Thiết kế hệ truyền động cho động cơ từ trở thay đổi (SRM), có file mô phỏng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
KHOA ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA

ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
ĐỀ TÀI
Thiết kế hệ truyền động cho động cơ từ trở thay đổi
(Switched reluctance motor).

Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Ngọc Khốt
Nhóm sinh viên/ sinh viên thực hiện:
Nhóm 1:
1. Nguyễn Trung Hiếu – MSV: 18810430214
2. Vũ Nhật Long –MSV: 18810430156
3. Trần Mạnh Cường – MSV: 18810430166
Lớp: D13TDH&DKTBCN2

HÀ NỘI, 6/2022


MỤC LỤC


DANH SÁCH HÌNH VẼ

DANH SÁCH BẢNG


ĐỀ BÀI BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ

Đề bài: Thiết kế hệ truyền động cho động cơ từ trở thay đổi (Switched reluctance
motor).

1) Giới thiệu chung (tổng quan) về động cơ từ trở thay đổi (SRM). Cấu tạo,

nguyên lý làm việc, phân loại.
2) Phân tích nguyên tắc điều khiển tốc độ cho động cơ từ trở thay đổi.
3) Lựa chọn 1 mô hình điều khiển dịng điện, tốc độ cho SRM. Tính tốn, mơ
phỏng, kiểm nghiệm phương pháp bằng phần mềm MATLAB/Simulink.

Ngày 04, tháng 03 năm 2022
Giáo viên hướng dẫn

TS. Nguyễn Ngọc Khoát

4


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ THAY ĐỔI

Trong những năm gần đây, động cơ tử trở (SRM) đã lụi cuốn sự chú ý để đưa
vào ứng dụng trong công nghiệp điều khiển tốc độ cao. Khả năng nổi trội như tính
mạnh mẽ chắc chắn, mạch vịng điều khiển kín đơn giản, hiệu quả kinh tế cao ...
Ngày nay, truyền động SRM là động cơ chính thơng qua các ứng dụng tự động
quan trọng như thiết bị lái bằng điện, bộ phận tích hợp máy phát điện xoay chiều, và
máy bơm. Khuynh hướng tương tự được tiến hành trong các lĩnh vực khác của công
nghiệp như thiết bị nội thất, không gian vũ trụ và dụng cụ khai thác mỏ công suất lớn.
Nghiên cứu sự đang phát triển trên toàn thế giới và sự tiến triển trên các khía cạnh thay
đổi của bộ truyền động SRM để đạt kết quả tiến bộ thật sự.
1.1 Tổng quan về động cơ từ trở
Ra đời cách đây gần 200 năm, SRM có thể được coi là một trong những loại
máy điện đầu tiên trên thế giới, nhưng SRM vẫn không được chú trọng phát triển do
một số nhược điểm mang tính tiền định có nguồn gốc từ nguyên lý động cơ:

Momen quay chứa nhiều sóng hài bậc cao gây ra nhiều tiếng ồn hơn nhiều so với các
loại động cơ khác.
Hiệu suất của các hệ truyền động sử dụng SRM thấp hơn (cosϕ ∼ 0,5) so với
những hệ truyền động dùng các loại động cơ khác (cosϕ ∼ 0,7 ÷ 0,8). SRM bắt đầu
phát triển vào 1972 khi Bedfford được cấp bằng sáng chế độc quyền ra nó. SRM nhận
được sự quan tâm sau mẫu làm việc tại đại học Leeds và Nottingham năm 1980. Nó
tiếp tục được nghiên cứu trên toàn thế giới, đặc biệt ở Châu Âu và ở Mỹ. Kết quả được
công bố khác nhau, ở dạng cấp bằng sáng chế hoặc ứng dụng. Sau gần 30 năm nghiên
cứu SRM, đã xuất hiện máy điện SRM đơn giản nhất, tuy nhiên vẫn tồn tại nhiều
nhược điểm và cần được nghiên cứu xa hơn.
Trong những năm gần đây, do công nghệ bán dẫn phát triển mạnh mẽ và thu
được nhiều thành cơng đáng kể thì SRM đã và đang được quan tâm ngày càng nhiều,
được biết đến với tên “động cơ từ trở thay đổi” – switched Reluctance Motor (SRM).
Máy điện từ trở thay đổi có 2 đặc điểm nổi bật:
- Hoạt động trong trạng thái đóng ngắt liên tục, đây là lý do chủ yếu giải thích
tại sao SRM chỉ được quan tâm ngày phát triển khi ngành vật liệu bán đẫn đạt
được những thành công vượt trội.
- Từ trở: cả Roto và stato đều có sự thay đổi từ trở (điện kháng phức tạp) khi
động cơ làm việc, hay nói cách khác SRM là loại máy điện có cực ở cả 2 phía.
Bộ truyền động động cơ từ trở là tương đối mới trong truyền động tốc độ thay
đổi. Bộ truyền động động cơ từ trở là truyền động tốc độ thay đổi với cấu trúc đơn
5


giản, dải tốc độ rộng, hiệu suất năng lượng tốt, tỷ số momen quán tính lớn và tỷ số
tương quan giữa nguồn và momen cao. Cấu trúc đơn giản của SRM sẽ làm nó rẻ hơn
các bộ truyền động tốc độ thay đổi khác trong đa số nhà cung cấp. SRM có tính linh
hoạt trong vận hành khi truyền động ở cả 4 góc phần tư với điều khiển độc lập tốc độ
và momen ở vùng quá tốc độ. Vùng tốc độ và momen cao đó loại trừ là cần thiết vì đắt
và bánh răng cơ khí và hộp truyền động phức tạp.

1.2 Cấu trúc cơ bản của động cơ từ trở thay đổi

Hình 1.1 Cấu trúc động cơ 6/4 SRM (pha A không thẳng hàng)
Cũng giống như các loại động cơ khác, SRM được cấu tạo bởi hai phần chính:
Stato: Khơng giống như các loại máy điện ba pha khác - loại máy điện có các
cuộn dây có thể phân tán tùy theo số đôi cực, stator của SRM có cấu tạo bởi nhiều cực
từ chứa các cuộn dây tập trung.
Roto: Hoàn toàn khác biệt với Roto của các loại máy điện khác, Roto của SRM
không chứa các cuộn dây và được chế tạo bằng vật liệu sắt từ có xẻ răng với tổng số
răng bao giờ cũng ít hơn tổng số cực của Stato, việc chế tạo này hoàn toàn dựa trên
nguyên tắc hoạt động của SRM sẽ được đề cập đến ở phần sau. Hình 1.1 chỉ rõ cấu
trúc của động cơ từ trở 3 pha 6/4 (6 cực stato và 4 cực roto)
Như hình 1.1 ta thấy động cơ SRM có cự lồi ở cả roto và stato, vì vậy SRM là
động cơ lồi cả hai cực. Máy điện có 4 cực roto và 6 cực stato nên nó được gọi là động
cơ 6/4 SRM. Mỗi cực stato có cuộn dây quấn xung quanh. Hai cuộn dây của hai cực
stato đối ngược nhau được nối nối tiếp hoặc song song để tạo nên một pha stato.
Không có cuộn dây trong roto cũng như bất cứ từ trường nào trong roto.

6


Trong hình 1.1, khi cuộn dây pha C - C’ của stato được kích thích dịng pha đổi cực sẽ cảm ứng tạo nên trên cực stato một trường điện từ. Trường điện từ này sẽ
cảm ứng trên đôi cực 1 - 1’ của roto, trường điện từ làm quay 1 - 1’ của roto - về phía
gần pha C - C. Trong suốt quá trình quay, điện cảm từ thơng móc vịng giảm và đạt giá
trị nhỏ nhất khi cực roto thẳng hàng với cực stato. VD cực 1 - 1 thẳng hàng với cực C C’. Sự thay đổi điện cảm trong quá trình quay là đặc trưng cơ bản của động cơ SRM.
Nếu 3 pha được kích thích lần lượt liên tiếp, pha C - C’, đến pha A - A’, pha B B’ rồi đến pha C – C’, roto sẽ quay theo bước, mỗi bước một góc θs.

2π
θs = 
qnR

(1.1)

Trong đó: q là số pha, NR là số đơi cực, trong hình 1, θs =

Hình 1.2 Cấu trúc động cơ 6/4 SRM (Pha A thẳng hàng)
Hình 1.2, biểu diễn động cơ 6/4SRM với roto thẳng hàng với pha A - A’. Hình
1.2 roto thẳng hàng với soto pha A - A’, ngược lại với hình 1 roto không thẳng hàng
với stato pha A - A’. Vị trí thẳng hàng là điểm trạng thái cân bằng mà tại đó dịng pha
khơng cung cấp momen nhưng sự lệch hướng ngỏ của roto sẽ cung cấp momen để đẩy
roto trở lại. Trái lại, vị trí khơng thẳng hàng là trạng thái khơng cần bằng bởi vì bất kỳ
sự di chuyển nhỏ của roto tạo nên sự chuyển động.
SRM có nhiều loại, tùy thuộc theo yêu cầu cụ thể về tốc độ, công suất ... với
vùng nguồn từ 100 W đến 75kW và với tốc độ khoảng 250 đến 3000 rpm.

7


1.3 Nguyên lý hoạt động
Sự chuyển động của động cơ SRM được gây ra bởi sự thay độ tự cảm trong khe
hở khơng khí giữa roto và stato. Khi cuộn dây stato được cấp nguồn, cung cấp một
trường từ trường đơn cực, momen điện từ được sinh ra bởi khuynh hướng dịch chuyển
của roto đến vị trí sao cho từ trở mạch từ là nhỏ nhất. Khi cực roto có vị trí đồng trục
tương ứng với cực stato có dây quấn của pha đang được kích từ, như hình 1.3, khơng
có momen bởi vì nó là mặt trực giao (coi như khe hở nhỏ). Tại vị trí này, độ tự cảm là
lớn nhất khi từ trở nhỏ nhất (bỏ qua từ trở mạch từ trường). Nếu dời roto khỏi vị trí đó,
nó sẽ sinh ra một momen để có khuynh hướng mang roto quay lại vị trí đồng trục.
Nếu dịng được đưa vào pha khi tại vị trí lệch trục, như hình 1.3 sẽ khơng sinh
ra momen (hoặc rất ít). Nếu chuyển roto khỏi vị trí lệch trục, khi đó momen quay dời
roto tới vị trí thẳng hàng tiếp theo.

Hình 1.3 Vị trí đồng trục

Hình 1.4 Vị trí lệch trục
Momen quay của SRM có đường phân bố trên bề mặt Roto lặp lại theo chu kỳ
của răng. Trong mỗi chu kỳ đều có hai vị trí: vị trí đồng trục và vị trí lệch trục. Trong
hình 1.4, cực active tiếp theo sẽ là cực lân cận phía bên phải của cực active hiện tại,
khi ấy Roto sẽ quay trái một góc là 1/4 răng. Nghĩa là: Roto ln quay ngược với

8


chiều của trường quay tạo nên từ phái stato. Gọi m là số pha của stato, 2p c là số cực
của một pha, từ trường stato sẽ quay sau mỗi xung một góc là:

Vc =

306°
2 Pcm

(1.2)

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

Vr =

306°
zm

(1.3)

Tức là qua chậm hơn:

Vr 2 Pc
  =
Vs
z

( 1.4)

lần so với từ trường quay stato. Để có thể đạt được tốc độ quay n, tần số điều
khiển fs (control frequency) cần thiết sẽ phải là:

f s = nz

(1.5)

Nguyên lý hoạt động:
Để đảm bảo SRM có thể khởi động được ở bất kỳ vị trí nào của roto và đảm
bảo momen sinh ra đều mỗi khi chuyển mạch giữa các cuộn dây pha stato, người ta đã
chế tạo các SRM có nhiều cực ở cả phía roto và stato và số cực của roto và stato là
không giống nhau và số đôi cực của stato bao giờ cũng nhiều hơn số đôi cực của roto.
Một số dạng động cơ phổ biến là 6/4 (6 cực stato và 4 cực roto), 8/6, 12/10 trong đó
6/4 và 8/6 là hai loại phổ biến nhất.
Roto của SRM được coi là nằm ở vị trí đồng trục so với một pha nào đó nếu
như tại thời điểm đó điện cảm của cuộn dây pha là lớn nhất và roto được gọi là ở vị trí
lệch trục với một pha xác định nếu như điện cảm đạt giá trị nhỏ nhất, cịn ở các vị trí
khác roto được gọi là vị trí mất đồng trục.
Khi một cuộn dây pha được dẫn dịng, roto của SRM ln có xu hướng chuyển
động về phía cực stato có cuộn dây dẫn dòng để 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. Tốc độ của
SRM có thể thay đổi bằng cách thay đổi số đôi cực của stato và số răng của của roto.
Tuy nhiên việc này làm tăng giá thành của động cơ SRM cũng như hệ truyền động sử
dụng SRM do phải tăng số lượng linh kiện rời rạc để xây dựng hệ hoặc là thay đổi tần
số đóng ngắt tuần tự các cuộn dây pha stato vào nguồn một chiều. Mối quan hệ giữa
vận tốc góc roto, với tần số đóng ngắt được thể hiện qua cơng thức (1.5).
9


Như vậy, Khi một cuộn dây pha stato được đóng vào nguồn và rõ ràng Momen
sinh ra sẽ kéo roto chuyển động theo một hướng làm điện cảm tăng dần cho tới khi giá
trị của điện cảm là lớn nhất.
Giả thiết rằng khơng có hiện tượng từ dư trong lõi thép và khơng xét tới chiều
của dịng điện chảy trong cuộn dây pha của SRM thì momen ln có chiều hướng kéo
roto chuyển động về phía vị trí đồng trục gần nhất. Vì thế chiều của momen dương
(chế độ động cơ) chỉ được xác định khi roto nằm ở vị trí lệch trục và vị trí đồng trục
tiếp theo cùng chiều với chiều quay của roto. Hay nói một cách khác là chế độ động cơ
chỉ được sinh ra khi roto quay theo chiều làm điện cảm của SRM tăng dần. Nếu số cực
của stato và số răng roto là như nhau thì mỗi một pha của stato khi được đóng vào
nguồn chỉ có thể tạo ra momen quay trên một nửa phần bề mặt của răng roto tương
ứng và kết quả là để tạo ra momen quay thì cần ít nhất 2 cặp dây stato được cấp nguồn
tại bất kỳ vị trí nào của roto.
Vì vậy mà SRM ln có cấu tạo với số đơi cực của stato bao giờ cũng nhiều
hơn số răng của roto. Như vậy, để tạo ra được momen dương cuộn dây pha stato phải
được cấp nguồn trong khi điện cảm cuộn dây này tăng dần. Tương tự, để hãm động cơ,
cuộn dây pha stato phải được cấp nguồn trong khi điện cảm cuộn dây này giảm dần.
Chú ý, cuộn dây pha stato tích cực phải được ngắt ra khỏi nguồn trước khi quá trình
tăng điện cảm trong cuộn dây này kết thúc (trong chế độ động cơ) vì như thế dịng
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 roto.
1.4 Q trình vật lý
1.4.1. Từ trở thay đổi
Từ trở của phần từ thông thay đổi theo vị trí roto, đặc biết từ trở của dịng điện
từ được tính:

R=

F Hl
l
=
=
λ BS µ S

(1.6)

Trong đó:
F: lực điện từ
λ: từ thông
H: cường độ điện trường
l: chiều dài của phần điện từ
B: mật độ từ thông
10


S: diện tích vùng từ thơng qua
μ: độ thẩm từ của vật liệu từ
l, S, μ làm cho từ trở của dòng điện từ thay đổi tương đương với thay đổi vị trí
roto. Trước khi cạnh hai cực roto và stato đi qua nhau,
từ thẩm của vật liệu từ).

µ = µ 0 µ0
(

là rất nhỏ so với độ

R lớn nhất tại vị trí khơng thẳng hàng và khơng đổi trong vùng cực roto và stato

l = const

chưa chồng lên nhau, vùng dài
. Từ vị trí chạm nhau đến vị trí thẳng hàng độ
từ thẩm μ tăng tương ứng với vùng phủ lên nhau tăng dần. Tại vị trí thẳng hàng hai
cực roto và stato chồng lên nhau lớn nhất,
trị nhỏ nhất.

y = max

tại vị trí thẳng hàng hoặc R đạt giá

Trong SRM, điện cảm L được sử dụng thường xuyên thay cho R trong các
phương trình và biểu thức của động cơ. Mối quan hệ giữa điện cảm L và điện trở R.

λ Nφ N 2
L= =
=
i
i
R

(1.7)

λ là từ thông liên kết, i là dòng điện, N là số lần đổi hướng cho mỗi pha.
Đặc tính momen động cơ từ trở phụ thuộc vào mối quan hệ giữa điện cảm stato
và vị trí roto như một hàm của dịng. Nó quan trong để có thể điều khiển và giới hạn
của bộ truyền động động cơ SRM. Điện cảm pha như hình 1.5 với dịng pha cố định.
1 2π
θ1 = [
− ( β s − β r )]
2 Pr

(1.8)

θ 2 = θ1 + β s

(1.9)

θ3 = θ 2 + ( β r − β s )

(1.10)

θ 4 = θ3 + β s
θ5 = θ 4 + θ1 =

βr , βs

(1.11)
2π
Pr

là góc cực của roto và stato tương ứng và

(1.12)

Pr

là số cực của roto.
11


Hình 1.5 Quan hệ giữa điện cảm và vị trí roto
Bốn vùng điện trở riêng biệt:

θ − θ4

θ 4 − θ5

+
và
: Cực stato và roto là không trùng nhau trong vùng này và từ
thông được xác định phần lớn bởi khe hở khơng khí, vì vậy từ thơng là nhỏ nhất và
hầu như cố định. Do đó, vùng này khơng đóng góp vào việc cung cấp momen. Điện
cảm trong vùng này được biết như diện cảm không đồng trục Lu.

θ1 − θ 2

+
: Các cực trùng nhau, vì vậy phần từ thơng chính thơng qua stato và lá
thép dát mỏng roto. Điện cảm tăng với vị trí roto, dẫn đến đường dốc, dòng điện trong
cuộn dây cung cấp một momen. Quá trình này kết thúc khi các cực trùng nhau.

θ2 − θ3

+
: Trong suốt giai đoạn này sự chuyển động của cực roto không biến đổi
được sự trùng nhau với cực stato và khơng thay đổi phần từ thơng chính. Điều này làm
cho điện cảm luôn ở giá trị max và không đổi, và điện cảm này được gọi là La. Khi đó

12


điện cảm không thay đổi trong vùng này, momen phát ra là khơng bằng phẳng khi
dịng vẫn hiện diện trong thời gian này.

θ3 − θ 4

+
: Cực roto đang rời vị trí trùng nhau với cực stato. Nó tương tự như
vùng 01 - 02 nhưng điện cảm giảm khi vị trí roto tăng, là vùng âm của điện cảm. Hoạt
động của máy trong vùng này mang lại momen âm (chế độ máy phát của động cơ
SRM).
Rất khó đạt được điện cảm lý tưởng như hình 1.5 vì sự bão hịa từ. Bão hòa từ
là nguyên nhân của nhấp nhỏ diện cảm và làm giảm hằng số momen.
1.4.2. Quá trình chuyển đổi năng lượng

Do điện trở thay đổi theo vị trí roto và bão hoà từ là một phần của hoạt
động bình thường động cơ. Cho nên khơng đơn giản để đưa ra điện từ trường
cung cấp cho cuộn dây pha. Từ thông liên kết là một hàm phi tuyến của cả dịng
pha và vị trí roto. Do khe hở khơng khí lớn, từ trường thấp và khơng đạt được
giá trị bão hồ tại vị trí khơng thẳng hàng. Tuy nhiên, đặc tính từ trường gần như

θ =θ
là một hàm của dịng tại
khơng thẳng hàng. Ngược lại đường cong từ hố tại vị trí
thẳng hàng là bão hồ bởi vì khe hở khơng khí nhỏ.

Hình 1.6 Tập đường cong từ hóa của cuộn dây pha động cơ SRM

Hình 1.6 chỉ ra tập đường cong từ hóa của cuộn dây pha động cơ SRM
với góc θ tăng dần từ vì trí khơng thẳng hàng đến vị trí thẳng hàng. Tại một vị trí
bất kỳ của đường cong từ hóa. Năng lương dự trự và năng lượng chuyển đổi:

13


Hình 1.7 Năng lượng dự trữ và năng lượng chuyển đổi của động cơ SRM
λ0

W f = ∫ id λ (θ , i )
0

(1.13)

i0

W f = ∫ λ (θ , i )di
0

(1.14)

λ(θ,i) thể hiện từ thơng là hàm của dịng và vị trí.

Wf được giới hạn bởi năng lượng trường dự trữ vì giá trị này được dự trữ
trong vật liệu roto, stato và khe hở khơng khí. Khi ngắt điện roto, giá trị W f bằng
năng lượng điện cung cấp từ cuộn dây pha trong suốt khoảng thời gian từ thơng
tăng từ 0 đến λ0.
Khi roto đóng điện, cực roto di chuyển sang vị trí thẳng hàng. Với một vi
phân Δθ, i0 = const, trên quỹ đạo từ thông rời từ điểm A đến điểm B.
Bởi sự trao đổi năng lượng, sự thay đổi trong năng lượng dự trữ, ΔW f =
ΔWm được cung cấp bởi roto khi di chuyển Δθ. Tuy nhiên, Δwm được tính:
i0

i0

0

0

∆w m = ∆w= ∫ λ (θ B , i )di − ∫ λ (θ A , i )di

(1.15)

∆w m = T ∆θ
Suy ra:

14


i0

∆w
T=

=
∆θ

∫ λ (θ

i0

B

0

, i )di − ∫ λ (θ A , i)di
∆θ

0

(1.16)

Giới hạn ∆θ đến 0 với bất kỳ I, momen tức thời của SRM được định
nghĩa:
i

∂
T=
λ (θ , i ' )di
∫
∂θ 0

Chế độ tuyến tính

λ (θ , i) = L(θ )i

(1.17)

:

∂λ (θ , i ' )
dL
dL
1 dL
T =∫
di = ∫ i ' di ' =
i ' di ' = i 2
∫
∂θ
dθ
dθ 0
2 dθ
0
0
i

i

i

(1.18)

1.5 Đặc tính cơ bản của SRM
Trên thực tế đặc tính làm việc của SRM là hồn tồn 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 mơ tả trong hình 1.8.

Hình 1.8 Đặc tính cơ của SRM

15


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.
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 1.8 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 dịng điện trong cuộn dây pha ln nhỏ hơn gía trị dịng 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 lần.
1.6 Ưu nhược điểm và ứng dụng của động cơ srm
Với cấu trúc đơn giản, có cực cả hai phía, Roto khơng 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 động cơ không
đồng bộ. Do yêu cầu dòng điện chảy vào các cuộn stato theo một chiều duy nhất giúp
cho mạch cơng suất có cấu tạo đơn giản và tin cậy.
- Kích thước nhỏ hơn đáng kể so với các loại động cơ khác, điều này tăng hiệu
quả sử dụng vật liệu, giảm giá thành và quá 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 cả hệ truyền động sử
dụng SRM cũng thấp hơn so với các hệ truyền động sử dụng các loại động cơ khác, và
theo đó sẽ giảm được giá thành, giảm chi phí sản xuất, vận hành và bảo dưỡng hệ
thống.
16


- Tốc độ lớn và khả năng gia tốc nhanh, theo tính tốn thì với những bộ điều
khiển chất lượng cao, SRM có thể đạt được tốc độ tối đa tới 50.000 vịng/ phút.
- Do chỉ cấp điện phía Stato nên việc làm mát đối với SRM là vô cùng đơn
giản, vì vậy mà SRM có thể làm việc tốt trong mơi trường khắc nghiệt.
Động cơ từ trở 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 chiều một cách đọc
lập và tuần tự vào các cuộn dây pha stato, và 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 mạch công suất so với các bộ nghịch lưu kiểu cầu
trong các bộ điều khiển tốc độ SRM.
Một hệ truyền động sử dụng SRM có tính ổn định cao và 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 cơng suất bị hỏng. Điều này khác hoàn toàn so
với các hệ truyền động sử dụng các loại động cơ khác.
SRM có những ứng dụng sau:
- Các hệ truyền động đặc biệt như: máy nén khí, quạt gió, bơm máy li tâm (do
địi hỏi tốc độ quay lớn).
- Các hệ truyền động khác như: Chế biến thức ăn, máy giặt, máy hút bụi (do địi hỏi tính bền vững, ít phải bảo dưỡng).
- Các ứng dụng trong giao thơng vận tải (địi hỏi momen khởi động lớn).
- Các công dụng trong ngành hàng khơng (địi hỏi khơng phát sinh tia lửa điện,
ít phải bảo dưỡng, cần tốc độ quay lớn).
- Các hệ đòi hỏi kích thích nhỏ nhưng khơng chứa thành phần kích thích.

17


CHƯƠNG 2. NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SRM

Động cơ SRM vững chắc như động cơ DC kích từ nối tiếp, nhưng trong điều
khiển động cơ SRM rất ít kết nối với các động cơ khác và vì vậy điều khiển tương tự
không phát triển. Sự thật là điện cảm của SRM khơng chỉ là hàm của vị trí roto và cịn
là hàm của dịng kích từ, sự biến thiên của dạng dịng kích từ làm phức tạp bộ điều
khiển tự chỉnh của truyền động SRM. Mặt khác, với tất cả các động cơ điện khác, bộ
điều khiển tự chỉnh của hệ truyền động xuất phát từ các thông số máy với các vùng
kích từ cố định. Nếu áp dụng cách này để thiết kế hệ truyền động cho động cơ SRM
thì sẽ bị thất bại ngay từ khi bắt đầu. Bởi vì điện cảm của động cơ là một hàm phi
tuyến, phụ thuộc vào vị trí roto và dịng điện kích thích. Nhưng có thể phân loại hệ
truyền động SRM theo yêu cầu điều khiển: VD yêu cầu hiệu suất cao hay thấp của
xung mômen hoặc các ảnh hưởng đặc biệt của tốc độ.
Sự thay đổi của điều khiển cũng như tăng sự tiến bộ và góc chuyển mạch được
nghiên cứu và chúng phụ thuộc vào điện cảm của máy, tốc độ và yêu cầu đạt yêu cầu
momen lớn nhất. Hiệu suất, vịng lập kín và bộ điều khiển tốc độ của động cơ SRM

được xem xét và hoàn thành từng bước từng bước trong thiết kế và hoàn thiện bộ điều
khiển.
Trung tâm của hệ thống điều khiển của bộ truyền động động cơ là điều khiển
dòng. Hai loại điều khiển dòng đang được phát triển, một là xuất phát từ chế độ tuyến
tính của SRM đưa ra hiệu suất hợp lý, hai là tách và tuyến tính hố để đưa ra hiệu suất
cao. Để thiết kế bộ điều khiển dòng hiệu suất cao, các nhân tố như cùng pha và tính
phi tuyến của hệ thống được tính tồn trên cùng thời điểm. Trong hầu hết các bộ
truyền động DC, điều khiển lomen được đồng bộ với điều khiển dịng. Do tính phi
tuyến, SRM được điều khiển rất khác. Khố nhiều pha là bắt buộc để giảm xung
mơmen và phát ra hiệu suất momen cao và nhanh. Hiện nay, điều khiển momen được
dựa trên hàm momen phân phối để đảm bảo biên độ đầu ra momen tuyến tính của
truyền động SRM thơng qua vùng kích từ của nó.
2.1 Ngun tắc điều khiển
Bộ truyền động SRM được điều khiển trên nguyên tắc cấp nguồn một chiều
một cách tuần tự, độc lập cho các cuộn dây pha dựa trên thông tin chính xác vị trí của
roto. Hình 2.1 minh họa phương pháp điều khiển cơ bản.

18


Hình 2.9 Hoạt động của chế độ động cơ và máy phát của SRM
Chế độ động cơ, cuộn dây pha được kích thích tại thời điểm điện cảm tăng.
Momen cung cấp cho động cơ và máy phát được chỉ ra ở hình 2.1. Trong hình momen
được đưa ra là một pha. Momen trung bình là kết quả tổng hợp giá trị tức thời của
xung momen điện từ của tất cả các pha của động cơ. Động cơ cung cấp các xung rời
rạc của momen và khi thiết kế đặc tính q điện cảm thích đáng, động cơ có thể cung
cấp một momen liên tục. Trong hình 2.1 ta thấy, momen trung bình được điều khiển
bằng cách điều chỉnh cường độ của dòng cuộn dây, Ip, hoặc bằng sự dừng đều của góc
Đa. Để giảm nhấp nhơ momen, giữ độ mở của góc khơng đổi và thay đổi biên độ của
dịng cuộn dây.

19


Hình 2.10 Dịng điều khiển bộ truyền đơng động cơ SRM
Để chắc chắn cung cấp momen tức thời, dòng cuộn dây phải được cung cấp tại
thời điểm điện cảm tăng. Dịng khơng thể lập tức tăng hoặc giảm trong mạch RL. Vì
vậy dịng phải trở về 0 trước khi điện cảm giảm. Vì vậy, dạng sóng thực của dịng như
hình 2.2. Điện áp trong cuộn dây pha được cấp trước khi điện cảm tăng góc Đa và
ngừng cấp dịng trước khi điện cảm giảm góc Đạo. Góc ɵ, co phụ thuộc vào biên độ
dòng tối đa trong cuộn dây Ip và tốc độ roto. Dịng được duy trì tại ip đóng và mở các
transtor. Dịng thực dao động ± ∆i.
2.2 Cấu trúc điều khiển hệ truyền động SRM

Hình 2.11 Mạch vòng điều chỉnh tốc độ SRM
20


Đầu vào bộ điều khiển tốc độ cm , vị trí roto 0, tốc độ roto Om. Dịng động cơ
được phản hồi thông qua sử dụng sen sơ Hall. Thông tin vị trí roto được quan sát từ
các ước lượng biến đổi năng lượng.
2.3 Bộ biến đổi sử dụng cho SRM
2.3.1. Bộ biến đổi phục hồi thụ động

Hình 2.12 Bộ biến đổi phục hồi thụ động
Hình 2.4: Nguồn áp cao và các điện trở để đẩy dòng lên trong giai đoạn mở
máy. Trong suốt giai đoạn tắt máy, dòng tự cảm được tính thơng qua thời gian phóng
của diode qua điện trở. Thời gian tắt dài bởi vì dịng tự cảm Năng lượng dự trữ bị hao
mòn trong các điện trở và diot zener.
2.3.2. Bộ biến đổi hai dây song song

Hình 2.13 Bộ biến đổi hai dây song song
21


Hình 2.5, một cuộn dây khởi động phụ được sử dụng khử từ độ tự cảm pha vì
vậy thời gian tắt có thể rút ngăn hơn. Nhược điểm của cấu hình này là cần hai cuộn
dây song song.
2.3.3. Bộ biến đổi cầu khơng đối xứng

Hình 2.14 Bộ biến đổi cầu khơng đối xứng
Hình 2.6, Sử dụng khố chuyển mạch bổ sung, năng lượng dự trữ trong pha bắt
đầu tắt được trả lại năng lượng nguồn cung cấp. Thời gian tắt vì vậy giảm. Năng lượng
dự trữ được phục hồi trong nguồn cung cấp hoặc trong nguồn điện áp cao (C - mạch
dump).
2.3.4. Bộ biến đổi C-Dump

Hình 2.15 Bộ biến đổi C-Dump
Hình 2.7 đã biết tụ C tích điện, năng lượng dự trữ trong pha bắt đầu tắt được
tích vào tụ điện. Năng lượng khôi phục lại làm nguồn cung cấp sử dụng nhờ cái ngắt
22


điện phụ, cái mà duy trì điện áp tụ tại giá trị cho phép. Cách này giảm hiệu suất của bộ
biến đổi và giảm thời gian đóng. Tuy nhiên, điện áp tụ phải được duy trì tại giá trị điện
áp cao. Vì vậy, đèn bán dẫn cũng phải chịu điện áp tương đương .
Trong các định dạng này, giới hạn dòng là cần thiết tại thời điểm khởi động và
tốc độ thấp. Chế độ ngắt thường được sử dụng. Tại chế độ này, khoá chuyển mạch
được điều chỉnh để giữ cho dịng ở giá trị an tồn.
Tại thời điểm tốc độ cao, động cơ phải giới hạn dịng vì vậy sử dụng chế độ

xung đơn. Trong chế độ hoạt động này, chuyển mạch nguồn được điều chỉnh trong
suốt thời gian cho phép (1/3 của cả giai đoạn).
Để mà đạt được điều kiện từ trường tốt nhất cho bộ truyền động SRM có 2 nhân
tố quan trọng. Thứ nhất, thực hiện q trình chuyển mạch nhanh. Thứ 2, dịng động cơ
trong pha đang hoạt động phải được điều chỉnh. Dùng bộ biến đổi hình 2.8.
Để tăng quá trình tắt, năng lượng dự trữ trong pha tắt phải được bù nhanh. Điều
này có thể đạt được khi sử dụng các tụ để thiết lập với dịng cộng hưởng tự cảm. Vì
vậy trong tự cảm pha được dự trữ trong tụ trong 1/4 giai đoạn cộng hưởng. Năng
lượng này không trả lại cho nguồn cung cấp nhưng nó sử dụng để tăng tốc khởi động
pha tiếp theo.
Điều khiển dịng có thể đạt được bằng cách thay đổi nhanh điện áp nguồn trong
suốt chu kỳ khi pha được kích hoạt.

Hình 2.16 Bộ biến đổi dòng cảm ứng dùng Tisistor
Trong bộ biến đổi dòng cảm ứng, năng lượng dự trữ được phục hồi trong tụ đảo
mạch.
Các tisistor GTO TA, TB,TC được sử dụng là khoá chính cho cuộn dây động
cơ. Mạch đảo chiều bao gồm 3 thyristor phụ T1, T2, T3 và 3 tụ CA, CB, CC.

23


CHƯƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ SRM BẰNG BỘ ĐIỀU
CHỈNH PID

3.1 Bộ điều khiển
Tổng hợp các mạch vòng tốc độ, momen, dòng điện động cơ thường dùng bộ
điều chỉnh PID có dạng:

Gc ( s ) = K P + K D ( s ) +

KI
s

(3.1)

Xác định các hệ số Kp, KD, Kı, của bộ điều khiến để làm cho hệ thống có bộ
điều khiển PID sẽ thỏa mãn các chỉ tiêu chất lượng đề ra.
Mạch vòng điều chỉnh tốc độ và momen thường dùng bộ điều chỉnh PI, mạch
vịng điều chỉnh dịng điện có thể dùng bộ điều chỉnh PI hoặc P.
Bộ điều chỉnh PI:
Phần tích phân của bộ điều khiển PID tạo ra tín hiệu tỷ lệ với tích phân tín hiệu
đầu vào bộ điều khiển theo thời gian. Hàm truyền của bộ điều khiển PI có dạng:

GC ( s ) = K P +

KI
s

(3.2)

Bộ điều khiển PI, có đưa thêm một điểm cực s = 0 và một điểm không s=
-Ki /Kp vào hàm truyền mạch hở của hệ thống và làm tăng bậc phiếm tĩnh của hệ
thống. Khi bậc phiếm tĩnh của hệ thống tăng lên nhờ dùng bộ điều khiển PI thì K p ít
ảnh hưởng đến sai số xác lập và ta chọn tỷ số Ki /Kp để đáp ứng quá độ được thỏa mãn.
3.2 Tổng hợp các bộ điều khiển
Động cơ SRM là động cơ phi tuyến, điện áp của động cơ được cung cấp bởi tốc
độ roto và dịng pha. Tính phi tuyến của hệ thống làm cho tổng hợp mạch vịng điều
khiển rất khác. Nếu hệ thống là tuyến tính, như ta đã biết các phương pháp điều khiển
truyền thống, có thể áp dụng để tổng hợp mạch vịng điều khiển cho các động cơ tuyến

tính. Hơn nữa, các động cơ tuyến tính ta có thể tuyến tính hố động cơ bằng các
phương trình tốn học và dễ dàng tính tốn tổng hợp các mạch vịng điều khiển. Bộ
điều khiển của các động cơ này khơng có khả năng thực hiện cao trên cơ sở điểm hoạt
động. Trái lại, điểm hoạt động của hệ truyền động tốc độ thay đổi SRM liên tục thay
đổi. Bộ điều khiển phi tuyến có thể tuyến tính hố và tách riêng mạch vịng điều khiển
dòng, kết quả thực hiện rất cao. Tách bộ điều khiển dịng là cần thiết vì dịng của một
pha sẽ ảnh hưởng đến dịng của pha khác. Bình thường hai pha cùng dẫn một phần
24


trong chu kỹ dẫn của một pha, khi đầu ra của dòng pha bắt đầu chuyển mạch, đầu vào
của pha kia bắt đầu chu trình tăng đến mức yêu cầu. Các dịng này đóng góp vào mối
quan hệ của từ thơng liên kết.
Bộ điều khiển dịng bao gồm khối PWM để điều biến dòng điều khiển, nhưng
tạo trễ dòng thỉnh thoảng bắt gặp trong thực hành. Bộ điều khiển này dễ dàng thực
hiện và bộ điều khiển này không đơn thuần là bộ điều khiển PID. Bộ điều khiển dòng
kết hợp với bộ điều khiển PWM tạo thành bộ điều khiển lai
Do tính phi tuyến của SRM, phát triển sơ đồ khối không minh bạch như loại
động cơ DC. Nhận thấy rằng, SRM rất giống động cơ DC kích từ nối tiếp (giống từ
momen và dịng u cầu), có thể thực hiện sơ đồ khối SRM bằng cách tuyến tính hố
các phương trình hệ thống bằng cách thực hiện từ tín hiệu nhỏ và phát triển sơ đồ khối
bằng các hàm biến đổi. Các hàm chuyển đổi có thể được sử dụng, như các hệ truyền
động của các động cơ khác để truyền động với bộ điều khiển PID.
3.2.1. Phương trình momen và điện áp của SRM
Ta đã biết:

d λ (θ , i)
= −iR + v
dt
j

dω
= T − Bmω − TL
dt

(3.3)

(3.4)

Ta có:

v=

d λ (θ , i )
+ iR s
dt

Te (θ , i ) − TL = j

d ωm
− Bωm
dt

(3.5)

(3.6)

Trong cả hai phương trình trên, từ thơng θ và momen khe hở khơng khí Te đều
phụ thuộc vào dịng pha và vị trí roto. Mối quan hệ giữa từ thơng với điện cảm và dòng
điện: 2(0, i) = L(0, i)i, phương trình điện áp được viết:

v = iR s +

d [L(θ , i )i]
di dL(θ , i )
= iR s + L(θ , i) +
ωm i
dt
dt
dθ

(3.7)

Trong phương trình (3.3), vế bên tay phải có 3 nhóm lần lượt là: điện áp rơi trên
điện trở, điện áp cảm ứng và sức phản điện động và kết quả giống như động cơ DC

25