Đặc tính mômen và từ thông móc vòng của SRM được quyết định bởi các thông số kích thước điện từ như đường kính ngoài stator, chiều dài mạch từ, góc cực rotor và góc cực stator. Trong đó góc cực rotor và góc cực stator thường được tính chọn một cách kỹ lưỡng nhằm tăng mômen trung bình, hiệu suất và giảm độ nhấp nhô mômen.
Mỗi giá trị góc cực rotor, góc cực stator được tính toán lựa chọn thì bộ điều khiển phải đưa ra chiến lược điều khiển có góc đóng mở dòng điện cho từng pha phải tương ứng, phù hợp với góc cực stator, rotor đó thì mới giảm thiểu được độ nhấp nhô mômen và nâng cao giá trị mômen trung bình. Nếu góc mở cấp dòng điện quá sớm sẽ tạo mômen âm, nếu góc mở quá muộn thì sẽ không lợi dụng được mômen cao trên vùng tăng của đặc tính điện cảm. Góc mở dòng điện sẽ phù hợp tại thời điểm từ lúc điện cảm Lmin bắt đầu tăng và đóng dòng điện khi điện cảm bắt đầu đạt cực đại Lmax. Thời điểm bắt đầu cấp dòng cho pha dây quấn tức là góc mở dòng điện là một trong những yếu tố quyết định mômen trung bình và độ nhấp nhô mômen trong SRM[71][72][73]. Ở chế độ động cơ dòng điện được đóng cắt theo sườn lên của điện cảm. Hiệu quả hoạt động tối ưu của SRM phụ thuộc vào thời điểm đóng, ngắt dòng điện vào từng pha dây quấn stator so với vị trí góc quay rotor.
Mômen điện từ của động cơ sinh ra chủ yếu là mômen từ trở, mômen sinh ra trong quá trình biến thiên của điện cảm từ vị trí đồng trục hoàn toàn đến vị trí lệch trục hoàn toàn. Thời điểm đóng và ngắt dòng điện trên từng pha phải nằm trong khoảng vị trí từ lúc cực rotor và stator hoàn toàn lệch nhau đến lúc cực rotor và stator hoàn toàn trùng khớp nhau. Hiệu quả hoạt động tối ưu của động cơ phụ thuộc nhiều vào thời điểm đưa dòng điện vào dây quấn stator so với vị trí góc quay rotor[71][72][74][75].
Góc cực rotor, góc cực stator liên quan và quyết định góc đóng, góc mở của dòng điện. Góc mở dòng điện phải nằm trong vùng điện cảm đang tăng, tốt nhất từ giá trị Lmin
và ngắt dòng điện khi điện cảm bắt đầu đạt đến giá trị cực đại Lmax. Các công trình nghiên cứu tập trung vào giá trị góc cực stator, rotor [76][77][78][79], hoặc nghiên cứu các phương pháp điều khiển [1][8]10][12][80] để giảm độ nhấp nhô mômen . Các nghiên
83
cứu trên chưa đề cập đến mối quan hệ ràng buộc giữa góc đóng, góc mở dòng điện với góc cực stator, rotor để không xuất hiện điểm mômen âm, làm giảm mômen trung bình. Ký hiệu θon là góc mà tại thời điểm đó dòng điện được đưa vào pha dây quấn; θoff là góc tại thời điểm bộ biến đổi ngắt dòng đưa vào pha dây quấn; θp là góc mà tại đó dòng điện đạt giá trị cực đại (Hình 3.22).
Hình 3.22. Dòng điện và điện cảm trên một pha theo vị trí góc rotor
Với mỗi thời điểm cấp, ngắt dòng điện cho mỗi pha dây quấn stator: θon ( góc đóng) ; θoff (góc mở) khác nhau thì độ lớn mômen cũng thay đổi. Trong việc điều khiển tốc độ của SRM thì cũng cần phải tính toán đến góc đóng, góc mở dòng điện này. (Hình 3.23).
84
Gọi α là góc lệch giữa thời điểm bắt đầu cấp dòng cho pha dây quấn θon (Turn on) và góc mà tại đó cực rotor và cực stator hoàn toàn không trùng khớp θu, ta có:
( )
2
a r s
= − + (3.132)
Trong đó θa là góc tại vị trí đồng trục hoàn toàn; βr, βs là góc cực rotor, stator.
Khi đó thời điểm bắt đầu cấp dòng điện vào pha dây quấn – góc θon được tính như sau:
0
on u
= − (3.133)
Trong đó θu là góc tại vị trí lệch trục hoàn toàn
Nếu độ lệch giữa góc cực rotor so với góc cực stator càng lớn thì góc lệch α càng nhỏ so và góc mở dòng điện θonsẽ càng tiến gần với góc quay rotor tại vị trí lệch trục. Ứng với mỗi giá trị góc cực rotor/ sator của mỗi động cơ từ trở thì lại có một giá trị góc mở
θon khác nhau. Góc mở θon sẽ được lựa chọn nằm trong khoảng vị trí từ lúc cực rotor lệch trục hoàn toàn với cực stator của pha dây quấn đó đến vị trí cực rotor bắt đầu trùng với cực stator, tức là phải nằm ở sườn lên của điện cảm để không phát sinh mômen âm.
Góc mở dòng điện (Turn on) cần phải thỏa mãn điều kiện:
( ) 2 − + a r s on u (3.134)
Và góc đóng dòng điện (Turn off) được lựa chọn sao cho tổng góc dẫn dòng điện θdwell
luôn nhỏ hơn hoặc bằng một nửa bước cực rotor. 0 w of 180 = − u d ell f on r N (3.135)
Như vậy góc đóng, góc mở dòng điện thỏa mãn điều kiện (3.134) và (3.135) thì SRM không bị phát sinh mômen âm trong quá trình sinh mômen của động cơ.
Theo biểu thức (3.132) và (3.133), áp dụng với SRM 6/4 có số cực stator Ns = 6; số cực rotor Nr = 4; góc lệch trục θu = 450 là góc ban đầu và vị trí góc đồng trục hoàn toàn là θa = 3600/Nr =3600/4 = 900 thì các thông số α, θon được tính toán như (3.136)(3.137):
0 ( ) 90 ( ) 2 2 a r s r s = − + = − + (3.136) 0 0 45 on u = − = − (3.137)
85 0 180 45 = + o = + off on on r N (3.138)
Trong đó Nr là số cực rotor; βr là góc cực rotor; βs là góc cực stator.
Để phân tích cho luận điểm này, tác giả thực hiện tính toán mô phỏng với SRM 6/4 có góc cực stator βs = 300, thay đổi góc cực rotor thì ta tính toán được giá trị góc θon , θoff theo biểu thức (3.136), (3.137) tương ứng với mỗi góc cực stator và rotor như trong Bảng 3.5. Bảng 3.5 Các cặp góc cực βS và βR và góc đóng θoff, góc mở θon TT βS (0) βR(0) Góc lệch trục θu (0) Góc đồng trục θa (0) Góc α (0) Góc mở θon0 (0) Góc đóng θoff (0) = θon + 450 Ghi chú 1 30 31 45 90 14,5 30,5 75,5 TH.I 2 30 32 45 90 14 31 76 TH.II 3 30 33 45 90 13,5 31,5 76,5 TH.III
Thực hiện phân tích mô hình động cơ trên phần mềm Speed PC-SRD. Để có thể thấy rõ thời điểm cấp “quá sớm” hoặc “quá muộn” dòng điện cho mỗi pha dây quấn stator có thể làm xuất hiện điểm mômen âm, ta chọn phương án cấp dòng điện đến 300A (vì với giá trị dòng điện này thì đặc tính dòng điện bằng phẳng, không còn nhấp nhô). Hình dáng dòng điện, điện cảm và mômen trong trường hợp góc cực βs =300; βr =310 và θon = 310 được thể hiện trong Hình 3.24.
Hình 3.24 Đặc tính dòng điện, từ thông, điện cảm và mômen theo vị trí góc rotor khi βs = 300; βr =310 và θon = 310
86
Xét đặc tính mômen khi thay đổi góc đóng dòng điện trong 3 trường hợp góc cực stator và rotor khác nhau.
a. Trường hợp TH.I với góc cực stator βs = 300; góc cực rotor βr = 310
Đặc tính mômen trên mỗi pha dây quấn của động cơ SRM ứng với góc mở θon =290, 29,50; 300; 30.50; 310; 31,50 thể hiện trên Hình 3.25. a) góc mở θon = 290 d) góc mở θon = 30,50 b) góc mở θon = 29,50 e)góc mở θ on = 310 c) góc mở θon = 300 f) góc mở θ on = 31,50
Hình 3.25 Đặc tính mômen khi βs = 300, βr = 310, góc mở θon biến thiên
Khi góc mở θon ≥ θon0 = 30,50 thì đường đặc tính mômen không có điểm âm; khi góc mở θon < θon0 = 30,50 thì trên đường đặc tính mômen luôn xuất hiện điểm mômen âm vì khi đó góc mở dòng điện nằm trong vùng độ dốc âm của điện cảm. Điểm mômen âm này giảm dần khi góc mở dòng điện θon tăng dần lên.
Khi góc Δθon = θon - θon0 càng lớn thì giá trị của mômen âm càng cao. Khi góc θon ≥ 30,50 thì trên đường đặc tính mômen hoàn toàn không có điểm âm.
b. Trường hợp TH.II với góc cực stator βs = 300; góc cực rotor βr = 320
Đặc tính mômen trên mỗi pha dây quấn của động cơ SRM ứng với góc mở θon =
87
a) góc mở θon = 29,50 d) góc mở θon = 310
b) góc mở θon = 300 e) góc mở θon = 31,5 0
c) góc mở θon = 30.50 f) góc mở θon = 320
Hình 3.26 Đặc tính mômen khi βs = 300, βr = 320, góc mở θon biến thiên
Kết quả Hình 3.26 cho thấy:
Trường hợp góc cực rotor βr = 320 thì có góc mở theo tính toán θon0 = 310. Khi góc mở dòng điện θon < θon0; θon = 290 thì điểm mômen âm trên đặc tính mômen là lớn nhất và điểm mômen âm này giảm dần khi góc mở dòng điện θon tăng dần lên.
Khi góc mở đúng bằng góc mở tính toán θon = θon0 = 310 thì điểm mômen âm không có nữa. Khi góc mở dòng điện θon ≥ 310 thì trên đường đặc tính mômen hoàn toàn không có điểm âm.
c. Trường hợp TH.III với góc cực stator βs = 300; góc cực rotor βr = 330
Đặc tính mômen trên mỗi pha dây quấn của động cơ SRM ứng với góc mở dòng điện θon = 300; 30,50; 310
88
a) góc mở θon = 300 d) góc mở θon = 31,50
b) góc mở θon = 30,50
e) góc mở θon = 320
c) góc mở θon = 310 f) góc mở θon = 32,50
Hình 3.27. Đặc tính mômen khi βs = 300, βr = 330, góc mở θon biến thiên
Trong trường hợp góc cực rotor βr = 330thì có góc mở theo tính toán θon0 = 31,50. Khi góc mở θon < θon0; θon = 300 thì điểm âm mômen trên đặc tính mômen là lớn nhất,
và điểm âm mômen này giảm dần khi góc θon tăng dần. Đến khi góc mở đúng bằng góc
mở tính toán θon = θon0 =31,50 thì điểm mômen âm không có nữa. Khi góc mở dòng điện θon ≥ 31,50 thì trên đường đặc tính mômen hoàn toàn không có điểm âm.
Như vậy với mỗi góc cực stator, rotor khác nhau thì góc mở dòng điện trong từng pha phải thay đổi cho phù hợp. Với góc cực stator βs =300 và góc cực rotor βr =310 thì góc mở tối thiểu là θon = 30,50; với βs =300, βr =320 thì góc mở tối thiểu là θon = 310 ; với βs
=300, βr =330 thì góc mở tối thiểu là θon = 31,50 thì đặc tính mômen không có điểm âm, mômen sinh ra sẽ luôn dương.