Mô hình hoá và điều khiển động cơ từ trở thay đổi

Giới thiệu động cơ từ trở thay đổi, nguyên lý hoạt động của động cơ và ưu nhược điểm. Đưa ra các phương trình điện từ, phương trình moment để mô hình hoá động cơ, mô phỏng thử nghiệm. Nêu các phương pháp điều khiển, bộ biến đổi và tổng hợp các mạch vòng điều khiển hệ truyền động động cơ SRM. Giới thiệu phương pháp giảm xung moment cho động cơ SRM

Mô hình hoá điều khiển động từ trở thay đổi Lời cam đoan Tôi xin cam đoan toàn nội dung luận văn toàn kết tình bày luận văn tự thân thực hướng dẫn TS Tạ Cao Minh Các tài liệu tham khảo nêu phần Tài liệu tham khảo Hà Nội, ngày tháng năm 2008 Tác giả Nguyễn Thị Hồng Hà Mô hình hoá điều khiển động từ trở thay đổi Lời cám ơn Trước hết cho phép bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc lời cám ơn tới thầy giáo TS.Tạ Cao Minh, người thầy đà tận tình giúp đỡ toàn trình thực luận văn Sau cho phép gửi lời cám ơn chân thành tới thầy cô, anh chị em cán Bộ môn Tự Động Hóa XNCN, Trung tâm Bồi dưỡng Sau đại học Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, bạn bè đồng nghiệp người đà nhiệt tình giúp đỡ tạo điều kiện cho hoàn thành luận văn Một lần xin chúc TS Tạ Cao Minh, thầy cô giáo bạn bè đồng nghiệp gia đình lời chúc mạnh khỏe, hạnh phúc Hà Nội, ngày tháng năm 2008 Tác giả Nguyễn Thị Hồng Hà Mô hình hoá ®iỊu khiĨn ®éng c¬ tõ trë thay ®ỉi Mơc lơc Lêi cam ®oan Lời cám ơn Môc lôc Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Lêi nãi ®Çu Ch­¬ng I: Tỉng quan động từ trở thay đổi 1.1 tổng quan động từ trở 1.2 CÊu tróc động từ trở thay đổi 1.3 Nguyên lý hoạt động 10 1.4 thuyÕt minh trình vật lý 13 1.5 ưu nhược điểm ứng dụng động SRM 17 1.6 Xung momen vấn đề giảm xung momen 18 Chương II: Mô hình động từ trở thay đổi 19 2.1 Các phương trình mô tả động SRM 19 2.2 Mô hình động 24 Ch­¬ng III: ®iỊu khiĨn ®éng c¬ SRM 44 3.1 Nguyên tắc điều khiển 45 3.2 CÊu tróc ®iỊu khiĨn hƯ trun ®éng SRM 48 3.3 Bé biÕn ®ỉi sư dơng cho SRM 48 3.4 Bé ®iỊu khiĨn 51 3.5 Tổng hợp ®iỊu khiĨn 52 3.6 Mô mạch vòng điều khiển 60 Chương IV: phương pháp giảm xung momen 65 4.1 Nguyªn nh©n g©y xung momem 65 4.2 Phương pháp giảm xung momen 66 KÕt luËn 77 Tài liệu tham khảo 78 M« hình hoá điều khiển động từ trở thay đổi Danh mục ký hiệu chữ viết tắt SRM (Switched Reluctance Motor): Động từ trở thay đổi J : Momen quán tính động động SRM [Nm] Bm : Hệ số ma sát trục động : Vận tốc góc trục động c¬ [rad/s] m : Sè pha stato cđa SRM Nr : Số roto SRM : Vị trí roto so với vị trí ban đầu j : VÞ trÝ cđa roto so víi pha thø j ij : Cường độ dòng điện pha thứ j stato Tj m : Momen sinh bëi pha thø j : lµ sè pha cđa stato pc :lµ sè cực pha z :là số roto F : lực điện từ H :Cường độ điện trường l :chiều dài phần điện từ B :mật ®é tõ th«ng S : diƯn tÝch vïng tõ th«ng qua : độ thẩm từ vật liệu từ v :là điện áp hai đầu cực cuộn dây tích cực i :là dòng pha Rm :là điện trở động :là từ thông cuộn dây TL : Momen tải Mô hình hoá điều khiển động từ trở thay đổi Lời nói đầu Động từ trở thay đổi (Switched Reluctance Motor) loại máy điện xuất lâu không quan tâm phát triển số nhược điểm mome quay chứa nhiều sóng hài bậc cao gây momen nhấp nhô, gây nhiều tiếng ồn hiệu suất sư dơng hƯ thèng thÊp Trong nh÷ng thËp kû ci kỷ 20, nghành công nghiệp bán dẫn điều khiển phát triển mạnh, thu nhiều thành công đáng kể người ta bắt đầu quan tâm xây dựng hệ truyền động sử dụng động từ trở ưu điểm vượt trội nhược điểm khắc phục đáng kể Các ưu điểm động từ trở: - Cấu tạo đơn giản: Không stato có cấu tạo có cực với hệ thống dây tập trung (làm đơn giản nhiều chế tạo) mà Rotor SRM có cấu tạo có cực không chứa thành phần kích từ - Dễ dàng hoạt động vùng tốc độ cao, momen quán tÝnh nhá - Cã momen khëi ®éng lín - Do có cấu tạo phân cực phía Roto stato, đồng thời có stato chứa dây quấn nên động từ trở phát nóng phần stato, điều giúp cho việc thiết kế phận tản nhiệt làm mát vô dễ dàng đơn giản Tuy nhiên việc điều khiển SRM đơn giản Do có cấu tạo phân cực roto stato nên đặc tính từ hóa SRM thể tính phi tuyến mạnh Từ thông móc vòng khe hở không khí hàm phi tuyến dòng điện cuộn dây stato vị trí roto Với mục tiêu nghiên cứu động từ trở loại động phổ biến nay, tác giả muốn cung cấp thông tin SRM cấu trúc điều khiển thông dụng, quen thuộc Đồng thời luận văn đưa mô hình mô để kiểm chứng tính ®¾n cđa hƯ trun ®éng sư dơng SRM Theo h­íng đó, nội dung luận văn bao gồm chương: Chương 1: Tổng quan động từ trở Chương 2: Mô hình động từ trở mô Chương 3: Phương pháp điều khiển động SRM mô Chương 4: Phương pháp giảm xung momen Mô hình hoá điều khiển động từ trở thay ®ỉi Ch­¬ng I: Tỉng quan vỊ ®éng c¬ tõ trë thay đổi Trong năm gần đây, động tử trở (SRM) đà lôi ý để đưa vào ứng dụng công nghiệp điều khiển tốc độ cao Khả trội tính mạnh mẽ chắn, mạch vòng điều khiển kín đơn giản, hiệu kinh tế cao vv Ngày nay, truyền động SRM động thông qua ứng dụng tự động quan trọng thiết bị lái điện, phận tích hợp máy phát điện xoay chiều, máy bơm Khuynh hướng tương tự tiến hành lĩnh vực khác công nghiệp thiết bị nội thất, không gian vũ trụ dụng cụ khai thác mỏ công suất lớn Nghiên cứu phát triển toàn giới tiến triển khía cạnh thay đổi truyền động SRM đà đạt kết tiến thật Tại phòng thí nghiệm mạ điện chuẩn Electro Standards Laboratories (ESL), người ta ®· ph¸t triĨn réng r·i sù thay ®ỉi c¸c s¸ng kiến cho công nghệ Nó bao gồm thiết kế ứng dụng từ trường định dạng mới, tự đảo chiều điều khiển phân tán để nâng cao suất, tình điều khiển đặc biệt để giảm nhẹ xung momen dao động xuyên tâm điều khiển cảm biến vị trí vùng tốc độ 1.1 tổng quan động từ trở Ra đời cách gần 200 năm, SRM coi loại máy điện giới, SRM không trọng phát triển số nhược điểm mang tính tiền định có nguồn gốc từ nguyên lý động cơ: Momen quay chứa nhiều sóng hài bậc cao gây nhiều tiếng ồn nhiều so với loại động khác Hiệu suất hệ truyền động sử dụng SRM thấp (cos 0,5) so với hệ truyền động dùng loại động khác (cos 0,7 ữ 0,8).SRM bắt đầu phát triển vào 1972 Bedfford cấp sáng chế độc quyền SRM nhận quan tâm sau mẫu làm việc đại học Leeds Nottingham năm 1980 Nó tiếp tục nghiên cứu toàn giới, đặc biệt Châu âu Mỹ Kết công bố khác nhau, dạng cấp sáng chế ứng dụng Sau gần 30 năm nghiên cứu SRM, đà xuất máy điện SRM đơn giản nhất, nhiên tồn nhiều nhược điểm cần nghiên cứu xa Mô hình hoá điều khiển động từ trở thay đổi Trong năm gần đây, công nghệ bán dẫn phát triển mạnh mẽ thu nhiều thành công đáng kể SRM đà quan tâm ngày nhiều biết đến với tên Động từ trở thay đổi - Switched Reluctance Motor (SRM) Máy điện từ trở thay đổi có hai đặc điểm bật: - Hoạt động trạng thái đóng ngắt liên tục, lý chủ yếu giải thích SRM quan tâm ngày phát triển ngành vật liệu bán dẫn đạt thành công vượt trội - Từ trở: Roto stato có thay đổi từ trở (điện kháng phức tạp) động làm việc, hay nói cách khác SRM loại máy điện có cực hai phía Bộ truyền động động từ trở tương đối trun ®éng tèc ®é thay ®ỉi Bé trun ®éng động từ trở truyền động tốc độ thay đổi với cấu trúc đơn giản, dải tốc độ rộng, hiệu suất lượng tốt, tỷ số momen quán tính lớn tỷ số tương quan nguồn momen cao Cấu trúc đơn giản SRM làm rẻ truyền động tốc độ thay đổi khác đa số nhà cung cấp SRM có tính linh hoạt vận hành truyền động góc phần tư với điều khiển độc lập tốc độ momen vùng tốc độ Vùng tốc độ momen cao loại trừ cần thiết đắt bánh khí hộp truyền động phức tạp 1.2 Cấu trúc động từ trở thay đổi Cũng giống loại động khác, SRM cấu tạo hai phần chính: Stato: Không giống loại máy điện ba pha khác - loại máy điện có cuộn dây phân tán tùy theo số đôi cực, stator cđa SRM cã cÊu t¹o bëi nhiỊu cùc tõ chøa cuộn dây tập trung Roto: Hoàn toàn khác biệt với Roto loại máy điện khác, Roto SRM không chứa cuộn dây chế tạo vật liệu sắt từ có xẻ với tổng số tổng số cực Stato, việc chế tạo hoàn toàn dựa nguyên tắc hoạt động SRM đề cập đến phần sau Hình 1.1 rõ cấu trúc động từ trở pha 6/4 (6 cực stato cực roto) Mô hình hoá ®iỊu khiĨn ®éng c¬ tõ trë thay ®ỉi B' C' 1' A' A độ C B Hình 1.1: Cấu trúc động 6/4SRM (Pha A không thẳng hàng) Như hình 1.1 ta thấy động SRM có cự lồi roto stato SRM động lồi hai cực Máy điện có cực roto cực stato nên gọi động 6/4 SRM Mỗi cực stato có cuộn d©y qn xung quanh Hai cn d©y cđa hai cùc stato đối ngược nối nối tiếp song song để tạo nên pha stato Không có cuộn dây roto từ trường roto Trong hình 1.1, cuộn dây pha C C stato kích thích dòng pha cảm ứng tạo nên cực stato trường điện từ Trường điện từ cảm ứng đôi cực roto, trường điện từ làm quay đôi cực roto phía gần pha C C Trong suốt trình quay, điện cảm từ thông móc vòng giảm đạt giá trị nhỏ cực roto thẳng hàng với cực stato VD cực thẳng hàng với cực C- C Sự thay đổi điện cảm trình quay đặc trưng động SRM Nếu pha kích thích liên tiếp, pha C - C’, ®Õn pha A – A’, pha B – B’ råi ®Õn pha C – C’, roto quay theo bước, bước góc s θs = Trong ®ã: 2π qn R (1.1) q số pha, N R số đôi cực, hình 1, s = 300 Mô hình hoá điều khiển động từ trở thay đổi B' C' A' A C B Hình 1.2: Cấu trúc động 6/4SRM (Pha A thẳng hàng) Hình 2, biểu diễn động 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 roto không thẳng hàng với stato pha A A Vị trí thẳng hàng điểm trạng thái cân mà dòng pha không cung cấp momen lệch h­íng ngá cđa roto sÏ cung cÊp momen ®Ĩ ®Èy roto trở lại Trái lại,vị trí không thẳng hàng trạng thái không cân di chuyển nhỏ roto tạo nên chuyển động SRM có nhiều loại, tùy thuộc theo yêu cầu cụ thể tốc độ, công suất Hình 1.3 loại động từ trở thay đổi với vùng nguồn từ 100 W đến 75kW với tốc độ khoảng 250 đến 3000 rpm Hình 1.3:Các loại động từ trở khác [10] Mô hình hoá điều khiển động từ trở thay đổi 1.3 Nguyên lý hoạt động Sự chuyển động động SRM gây thay độ tự cảm khe hở không khí roto stato Khi cuộn dây stato cấp nguồn, cung cấp trường từ trường đơn cực, momen điện từ sinh khuynh hướng dịch chuyển roto đến vị trí cho từ trở mạch từ nhỏ Khi cực roto có vị trí đồng trục tương ứng với cực stato có dây quấn pha kích từ, hình 1.4, momen mặt trực giao (coi khe hở nhỏ) Tại vị trí này, độ tự cảm lớn từ trë nhá nhÊt (bá qua tõ trë m¹ch tõ tr­êng) Nếu dời roto khỏi vị trí đó, sinh mét momen ®Ĩ cã khuynh h­íng mang roto quay lại vị trí đồng trục Nếu dòng đưa vào pha vị trí lệch trục, hình 1.5 không sinh momen (hoặc ít) Nếu chuyển roto khỏi vị trí lệch trục, momen quay dời roto tới vị trí thẳng hàng Hình 1.4: Vị trí đồng trục Hình 1.5: Vị trí lệch trục 10 Mô hình hoá điều khiển động từ trở thay đổi Chương IV: phương pháp giảm xung momen 4.1 Nguyên nhân gây xung momem Truyền động động từ trở có nhiều ưu điểm so với động đồng không đồng cấu trúc điều khiển mạch đo vị trí đơn giản, công suất động chế tạo dải rộng, dải điều chỉnh rộng Tuy nhiên nhược điểm lớn gây dập mạch momen lớn Nguyên nhân chuyển mạch nhiều lần chu kỳ, biên độ momen thay đổi theo vị trí roto Để làm giảm đập mạch momen tần số cao dòng điện ta hạn chế cách thiết kế biến đổi hợp lý Trong động SRM cuộn dây stato loại tập trung roto làm thép cán mỏng Mômen cung cấp cảm ứng liên tục cuộn dây động khoảng góc độ tự cảm cuộn dây tăng Để cung cấp momen tốt trình đồng dòng cảm ứng thay đổi độ tự cảm phải trì Trước hết, động SRM phải hoạt động vòng lập kín: Tín hiệu điều khiển biến đổi đồng với tín hiệu vị trí cung cấp sensơ vị trí gắn trục động Cấu trúc biến đổi động SRM sử dụng đơn giản biến đổi nhiều động xoay chiều động có dòng theo hướng định Hầu hết, cấu trúc sử dụng khoá cho pha khoá nguồn hoạt động độc lập Hầu hết vấn ®Ị quan träng hay gỈp viƯc thiÕt kÕ bé biến đổi cho SRM là: Mức lượng cao đòi hỏi đảo chiều dòng pha động Khó khăn việc điều khiển kín dòng pha động Vấn đề liên quan đến độ tự cảm động giá trị thay đổi dải rộng theo vị trí roto Trong trình làm việc, biến đổi cung cấp dòng vuông cuộn dây stato Điều kiện phụ thuộc vào chuyển cuộn dây với cuộn khác nhanh mức dòng điều chỉnh suốt thời gian dẫn điện Khi lượng dự trữ cuộn dây động cao nhất, phải tăng ứng suất điện áp sang khoá chuyển mạch nguồn để giảm thời gian đảo chiều Mặt khác, số 65 Mô hình hoá điều khiển động từ trở thay đổi vấn đề phát sinh trình điều chỉnh dòng đảo chiều cuộn dây động điện áp cao độ tự cảm thay đổi Dòng điều chỉnh phải đủ nhanh để phản ứng lại với thay đổi nhanh độ tự cảm động thời điểm tốc độ cao 4.2 Phương pháp giảm xung momen Trong hầu hết loại động cơ, momen khe hở không khí điều chỉnh cách điều khiển dòng Trong nhiều loại động cơ, chủ yếu động ac dc, momen khe hở không khí tỷ lệ trực tiếp với dòng kích từ dòng phát Riêng động SRM, momen khe hë kh«ng khÝ kh«ng cã mèi quan hƯ tuyến tính với dòng kích từ mối quan hệ kích thước từ thông, dòng kích từ vị trí roto góp phần tạo nên quan hệ phi tuyến momen khe hở không khí, dòng kích từ vị trí roto Nhiều phương pháp đà đề xuất tài liệu để đạt hiƯu st cao ®iỊu khiĨn momen SRM, VD tài liệu [4] tác giả đề xuất phương pháp hàm phân phối momen (Torque distribution function), gọi tắt phương pháp TDF Trong luận văn phân tích phương thức ®iỊu khiĨn momen TDF 4.2.1 Ph­¬ng thøc ®iỊu khiĨn momen Phương thức điều khiển momen phụ thuộc vào số lượng pha kích từ thời điểm tức thời đà định sẵn khả điều khiển dòng hệ thống Ví dụ, với phương thức điều khiển kích từ đơn pha, chi cuộn dây pha hoạt động mạnh thời điểm Trong suốt trình chuyển mạnh pha bắt đầu trình chuyển mạch pha khác, dòng chảy hai pha Nếu dòng không điều chỉnh pha điều khiển pha vào, momen tổng góp phần pha vào pha suèt kho¶n thêi gian bÊt kú KÕt qu¶ momen có vùng lõm khoảng khoảng chuyển mạch làm tăng xung momen Xung momen làm phức tạp hệ truyền động Một số yêu cầu: Dòng đặt stato phải tăng từ giảm thời điểm phát điện cảm Dòng điều khiển để mang lại momen không đổi dòng không cố định khoảng thời gian kể thời gian chuyển mạch Tuy nhiên điều khiển dòng hiệu suất cao yêu cầu để điều chỉnh dòng pha thay đổi liên tục 66 Mô hình hoá ®iỊu khiĨn ®éng c¬ tõ trë thay ®ỉi Bëi dòng thực tăng hạn chế có thời điểm giảm nên số momen biểu thức dòng vào dòng ra, momen điện từ phát suốt trình chuyển mạch không momen đặt Một số yêu cầu công nghệ điều khiển momen: Trong suốt giai đoạn chuyển mạch dòng thay đổi tuyến tính pha, kết điều khiển dòng trơn không đảm bảo momen điện từ cố định số momen khác với hai pha Nhưng ngăn ngừa vấn đề yêu cầu dốc đứng dòng pha Thay kích từ pha đơn pha, hai pha hoạt động để điều khiển momen yêu cầu pha dẫn pha dẫn bình thường chu kỳ Ví dụ động pha, yêu cầu góc dẫn 150 cho pha để sử dụng kỹ thuật Có thể lên đến 300 cho động pha để trì điều khiển dòng suốt giai đoạn chuyển mạch giữ cho momen giá trị yêu cầu Cơ sở công nghệ yêu cầu momen phân bố hai pha suốt trình chuyển mạch Momen có thĨ viÕt lµ tỉng cđa hai pha x, y nh­ sau: T*e = T*x + T*y Trong ®ã: (4.1) T*x= T*efx() (4.2a) T*y= T*efy() (4.2b) Trong hàm fx() fy() hàm phân phối momen cho pha x, y Các hàm hàm vị trÝ roto VÝ dơ, Khi T*e ≥ vµ 00