Hình 4.19 Biên độ và góc pha các sóng hài mơmen SRM 12/8 với βS=150, βR=210
Kết quả Hình 4.13 ÷ Hình 4.19 cho thấy các sóng hài của SRM 12/8 chủ yếu là các sóng hài bậc 3, 6, 9, 12, 15. Và biên độ các sóng hài này cũng có sự biến đổi lớn khi thay đổi góc cực rotor. Khi góc cực rotor bằng góc cực stator thì biên độ các sóng là lớn nhất, dẫn đến nhấp nhơ mơmen lớn. Khi góc cực rotor lớn hơn góc cực stator biên độ các sóng hài giảm dần.
Kết quả phân tích FEM các giá trị biên độ sóng hài bậc 3,6,9,12 và so sánh với tính tốn giải tích như trong Bảng 4.2.
Bảng 4.2 Kết quả biên độ sóng hài mơmen SRM 12/8 với I =50 A phân tích FEM và giải tích
T0 (Nm) T3 (Nm) T6 (Nm) T9 (Nm) T12 (Nm) βr
FEM Giải FEM Giải FEM Giải FEM Giải FEM Giải
tích tích tích tích tích 160 7,468 7,318 1,205 1,158 0,640 0,632 0,225 0,214 0,241 0,229 170 7,206 7,082 0,420 0,402 0,306 0,297 0,217 0,210 0,052 0,050 180 7,717 7,547 0,295 0,286 0,468 0,450 0,247 0,239 0,008 0,008 190 7,303 7,219 0,517 0,499 0,560 0,541 0,321 0,309 0,103 0,098 200 7,735 7,374 0,582 0,563 0,535 0,526 0,170 0,163 0,195 0,186 210 7,287 7,124 0,949 0,910 0,558 0,531 0,260 0,250 0,520 0,502
Với động cơ từ trở là loại động cơ có điều khiển, mơmen sinh ra bị giới hạn bởi dòng điện. Trong luận án tác giả phân tích SRM 12/8 với dòng I = 50 A và I = 60 A. Sử dụng phương pháp phân tích FEM trên phần mềm MotorCad ta có kết quả tính tốn mơmen trung bình, phần trăm nhấp nhô mômen và hiệu suất của SRM 12/8 ở chế động hoạt động thông thường và chế độ cực đại như trong bảng Bảng 4.3 và Bảng 4.4.
Bảng 4.3 Kết quả mômen, nhấp nhơ mơmen và hiệu suất SRM 12/8 với dịng điện I = 50 A
Thông số Đơn βs = 150 βs = 150 βs = 150 βs = 150 βs = 150 βs = 150 βs = 150 vị βr = 150 βr = 160 βr = 170 βr = 180 βr = 190 βr = 200 βr = 210 Mômen 7,257 7,414 7,537 7,674 7,607 7,661 7,638 trung bình Nm Nhấp nhơ 4,080 3,852 1,319 1,409 1,912 2,147 2,839 mômen Nm % Nhấp nhô 58,905 51,578 18,310 18,252 26,182 27,753 38,953 mômen % Công suất 1263,2 1348,3 1307,1 1387,5 1322,4 1390,4 1319,9 đầu vào W Công suất 1034,6 1118,4 1075.5 1155,8 1089,9 1157,9 1087,0 đầu ra W Hiệu suất % 81,90 82,95 82,28 83,30 82,42 83,28 82,36 Mômen trên 6,587 7,120 6,847 7,358 6,939 7,371 6,920 trục Nm
Bảng 4.4 Kết quả mômen, nhấp nhô mơmen và hiệu suất SRM 12/8 với dịng điện I = 60 A
Thông số Đơn βs = 150 βs = 150 βs = 150 βs = 150 βs = 150 βs = 150 βs = 150 vị βr = 150 βr = 160 βr = 170 βr = 180 βr = 190 βr = 200 βr = 210 Mômen 9,538 9,7126 9,8449 9,8929 9,9087 9,9087 9,7865 trung bình Nm Nhấp nhơ 4,5444 3,9687 1,4784 1,667 2,7821 2,7821 3,185 mômen Nm % Nhấp nhô 49,552 40,749 15,596 16,691 27,972 27,972 37,436 mômen % Công suất 1685,3 1774,6 1733,8 1813,6 1807,1 1807,1 1721,1 đầu vào W Công suất 1383,1 1471,4 1429,3 1508,8 1501,8 1501,8 1415,8 đầu ra W Hiệu suất % 82,066 82,913 82,437 83,191 83,109 83,109 82,259 Mômen trên 8,8049 9,3673 9,099 9,6051 9,561 9,135 9,013 trục Nm
Kết quả Bảng 4.3 và Bảng 4.4 cho thấy:
Với SRM 12/8 khi chọn góc cực rotor bằng với góc cực stator (βS = 150, βR = 150) thì có mơmen trung bình nhỏ nhất và nhấp nhơ mơmen lớn nhất: 58,9%. Góc cực rotor lớn hơn góc cực stator 20 ÷ 3 0
thì có mơmen trung bình lớn nhất và độ nhấp nhơ mơmen nhỏ nhất. Nếu góc cực rotor quá lớn, sự chênh lệch giữa góc cực stator và rotor trên 50 thì mơmen trung bình lại giảm và nhấp nhô mômen lại tăng lên. Trong các trường hợp góc cực của rotor thì có 2 trường hợp: góc cực rotor bằng 170, 180 thì có được lựa chọn để có nhấp nhơ mơmen nhỏ nhất lần lượt là 18,31%; 18,25%; giảm khoảng 40% so với trường hợp hai góc cực stator và rotor bằng nhau, đồng thời mơmen trung bình lại tăng khoảng 5,7%. Trường hợp góc cực rotor bằng 180 thì có mơmen trung bình lớn nhất và tỉ lệ phần trăm nhấp nhơ mơmen nhỏ nhất.
Như vậy sóng hài mơmen của SRM 12/8 chủ yếu là sóng hài có bậc là bội của 3: bậc 3, bậc 6, bậc 9, bậc 12, ... Trong đó có bậc sóng hài bậc 3 là lớn nhất và gây ra nhấp nhô mômen nhiều nhất, giảm biên độ sóng hài bậc 3 thì độ nhấp nhơ mơmen cũng giảm nhiều nhất. Thay đổi các giá trị góc cực rotor khác nhau của SRM 12/8 ta có kết quả về biên độ các sóng hài và từ đó chọn được góc cực rotor phù hợp với yêu cầu về mơmen trung bình, nhấp nhơ mơmen và hiệu suất. Với cặp giá trị góc cực stator và góc cực rotor: βS = 150, βR = 180 thì mơmen trung bình lớn nhất và tỉ lệ phần trăm nhấp nhô mômen nhỏ nhất.
Kết quả đặc tính dịng điện, điện cảm, từ thơng và dạng sóng mơmen trung bình của SRM 12/8 với I =50 A và βS = 150, βR = 180 thể hiện như trên Hình 4.20 ÷ Hình 4.24.
Hình 4.21 Đặc tính từ thơng theo dịng điện SRM 12/8 với βS=150, βR=180
)10 (N m8 bì n h6 tru ng4 M ơm en2 0 Phân tích FEM Giải tích 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 Vị trí góc rotor (0 )
Hình 4.24. Dạng sóng mơmen trung bình theo vị trí rotor SRM 12/8 với βS=150, βR=180
Kết quả Hình 4.24 cho thấy phương pháp tính tốn giải tích và phương pháp phân tích FEM cho kết tương đồng, đặc tính mơmen trung bình theo vị trí góc rotor khi tính tốn giải tích đồng dạng với đặc tính mơmen trung bình khi phân tích FEM.
Đặc tính mơmen theo tốc độ của động cơ SRM 12/8 với góc cực stator 150 và góc cực rotor 180 với I = 50A như Hình 4.25.
Mơmen (Nm) 10 8 6 4 2 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Tốc độ ( vịng/phút) Hình 4.25 Đặc tính mơmen- tốc độ SRM 12/8
Hình 4.25 cho thấy SRM 12/8, tốc độ 1500 vòng/phút, khi tăng tốc độ đến 1750 vịng/ phút thì mơmen động cơ gần như khơng đổi, sau đó tiếp tục tăng tốc độ thì mơmen động cơ giảm rất nhanh.
Có thể thấy ở vùng tốc độ cao, mômen của SRM 12/8 giảm nhanh hơn so với mômen của SRM 6/4. Do vậy trong những ứng dụng tốc độ cao thì SRM 6/4 thường được ưu tiên sử dụng hơn SRM 12/8.
4.3 Thực nghiệm
Nhằm kiểm chứng các thông số mô phỏng, luận án sử dụng mẫu động cơ SRM 12/8 FM-028-002 làm thực nghiệm. Thơng số kích thước và nguồn cấp được chọn tương tự
thơng số mơ hình mơ phỏng trong mục 4.1. Thực hiện đo ở chế hoạt động thông thường của động cơ. Nguồn cấp cho động cơ là nguồn điện một chiều, điện áp 64 VDC, dòng điện I = 50A. Tần số xung điện áp khác nhau thì động cơ có tốc độ khác nhau và được đóng cắt với tần số:
f = n.Nr = 1500.8 = 200Hz
s 60 60
Thực nghiệm đo mômen và tốc độ của động cơ SRM 12/8, cơng suất 1,5 kW với góc cực stator βS =150, góc cực rotor βR =180 thì bộ điều khiển thực hiện góc đóng, góc mở là:
on= 00
=1800
off
Hình ảnh và kết cấu mẫu SRM 12/8 như Hình 4.26, Hình 4.27. và có thơng số như trong Bảng 4.5.
a) b) c)
Hình 4.26 Hình ảnh SRM 12/8 (a), bộ điều khiển (b) và thiết bị điều chỉnh tốc độ (c)
Stator SRM 12/8
Rotor SRM 12/8
Bảng 4.5 Thông số mẫu SRM 12/8 thực nghiệm
Thông số
Công suất cực đại Số cực stator/rotor Điện áp nguồn Tốc độ Dịng điện Mơmen Hiệu suất Giá trị 1,5 kW 12/8 48/64/72 VDC 1500 Vòng/phút 50/60A 9,5Nm 83% SRM 12/8 được đấu nối, cấp nguồn theo sơ đồ Hình 4.28.
Hình 4.28 Sơ đồ đấu nối thực nghiệm SRM 12/8
Việc kết nối SRM với bộ điều khiển và thiết bị điều chỉnh tốc độ phải được đấu nối theo đúng thứ tự sơ đồ số thứ tự đầu nối như trong sơ đồ Hình 4.28, trên bộ điều khiển có các đầu nối đánh số từ 1 đến 6. Đầu nối 2 và 3 được nối với nhau, thiết bị điều chỉnh tốc độ (Hình 4.26c) được nối với đầu nối số 4,5. Trên bộ điều khiển có các đầu dây A1; A2; A3; B1; B2; B3 được nối tương ứng với các 3 pha dây quấn của động cơ là A1B1; A2B2; A3B3. Trục của SRM được khớp nối với một đầu đo mômen và đầu đo mômen khớp nối với máy phát và tải đèn.
Theo kết nối sơ đồ Hình 4.28, mơ hình thực nghiệm được xây dựng như Hình 4.29, gồm có các thiết bị: 01 động cơ SRM 12/8 (3) công suất 1,5 kW; tải máy phát (1); 1 bộ điều khiển SRM (4) với nguồn cấp 64V một chiều và 1 bộ đầu đo mômen (2). Đầu đo mơmen (2) là các lá tenzo điện trở (có điện trở 250 Ω) được bố trí một cách đối xứng, mỗi lá xiên so với đường sinh của trục một góc 450, các lá điện trở được mắc theo sơ đồ
cầu đủ điện trở. Đầu đo mômen được kết nối với cụm phát của bộ thu phát không dây Spider 8 và máy tính (8). Cụm phát của bộ thu phát không dây gồm nguồn nuôi 12V, máy phát và ăng teng phát (5). Máy thu được nuôi bằng nguồn điện 220V được nối với bộ thu thập khuếch đại và chuyển đổi A/D Spider 8 (7). Cảm biến đo mơmen có độ nhạy là 4500 Nm/10 V. Thiết bị đo tốc độ (6) là đầu đo hồng ngoại kết nối với Spider 8 (Hình 4.30).
Hình 4.29 Hệ thống đo mơmen SRM 12/8
Hình 4.30 Bộ đọc và xuất dữ liệu đo
Khi kích thích dịng điện một chiều cho mỗi pha dây quấn, mômen trên trục động cơ được xác định qua đầu đo mơmen. Dịng điện cấp cho mỗi pha được giữ cố định và điều
khiển bằng phương pháp chopping current. Vị trí ban đầu của rotor ở vị trí đồng trục hồn tồn, dịng điện một chiều 20A được kích thích cho mỗi pha dây quấn. Dịng điện một chiều được cấp cho mỗi pha dây quấn của động cơ thơng qua bộ điều khiển 4.
Hình 4.31 Hình ảnh thực hiện thí nghiệm SRM 12/8
4.3.1 Thực nghiệm 1: Đo tốc độ và mômen theo thời gian SRM 12/8
Để thấy được đặc tính tốc độ và mơmen của động cơ của SRM 12/8 khi điều chỉnh tần số xung điện áp, tác giả tiến hành thực nghiệm đo đặc tính tốc độ và mơmen theo thời gian của SRM 12/8.
Thực hiện cấp nguồn cho SRM 12/8 thông qua bộ điều khiển và điều chỉnh tần số xung điện áp từ 0 đến 200 Hz bằng thiết bị thiết bị điều chỉnh tốc độ (Hình 4.26c).
Kết quả được thể hiện trên hình Hình 4.32 và Hình 4.33. Ở tần số 200Hz thì động cơ đạt tốc độ 1500 vịng/phút.
Hình 4.33 Đặc tính mơmen theo thời gian SRM 12/8
Thực nghiệm 1 đã tiến hành đo khởi động động cơ đến chế độ xác lập, động cơ SRM 12/8 đạt tốc độ 1500 vịng/ phút sau 1s và mơmen trên trục động cơ đo được có giá trị trung bình là 7.1072 Nm.
4.3.2 Thực nghiệm 2: Đo mômen - tốc độ SRM 12/8
Để kiểm chứng các kết quả mơ phỏng ở tải định mức thì hệ thống thực nghiệm được đặt chế độ làm việc có tải định mức, với tải là hệ thống bóng đèn sợi đốt (Hình 4.31). Giá
trị mơmen trung bình được ghi lại ứng với mỗi tốc độ xác lập. Cụ thể, thực hiện đo mômen trên trục động cơ ở các tốc độ: 250 vòng/ phút, 500 vòng/ phút, 750 vòng/phút,… 2500 vòng/ phút với dòng điện I = 50A và so sánh với kết quả mô phỏng. Việc điều chỉnh tốc độ được thực hiện qua thiết bị điều chỉnh tốc độ bằng tay trên nguyên tắc điều chỉnh tần số xung điện áp nguồn cấp để điều chỉnh tốc độ. Ứng với mỗi giá trị tốc độ thì nhận được giá trị mơmen tương ứng. Kết quả được thể hiện như Hình 4.34.
Kết quả Hình 4.34 cho thấy sự tương đồng giữa đặc mômen- tốc độ thực nghiệm và đặc tính mơmen -tốc độ mơ phỏng, với sai số nhỏ. Kết quả thực nghiệm chứng minh cho các thơng số mơ hình mơ phỏng là đáng tin cậy.
Sai số giữa kết quả đo và kết quả mô phỏng được tổng hợp như trong Bảng 4.6.
Bảng 4.6. Kết quả đo mômen, tốc độ SRM12/8 mô phỏng và thực nghiệm
Tốc độ Mơmen mơ phỏng Mơmen Sai số
(vịng/phút) thực nghiệm (%) 250 8,5924 8,5612 0,4 500 8,5233 8,3884 1,6 750 8,2505 7,9736 3,4 1000 8,0144 7,6194 4,9 1250 7,6919 7,5655 1,6 1500 7,3581 7,1010 3,5 1750 7,2297 6,9941 3,3 2000 5,7709 5,4929 4,8 2250 3,7516 3,5856 4,4 2500 1,9893 1,9062 4,2
Có sai số giữa kết quả thực nghiệm và mơ phỏng cịn do một số nguyên nhân như sai số của bản thân thiết bị đo, công nghệ chế tạo lõi thép, q trình cân chỉnh trong lắp đặt đo chưa hồn hảo. Tuy nhiên các sai số nhận được nằm trong phạm chấp nhận được, nhỏ hơn 5%.
4.4 Kết luận chương 4
- Độ nhấp nhô mômen của động cơ từ trở loại 3 pha SRM 12/8 và 6/4 là chuỗi số sóng hài bội của số pha như sóng hài bậc 3, 6, 9, 12, 15. Trong đó sóng hài bậc 3 có biên độ lớn nhất và biên độ được giảm dần ở bậc sóng hài cao hơn.
-Số cực rotor và số cực stator càng nhiều thì nhấp nhơ mơmen của SRM giảm, cụ thể tỷ lệ độ nhấp nhơ mơmen/ mơmen trung bình động cơ kết cấu 12/8 sẽ nhỏ hơn độ nhấp nhô mômen tương đối động cơ 6/4
-Với SRM 6/4, khi tăng góc cực rotor thì biên độ các sóng hài đều giảm, đặc biệt là sóng hài bậc ba giảm mạnh. Tuy nhiên biên độ các sóng hài nhỏ nhất khi góc cực rotor lớn hơn góc cực stator 20 ÷ 30 và trong trường hợp này thì biên độ sóng hài mơmen nhỏ nhất và nhấp nhô mômen nhỏ nhất.
-Với SRM 12/8, cũng giống với SRM 6/4: khi tăng góc cực rotor biên độ các sóng hài giảm, làm nhấp nhơ mơmen giảm. Khi góc cực rotor lớn hơn góc cực stator 30 thì nhấp nhơ mơmen là nhỏ nhất.
- Đo thực nghiệm đặc tính mơmen theo tốc độ SRM 12/8 với dòng I = 50A: kết quả thực nghiệm so với kết quả mô phỏng sai số đến 5%, trong phạm vi cho phép. Kết quả thực nghiệm SRM 12/8 đã minh chứng sự phù hợp của mơ hình tính tốn, mơ phỏng và thực nghiệm.
KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Từ các kết quả nghiên cứu, Luận án đã đạt được những kết quả sau:
Luận án đã sử dụng phương pháp mạch từ tương đương, tính tốn điện cảm và mô men cho SRM ba pha. Sử dụng phân tích Fourier mơmen của SRM với kết cấu ba pha đã xác định ảnh hưởng của góc cực rotor để độ nhấp nhô mômen của SRM là cực tiểu và đề xuất các xác định góc cực rotor hợp lý cho mỗi kết cấu SRM 3 pha.
Luận án đã đưa ra được quy luật tăng giảm của mômen theo tỉ lệ góc cực stator/bước cực stator, tỉ lệ góc cực rotor/bước cực rotor cho SRM 6/4 và 12/8. Qua đó tìm được giá trị tối ưu của tỉ lệ góc cực stator/bước cực stator, tỉ lệ góc cực rotor/bước cực rotor để động cơ đạt được mơ men trung bình lớn nhất khi thiết kế SRM 3 pha.
Luận án đã phân tích đánh giá được ảnh hưởng của góc cực rotor đến nhấp nhơ mơ men và mơ men trung bình để động cơ đạt được mơ men trung bình cao và nhấp nhơ mơ men nhỏ. Khi góc cực rotor thay đổi thì mơ men trung bình và nhấp nhơ mơ men đều thay đổi một cách phi tuyến so với chiều tăng của góc cực rotor. Các sóng hài tồn tại trên SRM 3 pha chủ yếu là các bậc sóng hài 3,6,9,12,15,… là bội của số pha dây quấn.
Luận án đã xác định được quan hệ ràng buộc giữa góc đóng, góc mở dịng điện với góc cực stator, rotor của SRM để tránh việc tạo mơmen âm gây hậu quả giảm mơmen trung bình và tăng độ nhấp nhơ mơmen.