Khi máy làm việc dòng điện phần ứng Iư chạy trong dây quấn 3 pha sẽ tạo nên một từ trường quay. Từ trường này quay với tốc độ đồng bộ n1 = 60.f1/p.
* Cấu trúc một máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu đơn giản :
Hình 3.6. Mô hình của một PMSG đơn giản.
Các kích thước hình học của mô hình:
- bt = 5 mm, hc = 20 mm, D = 120 mm, De = 195 mm, = 0,5 mm, am = 38 mm, = 3 mm.
Đặc tính từ của phần cảm rô to ( phần tạo ra từ trường chính ) và phần ứng stato được mô tả trong hình 3.7. Phần nam châm vĩnh cửu được chế tạo bằng vật liệu NdFeB và có những đặc điểm sau : độ kháng từ Hc = 979.000
37
A/m; hằng số từ thẩm tương đối r = 1.049; năng lượng từ tối đa B.Hmax = 40 MGOe; độ dẫn điện = 0,667 MS/m.
Trục bằng thép không gỉ của máy phát có các thông số sau: độ thẩm từ tương đối r = 1 và độ dẫn điện = 1,35 MS/m.
Hình 3.7. Đặc tính từ.
* Ảnh hưởng của chiều dài nam châm vĩnh cửu đến dòng kích thích máy phát:
Nhiều nghiên cứu đã phân tích ảnh hưởng của kích thước hình học của rô to lên thông lượng từ tính của máy phát điện ( thông lượng liên kết, thông lượng tương hỗ và thông lượng rò rỉ ). Đường kính D của rô to đã được giữ không đổi, các kích thước được thay đổi trong quá trình nghiên cứu là chiều dài của các nam châm vĩnh cửu bm và khe hở rô to b0. Vì vậy nếu bm có giá trị cao thì các chi tiết thép hình tạo ra đường đóng cho từ trường sẽ có kích thước nhỏ hơn do đường kính D của rô to được giữ không đổi.
38
Giải pháp tối ưu cho vấn đề chiều dài của nam châm vĩnh cửu có thể tìm thấy bằng cách chọn ra một tập hợp các kích thước bm và hm ( chiều cao của các nam châm vĩnh cửu ) sao cho các đại lượng như thông lượng liên kết, thông lượng tương hỗ và thông lượng rò rỉ đã được tính toán phù hợp với sự trợ giúp của phần mềm chuyên dụng. Chiều dài bm rất đa dạng, chiều cao hm
được tính toán bằng công thức sau:
( 3.1)
Mục tiêu để tối ưu hóa thông lượng tương hỗ và thông lượng liên kết, vì trong những năm qua, giá cả nam châm vĩnh cửu giảm mạnh làm kéo theo chất lượng suy giảm nên dung lượng của nam châm đã không được đưa vào phân tích. Tuy nhiên độ dài của nam châm vĩnh cửu đã được giữ trong một phạm vi cụ thể dựa trên công suất của máy phát đã được tính toán.
Nếu dung lượng của nam châm quá nhỏ thì thông lượng từ tính kích thích sẽ không đủ cho mức công suất tính toán của máy phát. Mặt khác nếu dung lượng của nam châm quá lớn thì các chi phí tổng thể của máy phát cũng sẽ không hợp lý. Chiều dài mỗi đơn vị của nam châm vĩnh cửu được cho bởi công thức:
(3.2)
Trong đó là độ chênh lệch giữa các khe không khí giữa các cực. Đối với máy phát được phân tích trong trường hợp này thì = 94,25 mm tương ứng với rô to có đường kính D = 120 mm.
Thông lượng từ tính của máy phát điện ( thông lượng liên kết, thông lượng tương hỗ, thông lượng rò rỉ ) được tính bằng cách có tính đến mỗi đơn vị chiều dài k của nam châm vĩnh cửu ( dùng công thức 2 ) và giữ tất cả các kích thước hình học khác của nam châm vĩnh cửu không đổi : bt , hc , D, De ,
39
Hình 3.8. Bản đồ từ trường cho máy phát có các kích thước bm = 28,3 mm (k = 0,297 ) và b0 =15 mm.
Hình 3.8 cho thấy bản đồ quang phổ từ trường với các thông số bm = 28 mm (k = 0,297 ) và b0 = 15 mm. Có thể thấy rằng một phần của phần ứng stato có từ trường thấp hơn so với phần nằm trên trục của nam châm vĩnh cửu trên rô to.
Ảnh hưởng của chiều dài nam châm vĩnh cửu trên thông lượng từ tính của máy phát điện: Thông lượng liên kết t ( được xác định bởi các phân đoạn MN trên bề mặt và chiều dài của các máy ( Hình 3.6) ), thông lượng tương hỗ ( được xác định bởi các phân đoạn PQ và chiều dài của máy) và thông lượng rò rỉ được nghiên cứu với mỗi độ dài của nam châm vĩnh cửu cho bởi :
K1 = 0,19 ( bm1 = 18 mm); k2 = 0,243 ( bm2 = 23 mm); k3 = 0,297 ( bm3 = 28 mm); k4 = 0,35 ( bm4 = 33 mm) và k5 = 0,403 ( bm5 = 38 mm). Đối với những giá trị như chiều cao hm của nam châm vĩnh cửu, dung lượng Vm của
40
nam châm vĩnh cửu, các thông lượng liên kết, thông lượng tương hỗ, thông lượng rò rỉ đã được tính toán đã được liệt kê trong bảng 3.1.
Bảng 3.1. Giá trị thông lượng từ tính của máy phát.
bm [mm] hm [mm] Vm [mm3] t [Wb] u [Wb] [Wb] 18 37.5 8100 1.415. 10-3 1.312. 10-3 1.031. 10-4 23 37 102120 1.445. 10-3 1.326. 10-3 1.181. 10-4 28 36.5 122640 1.457. 10-3 1.329. 10-3 1.274. 10-4 33 36 142560 1.456. 10-3 1.326. 10-3 1.333. 10-4 38 35 159600 1.443.10-3 1.301. 10-3 1.317. 10-4
Tất cả các kết quả hiển thị trong bảng trên được tính toán với giá trị khe hở rô to là b0 = 15 mm. Có thể thấy rằng các thông lượng liên kết và thông lượng tương hỗ đạt giá trị tối đa, những giá trị tối đa này tuy không hoàn toàn giống nhau nhưng chúng có giá trị tương đối gần nhau. Các thông lượng tương hỗ có tầm quan trọng cao vì nó tạo ra lực điện động ( e.m.f ) trong cuộn dây stato. Nhìn vào bảng kết quả 3.1 ta có thể thấy rằng chế độ hoạt động tối ưu của máy phát điện nam châm vĩnh cửu đạt hiệu suất cao nhất nếu đơn vị chiều dài của nam châm vĩnh cửu thay đổi trong khoảng giữa 0,25 và 0,35 (k (0,25...0.35) ). Hình 3.9 mô tả mối quan hệ giữa thông lượng tương hỗ và chiều dài bm của nam châm vĩnh cửu.
41
Hình 3.9. Sự biến thiên của thông lượng tương hỗ với chiều dài nam châm.
* Sự ảnh hưởng của từ trường máy phát điện qua khe hở rô to :
Nghiên cứu này thực hiện cho mô hình máy phát điện nam châm vĩnh cửu bằng cách chọn các đơn vị chiều dài của nam châm như sau : k = 0,297 ( bm = 28 mm), cho giá trị thông lượng tương hỗ đạt đến tối đa ( bảng 3.1 ), lựa chọn bốn giá trị cho khe hở rô to : b0 = 5 mm, b0 = 10 mm, b0 = 15 mm và b0
= 20 mm. Đối với mỗi giá trị của thông lượng liên kết, các giá trị thông lượng tương hỗ và thông lượng rò rỉ được tính toán và được ghi kết quả trong bảng 3.2.
42
Bảng 3.2. Giá trị thông lượng từ tính khi thay đổi khe hở rô to.
B0 [mm] t [Wb] u [Wb] [Wb] 5 1.4679. 10-3 1.1902. 10-3 2.7771. 10-4 10 1.4586. 10-3 1.2905. 10-3 1.6806. 10-4 15 1.4532. 10-3 1.3283. 10-3 1.2489. 10-4 20 1.4474. 10-3 1.3468. 10-3 1.0059. 10-4
Có thể thấy rằng khi các khe hở rô to tăng thì các thông lượng liên kết sụt giảm khoảng 1,4 % trong khi thông lượng tương hỗ tăng lên 12,5 %.
Hiện tượng này xảy ra do trên thực tế các khe hở này chứa đầy không khí và các từ trở tương đương với không khí này tăng lên ( khi khe hở rô to tăng ) dẫn đến làm giảm thông lượng rò rỉ.
Sự gia tăng lớn nhất của thông lượng tương đương ( khoảng 8,4 % ) diễn ra khi các khe hở rô to tăng từ 5 mm đến 10 mm.
Hình 3.10 cho thấy sự thay đổi của thông lượng tương hỗ với kích thước b0 của khe hở rô to. Điều đó cho thấy khi thiết kế một máy phát điện nam châm vĩnh cửu cần quan tâm đến sự gia tăng của khe hở rô to ( nam châm có cùng chiều dài bm) bởi vì sự gia tăng của thông lượng tương hỗ dẫn đến sự gia tăng của lực điện động (EMF) trong cuộn dây stato.
43
Hình 3.10. Sự biến thiên của thông lượng tương hỗ với kích thước khe hở rô to.
Hình 3.10. Sự biến thiên của thông lượng rò rỉ với kích thước khe hở rô to.
44
Như đã đề cập ở trên, thông lượng rò rỉ giảm với sự gia tăng kích thước khe hở rô to. Hình 3.10 cho thấy sự thay đổi này, có thể thấy rằng thông lượng rò rỉ giảm nhiều nhất khi khe hở rô to tăng từ 5 mm đến 10 mm.
Nhận xét chung, máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSG sẽ được sử dụng rông khắp trên thế giới do lợi ích từ chính nó đem lại như là độ ổn định, quá trình hoạt động an toàn, có kích thước tổng thể nhỏ gọn hơn so với các máy phát điện thông thường và nó không cần nguồn cung cấp một chiều để kích từ.
Việc tối ưu hóa phần hình học của máy phát có thể được thực hiện bằng cách thay đổi chiều dài nam châm vĩnh cửu bm và các khe hở rô to b0.
Trong nghiên cứu thiết kế này, ta có thể thấy thông lượng tương hỗ của máy phát có giá trị tối đa tùy theo chiều dài nam châm vĩnh cửu và khe hở rô to. Như vậy, thiết kế tối ưu hình học của máy phát có thông số chiều dài của nam châm vĩnh cửu nằm trong khoảng giữa 0,25 và 0,35 ( k (0,25...0,35)) và khe hở rô to đủ lớn vào khoảng 10 đến 20 mm ( b0 (10...20)mm) dẫn đến thông lượng tương hỗ tăng khoảng 8,4 %.