Tài liệu Động cơ từ kháng và triển vọng ứng dụng trong các hệ thống Mechatronics pdf

Động cơ từ kháng và triển vọng ứng dụng trong
các hệ thống Mechatronics

TSKH. Nguyễn Phùng Quang
Bộ môn Điều khiển tự động - Phòng thí nghiệm trọng điểm về Tự động hóa
Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội
e-mail:

Abstract

Switched reluctance motors and possibilities for applications in mechatronic systems
Switched reluctance motor (SRM) is a motor type which can be produced particularly economically.
SRM

s have some excellent advantages like: The loss arises mainly stator-sided and has to be led away
easily, the sluggishness of the rotor is smally and therefore very robust and suitable for high speed, the
speed-up moment is great, the short-time overload capacity is very good. Therefore, SRMs are used in
mechatronic systems more and more.
After the functional principle is represented in compact form, the paper summarizes current problems
around the SRM briefly: Control with or without speed sensor, minimization of torque ripple, improving of
power factor and some points of view in design of SRMs
.

Tóm tắt

Động cơ từ kháng (ĐCTK) là loại động cơ có thể đợc chế tạo với giá thành đặc biệt thuận lợi. ĐCTK có
một số u điểm nổi bật nh: Tổn thất xuất hiện chủ yếu ở phía stator và do đó rất dễ làm mát, quán tính rotor
bé nên có kết cấu bền vững và phù hợp cho tốc độ quay cao, mômen khởi động lớn, chịu quá tải ngắn hạn rất
tốt. Chính vì vậy, ĐCTK đang đợc sử dụng ngày càng nhiều trong các hệ thống mechatronics.

Sau khi điểm lại nguyên lý hoạt động, báo cáo trình bầy tóm tắt các vấn đề đang đợc quan tâm xung
quanh ĐCTK nh: Điều khiển có hoặc không có đo tốc độ quay, giảm mômen lắc, cải thiện hệ số công suất
và một số quan điểm trong thiết kế động cơ.

Các ký hiệu, viết tắt

d
k
Tỷ lệ bề rộng xung điều chế
i Dòng qua cuộn dây pha của ĐCTK
f
s
Tần số phía stator
i
sd
, i
sq
Thành phần trục d,q của vector dòng stator của ĐCĐB
L Điện cảm stator của ĐCTK
L
sd
, L
sq
Điện cảm stator của ĐCĐB đo dọc, ngang trục từ thông cực
m Số pha của stator
m
M
Mômen quay của động cơ
n, n
s

Tốc độ quay, tốc độ quay đồng bộ
p
c
Số đôi cực
R Điện trở cuộn dây pha của ĐCTK
u Điện áp cuộn dây pha của ĐCTK
u
DC
, u
trans
, u
diode
Điện áp mạch một chiều, điện áp sụt trên Transistor, trên Diode
U
s
,
U
p
Vector điện áp stator, vector điện áp kích thích của ĐCĐB
X
d
, X
q
Cảm kháng đồng bộ của ĐCĐB đo dọc, ngang trục từ thông cực
z Số răng của rotor
Từ thông cuộn dây pha của ĐCTK

p
Từ thông cực (kích thích vĩnh cửu)
Góc lệch trục (hình 3)

Góc xen giữa hai vector U
s
, U
p

s
,
r
Bớc góc của cực stator, răng rotor
Vận tốc góc của rotor

1. Mở đầu
Mặc dù ra đời đã lâu, ĐCTK vẫn ít đợc chú ý sử dụng do một số nhợc điểm mang tính
tiền định, có nguồn gốc từ nguyên lý của động cơ, đó là: Mômen quay chứa nhiều hài bậc
cao (mômen lắc), gây nhiều tiếng ồn và hiệu suất thấp.


Chỉ từ đầu thập kỷ 90, khi các lĩnh vực cảm biến, điện tử công suất, và đặc biệt là vi
điều khiển / vi xử lý tín hiệu đạt đợc những tiến bộ đáng kể, cho phép khắc phục các điểm
yếu nói trên bằng các giải pháp phần mềm một cách rất có hiệu quả, đồng thời bảo đảm giá
thành hệ thống thấp. Khi ấy, ĐCTK lại đợc quan tâm đến, đặc biệt trong những ứng dụng
công suất nhỏ
.
u điểm nổi bật của ĐCTK là: Tổn thất xuất hiện chủ yếu ở phía stator và
do đó rất dễ làm mát, quán tính rotor bé nên có kết cấu bền vững và phù hợp cho tốc độ
quay cao, mômen khởi động lớn, chịu quá tải ngắn hạn rất tốt. Thêm vào đó, ĐCTK có giá
thành chế tạo thấp nhất trong các loại động cơ và không cần bảo dỡng.
Mở đầu bằng tóm tắt nguyên lý của ĐCTK, báo cáo tập trung giới thiệu tình trạng hiện
tại của công tác nghiên cứu phát triển ứng dụng các hệ truyền động sử dụng ĐCTK, đặc
biệt trong các hệ Mechatronics. Đây là mảng vấn đề còn đang bỏ ngỏ trong nghiên cứu /

giảng dậy tại nớc ta.
2. Nguyên lý hoạt động của SRM
a) Nguyên lý

Để minh họa nguyên lý hoạt động của SRM ta có thể theo dõi công thức tính mômen
quay sau đây của động cơ đồng bộ (ĐCĐB) kích thích ngoài, còn gọi là ĐCĐB cực lồi:
()
3
11
sin sin 2
22
p
ss
M
sd q d
U
UU
m
nX X X




=+

(1)
Đối với loại ĐCĐB kích thích vĩnh cửu, còn gọi là ĐCĐB cực tròn, theo [9] ta có:
()
3
2
Mcpsqsdsqsdsq
mpiiiLL


=+

(2)
Theo (1) và (2), mômen quay của cả hai loại ĐCĐB bao gồm: thành phần chính và thành
phần phản kháng. Nếu bỏ qua kích thích động cơ, tức là U
p
= 0 hoặc
p
= 0, khi ấy ta có:
ĐCĐB cực lồi:
()
2
3
11
sin 2
4
s
M
sq d
U
m

nX X



=



(3)

ĐCĐB cực tròn:
()
3
2
M csdsq sd sq
mpiiLL=
(4)
Hai công thức (3) và (4) nói rằng: Chỉ nhờ sự khác nhau về điện cảm stator (về cảm
kháng) đo tại các vị trí khác nhau trên bề mặt rotor, ĐCĐB vẫn tạo nên mômen quay mà
không hề cần đến kích từ và ta có thể tải động cơ nhờ mômen đó. Hiệu ứng trên từ lâu đã
đợc tận dụng để chế tạo nên loại ĐCTK (Reluctance Motor) nuôi bởi điện áp xoay chiều
một hoặc ba pha.
Tuy nhiên, thay vì tạo từ trờng quay phía stator nhờ điện xoay chiều, ta có thể tạo bằng
cách lần lợt cấp điện áp (hay dòng) một chiều cho các cuộn dây stator. Tức là: Lần lợt
đóng ngắt các cuộn stator vào nguồn một chiều. Từ đó xuất hiện khái niệm
Switched

Reluctance Motor (ĐCTK kiểu đóng ngắt) là đối tợng của bài viết này. Từ đây về sau,
khái niệm ĐCTK cũng duy nhất chỉ vào loại có đóng ngắt.

b) Cấu tạo
Stator của ĐCTK có cấu tạo bởi nhiều cực từ chứa các cuộn dây tập trung. Khác với
cuộn dây của máy điện 3 pha, là loại máy với cuộn dây có thể phân tán tùy theo số đôi cực.
Rotor của ĐCTK không chứa cuộn dây và đợc chế tạo bằng sắt từ có xẻ răng (teeth), với
tổng số răng bao giờ cũng ít hơn tổng số cực stator.




Hình 1 Động cơ từ kháng với (a) đờng sức
từ ngắn, và (b) đờng sức từ dài

Hình 1 giới thiệu hai ĐCTK, bên trái
là động cơ 3 pha với stator 12 cực và
rotor 10 răng (gọi tắt: loại 12/10), bên phải là động cơ 4 pha với stator 8 cực và rotor 6
răng (gọi tắt: loại 8/6). Để tạo chuyển động quay, các cuộn dây pha stator sẽ lần lợt đợc
đóng ngắt nguồn phụ thuộc vị trí của rotor. Để có thông tin về vị trí của rotor, thông thờng
ta sẽ phải sử dụng khâu đo vị trí tuyệt đối.

c) Phơng thức hoạt động
Phơng thức hoạt động của ĐCTK là rất đơn giản: Có thể coi ĐCTK là một hệ thống các
nam châm điện độc lập, đợc luân phiên cấp dòng đồng bộ với vị trí của rotor. Đặc điểm
độc lập giữa các nam châm thể hiện khá rõ trong trờng hợp động cơ 12/10 có đờng sức từ
ngắn (hình 1a). Đặc điểm đó ít rõ hơn trong
trờng hợp loại 8/6 với đờng sức từ dài
(hình 1b), là loại phổ biến nhất hiện tại.


Hình 2 Vị trí

đồng trục

của rotor và cực stator
active


Mômen quay của ĐCTK có đờng phân
bố trên bề mặt rotor lặp lại theo chu kỳ của răng. Trong mỗi chu kỳ đều có hai vị trí: vị trí
đồng trục (cực có cuộn dây mang dòng - gọi là cực active - và răng đồng trục với nhau) và
vị trí lệch trục
(cực
active
ở vị trí giữa 2 răng). Hình 2 minh họa vị trí đồng trục của loại
động cơ 8/6. ở vị trí lệch trục, răng gần nhất với cực active sẽ chuyển động về phía cực
active để đạt đợc trạng thái đồng trục.
Giả sử trong hình 2, cực active tiếp theo sẽ là cực lân cận phía bên phải của cực active
hiện tại, khi ấy rotor sẽ quay trái một góc là ẳ răng. Nghĩa là: Rotor luôn quay ngợc với
chiều của trờng quay tạo nên từ phía stator. Gọi m là số pha của stator, 2p
c
là số cực của
một pha, từ trờng stator sẽ quay sau mỗi xung một góc là:
0
360
2
s
c
p m

=
(5)

Nếu số răng của rotor là z, sau mỗi xung rotor sẽ quay một góc:
0
360
r
z m

=
(6)
tức là quay chậm hơn:
2
c
r
s
p
z


=
(7)
lần so với trờng quay stator. Để có thể đạt đợc tốc độ quay n, tần số điều khiển f
s

(control frequency) cần thiết sẽ phải là:
s
fnz=
(8)
Hình 3 minh họa phân bố mômen quay của động cơ 8/6, trong đó góc 0
0
chính là vị trí
đồng trục của stator và rotor.

Hình 3 Mômen quay của 1 pha phụ thuộc
góc lệch giữa cực và răng


Mômen quay đợc tính phụ thuộc
dòng chẩy qua cuộn dây pha i và vị trí
rotor nh sau:
()
( )
2
,
1
,
2
M
dL i
mii
d



=
(9)
Khi dòng
i
và tốc độ quay
n

là
hằng, mômen quay sẽ chỉ là hàm của
biến thiên điện cảm phụ thuộc vào vị
trí rotor (phụ thuộc góc lệch). Để đạt đợc mômen quay lớn, phải tạo đợc sự chênh nhau
lớn giữa điện cảm của vị trí đồng trục và điện cảm của vị trí lệch trục. Chính vì thế, ĐCTK
thờng đợc thiết kế để vận hành ở chế độ bão hòa rất sâu. Từ đó cũng nẩy sinh nhợc
điểm cơ bản của ĐCTK: Phải ngắt mạch cuộn dây stator vào cuối chu kỳ xung (khi dòng là
hằng), là lúc cuộn dây đang ở trạng thái nạp đầy từ năng. Chính vì vậy, hiệu suất sử dụng
nghịch lu sẽ kém hơn so với động cơ xoay chiều ba pha (ĐCXCBP) khá nhiều. ĐCTK
hiếm khi đạt đợc hệ số công suất cos = 0,5.
3. Cấu trúc điều khiển SRM
a) Cấu trúc nghịch lu
ĐCTK phải đợc điều khiển nhờ một vòng điều chỉnh (ĐC) có phản hồi. Thiết bị nghịch
lu (NL) thờng đợc nuôi bởi nguồn áp một chiều, và đối với ĐCTK - theo công thức (9) -
chỉ cần dòng chẩy theo một chiều cũng đủ để vận hành ở cả 4 góc ẳ (chế độ vận hành 4Q).
Bạn đọc có thể tìm thấy trong tài liệu tham khảo vô số phơng án mạch NL, bài này chỉ hạn
chế ở phơng án dành cho ĐCTK công suất nhỏ, sử dụng trong các hệ mechatronics.
Nghịch lu lý tởng phải có khả năng đóng/ngắt dòng không có trễ. Để có thể ĐC dòng
pha, có thể sử dụng hai van (hình 4, trái): van N phục vụ chọn pha, van PWM có nhiệm vụ
điều chế bề rộng xung áp đặt lên cuộn dây pha và nhờ đó dễ dàng ĐC dòng qua cuộn dây.
Nhằm giảm tổn hao đóng/ngắt của van, từ năng
tích lũy khi dòng chẩy qua cuộn dây phải có
khả năng đợc hoàn nguyên trở lại nguồn (hình
4, phải).

Hình 4 Cuộn dây pha a) khi dẫn dòng, và b) khi nạp
dòng ngợc trở lại nguồn


Dễ dàng nhận thấy, để điều khiển ĐCTK m pha ta sẽ cần 2m van IGBT và 2m diode. Lúc

này, NL đợc gọi là NL 2m (hình 5). Do khá tốn kém linh kiện rời rạc, sơ đồ NL 2m
thờng chỉ đợc sử dụng cho ĐCTK
có công suất 100W.


Hình 5 Sơ đồ nghịch lu 2m


Sơ đồ ít tốn kém nhất là sơ đồ chỉ
sử dụng 1 van PWM chung cho tất
cả các pha (hình 6), còn gọi là NL (m+1). Lợi thế của sơ đồ là chỉ cần một cảm biến là có
thể đo dòng của tất cả các pha. Nhợc điểm cơ bản của sơ đồ (m+1) là: khi chuyển mạch
sang pha mới, cuộn dây pha trớc đó sẽ bị nối ngắn mạch và hiệu quả hoàn nguyên từ năng
về nguồn kém, dòng chậm tắt về không. Thậm chí, ở chế độ máy phát (ví dụ: khi hãm) có
thể xuất hiện tự kích. Nhợc điểm đó buộc ta phải giảm hệ số điều chế, và do đó giảm hiệu


suất tận dụng NL. ở dải tốc độ lớn, có
nguy cơ không thể làm nhụt triệt để từ
thông của cực chứa cuộn dây pha tích
cực.


Hình 6 Sơ đồ nghịch lu (m+1)


Giải pháp dung hòa tốt sẽ là sơ đồ NL (m+2) cho loại ĐCTK 8/6 (hình 7). Sơ đồ cho
phép sử dụng tối đa hệ số điều chế.

Hình 7 Sơ đồ nghịch lu (m+2)

Một vấn đề quan trọng là phơng
pháp điều khiển nghịch lu (ĐKNL).
Việc lựa chọn đúng đắn cho phép
giảm tiếng ồn phát ra và nâng cao
chất lợng truyền động của hệ. Có hai
phơng pháp chính để ĐKNL:

Sử dụng nguồn dòng:
Trong dải tốc độ thấp, ĐCTK đợc nuôi bởi dòng cấp dới dạng khối (block current)
nhờ điều chế bề rộng xung (chopping). Mômen quay ổn định về giá trị trung bình nhng
chứa nhiều hài với biên độ đáng kể. ĐCTK có số pha m lớn hơn sẽ cấp ra mômen chứa hài
với biên độ bé hơn.

Sử dụng nguồn áp
:
Có thể nuôi ĐCTK bằng điện áp cấp dới dạng khối (block voltage). Khi tốc độ quay
tăng dần, ảnh hởng của thời gian đóng ngắt van IGBT càng rõ. Khi sức từ động bên trong
đạt tới giá trị ứng với điện áp nguồn một chiều, khi ấy ta chỉ còn thuần túy đóng ngắt các
cuộn dây pha, diễn biến dòng trở nên không chế ngự đợc và có biên độ hài khá lớn, gây
nên mômen lắc phụ.

b) Cấu trúc điều khiển có cảm biến vị trí
Cấu trúc điều khiển cơ bản của hệ truyền động sử dụng ĐCTK bao giờ cũng có chứa
vòng ĐC chỉnh dòng (xem [1], [2]).
Xuất phát từ phơng trình điện áp pha:
d
uRi
dt

=+
(10)
để đơn giản, ta hãy bỏ qua điện trở R và viết:
()
( )
dL
di
uL i
dt d



=+
(11)
Trong (11), điện cảm L là một tham số phụ thuộc vị trí của rotor. Để tính công suất ta
hãy nhân hai vế của (11) với dòng i:
2
di dL
ui Li i
dt d


=+
(12)
hoặc:
22
11
22
ddL

PLii
dt d



=+


(13)
Biểu thức thứ nhất ở vế phải của (13) đặc trng cho thành phần từ năng tích trong cuộn
dây pha. Biểu thức thứ hai của (13) mô tả cơ năng cung cấp ra trục động cơ. Từ đó ta có