Nghiên cứu kết cấu động cơ từ trở để cải thiện đặc tính mô men

TỔNG QUAN 4

1 1 Lịch sử phát triển SRM

SRM đã có quá trình hình thành và phát triển lâu dài, có thể tóm tắt như sau: Năm

Vào năm 1838, nhà phát minh người Scotland, Davidson, đã giới thiệu động cơ SRM đầu tiên Đến năm 1842, hai nhà khoa học Aberdeen và Davidson đã phát triển mẫu SRM đầu tiên Mặc dù có tiềm năng chế tạo với chi phí thấp nhờ vào sự phát triển công nghệ vật liệu, động cơ này đã bị lãng quên trong nhiều thập kỷ do sự hạn chế của thiết bị điện tử và điều khiển Tuy nhiên, vào những năm 50 và 60 của thế kỷ XX, sự bùng nổ của thiết bị điện tử công suất đã thu hút sự chú ý trở lại đối với SRM Năm 1969, S A Nasar đã công bố một bài báo chi tiết về các đặc tính của SRM, làm nổi bật các đặc điểm về chuyển mạch và từ trở của động cơ.

Sau năm 1970, sự phát triển của kỹ thuật điện - điện tử đã thúc đẩy nhiều nhà máy ở Mỹ nghiên cứu ứng dụng động cơ SRM trên ô tô Năm 1983, Công ty TASC Drives trở thành công ty đầu tiên trên thế giới giới thiệu sản phẩm SRD-OULTON và bắt đầu thương mại hóa hệ thống điều khiển SRM, tiếp theo đó, công ty này đã cho ra mắt bốn dòng sản phẩm khác nhau với công suất và quy cách đa dạng.

Ngày nay, động cơ từ trở (SRM) đang trở thành đối tượng nghiên cứu phổ biến tại các viện và trường đại học trên toàn thế giới nhờ vào cấu trúc đơn giản, chi phí chế tạo thấp và độ tin cậy cao Tuy nhiên, sự phức tạp trong hệ thống điều khiển đã hạn chế sự phát triển của loại động cơ này Với sự tiến bộ nhanh chóng trong công nghệ điều khiển điện tử, việc điều khiển SRM đã trở nên dễ dàng hơn, giúp phát huy những ưu điểm vượt trội của nó Gần đây, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm giải quyết các vấn đề như tiếng ồn, độ nhấp nhô mô men và điều khiển không cảm biến vị trí Động cơ từ trở chủ yếu được chia thành hai loại: Động cơ từ trở đồng bộ và động cơ từ trở không đồng bộ.

Động cơ từ trở chuyển mạch (SRM) là một loại động cơ quan trọng, được biết đến với tên gọi động cơ từ trở Trong luận án này, tác giả đã tập trung nghiên cứu và phân tích các đặc điểm cũng như ứng dụng của động cơ SRM.

Tại Việt Nam, động cơ từ trở SRM vẫn chưa được nghiên cứu sâu rộng và thiếu tài liệu hướng dẫn thiết kế cũng như tính toán chi tiết Điều này dẫn đến việc SRM chưa được đưa vào sản xuất chế tạo do chưa có nghiên cứu đầy đủ về thiết kế và tính toán cho loại động cơ này.

Theo [1][4] so với các loại động cơ xoay chiều, động cơ một chiều truyền thống, động cơ từ trở có những ưu điểm nổi bật sau:

- Cấu tạo đơn giản, chi phí chế tạo thấp

- Dễ làm mát, do tổn thất xuất hiện chủ yếu ở phía stator, rotor có kết cấu cực lồi có vai trò như quạt làm mát

- Khả năng gia tốc của SRM lớn, quán tính rotor nhỏ do rotor không có dây quấn hay nam châm

- SRM hoạt động trên cả 4 góc phần tư

- SRM chịu quá tải ngắn hạn tốt và có thể duy trì được hoạt động khi có sự cố mất pha

Bên cạnh những ưu điểm trên, SRM còn có nhược điểm lớn cần khắc phục như là:

- Độ nhấp nhô mômen lớn Độ rung, tiếng ồn lớn

SRM (động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu) đang ngày càng phổ biến trong nhiều lĩnh vực như ngành công nghiệp, ô tô điện, thiết bị gia dụng và thiết bị y tế Khi nghiên cứu ứng dụng của động cơ từ trở, người ta thường phân loại chúng dựa trên công suất và tốc độ truyền động.

- SRM được ứng dụng trong truyền động công suất thấp như:

Máy vẽ tọa độ của công ty Hewlett-Packard sử dụng động cơ servo SRM ba pha 8/6, với mômen đạt 0,1275 Nm ở tốc độ 4000 vòng/phút và công suất 53W.

+ Động cơ cho máy xử lý không khí: máy xử lý không khí 0,375 kW do A O Smith chế tạo đã sử dụng SRM

Động cơ xe nâng sử dụng động cơ từ trở với công suất 1,8 kW và tốc độ 1500 vòng/phút, được sản xuất và ứng dụng bởi một công ty đến từ Pháp.

- SRM được ứng dụng trong truyền động công suất trung bình (nhỏ hơn 300 kW) như:

+ Động cơ cho công nghiệp: Động cơ truyền động đã được sản xuất cho các ứng dụng công nghiệp với công suất lên tới 105 kW

+ Động cơ truyền động khai thác mỏ: Công ty British Jeirey đã đưa ra loại động cơ

150 ÷ 300 kW và đạt tốc độ 1500 vòng/phút Đây là loại động cơ 3 pha, 12/8 chạy trên cả 4 góc phần tư

SRM (Động cơ đồng bộ vĩnh cửu) được ứng dụng trong truyền động công suất cao, nhưng việc chế tạo và giá thành của các bộ biến đổi cho SRM gặp nhiều khó khăn Do đó, SRM khó có thể cạnh tranh với các loại động cơ xoay chiều và một chiều hiện nay.

SRM (Switched Reluctance Motor) được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng truyền động tốc độ cao nhờ vào cấu trúc chắc chắn và tỷ trọng năng lượng cao Với ưu điểm nổi bật là rotor không có nam châm hay vòng dây quấn, động cơ SRM mang lại hiệu suất vượt trội trong các hệ thống yêu cầu tốc độ cao.

+ Truyền động cho máy điều hòa không khí ở trên tàu: Normalair Garret đã sản xuất loại SRM ba pha loại 6/4 có công suất 40 kW đạt tốc độ 30000 vòng/phút

Công ty Beckman Instruments đã giới thiệu hệ thống truyền động máy li tâm sử dụng công nghệ SRM tốc độ cao, với động cơ 3 pha, cặp cực 6/4, công suất 2,5 kW, cho phép đạt tốc độ tối đa lên tới 30.000 vòng/phút.

SRM (động cơ đồng bộ reluctance) được ưu tiên trong các lĩnh vực cần động cơ nhỏ gọn nhưng có công suất lớn, nhờ vào cấu trúc đơn giản và chi phí thấp Với tỷ số công suất trên khối lượng cao, SRM rất phù hợp cho các ứng dụng như dụng cụ cầm tay, quạt máy, bơm và động cơ cho máy làm lạnh.

SRM được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ chế tạo ô tô, bao gồm hệ thống trợ lái và trục vận chuyển, nơi mà vấn đề mômen đập mạch lớn không gây ảnh hưởng nghiêm trọng Bên cạnh đó, SRM cũng được nghiên cứu và áp dụng cho các hệ thống truyền động dưới nước, nhờ vào độ tin cậy cao, nó ngày càng được chú ý trong việc phát triển các truyền động cho tàu ngầm.

1 5 Các nghiên cứu trong nước và thế giới về SRM

SRM (Switched Reluctance Motor) nổi bật với nhiều ưu điểm, nhưng cấu trúc và nguyên lý hoạt động của nó gây ra độ rung ồn và độ nhấp nhô mômen lớn, ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống truyền động và khả năng ứng dụng Tuy nhiên, chi phí chế tạo SRM thấp và hiệu suất cao so với một số loại động cơ khác Chính vì vậy, nhiều nhà nghiên cứu và chế tạo hiện đang quan tâm sâu sắc đến loại động cơ này.

1 5 1 Các nghiên cứu trong nước

Hiện nay, khái niệm SRM (động cơ từ trở) vẫn còn mới mẻ tại Việt Nam, và các nghiên cứu về loại động cơ này còn hạn chế Hầu hết các nghiên cứu đã công bố chủ yếu tập trung vào việc tối ưu hóa phương pháp điều khiển nhằm giảm thiểu hiện tượng nhấp nhô mômen động cơ.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH TOÁN SRM 17

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH TOÁN SRM

SRM có cấu trúc phần điện từ đơn giản hơn nhiều so với các loại động cơ thông thường như động cơ xoay chiều ba pha, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu và động cơ một chiều.

Stator được cấu thành từ các lá thép kỹ thuật điện và có thiết kế dạng cực lồi Dây quấn stator là loại dây quấn tập trung đơn giản, được quấn trên mỗi cực stator, với các cuộn dây được bố trí trên các cặp cực đối nhau Trong mỗi pha, các cuộn dây này có thể được mắc nối tiếp hoặc song song Rotor cũng được chế tạo từ thép với thiết kế dạng cực lồi, nhưng không có dây quấn hay nam châm vĩnh cửu trên rotor.

Kết cấu của stator và rotor được thiết kế dựa trên nguyên lý rằng khi rotor quay, từ trở mạch từ cần thay đổi tối đa Thông thường, số cực của stator nhiều hơn số cực của rotor, với tỷ lệ giữa chúng không phải là số nguyên Các dạng động cơ từ trở phổ biến có tỷ lệ số cực stator/số cực rotor là 6/4, 12/8, 8/6, 12/10, đảm bảo mômen tổng tại mọi vị trí luôn khác không.

Hình 2 1 là cấu trúc cơ bản của hai loại SRM 6/4 và 8/6 [1] a) b)

Hình 2 1 Động cơ từ trở loại 6/4 (a) và 8/6 (b)

Kết cấu động cơ 6/4 có 6 cực stator và 4 cực rotor, trong khi kết cấu 8/6 có 8 cực stator và 6 cực rotor Mỗi loại động cơ đều có những ưu điểm riêng; động cơ với số cực lớn thường được sử dụng cho các truyền động điện có tốc độ thấp, trong khi động cơ từ trở với số cực nhỏ thường phù hợp cho các ứng dụng tốc độ cao Số cặp cực của stator và rotor quyết định số pha dây quấn của động cơ.

Động cơ từ trở có thể được phân loại theo số pha dây quấn, bao gồm 2 pha, 3 pha và 4 pha Sự lựa chọn này thường dựa trên số cực của stator và rotor Kí hiệu m đại diện cho số pha dây quấn của stator, được tính theo công thức m = (2 1) Ns.

Trong đó: N s là số cực stator; N r là số cực rotor

2 2 Đặc điểm bộ điều khiển SRM

Thiết bị nguồn của SRM bao gồm bộ biến đổi xoay chiều thành một chiều và bộ điều khiển, thường được tích hợp chung Bộ điều khiển có nhiệm vụ điều chế và cung cấp xung dòng điện một chiều cho từng pha dây quấn thông qua các van điện tử công suất, cho phép SRM vận hành ở cả 4 gúc ẳ (chế độ vận hành 4Q).

Hình 2 2 Nguyên lý cấp dòng điện cho các pha dây quấn của SRM

Bộ điều khiển SRM bao gồm các thành phần cơ bản như bộ chỉnh lưu, bộ nghịch lưu, cảm biến dòng điện và cảm biến vị trí rotor Mỗi pha dây quấn thường được trang bị 2 van bán dẫn có điều khiển cùng với 2 điốt Đối với loại động cơ 3 pha, cần có 3 cặp van bán dẫn có điều khiển và 3 cặp điốt, trong khi động cơ 4 pha (8/6; 12/10) yêu cầu 4 cặp van và 4 cặp điốt Đặc biệt, động cơ SRM 6/4 có 2 cuộn dây trên mỗi pha, còn động cơ 12/8 sẽ có 4 cuộn dây trên mỗi pha.

Hình 2 3 Sơ đồ bộ biến đổi cho động cơ SRM 3 pha [1]

Sơ đồ bộ điều khiển 3 pha đơn giản và phổ biến là sơ đồ bộ biến đổi cầu Hình 2 3

Pha a bao gồm hai van bán dẫn T1 và T2 cùng với hai điốt D1 và D2, có cấu trúc tương tự như các pha khác Hai van T1 và T2 được điều khiển để đóng cắt đồng thời, nhằm cấp xung áp vào cuộn dây pha a Khi cả hai van T1 và T2 dẫn, dòng điện sẽ đi qua T1, cuộn dây pha a và T2, tạo ra xung áp dương, làm tăng dòng điện trong cuộn dây pha a.

Khi van T1 và T2 không dẫn, năng lượng trong cuộn dây pha a duy trì dòng điện theo chiều cũ, đi qua điốt D1, cuộn dây pha a, D2 và trở về nguồn Lúc này, cuộn dây nhận xung áp âm và năng lượng lưu trữ trong cuộn dây được trả về nguồn, dẫn đến dòng điện trong cuộn dây pha a giảm Hai trạng thái của mạch vòng khép kín dòng điện bao gồm: van T1, T2 dẫn (trạng thái a) và van T1, T2 không dẫn (trạng thái b), như minh họa trong Hình 2 4.

Hình 2 4 Hai trạng thái và mạch vòng khép kín dòng điện: Van T1, T2 dẫn (a), Van T1, T2 không dẫn (b)

Cấu trúc điều khiển của động cơ SRM bao gồm hai tầng: vòng điều khiển dòng điện bên trong và vòng điều khiển tốc độ bên ngoài Vòng điều khiển dòng yêu cầu phản ứng nhanh để đưa dòng vào cuộn dây pha đúng thời điểm theo vị trí rotor Trong khi đó, vòng điều khiển tốc độ bên ngoài có thời gian đáp ứng chậm hơn nhưng ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ động cơ Đặc tính mômen của động cơ phụ thuộc vào vị trí rotor, do đó việc kích thích luân phiên từng pha và vị trí phản hồi là rất quan trọng, ảnh hưởng đến chất lượng của bộ điều khiển.

Nguyên tắc điều khiển của động cơ bước (SRM) dựa trên việc tạo ra mômen điện từ nhờ sự khác biệt về từ trở giữa rotor và stator Khi cuộn dây stator được cấp điện, mômen quay sẽ kéo rotor về vị trí có từ trở thấp nhất, và để duy trì chuyển động, cần chuyển điện đến cuộn dây tiếp theo để tạo ra từ trường quay Giá trị mômen trung bình là tổng mômen từ các pha của động cơ, nhưng đặc tính mômen liên tục làm cho việc điều khiển trở nên phức tạp hơn Để giảm thiểu nhấp nhô mômen và nâng cao hiệu suất, có thể áp dụng các phương pháp như điều chỉnh biên độ dòng điện, điều chỉnh độ rộng xung điện áp, và điều khiển trực tiếp mômen Phương pháp giữ nguyên góc độ rộng xung điện áp và thay đổi biên độ dòng điện có thể giảm nhấp nhô mômen tối đa, nhưng yêu cầu bộ điều khiển phức tạp và chi phí cao hơn so với phương pháp điều khiển xung điện áp.

Phương pháp điều khiển xung điện áp là phương pháp đơn giản nhất cho SRM

Phương pháp điều chỉnh độ rộng xung điện áp nguồn cấp dựa trên nguyên lý băm nhỏ điện áp cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ thông qua việc thay đổi tần số xung điện áp, đồng thời giữ công suất hoặc mômen không đổi Sơ đồ nguyên lý điều khiển này được minh họa trong Hình 2.5.

Hình 2 5 Nguyên lý điều khiển độ rộng xung điện áp [1]

Khi T1 và T2 khóa, dòng điện từ D1 đến cuộn dây pha A đến D2 sẽ khiến điện áp dây quấn bằng 0 Dòng điện giảm từ (ip + Δi) xuống (ip - Δi) và hai van sẽ đóng đồng thời khi giá trị đặt về 0 Nguyên lý điều khiển này giúp giảm tổn hao trên van và tần số chuyển mạch, mặc dù thời gian đáp ứng dòng điện lại lâu hơn so với phương pháp khác.

Phương pháp điều khiển dòng điện liên quan đến việc điều chỉnh biên độ dòng điện pha dây quấn, nhằm duy trì điện áp ổn định trong suốt quá trình điều khiển Hình 2.6 minh họa sơ đồ nguyên lý điều khiển dòng trên một pha của động cơ SRM.

Hình 2 6 Nguyên lý điều khiển dòng điện trên một pha động cơ SRM

Dòng điện không thể thay đổi đột ngột, do đó cần có thời gian dẫn trước θa và tắt trước θco Giá trị dòng điện duy trì ở mức Ip thông qua việc điều khiển đóng mở các van bán dẫn Giá trị Δi từ (i) đến (ii) được xem xét để cân bằng tần số mở van và giảm thiểu tổn thất công suất.