NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ĐỘ ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ THAY ĐỔI SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VECTOR - Full 10 điểm

See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www researchgate net/publication/357332362 Nghiên c ứ u đ i ề u khi ể n độ ng c ơ t ừ tr ở thay đổ i s ử d ụ ng ph ươ ng pháp đ i ề u khi ể n vector Thesis · December 2021 CITATIONS 0 READS 2,496 1 author: Tuan Nguyen Manh 6 PUBLICATIONS 0 CITATIONS SEE PROFILE All content following this page was uploaded by Tuan Nguyen Manh on 26 December 2021 The user has requested enhancement of the downloaded file TRƯ Ờ NG Đ Ạ I H Ọ C BÁCH KHOA HÀ N Ộ I Đ Ồ ÁN T Ố T NGHI Ệ P Nghi ê n c ứ u đ i ề u khi ể n đ ộ ng c ơ t ừ tr ở thay đ ổ i s ử d ụ ng ph ươ ng ph á p đ i ề u khi ể n vector NGUY Ễ N M Ạ NH TU Ấ N tuan nm164378@sis hust edu vn Ngành K ỹ thu ậ t Đi ề u khi ể n và T ự đ ộ ng hóa Chuyên ngành T ự đ ộ ng hóa công nghi ệ p Gi ả ng viên hư ớ ng d ẫ n: TS Nguy ễ n Kiên Trung B ộ môn : T ự đ ộ ng hóa công nghi ệ p Vi ệ n : Đi ệ n HÀ N Ộ I, 1 /20 20 Ch ữ ký c ủ a GVHD ii Đ Ề TÀI T Ố T NGHI Ệ P Đ ề tài: Nghiên c ứ u đi ề u khi ể n đ ộ ng cơ t ừ tr ở thay đ ổ i s ử d ụ ng phương pháp đi ề u khi ể n vector Giáo viên hư ớ ng d ẫ n K ý và ghi rõ h ọ tên iii L ờ i c ả m ơn Đ ầ u tiên, tôi xin bày t ỏ lòng tri ân sâu s ắ c và kính tr ọ ng đ ế n th ầ y Nguy ễ n Kiên Trung, th ầ y đã tr ự c ti ế p hư ớ ng d ẫ n, đ ị nh hư ớ ng khoa h ọ c trong quá trình h ọ c t ậ p cũng như nghiên c ứ u t ạ i APES Lab Tôi xin trân tr ọ ng c ả m ơn các th ầ y cô giáo Vi ệ n Đi ệ n – Đ ạ i h ọ c Bách khoa Hà N ộ i đã t ậ n tình ch ỉ d ạ y trong quá trình h ọ c t ậ p và có nh ữ ng ý ki ế n đóng góp quý báu đ ể tôi hoàn thi ệ n Đ ồ án t ố t nghi ệ p Xin trân tr ọ ng c ả m ơn các anh ch ị , các b ạ n t ạ i APES Lab ( Advanced power electronic systems laboratory ) đã h ỗ tr ợ tôi trong quá trình th ự c hi ệ n Đ ồ án t ố t nghi ệ p Đ ặ c bi ệ t, xin g ử i l ờ i c ả m ơn t ớ i anh Đinh Huy Hùng, ngư ờ i b ạ n đ ồ ng hành trong su ố t quá trình làm vi ệ c, đã nhi ệ t tình trao đ ổ i và h ỗ tr ợ , cùng tôi nghiên c ứ u và th ự c nghi ệ m C ả m ơn nh ữ ng ngư ờ i b ạ n trong năm năm h ọ c đã luôn đ ộ ng viê n, khích l ệ tôi C ả m ơn nh ữ ng ngư ờ i luôn ở bên c ạ nh nhưng không c ầ n ở tôi m ộ t l ờ i c ả m ơn nào, đó là là gia đình M ộ t l ầ n n ữ a, tôi xin g ử i l ờ i tri ân sâu s ắ c đ ế n t ấ t c ả m ọ i ngư ờ i Sinh viên th ự c hi ệ n K ý và ghi rõ h ọ tên iv M Ụ C L Ụ C CHƯƠNG 1 T Ổ NG QUAN Đ Ộ NG CƠ T Ừ TR Ở THAY Đ Ổ I 10 1 1 Gi ớ i thi ệ u v ề đ ộ ng cơ t ừ tr ở thay đ ổ i 10 Sơ lư ợ c v ề đ ộ ng cơ t ừ tr ở thay đ ổ i 10 Các lo ạ i đ ộ ng cơ t ừ tr ở (Reluctance Motors) 11 Ưu như ợ c đi ể m và ứ ng d ụ ng c ủ a SRM 12 So sánh đ ộ ng cơ t ừ tr ở v ớ i m ộ t s ố đ ộ ng cơ khác 13 1 2 Phân tích ho ạ t đ ộ ng c ủ a đ ộ ng cơ t ừ tr ở 15 Cơ s ở v ậ t lý c ủ a đ ộ ng cơ t ừ tr ở 15 C ấ u t ạ o c ủ a đ ộ ng cơ t ừ tr ở thay đ ổ i 15 Nguyên lý ho ạ t đ ộ ng 16 Mô t ả toán h ọ c c ủ a đ ộ ng cơ SRM 20 Phương trình đ ộ ng h ọ c 21 Đ ặ c tính c ủ a đ ộ ng cơ t ừ tr ở 22 CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA 24 2 1 Đ ặ t v ấ n đ ề 24 2 2 Phương pháp ph ầ n t ử h ữ u h ạ n 24 2 3 Ph ầ n m ề m Ansys maxwell 24 2 4 Phân tích đ ặ c tính đ ộ ng cơ trên ph ầ n m ề m Ansys Maxwell 25 2 5 Mô hình hóa đ ộ ng cơ trên Matlab/Simulink 30 CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP ĐI Ề U KHI Ể N VECTOR 32 3 1 B ộ bi ế n đ ổ i đ ộ ng cơ SRM 32 3 2 Phương pháp đi ề u khi ể n cơ b ả n 35 3 3 Phương pháp đi ề u khi ể n vector cho đ ộ ng cơ t ừ tr ở 36 Đặc tính điện cảm 36 Đặc tính dòng điện 37 Phân tích vector điều khiển trong SRM 39 Chuyển khung tọa độ uvw sang khung tọa độ dq 41 Điều khiển MTPA cho SRM 44 Mạch vòng điều khiển dòng điện động cơ SRM 46 CHƯƠNG 4 MÔ PH Ỏ NG 54 4 1 Sơ đ ồ đi ề u khi ể n 54 4 2 K ế t qu ả mô ph ỏ ng 58 v CHƯƠNG 5 THI Ế T K Ế PH Ầ N C Ứ NG TH Ự C NGHI Ệ M 64 5 1 C ấ u trúc ph ầ n c ứ ng 64 5 2 Thi ế t k ế các ph ầ n c ủ a ph ầ n c ứ ng 64 Thi ế t k ế m ạ ch l ự c 64 Thi ế t k ế m ạ ch driver cho Mosfet 66 Kit vi đi ề u khi ể n STM32F4 Discovery 66 M ạ ch đo dòng đi ệ n 67 C ả m bi ế n v ị trí Hall 68 K Ế T LU Ậ N 71 TÀI LI Ệ U THAM KH Ả O 1 PH Ụ L Ụ C 2 vi DANH M Ụ C HÌNH V Ẽ Hình 1 1: Đ ộ ng cơ t ừ tr ở thay đ ổ i 10 Hình 1 2: Phân lo ạ i đ ộ ng cơ 11 Hình 1 3 M ặ t c ắ t c ấ u t ạ o c ủ a đ ộ ng cơ t ừ tr ở đ ồ ng b ộ 12 Hình 1 4: Rotor và Stator c ủ a SRM 15 Hình 1 5: Rotor 16 Hình 1 6: M ộ t s ố lo ạ i SRM đi ể n hình hi ệ n nay 16 Hình 1 7: Nguyên lý ho ạ t đ ộ ng c ủ a 1 c ự c stator và 1 c ự c rotor 17 Hình 1 8: C ấ u trúc c ủ a SRM lo ạ i 8/6 v ớ i: a) V ị trí đ ồ ng tr ụ c, b) V ị tr ị l ệ ch tr ụ c, c) V ị trí m ấ t đ ồ ng tr ụ c 17 Hình 1 9: Phân b ố t ừ thông ở a) V ị trí l ệ ch tr ụ c b) V ị trí đ ồ ng tr ụ c 18 Hình 1 10: Trình t ự đóng ng ắ t ngu ồ n sA, sD, sC, sB, sA đ ể t ạ o ra chuy ể n đ ộ ng quay theo chi ề u kim đ ồ ng h ồ 19 Hình 1 11: Trình t ự đóng ng ắ t ngu ồ n sA, sB, sC, sD, sA đ ể t ạ o ra chuy ể n đ ộ ng quay ngư ợ c theo chi ề u kim đ ồ ng h ồ 19 Hình 1 12: M ạ ch tương đương m ộ t pha đ ộ ng cơ SRM 20 Hình 1 13: Đ ặ c tính công su ấ t c ủ a SRM 22 Hình 2 1: Giao di ệ n ph ầ n m ề m ANSYS maxwell 25 Hình 2 2: Mô hình đ ộ ng cơ SRM 12/8 trên Ansys Maxwell 26 Hình 2 3: Mô hình đ ộ ng cơ SRM 12/8 trên giao di ệ n Maxwell c ủ a Ansys Maxwell 27 Hình 2 4: Mô hình đ ộ ng cơ t ừ tr ở thay đ ổ i 3D 28 Hình 2 5: Mô hình đ ộ ng cơ t ừ tr ở thay đ ổ i 2D 28 Hình 2 6:Quan h ệ t ừ thông theo v ị trí và dòng đi ệ n 28 Hình 2 7: Quan h ệ 3 chi ề u t ừ thông theo v ị trí và dòng đi ệ n 28 Hình 2 8: Quan h ệ đi ệ n c ả m theo v ị trí rotor và dòng đi ệ n 29 Hình 2 9: Quan h ệ momen theo dòng đi ệ n và v ị t rí rotor 29 Hình 2 10: Mô hình 1 pha c ủ a SRM 30 Hình 2 11: Mô hình 3 pha c ủ a đ ộ ng cơ SRM 30 Hình 2 12: Mô hình SRM trên Simulink 31 Hình 3 1: Sơ đ ồ b ộ bi ế n Asymmetric Bridge Converter 3 pha 32 Hình 3 2: B ộ bi ế n đ ổ i cho 1 pha b) M ạ ch đi ệ n m ộ t pha Stator 32 Hình 3 3: Hai tr ạ ng thái ON/OFF trong chuy ể n m ạ ch c ứ ng 33 Hình 3 4: a) Đi ệ n c ả m đ ộ ng cơ SRM b) Tr ạ ng t hái van T 1 /T 2 c) Đi ệ n áp pha d) Dòng pha 33 Hình 3 5: a) Đi ệ n c ả m đ ộ ng cơ SRM b) Tr ạ ng thái van T c) Tr ạ ng thái van T 2 c) Đi ệ n áp ph a d) Dòng pha 34 Hình 3 6: D ạ ng tín hi ệ u trong phương pháp đi ề u khi ể n cơ b ả n 35 vii Hình 3 7: B ộ đi ề u khi ể n dòng đi ệ n Hysteris band 36 Hình 3 8: C ấ u trúc đi ề u khi ể n phương pháp cơ b ả n 36 Hình 3 9: Đ ặ c tính đi ệ n c ả m và dòng đi ệ n phương pháp đi ề u khi ể n cơ b ả n và đi ề u khi ể n vector 37 Hình 3 10: Đ ồ th ị điên c ả m và dòng đi ệ n phương pháp vector 39 Hình 3 11: Vector control of SRM 39 Hình 3 12: Đư ờ ng s ứ c t ừ chính và vector t ừ thông khi ch ỉ có thành ph ầ n DC 39 Hình 3 13: D ạ ng dòng đi ệ n kích thích đơn c ự c sau khi lo ạ i b ỏ thành ph ầ n dòng đi ệ n DC 40 Hình 3 14: Đư ờ ng s ứ c t ừ chính và vector t ừ thông khi ch ỉ kích thích thành ph ầ n AC 40 Hình 3 15: Đư ờ ng s ứ c t ừ chính và momen khi kích thích c ả 2 thành ph ầ n DC và AC 41 Hình 3 16: Đ ồ th ị minh h ọ a nguyên lý t ạ o momen trong SRM T ừ trên xu ố ng dư ớ i: Dòng đi ệ n AC khi lo ạ i b ỏ thành thành ph ầ n DC, s ứ c ph ả n đi ệ n đ ộ ng b ở i thành ph ầ n dòng DC, Năng lư ợ ng đi ệ n tiêu th ị trên pha u, T ổ ng năng lư ợ ng tiêu th ụ 41 Hình 3 17: Mô hình khung tham chi ế u c ố đ ị nh c ủ a SRM 42 Hình 3 18: Mô hình khung tham chi ế u quay dq c ủ a SRM 43 Hình 3 19: C ấ u trúc đi ề u khi ể n vector cho SRM 44 Hình 3 20: Đ ồ th ị hàm s ố 45 Hình 3 21: C ấ u trúc đi ề u khi ể n SRM 46 Hình 3 22: Nguyên lí b ộ đi ề u khi ể n Hysteresis Current Controller HCC 46 Hình 3 23: C ấ u trúc m ạ ch vòng đi ề u khi ể n dòng đi ệ n theo phương pháp HCC 47 Hình 3 24: C ấ u trúc b ộ đi ề u khi ể n dòng c ả i ti ế n 49 Hình 3 25: C ấ u trúc b ộ đi ề u khi ể n truy ề n th ẳ ng 50 Hình 3 26: Mô hình tuy ế n tính đ ộ ng cơ SRM 51 Hình 3 27: Mô hình tuy ế n tính rút g ọ n c ủ a đ ộ ng cơ SRM 51 Hình 3 28: Sơ đ ồ m ạ ch vòng dòng đi ệ n 52 Hình 4 1: C ấ u đi ề u trúc đi ề u khi ể n cơ b ả n 54 Hình 4 2: C ấ u trúc đi ề u khi ể n đ ộ ng cơ SRM12/8 s ử d ụ ng b ộ đi ề u khi ể n HCC 55 Hình 4 3: B ộ đi ề u khi ể n dòng hysteresis current control 56 Hình 4 4: C ấ u trúc đi ề u khi ể n đ ộ ng cơ SRM12/8 s ử d ụ ng b ộ đi ề u khi ể n dòng Improved Current Controller 57 Hình 4 5: Đáp ứ ng dòng đi ệ n, đáp ứ ng momen, đáp ứ ng t ố c đ ộ phương pháp đi ề u khi ể n cơ b ả n 58 viii Hình 4 6: Đ ộ đ ậ p m ạ ch momen theo phương pháp đi ề u khi ể n cơ b ả n 59 Hình 4 7: Đáp ứ ng dòng đi ệ n, đáp ứ ng momen, đáp ứ ng t ố c đ ộ phương pháp đi ề u khi ể n s ử d ụ ng b ộ đi ề u khi ể n HCC 60 Hình 4 8: Đ ậ p m ạ ch momen phương pháp đi ề u khi ể n vector v ớ i b ộ đi ề u khi ể n HCC 61 Hình 4 9: Đáp ứ ng dòng đi ệ n, đáp ứ ng momen, đáp ứ ng t ố c đ ộ phương pháp đi ề u khi ể n s ử d ụ ng b ộ đi ề u khi ể n Improved Current Controller 62 Hình 4 10: Đ ậ p m ạ ch momen phương pháp đi ề u khi ể n vector v ớ i b ộ đi ề u khi ể n Improved Current Controller theo nguyên lý PWM 63 Hình 5 1 C ấ u trúc ph ầ n c ứ ng th ự c nghi ệ m 64 Hình 5 2 M ạ ch l ự c c ầ u không đ ố i x ứ ng 3 pha đ ộ ng cơ SRM 64 Hình 5 3 M ạ ch c ầ u không đ ố i x ứ ng cho pha u 65 Hình 5 4 M ạ ch Driver c ấ u trúc Push - Pull k ế t h ợ p bi ế n áp xung 66 Hình 5 5 Kit vi đi ề u khi ể n STM32F4 Dis covery 66 Hình 5 6 C ấ u hình s ử d ụ ng c ả m bi ế n ACS758LCB 67 Hình 5 7 Thi ế t k ế m ạ ch đo dòng 67 Hình 5 8 Hình ả nh c ả m bi ế n ACS758LCB th ự c t ế 67 Hình 5 9 Hi ệ u ứ ng Hall 68 Hình 5 10 Nam châm vĩnh c ử u đư ợ c g ắ n v ớ i tr ụ c rotor đ ộ ng cơ 68 Hình 5 11 Ba c ả m bi ế n hall đ ặ t c ạ nh vòng tròn nam châm 69 Hình 5 12 D ạ ng sóng tín hi ệ u c ủ a 3 c ả m bi ế n Hall 69 Hình 5 13 M ạ ch phân áp tín hi ệ u c ả m bi ế n Hall 70 Hình 5 14 M ạ ch PCB đi ề u khi ể n SRM 70 ix DANH M Ụ C B Ả NG BI Ể U B ả ng 1 1: So sánh SRM v ớ i đ ộ ng cơ Không đ ồ ng b ộ 13 B ả ng 1 2: So sánh SRM v ớ i đ ộ ng cơ m ộ t chi ề u 14 B ả ng 2 1: Thông s ố đ ộ ng cơ SRM 12/8 25 10 CHƯƠNG 1 T Ổ NG QUAN Đ Ộ NG CƠ T Ừ TR Ở THAY Đ Ổ I 1 1 Gi ớ i thi ệ u v ề đ ộ ng cơ t ừ tr ở thay đ ổ i Sơ lư ợ c v ề đ ộ ng cơ t ừ tr ở thay đ ổ i Đ ộ ng cơ t ừ tr ở thay đ ổ i – Switched Reluctance Motor (SRM) b ắ t đ ầ u đư ợ c đ ề xu ấ t t ừ năm 1842 v ớ i nhi ể u ưu đi ể m so v ớ i các đ ộ ng cơ cùng th ờ i như đ ộ ng cơ không đ ồ ng b ộ m ộ t pha, đ ộ ng cơ không đ ồ ng b ộ ba pha, đ ộ ng cơ đi ệ n đ ồ ng b ộ ba pha, Tuy nhiên, vì c ấ u trúc SRM v ớ i c ấ u trúc hai c ự c l ồ i và tính phi tuy ế n c ủ a đ ặ c tính đi ệ n c ả m nên xu ấ t hi ệ n các v ấ n đ ề v ề ti ế ng ồ n và đ ậ p m ạ ch m o men là m ộ t rào c ả n l ớ n so v ớ i các lo ạ i đ ộ ng cơ khác khi đưa vào s ử d ụ ng th ự c ti ễ n Ch ỉ t ừ đ ầ u th ậ p k ỷ 90, khi các lĩnh v ự c c ả m bi ế n, đi ệ n t ử công su ấ t và đ ặ c bi ệ t vi đi ề u khi ể n/vi x ử lý tín hi ệ u đ ạ t đư ợ c nh ữ ng ti ế n b ộ đáng k ể , cho phép kh ắ c ph ụ c các đi ể m y ế u nói trên b ằ ng các gi ả i pháp ph ầ n m ề m m ộ t cách r ấ t có hi ệ u qu ả , đ ồ ng th ờ i đ ả m b ả o giá thành h ệ th ố ng th ấ p Khi ấ y, ĐCTK l ạ i đư ợ c quan tâm, đ ặ c bi ệ t trong nh ữ ng ứ ng d ụ ng công su ấ t nh ỏ Hình 1 1 : Đ ộ ng cơ t ừ tr ở thay đ ổ i Các công trình nghiên c ứ u v ề SRM đã đưa ra các phương pháp th i ế t k ế khác nhau cho đ ộ ng cơ đ ể gi ả m t ố i thi ể u đ ộ đ ậ p m ạ ch c ủ a momen ho ặ c các k ỹ thu ậ t đi ề u khi ể n khác nhau Tuy nhiên, SRM v ẫ n chưa đ ạ t đư ợ c yêu c ầ u đ ặ t ra cho các h ệ truy ề n đ ộ ng đòi h ỏ i đ ộ chính xác cao như: máy công c ụ CNC, robotics , … Có c ấ u trúc đơn g i ả n là m ộ t đ ặ c đi ể m r ấ t quan tr ọ ng c ủ a SRM so v ớ i t ấ t c ả các lo ạ i máy đi ệ n khác Rotor c ủ a SRM không c ầ n thành ph ầ n kích thích vĩnh c ử u, ch ổ i than hay chuy ể n m ạ ch trong ph ầ n Rotor Các cu ộ n dây đư ợ c qu ấ n xung quanh c ự c Stator m ộ t cách t ậ p trung và đ ộ c l ậ p v ớ i nhau t ạ o thành các pha và m ỗ i pha ch ỉ có hai c ự c Ph ầ n Rotor không ch ứ a các cu ộ n dây mà ch ỉ đơn gi ả n là các lá thép đư ợ c ép l ạ i v ớ i nhau hình thành các răng Rotor SRM là lo ạ i đ ộ ng cơ duy nh ấ t có c ấ u t ạ o có c ự c ở c ả hai phía Rotor và Stator Và như th ế , SRM h ứ a h ẹ n trong tương lai không xa s ẽ có th ể thay th ế r ấ t nhi ề u h ệ truy ề n đ ộ ng đang đư ợ c s ử d ụ ng đ ộ ng cơ không đ ồ ng b ộ Rotor l ồ ng sóc, hay đ ộ ng cơ m ộ t chi ề u Hi ệ n nay, xu hư ớ ng gi ả m s ử d ụ ng nhiên li ệ u hóa th ạ ch tăng lên do đó xe đi ệ n (EVs) d ầ n tr ở nên tr ở thành m ộ t lĩnh v ự c quan tr ọ ng trong ngành công 11 nghi ệ p oto Các t ổ ch ứ c th ế gi ớ i đã nghiên c ứ u trong năm 2011, 80 tri ệ u xe đi ệ n đã đư ợ c s ả n xu ấ t, và tăng m ạ n h trong năm 2015 như hình 1 4 Khi đó ứ ng d ụ ng c ủ a đ ộ ng SRM ch ắ c ch ắ n s ẽ chi ế m m ộ t t ầ m quan tr ọ ng r ấ t l ớ n Các lo ạ i đ ộ ng cơ t ừ tr ở ( Reluctance Motors ) Khái ni ệ m đ ộ ng cơ t ừ tr ở đã có t ừ r ấ t lâu, v ớ i cái tên máy đi ệ n t ừ và sau này đư ợ c phát tri ể n thành m ộ t k hái ni ệ m m ớ i đó là đ ộ ng cơ bư ớ c M ộ t cách cơ b ả n thì SRM là m ộ t d ạ ng đ ộ ng cơ bư ớ c đã và đang có r ấ t nhi ề u ứ ng d ụ ng trong c ả lĩnh v ự c ứ ng d ụ ng đ ộ ng cơ bư ớ c chuy ể n đ ộ ng quay và đ ộ ng cơ bư ớ c tuy ế n tính D ự a vào đ ặ c đi ể m c ấ u t ạ o, các đ ộ ng cơ có th ể đư ợ c phân l o ạ i như Hình 1 2 Hình 1 2 : Phân lo ạ i đ ộ ng cơ Đ ộ ng cơ t ừ tr ở ( Reluctance Motors ) là lo ạ i đ ộ ng cơ ho ạ t đ ộ ng d ự a trên s ự khác bi ệ t và bi ế n thiên c ủ a t ừ tr ở m ạ ch t ừ Trong hình 1 2 , đ ộ ng cơ t ừ tr ở chia ra làm hai lo ạ i chính: đ ộ ng cơ t ừ tr ở đ ồ ng b ộ ( Synchoronous Reluctance Motor ) và đ ộ ng cơ t ừ tr ở ki ể u đóng ng ắ t (Switched Reluctance Motor s ) Đ ộ ng cơ t ừ tr ở đ ồ ng b ộ (SynRM) v ớ i c ấ u t ạ o như hình 1 3 có nguyên lý sinh momen d ự a trên s ự khác bi ệ t gi ữ a đi ệ n c ả m d ọ c tr ụ c và đi ệ n c ả m ngang tr ụ c trong h ệ t ọ a đ ộ dq SynRM có s ố c ự c ở Stator và Rotor là b ằ ng nhau Rotor c ủ a SynRM đư ợ c thi ế t k ế đ ể hư ớ ng t ừ thông qua rotor theo qu ỹ đ ạ o mong mu ố n, do đó các l ỗ tr ố ng đư ợ c t ạ o ra nh ằ m m ụ c đích này (như hình 1 3 ) Cũng nh ờ v ậ y nên khi làm vi ệ c, rotor c ủ a đ ộ ng cơ náy mát hơn so v ớ i các đ ộ ng cơ khác S ố c ự c đi ể n hi ể n c ủ a SynRM là 4 và 6 Vi ệ c đi ề u khi ể n đ ộ ng cơ t ừ tr ở đ ồ ng b ộ tương như đi ề u khi ể n đ ộ ng cơ đ ồ ng b ộ thông thư ờ ng Tuy nhiên, đ ộ ng cơ này không ph ả i đ ố i tư ợ ng nghiên c ứ u chính c ủ a đ ề tài này 12 Hình 1 3 M ặ t c ắ t c ấ u t ạ o c ủ a đ ộ ng cơ t ừ tr ở đ ồ ng b ộ Đ ộ ng cơ t ừ tr ở ki ể u đóng c ắ t là đ ộ ng cơ có nguyên lý h ọ c đ ộ ng khác v ớ i t ấ t c ả các lo ạ i đ ộ ng cơ khác Ph ầ n này s ẽ đư ợ c làm rõ ở m ụ c 1 2 Ưu như ợ c đi ể m và ứ ng d ụ ng c ủ a SRM V ớ i c ấ u trúc đơn gi ả n, có c ự c ở c ả hai phía, Rotor không c ầ n có thành ph ầ n kích thích, SRM có m ộ t s ố ưu đi ể m n ổ i b ậ t sau: + Stator có lõi s ắ t có các c ự c t ừ l ồ i và các cu ộ n dây qu ấ n t ậ p trung nên đơn gi ả n trong khâu thi ế t k ế , ch ế t ạ o + Rotor không có dây qu ấ n, không có nam châm, ch ỉ là m ộ t kh ố i s ắ t t ừ nên cũng đơn gi ả n trong vi ệ c ch ế t ạ o và gi ả m chi phí Rotor không có dây qu ấ n, không có nam châm, l ạ i đư ợ c thi ế t k ế v ớ i đư ờ ng kính bé đ ể gi ả m momen quán tính nên ho ạ t đ ộ ng đư ợ c ở t ố c đ ộ cao + Mômen c ủ a SRM t ỉ l ệ bình phương v ớ i cư ờ ng đ ộ dòng đi ệ n, do đó có kh ả năng sinh mômen l ớ n, đ ặ c bi ệ t khi kh ở i đ ộ ng + Dò ng đi ệ n ch ạ y qua cu ộ n dây ch ỉ theo m ộ t chi ề u nên giúp cho m ạ ch công su ấ t có c ấ u t ạ o đơn gi ả n, tin c ậ y + Khi x ả y ra s ự c ố m ấ t pha, SRM v ẫ n có th ể duy trì ho ạ t đ ộ ng, đây là m ộ t ưu đi ể m đư ợ c t ậ n d ụ ng trong nh ữ ng ứ ng d ụ ng đòi h ỏ i tính an toàn cao + Do ch ỉ c ấ p đ i ệ n phía Stator nên vi ệ c làm mát đ ố i v ớ i SRM là vô cùng đơn gi ả n, vì v ậ y mà SRM có th ể làm vi ệ c tương đ ố i t ố t trong nh ữ ng môi trư ờ ng kh ắ c nghi ệ t Tuy nhiên, đ ộ ng cơ SRM có nh ữ ng như ợ c đi ể m sau: + SRM là lo ạ i đ ộ ng cơ r ấ t khó đi ề u khi ể n Vi ệ c đi ề u khi ể n SRM lu ôn c ầ n có c ả m bi ế n đo góc tuy ệ t đ ố i chính xác xác đ ị nh v ị trí Rotor và b ộ bi ế n đ ổ i đi ệ n t ử công su ấ t đ ể c ấ p đi ệ n cho m ỗ i pha Do v ậ y, ở nh ữ ng ứ ng d ụ ng không yêu c ầ u đi ề u ch ỉ nh t ố c đ ộ , ngư ờ i ta không dùng SRM 13 + V ớ i c ấ u trúc hai c ự c l ồ i c ủ a đ ộ ng cơ và b ả n ch ấ t khác bi ệ t c ủ a vi ệ c t ạ o mômen d ẫ n t ớ i s ự phi tuy ế n m ạ nh gi ữ a các thông s ố , gây khó khăn trong vi ệ c đi ề u khi ể n + H ệ truy ề n đ ộ ng SRM luôn có nh ấ p nhô momen l ớ n nên không đư ợ c ứ ng d ụ ng cho nh ữ ng h ệ th ố ng c ầ n đi ề u khi ể n v ị trí (các h ệ Servo) nhưn Ro bot, máy công c ụ CNC, … + Do nh ấ p nhô momen và s ự bi ế n đôi thư ờ ng xuyên c ủ a l ự c xuyên tâm, ti ế ng ồ n, đ ộ rung sinh ra khi v ậ n hành là m ộ t như ợ c đi ể m l ớ n c ủ a SRM V ớ i nh ữ ng ưu, như ợ c đi ể m đư ợ c trình bày ở trên, SRM có nh ữ ng ứ ng d ụ ng đ ặ c thù, phát huy ưu đi ể m v ư ợ t tr ộ i và h ạ n ch ế đư ợ c nh ữ ng như ợ c đi ể m c ủ a nó Khi các công c ụ đi ề u khi ể n phát tri ể n, SRM có nh ữ ng ứ ng d ụ ng c ụ th ể sau: + Ứ ng d ụ ng trong máy gi ặ t, máy nén khí, qu ạ t gió, bơm Đây là nh ữ ng ứ ng d ụ ng đòi h ỏ i t ố c đ ộ cao, kh ả năng sinh momen m ạ nh m ẽ và có th ể ch ấ p nh ậ n đ ộ rung, ti ế ng ồ n ở m ộ t m ứ c đ ộ nh ấ t đ ị nh + Ứ ng d ụ ng cho hàng không, SRM là m ộ t s ự l ự a ch ọ n lý tư ở ng cho ứ ng d ụ ng trong hàng không v ớ i vai trò đ ộ ng cơ sơ c ấ p kh ở i đ ộ ng đ ộ ng cơ ph ả n l ự c - lo ạ i ứ ng d ụ ng c ầ n ch ạ y ở t ố c đ ộ 27000 - 50000 vòng /phút Khi đ ộ ng cơ đã ch ạ y ổ n đ ị nh, SRM gi ữ vai trò máy phát, làm ngu ồ n c ấ p cho m ạ ng đi ệ n máy bay + Ứ ng d ụ ng làm đ ộ ng cơ phát đ ộ ng cho truy ề n đ ộ ng kéo tàu đi ệ n, xe đi ệ n, chân v ị t tàu th ủ y, tàu ng ầ m So sánh đ ộ ng cơ t ừ tr ở v ớ i m ộ t s ố đ ộ ng cơ khác B ả ng 1 1 : So sánh SRM v ớ i đ ộ ng cơ Không đ ồ ng b ộ Đ ặ c đi ể m SRM ĐK Đ ặ c đi ể m momen Có th ể sinh momen l ớ n trong d ả i dư ớ i t ố c đ ộ cơ b ả n Momen nh ỏ ở vùng t ố c đ ộ th ấ p T ỷ l ệ P/kt L ớ n V ừ a ph ả i Do c ả Stator và Rotor đ ề u có cu ộ n dây nên t ỷ l ệ này th ấ p hơn so v ớ i SRM Quán tính Rotor Th ấ p Đi ể m thu ậ n l ợ i cho đ ặ c tính đ ộ ng Cao Làm x ấ u đ ặ c tính đ ộ ng c ủ a đ ộ ng cơ Dòng kh ở i đ ộ ng Đ ị nh m ứ c R ấ t cao C ầ n gi ớ i h ạ n dòng đi ệ n kh ở i đ ộ ng Thông thư ờ ng dùng m ạ ch kh ở i đ ộ ng sao - tam giác Đi ề u khi ể n Đ ộ ng cơ không th ể ho ạ t đ ộ ng tr ự c ti ế p v ớ i lư ớ i đi ệ n 3 pha mà ch ỉ có th ể ho ạ t Đ ộ ng cơ có th ể ho ạ t đ ộ ng tr ự c ti ế p v ớ i lư ớ i đi ệ n 3 pha khi ho ạ t đ ộ ng ở đ ị nh 14 đ ộ ng khi có m ạ ch công su ấ t và m ạ ch đi ề u khi ể n m ứ c M ạ ch công su ấ t và m ạ ch đi ề u khi ể n ch ỉ c ầ n thi ế t khi c ầ n thay đ ổ i t ố c đ ộ B ả ng 1 2 : So sánh SRM v ớ i đ ộ ng cơ m ộ t chi ề u Đ ặ c đi ể m SRM ĐCMC Chuy ể n m ạ ch Không có ch ổ i than, vành góp Chuy ể n m ạ ch có ch ổ than, vành góp B ả o dư ỡ ng R ấ t ít vì không dùng ch ổ i than C ầ n b ả o dư ỡ ng đ ị nh k ỳ Th ờ i gian làm vi ệ c Lâu hơn Ng ắ n hơn D ả i t ố c đ ộ Cho phép ho ạ t đ ộ ng trên toàn d ả i t ố c đ ộ Ở t ố c đ ộ cao, ma sát gây ra b ở i ch ổ i than và vành góp tăng, làm tăng momen h ữ u ích Hi ệ u su ấ tt Cao Do không có đi ệ n áp rơi trên ch ổ i than V ừ a ph ả i T ỷ l ệ P/kt L ớ n Kích thư ớ c đ ộ ng cơ gi ả m do c ấ u t ạ o đơn gi ả n, đ ặ c tính t ả n nhi ệ t t ố t Đ ộ ng cơ SRM có các cu ộ n day Stator g ắ n trên tr ụ c đ ộ ng cơ nên kh ả năng t ả n nhi ệ t r ấ t cao V ừ a ph ả i/ th ấ p Nhi ệ t sinh ra t ừ ph ầ n ứ ng đư ợ c t ỏ a ra khe h ở và làm nóng khe h ở Đi ề u này làm h ạ n ch ế P/kt Quán tính Rotor Th ấ p Do Rotor ch ỉ là các lá thép m ỏ ng ghép l ạ i v ớ i nhau Quán tính Rotor cao hơn gi ớ i h ạ n đ ặ c tính đ ộ ng c ủ a đ ộ ng cơ D ả i t ố c đ ộ R ộ ng Do không khí b ị gi ớ i h ạ n v ề m ặ t cơ khí Th ấ p Do b ị gi ớ i h ạ n b ở i m ặ t cơ khí c ủ a ch ổ i than Nhi ễ u đi ệ n R ấ t th ấ p Ch ổ i than và vành góp khi ho ạ t đ ộ ng sinh ra các nhi ễ u đi ệ n t ừ ả nh hư ở ng t ớ i các thi ế t b ị xung quanh Giá thành R ẻ hơn do c ấ u t ạ o đơn gi ả n Bình thư ờ ng Đi ề u khi ể n Ph ứ c t ạ p Đơn gi ả n và r ẻ Yêu c ầ u v ề đi ề u khi ể n Đ ộ ng cơ ph ả i luôn đi kèm v ớ i m ạ ch công su ấ t và m ạ ch đi ề u khi ể n, n ế u không thì đ ộ ng cơ s ẽ không ch ạ y Đ ộ ng cơ có th ể không c ầ n b ộ đi ề u khi ể n khi ho ạ t đ ộ ng ở t ố c đ ộ đ ị nh m ứ c B ộ đi ề u khi ể n ch ỉ c ầ n thi ế t khi thay đ ổ i t ố c đ ộ đ ộ ng cơ 15 1 2 Phân tích ho ạ t đ ộ ng c ủ a đ ộ ng cơ t ừ tr ở Cơ s ở v ậ t lý c ủ a đ ộ ng cơ t ừ tr ở Đ ể hi ể u nguyên lý ho ạ t đ ộ ng c ủ a SRM, ta xem xét phương trình momen c ủ a đ ộ ng cơ đ ồ ng b ộ kích thích b ằ ng nam châm vĩnh c ử u như sau: ( ) ( ) 3 3 2 2 M p sd sq sq sd p p sq sd sq sd sq m z i i z i i i L L      = − = + −   ( 1 1 ) Ta th ấ y momen quay bao g ồ m 2 thành ph ầ n: Thành ph ầ n chính do t ừ thông c ự c p  (nam châm vĩnh c ử u) gây nên, thành ph ầ n ph ả n kháng do hi ệ u s ố ( ) sd sq L L − gây nên Rõ ràng: n ế u máy đi ệ n hoàn toàn không có kích thích và 0 p  = , khi ấ y máy đi ệ n v ẫ n có kh ả năng t ạ o ra momen và momen đó càng l ớ n n ế u chênh l ệ ch ( ) sd sq L L − càng l ớ n Đây chính là cơ s ở vât lý c ủ a SRM, là lo ạ i máy đi ệ n không có h ệ th ố ng kích t ừ m ộ t cách rõ ràng C ấ u t ạ o c ủ a đ ộ ng cơ t ừ tr ở thay đ ổ i Cũng gi ố ng như các lo ạ i đ ộ ng cơ khác, SRM đư ợ c c ấ u t ạ o b ở i 2 ph ầ n chính: Stator : Không gi ố ng như Stator c ủ a các lo ạ i máy đi ệ n 3 pha khác - lo ạ i máy đi ệ n có các cu ộ n dây có th ể phân tán tùy theo s ố đôi c ự c, Stator c ủ a SRM có c ấ u t ạ o b ở i nhi ề u c ự c ch ứ a các cu ộ n dây t ậ p trung Hình 1 4 : Rotor và Stator c ủ a SRM Rotor : Hoàn toàn k hác v ớ i Rotor c ủ a các lo ạ i máy đi ệ n khác, Rotor c ủ a SRM không ch ứ a các cu ộ n dây và đư ợ c ch ế t ạ o b ằ ng v ậ t li ệ u s ắ t t ừ có x ẻ răng (teeth) v ớ i t ổ ng s ố răng bao gi ờ cũng ít hơn t ổ ng s ố c ự c c ủ a Stator 16 Hình 1 5 : Rotor SRM có nhi ề u lo ạ i, tùy theo yêu c ầ u c ụ th ể v ề t ố c đ ộ , công su ấ t…Hình 1 6 gi ớ i thi ệ u v ề m ộ t s ố lo ạ i SRM khác nhau: Hình 1 6 : M ộ t s ố lo ạ i SRM đi ể n hình hi ệ n nay Nguyên lý ho ạ t đ ộ ng Phương th ứ c ho ạ t đ ộ ng c ủ a SRM r ấ t đơn gi ả n: Có th ể coi SRM là m ộ t h ệ th ố ng các nam châm đi ệ n đ ộ c l ậ p, đư ợ c luân phiên c ấ p dòng đ ồ ng b ộ v ớ i v ị trí c ủ a rotor N ế u xét riêng m ộ t c ự c stator và m ộ t c ự c rotor thì có th ể coi SRM là h ệ th ố ng các nam châm đi ệ n Kh i m ộ t lõi s ắ t đư ợ c cu ố n xung quanh là cu ộ n dây có dòng đi ệ n ch ạ y qua thì nó tr ở thành nam châm đi ệ n và hút các v ậ t li ệ u s ắ t t ừ khác Tương t ự ở đây khi cu ộ n dây qu ấ n quanh m ộ t c ự c c ủ a stator có đi ệ n thì nó cũng tr ở thành nam châm đi ệ n và hút v ậ t li ệ u s ắ t t ừ là c ự c rotor g ầ n nh ấ t v ớ i nó, làm rotor quay 17 Hình 1 7 : Nguyên lý ho ạ t đ ộ ng c ủ a 1 c ự c stator và 1 c ự c rotor Các c ự c c ủ a stator và rotor s ẽ đư ợ c thi ế t k ế ở v ị trí tương đ ố i thích h ợ p đ ể khi đư ợ c c ấ p đi ệ n vào các cu ộ n dây thì h ệ th ố ng nam châm này s ẽ t ạ o ra l ự c hút theo cùng m ộ t hư ớ ng quay, t ạ o nên momen t ổ ng cho SRM Hình 1 8 : C ấ u trúc c ủ a SRM lo ạ i 8/6 v ớ i: a) V ị trí đ ồ ng tr ụ c, b) V ị t r ị l ệ ch tr ụ c, c) V ị trí m ấ t đ ồ ng tr ụ c Momen c ủ a SRM có đư ờ ng phân b ố trên b ề m ặ t rotor l ặ p l ạ i theo chu k ỳ c ủ a răng Trong m ỗ i chu k ỳ có hai v ị trí: v ị trí đ ồ ng tr ụ c và v ị tr ị l ệ ch tr ụ c Ta xét m ộ t s ố đ ị nh nghĩa: Đ ị nh nghĩa 1 : Rotor c ủ a SRM đư ợ c coi là n ằ m ở v ị trí đ ồ ng tr ụ c so v ớ i 1 pha xác đ ị nh nào đó n ế u t ạ i th ờ i đi ể m đó đi ệ n c ả m c ủ a cu ộ n dây pha là l ớ n nh ấ t và Rotor đư ợ c coi là ở v ị trí l ệ ch tr ụ c v ớ i m ộ t pha xác đ ị nh n ế u như đi ệ n c ả m đ ạ t giá tr ị nh ỏ nh ấ t, còn ở các v ị trí khác thì Rotor s ẽ đ ư ợ c g ọ i l à v ị trí m ấ t đ ồ ng tr ụ c Đ ị nh nghĩa 2 : Khi m ộ t cu ộ n dây pha đư ợ c d ẫ n dòng, Rotor c ủ a SRM luôn có xu hư ớ ng chuy ể n đ ộ ng v ề phía c ự c Stator có cu ộ n dây đư ợ c d ẫ n dòng đ ể giá tr ị đi ệ n c ả m là l ớ n nh ấ t (v ị trí đ ồ ng tr ụ c) và đi ề u này làm cho t ừ năng trong cu ộ n dây đ ạ t giá tr ị l ớ n nh ấ t 18 Hình 1 9 : Phân b ố t ừ thông ở a) V ị trí l ệ ch tr ụ c b) V ị trí đ ồ ng tr ụ c L ấ y ví d ụ đ ộ ng cơ SRM 8/6 đ ể gi ả i thích nguyên lý ho ạ t đ ộ ng (hình 1 11 ) Rotor có 6 c ự c v à stator có 8 c ự c và đư ợ c n ố i dây thành 4 pha A, B, C, D, c ứ 2 c ự c đ ố i x ứ ng đư ợ c n ố i dây thành m ộ t pha Trong hình 1 11 gi ả thi ế t r ằ ng: t ạ i m ộ t th ờ i đi ể m xác đ ị nh thì ch ỉ có cu ộ n dây c ủ a m ộ t pha đư ợ c c ấ p ngu ồ n T ạ i th ờ i đi ể m 0 (lúc b ắ t đ ầ u cu ộ n dây pha đư ợ c c ấ p ngu ồ n), Rotor n ằ m ở v ị trí m ấ t đ ồ ng tr ụ c, theo đ ị nh nghĩa trên, Rotor s ẽ b ị kéo chuy ể n đ ộ ng v ề phía c ự c c ủ a c ủ a pha đang d ẫ n dòng đ ể đ ạ t tr ạ ng thái đ ồ ng tr ụ c, lúc này n ế u ng ắ t dòng pha 1 (i s1 =0) và pha 4 đư ợ c c ấ p ngu ồ n khi đó Rotor ti ế p t ụ c đư ợ c kéo v ề v ị trí đ ồ ng tr ụ c (theo hình 1 11 b) và như v ậ y Rotor s ẽ đư ợ c gi ữ nguyên chi ề u quay (theo chi ề u thu ậ n chi ề u kim đ ồ ng h ồ ) tính theo v ị trí m ấ t đ ồ ng tr ụ c hi ệ n th ờ i t ớ i v ị trí đ ồ ng tr ụ c g ầ n nh ấ t (hình 1 11 c ) đ ố i v ớ i pha 4 Bây gi ờ Rotor l ạ i ở v ị trí m ấ t đ ồ ng tr ụ c so v ớ i pha 3 và pha 3 đư ợ c c ấ p ngu ồ n thay vì pha 4 thì đ ả m b ả o Rotor s ẽ đư ợ c duy trì theo chi ề u quay c ố đ ị nh (hình 1 11 d) Tóm l ạ i , đ ể đ ộ ng cơ quay theo chi ề u kim đ ồ ng h ồ , ta c ấ p dòng theo th ứ t ự pha như sau: A, D, C, B (hình 1 11 ) Ta nh ậ n th ấ y: Đ ầ u tiên c ấ p đi ệ n cho pha A, c ự c rotor th ẳ ng hàng v ớ i c ự c stator pha A, r ồ i đ ế n c ấ p đi ệ n cho pha D, r ồ i pha C, r ồ i pha B, r ồ i l ạ đ ế n lư ợ t p ha A đư ợ c c ấ p đi ệ n thì c ự c rotor l ạ i th ẳ ng hàng v ớ i c ự c stator pha A T ứ c là đã xong m ộ t chu k ỳ c ấ p xung Như v ậ y m ỗ i l ầ n c ấ p xung thì rotor quay m ộ t góc b ằ ng góc gi ữ a 2 c ự c rotor là 360 60 6 =  chia cho 4 là 15  hay rotor c ứ quay 15 đ ộ thì ta ph ả i chuy ể n pha c ấ p đi ệ n 19 Hình 1 10 : Trình t ự đóng ng ắ t ngu ồ n sA, sD, sC, sB, sA đ ể t ạ o ra chuy ể n đ ộ ng quay theo chi ề u kim đ ồ ng h ồ Phân tích tương t ự , đ ể quay ngư ợ c chi ề u kim đ ồ ng h ồ ta c ấ p đi ệ n theo th ứ t ự sau: sA, sB, sC, sD, sA, … (hình 1 18) Hình 1 11 : Trình t ự đóng ng ắ t ngu ồ n sA, sB, sC, sD, sA đ ể t ạ o ra chuy ể n đ ộ ng quay ngư ợ c theo chi ề u kim đ ồ ng h ồ 20 Nói m ộ t cách ng ắ n g ọ n, SRM đư ợ c đi ề u khi ể n b ằ ng cách đóng ng ắ t các cu ộ n dây pha m ộ t cách tu ầ n t ự vào ngu ồ n m ộ t chi ề u, đ ồ ng b ộ v ớ i v ị trí c ủ a Rotor Mô t ả toán h ọ c c ủ a đ ộ ng cơ SRM M ặ c dù SRM có c ấ u t ạ o đơn gi ả n cũng như ho ạ t đ ộ ng theo nguyên t ắ c khá đơn gi ả n nhưng vi ệ c phân tích m ộ t cách chính xác ho ạ t đ ộ ng c ủ a SRM v ẫ n yêu c ầ u mô t ả toán h ọ c các m ố i quan h ệ gi ữ a các tham s ố (như đi ệ n áp, dòng đi ệ n, t ừ thông, momen, ) m ộ t cách đ ầ y đ ủ và chu ẩ n m ự c Hình 1 12 : M ạ ch tương đương m ộ t pha đ ộ ng cơ SRM Ta xu ấ t phát t ừ phương trình đi ệ n t ừ cơ s ở v ớ i dòng i , góc quay  và t ừ thông  c ủ a cu ộ ng dây Stator ( ) , d i u Ri dt   = + ( 1 2 ) Trong ( 1 2 ) ta có: ( ) ( , ) , i iL i    = Thành ph ầ n vi phân trong (1 6) có th ể đư ợ c vi ế t l ạ i b ằ ng cách l ấ y đ ạ o hàm riêng như sau: ( ) ( ) ( ) ( ) , , , , d iL i L i L i di d di L i i dt dt dt i dt               = + +       ( 1 3 ) Thay ( 1 3 ) vào ( 1 2 ) ta s ẽ có phương trình đi ệ n áp m ớ i: ( ) ( ) ( ) , , , u Ri L i L i di L i i i dt i        =    + +    =    + ( 1 4 ) Phương trình ( 1 8 ) chính là mô hình phi tuy ế n , mô t ả đi ệ n áp đ ặ t lên cu ộ n dây Stator Thành ph ầ n đi ệ n áp ch ứ a ( ) , / i L i i    minh h ọ a đ ặ c đi ể m phi tuy ế n c ủ a đi ệ n c ả m, ph ụ thu ộ c dòng ch ả y quay cu ộ n dây Mô hình (1 4 ) s ẽ tr ở nên r ấ t rõ ràng d ễ hi ễ u n ế u ta tuy ế n tính hóa m ạ ch t ừ , t ứ c là coi L là h ằ ng: 21 ( ) ( ) d u t R i i dL di L d     + = + ( 1 5 ) Trong mô hình tuy ế n tính ( 1 5 ): • Thành ph ầ n đ ầ u tiên là đi ệ n áp rơi trên đi ệ n tr ở cu ộ n dây (gây nên t ổ n hao thu ầ n tr ở c ủ a cu ộ n dây) • Thành ph ầ n th ứ 2 là đi ệ n áp rơi trên cu ộ n dây k hi có bi ế n thiên

TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ THAY ĐỔI

Giới thiệu về động cơ từ trở thay đổi

Sơ lược về động cơ từ trở thay đổi Động cơ từ trở thay đổi – Switched Reluctance Motor (SRM) bắt đầu được đề xuất từ năm 1842 với nhiểu ưu điểm so với các động cơ cùng thời như động cơ không đồng bộ một pha, động cơ không đồng bộ ba pha, động cơ điện đồng bộ ba pha, Tuy nhiên, vì cấu trúc SRM với cấu trúc hai cực lồi và tính phi tuyến của đặc tính điện cảm nên xuất hiện các vấn đề về tiếng ồn và đập mạch momen là một rào cản lớn so với các loại động cơ khác khi đưa vào sử dụng thực tiễn

Chỉ từ đầu thập kỷ 90, khi các lĩnh vực cảm biến, điện tử công suất và đặc biệt vi điều khiển/vi xử lý tín hiệu đạt được những tiến bộ đáng kể, cho phép khắc phục các điểm yếu nói trên bằng các giải pháp phần mềm một cách rất có hiệu quả, đồng thời đảm bảo giá thành hệ thống thấp Khi ấy, ĐCTK lại được quan tâm, đặc biệt trong những ứng dụng công suất nhỏ

Hình 1.1: Động cơ từ trở thay đổi

Các công trình nghiên cứu về SRM đã đưa ra các phương pháp thiết kế khác nhau cho động cơ để giảm tối thiểu độ đập mạch của momen hoặc các kỹ thuật điều khiển khác nhau Tuy nhiên, SRM vẫn chưa đạt được yêu cầu đặt ra cho các hệ truyền động đòi hỏi độ chính xác cao như: máy công cụ CNC, robotics, …

Có cấu trúc đơn giản là một đặc điểm rất quan trọng của SRM so với tất cả các loại máy điện khác Rotor của SRM không cần thành phần kích thích vĩnh cửu, chổi than hay chuyển mạch trong phần Rotor Các cuộn dây được quấn xung quanh cực Stator một cách tập trung và độc lập với nhau tạo thành các pha và mỗi pha chỉ có hai cực Phần Rotor không chứa các cuộn dây mà chỉ đơn giản là các lá thép được ép lại với nhau hình thành các răng Rotor SRM là loại động cơ duy nhất có cấu tạo có cực ở cả hai phía Rotor và Stator Và như thế, SRM hứa hẹn trong tương lai không xa sẽ có thể thay thế rất nhiều hệ truyền động đang được sử dụng động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc, hay động cơ một chiều

Hiện nay, xu hướng giảm sử dụng nhiên liệu hóa thạch tăng lên do đó xe điện (EVs) dần trở nên trở thành một lĩnh vực quan trọng trong ngành công

11 nghiệp oto Các tổ chức thế giới đã nghiên cứu trong năm 2011, 80 triệu xe điện đã được sản xuất, và tăng mạnh trong năm 2015 như hình 1.4 Khi đó ứng dụng của động SRM chắc chắn sẽ chiếm một tầm quan trọng rất lớn

Các loại động cơ từ trở (Reluctance Motors)

Khái niệm động cơ từ trở đã có từ rất lâu, với cái tên máy điện từ và sau này được phát triển thành một khái niệm mới đó là động cơ bước Một cách cơ bản thì SRM là một dạng động cơ bước đã và đang có rất nhiều ứng dụng trong cả lĩnh vực ứng dụng động cơ bước chuyển động quay và động cơ bước tuyến tính

Dựa vào đặc điểm cấu tạo, các động cơ có thể được phân loại như Hình 1.2

Hình 1.2: Phân loại động cơ Động cơ từ trở (Reluctance Motors) là loại động cơ hoạt động dựa trên sự khác biệt và biến thiên của từ trở mạch từ Trong hình 1.2, động cơ từ trở chia ra làm hai loại chính: động cơ từ trở đồng bộ (Synchoronous Reluctance Motor) và động cơ từ trở kiểu đóng ngắt (Switched Reluctance Motors) Động cơ từ trở đồng bộ (SynRM) với cấu tạo như hình 1.3 có nguyên lý sinh momen dựa trên sự khác biệt giữa điện cảm dọc trục và điện cảm ngang trục trong hệ tọa độ dq SynRM có số cực ở Stator và Rotor là bằng nhau Rotor của SynRM được thiết kế để hướng từ thông qua rotor theo quỹ đạo mong muốn, do đó các lỗ trống được tạo ra nhằm mục đích này (như hình 1.3) Cũng nhờ vậy nên khi làm việc, rotor của động cơ náy mát hơn so với các động cơ khác Số cực điển hiển của SynRM là 4 và 6

Việc điều khiển động cơ từ trở đồng bộ tương như điều khiển động cơ đồng bộ thông thường Tuy nhiên, động cơ này không phải đối tượng nghiên cứu chính của đề tài này

Hình 1.3 Mặt cắt cấu tạo của động cơ từ trở đồng bộ Động cơ từ trở kiểu đóng cắt là động cơ có nguyên lý học động khác với tất cả các loại động cơ khác Phần này sẽ được làm rõ ở mục 1.2 Ưu nhược điểm và ứng dụng của SRM

Với cấu trúc đơn giản, có cực ở cả hai phía, Rotor không cần có thành phần kích thích, SRM có một số ưu điểm nổi bật sau:

+ Stator có lõi sắt có các cực từ lồi và các cuộn dây quấn tập trung nên đơn giản trong khâu thiết kế, chế tạo

+ Rotor không có dây quấn, không có nam châm, chỉ là một khối sắt từ nên cũng đơn giản trong việc chế tạo và giảm chi phí Rotor không có dây quấn, không có nam châm, lại được thiết kế với đường kính bé để giảm momen quán tính nên hoạt động được ở tốc độ cao

+ Mômen của SRM tỉ lệ bình phương với cường độ dòng điện, do đó có khả năng sinh mômen lớn, đặc biệt khi khởi động

+ Dòng điện chạy qua cuộn dây chỉ theo một chiều nên giúp cho mạch công suất có cấu tạo đơn giản, tin cậy

+ Khi xảy ra sự cố mất pha, SRM vẫn có thể duy trì hoạt động, đây là một ưu điểm được tận dụng trong những ứng dụng đòi hỏi tính an toàn cao

+ Do chỉ cấp điện phía Stator nên việc làm mát đối với SRM là vô cùng đơn giản, vì vậy mà SRM có thể làm việc tương đối tốt trong những môi trường khắc nghiệt

Tuy nhiên, động cơ SRM có những nhược điểm sau:

+ SRM là loại động cơ rất khó điều khiển Việc điều khiển SRM luôn cần có cảm biến đo góc tuyệt đối chính xác xác định vị trí Rotor và bộ biến đổi điện tử công suất để cấp điện cho mỗi pha Do vậy, ở những ứng dụng không yêu cầu điều chỉnh tốc độ, người ta không dùng SRM

+ Với cấu trúc hai cực lồi của động cơ và bản chất khác biệt của việc tạo mômen dẫn tới sự phi tuyến mạnh giữa các thông số, gây khó khăn trong việc điều khiển

Phân tích hoạt động của động cơ từ trở

Cơ sở vật lý của động cơ từ trở Để hiểu nguyên lý hoạt động của SRM, ta xem xét phương trình momen của động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu như sau:

M p sd sq sq sd p p sq sd sq sd sq m = z  i − i = z  i +i i L −L  (1.1)

Ta thấy momen quay bao gồm 2 thành phần: Thành phần chính do từ thông cực  p (nam châm vĩnh cửu) gây nên, thành phần phản kháng do hiệu số

( L sd − L sq ) gây nên Rõ ràng: nếu máy điện hoàn toàn không có kích thích và p 0

 = , khi ấy máy điện vẫn có khả năng tạo ra momen và momen đó càng lớn nếu chênh lệch ( L sd − L sq ) càng lớn Đây chính là cơ sở vât lý của SRM, là loại máy điện không có hệ thống kích từ một cách rõ ràng

Cấu tạo của động cơ từ trở thay đổi

Cũng giống như các loại động cơ khác, SRM được cấu tạo bởi 2 phần chính:

Stator: Không giống như Stator của các loại máy điện 3 pha khác- loại máy điện có các cuộn dây có thể phân tán tùy theo số đôi cực, Stator của SRM có cấu tạo bởi nhiều cực chứa các cuộn dây tập trung

Hình 1.4: Rotor và Stator của SRM

Rotor: Hoàn toàn khác với Rotor của các loại máy điện khác, Rotor của

SRM không chứa các cuộn dây và được chế tạo bằng vật liệu sắt từ có xẻ răng (teeth) với tổng số răng bao giờ cũng ít hơn tổng số cực của Stator

SRM có nhiều loại, tùy theo yêu cầu cụ thể về tốc độ, công suất…Hình 1.6 giới thiệu về một số loại SRM khác nhau:

Hình 1.6: Một số loại SRM điển hình hiện nay

Phương thức hoạt động của SRM rất đơn giản: Có thể coi SRM là một hệ thống các nam châm điện độc lập, được luân phiên cấp dòng đồng bộ với vị trí của rotor

Nếu xét riêng một cực stator và một cực rotor thì có thể coi SRM là hệ thống các nam châm điện Khi một lõi sắt được cuốn xung quanh là cuộn dây có dòng điện chạy qua thì nó trở thành nam châm điện và hút các vật liệu sắt từ khác Tương tự ở đây khi cuộn dây quấn quanh một cực của stator có điện thì nó cũng trở thành nam châm điện và hút vật liệu sắt từ là cực rotor gần nhất với nó, làm rotor quay

Hình 1.7: Nguyên lý hoạt động của 1 cực stator và 1 cực rotor

Các cực của stator và rotor sẽ được thiết kế ở vị trí tương đối thích hợp để khi được cấp điện vào các cuộn dây thì hệ thống nam châm này sẽ tạo ra lực hút theo cùng một hướng quay, tạo nên momen tổng cho SRM

Hình 1.8: Cấu trúc của SRM loại 8/6 với: a) Vị trí đồng trục, b) Vị trị lệch trục, c) Vị trí mất đồng trục

Momen của SRM có đường phân bố trên bề mặt rotor lặp lại theo chu kỳ của răng Trong mỗi chu kỳ có hai vị trí: vị trí đồng trục và vị trị lệch trục

Ta xét một số định nghĩa: Định nghĩa 1: Rotor của SRM được coi là nằm ở vị trí đồng trục so với 1 pha xác định nào đó nếu tại thời điểm đó điện cảm của cuộn dây pha là lớn nhất và Rotor được coi là ở vị trí lệch trục với một pha xác định nếu như điện cảm đạt giá trị nhỏ nhất, còn ở các vị trí khác thì Rotor sẽ được gọi là vị trí mất đồng trục Định nghĩa 2: Khi một cuộn dây pha được dẫn dòng, Rotor của SRM luôn có xu hướng chuyển động về phía cực Stator có cuộn dây được dẫn dòng để giá trị điện cảm là lớn nhất (vị trí đồng trục) và điều này làm cho từ năng trong cuộn dây đạt giá trị lớn nhất

Hình 1.9: Phân bố từ thông ở a) Vị trí lệch trục b) Vị trí đồng trục

Lấy ví dụ động cơ SRM 8/6 để giải thích nguyên lý hoạt động (hình 1.11) Rotor có 6 cực và stator có 8 cực và được nối dây thành 4 pha A, B, C, D, cứ 2 cực đối xứng được nối dây thành một pha Trong hình 1.11 giả thiết rằng: tại một thời điểm xác định thì chỉ có cuộn dây của một pha được cấp nguồn Tại thời điểm 0 (lúc bắt đầu cuộn dây pha được cấp nguồn), Rotor nằm ở vị trí mất đồng trục, theo định nghĩa trên, Rotor sẽ bị kéo chuyển động về phía cực của của pha đang dẫn dòng để đạt trạng thái đồng trục, lúc này nếu ngắt dòng pha 1 (is1=0) và pha 4 được cấp nguồn khi đó Rotor tiếp tục được kéo về vị trí đồng trục (theo hình 1.11b) và như vậy Rotor sẽ được giữ nguyên chiều quay (theo chiều thuận chiều kim đồng hồ) tính theo vị trí mất đồng trục hiện thời tới vị trí đồng trục gần nhất (hình 1.11c) đối với pha 4 Bây giờ Rotor lại ở vị trí mất đồng trục so với pha 3 và pha 3 được cấp nguồn thay vì pha 4 thì đảm bảo Rotor sẽ được duy trì theo chiều quay cố định (hình 1.11d)

Tóm lại, để động cơ quay theo chiều kim đồng hồ, ta cấp dòng theo thứ tự pha như sau: A, D, C, B (hình 1.11)

Ta nhận thấy: Đầu tiên cấp điện cho pha A, cực rotor thẳng hàng với cực stator pha A, rồi đến cấp điện cho pha D, rồi pha C, rồi pha B, rồi lạ đến lượt pha

A được cấp điện thì cực rotor lại thẳng hàng với cực stator pha A Tức là đã xong một chu kỳ cấp xung Như vậy mỗi lần cấp xung thì rotor quay một góc bằng góc giữa 2 cực rotor là 360 60

6 =  chia cho 4 là 15 hay rotor cứ quay 15 độ thì ta phải chuyển pha cấp điện

Hình 1.10: Trình tự đóng ngắt nguồn sA, sD, sC, sB, sA để tạo ra chuyển động quay theo chiều kim đồng hồ

Phân tích tương tự, để quay ngược chiều kim đồng hồ ta cấp điện theo thứ tự sau: sA, sB, sC, sD, sA, … (hình 1.18)

Hình 1.11: Trình tự đóng ngắt nguồn sA, sB, sC, sD, sA để tạo ra chuyển động quay ngược theo chiều kim đồng hồ

Nói một cách ngắn gọn, SRM được điều khiển bằng cách đóng ngắt các cuộn dây pha một cách tuần tự vào nguồn một chiều, đồng bộ với vị trí của Rotor

Mô tả toán học của động cơ SRM

Mặc dù SRM có cấu tạo đơn giản cũng như hoạt động theo nguyên tắc khá đơn giản nhưng việc phân tích một cách chính xác hoạt động của SRM vẫn yêu cầu mô tả toán học các mối quan hệ giữa các tham số (như điện áp, dòng điện, từ thông, momen, ) một cách đầy đủ và chuẩn mực

Hình 1.12: Mạch tương đương một pha động cơ SRM

Ta xuất phát từ phương trình điện từ cơ sở với dòng i , góc quay  và từ thông  của cuộng dây Stator

Thành phần vi phân trong (1.6) có thể được viết lại bằng cách lấy đạo hàm riêng như sau:

Thay (1.3) vào (1.2) ta sẽ có phương trình điện áp mới:

Phương trình (1.8) chính là mô hình phi tuyến, mô tả điện áp đặt lên cuộn dây Stator Thành phần điện áp chứa i L  ( )  , i /  i minh họa đặc điểm phi tuyến của điện cảm, phụ thuộc dòng chảy quay cuộn dây

Mô hình (1.4) sẽ trở nên rất rõ ràng dễ hiễu nếu ta tuyến tính hóa mạch từ, tức là coi L là hằng:

Trong mô hình tuyến tính (1.5):

• Thành phần đầu tiên là điện áp rơi trên điện trở cuộn dây (gây nên tổn hao thuần trở của cuộn dây)

• Thành phần thứ 2 là điện áp rơi trên cuộn dây khi có biến thiên 𝑖 (từ năng tích trữ trong cuộn dây)

• Thành phần thứ 3 là sức từ động cảm ứng (đặc trưng cho thành phần tạo nên cơ năng trên trục động cơ)

Tác dụng của 3 thành phần điện áp còn thể hiện rõ hơn nữa nếu ta nhân 2 vế của (1.5) với dòng điện i

T e d Li dt di dL ui Ri iL i dt dt

Với T e là momen quay của SRM Dễ dàng tính được momen quay từ phương trình (1.10) cho trường hợp mô hình tuyến tính

=  (1.7) Đó chính là momen do cuộn dây Stator đang có dòng chảy qua tạo nên

Từ công thức (1.7) ta rút ra các kết luận sau đây:

• Momen quay của SRM không phụ thuộc dấu mà chỉ phụ thuộc biên độ của dòng

MÔ HÌNH HÓA

Đặt vấn đề

Trong khi những động cơ thông thường có các thông số điện trở, điện cảm được coi là không đổi, quan hệ từ thông, mômen với dòng điện được coi là quan hệ tuyến tính với tham số hằng, do đó có thể dễ dàng xây dựng mô hình tuyến tính hoặc tuyến tính hóa mô hình phi tuyến cho đối tượng

Trái lại, SRM chỉ hoạt động khi có sự biến thiên điện cảm theo vị trí rotor; quan hệ từ thông, mômen, điện cảm, hỗ cảm với dòng điện và vị trí rotor là những quan hệ phi tuyến ba chiều phức tạp Muốn có được các đặc tính mômen, từ thông, điện cảm, hỗ cảm ta cần phân tích các quá trình biến đổi điện từ diễn ra trong động cơ hay bài toán lý thuyết trường điện từ Từ đó dẫn đến việc phải giải các phương trình Laplace và Poisson là các phương trình đạo hàm riêng cấp hai với những sơ kiện (về mặt thời gian) và biên kiện (về mặt không gian, còn gọi là điều kiện bờ) Đối với động cơ điện, miền xác định với biên là những khối hình học phức tạp trong không gian, tính phi tuyến của vật liệu điện từ dẫn đến việc giải những phương trình đó chính xác bằng phương pháp giải tích là điều không thể thực hiện được Vì vậy không có các phương trình toán học thể hiện mối quan hệ dòng điện, góc quay, điện cảm, hỗ cảm, từ thông, momen cho động cơ SRM Tuy nhiên, những mỗi quan hệ này lại có được dưới dạng bảng số liệu, nhờ sử dụng phương pháp phần tử hữa hạn (Finite Element Methods – FEM) kết hợp khả năng tính toán của máy tính số.

Phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp số gần đúng để giải các bài toán được mô tả bởi các phương trình vi phân đạo hàm riêng trên miền xác định có hình dạng và điều kiện biên bất kỳ mà nghiệm chính xác không thể tìm được bằng phương pháp giải tích

Cơ sở của phương pháp này là làm rời rạc hóa miền xác định của bài toán, bằng cách chia nó thành nhiều miền con (phần tử) Các phần tử này được liên kết với nhau tại các điểm nút chung Trong phạm vi của mỗi phần tử Nghiệm được chọn là một hàm số nào đó được xác định thông qua các giá trị chưa biết tại các điểm nút của phần tử gọi là hàm xấp xỉ thoả mãn điều kiện cân bằng của phần tử Tập tất cả các phần tử có chú ý đến điều kiện liên tục của sự biến dạng và chuyển vị tại các điểm nút liên kết giữa các phần tử Kết quả đẫn đến một hệ phương trình đại số tuyến tính mà ẩn số chính là các giá trị của hàm xấp xỉ tại các điểm nút Giải hệ phương trình này sẽ tìm được các giá trị của hàm xấp xỉ tại các điểm nút của mỗi phần tử, nhờ đó hàm xấp xỉ hoàn toàn được xác định.

Phần mềm Ansys maxwell

ANSYS Maxwell là phần mềm mô phỏng trường điện từ hàng đầu cho các kỹ sư thiết kế và phân tích các thiết bị điện và điện 3-D và 2-D, bao gồm động cơ, cơ cấu truyền động, máy biến áp, cảm biến và cuộn dây Maxwell sử dụng phương pháp chính xác phần tử hữu hạn để giải quyết tĩnh, miền tần số, và các

25 lĩnh vực điện và trường điện khác nhau Một lợi ích quan trọng của ANSYS Maxwell là quá trình tính toán tự động của nó, mà bạn chỉ cần xác định hình học, tính chất vật liệu và đầu ra mong muốn Từ đây, Maxwell tự động tạo ra một lưới thích hợp, hiệu quả và chính xác để giải quyết vấn đề Quá trình chia lưới này đã được chứng minh tự động thích ứng loại bỏ sự phức tạp trong quá trình phân tích và cho phép bạn thao tác nhanh hơn từ một thiết kế dòng hiệu quả cao, dễ sử dụng

Hình 2.1: Giao diện phần mềm ANSYS maxwell

ANSYS Maxwell còn có ưu điểm là khả năng tạo ra độ trung thực cao, có các mô hình sẵn có và dễ dang thao tác trong chính phần mềm Khả năng này tạo ra một dòng chảy thiết kế điện dựa cho phép bạn kết hợp các mạch phức tạp với các mô hình thành phần chính xác từ Maxwell để thiết kế hoàn chỉnh cơ điện hiệu suất cao, cơ điện tử và hệ thống điện tử công suất.

Phân tích đặc tính động cơ trên phần mềm Ansys Maxwell

Động cơ được sử dụng để mô phỏng là động cơ từ trở thay đổi 12/8 có công suất là 4 kW có thông số như sau:

Bảng 2.1: Thông số động cơ SRM 12/8

Thông số Giá trị Đơn vị

Số cực stator/rotor 12/8 Góc cực stator/rotor 16 o /17 o degree

Khe hở không khí 0.5 mm

Tốc độ 3000 Vòng/phút Đường kính ngoài stator 155 mm Đường kính trong stator 88 mm Đường kính ngoài rotor 87 mm Đường kính trục 30 mm

Bề dầy gông từ stator 16.5 mm

Chiều dài động cơ 200 mm

Số vòng dây/1 cực 80 mm

Dòng điện lớn nhất 25 A Điện áp nguồn 1 chiều 60 V

Vật liệu sắt từ Thép M19 Đưa thông số trên vào phần mềm Ansys, ta thu được mô hình động cơ SRM:

Hình 2.2: Mô hình động cơ SRM 12/8 trên Ansys Maxwell Để thu được các kết quả về từ trường, ta chuyển sang giao diện Maxwell trờn phần mềm Ansys Maxwell, khi ấy ta thu được ẳ gúc của động cơ SRM, đặc tớnh từ thụng trờn cỏc gúc ẳ cũn lại tương tự như vậy

Hình 2.3: Mô hình động cơ SRM 12/8 trên giao diện Maxwell của Ansys Maxwell

Hình 2.4: Mô hình động cơ từ trở thay đổi 3D

Hình 2.5: Mô hình động cơ từ trở thay đổi 2D

Hình 2.6:Quan hệ từ thông theo vị trí và dòng điện

Hình 2.7: Quan hệ 3 chiều từ thông theo vị trí và dòng điện

+ Từ thông phi tuyến theo dòng điện và vị trí rotor

+ Tại ví trí 0° so với vị trí lệch trục hoàn toàn thì từ thông là nhỏ nhất

+ Từ thông tăng dần khi vị trí rotor càng gần vị trí đồng trục

+ Dòng điện tăng thì từ thông tăng tại bất kì vị trí nào của rotor + Khi từ thông đạt đến trạng thái bão hòa thì dòng điện tăng nhưng từ thông thì không đổi

Hình 2.8: Quan hệ điện cảm theo vị trí rotor và dòng điện

Hình 2.9: Quan hệ momen theo dòng điện và vị trí rotor

Nhận xét: Momen của động cơ từ trở thay đổi phụ thuộc vào vị trí rotor và dòng điện Momen âm sinh ra khi rotor nằm trong góc từ 0 o đến 22.5 o so với vị trí lệch trục hoàn toàn Mômen âm sinh ra khi rotor nằm trong góc từ 22.5 o đến

45 o so với vị trí lệch trục hoàn toàn.

Mô hình hóa động cơ trên Matlab/Simulink

Ta sử dụng các bộ dữ liệu có được từ phân tích FEM đưa vào bảng tra trong Matlab/Simulink để xây dựng mô hình động học của động cơ

Việc xây dựng mô hình động cơ được thực hiện qua các bước sau:

Sử dụng phương trình điện áp ( , )

= + +  và các bảng tra 2 chiều ta thu được 2 đầu ra là dòng điện pha và momen của từng pha

Hình 2.10: Mô hình 1 pha của SRM

Mô hình của 3 pha A, B, C là xây dựng giống nhau như trên và nằm trong các khối phaseA, phaseB, phaseC như hình 2.11 Cộng momen cả 3 pha lại với nhau ta được momem của động cơ

Hình 2.11: Mô hình 3 pha của động cơ SRM

Mô hình của 3 pha ở trên được đặt trong khối SRM_Model như hình bên dưới

Sử dụng phương trình chuyển động e L

T e : momen động cơ sinh ra (N.m)

J: momen quán tính của hệ thống (N.m)

: tốc độ động cơ (rad/s)

Thì ta được mô hình của SRM với các đầu vào ra như sau:

Hình 2.12: Mô hình SRM trên Simulink

Mô hình trên được đặt bên trong khối SRM12/8 Ta thu được một mô hình động cơ SRM dùng để mô phỏng các phương pháp điều khiển

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VECTOR

Bộ biến đổi động cơ SRM

Bộ biến đổi điện tử công suất cho SRM có rất nhiều cấu hình đa dạng, phong phú gồm khoảng hơn 20 loại (Asymmetric Bridge Converter, (N+1)- Switch Converter, C-Dump Converter, N-Switch Converter, Asymmetric Neutral Point Diode Clamped (NPC) Three-Level, …) Mỗi cấu hình có ưu, nhược điểm khác nhau và ảnh hưởng khá nhiều đến chất lượng hệ truyền động Phạm vi nghiên cứu của đề tài này không bao gồm khía cạnh điện tử công suất, do đó mục này sẽ chỉ trình bày chi tiết cấu hình phổ biến nhất và dễ điều khiển nhất là loại cầu không đối xứng 2 van/1 pha (Asymmetric Bridge Converter)

Hình 3.1: Sơ đồ bộ biến Asymmetric Bridge Converter 3 pha

Mỗi pha của động cơ được cấp nguồn riêng thành một nhánh như hình vẽ trên, với cấu trúc này, các pha hoàn toàn độc lập với nhau về điện, cho phép điều khiển động cơ rất linh hoạt

Hình 3.2: Bộ biến đổi cho 1 pha b) Mạch điện một pha Stator

Trong sơ đồ mạch lực Asymmetric Bridge Converter có hai kiểu chuyển mạch: Chuyển mạch cứng (hard swtching) và chuyển mạch mềm (soft switching)

• Chuyển mạch cứng (hard swtching): Khi dẫn dòng, 2 van T1 và T2 cùng mở, điện áp pha v a bằng điện áp liên kết một chiều V dc , và dòng điện pha i a tăng Khi dòng pha tăng đến giới hạn trên của dòng điện đặt, hai van T1 và T2 cùng đóng, hai diode D1 và D2 mở ra, đảo chiều điện áp đặt lên cuộn dây, thiết lập chế độ hoàn trả năng lượng về lưới, điện áp pha bằng -V dc và dòng điện pha i a giảm cho đến giá trị giới hạn dưới của dải dòng điện đặt Sau đó dòng điện pha i a tiếp tục bằng bằng cách mở 2 van T1 và T2 Với phương án chuyển mạch cứng dòng điện pha luân chuyển giữa điện áp DC và cuộn dây pha trong một chu kỳ gây ra tổn thất điện áp do tổn thất chuyển mạch

Hình 3.3: Hai trạng thái ON/OFF trong chuyển mạch cứng

Hình 3.4: a) Điện cảm động cơ SRM b) Trạng thái van T 1 /T 2 c) Điện áp pha d) Dòng pha

• Chuyển mạch mềm (soft switching): So với phương án chuyển mạch cứng, tổn thất chuyển mạch của chuyển mạch mềm được giảm Trong khoảng thời gian từ  1 và  2 van T1 luôn đóng còn van T2 đóng/mở theo giá trị dòng điện đặt, khi van T2 mở, điện áp pha v a bằng điện áp liên kết một chiều V dc , và dòng điện pha i a tăng Khi dòng pha tăng đến giới hạn trên của dòng điện đặt, van T2 cùng đóng lại, diode D2 sẽ mở ra nối ngắn mạch hai đầu cuộn dây, điện áp đặt lên cuộn dây là 0V, dòng điện pha i a chạy vòng tròn tự tiêu tán trên điện trở cuộn dây, giảm cho đến giá trị giới hạn dưới của dải dòng điện đặt Sau  2 cả 2 van T1 và T2 cùng đóng làm cho dòng điện giảm dần về 0 Phương án chuyển mạch mềm có nhược điểm làm dòng suy giảm chậm, có thể khiến dòng điện bị kéo dài sang sườn xuống của đường đặc tính điện cảm, sinh ra mômen âm

Hình 3.5: a) Điện cảm động cơ SRM b) Trạng thái van T c) Trạng thái van T 2 c) Điện áp pha d) Dòng pha

Trong đề tài này, phương án chuyển mạch cứng được sử dụng

Phương pháp điều khiển cơ bản

Cấu trúc điều khiển cơ bản của hệ truyền động động cơ SRM bao giờ cũng có chứa vòng điều chỉnh dòng

Xuất phát từ phương trình điện áp pha:

Ta tính được momen quay cho trường hợp mô hình tuyến tính

=  (3.2) Đó chính là momen do cuộn dây Stator đang có dòng chảy qua tạo nên Để đạt được momen quay cần thiết, phải cấp dòng có biên độ tương ứng khác nhau nhờ sự hỗ trợ của một khâu ĐC dòng ở mạch vòng trong cùng

Trong phương pháp điều khiển cơ bản, bộ điều khiển tốc độ tạo ra dòng điện đặt cho bộ điều khiển đặt, bộ điều khiển dòng hysteresis tạo ra tín hiệu đóng cắt van để dòng điện thực bám được dòng điện đặt Bộ điều khiển dòng hystersis hoạt động như sau: nếu dòng điện thực lớn hơn dòng điện đặt một mức i thì khóa van, cuộn dây được cấp xung áp âm làm dòng điện giảm; nếu dòng điện thực nhỏ hơn dòng điện đặt một mức i thì mở van, cuộn dây được cấp xung áp dương làm dòng điện tăng; cứ theo quy luật như thế thì dòng điện sẽ bám dòng điện đặt

Hình 3.6: Dạng tín hiệu trong phương pháp điều khiển cơ bản

Hình 3.7: Bộ điều khiển dòng điện Hysteris band

Cấu trúc của phương pháp điều khiển cơ bản:

• Để điều khiển được momen ta cần phải điều khiển được biên độ của dòng pha Đây là cơ sở xây dựng hệ thống của mạch vòng trong cùng là vòng ĐC dòng điện

• Biết vị trí của Rotor để có thể tạo ra momen dương hay âm tức là tạo ra chế độ vận hành hay máy phát động cơ

Hình 3.8: Cấu trúc điều khiển phương pháp cơ bản

Phương pháp điều khiển vector cho động cơ từ trở

Phương pháp điều khiển vector có pha dòng điện giống với phương pháp cơ bản nhưng dòng điện là hình sin đơn cực Với dạng hình sin đơn cực, dòng điện sẽ biểu diễn được dưới dạng phương trình toán học Từ đó biến đổi, chứng minh được các công thức toán học liên quan đến dòng điện, điều mà phương pháp cơ bản không làm được Đặc tính điện cảm

Xấp xỉ giá trị điện cảm về dạng hình sin bằng cách giữ lại thành phần DC và bậc 2 của phân tích Fourier của đặc tính điện cảm Khi đó, phân bố tự cảm được tính theo công thức sau:

2 2 3 u dc ac v dc ac w dc ac

(3.3) trong đó, L L L L u , v , w , dc ,L ac , lần lượt là độ tự cảm các pha u, v, w, thành phần một chiều của độ tự cảm, biên độ tự cảm thành phần xoay chiều và góc điện

 (rad) là giá trị của góc điện và được tính bằng công thức:

Với: P là số cặp cực của rotor

 m là giá trị góc cơ đo về từ cảm biến vị trí [rad]

Hình 3.9: Đặc tính điện cảm và dòng điện phương pháp điều khiển cơ bản và điều khiển vector Đặc tính dòng điện

Dạng dòng điện kích thích cấp vào các pha của stator lúc này sẽ không còn là dạng tín hiệu đóng cắt hình thang như trong phương pháp điều khiển cơ bản nữa, thay vào đó ta sẽ sử dụng dạng dòng điện kích thích đơn cực hình sin như hình 3.10 Khi đó, dòng điện hình sin đơn cực được cấp tới mỗi pha có dạng như sau:

( ) cos 2 cos 2 2 3 cos 2 2 3 u dc ac u dc ac u dc ac i I I i I I i I I

38 trong đó I dc ,I ac lần lượt là thành phần một chiều và biên độ dòng điện pha

+ (3.6) ta có vi phân công thực hiện trên pha u là:

2 m e m m m m ac dc ac dL i dA T d i d dL i i d

Tích phân dA trong một chu kỳ góc điện 0 2−  có công A thực hiện một chu kỳ là:

 = thì giá trị A sẽ đạt cực đại Từ đó ta có công thức xác định dòng điện kích thích cấp vào các pha là:

( ) sin 2 sin 2 2 3 sin 2 2 3 u dc ac u dc ac u dc ac i I I i I I i I I

Như vậy, dòng kích cho động cơ là dòng sin pha 3 đơn cực gồm 2 thành phần: DC và AC Ta có đồ thị biểu diễn phương trình điện cảm và dòng điện qua hình

Hình 3.10: Đồ thị điên cảm và dòng điện phương pháp vector

Phân tích vector điều khiển trong SRM

Vector điều khiển SRM được biểu thị hình 3.11 Dòng điện kích thích hình sin 3 pha bao gồm hai thành phần DC va AC Từ hình 3.11, chúng ta cùng phân tích rõ tách dụng của hai thành phần DC và AC của dòng điện kích thích:

Hình 3.11: Vector control of SRM

Giả thiết bây giờ chỉ có thành phần DC của dòng điện kích thích được được áp vào 3 pha của động cơ Kết quả là trên mỗi pha xuất hiện một từ thông hình sin đơn cực với thành phần bù DC Còn vector từ thông tổng quay ở vận tốc bằng 2 lần góc điện 

Hình 3.12: Đường sức từ chính và vector từ thông khi chỉ có thành phần DC

Từ thông móc vòng qua cuộn dây pha biến thiên theo hình sin đơn cực cảm ứng một sức phản điện động (back-EMF, e e e u , v , w )

Từ thông trong động cơ SRM khi chỉ kích thích bằng thành phần DC của dòng điện tương đương với trường hợp dòng kích thích bằng 0 và cực rotor có gắn nam châm hoặc trường hợp rotor có cuộn dây được kích thích Vì thế, có thể coi từ thông lúc này là từ thông rotor ảo, vì thực chất từ thông này được sinh ra bởi thành phần dòng DC Đường sức từ và vector từ thông khi chỉ kích thích bằng thành phần DC của dòng điện 3 pha sin đơn cực được thể hiện trên hình 3.12 Chính những cực nhô ra của rotor gây nên sự phụ thuộc không gian của vector từ thông, làm cho vector từ thông quay theo hướng ngược chiều kim đồng hồ

Hình 3.13: Dạng dòng điện kích thích đơn cực sau khi loại bỏ thành phần dòng điện

Dòng sin 3 pha AC được cấp vào 3 pha của động cơ sẽ sản sinh một từ thông stator quay ở vận tốc bằng 2 lần góc điện  , từ thông này tương tác với từ thông rotor tạo ra momen Đường sức từ và vector từ thông lúc này được thể hiện ở hình 3.14

Hình 3.14: Đường sức từ chính và vector từ thông khi chỉ kích thích thành phần AC Để tập trung vào chức năng của dòng điện stator thì trong hình 4.11 tác dụng của các cực rotor được bỏ qua

• Phát sinh momen khi kích thích đồng thời 2 thành phần DC và AC:

Như được mô tả ở trên khi xét riêng lẻ 2 thành phần DC và AC, thì: thành phần DC sản sinh từ thông rotor ảo, thành phần AC sản sinh từ thông stator quay Từ thông ảo rotor cảm ứng lên các pha các sức phản điện động e e e u , v , w Điều này tương tự như khi cấp dòng điện xoay chiều ba pha vào các cuộn dây stator và cấp dòng một chiều kích thích rotor trong động cơ không đồng bộ ba pha e e e u , v , w Năng lượng điện tiêu thụ là e u (i u −I P ), e v (i v −I P ),

41 w (w P ) e  i −I Năng lượng này được chuyển hóa thành công cơ học, hay phát sinh momen như được thể hiện ở hình 3.15 sau:

Hình 3.15: Đường sức từ chính và momen khi kích thích cả 2 thành phần DC và AC

Hình 3.16: Đồ thị minh họa nguyên lý tạo momen trong SRM Từ trên xuống dưới: Dòng điện AC khi loại bỏ thành thành phần DC, sức phản điện động bởi thành phần dòng DC, Năng lượng điện tiêu thị trên pha u, Tổng năng lượng tiêu thụ

Chuyển khung tọa độ uvw sang khung tọa độ dq

Sau khi tính toán được dòng kích thích là dạng đơn cực hình sin, lúc này ta sẽ áp dụng công thức chuyển trục tọa độ từ hệ tọa độ (u, v, w) ban đầu sang hệ tọa độ (d, q)

• Khung tọa độ tham chiếu cố định của SRM

Hình 3.17: Mô hình khung tham chiếu cố định của SRM

Trên khung tham chiếu cố định, ta có phương trình cân bằng điện áp: w w w w

, , u v w: Tên các pha của động cơ u , , v w v v v : Điện áp trên các pha u v w, , [V]

R: Điện trở rơi trên cuộn dây [Ω]

( / ) p= d dt : Toán tử vi phân

L L L : Điện cảm trên các cuộn dây pha u v w, , [mH] u , , v w i i i : Dòng điện trên các cuộn dây pha u v w, , [A]

 =  : Góc điện (đối vơi động cơ 6/4:  =2 m , đối với 12/8:

Từ phương trình momen cho từng pha:

 =  ta momen tổng của động cơ là:

• Mô hình khung tham chiếu quay dq của SRM

Hình 3.18: Mô hình khung tham chiếu quay dq của SRM

Phép chuyển đổi khung tọa thực hiện đồng bộ với vector từ thông rotor Như các phân tích trên, vector từ thông rotor ảo được sinh ra do thành phần DC Đối vơi động cơ 6/4 chẳng hạn, vector từ thông ảo quay với tốc độ gấp 2 lần góc điện Tứ đó, ta thực hiện phép biến đổi bằng ma trận PT3.12:

(3.12) trong đó i i i d , , q 0 là dòng điện pha d, q, 0

Từ phương trình dòng điện xoay chiều 3 pha đơn cực (PT 3.9), thay vào

Trên khung tham chiếu dq, ta viết được phương trình cân bằng điện áp:

Thành phần DC là thành phần sinh từ thông rotor, nên dòng điện pha 0 ( o 3 dc i = I ) cũng là thành phần sinh từ thông rotor:

Từ thông sinh ra bởi dòng i q là (vìi d =0): sd L i dc d 0, sq L i dc q

Từ thông trục d và từ thông trục q

Momen trung bình có được bằng cách tích chéo 2 vector từ thông và dòng điện trên khung tham chiếu dq:

Curent Control Circuit dq0 uvw

Hình 3.19: Cấu trúc điều khiển vector cho SRM Điều khiển MTPA cho SRM

Maximal torque per ampere (MTPA) là phương pháp điều khiển dựa vào mối quan hệ giữa momen và dòng điện cấp cho động cơ để tạo ra đáp ứng momen lớn nhất với dòng điện cấp cho stator nhỏ nhất Nhờ đó động cơ sẽ tiêu thụ năng lượng ít hơn, ít tổn hao sắt từ hơn và hiệu suất động cơ theo đó cũng được cải thiện đáng kể

Tính toán được dòng hiệu dụng pha u:

Bộ điều khiển tốc độ sẽ yêu cầu một momen không đổi T e = 2PL i i ac o q const nên đặt: a=i i o q =const (3.22) Đặt thêm biến: o q b i

Với a là hằng số, a và b cùng dấu, để thỏa mãn điều kiện MTPA thì ta phải tìm giá trị b để hàm 1

= +b phải đạt nhỏ nhất Ta có đồ thị hàm ( )f b như sau:

Hình 3.20: Đồ thị hàm số

Quan sát trên đồ thị, thì ( )f b đạt giá trị nhỏ nhất tại b=1 , nhưng do điều kiện là dòng sin đơn cực nên I dc I ac , kết hợp i q = 3 / 2 I ac , i o = 3 I dc

Từ điều kiện trên và đồ thị ( )f b thì ta chọn b= 2, hay o 2 q i = i (3.26) là thỏa mãn điều kiện MTPA

Mạch vòng điều khiển dòng điện động cơ SRM

Hình 3.21: Cấu trúc điều khiển SRM

MÔ PHỎNG

Sơ đồ điều khiển

Hình 4.1: Cấu điều trúc điều khiển cơ bản

Hình 4.2: Cấu trúc điều khiển động cơ SRM12/8 sử dụng bộ điều khiển HCC

Hình 4.3: Bộ điều khiển dòng hysteresis current control

Hình 4.4: Cấu trúc điều khiển động cơ SRM12/8 sử dụng bộ điều khiển dòng Improved Current Controller

Kết quả mô phỏng

• Phương pháp điều khiển cơ bản

Hình 4.5: Đáp ứng dòng điện, đáp ứng momen, đáp ứng tốc độ phương pháp điều khiển cơ bản

Hình 4.6: Độ đập mạch momen theo phương pháp điều khiển cơ bản

+ Mô phỏng phương pháp điều khiển cơ bản với:

+ Tốc độ đặt 1000 vòng/phút

+ Góc bắt đầu mở và tắt dòng điện pha là 22,5 o và 45 o

• Dạng dòng điện là xung vuông

• Dòng điện pha u bám giá trị dòng điện đặt, tuy nhiên ở sườn xuống của dòng điện, dòng điện cần một khoảng thời gian để giảm về 0

• Đáp ứng tốc độ là 0,9s

Tuy nhiên độ đập mạch momen là 2,1 N.m (khoảng 42% ) độ đập mạch momen lớn

Nhược điểm của phương pháp điều khiển cơ bản ta có thể nhận thấy như sau: Đó là trong một pha khi bắt đầu sang sườn âm của đặc tính điện cảm thì dòng điện đặt của pha đó sẽ thay đổi tức thời từ một giá trị khác 0 về 0 để tránh sinh momen âm thứ cản lại sự quay của động cơ Nhưng dòng điện chạy qua cuộn dây pha là phần tử có tính cảm nên dòng điện sẽ giảm dần về không sau một thời gian nhất định Vì thế, cần điều chỉnh góc tắt dòng điện cho một pha để dòng điện về 0 trước thời điểm sáng sườn âm của đặc tính điện cảm, tức là sẽ phải tối ưu giữa ba tham số điều khiển dòng điện, tốc độ và góc tắt dòng điện, điều này là cực kỳ khó khăn với một đối tượng có các đặc tính phi tuyến mạnh như SRM

• Phương pháp điều khiển sử dụng bộ điều khiển HCC

Hình 4.7: Đáp ứng dòng điện, đáp ứng momen, đáp ứng tốc độ phương pháp điều khiển sử dụng bộ điều khiển HCC

Hình 4.8: Đập mạch momen phương pháp điều khiển vector với bộ điều khiển HCC

+ Mô phỏng phương pháp điều khiển cơ bản với:

+ Tốc độ đặt 1000 vòng/phút

+ Giới hạn độ lệch dòng điện trong khâu so sánh trễ là 0.05A

• Dạng dòng điện là hình sin như yêu cầu

• Đáp ứng tốc độ là 0,83s

• Độ đập mạch momen là 0.8 N.m (khoảng 16%) giảm đáng kể so với phương pháp điều khiển cơ bản là 42%

Một nhược điểm của phương pháp điều khiển sử dung bộ điều khiển HCC là tần số đóng cắt van không cố định, có những lúc tăng nhanh gây tăng tổn thất van và nhiễu ra môi trường Điều này sẽ được khắc phục bằng phương pháp sử dụng dòng cải tiến theo nguyên lý PWM

• Phương pháp điều khiển sử dụng bộ điều khiển dòng Improved Current Controller

Hình 4.9: Đáp ứng dòng điện, đáp ứng momen, đáp ứng tốc độ phương pháp điều khiển sử dụng bộ điều khiển Improved Current Controller

Hình 4.10: Đập mạch momen phương pháp điều khiển vector với bộ điều khiển

Improved Current Controller theo nguyên lý PWM

Các tham số tải mô phỏng của phương pháp điều khiển vector với bộ điều khiển Improved Current Controller có các tham số tải giống với các phương pháp ở trên Tốc độ đặt 1000 vòng/phút, momen tải 5 N.m, điện áp một chiều 300V

Ta thấy dòng điện pha u bám gái trị dòng điện đặt, tốc độ bám tốc độ đặt sau thời gian 0.82s, độ đập mạch momen 1,1 N.m, khoảng 22%, giảm đáng kể so với phương pháp điều khiển cơ bản là 42%, nhưng lớn hơn một chút so với phương pháp điều khiển vector sử dụng bộ điều khiển HCC có độ đập mạch momen là 16% Tuy nhiên, việc sử dụng nguyên lý PWM là thay đổi tỷ lệ nhiệm vụ duty trong 1 chu kỳ đóng cắt van, giúp tần số đóng cắt van cố định, đem lại ưu điểm về giảm nhiễu âm, nhiễu rung, nhiễu điện từ ra môi trường xung quanh

Kết luận: Qua kết quả mô phỏng ta đã thấy được ưu điểm phương pháp điều khiển vector đó là đáp ứng tốc độ nhanh hơn, độ đập mạch momen nhỏ hơn đáng kể

THIẾT KẾ PHẦN CỨNG THỰC NGHIỆM

Cấu trúc phần cứng

Phần cứng thực nghiệm được thiết kế theo sơ đồ ở hình 5.1, bao gồm khối vi điều khiển sử dụng KIT STM32F407 Discovery, mạch Driver và Mạch lực nửa cầu bất đối xứng Asymmetric Bridge Converter được thiết kế trên phần mềm Altium, 3 cảm biến đo dòng điện 3 pha u, v, w theo nguyên lý hiệu ứng Hall là ACS758LCB trả về tín hiệu điện áp 0-3,3V đưa vào ADC của vi điều khiển, một cảm biến vị trí sử dụng hiệu ứng Hall đọc vị trí rotor đồng thời tính toán tốc độ động cơ, 1 động cơ SRM loại 12/8 công suất 4 KW

Hình 5.1 Cấu trúc phần cứng thực nghiệm