NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ĐỘ ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ THAY ĐỔI SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VECTOR - Full 10 điểm

See discussions, stats, and author profiles for this publication at: />
Nghiên cứu điều khiển động cơ từ trở thay đổi sử dụng phương pháp điều
khiển vector
Thesis · December 2021
CITATIONS

READS

0

2,496

1 author:
Tuan Nguyen Manh
6 PUBLICATIONS   0 CITATIONS   
SEE PROFILE

All content following this page was uploaded by Tuan Nguyen Manh on 26 December 2021.

The user has requested enhancement of the downloaded file.


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Nghiên cứu điều khiển động cơ từ trở thay đổi sử dụng
phương pháp điều khiển vector
NGUYỄN MẠNH TUẤN


Ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa

Chun ngành Tự động hóa cơng nghiệp

Giảng viên hướng dẫn:

TS. Nguyễn Kiên Trung
Chữ ký của GVHD

Bộ mơn:
Viện:

Tự động hóa cơng nghiệp
Điện

HÀ NỘI, 1/2020


ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
Đề tài: Nghiên cứu điều khiển động cơ từ trở thay đổi sử dụng phương
pháp điều khiển vector

Giáo viên hướng dẫn
Ký và ghi rõ họ tên

ii


Lời cảm ơn
Đầu tiên, tơi xin bày tỏ lịng tri ân sâu sắc và kính trọng đến thầy Nguyễn
Kiên Trung, thầy đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học trong quá trình
học tập cũng như nghiên cứu tại APES Lab.

Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo Viện Điện – Đại học Bách
khoa Hà Nội đã tận tình chỉ dạy trong q trình học tập và có những ý kiến đóng
góp q báu để tơi hồn thiện Đồ án tốt nghiệp.
Xin trân trọng cảm ơn các anh chị, các bạn tại APES Lab (Advanced
power electronic systems laboratory) đã hỗ trợ tơi trong q trình thực hiện Đồ
án tốt nghiệp. Đặc biệt, xin gửi lời cảm ơn tới anh Đinh Huy Hùng, người bạn
đồng hành trong suốt quá trình làm việc, đã nhiệt tình trao đổi và hỗ trợ, cùng tôi
nghiên cứu và thực nghiệm.
Cảm ơn những người bạn trong năm năm học đã ln động viên, khích lệ
tôi.
Cảm ơn những người luôn ở bên cạnh nhưng không cần ở tơi một lời cảm
ơn nào, đó là là gia đình.
Một lần nữa, tơi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến tất cả mọi người.

Sinh viên thực hiện
Ký và ghi rõ họ tên

iii


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ THAY ĐỔI ......... 10
1.1

Giới thiệu về động cơ từ trở thay đổi ............................................... 10
Sơ lược về động cơ từ trở thay đổi............................................ 10
Các loại động cơ từ trở (Reluctance Motors)............................ 11
Ưu nhược điểm và ứng dụng của SRM .................................... 12
So sánh động cơ từ trở với một số động cơ khác ...................... 13

1.2

Phân tích hoạt động của động cơ từ trở ........................................... 15
Cơ sở vật lý của động cơ từ trở ................................................. 15
Cấu tạo của động cơ từ trở thay đổi .......................................... 15
Ngun lý hoạt động ................................................................. 16
Mơ tả tốn học của động cơ SRM............................................. 20
Phương trình động học .............................................................. 21
Đặc tính của động cơ từ trở ....................................................... 22

CHƯƠNG 2. MƠ HÌNH HĨA ............................................................... 24
2.1

Đặt vấn đề ........................................................................................ 24

2.2

Phương pháp phần tử hữu hạn ......................................................... 24

2.3

Phần mềm Ansys maxwell ............................................................... 24

2.4

Phân tích đặc tính động cơ trên phần mềm Ansys Maxwell ........... 25

2.5

Mơ hình hóa động cơ trên Matlab/Simulink .................................... 30

CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VECTOR .................. 32
3.1

Bộ biến đổi động cơ SRM ............................................................... 32

3.2

Phương pháp điều khiển cơ bản ....................................................... 35

3.3

Phương pháp điều khiển vector cho động cơ từ trở ......................... 36
Đặc tính điện cảm ..................................................................... 36
Đặc tính dịng điện .................................................................... 37
Phân tích vector điều khiển trong SRM .................................... 39
Chuyển khung tọa độ uvw sang khung tọa độ dq ..................... 41
Điều khiển MTPA cho SRM ..................................................... 44
Mạch vòng điều khiển dịng điện động cơ SRM ...................... 46

CHƯƠNG 4. MƠ PHỎNG ..................................................................... 54
4.1

Sơ đồ điều khiển .............................................................................. 54

4.2

Kết quả mô phỏng ............................................................................ 58
iv

CHƯƠNG 5. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG THỰC NGHIỆM ............... 64
5.1

Cấu trúc phần cứng .......................................................................... 64

5.2

Thiết kế các phần của phần cứng ..................................................... 64
Thiết kế mạch lực ...................................................................... 64
Thiết kế mạch driver cho Mosfet .............................................. 66
Kit vi điều khiển STM32F4 Discovery ..................................... 66
Mạch đo dịng điện .................................................................... 67
Cảm biến vị trí Hall ................................................................... 68

KẾT LUẬN .............................................................................................. 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................ 1
PHỤ LỤC ................................................................................................... 2

v


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Động cơ từ trở thay đổi ............................................................. 10
Hình 1.2: Phân loại động cơ ...................................................................... 11
Hình 1.3 Mặt cắt cấu tạo của động cơ từ trở đồng bộ ............................... 12
Hình 1.4: Rotor và Stator của SRM .......................................................... 15
Hình 1.5: Rotor ......................................................................................... 16
Hình 1.6: Một số loại SRM điển hình hiện nay ........................................ 16
Hình 1.7: Nguyên lý hoạt động của 1 cực stator và 1 cực rotor ............... 17

Hình 1.8: Cấu trúc của SRM loại 8/6 với: a) Vị trí đồng trục, b) Vị trị lệch
trục, c) Vị trí mất đồng trục....................................................................... 17
Hình 1.9: Phân bố từ thơng ở a) Vị trí lệch trục b) Vị trí đồng trục ......... 18
Hình 1.10: Trình tự đóng ngắt nguồn sA, sD, sC, sB, sA ... để tạo ra
chuyển động quay theo chiều kim đồng hồ .............................................. 19
Hình 1.11: Trình tự đóng ngắt nguồn sA, sB, sC, sD, sA ... để tạo ra
chuyển động quay ngược theo chiều kim đồng hồ ................................... 19
Hình 1.12: Mạch tương đương một pha động cơ SRM ............................ 20
Hình 1.13: Đặc tính cơng suất của SRM................................................... 22
Hình 2.1: Giao diện phần mềm ANSYS maxwell .................................... 25
Hình 2.2: Mơ hình động cơ SRM 12/8 trên Ansys Maxwell .................... 26
Hình 2.3: Mơ hình động cơ SRM 12/8 trên giao diện Maxwell của Ansys
Maxwell..................................................................................................... 27
Hình 2.4: Mơ hình động cơ từ trở thay đổi 3D ........................................ 28
Hình 2.5: Mơ hình động cơ từ trở thay đổi 2D ........................................ 28
Hình 2.6:Quan hệ từ thơng theo vị trí và dịng điện ................................. 28
Hình 2.7: Quan hệ 3 chiều từ thơng theo vị trí và dịng điện .................... 28
Hình 2.8: Quan hệ điện cảm theo vị trí rotor và dịng điện ...................... 29
Hình 2.9: Quan hệ momen theo dịng điện và vị trí rotor ......................... 29
Hình 2.10: Mơ hình 1 pha của SRM ......................................................... 30
Hình 2.11: Mơ hình 3 pha của động cơ SRM ........................................... 30
Hình 2.12: Mơ hình SRM trên Simulink .................................................. 31
Hình 3.1: Sơ đồ bộ biến Asymmetric Bridge Converter 3 pha ................. 32
Hình 3.2: Bộ biến đổi cho 1 pha b) Mạch điện một pha Stator ................ 32
Hình 3.3: Hai trạng thái ON/OFF trong chuyển mạch cứng..................... 33
Hình 3.4: a) Điện cảm động cơ SRM b) Trạng thái van T1/T2 c) Điện áp
pha d) Dịng pha ........................................................................................ 33
Hình 3.5: a) Điện cảm động cơ SRM b) Trạng thái van T c) Trạng thái van
T2 c) Điện áp pha d) Dịng pha ................................................................. 34
Hình 3.6: Dạng tín hiệu trong phương pháp điều khiển cơ bản ................ 35

vi


Hình 3.7: Bộ điều khiển dịng điện Hysteris band .................................... 36
Hình 3.8: Cấu trúc điều khiển phương pháp cơ bản ................................. 36
Hình 3.9: Đặc tính điện cảm và dịng điện phương pháp điều khiển cơ bản
và điều khiển vector .................................................................................. 37
Hình 3.10: Đồ thị điên cảm và dịng điện phương pháp vector ................ 39
Hình 3.11: Vector control of SRM ........................................................... 39
Hình 3.12: Đường sức từ chính và vector từ thơng khi chỉ có thành phần
DC ............................................................................................................. 39
Hình 3.13: Dạng dịng điện kích thích đơn cực sau khi loại bỏ thành phần
dịng điện DC ............................................................................................ 40
Hình 3.14: Đường sức từ chính và vector từ thơng khi chỉ kích thích thành
phần AC .................................................................................................... 40
Hình 3.15: Đường sức từ chính và momen khi kích thích cả 2 thành phần
DC và AC .................................................................................................. 41
Hình 3.16: Đồ thị minh họa nguyên lý tạo momen trong SRM. Từ trên
xuống dưới: Dòng điện AC khi loại bỏ thành thành phần DC, sức phản
điện động bởi thành phần dòng DC, Năng lượng điện tiêu thị trên pha u,
Tổng năng lượng tiêu thụ .......................................................................... 41
Hình 3.17: Mơ hình khung tham chiếu cố định của SRM ........................ 42
Hình 3.18: Mơ hình khung tham chiếu quay dq của SRM ....................... 43
Hình 3.19: Cấu trúc điều khiển vector cho SRM ...................................... 44
Hình 3.20: Đồ thị hàm số .......................................................................... 45
Hình 3.21: Cấu trúc điều khiển SRM........................................................ 46
Hình 3.22: Ngun lí bộ điều khiển Hysteresis Current Controller HCC 46
Hình 3.23: Cấu trúc mạch vịng điều khiển dịng điện theo phương pháp
HCC........................................................................................................... 47
Hình 3.24: Cấu trúc bộ điều khiển dịng cải tiến ...................................... 49

Hình 3.25: Cấu trúc bộ điều khiển truyền thẳng ....................................... 50
Hình 3.26: Mơ hình tuyến tính động cơ SRM .......................................... 51
Hình 3.27: Mơ hình tuyến tính rút gọn của động cơ SRM ....................... 51
Hình 3.28: Sơ đồ mạch vịng dịng điện.................................................... 52
Hình 4.1: Cấu điều trúc điều khiển cơ bản ............................................... 54
Hình 4.2: Cấu trúc điều khiển động cơ SRM12/8 sử dụng bộ điều khiển
HCC........................................................................................................... 55
Hình 4.3: Bộ điều khiển dịng hysteresis current control.......................... 56
Hình 4.4: Cấu trúc điều khiển động cơ SRM12/8 sử dụng bộ điều khiển
dòng Improved Current Controller ........................................................... 57
Hình 4.5: Đáp ứng dịng điện, đáp ứng momen, đáp ứng tốc độ phương
pháp điều khiển cơ bản ............................................................................. 58
vii


Hình 4.6: Độ đập mạch momen theo phương pháp điều khiển cơ bản..... 59
Hình 4.7: Đáp ứng dịng điện, đáp ứng momen, đáp ứng tốc độ phương
pháp điều khiển sử dụng bộ điều khiển HCC ........................................... 60
Hình 4.8: Đập mạch momen phương pháp điều khiển vector với bộ điều
khiển HCC ................................................................................................. 61
Hình 4.9: Đáp ứng dịng điện, đáp ứng momen, đáp ứng tốc độ phương
pháp điều khiển sử dụng bộ điều khiển Improved Current Controller ..... 62
Hình 4.10: Đập mạch momen phương pháp điều khiển vector với bộ điều
khiển Improved Current Controller theo nguyên lý PWM ....................... 63
Hình 5.1 Cấu trúc phần cứng thực nghiệm ............................................... 64
Hình 5.2 Mạch lực cầu không đối xứng 3 pha động cơ SRM .................. 64
Hình 5.3 Mạch cầu khơng đối xứng cho pha u ......................................... 65
Hình 5.4 Mạch Driver cấu trúc Push-Pull kết hợp biến áp xung .............. 66
Hình 5.5 Kit vi điều khiển STM32F4 Discovery ...................................... 66
Hình 5.6 Cấu hình sử dụng cảm biến ACS758LCB ................................. 67

Hình 5.7 Thiết kế mạch đo dịng ............................................................... 67
Hình 5.8 Hình ảnh cảm biến ACS758LCB thực tế ................................... 67
Hình 5.9 Hiệu ứng Hall ............................................................................. 68
Hình 5.10 Nam châm vĩnh cửu được gắn với trục rotor động cơ ............. 68
Hình 5.11 Ba cảm biến hall đặt cạnh vịng trịn nam châm ...................... 69
Hình 5.12 Dạng sóng tín hiệu của 3 cảm biến Hall .................................. 69
Hình 5.13 Mạch phân áp tín hiệu cảm biến Hall ...................................... 70
Hình 5.14 Mạch PCB điều khiển SRM ..................................................... 70

viii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: So sánh SRM với động cơ Không đồng bộ .............................. 13
Bảng 1.2: So sánh SRM với động cơ một chiều ....................................... 14
Bảng 2.1: Thông số động cơ SRM 12/8.................................................... 25

ix


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ THAY ĐỔI
1.1 Giới thiệu về động cơ từ trở thay đổi
Sơ lược về động cơ từ trở thay đổi
Động cơ từ trở thay đổi – Switched Reluctance Motor (SRM) bắt đầu
được đề xuất từ năm 1842 với nhiểu ưu điểm so với các động cơ cùng thời như
động cơ không đồng bộ một pha, động cơ không đồng bộ ba pha, động cơ điện
đồng bộ ba pha, ... Tuy nhiên, vì cấu trúc SRM với cấu trúc hai cực lồi và tính
phi tuyến của đặc tính điện cảm nên xuất hiện các vấn đề về tiếng ồn và đập
mạch momen là một rào cản lớn so với các loại động cơ khác khi đưa vào sử
dụng thực tiễn.

Chỉ từ đầu thập kỷ 90, khi các lĩnh vực cảm biến, điện tử công suất và đặc
biệt vi điều khiển/vi xử lý tín hiệu đạt được những tiến bộ đáng kể, cho phép
khắc phục các điểm yếu nói trên bằng các giải pháp phần mềm một cách rất có
hiệu quả, đồng thời đảm bảo giá thành hệ thống thấp. Khi ấy, ĐCTK lại được
quan tâm, đặc biệt trong những ứng dụng cơng suất nhỏ.

Hình 1.1: Động cơ từ trở thay đổi

Các cơng trình nghiên cứu về SRM đã đưa ra các phương pháp thiết kế
khác nhau cho động cơ để giảm tối thiểu độ đập mạch của momen hoặc các kỹ
thuật điều khiển khác nhau. Tuy nhiên, SRM vẫn chưa đạt được yêu cầu đặt ra
cho các hệ truyền động địi hỏi độ chính xác cao như: máy cơng cụ CNC,
robotics, …
Có cấu trúc đơn giản là một đặc điểm rất quan trọng của SRM so với tất
cả các loại máy điện khác. Rotor của SRM khơng cần thành phần kích thích vĩnh
cửu, chổi than hay chuyển mạch trong phần Rotor. Các cuộn dây được quấn xung
quanh cực Stator một cách tập trung và độc lập với nhau tạo thành các pha và
mỗi pha chỉ có hai cực. Phần Rotor khơng chứa các cuộn dây mà chỉ đơn giản là
các lá thép được ép lại với nhau hình thành các răng Rotor. SRM là loại động cơ
duy nhất có cấu tạo có cực ở cả hai phía Rotor và Stator. Và như thế, SRM hứa
hẹn trong tương lai khơng xa sẽ có thể thay thế rất nhiều hệ truyền động đang
được sử dụng động cơ khơng đồng bộ Rotor lồng sóc, hay động cơ một chiều.
Hiện nay, xu hướng giảm sử dụng nhiên liệu hóa thạch tăng lên do đó xe
điện (EVs) dần trở nên trở thành một lĩnh vực quan trọng trong ngành công
10


nghiệp oto. Các tổ chức thế giới đã nghiên cứu trong năm 2011, 80 triệu xe điện
đã được sản xuất, và tăng mạnh trong năm 2015 như hình 1.4. Khi đó ứng dụng
của động SRM chắc chắn sẽ chiếm một tầm quan trọng rất lớn.

Các loại động cơ từ trở (Reluctance Motors)
Khái niệm động cơ từ trở 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 SRM 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.
Dựa vào đặc điểm cấu tạo, các động cơ có thể được phân loại như Hình
1.2.

Hình 1.2: Phân loại động cơ

Động cơ từ trở (Reluctance Motors) là loại động cơ hoạt động dựa trên sự
khác biệt và biến thiên của từ trở mạch từ. Trong hình 1.2, động cơ từ trở chia ra
làm hai loại chính: động cơ từ trở đồng bộ (Synchoronous Reluctance Motor) và
động cơ từ trở kiểu đóng ngắt (Switched Reluctance Motors).
Động cơ từ trở đồng bộ (SynRM) với cấu tạo như hình 1.3 có ngun lý
sinh momen dựa trên sự khác biệt giữa điện cảm dọc trục và điện cảm ngang trục
trong hệ tọa độ dq. SynRM có số cực ở Stator và Rotor là bằng nhau. Rotor của
SynRM được thiết kế để hướng từ thông qua rotor theo quỹ đạo mong muốn, do
đó các lỗ trống được tạo ra nhằm mục đích này (như hình 1.3). Cũng nhờ vậy nên
khi làm việc, rotor của động cơ náy mát hơn so với các động cơ khác. Số cực
điển hiển của SynRM là 4 và 6.
Việc điều khiển động cơ từ trở đồng bộ tương như điều khiển động cơ
đồng bộ thông thường. Tuy nhiên, động cơ này không phải đối tượng nghiên cứu
chính của đề tài này.

11


Hình 1.3 Mặt cắt cấu tạo của động cơ từ trở đồng bộ

Động cơ từ trở kiểu đóng cắt là động cơ có nguyên lý học động khác với
tất cả các loại động cơ khác. Phần này sẽ được làm rõ ở mục 1.2.
Ưu nhược điểm và ứng dụng của SRM
Với cấu trúc đơn giản, có cực ở cả hai phía, Rotor khơng cần có thành
phần kích thích, SRM có một số ưu điểm nổi bật sau:
+ Stator có lõi sắt có các cực từ lồi và các cuộn dây quấn tập trung
nên đơn giản trong khâu thiết kế, chế tạo.
+ Rotor khơng có dây quấn, khơng có nam châm, chỉ là một khối sắt
từ nên cũng đơn giản trong việc chế tạo và giảm chi phí. Rotor
khơng có dây quấn, khơng có nam châm, lại được thiết kế với
đường kính bé để giảm momen quán tính nên hoạt động được ở tốc
độ cao.
+ Mơmen của SRM tỉ lệ bình phương với cường độ dịng điện, do đó
có khả năng sinh mơmen lớn, đặc biệt khi khởi động.
+ Dịng điện chạy qua cuộn dây chỉ theo một chiều nên giúp cho
mạch cơng suất có cấu tạo đơn giản, tin cậy.
+ Khi xảy ra sự cố mất pha, SRM vẫn có thể duy trì hoạt động, đây là
một ưu điểm được tận dụng trong những ứng dụng địi hỏi tính an
tồn cao.
+ Do chỉ cấp điện phía Stator nên việc làm mát đối với SRM là vơ
cùng đơn giản, vì vậy mà SRM có thể làm việc tương đối tốt trong
những mơi trường khắc nghiệt.
Tuy nhiên, động cơ SRM có những nhược điểm sau:
+ SRM là loại động cơ rất khó điều khiển. Việc điều khiển SRM ln
cần có cảm biến đo góc tuyệt đối chính xác xác định vị trí Rotor và
bộ biến đổi điện tử công suất để cấp điện cho mỗi pha. Do vậy, ở
những ứng dụng không yêu cầu điều chỉnh tốc độ, người ta không
dùng SRM.
12

+ Với cấu trúc hai cực lồi của động cơ và bản chất khác biệt của việc
tạo mômen dẫn tới sự phi tuyến mạnh giữa các thơng số, gây khó
khăn trong việc điều khiển.
+ Hệ truyền động SRM ln có nhấp nhô momen lớn nên không
được ứng dụng cho những hệ thống cần điều khiển vị trí (các hệ
Servo) nhưn Robot, máy công cụ CNC, …
+ Do nhấp nhô momen và sự biến đôi thường xuyên của lực xuyên
tâm, tiếng ồn, độ rung sinh ra khi vận hành là một nhược điểm lớn
của SRM.
Với những ưu, nhược điểm được trình bày ở trên, SRM có những ứng
dụng đặc thù, phát huy ưu điểm vượt trội và hạn chế được những nhược điểm của
nó. Khi các cơng cụ điều khiển phát triển, SRM có những ứng dụng cụ thể sau:
+ Ứng dụng trong máy giặt, máy nén khí, quạt gió, bơm. Đây là
những ứng dụng đòi hỏi tốc độ cao, khả năng sinh momen mạnh
mẽ và có thể chấp nhận độ rung, tiếng ồn ở một mức độ nhất định.
+ Ứng dụng cho hàng không, SRM là một sự lựa chọn lý tưởng cho
ứng dụng trong hàng khơng với vai trị động cơ sơ cấp khởi động
động cơ phản lực-loại ứng dụng cần chạy ở tốc độ 27000-50000
vòng /phút. Khi động cơ đã chạy ổn định, SRM giữ vai trò máy
phát, làm nguồn cấp cho mạng điện máy bay.
+ Ứng dụng làm động cơ phát động cho truyền động kéo tàu điện, xe
điện, chân vịt tàu thủy, tàu ngầm.
So sánh động cơ từ trở với một số động cơ khác
Bảng 1.1: So sánh SRM với động cơ Khơng đồng bộ

Đặc điểm

ĐK

SRM
Có thể sinh momen lớn
trong dải dưới tốc độ cơ
bản.

Momen nhỏ ở vùng tốc độ
thấp.

Tỷ lệ P/kt

Lớn.

Vừa phải. Do cả Stator và
Rotor đều có cuộn dây nên
tỷ lệ này thấp hơn so với
SRM.

Qn tính
Rotor

Thấp. Điểm thuận lợi cho
đặc tính động.

Dịng khởi
động

Định mức.

Điều khiển

Động cơ không thể hoạt
động trực tiếp với lưới điện
3 pha mà chỉ có thể hoạt

Đặc điểm
momen

Cao. Làm xấu đặc tính
động của động cơ.
Rất cao. Cần giới hạn dịng
điện khởi động. Thơng
thường dùng mạch khởi
động sao-tam giác.
Động cơ có thể hoạt động
trực tiếp với lưới điện 3
pha khi hoạt động ở định
13


động khi có mạch cơng suất
và mạch điều khiển.

mức. Mạch công suất và
mạch điều khiển chỉ cần
thiết khi cần thay đổi tốc
độ.

Bảng 1.2: So sánh SRM với động cơ một chiều

Đặc điểm
Chuyển mạch
Bảo dưỡng
Thời gian làm
việc
Dải tốc độ

Hiệu suấtt

Tỷ lệ P/kt

Qn tính
Rotor
Dải tốc độ
Nhiễu điện
Giá thành
Điều khiển

u cầu về
điều khiển

SRM
Khơng có chổi than, vành
góp.
Rất ít vì khơng dùng chổi
than

ĐCMC
Chuyển mạch có chổ than,
vành góp.

Lâu hơn.

Ngắn hơn.

Cho phép hoạt động trên
tồn dải tốc độ.

Ở tốc độ cao, ma sát gây ra
bởi chổi than và vành góp
tăng, làm tăng momen hữu
ích.

Cao. Do khơng có điện áp
rơi trên chổi than.
Lớn. Kích thước động cơ
giảm do cấu tạo đơn giản,
đặc tính tản nhiệt tốt. Động
cơ SRM có các cuộn day
Stator gắn trên trục động cơ
nên khả năng tản nhiệt rất
cao.
Thấp. Do Rotor chỉ là các lá
thép mỏng ghép lại với
nhau.
Rộng. Do khơng khí bị giới
hạn về mặt cơ khí

Cần bảo dưỡng định kỳ.

Vừa phải.
Vừa phải/ thấp. Nhiệt sinh
ra từ phần ứng được tỏa ra
khe hở và làm nóng khe
hở. Điều này làm hạn chế
P/kt.

Quán tính Rotor cao hơn
giới hạn đặc tính động của
động cơ.
Thấp. Do bị giới hạn bởi
mặt cơ khí của chổi than.
Chổi than và vành góp khi
hoạt động sinh ra các nhiễu
Rất thấp
điện từ ảnh hưởng tới các
thiết bị xung quanh.
Rẻ hơn do cấu tạo đơn giản.
Bình thường.
Phức tạp.
Đơn giản và rẻ.
Động cơ có thể khơng cần
Động cơ phải ln đi kèm
bộ điều khiển khi hoạt
với mạch công suất và
động ở tốc độ định mức.
mạch điều khiển, nếu không Bộ điều khiển chỉ cần thiết
thì động cơ sẽ khơng chạy.
khi thay đổi tốc độ động
cơ.

14


1.2 Phân tích hoạt động của động cơ từ trở
Cơ sở vật lý của động cơ từ trở
Để hiểu nguyên lý hoạt động của SRM, ta xem xét phương trình momen
của động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu như sau:
3
3
(1.1)
mM = z p ( sd isq − sq isd ) = z p  p isq + isd isq ( Lsd − Lsq ) 
2
2
Ta thấy momen quay bao gồm 2 thành phần: Thành phần chính do từ
thông cực  p (nam châm vĩnh cửu) gây nên, thành phần phản kháng do hiệu số

(L

sd

− Lsq )

gây nên. Rõ ràng: nếu máy điện hồn tồn khơng có kích thích và

 p = 0 , khi ấy máy điện vẫn có khả năng tạo ra momen và momen đó càng lớn

nếu chênh lệch ( Lsd − Lsq ) càng lớn. Đây chính là cơ sở vât lý của SRM, là loại
máy điện khơng có hệ thống kích từ một cách rõ ràng.
Cấu tạo của động cơ từ trở thay đổi

Cũng giống như các loại động cơ khác, SRM được cấu tạo bởi 2 phần
chính:
Stator: Khơng giống như Stator của các loại máy điện 3 pha khác- loại
máy điện có các cuộn dây có thể phân tán tùy theo số đơi cực, Stator của SRM có
cấu tạo bởi nhiều cực chứa các cuộn dây tập trung.

Hình 1.4: Rotor và Stator của SRM

Rotor: Hoàn toàn khác 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.

15


Hình 1.5: Rotor

SRM có nhiều loại, tùy theo u cầu cụ thể về tốc độ, cơng suất…Hình
1.6 giới thiệu về một số loại SRM khác nhau:

Hình 1.6: Một số loại SRM điển hình hiện nay

Nguyên lý hoạt động
Phương thức hoạt động của SRM rất đơn giản: Có thể coi SRM là một hệ
thống các nam châm điện độc lập, được ln phiên cấp dịng đồng bộ với vị trí
của rotor.
Nếu xét riêng một cực stator và một cực rotor thì có thể coi SRM là hệ
thống các nam châm điện. Khi một lõi sắt được cuốn xung quanh là cuộn dây có
dịng điện chạy qua thì nó trở thành nam châm điện và hút các vật liệu sắt từ
khác. Tương tự ở đây khi cuộn dây quấn quanh một cực của stator có điện thì nó

cũng trở thành nam châm điện và hút vật liệu sắt từ là cực rotor gần nhất với nó,
làm rotor quay.

16


Hình 1.7: Nguyên lý hoạt động của 1 cực stator và 1 cực rotor

Các cực của stator và rotor sẽ được thiết kế ở vị trí tương đối thích hợp để
khi được cấp điện vào các cuộn dây thì hệ thống nam châm này sẽ tạo ra lực hút
theo cùng một hướng quay, tạo nên momen tổng cho SRM.

Hình 1.8: Cấu trúc của SRM loại 8/6 với: a) Vị trí đồng trục, b) Vị trị lệch trục, c) Vị trí
mất đồng trục

Momen của SRM có đường phân bố trên bề mặt rotor lặp lại theo chu kỳ
của răng. Trong mỗi chu kỳ có hai vị trí: vị trí đồng trục và vị trị lệch trục.
Ta xét một 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 tại thời điểm đó điện cảm của cuộn dây pha là lớn nhất
và Rotor được coi là ở vị trí lệch trục với một pha xác định nếu như điện cảm đạt
giá trị nhỏ nhất, còn ở các vị trí khác thì Rotor sẽ được gọi là vị trí mất đồng trục.
Định nghĩa 2: Khi một cuộn dây pha được dẫn dịng, Rotor của SRM ln
có xu hướng chuyển động về phía cực Stator có cuộn dây được 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.

17

Hình 1.9: Phân bố từ thơng ở a) Vị trí lệch trục b) Vị trí đồng trục

Lấy ví dụ động cơ SRM 8/6 để giải thích nguyên lý hoạt động (hình 1.11).
Rotor có 6 cực và stator có 8 cực và được nối dây thành 4 pha A, B, C, D, cứ 2
cực đối xứng được nối dây thành một pha. Trong hình 1.11 giả thiết rằng: tại một
thời điểm xác định thì chỉ có cuộn dây của một pha được cấp nguồn. Tại thời
điểm 0 (lúc bắt đầu cuộn dây pha được cấp nguồn), Rotor nằm ở vị trí mất đồng
trục, theo định nghĩa trên, Rotor sẽ bị kéo chuyển động về phía cực của của pha
đang dẫn dịng để đạt trạng thái đồng trục, lúc này nếu ngắt dòng pha 1 (is1=0) và
pha 4 được cấp nguồn khi đó Rotor tiếp tục được kéo về vị trí đồng trục (theo
hình 1.11b) và như vậy Rotor sẽ được giữ nguyên chiều quay (theo chiều thuận
chiều kim đồng hồ) tính theo vị trí mất đồng trục hiện thời tới vị trí đồng trục gần
nhất (hình 1.11c) đối với pha 4. Bây giờ Rotor lại ở vị trí mất đồng trục so với
pha 3 và pha 3 được cấp nguồn thay vì pha 4 thì đảm bảo Rotor sẽ được duy trì
theo chiều quay cố định (hình 1.11d).
Tóm lại, để động cơ quay theo chiều kim đồng hồ, ta cấp dòng theo thứ tự
pha như sau: A, D, C, B (hình 1.11).
Ta nhận thấy: Đầu tiên cấp điện cho pha A, cực rotor thẳng hàng với cực
stator pha A, rồi đến cấp điện cho pha D, rồi pha C, rồi pha B, rồi lạ đến lượt pha
A được cấp điện thì cực rotor lại thẳng hàng với cực stator pha A. Tức là đã xong
một chu kỳ cấp xung. Như vậy mỗi lần cấp xung thì rotor quay một góc bằng góc
giữa 2 cực rotor là 360 6 = 60 chia cho 4 là 15  hay rotor cứ quay 15 độ thì ta
phải chuyển pha cấp điện.

18


Hình 1.10: Trình tự đóng ngắt nguồn sA, sD, sC, sB, sA ... để tạo ra chuyển động quay
theo chiều kim đồng hồ

Phân tích tương tự, để quay ngược chiều kim đồng hồ ta cấp điện theo thứ
tự sau: sA, sB, sC, sD, sA, … (hình 1.18).

Hình 1.11: Trình tự đóng ngắt nguồn sA, sB, sC, sD, sA ... để tạo ra chuyển động quay
ngược theo chiều kim đồng hồ

19