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




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 D
k
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 m
N
Momen quay của ĐCTK
6 p
c

Số đôi cực
7 R Điện trở của cuộn dây pha Stator của ĐCTK
8 U Điện áp cuộn dây pha của ĐCTK
9 U
DC
, U
trans
, U
diode
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 C ỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG
ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ TỪ KHÁNG


Học viên: PHẠM HỒNG KIÊN
Mã số:
Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HOÁ
Người HD Khoa học: PGS.TS NGUYỄN NHƯ HIỂN











THÁI NGUYÊN - 2009
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
--------------------------------------



THUYẾT MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG
ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ TỪ KHÁNG


Học viên: Phạm Hồng Kiên
Lớp: Cao học K9
Chuyên ngành: Tự Động Hoá
Người HD khoa học: PGS.TS Nguyễn Như Hiển
Ngày giao đề:
Ngày hoàn thành:


KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HD KHOA HỌC HỌC VIÊN







PGS.TS Nguyễn Như Hiển Phạm Hồng Ki
ên

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 kiện 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
iL
dt
d
Ti
u +=
(1.1)
abc
abc
T
abce
i
x

L
if
∂
∂
=
2
1
(1.2)
T
cbaabc
uuuu ][=
,
T
cbaabc
iiii ][=
(1.3)
Trong đó:
x: Vị trí của phần chính.
f
e
: Động lực cơ.
R: Điện trở.
U
a
, U
b
, U
c
, và i
a

, i
b
, i
c
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 L
abc
được viết dưới dạng:










+
+
+
=
321222
122232
223212

cLLcLcL
cLcLLcL
cLcLcL
L
L
gggg
gggg
gggg
abc
(1. 4)
Trong đó:
)
2
cos(
1
x
p
c
τ
Π
=

)
3
22
cos(
2
Π
+
Π

=
p
c
τ

0
2
3
gsLg
LLL +=

L
SL
: Độ tự cảm pha do từ thông tản gây ra mà không đi qua khe hở
không khí.
L
go
(5) và L
g2
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
N
L
11
2
2
0
(1.5)








+=
mgmd
g
RR
N
L
11
2
2
2
(1.6)
N: chỉ ra số lần quay của cuộn dây trên phần chính trong khi R

mg
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 (i
abc
và
u
abc
) 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
2
sin()
3
2
cos(
2
2
)
3
4
sin()
3
4
cos(
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.
U
d
, U
q
và i
d,
i
q
là giá trị đặt trên trục d-q điện áp dòng điện
Thành phần dòng điện i
o
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
d
q
dq
d
q
d
q
d
q

d
i
i
L
Ldt
dx
pi
i
dt
d
L
L
i
i
R
u
u
0
00
0
τ
(1.9)
qdqd
p
e
iiLLf )( −
Π
=
τ
(1.10)

dt
dx
bff
dt
xd
m
le
−−=
2
2
(1.11)
L
d
=L
sL
+
2
3
(L
g0+
L
g2)
L
d
=L
sL
+
2
3
(L

g0 -
L
g2)

(1.12)
L
q
và L
d
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 L
d
và L
q
, bước cực t
p
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 L
d
và L
q
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 L
d
(i
d
, i
q
) 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 L
d
(i
d
,i
q
) có thể được xác định theo các khối chính trong
trường hợp này
0=
dt
dx
. Từ (9) cùng với (13)
dt
d
Ri
dt
di
LRi
d
d
d
dd
ψ
+=+=
d

u
(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 u
d
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: u
d
= u
d
(t) và dòng điện i
d
= i
d
(t) bởi (14).
∫
−=
t
ddd
dRiut
0
))()(()(
τττψ
(1.14)
Điện áp thay đổi bậc thang u
d
và dòng điện tương đương i

d
cho dòng không
đổi i
q
= 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 với 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