INFLUENȚA TOPOLOGIEI ROTORICE ÎN VALOAREA FACTORULUI DE PUTERE AL MAȘINII SINCRONE CU RELUCTANȚĂ VARIABILĂ ȘI ROTOR EXTERIOR [309594]

[anonimizat]:

Infuența topologiei rotorice în valoarea factorului de putere al mașinii sincrone cu reluctanță variabilă și rotor exterior.

CONȚINUTUL proiectului de diplomă/lucrării de disertație

Piese scrise

Piese desenate

Anexe

LOCUL DOCUMENTĂRII:

Departamentul de Mașini și Acționări Electrice;

[anonimizat]:

Sef Lucrări dr. ing. Florin Nicolae Jurca

Data emiterii temei: ………………………………………………

Termen de predare: ……………………………………………….

[anonimizat]: [anonimizat].dr ing. [anonimizat]

(semnătura) (semnătura)

Declarație-angajament: Deoarece acest proiect de diplomă nu ar fi putut fi finalizat fără ajutorul membrilor departamentului de Mașini Electrice și a [anonimizat].

Data: ………… Semnătura

Declarație: [anonimizat], [anonimizat].

Data: ………… Semnătura

Introducere

În acastă lucrare sunt analizate structurile rotorice cu diferite forme ale barierelor de flux: rotunde, trapezoidale, [anonimizat], două și/sau trei bariere de flux pe pol prin parcurgerea mai multor etape de simulare pentru determinarea valorii factorului de putere al unui motor sincron cu reluctanță variabilă și rotor exterior.

Simulările efectuate au fost realizate cu ajutorul programelor FLUX 2D și MATLAB.

Motorul sincron cu reluctanță variabilă și rotor exterior (MSRVRE) [anonimizat].

[anonimizat] (saliency ratio) prin modificarea și dezvoltarea structurii rotorice pentru un motor sincron cu reluctanță variabilă și rotor exterior.

Obiectivele lucrării

Obiectivele acestei lucrări sunt următoarele:

Simularea unei mașini cu reluctanță variabilă și rotor exterior;

Analiza comparativă al structurilor rotorice proiectate.

Capitolul I

. [anonimizat], a apărut în anul 1923. A reintrat în atenția utilizatorilor în ultima perioadă datorită mai multor avantaje: [anonimizat], [anonimizat], robustețe și controlul turației la cuplul maxim. [anonimizat]: [anonimizat] [1]

[anonimizat] a rotorului. [anonimizat], convertorul de putere trebuie să fie proiectat pentru o valoare mai mare a curentului ceea ce duce la o dimensiune prea mare a invertorului de alimentare.[2]

În Figura 1.1 este reprezentat un obiect a dintr-un material izotrop (a) care are reluctanța magnetică diferită pe axa d și axa q în timp ce materialul magnetic izotrop (b) are aceeași reluctanță în toate direcțiile. Câmpul magnetic aplicat obiectului (a) produce cuplu doar dacă există o diferență unghiulară între axa d și direcția câmpului. [8]

Figura 1.1 Un obiect cu geometrie anisotropică (a) și un obiect (b) cu geometrie isotropică amplasate într-un câmp magnetic și producerea cuplului. [8]

Mașina sincronă cu reluctanță variabilă este o mașină cu nesimetrie magnetică în rotor. Astfel, conversia de energie elctromecanică se produce pe baza principiului reluctanței minime. Cuplul în acest motor este produs datorită tendinței rotorului de a ocupa o poziție unde fluxul și inductanța statorică sunt maxime. Rotorul acestei mașini este construit fără înfășurări și fără magneți permanenți, neavând nicio sursă de câmp magnetic. Statorul este identic cu cel al unei mașini de inducție sau al unei mașini sincrone. [1]

Performanțele mașinii sincrone cu reluctanță variabilă sunt dependente de gradul de asimetrie, adică valoarea raportului dintre inductanțele de magnetizare de pe axa d și axa q. Cu cât acest raport este mai mare cu atât performanțele mașinii sunt mai ridicate. [1]

Există două trasee de trecere al fluxului, una cu permeabilitate mare Figura1.2.(a) prin care liniile de flux parcurg porțiunea dintre barierele de flux, este denumită calea axei d și a doua cu permeabilitate mică Figura 1.2.(b) prin care liniile de flux trebuie sa treacă prin barierele de flux ale rotorului, este denumită calea axei q. [4]

Figura 1.2 Schița unui motor sincron cu reluctanță variabilă cu liniile de flux pe axa d si q. [4]

La momentul actual, din punct de vedere al orientării laminării există două variante constructive ale rotorului și anume:

-Rotor cu tole laminate transversal (TLA- Transversally Laminated Anisotropic) cu bariere de flux. (Figura 1.4)

Formele barierelor de flux sunt obținute prin ștantare, deci sunt ușor de realizat tehnologic și au un preț de cost mai mic. Această variantă constructivă prezintă o asimetrie magnetică mai redusă și poate fi folosit în aplicațiile care necesită o viteză de rotație ridicată. [10]

Figura 1.3 Configurația transversală a rotorului. [5]

Rotor cu tole dispuse axial (ALA- Axially Laminated Anisotropic) (Figura 1.4)

Miezul rotorului este realizat din tole de otel electrotehnic care sunt izolate una de alta folosind o izolatie electrică si magnetică (material pasiv). Această variantă constructivă asigură un grad mare de asimetrie magnetică. Performanțele acestor mașini sunt mai ridicate, dar și tehnologia de fabricație este mai complexă și prețul de cost este mai mare.[9]

Figura 1.4 Configurația axială a rotorului. [3]

Cuplul mașinii sicrone cu reluctanță variabilă este proporțional cu gradul de asimetrie al rotorului care este descris de diferența dintre inductanța de pe axa d și inductanța de pe axa q (1). Factorul de putere al mașinii depinde exlusiv de asimetria magnetică, fiind raportul dintre inductanțele de magnetizare dintre axa longitudinală și axa transversală, (Ld/Lq) (2). [7]

(1)

(2)

Figura 1.5 Dependența factorului de putere în funcție de gradul de asimetrie.

În Figura 1.5 este reprezentată variația factorului de putere în raport cu gradul de asimetrie (Ld/Lq). Chiar și pentru un raport de asimetrie 4, factorul de putere obținut este prea scăzut în comparație cu alte mașini. [6]

. Soft-uri de proiectare și simulare a mașinii sincrone cu reluctanță variabilă și cu rotor exterior

Pentru efectuarea simulărilor și interpretarea rezultatelor obținute am utilizat urmatoarele programe:

FLUX oferit de CEDRAT este o aplicație software care utilizează metoda elementelor finite și este conceput pentru simulări electromagnetice și termice, atât în ​​2D, cât și în 3D, destinat aplicațiilor statice, armonice și tranzitorii. Este instrumentul potrivit pentru analiza, proiectarea și optimizarea aplicațiilor moderne.

MATLAB (Matrix Laboratory) este un software matematic, oferit de firma The MathWorks, Inc. Este destinat calculului numeric, programării, modelării și simulării numerice, prelucrărilor de date și reprezentărilor grafice în știință și inginerie. Chiar dacă e specializat în calcul numeric, există pachete care îi permit să interacționeze cu alte programe precum FLUX 2D/3D.

Capitolul II

Prezentarea modului de lucru

Mașina aleasă pentru investigație este o mașină sincronă cu reluctanță variabilă cu rotor exterior proiectat într-o lucrare anterioară de Ințe Răzvan-Alexandru pentru propulsia unei biciclete electrice.

Abordarea acestei lucrări a fost îmbunătățirea factorul de putere prin investigarea configurațiilor de rotoare pentru motorul sincron cu reluctanță variabilă și rotor exterior. Geometria rotorului ar trebui să ducă la maximizarea fluxului magnetic pe axa d și la minimizarea sa pe axa q rezultând un raport de asimetrie (Ld/Lq) cât mai mare.

Pentru efectuarea simulărilor am utilizat metoda de analiză a elementelor finite (FEM) folosind programul Flux 2D cuplat cu programul MatLab.

Parametrii motorului de la care am pornit sunt următoarele:

Tabel 2.1 Parametrii Geometrici si electrici

Toate valorile parametriilor din Tabelul 2.1 au rămas constanți la structurile rotoarelor analizate.

În cadrul simulărilor am variat următorii parametrii rotorici:

Tabel 2.2 Parametrii rotorici variați

În schema bloc din Figura 2.2 am reprezentat modul prin care s-au efectuat simulările pentru proiectarea unui rotor optim.

Inițial se implementează motorul în Flux 2D (Putere, viteza unghiulară, tensiune de alimentare ,etc), Se alege forma barierelor de flux, toți parametrii rotorici care variază sunt introduși în MatLab.

În continuare, simulările sunt calculate automat pentru toate mărimile din intervalul parametrilor introduși, iar datele obținute sunt stocate în Matlab. În cele din urmă se calculează raportul de asimetrie și factorul de putere pentru toate variațiile și se alege forma în care rezultatele au valori maxime.

Figura 2.1 Schema bloc de analiză.

Structura cu formă rotundă a barierelor de flux

Structura cu 2 bariere de flux

În Figura 2.3 este reprezentată valoarea factorului de putere în funcție de numărul de simulări pentru un rotor cu forma rotundă a barierelor de flux. În urma efectuării a 290 de simulări au rezultat Ld=0,037 H , Lq=0,013 H, un raport de asimetrie de 2,78 și un factor de putere de 0,47.

Structura cu 3 bariere de flux

În Figura 2.5 este reprezentată valoarea factorului de putere în funcție de numărul de simulări pentru un rotor cu forma rotundă a barierelor de flux. În urma efectuării a 807 de simulări au rezultat Ld=0,038 H , Lq=0,014 H, un raport de asimetrie de 2,76 și un factor de putere de 0,45.

Structura cu număr diferit de bariere pe poli: 1 bariera și 2 bariere de flux

La această structură cu număr diferit de bariere per pol am obținut un factor de putere de 0.41 în urma efectuării a 483 de simulări, inductanța pe axa d fiind Ld=0,038 H, iar pe axa q Ld=0,015 H și raportul de asimetrie de 2,41.

Structura cu număr diferit de bariere pe poli: 2 bariere și 3 bariere de flux

În Figura 2.8 (b) sunt reprezentate liniile de câmp pe axa d și axa q. Se poate observa că pe axa q barierele de câmp se opun trecerii liniilor de flux rezultând o inductanță mai mică decât pe axa d. La această structură am obținut un factor de putere de 0.46 în urma efectuării a 756 de simulăr, inductanța pe axa d fiind 0,039 H, iar pe axa q 0,014 H și raportul de asimetrie de 2,76 .

Structura cu formă trapezoidală a barierelor de flux

Structura cu 2 bariere de flux

În Figura 2.11 este reprezentată valoarea factorului de putere în funcție de numărul de simulări pentru un rotor cu forma trapezoidală a barierelor de flux, în urma efectuării a 720 de simulări au rezultat Ld=0,037 H , Lq=0,013 H, un raport de asimetrie de 2,84 și un factor de putere de 0,48.

Structura cu 3 bariere de flux

După efectuarea a 1513 de iterații, cea mai mare valoare a factorului de putere a rezultat 0,49, inductanțele pe cele două axe: Ld=0,039 H și Lq=0,013 H, raportul de asimetrie fiind 2,93.

Structura cu număr diferit de bariere pe poli: 1 bariera și 2 bariere de flux

La această structură cu forma trapezoidală a barierelor de flux cu una, respectiv două bariere pe pol, în urma efectuării a 816 de simulări au rezultat Ld=0,037 H , Lq=0,017 H, un raport de asimetrie de 2,79 și un factor de putere de 0,47.

Structura cu număr diferit de bariere pe poli: 2 bariere și 3 bariere de flux

În urma efectuării a 1062 de simulări, cea mai mare valoare a factorului de putere pentru această structură au rezultat 0,48, inductanțele pe cele două axe: Ld=0,038 H și Lq=0,013 H, raportul de asimetrie fiind 2,85.

Structura cu forma ovală a barierelor de flux

Structura cu 2 bariere de flux

În Figura 2.19 este reprezentată valoarea factorului de putere în funcție de numărul de simulări pentru un rotor cu forma ovală a barierelor de flux, în urma efectuării a 1440 de simulări au rezultat Ld=0,034 H , Lq=0,013 H, un raport de asimetrie de 2,59 și un factor de putere de 0,44.

Structura cu 3 bariere de flux

În Figura 2.21 este reprezentată valoarea factorului de putere în funcție de numărul de simulări pentru un rotor cu forma ovală a barierelor de flux, în urma efectuării a 1995 de simulări au rezultat Ld=0,037 H , Lq=0,014 H, un raport de asimetrie de 2,51 și un factor de putere de 0,43.

Structura cu număr diferit de bariere pe poli: 1 bariera și 2 bariere de flux

La această structură cu număr diferit de bariere per pol am obținut un factor de putere de 0.42 în urma efectuării a 747 de simulări, inductanța pe axa d fiind Ld=0,036 H, iar pe axa q Ld=0,0154 H și raportul de asimetrie de 2,46.

Structura cu număr diferit de briere pe poli:2 bariere și 3 bariere de flux

În urma efectuării a 2429 de simulări, cea mai mare valoare a factorului de putere pentru această structură a rezultat 0,43, inductanțele pe cele două axe: Ld=0,036 H și Lq=0,014 H, raportul de asimetrie fiind 2,53.

Structura cu forma dreptunghiulară a barierelor de flux

Structura cu 2 bariere de flux

La această structură cu forma dreptunghiulară a barierelor de flux am obținut un factor de putere de 0.49 în urma efectuării a 705 de simulări, inductanța pe axa d fiind Ld=0,035 H, iar pe axa q Ld=0,012 H și raportul de asimetrie de 2,91.

Structura cu 3 bariere de flux

În urma efectuării a 1690 de simulări, cea mai mare valoare a factorului de putere pentru această structură a rezultat 0,5, inductanțele pe cele două axe: Ld=0,038 H și Lq=0,012H, raportul de asimetrie fiind 3.

Structura cu număr diferit de bariere pe poli: 1 bariera și 2 bariere de flux

În figura 2.31 este reprezentată valoarea factorului de putere în funcție de numărul de simulări pentru un rotor cu forma dreptunghiulară a barierelor de flux, în urma efectuării a 444 de simulări au rezultat Ld=0,035 H , Lq=0,012 H, un raport de asimetrie de 2,85 și un factor de putere de 0,48.

Structura cu număr diferit de bariere pe poli: 2 bariere și 3 bariere de flux

La această structură cu număr diferit de bariere per pol am obținut un factor de putere de 0.49 în urma efectuării a 483 de simulări, inductanța pe axa d fiind Ld=0,036 H, iar pe axa q Lq=0,012 H și raportul de asimetrie de 2,97.

Structuri cu forme combinate a barierelor de flux

Rotor cu 2 bariere de flux de forma trapezoidală și dreptunghiulară.

Rotor cu 3 bariere de flux cu forma ovală, rotundă și dreptunghiulară.

Rotor cu 2 bariere de flux cu forme combinate

Capitolul III

. Dezvoltarea structurii rotorice cu forma dreptunghiulară a barierelor de flux cu 3 bariere

În urma investigării structurilor rotorice cu formă ovală, rotundă, trapezoidală și dreptunghiulară am constatat că, de la cea din urmă enunțată (cea dreptunghiulară) am obținut cele mai favorabile rezultate având în vedere valoarea factorului de putere. Din acest motiv am dezvoltat structura rotorică cu formă dreptunghiulară a barierelor de flux.

Rotor cu bariere de flux de forma dreptunghiulară și colțurile rotunjite

Prin rounjirea colțurilor barierelor de flux, liniile de câmp pot traversa mai ușor fără ca muchia să le distorsioneze. La această structură în urma efectuării a 1944 de simulări am obținut un factor de putere de 0,51, Ld=0,037 H, Lq=0,011H și un raport de asimetrie de 3,11.

Rotor cu forma dreptunghiulară cu colțurile rotunjite fără jug rotoric

În acest caz a fost înlocuit jugul rotoric cu aer sau cu un material nemagnetic. Astfel, s-a obținut o îmbunătațire considerabilă al factorului de putere. În Figura 3.3 este reprezentată harta inducției magnetice pe axa d (a) și pe axa q (b) și harta liniile de flux magnetic pe axa d (c) respectiv axa q (d). Se poate observa că liniile de câmp se închid corespunzător pe axa d, iar pe axa q barierele de flux se opun trecerii lor. Astfel, creste considerabil gradul de asimetrie al motorului. În urma a 1421 de simulărilor efectuate am obținut valoarea cea mai mare al factorului de putere de 0,58, incuctanțele pe cele două axe fiind Ld=0,039 H și Lq=0,01 H, iar raportul de asimetrie ajungând la valoarea de 3,75.

Rotor cu poli segmentați cu forma dreptunghiulară și colțurile rotunjite al barierelor de flux

Prin separarea totală a polilor rotorici s-a obținut cel mai mare grad de asimetrie deoarece spațiul dintre poli asigura o reluctanță magnetică ridicată. Se poate observa în Figura 3.5 (d) cum structura se opune trecerii liniilor de câmp pe axa q, iar pe axa d (c) reluctanța magnetică are valoare mică, deci, liniile de câmp trec cu ușurință.

În Figura 3.6 este reprezentată valoarea factorului de putere în funcție de numărul de simulări pentru structura cu poli rotorici segmentați cu forma dreptunghiulară și muchiile rotunjite ale barierelor de flux. În urma efectuării a 756 de simulări au rezultat Ld=0,037 H , Lq=0,005 H, un raport de asimetrie de 6,68 și un factor de putere de 0,74.

Construcția acestui tip de motor ar fi posibilă doar dacă polii rotorici sunt prinși direct pe carcasa mașinii.

Capitolul IV

Influența întrefierului asupra factorului de putere

În Figura 4.1 sunt reprezentate caracteristicile factorului de putere fată de grosimea întrefierului. Rotorul cu poli segmentați atinge un factor de putere de 0,74 și un raport de asimetrie de 6,67 când grosimea întrefierului este de 0,6 mm. La structura fără jug rotoric se atinge un factor de putere maxim de 0,57 și un raport de asimetrie de 3,7 când grosimea întrefierului este de 0,3 mm. Rotorul cu forma dreptunghiulară și colțuri rotunjite atinge un factor de putere de 0,54 și un raport de asimetrie de 3,35 când grosimea întrefierului este de 0,3 mm.

Figura 4.1 Factorul de putere în funcție de grosimea întrefierului.

Riplurile de cuplu

Caracteristicile cuplului electromagnetic (Figura 4.2) se calculează în Flux 2D prin metoda elementelor finite care execută o simulare tranzitorie.

Riplurile de cuplu se calculeaza cu formula:

(3)

unde Tmax reprezintă cuplul electromagnetic maxim, Tmin este cuplul electromagnetic minim și Trms reprezintă cuplul electromagnetic mediu.

Figura 4.2 Caracteristicile cuplului electromagnetic în funcție de timp.

Rotorul cu forma dreptunghiulară a barierelor de flux dezvoltă un cuplu electromagnetic mediu de 7,6 Nm și ripluri de cuplu de 9,4%. Rotor cu forma drepunghiulară cu colțuri rotunjite a barierelor de flux și fără jug rotoric dezvoltă un cuplu electromagnetic mediu de 8,5 Nm și ripluri de cuplu de 12%. Rotorul cu poli rotorici segmentați dezvoltă un cuplu electromagnetic mediu de 8,5 Nm și ripluri de cuplu de 29%.

Capitolul V

Concluzii

Proiectul de diplomă a avut ca și scop dezvoltarea unei structuri rotorice parametrizate al motorului sincron cu reluctanță variabilă și rotor exterior pentru analiza influenței topologiilor rotorice în valoarea factorului de putere. Îndeplinirea acestui obiectiv a constat în studierea a mai multor configurații de structurii rotorice prin modificarea numărului, cât și formei al barierelor de flux.

În capitolul I au fost prezentate informații teoretice despre motorul sincron cu reluctanță variabilă și rotor exterior, cât și soft-urile care au contribuit la realizarea obiectivului.

În capitolul II a fost prezentat modul prin care s-au realizat simulările, s-au prezentat mai multe tipuri de motoare cu reluctanță variabilă și rotor exterior cu diferite structuri rotorice. Rezultatele cele mai optime s-au obținut la structura rotorică cu formă dreptunghilară cu trei bariere de flux.

În capitolul III s-a prezentat dezvoltarea structurii dreptunghiulare cu trei bariere de flux prin rotunjirea muchiilor, prin eliminarea jugului rotoric și înlocuirea sa cu aer sau un material nemagnetic, cât și separarea totală a polilor rotorici. În cazul structurii rotorice cu poli segmentați reluctanța magnetică pe axa q este foarte mare, astfel se obțiune un factor de putere cu o valoare ridicată.

În capitolul IV s-au prezentat caracteristicile factorului de putere în cazul a trei structuri de rotoare în funcție de grosimea întrefierului, cât și riplurile de cuplu. Se poate observa că la structurile în care s-a obținut un factor de putere mare riplurile de cuplu tind să crească.

În concluzie, structura rotorică cu poli segmentați oferă cea mai mare valoare a factorului de putere. Totuși, factorul de putere nu favorizează întotdeauna performanțele unui motor. Există cazuri în care valorile ridicate ale factorului de putere și ale riplurilor de cuplu nu influențează pozitiv funcționarea unui motor deoarece este necesară o concordanță între acestea și cerințele aplicației.

BIBLIOGRAFIE

[1]Biro K.A., Viorel I., Szabo L., Henneberger G., „Mașini Electrice Speciale”, Editura Mediamira, Cluj-Napoca, 2005.

[2] Estima, Jorge , Cardoso, A.J.M.. „Super Premium Synchronous Reluctance Motor Evaluation” 8th International Conference on Energy Efficiency in Motor Driven Systems (EEMODS),Rio de Janeiro,2013.

[3] Fodorean Daniel, „Modelarea Mașinii Sincrone”,Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca

Facultatea de Inginerie Electrică / Departament MAE.

[4] Gianmario Pellegrino, Thomas M. Jahns, Nicola Bianchi, Wen L. Soong, Francesco Cupertino., „The Rediscovery of Synchronous Reluctance and Ferrite Permanent Magnet Motors”, Springer Briefs In Electrical And Computer Engineering,Switzerland, 2016

[5] Gianmario Pellegrino; Francesco Cupertino; Chris Gerada, „Automatic Design of Synchronous Reluctance Motors Focusing on Barrier Shape Optimization”, IEEE Transactions on Industry Applications, Volume: 51, pp: 1465 – 1474, 2015.

[6] Ionan-Felician SORAN, „Sisteme de Actionare Electrica”, Editura Matrix Rom, Bucuresti, 2010.

[7] Ki-Chan Kim, Joon Seon Ahn, Sung Hong Won, Jung-Pyo Hong, and Ju Lee, „A Study on the Optimal Design of SynRM for the High Torque and Power Factor”, IEEE Transactions On Magnetics, Vol. 43, No. 6, June 2007.

[8] Reza – Rajabi Moghaddam, Synchronous Reluctance Machine (SynRM)in Variable Speed Drives (VSD) Applications,Doctoral Thesis, Sweden, 2011.

[9] R. Vartanian, H. A. Toliyat, B. Akin, R. Poley, “Power factor improvement of synchronous reluctance motors (SynRM) using permanent magnets for drive size reduction” 2012 Twenty-Seventh Annual IEEE, pp 628 – 633 ,2012.

[10] Teresa Donateo, Contributors Wei W., Julius P., Richard B., Muhammad A., Nicolae F.J., Mircea R., Enhua W., Fuyuan Y., Minggao O., Aurelio S.', Yannis L K., Ioannis C., „Hybrid Electric Vehicles”, SPi Global,Croatia,June, 2017