CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
3.2 ẢNH HƯỞNG CỦA NAM CHÂM VĨNH CỬU RÀO CHẮN TỪ
3.2.2 Sự biến đổi của điện cảm
Hình 3.8 miêu tả sự biến đổi của điện cảm theo giá trị dòng điện khi dòng điện được đặt theo trục d. Có thể thấy rằng điện cảm của “Inset SPMSM model” được thể hiện bằng các đường cong màu xanh nước biển thì điện cảm dọc trục Ld nhỏ hơn một chút so với điện cảm ngang trục Lq và cà hai điện cảm này đều giảm khi giá trị dịng điện tăng lên do đó “saliency (Ld/Lq)” sẽ nhỏ hơn 1 một chút. Điều này là do thực tế rằng việc thêm nam châm vĩnh cửu bề mặt vào trục d có thể làm giảm điện cảm dọc trục và do đó làm cho giá trị điện cảm dọc và ngang trục lại gần với các máy điện đồng bộ thông thường. Đối với điện cảm của FI-PMa-SynRM và SynRM được thể hiện bằng màu da cam và xanh lá cây tương ứng, điện cảm dọc trục đều lớn hơn điện cảm ngang trục dẫn đến “saliency” của các mơ hình máy điện này đều lớn hơn 1. Mặt khác, có thể thấy rằng xu hướng của điện cảm (bao gồm Ld và Lq) của FI-PMa-SynRM và Inset SPMSM là khá khác nhau. Tuy nhiên, để so sánh giữa FI-PMa-SynRM và SynRM, Lq của chúng là tương đương nhưng Ld của SynRM giảm nhanh theo dòng điện trong khi Ld của FI-PMa-SynRM vẫn duy trì được một
độ lớn gần như ít thay đổi khi giá trị dòng điện được thay đổi. Điều này chỉ ra rằng
Giá trí dịng điện (A)
Hình 3.8. Sự biến đổi của điện cảm và saliency theo giá trị dòng điện đối với FI-PMa-SynRM (1), Inset SPMSM model (2) và SynRM model (3).
sự xuất hiện của rào chắn từ thông làm thay đổi đáng kể các thuộc tính của điện cảm trong khi sự xuất hiện của nam châm vĩnh cửu chủ yếu ảnh hưởng đến điện cảm dọc trục khi so sánh “FI-PMa-SynRM” với các biến thể là “Inset SPMSM model” và “SynRM model”.
3.2.3 Sự biến đổi của mơ-men
Hình 3.9 miêu tả sự biến đổi của mơ-men trung bình theo góc dịng điện của các mơ hình này đối với dịng điện cực đại và dòng điện định mức (120 A và 60 A). điều kiện mô-men cực đại theo dòng điện của “FI-PMa-SynRM” và “SynRM model” đạt được với góc dịng điện âm trong khi đối với “Inset SPMSM” là với góc dịng điện dương là phù hợp với các phân tích phía trên. Thêm nữa, với một lượng nam châm vĩnh cửu được thêm vào mà chỉ chiếm 0,72 % so với thể tích động cơ nhưng “FI-PMa-SynRM” có thể sản sinh ra mô-men cao gấp 1,77 và 1,34 lần so với mô-men tạo được bởi “SynRM model” tương ứng tại các giá trị dòng điện định mức và cực đại. Mặt khác, “FI-PMa-SynRM” cũng tạo ra mô-men cao gấp 1,4 và 1,73 lần so với khả năng sản sinh mô-men của “Inset SPMSM model” tương ứng với các giá trị dòng điện định mức và cực đại.
Tiếp theo, sự dao động của mơ-men tức thời theo vị trí rotor ứng với giá trị dòng điện định mức của các mơ hình trên được trình diễn ở Hình 3.10. Có thể thấy
Góc dịng điện (góc điện)
rằng sự dao động của mô-men tức thời của “FI-PMa-SynRM” và “SynRM model” là tốt thấp hơn rất nhiều so với của “Inset SPMSM model”. Điều này ngụ ý rằng rào chắn từ thơng trong đóng một vai trị quan trọng cho việc tối thiểu hóa sự dao động của mơ-men tức thời.
3.3 TĨM LƯỢC
Từ những phân tích trên về các đặc tính của các mơ hình máy điện gồm “FI- PMa-SynRM” và hai biến thể của nó là “Inset SPMSM model” và “SynRM model”, có một số kết luận có thể rút ra như sau:
- Sự xuất hiện của rào chắn từ thông trong “FI-PMa-SynRM” giúp cho nam châm vĩnh cửu được bảo vệ tốt hơn cũng như dẫn đến sự đảo ngược tính chất điện cảm, điều này thể hiện qua sự so sánh giữa “FI-PMa-SynRM” và “Inset SPMSM model”.
- Sự xuất hiện của nam châm vĩnh cửu trong “FI-PMa-SynRM” dẫn đến sự tăng cường của mật độ từ thông trong lõi thép và làm thay đổi rất nhiều giá trị điện cảm dọc trục, điều này thể hiện qua sự so sánh giữa “FI-PMa-SynRM” và “SynRM model”.
- Sự phối hợp của nam châm vĩnh cửu và rào chắn từ thông trong “FI-PMa- SynRM” giúp tăng cường khả năng sản sinh mô-men khi so sánh nó với hai biến thể
Góc rotor (góc cơ)
CHƯƠNG 4. CẢI THIỆN MẬT ĐỘ MÔ-MEN CỦA MÁY ĐIỆN TỪ TRỞ SỬ DỤNG CƠ CHẾ TỪ THÔNG TĂNG CƯỜNG
Trong chương này việc cải thiện mật độ mô-men của máy điện từ trở mà tránh được hiện tượng khử từ không thể phục hồi với những ưu điểm của cơ chế từ thông tăng cường được sử dụng trong mơ hình “FI-PMa-SynRM” tiếp tục được mở rộng phân tích thơng qua việc đánh giá các vấn đề về khử từ và sản sinh mô-men.
4.1 SỰ KHỬ TỪ CỤC BỘ
Khử từ là một trong những vấn đề hệ trọng đối với các máy điện có sử dụng nam châm vĩnh cửu. Thông thường các phần trên nam châm vĩnh cửu của các máy điện khơng có mức độ khử từ giống nhau, do đó việc đánh giá sự khử từ của nam châm vĩnh cửu thường xem xét theo từng phần khơng gian, hay nói theo cách khác là khử từ cục bộ. Đối với nam châm vĩnh cửu sử dụng cho “FI-PMa-SynRM”, năm điểm quan sát được lựa chọn dọc theo chiều rộng của nó như được thể hiện trên Hình 4.1.
Sau khi cho dòng điện phần ứng vào, các giá trị mật độ từ thông tại các điểm này được khảo sát như được trình diễn trên Hình 4.2. Có thể nhận thấy mật độ từ
thông tại điểm A và B là thấp hơn khi so sánh với các điểm khác, điều này ngụ ý rằng phần không gian của nam châm vĩnh cửu nằm giữa điểm A và B có thể dễ bị khử từ hơn các vùng không gian khác. Bên cạnh đó, cũng dễ dàng nhận thấy rằng vùng không gian này nằm gần với điểm cuối của rào chắn từ thông trong và điều này là phù hợp với tiên đoán ở các mục trước. Tuy nhiên, điểm cần đặc biệt lưu ý đó là mật độ từ thơng tại vùng này khơng q thấp có nghĩa hiện tượng khử từ khơng thể phục hồi khơng có khẳ năng xảy ra trong khi bề dày của nam châm vĩnh cửu là nhỏ chỉ 1,5 mm. Mặt khác, với cấu trúc tương đối đơn giản nên các cấu trúc tương tự có thể được thiết kế với một số điều chỉnh nhỏ như sử dụng nam châm vĩnh cửu dày hơn để có thể hồn tồn tránh được hiện tượng khử từ khơng thể phục hồi.
4.2 KHẢ NĂNG CẢI THIỆN MẬT ĐỘ MÔ-MEN
Trong chương trước, việc so sánh “FI-PMa-SynRM” và hai biến thể của nó là “Inset SPMSM model” và “SynRM model” đã được dùng để đánh giá vai trị của
Vị trí rotor (góc cơ)
Hình 4.2. Sự thay đổi giá trị mật độ từ thông tại các điểm quan sát. sát.
nam châm vĩnh cửu và rào chắn từ thơng trong mơ hình máy điện đã được thiết kế. Ở mục này để đánh giá đầy đủ khả năng cải thiện mật độ mơ-men của mơ hình đã
FI-PMa-SynRM 24,79 13,45 Modified SynRM 21,53 10,98
được thiết kế với một lượng nhỏ nam châm vĩnh cửu, “FI-PMa-SynRM” sẽ được so sánh với một mơ hình có tính thực tế bằng cách mở rộng đường biên của bề mặt rotor cũng như điểm của của rào chắn từ thơng trong do đó chiều dài khe hở khơng khí lẫn khoảng cách giữa rào chắn từ thơng và khe hở khơng khí là giống với của “FI-PMa-SynRM”. Hình ảnh miêu tả của mơ hình này cũng đã được trình diễn ở Hình 2.1 và được gọi là “Modified SynRM”.
Hình 4.3 trình diễn sự so sánh sự biến đổi của mật độ mơ-men theo dịng điện và góc dịng điện (từ –90 đến 0 độ) giữa “FI-PMa-SynRM” và “Modified SynRM”. Có thể thấy “FI-PMa-SynRM” cho mật độ mô-men tốt hơn. Thêm nữa, FI-PMa- SynRM có vùng mật độ mơ-men lớn (tức là trên 20 Nm/L) rộng hơn với cùng một giá trị dịng điện và giải góc dịng điện. Điều này có thể được giải thích bởi một thực tế là “FI-PMa-SynRM” có được sự kết hợp của mô-men từ trở và mô-men nam châm khi so sánh với các dạng máy điện khác, nghĩa là với nhiều rào chắn từ thơng để có được mơ-men từ trở lớn và một lượng nhỏ nam châm vĩnh cửu đặt trên bề mặt để có thêm một lượng mơ-men bổ sung nữa. Quan trọng nhất, vì nam châm vĩnh cửu trong “FI-PMa-SynRM” không dễ bị khử từ, một dịng điện có giá trị lớn hơn có thể được sử dụng để giúp cho máy điện có thể đạt được một mật độ mơ-men thậm chí cịn cao hơn nữa. Tuy nhiên nhiệm vụ này cần được tính tốn kỹ bởi các vấn đề cố hữu của máy điện liên quan đến sự bão hòa từ, khả năng tản nhiệt và sự khử từ cục bộ như đã được nhấn mạnh ở mục trước. Tóm lại mơ hình máy điện đã được thiết kế đã chứng minh là có thể đạt được mật độ mơ-men cao phù hợp lần lượt là 13,45 Nm/L và 24,79 Nm/L tại các điều kiện định mức và cực đại.
Để có một cái nhìn rõ ràng hơn về khả năng cải thiện mật độ mơ-men của mơ hình “FI-PMa-SynRM” đã được thiết kế, chế tạo, một khảo sát so sánh với một số mơ hình máy điện sử dụng nam châm đã được công bố trước đây là cần thiết. Bảng 4.1 trình bày một số thơng tin thu thập được về khả năng sản sinh mô-men và mật độ mơ-men.
4.3 TĨM LƯỢC
Từ các phân tích trong chương này có thể thấy mơ hình FI-PMa-SynRM được đề xuất với việc sử dụng chỉ một lượng nhỏ nam châm vĩnh cửu nhưng đã có thể cải thiện được mật độ mô-men một cách đáng kể trong khi sự khử từ cục bộ vẫn nằm trong phạm vi chấp nhận được và tránh được hiện tượng khử từ không thể phục hồi.
Bảng 4.1. Thông tin về mật độ mơ-men.
Mơ hình Mật độ mơ- men (Nm/L) Tỷ lệ thể tích nam châm (%) Mật độ dòng điện cực đại (A/mm2) Khả năng chống lại hiện tượng khử từ không thể phục hồi
Chế tạo mẫu thử
FI-PMa-
SynRM 24,79 0,72 15,35 Phê chuẩn Đã thực hiện
Mơ hình trong
tham khảo [2] 14,91 4,32 Không rõ Phê chuẩn Đã thực hiện Mơ hình trong
tham khảo [3] 63,79 4,22 26,87 Phê chuẩn
Chưa thực hiện Mơ hình trong
CHƯƠNG 5. CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Trong chương này việc thực hiện và một số kết quả thực nghiệm đối với mơ hình máy điện đã được thiết kế, chế tạo được trình bày bao gồm dạng sóng dịng điện, hài dịng điện, so sánh mơ-men. Hình 5.1 miêu tả việc cài đặt để các thành phần của bàn thực nghiệm để tiến hành vận hành và đo đạc một số thông số của mẫu thử của FI-PMa-SynRM.
47
Hình 5.2 trình diễn hình ảnh của dạng sóng dịng điện, do giới hạn cơng suất của nguồn cấp tại phịng thí nghiệm của bên hợp tác, phối hợp nên dòng điện đo đạc chỉ đạt 32,5 A. Có thể thấy, khác với việc chạy mơ hình mơ phỏng trên phần mềm máy tính với dịng điện kích thích thường được đặt là dạng sin, dịng điện thực tế của nguồn cấp sẽ khơng có dạng sin hồn tồn. Sử dụng thuật tốn biến đổi Fourier nhanh (Fast Fourier Transform hay FFT) trên Matlab với đầu vào là dữ liệu thu thập được từ hệ thống thực nghiệm, các hài dịng điện được trình diễn trên Hình 5.3. Tính tốn tổng độ méo sóng hài (Total Harmonic Distorion hay THD) dòng điện của kết quả thực nghiệm là khoảng 13,04 %.
Mặt khác, mơ-men trung bình tạo ra được của “FI-PMa-SynRM” cũng được đo đạc và so sánh với kết quả mô phỏng như được trình diễn trên Hình 5.4. Có thể thấy rằng hai kết quả này là phù hợp với nhau. Bên cạnh đó, để thuyết phục hơn, kết quả mơ phỏng giá trị mơ-men trung bình của “Modified SynRM” cũng được thêm vào Hình 5.4 để so sánh với kết quả của “FI-PMa-SynRM”. Có thể thấy khi góc dịng điện cịn nhỏ (khoảng –55 độ), mô-men sản sinh được của “Modified SynRM” chỉ nhỏ hơn một chút so với của “FI-PMa-SynRM”, tuy nhiên với các góc dịng điện
Tần số (Hz)
lớn hơn, mơ-men sản sinh được của “Modified SynRM” giảm xuống rất nhanh. Điều này dẫn đến mơ-men của “Modified SynRM” có thể có thể trở thành giá trị âm trong khi mô-men của “FI-PMa-SynRM” vẫn tiếp tục có giá trị dương. Kết quả này là hoàn toàn phù hợp với lý thuyết đã được trình bày ở các mục trước.
Góc dịng điện (độ) Modified SynRM, Mơ phỏng FI-PMa-SynRM, Mô phỏng FI-PMa-SynRM, Thực nghiệm nghiệm
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Như vậy qua sự phân tích kỹ càng cơ chế từ thơng tăng cường trong một động cơ từ trở hay cịn gọi là mơ hình FI-PMa-SynRM, việc cải thiện từ thông của máy điện từ trở đã được chứng minh khả thi. Đầu tiên, thơng qua sự so sánh mơ hình FI- PMa-SynRM đã được thiết kế và chế tạo với hai biến thể của nó mà có thể có được chỉ bằng việc đơn giản loại bỏ nam châm vĩnh cửu hoặc rào chắn từ thông trong, vai trị của các thành phần này trong mơ hình FI-PMa-SynRM đã được nghiên cứu. Tiếp theo, sự khử từ cục bộ trong mơ hình FI-PMa-SynRM đã được phân tích và khả năng mật độ mô-men đã được điều tra qua việc so sánh mơ hình này với một một mơ hình máy điện từ trở thực tế có cấu hình tương đương. Có thể thấy rằng việc áp dụng cơ chế từ thông tăng cường đã dẫn đến sự khác biệt trong phân bố từ trường cũng như góc dịng điện để đạt được điều kiện mơ-men cực đại theo dòng điện. Hơn tất cả, một khả năng tạo ra được mật độ mô-men lớn đã được chứng minh với một lượng nhỏ nam châm vĩnh cửu hay có nghĩa có thể cải thiện mật độ mơ-men một cách đáng kể với chỉ một vài điều chỉnh bổ sung về cấu hình rotor khi sử dụng cơ chế từ thông tăng cường đối với động cơ từ trở. Một thuận lợi nữa đó là mặc dù sử dụng lượng nam châm vĩnh cửu rất nhỏ nhưng mơ mình máy điện được trình bày đã có thể chống lại hiện tượng khử từ khơng thể phục hồi một cách mạnh mẽ. Cũng phải nhấn mạnh ở sự đơn giản của cấu trúc được trình bày trong nghiên cứu.
Cùng với những kết luận trên, nhóm nghiên cứu cũng có những đề xuất, kiến nghị trên cơ sở xem xét tính khả thi và khả năng phát triển của nghiên cứu trong điều kiện Việt Nam đó là:
- Nghiên cứu thêm tính khả thi của cơ chế từ thông tăng cường với việc sử dụng vật liệu nam châm giá rẻ hơn, ví dụ nam châm ferrite.
- Đầu tư nghiên cứu vào các loại máy điện hiện đại trên thế giới, thay thế dần các loại máy điện cổ điển như máy điện không đồng bộ, máy điện một chiều bởi khả năng đạt được mật độ mô-men lớn.
- Tiếp cận, biên soạn các tài liệu, đề xuất điều chỉnh nội dung môn học máy điện trong các trường đại học tại Việt Nam để theo kịp sự phát triển của lĩnh vực máy điện trên thế giới.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] I. Boldea, L. Tutelea, C.I. Pitic, PM-assisted reluctance synchronous