Trong chương này, tác giả tính tốn giải tích điện cảm cực đại Lmax tại vị trí đồng trục hồn tồn và điện cảm cực tiểu Lmin tại vị trí lệch trục hồn tồn.
Phân tích đặc tính điện cảm và tính tốn biên độ các sóng hài điện cảm. Phân tích điện cảm dưới dạng triển khai Fourier để xét biên độ các sóng hài điện cảm khi thay đổi góc cực rotor. Biên độ các sóng hài điện cảm hồn tồn phụ thuộc vào độ lớn của góc cực stator và rotor.
Phân tích sóng hài mơmen dưới dạng triển khai Fourier để ước lượng biên độ các sóng hài mơmen. Sóng hài mơmen SRM ba pha chủ yếu là bậc 3, bậc 6, bậc 9,.., các bậc sóng hài đều là bội của 3, là bội của số pha dây quấn stator. Biên độ các sóng hài mơmen
phụ thuộc vào độ lớn góc cực stator, góc cực rotor và độ chênh lệch giữa góc cực rotor với góc cực stator.
Phân tích ảnh hưởng của tỉ lệ góc cực stator/ bước cực stator và tỉ lệ góc cực rotor/bước cực rotor đến mơmen trung bình của SRM 6/4 và SRM 12/8. Mơmen trung bình và độ nhấp nhơ mơmen thay đổi một cách phi tuyến theo sự tỉ lệ góc cực stator/ bước cực stator và tỉ lệ góc cực rotor/ bước cực rotor. Với SRM 6/4 có: tỉ lệ góc cực stator/ bước cực stator αs = 0,4 ÷ 0,55; αr = 0,25÷ 0,40 thì có mơmen trung bình lớn. Với SRM 12/8: tỉ số góc cực stator/ bước cực stator αs = 0,45 ÷ 0,55 và tỉ số góc cực rotor/ bước cực rotor αr = 0,35 ÷ 0,45 thì đạt được giá trị mơmen trung bình cao nhất.
Góc đóng, góc mở dịng điện có quan hệ ràng buộc với góc cực stator và góc cực rotor. Góc góc mở dịng điện nếu khơng tính tốn đúng có thể dễ bị xuất hiện điểm mơmen âm trên đặc tính mơmen của SRM.
CHƯƠNG 4 MƠ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
4.1 Mơ phỏng, phân tích sóng hài mơmen theo sự thay đổi góc cực rotor với SRM 6/4
Để thấy được rõ các bậc sóng hài của mômen, tác giả thực hiện mô phỏng động cơ SRM 6/4. Thơng số kích thước của SRM 6/4 như trong phụ lục 1.
Mơ hình 2D SRM 6/4, I = 200A trên phần mềm Motor Cad như Hình 4.1
Hình 4.1 Mơ hình 2D SRM 6/4
Kết quả mơ phỏng sự thay đổi biên độ các sóng hài mơmen khi thay đổi góc cực rotor được thể hiện trên Hình 4.2 ÷ Hình 4.8.
Hình 4.3 Biên độ và góc pha các sóng hài mơmen SRM 6/4 với βS = 300, βR=310
Hình 4.5 Biên độ và góc pha các sóng hài mơmen SRM 6/4 với βS = 300, βR=330
Hình 4.7 Biên độ và góc pha các sóng hài mơmen SRM 6/4 với βS = 300, βR=350
Hình 4.8 Biên độ và góc pha các sóng hài mơmen SRM 6/4 với βS = 300, βR = 360
Kết quả Hình 4.2 ÷ Hình 4.8 cho thấy với SRM 6/4 thì các sóng hài mơmen cũng chủ yếu là các hài là bội của 3: bậc 3, 6, 9, … Biên độ các sóng hài này cũng có sự thay đổi một cách phi tuyến theo chiều tăng của góc cực rotor: trường hợp góc cực rotor bằng
với góc cực stator thì có biên độ sóng hài bậc 3, bậc 6 là lớn nhất và tỉ lệ phần trăm nhấp nhô mơmen lớn nhất.
Kết quả phân tích FEM mơmen SRM 6/4 khi góc cực rotor thay đổi từ 300 đến 360 với dịng I =200 A: Mơmen trung bình, phần trăm nhấp nhơ mơmen và hiệu suất được tổng hợp như trong bảng Bảng 4.1
Bảng 4.1 Kết quả mômen, nhấp nhô mômen và hiệu suất SRM 6/4
Thông số Đơn βs = 300 βs = 300 βs = 300 βs = 300 βs = 300 βs = 300 βs = 300 vị 0 0 0 0 0 0 0 βr = 30 βr = 31 βr = 32 βr = 33 βr = 34 βr = 35 βr = 36 Mơmen trung bình Nm 19,441 18,759 18,342 18,465 18,003 19,052 19,281 Nhấp nhô mômen Nm 12,463 6,999 5,182 5,363 5,915 8,942 10,772 % Nhấp nhô mômen % 64,176 37,374 28,281 29,065 32,962 47,037 55,953 Công suất đầu vào W 31591 30502 30462 30071 29275 30947 31326 Công suất đầu ra W 29804 28773 28712 28356 27578 29203 29563 Hiệu suất % 94,344 94,330 94,256 94,298 94,204 94,365 94,371 Mômen trên trục Nm 18,974 18,317 18,279 18,052 17,557 18,591 18,820
Kết quả Bảng 4.1 cho thấy SRM 6/4 có tỉ lệ phần trăm nhấp nhơ mơmen lớn. Khi góc cực rotor bằng với góc cực stator (βS = 300, βR = 30 0
) thì có nhấp nhơ mơmen lớn nhất: 64,17%. Tiếp tục tăng góc cực rotor lên thì mơmen trung bình và nhấp nhơ mơmen đều giảm so với trường hợp góc cực stator bằng góc cực rotor. Ban đầu góc cực rotor tăng từ 310 đến 340, thì mơmen trung bình giảm từ 3,5 % đến 7,4% và nhấp nhơ mơmen cũng giảm nhiều đến 35,9%; khi góc cực rotor tiếp tục tăng lên, βr = 350 trở đi thì mơmen trung bình tăng lên và lớn hơn khoảng 5% nhưng nhấp nhô mômen lại lớn hơn rất nhiều, đến 27% so với các trường hợp góc cực rotor βr = 320, 330, 340. Trong các trường hợp góc cực rotor thì có trường hợp góc cực rotor βr = 320 có phần trăm nhấp nhơ mơmen là nhỏ nhất.
Đặc tính mơmen- tốc độ của SRM 6/4 trong trường hợp góc cực stator βr = 300 và góc cực rotor βr = 320 với dịng điện 200A như Hình 4.9.
M ơ m e n ( N m ) 35 30 25 20 15 10 5 0 - 10,000 20,000 30,000 40,000 Tốc độ (vịng/phút) Hình 4.9 Đặc tính mơmen - tốc độ SRM 6/4
Kết quả Hình 4.9 cho thấy với dịng điện đặt 200A thì SRM 6/4 ở tốc độ 15000 vịng/ phút đạt mơmen trên trục khoảng 18,3 Nm, trong dải tốc độ lớn hơn 15000 vịng/phút đến 30000 vịng/ phút thì mơmen trên trục của động cơ giảm mạnh và làm công suất cũng giảm.
4.2 Mô phỏng, phân tích sóng hài mơmen theo sự thay đổi góc cực rotor với SRM 12/8
Thực hiện mơ phỏng và phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn FEM trên Motor_CAD có thể thấy được các sóng hài của mơmen và sự thay đổi biên độ các sóng hài khi thay đổi góc cực rotor. Kết quả phân tích và tính tốn là những gợi ý đề xuất lựa chọn góc cực rotor cho mỗi SRM trong quá trình thiết kế điện từ cho động cơ.
Phân tích FEM với SRM 12/8, có thơng số kích thước như trong phụ lục 1. Góc mở và góc đóng của dịng điện được xác định theo cơng thức sau:
on = 00
= 1800 off
Kết quả phân tích FEM với SRM 12/8 ta được kết quả như sau:
Mật độ từ thơng trong khe hở khơng khí tại vị trí cực rotor trùng một nửa cực stator. Mật độ từ thơng khe hở khơng khí lớn nhất là 1.94T (Hình 4.11)
Hình 4.11 Mật độ từ thơng SRM 12/8 với βS=150, βR=180
Phân tích sóng hài mơmen SRM 12/8 ta nhận được kết quả như trên Hình 4.12 Sóng hài mơmen SRM 12/8.
Hình 4.12 Sóng hài mơmen SRM 12/8
Như vậy mômen của SRM 12/8 – 3 pha dây quấn chủ yếu là sóng hài bậc 3, 6, 9, 12, 15. Các bậc sóng hài đều là bội của ba.
Khi thay đổi góc cực rotor hay góc cực rotor thì biên độ độ các sóng hài bậc 3, 6,9, 12, 15 thay đổi đáng kể và quyết định đến độ lớn của mơmen trung bình. Trong nội dung luận án, tác giả thay đổi góc cực rotor từ 150 đến 210 tức là ứng với tỉ số góc cực rotor/ bước cực rotor ar = 0.35 ÷ 0.45
Sự thay đổi biên độ các sóng hài mơmen khi thay đổi góc cực rotor được thể hiện trên Hình 4.13 ÷Hình 4.19.
Hình 4.13 Biên độ và góc pha các sóng hài mơmen SRM 12/8 với βS=150, βR=150
Hình 4.15 Biên độ và góc pha các sóng hài mơmen SRM 12/8 với βS=150, βR=170
Hình 4.17 Biên độ và góc pha các sóng hài mơmen SRM 12/8 với βS=150, βR=190
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 dịng 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 nhơ mơmen 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 mơmen 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 nhơ mơmen 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 nhô mômen 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 mơmen 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 nhơ mơmen 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. Thông 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, công 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