- Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011 VCCA-2011 Mô hình hóa và mô phỏng động cơ từ trở thay đổi sử dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn.
- Modeling and Simulation of Switched Reluctance Motors Using Finite Element Analysis Nguyễn Bảo Huy, Tạ Cao Minh Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng và Sáng tạo Công nghệ, Trường ĐH Bách Khoa HN e-Mail:
[email protected] Tóm tắt Động cơ từ trở thay đổi (SRM) có nhiều ưu điểm do cấu trúc cơ khí bền vững, không sử dụng nguyên liệu đất hiếm và không cần kích từ rotor.
- Những ưu điểm này khiến động cơ SRM rất được giới nghiên cứu cũng như công nghiệp quan tâm trong thời gian gần đây.
- Tuy nhiên, tính chất phi tuyến mạnh của động cơ khiến việc phân tích và mô hình hóa động cơ gặp nhiều khó khăn.
- Trong bài báo này, các tác giả sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn, là một phương pháp phân tích số tiên tiến, để phân tích và mô phỏng các đặc tính điện từ của động cơ.
- J A/m Mật độ dòng điện R s Điện trở dây quấn stator v a.
- i d A Dòng điện các pha stator.
- Giới thiệu Động cơ từ trở thay đổi có cấu trúc đơn giản, chắc chắn, bền vững về mặt cơ khí, cho phép thiết kế ở dải tốc độ cao, khả năng sinh mômen lớn.
- Mạch từ động cơ làm việc trong cả vùng tuyến tính và vùng bão hòa của đường đặc tính từ hóa B - H, do đó sử dụng được tối đa khả năng của vật liệu sắt từ, tỉ lệ công suất trên khối lượng lớn.
- Những ưu điểm này mở ra khả năng ứng dụng lớn cho SRM.
- Động cơ từ trở thay đổi loại 8 -6.
- Động cơ có cấu trúc cực từ lồi, mạch từ hoạt động trong cả vùng tuyến tín h và vùng bão hòa nên tính phi tuyến rất cao, đặc tính phi tuyến này lại khó biểu diễn chính xác dưới dạng các phương trình giải tích mà thường dưới dạng các bảng số liệu có được qua phân tích phần tử hữu hạn hoặc từ thực nghiệm.
- Những động cơ thông thường có các thông số điện trở, điện cảm được coi là không đổi, 338 .
- Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011 VCCA-2011 quan hệ giữa từ thông, mômen với dòng điện là quan hệ tuyến tính với tham số hằng, do đó có thể dễ dàng xây dựng mô hình tuyến tính hoặc tuyến tính hóa mô hình phi tuyến cho đối tượng.
- quan hệ từ thông, mômen, điện cảm, hỗ cảm theo dòng điện và vị trí rotor là những quan hệ phi tuyến 3 chiều phức tạp, do vậy, việc xây dựng mô hình tuyến tính và thiết kế hệ điều khiển tuyến tính cho SRM là không phù hợp, thiếu chính xác.
- Việc phân tích cấu trúc và đặc tính từ trường trong động cơ được dựa trên cơ sở lý thuyết trường điện từ với các phương trình Maxwell, cụ thể ở đây là bài toán trường điện từ tĩnh và trường điện từ tần số thấ p.
- Các phương trình Maxwell về mặt lý thuyết không phân biệt các loại trường điện từ, nhưng trong thực tế, việc ứng dụng để giải các bài toán trường tĩnh, tần số thấp (trong máy điện và khí cụ điện) sẽ khác với việc giải bài toán ở tần số cao với sự lan truyền sóng điện từ (trong truyền sóng, ăng - ten và các ứng dụng cao tần khác.
- Những phương trình Maxwell mô tả rất đẹp và hoàn chỉnh toàn bộ đặc tính, hành vi, trạng thái của trường điện từ trên phương diện lý thuyết.
- Tuy nhiên, việc ứng dụng trực tiếp những phương trình này để giải các bài toán trong thực tế bằng phương pháp giải tích là một điều vô cùng khó khăn, có thể nói là không thể làm được.
- Khi ứng dụng các phương trình Maxwell vào bài toán cụ thể, ta sẽ dẫn đến việc phải giải các phương trình Laplace và Poisson là các phương trình đạo hàm riêng cấp hai với những sơ kiện (về mặt thời gian) và biên kiện (về mặt không gian, còn gọi là điều kiện bờ).
- Trong thực tế kĩ thuật, cụ thể như động cơ điện, miền xác định với biên là những khối hình học phức tạp trong không gian, tính phi tuyến của vật liệu điện từ dẫn đến việc giải những phương trình đó chính xác bằng phương pháp giải tích là điều không thể thực hiện được.
- Để làm điều này, ta cần giải gần đúng bằng phương pháp số với sự hỗ trợ của máy tính.
- Phươn g pháp mạnh nhất, được sử dụng phổ biến nhất hiện nay là phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Methods – FEM).
- Phân tích phần tử hữu hạn động cơ SRM 2.1 Thông số động cơ.
- Trong bài báo này, một động cơ 4 pha loại 8 -6, công suất định mức 1.1 kW được chọn làm đối tượng phân tích.
- Một vài thông số động cơ được cho trong Bảng I.
- Thông số động cơ.
- 12/8 (độ) Khe hở không khí 0.3mm Dòng điện lớn nhất 12A Điện áp nguồn một chiều 300VDC Vật liệu sắt từ Thép silic M19 2.2 Phân tích Phần tử hữu hạn Các đặc tính mômen, từ thông, điện cảm và hỗ cảm của động cơ được tính toán từ đại lượng cơ bản về mật độ từ thông B và cường độ từ trường H trong mạch từ có mật độ dòng điện kích thích khác không qua việc giải các hệ phương trình Maxwell hoặc các phương trình Laplace và Poisson theo từ thế vector A với quan hệ.
- B rotA (1) S ử dụng các quan hệ giải tích vector, ta dẫ n ra phương trình Poisson:.
- Khi phân tích trường điện từ trong thực tiễn kĩ thuật, người ta thường đưa về việc giải các phương trình Laplace và phương trình Poisson với biến trạng thái là các thế vô hướng hoặc thế vector như trên.
- Các phương trình là loại phương trình đạo hàm riêng bậc hai, có nghiệm được phân bố trong miền xác định theo không gian và thời gian tính từ các biên kiện (trong không gian) và sơ kiện (theo thời gian).
- Đối với một đối tượng trong thực tiễn kĩ thuật, do tính phức tạp của cấu trúc hình học, tính phi tuyến của vật liệu điện từ khiến cho việc giải các phương trình đạo hàm riêng cấp hai này bằng phương pháp giải tích trở nên bất khả thi.
- Giải pháp đưa ra là sử dụng các phương pháp số với sự hỗ trợ bằng khả năng tính toán của máy tính.
- Trong kĩ thuật, hai phương pháp số cơ bản được sử dụng là phương pháp sai phân hữu hạn (Finite Difference Methods.
- FDM) và phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Eleme nt Methods – FEM).
- Hai phương pháp này đều có chung một mục đích giải gần đúng các phương trình vi phân bằng cách chia nhỏ miền xác định và giải phương trình trên từng miền nhỏ đó theo các bước lặp.
- Mặc dù điểm tương đồng là rất lớn, tuy nhiên hai phương pháp này có sự khác nhau cơ bản.
- Phương pháp sai phân hữu hạn xấp xỉ phương trình vi phân thành phương trình sai phân và giải phương trình sai phân đó trên từng phần tử.
- Phương pháp phần tử hữu hạn giữ nguyên phương trình vi phân và xấp xỉ nghiệm của phương trình vi phân đó trên từng phần tử.
- Phương pháp sai phân hữu hạn chia phần tử theo những khối hình học cơ bản (chủ yếu là hình chữ nhật) còn phương pháp phần tử hữu hạn cho phép chia miền xác định thành những phần tử có bậc tự do từ thấp tới cao tương ứng với số lượng các nút và bậc của phần tử.
- Do vậy, phương pháp sai phân hữu hạn dễ thực hiện hơn và cũng đơn giản hơn về mặt toán học so với sự phức tạp của phương pháp phần tử hữu hạn.
- Còn phương pháp phần tử hữu hạn cho độ chính xác cao hơn, chất lượng tốt hơn phương pháp sai phân hữu hạn.
- Do những yếu tố trên, khi kĩ thuật máy tính mới phát triển ở mức thấp, phương pháp sai phân hữu hạn được 339 .
- Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011 VCCA-2011 ưu tiên do sự đơn giản, dễ thực hiện, không đòi hỏi một khả năng tính toán quá mạnh.
- Theo sự phát triển vũ bão của kĩ thuật điện tử và kĩ thuật máy tính, những máy tính số hiện nay có khả năng tính toán mạnh mẽ, đủ khả năng để giải quyết các bài toán phức tạp với độ chính xác cao bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
- Hiện nay, đây là phương pháp được sử dụng phổ biến trong kĩ thuật tính toán số, được ứng dụng rộng rãi để giải các bài toán kết cấu, truyền nhiệt, trường điện từ hay động lực học chất lưu trong các ngành ô tô, hàng không, xây dựng, kĩ thuật nhiệt lạnh, kĩ thuật điện, công nghệ vi cơ điện tử.
- Tư tưởng cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn là rời rạc hóa các miền liên tục phức tạp của bài toán thành một số lượng hữu hạn những phần tử được xác định bởi các nút (bậc tự do) như minh họa trên Hình 2 và Hình 3 .
- Nghiệm của các phương trình vi phân được xấp xỉ thành nghiệm của các phương trình đại số và giải trên từng phần tử theo các biến trên các nút tính từ điều kiện biên của bài toán.
- Để thực hiện những công việc trên, phương pháp phần tử hữu hạn có một lớp các phương pháp con, tùy theo mỗi ứng dụng mà các phương pháp con hợp lý được sử dụng.
- Một số loại phần tử.
- cơ bản hay sử dụng.
- Trong bài báo này, chúng tôi sử dụng phần mềm Ansys Maxwell với thiết kế hình học động cơ như Hình 1 và các đối tượng được chia lưới như Hình 4.
- Bảng II cho biết các bước tính toán theo hai tham số dòng điện và góc rotor, tổng cộng một mô phỏng cần tính 793 bước.
- Các kết quả phân tích mật độ từ thông hai chiều và ba chiều được cho trên Hình 5 và Hình 6.
- Hai họ đường đặc tính quan trọng nhất là đặc tính mômen tĩnh và đặc tính từ hóa của SRM theo dòng điện stator và vị trí rotor được cho trên Hình 7.
- Tiếp đó, Hình 8 là đặc tính hỗ cảm giữa các pha điển hình của động cơ.
- Một phần tử tam giác với các nút.
- 4 Chia lưới phần tử hữu hạn SRM .
- Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011 VCCA Torque respond Time [s].
- Môme n và tốc độ của động cơ.
- Kết luận Trong bài báo này, các tác giả đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích, mô hình hóa và mô phỏng động cơ từ trở.
- Các đường đặc tính thu được và các đáp ứng động học của động cơ có độ chính xác cao.
- Nguyễn Bình Thành, Nguyễn Trần Quân, Lê Văn Bảng, Cơ sở lý thuyết Trường điện từ , NXB Đại học và trung học chuyên nghiệp, 1970.
- Tự động hóa.
- Từ tháng 07/2010 đến nay, anh là kỹ sư nghiên cứu tại Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng và Sáng tạo Công nghệ (CTI).
- Lĩnh vực nghiên cứu của anh bao gồm thiết kế, mô hình hóa, mô phỏng và điều khiển các bộ biến đổi điện tử công suất và truyền động điện.
- phân tích trường điện từ trong thiết bị điện, điện tử bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
- Min h công tác tại Bộ môn Tự động hóa, ĐH Bách khoa HN và giữ vai trò Giám đốc Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng và Sáng tạo Công nghệ của trường.
- Minh tập trung vào điều khiển các hệ truyền động điện, điện tử công suất, các ứng dụng cho ô tô điện và năng lượng mới