Thiết lập mô hình tham số trong nghiên cứu phát triển máy phát điện đồng bộ không kích thích từ phụ trợ

Các máy điện động là thiết bị chuyển đổi năng lượng cơ – điện và điện – cơ điển hình, luôn được quan tâm hoàn thiện theo các hướng: ngày càng nâng cao hiệu suất; tối ưu hóa hệ thống từ trường và các cụm – chi tiết cơ khí; ứng dụng vật liệu mới trong chế tạo chúng. Các đặc điểm đặc biệt này cho sự phát triển máy điện động được tính đến khi thiết lập các mô hình tham số COMSOL Multiphysics.

Biết rằng, công suất của máy phát điện, ngoài phụ thuộc vào nguồn động lực dẫn động rotor thì trong một dải nào đó của sự thay đổi nguồn động lực dẫn động, nếu có sự thay đổi phù hợp tham số của bản thân máy phát sẽ duy trì được công suất (đảm bảo tính ổn định cung cấp năng lượng điện) phát điện của máy phát.

Xét một thí dụ điển hình là máy phát điện chạy bằng turbin gió có công suất danh định là 500kW như là một nguyên mẫu cho cách tiếp cận này.

Bằng cách thay đổi các tham số chính của máy phát điện, gồm: kích thước và số lượng cực từ của rotor và stator. Việc tối ưu hóa hệ thống từ được thực hiện để thu được công suất đầu ra là 500kW với sự tối thiểu cần có của các đặc tính kỹ thuật chính. Công suất mong muốn duy trì (khi nguồn động lực dẫn động – turbin gió, thay đổi trong một dải nào đó) đạt được bằng cách thay đổi cách kết nối các cuộn dây với nhau. Cách kết nối mới được trình bày như hình 1.

Trên hình 2 trình bày mật độ dòng điện trong cuộn dây tương ứng với mô hình được tối ưu hóa.

Các kết quả thực hiện sự tối ưu hóa được trình bày trong Bảng 1.

Kết quả tính toán hệ thống từ tối ưu hóa được trình bày trên hình 3 và hình 4.

Máy phát điện được xem xét phát triển là loại máy điện đồng bộ không có kích thích từ phụ trợ. Cấu trúc của nó, gồm: 5 cặp nam châm vĩnh cửu được đặt trên rotor; 46 cặp cực trên stator; và 51 phân đoạn thép được đặt trong bộ điều chế. Hướng từ hóa của máy phát điện đồng bộ này là hướng tâm.

Dựa trên kết quả mô hình hóa tham số, thực hiện phát triển mô hình hai chiều (hình 5) và ba chiều (hình 6) của máy phát điện này trong môi trường “Kompact 3D”.

Đánh giá thiết kế, chế tạo máy phát điện đồng bộ này có thay đổi tham số kỹ thuật chính tương thích với dải thay đổi công suất nguồn động lực dẫn động nhằm duy trì sự ổn định công suất phát điện. Nhận thấy rằng, hầu hết các chỉ số kỹ thuật chính đều đạt yêu cầu. Duy nhất bộ điều chế là bộ phận có chế độ làm việc phi tiêu chuẩn, điều này cần phải thiết kế chế tạo riêng cho từng máy phát điện. Tuy nhiên, để thực hiện cũng không cần thiết bị – linh kiện chuyên dụng nào và thực hiện không khó.

Máy phát điện đồng bộ này gồm có 4 cụm ổ đỡ trục để giữ các rotor tại vùng tâm của máy phát điện sao cho chúng không chạm vào nhau khi quay. Mẫu máy phát điện này là đủ để phát triển máy phát điện với công suất nhất định.

Tài liệu tham khảo

• Atallah K., Calverley S., Clark R., Rens J., Howe D. A new PM machine topology for low-speed, high-torque drives // Proc.— Int. Conf. Electr. Mach., ICEM. 2008.
• Frandsen, T.V., Mathe, L., Berg, N.I., Holm, R.K., Matzen, T.N., Rasmussen, P.O., Jensen, K. K. Motor Integrated Permanent Magnet Gear in a Battery Electrical Vehicle // IEEE Trans Ind Appl. 2015.

  Nguyễn Tiến Dũng (BMSTU; VAA)
  Email: tiendung.bmstu@bk.ru