Nghiên cứu hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng

Các ký hiệu, các chữ viết tắt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

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 http://www.lrc-tnu.edu.vn

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 http://www.lrc-tnu.edu.vn

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 http://www.lrc-tnu.edu.vn

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 http://www.lrc-tnu.edu.vn

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 http://www.lrc-tnu.edu.vn

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 http://www.lrc-tnu.edu.vn

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 http://www.lrc-tnu.edu.vn

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

Xem chi tiết: Nghiên cứu hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng