Vùng tốc độ và momen cao đó loại trừ là cần thiết vì đắt và bánh răng cơ khí và hộp truyền động phức tạp.1.2 Cấu trúc cơ bản của động cơ từ trở thay đổiCũng giống như các loại động cơ kh
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ THAY ĐỔI
Tổng quan về động cơ từ trở
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, SRM lại được quan tâm, đặc biệt trong những ứng dụng công suất nhỏ
Ngày nay, truyền động SRM là động cơ chính thông qua các ứng dụng tự động quan trọng như thiết bị lái bằng điện, bộ phận tích hợp máy phát điện xoay chiều, và máy bơm Khuynh hướng tương tự được tiến hành trong các lĩnh vực khác của công nghiệp như thiết bị nội thất, không gian vũ trụ và dụng cụ khai thác mỏ công suất lớn Nghiên cứu sự đang phát triển trên toàn thế giới và sự tiến triển trên các khía cạnh thay đổi của bộ truyền động SRM để đạt kết quả tiến bộ thật sự.Hiệu suất của các hệ truyền động sử dụng SRM thấp hơn (cosphi ~ 0,5) so với những hệ truyền động dùng các loại động cơ khác (cosphi ~ 0,7 + 0,8)
SRM bắt đầu phát triển vào 1972 khi Bedfford được cấp bằng sáng chế độc quyền ra nó SRM nhận được sự quan tâm sau mẫu làm việc tại đại học Leeds và Nottingham năm 1980 Nó tiếp tục được nghiên cứu trên toàn thế giới, đặc biệt ở Châu Âu và ở Mỹ Kết quả được công bố khác nhau, ở dạng cấp bằng sáng chế hoặc ứng dụng Sau gần 30 năm nghiên cứu SRM, đã xuất hiện máy điện SRM đơn giản nhất, tuy nhiên vẫn tồn tại nhiều nhược điểm và cần được nghiên cứu xa hơn.
Trong những năm gần đây, do công nghệ bán dẫn phát triển mạnh mẽ và thu được nhiều thành công đáng kể thì SRM đã và đang được quan tâm ngày càng nhiều, được biết đến với tên “động cơ từ trở thay đổi” - switched Reluctance Motor (SRM) Máy điện từ trở thay đổi có 2 đặc điểm nổi bật: Hoạt động trong trạng thái đóng ngắt liên tục, đây là lý do chủ yếu giải thích tại sao SRM chỉ được quan tâm ngày phát triển khi ngành vật liệu bán đẫn đạt được những thành công vượt trội.Từ trở: cả Roto và stato đều có sự thay đổi từ trở (điện kháng phức tạp) khi động cơ làm việc, hay nói cách khác SRM là loại máy điện có cực ở cả 2 phía.
Hình 1.0: Roto và Stator SRM
Bộ truyền động động cơ từ trở là tương đối mới trong truyền động tốc độ thay đổi Bộ truyền động động cơ từ trở là truyền động tốc độ thay đổi với cấu trúc đơn giản, dải tốc độ rộng, hiệu suất năng lượng tốt, tỷ số momen quán tính lớn và tỷ số tương quan giữa nguồn và momen cao Cấu trúc đơn giản của SRM sẽ làm nó rẻ hơn các bộ truyền động tốc độ thay đổi khác trong đa số nhà cung cấp SRM có tính linh hoạt trong vận hành khi truyền động ở cả 4 góc phần tư với điều khiển độc lập tốc độ và momen ở vùng quá tốc độ Vùng tốc độ và momen cao đó loại trừ là cần thiết vì đắt và bánh răng cơ khí và hộp truyền động phức tạp.
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 tron g 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 thetas.
Trong đó: q là số pha, Nr là số đôi cực, trong hình 1, vì là loại 6/4 nên ta có 360/6*2 = 30 độ.
Hình 1.2 Cấu trúc động cơ 6/4 SRM (Pha A thẳng hàng)
Hình 1.2, biểu diễn động cơ 6/4 SRM với roto thẳng hàng với pha A - A’ Hình 1.2 roto thẳng hàng với soto pha A - A’, ngược lại với hình 1.1 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
Trước khi đi vào tìm hiểu nguyên lý hoạt động của động cơ từ trở ta xem xét 2 khái niệm quan trọng, đó là:
Vị trí đồng trục (Aligned position).
Vị trí lệch trục (Unaligned position).
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 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 đồng trục, như hình 1.3 sẽ không sinh ra momen (hoặc rất ít) Nếu chuyển roto khỏi vị trí đồng trục, khi đó momen quay dời roto tới vị trí thẳng hàng tiếp theo.
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 hoạt động tiếp theo sẽ là cực lân cận phía bên phải của cực hoạt động 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 phía stato Gọi m là số pha của stato, 2pc là số cực của một pha, từ trường stato sẽ quay sau mỗi xung một góc là:
Nếu số răng của roto là z, sau mỗi xung roto sẽ quay một góc:
Hình 1.3 Vị trí đồng trục.
Hình 1.4 Vị trí lệch trục.
Nghĩa là chậm hơn lần so với từ trường quay stato Để có thể đạt được tốc độ quay n, tần số điều khiển fs (control frequency) cần thiết sẽ phải là:
Nguyên lý hoạt động của SRM. 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 của roto.
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
(1.5) 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 roto.
Quá trình biến đổi vật lý
Từ trở của phần từ thông thay đổi theo vị trí roto, đặc biết từ trở của dòng điện từ được tính bởi công thức :
F: lực điện từ λ: 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 μ: độ thẩm từ của vật liệu từ l, S, μ 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, = 0 ( 0 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 μ 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.
λ là từ thông liên kết.
N là số lần đổi hướng cho mỗi pha.
1.4.2 Qúa trình chuyển hóa năng lượng trong SRM.
Do điện trở thay đổi 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 = không thẳng 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 chỉ ra tập đường cong từ hóa của cuộn dây pha động cơ SRM với góc θ tăng dần từ vì trí không thẳng hàng (lệch truc) đến vị trí đồng trục 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 hóa SRM
Hình 1.6 : Tập hợp đường cong từ hóa đường dây pha động cơ SRM
1.4.3 Đặc tính công suất của động cơ từ trở thay đổi
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 (Momen bằng hằng số) Ý nghĩa của vùng này muốn chỉ ra rằng, nếu tốc độ còn nhỏ hơn tốc độ định mức, momen của động cơ sinh ra vẫn có thể đảm bảo không đổi trong thời gian dài, miễn là tải nhỏ hơn định mức. Trong vùng này nếu muốn tăng tốc độ động cơ cần phải điều khiển tăng điện áp cấp vào cuộn dây pha Stator Tốc độ động cơ lớn nhất bằng tốc độ định mức, tại đó dòng điện và momen đạt định mức khi điện áp đạt định mức Trong vùng này điều khiển momen bằng cách điều khiển dòng điện.
Vùng 2 ( vùng công suất không đổi)
Khi tốc độ của động cơ lớn hơn tốc độ định mức và điện áp của động cơ không thể tăng hơn được nữa, do công suất của động cơ là không đổi p=Te.wm nên bắt buộc momen phải giảm đi Khi đó vùng làm việc trên tốc độ cơ bản là vùng công suất không đổi
Vùng 3 ( vùng giảm công suất) Đây là vùng có tốc độ rất lớn, làm cho sức phản điện động e trong động cơ lớn hơn nhiều so với điện áp nguồn cấp u vào cuộn dây pha Stator Trong vùng làm việc này, Momen 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 động cơ giảm đi √2 lần.
1.5 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
Hình 1.8: Đặc tính công suất đông cơ SRM
Vùng2: Công suất không đổi.Vùng3: Giảm công suất.
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
vùng giảm công suất)
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
Hình 1.8: Đặc tính công suất đông cơ SRM
Vùng2: Công suất không đổi.Vùng3: Giảm công suất.
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
Hệ truyền động SRM luôn có nhấp nhô momen lớn nên không được ứng dụng cho những hệ thống cần điều khiển vị trí (các hệ Servo) nhưn Robot, máy công cụ CNC, …
Do nhấp nhô momen và sự biến đôi thường xuyên của lực xuyên tâm, tiếng ồn, độ rung sinh ra khi vận hành là một nhược điểm lớn của SRM
Với những ưu, nhược điểm được trình bày ở trên, SRM có những ứng dụng đặc thù, phát huy ưu điểm vượt trội và hạn chế được những nhược điểm của nó Khi các công cụ điều khiển phát triển, SRM có những ứng dụng cụ thể sau:
Ứng dụng trong máy giặt, máy nén khí, quạt gió, bơm Đây là những ứng dụng đòi hỏi tốc độ cao, khả năng sinh momen mạnh mẽ và có thể chấp nhận độ rung, tiếng ồn ở một mức độ nhất định
Ứng dụng cho hàng không, SRM là một sự lựa chọn lý tưởng cho ứng dụng trong hàng không với vai trò động cơ sơ cấp khởi động động cơ phản lực-loại ứng dụng cần chạy ở tốc độ 27000-50000 vòng /phút Khi động cơ đã chạy ổn định, SRM giữ vai trò máy phát, làm nguồn cấp cho mạng điện máy bay
Ứng dụng làm động cơ phát động cho truyền động kéo tàu điện, xe điện, chân vịt tàu thủy,tàu ngầm.
MÔ TẢ TOÁN HỌC VÀ NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN SRM
Mô tả toán học SRM
Ta xuất phát từ phương trình điện từ cơ sở với dòng i , góc quay và từ thông λ của cuộng dây Stator.
v là điện áp trên một pha dây quấn;
i là dòng điện trên mỗi pha dây quấn;
Rs điện trở của một pha dây quấn;
λ là từ thông liên kết trên một pha dây quấn;θ là vị trí góc rotor
Từ thông liên kết mỗi pha
Lấy đạo hàm riêng , ta viết được phương trình điện áp đầy đủ như sau:
Biểu thức (2.3) cho ta thấy rõ rằng điện áp trên mỗi pha của động cơ từ trở gồm ba thành phần là: sụt áp trên điện trở Rs , điện cảm trên cuộn cảm L và sức điện động E của động cơ.
Hình 2.1 Mạch tương đương động cơ SRM
Nguyên tắc điều khiển
Động cơ SRM vững chắc như động cơ DC kích từ nối tiếp, nhưng trong điều khiển động cơ SRM rất ít kết nối với các động cơ khác và vì vậy điều khiển tương tự không phát triển Sự thật là điện cảm của SRM không chỉ là hàm của vị trí roto và còn là hàm của dòng kích từ, sự biến thiên của dạng dòng kích từ làm phức tạp bộ điều khiển tự chỉnh của truyền động SRM Mặt khác, với tất cả các động cơ điện khác, bộ điều khiển tự chỉnh của hệ truyền động xuất phát từ các thông số máy với các vùng kích từ cố định. Nếu áp dụng cách này để thiết kế hệ truyền động cho động cơ SRM thì sẽ bị thất bại ngay từ khi bắt đầu Bởi vì điện cảm của động cơ là một hàm phi tuyến, phụ thuộc vào vị trí roto và dòng điện kích thích Nhưng có thể phân loại hệ truyền động SRM theo yêu cầu điều khiển: VD yêu cầu hiệu suất cao hay thấp của xung mômen hoặc các ảnh hưởng đặc biệt của tốc độ.
Sự thay đổi của điều khiển cũng như tăng sự tiến bộ và góc chuyển mạch được nghiên cứu và chúng phụ thuộc vào điện cảm của máy, tốc độ và yêu cầu đạt yêu cầu momen lớn nhất Hiệu suất, vòng lập kín và bộ điều khiển tốc độ của động cơ SRM được xem xét và hoàn thành từng bước từng bước trong thiết kế và hoàn thiện bộ điều khiển.
Trung tâm của hệ thống điều khiển của bộ truyền động động cơ là điều khiển dòng Hai loại điều khiển dòng đang được phát triển, một là xuất phát từ chế độ tuyến tính của SRM đưa ra hiệu suất hợp lý, hai là tách và tuyến tính hoá để đưa ra hiệu suất cao Để thiết kế bộ điều khiển dòng hiệu suất cao, các nhân tố như cùng pha và tính phi tuyến của hệ thống được tính toàn trên cùng thời điểm Trong hầu hết các bộ truyền động
DC, điều khiển momen được đồng bộ với điều khiển dòng Do tính phi tuyến, SRM được điều khiển rất khác Khoá nhiều pha là bắt buộc để giảm xung mômen và phát ra hiệu suất momen cao và nhanh Hiện nay, điều khiển momen được dựa trên hàm momen phân phối để đảm bảo biên độ đầu ra momen tuyến tính của truyền động SRM thông qua vùng kích từ của nó.
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 2.2 minh họa phương pháp điều khiển cơ bản.
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 2.2 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 2.2 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.
16 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 2.3 Điện áp trong cuộn dây pha được cấp trước khi điện cảm tăng góc và ngừng cấp dòng trước khi điện cảm giảm góc Góc ɵ còn 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 ± ∆i.
17Hình 2.2 Máy phát và động cơ của SRM
Cấu trúc điều khiển truyền động SRM
18 Hình 2.3 Dòng điều khiển bộ truyền đông động cơ SRM
Hình 2.4 Mạch vòng điều khiển tốc độ SRM
Bộ biến đổi sửa dụng cho 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).
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 2.5 cầu không đối xứng điều khiển SRM
Hình 2.6 a) Biến đổi 1 pha b)Mạch điện 1 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 phần cứng (hard switching)
Chuyển mạch cứng (hard swtching): Khi dẫn dòng, 2 van T1 và T2 cùng mở, điện áp pha va bằng điện áp liên kết một chiều Vdc , và dòng điện pha ia 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 -Vdc và dòng điện pha ia giảm cho đến giá trị giới hạn dưới của dải dòng điện đặt Sau đó dòng điện pha ia 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.
20 Hình 2.7: Chuyển mạch phần cứng on/off
Hình 2.8 a) Điện cảm động cơ SRM b) Trạng thái van T1/T2 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
2 và van T1 luôn đóng còn van T2 đóng/mởtheo giá trị dòng điện đặt, khi van T2 mở, điện áp pha va bằng điện áp liên kết một chiều Vdc, và dòng điện pha ia tăng.
Khi dòng pha tăng đếngiới hạn trên của dòng điện đặt, van T2 cùng đóng lại, diode
D2 sẽ mởra nối ngắn mạch hai đầu cuộn dây, điện áp đặt lên cuộn dây là 0V,dòng điện pha ia 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 2van T1 và T2 cùng đóng làm cho dòng điện giảm dần về 0 Phương ánchuyển mạch mềm có nhược điểm làm dòng suy giảm chậm, có thểkhiến dòng điện bị kéo dài sang sườn xuống của đường đặc tính điệncảm, sinh ra mômen âm.
21Hình 2.9 a) Điện cảm động cơ SRM b) Trạng thái van T c) Trạng thái van T2 c) Điện áp pha d) Dòng pha.
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, Kı, 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:
Tổng hợp các bộ điều khiển
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 trình tăng đến mức yêu cầu Các dòng này đóng góp vào mối quan hệ của từ thông liên kết.
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.
Như ta đã tìm hiểu chương 2, ta có:
Trong các phương trình trên từ thông và momen khe hở không khí Te điều phụ thuộc vào dòng pha và vị trí roto Mối quan hệ của chúng đc biểu diễn như biểu thức (3.7)
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 𝜔m 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(θ,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:
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 δ phía trước Ta có:
Rút gọn trạng thái tĩnh, ta được:
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 = Ke = Kb)’.
Req là điện trở tương đương
Kb là hằng số biến động
δ e là sự thay đổi nhỏ của sức điện động cảm ứng.
3.2.3 Sơ đồ khối của hệ điều khiển động cơ SRM
Mạch vòng trong là mạch vòng điều khiển dòng điện Ri
Mạch vòng ngoài là mạch vòng điều khiển tốc độ Rw
Hình 3 1 Sơ đồ khối động cơ SRM tuyến tính
Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ điều khiển hai mạch vòng điều chỉnh trong động cơ SRM
1+sTr là hàm truyền của bộ biến đổi
1+sTw là sensor phản hồi tốc độ
Req+sL là hàm truyền của động cơ SRM
3.2.4 Thiết kế bộ điều khiển dòng a) Mạch vòng dòng điện khi bỏ qua sức điện động động cơ (e = 0)
Hàm truyền của đối tượng:
(1+sTr)∗(Req+sL) Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modun.
Hàm truyền tiêu chuẩn tối ưu modun: Fch 1 1+2sTo+2s 2 ¿¿
Biến đổi biểu thức ta được:
Hình 3.3: Mạch vòng dòng điện khi bỏ qua sức điện động của động cơ e = 0v
(3.24) b) Mạch vòng dòng điện có tính đến sức điện động động cơ trong trường hợp TL=0.
Ta có sơ đồ tổng quát:
Từ sơ đồ ta tính được hàm truyền G1(s) và G2(s):
Hình 3.4: Sơ đồ khối mạch vòng dòng điện có tính đến sức điện động động cơ TL=0.
Do hằng số thời gian cơ học Tm của hệ là lớn nên (1+sTm) có thể coi xấp xỉ bằng sTm. Như vậy ta có:
Bộ điều khiển là hai khâu PI nối tiếp nhau.
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: a) Mạch vòng tốc độ sử dụng bộ điều chỉnh tỉ lệ.
Hình 3.5: Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ
Hàm truyền đối tượng: Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modun ta được:
Trong đó So là hàm truyền của SRM
Ta thấy Ts = To ta rút gọn được: Rw = 2 Kb∗HwTos Tm∗Hcs (3.37)
Vậy bộ điều khiển ta có khâu P.
Vậy hệ thống không khử được nhiễu với tải. b Mạch vòng tốc độ sử dụng bộ điều chỉnh tích phân tỉ lệ PI.
Hàm truyền của đối tượng.
(3.42) Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng:
Vậy bộ tổng hợp là PI
Xét trường hợp TL 0 , Vr * 0
Vậy nếu dùng PI có thể khử được nhiễu do tải gây ra.
MÔ PHỎNG MẠCH VÒNG DÒNG ĐIỆN , MẠCH VÒNG TỐC ĐỘ VÀ ĐÁNH GIÁ BỘ ĐIỀU KHIỂN
Mạch vòng điều khiển dòng điện bỏ qua sức điện động
33 Hình 4.1:Mạch vòng dòng điện bỏ qua E.
Kết quả chạy mô phỏng:
Gía trị tham số đặt cho bộ điều khiển:
Req =0.05(ôm), L = 23.6(mH), Kr = 1,Hc = 1,Tr=0.1.
Mạch vòng dòng điện có sức điện động, không có momen tải
34Hình 4.2: Kết quả mô phỏng mạch vòng dòng điện bỏ qua E.
Thông số mạch điện: Req =0.05 (ôm), L = 23.6(mH), Kr = 1, Hc = 1, Tr=0.1, B1=1, J%,Kb=1, Tm=1.
Mạch vòng dòng điện có sức điện động, có monem tải TL=Bω
35 Hình 4.3 :Mạch vòng dòng điện KHÔNG bỏ qua E
Hình 4.4: kết quả mô phỏng mạch vòng dòng điện không bỏ qua e
Tham số trong mạch: Req =0.05 (ôm), L = 23.6(mH), Kr = 1 Hc = 1 Tr=0.1 B1=1 J% Kb=1Tm=1 BI=1.
Mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng
36 Hình 4.5: Mạch vòng dòng điện có sức điện động, có monem tải T L =Bω
Hình 4.6: Kết quả mô phỏng mạch vòng dòng điện có sức điện động, có monem tải T L =Bω.
Req =0.05, L = 23.6, Kr = 1, Hc = 1, Tr=0.1, B1=1, J%, Kb=1, Tm=1, BI=1, Ts1=1, B=1, Tw=0, Hw=1.
Kết quả mô phỏng đạt được:
37 4.7: Mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng
4.8: kết quả mô phỏng mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng
