Luận văn: NGHIÊN C ỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ TỪ KHÁNG

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP --------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN C ỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG

ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ TỪ KHÁNG

Học viên: PHẠM HỒNG KIÊN

Mã số:

Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HOÁ

Người HD Khoa học: PGS.TS NGUYỄN NHƯ HIỂN

THÁI NGUYÊN - 2009

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP --------------------------------------

THUYẾT MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG

ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ TỪ KHÁNG

Học viên: Phạm Hồng Kiên

Lớp: Cao học K9

Chuyên ngành: Tự Động Hoá

Người HD khoa học: PGS.TS Nguyễn Như Hiển

Ngày giao đề:

Ngày hoàn thành:

KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HD KHOA HỌC HỌC VIÊN

PGS.TS Nguyễn Như Hiển Phạm Hồng Kiên

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên

cứu. Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong

phần tài liệu tham khảo.

Phạm Hồng Kiên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Tác giả luận văn

LỜI CẢM ƠN!

Sau thời gian học lớp cao học khoá 9 tại Trường Đại học kỹ thuật công

nghiệp Thái nguyên - Đại học Thái Nguyên tôi được tiếp cận một cách có hệ

thống các kiến thức khoa học tiên tiến hiện đại của ngành Tự động hoá

XHCN. Kết thúc khoá học tôi được giao đề tài : “ Nghiên cứu hệ truyền động

ứng dụng động cơ từ kháng”.

Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Như Hiển đã

tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành nhiệm vụ

học tập và nghiên cứu.

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo đã giảng dạy lớp học, các

thầy cô giáo trong bộ môn tự động hoá, cán bộ thư viện Trưòng Đại học công

nghiệp Thái nguyên đã quan tâm và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt

quá trình hoàn thành luận văn.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến bạn bè, đồng nghiệp đã khích lệ

động viên tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu.

Thái Nguyên tháng 03 năm 2009

Tác giả

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Phạm Hồng Kiên

1

Mục lục

MỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan

Lời cảm ơn

Mục lục ............................................................................................................. 1

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt. ............................................................ 3

Danh mục các hình vẽ, đồ thị ............................................................................ 4

Lời nói đầu ....................................................................................................... 7

Chương 1: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động

ứng dụng động cơ từ kháng. .................................................................. 8

1.1. Tổng quan về các loại động cơ từ kháng (ĐCTK) ........................... 8

1.2 Giới thiệu chung về động cơ từ kháng đồng bộ tuyến tính ................ 9

1.2.1 Kiểu động cơ 2 trục LSRM ................................................... 11

1.2.2 Nhận dạng các tham số thực nghiệm ................................... 14

1.3 Giới thiệu chung về động cơ từ kháng loại đóng ngắt

(Switched reluctane motor - SRM )............................................................. 15

1.3.1.Stator ................................................................................... 15

1.3.2 Rotor .................................................................................... 17

1.4 Ưu điểm và ứng dụng của SRM. ................................................... 19

1.5. Tiền đề để xây dựng một hệ truyền động SRM .......................... 20

Chương 2. Nguyên lý, cấu trúc, điều khiển động cơ từ kháng ................ 23

2.1. Nguyên lý của SRM ...................................................................... 23

2.1.1. Phương thức hoạt động ...................................................... 23

2.1.2 Nguyên lý hoạt động ....................................................... 25

2.2 Đặc tính cơ bản của SRM .............................................................. 30

2.3. Các phương trình mô tả động cơ SRM ........................................ 31

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

2.3.1. Phương trình cân bằng điện từ ........................................... 31

2

Mục lục

2.3.2. Phương trình Momen tổng .................................................. 32

2.3.3. Phương trình Momen tối giản ............................................. 36

2.3.4. Phương trình động học ........................................................ 37

2.4. Phương pháp chung điều khiển SRM ........................................... 38

2.5. Cấu trúc nghịch lưu ....................................................................... 41

2.6. Cấu trúc điều khiển có cảm biến vị trí ......................................... 44

2.7 Cấu trúc điều khiển không cần cảm biến vị trí ............................. 46

Chương 3. Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động

ứng dụng động cơ từ kháng ............................................................... 52

3.1. Mô hình SRM tuyến tính ............................................................... 53

3.2 Mô hình phi tuyến............................................................................. 58

3.3 Các kết quả mô phỏng .................................................................... 61

3.3.1 Kết quả mô phỏng ở chế độ tuyến tính ............................. 61

3.3.2 Kết quả mô phỏng ở chế độ phi tuyến ............................... 64

Phụ lục ............................................................................................................ 68

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Tài liệu tham khảo ......................................................................................... 75

3

Các ký hiệu, các chữ viết tắt

CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

TT

Ký hiệu

Diễn giải

Tỷ lệ bề rộng xung điều chế

1

Dk

Dòng chảy qua cuộn dây của SRM

i

2

Điện cảm của SRM

L

3

Số pha của Stator

m

4

Momen quay của ĐCTK

5

mN

Số đôi cực

6

pc

Điện trở của cuộn dây pha Stator của ĐCTK

R

7

Điện áp cuộn dây pha của ĐCTK

U

8

9

UDC, Utrans, Udiode Điện áp mạch một chiều, điện áp sụt trên Transitor

trên Diode

Số răng của Rotor

z

10

11

Từ thông của cuộn dây pha của ĐCTK

ψ

Góc lệch trục

12

ϕ

Bước góc của cực Stator, răng Rotor

13

s ϑϑ ,

r

ω

Vận tốc góc của Rotor

14

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

4

Danh mục hình vẽ, đồ thị

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

STT Ký hiệu Diễn giải

Hình 1.1 Sttator của ĐCTK loại 6/4 1

Hình 1.2 ĐCTK loại 6/4 2

Hình 1.3 Rotor của ĐCTK 3

Hình 1.4 Một số loại SRM điển hình 4

Hình 2.1 Động cơ từ kháng 5

Hình 2.2 Vị trí đồng trục của Rotor và cực active 6

Hình 2.3 Cấu trúc ĐCTK 8/6 7

Hình 2.4 8 Trình tự đóng cắt nguồn sA, sD, sC, sB, sA,.... để tạo ra chuyển động quay theo chiều kim đồng hồ.

Hình 2.5 9 Trình tự đóng cắt nguồn sA, sB, sC, sD, sA.... để tạo ra chuyển động quay ngược chiều kim đồng hồ.

Đặc tính cơ của ĐCTK 10 Hình 2.6

Năng lượng t ừ trong cuộn dây stator 11 Hình 2.7

Cơ năng của SMR 12 Hình 2.8

Phương pháp cơ bản điều khiển SMR 13 Hình 2.9

Sơ đồ chuyển mạch của SMR 3pha 6/4 14 Hình 2.10

Tín hiệu điều khiển SMR trong vùng tốc độ cao. 15 Hình 2.11

Cuộn dây pha 16 Hình 2.12 a, Khi dẫn dòng b, Khi nạp dòng trở lại nguồn

Sơ đồ nghịch lưu 2m 17 Hình 2.13

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Sơ đồ nghịch lưu m+1 18 Hình 2.14

5

Danh mục hình vẽ, đồ thị

STT Ký hiệu Diễn giải

Sơ đồ nghịch lưu m+2 19 Hình 2.15

20 Hình 2.16 Điện cảm L của ĐCTK

21 Hình 2.17 Điều khiển ĐCTK nhờ khâu ĐC dòng ở mạch vòng

22 Hình 2.18 Các nguồn thông tin về vị trí Rotor chứa trong phương trình điện áp của SRM có m pha

23 Hình 2.19 Đặc tính từ thông/dòng/vị trí rotor của một ĐCTK loại 8/6

24 Hình 2.20 Các chế độ vận hành khác nhau không cần cảm biến đo vị trí

25 Hình 2.21 Cấu trúc hệ thống được mở rộng thêm khâu chuyển mạch không cần cảm biến vị trí

26 Hình 2.22 So sánh từ thông thực và từ thông chuẩn để quyết định thời điểm chuyển mạch nghịch lưu

Sơ đồ mạch điều khiển SRM dạng 2m 27 Hình 3.1

Quan hệ L = L( ϕ, i) của SMR 28 Hình 3.2

Quan hệ từ thông theo dòng điện và vị trí rotor 29 Hình 3.3

Quan hệ mN = mN( ϕ, i) 30 Hình 3.4

Mô hình mô phỏng ĐCTK ở chế độ tuyến tính 31 Hình 3.5

32 Hình 3.6 Mô hình mô phỏng c ấu trúc điều khiển một pha của SMR ở chế độ tuyến tính.

Tốc độ động cơ ở chế độ tuyến tính 33 Hình 3.7

Momen tổng của SRM ở chế độ tuyến tính 34 Hình 3.8

Momen pha của SRM ở chế độ tuyến tính 35 Hình 3.9

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

36 Hình 3.10 Dòng pha của SRM ở chế độ tuyến tính

6

Danh mục hình vẽ, đồ thị

STT Ký hiệu Diễn giải

37 Hình 3.11 Mô hình mô phỏng SRM ở chế độ phi tuyến

38 Hình 3.12 Mô hình mô phỏng một pha ĐCTK ở chế độ phi tuyến

39 Hình 3.13 Mômen pha của SMR phi tuyến

40 Hình 3.14 Mômen tổng của SMR phi tuyến

41 Hình 3.15 Dòng tổng của SMR phi tuyến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

42 Hình 3.16 Đặc tính tốc độ SMR phi tuyến

7

LỜI NÓI ĐẦU

Động cơ từ kháng đã có từ lâu nhưng ít được chú ý do một số nhược điểm mang tính tiền định có nguồn gốc động cơ : Mô men quay chứa nhiều sóng hài bậc cao (mô men lắc), gây nhiều tiếng ồn và hiệu suất thấp. Ngày nay với sự phát triển của các ngành công nghiệp bán dẫn và vi điều khiển đã khắc phục được các nhược điểm trên. Nhưng động cơ từ kháng có một số ưu điểm nổi bật như: Tổn thất chủ yếu xuất hiện ở phía stator, do đó dễ làm mát, quán tính rotor bé, có kết cấu bền vững và phù hợp cho tốc độ quay cao, mô men khởi động lớn, chụi quá tải ngắn hạn rất tốt. Thêm vào đó ĐCTK có giá thành thấp nhất trong các loại động cơ và không cần bảo dưỡng. Chính vì vậy động cơ từ kháng được sử dụng ngày càng nhiều trong các hệ thống cơ điện tử . Vấn đề điều khiển động cơ từ kháng hết sức khó khăn. Do có cấu tạo phân cực ở cả hai phía Rotor và Stator nên đặc tính từ hoá của ĐCTK thể hiện tính phi tuyến rất mạnh. Từ thông móc vòng qua khe hở không khí là một hàm phi tuyến của dòng điện trong cuộn dây Stator và vị trí của Rotor.

Với kết quả đạt được của luận văn tác giả mong muốn bản luận văn là tài liệu tham khảo bổ ích đối với các học viên chuyên ngành tự động hoá, vì đây là vấn đề còn đang bỏ ngỏ cả trong thực tế và học thuật.

Với nội dung bản luận văn yêu cầu gồm 3 chương:

Chương 1: Nghiên cứu chung về các hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng.

Chương 2: Nguyên lý, cấu trúc, điều khiển động cơ từ kháng.

Chương 3: Khảo sát chế độ làm việc của hệ truyền độ ng ứng dụng động cơ từ kháng.

Trong quá trình hoàn thành bản luận văn không tránh khỏi thiếu sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để bản luận văn hoàn thiện hơn.

Thái Nguyên tháng 3 năm 2009

Tác giả

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Phạm Hồng Kiên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP --------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN C ỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG

ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ TỪ KHÁNG

Học viên: PHẠM HỒNG KIÊN

Mã số:

Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HOÁ

Người HD Khoa học: PGS.TS NGUYỄN NHƯ HIỂN

THÁI NGUYÊN - 2009

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP --------------------------------------

THUYẾT MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG

ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ TỪ KHÁNG

Học viên: Phạm Hồng Kiên

Lớp: Cao học K9

Chuyên ngành: Tự Động Hoá

Người HD khoa học: PGS.TS Nguyễn Như Hiển

Ngày giao đề:

Ngày hoàn thành:

KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HD KHOA HỌC HỌC VIÊN

PGS.TS Nguyễn Như Hiển Phạm Hồng Kiên

8 Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng

CHƯƠNG 1

NGHIÊN CỨU CHUNG VỀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG

ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ TỪ KHÁNG

1.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ TỪ KHÁNG (ĐCTK)

Động cơ từ kháng có thể được coi là một trong những loại máy điện

đầu tiên trên thế giới, nhưng ĐCTK vẫn không được chú trọng phát triển

do một số các nhược điểm mang tính tiền định có nguồn gốc từ nguyên lý

động cơ, đó là:

- Momen quay chứa nhiều hàm bậc cao (Momen lắc) gây ra nhiều

tiếng ồn hơn nhiều so với các loại động cơ khác.

- Hiệu suất của các hệ truyền động sử dụ ng ĐCTK thấp hơn

(cosϕ ≈ 0.5) so với những hệ truyền động dùng các loại động cơ khác

(cosϕ ≈ 0.7 ÷ 0.85).

Trong những năm gần đây, do cộng nghệ bán dẫn phát triển mạnh

và thu được nhiều thành công đáng kể thì ĐCTK đã và đang được quan

tâm ngày càng nhiều v à được biết đến với cái tên “Động cơ từ kháng loại

đóng ngắt”, loại hình máy điện này có hai đặc điểm nổi bật, đó là:

- Hoạt động trong trạng thái đóng ngắt liên tục, đây là lý do chủ yếu

giải thích tại sao ĐCTK chỉ được quan tâm phát triển khi ngành vật liệu

bán dẫn đạt được những thành công vượt bậc.

- Từ kháng: ĐCTK là theo đúng nghĩa đen của nó, nghĩa là trong cả

hai phía Rotor và Stator đều có sự thay đổi từ kháng (điện kháng phức)

trong khi động cơ làm việc, hay nói một cách chính xác hơn ĐCTK là loại

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

máy điện có cực ở cả hai phía.

9 Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng

Khái niệm máy điện từ kháng đã có từ rất lâu, với cái tên máy điện

từ và sau này được phát triển thành một khái niệm mới đó là động cơ

bước. Một cách cơ bản thì ĐCTK là một dạng động cơ bước đã và đang

có rất nhiều ứng dụng trong cả lĩnh vực ứng dụng động cơ bước chuyển

động quay và động cơ bước tuyến tính.

Ý tưởng sử dụng mô hình ĐCTK trong chế độ liên tục (không phải

là chế độ “bước” kinh điển) với bộ điều khiển sử dụng linh kiện công suất

bán dẫn đã được Kosh và Lawrenson khởi xướng vào những năm 60 của

thế kỷ 20. Vào thời kỳ này chỉ có thể sử dụng những mạch công suất

Thiristor để điều khiển ĐCTK. Ngày nay cùng với sự ra đời của các loại

linh kiện bán dẫn như GTO, IGBT, Bipolar TRANSITOR, MOSFET đã

được áp dụng để thiết kế các bộ điều khiển công suất lớn cho ĐCTK.

Có cấu trúc đơn giản là một đặc điểm rất quan trọng của ĐCTK so

với tất cả các loại máy điện khác. Rotor của ĐCTK không cần thành phần

kích thích vĩnh cửu, chổi than hay chuyển mạch trong phần Rotor. Các

cuộn dây được cuốn xung quanh cực Stator một cách tập trung và độc lập

với nhau tạo thành các pha và mỗi pha gồm hai cực. Phần Rotor không

chứa các cuộn dây mà chỉ đơn giản là các lá thép được ép lại với nhau

hình thành các răng của Rotor. ĐCTK là loại động cơ duy nhất cấu tạo có

cực ở cả phía Rotor và Stator. Và như thế, ĐCTK hứa hẹn trong tương lai

không xa những hệ truyền động ổn định, giá thành hạ và có thể thay thế

rất nhiều hệ truyền động đang sử dụng động cơ không đồng bộ Rotor lồng

sóc, hay động cơ một chiều .

1.2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ TỪ KHÁNG ĐỒNG BỘ TUYẾN TÍNH

Ứng dụng của động cơ truyền động tuyến tính thay vì động cơ quay trong sự

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

truyền động đang ngày càng phát triển. Động cơ tuyến tính có thể ứng dụng trong

10 Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng

các tàu điện tốc độ cao hoặc thang máy. Ngày nay, động cơ tuyến tính đang trở nên

ngày càng quan trọng trong ngành công nghiệp yêu cầu độ chính xác cao. So sánh

với động cơ quay, động cơ tuyến tính không cần sự biến đổi chuyển động. Điều đó

có nghĩa là không có sự tổn hao năng lượng, tính đàn hồi cũng như khe hở tạo ra bởi

các yếu tố chuyển từ động cơ quay sang động cơ tuyến tính.

Động cơ tuyến tính sử dụng trong công nghiệp chiếm ưu thế hơn hẳn

bởi vì không cần biến đổi chuyển động quay sang chuyển động tuyến tính là

hữu hạn. Kiểu động cơ tuyến tính 3 pha phù hợp với các điều kiện hoạt động

khác nhau, nhưng chúng lại không thích hợp với sự tổng hợp điều khiển.

Những biến số của chúng phụ thuộc tuyến tính với nhau. Với sự tổng hợp

điều khiển các mô hình động học của động cơ tuyến tính trên 2 trục kiểu động

học thường được sử dụng. Sự nhận dạng chính xác về các tham số dưới các

điều kiện hoạt động khác nhau là thực sự cần thiết trong thiết kế các bộ điều

khiển.

Phần giới thiệu chỉ tập trung vào sự nhận dạng các tham số của mô

hình động học của động cơ từ kháng đồng bộ tuyến tính trên hai trục ( Line

Synchnonous Reluctarce Motor – LSRM) dưới những điều kiệ n hoạt động

khác nhau. Tác giả sử dụng những thí nghiệm và phương pháp tính khác nhau

cho sự nhận biết các tham số của các kiểu động cơ khác nhau. Phương pháp

thực nghiệm dựa trên những thí nghiệm trên động cơ cung cấp bởi nguồn điện

áp theo hàm sin [1], [2], [3] và được cấp bởi nguồn điện áp một chiều [3].

Nền tảng cho phương pháp tính [2], [4], [5] là phương pháp phần tử hữu hạn

(FEM).

Trong phần này, giới thiệu mô hình động cơ kiểu động học 2 trục – 3

pha LSRM được đề cập đến đầu tiên. Các thông số điện và cơ của kiểu LSRM

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

được nhận biết bởi các thí nghiệm áp dụng trên một LSRM cung cấp bởi

11 Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng

nguồn biến đổi điện áp (VSI). Một điều đặc biệt đáng lưu ý cho sự nhận dạng

dòng điện phụ thuộc trực tiếp với độ tự cảm.

Chúng được nhận dạng bằng thực nghiệm và được tính toán bởi FEM.

Phương pháp thực nghiệm trước đã cho xác định đặc tính từ hoá riêng biệt

của máy biến áp động lực qua sự kích thích DC [6] đã được thay đổi sao cho

phù hợp với sự nhận dạng dòng điện phụ thuộc độ tự cảm của LSRM cung

cấp bởi VSI dưới các điều kiện hoạt động khác nhau. Sự so sánh giữa độ tự

cảm bộ biến đổi nguồn áp đo được bởi thực nghiệm và bởi phương pháp tính

FRM được nêu trên đồ thị.

Độ chính xác của các thông số của kiểu LSRM 2 trục đo được bởi quá

trình nhận biết đặt ra được kiểm tra lại bằng thực nghiệm. So sánh giá trị đặt

với giá trị thực với đồ thị của vị trí, tốc độ, cường độ dòng điện, điện áp thực

tế thu được bởi thực nghiệm và tính toán cho các kết quả tốt.

1.2.1 Kiểu động cơ 2 trục LSRM

Phần điện của 3 pha đấu Y kết nối LSRM được viết dưới dạng phương

=

+

Ti

{

}

u

trình điện áp (1) và phương trình (2).

abc

abc

iL abc

abc

d dt

=

f

(1.1)

e

T i abc

i abc

1 2

∂ L abc ∂ x

u

[=

T ]

i

[=

T ]

(1.2)

abc

uuu cba

abc

iii cba

, (1.3)

Trong đó:

x: Vị trí của phần chính.

fe: Động lực cơ.

R: Điện trở.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Ua, Ub, Uc, và ia, ib, ic là điện áp và cường độ dòng điện của các pha.

12 Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng

+

L g

=

L

Ma trận của độ tự cảm Labc được viết dưới dạng:

abc

L g

cL 12 g cL 32 g cL 22 g

cL 32 g + cL 22 g cL 12 g

cL 22 g cL 12 g + cL 32 g

L g

    

    

(1. 4)

=

cos(

x

)

c 1

Π 2 τ p

=

+

c

cos(

)

2

Π 2 τ p

Π 2 3

=

+

L

L g

sL

L g

0

3 2

Trong đó:

LSL: Độ tự cảm pha do từ thông tản gây ra mà không đi qua khe hở

không khí.

Lgo (5) và Lg2 là giá trị trung bình và cường độ của thành phần sóng hài

2

=

+

bậc hai của từ thông móc vòng đi qua khe không khí.

L g

0

N 2

1 R

1 R

md

mg

   

   

2

=

+

L

(1.5)

g

2

N 2

1 R

1 R

md

mg

   

   

(1.6)

N: chỉ ra số lần quay của cuộn dây trên phần chính trong khi Rmg chỉ ra

độ từ kháng nhỏ nhất và lớn nhất.

Trục trực tiếp d và trục q của kiểu LSRM 2 trục được xác định bởi trục

nhỏ nhất và lớn nhất của độ tự cảm, mô hình 2 trục d – q của LSRM có thể

nhận được từ kiểu 3 pha bằng cách thay thế vectơ dòng điện và điện áp (iabc và

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

uabc) trong (1) và (2) với biểu thức bên phải (7).

13 Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng

a

=

=

,

T

T

q

0

c

    

 u d  u   u 

    

 u  u  b  u 

    

 i d  i  q  i  0

    

 i a  i  b  i  c

−

x

x

cos(

)

sin(

)

Π τ p

Π τ p

−

−

−

=

T

x

x

cos(

)

)

sin(

(1.7)

2 3

−

−

=

)

)

cos(

sin(

x

x

Π 4 3 Π 2 3

Π 4 3 Π 2 3

2 2 2 2 2 2

Π τ p Π τ p

Π τ p Π τ p

        

        

(1.8)

T là ma trận biến đổi.

Ud, Uq và id, iq là giá trị đặt trên trục d-q điện áp dòng điện

Thành phần dòng điện io bằng 0 vì động cơ đấu Y và được bỏ đi trong

các biểu thức sau.

Mô hình kiểu động học 2 trục của LSRM thu được mô tả trong phương

trình điện áp (9) và phương trình lực (10) và phương trình (11) cho thấy sự

−

L q

d

=

+

+

R

chuyển động của phần chính

u u

L d 0

d dt

Π τ p

dx dt

0

q

i d i q

0 L q

i d i q

0 L d

i d i q

  

  

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

=

−

f

(

(1.9)

e

L d

) iiL qd

q

Π τ p

=

−

−

m

f

f

b

(1.10)

e

l

2 xd 2 dt

dx dt

(1.11)

3 2

Ld =LsL+ (Lg0+ Lg2)

3

(1.12)

2

Ld =LsL+ (Lg0 - Lg2)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Lq và Ld điện cảm xác định trên trục d – q theo (12)

14 Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng

Mô hình kiểu động học 2 trục của động cơ LSRM được mô tả trên

thường được sử dụng như là một nền tảng cho cấu tạo, sự thiết kế điều khiển

tuyến tính. Tính phi tuyến của mạch từ trên trục d - q và tính không đối xứng

tại hai đầu LSRM không được tính đến trong mô hình này.

I.2.2 Nhận dạng các tham số thực nghiệm

Biểu đồ khối của kiểu 2 trục LSRM cho bởi (9), (10) và (11) được biểu

diễn trong hình 1 cùng với vị trí điểu khiển đơn giản. Cấu trúc điều khiển này

thể hiện nền tảng của sự nhận biết các thông số của LSRM. Dấu * chỉ ra giá

trị tham khảo, thông số của các cơ cấu điều khiển khác nhau và hệ thống thực

nghiệm khác nhau được nói đến sau đây trong bài luận văn này. Trong tất cả

những thí nghiệm, mô hình động học kiểu 2 trục LSRM được thay thế bởi

phương trình toán học.

Những yếu tố của hệ thống này là: Ma trận biến đổi T(8) và ma trận biến đổi nghịch đảo T-1, bộ điều chế xung rộng (PWM), bộ biến tần, động cơ

LSRM và vị trí, cường độ dòng điện. Vận tốc V được tính từ vị trí x.

Các tham số của mô hình LSRM 2 trục là: Điện trở của phần tử R, độ

tự cảm Ld và Lq, bước cực tp và hệ số ma sát b.

Điện trở R có thể đo được, trong khi bước cực t p là thông số thiết kế.

Hệ số ma sát b có thể được xác định bằng cách cho động cơ LSRM làm việc

với vận tốc V khác nhau dưới các lực khác nhau. Lực tác động và vận tốc đo

được biểu diễn dưới dạng đồ thị sẽ có dạng đường thẳng. Hệ số góc (độ

nghiêng) của đường thẳng này bằng hệ số ma sát b.

Mặc dù độ tự cảm Ld và Lq trong kiểu LSRM 2 trục là không đổi nhưng

kiểu này có thể sử dụng cho sự nhận biết độ tự cảm phụ thuộc dòng điện Ld

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

(id, iq) dưới những điều kiện hoạt động khác nhau.

15 Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng

0=

Độ tự cảm Ld(id,iq) có thể được xác định theo các khối chính trong

dx dt

ψ d d

+

=

+

Ri

L

Ri

trường hợp này . Từ (9) cùng với (13)

d

d

d

=du

di d dt

dt

(1.13)

Khi LSRM được cun g cấp bởi VST, dòng điện i q có thể được điều

khiển để giữ gía trị cố định trong khi điện áp ud có thể thay đổi dưới dạng bậc

thang. Sự phụ thuộc từ thông móc vòng theo thời gian có thể được xác định

=

−

)( t

t ( u

τ )(

Ri

ττ ( )) d

bằng điện áp đã ghi lại: ud = ud (t) và dòng điện id = id (t) bởi (14).

ψ d

d

d

∫

0

(1.14)

Điện áp thay đổi bậc thang ud và dòng điện tương đương i d cho dòng không

đổi iq = 30 A được nêu trong hình 3. Từ thông móc vòng theo trục d tính được

chỉ rõ trong hình 4, trong khi từ thông không tuyến tính theo dòng điện được

cho thấy ứng với một chu kỳ từ hoá.

1.3 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ TỪ KHÁNG LOẠI ĐÓNG NGẮT

Cũng giống như các loại động cơ khác, động cơ từ kháng đóng ngắt

Switched Reluctane Motor (SMR) được cấu tạo bởi hai phần chính : Stator

và Rotor

1.3.1.Stator

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 1.1 dưới đây là dạng Stator của SRM với 6 cực từ.

16 Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng

Hình 1.1 Sttator của ĐCTK loại 6/4

Không giống như Stator của các loại máy điện ba pha khác – loại

máy điện có các cuộn dây có thể phân tán tuỳ theo số đôi cực, Stator của

SRM có cấu tạo bởi nhiều cực từ chứa các cuộn dây tập trung.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 1.2 ĐCTK loại 6/4

17 Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng

1.3.2 Rotor

Hoàn toàn khác biệt với Rotor của các loại máy điện khác, Rotor

của SRM không chứa các cuộn dây và được chế tạo bằng vật liệu sắt từ có

xẻ răng (teeth) với tổng số răng bao giờ cũng ít hơn tổng số cực của

Stator, việc chế tạo này hoàn toàn dựa nguyên tắc hoạt động của SRM sẽ

được đề cập đến ở phần sau.

Hình 1.3 Rotor của ĐCTK

SRM có nhiều loại, tuỳ theo từ ng yêu cầu cụ thể về tốc độ, công suất ..

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 1.4 giới thiệu một số loại SRM khác nhau.

18 Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng

a, b,

c, d,

Hình 1.4 Một số loại SRM điển hình

a, Loại 2 pha 4 cực stator|2 răng rotor

b, Loại 4 pha 8 cực stator|6 răng rotor

c, Loại 3 pha 6 cực stator|4 răng rotor

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

d, Loại 5 pha 10 cực stator|8 răng rotor

19 Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng

1.4 ƯU ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA SRM

Với cấu trúc đơn giản, có cực cả hai phía, Rotor không cần có thành

phần kích thích, SRM có một số ưu điểm nổi bật sau:

- Đặc tính làm việc: Momen khởi động lớn hơn nhiều so với các

loại động cơ không đồng bộ. Do yêu cầu dòng điện chảy vào các cuộn dây

Stator theo một chiều duy nhất giúp cho mạch công suất có cấu tạo đơn

giản và tin cậy.

- Kích thước nhỏ hơn đáng kể so v ới các loại động cơ khác, điều

này tăng hiệu quả sử dụng vật liệu, giảm giá thành và quán tính của hệ

truyền động cũng nhờ thế mà giảm thiểu đáng kể.

- Với cấu tạo đơn giản và kích thước nhỏ gọn, giá thành của hệ

truyền động sử dụng SRM cũng thấp hơn so vớ i các hệ truyền động sử

dụng các loại động cơ khác, và theo đó sẽ giảm được giá thành vật liệu,

giảm chi phí sản xuất, vận hành và bảo dưỡng hệ thống.

- Tốc độ lớn và khả năng gia tốc nhanh, theo tính toán thì với những

bộ điều khiển chất lượng cao, SRM có thể đạt tốc độ tối đa tới

50.000vòng/ phút.

- Do chỉ cấp điện phía Stator nên việc làm mát đ ối với SRM là vô

cùng đơn giản, vì vậy mà SRM có thể làm việc tốt trong những môi

trường khắc nghiệt.

Động cơ từ kháng có thể được cấp nguồn bằng cách đóng vào

nguồn xoay chiều một pha hoặc ba pha, hoặc có thể đóng ngắt nguồn một

chiều một cách độc lập và tuần tự vào các cuộc dây pha Stator, việc sử

dụng phương pháp đóng ngắt nguồn một chiều một cách độc lập và tuần

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

tự vào từng cặp dây pha làm giảm được 50% số lượng các phần tử chuyển

20 Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng

mạch công suất so với các bộ nghịch lưu kiểu cầu trong các bộ điều khiển

tốc độ SRM. Và từ nay trở về sau, tác giả cũng chỉ xin đề cập đến động cơ

từ kháng loại có đóng ngắt (switched reluctane motor ) – tức là SRM.

Một hệ truyền động sử dụng SRM vốn sẵn có tính ổn định cao và

vẫn có thể hoạt động khi hệ truyền động gặp lỗi, SRM có thể hoạt động

trong chế độ “limp - home” bằng cách thu nhỏ đặc tính làm việc khi một

van công suất bị hỏng. Điều này khác hoàn toàn so với các hệ truyền động

sử dụng các loại động cơ khác.

Khi các công cụ điều khiển phát triển, SRM có những ứng dụng cụ

thể sau:

• Các hệ truyền động đặc biệt như: Máy nén khí, quạt gió, bơm máy

li tâm (do đòi hỏi tốc độ quay lớn).

• Các hệ truyền động khác như: Chế biến thức ăn, máy giặt, máy

hút bụi (đòi hỏi tính bền vững, ít phải bảo dưỡng).

• Các hệ cơ điện tử (đòi hỏi kích thước nhỏ do không chứa thành

phần kích thích).

• Các ứng dụng trong giao thông vận tải (đòi hỏi Momen khởi động

lớn).

• Các ứng dụng trong ngành hàng khô ng (đòi hỏi không phát sinh

tia lửa điện, ít phải bảo dưỡng, cần tốc độ quay lớn).

1.5 TIỀN ĐỀ ĐỂ XÂY DỰNG MỘT HỆ TRUYỀN ĐỘNG SRM

Một hệ truyền động chất lượng tốt là phải đáp ứng được những yêu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

cầu chung nhất về làm việc trong cả bốn góc phần tư (chế độ làm việc

21 Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng

4Q – quay và đảo chiều, Momen dương). Quá trình quá độ đáp ứng nhanh

khi chuyển chế độ làm việc giữa các góc phần tư. Hơn nữa, một hệ truyền

động Servo chất lượng cao cần phải đáp ứng được những yêu cầu cao hơn

như giảm thiểu được Momen lắc, đáp ứng quá độ nhanh, tăng tính ổn

định, khả năng làm việc ở tốc độ 0 và đảo chiều êm. Ngay cả khi những

yêu cầu về chất lượng truyền động Servo không được thoả mãn thì việc

tối ưu hoá đặc tính làm việc cho các hệ thống điều chỉnh tốc độ đơn giản

vẫn phải thoả mãn việc điều khiển liên tục góc đóng mở của các van bán

dẫn công suất. Các hệ truyền động sử dụng động cơ một chiều có chổi

than hay không có chổi than luôn thoả mãn dòng điện phần ứng và dòng

điện kích từ. Việc ứng dụng phương pháp điều khiển Vector (phương

pháp điều khiển tựa theo từ thông Rotor), các hệ truyền động sử dụng

động cơ không đồng bộ ba pha hay động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu

cũng thu được những đặc tính làm việc có chất lượng như hệ truyền động

động cơ một chiều. Điều này là có thể được vì các phương trình của động

cơ xoay chiều có thể chuyển đổi thành dạng động cơ một chiều thông qua

các phương pháp chuyển đổi toạ độ (phương pháp chuyển đổi toạ độ dq).

Tuy nhiên, đối với các hệ truyền động sử dụng SRM cũng không có

phương pháp chuyển đổi toạ độ hay phương pháp điều khiển tựa theo từ

thông. Vì vậy, các yêu cầu chế độ làm việc 4Q và thoả mãn các yêu cầu

về chất lượng truyền động Servo chỉ có thể thực hiện được nhờ sử dụng

các bộ điều khiển trực tiếp điện áp và dòng điện pha của SRM. N hững

phương án điều khiển tương tự như vậy đó được sử dụng trong các hệ

truyền động động cơ một chiều chất lượng cao và hệ truyền động động cơ

xoay chiều để thu được những đặc tính làm việc tốt nhất. Một đặc điểm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

nữa của SRM khác biệt so với các loại động cơ khác là mối quan hệ giữa

22 Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng

Momen, dòng điện và góc chuyển mạch có tính phi tuyến mạnh, làm hàm

của tốc độ và phụ tải.

Tính phi tuyến của SRM là do cấu tạo có cực cả ở hai phía nhưng

chỉ kích thích một phía (Stator) và mối quan hệ phi tuyến điện – từ của

RSM. Hơn nữa, Momen của SRM cũng là một hàm của vị trí Rotor.

Vì thế để đưa ra một phương pháp điều khiển chính xác và tối ưu

thì việc nghiên cứu và mô hình hoá SRM là rất quan trọng. Trong luận

văn tốt nghiệp này, tác giả tập trung vào hướng nghiên cứu và thiết lập

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

mô hình SRM trên môi trường mô phỏng Matlab – Simulink.

23 Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng

CHƯƠNG 2

NGUYÊN LÝ, CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TỪ KHÁNG

Cũng như các loại máy điện quay khác, SRM cũng tuân theo các

nguyên tắc vật lý đó chính là mối quan hệ điện từ trong máy điện. Momen

của SRM có được nhờ sự hấp dẫn điện từ khi điện cảm của SRM thay đổi

theo vị trí của rotor. Đây là điểm khác biệt của SRM so với các loại máy

điện khác như động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ và động cơ

đồng bộ. Lý thuyết chung của SRM bắt nguồn từ lý thuyết máy điện đồng

bộ được phát triển từ thế kỷ 20. Momen của SRM được tạo ra là kết quả

của sự biến thiên từ năng tích luỹ trong cuộc dây pha Stator đáp ứng theo

vị trí Rotor.

2.1 NGUYÊN LÝ CỦA SRM

2.1.1 Phương thức hoạt động

Phương thức hoạt động của SRM là rất đơn giản: Có thế coi SRM là

một hệ thống các nam châm điện độc lập giữa các nam châm thể hiện khá

rõ trong trường hợp động cơ 12/10 có đường sức từ ngắn (hình 2.1b).

Hình 2.1 Động cơ từ kháng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

a, Đường sức từ ngắn b, Đường sức từ dài

24 Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng

Hình 2.2 Vị trí đồng trục của Rotor và cực active

Momen quay của SRM có đường phân bố trên bề mặt Rotor lặp lại

theo chu kỳ của răng. Trong mỗi chu kỳ đều có hai vị trí: vị trí đồng trục

(cực có cuộn dây mang dòng – gọi là cực active – và răng đồng trục với

nhau) và vị trí lệch trục (cực active ở vị trí giữ a 2 răng). Hình 2.2 minh

hoạ vị trí đồng trục của loại động cơ 8/6, ở vị trí lệch trục, răng gần nhất

với cực active sẽ chuyển động về phía cực active để đạt được trạng thái

đồng trục.

Giả sử trong hình 2.2, cực active tiếp theo sẽ là cực lân cận phía bên

phải của cực activei hiện tại, khi ấy Rotor sẽ quay trái một góc là 1/4răng.

Nghĩa là: Rotor luôn quay ngược chiều với chiều của trường quay tạo nên

từ phía Srator. Gọi m là số pha của Stator, 2p2 là số cực của một pha, từ

=

V

trường Stator sẽ quay sau mỗi xung một góc là:

s

3600 mp 2 c

(2.1)

0

=

Nếu số răng của Rotor là z, sau mỗi xung Rotor sẽ quay một góc:

Vr

360 zm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

(2.2)

25 Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng

=

p2 c Ζ

ϑ 1 r ϑ s

Tức là quay chậm hơn: (2.3)

lần so với từ trường quay Stator. Để có thể đạt được tốc độ quay n, tần số

điều khiển fs (control frequency) cần thiết sẽ phải là:

ƒs = nz (2.4)

2.1.2 Nguyên lý hoạt động

Để đảm bảo rằng SRM có thể khởi động được ở bất kỳ vị trí nào

của Rotor và đảm bảo Momen sinh ra đều mỗi khi chuyển mạch giữa các

cuộn dây pha Stator, người ta chế tạo các SRM có nhiều cực ở cả phía

Rotor và Stator là không giống nhau và số đôi cực của Stator bao giờ cũng

nhiều hơn số đôi cực Rotor. Một số dạng động cơ phổ biến là 6/4; 8/6;

12/10 trong đó loại 6/4 và 8/6 là hai loại phổ biến nhất.

a, b, c,

Hình 2.3 Cấu trúc động cơ từ kháng 8/6 với:

a, Vị trí đồng trục b, Vị trí lệch trục c, Vị trí mất đồng trục

Trên hình 2.3 thể hiện cấu trúc của động cơ SRM loại 8/6 ở các vị

trí làm việc và dưới đây là m ột số định nghĩa.

Định nghĩa 1: Rotor của SRM được coi là nằm ở vị trí đồng trục so

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

với 1 pha xác định nào đó nếu như tại thời điểm có điện cảm của cuộn dây

26 Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng

pha là lớn nhất và Rotor được gọi là vị trí lệch trục với một pha xác định

nếu như điện cảm đạt giá trị nhỏ nhất, còn ở các vị trí khác nhau thì Rotor

sẽ được gọi là vị trí mất đồng trục.

Định nghĩa 2:

Khi một cuộn dây pha được dẫn dòng, Rotor của SRM luôn có xu

hướng chuyển động về phía cực Stator có cuộn dây dẫn dòng để có giá trị

điện cảm là lớn nhất (vị trí đồng trục) và điều này làm cho từ năng trong

cuộn dây đạt giá trị lớn nhất.

Bây giờ ta sẽ xem xét động cơ SRM và cấu tạo nhiều pha Stator và

nhiều cực Rotor làm việc như thế nào. Trong hình 2.4 giả thiết rằng: tại

một thời điểm 0 (lúc bắt đầu cuộn dây pha được cấp nguồn), Rotor nằm ở

vị trí mất đồng trục, theo như định nghĩa ở trên, Rotor sẽ bị kéo chuyển

động về phía cực của pha đang dẫn dòng để đạt được trạng thái đồng trục,

lúc này nếu ngắt dòng pha 1(is 1= 0) và pha 4 được cấp nguồn khi đó Roto r

tiếp tục được kéo về vị trí đồng trục (theo hình 2.4 b) và như vậy Rotor sẽ

được giữ nguyên chiều quay (theo chiều kim đồng hồ) tính theo vị trí mất

đồng trục hiện thời tới vị trí đồng trục gần nhất (hình 2.4 b) và như vậy

Rotor lại ở vị trí mất đồng trụ c so với pha 3 và pha 3 được cấp nguồn thay

vì pha 4 sẽ đảm bảo rằng Rotor sẽ được duy trì chiều quay cố định (hình

2.4d).

Do đó trình tự đóng ngắt cuộc dây pha vào nguồn một chiều là: SA,

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

SD, SC, SB, SA… để tạo ta chuyển động quay theo chiều kim đồng hồ.

27 Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng

a, b, c,

d, e,

Hình 2.4 Trình tự đóng cắt nguồn sA, sD, sC, sB, sA,.... để tạo ra chuyển

động quay theo chiều kim đồng hồ.

Một cách phân tích tương tự, để đảo chiều quay của SRM thì trình

tự đóng ngắt các cuộn dây pha vào nguồn một chiều là SA, SB, SC, SD,

SA… được thể h iện trong hình 2.5.

Tốc độ của SRM có thể thay đổi được bằng cách hoặc là thay đổi số

đôi cực của mạch Stator và số răng của Rotor. Tuy nhiên việc làm này

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

cũng dẫn đến làm tăng giá thành của SRM cũng như hệ truyền động sử

28 Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng

dụng SRM do tăng số lượng linh kiện rời rạc để xây dựng hệ hoặc là thay

đổi tần số đóng cắt tuần tự các cuộn dây pha Stator vào nguồn một chiều.

Mối quan hệ giữ vận tốc góc Rotor ωr với tần số đóng cắt được thể

hiện qua công thức (2.4).

a, b, c,

d, e,

Hình 2.5 Trình tự đóng cắt nguồn sA, sB, sC, sD, sA.... để tạo ra chuyển

động quay ngược chiều kim đồng hồ.

Như đã đề cập ở trên, khi một cuộn dây pha Stator được đóng vào

nguồn và rõ ràng Momen sinh ra sẽ kéo Rotor chuyển động theo một

hướng làm điện cảm tăng dần cho tới khi giá trị của điện cảm là lớn nhất

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

(tương ứng với vị trí đ ồng trục).

29 Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng

Giả thiết rằng không có hiện tượng từ dư trong lõi thép và không

xét tới chiều của dòng điện chảy trong cuộn dây pha của SRM thì Momen

luôn có chiều hướng kéo Rotor chuyển động về vị trí đồng trục gần nhất.

Vì thế chiều của Momen dương (chế độ đ ộng cơ) chỉ được xác định khi

Rotor nằm ở vị trí lệch trục và vị trí đồng trục tiếp theo cùng chiều với

chiều quay của Rotor. Hay nói một cách khác là chế độ động cơ (Momen

dương) chỉ được sinh ra khi Rotor quay theo chiều làm điện cảm của SRM

tăng dần. Nế u số cực của Stator và số răng của Rotor là như nhau thì mỗi

một pha của Stator khi được đóng vào nguồn thì có thể tạo ra Momen

quay trên một nửa phần bề mặt của răng Rotor tương ứng và kết quả là để

tạo ra Momen quay thì cần ít nhất 2 cặp dây Stator được cấp nguồn tại bất

kỳ vị trí nào của Rotor. Vì vậy mà SRM luôn có cấu tạo với số cực của

Stator bao giờ cũng nhiều hơn số răng của Rotor.

Như vậy, để tạo ra được Momen dương (chế độ động cơ) cuộn dây pha

Stator phải được cấp nguồn trong khi điện cảm cuộn dây pha này tăng dần

(xem phương trình 2.22). Tương tự như vậy, để hãm động cơ, thì cuộn dây

pha phải được cấp nguồn khi điện cảm trong cuộn dây pha này giảm dần.

Và một lưu ý nữa là cuộn dây pha Stator tích cực phải được ngắt ra

khỏi nguồn trước khi quá trình tăng điện cảm trong cuộn dây này kết thúc

(đối với chế độ động cơ) vì như thế dòng điện có thể giảm nhanh về 0 và

tránh tạo ra Momen âm không mong muốn.

Nói một cách ngắn gọn là SRM được điều khiển bằng cách đóng

ngắt các cuộn dây pha một cách tuần tự vào nguồn một chiều, đồng bộ với

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

vị trí của Rotor.

30 Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng

2.2 ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA SRM

Trên thực tế đặc tính làm việc của SRM là hoàn toàn có thể lập

trình được và dễ dàng xác định bằng các phương pháp điều khiển. Đây là

một trong những đặc điểm khiến cho các hệ truyền động sử dụng SRM trở

thành một giải pháp toàn diện, khả thi và giá thành giảm đáng kể. Tuy

nhiên vẫn cần có nhiều giới hạn về khả năng làm việc và đặc tính cơ của

SRM được mô tả trong hình 2.6.

Cũng như các loại máy điện khác, Momen của SRM bị giới hạn bởi

dòng điện cực đại cho phép và tốc độ của động cơ thì phụ thuộc vào độ

rộng của xung áp điều chế đặt vào cuộn dây pha Stator.

Khi khởi động, ban đầu để tăng tốc độ động cơ, ta thay đổi độ rộng

của xung áp điều chế kéo theo dòng điện trong cuộn dây pha cũng tăng

dần. Tuy nhiên ta chỉ có thể mở rộng bề rộng xung quanh áp đặt lên cuộn

dây pha Stator cho tới khi dòng điện trong cuộn dây Stator đạt tới giá trị

giới hạn, khi đó Momen của động cơ là cực đại và tốc độ của động cơ đạt

Giới hạn dòng

tới giá trị tốc độ cơ bản.

Công suất không đổi T=1/ω

Vùng tốc độ rất cao T=1/ω2

Tốc độ cơ bản

Tốc độ

n e m o M

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 2.6 Đặc tính cơ của ĐCTK

31 Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng

Như vậy, để có thể tăng tốc độ động cơ lên trên tốc độ cơ bản thì

bắt buộc ta phải giảm Momen tải, trong đặc tính làm việc của động cơ

trên hình 2.6 ta thấy rõ 2 vùng làm việc cơ bản:

Vùng 1 (Vùng làm việc dưới tốc độ cơ bản): Vùng giới hạn dòng

điện, trong miền này dòng điện trong cuộn dây pha luôn nhỏ hơn gía trị

dòng điện giới hạn, lúc này ta có thể tăng tốc độ động cơ đồng thời tăng

cả Momen trên trục động cơ.

Vùng 2 (Vùng làm việc trên tốc độ cơ b ản): Vùng công suất không

đổi. Trong vùng này, tốc độ động cơ lớn hơn tốc độ cơ bản. Vùng này

được chia thành 2 vùng nhỏ hơn:

+ Miền tốc độ cao: Momen trên đầu trục động cơ tỉ lệ nghịch với

tốc độ động cơ.

+ Miền tốc độ rất cao: Trong vùng làm việc này, Mo men trên đầu

trục động cơ tỉ lệ nghịch với bình phương tốc độ, để tăng tốc độ động cơ

2 lần.

lên 2 lần thì Momen đầu trục động cơ giảm đi

2.3 CÁC PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ SRM

2.3.1 Phương trình cân bằng điện từ

Mặc dù SRM có cấu tạo cũng như hoạt động theo một nguyên tắc

khá đơn giản nhưng việc phân tích một cách chính xác hoạt động của

SRM vẫn yêu cầu mô tả toán học các mối quan hệ giữa tham số (như điện

áp, dòng điện, từ thông, Momen…) một cách đầy đủ và chuẩn mực. Khi

một cuộn dây pha Stator của SRM được cấp một điện áp, dòng điện chảy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

trong cuộn dây tích cực sẽ tạo ra một từ thông móc vòng trong cuộn dây

32 Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng

này, và mối quan hệ giữa điện áp và từ thông cuộn dây tích cực sẽ được

viết theo định luật Faraday như sau:

dψ dt

(2.5) U = i.R +

Trong đó:

U: Là điện áp trên 2 đầu cực của cuộn dây tích cực.

i: Dòng điện chảy trong cuộn dây pha Stator.

ψ: Từ thông móc vòng trong cuộn dây pha Stator.

R: Điện trở cuộn dây pha Stator.

Do cấu tạo có cực cả 2 phía (Stator và Rotor) của SRM và tác động

bão hoà của mạch từ, nhìn chung từ thông của 1 pha Stator biến đổi như

một hàm với 2 đối số là vị trí của Rotor ϕ và dòng điện chảy tron g cuộn

dây pha tích cực.

+

.

.

Vì vậy phương trình (2.5) sẽ được mở rộng như sau:

ψ ∂ ϕ ∂

ψ ∂ ∂ i

di dt

ϕ d dt

(2.6) U = i.R +

Trong đó:

), iψ

∂ψ i∂

=

( )i .ϕ

được xác định bởi đường cong từ hoá L(

K b

∂ ψ ∂ ϕ

đặt

2.3.2 Phương trình Momen tổng

Phương trình (2.6) biểu diễn quá trình chuyển đổi năng lượng điện

của lưới thành năng lượng từ trong cuộn dây SRM và sau đó từ năng tích

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

luỹ trong cuộn dây pha của SRM sẽ được chuyển đổi thành cơ năng trên

33 Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng

đầu trục của SRM. Trong phần này, tác giả tiến hành xây dựng các

phương trình mô tả quá trình biến đổi từ năng trong cuộn dây thành cơ

năng trên đầu trục Rotor. Từ phương trình 2.5, nhân cả 2 vế với dòng điện

i ta có:

dψ dt

U.i = i2R + i (2.7)

Vế trái của (2.7) biểu thị năng lượng điện tức thời cung cấp cho

cuộn dây pha của Stator. Thành phần thứ nhất trong vế phải của (2.7) xác

định tổn hao năng lượng điện theo hiệu ứng Jun – Lenx trong cuộn dây

Stator. Tuy nhiên do điện trở của cuộn dây Stator là khá nhỏ nên phần lớn

năng lượng điện được chuyển hoá thành từ năng tích luỹ trong cuộn dây

Stator và cơ năng trên đầu trục củ a SRM, chúng được biểu diễn bằng

thành phần thứ 2 trong vế phải của phương trình (2.7).

dW

f

=

m +

Do đó ta có:

ψ d dt

dW dt

dt

i. (2.8)

Trong đó:

Wm: Cơ năng của SRM

Wf: Là năng lượng từ tích luỹ trong cuộn dây Stator của SRM.

m

=

. = ω

.

m

m

Mặt khác ta lại có:

N

N

ϕ d dt

dW dt

(2.9)

dW

f

=

+

m

Thay (2.9) vào (2.8) ta thu được:

N

ϕ d dt

dt

ψ d dt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

i. (2.10)

34 Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng

Biến đổi phương trình (2.10) ta thu được phương trình Momen của SRM

dW

−

(

)

,

,

m

) ( ϕψϕψ = . i

như sau:

N

ψ d ϕ d

( ) ϕψ , f ϕ d

(2.11)

−=

m

Và trong trường hợp từ thông là không đổi thì (2.11) là:

N

dW f ϕd

(2.12)

Thông thường Momen được biểu diễn dưới dạng một đa thức phụ

thuộc vào dòng điện thay vì từ thông và năng lượng do Momen sinh ra

trên đầu trục động cơ được gọi là năng lượng có ích W c.

Khi vận tốc góc trên đầu trục động cơ là hằng số, nghĩa là tốc độ

0=

dϕ , tích phân hai vế phương trình (2.10) thu dt

của động cơ là hằng số

ψ

(i ϕ,

)ψ dψ (2.13)

được giá trị của từ năng tích luỹ trong cuộn dây là:

0

ψ

Wf từ năng tích luỹ trong cuộng dây tích cực

g n ô h t Từ

Wf = ∫

Dòng điện i

Ứng với ϕ, đường cong từ hoá xác định dòng điện trong cuộn dây là hàm của từ thông i = i(ϕ,ψ)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 2.7 Năng lượng t ừ trong cuộn dây stator

35 Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng

ψ

Wc từ năng tích luỹ chuyển thành cơ năng

g n ô h t Từ

Dòng điện i

Ứng với ϕ, đường cong từ hoá xác định từ thông trong cuộn dây là hàm của dòng điện ψ = ψ(ϕ,i)

0=

Hình 2.8 Cơ năng của SMR

Khi tốc độ động cơ là hằng số nghĩa là ϕ không thay đổi (tức là dϕ ) thì đường cong từ hóa là một hàm biểu diễn từ thông Stator biến dt

thiên theo dòng điện i chảy trong cuộn dây tích cực.

i

di

Và như vậy cơ năng có ích trên trục động cơ được biểu diễn:

),(ϕψ i 0

(2.14) Wc = ∫

Và theo hình (2.7) và hình (2.8) ta có thể biểu diễn tổng năng lượng có

ích là:

Wc + Wf = i.ψ (2.15)

Lấy vi phân hai vế phương trình (2.15) ta có:

dWc + dWf = i.dψ + ψ.di (2.16)

+

−

]

[ − ψψ . di

. di

ψ (

), i

dW c

Kết hợp hai phương trình (2.11) và (2.16) ta có:

ψ . di ϕ d

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

(2.17) mN =

36 Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng

Phương trình (2.17) biểu diễn Momen tổng của SRM: Xét một cách đơn

),iψ =

giản, dòng cấp vào các cuộn dây pha là hằng số, ta có:

∂ cW ϕ∂

∂ Wc ∂ i

di (2.18) dϕ + dWc(

Từ phương trình (2.17), (2.18) ta có:

∂ cW khi i là hằng số (2.19) ϕ∂

mN =

Phương trình (2.19) là phương trình Momen khi dòng là hằng số

2.3.3 Phương trình Momen tối giản

Giả thiết đối với SRM khi xác định phương trình Momen tối giản:

Không xảy ra trường hợp bão hoà trong mạch từ.

Với giả thiết như vậy, mối quan hệ dòng điện – từ thông của SRM được

viết lại:

ψ = L(ϕ).i (2.20)

Và điện cảm của SRM chỉ biến thiên như một hàm số đối với vị trí của

Rotor. Thay phương trình (2.20) vào phương trình (2.14) ta có:

2i 2

.L(ϕ) (2.21) Wc =

Thay phương trình (2.21) vào (2.19) ta thu được phương trình Momen tối

2

.

giản:

i 2

dL ϕd

(2.22) mN =

Phương trình (2.22) chỉ ra rằng, khi tốc độ và dòng điện cấp vào các

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

cuộn dây pha là hằng số thì Momen của SRM chỉ là hàm của biến thiên

37 Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng

điện cảm phụ thuộc vào vị trí Rotor (góc lệch ϕ). Để tạo được Momen

quay lớn thì phải tạo được sự chênh lệch lớn giữa điện cảm tại vị trí lệch

trục so với điện cảm ở vị trí đồng trục.

2.3.4 Phương trình động học

Nhìn chung, mô hình động học của SRM cũn g như các loại động cơ

khác được mô tả như sau:

dω dt

m

(2.24)

Njm

j. = mN – Bm.ω - mL (2.23)

= 1

j

i

1

Þ

mN = ∑

(2.25)

. di

j

ψ ∂ ∫ ∂ ϕ )(

0

)1

mNj =

−π (2 j m

(2.26) ϕj = Nrϕ -

Trong đó:

J: Momen quán tính của động cơ SRM [Nm].

ω: Vận tốc góc trên trục động cơ [rad/s].

Bm: Hệ số ma sát trên trục động cơ.

m: Số pha Stator của SRM.

Nr : Số răng của Rotor của SRM.

ϕ: Vị trí của Rotor so với vị trí ban đầu (góc lệch).

ϕj: Vị trí của Rotor so với pha thứ j.

ij: Cường độ dũng điện pha thứ j của Stator.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

mNj: Momen sinh ra bởi pha thứ j.

38 Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng

2.4 PHƯƠNG PHÁP CHUNG ĐIỀU KHIỂN SRM

Động cơ SRM được điều khiển trên nguyên tắc là cấp nguồn một

chiều một cách tuần tự, độc lập cho các cuộn dây pha dựa trên thông tin

chính xác vị trí Rotor. Hình 2.9 dưới đây sẽ minh hoạ phương pháp chung

Điện cảm lý tưởng

Dòng điện lý tưởng

Dòng điện thực

Xung áp điều khiển

để điều khiển SRM

Hình 2.9 Phươn g pháp cơ bản điều khiển SMR

Theo phương trình (2.22) và theo phân tích ở trên ta thấy sự lựa

chọn chính xác góc đóng, ngắt và độ lớn của dòng điện cấp cho cuộn dây

pha Stator sẽ quyết định hoàn toàn đến đặc tính làm việc của SRM.

Để có được Momen quay lớn, thì phải tạo ra sự chênh lệch lớn giữa

điện cảm ở vị trí đồng trục và điện cảm ở vị trí lệch trục. Do vậy, SRM

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

thường được thiết kế để vận hành ở chế độ bão hoà rất sâu, điều này làm

39 Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng

nảy sinh một nhược điểm cơ bản của SRM là phải đóng ngắt mạch cuộn

dây Stator vào cuối kỳ xung (tức là khi Rotor ở vị trí đồng trục, dòng điện

trong cuộn dây là hằng). Khi đó cuộn dây đang nạp đầy từ năng, đây cũng

chính là nguyên nhân dẫn đến làm giảm hiệu suất sử dụng nghịch lưu.

Hình 2.10 dưới đây mô tả dạng tín hiệu điều khiển và Momen sinh

Mô men

Dòng điện

ra của SRM loại có cấu tạo kiểu 6/4.

Hình 2.10 Sơ đồ chuyển mạch của SMR 3pha 6/4

Hình 2.10 minh hoạ tác động của việc lựa chọn thời điểm chuyển

mạch tới đặc tính làm việc của SRM. Một tác động không kém phần quan

trọng đó là biên độ của dòng điện chảy trong cuộn dây pha Stator. Thông

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

thường, dòng điện chảy trong cuộn dây pha được điều chỉnh nhờ một

40 Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng

mạch vòng có phản hồi. Phương pháp điều chỉnh biên độ dòng điện cấp

cho cuộn dây pha được thực hiện một cách rất hiệu quả nhờ kỹ thuật đ iều

chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation – PWM).

Như đó được nói đến trong phần 2.2 ta xem xét đặc tính làm việc

của SRM theo 2 vùng:

+ Vùng tốc dưới tốc độ cơ bản .

+ Vùng tốc trên tốc độ cơ bản .

Tại vùng tốc độ thấp, việc điều khiển SRM có thể thực hiện dễ dàng

bằng cách điều khiển dòng điện cấp cho cuộn dây Stator. Trong hình (2-9) thể

hiện dạng tín hiệu điều khiển khi SRM hoạt động trong vùng tốc độ thấp.

Khi tốc độ của SRM tăng dần điều này cũng đồng nghĩa với việc

điều khiển SRM càng trở nên khó khăn hơn do sự ảnh hưởng của sức phản

điện động (back – EMF) và thời gian dẫn dòng của cuộn dây tích cực bị

giảm đi. Tốc độ động cơ chỉ có thể đạt được khi cuộn dây pha Stator của

SRM dẫn dòng trong suốt thời gian nó là cuộn dây tích cực. Quá trình vận

Dạng tín hiệu cuộn cảm Stator

Dạng tín hiệu dòng điện Stator

Dạng tín hiệu xung áp điều khiển

hành khi tăng tốc độ động cơ được giới thiệu trong hình 2.11.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 2.11. Tín hiệu điều khiển SMR trong vùng tốc độ cao.

41 Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng

2.5 CẤU TRÚC NGHỊCH LƯU

SRM phải được điều khiển nhờ một vòng điều chỉnh (ĐC) có phản

hồi. Thiết bị nghịch lưu (NL) thường được nuôi bởi nguồn áp một chiều,

và đối với SRM – theo công thức (2.22) chỉ cần dòng chảy theo một chiều

cũng đủ để vận hành ở cả 4 góc 1/4 (chế độ vận hành 4Q). Ta có thể thấy

trong tài liệu tham khảo vô số phương án mạch nghịch lưu, trong phạm vi

luận văn này chỉ hạn chế ở phương án dành cho SRM công suất vừa và

nhỏ, được sử dụng trong các hệ thống cơ điện tử.

Nghịch lưu lý tưởng phải có khẳ năng đóng/ngắt dòng không có trễ.

Để có thể ĐC dòng pha, có thể sử dụng 2 van (hình 3.4, trái): Van N phục

vụ chọn pha, van PWM có nhiệm vụ điều chế bề rộng xung áp đặt lên

cuộn dây pha và nhờ đó dễ dàng ĐC dòng qua cuộn dây. Nhằm giảm tổn

hao đóng/ngắt của van, từ năng tích luỹ khi dòng chảy qua cuộn dây phải

có khẳ năng được hoàn nguyên trở lại nguồn (hình 2.12, phải).

Hình 2.12 Cuộn dây pha

a, Khi dẫn dòng b, Khi nạp dòng trở lại nguồn

Dễ dàng nhận thấy, để điều khiển SRM m pha ta sẽ cần 2m van

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

IGBT và 2m diode. Lúc này, NL được gọi là NL 2m (hình 2.13). Do khá

42 Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng

tốn kém linh kiện rời rạc, sơ đồ NL 2m thường chỉ được sử dụng cho

SRM có công suất >=100W.

Hình 2.13 Sơ đồ nghịch lưu 2m

Sơ đồ tốn kém ít nhất là sơ đồ chỉ sử dụng 1 van PWM chung cho

tất cả các pha, còn gọi là NL (m+1). Lợi thế của sơ đồ là chỉ cần một cảm

biến là có thể đo dòng của tất cả các pha.

Hình 2.14 Sơ đồ nghịch lưu m+1

Nhược điểm cơ bản của sơ đồ (m+1) là: Khi chuyển mạch sang pha

mới, cuộn dây pha trước đó sẽ bị nối ngắn mạch và hiệu quả hoàn nguyên

từ năng về nguồn kém, dòng chậm tắt về không. Thậm chí, ở chế độ máy

phát (ví dụ: Khi hãm) có thể xuất hiện tự kích. Nhược điểm đó buộc ta

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

phải giảm hệ số điều chế và do đó giảm hiệu xuất tận dụng NL, ở dải tốc

43 Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng

độ lớn, có nguy cơ không thể làm nhụt triệt để từ thông của cực chứa cuộn

dây pha tích cực.

Giải pháp dung hoà tốt sẽ là sơ đồ NL (m+2) cho loại SRM 8/6 sơ

đồ cho phép sử dụng tối đa hệ số điều chế.

Hình 2.15 Sơ đồ nghịch lưu m+2

Một vấn đề quan trọng là phương pháp điều khiển nghịch lưu

(ĐKNL). Việc lựa chọn đúng đắn góc đóng ngắt cho phép giảm tiếng ồn

phát ra và nâng cao chất lượng truyền độ ng của hệ. Có 2 phương pháp

chính để ĐKNL:

*Sử dụng nguồn dòng

Trong dải tốc độ thấp, SRM được nuôi bởi dòng cấp dạng khối

(block current) nhờ điều chế bề rộng xung . Momen chứa hài với biên độ

bé hơn.

*Sử dụng nguồn áp

Có thể nuôi SRM bằng điện áp cấp dưới dạng khối (block voltage).

Khi tốc độ tăng dần, ảnh hưởng của thời gian đóng ngắt van IGBT càng

rõ. Khi sức từ động bên trong đạt tới giá trị ứng với điện áp nguồn một

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

chiều, khi ấy ta chỉ cần thuần tuý đóng ngắt các cuộn dây pha, diễn biến

44 Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng

dòng trở nên k hông chế ngự được và có biên độ hài khá lớn, gây nên

momen lắc phụ.

2.6 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CÓ CẢM BIẾN VỊ TRÍ

Cấu trúc điều khiển cơ bản của hệ thống truyền động sử dụng SRM

bao giờ cũng có chứa vòng ĐC chỉnh dòng.

Xuất phát từ phương trình điện pha:

dψ dt

u = Ri + (2.27)

+

ω

= Lu

ϕ )(

i

Để đơn giản, ta hãy bỏ qua điện trở R và viết:

ϕ )( dL ϕ d

di dt

(2.28)

Trong (2.28) điện cảm L là một tham số phụ thuộc vị trí ϕ của

=

ω

ui

Li

2+ i

rotor. Để tính cô ng suất ta hãy nhân 2 vế của ( 2.28) với dòng i:

di dt

dL ϕd

(2.29)

2

=

ω

p

Li

i 2

hoặc:

1 2

dL ϕd

d dt

1 2

  

  

+ (2.30)

Biểu thức thứ nhất ở vế phải của (2.30) đặc trưng cho thành phần từ

năng tích trong cuộn dây pha. Biểu thức thứ hai của ( 2.30) mô tả cơ năng

cung cấp ra trục động cơ. Từ đó ta có công thức tính Momen quay đó cho

ở (2.22) và thấy rõ: dấu của Momen – quyết định chế độ động cơ hay máy

dL ϕd

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

phát hoàn toàn do dấu của quyết định.

45 Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng

Hình 2.16 minh hoạ rõ ràng phương thức vận hành SRM ở 2 chế độ

động cơ/máy phát: cấp xung dòng chính xác phụ thuộc vào vị trí của

dL khác nhau. ϕd

Rotor, nơi có dấu của

Hình 2.16 Điện cảm L của ĐCTK

a, Đặc tính L lý tưởng phụ thuộc vị trí rotor

b, Dòng pha ở chế độ động cơ

c, Dòng pha ở chế độ máy phát

Để đạt được Momen quay cần thiết, cần phải cấp dòng có biên độ

tương ứng nhờ sự hỗ trợ của một khâu ĐC dòng ở mạch vòng trong cùng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

(hình 2.17).

46 Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng

H ình 2.17 Điều khiển ĐCTK nhờ khâu ĐC dòng ở mạch vòng

2.7 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN KHÔNG CẨN CẢM BIẾN VỊ TRÍ

Do SRM là loại động cơ có giá thành chế tạo rất thấp và được sử

dụng chủ yếu ở dải công suất nhỏ. Việc sử dụng khâu đo góc (đo vị trí)

của Rotor có thể làm tăng giá thành lên đáng kể. Đã có khá nhiều nỗ lực

tìm phương pháp điều khiển SRM không cần đến cảm biến vị trí. Để hình

dung khái quát các khả năng nhận dạng vị trí Rotor, ta hãy theo dõi hình

m

=

+

u

Ri

ô

∑

d dt

k

ψ kj = 1

m

=

+

+

+

u

Ri

i

i

L kj

j

k

k

∑

∂ L kj ∂ i

di k dt

k

= 1

k

  

  ω 

∂ L di kj k ϕ ∂ dt  1 2

3

Thông tin về vị trí Roto được xác

định qua các đại lượng này

2.18 sau đây.

Hình 2.18 Các nguồn thông tin về vị trí Rotor chứa trong phương trình

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

điện áp của SRM có m pha

47 Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng

Hình 2.18 minh hoạ các bước suy diễn của phương trìn h điện áp

cuộn dây pha thứ j trong m cuộn dây pha. Chỉ số k minh hoạ các bước

trong quá trình cấp dòng cho cuộn dây. Tạm không quan tâm đến thành

phần điện áp rơi trên điện trở R, công thức cuối cùng có 3 biểu thức ẩn

chứa thông tin về vị trí (về góc) của Rotor.

Dễ dàng thấy rằng, nguyên lý cơ sở của phương pháp nhận dạng vị

trí của Rotor đều dựa trên sự biến thiên của từ thông phụ thuộc vị trí mà

m

=

+

u

Ri

ψ (2.31)

j

j

kj

∑

d dt

k

= 1

xuất phát điểm là phương trình điện áp:

Có thể tìm thấy trong tài liệu tham khảo đặc tính từ thông của một

SRM loại 8/6, minh hoạ quan hệ chặt chẽ giữa từ thông và dòng qua cuộn

dây pha tại các vị trí khác nhau của Rotor.

Hình 2.19

Đặc tính từ thông/dòng/vị trí rotor của một ĐCTK loại 8/6

Khi có đặc tính đo như hình 2.19, ta hoặc có thể thay trực tiếp vào

(2.31) để tính vị trí, hoặc thực hiện dưới dạng bảng tính sẵn để tra giá trị

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

góc. Với giá trị góc, hệ thống có thể đưa ra quyết định chính xác để

48 Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng

chuyển mạ ch đóng/ngắt van. Tất cả các phương pháp điều khiển không

dùng cảm biến hiện tại đều hoạt động theo nguyên lý trên.

Theo công thức cuối hình 2.19 ta cần đo được: Điện áp, dòng, tốc

độ sườn lên (current rise time) và sườn xuống (current fall time) của

dòng. Các đại lượng tính được sẽ là: Điện cảm, từ thông và sức từ động

cảm ứng. Để cài đặt thuật toán ta sẽ phải xét đến đặc điểm vật lý của hệ

và phân toàn dải tốc độ thành 5 vùng với các chế độ vận hành khác nhau

(hình 2.20).

Hình 2.20

Các chế độ vận hành khác nhau không cần cảm biến đo vị trí

Hệ thống ĐC như hình 2.17 sẽ được mở rộng khi không sử dụng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

cảm biến đo vị trí như sau (hình 2.21).

49 Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng

Hình 2.21 Cấu trúc hệ thống được mở rộng thêm khâu chuyển mạch

^

ψ (tính từ dòng đo

không cần cảm biến vị trị

*

Trên cơ sở so sánh giữa gi á trị thực của từ thông

ψ, khâu logic sẽ ra

được) với giá trị từ thông chuẩn tại vị trí đồng trục

quyết định chuyển mạch thích hợp. Theo hình 2.16, ở chế độ động cơ,

^

*

điều kiện chuyển mạch sẽ là:

ψψ ca>

(2.32)

Với ac là hệ điều chế PWM của khâu ĐC dòng tại thời điểm tính.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Điều kiện chuyển mạch được minh hoạ dễ hiểu ở hình 2.22.

50 Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng

Hình 2.22 So sánh từ thông thực và từ thông chuẩn để quyết định

thời điểm chuyển mạch nghịch lưu

Để tính từ thông, ta có thể sử dụng mô hình kinh điển, dẫn dắt từ

+

phương trình 2.31:

=+

k

k

− Ri  k k ótdu

   

  uTψψ 1  

(2.33)

Tức là phải tích phân sức từ động ustd của cuộn dây Stator tích cực.

Khi tích phân, để tránh sử dụng thêm khâu đo, ta có thể tính điện áp u std

−

=

−

+

+

u

Ri

( i

như sau:

k

k

du DC

k

k

) Ri   k

( ) u i u    trans k diode u

tonthat

   

   

(2.34) ustd =

Trong công thức (2.34), điện áp tổn thất U tổn thất là tổng các điện

áp rơi trên IGBT, Diode và điện trở cuộn dây. Đặc biệt, hai điện áp rơi

trên IGBT và Diode phụ thuộc dòng, thể hiện đặc điểm của nghịch lưu

dưới dạng đường đặc tính biết trước và có thể sử dụng pháp nhận dạng off

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

– line (xem tài liệu ) để xác định rõ đường đặc tính đó.

51 Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng

t∆ (hình 2.22), ta sẽ

Một mặt, trên cơ sở khoảng thời gian đo được

r

=ϑ

dễ dàng sử dụng (2.2) để tính vận tốc của Rotor:

ω r

∆ t

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

(2.35)

52 Chương III: Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng

CHƯƠNG 3

KHẢO SÁT CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC HỆ TRUYỀN ĐỘNG

ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ TỪ KHÁNG

Ngày nay những tiện lợi và ưu điểm của các công cụ mô hình hoá

và mô phỏng được sử dụng ngày một nhiều. Các kết quả mô phỏng thể

hiện được hầu như toàn bộ quá trình làm việc, các đáp ứng của hệ thống

với độ chính xác cao, qua đó ta có thể xem xét thay đổi thiết kế, cấu trúc

của hệ thống để thu được một kết quả tối ưu.

Các ưu điểm chính khi sử dụng phương pháp mô hình hoá và mô

phỏng là:

- Giảm thiểu được tối đa thời gian và chi phí trong việc thiết kế và

kiểm tra hệ thống.

- Lựa chọn được nhiều kỹ thuật và giải pháp.

- Với các phần mềm mô phỏng có rất nhiều thư viện sẵn có hỗ trợ

nhiều lĩnh vực và các phương pháp khác nhau như: điều khiển logic mờ,

mạng neural, xử lý tín hiệu...

Để có thể xem xét và kiểm tra cấu trúc của hệ truyền động sử dụng

SRM, trong chương này tác giả xin được đi sâu khai thác phần mềm mô

phỏng Matlab – Simulink trong việc mô phỏng SRM ở chế độ:

+ Chế độ SRM tuyến tính.

+ Chế độ SRM phi tuyến.

Đối tượng được chọn để thực hiện quá trình mô phỏng là động cơ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

SRM dạng 6/4.

53 Chương III: Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng

3.1 MÔ HÌNH SRM TUYẾN TÍNH

i

Với SRM loại 6/4, ta áp dụng phương trình cân bằng điện từ cho

j

+

=

Ri

U

j

( ,ϕψ d j dt

mỗi pha như sau: ) với j =1, 2, 3 (3.1)

Khi loại bỏ tác động của bão hoà trong mạch từ và hỗ cảm của cuộn

dây, từ thông trong mỗi pha Stator sẽ được xác định bằng mối quan hệ

=

i

L

)

tuyến tính sau:

( ϕψ , j

j

( ) j ϕ . i

(3.2)

3

+

( ϕ

W

L

( n

−− j

=Σ

) ϕ 1 s

) 2. i j

và năng lượng tổng hợp của 3 pha của SRM loại 6/4 là:

(3.3)

∑

1 2

1

3

+

( ϕ

dL

) ϕ 1 s

=

) 2 . i

m

và Momen tổng là:

N

j

∑

1 2

( −− jm ϕ d

1

(3.4)

ω=

=

=

=

J

m

m

ω f

Phương trình chuyển động của hệ thống là:

N

L

dω dt

ω d dt

với (3.5)

Trên hình 3.5 thể hiện sơ đồ thực hiện mô phỏng hình tuyến tính hệ

truyền động SRM trên nền Ma tlab – Simulink.

Việc sử dụng một số khối chức năng sẵn có trong thư viện của Simulink

khiến cho quá trình mô phỏng trở nên đơn giản dễ hiểu cũng như tiết kiệm

được thời gian thiết lập mô hình hệ thống.

Tuy nhiên, để cho mô hình trở nên hoàn thiện hơn, có một số khối

được tác giả xây dựng bằng ngôn ngữ lập trình dạng m.file để thực hiện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

những tác vụ cụ thể phục vụ riêng cho mô hình hệ thống SRM như sau:

54 Chương III: Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng

* Khối chuyển mạch

Khối này có tác dụng đảm bảo thực hiện chuyển mạch của khối

nghịch lưu công suất tại thời điểm ϕon, ϕoff và duy trì cấp nguồn cho cuộn

dây pha trong thời gian ϕd.

Trong phần phụ lục có nêu nội dung của chương trình m.file của khối này.

* Khối điện cảm

Khối này có chức năng tính toán dòng điện của cuộn dây pha tích

cực đáp ứng theo điện cảm cuộn dây pha dựa trên vị trí Rotor ϕ và từ

thông ψ. Vì vậy cuộn dây pha tích cực sẽ có dòng i chảy qua là tín hiệu ra

của khối này.

* Khối tạo Momen

Khối này sẽ có nhiệm vụ tính toán Momen quay tạo ra trên từng pha

theo vị trí ϕ và giá trị dòng điện I.

* Khối module pi/2

Điện cảm của mỗi pha đều có tính chu kỳ 2 π/Nr độ điện vì thế khối

này sẽ được sử dụng để chuyển đổi vị t rí Rotor từ phương trình chuyển

động hệ thống với chu kỳ 2π/Nr.

* Chương trình khởi động

Bên cạnh các khối Matlab/Simulink sẵn có cũng như được xây dựng

thêm các tham số liên quan đến việc khởi tạo quá trình mô phỏng được

xác định bằng f ile int.m được xác định trong phụ lục 5 .

Chương trình int.m cho phép ta có được một mô hình tính toán tham

số tổng quát cho dạng SRM 6/4, điều này nghĩa là người sử dụng có thể

thay đổi giá trị một số tham số của SRM mà không cần phải thay đổi bất

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

cứ khối chức năng nào trong mô hình mô phỏng.

55 Chương III: Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng

Để tính toán phương trình cân bằng điện áp, trong phương trình 3.1

ta bỏ qua tác động vi phân, trong sơ đồ hình 3.6 thể hiện việc này bằng

cách sử dụng một khâu tích phân kết hợp với một khâu bão hoà. Việc làm

này là vô cùng quan trọng vì nó đảm bảo rằng từ thông trong cuộn dây

pha luôn dương khi dòng điện từ nghịch lưu cấp cho cuộn dây pha của

SRM không đổi chiều.

* Các phương trình điều khiển SRM – mô hình 6/4

Như đã được đề cập đến trong chương 2, có rất nhiều phương pháp

cấp nguồn cho SRM.

Với những phân tích trong chương 2, mỗi một sơ đồ nghịch lưu đều

có một ưu nhược điểm khác nhau. Tuy nhiên, với mô hình SRM loại 6/4

ta chọn mô hình cầu H như đư ợc chỉ ra trong hình 3.1, đó chính là mô

hình nghịch lưu 2m, tuy mô hì nh này cần nhiều linh kiện bán dẫn công

suất và các phần tử thụ động hơn các sơ đồ nghịch lưu khác nhưng một ưu

điểm của sơ đồ này là khả năng tối đa trong điều khiển và tính mềm dẻo

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

của mô hình.

56 Chương III: Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng

a a’

b b’

c c’

a

c’

b

b’

c

a’

Hình 3.1 Sơ đồ mạch điều khiển SRM dạng 2m

Trong sơ đồ này mỗi một pha sẽ cần dùng 2 IGBT và 2 diode. Trên

quan điểm xem xét mô hình SRM tuyến tính, kết hợp với các phương

trình tổng quát trong chương 2 ta có các phương trình mô tả SRM 6/4 như

( )i .ϕψ = L

sau:

( ) 2. L ϕ (3.7) i

(3.6) + Quan hệ từ thông:

1 2

=

2. i

+ Phương trình năng lượng: W=

mN

1 2

dL ϕ d

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

(3.8) + Phương trình Momen

57 Chương III: Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng

thì lúc đó sức phản điện động đạt tới giá trị điện áp cấp thì khi đó dòng

điện trong cuộn dây bắt đầu giảm dần cho tới thời điểm ϕoff.

Để minh hoạ đầy đủ tính quan trọng của việc lựa chọn góc ngắt ϕoff

tác giả lựa chọn góc ngắt ϕoff lớn hơn và kết quả mô phỏng được thể hiện

trong hình 3.10. Trong hình 3.10, ta có thể quan sát thấy dòng điện pha

không giảm dần về đến số 0, trong vùng 1 ta cũng có thể quan sát thấy

dòng điện giảm chậm hơn (vì trong thời điểm này vị trí Rotor đang trong

miền giảm từ cảm). Trong miền 2, giá trị sứ c điện động bắt đầu có tác

dụng vì bây giờ điện áp pha tăng dần từ 150V đến 0 và dòng pha tăng dần.

Cuối cùng trong miền 3, dòng điện pha bắt đầu giảm dần vì lúc này sức

điện động bằng 0 (do điện cảm là hằng). H ình 3.7, 3.8, 3.9 thể hiện một

tập hợp các kết quả mô phỏng ứng với ϕon = 0, ϕoff = 30 và SRM hoạt

động không tải. Trong hình 3.7, thấy rằng góc ϕoff là vừa đủ để tránh xảy

ra hiện tượng dòng điện pha tiếp tục tăng khi Rotor SRM đạt tới vị trí

đồng trục. Tuy nhiên trong hình 3.10 chỉ ra rằng dòng điện pha sẽ tạo ra

Momen âm nhưng rất nhỏ nhưng Momen tổng thì vẫn luôn dương (vì lúc

này giá trị Momen âm sẽ được bù bởi Momen dương của pha kế tiếp).

Để cấp điện áp V cho 1 pha bất kỳ (ví dụ pha 1) thì 2 IGBT (Q1, Q2) dẫn

dòng và khi cấp điện – V thì 2 diode dẫn dòng.

* Điều khiển dòng pha có trễ

Việc sử dụng phương pháp điều khiển dòng pha có trễ để xem xét

đáp ứng động của SRM. Kết quả mô phỏng được thể hiện trong hình 3.8,

ứng với: ϕon = 0, ϕoff = 30, dòng pha I = 5A, mà SRM hoạt động trong

chế độ không tải.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Theo đó ta sử dụng 2 chiến lược điều khiển SRM.

58 Chương III: Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng

*Nghịch lưu nguồn áp

Giả sử SRM có dạng điện cảm lý tưởng, đặc tính điện cảm được mô

tả trong hình 3.7 minh hoạ trạng thái của SRM khi được cấp một nguồn

điện áp. Tiến trình điều khiển xảy ra khi cấp nguồn điện áp vào cuộn dây

pha tại thời điểm ϕon cho đến thời điểm ϕoff. Sau đó nguồn điện áp bị đổi

chiều cho tới một thời điểm xác định ứng với ϕ = ϕd (gọi là góc khử từ)

sao cho từ thông trong cuộn dây giảm nhanh về không.

d

=

+

(

u

Ri

ϕψ = L

)i .

Xuất phát từ phương trình điện áp:

ψ dt

=

+

ψ d

ϕ d .

. di

và (3.9)

ψ ∂ ∂ ϕ

ψ ∂ ∂ I

=

+

( ) ωϕω

. i

L

.

(3.10) Và:

di dt

ψ d dt

dL ϕ d

+

L

ω ( ).

ϖ . i

(3.11) Suy ra:

dL ϕ d

dI dt

(3.12) Do đó: U = R.i+

dL ω i. ϕ d

là sức phả n điện động sinh ra trong cuộn dây. Trong đó:

Để tăng nhanh mức tăng trưởng dòng và tránh được tác động tiêu

cực của sức phản điện động, góc đóng ngắt ϕon, ϕoff phải được lựa chọn

onϕ sao cho cả điện cảm và sức điện động là nhỏ nhất.

0=

góc mở

dL ϕd

. Tuy nhiên, khi Rotor Trong mô hình SRM tuyến tính, giá trị

vẫn còn đang trong vùng điện cảm tăng dần.

3.2 MÔ HÌNH PHI TUYẾN

Trong mô hình phi tuyến ta xét ảnh hưởng đường cong từ hoá tới các

chế độ làm việc của SMR bằng cách xem xét đường cong từ hoá và hiện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

tượng bão hoà trong mạch từ lên đặc tính làm việc của SMR. Để thực hiện việc

59 Chương III: Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng

mô phỏng trong môi trường Matlab – Simulink ta sử dụng các bảng tra (look –

up tablse) và mối quan hệ từ thông/ dòng điện/ vị trí Rotor và quan hệ dòng

điện /Momen/vị trí Rotor. Các quan hệ được biểu diễn ở các hình (3.2, 3.3, 3.4)

Hình 3.2 Quan hệ L = L( ϕ, i) của SMR

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

H ình 3.3 Quan hệ từ thông theo dòng điện và vị trí rotor

60 Chương III: Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng

Hình 3.4 Quan hệ mN = mN( ϕ, i)

Hình 3.4 cho ta mối quan hệ phi tuyến momen động cơ với vị trí

Rotor và mức độ phi tuyến phụ thuộc vào giá trị dòng điện chảy trong

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

cuộn dây Stator.

61 Chương III: Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng

3.3 CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

3.3.1 Kết quả mô phỏng ở chế độ tuyến tính

Hình 3.5 Mô hình mô phỏng động cơ từ kháng ở ch ế độ tuyến tính

Hình 3.6 Mô hình mô phỏng c ấu trúc điều khiển một pha của SMR

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ở chế độ tuyến tính.

62 Chương III: Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng

Hình 3.7 Đặc tính tốc độ động cơ ở chế độ tuyến tính

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 3.8 Momen tổng của SRM ở chế độ tuyến tính

63 Chương III: Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng

Hình 3.9 Momen pha của SRM ở chế độ tuyến tính

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 3.10 dòng pha của SRM ở chế độ tuyến tính

64 Chương III: Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng

3.3.2 Kết quả mô phỏng ở chế độ phi tuyến

Hình 3.11 Mô hình mô phỏng SMR ở chế độ phi tuyến

Hình 3.12 Mô hình mô phỏng cấu trúc điều khiển một pha SMR

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ở chế độ phi tuyến

65 Chương III: Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng

0.035

n e m o M

0.03

0.025

0.02

0.015

0.01

0.005

0

1.8

0.4

0.6

0.8

1.2

1.4

1.6

0.2

0

2 -3

1 t(S)

x 10

3

n e m o M

2.5

2

1.5

1

0.5

0

7

6

5

4

3

2

1

0

8 -3

x 10

t(S)

Hình 3.13 Mômen pha của SMR phi tuyến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 3.14 Mômen tổng của SMR phi tuyến

66 Chương III: Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng

6

5

n ệ i đ g n ò D

4

3

2

1

0

0

0.5

1

2

2.5

3 -3

1.5 t(S)

x 10

450

400

độ c ố T

350

300

250

200

150

100

50

0

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

t(S)

Hình 3.15 Dòng tổng của SMR phi tuyến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 3.16 Đặc tính tốc độ SMR phi tuyến

67

KẾT LUẬN

Nhờ tiến bộ vượt bậc trong các lĩnh vực cảm biến, điện tử công suất, vi

điều khiển và vi sử lý tín hiệu, việc sử dụng ĐCTK trong các hệ thống cơ điện

tử ngày càng trở nên hấp dẫn và là nhu cầu cấp thiết hiện nay. Đó chính là động

lực thúc đẩy nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng trong suốt thời gian qua.

Bản luận văn giới thiệu về nguyên lý và tình trạng phát triển hiện tại của

ứng dụng truyền động ĐCTK bao gồm :

* Nghiên cứu tổng quan về các hệ truyền độn g ứng dụng động cơ từ kháng, ưu

nhược điểm của hệ thống.

* Đưa ra các cấu trúc điều khiển ĐCTK

+ Cấu trúc nghịch lưu (thiết bị điều khiển công suất) nuôi ĐCTK.

+ Cấu trúc điều khiển cơ sở (cấu trúc có sử dụng cảm biến đo vị trí rotor).

+ Cấu trúc điều khiển không cần cảm biến vị trí, thay vào đó sử dụng khâu quan

sát tốc độ quay.

* Xây dựng các phương trình toán học mô tả ĐCTK.

* Thiết lập các mô hình mô phỏng ĐCTK

+ Mô hình ĐCTK tuyến tính.

+ Mô hình ĐCTK phi tuyến.

Do thời gian nghiên cứu, trình độ của tác giả, điều kiện thực nghiệm có

hạn luận văn chưa đề cập tới vấn đề cải thiện cosϕ của hệ thống và giảm momen

lắc của ĐCTK.

Vấn đề nghiên cứu ứng dụng và giảng dạy các hệ thống sử dụng ĐCTK

chưa được quan tâm. Tác giả hy vọng bản luận văn là tài liệu tham khảo, khêu

gợi sự chú ý của các học viên chuyên ngành tự động hoá. Đây là mảng tiềm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

năng khai thác cả về phương diện học thuật và thực tế.

68

PHỤ LỤC

1

1.Bảng dữ liệu quan hệ từ thông/dòng điện/góc teta.

dpsi

di

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

2.Bảng dữ liệu quan hệ dòng điện/ góc Teta/

69

3.Bảng dữ liệu quan hệ dòng điện/ góc Teta/đạo hàm từ thông theo góc

Teta

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

4.Bảng dữ liệu quan hệ dòng điện/ góc Teta/Momen

70

5.Chương trình khởi động mô hình tuyến tính

global TETAS TETAX TETAY TETAXY TETAON TETAOFF TETAQ V AUP

BUP ADOWN BDOWN DL A B LMIN LMAX

NS=6

NR=4

P=3;

BETAS=30*(pi/180);

BETAR=30*(pi/180);

TETAS=(2*pi)*((1/NR)-(1/NS))

TETAX=(pi/NR)-((BETAR+BETAS)/2)

TETAY=(pi/NR)-((BETAR-BETAS)/2)

TETAZ=(BETAR-BETAS)/2

TETAXY=(TETAX+TETAY+TETAS)

TETAIN=20.1*(pi/180)

V=150

R=1.3

J=0.0013;

F=0.0183

I=5;

DELTAI=0.2;

DELTAVMIN=0;

DELTAVMAX=150;

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

LMIN=8e-3;

71

LMAX=60e-3;

G=(inv([TETAX 1;TETAY 1]))*([LMIN;LMAX]);

AUP=G(1)

BUP=G(2)

H=(inv([(TETAY+TETAZ) 1; TETAXY 1]))*([LMAX;LMIN]);

ADOWN=H(1)

BDOWN=H(2)

DL=AUP;

6. Chương trình viết cho hàm chuyển mạch

% This function allow to chose the commutation instants of the semeconductor

function [sys,x0,str,ts] = cmpt(t,x,u,flag)

% Dispatch the flag. The switch function controls the calls to

% S-function routines at each simulation stage.

switch flag,

case 0

[sys,x0,str,ts] = mdlInitializeSizes; % Initialization

case 3

sys = mdlOutputs(t,x,u); % Calculate outputs

case { 1, 2, 4, 9 }

sys = []; % Unused flags

otherwise

error(['Unhandled flag = ',num2str(flag)]); % Error handling

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

end;

72

% End of function chuyenmach

%Below are the S-function subroutines that tcm.m calls.

%=======================================================

% Function mdlInitializeSizes initializes the states, sample

% times, state ordering strings (str), and sizes structure.

%========================================================

function [sys,x0,str,ts] = mdlInitializeSizes

% Call function simsizes to create the sizes structure.

sizes = simsizes;

% Load the sizes structure with the initialization information.

sizes.NumContStates= 0;

sizes.NumDiscStates= 0;

sizes.NumOutputs= 1;

sizes.NumInputs= 5;

sizes.DirFeedthrough=1;

sizes.NumSampleTimes=1;

% Load the sys vector with the sizes information.

sys = simsizes(sizes);

%

x0 = []; % No continuous states

%

str = []; % No state ordering

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

%

73

ts = [-1 0]; % Inherited sample time

% End of mdlInitializeSizes.

%========================================================

% Function mdlOutputs performs the calculations.

%========================================================

function sys = mdlOutputs(t,x,u)

global V;

teta=u(1);

e=u(2);

i=u(3);

TETAON=u(4);

TETAOFF=u(5);

sys=0;

if (teta>=TETAON)&(teta<=TETAOFF)

sys = e;

elseif (teta>TETAOFF)

if (i>0)

sys=-V;

elseif (i<=0)

sys=0;

end;

end;

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

% End of mdlOutputs.

74

7.Chương trình khởi động mô hình phi tuyến

% int2.m- Non-linear model

% Chuong trinh nay khoi tao cac bang tra su dung trong mo hinh SRM phi tuyen

%The initial file for the non-linear model of SRM

%table.m

global TETAON TETAOFF TETAS V

NS=6

NR=4

P=3;

TETAS=(2*pi)*((1/NR)-(1/NS))

TETAON=0

TETAOFF=30*(pi/180)

TETAIN=15*(pi/180)

V=150

R=1.30

J=0.0013;

F=0.0183

%A = [0 0 0 0 0 0;0.1 0.2 0.3 0.5 0.75 1.1;0.2 0.4 0.9 1.5 2.3 3.1;0.8 1.8 3.2 4.7 6.2

7.5;0.8 2.3 3.8 5.6 7 8.6;0.8 2.3 3.8 5.6 7 8.4;0.8 2.3 3.7 5.3 6.5 7.4;0.75 2.05 3.3

4.2 5 5.3;0.7 1.5 2 2.5 2.7 3;0 0 0 0 0 0];

%Arow = [0:5:45];

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

%Acol = [5 8 11 14 17 20];

75

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1) Kỷ yếu khoa học (từ năm 2000 – 2002) - Trường ĐHBK Hà Nội

2) Bïi Quèc Kh¸nh, NguyÔn V¨n LiÔn, Ph¹m Quèc H¶i, D­¬ng V¨n Nghi

§iÒu chØnh tù ®éng truyÒn ®éng ®iÖn

3) NguyÔn Phïng Quang, Andreas Ditrich : TruyÒn ®éng ®iÖn th«ng minh.

4) NguyÔn Phïng Quang : MATLAB & SIMULINK dµnh cho kü s­ ®iÒu khiÓn

tự ®éng.

5) NguyÔn Phïng Quang : SRM vµ triÓn väng øng dông trong c¸c hÖ thèng

Mechatronics (B¸o c¸o héi nghÞ toµn Quèc vÒ c¬ ®iÖn tö lÇn 1)

6) NguyÔn BÝnh: §iÖn tö c«ng suÊt.

7) Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu

Máy điện - Tập 1, tập 2 .

8) Michael T.Dirento: Switched reluctance motor - Basic control.

9) Gorazd Stumberger, Bojan Stumberger, Drago Dolinar: Identification of

Linear Synchonous Reluctance Motor Parameter. 17, 2000, Slovania.

10) F.Soares and P.J.Costa Branco: Simulation of a 6/4 Switched Reluctance

Motor Báed on Matlab/Simulink Envinronment.

11) Ing. Martin MANA, Doctoral Degree Programe:

Mathematical model Switched Reluctance Motor.

12) Miller, T.J.E: Optimal Design of Switched Reluctance Motors. IEEE

Trans.OnIE, vol.49, No 1, Feb.2002,PP.15- 27.

13) Arefee, M. S: Implementation of a Current Controlled Switched

Reluctance Motor Drive . Texas Instruments Application Report SPRA282,

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Sept.1998