Đặc tính mơmen và từ thơng móc vịng của SRM được quyết định bởi các thơng số kích thước điện từ như đường kính ngồi 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 mơmen trung bình, hiệu suất và giảm độ nhấp nhô mômen.
Mỗi giá trị góc cực rotor, góc cực stator được tính tốn lựa chọn thì bộ điều khiển phải đưa ra chiến lược điều khiển có góc đóng mở dịng 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 mơmen trung bình. Nếu góc mở cấp dịng điện q sớm sẽ tạo mơmen âm, nếu góc mở q muộn thì sẽ khơng lợi dụng được mômen cao trên vùng tăng của đặc tính điện cảm. Góc mở dịng điện sẽ phù hợp tại thời điểm từ lúc điện cảm Lmin bắt đầu tăng và đóng dịng điện khi điện cảm bắt đầu đạt cực đại Lmax. Thời điểm bắt đầu cấp dịng cho pha dây quấn tức là góc mở dịng điện là một trong những yếu tố quyết định mômen trung bình và độ nhấp nhơ mơmen trong SRM[71][72][73]. Ở chế độ động cơ dịng 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 dịng điện vào từng pha dây quấn stator so với vị trí góc quay rotor.
Mơmen điện từ của động cơ sinh ra chủ yếu là mômen từ trở, mơmen sinh ra trong q trình biến thiên của điện cảm từ vị trí đồng trục hồn tồn đến vị trí lệch trục hồn tồn. Thời điểm đóng và ngắt dịng điện trên từng pha phải nằm trong khoảng vị trí từ lúc cực rotor và stator hồn tồn 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 dịng điện. Góc mở dịng 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 cơng 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 dịng điện với góc cực stator, rotor để khơng xuất hiện điểm mơmen âm, làm giảm mơmen trung bình. Ký hiệu θon là góc mà tại thời điểm đó dịng điện được đưa vào pha dây quấn; θoff là góc tại thời điểm bộ biến đổi ngắt dịng đưa vào pha dây quấn; θp là góc mà tại đó dịng điện đạt giá trị cực đại (Hình 3.22).
Hình 3.22. Dịng 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 mơmen cũng thay đổi. Trong việc điều khiển tốc độ của SRM thì cũng cần phải tính tốn đến góc đóng, góc mở dịng 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 hồn tồn khơng trùng khớp θu, ta có:
( )
2
a r s
= − + (3.132)
Trong đó θa là góc tại vị trí đồng trục hồn tồn; βr, βs là góc cực rotor, stator.
Khi đó thời điểm bắt đầu cấp dịng 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 hồn tồn
Nếu độ lệch giữa góc cực rotor so với góc cực stator càng lớn thì góc lệch α càng nhỏ so và góc mở dịng điện θon sẽ 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 khơng phát sinh mơmen âm.
Góc mở dòng điện (Turn on) cần phải thỏa mãn điều kiện:
( ) 2 − + a r s on u (3.134)
Và góc đóng dịng điện (Turn off) được lựa chọn sao cho tổng góc dẫn dịng 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 dịng điện thỏa mãn điều kiện (3.134) và (3.135) thì SRM khơng bị phát sinh mơmen âm trong q trình sinh mơmen 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 hồn tồn là θa = 3600/Nr =3600/4 = 900 thì các thơng số α, θon được tính tốn 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 tốn mơ phỏng với SRM 6/4 có góc cực stator βs = 300, thay đổi góc cực rotor thì ta tính tốn 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 mơ 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 mơmen âm, ta chọn phương án cấp dịng điện đến 300A (vì với giá trị dịng điện này thì đặc tính dịng điện bằng phẳng, khơng cịn nhấp nhơ). Hình dáng dịng điện, điện cảm và mơmen trong trường hợp góc cực βs =300; βr =310 và θon = 310 được thể hiện trong Hình 3.24.
Hình 3.24 Đặc tính dịng điện, từ thơng, điện cảm và mơmen theo vị trí góc rotor khi βs =
86
Xét đặc tính mơmen khi thay đổi góc đóng dịng 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 mơmen 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 θon = 310
c) góc mở θon = 300 f) góc mở θon = 31,50
Hình 3.25 Đặc tính mơmen khi βs = 300, βr = 310, góc mở θon biến thiên
Khi góc mở θon ≥ θon0 = 30,50 thì đường đặc tính mơmen khơng có điểm âm; khi góc mở θon < θon0 = 30,50 thì trên đường đặc tính mơmen ln xuất hiện điểm mơmen âm vì khi đó góc mở dịng điện nằm trong vùng độ dốc âm của điện cảm. Điểm mômen âm này giảm dần khi góc mở dịng điện θon tăng dần lên.
Khi góc Δθon = θon - θon0 càng lớn thì giá trị của mơmen âm càng cao. Khi góc θon ≥ 30,50 thì trên đường đặc tính mơmen hồn tồn khơng có điểm âm.
b. Trường hợp TH.II với góc cực stator βs = 300; góc cực rotor βr = 320
Đặc tính mơmen trên mỗi pha dây quấn của động cơ SRM ứng với góc mở θon = 29,50; 300; 30,50; 310; 31,50; 320 thể hiện trên Hình 3.26.
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 mơmen 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 tốn θon0 = 310. Khi góc mở dịng điện θon < θon0; θon = 290 thì điểm mơmen âm trên đặc tính mơmen là lớn nhất và điểm mơmen âm này giảm dần khi góc mở dịng điện θon tăng dần lên.
Khi góc mở đúng bằng góc mở tính tốn θon = θon0 = 310 thì điểm mơmen âm khơng có nữa. Khi góc mở dịng điện θon ≥ 310 thì trên đường đặc tính mơmen hồn tồn khơng có điểm âm.
c. Trường hợp TH.III với góc cực stator βs = 300; góc cực rotor βr = 330
Đặc tính mơmen trên mỗi pha dây quấn của động cơ SRM ứng với góc mở dịng điện θon = 300; 30,50; 310 ; 31,50; 320; 32,50 thể hiện trên Hình 3.27.
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 mơmen khi βs = 300, βr = 330, góc mở θon biến thiên
Trong trường hợp góc cực rotor βr = 330 thì có góc mở theo tính tốn θon0 = 31,50. Khi góc mở θon < θon0; θon = 300 thì điểm âm mơmen trên đặc tính mơmen là lớn nhất, và điểm âm mơmen này giảm dần khi góc θon tăng dần. Đến khi góc mở đúng bằng góc mở tính tốn θon = θon0 =31,50 thì điểm mơmen âm khơng có nữa. Khi góc mở dịng điện θon ≥ 31,50 thì trên đường đặc tính mơmen hồn tồn khơng có điểm âm.
Như vậy với mỗi góc cực stator, rotor khác nhau thì góc mở dịng 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 mơmen khơng có điểm âm, mơmen sinh ra sẽ luôn dương.