10 8 6 4 2 0 0 30 60 90120150180210240270300330360 Vị trí góc rotor (0 ) 10 8 6 4 2 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Tốc độ ( vịng/phút) Phân Giải tí tích FEM ch
Hình 4.24. Dạng sóng mơmen trung bình theo vị trí rotor SRM 12/8 với βS=150 β =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.
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 không 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.
4.3Thực 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
M ơ m en tr un g bì nh (N , R M ơ m en (N
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.N r
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:
00
on
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 Giá trị
Công suất cực đại 1,5 kW
Số cực stator/rotor 12/8 Điện áp nguồn 48/64/72 VDC Tốc độ 1500 Vịng/phút Dịng điện 50/60A Mơmen 9,5Nm Hiệu suất 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. Dòng 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 mômen 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
(vịng/phút) Mơmen mơ phỏng thực nghiệmMơmen Sai số(%)
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 ngun 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%.
4.4Kết 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 dịng 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 nhô mô 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 mô 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 mômen âm gây hậu quả giảm mơmen trung bình và tăng độ nhấp nhơ mơmen.
Luận án đã đưa ra cách xác định tỉ lệ góc cực/bước cực stator, rotor nhằm đảm bảo mơmen trung bình lớn đồng thời giảm thiểu nhấp nhô mômen trong thiết kế SRM 3 pha, cách xác định trên cũng ứng dụng được cho loại khác của SRM.
Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo:
+ Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ tích số cực stator với góc cực stator/ tích số cực rotor với góc cực rotor đến đặc tính mơmen và nhấp nhơ mơmen
+ Nghiên cứu tối ưu góc đóng mở dịng điện theo sự thay đổi tốc độ của động cơ từ trở.
+ Nghiên cứu các dạng sóng hài của mơmen với kết cấu động cơ từ trở hai pha, bốn pha kích thích.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] R. Krishnan (2001), Switched reluctance motor drives, Modeling, simulation,
analysis, design, and applications, J. David Irwin, Auburn University.
[2] Mohammad Mahdi Bouiabady (2017), “Switched Reluctance Motor
Topologies”, Intech, Open Access book publisher.
[3] Nguyễn Phùng Quang (2003), “Động cơ từ kháng và triển vọng ứng dụng trong
các hệ thống Mechatronics” Đại học Bách Khoa Hà Nội.
[4] T. J. E. Miller (2001), Switched Reluctance Motors and Their Control, Hillsboro, OH; Magna Physics Publishing; Oxford: Clarendon Press.
[5] P. AD (1999), Energy Saving Switched Reluctance Drives and Asynchronous
Drives for an Electric Rolling Stock, Publishing House of the North Caucasus
Scientific Center of Higher Education.
[6] Tạ Cao Minh (2011), “Các loại động cơ sử dụng cho ô tô điện,” Tạp chí Tự động hóa ngày nay, vol. 127, số 6.
[7] V. L. Do and M. C. Ta (2009), “Modeling, Simulation and Control of Reluctance
Motor Drives for High Speed Operation”, Conferences IEEE 7.
[8] Nguyễn Bảo Huy, Tạ Cao Minh (2011), “Modeling and Torque Distribution
Control for Switched Reluctance Motors with High Non-linear Inductance Characteristics”, Conferences 2011 IEEE International Electric Machines &
Drives Conference (IEMDC), pp. 693–698, doi: 0.1109/IEMDC.2011.5994895.
[9] Minh Dinh Bui and U. Schaefer (2012), “Core Losses Measurement Technique
for High Frequency and Flux Density of Switched Reluctance Machines”,
Conferences 2012 XXth International Conference on Electrical Machines, pp. 1619–1624,doi:10.1109/ICElMach.2012.6350096.
[10] Minh Dinh Bui, S. Schneider, S. Arnaout, and U. Schaefer (20013), “Torque
maximization of a high-speed switched reluctance starter in acceleration test,”
in 2013 15th European Conference on Power Electronics and Applications, EPE
2013, 2013, no. 1, pp. 1–5, doi: 10.1109/EPE.2013.6631908.
[11] Minh Dinh Bui (2014), “Maximum Torque Control of a High Speed Switched
Reluctance Starter / Generator used in More / All Electric Aircraft, Luận án tiến
sĩ, Technischen Universität Be,” TU Berlin, Germany.
[12] Lê Quốc Dũng (2014), “Điều khiển cực tiểu hóa độ nhấp nhơ mơmen cho động
cơ từ trở,” Tạp chí khoa học và cơng nghệ năng lượng, Đại học Điện lực, no.
ISSN: 1859 – 4557), pp. 1–9.
[13] Bùi Minh Định (2015), “Calculation, simulation and measurement of the
acoustic noise of high speed SRMs caused by electromagnetic force acting on surface of stator poles,” Tạp chí Tự động hóa ngày nay, ISSN 1859–0551, số 12,
pp. 16–20.
[14] Bùi Minh Định, Đỗ Thanh Tùng (2017), “Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm động
cơ từ trở ứng dụng cho máy bơm 3 pha 4 cực.” , Đề tài cấp Bộ - Bộ Công
Thương, Đại học Công nghiệp Quảng Ninh.
[15] Y. Hu, C. Gan, W. Cao, Y. Fang, S. J. Finney, and J. Wu (2016), “Solar PV-
Powered SRM Drive for EVs with Flexible Energy Control Functions,” IEEE
Transactions on Industry Applications, vol. 52, no. 4, pp. 3357–3366, doi: 10.1109/TIA.2016.2533604.
in Double U Core Switched Reluctance Motor,” Proceedings - 2018 IEEE 18th
International Conference on Power Electronics and Motion Control, PEMC, pp. 623–628, doi: 10.1109/EPEPEMC.2018.8521842.
[17] M. Abbasian, M. Moallem, and B. Fahimi (2010), “Double-stator switched
reluctance machines (DSSRM): Fundamentals and magnetic force analysis,”
IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 25, no. 3, pp. 589–597, doi: 10.1109/TEC.2010.2051547.
[18] M. Asgar, E. Afjei, and H. Torkaman (2015), “A New Strategy for Design and
Analysis of a Double-Stator Switched Reluctance Motor: Electromagnetics, FEM, and Experiment,” IEEE Transactions on Magnetics, vol. 51, no. 12, doi:
10.1109/TMAG.2015.2465307.
[19] W. Wang, M. Luo, E. Cosoroaba, B. Fahimi, and M. Kiani (2015), “Rotor shape
investigation and optimization of double stator switched reluctance machine,”
IEEE Transactions on Magnetics, vol. 51, no. 3, pp. 3–6,doi: 10.1109/TMAG.2014.2356573.
[20] H. Yang, Y. Lim, and H. Kim (2012), “Acoustic Noise / Vibration Reduction of a
Single- Phase SRM Using Skewed Stator and Rotor,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, pp. 4292 - 4300, doi:10.1109/TIE.2012.2217715.
[21] C. Gan, J. Wu, M. Shen, S. Yang, Y. Hu, and W. Cao (2015), “Investigation of skewing effects on the vibration reduction of three-phase switched reluctance motors,” IEEE Transactions on Magnetics, vol. 51, no. 9, pp. 1–9, 2015, doi:
10.1109/TMAG.2015.2441035.
[22] Y. Zou, K. W. E. Cheng, N. C. Cheung, and J. Pan (2014), “Deformation and
noise mitigation for the linear switched reluctance motor with skewed teeth structure,” IEEE Transactions on Magnetics, vol. 50, no. 11, pp. 2–5, 2014, doi:
10.1109/TMAG.2014.2323420.
[23] J. Li, H. X. Sun, and Y. Liu (2010), “New rotor structure mitigating vibration
and noise in switched reluctance motor,” ICINA 2010 - 2010 International
Conference on Information, Networking and Automation, Proceedings, vol. 2, pp. 80–84, 2010, doi: 10.1109/ICINA.2010.5636789.
[24] J. W. Lee, H. S. Kim, B. Il Kwon, and B. T. Kim (2004), “New rotor shape
design for minimum torque ripple of SRM using FEM,” IEEE Transactions on
Magnetics, vol. 40, no. 2 II, pp. 754–757, 2004, doi: 10.1109/TMAG.2004.824803.3.
[25] A. D. Petrushin and K. A. Viktorovich (2018), “Improvement of Switched
Reluctance Motor Performance Using Optimization Algorithms”, ICEPDS 2018
- Conference Proceedings, pp. 1–4, doi: 10.1109/ICEPDS.2018.8571756.
[26] T. Kusumi, T. Hara, K. Umetani, and E. Hiraki (2018), “Rotor Configuration
Which Reduces Copper Loss of Switched Reluctance Motors with Suppression of Torque Ripple and Input Current Ripple,”, ECCE 2018, Conference
Proceedings, pp. 6097–6103, doi: 10.1109/ECCE.2018.8558173.
[27] C. S. K. Yong Kwon Choi, Hee Sung Yoon (2007), “Pole-Shape Optimization
of a Switched-Reluctance Motor for Torque Ripple Reduction,” IEEE
[28] P. C. Desai, M. Krishnamurthy, N. Schofield, and A. Emadi (2010), “Novel
switched reluctance machine configuration with higher number of rotor poles than stator poles: Concept to implementation,” IEEE Transactions on Industrial
Electronics, vol. 57, no. 2, pp. 649–659, 2010, doi: 10.1109/TIE.2009.2034678. [29] B. Bilgin, A. Emadi, and M. Krishnamurthy (2012), “Design considerations for
switched reluctance machines with a higher number of rotor poles,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 59, no. 10, pp. 3745–3756, 2012, doi: 10.1109/TIE.2011.214110.
[30] B. Bilgin, A. Emadi, and M. Krishnamurthy (2013), “Comprehensive evaluation
of the dynamic performance of a 6/10 SRM for traction application in PHEVs,”
IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 60, no. 7, pp. 2564–2575, doi: 10.1109/TIE.2012.2196015.
[31] N. K. Sheth and K. R. Rajagopal (2003), “Optimum pole arcs for a switched
reluctance motor for higher torque with reduced ripple,” Intermag 2003 -
Program of the 2003 IEEE International Magnetics Conference, doi: 10.1109/INTMAG.2003.1230356.
[32] K. Kiyota, S. Nakano, and A. Chiba (2018), “A Fast Calculation Method of
Optimal Ratio of Outer Diameter and Axial Length for Torque Improvement in