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 [r]
(1)SỐ - 2014 ĐIỀU KHIỂN CỰC TIỂU HĨA ĐỘ NHẤP NHƠ MƠMEN
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 địi hỏi điều chỉnh tốc độ Nhược điểm SRM nhấp nhơ mơmen cao so sánh với động thông thường, điều tạo độ ồn độ rung Nguồn gốc nhấp nhô mômen SRM có đặc tính sinh mơmen 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 nhô mômen suốt q trình chuyển mạch cực tiểu hóa cách cho hai pha đồng dẫn sinh mơmen vùng xác định trước
Từ khóa: Động từ trở, SRM, cực tiểu hố mơmen, nhấp nhô mômen
Abstract: Switched reluctance motor (SRM) is a new candidate for various general-purpose 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, ripple minimization, torque-ripple
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Động từ trở thay đổi (SRM) loại
(2)SỐ - 2014
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
2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA SRM
2.1 Cấu tạo
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 cịn 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;
· 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 cịn rotor có (hình 1), 6/4,10/6,12/6,…
2.2 Nguyên lý hoạt động
Trước vào tìm hiểu nguyên lý hoạt động động từ trở ta xem xét khái niệm quan trọng, là:
· Vị trí đồng trục (Aligned position); · Vị trí lệch trục (Unaligned position)
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 hoàn toàn 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 Ngun lí hoạt động
(3)SỐ - 2014 r1’ rotor cực c, c’ stator
ở vị trí đồng trục (hình 2a) Trước tiên ta đưa dịng điện kích thích vào cuộn dây pha A, dòng điện sinh từ thơng móc vịng qua cực a a’ cực r2 r2’ rotor cách tương ứng
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 dịng điện kích thích pha A bị ngắt vị trí cực thấy hình 2b Bây ta đưa dịng điện kích thích vào cuộn dây pha B, dịng lại sinh từ thơng móc vịng 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 dịng 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
3 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;
· Khơng có tượng q dịng làm hỏng van công suất tốc độ tăng dịng cao;
· Do khơng có nam châm vĩnh cửu nên nhiệt độ cho phép rotor cao động đồng
4 NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN
Do chiều quay động phụ thuộc vào thứ tự phát xung, chế độ làm việc động định dấu mơmen Giả sử động tuyến tính lúc ta có phương trình mơmen:
2
dL
T i
d
= Từ phương trình ta dễ dàng nhận
thấy dấu mômen phụ thuộc vào đại lượng dL
(4)SỐ - 2014 p I 2 p I dL d p I d 2 p I dL 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
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:
* * *
e x y
T =T T đó:
Tx* =T fe* x( ), Ty* =T fe* y( )
với fx( ) , fy( ) hàm phân phối mômen 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
Lượng đặt dịng điện tính theo cơng thức: * ( , ) ( , ) j j j j T i i f i = với ** 30 ( , ) ( ( ) )sin ( 1)
4 o o
r
j j r
r
N
f i L i L N j
NN =- éê - - - ê ë ** **
0 30 15
2 ( o( )j o o( )) sin 2j r ( 1)
r
L i L L i N j
NN ù - - - - ú ú û
Để xác định mômen cần thiết sinh
mỗi pha ta dựa vào công thức:
1
( )
N N
j j ref
j j
T T f T
= =
= = Trong fj( ) hàm phân phối
mơmen cho pha j vị trí rotor
ref
T mômen đầu mong muốn Các hàm phân phối mơmen tìm phải thỏa
mãn điều kiện sau giai đoạn chuyển mạch:
*
1
( )
j j f = = * ( ) j j
f = f
* ( ) ( )
12
j k
f = f - j-k
(5)SỐ - 2014 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
- = , onvà off lần
lượt 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:
, , ,
, ,
, , ,
0.5 0.5cos24( ) / 24
1 / 24 / 24
( )
0.5 0.5cos24( / 24) / 24
0
on j on j on j
on j off j
j
on j off j off j
f
other
- -
ì
- = í
- - -
ỵ
Góc on,off cho pha A góc phần tư cho bảng
*
e T
0
i
f
*
x
T *
y T
Hình Phương pháp giảm nhấp nhô mômen sử dụng hai pha dẫn
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
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 dịng điện thích hợp để đưa vào biến đổi để tạo tín hiệu phát xung nhằm trì dịng điện theo giá trị mong muốn
(6)SỐ - 2014
5 KẾT QUẢ KIỂM CHỨNG BẰNG PHẦN MỀM MATLAB - SIMULINK TRƯỚC VÀ SAU KHI ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP GIẢM NHẤP NHƠ MƠMEN
5.1 Mơmen pha
Hình Mơmen pha chưa áp dụng phương pháp giảm nhấp nhô mômen
(7)SỐ - 2014
5.2 Mômen tổng pha
Hình Mơmen tổng pha chưa áp dụng phương pháp giảm nhấp nhô mômen
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
Thông số động mô sau:
· Tốc độ đặt: 100 rad/s;
· Mômen giới hạn động cơ: 10 Nm;