123Doc thiet ke he truyen dong cho dong co tu tro thay doi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN Lực
KHOA ĐIỀU KHIỂN & Tự ĐỘNG HÓA

ĐỢI HỌC ĐIỆn Lực

ELECTRIC POWER UNIVERSITY

ĐÒ 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

ĐỀ BÀI BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ...................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ THAY ĐỔI................................2

1.1................................................................................................................................................................ T
ổng quan về động cơ từ trở..............................................................................................2
1.2 Cấu trúc cơ bản của động cơ từ trở thay đổi..............................................................3

1.3 Nguyên lý hoạt động..................................................................................................4
1.4 Quá trình vật lý..........................................................................................................7

1.4.1 Từ trở thay đổi................................................................................................7
1.4.2 Quá trình chuyển đổi năng lượng.................................................................10
1.5................................................................................................................................................................ Đ
ặc tính cơ bản của SRM...................................................................................................12
1.6 Ưu nhược điểm và ứng dụng của động cơ srm........................................................13
CHƯƠNG 2. NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SRM.......................................15
2.1 Nguyên tắc điều khiển..............................................................................................15
2.2 Cấu trúc điều khiển hệ truyền động SRM................................................................17
2.3 Bộ biến đổi sử dụng cho SRM.................................................................................18
2.3.1 Bộ biến đổi phục hồi thụ động.....................................................................18
2.3.2 Bộ biến đổi hai dây song song.....................................................................18
2.3.3 Bộ biến đổi cầu không đối xứng..................................................................19
2.3.4 Bộ biến đổi C-Dump....................................................................................19
CHƯƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ SRM BẰNG BỘ ĐIỀU CHỈNH
PID................................................................................................................................. 21
3.1 Bộ điều khiển............................................................................................................21
3.2 Tổng hợp các bộ điều khiển.....................................................................................21
3.2.1 Phương trình momen và điện áp của SRM..................................................22
3.2.2 Mơ hình hóa động cơ SRM..........................................................................23
3.2.3 Sơ đồ khối của hệ điều khiển động cơ SRM...............................................25
3.2.4 Thiết kế bộ điều khiển dòng........................................................................26
3.2.5 Thiết kế bộ điều khiển tốc độ......................................................................30
3.3 MÔ PHỎNG MATLAB SIMULINK......................................................................33
3.3.1 Mơ phỏng tổng hợp mạch vịng trong Matlab/Simulink..............................33
3.3.2 Mơ hình SRM (6/4) với bộ điều khiển PID trong Matlab/Simulink...........38
KẾT LUẬN.....................................................................................................................43
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................................44

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu trúc động cơ 6/4 SRM (pha A khơng thẳng hàng)...................................3
Hình 1.2 Cấu trúc động cơ 6/4 SRM (Pha A thẳng hàng)..............................................4
Hình 1.3 Vị trí đồng trục...................................................................................................5
Hình 1.4 Vị trí lệch trục.....................................................................................................5
Hình 1.5 Quan hệ giữa điện cảm và vị trí roto..................................................................9
Hình 1.6 Tập đường cong từ hóa của cuộn dây pha động cơ SRM.................................10
Hình 1.7 Năng lượng dự trữ và năng lượng chuyển đổi của động cơ SRM....................11
Hình 1.8 Đặc tính cơ của SRM........................................................................................12

Hình 2.1 Hoạt động của chế độ động cơ và máy phát của SRM.....................................16
Hình 2.2 Dịng điều khiển bộ truyền đơng động cơ SRM...............................................17
Hình 2.3 Mạch vịng điều chỉnh tốc độ SRM..................................................................17
Hình 2.4 Bộ biến đổi phục hồi thụ động.........................................................................18
Hình 2.5 Bộ biến đổi hai dây song song..........................................................................18
Hình 2.6 Bộ biến đổi cầu khơng đối xứng.......................................................................19
Hình 2.7 Bộ biến đổi C-Dump........................................................................................19
Hình 2.8 Bộ biến đổi dịng cảm ứng dùng Tisistor.........................................................20

Hình 3. 1 Sơ đồ khối động cơ SRM tuyến tính...............................................................24
Hình 3. 2 Sơ đồ khối hệ điều khiển hai mạch vịng điều chỉnh trong động cơ SRM....25
Hình 3. 3 Sơ đồ mạch vịng điều khiển dịng..................................................................26
Hình 3. 4 Sơ đồ khối mạch vịng dịng điện có tính đến sức điện động độngcơTL=0 27
Hình 3. 5 Sơ đồ khối mạch vịng dịng điện sau khi biến đổi..........................................27
Hình 3. 6 Sơ đồ khối mạch vịng dịng diện có tính đến sức điện động độngcơ T|.B|..(')
.........................................................................................................................................28
Hình 3. 7 Sơ đồ khối mạch vịng dịng điện sau khi biến đổi..........................................29
Hình 3. 8 Sơ đồ khối mạch vịng điều chỉnh tốc độ........................................................30

Hình 3. 9 Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ có TL..............................................31
Hình 3. 10 Sơ đồ khối mạch vịng điều chỉnh tốc độ......................................................32
Hình 3. 11 Sơ đồ khối mạch vịng điều chỉnh tốc độ có TL............................................33
Hình 3. 12 mạch vịng dịng điện bỏ qua sức điện động.................................................34
Hình 3. 13 đồ thị dòng điển của mạch vòng dòng điện khi bỏ qua sức điện động cảm
ứng...................................................................................................................................34
Hình 3. 14 Mạch vịng dịng điện có sức điện động, khơng có momen tải.....................34
Hình 3. 15 đồ thị mạch vịng dịng điện có sức điện động, khơng có momen tải...........35
Hình 3. 16 Mạch vịng dịng điện có sức điện động, có monem tải TL=Bro................35
Hình 3. 17 đồ thị dòng điện của mạch vòng dòng điện có sức điện động,có monem tải
TL=Bro............................................................................................................................36
Hình 3. 18 Mạch vịng tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng.....................................36
Hình 3. 19 đồ thị mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng...........................37
Hình 3. 20 Mơ hình SRM (6/4) với bộ điều khiển PID trong Matlab/Simulink...........38
Hình 3. 21 Bộ chuyển đổi nguồn ba pha.......................................................................39

Hình 3. 22 Bộ chuyển đổi nguồn của mỗi pha..............................................................39
Hình 3. 23 Đo phản hồi vị trí........................................................................................40
Hình 3. 24 Bộ điều khiển PID.......................................................................................40
Hình 3. 25 Đặc tính từ hóa của động cơ........................................................................41
Hình 3. 26 Kết quả mơ phỏng SRM (6/4) với dịng điện, momen, tốc độ....................42

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 3.1 Thông số động cơ.............................................................................................33

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 mơ 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

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 (cosộ ~ 0,5) so với
những hệ truyền động dùng các loại động cơ khác (cosộ ~ 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 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

0 độ

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 đơi 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. Khơng có
cuộn dây trong roto cũng như bất cứ từ trường nào trong roto.

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 q trình quay, điện cảm từ thơng móc vòng 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 0s.

(1.1)

Trong đó: q là số pha, NR là số đôi cực, trong hình 1, 0s = 30o

0 độ

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.
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 không 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 dòng 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.

stator

Vị trí thẳng hàng

rotor

Hình 1.3 Vị trí đồng trục

▲ Độ tự cảm

Hình 1.4 Vị trí lệch trục

Momen quay củLmaaSx R- M có đường phân bố trên bề mặt Roto lặp lại theo chu kỳ
của răng. Trong mỗi cLhmuink-ỳ 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 chiều của

trường quay tạo nên từ phái stato. Gọi m là số pha của sVtịattr k,h2ơpngc ltàhẳsnốg hcàựncg của một pha, từ
trường stato sẽ quay sau mỗi xung một góc là:

Vc = 306° (1.2)
2 Pcm

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

r V = 306 (1.3)

zm

Tức là qua chậm hơn:

Vr_ 2Pc ( 1.4)
Vs z (1.5)

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:

fs = nz

Nguyên lỷ 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 dịng 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 công thức (1.5).

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:

(1.6)

Trong đó:

F: lực điện từ

X: từ thông

H: cường độ điện trường l: chiều dài của phần điện từ

B: mật độ từ thông

S: diện tích vùng từ thông qua

Li: độ thẩm từ của vật liệu từ

l, S, LI 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, A = Ao (A)là rất nhỏ so với độ từ
thẩm của vật liệu từ).

R lớn nhất tại vị trí khơng thẳng hàng và khơng đổi trong vùng cực roto và stato
chưa chồng lên nhau, vùng dài l = const. Từ vị trí chạm nhau đến vị trí thẳng hàng độ từ
thẩm LI 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, y = max tại vị trí thẳng hàng hoặc R đạt giá trị nhỏ
nhất.

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.

N± Ni (1.7)

i i R
X 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 dòng pha cố định.

ổ,= '.c- (A - Pr)] (L8)

2 Pr (1.9)

^2 =^1 + & (1.10)

63 =^2 + (fir - fis ) (1.11)

(1.12)
Ớ4 = 63 + PS

65 = Ỡ4 + &1 = 2^

Pr, Ps là góc cực của roto và stato tương ứng và Pr là số cực của roto.

Hình 1.5 Quan hệ giữa điện cảm và vị trí roto

Bốn vùng điện trở riêng biệt:

+ 0 — 0, và 04 —05: 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.

+ 01 —02: 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.

+ 02 —03: 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
điện cảm khơng thay đổi trong vùng này, momen phát ra là khơng bằng phẳng khi dịng
vẫn hiện diện trong thời gian này.

+ 03 —04: 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 đoi 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 không đạt được giá trị bão hồ tại vị trí khơng thẳng
hàng. Tuy nhiên, đặc tính từ trường gần như là một hàm của dịng tại 0 = 0 không 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 0

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:

À

Dịng i

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

Wf = 1 idẢ(ỡ, i) (1.13)

0

1'o (1.14)

Wf = Ằ(0, i )di

0

À(0,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 Wf bằng năng lượng điện

cung cấp từ cuộn dây pha trong suốt khoảng thời gian từ thông tăng từ 0 đến Ào.

Khi roto đóng điện, cực roto di chuyển sang vị trí thẳng hàng. Với một vi phân

A0, i0 = const, trên quỹ đạo từ thông rời từ điểm A đến điểm B.

Bởi sự trao đoi năng lượng, sự thay đoi trong năng lượng dự trữ, AWf = AWm được

cung cấp bởi roto khi di chuyển A0. Tuy nhiên, Awm được tính:

'0 '0
Ẵ(OA, i)di
Ả(ỠB, i)di -

00
f f Aw m = Aw= (1.15)

Awm = TAO

m

Suy ra:

f Ả(OB, i)di - f Ằ(0A, i)di
0
T = Aw_Jo (1.16)
AO AO

Giới hạn A0 đến 0 với bất kỳ I, momen tức thời của SRM được định nghĩa:

-^-\Ằ(0, i)di (1.17)

õỡ J0

Chế độ tuyến tính Ằ(0,Í) — 1(0)1:

2 ’ ÍOA(0,Í ) ' Í dL dL 1 .2 dL Í

T — \ di — \—p-idi —-FH Í di — 1-77

0 Õ0 0 d0 dO0 2 d0 (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

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

Giới hạn dịng Cơng suất không dôi
T=l/(ừ

Vùng tôc độ rât cao
T=l/w2

Tốc dộ cơ bản

Tốc độ

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 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 V2 lần.

1.6 Ưu nhược điêm 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 khơng

đồng bộ. Do u cầu dịng 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.

- 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 vòng/ phút.

- Do chỉ cấp điện phía Stato nên việc làm mát đối với SRM là vơ cùng đơn giản,
vì vậy mà SRM có thể làm việc tốt trong môi 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
đòi 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 không (địi hỏi khơng phát sinh tia lửa điện, ít
phải bảo dưỡng, cần tốc độ quay lớn).
- Các hệ địi hỏi kích thích nhỏ nhưng khơng chứa thành phần kích thích.

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. Khoá nhiều pha là bắt buộc để giảm xung mômen 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 thơng tin chính xác vị trí của roto.
Hình 2.1 minh họa phương pháp điều khiển cơ bản.

Hình 2.1 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 dòng cuộn dây.