Điều khiển cực tiểu hóa độ nhấp nhô mômen cho động cơ từ trở thay đổi

Bài báo này sẽ đưa ra một phương pháp điều khiển điện tử để cực tiểu hóa độ nhấp nhô mômen cho SRM ở chế độ hoạt động tốc độ thấp. Độ nhấp nhô mômen trong suốt quá trình chuyển mạch sẽ được cực tiểu hóa bằng cách cho hai pha đồng dẫn và cùng sinh mômen trong vùng được xác định trước.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG (ISSN: 1859 – 4557) ĐIỀU KHIỂN CỰC TIỂU HÓA ĐỘ NHẤP NHÔ MÔMEN CHO ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ THAY ĐỔI TORQUE-RIPPLE MINIMIZATION IN SWITCHED RELUCTANCE MOTORS Lê Quốc Dũng Trường Đại học Điện lực Tóm tắt: Với đặc tính vốn có cấu tạo đơn giản, khơng cổ góp, giá thành thấp, động từ trở thay đổi (Switched Reluctance Motor - SRM) lựa chọn khả thi cho ứng dụng phổ biến có đòi hỏi điều chỉnh tốc độ Nhược điểm SRM nhấp nhô mômen cao so sánh với động thơng thường, điều tạo độ ồn độ rung Nguồn gốc nhấp nhô mơmen SRM có đặc tính sinh mômen phi tuyến cao rời rạc Bài báo đưa phương pháp điều khiển điện tử để cực tiểu hóa độ nhấp nhơ mơmen cho SRM chế độ hoạt động tốc độ thấp Độ nhấp nhơ mơmen suốt q trình chuyển mạch cực tiểu hóa cách cho hai pha đồng dẫn sinh mômen vùng xác định trước Từ khóa: Động từ trở, SRM, cực tiểu hố mômen, nhấp nhô mômen Abstract: Switched reluctance motor (SRM) is a new candidate for various generalpurpose adjustable-speed applications thanks to its inherent attributes such as simplicity, ruggedness, and low cost The primary disadvantage of a SRM is its higher torque-ripple, which contributes to acoustic noise and vibration in comparison with conventional machines The origin of torque pulsations in a SRM is due to the highly non-linear and discrete nature of torque production mechanism This paper presents an electronic control method for torque-ripple minimization in low-speed operation mode The torque pulsations during commutation are minimized by simultaneous conduction of two positive torque producing phases over an extended predefined region Keywords: Switched reluctance motors, SRM, torque-ripple minimization, torqueripple ĐẶT VẤN ĐỀ Động từ trở thay đổi (SRM) loại SỐ - 2014 động điện biết đến từ năm 1890 Tuy nhiên từ đời, SRM khơng quan tâm phát TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG (ISSN: 1859 – 4557) triển có nhược điểm như: độ nhấp nhơ mơ men lớn, gây nhiều tiếng ồn, khó thực việc điều khiển… Những năm gần đây, công nghệ bán dẫn vi điều khiển phát triển, thu nhiều tiến đáng kể người ta bắt đầu quan tâm trở lại với động Hiện nay, SRM nhiều kỹ sư nhà nghiên cứu giới quan tâm · Cả stator rotor làm từ thép mỏng ghép cách điện để hạn chế dòng Fuco; · Động từ trở thay đổi có số cấu hình phổ biến sau: 8/6 (tức stator có cực lồi rotor có (hình 1), 6/4,10/6,12/6,… 2.2 Nguyên lý hoạt động CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA SRM Trước vào tìm hiểu nguyên lý hoạt động động từ trở ta xem xét khái niệm quan trọng, là: 2.1 Cấu tạo · Vị trí đồng trục (Aligned position); · Vị trí position) Hình Cấu tạo cắt ngang SRM 6/4 Động từ trở thay đổi có số đặc điểm cấu tạo sau: · Cả rotor stator có cực lồi ra, người ta gọi động lồi kép (double salient); · Stator động từ trở thay đổi có cấu tạo nhiều cực từ chứa cuộn dây tập trung Rotor chế tạo vật liệu sắt từ có xẻ với tổng số tổng số cực từ stator; · Các cuộn dây cực đối xứng xuyên tâm stator nối nối tiếp song song để tạo thành pha động cơ; lệch trục (Unaligned Như thể hình 1, ta thấy hai cực lồi stator rotor nằm vị trí mà trục chúng trùng người ta gọi “vị trí đồng trục” (vị trí mà độ từ cảm sinh cực từ stator rotor lớn nhất), hai cực stator rotor nằm lệch hồn tồn khơng có phần thiết diện chồng lên gọi “vị trí lệch trục” (vị trí mà độ từ cảm cực từ stator rotor bé nhất) Hình Nguyên lí hoạt động Lấy ví dụ động từ trở thay đổi 6/4 (như hình 2) ta tìm hiểu cách hoạt động động Giả sử cực r1 SỐ - 2014 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG (ISSN: 1859 – 4557) r1’ rotor cực c, c’ stator vị trí đồng trục (hình 2a) Trước tiên ta đưa dòng điện kích thích vào cuộn dây pha A, dòng điện sinh từ thơng móc vòng qua cực a a’ cực r2 r2’ rotor cách tương ứng · Khơng có tượng q dòng làm hỏng van cơng suất tốc độ tăng dòng cao; Do rotor ln có xu hướng quay phía mà độ tự cảm lớn hay từ trở nhỏ nên rotor lúc quay hướng đến vị trí đồng trục a, a’ r2, r2’ Khi chúng vị trí dòng điện kích thích pha A bị ngắt vị trí cực thấy hình 2b Bây ta đưa dòng điện kích thích vào cuộn dây pha B, dòng lại sinh từ thơng móc vòng qua cực b, b’ r1, r1’ cách tương ứng, rotor lại kéo quay theo chiều kim đồng hồ đưa r1, r1’ hướng vị trí thẳng hàng với b b’ Khi đến vị trí ta lại ngắt dòng cấp cho pha B Tiếp tục chuyển sang cấp dòng cho pha C r2, r2’ lại quay theo chiều kim đồng hồ hướng c, c’ Cứ việc cấp dòng điện cho pha theo thứ tự A B C ta làm động quay theo chiều kim đồng hồ Muốn đảo chiều quay động ta cần đảo thứ tự cấp dòng thành A C B NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN ƯU ĐIỂM CỦA SRM · Rotor khơng có cuộn dây, chổi than hay vành góp nên động hoạt động bền vững, tuổi thọ cao; · Mômen khởi động lớn nhiều so với loại động không đồng bộ; · Độ tin cậy cao, vùng tốc độ rộng với công suất số, giá thành sản xuất thấp, đáp ứng động học nhanh; SỐ - 2014 · Do khơng có nam châm vĩnh cửu nên nhiệt độ cho phép rotor cao động đồng Do chiều quay động phụ thuộc vào thứ tự phát xung, chế độ làm việc động định dấu mômen Giả sử động tuyến tính lúc ta có phương trình mômen: dL T = i2 d Từ phương trình ta dễ dàng nhận thấy dấu mômen phụ thuộc dL vào đại lượng Đối với động từ d trở loại 8/6 có đặc tính điện cảm hình Dựa vào hình ta thấy đặc tính điện cảm tăng vùng éë -30o , 0o ùû , phát xung dòng điện khoảng mơmen sinh mang dấu dương Giá trị trung bình mơmen thay đổi cách thay đổi độ lớn dòng điện chạy qua cuộn dây Ip thay đổi góc dẫn pha  d Để đơn giản việc điều khiển nâng cao chất lượng điều khiển ta nên giữ góc dẫn  d số thay đổi độ lớn dòng pha Điều dẫn đến yêu cầu điều khiển dòng điện cần bám theo tín hiệu đặt cách nhanh chóng, tránh rơi vào vùng sinh mơmen âm TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG (ISSN: 1859 – 4557) tăng giảm dòng cách đột ngột Nếu gọi pha chuẩn bị ngừng dẫn x, pha chuẩn bị dẫn y mơmen điện từ mà động sinh là: Ip Te* = Tx*  Ty* dL I p d đó: Tx* = Te* f x ( ), Ty* = Te* f y ( ) d Ip dL I p d Hình Sơ đồ nguyên lý điều khiển cho động từ trở Với nhược điểm độ nhấp nhô mômen lớn ngăn cản việc ứng dụng SRM vào thực tế Để giảm độ nhấp nhô mômen, khoảng thời gian chuyển mạch, thay kích thích pha ta kích thích hai pha để tránh việc f (ij ,) =** ( L (i j ) - L30o - L o 15 ij = f (i j ,  ) với j =1 Trong f j ( ) hàm phân phối mômen cho pha j vị trí rotor  Tref mơmen đầu mong muốn Các hàm phân phối mơmen tìm phải thỏa  ù   ú   ûú mãn điều kiện sau giai đoạn chuyển mạch: N T =  T j =  f j ( )Tref j =1 T j* ( , i j )   2 (i j )) sin  N r   - ( j - 1) NN r   Để xác định mômen cần thiết sinh pha ta dựa vào công thức: N Lượng đặt dòng điện tính theo cơng thức:   Nr é ** 2  ê(L 0o (ij ) -L30o )sin Nr  -( j -1)  ëê NNr    ** o với f x ( ) , f y ( ) hàm phân phối mơmen pha x pha y Đó hàm vị trí rotor Từ lượng đặt mơmen cho pha x pha y, ta tìm lượng đặt dòng điện cho pha tương ứng * f j ( ) = j =1  * f j ( ) = f j     3     * f j ( ) = f k   - ( j - k )  12   Có nhiều hàm thỏa mãn yêu cầu SỐ - 2014 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG (ISSN: 1859 – 4557) trên, tác giả xin trình bày phương pháp chọn hàm sau: Đối với động từ trở 8/6 khoảng đặc tính điện cảm tăng giảm pha khoảng  / Do ta chọn góc dẫn pha  / Điều có nghĩa là: off - on =  / ,  on  off góc mở góc dẫn pha Khoảng hai pha dẫn dòng  / 24 Trong suốt khoảng hai pha dẫn, mômen tổng phân phối đến hai pha theo hàm cos vị trí rotor Cụ thể pha j sau: on, j    on, j   / 24 ì 0.5 - 0.5cos24( -on, j )  on, j   / 24    off , j - / 24  f j ( ) = í off , j - / 24    off , j 0.5  0.5cos24( -on, j - / 24) ỵ other Góc  on ,  off cho pha A góc phần tư cho bảng Te* Tx* Ty* f i  Hình Phương pháp giảm nhấp nhô mômen sử dụng hai pha dẫn Phương pháp dẫn dòng hai pha để sinh mômen hai pha phương pháp quan trọng giảm độ nhấp nhô mômen Ở đây, hàm phân phối mômen pha dựa theo vị trí rotor góc đóng/mở đặt trước Do từ giá trị mômen đặt, hàm phân phối thành mơmen cho pha thời điểm thích hợp Từ giá trị mơmen cho pha đó, dựa vào đặc tính điện cảm động mà ta tính giá trị dòng điện thích hợp để đưa vào biến đổi để tạo tín hiệu phát xung nhằm trì dòng điện theo giá trị mong muốn Bảng Góc đóng mở cho pha A I II III IV on , A -30o 5o 7.5o -27.5o off , A -7.5o 27.5o 30o -5o Góc đóng mở cho pha nhận cách dịch pha góc  / 12 SỐ - 2014 Hình Phân phối mơmen cho chế độ động quay thuận TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG (ISSN: 1859 – 4557) KẾT QUẢ KIỂM CHỨNG BẰNG PHẦN MỀM MATLAB - SIMULINK TRƯỚC VÀ SAU KHI ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP GIẢM NHẤP NHÔ MÔMEN 5.1 Mơmen pha Hình Mơmen pha chưa áp dụng phương pháp giảm nhấp nhơ mơmen Hình Mômen pha áp dụng phương pháp giảm nhấp nhơ mơmen SỐ - 2014 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG (ISSN: 1859 – 4557) 5.2 Mơmen tổng pha Hình Mơmen tổng pha chưa áp dụng phương pháp giảm nhấp nhơ mơmen Hình Mơmen tổng pha áp dụng phương pháp giảm nhấp nhô mômen Kết mô kiểm chứng lại lần thuật tốn đặt hồn tồn xác Mômen tổng pha áp dụng phương pháp giảm nhấp nhô mômen đạt tới độ phẳng định Với đáp ứng trên, động từ trở hồn tồn thích hợp để sử dụng ứng dụng công nghiệp dân dụng · Tốc độ đặt: 100 rad/s; · Mômen giới hạn động cơ: 10 Nm; · Dòng điện giới hạn: 22 A; · Điện áp chiều: 400 V; · Thời gian đáp ứng: 0.5 s; · Mômen tải: Nm Thông số động mô sau: SỐ - 2014 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG (ISSN: 1859 – 4557) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] R Krishnan Swiched Reluctance Motor Driver Modeling, Simulation, Analysis, Design, and Application - CRC Press LLC - 2001 [2] Iqbal Husain , M Ehsani Torque Ripple Minimization in Switched Reluctance Motor Drives by PWM Current Control - IEEE transactions on power electronics, vol.11, No 1, January 1996 [3] Lu Wenzhe Modeling and Control of Switched Reluctance Machines for ElectroMechanical Brake Systems - The Ohio State University - 2005 [4] Mohamad S.Islam, Iqbal Hussain, Robert J.Viellette, and Celal Batur Design and performance Analysis of sliding - mode observers for sensorless operation of switched reluctance motors - IEEE transation on control system technology, vol 11- 2003 [5] Iqbal Hussain, Sameer Sodhi, Mehradad Ehsani A sliding mode observer based controller for switched reluctance motor drivers - Texas A&M University - 1997 [6] J.E Slotine, J.K Hedrick and E.A Miasawa On sliding obsercers for nonlinear system, ASEM J Dun,Syst vol 19 - 1987 [7] Sayeed Mir, Member, IEEE, Iqbal Husain, Member, IEEE, and Malik E Elbuluk, Senior Member, IEEE Switched Reluctance Motor Modeling with On-Line Parameter Identification, IEEE transation on industry application, Vol.34 No 4, July/August 1998 [8] Iqbal Hussain, Member, IEEE, and Mehradad Ehsani, Senior Member, IEEE Rotor Position Sensing in Switched Reluctance Motor Drives by Measuring Mutuallu Induced Voltages, IEEE transation on industry application, Vol.30 No 3, May/June 1994 [9] Miller, T.J.E McGilp, M Dept of Electron & Electr Eng., Glasgow Univ Nonlinear theory of the switched reluctance motor for rapidcomputer-aided design, Electric Power Applications, IEE Proceedings B, November 1990 [10] Lawrenson, P.J Stephenson, J.M Fulton, N.N Blenkinsop, P.T Corda, J University of Leeds, Department of Electrical and Electronic Engineering, Leeds, UK Variablespeed switched reluctance motors, Electric Power Applications, IEE Proceedings B, July 1980 [11] Rahman, K.M Fahimi, B Suresh, G Rajarathnam, A.V Ehsani, M Dept of Electr Eng., Texas A&M Univ., College Station, TX Advantages of switched reluctance SỐ - 2014 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG (ISSN: 1859 – 4557) motor applications to EV and HEV:design and control issues , Industry Applications Conference, 1998 Thirty-Third IAS Annual Meeting The 1998 IEEE, 12-15 Oct 1998 [12] Cheok, A.D Fukuda, Y Dept of Electr & Comput Eng., Nat Univ of Singapore A new torque and flux control method for switched reluctance motordrives , Power Electronics, IEEE Transactions on Volume: 17, Issue: [13] Bose, Bimal K Miller, Timothy J E Szczesny, Paul M Bicknell, William H.General Electric Research and Development Center, Building 37-380, River Road, Schenectady, NY 12345 Microcomputer Control of Switched Reluctance Motor, Industry Applications, IEEE Transactions on July 1986 Volume: IA-22, Issue: Giới thiệu tác giả: Tác giả Lê Quốc Dũng tốt nghiệp đại học Khoa Điện chuyên ngành tự động hóa năm 2007, nhận cao học chuyên ngành tự động hóa năm 2009 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Từ năm 2007 đến tác giả giảng viên Khoa Công nghệ tự động - Trường Đại học Điện lực SỐ - 2014 ... SRM 6/4 Động từ trở thay đổi có số đặc điểm cấu tạo sau: · Cả rotor stator có cực lồi ra, người ta gọi động lồi kép (double salient); · Stator động từ trở thay đổi có cấu tạo nhiều cực từ chứa... Sơ đồ nguyên lý điều khiển cho động từ trở Với nhược điểm độ nhấp nhô mômen lớn ngăn cản việc ứng dụng SRM vào thực tế Để giảm độ nhấp nhô mômen, khoảng thời gian chuyển mạch, thay kích thích... hoạt động Lấy ví dụ động từ trở thay đổi 6/4 (như hình 2) ta tìm hiểu cách hoạt động động Giả sử cực r1 SỐ - 2014 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG (ISSN: 1859 – 4557) r1’ rotor cực c,