Tài liệu Đề tài Nguyên lý, cấu trúc, điều khiển động cơ từ kháng: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
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.
Tác giả luận văn
Phạm Hồng Kiên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
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
ngh...
79 trang |
Chia sẻ: hunglv | Lượt xem: 1476 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem trước 20 trang mẫu tài liệu Đề tài Nguyên lý, cấu trúc, điều khiển động cơ từ kháng, để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
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.
Tác giả luận văn
Phạm Hồng Kiên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
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
Phạm Hồng Kiên
Mục lục
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
1
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
2.3.1. Phương trình cân bằng điện từ ........................................... 31
Mục lục
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
2
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
Tài liệu tham khảo ......................................................................................... 75
Các ký hiệu, các chữ viết tắt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
3
CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
TT Ký hiệu Diễn giải
1 Dk Tỷ lệ bề rộng xung điều chế
2 i Dòng chảy qua cuộn dây của SRM
3 L Điện cảm của SRM
4 m Số pha của Stator
5 mN Momen quay của ĐCTK
6 pc Số đôi cực
7 R Điện trở của cuộn dây pha Stator của ĐCTK
8 U Điện áp cuộn dây pha của ĐCTK
9 UDC, Utrans, Udiode Điện áp mạch một chiều, điện áp sụt trên Transitor
trên Diode
10 z Số răng của Rotor
11 ψ Từ thông của cuộn dây pha của ĐCTK
12 ϕ Góc lệch trục
13 rs ϑϑ , Bước góc của cực Stator, răng Rotor
14 ω Vận tốc góc của Rotor
Danh mục hình vẽ, đồ thị
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
4
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
STT Ký hiệu Diễn giải
1 Hình 1.1 Sttator của ĐCTK loại 6/4
2 Hình 1.2 ĐCTK loại 6/4
3 Hình 1.3 Rotor của ĐCTK
4 Hình 1.4 Một số loại SRM điển hình
5 Hình 2.1 Động cơ từ kháng
6 Hình 2.2 Vị trí đồng trục của Rotor và cực active
7 Hình 2.3 Cấu trúc ĐCTK 8/6
8 Hình 2.4
Trình tự đóng cắt nguồn sA, sD, sC, sB, sA,.... để tạo
ra chuyển động quay theo chiều kim đồng hồ.
9 Hình 2.5
Trình tự đóng cắt nguồn sA, sB, sC, sD, sA.... để tạo
ra chuyển động quay ngược chiều kim đồng hồ.
10 Hình 2.6 Đặc tính cơ của ĐCTK
11 Hình 2.7 Năng lượng t ừ trong cuộn dây stator
12 Hình 2.8 Cơ năng của SMR
13 Hình 2.9 Phương pháp cơ bản điều khiển SMR
14 Hình 2.10 Sơ đồ chuyển mạch của SMR 3pha 6/4
15 Hình 2.11 Tín hiệu điều khiển SMR trong vùng tốc độ cao.
16 Hình 2.12
Cuộn dây pha
a, Khi dẫn dòng b, Khi nạp dòng trở lại nguồn
17 Hình 2.13 Sơ đồ nghịch lưu 2m
18 Hình 2.14 Sơ đồ nghịch lưu m+1
Danh mục hình vẽ, đồ thị
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
5
STT Ký hiệu Diễn giải
19 Hình 2.15 Sơ đồ nghịch lưu m+2
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
27 Hình 3.1 Sơ đồ mạch điều khiển SRM dạng 2m
28 Hình 3.2 Quan hệ L = L( ϕ , i) của SMR
29 Hình 3.3 Quan hệ từ thông theo dòng điện và vị trí rotor
30 Hình 3.4 Quan hệ mN = mN( ϕ , i)
31 Hình 3.5 Mô hình mô phỏng ĐCTK ở chế độ tuyến tính
32 Hình 3.6
Mô hình mô phỏng c ấu trúc điều khiển một pha của
SMR ở chế độ tuyến tính.
33 Hình 3.7 Tốc độ động cơ ở chế độ tuyến tính
34 Hình 3.8 Momen tổng của SRM ở chế độ tuyến tính
35 Hình 3.9 Momen pha của SRM ở chế độ tuyến tính
36 Hình 3.10 Dòng pha của SRM ở chế độ tuyến tính
Danh mục hình vẽ, đồ thị
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
6
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
42 Hình 3.16 Đặc tính tốc độ SMR phi tuyến
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
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
Phạm Hồng Kiên
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
--------------------------------------
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGHIÊN CỨU 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
Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
8
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 dụng 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
máy điện có cực ở cả hai phía.
Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
9
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
truyền động đang ngày càng phát triển. Động cơ tuyến tính có thể ứng dụng trong
Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
10
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
được nhận biết bởi các thí nghiệm áp dụng trên một LSRM cung cấp bởi
Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
11
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
trình điện áp (1) và phương trình (2).
}{ abcabcabcabc iLdt
dTiu += (1.1)
abc
abcT
abce ix
Lif
∂
∂
=
2
1 (1.2)
T
cbaabc uuuu ][= , Tcbaabc iiii ][= (1.3)
Trong đó:
x: Vị trí của phần chính.
fe: Động lực cơ.
R: Điện trở.
Ua, Ub, Uc, và ia, ib, ic là điện áp và cường độ dòng điện của các pha.
Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
12
Ma trận của độ tự cảm Labc được viết dưới dạng:
+
+
+
=
321222
122232
223212
cLLcLcL
cLcLLcL
cLcLcLL
L
gggg
gggg
gggg
abc (1. 4)
Trong đó:
)2cos(1 xp
c
τ
Π
=
)
3
22cos(2
Π
+
Π
=
p
c
τ
02
3
gsLg LLL +=
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
bậc hai của từ thông móc vòng đi qua khe không khí.
+=
mgmd
g RR
NL 11
2
2
0 (1.5)
+=
mgmd
g RR
NL 11
2
2
2 (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
uabc) trong (1) và (2) với biểu thức bên phải (7).
Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
13
=
=
00
,
u
u
u
T
u
u
u
i
i
i
T
i
i
i
q
d
c
b
a
q
d
c
b
a
(1.7)
Π
=
Π
−
Π
−
Π
Π
−
Π
−
Π
−
Π
Π
−
Π
=
2
2)
3
2sin()
3
2cos(
2
2)
3
4sin()
3
4cos(
2
2)sin()cos(
3
2
x
p
x
p
x
p
x
p
x
p
x
p
T
ττ
ττ
ττ
(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
chuyển động của phần chính
−Π
+
+
=
q
dq
dq
d
q
d
q
d
q
d
i
iL
Ldt
dx
pi
i
dt
d
L
L
i
iR
u
u
0
00
0 τ
(1.9)
qdqd
p
e iiLLf )( −
Π
=
τ
(1.10)
dt
dxbff
dt
xdm le −−=2
2
(1.11)
Ld =LsL+ 2
3 (Lg0+ Lg2)
Ld =LsL+
2
3 (Lg0 - Lg2)
(1.12)
Lq và Ld điện cảm xác định trên trục d – q theo (12)
Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
14
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
(id, iq) dưới những điều kiện hoạt động khác nhau.
Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
15
Độ tự cảm Ld(id,iq) có thể được xác định theo các khối chính trong
trường hợp này 0=
dt
dx . Từ (9) cùng với (13)
dt
dRi
dt
diLRi ddddd
ψ
+=+=du (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
bằng điện áp đã ghi lại: ud = ud (t) và dòng điện id = id (t) bởi (14).
∫ −=
t
ddd dRiut 0 ))()(()( τττψ (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
Hình 1.1 dưới đây là dạng Stator của SRM với 6 cực từ.
Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
16
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.
Hình 1.2 ĐCTK loại 6/4
Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
17
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 ..
Hình 1.4 giới thiệu một số loại SRM khác nhau.
Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
18
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
d, Loại 5 pha 10 cực stator|8 răng rotor
Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
19
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
tự vào từng cặp dây pha làm giảm được 50% số lượng các phần tử chuyển
Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
20
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
cầu chung nhất về làm việc trong cả bốn góc phần tư (chế độ làm việc
Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
21
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
nữa của SRM khác biệt so với các loại động cơ khác là mối quan hệ giữa
Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
22
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
mô hình SRM trên môi trường mô phỏng Matlab – Simulink.
Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
23
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
a, Đường sức từ ngắn b, Đường sức từ dài
Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
24
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
trường Stator sẽ quay sau mỗi xung một góc là:
mp
V
c
s 2
3600
= (2.1)
Nếu số răng của Rotor là z, sau mỗi xung Rotor sẽ quay một góc:
zm
Vr
0360
= (2.2)
Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
25
Tức là quay chậm hơn:
Ζ
= c
s
r p21
ϑ
ϑ (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
với 1 pha xác định nào đó nếu như tại thời điểm có điện cảm của cuộn dây
Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
26
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,
SD, SC, SB, SA… để tạo ta chuyển động quay theo chiều kim đồng hồ.
Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
27
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
cũng dẫn đến làm tăng giá thành của SRM cũng như hệ truyền động sử
Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
28
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
(tương ứng với vị trí đ ồng trục).
Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
29
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
vị trí của Rotor.
Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
30
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
tới giá trị tốc độ cơ bản.
Hình 2.6 Đặc tính cơ của ĐCTK
M
o
m
en
Tốc độ
Giới hạn dòng
Công suất không đổi
T=1/ω
Vùng tốc độ rất cao
T=1/ω2
Tốc độ cơ bản
Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
31
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
lên 2 lần thì Momen đầu trục động cơ giảm đi 2 lần.
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
trong cuộn dây tích cực sẽ tạo ra một từ thông móc vòng trong cuộn dây
Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
32
này, và mối quan hệ giữa điện áp và từ thông cuộn dây tích cực sẽ được
viết theo định luật Faraday như sau:
U = i.R +
dt
dψ (2.5)
Trong đó:
U: Là điện áp trên 2 đầu cực của cuộn dây tích cực.
i: Dòng điện chảy trong cuộn dây pha Stator.
R: Điện trở cuộn dây pha Stator.
ψ : Từ thông móc vòng trong 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:
U = i.R +
dt
d
dt
di
i
ϕ
ϕ
ψψ ..
∂
∂
+
∂
∂ (2.6)
Trong đó:
i∂
∂ψ được xác định bởi đường cong từ hoá L( ),iψ
đặt ( )iKb .ϕϕ
ψ
=
∂
∂
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
luỹ trong cuộn dây pha của SRM sẽ được chuyển đổi thành cơ năng trên
Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
33
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:
U.i = i2R + i
dt
dψ (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).
Do đó ta có:
i.
dt
dW
dt
dW
dt
d fm +=ψ (2.8)
Trong đó:
Wm: Cơ năng của SRM
Wf: Là năng lượng từ tích luỹ trong cuộn dây Stator của SRM.
Mặt khác ta lại có:
dt
dmm
dt
dW
NN
m ϕω .. == (2.9)
Thay (2.9) vào (2.8) ta thu được:
i.
dt
dW
dt
dm
dt
d f
N +=
ϕψ (2.10)
Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
34
Biến đổi phương trình (2.10) ta thu được phương trình Momen của SRM
như sau:
( ) ( ) ( )
ϕ
ϕψ
ϕ
ψϕψϕψ
d
dW
d
dim fN
,
.,, −= (2.11)
Và trong trường hợp từ thông là không đổi thì (2.11) là:
ϕd
dW
m fN −= (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
của động cơ là hằng số 0=
dt
dϕ , tích phân hai vế phương trình (2.10) thu
được giá trị của từ năng tích luỹ trong cuộn dây là:
Wf = ∫
ψ
0
(i ϕ, )ψ dψ (2.13)
Hình 2.7 Năng lượng t ừ trong cuộn dây stator
Wf từ năng tích luỹ trong
cuộng dây tích cực
Ứng với ϕ, đường cong từ hoá xác
định dòng điện trong cuộn dây là
hàm của từ thông i = i(ϕ,ψ)
Dòng điện i
T ừ
th
ôn
g
ψ
Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
35
Hình 2.8 Cơ năng của SMR
Khi tốc độ động cơ là hằng số nghĩa là ϕ không thay đổi (tức là
0=
dt
dϕ ) thì đường cong từ hóa là một hàm biểu diễn từ thông Stator biến
thiên theo dòng điện i chảy trong cuộn dây tích cực.
Và như vậy cơ năng có ích trên trục động cơ được biểu diễn:
Wc = ∫
i
dii
0
),(ϕψ (2.14)
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)
Kết hợp hai phương trình (2.11) và (2.16) ta có:
mN =
[ ]
ϕ
ψψψψ
d
idWdididi c ),(... −+− (2.17)
Wc từ năng tích luỹ chuyển
thành cơ năng
Ứng với ϕ, đường cong từ hoá xác
định từ thông trong cuộn dây là hàm
của dòng điện ψ = ψ(ϕ,i)
Dòng điện i
T ừ
th
ôn
g
ψ
Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
36
Phương trình (2.17) biểu diễn Momen tổng của SRM: Xét một cách đơn
giản, dòng cấp vào các cuộn dây pha là hằng số, ta có:
dWc( ),iψ = ϕ∂
∂ cW dϕ +
i
Wc
∂
∂ di (2.18)
Từ phương trình (2.17), (2.18) ta có:
mN =
ϕ∂
∂ cW khi i là hằng số (2.19)
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:
Wc = 2
2i .L(ϕ) (2.21)
Thay phương trình (2.21) vào (2.19) ta thu được phương trình Momen tối
giản:
mN =
ϕd
dLi .
2
2
(2.22)
Phương trình (2.22) chỉ ra rằng, khi tốc độ và dòng điện cấp vào các
cuộn dây pha là hằng số thì Momen của SRM chỉ là hàm của biến thiên
Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
37
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:
j.
dt
dω = mN – Bm.ω - mL (2.23)
mN = ∑
=
m
j
Njm
1
(2.24)
mNj = j
i
di
Þ
.
)(
1
0
∫ ∂
∂
ϕ
ψ
(2.25)
ϕj = Nrϕ - m
j )1(2 −π (2.26)
Trong đó:
J: Momen quán tính của động cơ SRM [Nm].
Bm: Hệ số ma sát trên trục động cơ.
ω : Vận tốc góc trên trục động cơ [rad/s].
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.
mNj: Momen sinh ra bởi pha thứ j.
Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
38
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
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
thường được thiết kế để vận hành ở chế độ bão hoà rất sâu, điều này làm
Điện cảm
lý tưởng
Dòng điện
lý tưởng
Dòng điện
thực
Xung áp
điều khiển
Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
39
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
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
thường, dòng điện chảy trong cuộn dây pha được điều chỉnh nhờ một
Mô men
Dòng điện
Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
40
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
hành khi tăng tốc độ động cơ được giới thiệu trong hình 2.11.
Hình 2.11. Tín hiệu điều khiển SMR trong vùng tốc độ cao.
Dạng tín hiệu
cuộn cảm Stator
Dạng tín hiệu
dòng điện Stator
Dạng tín hiệu
xung áp điều
khiển
Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
41
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
IGBT và 2m diode. Lúc này, NL được gọi là NL 2m (hình 2.13). Do khá
Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
42
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
phải giảm hệ số điều chế và do đó giảm hiệu xuất tận dụng NL, ở dải tốc
Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
43
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
chiều, khi ấy ta chỉ cần thuần tuý đóng ngắt các cuộn dây pha, diễn biến
Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
44
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:
u = Ri +
dt
dψ (2.27)
Để đơn giản, ta hãy bỏ qua điện trở R và viết:
ω
ϕ
ϕϕ
d
dLi
dt
diLu )()( += (2.28)
Trong (2.28) điện cảm L là một tham số phụ thuộc vị trí ϕ của
rotor. Để tính cô ng suất ta hãy nhân 2 vế của (2.28) với dòng i:
ω
ϕd
dLi
dt
diLiui 2+= (2.29)
hoặc:
= 2
2
1 Li
dt
dp + ω
ϕd
dLi 2
2
1 (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
phát hoàn toàn do dấu của
ϕd
dL quyết định.
Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
45
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
Rotor, nơi có dấu của
ϕd
dL khác nhau.
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
(hình 2.17).
Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
46
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
2.18 sau đây.
Hình 2.18 Các nguồn thông tin về vị trí Rotor chứa trong phương trình
điện áp của SRM có m pha
∑
=
+=
m
k
kjô dt
dRiu
1
ψ
∑
=
∂
∂
++
∂
∂
+=
m
k
kj
k
k
kj
k
k
kj
kj
L
i
dt
diL
dt
di
i
L
iRiu
1
ω
ϕ
Thông tin về vị trí Roto được xác
định qua các đại lượng này
1 2 3
Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
47
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
xuất phát điểm là phương trình điện áp:
∑
=
+=
m
k
kjjj dt
dRiu
1
ψ (2.31)
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
góc. Với giá trị góc, hệ thống có thể đưa ra quyết định chính xác để
Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
48
chuyển mạch 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
cảm biến đo vị trí như sau (hình 2.21).
Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
49
Hình 2.21 Cấu trúc hệ thống được mở rộng thêm khâu chuyển mạch
không cần cảm biến vị trị
Trên cơ sở so sánh giữa gi á trị thực của từ thông
^
ψ (tính từ dòng đo
được) với giá trị từ thông chuẩn tại vị trí đồng trục
*
ψ , khâu logic sẽ ra
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.
Điều kiện chuyển mạch được minh hoạ dễ hiểu ở hình 2.22.
Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
50
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:
−+=+
ótdu
kkkk RiuTψψ 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
như sau:
ustd = ( ) ( )
++−=−
tonthatu
kkdiodektranskDCkk RiiuiuduRiu (2.34)
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
– line (xem tài liệu ) để xác định rõ đường đặc tính đó.
Chương II: Nguyên lý, cấu trúc điều khiển động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
51
Một mặt, trên cơ sở khoảng thời gian đo được t∆ (hình 2.22), ta sẽ
dễ dàng sử dụng (2.2) để tính vận tốc của Rotor:
trr ∆=
ϑω (2.35)
Chương III: Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
52
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
SRM dạng 6/4.
Chương III: Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
53
3.1 MÔ HÌNH SRM TUYẾN TÍNH
Với SRM loại 6/4, ta áp dụng phương trình cân bằng điện từ cho
mỗi pha như sau:
( )
URi
dt
id
j
jj =+
,ϕψ
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
tuyến tính sau:
( ) ( ) jjj iLi ., ϕϕψ = (3.2)
và năng lượng tổng hợp của 3 pha của SRM loại 6/4 là:
( )( )∑ −−+=Σ
3
1
2.1
2
1
js ijnLW ϕϕ (3.3)
và Momen tổng là:
( )( ) 2
3
1
.1
2
1
j
s
N id
jmdLm ∑ −−+= ϕ
ϕϕ (3.4)
Phương trình chuyển động của hệ thống là:
ωω fmm
dt
dJ LN === với dt
dωω = (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
những tác vụ cụ thể phục vụ riêng cho mô hình hệ thống SRM như sau:
Chương III: Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
54
* Khối chuyển mạch
Khối này có tác dụng đảm bảo thực hiện chuyển mạch của khối
nghịch lưu công suất tại thời điểm ϕ on, ϕ off và duy trì cấp nguồn cho cuộn
dây pha trong thời gian ϕ d.
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
cứ khối chức năng nào trong mô hình mô phỏng.
Chương III: Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
55
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
của mô hình.
Chương III: Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
56
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
sau:
+ Quan hệ từ thông: ( )iL .ϕψ = (3.6)
+ Phương trình năng lượng: W= ( ) 2.
2
1 iL ϕ (3.7)
+ Phương trình Momen 2.
2
1 i
d
dLmN ϕ
= (3.8)
a
a’
b
b’
c
c’
a
a’
b
b’
c
c’
Chương III: Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
57
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 ϕ on = 0, ϕ off = 30 và SRM hoạt
động không tải. Trong hình 3.7, thấy rằng góc ϕ off 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: ϕ on = 0, ϕ off = 30, dòng pha I = 5A, mà SRM hoạt động trong
chế độ không tải.
Theo đó ta sử dụng 2 chiến lược điều khiển SRM.
Chương III: Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
58
*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 ϕ on cho đến thời điểm ϕ off. Sau đó nguồn điện áp bị đổi
chiều cho tới một thời điểm xác định ứng với ϕ = ϕ d (gọi là góc khử từ)
sao cho từ thông trong cuộn dây giảm nhanh về không.
Xuất phát từ phương trình điện áp:
dt
dRiu ψ+= và ( )iL . ϕψ = (3.9)
Và: di
I
dd ..
∂
∂
+
∂
∂
=
ψϕ
ϕ
ψψ (3.10)
Suy ra: ( ) ωϕω
ϕ
ψ
dt
diL
d
dLi
dt
d .. += (3.11)
Do đó: U = R.i+
ϕ
ϖω
d
dLi
dt
dIL .).( + (3.12)
Trong đó:
ϕ
ω
d
dLi. là sức phản điện động sinh ra trong cuộn dây.
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
góc mở onϕ sao cho cả điện cảm và sức điện động là nhỏ nhất.
Trong mô hình SRM tuyến tính, giá trị 0=
ϕd
dL . Tuy nhiên, khi Rotor
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
tượng bão hoà trong mạch từ lên đặc tính làm việc của SMR. Để thực hiện việc
Chương III: Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
59
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
H ình 3.3 Quan hệ từ thông theo dòng điện và vị trí rotor
Chương III: Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
60
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
cuộn dây Stator.
Chương III: Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
61
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
ở chế độ tuyến tính.
Chương III: Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
62
Hình 3.7 Đặc tính tốc độ động cơ ở chế độ tuyến tính
Hình 3.8 Momen tổng của SRM ở chế độ tuyến tính
Chương III: Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
63
Hình 3.9 Momen pha của SRM ở chế độ tuyến tính
Hình 3.10 dòng pha của SRM ở chế độ tuyến tính
Chương III: Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
64
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
ở chế độ phi tuyến
Chương III: Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
65
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
x 10
-3
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
Hình 3.13 Mômen pha của SMR phi tuyến
0 1 2 3 4 5 6 7 8
x 10
-3
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Hình 3.14 Mômen tổng của SMR phi tuyến
M
o
m
en
t(S)
M
o
m
en
t(S)
Chương III: Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
66
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
x 10
-3
0
1
2
3
4
5
6
Hình 3.15 Dòng tổng của SMR phi tuyến
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Hình 3.16 Đặc tính tốc độ SMR phi tuyến
t(S)
t(S)
Tố
c
đ ộ
D
òn
g
đi
ện
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
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
năng khai thác cả về phương diện học thuật và thực tế.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
68
PHỤ LỤC
1.Bảng dữ liệu quan hệ từ thông/dòng điện/góc teta.
2.Bảng dữ liệu quan hệ dòng điện/ góc Teta/
didpsi
1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
69
3.Bảng dữ liệu quan hệ dòng điện/ góc Teta/đạo hàm từ thông theo góc
Teta
4.Bảng dữ liệu quan hệ dòng điện/ góc Teta/Momen
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
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;
LMIN=8e-3;
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
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
end;
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
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
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;
% End of mdlOutputs.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
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];
%Acol = [5 8 11 14 17 20];
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
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,
Sept.1998
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- LV_09_CN_TDH_PHK.pdf