Tìm hiểu động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Nêu các địa chỉ ứng dụng của động cơ (Đồ án tốt nghiệp)

Tìm hiểu động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Nêu các địa chỉ ứng dụng của động cơTìm hiểu động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Nêu các địa chỉ ứng dụng của động cơTìm hiểu động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Nêu các địa chỉ ứng dụng của động cơTìm hiểu động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Nêu các địa chỉ ứng dụng của động cơTìm hiểu động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Nêu các địa chỉ ứng dụng của động cơTìm hiểu động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Nêu các địa chỉ ứng dụng của động cơTìm hiểu động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Nêu các địa chỉ ứng dụng của động cơTìm hiểu động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Nêu các địa chỉ ứng dụng của động cơTìm hiểu động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Nêu các địa chỉ ứng dụng của động cơ

C ng hoà xã h i ch t Nam

c l p T Do H nh Phúc -o0o -

NHI M V TÀI

1 N i dung và các yêu c u c n gi i quy t trong nhi m v tài t t nghi p (v lý lu n, th c ti n, các s li u c n tính toán và các b n v )

2 Các s li u c n thi thi t k , tính toán

m th c t p t t nghi p

i h c dân l p H i PhòngToàn b tài

ng

m vCán b ng d

GS.TSKH Thân Ng c Hoàn

H i Phòng, n

PH N NH N XÉT TÓM T T C A CÁN B NG D N

ng c i n i dung yêu c ra trong nhi m v t lý lu n th c ti n, tính toán giá tr s d ng, ch ng các b n v )

m c a cán b ng d n

m ghi b ng s và ch )

7 Cán b ng d n chính

(Ký và ghi rõ h tên)

NH I CH M PH N BI N

TÀI T T NGHI P

tài t t nghi p v các m t thu th p và phân tích s

thuy t minh và b n v , giá tr lý lu n và th c ti tài

m c a cán b ch m ph n bi n

m ghi b ng s và ch )

7

i ch m ph n bi n

(Ký và ghi rõ h tên)

M C L C

L I M U 1

2

C U T O VÀ NGUYÊN LÝ HO NG C N NG B 2

1.1 KHÁI NI NG B 2

1.2 PHÂN LO NG B 2

NG B CÓ CU N KÍCH T 3

1.3.2 Nguyên lý ho ng 4

1.3.3 Tính ch t c ng b có cu n kích t 5

thay th ng b có cu n kích t 5

c tính c ng b có cu n kích t 6

1.3.3.3 Ph n ng ph n ng c ng b 10

NG B U 13

1.4.1 C u t o 13

ng b u c c l i 14

ng b u c c n 16

1.4.2 Nguyên lý ho ng c 18

1.4.3 Tính ch t c 18

1.4.3.1 Mô hình toán c a PMSM 18

1.4.3.2 Kh ng b u 20

1.4.3.3 So sánh gi ng b ng b u 27

1.5 K T LU 28

30

U KHI NG B C U 30

2.1 KHÁI NI M 30

2.2 CÁC LO I C M BI 30

2.2.1 Máy phát t c 30

2.2.2 Encoder 31

2.2.3 Resolver (b gi i mã) thi t b phân tích 34

2.3.2 B u khi n d i tr 37

2.3.3 B u ch nh PWM 40

2.3.4 Bi n t n 41

2.4 K T LU 43

44

NG D NG C 44

3.1 M U 44

3.2 CÁC NG D NG C A PMSM 45

3.3 M T VÀI VÍ D NG D NG PMSM 45

3.3.1 ng d n [3] 45

3.3.2 ng d ng cho máy nén khí 47

3.3.3 ng d u máy toa xe 48

L I M U

trong công nghi p và có r t nhi m so v i các lo

n t ng công nghi p, em hi c vai trò quan tr ng

c n trong th i kì công nghi p hóa hi

t t t nghi c th y giáo GS.TSKH Thân Ng c Hoàn

ng d án t t nghi p v tài: Tìm hi ng b nam

t , ng b không c n l y công su t ph n kháng t n xoay

t ng stator và làm rotor quay v i t ng b

u)

c u Các nam châm này có th c l p trên b m t ho c ráp phía

u là các c c l i và giúp lo i b s t

1.3.1 C u t o.

Hình 1.1 ng b có cu n kích tStato

m t t ng quay tròn có t thông khép kín qua rotor, c c t và lõi thép stator ( hình 1.1 )

T thông c a t ng quay c t các thanh d n ph n ng, làm xu t hi n trong 3 cu

Nh n th y t n s bi n thiên c n ph thu c vào t quay

quay c a rotor và t quay c a t ng b ng nhau Hai t ng này

- B qua ng c a t ng b c cao trong máy

sau:

U= E + I(R + JX) (1.3)

Hình1.4 th vector c ng b

Vì UIcos là công su t m t pha c t 3 pha c a

P = 3Moment c

Hình 1.5 c tính góc c ng bQuá trình phân tích trên ch ng b c c n V i

ng ng b c c l i do s phân b khe h không khí gi a rotor và stator

u nên trên máy xu t hi n moment ph n kháng ph c tính goc có d ng sau:

t giá tr c i I = Im t giá tr c i e = Em, vì t i thu n tr

trong các pha A, B, C có th nh theo quy t c bàn tay ph i còn chi u t

1.6c ta th y r ng chi u t thông dòng t ng ngang v i t thông chính

và mang tên là ph n ng ph n ng ngang

Hình 1.6 Ph n ng b

làm cho s phân b c m ng t i các c c t i

x ng: m t bên c c hai t thông cùng chi u nên c ng nhau còn bên kia hai t

c chi u nên tr t qu t ng chính b bi n d ng: phía

b T i thu n c m

m ng trong các cu n dây nhanh pha so v n m t góc

còn roto chi m v 1.7a

Theo nguyên t nh chi u t ng ph n ng ta th y tr c c a t

ng ph n ng trùng v i tr c c ng này cùng chi u nên t

Hình 1.8 Ph n ng d c tr t ng b

d Khi t i h n h p

T ng h c, n u dòng t i I trùng pha v o ( = 0) thì

có ph n ng ngang, còn n u = ta có ph n ng d c Khi t i là t ng tr0< < thì ph n ng v a mang tính ch t ph n ng ngang, v a mang tính ch t

ph n ng d c t K t q a c a ph n ng lo i này v a b bi n d ng t ng

v a b kh t

ng h p - < <0 thì ph n ng ph n ng v a mang tính ch t ph n ng ngang, v a mang tính ch t d c tr c tr t n ng

v a gây bi n d ng t ng v a tr t

T ng ph n ng ph n ng t ng Fa có th c phân tích thành 2 thành ph n: ph n ng d c Fadvà ph n ng ngang Faq

Fad= Fasin và Faq = Facossóng n c a s c t ng t ng cho máy 3 pha có dòng pha I

có giá tr

ví d - cobalt (SmCO5 SmCO17) ho c Neodymium ion

ng kh t c g n trên b m t ho c bên trong c

b t là khi t làm vi c cao thì khe h gi a

các thanh nam châm có th p b ng v t li u d n t sau c b ng v t li u

b n cao, ví d i th y tinh ho c b t bulon lên các thanh nam châm Ngoài ra còn có nam châm g b n cao

nh m c.N u máy ho ng quá momen max thì s m ng

i than ho t trên rotor thì không sinh

ra tia l n khi ho ng, lúc này công vi c b ng ch c bài

v i nhau t o thành nh ng hình tr r ng , bên m t trong t o thành các rãnh

ng tr t dây qu n D c chi u dài c

kho ng 3 -6 cm l i có m t kho ng thông gió ngang tr c r ng 10mm Lõi thép

t c nh trong thân máy Thân máy ph c thi t k sao cho hình thành m t h th ng thông gió làm mát máy t t nh t N ng

ho c ch nh t, b m c ph m t l c qu n thành t ng b i

và l ng vào các rãnh c u n i theo qui lu t nh nh

t hình sao ho c tam giác

n c c l ng có t quay th ng kính roto có th l n trong khi chi u dài l i nh Roto a

ng s d ng trong k thu t robot

l p bên trong lõi thép roto v m t v t lí coi là không có s i nào c a hình h c b m t nam châm M c b c b i m t m ng c c thép nên nó làm m ch t c i khá m nh , vì do các m ng c c thép này

t o ra các ng d n t sao cho t thông c t ngang các c c này và c không gian vuông góc v i t u ng c c l i là rõ ràng và

s n sinh momen c n

V i yêu c u c a truy ng secvo và truy ng ph n

ph i h n ch p m ch do các sóng hài không gian và

châm , u n chéo theo tr c roto, u n rãnh và dây qu n stattro

k t h p v i tính toán s c c a nam châm K thu t t o ra

su t c a máy N không khí l n gây b t l i cho t thông khe h

là 3 ki ng g p trong th c t :

quay, s ng gi a t ng quay v i t i t o mô men

ng, giá tr trung bình c a mô men này có giá tr n có th

- B qua bão hòa, nó có th n khi tính s i tham s

- S c t ng là hình sin

- Dòng phu cô và hi n ng t tr b qua

- Không có dòng kích t ng

- Không có thanh d n d ng l ng sóc rô to

V i các gi thi u h tr c d,q g n vào rotor c a

d và q; id, iq là dong stator tr c d, q; Ld, Lq là c m ng t cu n stator tr c

d, q; r và s n tr cu n dây và t n s b bi n t n; aft thông nam châm

n là phi tuy n vì nĩ ch a tích các bi u th c ch a tích các bi n tr ng thái r,id, iq.

Hình 1.13 Sơ đồ mạch kích từ của động cơđồng bộ lúc mở máy

với dâyquấn kích thích nối tắt qua điện trở RT(a) và nối thẳng

vào máy kích thích(b)

2 Ph n ng máy kích thích

Các động cơ điện đồng bộ phần lớn đều mở máy theo phương pháp không đồng bộ Thông thường các động cơ điện đồng bộ cực lồi đều có đặt dây quấn mở máy Dây quấn mở máy có cấu tạo kiểu lồng sóc đặt trong các rãnh ở mặt cực, 2 đầu nối với hai vành ngắn mạch

Trong một số động cơ, các mặt cực bằng thép nguyên khối và được nối với nhau ở hai đầu bằng hai vòng ngắn mạch ở hai đầu rotor cũng có thể thay thế cho dây quấn ngắn mạch dùng trong việc mở máy Ở các lưới điện lớn có thể cho phép mởmáy trực tiếp với điện áp của lưới các động cơ đồng bộ công suất vài trăm và có khi tới hàng nghìn kilowatt Đối với các động cơ động cơ đồng bộ cực ẩn, việc mở máy theo phương pháp không đồng bộ có khó khăn hơn, vì dòng điện cảm ứng ở lớp mỏng ở mặt ngoài của rotor nguyên khối sẽ gây nóng cục bộ đáng kể Trong trường hợp đó, để mở máy được dễ dàng, cần hạ điện áp của máy bằng biến áp tự ngẫu hoặc cuộn kháng

Quá trình mở máy động cơ đồng bộ bằng phương pháp không đồng bộ có thể chia thành hai giai đoạn Lúc đầu việc mở máy được thực hiện với it = 0, dây quấn kích thích được nối tắt qua điện trở RT như trên hình Sau khi đóng cầu dao nối dây quấn stator với nguồn điện, do tác dụng của moment không đồng bộ rotor sẽ quay và tăng tốc độ đến gần tốc độ đồng bộ n1 của từ trường quay Trong giai đoạn này, việc nối dây quấn kích thích với điện trở

RT có trị số bằng 10 ÷12 lần điện trở rt của bản thân dây quấn kích từ là cần thiết, vì nếu để dây quấn này hở mạch sẽ có điện áp cao, làm hỏng cách điện của dây quấn, do lúc bắt đầu mở máy từ trường quay của stator quét nó với tốc độ đồng bộ

Cũng cần chú ý rằng, nếu đem nối ngắn mạch dây quấn kích thích thì sẽ tạo thành mạch một pha có điện trở nhỏ ở rotor và sinh ra moment cản lớn khiến cho tốc độ quay của rotor không thể vượt quá tốc độ bằng một nửa tốc độ đồng bộ Hiện tượng này có thể giải thích như sau Dòng điện có tần số f2 = sf1 trong dây quấn kích thích bị nối ngắn mạch sẽ sinh ra từ trường đập mạch Từ trường này có thể phân tích thành hai từ trường quay thuận và quay ngược với chiều quay của rotor tương đối so với rotor

n1 n, trong đó n1 là tốc độ từ trường quay của stator và n là tốc độ của rotor

Hình 1.14 Đường cong mômen của động cơ đồng bộ mở máy

không đồng bộ với dây quấn kích từ bị nối ngắn mạch

Từ trường quay thuận có tốc độ so với dây quấn phần tĩnh:

nó với t trường quay của stator tạo nên moment không đồng bộvà hỗ trợ vớí moment không đồng bộ do dây quấn mở máy sinh ra.

Từ trường quay ngược có tốc so với dây quấn phần tĩnh:

nng= n (n1 n) = 2n n1 = 2n (1-s) n1= n1 (1-2s) và sinh ra trong dây quấn phần tĩnh dòng điện tần số:

f=f1(1-2s)Như vậy khi 0,5 < s < 1, nghĩa là tốc độ quay của rotor n < n1/2 thì từ trường quay ngược quay so với dây quấn phần tĩnh theo chiều ngược

so với chiều quay của rotor Tác dụng của nó với dòng điện phần

sinh ra moment phụ cùng dấu và hỗ trợ với moment không đồng bộ do từ trường quay thuận tác dụng với dây quấn mở máy

Khi s = 0,5 (n < n1/2), từ trường quay ngược đứng yên so với dây quấn phần tĩnh, moment phụ bằng không Và khi 0 < s < 0,5 (n <

n1/2), thì từ trường quay ngược sẽ quay cùng chiều với chiều quay

Khi rotor đã quay đến tốc độ n n1 , có thể tiến hành giai

đoạn thứ hai của quá trình mở máy: đem nối dây quấn với điện áp một chiều của máy kích thích Lúc đó ngoài moment không đồng bộ tỉ lệ với hệ số trượt s và moment gia tốc tỉ lệ với ds/dt sẽ có moment đồng bộ phụ thuộc vào góc cùng tác dụng Do rotor chưa quay đồng bộ nên góc luôn thay đổi Khi 0 < < 1800 thì moment đồng bộ sẽ cộng tác dụng với moment không đồng bộ làm tăng thêm tốc độ quay của rotor và như vậy rotor sẽ được lôi vào tốc độ đồng bộ sau một quá trình dao động.

Kinh nghiệm cho biết, để đảm bảo cho rotor được đưa vào tốc độ đồng bộ 1 cách thuận lợi, hệ số trượt ở cuối giai đoạn thứ nhất lúc chưa có dòng điện cần phù hợp với điều kiện sau:

Trong đó:

kmlà năng lực quá tải ở chế độ đồng bộ với dòng điện kích từ định mức itđm;

Pđmlà công suất định mức,kW;

itdblà dòng điện kích từ khi đồng bo ähoá;

GD2 là moment động lượng của động cơ và máy công tác nối trục nó, kG.m2

Để tránh việc mở máy qua hai giai đoạn như trình bày ở trên, trong đó phải thao tác tách dây quấn kích thích khỏi điện trở RTvà sau đó nối máy kích từ, có thể nối thẳng dây quấn với máy kích từ trong suốt quá trình mở máy theo sơ đồ trên hình 1.13b như

thích bắt đầu cung cấp dòng điện kích từ cho động cơ điện đồng bộ, nhờ đó mà lúc đến gần tốc độ đồng bộ động cơ được kéo vào tốc độ đồng bộ Cần chú ý rằng quá trình mở máy theo sơ đồ trên hình 1.13b được thực hiện trong những điều kiện khó khăn hơn vì động cơ điện đồng bộ được kích thích quá sớm, như vậy sẽ tạo nên dòng ngắn mạch:

Trong đó:

E0 là s.đ.đ cảm ứng do dòng điện kích tư itø

xd là điện kháng đồng bộ dọc trục khi s=0

Do đó động cơ phải tải thêm công suất:

và kết quả là trên trục động cơ điện sẽ có thêm moment cản:

khiến cho quá trình kéo động cơ vào tốc độ đồng bộ gặp khó khăn hơn, vì vậy phương pháp mở máy động cơ đồng bộ theo sơ đồ trên hình 1.10b áp dụng được tốt khi moment cản trên trục động cơ điện Mc = (0,4 ÷ 0,5)M đm Chỉ khi dây quấn mở máy được thiết kế hoàn hảo mới cho phép được mở máy như trên với Mc = Mđm

Do cách mở máy này đơn giản, hoàn toàn giống cách mở máy của động cơ điện không đồng bộ nên ngày càng được ứng dụng rộng rãi

Hình 1.15 Quan hệ U, I, it, n = f(t) khi mở máy động cơ đồng bộ 1500kW theo sơ đồ ở hình 1.13b.

Hình 1.15 trình bày sự biến đổi dòng điện phần ứng I, dòng điện kích từ it và tốc độ quay n trong quá trình mở máy lúc không tải động c đồng bộ (Pđm = 1500kW; Uđm = 6kV; nđm = 1000vg/ph) trực tiếp với điện áp định mức theo sơ đồ trên hình 1.13b

qu c t m i Các tiêu chu n phân lo i hi u su i lên t i IE5 k c

u g n bên trong Tuy nhiên có th kh c

tr c ti p khi n i v n mà không c n b u khi

PMSM có mômen cao, làm vi c v i t ng b c nh và phù h p v i các ph t i có mômen quán tính th p.

Do không có t n th t nhi t trên l

ph n này chi m kho ng 20% t ng t n th t c IM ), ngoài ra t n th t

ng trên dây qu n stator chi m ph ng l n nh t trong t ng t n th t c a

phân ph i công su t c a h th u này d n th t

ng dây truy n t n H s cos th n th t ph trong

i tr thêm ph nâng cao h s

PMSM có th duy trì h s cos cao th m chí x p x 1 v i d i công su t làm

vi c r ng

Momen và t l công su th tích:

d ng nam châm, nên nói chung t l công su th tích và kh

c có m c nh t v ng th t o

u ki n cho vi c nghiên c u v u khi n

i thi u m n nh t v các h tr c, các

nhiên t n áp ra s i theo nhi do tính ch t c a nam châm Do nh m k trên vi u ch nh chính xác t khi

v trí c a rô to và lo i tuy ng v i v trí tuy i c a

u khi n nên b mã hoá tuy c s d ng Tuy nhiên

v i s phát tri n c a k thu u khi n c n thì b

v i hàng lo t xung ph c s d ng r u khi n máy

ng b công nghi p vì tính hi u qu v giá thành c c bi i v i

t và lo i quang S ng xung c i trên m t vòng quay c a b mã gia

v ng v ng và giá thành r Vì v y b mã t c dùng cho (a) dùng cho các h truy ng kéo (xe l a) khi u ki n làm vi c là kh c

nhiên trong ph n này b mã quang là b c s d ng r ng rãi trong ng

khác bi t gi a 2 lo i b mã này ch là s xung trên m i

m trình bày u áp d c cho c 2 lo i b ra hình 2.1 b t k lo i b mã là tuy i b mã quang ch a diod phát sáng, m t th u kính h i t , m i các khe h , m t b

h p th ng nó là bán d n gi

m n t gia công (x lý) tín hi u ra c a transito quang Xung t b

u ra không nhi u khác nhau hình 2.2a khe h cho mã màu xám 4 bit b mã tuy c tình bày còn hình 2.2b cho bi t khe h c a

to

Hình 2.1 C n c a b mã hoá quang h cTrong khi b mã tuy i cho ta v trí c a rô to d ng bit s thì b mã