Nghiên cứu đặc tính khởi động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp có xét đến ảnh hưởng của bão hòa mạch từ và hiệu ứng mặt ngoài

- 1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của luận án Trong những năm qua, Việt Nam đã tập trung đầu tư phát triển nguồn và lưới điện nhằm đảm bảo cung cấp điện cho các mục tiêu phát triển kinh tế - xã hội, đảm bảo an ninh, quốc phòng của đất nước và đáp ứng nhu cầu điện cho sinh hoạt của nhân dân.
- Với mục đích sử dụng năng lượng có hiệu quả, động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp (LSPMSM) với ưu điểm về hiệu suất sẽ là một giải pháp thay thế một phần động cơ không đồng bộ (KĐB) trong một số lĩnh vực trong tương lai.
- Khởi động trực tiếp từ lưới.
- LSPMSM thuộc dòng động cơ đồng bộ NCVC, một dạng của động cơ không tiếp xúc, vì vậy sẽ có tuổi thọ cao, dễ bảo dưỡng trong quá trình vận hành.
- Bên cạnh những ưu điểm, LSPMSM còn tồn tại một số nhược điểm, trong đó nhược điểm chính là khó khởi động.
- Quá trình khởi động còn phức tạp bởi sự có mặt mômen do NCVC sinh ra và mômen này không thể “ngắt” trong quá trình mở máy.
- Do đó, nghiên cứu đặc tính khởi động LSPMSM sẽ là chìa khóa để phổ biến loại động cơ này.
- Vì vậy, “Nghiên cứu đặc tính khởi động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp có xét đến ảnh hưởng của bão hòa mạch từ và hiệu ứng mặt ngoài” là cấp thiết và có tính thời sự cao trong thời điểm hiện nay.
- Mục đích của đề tài Xây dựng mô hình toán để nghiên cứu đặc tính khởi động của LSPMSM có xét đến yếu tố bão hòa mạch từ và hiệu ứng mặt ngoài.
- 2 Từ đặc tính khởi động thu được, đánh giá những yếu tố, thông số chính ảnh hưởng đến quá trình khởi động.
- Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp, do có ưu điểm về hiệu suất và hệ số công suất khi vận hành.
- Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu quá trình khởi động của LSPMSM có xét đến ảnh hưởng của bão hòa mạch từ và hiệu ứng mặt ngoài và thực nghiệm với động cơ công suất 2,2 kW.
- Phƣơng pháp nghiên cứu Để thực hiện đề tài luận án, NCS sử dụng các phương pháp nghiên cứu là: Phương pháp nghiên cứu lý thuyết (mô hình hóa và mô phỏng trên máy tính) và phương pháp thực nghiệm.
- Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học Xây dựng được mô hình toán và mô phỏng quá trình khởi động của LSPMSM có xét đến ảnh hưởng của bão hòa mạch từ và hiệu ứng mặt ngoài.
- Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu sẽ giúp ích cho các nhà thiết kế, chế tạo đánh giá và điều chỉnh kết cấu để có đặc tính khởi động của LSPMSM phù hợp.
- Các đóng góp mới của luận án - Xây dựng mô hình toán và mô phỏng đặc tính khởi động của LSPMSM có xét đến ảnh hưởng của bão hòa mạch từ và hiệu ứng mặt ngoài.
- Áp dụng phương pháp mô hình tham số tập trung để tính toán đặc tính điện cảm từ hóa đồng bộ dọc trục, ngang trục Lmd, Lmq của LSPMSM có xét đến ảnh hưởng bão hòa mạch từ.
- Nghiên cứu ảnh hưởng hiệu ứng mặt ngoài ảnh hưởng đến quá trình khởi động của LSPMSM.
- 3 - Thiết kế và chế tạo động cơ LSPMSM mẫu 3 pha, 2,2 kW, tốc độ 1.500 vg/phút và thực nghiệm đặc tính khởi động, hiệu suất và hệ số công suất.
- Kết cấu của luận án bao gồm Phần mở đầu, 4 chương, kết luận và kiến nghị và 3 phụ lục, cụ thể: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Mô hình toán và mô phỏng đặc tính khởi động của LSPMSM Chương 3: Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính khởi động của LSPMSM Chương 4: Thực nghiệm và đánh giá kết quả Kết luận và kiến nghị CHƢƠNG 1.
- TỔNG QUAN 1.1 Lịch sử phát triển của LSPMSM 1.2.
- Ƣu điểm của LSPMSM 1.3 Nhƣợc điểm của LSPMSM 1.4 Các nghiên cứu trong nƣớc và thế giới về LSPMSM 1.4.1 Các nghiên cứu trong nƣớc 1.4.2 Các nghiên cứu trên thế giới 1.5 Kết luận Từ các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến LSPMSM có thể rút ra một số kết luận sau.
- Trong xu hướng tiết kiệm điện, thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đã những tiêu chuẩn yêu cầu về hiệu suất ngày càng cao đối với động cơ điện nhất là KĐB đang được sử dụng phổ biến hiện nay (IEC TCVN .
- LSPMSM về cấu tạo có stato tương tự động cơ KĐB, rôto là sự kết hợp giữa lồng sóc và các cặp cực NCVC.
- LSPMSM nhờ có ưu điểm về hiệu suất và hệ số công suất cao ở chế độ vận hành xác lập nên có thể đáp ứng các tiêu chuẩn về hiệu suất đặt ra (có thể đạt mức IE4 hoặc cao 4 hơn).
- Vì vậy, LSPMSM hiện nay đang được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng.
- Bên cạnh ưu điểm về hiệu suất, LSPMSM vẫn còn tồn tại nhiều vấn đề cần được giải quyết nhằm thực sự thay thế một phần cho động cơ KĐB truyền thống.
- Một số tồn tại chính của LSPMSM có thể thống kê như giá thành vật liệu NCVC, công nghệ chế tạo phức tạp do có NCVC và khó khăn khi khởi động.
- Ở thời điểm hiện tại, do sự phát triển của công nghệ chế tạo động cơ và vật liệu NCVC đất hiếm NdFeB ngày càng rẻ và sẵn có trên thị trường nên yếu tố khởi động được xem là nhược điểm lớn cần khắc phục của động cơ này.
- Thực tế là do khó khăn về khởi động nên LSPMSM thường được ứng dụng cho các tải bơm, quạt và máy nén khí.
- Xuất phát từ tồn tại trên, luận án đặt ra vấn đề nghiên cứu khảo sát đặc tính khởi động của LSPMSM giúp các nhà thiết kế, chế tạo có những đánh giá và điều chỉnh phù hợp (từ khâu thiết kế) để động cơ có đặc tính khởi động có lợi nhất.
- Tổng hợp các nghiên cứu LSPMSM trong và ngoài nước, có thể tóm lược hai phương pháp phổ biến để mô phỏng khảo sát đặc tính khởi động LSPMSM là: Mô phỏng từ mô hình toán máy điện, trong đó LPSMSM được mô hình hóa bằng các hệ phương trình vi phân được viết theo hệ tọa độ d-q và sử dụng các phần mềm ứng dụng phương pháp PTHH trong tính toán.
- Trong nghiên cứu, luận án sẽ tập trung xây dựng và mô phỏng đặc tính khởi động từ mô hình toán của LSPMSM.
- Tuy nhiên kết quả mô phỏng bằng phần mềm chuyên dụng cũng sẽ được vận dụng nhằm kiểm chứng với kết quả thu đươc từ mô phỏng mô hình toán.
- Về mô hình toán, năm 1980 Honsigner là người đầu tiên đề xuất mô hình toán của LSPMSM được viết theo hệ trục tọa độ d-q để khảo sát quá trình khởi động của động cơ và mô hình này vẫn được sử dụng phổ biến trong các nghiên cứu về LSPMSM.
- Trong đó, các thông số động cơ tương ứng là các hệ số trong mô hình, từ mô hình có thể tính toán mô phỏng đặc tính dòng, mômen, tốc độ, thời gian khởi động.
- Tuy nhiên có thể thấy là mô hình trên chưa đề cập đến bão hòa mạch từ và hiện tượng hiệu ứng mặt ngoài hay nói cách khác là đã bỏ qua 5 khi tính toán.
- Do đã lược bỏ hai ảnh hưởng quan trọng trong quá trình khởi động như vậy nên dẫn đến kết quả mô phỏng thu được có thể sẽ không chính xác.
- Nhằm khắc phục hạn chế này, luận án đề xuất nghiên cứu xây dựng và mô phỏng mô hình toán của LSPMSM có xét ảnh hưởng của bão hòa mạch từ và hiệu ứng mặt ngoài trên cơ sở hiệu chỉnh mô hình toán đã có của Honsinger.
- MÔ HÌNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH KHỞI ĐỘNG CỦA LSPMSM 2.1 Mô hình máy điện đồng bộ tổng quát 2.2 Mô hình LSPMSM 2.3 Mô phỏng LSPMSM 2.3.1 Mô phỏng LSPMSM từ mô hình toán 2.3.1.1 MATLAB và bài toán vi phân 2.3.1.2 Mô phỏng LSPMSM bằng MATLAB/Simulink Trong luận án, không làm giảm tính tổng quát khi sử dụng LSPMSM thử nghiệm 3 pha, 4 cực, 2,2 kW, tốc độ 1.500 vòng/phút được hiệu chỉnh từ động cơ không đồng bộ.
- Động cơ không đồng bộ là động cơ 3K112-S4, 3 pha, 2,2 kW, tốc độ 1.450 vòng/phút do Công ty Cổ phần chế tạo điện cơ Hà Nội (HEM) chế tạo.
- Mô phỏng đặc tính khởi động của LSPMSM từ mô hình toán bằng phần mềm MATLAB/Simulink với các khối tính toán đã xét ở trên, trong đó thông số của LSPMSM được tính toán tại bảng 2.2.
- Các đặc tính tốc độ, dòng điện, mômen khởi động được mô phỏng và thể hiện ở hình 2.12.
- Thêi gian (s)Tèc ®é (Vßng/phót Thêi gian (s)Dßng ®iÖn (A) 6 Hình 2.12 Đặc tính khởi động của LSPMSM, J=JR, TL=TLđm Từ đồ thị các đặc tính khởi động tại hình 2.16 thu được khi mô phỏng LSPMSM từ mô hình toán cho thấy: LSPMSM khởi động rất khó khăn, trong quá trình khởi động, đặc tính tốc độ khởi động xuất hiện nhiều đoạn giảm tốc.
- 2.3.2 Mô phỏng LSPMSM từ các phần mềm ứng dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn 2.4 Kết luận LSPMSM được mô hình hóa bằng hệ các phương trình điện áp, từ thông, mômen được viết theo hệ tọa độ d, q, thông qua mô hình toán có thể ứng dụng các phần mềm tính toán để mô phỏng các đặc tính khởi động của LSPMSM.
- MATLAB/Simulink có ưu điểm là phần mềm phổ biến, giao diện dễ sử dụng, tài liệu hướng dẫn phong phú, chức năng của phần mềm kết hợp mô hình giải toán tương tự với phương pháp số hiện đại, các kết quả hiển thị đa dạng (đồ thị, giá trị.
- rất linh hoạt và dễ dàng chuyển đổi với các phần mềm khác.
- Vì vậy, luận án lựa chọn phần mềm MATLAB/Simulink là công cụ để mô phỏng các đặc tính từ mô hình toán của LSPMSM.
- Các kết quả mô phỏng bằng MATLAB/Simulink sẽ được phân tích và đánh giá để khảo sát đặc tính khởi động của LSPMSM.
- Luận án ứng dụng phần mềm MATLAB/Simulink để mô phỏng đặc tính khởi động của LSPMSM công suất 2,2 kW, 1.500 vòng/phút được hiệu chỉnh từ động cơ KĐB, 3 pha 3K112-S4, 2,2 kW của Công ty Cổ phần Chế tạo điện cơ Hà Nội (HEM).
- Trong chương này, đặc tính khởi động LSPMSM đã được mô phỏng với các thông số điện Tèc ®é (Vßng/phót)M«men (N.m Th¬i gian (s)M«men (N.m) 7 trở, điện cảm tản, điện cảm từ hóa đồng bộ dọc trục, ngang trục của stato, rôto được xét và tính toán ở dạng hằng số.
- Trong luận án sẽ ứng dụng phần mềm sử dụng phương pháp PTHH (ANSYS/Maxwell 2D) để mô phỏng LSPMSM, làm cơ sở so sánh và đánh giá với kết quả khi mô phỏng từ mô hình toán hiệu chỉnh luận án đề xuất.
- CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN ĐẶC TÍNH KHỞI ĐỘNG CỦA LSPMSM 3.1 Các yếu tố ảnh hƣởng đến đặc tính khởi động của LSPMSM 3.1.1 Ảnh hƣởng bão hòa mạch từ đến điện cảm từ hóa đồng bộ dọc trục và ngang trục Lmd, Lmq 1) Mô hình mạch từ tương đương LPM đề xuất tính toán đặc tính điện cảm từ hóa đồng bộ ngang trục cho LSPMSM Phương pháp LPM do E.
- Lovelace đề xuất tính toán đặc tính Lmq áp dụng cho IPM, đối với LSPMSM do rôto có cấu tạo lồng sóc do đó ngoài các thành phần từ trở phi tuyến gông từ stato, rôto, răng stato như của IPM còn phải xét đến thành phần từ trở phi tuyến răng rôto trong quá trình quá độ.
- Áp dụng phương pháp mạch từ LPM đề xuất để tính toán đặc tính Lmq có xét đến bão hòa mạch từ cho LSPMSM thử nghiệm 2,2 kW được hiệu chỉnh từ động cơ KĐB 2,2 kW 3K112-S4, sơ đồ mạch từ LPM để tính toán Lmq LSPMSM điển hình tại hình 2.14 được thể hiện ở hình 3.1.
- RstRgRsyRrtFqsRryFqs Hình 3.1 Sơ đồ mạch từ LPM tính giá trị Lmq của LSPMSM 8 2) So sánh phương pháp LPM đề xuất với phương pháp phần tử hữu hạn FEM Để kiểm tra độ chính xác của phương pháp LPM đề xuất, phương pháp PTHH được luận án sử dụng để tính toán đặc tính Lmq của LSPMSM thử nghiệm.
- Để đơn giản trong tính toán, LSPMSM sẽ được thiết kế ban đầu từ phần mềm ANSYS/RMxprt, các thông số về kích thước răng, rãnh, chiều dài, số rãnh rôto, stato, kích thước và vị trí khe NCVC trong rôto của LSPMSM thử nghiệm được cập nhật cho RMxprt trong bảng 2.2 như hình 3.4 bên dưới.
- Từ mô hình LSPMSM được khai báo trong RMxprt, thực hiện chuyển đổi sang mô hình dạng 2D trong MAXWELL2D để tính toán các bài toán điện từ trường liên quan.
- 3) Kết quả tính toán Lmq bằng phương pháp LPM đề xuất 4) Kết quả mô phỏng với phương pháp PTHH (FEA-MAXWELL2D) 5) Tổng hợp kết quả mô phỏng từ phương pháp LPM đề xuất và phương pháp PTHH Hai đặc tính Lmq = f(iqs) thu được từ phương pháp LPM đề xuất và phương pháp PTHH áp dụng cho LSPMSM thử nghiệm 2,2 kW được tổng hợp trên hình 3.10 bên dưới.
- Chi tiết tính toán Lmq(iqs) với một số giá trị dòng iqs khác nhau được tổng hợp ở bảng 3.1.
- Hai đặc tính kết quả thu được từ phương pháp LPM và phương pháp PTHH sẽ được phân tích để đánh giá, từ đó khẳng định việc ứng dụng kết quả tính toán đặc tính điện cảm từ hóa đồng bộ ngang trục Lmq trong các bài toán tính toán khởi động của LSPMSM mà luận án nghiên cứu tại các phần sau.
- Hình 3.4 Cấu hình LSPMSM thử nghiệm 9 6) Đánh giá kết quả Từ kết quả tính toán đặc tính điện cảm từ hóa đồng bộ ngang trục Lmq thu được với hai phương pháp LPM và PTHH (ANSYS/MAXWELL2D) cho LSPMSM thử nghiệm 2,2 kW có thể rút ra kết luận sau.
- Giá trị điện cảm Lmq của LSPMSM biến đổi khi có bão hòa mạch từ, vì vậy trong mô phỏng đặc tính khởi động của LSPMSM nếu chỉ sử dụng giá trị Lmq ở trạng thái xác lập (hằng số) kết quả sẽ không phản ánh chính xác.
- Phương pháp LPM khi so sánh với phương pháp PTHH cho kết quả cùng dạng đường đặc tính, sai số lớn nhất giữa hai phương pháp là 17% khi iqs=5A.
- Giá trị iqs càng lớn, sai số giữa hai phương pháp càng nhỏ (với iqs =30A sai số giữa hai phương pháp chỉ là 1.
- So sánh hai phương pháp có thể thấy phương pháp LPM đề xuất dùng để tính toán đặc tính Lmq của LSPMSM là phương pháp đơn giản, dễ lập trình với ít phép tính (so sánh với phương pháp MEC thì LPM với LSPMSM như trên sẽ có 5 phần tử, trong khi phương pháp MEC nếu xét tương đương của LSPMSM thì có thể sẽ lên đến 111 phần tử trong mạch từ.
- Mục đích của luận án là nghiên cứu đặc tính khởi động của LSPMSM, vì vậy kết quả tính toán đặc tính Lmq trên sẽ được áp dụng để nghiên cứu đặc tính khởi động của LSPMSM tại các phần sau.
- 3.1.1.2 Điện cảm từ hóa đồng bộ dọc trục Lmd 1) Mô hình mạch từ tương đương LPM đề xuất tính toán đặc tính điện cảm từ hóa đồng bộ dọc trục Lmd cho LSPMSM Từ phương pháp LPM và lưu đồ thuật toán tính toán đặc tính Lmq do Lovelace, Mirahki đề xuất, luận án đề xuất mạch từ tương đương LPM và lưu đồ thuật toán để tính toán đặc tính Lmd cho LSPMSM với một số bổ sung trong mạch từ LPM tính toán.
- Dßng ®iÖn iqs(A)Lmq(H) Lmq-LPMLmq-PTHHLmq-H»ng sèHình 3.10 Đặc tính Lmq=f(iqs) với thép B50-A800 sử dụng PTHH (FEM) và LPM 10 - Bổ sung thành phần từ trở phi tuyến cầu nối.
- Áp dụng phương pháp LPM tính toán đặc tính Lmd cho LSPMSM thử nghiệm 2,2 kW, 3 pha tại hình 2.14, mô hình mạch từ thay thế LPM để tính toán Lmd được xác định tại hình 3.12 RstRgRsyRrtFdsRry1FdsRmRbrdRbRry2 2) Kết quả mô phỏng với phương pháp PTHH (FEA-MAXWELL2D) 3) Tổng hợp kết quả mô phỏng từ phương pháp LPM đề xuất và phương pháp PTHH Hai đặc tính Lmd = f(ids) thu được từ phương pháp LPM đề xuất và phương pháp PTHH áp dụng cho LSPMSM thử nghiệm 2,2 kW được tổng hợp trong hình 3.20 bên dưới, chi tiết tính toán được tổng hợp ở bảng 3.2.
- Hai đặc tính thu được từ hai phương pháp sẽ được phân tích đánh giá phương pháp LPM đề xuất, từ đó ứng dụng kết quả tính toán đặc tính điện cảm từ hóa đồng bộ dọc trục Lmd trong các bài toán mô phỏng khởi động của LSPMSM mà luận án nghiên cứu tại các phần sau.
- 4) Đánh giá kết quả Qua hai đặc tính điện cảm từ hóa đồng bộ dọc trục Lmd có xét đến bão hòa mạch từ kết quả thu được từ phương pháp LPM đề xuất và phương pháp PTHH (ANSYS/MAXWELL2D), có thể rút ra kết luận sau.
- Giá trị điện cảm từ hóa đồng bộ dọc trục Lmd của LSPMSM biến đổi khi có bão hòa mạch từ.
- Vì vậy, trong các mô phỏng đặc tính Dßng ®iÖn ids(A)Lmd(H) Lmd-LPMLmd-PTHHLmd-H»ng sèHình 3.12 Mạch từ LPM luận án đề xuất để tính toán đặc tính Lmd =f(ids) Hình 3.20 Đặc tính Lmd=f(ids) với phương pháp LPM đề xuất và phương pháp PTHH 11 khởi động của LSPMSM nếu chỉ sử dụng giá trị Lmd ở trạng thái hằng số kết quả tính toán sẽ không phản ánh chính xác thực tế.
- Tính toán đặc tính Lmd bằng phương pháp LPM luận án đề xuất so sánh với phương pháp PTHH cho kết quả tương đương, sai số lớn nhất giữa hai phương pháp là 13% khi ids=20A÷25A.
- Với phương pháp LPM đề xuất đã giải quyết được vấn đề vùng dòng điện nhỏ (ids

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt