Vùng tốc độ và momen cao đó loại trừ là cần thiếtvì đắt và bánh răng cơ khí và hộp truyền động phức tạp.1.2 Cấu trúc cơ bản của động cơ từ trở thay đổiHình 1.1 Cấu trúc động cơ 6/4 SRM p
Cấu trúc cơ bản của động cơ từ trở thay đổi
Hình 1.1 Cấu trúc động cơ 6/4 SRM (pha A không thẳng hàng)
Cũng giống như các loại động cơ khác, SRM được cấu tạo bởi hai phần chính:
Stato: Không giống như các loại máy điện ba 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 từ chứa các cuộn dây tập trung.
Roto: Hoàn toàn khác biệt với Roto của các loại máy điện khác, Roto của SRM không chứa các cuộn dây và được chế tạo bằng vật liệu sắt từ có xẻ răng với tổng số răng bao giờ cũng ít hơn tổng số cực của Stato, việc chế tạo này hoàn toàn dựa trên nguyên tắc hoạt động của SRM sẽ được đề cập đến ở phần sau Hình 1.1 chỉ rõ cấu trúc của động cơ từ trở 3 pha 6/4 (6 cực stato và 4 cực roto)
Như hình 1.1 ta thấy động cơ SRM có cự lồi ở cả roto và stato, vì vậy SRM là động cơ lồi cả hai cực Máy điện có 4 cực roto và 6 cực stato nên nó được gọi là động cơ 6/4 SRM Mỗi cực stato có cuộn dây quấn xung quanh Hai cuộn dây của hai cực stato đối ngược nhau được nối nối tiếp hoặc song song để tạo nên một pha stato Không có cuộn dây trong roto cũng như bất cứ từ trường nào trong roto.
Trong hình 1.1, khi cuộn dây pha C - C’ của stato được kích thích dòng pha - đổi cực sẽ cảm ứng tạo nên trên cực stato một trường điện từ Trường điện từ này sẽ cảm ứng trên đôi cực 1 - 1’ của roto, trường điện từ làm quay 1 - 1’ của roto - về phía gần pha
C - C Trong suốt quá trình quay, điện cảm từ thông móc vòng giảm và đạt giá trị nhỏ nhất khi cực roto thẳng hàng với cực stato VD cực 1 - 1 thẳng hàng với cực C - C’ Sự thay đổi điện cảm trong quá trình quay là đặc trưng cơ bản của động cơ SRM.
Nếu 3 pha được kích thích lần lượt liên tiếp, pha C - C’, đến pha A - A’, pha B - B’ rồi đến pha C - C’, roto sẽ quay theo bước, mỗi bước một góc 0 s
(1.1) Trong đó: q là số pha, NR là số đôi cực, trong hình 1, 0 s = 30 o
Hình 1.2 Cấu trúc động cơ 6/4 SRM (Pha A thẳng hàng)
Hình 1.2, biểu diễn động cơ 6/4SRM với roto thẳng hàng với pha A - A’ Hình
1.2 roto thẳng hàng với soto pha A - A’, ngược lại với hình 1 roto không thẳng hàng với stato pha A - A’ Vị trí thẳng hàng là điểm trạng thái cân bằng mà tại đó dòng pha không cung cấp momen nhưng sự lệch hướng ngỏ của roto sẽ cung cấp momen để đẩy roto trở lại Trái lại, vị trí không thẳng hàng là trạng thái không cần bằng bởi vì bất kỳ sự di chuyển nhỏ của roto tạo nên sự chuyển động.
SRM có nhiều loại, tùy thuộc theo yêu cầu cụ thể về tốc độ, công suất với vùng nguồn từ 100 W đến 75kW và với tốc độ khoảng 250 đến 3000 rpm.
Nguyên lý hoạt động
Sự chuyển động của động cơ SRM được gây ra bởi sự thay độ tự cảm trong khe hở không khí giữa roto và stato Khi cuộn dây stato được cấp nguồn, cung cấp một
0 độ trường từ trường đơn cực, momen điện từ được sinh ra bởi khuynh hướng dịch chuyển của roto đến vị trí sao cho từ trở mạch từ là nhỏ nhất Khi cực roto có vị trí đồng trục tương ứng với cực stato có dây quấn của pha đang được kích từ, như hình 1.3, không có momen bởi vì nó là mặt trực giao (coi như khe hở nhỏ) Tại vị trí này, độ tự cảm là lớn nhất khi từ trở nhỏ nhất (bỏ qua từ trở mạch từ trường) Nếu dời roto khỏi vị trí đó, nó sẽ sinh ra một momen để có khuynh hướng mang roto quay lại vị trí đồng trục.
Nếu dòng được đưa vào pha khi tại vị trí lệch trục, như hình 1.3 sẽ không sinh ra momen (hoặc rất ít) Nếu chuyển roto khỏi vị trí lệch trục, khi đó momen quay dời roto tới vị trí thẳng hàng tiếp theo. rotor
Hình 1.3 Vị trí đồng trục
Hình 1.4 Vị trí lệch trục
Momen quay của SRM có đường phân bố trên bề mặt Roto lặp lại theo chu kỳ của răng Trong mỗi chu kỳ đều có hai vị trí: vị trí đồng trục và vị trí lệch trục Trong hình 1.4, cực active tiếp theo sẽ là cực lân cận phía bên phải của cực active hiện tại, khi ấy Roto sẽ quay trái một góc là 1/4 răng Nghĩa là: Roto luôn quay ngược với chiều của trường quay tạo nên từ phái stato Gọi m là số pha của stato, 2p c là số cực của một pha, từ trường stato sẽ quay sau mỗi xung một góc là: stator
Vị trí không thẳng hàng
Nếu số răng của roto là z, sau mỗi xung roto sẽ quay một góc:
Tức là qua chậm hơn:
Vs z lần so với từ trường quay stato Để có thể đạt được tốc độ quay n, tần số điều khiển f s (control frequency) cần thiết sẽ phải là: f s = nz (1.5)
Nguyên lỷ hoạt động: Để đảm bảo SRM có thể khởi động được ở bất kỳ vị trí nào của roto và đảm bảo momen sinh ra đều mỗi khi chuyển mạch giữa các cuộn dây pha stato, người ta đã chế tạo các SRM có nhiều cực ở cả phía roto và stato và số cực của roto và stato là không giống nhau và số đôi cực của stato bao giờ cũng nhiều hơn số đôi cực của roto Một số dạng động cơ phổ biến là 6/4 (6 cực stato và 4 cực roto), 8/6, 12/10 trong đó 6/4 và 8/6 là hai loại phổ biến nhất.
Roto của SRM được coi là nằm ở vị trí đồng trục so với một pha nào đó nếu như tại thời điểm đó điện cảm của cuộn dây pha là lớn nhất và roto được gọi 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 roto được gọi là vị trí mất đồng trục.
Khi một cuộn dây pha được dẫn dòng, roto của SRM luôn có xu hướng chuyển động về phía cực stato có cuộn dây 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 Tốc độ của SRM có thể thay đổi bằng cách thay đổi số đôi cực của stato và số răng của của roto Tuy nhiên việc này làm tăng giá thành của động cơ SRM cũng như hệ truyền động sử dụng SRM do phải tăng số lượng linh kiện rời rạc để xây dựng hệ hoặc là thay đổi tần số đóng ngắt tuần tự các cuộn dây pha stato vào nguồn một chiều Mối quan hệ giữa vận tốc góc roto, với tần số đóng ngắt được thể hiện qua công thức (1.5).
Như vậy, Khi một cuộn dây pha stato được đóng vào nguồn và rõ ràng Momen sinh ra sẽ kéo roto chuyển động theo một hướng làm điện cảm tăng dần cho tới khi giá trị của điện cảm là lớn nhất.
Giả thiết rằng không có hiện tượng từ dư trong lõi thép và không xét tới chiều của dòng điện chảy trong cuộn dây pha của SRM thì momen luôn có chiều hướng kéo roto chuyển động về phía vị trí đồng trục gần nhất Vì thế chiều của momen dương (chế độ động cơ) chỉ được xác định khi roto nằm ở vị trí lệch trục và vị trí đồng trục tiếp theo cùng chiều với chiều quay của roto Hay nói một cách khác là chế độ động cơ chỉ được sinh ra khi roto quay theo chiều làm điện cảm của SRM tăng dần Nếu số cực của stato và số răng roto là như nhau thì mỗi một pha của stato khi được đóng vào nguồn chỉ có thể tạo ra momen quay trên một nửa phần bề mặt của răng roto tương ứng và kết quả là để tạo ra momen quay thì cần ít nhất 2 cặp dây stato được cấp nguồn tại bất kỳ vị trí nào
Vì vậy mà SRM luôn có cấu tạo với số đôi cực của stato bao giờ cũng nhiều hơn số răng của roto Như vậy, để tạo ra được momen dương cuộn dây pha stato phải được cấp nguồn trong khi điện cảm cuộn dây này tăng dần Tương tự, để hãm động cơ, cuộn dây pha stato phải được cấp nguồn trong khi điện cảm cuộn dây này giảm dần Chú ý, cuộn dây pha stato tích cực phải được ngắt ra khỏi nguồn trước khi quá trình tăng điện cảm trong cuộn dây này kết thúc (trong chế độ động cơ) vì như thế dòng điện có thể giảm nhanh về 0 và tránh tạo ra momen âm không mong muốn.
Nói một cách ngắn gọn là 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 roto.
Quá trình vật lý
Từ trở thay đổi
Từ trở của phần từ thông thay đổi theo vị trí roto, đặc biết từ trở của dòng điện từ được tính:
F: lực điện từ X: từ thông H: cường độ điện trường l: chiều dài của phần điện từ B: mật độ từ thông
S: diện tích vùng từ thông qua Li: độ thẩm từ của vật liệu từ l, S, LI làm cho từ trở của dòng điện từ thay đổi tương đương với thay đổi vị trí roto Trước khi cạnh hai cực roto và stato đi qua nhau, A = A o (A)là rất nhỏ so với độ từ thẩm của vật liệu từ).
R lớn nhất tại vị trí không thẳng hàng và không đổi trong vùng cực roto và stato chưa chồng lên nhau, vùng dài l = const Từ vị trí chạm nhau đến vị trí thẳng hàng độ từ thẩm LI tăng tương ứng với vùng phủ lên nhau tăng dần Tại vị trí thẳng hàng hai cực roto và stato chồng lên nhau lớn nhất, y = max tại vị trí thẳng hàng hoặc R đạt giá trị nhỏ nhất.
Trong SRM, điện cảm L được sử dụng thường xuyên thay cho R trong các phương trình và biểu thức của động cơ Mối quan hệ giữa điện cảm L và điện trở R.
X là từ thông liên kết, i là dòng điện, N là số lần đổi hướng cho mỗi pha. Đặc tính momen động cơ từ trở phụ thuộc vào mối quan hệ giữa điện cảm stato và vị trí roto như một hàm của dòng Nó quan trong để có thể điều khiển và giới hạn của bộ truyền động động cơ SRM Điện cảm pha như hình 1.5 với dòng pha cố định. ổ , = '.c - (A - P r )] (L8)
P r , P s là góc cực của roto và stato tương ứng và P r là số cực của roto.
Hình 1.5 Quan hệ giữa điện cảm và vị trí roto
Bốn vùng điện trở riêng biệt:
+ 0 — 0, và 0 4 —0 5 : Cực stato và roto là không trùng nhau trong vùng này và từ thông được xác định phần lớn bởi khe hở không khí, vì vậy từ thông là nhỏ nhất và hầu như cố định Do đó, vùng này không đóng góp vào việc cung cấp momen Điện cảm trong vùng này được biết như diện cảm không đồng trục Lu.
+ 0 1 —0 2 : Các cực trùng nhau, vì vậy phần từ thông chính thông qua stato và lá thép dát mỏng roto Điện cảm tăng với vị trí roto, dẫn đến đường dốc, dòng điện trong cuộn dây cung cấp một momen Quá trình này kết thúc khi các cực trùng nhau.
+ 0 2 —0 3 : Trong suốt giai đoạn này sự chuyển động của cực roto không biến đổi được sự trùng nhau với cực stato và không thay đổi phần từ thông chính Điều này làm cho điện cảm luôn ở giá trị max và không đổi, và điện cảm này được gọi là La Khi đó điện cảm không thay đổi trong vùng này, momen phát ra là không bằng phẳng khi dòng vẫn hiện diện trong thời gian này.
+ 0 3 —0 4 : Cực roto đang rời vị trí trùng nhau với cực stato Nó tương tự như vùng
01 - 02 nhưng điện cảm giảm khi vị trí roto tăng, là vùng âm của điện cảm Hoạt động của máy trong vùng này mang lại momen âm (chế độ máy phát của động cơ SRM).
Rất khó đạt được điện cảm lý tưởng như hình 1.5 vì sự bão hòa từ Bão hòa từ là nguyên nhân của nhấp nhỏ diện cảm và làm giảm hằng số momen.
Quá trình chuyển đổi năng lượng
Do điện trở thay đoi theo vị trí roto và bão hoà từ là một phần của hoạt động bình thường động cơ Cho nên không đơn giản để đưa ra điện từ trường cung cấp cho cuộn dây pha Từ thông liên kết là một hàm phi tuyến của cả dòng pha và vị trí roto Do khe hở không khí lớn, từ trường thấp và không đạt được giá trị bão hoà tại vị trí không thẳng hàng Tuy nhiên, đặc tính từ trường gần như là một hàm của dòng tại 0 = 0 k h ôn g t hẳng hàng
Ngược lại đường cong từ hoá tại vị trí thẳng hàng là bão hoà bởi vì khe hở không khí nhỏ.
Hình 1.6 Tập đường cong từ hóa của cuộn dây pha động cơ SRM
Hình 1.6 chỉ ra tập đường cong từ hóa của cuộn dây pha động cơ SRM với góc 0 tăng dần từ vì trí không thẳng hàng đến vị trí thẳng hàng Tại một vị trí bất kỳ của đường cong từ hóa Năng lương dự trự và năng lượng chuyển đổi:
Hình 1.7 Năng lượng dự trữ và năng lượng chuyển đổi của động cơ SRM
0 À(0,i) thể hiện từ thông là hàm của dòng và vị trí.
W f được giới hạn bởi năng lượng trường dự trữ vì giá trị này được dự trữ trong vật liệu roto, stato và khe hở không khí Khi ngắt điện roto, giá trị W f bằng năng lượng điện cung cấp từ cuộn dây pha trong suốt khoảng thời gian từ thông tăng từ 0 đến À o
Khi roto đóng điện, cực roto di chuyển sang vị trí thẳng hàng Với một vi phân A0, i 0 = const, trên quỹ đạo từ thông rời từ điểm A đến điểm B.
Bởi sự trao đoi năng lượng, sự thay đoi trong năng lượng dự trữ, AW f = AW m được cung cấp bởi roto khi di chuyển A0 Tuy nhiên, Aw m được tính:
Giới hạn A0 đến 0 với bất kỳ I, momen tức thời của SRM được định nghĩa:
1.5 Đặc tính cơ bản của SRM
Trên thực tế đặc tính làm việc của SRM là hoàn toàn có thể lập trình được và dễ dàng xác định bằng các phương pháp điều khiển Đây là một trong những đặc điểm khiến cho các hệ truyền động sử dụng SRM trở thành một giải pháp toàn diện, khả thi và giá thành giảm đáng kể Tuy nhiên vẫn cần có nhiều giới hạn về khả năng làm việc và đặc tính cơ của SRM được mô tả trong hình 1.8.
Hình 1.8 Đặc tính cơ của SRM
Cũng như các loại máy điện khác, Momen của SRM bị giới hạn bởi dòng điện cực đại cho phép và tốc độ của động cơ thì phụ thuộc vào độ rộng của xung áp điều chế đặt vào cuộn dây pha Stator.
Khi khởi động, ban đầu để tăng tốc độ động cơ, ta thay đổi độ rộng của xung áp điều chế kéo theo dòng điện trong cuộn dây pha cũng tăng dần Tuy nhiên ta chỉ có thể mở rộng bề rộng xung quanh áp đặt lên cuộn dây pha Stator cho tới khi dòng điện trong cuộn dây Stator đạt tới giá trị giới hạn, khi đó Momen của động cơ là cực đại và tốc độ của động cơ đạt tới giá trị tốc độ cơ bản.
Như vậy, để có thể tăng tốc độ động cơ lên trên tốc độ cơ bản thì bắt buộc ta phải giảm Momen tải, trong đặc tính làm việc của động cơ trên hình 1.8 ta thấy rõ 2 vùng làm việc cơ bản:
Vùng 1 (Vùng làm việc dưới tốc độ cơ bản): Vùng giới hạn dòng điện, trong miền này dòng điện trong cuộn dây pha luôn nhỏ hơn gía trị dòng điện giới hạn, lúc này ta có thể tăng tốc độ động cơ đồng thời tăng cả Momen trên trục động cơ.
Vùng 2 (Vùng làm việc trên tốc độ cơ b ản): Vùng công suất không đổi Trong vùng này, tốc độ động cơ lớn hơn tốc độ cơ bản Vùng này được chia thành 2 vùng nhỏ hơn:
+ Miền tốc độ cao: Momen trên đầu trục động cơ tỉ lệ nghịch với tốc độ động cơ. + Miền tốc độ rất cao: Trong vùng làm việc này, Mo men trên đầu trục động cơ tỉ lệ nghịch với bình phương tốc độ, để tăng tốc độ động cơ lên 2 lần thì Momen đầu trục
Vùng tôc độ rât cao T=l/w 2 Giới hạn dòng
Tốc độ Công suất không dôi
T=l/(ừ động cơ giảm đi V2 lần.
1.6 Ưu nhược điêm và ứng dụng của động cơ srm
Với cấu trúc đơn giản, có cực cả hai phía, Roto không cần có thành phần kích thích, SRM có một số ưu điểm nổi bật sau:
- Đặc tính làm việc: Momen khởi động lớn hơn nhiều so với các động cơ không đồng bộ Do yêu cầu dòng điện chảy vào các cuộn stato theo một chiều duy nhất giúp cho mạch công suất có cấu tạo đơn giản và tin cậy.
- Kích thước nhỏ hơn đáng kể so với các loại động cơ khác, điều này tăng hiệu quả sử dụng vật liệu, giảm giá thành và quá tính của hệ truyền động cũng nhờ thế mà giảm thiểu đáng kể.
- Với cấu tạo đơn giản và kích thước nhỏ gọn, giá thành cả hệ truyền động sử dụng SRM cũng thấp hơn so với các hệ truyền động sử dụng các loại động cơ khác, và theo đó sẽ giảm được giá thành, giảm chi phí sản xuất, vận hành và bảo dưỡng hệ thống.
- Tốc độ lớn và khả năng gia tốc nhanh, theo tính toán thì với những bộ điều khiển chất lượng cao, SRM có thể đạt được tốc độ tối đa tới 50.000 vòng/ phút.
- Do chỉ cấp điện phía Stato nên việc làm mát đối với SRM là vô cùng đơn giản, vì vậy mà SRM có thể làm việc tốt trong môi trường khắc nghiệt. Động cơ từ trở có thể được cấp nguồn bằng cách đóng vào nguồn xoay chiều một pha hoặc ba pha, hoặc có thể đóng ngắt nguồn một chiều một chiều một cách đọc lập và tuần tự vào các cuộn dây pha stato, và việc sử dụng phương pháp đóng ngắt nguồn một chiều một cách độc lập và tuần tự vào từng cặp dây pha làm giảm được 50% số lượng các phần tử chuyển mạch công suất so với các bộ nghịch lưu kiểu cầu trong các bộ điều khiển tốc độ SRM.
NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SRM
Nguyên tắc điều khiển
Bộ truyền động SRM được điều khiển trên nguyên tắc cấp nguồn một chiều một cách tuần tự, độc lập cho các cuộn dây pha dựa trên thông tin chính xác vị trí của roto.Hình 2.1 minh họa phương pháp điều khiển cơ bản.
Hình 2.1 Hoạt động của chế độ động cơ và máy phát của SRM
Chế độ động cơ, cuộn dây pha được kích thích tại thời điểm điện cảm tăng.Momen cung cấp cho động cơ và máy phát được chỉ ra ở hình 2.1 Trong hình momen được đưa ra là một pha Momen trung bình là kết quả tổng hợp giá trị tức thời của xung momen điện từ của tất cả các pha của động cơ Động cơ cung cấp các xung rời rạc của momen và khi thiết kế đặc tính quá điện cảm thích đáng, động cơ có thể cung cấp một momen liên tục Trong hình 2.1 ta thấy, momen trung bình được điều khiển bằng cách điều chỉnh cường độ của dòng cuộn dây, Ip, hoặc bằng sự dừng đều của góc Đa Để giảm nhấp nhô momen, giữ độ mở của góc không đổi và thay đổi biên độ của dòng cuộn dây.
Hình 2.2 Dòng điều khiển bộ truyền đông động cơ SRM Để chắc chắn cung cấp momen tức thời, dòng cuộn dây phải được cung cấp tại thời điểm điện cảm tăng Dòng không thể lập tức tăng hoặc giảm trong mạch RL Vì vậy dòng phải trở về 0 trước khi điện cảm giảm Vì vậy, dạng sóng thực của dòng như hình 2.2 Điện áp trong cuộn dây pha được cấp trước khi điện cảm tăng góc Đa và ngừng cấp dòng trước khi điện cảm giảm góc Đạo Góc e, co phụ thuộc vào biên độ dòng tối đa trong cuộn dây Ip và tốc độ roto Dòng được duy trì tại ip đóng và mở các transtor Dòng thực dao động ± Ai.
2.2 Cấu trúc điều khiên hệ truyền động SRM
Hình 2.3 Mạch vòng điều chỉnh tốc độ SRM Đầu vào bộ điều khiển tốc độ cm , vị trí roto 0, tốc độ roto Om Dòng động cơ được phản hồi thông qua sử dụng sen sơ Hall Thông tin vị trí roto được quan sát từ các ước lượng biến đổi năng lượng.
2.3 Bộ biến đổi sử dụng cho SRM
2.3.1 Bộ biến đổi phục hồi thụ động
Hình 2.4 Bộ biến đổi phục hồi thụ động
Hình 2.4: Nguồn áp cao và các điện trở để đẩy dòng lên trong giai đoạn mở máy. Trong suốt giai đoạn tắt máy, dòng tự cảm được tính thông qua thời gian phóng của diode qua điện trở Thời gian tắt dài bởi vì dòng tự cảm Năng lượng dự trữ bị hao mòn trong các điện trở và diot zener.
2.3.2 Bộ biến đổi hai dây song song
Hình 2.5 Bộ biến đổi hai dây song song
Hình 2.5, một cuộn dây khởi động phụ được sử dụng khử từ độ tự cảm pha vì vậy thời gian tắt có thể rút ngăn hơn Nhược điểm của cấu hình này là cần hai cuộn dây song song.
2.3.3 Bộ biến đổi cầu không đối xứng
Hình 2.6 Bộ biến đổi cầu không đối xứng
Hình 2.6, Sử dụng khoá chuyển mạch bổ sung, năng lượng dự trữ trong pha bắt đầu tắt được trả lại năng lượng nguồn cung cấp Thời gian tắt vì vậy giảm Năng lượng dự trữ được phục hồi trong nguồn cung cấp hoặc trong nguồn điện áp cao (C - mạch dump).
Hình 2.7 đã biết tụ C tích điện, năng lượng dự trữ trong pha bắt đầu tắt được tích vào tụ điện Năng lượng khôi phục lại làm nguồn cung cấp sử dụng nhờ cái ngắt điện phụ, cái mà duy trì điện áp tụ tại giá trị cho phép Cách này giảm hiệu suất của bộ biến đổi và giảm thời gian đóng Tuy nhiên, điện áp tụ phải được duy trì tại giá trị điện áp cao Vì +
Hình 2.7 Bộ biến đổi C-Dump vậy, đèn bán dẫn cũng phải chịu điện áp tương đương
Trong các định dạng này, giới hạn dòng là cần thiết tại thời điểm khởi động và tốc độ thấp Chế độ ngắt thường được sử dụng Tại chế độ này, khoá chuyển mạch được điều chỉnh để giữ cho dòng ở giá trị an toàn.
Tại thời điểm tốc độ cao, động cơ phải giới hạn dòng vì vậy sử dụng chế độ xung đơn Trong chế độ hoạt động này, chuyển mạch nguồn được điều chỉnh trong suốt thời gian cho phép (1/3 của cả giai đoạn). Để mà đạt được điều kiện từ trường tốt nhất cho bộ truyền động SRM có 2 nhân tố quan trọng Thứ nhất, thực hiện quá trình chuyển mạch nhanh Thứ 2, dòng động cơ trong pha đang hoạt động phải được điều chỉnh Dùng bộ biến đổi hình 2.8. Để tăng quá trình tắt, năng lượng dự trữ trong pha tắt phải được bù nhanh Điều này có thể đạt được khi sử dụng các tụ để thiết lập với dòng cộng hưởng tự cảm Vì vậy trong tự cảm pha được dự trữ trong tụ trong 1/4 giai đoạn cộng hưởng Năng lượng này không trả lại cho nguồn cung cấp nhưng nó sử dụng để tăng tốc khởi động pha tiếp theo. Điều khiển dòng có thể đạt được bằng cách thay đổi nhanh điện áp nguồn trong suốt chu kỳ khi pha được kích hoạt.
Hình 2.8 Bộ biến đổi dòng cảm ứng dùng Tisỉstor
Trong bộ biến đổi dòng cảm ứng, năng lượng dự trữ được phục hồi trong tụ đảo mạch.
Các tisistor GTO TA, TB,TC được sử dụng là khoá chính cho cuộn dây động cơ.Mạch đảo chiều bao gồm 3 thyristor phụ T1, T2, T3 và 3 tụ CA, CB, CC.
Bộ biến đổi sử dụng cho SRM
2.3.1 Bộ biến đổi phục hồi thụ động
Hình 2.4 Bộ biến đổi phục hồi thụ động
Hình 2.4: Nguồn áp cao và các điện trở để đẩy dòng lên trong giai đoạn mở máy. Trong suốt giai đoạn tắt máy, dòng tự cảm được tính thông qua thời gian phóng của diode qua điện trở Thời gian tắt dài bởi vì dòng tự cảm Năng lượng dự trữ bị hao mòn trong các điện trở và diot zener.
2.3.2 Bộ biến đổi hai dây song song
Hình 2.5 Bộ biến đổi hai dây song song
Hình 2.5, một cuộn dây khởi động phụ được sử dụng khử từ độ tự cảm pha vì vậy thời gian tắt có thể rút ngăn hơn Nhược điểm của cấu hình này là cần hai cuộn dây song song.
2.3.3 Bộ biến đổi cầu không đối xứng
Hình 2.6 Bộ biến đổi cầu không đối xứng
Hình 2.6, Sử dụng khoá chuyển mạch bổ sung, năng lượng dự trữ trong pha bắt đầu tắt được trả lại năng lượng nguồn cung cấp Thời gian tắt vì vậy giảm Năng lượng dự trữ được phục hồi trong nguồn cung cấp hoặc trong nguồn điện áp cao (C - mạch dump).
Hình 2.7 đã biết tụ C tích điện, năng lượng dự trữ trong pha bắt đầu tắt được tích vào tụ điện Năng lượng khôi phục lại làm nguồn cung cấp sử dụng nhờ cái ngắt điện phụ, cái mà duy trì điện áp tụ tại giá trị cho phép Cách này giảm hiệu suất của bộ biến đổi và giảm thời gian đóng Tuy nhiên, điện áp tụ phải được duy trì tại giá trị điện áp cao Vì +
Hình 2.7 Bộ biến đổi C-Dump vậy, đèn bán dẫn cũng phải chịu điện áp tương đương
Trong các định dạng này, giới hạn dòng là cần thiết tại thời điểm khởi động và tốc độ thấp Chế độ ngắt thường được sử dụng Tại chế độ này, khoá chuyển mạch được điều chỉnh để giữ cho dòng ở giá trị an toàn.
Tại thời điểm tốc độ cao, động cơ phải giới hạn dòng vì vậy sử dụng chế độ xung đơn Trong chế độ hoạt động này, chuyển mạch nguồn được điều chỉnh trong suốt thời gian cho phép (1/3 của cả giai đoạn). Để mà đạt được điều kiện từ trường tốt nhất cho bộ truyền động SRM có 2 nhân tố quan trọng Thứ nhất, thực hiện quá trình chuyển mạch nhanh Thứ 2, dòng động cơ trong pha đang hoạt động phải được điều chỉnh Dùng bộ biến đổi hình 2.8. Để tăng quá trình tắt, năng lượng dự trữ trong pha tắt phải được bù nhanh Điều này có thể đạt được khi sử dụng các tụ để thiết lập với dòng cộng hưởng tự cảm Vì vậy trong tự cảm pha được dự trữ trong tụ trong 1/4 giai đoạn cộng hưởng Năng lượng này không trả lại cho nguồn cung cấp nhưng nó sử dụng để tăng tốc khởi động pha tiếp theo. Điều khiển dòng có thể đạt được bằng cách thay đổi nhanh điện áp nguồn trong suốt chu kỳ khi pha được kích hoạt.
Hình 2.8 Bộ biến đổi dòng cảm ứng dùng Tisỉstor
Trong bộ biến đổi dòng cảm ứng, năng lượng dự trữ được phục hồi trong tụ đảo mạch.
Các tisistor GTO TA, TB,TC được sử dụng là khoá chính cho cuộn dây động cơ.Mạch đảo chiều bao gồm 3 thyristor phụ T1, T2, T3 và 3 tụ CA, CB, CC.
ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ SRM BẰNG BỘ ĐIỀU CHỈNH PID
Bộ điều khiển
Tổng hợp các mạch vòng tốc độ, momen, dòng điện động cơ thường dùng bộ điều chỉnh PID có dạng:
Xác định các hệ số Kp, KD, K1, của bộ điều khiến để làm cho hệ thống có bộ điều khiển PID sẽ thỏa mãn các chỉ tiêu chất lượng đề ra.
Mạch vòng điều chỉnh tốc độ và momen thường dùng bộ điều chỉnh PI, mạch vòng điều chỉnh dòng điện có thể dùng bộ điều chỉnh PI hoặc P.
Phần tích phân của bộ điều khiển PID tạo ra tín hiệu tỷ lệ với tích phân tín hiệu đầu vào bộ điều khiển theo thời gian Hàm truyền của bộ điều khiển PI có dạng:
Bộ điều khiển PI, có đưa thêm một điểm cực s = 0 và một điểm không s= -K i /K p vào hàm truyền mạch hở của hệ thống và làm tăng bậc phiếm tĩnh của hệ thống Khi bậc phiếm tĩnh của hệ thống tăng lên nhờ dùng bộ điều khiển PI thì K p ít ảnh hưởng đến sai số xác lập và ta chọn tỷ số K i /K p để đáp ứng quá độ được thỏa mãn.
3.2 Tông hợp các bộ điều khiến Động cơ SRM là động cơ phi tuyến, điện áp của động cơ được cung cấp bởi tốc độ roto và dòng pha Tính phi tuyến của hệ thống làm cho tổng hợp mạch vòng điều khiển rất khác Nếu hệ thống là tuyến tính, như ta đã biết các phương pháp điều khiển truyền thống, có thể áp dụng để tổng hợp mạch vòng điều khiển cho các động cơ tuyến tính Hơn nữa, các động cơ tuyến tính ta có thể tuyến tính hoá động cơ bằng các phương trình toán học và dễ dàng tính toán tổng hợp các mạch vòng điều khiển Bộ điều khiển của các động cơ này không có khả năng thực hiện cao trên cơ sở điểm hoạt động Trái lại, điểm hoạt động của hệ truyền động tốc độ thay đổi SRM liên tục thay đổi Bộ điều khiển phi tuyến có thể tuyến tính hoá và tách riêng mạch vòng điều khiển dòng, kết quả thực hiện rất cao Tách bộ điều khiển dòng là cần thiết vì dòng của một pha sẽ ảnh hưởng đến dòng của pha khác Bình thường hai pha cùng dẫn một phần trong chu kỹ dẫn của một pha, khi đầu ra của dòng pha bắt đầu chuyển mạch, đầu vào của pha kia bắt đầu chu 21
Tổng hợp các bộ điều khiển
Bộ điều khiển dòng bao gồm khối PWM để điều biến dòng điều khiển, nhưng tạo trễ dòng thỉnh thoảng bắt gặp trong thực hành Bộ điều khiển này dễ dàng thực hiện và bộ điều khiển này không đơn thuần là bộ điều khiển PID Bộ điều khiển dòng kết hợp với bộ điều khiển PWM tạo thành bộ điều khiển lai
Do tính phi tuyến của SRM, phát triển sơ đồ khối không minh bạch như loại động cơ DC Nhận thấy rằng, SRM rất giống động cơ DC kích từ nối tiếp (giống từ momen và dòng yêu cầu), có thể thực hiện sơ đồ khối SRM bằng cách tuyến tính hoá các phương trình hệ thống bằng cách thực hiện từ tín hiệu nhỏ và phát triển sơ đồ khối bằng các hàm biến đổi Các hàm chuyển đổi có thể được sử dụng, như các hệ truyền động của các động cơ khác để truyền động với bộ điều khiển PID.
3.2.1 Phương trình momen và điện áp của SRM
Ta có: dẢ(ỡ, i) ' v = iR s (3.5) dt
Trong cả hai phương trình trên, từ thông 0 và momen khe hở không khí Te đều phụ thuộc vào dòng pha và vị trí roto Mối quan hệ giữa từ thông với điện cảm và dòng điện: 2(0, i) = L(0, i)i, phương trình điện áp được viết:
, d[L(ỡ, i)i] di dL(ỡ, i) v = iR s ■ ,1; + L ( Ớ , Z H + ^7r^,' (3.7) dt dt dỡ
Trong phương trình (3.3), vế bên tay phải có 3 nhóm lần lượt là: điện áp rơi trên điện trở, điện áp cảm ứng và sức phản điện động và kết quả giống như động cơ DC kích từ nối tiếp Momen điện từ thừa nhận rằng điện cảm thay đổi là hàm của vị trí và dòng:
3.2.2 Mô hình hóa động cơ SRM
Trạng thái thiết lập của SRM là tốc độ roto và dòng điện i Theo phương trình điện áp và momen có nhiều số hạng, là nhiều trạng thái cùng nhau tạo nên hệ thống phi tuyến. Để đơn giản hoá, giả thiết điện cảm L = L(0,i) là không đổi Điện cảm được chọn giá trị trung bình giữa giá trị điện cảm thời điểm thẳng hàng và giá trị điện cảm tại thời điểm không thẳng hàng Giả thiết mối quan hệ giữa điện cảm và vị trí roto là không đổi và được tính toán giữa góc dẫn và giá trị dòng Mối quan hệ này thay đổi rất nhỏ so với vùng hoạt động của động cơ.
Trạng thái hệ thống mới quanh điểm làm việc tĩnh: ỉ = io + ỏi (3.10)
Trong đó các ký hiệu có chỉ số dưới 0 biểu thị trạng thái làm việc tĩnh và đầu ra tĩnh và tín hiệu vi phân có ký hiệu ỗ phía trước Ta có: v 0 + ỏv = R s (i 0 + ỏi) + L d(/() + d/) +^~(m 0 + ỏm )( i 0 + ỏi ) ( 3.14)
Rút gọn trạng thái tĩnh.
2 0 r C- , T dỏi , dL dL ỏ v = Rỏ + L— + ^- ỏ(ữ m i 0 +^- (ữ m ỏ i dt de de dL(e, i) de ỏi _ ỎT L =J 1 ỏm + Bỏm
(3.18) dô(ữ m 1 dL B ÕT j m = (-—-^ i 0 )ổi ổ(ữ m + ^L (3.19) dt J de ữ J m J
R eq là điện trở tương đương K b là hằng số biến động ôe là sự thay đổi nhỏ của sức điện động cảm ứng.
Bằng cách sau phân các biểu thức momen và điện áp, ta được sở đồ của động cơ SRM đã tuyến tính như sau: ( với Kt = K e = K b )'
Hình 3 1 Sơ đồ khối động cơ SRM tuyến tính
Tải có xu hướng cản trở chuyển động nên momen tải có thể coi là thành phần nhiễu loạn Để đơn giản, hệ điều khiển chỉ có một vòng phản hồi như hình 3.1, động cơ có q pha thì sẽ có q vòng phản hồi Các vòng phản hồi dòng điện giống nhau nhưng thay đổi trong từng pha.
3.2.3 Sơ đồ khối của hệ điều khiển động cơ SRM
Hình 3 2 Sơ đồ khối hệ điều khiển hai mạch vòng điều chỉnh trong động cơ
R - là bộ điều chỉnh tốc độ
R ‘ là bộ điều chỉnh dòng điện
1 + sT r là hàm truyền của bộ biến đổi
Req + sL là hàm truyền động cơ
H c là sensor phản hổi dòng điện
1 + T m là sensor phản hôi tốc độ
Tốc độ roto được biến đổi thành tín hiệu điện áp thông sensor vị trí sau đó qua bộ lọc để cung cấp ® r , © r được so sánh với tín hiệu đặt ® r * Tín hiệu sai lệch tốc độ được khuyếch đại và được đưa về trạng thái mong muốn thông qua bộ điều khiển tốc độ, thông thưởng bộ điều chỉnh tốc độ là bộ điều chỉnh PID Đấu ra của bộ điều khiển tốc độ là tính hiệu điện áp tỷ lệ với tín hiệu dòng I* Tín hiệu dòng phản hỏi được so sánh với tín hiệu dòng I* để phát ra sai lệch dòng Sai lệch dòng được xử lý thông qua bộ điều khiến
PI cung cấp tín hiệu điều khiển cho bộ biến đổi nguôn Bộ biến đổi nguôn có hệ số khuyếch đại:
V dc : điện áp định mức cấp cho BBĐ, V cm là điện áp điều khiển lớn nhất Hằng số thời gian T r của bộ biến đổi như điều khiển PWM của bộ biến đổi với tấn số sóng mang f c được tính:
3.2.4 Thiết kế bộ điều khiển dòng a) Mạch vòng dòng điện khi bỏ qua sức điện động động cơ
Bộ điều khiển PI được chọn làm bộ điều khiển dòng bởi vì thực hiện đơn giản và sự dụng phổ biến trong công nghiệp.
S o = „„„ T\ o (1 + sT r )(R eq + sL) Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu module:
Chọn T ° = T r ta được: 2 sKrH 0 Tr
Vậy R i là khâu tích phân tỉ lệ PI. b) Mạch vòng dòng điện có tính đến sức điện động động cơ trong trường hợp
Hình 3 3 Sơ đồ mạch vòng điều khiển dòng
Hình 3 4 Sơ đồ khối mạch vòng dòng điện có tính đến sức điện động động cơ
T L =0 Để thuận tiện cho việc tính toán ta thực hiện biến đổi sơ đồ bằng cách chuyển nút từ sau ra trước một khối ta được sơ đồ tương đương mới như sau:
Hình 3 5 Sơ đồ khối mạch vòng dòng điện sau khi biến đổi
Từ sơ đồ trên ta tính toán được hàm truyền G(s):
B là hằng số thời gian cơ học
Do hằng số thời gian cơ học T m của hệ là lớn nên (1+sT m ) có thể coi xấp xỉ bằng sT m Như vậy ta có:
Ta có sơ đồ tổng quát:
S = o [(R + sL ) sT m + K b 2 ](1 + sT) eq mb r Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu module:
R eq + sL ) sT m + Kb 2 ](1 + sT r ) KHTs.2 ST ( 1 + ST ) r c m o o
Nhận thấy, nếu ta có thể phân tích (Req + sL)sTm + Kb (1+sT)(1+sT 2) thì bộ điều khiển R i có thể dùng 2 bộ điều khiển PI nối cấp.
KHTs r cm c) Mạch vòng dòng điện có tỉnh đến sức điện động động cơ trường hợp T I =B I -(') Để dễ dàng tính toán ta biến đổi sơ đồ trên bằng cách chuyển nút từ sau ra trước một khối ta được sơ đồ tương đương sau:
Hình 3 6 Sơ đồ khối mạch vòng dòng diện có tính đến sức điện động động cơ T L =B L W
Ta có sơ đồ tổng quát:
Với B ‘ B + B L là tổng hệ số ma sát của động cơ và tải.
Hình 3 7 Sơ đồ khối mạch vòng dòng điện sau khi biến đổi
Từ sơ đồ ta tính được hàm truyền G 1 (s) và G 2 (s): o G ( s ) = _ 1 + sT _ m m _
B t là hằng số thời gian cơ học
Do hằng số thời gian cơ học T m của hệ là lớn nên (1+sT m ) có thể coi xấp xỉ bằng sT m Như vậy ta có:
3.2.5 Thiết kế bộ điều khiển tốc độ Ở phần trước ta đã tổng hợp được mạch vòng dòng điện theo tiêu chuẩn tối ưu module và có:
Do T r )
Hình 3 16 Mạch vòng dòng điện có sức điện động, có monem tái TL Bco
Hình 3 17 đồ thị dòng điện của mạch vòng dòng điện có sức đỉện động, có monem tải
- Dòng điện xác lập: 25A d) Mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng
Hình 3 18 Mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng
Kết quả mô phỏng với tốc độ đặt là 1000 vòng/phút:
- Tốc độ xác lập: 1000 vòng trên phút
Hình 3 19 đồ thị mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng
3.3.2 Mô hình SRM (6/4) với bộ điều khiển PID trong Matlab/Simulink Điều khiển tốc độ hệ truyền động SRM (6/4) được xây dựng trong matlab/simulink có sơ đồ khối như sau: powergui
Switched Reluctance Motor (6/4 specific model)
Hình 3 20 Mô hình SRM (6/4) với bộ điều khiển PID trong Matlab/Simulink a Bộ chuyển đỗi nguồn
Bộ chuyển đổi được sử dụng ở đây là một cầu không đối xứng bộ chuyển đổi chuyển đổi dòng điện cung cấp cho pha phù hợp với vị trí rôto.
Hình 3 21 Bộ chuyển đổi nguồn ba pha
Hình 3 22 Bộ chuyển đổi nguồn của mỗi pha