Đang tải... (xem toàn văn)
Trang 1 ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11132.2018, QUYỂN 1 59 QUY TRÌNH THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ SWITCHED RELUCTANCE MOTOR DESIGN PROCESS Phí Hoàng Nhã
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN 59 QUY TRÌNH THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ SWITCHED RELUCTANCE MOTOR DESIGN PROCESS Phí Hồng Nhã1,2, Đào Quang Thủy3, Phạm Hùng Phi1 1Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; phihoangnha@gmail.com 2Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội; phihoangnha@haui.edu.vn 3Bộ Khoa học Cơng nghệ; hvgn.98@gmail.com Tóm tắt - Động từ trở động có nhiều ưu điểm bât, dần Abstract - Switched reluctance motor (SRM) with predominant trở thành lựa chọn hệ thống truyền động tốc độ cao advantages has become the choice in high speed transmission Chi phí chế tạo thấp động từ trở có cấu trúc đơn giản, rotor systems The low cost of motor production due to simple structure, khơng có dây quấn khơng có nam châm vĩnh cửu,… yếu tố the permanent magnet and winding which are absent in the rotor, quan trọng ưu tiên so với loại động khác Do đó, động etc… are a priority factor compared to other motors Therefore, từ trở địi hỏi quy trình thiết kế đầy đủ nhằm đáp ứng switched reluctance motor requires a design method that meets the yêu cầu chế tạo Một quy trình thiết kế cho loại động production requirements A design process for this motor is trình bày chi tiết báo Các thông số thiết kế cho động presented in detail in the paper The design parameters for từ trở loại 6/4 theo quy trình kiểm chứng, đánh giá dựa switched reluctance motor with stator poles and rotor poles are mơ cấu trúc động phân tích phương pháp verified based on the simulation of motor structure and analysis by phần tử hữu hạn finite element method Từ khóa - động từ trở; SRM; quy trình thiết kế; phương pháp Key words - switched reluctance motor; SRM; design process; thiết kế; phần tử hữu hạn design method; finite element method Giới thiệu Hình Cấu trúc động từ trở Với phát triển công nghệ bán dẫn điều khiển, Các kích thước tính tốn thiết kế động động từ trở (SRM) dần trở lên hấp dẫn từ trở cho Bảng nhiều ứng dụng ưu điểm trội như: cấu tạo đơn giản, độ bền cao, động hoạt động vùng tốc độ lớn Bảng Ký hiệu kích thước SRM Rotor khơng có nam châm vĩnh cửu, khơng có cuộn dây nên nhiệt độ cho phép rotor cao loại động D0: đường kính D: đường kính Dr: đường kính khác Mơ men khởi động lớn, hiệu suất cao, khơng có tác stator stato ngồi rotor động dịng điện động thời điểm khởi động Mạch từ động làm việc vùng tuyến tính bão Dsh: đường kính ys (c): độ dày gơng hs: chiều cao cực hịa đường đặc tính từ B-H, sử dụng tối đa khả trục vật liệu sắt từ stator stator Hiện nay, việc nghiên cứu thiết kế động từ trở g: khe hở không hr: chiều cao cực yr: độ dày gông vấn đề thách thức nhà khoa học chuyên ngành khí rotor từ rotor điện Các cơng trình ngồi nước [1], [2],… đưa phương pháp thiết kế SRM cách tổng quát, chưa đưa ts: độ rộng cực tr: độ rộng cực l: chiều dài động quy trình thiết kế chi tiết Các nghiên cứu nước stator rotor động từ trở nghèo nàn, chưa có cơng trình cung cấp phương pháp thiết kế cho loại động Lựa chọn kích thước 3.1 Xác định kích thước Vì vậy, báo cung cấp quy trình thiết kế động từ trở đầy đủ, chi tiết Đồng thời, trang bị kinh Khi thiết kế động cơ, liệu cần biết cơng nghiệm thiết kế cho kỹ sư, tạo sở tảng cho thiết suất định mức động cần thiết kế; tốc độ động cơ; kế, chế tạo SRM nước Phương pháp thiết kế bao gồm dòng điện định mức điện áp nguồn cung cấp Với tốc độ tính tốn thiết kế kích thước sơ cho stator, rotor, kích cơng suất cố định, ta có mơ men định mức động cơ: thước cuộn dây Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn đưa để xác minh cho quy trình thiết kế T P (1) 2n Quy trình thiết kế T: mơ men định mức (Nm); Trong thiết kế động cơ, liệu quan trọng P: công suất định mức (W); xem xét công suất, tốc độ, dòng điện điện áp n: tốc độ định mức (vòng/phút) định mức Từ số liệu ban đầu đó, kích thước cho stator rotor xác định Khác với động thơng thường khác, động từ trở có nhiều kích thước ràng buộc, xác định thông qua nhau, theo quy trình chiều Bảng biểu diễn ký hiệu kích thước cấu trúc động từ trở Quy trình thiết kế trình bày Hình 60 Phí Hồng Nhã,, Đào Quang Thủy, Phạm Hùng Phi Từ đây, đường kính stator xác định: D P (6) k2 Tỷ lệ k l = k x D định chất ứng dụng ràng buộc định Đối với ứng dụng khơng trợ lực (khơng secvo) dải k có thể: 0,25 < k < 0,7; cho ứng dụng secvo thường là: < k < 3.1.3 Lựa chọn số cực Thông thường, nhà thiết kế xác định số cực stator (Ns) số cực rotor (Nr) theo tỷ lệ đảm bảo tỷ lệ số nguyên Bằng phương pháp thực nghiệm, kết hợp phổ biến số cực stator rotor thiết kế đưa ra: Ns 10 12 12 Nr 8 10 Hình Quy trình thiết kế động từ trở Số cực stator, rotor định đến số lượng van bán dẫn điều khiển Vì vậy, số cực động 3.1.1 Đường kính ngồi stator từ trở tăng làm chi phí sản xuất tăng, đồng thời, cực rotor tăng làm tần số stator tăng theo, kết tổn hao lõi Trong thiết kế, kích thước máy lớn hay tăng Tuy nhiên, việc tăng số cực làm độ lớn mơ men nhỏ, kích thước khung khác dùng Việc đập mạch giảm đáng kể nhiều pha dẫn chồng chéo lựa chọn sơ kích thước khung tự chỉnh đường kính hơn, dẫn đến tiếng ồn động giảm stator Thực tế, đường kính ngồi stator tính tốn theo cơng thức sau: 3.1.4 Lựa chọn số pha D0 = (kích thước khung - 3) x (2) Số lượng pha thường xác định yếu tố khả khởi động, khả định hướng, độ bền, chi phí, với kích thước khung đưa theo tiểu chuẩn mật độ công suất hay hiệu suất hoạt động tốc độ cao Lưu ý IEC [3] rằng, việc lựa chọn số cực, số pha phân tích đánh giá sở ưu, nhược điểm Tuy nhiên, số cực, số pha chọn 3.1.2 Đường kính stator chiều dài động theo mặc định như: động 8/6 - pha; động 12/8 - pha Kích thước phần hoạt động máy điện phụ 3.1.5 Lựa chọn góc cực rotor (βr) góc cực stator (βs) thuộc vào hai yếu tố yêu cầu mô men hiệu hệ thống làm mát Kích thước máy giảm Việc lựa chọn góc cực stator rotor phần quan cách cải thiện hệ thống làm mát Nhưng việc cải thiện hệ trọng thiết kế Sự lựa chọn góc cực phụ thuộc vào hai thống làm mát làm tăng chi phí sản xuất Điều nghĩa tiêu chí gồm u cầu tự khởi động hình thành làm mát phải tương ứng với chi phí chế tạo Do đó, tham đặc tính mơ men tĩnh với vị trí rotor Những yêu cầu số định đến kích thước động độ lớn đưa vào thiết kế động việc tính tốn mơ men Nói chung, máy điện thiết kế từ phương góc cực stator rotor tối thiểu để đạt khả tự trình đầu ra, mà liên quan tới đường kính stator D, khởi động Ba điều kiện để đảm bảo yêu cầu chiều dài máy l, tốc độ n, từ trường tải điện Theo công gồm: βs > θrs; βr ≥ βs; βr < βs + θfr thức tính cơng suất tài liệu [4], ta đơn giản hóa phương trình tính công suất sau: với θrs góc điện: rs rp 2 (rad), q số q q.Nr P T a.D2 l n pha: q Ns θfr góc sụt giảm dịng điện điều kiện (4) a hệ số tính tốn hoạt động định mức Ta có quan hệ tỉ lệ đường kính stator D Điều kiện βs > θrs giải thích sau: Nếu βs < θrs chiều dài động l, chiều dài l coi bội có số vị trí mà máy khơng thể khởi động Các ước đường kính stator D: điện cảm lặp lại 2π/Nr (rad) Việc kiểm tra điện cảm hai pha liên tiếp cung cấp góc nhìn sâu l = k x D (5) hình thành mơ men, Hình Nếu βs > θrs, θ2 > θ1a, hàm ý pha b tăng điện cảm trước pha a Thay l phương trình (4), kết là: Pd ≈ k2 x đạt giá trị lớn vấn đề q trình D3 Tại điểm hoạt động: 0,65 < k2 < 0,75 khởi động, pha có biên dạng điện cảm tăng Nếu βs < θrs, θ2 < θ1a, hàm ý pha b có điện cảm tăng sau pha a đạt giá trị lớn có vị trí rotor định khơng có pha có biên ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN 61 dạng điện cảm tăng, điều gây vấn đề giá trị định mức Dựa đặc tính từ trường tuyến tính, q trình khởi động Do đó, yêu cầu βs > θrs điều hợp lý góc sụt giảm dịng điện tính theo [4] sau: fr tan .ln 1 Rsn I pn (7) Vdcn Hình Điện cảm với vị trí rotor hai pha liên tiếp [5] Nếu việc tính tốn θfr khó khăn, ta sử dụng điều kiện sau: Đó góc góc cực rotor liền kề phải lớn Điều kiện βr ≥ βs giải thích sau: Trong thực góc cực stator có trùng lặp cực stator tế, βr ≥ βs ưu tiên cung cấp vùng điện cảm rotor vị trí khơng thẳng hàng Điều kiện biểu lớn chút mà không bị điện cảm thẳng hàng Các tài liệu việc tăng góc cực rotor nguyên diễn: r 2 s Nếu tính tốn, thiết kế khơng nhân thay đổi mơ men tối đa với vị trí rotor ảnh hưởng Nr độ rộng xung mơ men Mặt khác, phải xem xét từ khía cạnh khí mà cực stator hẹp dễ dàng kích tn theo điều kiện làm máy khởi động biên dạng thích dao động, nguyên nhân gây tiếng ồn Làm rộng điện cảm dương trước đạt giá trị nhỏ nhất, dẫn đến giá góc cực tránh vấn đề trị điện cảm không thẳng hàng cao hơn, dẫn tới mô men khu vực khe nhỏ tổn hao đồng cao Khi βr > βs có nhiều sinh thấp tác động tích cực việc điều khiển góc Với cực rotor rộng, lực sinh lúc khởi động sớm kết thúc Một hướng dẫn tốt cho lựa chọn phù hợp góc rotor sớm vùng chồng chéo cực stator, rotor rộng góc stator tiền đề tam giác khả thi Lawrenson Ba điều dL/dθ = xung quanh vị trí thẳng hàng Vì vậy, khơng có mơ men sinh có dịng điện kiện gồm βr > θrs, βr > βs, r 2 s biểu diễn Nr hình vẽ để mơ tả tam giác có tính khả thi (xét trường hợp SRM 8/6) Nó cần thiết để góc cực rotor góc cực stator nằm tam giác này, Hình Hình Sơ đồ khối việc lựa chọn góc stator rotor [5] Các khu vực bên OE khu vực đại diện cho điều kiện Khu vực GH khu vực đại diện cho điều kiện Khu vực DF đại diện cho điều kiện Nếu βs < 20o → 20o < βr < 40o 3.2 Thiết kế lõi sắt stator 3.2.1 Bề rộng cực stator Sau xác định βs, ta tính bề rộng cực stator theo cơng thức: Hình Ảnh hưởng góc cực tới việc sinh mơ men [4] ts D.sin s (8) Một ưu điểm bật βr > βs loại bỏ mơ men âm Bằng việc điều chỉnh góc mở dịng điện, dịng điện 3.2.2 Độ dày gơng từ stator đỉnh trì tồn khu vực sinh mô men dương Điều làm mơ men trung bình tăng nhiều Độ dày gông từ stator ys xác định sở so với βr = βs Đây lợi tốt điều kiện mật độ từ thơng lớn bổ sung điều hoạt động tức thời định mức Hiệu minh họa kiện khác giảm độ rung giảm tiếng ồn âm Hình 4, vùng sinh mơ men dịng điện Mật độ từ thơng gông từ stator xấp xỉ đỉnh pha giả định trường nửa mật độ từ thông cực stator Điều đáng nói khu hợp Loại bỏ mơ men âm sinh làm giảm mô men đập vực gông từ chia sẻ pha khác mà mạch giảm tiếng ồn bị chồng chéo, đề xuất cho chọn độ dày gông từ stator khoảng 20% ÷ 40% ys Trong đó, gơng từ ys phải Giới hạn góc cực rotor là: βr = βs + θfr, θfr có tối thiểu 0,5ts Do cân nhắc độ bền học giảm góc sụt giảm dịng điện điều kiện hoạt động định mức độ rung, ys có giá trị dải: Góc sụt giảm dịng điện cho điều kiện định mức, giả thiết dòng điện đỉnh stator, tốc độ, điện áp cung cấp 0,5ts ≤ ys ≤ ts (9) Nên chọn giá trị cao cho giá trị ys so với mức tối thiểu Tài liệu [5] đề xuất: 62 Phí Hồng Nhã,, Đào Quang Thủy, Phạm Hùng Phi ys kys ts (1,1 < kys