Điều khiển mô men trực tiếp động cơ từ trở

Điều khiển mô men trực tiếp động cơ từ trở Điều khiển mô men trực tiếp động cơ từ trở Điều khiển mô men trực tiếp động cơ từ trở luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

HÀ NỘI, NĂM 2008

Bộ GIáO DụC Và ĐàO TạO TRƯờng đại học bách khoa hà nội

ĐIềU KHIểN MÔ MEN TRựC TIếP

Động cơ từ trở

NGÀNH: điều khiển và TỰ ĐỘNG HOÁ

MÃ SỐ:

Ng ười hướng dẫn khoa học: TS Tạ CAO MINH

Em xin cam đoan bản luận văn cao học “Điều khiển trực tiếp mô men động

cơ từ trở ” do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo

TS Tạ Cao Minh Để hoàn thành luận văn cao học này em chỉ sử dụng những

tài liệu đã được ghi trong bảng những tài liệu tham khảo mà không sử dụng

bất cứ một tài liệu nào khác Nếu phát hiện có sự sao chép em xin hoàn toàn

chịu trách nhiệm

Học viên

Đỗ Anh Dũng

Mục lục

Chương 1 Tổng quan về động cơ từ trở thay đổi 3

2.2 Mô hình hoá động cơ từ trở thay đổi 20

Chương 3 Các vấn đề cơ bản về điều khiển động

3.1.3 Các bộ biến đổi một khoá trên một pha 33

3.2 Nguyên tắc điều khiển động cơ từ trở thay đổi 41

Mục lục

3.3.1 Bộ điều khiển dòng điện thiết kế theo

3.3.2 Bộ điều khiển dòng điện thiết kế theo phương pháp

phi tuyến nhưng bỏ qua hỗ cảm giữa các pha 49

3.4.2 Phương pháp TDF với điều kiện bỏ qua hiện

tượng bão hoà và hỗ cảm giữa các pha 59

Chương 4 Đề xuất phương pháp ĐIềU KHIểN

MOMEN TRựC TIếP (DTC) CHO Động cơ

từ trở thay đổi

69

4.1.Phương pháp điều khiển mô men trực tiếp (DTC) cho

động cơ từ trở dùng lý thuyết điều khiển mờ 69 4.2 Tổng quan về lý thuyết điều khiển mờ 77 4.2.1 Giới thiệu chung về điều khiển mờ 77

4.2.7 Các bước thiết kế bộ điều khiển mờ 89

4.3.1.Thiết kế hàm liên thuộc của tập mờ mô men 90 4.3.2.Thiết kế hàm liên thuộc của tập mờ từ thông 91 4.3.3.Thiết kế hàm liên thuộc của tập mờ góc từ thông 92

4.3.5.Thiết kế khâu giải mờ của bộ điều khiển mờ 94

Mục lục

Chương 5 mô phỏng truyền động động cơ từ

trở (srm) điều khiển mô men trực tiếp 95 5.1 Lựa chọn thông số cho động cơ từ trở thay đổi 6/4 95

5.2 Xây dựng bộ điều khiển fuzzy sử dụng MATLAB 7.6 96

5.3 Xây dựng bộ điều khiển DTC mô phỏng cho động cơ từ

5.4 So sánh kết quả mô phỏng phương pháp điều khiển mô

men trực tiếp (DTC) với phương pháp điều khiển kinh

Danh môc c¸c ch÷ viÕt t¾t

Danh môc c¸c tõ viÕt t¾t

DTC (Direct Torque Control): §iÒu khiÓn m« men trùc tiÕp

PI ( Proportional Intergrated ): Bé ®iÒu khiÓn tû lÖ tÝch ph©n

SRM (Switched Reluctance Motor ):§éng c¬ tõ trë

TDF (Torque Distribution Function): Hµm ph©n bè m« men

Lời nói đầu

Lời nói đầU

Ra đời từ những năm 50 của thế kỷ 18, động cơ từ trở thay đổi (SRM) là một trong những loại máy điện quay đầu tiên trên thế giới Tuy nhiên do một

số nhược điểm không thể khắc phục vào thời điểm đó nên động cơ từ trở thay

đổi đã không được quan tâm và ứng dụng Mãi đến những năm 1980, khi công nghệ bán dẫn phát triển vượt bậc cho ra đời các khoá điện tử có khả năng làm việc với tần số và công suất lớn, đáp ứng được yêu cầu điều khiển khắt khe của động cơ này thì nó mới thực sự thể hiện ưu thế của mình trong các ứng dụng công nghiệp cũng như đời sống

Cấu trúc đơn giản, bền vững và giá thành sản xuất thấp là những ưu điểm nổi trội của loại động cơ này Tuy nhiên mômen đập mạch, tiếng ồn lớn và rất khó khăn trong điều khiển lại là những nhược điểm cần khắc phục để có thể

đưa động cơ này vào sản xuất Với mục tiêu xem xét và nghiên cứu động cở từ trở thay đổi như những loại động cơ phổ biến hiện nay, trong quyển luận án này tác giả mong muốn đưa đến người đọc trước hết là những cái nhìn tổng quan cơ bản nhất về động cơ từ trở thay đổi và cấu trúc điều khiển thông dụng, sau đó sẽ tập trung vào việc tổng hợp hệ thống điều khiển mô men trực tiếp của động cơ Đồng thời tác giả cũng trình bày các mô hình mô phỏng động cơ

và hệ thống điều khiển mô men trực tiếp để chứng minh tính đúng đắn của lý thuyết và phương án điều khiển đề xuất

Với hướng nghiên cứu như vậy, quyển luận án được chia làm 5 chương như sau:

• Chương 1: Tổng quan về động cơ từ trở thay đổi Trong chương này sẽ đề

cập đến tất cả các vấn đề cơ bản nhất của động cơ như cấu tạo, nguyên lý hoạt động, các phương trình và đường đặc tính quan trọng, phân loại, ứng dụng cũng như ưu nhược điểm của động cơ

Lời nói đầu

• Chương 2: Mô hình hoá động cơ từ trở thay đổi Có hai bước rõ rệt được

trình bày trong chương này Bước một là xây dựng mô hình toán học và bước hai là mô hình hoá dựa vào mô hình toán học này trong môi trường Matlab-Simulink ứng với một bộ tham số động cơ từ trở

• Chương 3: Các vấn đề cơ bản về điều khiển động cơ từ trở thay đổi Phần

này sẽ trình bày các vấn đề của một hệ thống điều khiển động cơ đó là: bộ biến đổi, bộ điều khiển dòng, bộ điều khiển giảm mômen đập mạch và bộ

điều khiển tốc độ

• Chương 4: Đê xuất mô hình phương pháp điều khiển trực tiếp momen mới

ứng dụng lý thuyết mờ, khái quát và xây dung bộ điều khiển mờ

• Chương 5: Thực hiện mô phỏng kiểm trứng kết quả điều khiển mô men

trực tiếp ( DTC ) đề xuất trên một loại động cơ từ trở thay đổi cụ thể trên môi trường mô phỏng Matlab/simulation, so sánh đánh giá kết quả với phương pháp điều khiển kinh điển

Với những phần sẽ được trình bày trong luận văn, tác giả hy vọng có thể

đóng góp một phần nào đó trong quá trình nghiên cứu và ứng dụng động cơ từ trở thay đổi, đồng thời luận văn sẽ trở thành nguồn tài liệu tham khảo bổ ích dành cho các kỹ sư và sinh viên

Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo Tiến Sĩ Tạ Cao Minh, người đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này Bên cạnh đó, tác giả cũng muốn gửi lời cảm ơn tới các kỹ sư và các bạn sinh viên trong cùng nhóm nghiên cứu về động cơ từ trở thay đổi Trong quá trình hoàn thành luận văn chắc chắn không thể tránh được những thiếu sót, do đó tác giả mong muốn nhận được sự góp ý bổ xung của thầy cô và bạn bè để luận văn ngày càng hoàn thiện hơn./

Chương 1: Tổng quan về động cơ từ trở thay đổi

Chương 1 Tổng quan về động cơ từ trở thay đổi

Trong chương này ta sẽ tìm hiểu những đặc điểm chính của động cơ từ trở

thay đổi qua các mục sau:

• Phân loại động cơ từ trở thay đổi

• ưu nhược điểm và ứng dụng

1.1 Cấu tạo

Động cơ từ trở thay đổi có cấu tạo gần giống với động cơ bước thông

thường nhưng số cực trên stator của nó ít hơn rất nhiều so với động cơ bước,

và rotor thì chỉ là một khối được làm từ các lá thép mỏng ghép lại chứ không

có cuộn dây hoặc nam châm vĩnh cửu (Hình 1.1) cho ta cái nhìn trực quan về

cấu tạo cắt ngang của động cơ từ trở thay đổi

Chương 1: Tổng quan về động cơ từ trở thay đổi

Hình 1.1 Cấu tạo cắt ngang động cơ từ trở thay đổi 8/6

Nhìn chung động cơ từ trở thay đổi có một số đặc điểm chính về cấu tạo như sau:

• Cả rotor và stator đều có các cực lồi ra do đó người ta còn gọi là động cơ lồi kép (double salient)

• Không giống stator của các loại máy điện 3 pha khác (loại máy điện có các cuộn dây có thể phân tán tuỳ theo số đôi cực) , stator của động cơ từ trở thay

đổi có cấu tạo bởi nhiều cực từ chứa các cuộn dây tập trung Rotor đơn giản hơn nhiều vì không có cuộn dây cũng như nam châm vĩnh cửu mà được chế tạo bằng vật liệu sắt từ có xẻ răng với tổng số răng bao giờ cũng ít hơn tổng số cực từ của stator

• Các cuộn dây trên các cực đối xứng xuyên tâm của stator được nối nối tiếp hoặc song song để tạo thành một pha của động cơ

• Cả stator và rotor đều được làm từ các lá thép mỏng ghép cách điện để hạn chế dòng Fuco

Chương 1: Tổng quan về động cơ từ trở thay đổi

• Động cơ từ trở thay đổi có một số cấu hình phổ biến như sau: 8/6 (tức là stator có 8 cực lồi còn rotor có 6 răng (Hình 1.1), 6/4, 10/6, 12/6, … Tuỳ từng trường hợp sử dụng bộ biến đổi người ta sẽ chọn số lượng cực của stator và rotor sao cho phù hợp Nhưng phổ biến nhất vẫn là 2 loại 8/6 và 6/4 Việc tăng

số lượng cực của stator (nhằm tăng số pha) sẽ giúp giảm độ nhấp nhô của mômen nhưng khi đó sẽ là tăng số lượng các thiết bị điện tử trên một pha và làm tăng giá thành thiết bị

1.2 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:

• Vị trí đồng trục (Aligned position)

• Vị trí lệch trục (Unaligned position)

Như đã thể hiện trên (hình 1.2) ta thấy khi hai 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 từ cảm sinh ra giữa cực từ của stator và răng của rotor là lớn nhất), còn khi hai 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 từ cảm giữa cực từ của stator và rotor là bé nhất)

Hình 1.2 Mặt cắt ngang động cơ từ trở thay đổi 6/4

Chương 1: Tổng quan về động cơ từ trở thay đổi

Bây giờ chúng ta tìm hiểu cách hoạt động của động cơ này ( Lấy ví dụ là

động cơ từ trở thay đổi 6/4 như (hình 1.3) )

Hình 1 3 Nguyên lí hoạt động

Giả sử các cực r1 và r1’ của rotor và cực c, c’ của stator đang ở vị trí đồng trục (hình 1.3a) Trước tiên ta đưa dòng điện kích thích vào cuộn dây pha A, dòng điện này sẽ sinh ra một từ thông móc vòng qua các cực a và a’ và các cực

r2 và r2’ của rotor một cách tương ứng Do rotor luôn có xu hướng quay về phía mà độ tự cảm lớn nhất hay từ trở nhỏ nhất nên rotor lúc này sẽ quay hướng đến vị trí đồng trục của a, a’ và r2, r2’ Khi chúng đã ở vị trí này thì dòng

điện kích thích pha A bị ngắt và vị trí các cực như thấy ở (hình 1.3b) Bây giờ

ta đưa dòng điện kích thích vào cuộn dây của pha B, dòng này lại sinh ra một

từ thông móc vòng qua các cực b, b’ và r1, r1’ một cách tương ứng, rotor lại

được kéo quay theo chiều kim đồng hồ đưa r1, r1’ hướng về vị trí thẳng hàng với b và b’ Khi đến vị trí này ta lại ngắt dòng cấp cho pha B Tiếp tục chuyển sang cấp dòng cho pha C thì r2, r2’ lại quay theo chiều kim đồng hồ hướng về

c, c’ Cứ như vậy bằng việc cấp dòng điện lần lượt cho từng pha theo thứ tự A

B C ta sẽ làm động cơ quay theo chiều kim đồng hồ Muốn đảo chiều quay của động cơ ta chỉ cần đảo thứ tự cấp dòng thành A C B

Chương 1: Tổng quan về động cơ từ trở thay đổi

Qua nguyên tắc hoạt động ta rút ra một số nhận xét sau:

• Tại mỗi thời điểm chỉ có một pha có dòng kích thích do đó mômen được phát sinh dưới dạng xung (do từng pha lần lượt sinh ra) Điều này làm cho mômen tổng của động cơ đập mạch trong các 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 mômen sinh ra cũng có độ rộng tương đương, điều này tạo ra sự khác biệt rõ ràng giữa động cơ từ trở và động cơ bước vì xung mômen của động cơ bước tồn tại trong khoảng thời gian ngắn

• Các pha của động cơ được kích thích lần lượt dựa vào vị trí của rotor Các pha lệch nhau một khoảng thời gian tương ứng với một góc mà người ta gọi là

“bước góc”, kí hiệu là θS và được tính theo công thức sau:

R S

n q.

2π

1.3 Nguyên nhân phát sinh mômen

Để có thế điều khiển được mômen của động cơ nhằm mục đích giảm được

độ đập mạch của mômen thì ta cần tìm hiểu nguyên nhân phát sinh mômen của động cơ, qua đó thấy được mômen phụ thuộc vào các yếu tố nào

Sự sản sinh mômen 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 ở trong cuộn dây

Trên (hình 1.4a) cuộn dây gồm N vòng, khi được kích thích bởi dòng điện i

nó sẽ sinh ra một từ thông φ Khi tăng dòng kích thích, phần ứng sẽ di chuyển hướng về khung cố định Đồ thị mối quan hệ giữa từ thông φ và lực từ F được thể hiện như ở (hình 1.4b) (ở đây vẽ với 2 giá trị của khoảng cách không khí là

x1 và x2 với x2>x1) Đường đặc tính giữa φ và F với khoảng cách không khí là

Chương 1: Tổng quan về động cơ từ trở thay đổi

tuyến tính vì từ trở của không khí lúc này bị lấn át làm từ thông trong mạch từ nhỏ đi

Hình 1.4 Vòng dây và đặc tính (a) Cuộn dây

φ φ

Fd Nid

dt

N d idt eidt

W

dt

d N e e

) (

W = = = (do W e =∫Fdφ và ∫ φdF) (1- 3) Tại vị trí x2 ta có W e =S OCDO và W f =S OCAO

Chương 1: Tổng quan về động cơ từ trở thay đổi

Công thức (1-2) có thể viết ở dạng sau:

m f

Chương 1: Tổng quan về động cơ từ trở thay đổi

với L là độ tự cảm,λ là từ thông móc vòng và đều là hàm của vị trí rotor và dòng điện kích thích

Từ các biểu thức (1- 8), (1- 9) và (1- 10) ta có:

δφ

θ δ δφ

δ δφ

i W W

d

i dL

• Mô men phụ thuộc vào cả vị trí của rotor và dòng điện nên nó có tính chất phi tuyến mạnh Dẫn đến việc điều khiển khó khăn và không thể có một mạch

điện thay thế tương đương đơn giản cho động cơ từ trở

• Do mô men tỉ lệ với bình phương dòng điện nên động cơ từ trở có mô men khởi động lớn (giống động cơ một chiều kích từ nối tiếp)

1.4 Các đường đặc tính

Trong phần này chúng ta sẽ tìm hiểu hai đường đặc tính quan trọng của

động cơ từ trở thay đổi đó là đường đặc tính L(θ) và M(w)

Chương 1: Tổng quan về động cơ từ trở thay đổi

1.4.1 Đường đặc tính L(θ)

Khi giả sử dòng điện kích thích đưa vào cuộn dây pha là cố định, ta có

đường đặc tính thể hiện mối quan hệ giữa L và vị trí rotor có dạng như (hình 1.5b)

) (

R

n

π θ θ

ở đó βS và βR là các góc tương ứng bị chắn bởi cung của một cực stator và rotor

Chương 1: Tổng quan về động cơ từ trở thay đổi

Hình 1.5 Mối quan hệ giữa độ tự cảm L và vị trí rotor từ các cung của các

cực stator và rotor đối với động cơ từ trở thay đổi khi chưa bão hoà (a) Các

định nghĩa cơ bản về vị trí rotor trong hai cực của động cơ (b) Đồ thị biểu diễn đặc tính giữa độ tự cảm L và vị trí rotor khi dòng là hằng số

Có bốn vùng khác nhau của đường đặc tính giữa độ tự cảm và vị trí của rotor cần quan tâm như sau:

1 0 − θ1 và θ −4 θ5: Trong vùng này các cực của rotor và stator không gối lên nhau Đường sức từ chủ yếu đi trong không khí do đó từ trở lớn nhất hay độ tự cảm nhỏ nhất và coi không đổi Từ công thức (1-11) ta thấy trong vùng này sẽ không phát sinh mô men dù có dòng kích thích

2 θ −1 θ2: Các cực lúc này đã chồng lên nhau vì vậy đường sức từ chủ yếu đi qua các cực của rotor và stator Trong vùng này độ tự cảm L sẽ tăng cùng với

sự thay đổi vị trí của rotor (vì càng lúc càng gần vị trí thẳng hàng) và tạo ra sườn dương của đường đặc tính Từ (1-11) dễ thấy khi đưa dòng vào cuộn dây

Chương 1: Tổng quan về động cơ từ trở thay đổi

pha sẽ sinh ra mô men dương Vùng này sẽ kết thúc khi các cực của rotor và stator nằm ở vị trí thẳng hàng

3 θ −2 θ3: Trong suốt vùng này sự di chuyển của rotor không làm thay đổi diện tích gối lên nhau của các cực, dẫn đến không làm thay đổi đường sức

điện từ Điều này có tác dụng giữ cho độ tự cảm ở giá trị lớn nhất và không thay đổi, ký hiệu là La Do độ tự cảm không đổi nên trong vùng này cũng không phát sinh mômen dù vẫn có dòng kích thích Tuy nhiên vùng này lại có một ý nghĩa quan trọng, nó chính là vùng tạo ra khoảng thời gian cần thiết để

ta giảm dòng điện kích thích pha về không trước khi rotor chuyển sang sườn

âm của độ tự cảm (nếu sang sườn âm thì mô men phát sinh là mômen âm dẫn

đến chống lại sự quay của động cơ)

4 θ −3 θ4: Vùng này rất giống vùng θ1− θ2, chỉ có một điều khác đó là do độ

tự cảm sẽ giảm cùng với việc thay đổi vị trí của rotor Người ta gọi vùng này

là vùng sườn âm của độ tự cảm Từ (1-11) dễ thấy nếu dòng trong vùng này khác không thì mô men sinh ra sẽ là mô men âm

1.4.2 Đường đặc tính cơ

Đường đặc tính cơ có dạng như sau:

Chương 1: Tổng quan về động cơ từ trở thay đổi

Hình 1.6 Đường đặc tính cơ

Đường đặc tính cơ chia làm 3 vùng:

1 Vùng mô men là hằng số (vùng #1, vùng làm việc dưới tốc độ cơ bản):

• Dòng điện và mô men được giữ là hằng số

• ở tốc độ thấp dòng điện có thể tăng tức thời do sức điện động (tỉ lệ với tốc

độ) nhỏ

2 Vùng công suất là hằng số (vùng #2, vùng làm việc trên tốc độ cơ bản):

• Mô men đầu trục động cơ tỉ lệ nghịch với tốc độ

• Sức phản điện động lớn làm giảm nhanh chóng dòng điện

• Góc dẫn tăng tỉ lệ thuận với tốc độ

• Dòng điện cực đại vẫn có thể đưa vào để đảm bảo duy trì mô men đủ lớn

• Tổn thất lõi sắt và cuộn dây tăng nhanh

3 Vùng đặc tính tự nhiên (vùng #3, vùng làm việc trên tốc độ cơ bản)

Chương 1: Tổng quan về động cơ từ trở thay đổi

• Vùng này mô men tỉ lệ với bình phương tốc độ Để tăng tốc độ trên động cơ lên hai lần thì mô men đầu trục động cơ giảm đi 2 lần

đương cho một pha của động cơ như sau:

Hình 1.7 Mạch điện thay thế tương đương cho 1 pha

Từ mạch điện ta có phương trình cân bằng điện áp:

( )

dt

i d i R

Chương 1: Tổng quan về động cơ từ trở thay đổi

( ) { } ( ) ( ) ( ) ( ) i

d

i dL dt

di i L i R

d

i dL dt

d i dt

di i L i R dt

i i L d i R V

m S

S S

ω θ

θ θ

θ

θ θ θ

θ

, ,

, ,

,

+ +

=

+ +

= +

i dL

i dL

Ta có thể phân loại động cơ từ trở thay đổi như mô tả trên (hình 1.8) Theo

đó, dựa vào dạng chuyển động tự nhiên của động cơ ta chia nó thành hai loại

là động cơ quay và động cơ tịnh tiến (vì thực tế nguyên tắc chuyển động của chúng vẫn giống nhau và đều được coi là động cơ từ trở thay đổi) Sau đó với

động cơ quay thì ta phân chia tiếp thành hai loại là: từ trường dọc trục và từ trường ngang trục Từ trường ngang trục chia tiếp thành hai loại là loại có cấu trúc cơ bản và loại có đường sức từ ngắn, còn từ trường dọc trục chia ra thành

“single-stack” và “multi-stack”

Chương 1: Tổng quan về động cơ từ trở thay đổi

Hình 1.8 Phân loại động cơ từ trở thay đổi

1.7 ưu nhược điểm và ứng dụng

1.7.1 ưu điểm

• Rotor không có cuộn dây, chổi than hay vành góp nên động cơ hoạt động rất bền vững, tuổi thọ cao

• Mômen 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

• Độ tin cậy cao, vùng tốc độ rộng với công suất là hằng số, giá thành sản xuất thấp, đáp ứng động học nhanh

• Không có hiện tượng quá dòng làm hỏng các van công suất do tốc độ tăng dòng cao (vì cuộn dây pha luôn được mắc nối tiếp với các van công suất của

bộ biến đổi)

• Do không có nam châm vĩnh cửu nên nhiệt độ cho phép của rotor cao hơn

động cơ đồng bộ Việc làm mát cũng dễ dàng hơn do chỉ cấp điện phía stator Hai điều này giúp động cơ từ trở thay đổi làm việc tốt trong những môi trường khắc nghiệt

Chương 1: Tổng quan về động cơ từ trở thay đổi

1.7.2 Nhược điểm

• Khó khăn trong điều khiển

• Việc mở rộng dải điều chỉnh khó

• Mô men đập mạch lớn là nhược điểm đáng quan tâm nhất của động cơ

• Các ứng dụng trong giao thông vận tải vì đòi hỏi mô men khởi động lớn

• Các ứng dụng trong ngành hàng không vì đòi hỏi không phát sinh tia lửa

điện, ít bảo dưỡng và cần tốc độ quay lớn

Chương 2 Mô hình hoá động cơ từ trở thay đổi

Chương 2 mô hình hoá động cơ từ trở thay đổi

Trong chương này ta sẽ tìm hiểu các mục sau:

• Xây dựng mô hình toán học của động cơ, thực chất là xây dựng các phương

trình dòng điện, điện áp và mô men cho các pha

• Mô hình hoá thông qua phần mềm Matlab–Simulink

Tài liệu tham khảo [6], [9], [10]

2.1 Mô hình toán học động cơ từ trở thay đổi

Từ mục (1.5) ta có phương trình điện áp đối với một pha của động cơ như

sau:

( )

V i R dt

i d

S +

−

= , θ

λ

(2-1)

Do tính chất đối xứng của động cơ nên từ thông của nó có tính tuần hoàn

theo góc θ với chu kì góc là

R

n

π

2 Tuy nhiên chu kì góc ở trên là góc cơ khí, do

đó khi thay thế góc cơ khí θ bằng góc điện (nR.θ) thì phương trình (2-1) có

thể viết lại như sau:

( )

( ) (n i)n w iR v

dt

di i n i

V i R dt

i n

d

R R R

S R

,

θ λ θ θ

λ

θ λ

( )

(n i)

i

v iR w n i n dt

di

R

R R

,

,

θ λ

θ λ θ

Chương 2 Mô hình hoá động cơ từ trở thay đổi

Mặt khác như ta đã biết các pha của động cơ từ trở lệch pha nhau một góc cơ khí là θS, nên kết hợp với phương trình (2-2) ta có phương trình điện từ lần lượt cho ba pha của động cơ như sau:

( )

( R a)

a

a a R a R a

i n i

v R i w n i n dt

di

,

,

θ λ

θ λ θ

i n i

v R i w n i n

dt

di

,

), (

θ λ

θ θ λ θ

c

i n i

v R i w n i n

dt

di

,

, 2

θ λ

θ θ λ θ

Ta có:

(n R i a i b i c) L

Bw dt

Chương 2 Mô hình hoá động cơ từ trở thay đổi

R a

,

θ θ

S R b

ˆ ), (

θ θ

θ θ

S R

c R

0

'

), (

ˆ ), 2 (

θθ

θθ

(Các công thức (2-8), (2-9) và (2-10) dễ dàng có được từ các công thức (1-7), (1-8) và (1-9))

Các phương trình từ (2-3) đến (2-10) chính là mô tả toán học của động cơ

từ trở thay đổi

2.2 Mô hình hoá động cơ từ trở thay đổi

Quá trình mô hình hoá động cơ từ trở thay đổi thực chất là việc diễn đạt lại mô tả toán học của động cơ dưới dạng các khối trong phần mềm Matlab Simulink Do đó nó đảm bảo mô tả được các quá trình vật lý diễn ra trong

động cơ Không mất tính tổng quát dưới đây chúng ta xét xây dựng mô hình

động cơ từ trử (SRM) trên cơ sở số liệu thật để làm đối tượng nghiên cứu cho phần mô phỏng của động cơ trong chương 5

Từ các công thức (2-3) đến (2-10) ta thấy việc tính toán tích phân là hết sức khó khăn và sẽ làm cho mô hình của động cơ trở lên phức tạp, do đó ở đây ta

sẽ sử dụng các đường đặc tính thực nghiệm τ( )θ i và λ( )θ i để xây dựng lên mô hình động cơ

Không mất tính tổng quát và để tiện thiết kế ở đây ta xây dựng trên động cơ thật với các số liệu thu thập và đưa vào sử lý trong Matlab, thông số của

động cơ từ trở được chọn như trong (bảng 2.1)

Chương 2 Mô hình hoá động cơ từ trở thay đổi

Ta có thể thấy hai đường đặc tính này của động cơ trong Matlab như (hình 2.1) và (hình 2.2) Ta sẽ đưa đường đặc tính τ( )θ i vào trong mô hình mô phỏng dưới dạng một lookup-table

Hơn nữa, từ công thức (2-3) ta thấy để mô hình hoá được động cơ thì ta cần

có đạo hàm của λ( )θ i theo từng biến θ và i Đạo hàm này cũng sẽ là một hàm phi tuyến phụ thuộc vào cả hai tham số θ và i, do đó việc xây dựng được hàm

số toán học phi tuyến của đường đạo hàm này và đưa vào mô phỏng trở lên hết sức phức tạp Điều này được giải quyết bằng cách dùng thêm hai lookup-table cho hai đường đặc tính ( )i

sẽ làm theo các bước sau trong phần mềm Matlab:

• Dùng công cụ Curve Fitting của Matlab để xấp xỉ và tìm phương trình của

từng đường trong họ đường λ( )θ i

• Sau khi tìm được phương trình của các đường này ta sẽ tiến hành đạo hàm

theo từng biến để có được phương trình của các đường đạo hàm

• Thay từng giá trị của θ và i vào để tính giá trị tương ứng của các đạo hàm nhằm tạo bảng số liệu cho hai lookup table của hai đường đặc tính

Chương 2 Mô hình hoá động cơ từ trở thay đổi

Hình 2.1 Đường đặc tính mômen phụ thuộc vào góc và dòng điện τ( )θ i

Hình 2.2 Đường đặc tính từ thông phụ thuộc vào góc và dòng điện λ( )θ i

Chương 2 Mô hình hoá động cơ từ trở thay đổi

Chương 2 Mô hình hoá động cơ từ trở thay đổi

Để hoàn thành mô hình của động cơ trên chúng ta cần thêm các tham số như điện trở của các cuộn dây pha, hằng số mô men quán tính và hệ số nhớt Các tham số này được thống kế trong bảng sau:

Trong đó khối “ITBL” là bảng lookup table biểu diễn quan hệ dòng điện pha stator với từ thông và góc rotor của pha đó Khối “TTBL” là bảng lookup table biểu diễn quan hệ mô men với dòng điện và góc rotor của pha đó Khối

“Pos_sensor” là cảm biến đo tốc độ của động cơ từ trở

Chương 2 Mô hình hoá động cơ từ trở thay đổi

Hình 2.5 Mô hình động cơ từ trở( SRM)

Chương 3 Các vấn đề cơ bản về điều khiển động cơ từ trở thay đổi

Chương 3 các vấn đề cơ bản về điều khiển động

cơ từ trở thay đổi

Trong chương này ta sẽ tìm hiểu các mục sau:

• Bộ biến đổi hệ truyền động dùng cho động cơ từ trở

• Bộ điều khiển dòng điện

• Bộ điều khiển giảm sự đập mạch của mô men

• Bộ điều khiển tốc độ

Đó cũng chính là bốn phần chính sẽ được tìm hiểu chi tiết ở trong chương

này, ngoài ra “Nguyên tắc điều khiển động cơ từ trở thay đổi” cũng được trình

bày cụ thể

Tài liệu tham khảo [6], [9], [10]

3.1 Bộ biến đổi

Cấu hình điều khiển chung của động cơ từ trở thay đổi nhìn chung không

khác biệt nhiều so với các động cơ thông thường Nó cũng bao gồm các mạch

vòng điều khiển dòng điện và tốc độ (Hình 3.1) chính là cấu hình điều khiển

cơ bản của động cơ từ trở

Chương 3 Các vấn đề cơ bản về điều khiển động cơ từ trở thay đổi

Hình 3.1 Cấu hình điều khiển cơ bản của động cơ từ trở

Từ (hình 3.1) ta thấy, tốc độ đặt được so sánh với tín hiệu phản hồi tốc độ, sai số giữa chúng sẽ là đầu vào cho bộ điều khiển tốc độ, đầu ra của bộ điều khiển tốc độ là lượng đặt mô men Bộ điều khiển giảm mô men đập mạch lấy

đầu vào là lượng đặt mô men này sau đó sẽ tính toán để tạo ra lượng đặt dòng

điện hợp lý cho các, Dòng điện đặt là tín hiệu đầu vào của mạch vòng dòng

điện Sai số giữa dòng điện đặt và tín hiệu phản hồi dòng điện sẽ được đưa và

bộ điều khiển dòng điện để tạo tín hiệu điều khiển đưa vào bộ biến đổi Tín hiệu sau bộ biến đổi sẽ được đưa vào các cuộn dây pha của động cơ từ trở thay

đổi để điều khiển sự hoạt động của động cơ

Do mô men trong động cơ (SRM) độc lập với dấu của dòng điện kích thích nên bộ biến đổi của động cơ tử trở thay đổi chỉ yêu cầu một khóa đóng cắt để

điều khiển dòng điện cấp cho cuộn dây pha Điều này khác với động cơ xoay chiều vì động cơ xoay chiều cần ít nhất 2 khóa để điều khiển dòng điện Còn một điểm khác biệt nữa đó là cuộn dây pha của động cơ xoay chiều không

được mắc nối tiếp với các khóa đóng cắt, điều đó dẫn đến việc không hạn chế

được nguy hiểm khi xảy ra hiện tượng “shoot-through” Trong khi đó với hệ truyền động của động cơ từ trở thay đổi, cuộn dây pha luôn được mắc nối tiếp với khóa đóng cắt, do đó tính cảm của cuộn dây sẽ giúp hạn chế tốc độ tăng trưởng dòng điện khi xảy ra hiện tượng “shoot-through” qua đó giảm thiểu nguy hiểm

Chương 3 Các vấn đề cơ bản về điều khiển động cơ từ trở thay đổi

Trong phần này sẽ chỉ trình bày một số cấu hình cơ bản phổ biến của bộ biến đổi của hệ truyền động động cơ từ trở thay đổi Nhưng trước tiên ta cũng cần có một cái nhìn khái quát về các loại bộ biến đổi được dùng với động cơ

từ trở thay đổi thông qua phần “Phân loại”

3.1.1 Phân loại bộ biến đổi

Nếu bỏ qua tác động qua lại giữa các pha sẽ mang lại sự độc lập hoàn toàn trong việc điều khiển dòng và mô men ở từng pha một Tuy nhiên ta cũng cần hết sức cẩn thận trong việc điều khiển năng lượng từ trường tích lũy trong cuộn dây khi tận dụng ưu điểm này Năng lượng này cần phải được giải phóng trong suốt quá trình chuyển mạch của pha (quá trình giảm dòng điện về không), nếu không nó sẽ gây ra hiện tượng quá áp và làm hỏng các bóng bán dẫn

Có một số cách để giải phóng năng lượng này như: Một phần năng lượng

được chuyển thành dạng điện năng hoặc cơ năng, còn một phần thì tiêu tán trên cuộn dây của máy, hoặc đưa nó trả ngược về nguồn một chiều Các phương pháp này đã dẫn đến các cấu hình khác nhau của bộ biến đổi như cấu hình q, (q+1), 1.5q và 2q khóa đóng cắt (với q là số pha) Sự phân loại của bộ biến đổi được thấy như (hình 3.2)

Chương 3 Các vấn đề cơ bản về điều khiển động cơ từ trở thay đổi

Hình 3.2 Phân loại bộ biến đổi cho động cơ từ trở

Các cấu hình bộ biến đổi ở đây sẽ được trình bày với giả thiết đã có sẵn nguồn một chiều (Có thể lấy từ các pin hoặc từ các bộ chỉnh lưu)

Sau đây chúng ta sẽ đi vào chi tiết của hai cấu hình phổ biến nhất:

• Bộ biến đổi cầu không đối xứng

• Các bộ biến đổi một khoá trên một pha

3.1.2 Bộ biến đổi cầu không đối xứng

3.1.2.1Cấu hình bộ biến đổi

Hình 3.3 Cấu hình bộ biến đổi cầu không đối xứng

cho động cơ từ trở 3 pha

Chương 3 Các vấn đề cơ bản về điều khiển động cơ từ trở thay đổi

Từ hình vẽ trên ta thấy ở mỗi cuộn dây dòng điện sẽ được điều khiển bởi hai khóa công suất và hai diode (nhằm thực hiện các chiến thuật điều khiển khác nhau khi muốn giải phóng năng lượng từ trường trong cuộn dây theo các cách đã nêu ở trên) Như vậy sơ đồ này có 2q (q là số pha, ở đây q=3) khóa

đóng cắt công suất  thuộc nhóm 2q trong sơ đồ phân chia các lớp của bộ biến đổi

3.1.2.2 Nguyên lý hoạt động

ở đây ta sẽ trình bày nguyên lý hoạt động của sơ đồ theo hai chiến thuật

điều khiển khác nhau (cách đóng cắt các khóa T1 và T2 khác nhau)

a Cả 2 khóa T 1 và T 2 được đóng cắt một cách đồng thời (hình 3.4)

Hình 3.4 Hai khoá T1 và T2 được đóng cắt một cách dồng thời

Chương 3 Các vấn đề cơ bản về điều khiển động cơ từ trở thay đổi

Hình 3.5 Tín hiệu dòng và áp của pha a

Giả sử dòng điện chủ đạo có dạng xung chữ nhật và chỉ tồn tại trong sườn dương của đường đặc tính tự cảm

Khi T1 và T2 mở, dòng điện chạy qua T1, cuộn dây pha a và T2 Khi dòng

điện vượt qua giá trị mong muốn T1 và T2 sẽ cùng đóng Do tính chất cảm nên dòng điện chạy qua pha a vẫn được duy trì theo chiều như cũ Lúc này dòng sẽ chạy qua pha a, D1, Vdc, D2 và pha a Do đó năng lượng sẽ được trả lại nguồn

và dòng điện nhanh chóng giảm nhỏ hơn giá trị đặt Lúc này điện áp trên pha

a có giá trị bằng –Vdc Trong suốt khoảng thời gian này năng lượng tích trữ trong cuộn dây được trả về nguồn do đó đã có sự trao đổi năng lượng giữa tải

và nguồn lập đi lập lại trong 1 chu kì dẫn dòng của pha a Sau khoảng thời gian khởi động thì trong quá trình đóng cắt của các bóng T1 và T2, cuộn dây của pha a phải chịu 2 lần thay đổi điện áp 1 chiều, do đó có ảnh hưởng xấu

đến cách điện của cuộn dây Hơn nữa cách điều khiển như này còn đưa vào tụ

điện của nguồn 1 chiều các tín hiệu nhấp nhô làm giảm tuổi thọ Bên cạnh đó còn làm tăng tổn thất trong các khóa công suất bởi tần số đóng cắt của các khóa

Chương 3 Các vấn đề cơ bản về điều khiển động cơ từ trở thay đổi

Chương 3 Các vấn đề cơ bản về điều khiển động cơ từ trở thay đổi

được tần số đóng cắt của các khóa trong một chu kì dẫn dòng của pha a Khi dòng điện đặt giảm về 0 thì cả 2 khóa sẽ được ngắt đồng thời Trong suốt khoảng thời gian này D1, D2 sẽ tham gia dẫn dòng và điện áp trên cuộn dây pha bằng -Vdc Khi dòng điện thực sự bằng 0 thì điện áp trên cuộn dây cũng bằng không Dạn tín hiệu dòng áp có thể thấy như trên (hình 3.7)

Ngoài lợi ích giảm được tần số đóng cắt của các khóa thì cách điều khiển như này còn mang lại ưu điểm đó là một phần năng lượng được tích trữ trong cuộn dây đã chuyển thành cơ năng hữu ích

Tuy nhiên phương pháp điều khiển như này không thể áp dụng trong trường hợp cần giảm nhanh dòng điện pha để tránh rơi vào sườn âm của độ tự cảm (nếu rơi vào đây nó sẽ tạo mô men âm dẫn đến giảm mô men trung bình)

Có một nhận xét đó là bộ biến đổi theo dạng “Cầu không đối xứng” có 2 khóa đóng cắt trên một cuộn dây pha, nên nó tương tự như các bộ biến đổi của

động cơ xoay chiều

3.1.3 Các bộ biến đổi một khoá trên một pha

Bộ biến đổi một khóa trên một pha có ưu điểm là giá thành rẻ hơn so với các bộ biến đổi khác do tính gọn nhẹ của nó Tuy nhiên nó cũng có nhược

điểm là không thể đưa điện áp trên cuộn dây pha về không trong suốt quá trình dẫn dòng Do những ràng buộc trong quá trình hoạt động nên số lần trao

đổi năng lượng giữa động cơ và nguồn cấp một chiều tăng lên, làm tăng tổn hao và giảm hiệu suất của hệ thống Ngoài ra nó còn làm tỉ lệ thay đổi điện áp tăng gấp đôi, điều này không tốt cho cách điện và tăng tiếng ồn trong máy

điện Mặc dù vậy, những bộ biến đổi một khóa trên một pha vẫn có những ưu

điểm thích hợp cho từng ứng dụng khác nhau Phần này sẽ trình bày một số cấu hình của bộ biến đổi một khóa trên một pha

a Bộ biến đổi R-DUMP

• Cấu hình bộ biến đổi