bước cực rotor đến mơmen trung bình
Để xét sự biến đổi của mơmen trung bình theo khi thay đổi góc cực stator, góc cực rotor, trong luận án tác giả xét sự thay đổi của mơmen trung bình khi thay đổi tỉ số góc cực stator/ bước cực stator và tỉ số góc cực rotor/ bước cực rotor.
Tỉ số góc cực stator/ bước cực stator và tỉ số góc cực rotor/ bước cực rotor được ký hiệu, định nghĩa như sau:
Đặt αs là tỉ lệ góc cực stator/ bước cực stator và αr là tỉ lệ góc cực rotor/ bước cực rotor:
s =s ; r =r (3.130)
s r
= 2 ; = 2
s Ns r Nr
Với Ns là số cực rotor; Nr là số cực rotor
(3.131)
Một cấu trúc SRM ln có số cực stator và rotor là một hằng số. Do đó khi thay đổi các giá trị góc cực stator và rotor thì tỉ số αs và αr thay đổi theo một cách tuyến tính. Do vậy, việc lựa chọn góc cực stator và góc cực rotor có thể lựa chọn trên tỉ số αs và αr.; Với mỗi góc cực stator và góc cực rotor thì có giá trị của αs và αr tương ứng.
Tác giả R. Krishnan [1] đã đề xuất chọn tỉ lệ góc cực stator/ bước cực stator trong khoảng 0,35 đến 0,5 và tỉ lệ góc cực rotor/ bước cực rotor trong khoảng 0,3 đến 0,45. Tuy nhiên khoảng giá trị này có sự chênh lệch lớn, khó có thể lựa chọn được góc cực phù hợp với từng kết cấu SRM. Nếu góc cực rotor quá lớn sẽ dẫn đến khối lượng sắt lớn, mơmen qn tính cao. Cịn góc cực stator lớn thì làm giảm diện tích đặt dây quấn trên cực stator, làm tăng trọng lượng stator, dẫn đến việc sử dụng vật liệu kém hiệu quả[1][53].
Trong nhiều cơng trình khi xem xét một động cơ SRM thì góc cực stator và góc cực rotor thường được chọn theo đề xuất của R. Krishnan. Sự chênh lệch giữa góc cực rotor và góc cực stator trên cùng một cấu trúc SRM khơng hồn tồn giống nhau. Ví dụ cùng với kết cấu SRM 6/4 thì có tác giả chọn cặp góc cực stator, rotor là (300, 320)[11][59] [68] [69]; có tác giả lại chọn (35,80, 37,70) [70]. Do vậy trong nội dung này của luận án, tác giả phân tích ảnh hưởng của góc cực stator và góc cực rotor đến mơmen trung bình. Kết quả này là cơ sở giúp cho các nhà thiết kế chọn góc cực stator và rotor một cách phù hợp nhất, vừa đảm bảo được mơmen trung bình, vừa giảm thiểu nhấp nhơ mơmen.
Để xét sự thay đổi mơmen trung bình theo sự thay đổi góc cực stator và góc cực rotor, trong luận án tác giả xét thông qua hai thông số là tỉ lệ góc cực stator/ bước cực stator (αs) và tỉ lệ góc cực rotor/ bước cực rotor αr). Tỉ lệ góc cực stator/ bước cực stator thường xem xét trong khoảng giá trị: αs = 0,35 ÷ 0,5 và tỉ lệ góc cực rotor/ bước cực rotor trong khoảng giá trị: αr = 0,3 ÷ 0,45. Tuy nhiên để có có thể đánh giá một cách toàn diện hơn về sự thay đổi của mơmen trung bình, trong luận án tác giả lựa chọn dải rộng hơn: αs = 0,2 ÷ 0,6, αr = 0,1 ÷ 0,7; xét trên hai mơ hình kết cấu SRM 6/4 và SRM 12/8.
3.3.1 Xét với SRM 6/4
Mơ hình SRM 6/4, cơng suất 30kW, tốc độ 15000 vịng/ phút, có thơng số kích thước như trong phụ lục 1.
Sự thay đổi của mơmen trung bình khi thay đổi góc cực stator và góc cực rotor được phân tích với dải: góc cực stator được bằng 120 ÷ 360 và góc cực rotor bằng 90 ÷ 630. Với điều kiện biên là: tổng góc cực stator và góc cực rotor nhỏ hơn bước cực của rotor 2π/Nr = 900. Với giá trị góc cực stator từ 120 ÷360 tương ứng ta có khoảng giá trị của tỉ số as
là 0,2 ÷ 0,6 và góc cực rotor từ 180 ÷ 630 tương ứng tỉ số ar là 0,2 ÷ 0,7 như trong Bảng 3.3.
Bảng 3.3. Giá trị góc cực stator và rotor động cơ SRM 6/4 tương ứng với tỉ lệ αs, αr Tỉ lệ αs Góc cực Tỉ lệ αr Góc cực stator (0) rotor (0) 0,2 12 0,2 18 0,25 15 0,25 22,5 0,30 18 0,30 27 0,35 21 0,35 31,5 0,40 24 0,40 36 0,45 27 0,45 40,5 0,50 30 0,50 45 0,55 33 0,55 49,5 0,60 36 0,60 54 - - 0,65 58,5 - - 0,70 63
Kết quả phân tích sự thay đổi của mơmen trung bình khi thay đổi tỉ số góc cực stator/ bước cực stator và tỉ số góc cực rotor/ bước cực rotor của SRM 6/4 như Hình 3.16.
Mơmen trung bình (Nm) 20 18 αs = 0.2 16 αs = 0.25 14 αs = 0.3 12 10 αs = 0.35 8 αs = 0.40 6 αs = 0.45 4 2 αs = 0.50 0 αs = 0.55 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 αs = 0.60
Tỉ lệ góc cực rotor/ bước cực rotor
Hình 3.16. Sự thay đổi của mơmen trung bình khi thay tỉ lệ góc cực stator, rotor/ bước cực
Kết quả Hình 3.16 cho thấy:
- Góc cực stator tăng lên hay tỉ lệ góc cực stator/ bước cực stator tăng thì mơmen trung bình cũng tăng lên và có giá trị lớn nhất khi αs = 0,5 sau đó tiếp tục tăng tỉ số αs
(tức là tăng góc cực stator) thì mômen lại giảm. Trường hợp tỉ số αs = 0,5 thì kết mơmen trung bình cực đại nhận được là cao nhất.
-Trong mỗi trường hợp tỉ lệ αs hay góc cực stator nhất định thì khi tỉ số góc cực rotor/ bước cực rotor αr (tức là thay đổi góc cực rotor) tăng lên thì mơmen cũng tăng theo và sau khi đạt đến giá trị cực đại thì mơmen trung bình lại giảm xuống. Có nghĩa là khơng phải góc cực rotor càng lớn thì làm tăng mơmen, đặc biệt là trong khoảng giá trị αr = 0,5
÷ 0,7 thì mơmen trung bình giảm nhanh; mơmen trung bình chỉ tăng cùng với sự tăng góc cực rotor trong khoảng giá trị αr = 0,2 ÷ 0,40; từ giá trị αr = 0,40 ÷ 0,5 thì mơmen trung bình bắt đầu giảm.
Trên kết quả tính tốn mơmen trung bình ở trên ta suy ra các điểm mơmen trung bình cực đại theo tỉ lệ góc cực stator/ bước cực stator αs như Hình 3.17. Trên kết quả tính tốn mơmen trung bình ở trên ta suy ra các điểm mơmen trung bình cực đại theo tỉ lệ góc cực stator/ bước cực stator αs như Hình 3.17.
Mơmen trung bình cực đại (Nm ) 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
Tỉ lệ góc cực stator/ bước cực sator
Hình 3.17 Quan hệ mơmen trung bình cực đại và tỉ lệ góc cực stator/ bước cực stator SRM
6/4
Kết quả Hình 3.17 cho thấy trong khoảng giá trị αs = 0,4 ÷ 0,55 thì mơmen trung bình lớn, và tại điểm αs = 0,5 thì mơmen trung bình cực đại là lớn nhất.
Quan hệ mơmen trung bình cực đại với tỉ lệ góc cực roto r/ bước cực rotor như hình Hình 3.18.
Mơmen trung bình cực đại (Nm) 20 15 10 5 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Tỉ lệ góc cực rotor/ bước cực rotor
Hình 3.18 Quan hệ mơmen trung bình cực đại và tỉ lệ góc cực rotor/ bước cực rotor SRM 6/4
Nhận xét: Khi thay đổi góc cực rotor thì giá trị cực đại của mơmen trung bình ban đầu tăng dần theo chiều tăng của tỉ lệ góc cực rotor/ bước cực rotor αr. Trong khoảng giá trị αr = 0,25 ÷ 0,40 thì giá trị mơmen trung bình tương đối ổn định, sau đó tiếp tục tăng góc cực rotor lên thì mơmen trung bình bắt đầu giảm và giảm nhanh từ giá trị αr = 0,5.
Như vậy với kết cấu SRM 6/4, trong các trường hợp góc cực của stator khác nhau thì tỉ lệ góc cực stator/ bước cực stator αs = 0,5 (góc cực stator βs = 300) đạt mơmen trung bình là cao nhất. Với bất kỳ giá trị nào của góc cực stator thì các điểm cực đại của mơmen trung bình nằm trong khoảng αr = 0,25 ÷ 0,40. Kết hợp điều kiện chọn góc cực rotor phải lớn hơn góc cực stator thì ta có cặp giá trị αs = 0,5 và αr = 0,35 thì SRM 6/4 có mơmen trung bình lớn nhất.
Tuy nhiên trong quá trình thiết kế điện từ động cơ SRM 6/4 để đảm bảo chọn động cơ có thể khởi động được thì góc cực rotor phải lớn hơn hoặc bằng góc cực stator. Trong trường hợp góc cực stator lựa chọn là 300 thì góc cực rotor cần lựa chọn sẽ phải lớn hơn 300; tức là góc cực rotor bằng 31, 320; 330 và các góc cực này nằm trong vùng ứng với αr = 0,25÷ 0,40 sẽ đạt mơmen trung bình lớn.
3.3.2 Xét với SRM 12/8
Tiếp tục xét với SRM 12/8, có 12 cực stator và 8 cực rotor (kết cấu số cực gấp đơi kết cấu SRM 6/4) thì mơmen trung bình cũng thay đổi một cách phi tuyến theo sự thay đổi tỉ số góc cực stator/ bước cực stator và tỉ số góc cực rotor/ bước cực rotor.
Thực hiện tương tự như với SRM 6/4; với SRM 12/8 xét sự thay đổi của mơmen trung bình theo sự thay đổi của góc cực stator từ 60 ÷180 tương ứng αs bằng 0,2 ÷ 0,6 và góc cực rotor từ 90 ÷ 31,50 tương ứng αr bằng 0,2 ÷ 0,7 (Bảng 3.4).
Bảng 3.4 Giá trị góc cực stator và rotor động cơ SRM 12/8 tương ứng với tỉ lệ αs, αr Tỉ lệ αs Góc cực Tỉ lệ αr Góc cực stator βs (0) rotor βr (0) 0,2 6 0,2 9 0,25 7,5 0,25 11,25 0,30 9 0,30 13,5 0,35 10,5 0,35 15,75 0,40 12 0,40 18 0,45 13,5 0,45 20,25 0,50 15 0,50 22,5 0,55 16,5 0,55 24,75 0,60 18 0,60 27 - - 0,65 29,25 - - 0,70 31,5
Kết quả về sự thay đổi của mơmen trung bình theo tỉ lệ góc cực stator, rotor/ bước cực stator rotor như Hình 3.19
Mơmen trung bình (Nm) 9.0 8.0 7.0 αs = 0.2 6.0 αs = 0.25 αs = 0.3 5.0 αs = 0.35 4.0 αs = 0.4 3.0 αs = 0.45 2.0 αs = 0.50 1.0 αs = 0.55 0.0 αs = 0.60 -1.0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Tỉ lệ góc cực rotor/ bước cực rotor
Hình 3.19 Sự thay đổi của mơmen trung bình khi thay tỉ lệ góc cực stator, rotor/ bước cực
Theo kết quả Hình 3.19 cho thấy: với SRM 12/8, sự thay đổi của mơmen trung bình theo tỉ lệ góc cực stator/ bước cực stator và tỉ lệ góc cực rotor/ bước cực rotor cũng giống với SRM 6/4. Nếu tăng góc cực stator thì mơmen trung bình cũng tăng lên. Với sự thay đổi của góc cực rotor thì mơmen cũng tăng lên theo sự tăng của góc cực rotor. Tuy nhiên với bất kỳ giá trị nào của góc cực stator, khi ar tăng tức là tăng góc cực rotor thì mơmen trung bình cũng tăng theo và đạt giá trị cực đại tại αr = 0,4.
Từ đồ thị Hình 3.19 có thể biểu diễn sự thay đổi của mơmen trung bình cực đại theo tỉ lệ góc cực sator/ bước cực stator và tỉ lệ góc cực rotor/ bước cực rotor như Hình 3.20 và Hình 3.21.
cực bình
đại (Nm) Mơmen trung
10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
Tỉ lệ góc cực stator/ bước cực stator
Hình 3.20 Quan hệ mơmen trung bình cực đại với tỉ lệ góc cực stator/ bước cực stator SRM
12/8
Kết quả Hình 3.20 thể hiện tỉ lệ góc cực stator/ bước cực stator của SRM 12/8 trong khoảng giá trị từ 0,45 đến 0,55 thì động cơ có mơmen trung bình lớn. Và mơmen trung bình cực đại lớn nhất khi có αs = 0,5. tr un g bì n h cự c đạ i (N m ) M ơm en 9.0 8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Tỉ lệ góc cực rotor/bước cực rotor
Hình 3.21 Quan hệ mơmen trung bình cực đại với tỉ lệ góc cực rotor/ bước cực rotor
Kết quả Hình 3.21 cho thấy SRM 12/8 có mơmen trung bình lớn khi tỉ lệ tỉ lệ góc cực rotor/ bước cực rotor nằng trong khoảng từ 0,35 đến 0,45. Và mơmen trung bình cực đại lớn nhất khi αr = 0,4.
Như vậy với kết cấu SRM 12/8 để có được giá trị mơmen trung bình cao nhất thì có thể chọn góc cực stator và góc cực rotor thỏa mãn: 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 . Với SRM 12/8 được xét đến trong luận án thì chọn αs = 0,5; αr = 0,4 động cơ có mơmen trung bình lớn nhất.
Thực tế, ngồi việc lựa chọn góc cực rotor để có mơmen trung bình lớn thì cịn phải tính đến nhấp nhơ mơmen, u cầu độ nhấp nhơ mơmen nhỏ thì động cơ mới có đặc tính làm việc tốt.
3.4 Ảnh hưởng của góc mở dịng điện đến đặc tính mơmen
Đặc tính mơmen và từ thơng móc vịng của SRM được quyết định bởi các thơng số kích thước điện từ như đường kính ngồi stator, chiều dài mạch từ, góc cực rotor và góc cực stator. Trong đó góc cực rotor và góc cực stator thường được tính chọn một cách kỹ lưỡng nhằm tăng mơmen trung bình, hiệu suất và giảm độ nhấp nhơ mơmen.
Mỗi giá trị góc cực rotor, góc cực stator được tính tốn lựa chọn thì bộ điều khiển phải đưa ra chiến lược điều khiển có góc đóng mở dịng điện cho từng pha phải tương ứng, phù hợp với góc cực stator, rotor đó thì mới giảm thiểu được độ nhấp nhô mômen và nâng cao giá trị mơmen trung bình. Nếu góc mở cấp dịng điện q sớm sẽ tạo mơmen âm, nếu góc mở q muộn thì sẽ khơng lợi dụng được mômen cao trên vùng tăng của đặc tính điện cảm. Góc mở dịng điện sẽ phù hợp tại thời điểm từ lúc điện cảm Lmin bắt đầu tăng và đóng dịng điện khi điện cảm bắt đầu đạt cực đại Lmax. Thời điểm bắt đầu cấp dịng cho pha dây quấn tức là góc mở dịng điện là một trong những yếu tố quyết định mơmen trung bình và độ nhấp nhơ mômen trong SRM[71][72][73]. Ở chế độ động cơ dịng điện được đóng cắt theo sườn lên của điện cảm. Hiệu quả hoạt động tối ưu của SRM phụ thuộc vào thời điểm đóng, ngắt dịng điện vào từng pha dây quấn stator so với vị trí góc quay rotor.
Mơmen điện từ của động cơ sinh ra chủ yếu là mômen từ trở, mơmen sinh ra trong q trình biến thiên của điện cảm từ vị trí đồng trục hồn tồn đến vị trí lệch trục hồn tồn. Thời điểm đóng và ngắt dịng điện trên từng pha phải nằm trong khoảng vị trí từ lúc cực rotor và stator hoàn toàn lệch nhau đến lúc cực rotor và stator hoàn toàn trùng khớp nhau. Hiệu quả hoạt động tối ưu của động cơ phụ thuộc nhiều vào thời điểm đưa dòng điện vào dây quấn stator so với vị trí góc quay rotor[71][72][74][75].
Góc cực rotor, góc cực stator liên quan và quyết định góc đóng, góc mở của dịng điện. Góc mở dịng điện phải nằm trong vùng điện cảm đang tăng, tốt nhất từ giá trị Lmin và ngắt dòng điện khi điện cảm bắt đầu đạt đến giá trị cực đại Lmax. Các cơng trình nghiên cứu tập trung vào giá trị góc cực stator, rotor [76][77][78][79], hoặc nghiên cứu các phương pháp điều khiển [1][8]10][12][80] để giảm độ nhấp nhô mômen . Các nghiên
cứu trên chưa đề cập đến mối quan hệ ràng buộc giữa góc đóng, góc mở dịng điện với góc cực stator, rotor để khơng xuất hiện điểm mơmen âm, làm giảm mơmen trung bình.
Ký hiệu θon là góc mà tại thời điểm đó dịng điện được đưa vào pha dây quấn; θoff là góc tại thời điểm bộ biến đổi ngắt dòng đưa vào pha dây quấn; θp là góc mà tại đó dịng điện đạt giá trị cực đại (Hình 3.22).
Hình 3.22. Dịng điện và điện cảm trên một pha theo vị trí góc rotor
Với mỗi thời điểm cấp, ngắt dòng điện cho mỗi pha dây quấn stator: θon ( góc đóng) ; θoff (góc mở) khác nhau thì độ lớn mơmen cũng thay đổi. Trong việc điều khiển tốc độ của SRM thì cũng cần phải tính tốn đến góc đóng, góc mở dịng điện này. (Hình