Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng

Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng

L ỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên

cứu Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong

phần tài liệu tham khảo

Tác giả luận văn

Ph ạm Hồng Kiên

Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Như Hiển đã

tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành nhiệm vụ

học tập và nghiên cứu

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo đã giảng dạy lớp học, các

thầy cô giáo trong bộ môn tự động hoá, cán bộ thư viện Trưòng Đại học công nghiệp Thái nguyên đã quan tâm và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận văn

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến bạn bè, đồng nghiệp đã khích lệ động viên tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu

Thái Nguyên tháng 03 năm 2009

Tác giả

Ph ạm Hồng Kiên

M ỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan

Lời cảm ơn

Mục lục 1

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 3

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 4

Lời nói đầu 7

Chương 1: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng 8

1.1 Tổng quan về các loại động cơ từ kháng (ĐCTK) 8

1.2 Giới thiệu chung về động cơ từ kháng đồng bộ tuyến tính 9

1.2.1 Kiểu động cơ 2 trục LSRM 11

1.2.2 Nhận dạng các tham số thực nghiệm 14

1.3 Giới thiệu chung về động cơ từ kháng loại đóng ngắt (Switched reluctane motor - SRM ) 15

1.3.1.Stator 15

1.3.2 Rotor 17

1.4 Ưu điểm và ứng dụng của SRM 19

1.5 Tiền đề để xây dựng một hệ truyền động SRM 20

Chương 2 Nguyên lý, cấu trúc, điều khiển động cơ từ kháng 23

2.1 Nguyên lý của SRM 23

2.1.1 Phương thức hoạt động 23

2.1.2 Nguyên lý hoạt động 25

2.2 Đặc tính cơ bản của SRM 30

2.3 Các phương trình mô tả động cơ SRM 31

Mục lục 2 2.3.2 Phương trình Momen tổng 32

2.3.3 Phương trình Momen tối giản 36

2.3.4 Phương trình động học 37

2.4 Phương pháp chung điều khiển SRM 38

2.5 Cấu trúc nghịch lưu 41

2.6 Cấu trúc điều khiển có cảm biến vị trí 44

2.7 Cấu trúc điều khiển không cần cảm biến vị trí 46

Chương 3 Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng 52

3.1 Mô hình SRM tuyến tính 53

3.2 Mô hình phi tuyến 58

3.3 Các kết quả mô phỏng 61

3.3.1 Kết quả mô phỏng ở chế độ tuyến tính 61

3.3.2 Kết quả mô phỏng ở chế độ phi tuyến 64

Phụ lục 68

Tài liệu tham khảo 75

5 m N Momen quay c ủa ĐCTK

7 R Điện trở của cuộn dây pha Stator của ĐCTK

8 U Điện áp cuộn dây pha của ĐCTK

9 U DC , U trans , U diode Điện áp mạch một chiều, điện áp sụt trên Transitor

trên Diode

10 z S ố răng của Rotor

11 ψ T ừ thông của cuộn dây pha của ĐCTK

13 ϑ , s ϑr Bước góc của cực Stator, răng Rotor

14 ω V ận tốc góc của Rotor

8 Hình 2.4 Trình tự đóng cắt nguồn sA, sD, sC, sB, sA, để tạo

ra chuyển động quay theo chiều kim đồng hồ

9 Hình 2.5 Trình tự đóng cắt nguồn sA, sB, sC, sD, sA để tạo

ra chuyển động quay ngược chiều kim đồng hồ

10 Hình 2.6 Đặc tính cơ của ĐCTK

11 Hình 2.7 Năng lượng t ừ trong cuộn dây stator

12 Hình 2.8 Cơ năng của SMR

13 Hình 2.9 Phương pháp cơ bản điều khiển SMR

14 Hình 2.10 Sơ đồ chuyển mạch của SMR 3pha 6/4

15 Hình 2.11 Tín hiệu điều khiển SMR trong vùng tốc độ cao

16 Hình 2.12 Cuộn dây pha

a, Khi dẫn dòng b, Khi nạp dòng trở lại nguồn

17 Hình 2.13 Sơ đồ nghịch lưu 2m

18 Hình 2.14 Sơ đồ nghịch lưu m+1

STT Ký hi ệu Di ễn giải

19 Hình 2.15 Sơ đồ nghịch lưu m+2

20 Hình 2.16 Điện cảm L của ĐCTK

21 Hình 2.17 Điều khiển ĐCTK nhờ khâu ĐC dòng ở mạch vòng

22 Hình 2.18 Các nguồn thông tin về vị trí Rotor chứa trong

phương trình điện áp của SRM có m pha

23 Hình 2.19 Đặc tính từ thông/dòng/vị trí rotor của một ĐCTK

26 Hình 2.22 So sánh từ thông thực và từ thông chuẩn để quyết

định thời điểm chuyển mạch nghịch lưu

27 Hình 3.1 Sơ đồ mạch điều khiển SRM dạng 2m

28 Hình 3.2 Quan hệ L = L(ϕ, i) của SMR

29 Hình 3.3 Quan hệ từ thông theo dòng điện và vị trí rotor

30 Hình 3.4 Quan hệ mN = mN(ϕ, i)

31 Hình 3.5 Mô hình mô phỏng ĐCTK ở chế độ tuyến tính

32 Hình 3.6 Mô hình mô phỏng c ấu trúc điều khiển một pha của

SMR ở chế độ tuyến tính

33 Hình 3.7 Tốc độ động cơ ở chế độ tuyến tính

34 Hình 3.8 Momen tổng của SRM ở chế độ tuyến tính

35 Hình 3.9 Momen pha của SRM ở chế độ tuyến tính

36 Hình 3.10 Dòng pha của SRM ở chế độ tuyến tính

Danh m ục hình vẽ, đồ thị

6

37 Hình 3.11 Mô hình mô phỏng SRM ở chế độ phi tuyến

38 Hình 3.12 Mô hình mô phỏng một pha ĐCTK ở chế độ phi tuyến

39 Hình 3.13 Mômen pha của SMR phi tuyến

40 Hình 3.14 Mômen tổng của SMR phi tuyến

41 Hình 3.15 Dòng tổng của SMR phi tuyến

42 Hình 3.16 Đặc tính tốc độ SMR phi tuyến

L ỜI NÓI ĐẦU

Động cơ từ kháng đã có từ lâu nhưng ít được chú ý do một số nhược điểm mang tính tiền định có nguồn gốc động cơ : Mô men quay

chứa nhiều sóng hài bậc cao (mô men lắc), gây nhiều tiếng ồn và hiệu suất

thấp Ngày nay với sự phát triển của các ngành công nghiệp bán dẫn và vi điều khiển đã khắc phục được các nhược điểm trên Nhưng động cơ từ kháng

có một số ưu điểm nổi bật như: Tổn thất chủ yếu xuất hiện ở phía stator, do

đó dễ làm mát, quán tính rotor bé, có kết cấu bền vững và phù hợp cho tốc độ quay cao, mô men khởi động lớn, chụi quá tải ngắn hạn rất tốt Thêm vào đó ĐCTK có giá thành thấp nhất trong các loại động cơ và không cần bảo dưỡng Chính vì vậy động cơ từ kháng được sử dụng ngày càng nhiều trong các hệ thống cơ điện tử Vấn đề điều khiển động cơ từ kháng hết sức khó khăn Do có cấu tạo phân cực ở cả hai phía Rotor và Stator nên đặc tính từ hoá của ĐCTK thể hiện tính phi tuyến rất mạnh Từ thông móc vòng qua khe

hở không khí là một hàm phi tuyến của dòng điện trong cuộn dây Stator và vị trí của Rotor

Với kết quả đạt được của luận văn tác giả mong muốn bản luận văn là tài

liệu tham khảo bổ ích đối với các học viên chuyên ngành tự động hoá, vì đây

là vấn đề còn đang bỏ ngỏ cả trong thực tế và học thuật

Với nội dung bản luận văn yêu cầu gồm 3 chương:

Chương 1: Nghiên cứu chung về các hệ truyền động ứng dụng động

cơ từ kháng

Chương 2: Nguyên lý, cấu trúc, điều khiển động cơ từ kháng

Chương 3: Khảo sát chế độ làm việc của hệ truyền độ ng ứng dụng động cơ từ kháng

Trong quá trình hoàn thành bản luận văn không tránh khỏi thiếu sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy cô giáo

và các bạn đồng nghiệp để bản luận văn hoàn thiện hơn

Thái Nguyên tháng 3 năm 2009

Tác giả

Phạm Hồng Kiên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người HD khoa học: PGS.TS Nguyễn Như Hiển

Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng 8

CHƯƠNG 1

ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ TỪ KHÁNG

1.1 T ỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ TỪ KHÁNG (ĐCTK)

Động cơ từ kháng có thể được coi là một trong những loại máy điện đầu tiên trên thế giới, nhưng ĐCTK vẫn không được chú trọng phát triển

do một số các nhược điểm mang tính tiền định có nguồn gốc từ nguyên lý động cơ, đó là:

- Momen quay chứa nhiều hàm bậc cao (Momen lắc) gây ra nhiều

tiếng ồn hơn nhiều so với các loại động cơ khác

- Hiệu suất của các hệ truyền động sử dụ ng ĐCTK thấp hơn (cosϕ ≈ 0.5) so với những hệ truyền động dùng các loại động cơ khác (cosϕ ≈ 0.7 ÷ 0.85)

Trong những năm gần đây, do cộng nghệ bán dẫn phát triển mạnh

và thu được nhiều thành công đáng kể thì ĐCTK đã và đang được quan tâm ngày càng nhiều v à được biết đến với cái tên “Động cơ từ kháng loại đóng ngắt”, loại hình máy điện này có hai đặc điểm nổi bật, đó là:

- Hoạt động trong trạng thái đóng ngắt liên tục, đây là lý do chủ yếu

giải thích tại sao ĐCTK chỉ được quan tâm phát triển khi ngành vật liệu bán dẫn đạt được những thành công vượt bậc

- Từ kháng: ĐCTK là theo đúng nghĩa đen của nó, nghĩa là trong cả hai phía Rotor và Stator đều có sự thay đổi từ kháng (điện kháng phức) trong khi động cơ làm việc, hay nói một cách chính xác hơn ĐCTK là loại

Khái niệm máy điện từ kháng 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 ĐCTK 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

Ý tưởng sử dụng mô hình ĐCTK trong chế độ liên tục (không phải

là chế độ “bước” kinh điển) với bộ điều khiển sử dụng linh kiện công suất

bán dẫn đã được Kosh và Lawrenson khởi xướng vào những năm 60 của

thế kỷ 20 Vào thời kỳ này chỉ có thể sử dụng những mạch công suất

Thiristor để điều khiển ĐCTK Ngày nay cùng với sự ra đời của các loại

linh kiện bán dẫn như GTO, IGBT, Bipolar TRANSITOR, MOSFET đã

được áp dụng để thiết kế các bộ điều khiển công suất lớn cho ĐCTK

Có cấu trúc đơn giản là một đặc điểm rất quan trọng của ĐCTK so

với tất cả các loại máy điện khác Rotor của ĐCTK không cần thành phần

kích thích vĩnh cửu, chổi than hay chuyển mạch trong phần Rotor Các

cuộn dây được cuốn xung quanh cực Stator một cách tập trung và độc lập

với nhau tạo thành các pha và mỗi pha gồm 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 của Rotor ĐCTK là loại động cơ duy nhất cấu tạo có

cực ở cả phía Rotor và Stator Và như thế, ĐCTK hứa hẹn trong tương lai

không xa những hệ truyền động ổn định, giá thành hạ và có thể thay thế

rất nhiều hệ truyền động đang sử dụng động cơ không đồng bộ Rotor lồng

sóc, hay động cơ một chiều

1.2 GI ỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ TỪ KHÁNG ĐỒNG BỘ TUYẾN TÍNH

Ứng dụng của động cơ truyền động tuyến tính thay vì động cơ quay trong sự truyền động đang ngày càng phát triển Động cơ tuyến tính có thể ứng dụng trong

Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng 10

các tàu điện tốc độ cao hoặc thang máy Ngày nay, động cơ tuyến tính đang trở nên ngày càng quan trọng trong ngành công nghiệp yêu cầu độ chính xác cao So sánh

với động cơ quay, động cơ tuyến tính không cần sự biến đổi chuyển động Điều đó

có nghĩa là không có sự tổn hao năng lượng, tính đàn hồi cũng như khe hở tạo ra bởi các yếu tố chuyển từ động cơ quay sang động cơ tuyến tính

Động cơ tuyến tính sử dụng trong công nghiệp chiếm ưu thế hơn hẳn

bởi vì không cần biến đổi chuyển động quay sang chuyển động tuyến tính là

hữu hạn Kiểu động cơ tuyến tính 3 pha phù hợp với các điều kiện hoạt động

khác nhau, nhưng chúng lại không thích hợp với sự tổng hợp điều khiển

Những biến số của chúng phụ thuộc tuyến tính với nhau Với sự tổng hợp

điều khiển các mô hình động học của động cơ tuyến tính trên 2 trục kiểu động

học thường được sử dụng Sự nhận dạng chính xác về các tham số dưới các

điều kiện hoạt động khác nhau là thực sự cần thiết trong thiết kế các bộ điều

khiển

Phần giới thiệu chỉ tập trung vào sự nhận dạng các tham số của mô

hình động học của động cơ từ kháng đồng bộ tuyến tính trên hai trục (Line

Synchnonous Reluctarce Motor – LSRM) dưới những điều kiệ n hoạt động

khác nhau Tác giả sử dụng những thí nghiệm và phương pháp tính khác nhau

cho sự nhận biết các tham số của các kiểu động cơ khác nhau Phương pháp

thực nghiệm dựa trên những thí nghiệm trên động cơ cung cấp bởi nguồn điện

áp theo hàm sin [1], [2], [3] và được cấp bởi nguồn điện áp một chiều [3]

Nền tảng cho phương pháp tính [2], [4], [5] là phương pháp phần tử hữu hạn

(FEM)

Trong phần này, giới thiệu mô hình động cơ kiểu động học 2 trục – 3

pha LSRM được đề cập đến đầu tiên Các thông số điện và cơ của kiểu LSRM

được nhận biết bởi các thí nghiệm áp dụng trên một LSRM cung cấp bởi

nguồn biến đổi điện áp (VSI) Một điều đặc biệt đáng lưu ý cho sự nhận dạng dòng điện phụ thuộc trực tiếp với độ tự cảm

Chúng được nhận dạng bằng thực nghiệm và được tính toán bởi FEM Phương pháp thực nghiệm trước đã cho xác định đặc tính từ hoá riêng biệt

của máy biến áp động lực qua sự kích thích DC [6] đã được thay đổi sao cho phù hợp với sự nhận dạng dòng điện phụ thuộc độ tự cảm của LSRM cung

cấp bởi VSI dưới các điều kiện hoạt động khác nhau Sự so sánh giữa độ tự

cảm bộ biến đổi nguồn áp đo được bởi thực nghiệm và bởi phương pháp tính FRM được nêu trên đồ thị

Độ chính xác của các thông số của kiểu LSRM 2 trục đo được bởi quá trình nhận biết đặt ra được kiểm tra lại bằng thực nghiệm So sánh giá trị đặt

với giá trị thực với đồ thị của vị trí, tốc độ, cường độ dòng điện, điện áp thực

tế thu được bởi thực nghiệm và tính toán cho các kết quả tốt

Phần điện của 3 pha đấu Y kết nối LSRM được viết dưới dạng phương trình điện áp (1) và phương trình (2)

} { abc abc

abc

dt

d Ti

u = + (1.1)

abc abc T abc

x

L i f

u = [ ] , T

c b a abc i i i

i = [ ] (1.3) Trong đó:

Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng 12

Ma trận của độ tự cảm Labcđược viết dưới dạng:

+

=

3 2 1

2 2

2

1 2 2

2 3

2

2 2 3

2 1

2

c L L c

L c

L

c L c

L L c

L

c L c

L c

L L L

g g g

g

g g

g g

g g

g g

abc (1 4) Trong đó:

)

2 cos(

2 2 cos(

2

Π +

L = +

LSL: Độ tự cảm pha do từ thông tản gây ra mà không đi qua khe hở không khí

Lgo (5) và Lg2 là giá trị trung bình và cường độ của thành phần sóng hài

bậc hai của từ thông móc vòng đi qua khe không khí

=

mg md g

R R

=

mg md g

R R

Trục trực tiếp d và trục q của kiểu LSRM 2 trục được xác định bởi trục

nhỏ nhất và lớn nhất của độ tự cảm, mô hình 2 trục d – q của LSRM có thể

nhận được từ kiểu 3 pha bằng cách thay thế vectơ dòng điện và điện áp (iabc và

uabc) trong (1) và (2) với biểu thức bên phải (7)

u u

u T u u u

i i

i T i

i

i

q d

c b a

q d

Π

− Π

=

2

2 ) 3

2 sin(

) 3

2 cos(

2

2 ) 3

4 sin(

) 3

4 cos(

2

2 )

sin(

) cos(

3 2

x p

x p

x p

x p

x p

x p T

τ τ

τ τ

τ τ

(1.8)

T là ma trận biến đổi

Ud, Uq và id, iq là giá trị đặt trên trục d-q điện áp dòng điện

Thành phần dòng điện io bằng 0 vì động cơ đấu Y và được bỏ đi trong các biểu thức sau

Mô hình kiểu động học 2 trục của LSRM thu được mô tả trong phương trình điện áp (9) và phương trình lực (10) và phương trình (11) cho thấy sự chuyển động của phần chính

d q

d

q d

q d

q

d

i

i L L

dt

dx p i

i dt

d L

L i

i R

u

u

0

0 0

q d q d p

Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng 14

Mô hình kiểu động học 2 trục của động cơ LSRM được mô tả trên thường được sử dụng như là một nền tảng cho cấu tạo, sự thiết kế điều khiển tuyến tính Tính phi tuyến của mạch từ trên trục d - q và tính không đối xứng

tại hai đầu LSRM không được tính đến trong mô hình này

Biểu đồ khối của kiểu 2 trục LSRM cho bởi (9), (10) và (11) được biểu

diễn trong hình 1 cùng với vị trí điểu khiển đơn giản Cấu trúc điều khiển này

thể hiện nền tảng của sự nhận biết các thông số của LSRM Dấu * chỉ ra giá

trị tham khảo, thông số của các cơ cấu điều khiển khác nhau và hệ thống thực nghiệm khác nhau được nói đến sau đây trong bài luận văn này Trong tất cả

những thí nghiệm, mô hình động học kiểu 2 trục LSRM được thay thế bởi phương trình toán học

Những yếu tố của hệ thống này là: Ma trận biến đổi T(8) và ma trận

Điện trở R có thể đo được, trong khi bước cực tp là thông số thiết kế

Hệ số ma sát b có thể được xác định bằng cách cho động cơ LSRM làm việc

với vận tốc V khác nhau dưới các lực khác nhau Lực tác động và vận tốc đo được biểu diễn dưới dạng đồ thị sẽ có dạng đường thẳng Hệ số góc (độ nghiêng) của đường thẳng này bằng hệ số ma sát b

Mặc dù độ tự cảm Ld và Lq trong kiểu LSRM 2 trục là không đổi nhưng

kiểu này có thể sử dụng cho sự nhận biết độ tự cảm phụ thuộc dòng điện Ld (id, iq) dưới những điều kiện hoạt động khác nhau

Độ tự cảm Ld(id,iq) có thể được xác định theo các khối chính trong trường hợp này = 0

di L

d d d d

ψ

+

= +

=

d

u (1.13) Khi LSRM được cun g cấp bởi VST, dòng điện iq có thể được điều khiển để giữ gía trị cố định trong khi điện áp ud có thể thay đổi dưới dạng bậc thang Sự phụ thuộc từ thông móc vòng theo thời gian có thể được xác định

bằng điện áp đã ghi lại: ud = ud (t) và dòng điện id = id (t) bởi (14)

= t

d d

0 ( ( ) ( )) )

ψ (1.14) Điện áp thay đổi bậc thang ud và dòng điện tương đương id cho dòng không đổi iq = 30 A được nêu trong hình 3 Từ thông móc vòng theo trục d tính được

chỉ rõ trong hình 4, trong khi từ thông không tuyến tính theo dòng điện được cho thấy ứng với một chu kỳ từ hoá

1.3 GI ỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ TỪ KHÁNG LOẠI ĐÓNG NGẮT

Cũng giống như các loại động cơ khác, động cơ từ kháng đóng ngắt Switched Reluctane Motor (SMR) được cấu tạo bởi hai phần chính : Stator

và Rotor

1.3.1.Stator

Hình 1.1 dưới đây là dạng Stator của SRM với 6 cực từ

Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng 16

Không giống như Stator của các loại máy điện ba pha khác – loại máy điện có các cuộn dây có thể phân tán tuỳ theo số đôi cực, Stator của SRM có cấu tạo bởi nhiều cực từ chứa các cuộn dây tập trung

1.3.2 Rotor

Hoàn toàn khác biệt 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, việc chế tạo này hoàn toàn dựa nguyên tắc hoạt động của SRM sẽ được đề cập đến ở phần sau

SRM có nhiều loại, tuỳ theo từ ng yêu cầu cụ thể về tốc độ, công suất Hình 1.4 giới thiệu một số loại SRM khác nhau

Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng 18

c, d,

1.4 ƯU ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA SRM

Với cấu trúc đơn giản, có cực cả hai phía, Rotor 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

loại động cơ không đồng bộ Do yêu cầu dòng điện chảy vào các cuộn dây Stator 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 v ới các loại động cơ khác, điều này tăng hiệu quả sử dụng vật liệu, giảm giá thành và quán 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 của 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 vật liệu,

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 tốc độ tối đa tới 50.000vòng/ phút

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

Động cơ từ kháng 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 cách độc lập và tuần tự vào các cuộc dây pha Stator, 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

Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng 20

mạch công suất so với các bộ nghịch lưu kiểu cầu trong các bộ điều khiển

tốc độ SRM Và từ nay trở về sau, tác giả cũng chỉ xin đề cập đến động cơ

từ kháng loại có đóng ngắt (switched reluctane motor ) – tức là SRM

Một hệ truyền động sử dụng SRM vốn sẵn có tính ổn định cao và

vẫn có thể hoạt động khi hệ truyền động gặp lỗi, SRM có thể hoạt động trong chế độ “limp - home” bằng cách thu nhỏ đặc tính làm việc khi một van công suất bị hỏng Điều này khác hoàn toàn so với các hệ truyền động

sử dụng các loại động cơ khác

Khi các công cụ điều khiển phát triển, SRM có những ứng dụng cụ

thể sau:

• Các hệ truyền động đặc biệt như: Máy nén khí, quạt gió, bơm máy

li tâm (do đòi hỏi tốc độ quay lớn)

• Các hệ truyền động khác như: Chế biến thức ăn, máy giặt, máy hút bụi (đòi hỏi tính bền vững, ít phải bảo dưỡng)

• Các hệ cơ điện tử (đòi hỏi kích thước nhỏ do không chứa thành

Một hệ truyền động chất lượng tốt là phải đáp ứng được những yêu

cầu chung nhất về làm việc trong cả bốn góc phần tư (chế độ làm việc

4Q – quay và đảo chiều, Momen dương) Quá trình quá độ đáp ứng nhanh khi chuyển chế độ làm việc giữa các góc phần tư Hơn nữa, một hệ truyền động Servo chất lượng cao cần phải đáp ứng được những yêu cầu cao hơn như giảm thiểu được Momen lắc, đáp ứng quá độ nhanh, tăng tính ổn định, khả năng làm việc ở tốc độ 0 và đảo chiều êm Ngay cả khi những yêu cầu về chất lượng truyền động Servo không được thoả mãn thì việc

tối ưu hoá đặc tính làm việc cho các hệ thống điều chỉnh tốc độ đơn giản

vẫn phải thoả mãn việc điều khiển liên tục góc đóng mở của các van bán

dẫn công suất Các hệ truyền động sử dụng động cơ một chiều có chổi than hay không có chổi than luôn thoả mãn dòng điện phần ứng và dòng điện kích từ Việc ứng dụng phương pháp điều khiển Vector (phương pháp điều khiển tựa theo từ thông Rotor), các hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ ba pha hay động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu

cũng thu được những đặc tính làm việc có chất lượng như hệ truyền động động cơ một chiều Điều này là có thể được vì các phương trình của động

cơ xoay chiều có thể chuyển đổi thành dạng động cơ một chiều thông qua các phương pháp chuyển đổi toạ độ (phương pháp chuyển đổi toạ độ dq)

Tuy nhiên, đối với các hệ truyền động sử dụng SRM cũng không có phương pháp chuyển đổi toạ độ hay phương pháp điều khiển tựa theo từ thông Vì vậy, các yêu cầu chế độ làm việc 4Q và thoả mãn các yêu cầu

về chất lượng truyền động Servo chỉ có thể thực hiện được nhờ sử dụng các bộ điều khiển trực tiếp điện áp và dòng điện pha của SRM N hững phương án điều khiển tương tự như vậy đó được sử dụng trong các hệ truyền động động cơ một chiều chất lượng cao và hệ truyền động động cơ xoay chiều để thu được những đặc tính làm việc tốt nhất Một đặc điểm

nữa của SRM khác biệt so với các loại động cơ khác là mối quan hệ giữa

Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng 22

Momen, dòng điện và góc chuyển mạch có tính phi tuyến mạnh, làm hàm

của tốc độ và phụ tải

Tính phi tuyến của SRM là do cấu tạo có cực cả ở hai phía nhưng

chỉ kích thích một phía (Stator) và mối quan hệ phi tuyến điện – từ của

RSM Hơn nữa, Momen của SRM cũng là một hàm của vị trí Rotor

Vì thế để đưa ra một phương pháp điều khiển chính xác và tối ưu thì việc nghiên cứu và mô hình hoá SRM là rất quan trọng Trong luận văn tốt nghiệp này, tác giả tập trung vào hướng nghiên cứu và thiết lập

mô hình SRM trên môi trường mô phỏng Matlab – Simulink

CHƯƠNG 2

Cũng như các loại máy điện quay khác, SRM cũng tuân theo các nguyên tắc vật lý đó chính là mối quan hệ điện từ trong máy điện Momen

của SRM có được nhờ sự hấp dẫn điện từ khi điện cảm của SRM thay đổi theo vị trí của rotor Đây là điểm khác biệt của SRM so với các loại máy điện khác như động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ và động cơ đồng bộ Lý thuyết chung của SRM bắt nguồn từ lý thuyết máy điện đồng

bộ được phát triển từ thế kỷ 20 Momen của SRM được tạo ra là kết quả

của sự biến thiên từ năng tích luỹ trong cuộc dây pha Stator đáp ứng theo

vị trí Rotor

2.1 NGUYÊN LÝ C ỦA SRM

2.1.1 Phương thức hoạt động

Phương thức hoạt động của SRM là rất đơn giản: Có thế coi SRM là

một hệ thống các nam châm điện độc lập giữa các nam châm thể hiện khá

rõ trong trường hợp động cơ 12/10 có đường sức từ ngắn (hình 2.1b)

a, Đường sức từ ngắn b, Đường sức từ dài

Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng

24

Momen quay của SRM có đường phân bố trên bề mặt Rotor lặp lại theo chu kỳ của răng Trong mỗi chu kỳ đều có hai vị trí: vị trí đồng trục (cực có cuộn dây mang dòng – gọi là cực active – và răng đồng trục với nhau) và vị trí lệch trục (cực active ở vị trí giữ a 2 răng) Hình 2.2 minh

hoạ vị trí đồng trục của loại động cơ 8/6, ở vị trí lệch trục, răng gần nhất

với cực active sẽ chuyển động về phía cực active để đạt được trạng thái đồng trục

Giả sử trong hình 2.2, cực active tiếp theo sẽ là cực lân cận phía bên

phải của cực activei hiện tại, khi ấy Rotor sẽ quay trái một góc là 1/4răng Nghĩa là: Rotor luôn quay ngược chiều với chiều của trường quay tạo nên

từ phía Srator Gọi m là số pha của Stator, 2p2 là số cực của một pha, từ trường Stator sẽ quay sau mỗi xung một góc là:

m p

V

c s

Để đảm bảo rằng SRM có thể khởi động được ở bất kỳ vị trí nào

của Rotor và đảm bảo Momen sinh ra đều mỗi khi chuyển mạch giữa các

cuộn dây pha Stator, người ta chế tạo các SRM có nhiều cực ở cả phía Rotor và Stator là không giống nhau và số đôi cực của Stator bao giờ cũng nhiều hơn số đôi cực Rotor Một số dạng động cơ phổ biến là 6/4; 8/6; 12/10 trong đó loại 6/4 và 8/6 là hai loại phổ biến nhất

Định nghĩa 1: Rotor của SRM được coi là nằm ở vị trí đồng trục so

với 1 pha xác định nào đó nếu như tại thời điểm có điện cảm của cuộn dây

Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng

26

pha là lớn nhất và Rotor được gọi là vị trí lệch trục với một pha xác định

nếu như điện cảm đạt giá trị nhỏ nhất, còn ở các vị trí khác nhau 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 dẫn dòng để có 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

Bây giờ ta sẽ xem xét động cơ SRM và cấu tạo nhiều pha Stator và nhiều cực Rotor làm việc như thế nào Trong hình 2.4 giả thiết rằng: tại

một thời điểm 0 (lúc bắt đầu cuộn dây pha được cấp nguồn), Rotor nằm ở

vị trí mất đồng trục, theo như định nghĩa ở trên, Rotor sẽ bị kéo chuyển động về phía cực của pha đang dẫn dòng để đạt được trạng thái đồng trục, lúc này nếu ngắt dòng pha 1(is1= 0) và pha 4 được cấp nguồn khi đó Roto r

tiếp tục được kéo về vị trí đồng trục (theo hình 2.4 b) và như vậy Rotor sẽ được giữ nguyên chiều quay (theo chiều kim đồng hồ) tính theo vị trí mất đồng trục hiện thời tới vị trí đồng trục gần nhất (hình 2.4 b) và như vậy Rotor lại ở vị trí mất đồng trụ c so với pha 3 và pha 3 được cấp nguồn thay

vì pha 4 sẽ đảm bảo rằng Rotor sẽ được duy trì chiều quay cố định (hình 2.4d)

Do đó trình tự đóng ngắt cuộc dây pha vào nguồn một chiều là: SA,

SD, SC, SB, SA… để tạo ta chuyển động quay theo chiều kim đồng hồ

a, b, c,

d, e,

động quay theo chiều kim đồng hồ

Một cách phân tích tương tự, để đảo chiều quay của SRM thì trình

tự đóng ngắt các cuộn dây pha vào nguồn một chiều là SA, SB, SC, SD,

SA… được thể h iện trong hình 2.5

Tốc độ của SRM có thể thay đổi được bằng cách hoặc là thay đổi số

đôi cực của mạch Stator và số răng của Rotor Tuy nhiên việc làm này

cũng dẫn đến làm tăng giá thành của SRM cũng như hệ truyền động sử

Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng

động quay ngược chiều kim đồng hồ

Như đã đề cập ở trên, khi một cuộn dây pha Stator được đóng vào nguồn và rõ ràng Momen sinh ra sẽ kéo Rotor chuyển động theo một hướng làm điện cảm tăng dần cho tới khi giá trị của điện cảm là lớn nhất (tương ứng với vị trí đ ồng trục)

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 Rotor chuyển động về vị trí đồng trục gần nhất

Vì thế chiều của Momen dương (chế độ đ ộng cơ) chỉ được xác định khi Rotor nằm ở vị trí lệch trục và vị trí đồng trục tiếp theo cùng chiều với chiều quay của Rotor Hay nói một cách khác là chế độ động cơ (Momen dương) chỉ được sinh ra khi Rotor quay theo chiều làm điện cảm của SRM tăng dần Nế u số cực của Stator và số răng của Rotor là như nhau thì mỗi

một pha của Stator khi được đóng vào nguồn thì có thể tạo ra Momen quay trên một nửa phần bề mặt của răng Rotor tương ứng và kết quả là để

tạo ra Momen quay thì cần ít nhất 2 cặp dây Stator được cấp nguồn tại bất

kỳ vị trí nào của Rotor Vì vậy mà SRM luôn có cấu tạo với số cực của Stator bao giờ cũng nhiều hơn số răng của Rotor

Như vậy, để tạo ra được Momen dương (chế độ động cơ) cuộn dây pha Stator phải được cấp nguồn trong khi điện cảm cuộn dây pha này tăng dần (xem phương trình 2.22) Tương tự như vậy, để hãm động cơ, thì cuộn dây pha phải được cấp nguồn khi điện cảm trong cuộn dây pha này giảm dần

Và một lưu ý nữa là cuộn dây pha Stator tích cực phải được ngắt ra

khỏi nguồn trước khi quá trình tăng điện cảm trong cuộn dây này kết thúc (đối với 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 Rotor

Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng

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

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 2.6 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 động cơ giảm đi 2 lần

2.3 CÁC PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ SRM

Mặc dù SRM có cấu tạo cũng như hoạt động theo một 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 tham số (như điện

áp, dòng điện, từ thông, Momen…) một cách đầy đủ và chuẩn mực Khi

một cuộn dây pha Stator của SRM được cấp một điện áp, dòng điện chảy trong cuộn dây tích cực sẽ tạo ra một từ thông móc vòng trong cuộn dây

Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng

32

này, và mối quan hệ giữa điện áp và từ thông cuộn dây tích cực sẽ được

viết theo định luật Faraday như sau:

U = i.R +

dt

dψ (2.5) Trong đó:

U: Là điện áp trên 2 đầu cực của cuộn dây tích cực

i: Dòng điện chảy trong cuộn dây pha Stator

R: Điện trở cuộn dây pha Stator

ψ : Từ thông móc vòng trong cuộn dây pha Stator

Do cấu tạo có cực cả 2 phía (Stator và Rotor) của SRM và tác động bão hoà của mạch từ, nhìn chung từ thông của 1 pha Stator biến đổi như

một hàm với 2 đối số là vị trí của Rotor ϕ và dòng điện chảy tron g cuộn dây pha tích cực

Vì vậy phương trình (2.5) sẽ được mở rộng như sau:

U = i.R +

dt

d dt

di i

ϕ ϕ

ψ ψ

.

∂

∂ +

∂

∂

(2.6) Trong đó:

Phương trình (2.6) biểu diễn quá trình chuyển đổi năng lượng điện

của lưới thành năng lượng từ trong cuộn dây SRM và sau đó từ năng tích

ỹ trong cuộn dây pha của SRM sẽ được chuyển đổi thành cơ năng trên

đầu trục của SRM Trong phần này, tác giả tiến hành xây dựng các phương trình mô tả quá trình biến đổi từ năng trong cuộn dây thành cơ năng trên đầu trục Rotor Từ phương trình 2.5, nhân cả 2 vế với dòng điện

Vế trái của (2.7) biểu thị năng lượng điện tức thời cung cấp cho

cuộn dây pha của Stator Thành phần thứ nhất trong vế phải của (2.7) xác định tổn hao năng lượng điện theo hiệu ứng Jun – Lenx trong cuộn dây Stator Tuy nhiên do điện trở của cuộn dây Stator là khá nhỏ nên phần lớn năng lượng điện được chuyển hoá thành từ năng tích luỹ trong cuộn dây Stator và cơ năng trên đầu trục củ a SRM, chúng được biểu diễn bằng thành phần thứ 2 trong vế phải của phương trình (2.7)

Do đó ta có:

i

dt

dW dt

dW dt

Wm: Cơ năng của SRM

Wf: Là năng lượng từ tích luỹ trong cuộn dây Stator của SRM

Mặt khác ta lại có:

dt

d m m

dt

dW

N N

.

= (2.9) Thay (2.9) vào (2.8) ta thu được:

i

dt

dW dt

d m dt

Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng

ψ ϕ ψ ϕ

ψ

d

dW d

d i

Khi vận tốc góc trên đầu trục động cơ là hằng số, nghĩa là tốc độ

i ϕ,ψ )dψ (2.13)

Wf t ừ năng tích luỹ trong

cu ộng dây tích cực

Ứng với ϕ, đường cong từ hoá xác định dòng điện trong cuộn dây là hàm c ủa từ thông i = i(ϕ,ψ)

Dòng điện i

T ừ t hông

dϕ ) thì đường cong từ hóa là một hàm biểu diễn từ thông Stator biến

thiên theo dòng điện i chảy trong cuộn dây tích cực

Và như vậy cơ năng có ích trên trục động cơ được biểu diễn:

Wc = ∫i i di

0

) , (ϕ

ψ ψ

d

i dW d

i di d