3.2.4.1 Ưu điểm
Động cơ từ trở thay đổi chỉ cần dòng điện chạy theo một chiều là có thể hoạt động ở cả bốn góc phần t−. Do đó, ta có thể chỉ cần một khóa đóng cắt cho một pha của động cơ. Trên thực tế đã có rất nhiều cấu hình động cơ từ trở thay đổi dùng theo nh− vậy. Điều này làm tiết kiệm van bán dẫn đồng thời giảm tổn hao tại các van. Hơn nữa đi kèm với các van bán dẫn là các driver điều khiển, các bộ tản nhiệt. Do đó, điều này làm giảm tối đa thể tích đóng gói của toàn bộ hệ truyền động, đặc biệt phù hợp với những ứng dụng công suất lớn khi mà bộ biến đổi và tản nhiệt chiểm thể tích lớn. Đây là đặc tr−ng không có đ−ợc ở các hệ truyền động động cơ xoay chiều khác.
Các khóa đóng cắt đ−ợc mắc nối tiếp với cuộn dây pha của động cơ nên ở động cơ không bao giờ bị ngắn mạch nguồn nh− động cơ không đồng bộ. Điều này tạo nên khả năng làm việc an toàn cho động cơ và nâng cao độ tin cậy.
Khi có lỗi xảy ra ở một nhánh của bộ biến đổi ( mắc vào một pha của động cơ) thì không cần dừng động cơ và các pha khác vẫn hoạt động bình th−ờng. Điều này không thể có đ−ợc ở các loại động cơ khác.
Cao học Tự Động Hóa - Khóa 2007-2009 ĐH Bách Khoa HN
3.2.4.2 Nh−ợc điểm
Bộ biến đổi cho động cơ từ trở thay đổi cần có các đi-ốt mắc theo cấu hình nào đó mà không tận dụng luôn đ−ợc các đi-ốt mắc song song ng−ợc trong các khóa đóng cắt. Điều này làm tăng giá thành chung của bộ biến đổi mặc dù không nhiều.
3.2.5 Mô hình bộ biến đổi
Để việc mô phỏng đơn giản ta có thể giả thiết các van bán dẫn đóng cắt lý t−ởng tức là việc đóng cắt là tức thời, không có tổn hao khi đóng cắt cũng nh− điện áp rơi trên các van. ở đây ta chọn ph−ơng án đóng cắt thứ 2 để tránh các van đóng cắt nặng nề đồng thời cũng đủ đáp ứng đ−ợc mục tiêu điều khiển
Do ta đã giả thiết các van bán dẫn lý t−ởng, nên việc mô phỏng bộ biến đổi khá đơn giản nh− hình 2.9
Hình 3.12 Sơ đồ khối bộ biến đổi
Bộ biến đổi có a. Hai đầu vào :
* Pulse : Tín hiệu phát xung cho van
* i : Dòng điện đặt. Do việc hoạt động của bộ biến đổi phải dựa vào cả tín hiệu dòng điện nên ta cần đ−a tín hiệu dòng điện đặt làm đầu vào của bộ biến đổi. b. Một đầu ra :
* Điện áp phần ứng cho các pha
Cao học Tự Động Hóa - Khóa 2007-2009 ĐH Bách Khoa HN
Dựa theo nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi đã trình bày em viết lại nguyên lý đó bằng s-function trên nền ngôn ngữ C. Thuật toán của ch−ơng trình cũng khá đơn giản và đ−ợc trình bày nh− sau :
Nếu Pulse = 1 thì V = Vdc
Nếu Pulse = 0 và i* > 0 thì V = 0 Nếu Pulse = 0 và i* = 0 thì V = -Vdc
Trong đó Vdc là nguồn điện một chiều – là tham số của ch−ơng trình
3.3 Bộ điều khiển dòng điện
Có nhiều ph−ơng pháp khác nhau để thiết kế bộ điều khiển dòng điện dựa trên mô hình của động cơ. Nh−ng do động cơ có ph−ơng trình điện áp phần ứng phức tạp ( , ) 1 ( , ) ( , ) j j j j j j j j j di L i V Ri i dt L i L i i i θ ω θ θ θ ∂ ⎡ ⎤ = ⎢ − − ⎥ ∂ ⎛ ∂ ⎞⎣ ⎦ + ⎜ ⎟ ⎜ ∂ ⎟ ⎝ ⎠ (3.2)
Nên để thiết kế bộ điều khiển dòng điện dựa trên hàm truyền giữa dòng điện và điện áp đặt vào động cơ rất phức tạp. Đòi hỏi số l−ợng tính toán lớn và phụ thuộc vào tham số của động cơ. Chính vì vậy bộ điều khiển trễ (hysteresis current control) th−ờng hay đ−ợc sử dụng trong thực tế.
Cao học Tự Động Hóa - Khóa 2007-2009 ĐH Bách Khoa HN i ∆ i ∆ on θ off θ θ
Hình 3.13 Điện áp và dòng điện trong bộ điều khiển trễ dòng điện
Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển trễ rất đơn giản nh− hình trên, dòng điện phản hồi về sẽ đ−ợc so sánh với dòng điện đặt iref. Nếu kết quả so sánh lớn hơn giá trị cận trên thì sẽ tạo ra tín hiệu điều khiển để khóa van lại. Nh− vậy lúc này điện áp không sẽ đ−ợc đặt lên phần ứng của động cơ do đó có tác dụng làm giảm dòng điện xuống d−ới giá trị iref . Khi kết quả so sánh nhỏ hơn giá trị cận d−ới thì tín hiệu điều khiển sẽ đ−ợc tạo ra để mở van. Điện áp đặt vào phần ứng của động cơ là điện áp một chiều do đó dòng điện sẽ nhanh chóng tăng đến giá trị iref. Nh− vậy độ đập mạch của dòng điện sẽ liên quan đến dải trễ (giá trị cận trên và cận d−ới). Nếu dải trễ càng nhỏ thì dòng điện thực tế sẽ càng mịn và bám sát theo dòng điện đặt, tuy nhiên lúc này tần số đóng cắt của van sẽ lớn, làm tổn hao đóng cắt trở nên đáng kể đồng thời sinh ra nhiễu điện từ. Do đó dải trễ tối −u cần đ−ợc lựa chọn để thỏa mãn cả hai yêu cầu về độ đập mạch dòng điện và tổn hao do đóng cắt của van bán dẫn. Trong tr−ờng hợp này em chọn dải trễ là [−0.05, 0.05]A.
Cao học Tự Động Hóa - Khóa 2007-2009 ĐH Bách Khoa HN
Ta có thể nhận thấy −u điểm rõ rệt của bộ điều khiển trễ là cấu trúc đơn giản, dễ thực hiện (có thể thực hiện đơn giản với mạch analog), có khả năng đáp ứng quá độ nhanh, dễ dàng giới hạn xung dòng điện. Tuy nhiên, bên cạnh đó bộ điều khiển này có một số nh−ợc điểm nh− tần số đóng cắt của van bán dẫn không là hằng số, độ đập mạch của dòng điện không giảm đ−ợc.
Cao học Tự Động Hóa - Khóa 2007-2009 ĐH Bách Khoa HN
Ch−ơng 4
Cực tiểu hóa độ nhấp nhô mômen của động cơ từ trở ở vùng tốc độ thấp (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
4.1 Tổng quan về độ nhấp nhô mômen
4.1.1 Nguyên nhân phát sinh độ nhấp nhô mômen
Một nh−ợc điểm rất lớn của động cơ từ trở đó là mômen có độ đập mạch rất lớn. Chính nh−ợc điểm này đã hạn chế các ứng dụng của động cơ trong thực tế. Có hai nguyên nhân chính gây nên độ đập mạch mômen là :
• Do nguyên lý hoạt động : Mômen sinh ra của động cơ từ trở bằng tổng mômen của các pha cộng lại. Khi hoạt động, các pha đ−ợc kích thích lần l−ợt do đó tại thời điểm chuyển mạch giữa các pha do dòng điện không thể tăng và giảm một cách tức thời nên mômen sinh ra không bằng mômen đặt. Nh− vậy tại thời điểm chuyển mạch, mômen của động cơ có độ đập mạch cao.
• Do cấu tạo động cơ : Động cơ từ trở có cấu tạo lồi kép, tức là cực rotor và stator đều là cực lồi, nên làm cho từ thông của động cơ phi tuyến mạnh, gây nên các thành phần sóng hài bậc cao của từ thông và dòng điện và từ đó gây nên các thành phần sóng hài bậc cao của mômen, làm cho mômen trở nên đập mạch
4.1.2 Tác hại của độ nhấp nhô mômen
Mômen cùng với tốc độ là hai đại l−ợng quan trọng hàng đầu trong truyền động điện. Khi mômen có độ đập mạch lớn sẽ gây các tác hại sau :
• Phá hỏng kết cấu cơ khí của động cơ, làm giảm tuổi thọ của động cơ • Gây tiếng ồn lớn
• Không đáp ứng đ−ợc yêu cầu truyền động (điều chỉnh tốc độ sâu, độ êm trong truyền động…..)
Cao học Tự Động Hóa - Khóa 2007-2009 ĐH Bách Khoa HN
4.2 Bộ điều khiển mômen ch−a sử dụng ph−ơng pháp giảm nhấp nhô mômen
Không giống nh− các động cơ khác, đối với động cơ từ trở do mômen phụ thuộc không chỉ vào dòng điện kích thích mà còn phụ thuộc vào cả vị trí rotor do vậy ta cần phải có hàm phân phối mômen để tạo ra mômen đặt và từ đó tính toán ra dòng điện đặt cho từng pha dựa vào mômen đặt từ bộ điều khiển tốc độ. Dựa vào hình 3.1 và ph−ơng trình mômen (2.38) và (2.39) ta có thể đề ra ph−ơng án phân phối dòng điện pha để sinh mômen d−ơng một cách đơn giản nh− sau :
- Pha A dẫn dòng khi góc rotor nằm trong khoảng ⎡⎣−29 , 15o − o⎤⎦
- Pha B dẫn dòng khi góc rotor nằm trong khoảng ⎡⎣−14 ,0o o⎤⎦
- Pha C dẫn dòng khi góc rotor nằm trong khoảng ⎡⎣1 ,15o o⎤⎦
- Pha D dẫn dòng khi góc rotor nằm trong khoảng ⎡⎣16 ,30o o⎤⎦
* e T θ 0 * x T * y T
Hình 4.1 Sơ đồ phân phối mômen ch−a áp dụng thuật toán giảm nhấp nhô
Từ giá trị mômen đặt T* ta tính đ−ợc giá trị dòng điện đặt từ ph−ơng trình (2.38)
Cao học Tự Động Hóa - Khóa 2007-2009 ĐH Bách Khoa HN với **0 30 2 ( , ) ( ( ) )sin ( 1) 4 o o r j j r r N f i L i L N j NN π θ = − ⎡⎢ − ⎜⎛⎜ ⎛⎜θ − − ⎞⎟⎞⎟⎟ ⎢ ⎝ ⎝ ⎠⎠ ⎣ **0 30 **15 2 ( o( )j o 2 o( ))sin 2j r ( 1) r L i L L i N j NN π θ ⎤ ⎛ ⎛ ⎞⎞ + − − ⎜⎜ ⎜ − − ⎟⎟⎥ ⎟⎥ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎦ (4.2) suy ra : ( , ) ( , ) j j j j T i i f i θ θ = (4.3)
4.2.1 Xây dựng khối phân phối mômen và khối tạo dòng điện đặt khi ch−a sử dụng ph−ơng pháp giảm nhấp nhô mômen dụng ph−ơng pháp giảm nhấp nhô mômen
Sau đây ta sẽ tiến hành mô phỏng khối phân phối mômen và khối tạo dòng điện đặt trên Matlab. Khối phân phối mômen và khối tạo dòng điện đặt đ−ợc viết d−ới dạng s-function, chi tiết về s-function đ−ợc trình bày tại phụ lục của luận văn.
4.2.1.1 Khối tạo dòng điện đặt
Hình 4.2 Khối tạo dòng điện đặt
Đầu vào : * Mômen đặt cho các pha Đầu ra : * Dòng điện đặt cho các pha
* Dòng điện phản hồi * Vị trí rotor
Tác dụng của khối : dựa vào giá trị mômen đặt, dòng điện, vị trí rotor khối sẽ tính ra dòng điện đặt cho từng pha dựa theo ph−ơng trình (4.3), nếu kết quả tính toán dòng điện v−ợt quá dòng điện tối đa cho phép 30A thì khối sẽ đ−a ra kết quả là 30A. Hay nói cách khác, dòng điện đặt luôn đ−ợc giới hạn đầu ra là 30A.
Cao học Tự Động Hóa - Khóa 2007-2009 ĐH Bách Khoa HN
4.2.1.1 Khối phân phối mômen (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 4.3 Khối phân phối mômen
Đầu vào : Đầu ra :
* Mômen đặt cho cả động cơ * Mômen đặt cho các pha * Vị trí rotor phản hồi * Vị trí rotor ở đầu vào
Tác dụng của khối : phân phối mômen cho các pha dựa vào góc rotor, nguyên tắc phân phối đ−ợc thực hiện nh− mục 4.2.
4.2.2 Sơ đồ Simulink toàn mô hình và kết quả mô phỏng
Hình 4.4 Sơ đồ simulink mô hình hệ thống ch−a sử dụng ph−ơng pháp giảm nhấp nhô mômen
Cao học Tự Động Hóa - Khóa 2007-2009 ĐH Bách Khoa HN
Hình 4.5 Kết quả mô phỏng mômen các pha
Hình 4.6 Kết quả mô phỏng tổng mômen các pha
Cao học Tự Động Hóa - Khóa 2007-2009 ĐH Bách Khoa HN
Dựa vào kết quả mô phỏng ta có thể nhận ra ngay độ đập mạch rất lớn của mômen động cơ, đồng thời dòng điện của động cơ cũng có những xung kim, tuy ch−a v−ợt quá giá trị tới hạn nh−ng cũng gây hại cho động cơ. Khó có ứng dụng thực tế nào có thể chấp nhận đ−ợc độ đập mạch lớn nh− vậy.
4.3 Đề xuất ph−ơng án làm cực tiểu hóa độ nhấp nhô mômen ở vùng tốc độ thấp thấp
Hiện nay trên thế giới, động cơ từ trở đ−ợc quan tâm nghiên cứu và ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực, trong đó có một số lĩnh vực nh− : điều khiển tay lái trợ lực trong ôtô, điều khiển máy công cụ, điều khiển robot…Đó là những lĩnh vực đòi hỏi động cơ từ trở hoạt động ở vùng tốc độ thấp. Do vậy việc cực tiểu hóa độ nhấp nhô mômen ở vùng tốc độ thấp là một yêu cầu hết sức thực tế. Trong phạm vi luận văn, ph−ơng pháp đ−ợc đ−a ra dùng để áp dụng cho động cơ từ trở hoạt động ở vùng tốc độ thấp (ω≤100rad s/ ) bởi nếu để động cơ hoạt động ở tốc độ cao thì sức điện động do động cơ sinh ra sẽ lớn dẫn tới mômen tối đa bị giảm xuống làm cho dòng điện thực không bám theo đ−ợc dòng điện đặt (đáp ứng giảm nhấp nhô mômen không theo kịp tốc độ) do đó ph−ơng pháp đề xuất sẽ không có tác dụng nhiều.
Để làm giảm độ nhấp nhô mômen thì cần điều khiển đ−ợc mômen. Đối với các loại động cơ khác, mômen điện từ đ−ợc điều chỉnh chính xác nhờ việc điều khiển dòng điện. Trong động cơ một chiều kích từ độc lập (Te =K Iφ u)có thể dễ dàng điều chỉnh mômen bằng cách giữ từ thông kích thích cố định, lúc đó mômen điện từ sẽ phụ thuộc tuyến tính vào dòng điện phần ứng, ta có thể điều chỉnh mômen bằng cách điều chỉnh dòng điện phần ứng của động cơ một chiều. Đối với động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha, có thể dùng phép biến đổi vector không gian đề phân tích dòng điện stator thành hai thành phần, một thành phần Iq sinh ra từ thông và thành phần Id sinh ra mômen. Nh− vậy việc điều chỉnh mômen trong động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha cũng hoàn toàn t−ơng tự động cơ một chiều, đó là giữ cho dòng điện Iqkhông đổi để từ thông sinh ra là cố định, lúc đó mômen của động cơ đ−ợc điều chỉnh bằng cách điều chỉnh dòng Id .
Cao học Tự Động Hóa - Khóa 2007-2009 ĐH Bách Khoa HN
Đối với động cơ từ trở thì quan hệ giữa dòng điện và mômen điện từ phi tuyến rất mạnh, hơn nữa ngoài phụ thuộc vào dòng điện kích thích mômen còn phụ thuộc vào cả vị trí rotor. Do đó ta phải dựa vào mối quan hệ ba chiều giữa mômen – dòng điện – vị trí rotor để cực tiểu hóa độ nhấp nhô mômen.
Trong phạm vi đề tài của luận văn, em xin đề xuất ph−ơng pháp phân phối mômen và điều khiển dòng điện.
4.3.1 Tổng quan về hàm phân phối mômen
Các ph−ơng pháp điều khiển mômen phụ thuộc vào việc có bao nhiêu pha bị kích thích tại một thời điểm và khả năng điều khiển dòng điện của hệ thống. Ví dụ trong ph−ơng pháp kích thích một pha thì chỉ duy nhất một pha đ−ợc cấp năng l−ợng tại một thời điểm. Khi pha này bị ng−ng kích thích (bắt đầu quá trình chuyển mạch) thì pha tiếp theo đ−ợc kích thích, nếu dòng điện không đ−ợc điều khiển ở pha thôi dẫn mà chỉ điều khiển ở pha sắp dẫn trong khoảng thời gian này thì tổng mômen điện từ của pha thôi dẫn và pha sắp dẫn sẽ không bằng với mômen mong muốn. Do đó sẽ gây nên sự nhấp nhô mômen.
Để cực tiểu hóa độ nhấp nhô mômen, trong khoảng thời gian chuyển mạch, thay vì chỉ kích thích một pha ta sẽ kích thích trên hai pha để tránh việc tăng và giảm dòng một cách đột ngột. Nh− vậy góc dẫn của một pha lúc này sẽ lớn hơn trong tr−ờng hợp kích thích thông th−ờng. Ví dụ đối với động cơ từ trở 8/6 góc dẫn bình th−ờng là 15o nh−ng đối với ph−ơng pháp hàm phân phối mômen ta sẽ kéo dài lên 22.5o để đảm bảo duy trì dòng điện kích thích trong các qúa trình chuyển mạch và giữ cho mômen sinh ra là hằng số.
Nếu gọi pha chuẩn bị ngừng dẫn là x , pha chuẩn bị dẫn là y thì mômen điện từ mà động cơ sinh ra là :
Te* =Tx*+Ty* (4.4)
Cao học Tự Động Hóa - Khóa 2007-2009 ĐH Bách Khoa HN
trong đó :
Tx* =T fe* x( )θ (4.5)