2.2.1. Xây dựng mô hình một pha
Hình 2.8 Sơ đồ khối một pha của động cơ từ trở
Từ các ph−ơng trình (2.31), (2.37), (2.38), (2.39) ta tiến hành xây dựng sơ đồ simulink cho một pha của động cơ nh− sau :
Hình 2.9 Sơ đồ khối chi tiết một pha của động cơ từ trở
trong đó các khối hàm chức năng La, Lm, La*, Lm*, La**, Lm** là các hàm đa thức phụ thuộc vào dòng điện theo các biểu thức 0o( ) 0 ,o
n
j n j
L i =a i và (2.9), (2.32), (2.33), (2.40), (2.41)
Cao học Tự Động Hóa - Khóa 2007-2009 ĐH Bách Khoa HN
2.2.2. Xây dựng mô hình động cơ
Hình 2.10 Sơ đồ khối động cơ từ trở
Dựa vào hai ph−ơng trình (2.22) và (2.23) ta tiến hành xây dựng mô hình động cơ từ trở bằng simulink nh− sau :
Đầu vào : Đầu ra :
Điện áp Tốc độ động cơ Mômen tải Vị trí góc rotor Dòng điện pha Mômen của động cơ Từ thông của động cơ
Cao học Tự Động Hóa - Khóa 2007-2009 ĐH Bách Khoa HN
Cao học Tự Động Hóa - Khóa 2007-2009 ĐH Bách Khoa HN
Do góc rotor của động cơ lặp lại theo chu kỳ 60o và ta quy −ớc vị trí đồng trục là vị trí 0o nên góc rotor sẽ nằm trong khoảng ⎡⎣−30 ,30o o⎤⎦ do đó cần chuyển góc rotor từ ph−ơng trình : 1 0 d t θ = ∫ ω (2.42)
Nhờ ch−ơng trình con chuyển đổi
Hình 2.12 Sơ đồ ch−ơng trình thetaconverter
Cao học Tự Động Hóa - Khóa 2007-2009 ĐH Bách Khoa HN
Ch−ơng 3
Các vấn đề về điều khiển động cơ từ trở
3.1.Nguyên tắc điều khiển
p I 2 2 p I dL dθ p I d θ 2 2 p I dL dθ
Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý điều khiển cơ bản cho động cơ từ trở
Do chiều quay của động cơ phụ thuộc vào thứ tự phát xung, do đó chế độ làm việc của động cơ sẽ đ−ợc quyết định bởi dấu của mômen. Giả sử động cơ là tuyến tính lúc đó theo (1.11) ta có ph−ơng trình của mômen :
2 1 2 dL T i dθ = (3.1) Từ ph−ơng trình trên ta dễ dàng nhận thấy rằng dấu của mômen phụ thuộc vào đại l−ợng dL
dθ. Đối với động cơ từ trở loại 8/6 có đặc tính điện cảm nh− hình 3.1.
Dựa vào hình 3.1 ta thấy đặc tính điện cảm tăng trong vùng ⎡⎣−30 ,0o o⎤⎦nh− vậy khi phát xung dòng điện trong khoảng này thì mômen sinh ra sẽ mang dấu d−ơng.
Cao học Tự Động Hóa - Khóa 2007-2009 ĐH Bách Khoa HN
Giá trị trung bình của mômen có thể thay đổi bằng cách thay đổi độ lớn dòng điện chạy qua cuộn dây Ip hoặc là thay đổi góc dẫn của một pha θd. Để đơn giản trong việc điều khiển cũng nh− nâng cao chất l−ợng điều khiển ta nên giữ góc dẫn
d
θ là hằng số và thay đổi độ lớn dòng của pha. Điều này dẫn đến yêu cầu bộ điều khiển dòng điện cần bám theo tín hiệu đặt một cách nhanh chóng, tránh rơi vào vùng sinh mômen âm
T−ơng tự nh− các cơ cấu truyền động khác, cấu trúc truyền động của động cơ từ trở cũng dựa trên điều khiển tầng với hai vòng điều khiển : vòng điều khiển dòng điện và vòng điều khiển tốc độ.Trong đó vòng điều khiển dòng điện là vòng điều khiển bên trong cần thời gian đáp ứng nhanh đảm bảo việc đ−a dòng điện vào các cuộn dây pha đúng thời điểm phù hợp với vị trí rotor. Vòng điều khiển tốc độ điều khiển vòng ngoài có thời gian đáp ứng chậm hơn so với vòng điều khiển dòng điện, nh−ng ảnh h−ởng quan trọng đến chất l−ợng đầu ra của hệ điều khiển, đó là tốc độ động cơ. Điểm khác biệt so với các loại động cơ thông th−ờng khác là ta cần phân phối mômen đến các pha từ mômen đặt. Do đặc tính mômen của động cơ phụ thuộc vào vị trí của rotor và động cơ hoạt động bằng cách kích thích luân phiên từng pha nên tín hiệu vị trí phản hồi về rất quan trọng và quyết định lớn đến chất l−ợng điều khiển. I ω >0 T>0 II ω >0 T < 0 IV ω >0 T>0 III ω <0 T<0 T ω
Cao học Tự Động Hóa - Khóa 2007-2009 ĐH Bách Khoa HN
Trạng thái hoạt động của động cơ t− trở đ−ợc chia ra làm 4 góc phần t− theo mômen và tốc độ (hình 3.2). Trong góc phần t− thứ nhất cả mômen T và tốc độ ω
đều d−ơng nên chế độ hoạt động của động cơ từ trở sẽ là động cơ quay thuận. Trong góc phần t− thứ hai, tốc độ d−ơng trong khi mômen âm, nh− vậy chế độ họat động của động cơ từ trở là chế độ hãm hoặc chế độ máy phát. .
Do chiều quay của động cơ từ trở (hay dấu của tốc độ ω ) phụ thuộc vào thứ tự các pha đ−ợc kích thích. Ví dụ, đối với động cơ nh− hình 3.3 muốn cho động cơ quay ng−ợc theo chiều kim đồng hồ ta phải kích thích các pha theo thứ tự A-B-C- D-A…; ng−ợc lại nếu ta kích thích theo thứ tự C-B-A-D-C… thì động cơ sẽ quay thuận theo chiều kim đồng hồ.
Hình 3.3 Thứ tự pha trên động cơ từ trở 8/6
Chế độ hoạt động của động cơ từ trở (động cơ hay máy phát) đ−ợc quyết định bởi góc dẫn của mỗi pha. Đối với động cơ từ trở 8/6 đặc tính điện cảm của pha đ−ợc trình bày nh− sau :
Cao học Tự Động Hóa - Khóa 2007-2009 ĐH Bách Khoa HN Hình 3.4 Đặc tính điện cảm và góc dẫn cho hoạt động ở bốn góc phần t−
Theo nh− chiều quay thuận giả định, điện cảm của mỗi pha tăng lên trong
vùng ⎡⎣−30 ,0o o⎤⎦, t−ơng ứng với chế độ động cơ quay thuận (góc phần t− thứ nhất); và đặc tính điện cảm giảm trong vùng ⎡⎣0 ,30o o⎤⎦t−ơng ứng với chế độ máy phát hay
chế độ hãm (góc phần t− thứ 2). T−ơng tự nh− vậy, góc phần t− thứ ba là chế độ động cơ quay ng−ợc xảy ra trong vùng ⎡⎣30 ,0o o⎤⎦ ; và góc phần t− thứ 4 sẽ là chế độ hãm hoặc máy phát xảy ra trong vùng ⎡⎣0 , 30o − o⎤⎦.
3.2. Bộ biến đổi
3.2.1 Tổng quan
Động cơ từ trở là loại động cơ không thể mắc trực tiếp vào l−ới điện. Do đó, nó cần có bộ biến đổi để hoạt động . Cấu hình điều khiển chung của động cơ từ trở thay đổi nhìn chung không khác biệt nhiều so với các động cơ thông th−ờng. Nó cũng bao gồm các mạch vòng điều khiển dòng điện và tốc độ. (Hình 3.1) chính là cấu hình điều khiển cơ bản của động cơ từ trở.
Động cơ quay thuận Hãm khi quay ng−ợc
Động cơ quay ng−ợc
Hãm khi quay thuận Chiều thuận
Cao học Tự Động Hóa - Khóa 2007-2009 ĐH Bách Khoa HN
Hình 3.5. Cấu trúc điều khiển cơ bản của động cơ từ trở
Từ hình 3.5 ta thấy, tốc độ đặt đ−ợc so sánh với tín hiệu phản hồi tốc độ, sai số giữa chúng sẽ là đầu vào cho bộ điều khiển tốc độ, đầu ra của bộ điều khiển tốc độ là l−ợng đặt mô men. Khối phân phối mômen lấy đầu vào là l−ợng đặt mô men này sau đó sẽ tính toán để tạo ra l−ợng đặt dòng điện hợp lý, dòng điện đặt là tín hiệu đầu vào của mạch vòng dòng điện. Sai số giữa dòng điện đặt và tín hiệu phản hồi dòng điện sẽ đ−ợc đ−a vào bộ điều khiển dòng điện để tạo tín hiệu điều khiển đ−a vào bộ biến đổi. Tín hiệu sau bộ biến đổi sẽ đ−ợc đ−a vào các cuộn dây pha của động cơ từ trở thay đổi để điều khiển sự hoạt động của động cơ.
Do mô men trong động cơ độc lập với dấu của dòng điện kích thích nên bộ biến đổi của động cơ tử trở thay đổi chỉ yêu cầu một khóa đóng cắt để điều khiển dòng điện cấp cho cuộn dây pha. Điều này khác với động cơ xoay chiều vì động cơ xoay chiều cần ít nhất 2 khóa để điều khiển dòng điện. Còn một điểm khác biệt nữa đó là cuộn dây pha của động cơ xoay chiều không đ−ợc mắc nối tiếp với các khóa đóng cắt, điều đó dẫn đến việc không hạn chế đ−ợc nguy hiểm khi xảy ra hiện t−ợng “shoot-through”. Trong khi đó với hệ truyền động của động cơ từ trở thay đổi, cuộn dây pha luôn đ−ợc mắc nối tiếp với khóa đóng cắt, do đó tính cảm của cuộn dây sẽ giúp hạn chế tốc độ tăng tr−ởng dòng điện khi xảy ra hiện t−ợng “shoot-through” qua đó giảm thiểu nguy hiểm.
Tr−ớc tiên ta cũng cần có một cái nhìn khái quát về các loại bộ biến đổi đ−ợc dùng với động cơ từ trở thay đổi thông qua phần “Phân loại”.
Cao học Tự Động Hóa - Khóa 2007-2009 ĐH Bách Khoa HN
3.2.2 Phân loại bộ biến đổi.
Nếu bỏ qua tác động qua lại giữa các pha sẽ mang lại sự độc lập hoàn toàn trong việc điều khiển dòng và mô men ở từng pha một. Tuy nhiên ta cũng cần hết sức cẩn thận trong việc điều khiển năng l−ợng từ tr−ờng tích lũy trong cuộn dây khi tận dụng −u điểm này. Năng l−ợng này cần phải đ−ợc giải phóng trong suốt quá trình chuyển mạch của pha (quá trình giảm dòng điện về không), nếu không nó sẽ gây ra hiện t−ợng quá áp và làm hỏng các bóng bán dẫn.
Có một số cách để giải phóng năng l−ợng này nh−: Một phần năng l−ợng đ−ợc chuyển thành dạng điện năng hoặc cơ năng, còn một phần thì tiêu tán trên cuộn dây của máy, hoặc đ−a nó trả ng−ợc về nguồn một chiều. Các ph−ơng pháp này đã dẫn đến các cấu hình khác nhau của bộ biến đổi nh− cấu hình q, (q+1), 1.5q và 2q khóa đóng cắt (với q là số pha). Sự phân loại của bộ biến đổi đ−ợc thấy nh− (hình 3.2)
Hình 3.6 Phân loại bộ biến đổi cho động cơ từ trở
Các cấu hình bộ biến đổi ở đây sẽ đ−ợc trình bày với giả thiết đã có sẵn nguồn một chiều (có thể lấy từ các pin hoặc từ các bộ chỉnh l−u).
Có rất nhiều tài liệu nói về các bộ biến đổi của động cơ từ trở, ví dụ: bộ biến đổi cầu không đối xứng, các bộ biến đổi một khoá trên một pha….. Tuy nhiên
Cao học Tự Động Hóa - Khóa 2007-2009 ĐH Bách Khoa HN
trong phạm vi luận văn này em chỉ trình bày về về bộ biến đổi phổ biến nhất cho động cơ từ trở đó là bộ biến đổi cầu không đối xứng
3.2.3. Bộ biến đổi cầu không đối xứng. 3.2.3.1 Cấu hình bộ biến đổi. 3.2.3.1 Cấu hình bộ biến đổi.
Hình 3.7. Cấu hình bộ biến đổi cầu không đối xứng
cho một pha của động cơ từ trở
Từ hình vẽ trên ta thấy ở mỗi cuộn dây dòng điện sẽ đ−ợc điều khiển bởi hai khóa công suất và hai diode (nhằm thực hiện các chiến thuật điều khiển khác nhau khi muốn giải phóng năng l−ợng từ tr−ờng trong cuộn dây theo các cách đã nêu ở trên).
3.2.3.2 Nguyên lý hoạt động.
ở đây ta sẽ trình bày nguyên lý hoạt động của sơ đồ theo hai chiến thuật điều khiển khác nhau (cách đóng cắt các khóa T1 và T2 khác nhau).
Cao học Tự Động Hóa - Khóa 2007-2009 ĐH Bách Khoa HN
a. Cả 2 khóa T1 và T2 đ−ợc đóng cắt một cách đồng thời.
Hình 3.8. Hai khoá T1 và T2 đ−ợc đóng cắt một cách đồng thời
i
∆
i
∆
Hình 3.9. Tín hiệu dòng và áp
Giả sử dòng điện chủ đạo có dạng xung chữ nhật và chỉ tồn tại trong s−ờn d−ơng của đ−ờng đặc tính tự cảm.
Cao học Tự Động Hóa - Khóa 2007-2009 ĐH Bách Khoa HN
Khi T1 và T2 mở, dòng điện chạy qua T1, cuộn dây pha a và T2. Khi dòng điện v−ợt qua giá trị mong muốn T1 và T2 sẽ cùng đóng. Do tính chất cảm nên dòng điện chạy qua pha a vẫn đ−ợc duy trì theo chiều nh− cũ. Lúc này dòng sẽ chạy qua pha a, D1, Vdc, D2 và pha a. Do đó năng l−ợng sẽ đ−ợc trả lại nguồn và dòng điện nhanh chóng giảm nhỏ hơn giá trị đặt. Lúc này điện áp trên pha a có giá trị bằng – Vdc. Trong suốt khoảng thời gian này năng l−ợng tích trữ trong cuộn dây đ−ợc trả về nguồn do đó đã có sự trao đổi năng l−ợng giữa tải và nguồn lập đi lập lại trong 1 chu kì dẫn dòng của pha a. Sau khoảng thời gian khởi động thì trong quá trình đóng cắt của các bóng T1 và T2, cuộn dây của pha a phải chịu 2 lần thay đổi điện áp 1 chiều, do đó có ảnh h−ởng xấu đến cách điện của cuộn dây. Hơn nữa cách điều khiển nh− này còn đ−a vào tụ điện của nguồn 1 chiều các tín hiệu nhấp nhô làm giảm tuổi thọ. Bên cạnh đó còn làm tăng tổn thất trong các khóa công suất bởi tần số đóng cắt của các khóa.
b. T2 không bị ngắt, chỉ có khóa T1 bị ngắt
Cao học Tự Động Hóa - Khóa 2007-2009 ĐH Bách Khoa HN i ∆ i ∆ Hình 3.11. Tính hiệu dòng và áp
Trong tr−ờng hợp này khi T1 ngắt dòng điện sẽ đ−ợc duy trì qua T2, D2 và pha a. Nếu bỏ qua sụt áp trên khóa và diode thì điện áp trên cuộn dây pha a sẽ giảm về không. Điều này sẽ làm thời gian dòng điện giảm từ IP+Äi xuống IP-Äi lâu hơn khi so sánh với chiến l−ợc điều khiển thứ nhất. Do đó nó cũng đã giảm đ−ợc tần số đóng cắt của các khóa trong một chu kì dẫn dòng của pha a. Khi dòng điện đặt giảm về 0 thì cả 2 khóa sẽ đ−ợc ngắt đồng thời. Trong suốt khoảng thời gian này D1, D2 sẽ tham gia dẫn dòng và điện áp trên cuộn dây pha bằng -Vdc. Khi dòng điện thực sự bằng 0 thì điện áp trên cuộn dây cũng bằng không. Dạn tín hiệu dòng áp có thể thấy nh− trên (hình 3.11).
Cao học Tự Động Hóa - Khóa 2007-2009 ĐH Bách Khoa HN
Ngoài lợi ích giảm đ−ợc tần số đóng cắt của các khóa thì cách điều khiển nh−
này còn mang lại −u điểm đó là một phần năng l−ợng đ−ợc tích trữ trong cuộn dây đã chuyển thành cơ năng hữu ích.
Tuy nhiên ph−ơng pháp điều khiển nh− này không thể áp dụng trong tr−ờng hợp cần giảm nhanh dòng điện pha để tránh rơi vào s−ờn âm của độ tự cảm (nếu rơi vào đây nó sẽ tạo mô men âm dẫn đến giảm mô men trung bình).
Có một nhận xét đó là bộ biến đổi theo dạng “Cầu không đối xứng” có 2 khóa đóng cắt trên một cuộn dây pha, nên nó t−ơng tự nh− các bộ biến đổi của động cơ xoay chiều.
3.2.4 Ưu nh−ợc điểm của bộ biến đổi 3.2.4.1 Ưu điểm 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.