Tài liệu [40], nhóm tác giả đề xuất phương án gắn nam châm vĩnh cửu trên gơng stator (Hình 1.10). Nhóm tác giả đưa ra kết luận mơmen trung bình của SRM có gắn nam châm cao hơn 75,9% so với của SRM không gắn nam châm.
Hình 1.10 Kết cấu stator có gắn nam châm trên gơng stator
Tài liệu [41], nhóm tác giả, đề xuất gắn nam châm vĩnh cửu vào giữa các đầu cực của stator và so sánh với kết cấu SRM gắn nam châm vĩnh cửu trên gông stator. Kết quả tác giả kết luận: việc gắn nam châm vĩnh cửu vào bên giữa các đầu cực stator đã đạt mômen và hiệu suất của cao hơn khi gắn nam châm vĩnh cửu trên gông stator.
15
Như vậy có thể thấy có rất nhiều các phương pháp để giảm thiểu độ rung ồn, độ nhấp nhô mômen cho động cơ. Tuy nhiên mỗi phương pháp khi cải thiện được về độ rung ồn hay độ nhấp nhơ thì đồng thời cũng phải chấp nhận sự suy giảm về mơmen trung bình, hay hiệu suất của SRM.
Các nghiên cứu về cải thiện phương pháp điều khiển SRM để giảm thiểu nhấp nhơ mơmen và tiềng ồn có các kết quả đáng chú ý như:
Tài liệu [42][43], các tác giả đề xuất phương thức điều khiển kết hợp với biến tần để giảm độ nhấp nhô mômen, sử dụng phương pháp FEM để đánh giá, phân tích. Phương pháp này giảm được độ nhấp nhô mômen đáng kể mà khơng làm giảm nhiều mơmen trung bình. Ngồi ra phương án ngắt dòng điện vào mỗi pha dây quấn stator bằng cách chuyển pha hai bước cũng làm suy yếu sự biến đổi đột ngột của dòng điện pha, từ đó triệt tiêu tiếng ồn và giảm độ nhấp nhô mômen[44][45][46].
1.6 Một số nhận xét và đề xuất nghiên cứu SRM
- Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng là phương pháp phần tử hữu hạn và thuật tốn tính tốn tối ưu GA, được mơ phỏng bằng các phần mềm như Ansys Maxcell, Matlab. Các phương pháp nghiên cứu này là các phương pháp nghiên cứu hiện đại, nếu các thơng số mơ phỏng được tính tốn lựa chọn đúng với thơng số thực của SRM thì có tính chính xác cao. Vì vậy, trong luận án tác giả cũng sử dụng các phần mềm Ansys Maxcell, Matlab, sử dụng FEM để nghiên cứu và kiểm chứng các kết quả thông qua một số so sánh thực nghiệm.
- Các nghiên cứu được cơng bố đều phân tích nhấp nhơ mơmen phụ thuộc vào dạng sóng dịng điện, điện áp, số cực rotor và stator, hình dáng và kích thước cực stator, hình dáng cực rotor. Tuy nhiên ảnh hưởng của góc cực rotor đến biên độ các sóng hài mơmen hay nhấp nhơ mơmen và quan hệ ràng buộc giữa góc đóng, góc mở dịng điện đến đặc tính mơmen thì chưa được xem xét cụ thể.
Kế thừa các kết quả tổng quát trên, luận án đề xuất hướng nghiên cứu: phân tích ảnh hưởng ảnh hưởng của tỉ lệ góc cực/ bước cực stator, rotor đến mơmen trung bình; ảnh hưởng của góc cực rotor đến độ nhấp nhơ mơmen và mối quan hệ giữa góc đóng, góc mở dịng điện với góc cực stator, rotor nhằm cải thiện mơmen trung bình và độ nhấp nhơ mơmen trong SRM ba pha. SRM 3 pha trong nghiên cứu sử dụng động cơ với số cực stator là bội của 3: 6/4 và 12/8, vì loại động cơ này được sử dụng phổ biến (chiếm đến 70% số lượng các động cơ từ trở).
1.7 Kết luận chương 1
Nội dung chương đã giới thiệu lịch sử phát triển SRM, ưu nhược điểm; ứng dụng của SRM trong các hệ thống truyền động và phân tích tổng quan về tình hình nghiên cứu về SRM hiện nay, từ đó đề xuất nội dung nghiên cứu của luận án.
SRM hiện nay là một trong những loại động cơ có xu hướng sử dụng nhiều cho những truyền động tốc độ cao, có yêu cầu điều chỉnh tốc độ dễ dàng, trong phạm vi rộng, gọn
16
nhẹ. SRM ứng dụng cho xe điện có nhiều ưu điểm nổi bật như chi phí chế tạo thấp, mômen khởi động lớn, dải tốc độ làm việc rộng, kết cấu nhỏ gọn, tuổi thọ cao. Do sự phát triển của công nghệ bán dẫn và vi điều khiển nên việc thiết kế chế tạo bộ điều khiển cho SRM vốn trước đây chiếm phần đầu tư đáng kể trong sản phẩm SRM thì nay đã trở nên dễ dàng.
Các cơng trình nghiên cứu trong và ngồi nước chủ yếu liên quan đến việc giảm độ nhấp nhô mômen và độ rung, ồn ở động cơ SRM, bằng cách tối ưu thông số thiết kế ở stator, rotor và hoàn thiện phương pháp điều khiển.
Trên phương diện cải thiện kết cấu stator, rotor của động cơ thì phần lớn các nghiên cứu tập trung vào cải thiện hình dáng cực rotor; đề xuất gắn nam châm vĩnh cửu trên gông hay cực stator. Các cấu trúc SRM 8/6; 12/8; 6/4 thì được đề cập đến nhiều hơn so với cấu trúc SRM có nhiều cực stator/rotor như 12/10, 8/10; 16/20; 16/24; 36/24. Các kết quả nghiên cứu đa dạng nhưng mang tính chuyên dụng, tính tốn tối ưu đều áp dụng cho một kích thước, kết cấu SRM nhất định, khó kết hợp để khắc phục các nhược điểm từng phương pháp.
17
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MƠ HÌNH TỐN SRM
2.1 Kết cấu SRM
SRM có kết cấu phần điện từ đơn giản hơn rất nhiều so với một số loại động cơ thông thường khác như động cơ xoay chiều ba pha, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, động cơ một chiều [1]. Cụ thể:
Stator được ghép bằng các lá thép kĩ thuật điện, được chế tạo dạng cực lồi. Dây quấn stator là dây quấn tập trung đơn giản được quấn trên mỗi cực stator, các cuộn dây được đặt trên các cặp cực đối nhau, ở mỗi pha chúng được mắc nối tiếp hoặc song song. Rotor được chế tạo bằng thép dạng cực lồi, trên rotor khơng có dây quấn hay nam châm vĩnh cửu.
Kết cấu của stator và rotor được cấu trúc theo nguyên lý là khi rotor quay, từ trở mạch từ phải thay đổi càng nhiều càng tốt. Thông thường số cực stator nhiều hơn số cực rotor, tỷ số giữa số cực stator và rotor thường không phải là một số nguyên. Các dạng động cơ từ trở thường gặp: tỉ số số cực stator/số cực rotor là 6/4, 12/8, 8/6, 12/10…Các cấu trúc này đảm bảo cho mômen tổng tại mọi vị trí ln khác khơng.
Hình 2.1 là cấu trúc cơ bản của hai loại SRM 6/4 và 8/6 [1].
a) b)
Hình 2.1 Động cơ từ trở loại 6/4 (a) và 8/6 (b)
Kết cấu động cơ 6/4 có nghĩa là 6 cực stator và 4 cực rotor; kết cấu 8/6 là động cơ 8 cực stator, 6 cực rotor. Mỗi kết cấu động cơ đều có ưu điểm riêng, với động cơ có số cực lớn thì tốc độ thường được sử dụng cho các truyền động điện có tốc độ thấp và kết cấu động cơ từ trở có kết cấu số cực nhỏ thường được sử dụng cho các ứng dụng tốc độ cao. Số cặp cực stator và rotor quyết định số pha dây quấn của động cơ [1][4].
18
Số pha dây quấn của động cơ từ trở có thể chia là 2 pha, 3 pha, 4 pha. và thường được chọn theo số cực stator và số cực rotor. Kí hiệu m là số pha dây quấn stator, m thường được tính theo (2.1)[1] [47]. s s r N m N N = − (2.1)
Trong đó: Ns là số cực stator; Nr là số cực rotor.
2.2 Đặc điểm bộ điều khiển SRM
Thiết bị nguồn của SRM gồm bộ biến đổi xoay chiều thành một chiều và bộ điều khiển. Bộ biến đổi nguồn thường được tích hợp cùng với bộ điều khiển và gọi chung là bộ điều khiển của SRM. Bộ điều khiển có nhiệm vụ điều chế và cấp xung dòng điện một chiều lần lượt cho từng pha dây quấn thông qua các van điện tử cơng suất. SRM có khả năng vận hành ở cả 4 góc ¼ ( chế độ vận hành 4Q)[3].
Hình 2.2 Ngun lý cấp dịng điện cho các pha dây quấn của SRM
Các thành phần cơ bản của bộ điều khiển SRM gồm: bộ chỉnh lưu, bộ nghịch lưu, cảm biến dịng điện, vị trí rotor. Mỗi pha dây quấn thường có 2 van bán dẫn có điều khiển và 2 điốt; loại 3 pha sẽ cần 3 cặp van bán dẫn có điều khiển và 3 cặp điốt, với động cơ 4 pha (8/6; 12/10) thì phải cần 4 cặp van bán dẫn có điều khiển và 4 cặp điốt. Động cơ SRM 6/4 có 2 cuộn dây trên mỗi pha, với động cơ 12/8 sẽ có 4 cuộn dây trên mỗi pha [11].
19
Sơ đồ bộ điều khiển 3 pha đơn giản và phổ biến là sơ đồ bộ biến đổi cầu Hình 2.3. Pha a gồm hai van bán dẫn có điều khiển T1, T2 và hai điốt D1, D2. Các pha khác có sơ đồ hoàn toàn tương tự. Hai van T1, T2 được điều khiển đóng cắt giống nhau để cấp xung áp vào cuộn dây pha. Khi 2 van T1, T2 dẫn, dòng điện đi qua T1, cuộn dây pha a, T2 và cuộn dây được cấp xung áp dương và dòng điện trong cuộn dây pha a tăng. Khi 2 van T1, T2 không dẫn, năng lượng trong cuộn dây pha a sẽ giữ dòng điện đi qua cuộn dây vẫn theo chiều như cũ và thứ tự là đi qua điốt D1, cuộn dây pha a, D2 về nguồn và cuộn dây được cấp xung áp âm, năng lượng lưu trữ trong trong cuộn dây được trả về nguồn, dòng điện trong cuộn dây pha a giảm. Hai trạng thái và mạch vịng khép kín dịng điện: Van T1, T2 dẫn (a); van T1, T2 khơng dẫn (b) như Hình 2.4.
Hình 2.4.Hai trạng thái và mạch vịng khép kín dịng điện: Van T1, T2 dẫn (a), Van T1, T2
không dẫn (b)
Tương tự như các động cơ khác, cấu trúc điều khiển của SRM cũng bao gồm hai tầng điều khiển, vòng điều khiển dòng điện nằm bên trong, vịng điều khiển tốc độ nằm bên ngồi. Đối với vịng điều khiển dịng thì u cầu cần đáp ứng nhanh với giá trị đặt đảm bảo việc đưa dòng vào cuộn dây pha đúng thời điểm phù hợp với vị trí của rotor. Vịng điều khiển tốc độ bên ngồi, do đối tượng điều khiển mang đặc tính cơ nên thời gian đắp ứng chậm hơn so với bộ điều khiển dòng điện nhưng lại ảnh hưởng trực tiếp tới đầu ra bộ điều khiển đó là tốc độ động cơ. Do đặc tính mơmen của động cơ phụ thuộc vào vị trí của rotor, động cơ hoạt động bằng cách kích thích luân phiên từng pha nên vị trí phản hồi rất quan trọng, nó ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng của bộ điều khiển[48].
Nguyên tắc điều khiển của SRM được xây dựng trên nguyên lý sinh ra mômen điện từ của động cơ nhờ sai khác từ trở theo vị trí tương đối giữa rotor và stator. Khi cn dây stator có điện, mơmen quay được tạo ra có xu hướng kéo rotor tới vị trí có từ trở nhỏ nhất (mà khơng cần đến kích từ), muốn rotor tiếp tục quay, cần chuyển việc cấp điện tới cuộn dây tiếp theo và cứ tiếp tục ta sẽ có từ trường quay được tạo ra. Giá trị mơmen trung bình thu được bằng tổng mơmen các pha của động cơ. Đặc tính mơmen liên tục là do sự xếp chồng mômen từng pha làm cho việc điều khiển trở nên phức tạp hơn.
20
Điều khiển SRM theo hướng giảm thiểu nhấp nhô mômen và tăng hiệu suất được thực hiện trên các phương pháp cơ bản như: điều chỉnh biên độ dòng điện của cuộn dây; phương pháp điều chỉnh độ rộng xung điện áp nguồn cấp; phương pháp điều khiển trực tiếp mơmen [1][49][50]. Phương pháp giữ ngun góc độ rộng xung điện áp, thay đổi biên độ dòng điện pha dây quấn thì có thể giảm được tối đa sự nhấp nhơ mơmen, tuy nhiên phương pháp này lại địi hỏi bộ điều khiển phức tạp, giá thành cao hơn so với phương pháp điều khiển xung điện áp.
Phương pháp điều khiển xung điện áp là phương pháp đơn giản nhất cho SRM. Phương pháp điều chỉnh độ rộng xung điện áp nguồn cấp trên nguyên lý băm nhỏ điện áp, việc điều chỉnh tốc độ động cơ được thực hiện bằng việc điều chỉnh tần số xung điện áp nguồn cấp và giữ công suất không đổi hoặc mômen không đổi[50]. Sơ đồ nguyên lý điều khiển độ rộng xung điện áp được thể hiện trên Hình 2.5.
Hình 2.5. Nguyên lý điều khiển độ rộng xung điện áp [1]
Khi T1, T2 khóa dịng điện chảy từ D1 đến cuộn dây pha A đến D2. Điện áp dây quấn sẽ bằng 0, dòng điện giảm từ (ip + Δi) đến (ip – Δi) và hai van sẽ đóng đồng thời khi giá trị đặt về 0. Nguyên lý điều khiển này sẽ giảm được tổn hao trên van, giảm tần số chuyển mạch, tuy nhiên đáp ứng dòng điện lại lâu hơn phương pháp điều chỉnh trực tiếp biên độ dòng điện pha.
21
Phương pháp điều khiển dòng điện là điều chỉnh biên độ dòng điện pha dây quấn, giữ cho điện áp khơng đổi trong suốt q trình điều khiển [50] [51][52]. Sơ đồ nguyên lý điều khiển dòng trên một pha động cơ SRM như Hình 2.6.
Hình 2.6 Ngun lý điều khiển dịng điện trên một pha động cơ SRM
Do dịng điện khơng thể tăng, giảm một cách tức thời nên cần có một khoảng thời gian dẫn trước θa và tắt trước θco. Giá trị dịng điện được duy trì ở Ip thơng qua việc đóng mở các van bán dẫn, giá trị Δi được xem xét để cân đối tần số mở van và tổn thất công suất.
Ngồi ra điều khiển SRM cịn được thực hiện bằng phương pháp điều khiển trực tiếp mômen. Nghĩa là điều khiển giữ cho mômen không đổi và phương pháp này được thực hiện trên nguyên tắc ước lượng từ thông [50][52]. Phương pháp điều khiển trực tiếp mômen yêu cầu bộ điều khiển phức tạp và chính xác cao. Do vậy thực tế phương pháp này ít được sử dụng[50].
2.3 Nguyên lý hoạt động của SRM
SRM có cấu tạo và nguyên lý rất khác so với động cơ xoay chiều và động cơ một chiều truyền thống. Nguyên lý hoạt động của động cơ không dựa vào sự tương tác từ trường, dịng điện rotor để tạo ra mơmen quay mà dựa trên nguyên tắc “từ trở tối thiểu”, nghĩa là từ thơng ln đóng dọc trục theo đường đi với từ trở nhỏ nhất, do đó tạo là lực kéo, kéo rotor quay, hình thành mơmen điện từ cho tính chất từ trở.
22
Dịng điện được đóng, cắt lần lượt cho từng pha dây quấn. Khi dòng điện tại pha thứ nhất được ngắt đi thì đến lượt pha thứ hai mới được cấp dòng, dòng điện tại pha hai ngắt thì pha ba bắt đầu được cấp dịng, cứ như vậy cho đến khi dòng điện được cấp hết cho các pha dây quấn của stator và chu kỳ đóng cắt lại được lặp lại.
Khi có dịng điện kích thích vào cuộn dây trên cực stator thì rotor sẽ chuyển động dịch chuyển sao cho cực rotor tương ứng gần nhất với cực stator bị kích thích để thẳng hàng với cực stator đó, là vị trí mà từ trở của mạch từ có giá trị nhỏ nhất.
Nhờ cấu tạo khác nhau về số cực giữa rotor và stator, khi có hai cực của stator được kích thích thẳng hàng với hai cực của rotor thì các cực khác của rotor lại nằm lệch so với các cực còn lại của stator. Nếu ta chuyển dịng điện kích thích vào cực stator kế tiếp sẽ kéo cực rotor tiếp theo vào thẳng hàng.
Gọi p là số cực của một pha, từ trường stator sẽ quay sau mỗi xung một góc là:
0 360 . = s p m
. Nếu số cực của rotor là Nr, sau mỗi xung rotor sẽ quay một góc:
0 360 . r r m N = .
Tức là quay chậm hơn r / s = p N/ r lần so với từ trường quay stator. Để có thể đạt được tốc độ quay n, tần số điều khiển xung điện áp stator fs sẽ là: fs =n N. r
Giả sử có SRM 6/4 như hình Hình 2.7 :
Pha c thẳng hàng Pha a thẳng hàng
Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động của động cơ từ trở 6/4