Sự biến thiên của mơmen hồn tồn phụ thuộc vào sự biến thiên điện cảm trên từng pha dây quấn của động cơ với một dịng điện khơng đổi. Và sự biến thiên của điện cảm hồn tồn phụ thuộc vào kích thước mạch từ, góc cực stator, rotor. Do vậy góc cực stator và góc cực rotor là một trong những thơng số chính quyết định độ lớn của mơmen và độ nhấp nhơ mơmen.
2.6.2 Đặc tính mơmen – tốc độ của SRM
Giống như các động cơ truyền động kéo chuyên dụng và ứng dụng cho xe điện, mômen của SRM bị giới hạn bởi dòng điện cực đại do bộ bộ biến đổi công suất Power inverter quy định. Trên thực tế, các nhà chế tạo máy điện luôn mong muốn vùng này càng kéo dài càng tốt. Khi tốc độ càng tăng sức điện động e (tỷ lệ thuận với tốc độ) càng tăng. Khi sức phản điện e lớn hơn hoặc bằng điện áp vào u thì các bộ điều khiển sẽ mất khả năng duy trì mơmen khơng đổi do dịng điện pha khó đạt đến dịng điện tới hạn, tốc độ động cơ ở điểm này gọi là tốc độ cơ bản “base speed”. Khi qua vùng sức phản điện động (back EMF) bằng giới hạn điện áp nguồn DC. Dòng điện pha khơng đạt dịng điện tới hạn dẫn đến mômen động cơ không giữ được khơng đổi và bắt đầu đầu giảm và chỉ có thể giữ cơng suất đầu ra khơng đổi. Tiếp tục tăng tốc độ cao hơn, sức phản điện tăng và công suất đầu ra bắt đầu giảm. Vùng này được đặc trưng bởi tích của mơmen và bình phương tốc độ không đổi [56][62][63]. Đặc tính điều chỉnh mơmen – tốc độ của SRM như Hình 2.19.
Hình 2.19. Đặc tính mơmen - tốc độ của SRM [63]
2.7 Mơmen trung bình và nhấp nhơ mơmen
SRM có đặc tính mơmen phi tuyến theo vị trí và dịng điện. Tùy thuộc vào mỗi loại SRM, cấu tạo, kích thước stator và rotor mà đặc tính mơmen sẽ khác nhau. Chính vì vậy nếu điều khiển động cơ chỉ đơn thuần là phát xung và giữ dòng điện ổn định tại một giá trị nào đó thì mơmen của động cơ sẽ bị nhấp nhơ mạnh dẫn đến chất lượng điều khiển sẽ giảm, tác động xấu tới hệ truyền động.
SRM có các pha dây quấn stator được cấp dịng độc lập nhau và hình thành mômen riêng từng pha. Mômen của động cơ là tổng mômen trên các pha dây quấn stator. Mômen của động cơ được tính theo giá trị trung bình và gọi là mơmen trung bình, giá trị mơmen này được tính trung bình trong một chu kỳ của dịng điện. Giá trị mơmen trung bình SRM được tính như sau:
1 k m
T = T ( , i ) dt
avg k
k 0 k =1
Trong đó: Tavg gọi là mơmen trung bình
Tk là mơmen trên pha dây quấn thứ k
k là chu kỳ của dòng điện pha; m là số pha của động cơ SRM; .
(2.27)
Giá trị mơmen trung bình này sẽ thay đổi khi thay đổi góc cực stator và rotor. Vì khi thay đổi góc cực stator và rotor thì từ thơng tại vị trí đồng trục hồn tồn và lệch trục hồn tồn thay đổi do đó điện cảm Lmax tại vị trí đồng trục và điện cảm tại vị trí lệch trục Lmin bị thay đổi. Do đó sự biến thiên của điện cảm theo vị trí góc rotor cũng thay đổi theo, dẫn đến mômen sinh ra trên từng pha thay đổi, kết quả là mơmen trung bình thay đổi.
Độ nhấp nhơ mơmen được định nghĩa như Hình 2.20 và được tính:
Tripple = Tmax −Tmin
Tỉ lệ phần trăm nhấp nhô mômen so với mômen trung bình được tính là:
(2.28)
% Tripple = Tmax −Tmin
Tavg (2.29)
Hình 2.20 Hình ảnh mơ tả dạng sóng nhấp nhơ mơmen SRM [11]
Có nhiều ngun nhân dẫn đến mơmen của SRM có độ nhấp nhơ lớn, trong đó có hai nguyên nhân chính là [1][11][64]:
- Do cấu tạo của động cơ: SRM 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 thành phần sóng hài bậc cao khơng gian của từ thơng, gây nên thành phần sóng hài bậc cao của mơmen, làm mơmen trở nên đập mạch lớn.
- Do nguyên lí hoạt động: Khi hoạt động, các pha được kích thích lần lượt, tại thời điểm chuyển mạch, dịng điện kích thích khơng thể tăng đột biến hay giảm một cách tức thời nên mômen sinh ra không bằng mômen đặt. Mômen sinh ra trên trục động cơ bằng tổng mômen do mỗi pha gây ra trên trục động cơ. Chính vì vậy sự chuyển mạch làm mơmen có độ nhấp cao.
Khi điều khiển động cơ thì bao giờ cũng là điều khiển tốc độ quay của động cơ. Nhưng tốc độ và mơmen trên trục động cơ có quan hệ chặt chẽ khơng thể tách rời. Do đó để có tốc độ quay êm thì mơmen phải có độ nhấp nhơ nhỏ, là hằng số thì càng tốt, mơmen có độ đập mạch lớn sẽ gây ra tác hại như: Phá hỏng kết cấu cơ khí của động cơ và tải, làm giảm tuổi thọ của động cơ và tải; gây tiếng ồn lớn; ảnh hưởng yêu cầu về chất lượng truyền động.
Những năm gần đây, bên cạnh xu hướng nghiên cứu điều khiển SRM để đảm bảo mômen tổng sinh ra là một giá trị khơng đổi, giảm thiểu hóa nhấp nhơ mơmen thì xu hướng thiết kế các hình dáng, kích thước, kết cấu của stator và rotor cũng được quan tâm. Khi tính tốn thiết kế điện từ đã tính đến phương án thiết kế để cực tiểu hóa nhấp nhơ mơmen; kết hợp với các phương pháp điều khiển thích hợp thì hiệu suất của động cơ được nâng cao, nhấp nhô mômen giảm nhưng vẫn giữ được giá trị mơmen trung bình khơng giảm.
2.8 Mơ hình tốn SRM
Mơ hình tốn của SRM được mơ tả gồm các hệ phương trình vi phân của điện áp, từ thơng và phương trình mơmen.
Phương trình cân bằng điện áp trên một pha dây quấn là [9]:
u = R i +d ( , i )
k k
k k k dt (2.30)
Với ik là dòng điện pha dây quấn thứ k, Rk là điện trở stator pha dây quấn thứ k, uk là điện áp pha dây quấn thứ k,k là giá trị từ thơng móc vịng của pha dây quấn thứ k.
k ( , ik ) = Lk ( , ik )ik Thế vào (2.30) ta có: u = R i + ( , i) di + ( , i) d k k k k k k k k i dt d t k → u = R i+ L ( , i ) + i L ( , i ) di + i L ( , i ) d k k k k k k k k k i k d t dt L ( , i )di L ( , i ) u k = Rk ik + Lk ( , i ) + ik k k + k k . .ik i dt
Từ (2.34) suy ra phương trình dịng điện trên mỗi pha là:
(2.31) (2.32) (2.33) (2.34) dik = 1 u − R .i − i . L ( , i) ; k=1,2,3. Lk ( k dt k k k (2.35) L k ( , ik ) + ik , ik ) ik
Trong đó: Lk là giá trị điện cảm phụ thuộc vào vị trí rotor và giá trị dịng điện pha. Phương trình điện áp (2.34) gồm 3 thành phần: sụt áp trên điện trở R , giá trị điện
e = dLk ( , ik ) .ik d
(2.36)
Từ biểu thức (2.36) có thể thấy dấu của e phụ thuộc vào chiều biến thiên điện cảm theo vị trí góc rotor và chiều dịng điện. Vì dịng điện là dịng một chiều, luôn dương nên dấu của e được xác định bởi sự biến thiên điện cảm theo vị trí góc rotor dL/dθ. Khi dL/dθ > 0, s.đ.đ e là dương và có xu hướng buộc dịng điện phải giảm đi, ngược với điện áp đặt vào và khi đó bộ chuyển đổi cơng suất điện được cung cấp chuyển thành công suất cơ học (chế độ động cơ). Khi dL/dθ <0, s.đ.đ e là âm và có xu hướng tăng dịng điện và khi đó cơng suất cơ được chuyển đổi thành điện năng (chế độ máy phát). Biên độ của dòng điện được xác định theo sự thay đổi tốc độ quay của rôto ω. Do vậy dịng điện ln được xác định, giới hạn bởi mối quan hệ giữa s.đ.đ e và điện áp U. Do vậy ta có sơ đồ mạch điện tương đương một pha của động cơ từ trở trên Hình 2.21.