Ảnh hưởng của góc cực rotor và góc mở dòng điện đến đặc tính mô men, độ nhấp nhô mô men của động cơ từ trở

Nội dung text: Ảnh hưởng của góc cực rotor và góc mở dòng điện đến đặc tính mô men, độ nhấp nhô mô men của động cơ từ trở

1. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử ẢNH HƯỞNG CỦA GÓC CỰC ROTOR VÀ GÓC MỞ DÒNG ĐIỆN ĐẾN ĐẶC TÍNH MÔ MEN, ĐỘ NHẤP NHÔ MÔ MEN CỦA ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ Đinh Hải Lĩnh*, Bùi Minh Định, Nguyễn Thế Công, Phạm Văn Bình Tóm tắt: Động cơ từ trở là loại động cơ có nhiều ưu điểm như kết cấu đơn giản, không có dây quấn hay nam châm ở rotor; làm việc được ở dải tốc độ cao; có mật độ công suất/khối lượng lớn. Tuy nhiên, do cấu trúc cực lồi và đặc tính mạch từ là phi tuyến nên động cơ từ trở có độ ồn và nhấp nhô mô men lớn hơn so với các loại động cơ truyền thống khác. Bài toán giảm độ nhấp nhô mô men và tối đa hóa mô men trung bình là một trong những mục tiêu quan trọng trong thiết kế điện từ cho động cơ từ trở. Bề rộng cực rotor là thông số có ảnh hưởng lớn đến mô men trung bình và nhấp nhô mô men của động cơ. Đồng thời góc mở dòng điện cũng là yếu tố quyết định trong quá trình phát sinh mô men, nếu góc mở nằm ở sườn lên của điện cảm thì sinh mô men dương, nếu góc mở nằm ở sườn đi xuống của sự biến thiên điện cảm thì sinh mô men âm. Trong bài báo tác giả đưa ra phân tích ảnh hưởng góc mở dòng điện đến đặc tính mô men và mối quan hệ của góc cực stator/rotor với góc mở dòng điện. Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn, phầm mềm Speed PC-SRD được sử dụng để tính toán và phân tích, mô phỏng trên mô hình động cơ từ trở 6/4 – 30kW. Kết quả phân tích của bài báo là cơ sở tính toán bộ điều khiển động cơ từ trở theo các phương pháp điều khiển điện áp hay dòng điện. Từ khóa: Động cơ từ trở; Đặc tính mô men; Mô men trung bình; Nhấp nhô mô men; Góc mở dòng điện; Bề rộng cực rotor. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Động cơ từ trở (SRM) là một loại động cơ điện có cấu tạo của rotor và stator đều có dạng cực lồi, trên stator có dây quấn tương tự như dây quấn kích từ của động cơ một chiều, rotor chỉ là một khối sắt, không có dây quấn hay nam châm. Với cấu tạo đặc biệt này, động cơ SRM rất bền vững về cơ khí, cho phép thiết kế ở dải tốc độ rất cao, lên tới hàng chục nghìn vòng/phút; mô men khởi động lớn, công suất cơ học được tạo ra trên nguyên lý biến đổi mômen từ trở. SRM có một số cấu trúc phổ biến như: 6/4 (tức là stator có 6 cực, rotor có 4 răng), 8/6, 10/6, 12/8, Với cấu trúc 6/4 hay 12/8 thì bộ điều khiển chỉ có yêu cầu ba pha điều khiển, số lượng van điều khiển ít hơn so với cấu trúc 8/6 cần 4 pha điều khiển, cấu trúc 10/6 cần 5 pha điều khiển; số pha điều khiển càng nhiều thì bộ chuyển đổi càng phức tạp và số van điều khiển sử dụng lớn. Vì vậy, trong phạm vi bài báo tác giả lựa chọn mô hình SRM 6/4 có ba pha điều khiển, bộ điều khiển cấu trúc này là phổ biến hơn và có thể áp dụng cho cấu trúc 12/8. Động cơ hoạt động trên nguyên lý cấp dòng điện cho từng pha dây quấn; dòng điện được chuyển mạch – đóng và cắt điện nhờ các khóa bán dẫn [1]. Hình 1. Mô hình kết cấu SRM loại 6/4 và bộ điều khiển [1]. Ở chế độ động cơ dòng điện được đóng cắt theo sườn lên của điện cảm (hình 2). 44 Đ. H. Lĩnh, , P. V. Bình, “Ảnh hưởng của góc cực rotor của động cơ từ trở.”
2. Nghiên cứu khoa học công nghệ Hình 2. Đặc tính điện cảm theo vị trí góc rotor và nguyên lý đóng cắt dòng điện để phát sinh mô men. Hiện nay, động cơ SRM đang được nhiều nhà nghiên cứu, thiết kế chế tạo quan tâm, đặc biệt là trong lĩnh vực ứng dụng cho xe điện. Động cơ này có nhược điểm là độ ồn lớn, độ nhấp nhô mô men cao. Trong quá trình tính toán thiết kế SRM cần tính chọn nhiều thông số kết cấu điện từ cho động cơ để có thể giảm thiểu nhấp nhô momen, tăng mô men trung bình. Bề rộng cực rotor, stator được tính toán lựa chọn để có chiến lược điều khiển phù hợp. Nếu góc mở xung điện áp, cấp dòng quá sớm sẽ tạo mô men âm, nếu góc mở xung quá muộn thì sẽ không lợi dụng được mô men cao trên vùng tăng của đặc điện cảm. Góc mở xung sẽ phù hợp tại thời điểm từ cảm Lmin bắt đầu tăng và đóng xung khi điện cảm đạt cực đại Lmax Khi tính toán thiết kế tối ưu các cực từ stator/rotor, nhiều tác giả chỉ tập chung vào giá trị góc cực stator/rotor để giảm thiểu nhấp nhô mô men [2-6] hoặc chỉ nghiên cứu các phương pháp điều khiển để giảm nhấp nhô mô men [1, 7- 10] mà chưa đề cập đến mối liên hệ mật thiết giữa góc đóng mở dòng điện. Chính vì vậy, bài báo tác giả nghiên cứu đánh giá mối quan hệ giữa bề rộng cực rotor với mô men trong SRM và ảnh hưởng của góc mở dòng điện đến mô men trung bình và nhấp nhô mô men. Kết quả bài báo này có ý nghĩa quan trọng cho các nhà điều khiển SRM. 2. MÔ HÌNH GIẢI TÍCH ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ SRM Phương trình điện áp trên mỗi pha dây quấn [1]: di(,) u Ri dt (1) Với i là dòng điện trên mỗi pha dây quấn, R là điện trở trên một pha dây quấn,  là giá trị từ thông móc vòng của một pha dây quấn; di  d  u R i . (2) i dt dt Mô men điện từ trên một pha dây quấn: sự biến thiên năng lượng cơ học dWm theo vị trí góc quay rotor  sẽ tạo ra mô men điện từ: dW  W dW T . d ; T m i F (3) m s s d   Coi từ thông là tuyến tính, bỏ qua ảnh hưởng của bão hòa, suy ra mô men điện từ trên một pha là: Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 72, 04 - 2021 45
3. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 1 dL Ti 2 (4) 2 s d 3. ẢNH HƯỞNG CỦA GÓC CỰC ROTOR, STATOR VÀ GÓC MỞ ON ĐẾN ĐẶC TÍNH MÔ MEN Bỏ qua ảnh hưởng của bão hòa mạch từ và xét mô hình tuyến tính ta có mô men trên một pha của động cơ SRM là: 1 2 LLmaxmin Tiss (5) 2 s Trong đó, Lmax; Lmin là điện cảm tại vị trí đồng trục và lệch trục hoàn toàn. 00(2 R g ) l Nl . N ( R )r r LLmsaxmin . ; (6) 44(gR r ) Với R: Bán kính ngoài stator; r: Bán kính trong của rotor; g: Chiều dài khe hở không khí; N: Số vòng dây trên một pha dây quấn; l: Chiều dài lõi thép; µ0: Độ từ thẩm không khí; βS: Bề rộng cực stator; βr : Bề rộng cực rotor. Hiệu quả hoạt động tối ưu của động cơ phụ thuộc vào thời điểm đưa dòng điện vào dây quấn sator so với vị trí góc quay rotor. Đặt góc θon là góc mà tại thời điểm đó dòng điện được đưa vào pha dây quấn; θoff là góc tại thời điểm bộ biến đổi cắt dòng đưa vào pha dây quấn. Gọi α là góc lệch giữa thời điểm bắt đầu cấp dòng cho pha dây quấn θon và góc mà tại đó cực rotor và cực stator hoàn toàn không trùng khớp θu, ta có:  ()   a r s (7) 2 Khi đó, thời điểm bắt đầu cấp dòng điện vào pha dây quấn – góc θon được tính như sau: on0 u (8) Như vậy, nếu bề rộng cực rotor và stator càng lớn thì góc lệch α càng nhỏ so với vị trí đồng trục và góc mở dòng điện θon sẽ càng tiến gần với góc quay rotor tại vị trí lệch trục. Ứng với mỗi giá trị góc cực rotor/ sator của mỗi động cơ từ trở thì lại có một giá trị góc mở θon khác nhau. Góc mở θon sẽ được lựa chọn nằm trong khoảng vị trí từ lúc cực rotor lệch trục hoàn toàn với cực stator của pha dây quấn đó đến vị trí cực rotor bắt đầu trùng với cực stator, tức là phải nằm ở sườn lên của điện cảm để không phát sinh mô men âm. Với mô hình SRM 6/4, công suất 30kW, tốc độ quay 27000 vòng/phút. Theo biểu thức (7) và (8) thì các thông số α, θon được tính toán để khảo sát là:  (   ) 900 (   ) a r s r s (9) 22 0 on0  u 45 (10) Trong đó, với động cơ từ trở 6/4 thì có góc lệch trục θu = 450 và vị trí góc đồng trục hoàn 0 toàn là θa = 90 . 4. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG Mô hình mô phỏng SRM 6/4 với số điểm tự do chia lưới là 32000 điểm trên PC-SRD như hình 3 và thông số cơ bản của động cơ như trong bảng 1. 46 Đ. H. Lĩnh, , P. V. Bình, “Ảnh hưởng của góc cực rotor của động cơ từ trở.”
4. Nghiên cứu khoa học công nghệ Hình 3. Mô hình mô phỏng động cơ SRM 6/4 và chia lưới. Bảng 1. Kích thước cơ bản động cơ SRM 6/4. Thông số Giá trị Khe hở không khí 0.4mm Đường kính ngoài stator 160mm Chiều cao cực stator 24.6mm Đường kính ngoài rotor 80mm Đường kính trục 30mm Bề dầy gông rotor 15mm Bề dầy gông từ stator 15mm Chiều dài động cơ 80mm Số vòng dây/1 cực 11vòng Điện áp nguồn 1 chiều 250V 0 Giả thiết chọn góc cực stator βs = 30 , thay đổi góc cực rotor thì ta tính toán được giá trị góc θon, θoff tương ứng với mỗi bề rộng cực stator và rotor như trong bảng 2. Bảng 2. Các cặp góc cực từ βS và βR và góc đóng θoff, góc mở θon trong 3 trường hợp. Góc lệch Góc Góc 0 0 trục đồng 0 Góc mở đóng TT βS ( ) βR( ) 0 Góc α ( ) 0 0 Ghi chú θu ( ) trục θon0 ( ) θoff ( ) = 0 0 θa ( ) θon + 45 1 30 31 45 90 14.5 30.5 75.5 TH.I 2 30 32 45 90 14 31 76 TH.II 3 30 33 45 90 13.5 31.5 76.5 TH.III 0 0 4.1. Trường hợp THI với góc cực stator βs = 30 ; góc cực rotor βr = 31 0 0 0 Đặc tính mô men trên mỗi pha dây quấn của động cơ SRM ứng với góc mở θon =28 , 29 ; 30 ; 30.50; 310; 320 thể hiện trên hình 4.a), b), c), d) e) và f). Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 72, 04 - 2021 47
5. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 0 0 a) Góc mở θon = 28 . d) Góc mở θon = 30.5 . 0 0 b) Góc mở θon = 29 . e) Góc mở θon = 31 . 0 0 c) Góc mở θon = 30 . f) Góc mở θon = 32 . 0 0 Hình 4. Đặc tính mô men khi βs = 30 , βr = 31 , góc mở θon biến thiên. 0 Phân tích kết quả hình 4: khi góc mở θon > θon0 = 30.5 thì đường đặc tính mô men không có 0 điểm âm; Khi góc mở θon < θon0 = 30.5 thì trên đường đặc tính mô men có điểm âm vì khi đó góc mở dòng điện nằm trong vùng độ dốc âm của điện cảm. Khi góc Δθon = θon - θon0 càng nhiều thì điểm âm mô men càng lớn. 0 0 4.2. Trường hợp TH.II với góc cực stator βs = 30 ; góc cực rotor βr = 32 0 0 a) Góc mở θon = 29 . d) Góc mở θon = 31 . 0 0. b) Góc mở θon = 30 . e) Góc mở θon = 32 0 c) Góc mở θon = 30.5 . 0 f) Góc mở θon = 33 . 0 0 Hình 5. Đặc tính mô men khi βs = 30 , βr = 32 , góc mở θon biến thiên. 48 Đ. H. Lĩnh, , P. V. Bình, “Ảnh hưởng của góc cực rotor của động cơ từ trở.”
6. Nghiên cứu khoa học công nghệ 0 0 Đặc tính mô men trên mỗi pha dây quấn của động cơ SRM ứng với góc mở θon = 29 ; 30 ; 310; 320; 330 thể hiện trên hình 3.a), b), c), d) e) và f). 0 Phân tích kết quả hình 5: trường hợp góc cực rotor βr = 32 thì có góc mở theo tính toán θon0 = 0 0 31 . Khi góc mở θon 31 thì trên đường đặc tính mô men hoàn toàn không có điểm âm. 0 0 4.3. Trường hợp TH.III với góc cực stator βs = 30 ; góc cực rotor βr = 33 0 0 Đặc tính mô men trên mỗi pha dây quấn của động cơ SRM ứng với góc mở θon = 30 ; 31 ; 31,50; 320; 330 thể hiện trên hình 6.a), b), c), d), e) và f). 0 0 a) Góc mở θon = 29 . d) Góc mở θon = 31,5 . 0 0 b) Góc mở θon = 30 . e) Góc mở θon = 32 . 0 0 c) Góc mở θon = 31 . f) Góc mở θon = 33 . 0 0 Hình 6. Đặc tính mô men khi βs = 30 , βr = 33 , góc mở θon biến thiên. 0 Phân tích kết quả hình 6: trường hợp góc cực rotor βr = 33 thì có góc mở theo tính toán θon0 = 0 0 31.5 . Khi góc mở θon 31.5 thì trên đường đặc tính mô men hoàn toàn không có điểm âm. Tổng hợp 3 trường hợp khi tính mô men trung bình, độ nhấp nhô mô men và tốc độ max ứng với góc mở θon ≥ θon0 như trong bảng 3. Bảng 3 cho thấy: Khi giữ bề rộng stator không đổi, tăng bề rộng cực rotor βr thì mô men trung 0 0 bình có xu hướng giảm; mô men trung bình đạt giá trị lớn nhất βr = 31 . Trường hợp βs =30 ; βr 0 0 =31 ; θon = 31 thì mô men trung bình đạt giá trị lớn nhất là 20.309 (Nm) và tỉ lệ nhấp nhô mô 0 0 0 men là 1.14; với βs =30 ; βr =31 ; θon = 31 thì mô men trung bình đạt giá trị cực đại là 20.309 0 0 0 Nm và tỉ lệ nhấp nhô mô men là 1.10; với βs =30 ; βr =33 ; θon = 33 thì mô men trung bình đạt giá trị nhỏ nhất là 17.495 Nm và tỉ lệ nhấp nhô mô men là 1.16. Khi bề rộng cực rotor càng lớn so với bề rộng cực stator thì mô men trung bình càng giảm. Đồng thời, ở một cặp cực (βs, βr) nhất định, nếu góc mở θon càng xa góc mở tính toán θon0 thì mô men trung bình sẽ càng giảm. Như vậy, khi thay đổi độ lệch bề rộng cực rotor và sator Δβ =βr –βs thì góc mở θon cũng phải thay đổi theo để có được đặc tính mô men không có điểm âm và mô men trung bình là lớn nhất. Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 72, 04 - 2021 49
7. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Khi góc mở θon = θon0 trong cả 3 trường hợp góc cực stator/rotor thì có giá trị mô men trung bình là lớn nhất và nhấp nhô mô men là nhỏ nhất. Kết quả đặc tính điện cảm, dòng điện, từ thông và 0 0 0 mô men trong trường hợp góc cực βs =30 ; βr =31 và θon = 31 được thể hiện trong hình 7, 8. Bảng 3. Kết quả tính toán mô men trung bình, nhấp nhô mô men và tốc độ cực đại ứng với các góc mở θon ≥ θon0. Độ nhấp Dòng điện Mô men góc α Góc mở trung nhô mô TT β (0) β (0) max S R bình men 0 θon0 ( ) (A) (Nm) 14.5 30.5 299.8 19.729 1.11 1 30 31 14.5 31 294.93 20.309 1.10 14.5 32 283,82 19.556 1.12 14 31 286.756 19.749 1.14 2 30 32 14 32 275.79 18.952 1.16 14 33 264.84 18.052 1.18 13.5 31.5 273.787 18.849 1.16 3 30 33 13.5 32 268.365 18.422 1.17 13.5 33 257.573 17.495 1.20 0 0 Hình 7. Mật độ từ cảm trên stator và rotor trong trường hợp cực βs =30 ; βr =31 . 50 Đ. H. Lĩnh, , P. V. Bình, “Ảnh hưởng của góc cực rotor của động cơ từ trở.”
8. Nghiên cứu khoa học công nghệ Hình 8. Đặc tính dòng điện, từ thông, điện cảm và mô men 0 0 0 theo vị trí góc rotor khi βs =30 ; βr =31 và θon = 31 . 5. KẾT LUẬN Bài báo đã tính toán, phân tích góc mở dòng điện đến đặc tính của mô men pha trong các trường hợp góc cực rotor từ 300 đến 330 với góc cực stator là 300. Ứng với mỗi giá trị bề rộng cực sator, rotor khác nhau thì góc mở dòng điện trong từng pha phải thay đổi cho phù hợp. Với 0 0 0 0 0 0 βs =30 thì khi βr =31 ; 32 thì góc mở dòng điện là θon = 31 ; khi βr =33 thì θon = 33 sẽ đạt được đặc tính mô men không có điểm âm, đồng thời mô men trung bình đạt giá trị cực đại và nhấp nhô mô men nhỏ nhất. Và trong các trường hợp các góc rotor khác nhau thì kết quả tính toán phân tích cho thấy, với bề rộng cực stator là 300, thì chọn bề rộng cực rotor là 310 thì cho mô men trung bình là cao nhất và tỉ lệ nhấp nhô mô men nhỏ nhất. Có thể nhận thấy, ảnh hưởng của bề rộng cực rotor và góc mở dòng điện trong từng pha có ảnh hưởng lớn nhất tới mô men trung bình, đặc tính mô men và tỉ lệ nhấp nhô mô men. Do vậy, khi tính toán thiết kế điện từ SRM ngoài việc lựa chọn số cực rotor và stator cho phù hợp còn phải tính toán bề rộng cực stator, rotor và góc mở dòng điện để đạt được mô men trung bình tốt nhất và tỉ lệ nhấp nhô mô men là nhỏ. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. R. Krishnan, "Switched reluctance motor drives: Modeling, simulation, analysis, design, and applications". 2017. [2]. T. Wichert, “Design and construction modifications of switched reluctance machines,” p. 161, 2008. [3]. A. Tap, L. Xheladini, T. Asan, M. Imeryuz, M. Yilmaz, and L. T. Ergene, “Effects of the rotor design parameters on the torque production of a PMaSynRM for washing machine applications,” Proceedings - 2017 International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment, OPTIM 2017 and 2017 Intl Aegean Conference on Electrical Machines and Power Electronics, ACEMP 2017, pp. 370–375, 2017, doi: 10.1109/OPTIM.2017.7974998. [4]. J. Choi, T. H. Kim, K. Jang, and J. Lee, “Geometric and Electrical Optimization Design of SR Motor Based on Progressive Quadratic Response Surface Method,” vol. 39, no. 5, pp. 3241–3243, 2003. [5]. S. RISSE and G. HENNEBERGER, “Design and optimization of a Switched Reluctance motor for electric vehicle propulsion,” pp. 1526–1530, 2016, [Online]. Available: [6]. V. Rallabandi, J. Wu, P. Zhou, D. G. Dorrell, and D. M. Ionel, “Optimal Design of a Switched Reluctance Motor with Magnetically Disconnected Rotor Modules Using a Design of Experiments Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 72, 04 - 2021 51
9. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Differential Evolution FEA-Based Method,” IEEE Transactions on Magnetics, vol. 54, no. 11, pp. 1– 5, 2018, doi: 10.1109/TMAG.2018.2850744. [7]. M. D. Bui, S. Schneider, S. Arnaout, and U. Schaefer, “Torque maximization of a high-speed switched reluctance starter in acceleration test,” 2013 15th European Conference on Power Electronics and Applications, EPE 2013, no. 1, pp. 1–5, 2013, doi: 10.1109/EPE.2013.6631908. [8]. S. Smaka, M. Cosovic, and S. Masic, “The effects of magnetic circuit geometry on torque generation of 8/14 switched reluctance machine,” 2013 24th International Conference on Information, Communication and Automation Technologies, ICAT 2013, pp. 1427–1432, 2013, doi: 10.1109/ICAT.2013.6684050. [9]. B. Nguyen and C. Ta, “Finite Element Analysis, Modeling and Torque Distribution Control for Switched Reluctance Motors with High Non-linear Inductance Characteristics,” pp. 693–698, 2011. [10]. L. Q. Dũng, “Torque-ripple minimization in switched reluctance motors,” pp. 1–9, 2014. ABSTRACT THE EFFECTS OF ROTOR POLE ARCS, TURN_ON ANGLE ON TORQUE CHARACTERISTIC AND TORQUE RIPPLE OF SWITCHED RELUCTANCE MOTOR Switched Reluctance Motors have inherent advantages such as simple structure with non winding construction in rotor side, with no permanent magnet in the rotor, and possible operation in high speed. The high torque production in switched reluctance motor comes from the tendency of the rotor poles to align with the excited stator poles. SRM can operate in the whole magnetic circuit saturation region, thus making the most of the ferromagnetic material's capabilities, power density per mass of the SRM. However, because SRM construction with doubly salient poles and its non-linear magnetic characteristics, the problems of acoustic noise and torque ripple are more severe than these of other traditional motors. Reducing torque ripple and maximizing average torque are one of the important goals of designing the SRM. Rotor pole arc is a parameter has a great influence on the average torque and the turn_on angle phase current is a decisive factor in the torque generation process. In the paper, the author analyzes the influence of turn_on angle on torque characteristics, the relationship of stator/rotor pole arc with turn_on angle phase current. The finite element method, software Speed PC-SRD was employed to caculate and analysis with switched reluctance motors 6/4-30kW. The results are essential basis for the designing driver of switched reluctance motor. Keywords: Switched Reluctance Motor; Torque characteristic; Average torque; Torque ripple; Turn_on angle; Rotor pole arcs. Nhận bài ngày 01 tháng 01 năm 2021 Hoàn thiện ngày 07 tháng 4 năm 2021 Chấp nhận đăng ngày 12 tháng 4 năm 2021 Địa chỉ: Viện Điện - Đại học Bách khoa Hà Nội. *Email: hailinh.vfu@gmail.com. 52 Đ. H. Lĩnh, , P. V. Bình, “Ảnh hưởng của góc cực rotor của động cơ từ trở.”