Điều khiển giảm nhấp nhô mômen động cơ từ trở thay đổi 64

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐẦO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----------o0o----------

LUẬN VĂN THẠC SĨ

ĐIỀU KHIỂN GIẢM NHẤP NHÔ MOMEN CHO
ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ THAY ĐỔI 6/4

NGÀNH:
MÃ SỐ :

L Ê HỒNG PHONG

Người hướng dẫn luận văn: PGS.TS TẠ CAO MINH


MỤC LỤC
Trang phụ bìa

Trang

Lời cam đoan
Danh mục các kí hiệu, chữ viết tắt
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Mở đầu
Chương I- Tổng quan về động cơ từ trở thay đổi (SRM)
1.1.Giới thiệu chung về động cơ

1

1.1.1.Động cơ điện hoạt động dựa trên nguyên lý về từ trở mạch từ

1

1.1.2.Cấu tạo và vận hành SRM

2

1.1.3.Nguyên nhân phát sinh momen

5

1.2. Phương trình động học

8

1.2. Phương trình động học

9

1.4. Đặc tính công suất của động cơ từ trở thay đổi

9

1.5.Ưu nhược điểm và ứng dụng của SRM

11

1.6. So sánh động cơ từ trở thay đổi với một số động cơ khác

12

1.7. Các vấn đề cần giải quyết

15

Chương II- Cấu hình bộ biến đổi điện tử công suất cho động cơ từ trở thay đổi
2.1. Cấu trúc chung và phân loại các bộ biến đổi điện tử công suất

16

2.2. Bộ biến đổi cầu không đối xứng

17

2.2.1. Chiến lược điều khiển đóng ngắt cả 2 chuyển mạch

18

2.2.2. Chiến lược điều khiển chỉ đóng cắt 1 chuyển mạch

20

2.3. Bộ biến đổi 1 chuyển mạch trên một pha

22

2.3.1. Loại R-dump

22

2.3.2. Loại 2 cuộn dây kép

24

2.3.3. Loại chia đôi nguồn cung cấp một chiều

26

2.4. Bộ biến đổi m chuyển mạch và 2m Diod

28

2.5. Bộ biến đổi m+1 chuyển mạch và diode

30

2.5. Bộ biến đổi 1.5m chuyển mạch

31


2.6. So sánh giữa các bộ biến đổi

33

2.7. Yêu cầu truyền động

34

Chương III- Đề xuất phương pháp điều khiển trực tiếp momen cho SRM
3.1. Các phương pháp điều khiển giảm nhấp nhô momen hiện nay

35

3.2. Phương pháp điều khiển DTC cho các động cơ thông thường

36

3.3. Phân biệt giữa FOC và DTC

40

3.4.Phương pháp DTC cho SRM

41

3.5. Xây dựng thuật toán DTC cho SRM

43

Chương IV- Xây dựng các khối trong Simulink và mô phỏng
4.1.Khối ước lượng momen

49

4.2. Khối ước lượng từ thông

51

4.3. Khối chuyển đổi hệ tọa độ abc→αβ

53

4.4. Khâu xác định sector

54

4.5. Khối chọn vector điện áp tối ưu

54

4.6. Khối phản hồi và trễ từ thông

55

4.7. Khối phản hồi và trễ momen

55

4.8. Thông số động cơ

56

4.9. Kết quả mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink

58

4.10. Bàn luận

59

Tài liệu tham khảo


Chương I: Tổng quan về động cơ từ trở thay đổi
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ THAY ĐỔI (SRM)
Nội dung chương I:
- Giới thiệu chung về động cơ: cấu tạo, đặc điểm, nguyên lý hoạt động
- Các phương trình và đường đặc tính của động cơ.
- Phân loại, ứng dụng.
- So sánh SRM với các động cơ khác
- Các vấn đề của SRM cần giải quyết
1.1.Giới thiệu chung về động cơ:
1.1.1.Động cơ điện hoạt động dựa trên nguyên lý về từ trở mạch từ:
Chúng ta đã quen biết với các động cơ điện hoạt động với nguyên lý sinh momen
điện từ do sự tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ trường phần cảm. Động cơ
một chiều là ví dụ điển hình với quan hệ sinh momen:
Te=Km.ψ.iu
Trong đó:

(1.1)

Te

Momen điện từ [Nm]

Km

Hằng số momen

Ψ

Từ thông phần cảm [Wb]

iu

Dòng điện phần ứng [A]

Động cơ một chiều không chổi than (BLDC) hay động cơ không đồng bộ và
động cơ đồng bộ xoay chiều 3 pha với nguyên lý điều khiển Vector tựa từ thông
Roto đều có thể đưa về dạng tương tự (1.1). Với các nguyên lý điều khiển khác, ta
có các phương trình sinh momen khác, nhưng về cơ bản vẫn tuân theo nguyên lý
tương tác giữa từ trường phần cảm và dòng điện phần ứng.
Các loại động cơ loại này nhìn chung đều có điện cảm dọc trục và ngang trục (Ld
và Lq trong hệ tọa độ d-q) bằng nhau do cấu tạo cực ẩn, khe hở không khí đều. Đối
với động cơ có cấu tạo cực lồi ( như động cơ đồng bộ Roto dây quấn cực lồi), các
điện cảm dọc trục và ngang trục này có sự khác biệt, sinh ra momen từ trở được coi
là momen phụ, momen điện từ chính phát động động cơ vẫn là momen sinh ra do
tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ trường phần cảm.

-1-


Chương I: Tổng quan về động cơ từ trở thay đổi
Các động cơ thông thường ( như động cơ đồng bộ Roto dây quấn cực lồi, động
cơ BLDC, động cơ không đồng bộ và động cơ đồng bộ xoay chiều 3 pha), có từ trở
và điện cảm quan hệ tương ứng với nhau nên trong một số trường hợp chúng có thể
được sử dụng như những giá trị tương đương.

Bên cạnh các động cơ thông thường nói trên, còn có một loại động cơ hoạt động
dựa trên sự khác biệt và biến thiên của từ trở mạch từ, được gọi là động cơ từ trở
(Reluctance Motor). Động cơ từ trở được chia làm 2 loại chính: động cơ từ trở đồng
bộ (Synchronous Reluctance Motor) và động cơ từ trở kiểu đóng cắt ( Switched
Reluctance Motor).

Hình 1.1. Mặt cắt cấu tạo động cơ từ trở đồng bộ.
Động cơ từ trở đồng bộ với cấu tạo như trên hình 1.1 có nguyên lý sinh momen
dựa trên sự khác biệt giữa điện cảm dọc trục và điện cảm ngang trục trong hệ tọa độ
d-q.
Việc điều khiển động cơ từ trở đồng bộ tương tự như điều khiển động cơ đồng bộ
thông thường. Tuy nhiên, động cơ này không phải là đối tượng nghiên cứu chính
của luận văn.
Động cơ từ trở kiểu đóng cắt SRM là loại động cơ có nguyên lý hoạt động khác
với tất cả các loại động cơ khác. Để tạo momen quay, SRM không cần hệ thống
kích từ, mà chỉ cần một hệ thống cảm kháng phân bố không đều trên toàn bộ phạm
vi khe hở giữa Stator và Roto.

-2-


Chương I: Tổng quan về động cơ từ trở thay đổi
Để hiểu nguyên lý hoạt động của SRM, ta xem xét phương trình momen của động
cơ đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu sau:

m

M

=

(

)

3
3
.z p (ψ .isq −ψ sq .i ) = .zp[ψ p .isq + i .isq L − Lsq ] (1.2)
sd
sd 2
sd
sd
2

ta thấy momen quay bao gồm 2 thành phần: Thành phần chính do từ thông cực ψp
(nam châm vĩnh cửu) gây nên, thành phần phản kháng do hiệu số (Lsd-Lsq) gây nên.
Rõ ràng là: nếu máy điện hoàn toàn không có kích thích và ψp=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 vật lý của SRM, là loại máy điện không có hệ thống
kích từ một cách rõ ràng
1.1.2.Cấu tạo và vận hành SRM:
a) SRM có cấu tạo đơn giản, bao gồm:
- Stator: dạng cực lồi, gồm các lá thép kĩ thuật điện ghép lại, trên mỗi cực có dây
quấn kích thích.
- Rotor: dạng cực lồi, gồm các lá thép kĩ thuật điện ghép lại, chỉ là một khối sắt
không có nam châm, dây quấn.

Hình 1.2. Cấu trúc mặt cắt một số loại SRM thông dụng
loại 6/4(a);8/6(b); 12/8(c)
Cấu trúc cơ bản của SRM cho trên hình 1.2. Việc phân loại chủ yếu dựa trên số

lượng cực từ Stator/Rotor, bên cạnh đó là số pha của động cơ.
b) Nguyên lý hoạt động:
Trước khi đi vào tìm hiểu nguyên lý hoạt động của động cơ từ trở, ta xem xét 2
khái niệm quan trọng đó là:

-3-


Chương I: Tổng quan về động cơ từ trở thay đổi
+ Vị trí đồng trục (Aligned position)
+ Vị trí lệch trục (Unaligned position)
Như đã thể hiện trên (hình 1.2) ta thấy khi 2 cực lồi của Stator và Rotor nằm ở vị trí
mà trục của chúng trùng nhau thì người ta gọi đó là “vị trí đồng trục” ( vị trí mà độ
tự cảm sinh ra giữa cực từ của Stator và Rotor là lớn nhất), còn khi 2 cực của Stator
và Rotor nằm lệch nhau hoàn toàn và không có phần thiết diện nào chồng lên nhau
thì gọi đó là “vị trí lệch trục” ( vị trí mà độ tự cảm giữa cực từ của Stator và Rotor là
bé nhất).

Hình 1.3. Mặt cắt ngang động cơ từ trở loại 8/6
Hoạt động:
Giả sử ban đầu, Rotor ở vị trí đồng trục với cực từ pha c của Stator, ta kích thích
dòng điện vào dây quấn pha a như hình vẽ. Lúc này xuất hiện từ trường trong cực từ
pha a , móc vòng qua cực từ Rotor r3 và r3’ , lực từ trường sinh ra momen kéo Rotor
quay tới vị trí đồng trục với pha a. Tiếp đó lại kích thích pha b, rồi pha c, quá trình
diễn ra tương tự, động cơ duy trì chuyển động theo chiều kim đồng hồ.
Qua nguyên tắc hoạt động, ta rút ra một số nhận xét như sau:
+ Tại mỗi thời điểm chỉ có một pha có dòng kích thích do đó momen được phát sinh
dưới dạng xung ( do từng pha lần lượt sinh ra). Điều này làm cho momen tổng của

-4-

Chương I: Tổng quan về động cơ từ trở thay đổi
động cơ đập mạch, trong khoảng thời gian chuyển mạch giữa các pha có độ nhấp
nhô cao.
+ Mỗi pha dẫn dòng trong một khoảng thời gian tương ứng với 450 điện, do đó xung
momen sinh ra cũng có độ rộng tương đương, điều này tạo ra sự khác biệt giữa
động cơ từ trở và động cơ bước vì xung momen của động cơ bước tồn tại trong thời
gian ngắn.
+ Các pha của động cơ được kích thích lần lượt dựa vào vị trí Rotor. Các pha lệch
nhau một khoảng thời gian tương ứng với một góc gọi là “bước góc”, kí hiệu là θS
và được tính theo công thức:

qS =

2p
q.n R

(1.3)

1.1.3.Nguyên nhân phát sinh momen:
Để có thể điều khiển được momen động cơ nhằm mục đích giảm được độ đập
mạch của momen thì ta cần tìm hiểu nguyên nhân phát sinh momen của động cơ,
qua đó thấy được momen phụ thuộc vào những yếu tố nào. Sự sản sinh momen
trong động cơ từ trở thay đổi có thể được giải thích qua nguyên tắc chuyển đổi năng
lượng từ điện năng sang cơ năng trong cuộn dây.
Khi Rotor ở vị trí lệch trục hoàn toàn so với cực từ được kích thích, điện cảm có
giá trị nhỏ nhất Lmin. Khi rotor ở vị trí đồng trục, điện cảm có giá trị lớn nhất
Lmax.
Trong suốt quá trình Rotor quay từ vị trí lệch trục hoàn toàn (U) tới vị trí lệch

trục (J) tức vị trí mà Rotor và Stator bắt đầu gối lên nhau thì điện cảm của động cơ
hầu như không đổi ở giá trị Lmin do từ trở của không khí rất lớn so với vật liệu sắt
từ. Khi rotor và Stator bắt đầu gối lên nhau, điện cảm động cơ tăng dần theo mức độ
gối giữa chúng và đạt giá trị lớn nhất Lmax tại vị trí đồng trục. Một cách lý tưởng,
ta có thể coi quá trình biến thiên điện cảm theo vị trí Rotor này là tuyến tính như
hình 1.4(a). Trong thực tế, quá trình trên là phi tuyến.
Khi kích thích dòng điện ở sườn lên ( chiều tăng) của đặc tính điện cảm, momen
sinh ra là momen phát động động cơ ( quy ước là momen dương, mang dấu (+).
Cũng với dòng điện ấy, khi Rotor đi qua vị trí đồng trục, momen động cơ sẽ đảo

-5-


Chương I: Tổng quan về động cơ từ trở thay đổi
chiều trở thành momen cản ( quy ước là momen âm, mang dấu (-). Do đường đặc
tính điện cảm trên hình 1.4(a) được lý tưởng hóa, đường đặc tính momen tĩnh trên
hình 1.4(b) cũng là đường đặc tính lý tưởng.
Việc lý tưởng hóa các đường đặc tính điện cảm và momen dựa trên những giả
thiết sau:
+ Điện cảm biến thiên không phụ thuộc dòng điện, tức là không xét tính bão hòa
của mạch từ.
+ Bỏ qua hỗ cảm giữa các pha ( nếu động cơ có nhiều pha).
+ Bỏ qua ảnh hưởng của các viền từ thông quanh góc cực.
+ Giả sử tất cả từ thông đi qua khe hở không khí đều có chiều tỏa tròn xuyên tâm.

Hình 1.4.(a) Đặc tính lý tưởng biến thiên điện cảm theo vị trí Rotor (b) Đặc tính
lý tưởng momen động cơ tương ứng với sườn lên và sườn xuống.
Với những giả thiết trên, ta xây dựng biểu thức tính momen từ phương trình cân
bằng điện áp cơ bản:

-6-


Chương I: Tổng quan về động cơ từ trở thay đổi

d { L(θ , i )i}
dψ (θ , i )
= R .i +
S
dt
dt
di dL(θ , i )
v = R .i + L(θ , i ) +
w m .i
S
dt
dθ
v = R .i +
S

Trong đó:

v

Điện áp nguồn[V]

i

Dòng điện kích thích [A]

ψ

từ thông móc vòng [Wb]

RS

Điện trở dây quấn [Ω]

L

Điện cảm dây quấn [H]

wm

Tốc độ góc [rad/s]

(1.4 )

Vế phải của phương trình (1.4 ) có 3 thành phần theo thứ tự tương ứng: điện áp
trên điện trở, sức điện động tự cảm và sức phản điện động.
Nhân dòng điện i vào 2 vế của phương trình, ta có quan hệ biểu diễn công suất
tức thời một pha của động cơ:

di dL(θ , i ) 2
.i
pi = v.i = R .i 2 + L(θ , i ).i. +
S
dt
dt

(1.5)

Trong phương trình (1.5), ta thấy toán hạng thứ 2 không có ý nghĩa vật lý rõ
ràng, biểu thức của công suất-một khái niệm vật lý rõ ràng-không nên chứa những
toán hạng như vậy. Để đưa (1.5) về dạng bao gồm các toán hạng đều lý giải được rõ
ràng bằng vật lý, ta xét đạo hàm của năng lượng từ trường trong cuộn dây:

d ⎛1
di 1 2 dL(θ , i )
2⎞
⎜ L(θ , i ).i ⎟ = L(θ , i ).i. + i
dt ⎝ 2
dt 2
dt
⎠

(1.6)

Kết hợp (1.5) và (1.6) ta có công suất tức thời:

d ⎛1
⎞ 1 dL(θ , i )
pi = R .i 2 + ⎜ L(θ , i ).i 2 ⎟ + i 2
S
dt ⎝ 2
dt
⎠ 2

(1.7)

Quan hệ (1.7) chỉ ra rằng công suất điện đầu vào bao gồm tổn hao trên điện trở dây
dẫn R .i 2 , biến thiên của năng lượng từ trường trong mạch từ

S

d ⎛1
2⎞
⎜ L(θ , i ).i ⎟ và
dt ⎝ 2
⎠

thành phần thứ 3 là năng lượng điện từ truyền qua khe hở không khí:

-7-


Chương I: Tổng quan về động cơ từ trở thay đổi
1 dL(θ , i ) 1 2 dL(θ , i ) dθ 1 2 dL(θ , i )
pa = i 2
.
.w m
= i
= i
2
dt
2
dθ
dt 2
dθ

(1.8)

Lấy 2 vế của phương trình (1.8) chia cho tốc độ góc cơ học wm ta được momen điện
từ:

1 dL(θ , i )
Te = i 2
2
dθ

(1.9)

Từ biểu thức momen (1.9), ta rút ra một vài tính chất quan trọng của SRM như sau:
- Momen động cơ chỉ phụ thuộc vào giá trị, không phụ thuộc vào chiều của dòng
điện kích thích, do vậy không thể đảo chiều động cơ bằng cách đảo chiều dòng điện,
và như thế ta chỉ cần dòng điện chảy theo một chiều trong cuộn dây.
- Động cơ chỉ hoạt động( sinh momen) khi có sự biến thiên điện cảm theo vị trí
Rotor, đây là sự khác biệt cơ bản giữa SRM và các động cơ thông thường.
1.2. Phương trình động học:
Mô hình động học của động cơ SRM cũng giống như các loại động cơ khác,
được mô tả như sau:
Phương trình chuyển động:

Te = T + J .
l

dw m
+ B.w m
dt

(1.10)

Momen của động cơ bằng tổng momen do các pha sinh ra, đối với động cơ từ trở
thay đổi m pha thì ta có momen của động cơ:

m
Te = ∑ T
j =1 ej

(1.11)

Trong đó:
TJ

là momen tải

B

hệ số ma sát trên trục động cơ

wm

là vận tốc góc trên đầu trục động cơ

T
ej

là momen sinh ra bởi pha thứ J

J

là momen quán tính của các thành phần gắn trên đầu trục động cơ

m

1.3. Mạch điện thay thế động cơ:

-8-

là số pha Stator


Chương I: Tổng quan về động cơ từ trở thay đổi
Từ phương trình (1.4) ta có, sức phản điện động trong cuộn dây pha

e = i.
Trong đó: K =

b

dL(θ , i )
.w m = K .i.w m
b
dθ

(1.12)

dL(θ , i )
tương tự như hằng số sức phản điện động của động cơ
dθ

một chiều kích thích nối tiếp.
Ta có mạch điện thay thế gần đúng cho một pha Stator của động cơ từ trở thay đổi
như hình sau:

Hình1.5: Mạch điện thay thế cho 1 pha Stator của động cơ từ trở thay đổi
1.4. Đặc tính công suất của động cơ từ trở thay đổi:
Giống như các loại máy điện khác, momen của động cơ từ trở thay đổi bị giới
hạn bởi dòng điện cực đại cho phép và tốc độ của động cơ thì phụ thuộc vào độ
rộng xung áp điều chế đặt vào cuộn dây 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 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 đạt cực đại
và tốc độ của động cơ đạt tới giá trị tốc độ cơ bản.

-9-


Chương I: Tổng quan về động cơ từ trở thay đổi

Hình 1.6: Đặc tính công suất của động cơ từ trở thay đổi
Trong đặc tính làm việc của động cơ trên hình trên, ta thấy rõ có 3 vùng làm việc:
- Vùng 1 ( vùng momen không đổi):
Ý nghĩa của vùng này muốn chỉ ra rằng, nếu tốc độ còn nhỏ hơn tốc độ định
mức, momen của động cơ sinh ra vẫn có thể đảm bảo không đổi trong thời gian dài,
miễn là tải nhỏ hơn định mức. Trong vùng này nếu muốn tăng tốc độ động cơ cần
phải điều khiển tăng điện áp cấp vào cuộn dây pha Stator. Tốc độ động cơ lớn nhất
bằng tốc độ định mức, tại đó dòng điện và momen đạt định mức khi điện áp đạt
định mức. Trong vùng này điều khiển momen bằng cách điều khiển dòng điện.

- Vùng 2 ( vùng công suất không đổi):
Khi tốc độ của động cơ lớn hơn tốc độ định mức và điện áp của động cơ không
thể tăng hơn được nữa, do công suất của động cơ là không đổi p=Te.wm nên bắt
buộc momen phải giảm đi. Khi đó vùng làm việc trên tốc độ cơ bản là vùng công
suất không đổi.
- Vùng 3 ( vùng giảm công suất):
Đây là vùng có tốc độ rất lớn, làm cho sức phản điện động e trong động cơ lớn
hơn nhiều so với điện áp nguồn cấp u vào cuộn dây pha Stator. Để đảm bảo sự đúng
đắn của biểu thức (1.4) dòng điện trong động cơ bắt buộc phải giảm đi, khi đó
momen của động cơ giảm mạnh vì momen tỉ lệ với bình phương dòng điện. Nếu
đảm bảo động cơ phải sinh ra momen cản thì tốc độ động cơ phải giảm đi.
1.5.Ưu nhược điểm và ứng dụng của SRM:
- Ưu điểm:

- 10 -


Chương I: Tổng quan về động cơ từ trở thay đổi
+ Momen của SRM tỷ lệ với bình phương dòng điện, do đó có khả năng sinh
momen lớn, đặc biệt khi khởi động.
+ Khác với những động cơ thông thường chỉ hoạt động trong vùng tuyến tính của
đường đặc tính từ hóa, SRM có thể hoạt động trong cả vùng bão hòa của mạch từ,
do đó tận dụng tối đa khả năng của vật liệu sắt từ. Điều đó dẫn đến mật độ công suất
trên khối lượng của SRM cao hơn các loại động cơ khác.
+ Rotor của SRM không có dây quấn, nam châm, chỉ là một khối sắt, do đó nó có
kết cấu cơ khí rất vũng chắc, cho phép động cơ chạy ở tốc độ rất cao. Hiện nay đã
có những mẫu động cơ được thiết kế với tốc độ định mức lên đến 30000 vòng/phút.
+ Cũng với lý do không có dây quấn, nam châm, Rotor động cơ có thể được thiết kế
với đường kính nhỏ, dẫn tới momen quán tính nhỏ, do vậy khả năng gia tốc của
SRM lớn.

+ Do tận dụng được tối đa khả năng của vật liệu sắt từ, mật độ công suất /khối
lượng cao, do không cần dây quấn, nam châm ở Rotor nên SRM có thể được chế tạo
với giá thành rẻ, khi ứng dụng rộng rãi sẽ đem lại hiệu quả kinh tế cao.
+ SRM chỉ yêu cầu dòng điện chảy theo một chiều cho cả 4 góc phần tư trong miền
làm việc nên nó có khả năng trả năng lượng về lưới mà không cần đảo chiều dòng
điện. Do vậy, với cấu hình thông thường của bộ biến đổi công suất, SRM sẽ dễ dàng
hoạt động trong cả 4 góc phần tư. Để làm được điều đó, các động cơ xoay chiều 3
pha thông thường cần được bổ sung một mạch chỉnh lưu độc lập hoặc sử dụng cấu
hình bộ biến đổi đặc biệt với thuật toán điều khiển phức tạp như biến tần ma trận,
biến tần 4-Q ( chỉnh lưu tích cực PWM).
+ Mỗi pha của SRM được cấp một nguồn riêng, độc lập với nhau về điện nên sự
tương tác, ảnh hưởng lẫn nhau giữa các pha được giảm thiểu tối đa.
+ Mặt khác, do các pha độc lập với nhau nên 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 yêu
cầu độ an toàn cao.
- Nhược điểm:
+ SRM là loại động cơ rất khó điều khiển. Theo nguyên lý hoạt động đã trình bày
sơ bộ ở trên, việc điều khiển cơ bản SRM luôn cần có cảm biến đo góc tuyệt đối

- 11 -


Chương I: Tổng quan về động cơ từ trở thay đổi
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.
+ Hệ truyền động SRM luôn có nhấp nhô momen lớn nên không được ứng dụng
cho những hệ thống cần điều khiển vị trí ( các hệ servo) như Robot, máy công cụ
CNC..v..v..
+ Do nhấp nhô momen và sự biến đổi thường xuyên của lực xuyên tâm, tiếng ồn, độ

rung sinh ra khi vận hành là một nhược điểm lớn của SRM.
- Ứng dụng:
+ Với những ưu, nhược điểm được trình bày ở trên, SRM có những địa chỉ ứng
dụng đặc thù, phát huy những ưu điểm vượt trội và hạn chế được những nhược
điểm của nó.
+ 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 không với vai trò là 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.
1.6. So sánh động cơ từ trở thay đổi với một số động cơ khác:
Bảng 1: So sánh giữa động cơ từ trở thay đổi với động cơ không đồng bộ:
Đặc điểm

SRM

Đặc

Có thể sinh momen lớn trong Momen nhỏ ở vùng tốc độ

điểm

ĐK

momen

dải dưới tốc độ cơ bản

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

- 12 -


Chương I: Tổng quan về động cơ từ trở thay đổi
động cơ SRM
Quán

tính

Rotor
Dòng

khởi

Thấp. Điểm thuận lợi cho đặc Cao. Làm xấu đặc tính động
tính động

của động cơ

Định mức

Rất cao. Cần giới hạn dòng

động

điện

khởi

động.

Thông

thường dùng mạch khởi
động sao-tam giác
Điều khiển

Động cơ không thể hoạt động Động cơ có thể hoạt động
trực tiếp với lưới điện 3 pha trực tiếp với lưới điện 3 pha
mà chỉ có thể hoạt động khi khi hoạt động ở định mức.
có mạch công suất và mạch Mạch công suất và mạch
điều khiển chỉ cần thiết khi

điều khiển

cần thay đổi tốc độ.
Bảng 2: So sánh giữa động cơ từ trở thay đổi với động cơ một chiều thông thường
Đặc điểm

Chuyển mạch

SRM

ĐC1C

Không có chổi than, vành Chuyển mạch có chổi
góp

Bảo dưỡng

than, vành góp

Rất ít vì không dùng chổi Cần bảo dưỡng định kì
than

Thời gian làm Lâu hơn

Ngắn hơn

việc
Dải tốc độ

Cho phép hoạt động trên toàn Ở tốc độ cao, ma sát gây
dải tốc độ

ra bởi chổi than và vành
góp

tăng,

làm

giảm

momen hữu ích
Hiệu suất

Cao. Do không có điện áp rơi Vừa phải
trên chổi than

Tỷ lệ P/kt

Lớn. Kích thước động cơ Vừa phải/ thấp. Nhiệt

- 13 -


Chương I: Tổng quan về động cơ từ trở thay đổi
giảm do cấu tạo đơn giản, sinh ra từ phần ứng được
đặc tính nhiệt tốt. Động cơ từ tỏa ra ở khe hở và làm
trở thay đổi có các cuộn dây nóng khe hở. Điều này
Stator gắn trên trục động cơ làm hạn chế P/kt
nên khả năng tỏa nhiệt cao
Quán tính Rotor

Thấp. Do Rotor chỉ là các lá Quán tính Rotor cao hơn
thép mỏng ghép lại với nhau

giới hạn đặc tính động

của động cơ

Dải tốc độ
Nhiễu điện

Rộng. Do không bị giới hạn

Thấp. Do bị giới hạn bởi

về mặt cơ khí

mặt cơ khí của chổi than

Rất thấp

Chổi than và vành góp
khi hoạt động sinh ra
các nhiễu điện từ ảnh
hưởng tới các thiết bị
xung quanh

Giá thành

Rẻ hơn do cấu tạo đơn giản

Bình thường

Điều khiển

Phức tạp

Đơn giản và rẻ

Yêu cầu về

Động cơ luôn phải đi kèm

Động cơ có thể không

điều khiển

với mạch công suất và mạch

cần bộ điều khiển khi

điều khiển, nếu không thì

hoạt động ở tốc độ định

động cơ sẽ không chạy

mức. Bộ điều khiển chỉ
cần thiết khi cần thay
đổi tốc độ động cơ.

1.7. Các vấn đề cần giải quyết:
Hiện nay, những vấn đề của đối tượng SRM đang được các nhà khoa học trên thế
giới quan tâm nghiên cứu gồm có:
- Chuẩn hóa và tối ưu hóa việc thiết kế động cơ.

- 14 -


Chương I: Tổng quan về động cơ từ trở thay đổi
- Cải tiến về hình dáng, kích thước động cơ, nghiên cứu các dạng động cơ mới để
cực đại hóa momen trung bình và cực tiểu hóa nhấp nhô momen, giảm giá thành,
tăng khả năng ứng dụng cho SRM.
- Sử dụng các phương pháp phân tích và mô phỏng số, đặc biệt là phương pháp
phần tử hữu hạn để phục vụ công việc thiết kế, mô hình hóa động cơ.
- Các thuật toán điều khiển giảm nhấp nhô momen.
- Các thuật toán điều khiển tốc độ động cơ ở vùng trên tốc độ cơ bản.
- Điều khiển không dùng cảm biến (Sensorless).
- Ứng dụng các phương pháp thông minh ( Logic mờ, mạng Neuron, Giải thuật di
truyền) để thiết kế, mô hình hóa và điều khiển SRM.
- Các cấu hình bộ biến đổi mới cho SRM.
Tuy nhiên, giới hạn trong luận văn này tập trung giải quyết vấn đề điều khiển giảm
nhấp nhô momen.

- 15 -


Chương II: Cấu hình bộ biến đổi cho động cơ từ trở thay đổi

CHƯƠNG II
CẤU HÌNH BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT CHO ĐỘNG CƠ
TỪ TRỞ THAY ĐỔI
Do momen của SRM không phụ thuộc vào dấu của dòng điện nên bộ biến đổi
công suất của động cơ có thể chỉ cần một khóa công suất để điều khiển dòng điện
cấp cho cuộn dây pha Stator, trong khi các động cơ xoay chiều phải cần ít nhất 2
khóa công suất cho mỗi pha để điều khiển dòng điện. Ngoài ra đối với động cơ xoay

chiều, các cuộn dây không mắc nối tiếp với các khóa công suất, điều này có thể gây
ra ngắn mạch. Các cuộn dây pha Stator của SRM luôn được mắc nối tiếp với khóa
công suất. Trong trường hợp xảy ra ngắn mạch, điện cảm của cuộn dây hạn chế sự
tăng dòng và tạo ra thời gian để khởi động Rơle bảo vệ do đó sẽ cách ly lỗi. Các pha
của động cơ từ trở thay đổi độc lập với nhau, nên trong trường hợp có một cuộn dây
bị hỏng, động cơ từ trở vẫn có thể hoạt động, mặc dù công suất đầu ra bị giảm
nhiều.
2.1. Cấu trúc chung và phân loại các bộ biến đổi điện tử công suất của SRM:
Động cơ từ trở thay đổi được điều khiển bởi một mạch vòng điều khiển có phản
hồi. Bộ biến đổi công suất thường được nuôi bởi nguồn áp một chiều và SRM chỉ
cần dòng chảy theo một chiều cũng đủ để vận hành ở cả 4 góc ¼ ( chế độ vận hành
4Q).
Một vấn đề quan trọng là phương pháp điều khiển bộ biến đổi. Việc lựa chọn
đúng đắn góc đóng ngắt cho phép giảm tiếng ồn phát ra và nâng cao chất lượng
truyền động của hệ. Có 2 phương pháp kinh điển điều khiển bộ biến đổi;
- Sử dụng nguồn dòng:
Trong dải tốc độ thấp, SRM được nuôi bởi nguồn dòng được cấp dưới dạng khối
nhờ điều chế bề rộng xung. Momen quay sẽ ổn định về giá trị trung bình nhưng
chứa nhiều hài với biên độ đáng kể. Động cơ từ trở thay đổi với số pha m lớn hơn sẽ
cấp ra momen chứa hài với biên độ bé hơn.
- Sử dụng nguồn áp:

- 16 -


Chương II: Cấu hình bộ biến đổi cho động cơ từ trở thay đổi

Có thể nuôi động cơ từ trở thay đổi bằng điện áp cấp dưới dạng khối. Khi tốc độ
quay tăng dần, ảnh hưởng của thời gian đóng ngắt van bán dẫn càng rõ. Khi sức
phản điện động e bên trong đạt giá trị lớn hơn nhiều điện áp nguồn một chiều, khi

đó ta chỉ còn thuần túy đóng ngắt các cuộn dây pha. Diễn biến dòng trở nên không
thể chế ngự được và có biên độ hài khá lớn, gây nên momen lắc phụ.
Hỗ cảm giữa các pha của động cơ từ trở thay đổi gần như không đáng kể. Điều
đó dẫn đến sự hoàn toàn độc lập của các cuộn dây pha trong điều khiển và sản sinh
momen. Năng lượng từ trường sẽ cung cấp dòng điện theo chiều cũ trong cuộn dây
pha khi van bán dẫn khóa, nhưng mặt khác nó cũng gây ra quá áp trên các van bán
dẫn công suất và dẫn đến hỏng van. Các phương pháp khắc phục điều đó dẫn đến
nhiều hình dạng khác nhau của mạch công suất điều khiển động cơ từ trở thay đổi.
Bộ biến đổi công suất có thể biến đổi năng lượng từ nguồn sang động cơ một cách
tự do: một phần chuyển hóa thành năng lượng cơ khí, một phần được chuyển thành
năng lượng điện từ, một phần được tiêu tán trên điện trở dây dẫn pha Stator, hoặc
năng lượng cũng có thể được trả về nguồn khi động cơ hoạt động ở chế độ hãm tái
sinh, bằng biện pháp cơ học hay biến đổi điện từ.
Phân loại bộ biến đổi công suất cho động cơ từ trở thay đổi như sau:

Hình 2.1: Phân loại bộ biến đổi công suất
2.2. Bộ biến đổi cầu không đối xứng:

- 17 -


Chương II: Cấu hình bộ biến đổi cho động cơ từ trở thay đổi

Bộ biến đổi điện tử công suất cho SRM có rất nhiều cấu hình đa dạng, phong phú
gồm khoảng hơn 20 loại. Mỗi cấu hình có ưu, nhược điểm khác nhau và ảnh hưởng
khá nhiều đến chất lượng hệ truyền động.
2.2.1. Chiến lược điều khiển đóng ngắt cả 2 chuyển mạch:

Hình 2.2: Bộ biến đổi cầu không đối xứng cho SRM cho phép dòng chảy
một chiều, điện áp đảo chiều, tái sinh năng lượng.

Mỗi pha động cơ được cấp nguồn riêng thành một nhánh như hình trên, với cấu
trúc này, các pha hoàn toàn độc lập với nhau về điện. cho phép điều khiển động cơ
rất linh hoạt, phù hợp cho phương pháp điều khiển trực tiếp momen từng pha sẽ
được trình bày ở chương về điều khiển.
Khi dẫn dòng, cả 2 van Q1 và Q2 cùng ON, cuộn dây được cấp nguồn +Vdc cho
pha a, dòng điện tăng dần. Nếu dòng vượt quá giá trị đặt thì Q1 và Q2 sẽ cùng OFF.
Khi đó năng lượng từ trường tích trữ trong cuộn dây pha a sẽ giữ dòng theo chiều
cũ cho tới khi nó xả hết. Khi đó 2 Diod D1-D2 thông sẽ mở dẫn dòng trả về nguồn,
làm cho dòng điện trong cuộn dây pha a giảm dần. Khi dòng điện trong cuộn dây
pha a giảm xuống dưới giá trị đặt, hai van Q1-Q2 sẽ cùng ON cấp dòng trở lại cuộn
dây pha a.

- 18 -


Chương II: Cấu hình bộ biến đổi cho động cơ từ trở thay đổi

Hình 2.3. Đồ thị dòng, áp của cuộn dây pha a khi điều khiển cùng lúc 2
van bán dẫn công suất Q1-Q2
Ở hình trên, giả sử dòng điện chủ đạo có độ lớn Ip và chỉ tồn tại trong sườn
dương của đường đặc tính tự cảm. Sử dụng bộ điều khiển dòng điện trễ. Giá trị
dòng đặt ia* được so sánh với dòng phản hồi ia từ cuộn dây pha a. Sai lệch dòng cho
phép là ∆i. Ban đầu khi 2 van bán dẫn Q1-Q2 cùng ON thì dòng điện chảy vào
cuộn dây pha a, cường độ dòng điện ia tăng dần, từ năng được tích trữ trong cuộn
dây pha a. Khi sai lệch giữa giá trị dòng đặt ia* và dòng thực ia vượt quá giá trị - ∆i
thì bộ điều khiển Rơle sẽ đưa ra tín hiệu OFF 2 van bán dẫn Q1-Q2. Khi 2 van Q1Q2 cùng OFF, năng lượng từ trường tích trữ trong cuộn dây giữ cho dòng điện trong

- 19 -

Chương II: Cấu hình bộ biến đổi cho động cơ từ trở thay đổi

cuộn dây pha a vẫn được duy trì theo chiều cũ, năng lượng này được xả dần, dòng
điện ia trong cuộn dây pha a sẽ giảm dần. Trong thời gian này, hai Diod D1-D2
được thông, dẫn dòng trở lại nguồn, trả năng lượng về lưới. Khi sai lệch dòng vượt
quá giá trị + ∆i thì bộ điều khiển sẽ đưa ra tín hiệu ON 2 van bán dẫn Q1-Q2 cấp
dòng trở lại cuộn dây pha a. Như vậy trong một chu kì ON, OFF của Q1-Q2 cuộn
dây pha a phải chịu 2 lần thay đổi điện áp (ua=+Udc khi Q1-Q2 cùng ON và ua=-Udc
khi Q1-Q2 cùng OFF), làm ảnh hưởng xấu đến cách điện của cuộn dây, giảm tuổi
thọ của động cơ. Ngoài ra phương pháp điều khiển này còn gây ra tổn thất trên các
van bán dẫn công suất do tần số ON, OFF cao. Điện áp đặt lên 2 van bán dẫn có
điều khiển Q1-Q2 khi nó OFF là Udc, vì vậy khi chọn van ta phải chọn loại chịu
được điện áp lớn hơn điện áp nguồn một chiều Udc, tương tự như vậy điện áp ngược
đặt lên Diod D1-D2 bằng Udc, dẫn tới việc ta phải chọn loại Diod chịu được điện áp
lớn hơn Udc.
2.2.2. Chiến lược điều khiển chỉ đóng cắt 1 chuyển mạch:
Vẫn là sơ đồ cầu không đối xứng như hình trên, nhưng bây giờ ta không OFF van
Q1 và chỉ ON, OFF van Q2. Với phương pháp điều khiển này, năng lượng tích trữ
trong cuộn dây pha a được giải phóng thông qua việc chỉ ON, OFF van Q2. Khi
OFF van Q2, Điod D2 thông làm cho dòng điện đi theo vòng kín: cuộn dây pha a,
Diod D2, van bán dẫn Q2 và trở về cuộn dây pha a. Nếu bỏ qua sụt áp trên van Q2
và Diod D2 thì điện áp trên cuộn dây pha a bằng 0.
Năng lượng sẽ không được trả về lưới mà sẽ được tiêu tán trên điện trở dây pha
a, do đó mà thời gian để đưa dòng điện từ giá trị Ip+∆i xuống giá trị Ip-∆i sẽ lâu hơn
so với phương pháp điều khiển trước, nhưng cũng chính vì vậy mà sẽ làm giảm tần
số ON, OFF van và do đó giảm tổn hao trên các van. Khi dòng điện giảm từ Ip+∆i
xuống 0 thì cả 2 van Q1-Q2 đều OFF. Trong khoảng thời gian này dòng điện sẽ
chảy qua 2 Diod D1-D2, trả năng lượng về nguồn, điện áp trên cuộn dây pha a lúc
đó sẽ bằng –Udc.

- 20 -


Chương II: Cấu hình bộ biến đổi cho động cơ từ trở thay đổi

Hình 2.4. Đồ thị dòng và áp của cuộn dây pha khi chỉ đóng cắt van Q2
So với chiến lược điều khiển ON, OFF cả 2 chuyển mạch trên 1 pha thì điều
khiển ON, OFF 1 chuyển mạch có ưu điểm là tạo được điện áp 0 trên cuộn dây pha,
giảm tổn hao do tần số ON, OFF van, nhưng vì năng lượng từ trường tích lũy trong
cuộn dây chủ yếu được giải phóng thông qua tỏa nhiệt trên điện trở dây quấn pha
Stator nên với chiến lược điều khiển này sẽ gây ra phát nóng dây quấn pha stator
nhiều hơn so với chiến lược điều khiển trước, điện áp để chọn van phải lớn hơn điện
áp nguồn Udc.
Nhìn chung khi sử dụng bộ biến đổi cầu không đối xứng ta sẽ không có lợi về
mặt kinh tế nhưng bù lại có lợi về mặt điều khiển.

- 21 -


Chương II: Cấu hình bộ biến đổi cho động cơ từ trở thay đổi

2.3. Bộ biến đổi 1 chuyển mạch trên một pha:
Bộ biến đổi 1 chuyển mạch trên một pha sử dụng một van bán dẫn có điều khiển
và 1 Diod trên một pha. Vì ít chuyển mạch nên bộ biến đổi này có ưu điểm là rẻ hơn
so với các loại khác, nhưng nhược điểm của nó là không tạo được điện áp 0 lên
cuộn dây pha trong suốt quá trình dòng điện chạy qua. Thí dụ, gây ra tổn thất lớn
khi có sự trao đổi giữa máy điện với lưới làm giảm hiệu suất. hơn thế nữa nó còn
làm cho tốc độ thay đổi điện áp tăng gấp đôi, làm phá hủy cách điện và làm tăng độ
ồn. Mặc dù có nhiều lỗi, nhưng một số lượng lớn các dạng bộ biến đổi một chuyển
mạch trên một pha được thừa nhận và kiểm nghiệm, ứng dụng. Chúng có một số

thuận lợi cho một vài ứng dụng riêng. Các dạng bộ biến đổi một chuyển mạch trên
một pha được mô tả dưới đây.
2.3.1. Loại R-dump:

Hình 2.5: Sơ đồ bộ biến đổi 1 chuyển mạch/ 1 pha loại R-Dump
Trên hình là cấu hình bộ biến đổi với một van bán dẫn có điều khiển và một
chuyển mạch trên một pha. Khi van T1 được ON, dòng sẽ chảy từ dương nguồn,
qua cuộn dây pha a, van bán dẫn T1 và trở về âm nguồn, trong thời gian này từ năng
được nạp vào cuộn dây pha a. Khi T1 OFF, năng lượng tích trữ trong cuộn dây pha

- 22 -