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

§éng c¬ tõ kh¸ng vµ triÓn väng øng dông trong c¸c hÖ thèng Mechatronics TSKH. NguyÔn Phïng Quang Bé m«n §iÒu khiÓn tù ®éng - Phßng thÝ nghiÖm träng ®iÓm vÒ Tù ®éng hãa Tr−êng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi e-mail: NgPhQuang@ieee.org 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, SRM’s 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 SRM’s. Tãm t¾t §éng c¬ tõ kh¸ng (§CTK) lµ lo¹i ®éng c¬ cã thÓ ®−îc chÕ t¹o víi gi¸ thµnh ®Æc biÖt thuËn lîi. §CTK cã mét sè −u ®iÓm næi bËt nh−: Tæn thÊt xuÊt hiÖn chñ yÕu ë phÝa stator vµ do ®ã rÊt dÔ lµm m¸t, qu¸n tÝnh rotor bÐ nªn cã kÕt cÊu bÒn v÷ng vµ phï hîp cho tèc ®é quay cao, m«men khëi ®éng lín, chÞu qu¸ t¶i ng¾n h¹n rÊt tèt. ChÝnh v× vËy, §CTK ®ang ®−îc sö dông ngµy cµng nhiÒu trong c¸c hÖ thèng mechatronics. Sau khi ®iÓm l¹i nguyªn lý ho¹t ®éng, b¸o c¸o tr×nh bÇy tãm t¾t c¸c vÊn ®Ò ®ang ®−îc quan t©m xung quanh §CTK nh−: §iÒu khiÓn cã hoÆc kh«ng cã ®o tèc ®é quay, gi¶m m«men l¾c, c¶i thiÖn hÖ sè c«ng suÊt vµ mét sè quan ®iÓm trong thiÕt kÕ ®éng c¬. C¸c ký hiÖu, viÕt t¾t dk Tû lÖ bÒ réng xung ®iÒu chÕ i Dßng qua cuén d©y pha cña §CTK fs TÇn sè phÝa stator isd, isq Thµnh phÇn trôc d,q cña vector dßng stator cña §C§B L §iÖn c¶m stator cña §CTK Lsd, Lsq §iÖn c¶m stator cña §C§B ®o däc, ngang trôc tõ th«ng cùc m Sè pha cña stator mM M«men quay cña ®éng c¬ n, ns Tèc ®é quay, tèc ®é quay ®ång bé pc Sè ®«i cùc R §iÖn trë cuén d©y pha cña §CTK u §iÖn ¸p cuén d©y pha cña §CTK uDC, utrans, udiode §iÖn ¸p m¹ch mét chiÒu, ®iÖn ¸p sôt trªn Transistor, trªn Diode Us, Up Vector ®iÖn ¸p stator, vector ®iÖn ¸p kÝch thÝch cña §C§B Xd, Xq C¶m kh¸ng ®ång bé cña §C§B ®o däc, ngang trôc tõ th«ng cùc z Sè r¨ng cña rotor  Tõ th«ng cuén d©y pha cña §CTK p Tõ th«ng cùc (kÝch thÝch vÜnh cöu)  Gãc lÖch trôc (h×nh 3)  Gãc xen gi÷a hai vector Us, Up s, r B−íc gãc cña cùc stator, r¨ng rotor  VËn tèc gãc cña rotor 1. Më ®Çu MÆc dï ra ®êi ®· l©u, §CTK vÉn Ýt ®−îc chó ý sö dông do mét sè nh−îc ®iÓm mang tÝnh tiÒn ®Þnh, cã nguån gèc tõ nguyªn lý cña ®éng c¬, ®ã lµ: M«men quay chøa nhiÒu hµi bËc cao (m«men l¾c), g©y nhiÒu tiÕng ån vµ hiÖu suÊt thÊp. ChØ tõ ®Çu thËp kû 90, khi c¸c lÜnh vùc c¶m biÕn, ®iÖn tö c«ng suÊt, vµ ®Æc biÖt lµ vi ®iÒu khiÓn / vi xö lý tÝn hiÖu ®¹t ®−îc nh÷ng tiÕn bé ®¸ng kÓ, cho phÐp kh¾c phôc c¸c ®iÓm yÕu nãi trªn b»ng c¸c gi¶i ph¸p phÇn mÒm mét c¸ch rÊt cã hiÖu qu¶, ®ång thêi b¶o ®¶m gi¸ thµnh hÖ thèng thÊp. Khi Êy, §CTK l¹i ®−îc quan t©m ®Õn, ®Æc biÖt trong nh÷ng øng dông c«ng suÊt nhá. −u ®iÓm næi bËt cña §CTK lµ: Tæn thÊt xuÊt hiÖn chñ yÕu ë phÝa stator vµ do ®ã rÊt dÔ lµm m¸t, qu¸n tÝnh rotor bÐ nªn cã kÕt cÊu bÒn v÷ng vµ phï hîp cho tèc ®é quay cao, m«men khëi ®éng lín, chÞu qu¸ t¶i ng¾n h¹n rÊt tèt. Thªm vµo ®ã, §CTK cã gi¸ thµnh chÕ t¹o thÊp nhÊt trong c¸c lo¹i ®éng c¬ vµ kh«ng cÇn b¶o d−ìng. Më ®Çu b»ng tãm t¾t nguyªn lý cña §CTK, b¸o c¸o tËp trung giíi thiÖu t×nh tr¹ng hiÖn t¹i cña c«ng t¸c nghiªn cøu ph¸t triÓn øng dông c¸c hÖ truyÒn ®éng sö dông §CTK, ®Æc biÖt trong c¸c hÖ Mechatronics. §©y lµ m¶ng vÊn ®Ò cßn ®ang bá ngá trong nghiªn cøu / gi¶ng dËy t¹i n−íc ta. 2. Nguyªn lý ho¹t ®éng cña SRM a) Nguyªn lý §Ó minh häa nguyªn lý ho¹t ®éng cña SRM ta cã thÓ theo dâi c«ng thøc tÝnh m«men quay sau ®©y cña ®éng c¬ ®ång bé (§C§B) kÝch thÝch ngoµi, cßn gäi lµ §C§B cùc låi: ( )3 1 1sin sin 2 2 2 ps s M s d q d UU U m n X X X ϑ ϑπ   = + −       (1) §èi víi lo¹i §C§B kÝch thÝch vÜnh cöu, cßn gäi lµ §C§B cùc trßn, theo [9] ta cã: ( )3 2M c p sq sd sq sd sq m p i i i L Lψ = + −  (2) Theo (1) vµ (2), m«men quay cña c¶ hai lo¹i §C§B bao gåm: thµnh phÇn chÝnh vµ thµnh phÇn ph¶n kh¸ng. NÕu bá qua kÝch thÝch ®éng c¬, tøc lµ Up = 0 hoÆc p = 0, khi Êy ta cã: • §C§B cùc låi: ( )23 1 1 sin 2 4 s M s q d U m n X X ϑπ  = −    (3) • §C§B cùc trßn: ( )3 2M c sd sq sd sq m p i i L L= − (4) Hai c«ng thøc (3) vµ (4) nãi r»ng: ChØ nhê sù kh¸c nhau vÒ ®iÖn c¶m stator (vÒ c¶m kh¸ng) ®o t¹i c¸c vÞ trÝ kh¸c nhau trªn bÒ mÆt rotor, §C§B vÉn t¹o nªn m«men quay mµ kh«ng hÒ cÇn ®Õn kÝch tõ vµ ta cã thÓ t¶i ®éng c¬ nhê m«men ®ã. HiÖu øng trªn tõ l©u ®· ®−îc tËn dông ®Ó chÕ t¹o nªn lo¹i §CTK (Reluctance Motor) nu«i bëi ®iÖn ¸p xoay chiÒu mét hoÆc ba pha. Tuy nhiªn, thay v× t¹o tõ tr−êng quay phÝa stator nhê ®iÖn xoay chiÒu, ta cã thÓ t¹o b»ng c¸ch lÇn l−ît cÊp ®iÖn ¸p (hay dßng) mét chiÒu cho c¸c cuén d©y stator. Tøc lµ: LÇn l−ît ®ãng ng¾t c¸c cuén stator vµo nguån mét chiÒu. Tõ ®ã xuÊt hiÖn kh¸i niÖm Switched Reluctance Motor (§CTK kiÓu ®ãng ng¾t) lµ ®èi t−îng cña bµi viÕt nµy. Tõ ®©y vÒ sau, kh¸i niÖm §CTK còng duy nhÊt chØ vµo lo¹i cã ®ãng ng¾t. b) CÊu t¹o Stator cña §CTK cã cÊu t¹o bëi nhiÒu cùc tõ chøa c¸c cuén d©y tËp trung. Kh¸c víi cuén d©y cña m¸y ®iÖn 3 pha, lµ lo¹i m¸y víi cuén d©y cã thÓ ph©n t¸n tïy theo sè ®«i cùc. Rotor cña §CTK kh«ng chøa cuén d©y vµ ®−îc chÕ t¹o b»ng s¾t tõ cã xÎ r¨ng (teeth), víi tæng sè r¨ng bao giê còng Ýt h¬n tæng sè cùc stator. H×nh 1 §éng c¬ tõ kh¸ng víi (a) ®−êng søc tõ ng¾n, vµ (b) ®−êng søc tõ dµi H×nh 1 giíi thiÖu hai §CTK, bªn tr¸i lµ ®éng c¬ 3 pha víi stator 12 cùc vµ rotor 10 r¨ng (gäi t¾t: lo¹i 12/10), bªn ph¶i lµ ®éng c¬ 4 pha víi stator 8 cùc vµ rotor 6 r¨ng (gäi t¾t: lo¹i 8/6). §Ó t¹o chuyÓn ®éng quay, c¸c cuén d©y pha stator sÏ lÇn l−ît ®−îc ®ãng ng¾t nguån phô thuéc vÞ trÝ cña rotor. §Ó cã th«ng tin vÒ vÞ trÝ cña rotor, th«ng th−êng ta sÏ ph¶i sö dông kh©u ®o vÞ trÝ tuyÖt ®èi. c) Ph−¬ng thøc ho¹t ®éng Ph−¬ng thøc ho¹t ®éng cña §CTK lµ rÊt ®¬n gi¶n: Cã thÓ coi §CTK lµ mét hÖ thèng c¸c nam ch©m ®iÖn ®éc lËp, ®−îc lu©n phiªn cÊp dßng ®ång bé víi vÞ trÝ cña rotor. §Æc ®iÓm ®éc lËp gi÷a c¸c nam ch©m thÓ hiÖn kh¸ râ trong tr−êng hîp ®éng c¬ 12/10 cã ®−êng søc tõ ng¾n (h×nh 1a). §Æc ®iÓm ®ã Ýt râ h¬n trong tr−êng hîp lo¹i 8/6 víi ®−êng søc tõ dµi (h×nh 1b), lµ lo¹i phæ biÕn nhÊt hiÖn t¹i. H×nh 2 VÞ trÝ “®ång trôc” cña rotor vµ cùc stator active M«men quay cña §CTK cã ®−êng ph©n bè trªn bÒ mÆt rotor lÆp l¹i theo chu kú cña r¨ng. Trong mçi chu kú ®Òu cã hai vÞ trÝ: vÞ trÝ ®ång trôc (cùc cã cuén d©y mang dßng - gäi lµ cùc active - vµ r¨ng ®ång trôc víi nhau) vµ vÞ trÝ lÖch trôc (cùc active ë vÞ trÝ gi÷a 2 r¨ng). H×nh 2 minh häa vÞ trÝ ®ång trôc cña lo¹i ®éng c¬ 8/6. ë vÞ trÝ lÖch trôc, r¨ng gÇn nhÊt víi cùc active sÏ chuyÓn ®éng vÒ phÝa cùc active ®Ó ®¹t ®−îc tr¹ng th¸i ®ång trôc. Gi¶ sö trong h×nh 2, cùc active tiÕp theo sÏ lµ cùc l©n cËn phÝa bªn ph¶i cña cùc active hiÖn t¹i, khi Êy rotor sÏ quay tr¸i mét gãc lµ ¼ r¨ng. NghÜa lµ: Rotor lu«n quay ng−îc víi chiÒu cña tr−êng quay t¹o nªn tõ phÝa stator. Gäi m lµ sè pha cña stator, 2pc lµ sè cùc cña mét pha, tõ tr−êng stator sÏ quay sau mçi xung mét gãc lµ: 0360 2s cp m ϑ = (5) NÕu sè r¨ng cña rotor lµ z, sau mçi xung rotor sÏ quay mét gãc: 0360 r zm ϑ = (6) tøc lµ quay chËm h¬n: 2 cr s p z ϑ ϑ = (7) lÇn so víi tr−êng quay stator. §Ó cã thÓ ®¹t ®−îc tèc ®é quay n, tÇn sè ®iÒu khiÓn fs (control frequency) cÇn thiÕt sÏ ph¶i lµ: sf n z= (8) H×nh 3 minh häa ph©n bè m«men quay cña ®éng c¬ 8/6, trong ®ã gãc 00 chÝnh lµ vÞ trÝ ®ång trôc cña stator vµ rotor. H×nh 3 M«men quay cña 1 pha phô thuéc gãc lÖch gi÷a cùc vµ r¨ng M«men quay ®−îc tÝnh phô thuéc dßng chÈy qua cuén d©y pha i vµ vÞ trÝ rotor  nh− sau: ( ) ( )2 ,1, 2M dL i m i i d ϕϕ ϕ= (9) Khi dßng i vµ tèc ®é quay n lµ h»ng, m«men quay sÏ chØ lµ hµm cña biÕn thiªn ®iÖn c¶m phô thuéc vµo vÞ trÝ rotor (phô thuéc gãc lÖch). §Ó ®¹t ®−îc m«men quay lín, ph¶i t¹o ®−îc sù chªnh nhau lín gi÷a ®iÖn c¶m cña vÞ trÝ ®ång trôc vµ ®iÖn c¶m cña vÞ trÝ lÖch trôc. ChÝnh v× thÕ, §CTK th−êng ®−îc thiÕt kÕ ®Ó vËn hµnh ë chÕ ®é b·o hßa rÊt s©u. Tõ ®ã còng nÈy sinh nh−îc ®iÓm c¬ b¶n cña §CTK: Ph¶i ng¾t m¹ch cuén d©y stator vµo cuèi chu kú xung (khi dßng lµ h»ng), lµ lóc cuén d©y ®ang ë tr¹ng th¸i n¹p ®Çy tõ n¨ng. ChÝnh v× vËy, hiÖu suÊt sö dông nghÞch l−u sÏ kÐm h¬n so víi ®éng c¬ xoay chiÒu ba pha (§CXCBP) kh¸ nhiÒu. §CTK hiÕm khi ®¹t ®−îc hÖ sè c«ng suÊt cos = 0,5. 3. CÊu tróc ®iÒu khiÓn SRM a) CÊu tróc nghÞch l−u §CTK ph¶i ®−îc ®iÒu khiÓn nhê mét vßng ®iÒu chØnh (§C) cã ph¶n håi. ThiÕt bÞ nghÞch l−u (NL) th−êng ®−îc nu«i bëi nguån ¸p mét chiÒu, vµ ®èi víi §CTK - theo c«ng thøc (9) - chØ cÇn dßng chÈy theo mét chiÒu còng ®ñ ®Ó vËn hµnh ë c¶ 4 gãc ¼ (chÕ ®é vËn hµnh 4Q). B¹n ®äc cã thÓ t×m thÊy trong tµi liÖu tham kh¶o v« sè ph−¬ng ¸n m¹ch NL, bµi nµy chØ h¹n chÕ ë ph−¬ng ¸n dµnh cho §CTK c«ng suÊt nhá, sö dông trong c¸c hÖ mechatronics. NghÞch l−u lý t−ëng ph¶i cã kh¶ n¨ng ®ãng/ng¾t dßng kh«ng cã trÔ. §Ó cã thÓ §C dßng pha, cã thÓ sö dông hai van (h×nh 4, tr¸i): van N phôc vô chän pha, van PWM cã nhiÖm vô ®iÒu chÕ bÒ réng xung ¸p ®Æt lªn cuén d©y pha vµ nhê ®ã dÔ dµng §C dßng qua cuén d©y. Nh»m gi¶m tæn hao ®ãng/ng¾t cña van, tõ n¨ng tÝch lòy khi dßng chÈy qua cuén d©y ph¶i cã kh¶ n¨ng ®−îc hoµn nguyªn trë l¹i nguån (h×nh 4, ph¶i). H×nh 4 Cuén d©y pha a) khi dÉn dßng, vµ b) khi n¹p dßng ng−îc trë l¹i nguån DÔ dµng nhËn thÊy, ®Ó ®iÒu khiÓn §CTK m pha ta sÏ cÇn 2m van IGBT vµ 2m diode. Lóc nµy, NL ®−îc gäi lµ NL 2m (h×nh 5). Do kh¸ tèn kÐm linh kiÖn rêi r¹c, s¬ ®å NL 2m th−êng chØ ®−îc sö dông cho §CTK cã c«ng suÊt 100W. H×nh 5 S¬ ®å nghÞch l−u 2m S¬ ®å Ýt tèn kÐm nhÊt lµ s¬ ®å chØ sö dông 1 van PWM chung cho tÊt c¶ c¸c pha (h×nh 6), cßn gäi lµ NL (m+1). Lîi thÕ cña s¬ ®å lµ chØ cÇn mét c¶m biÕn lµ cã thÓ ®o dßng cña tÊt c¶ c¸c pha. Nh−îc ®iÓm c¬ b¶n cña s¬ ®å (m+1) lµ: khi chuyÓn m¹ch sang pha míi, cuén d©y pha tr−íc ®ã sÏ bÞ nèi ng¾n m¹ch vµ hiÖu qu¶ hoµn nguyªn tõ n¨ng vÒ nguån kÐm, dßng chËm t¾t vÒ kh«ng. ThËm chÝ, ë chÕ ®é m¸y ph¸t (vÝ dô: khi h·m) cã thÓ xuÊt hiÖn tù kÝch. Nh−îc ®iÓm ®ã buéc ta ph¶i gi¶m hÖ sè ®iÒu chÕ, vµ do ®ã gi¶m hiÖu suÊt tËn dông NL. ë d¶i tèc ®é lín, cã nguy c¬ kh«ng thÓ lµm nhôt triÖt ®Ó tõ th«ng cña cùc chøa cuén d©y pha tÝch cùc. H×nh 6 S¬ ®å nghÞch l−u (m+1) Gi¶i ph¸p dung hßa tèt sÏ lµ s¬ ®å NL (m+2) cho lo¹i §CTK 8/6 (h×nh 7). S¬ ®å cho phÐp sö dông tèi ®a hÖ sè ®iÒu chÕ. H×nh 7 S¬ ®å nghÞch l−u (m+2) Mét vÊn ®Ò quan träng lµ ph−¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn nghÞch l−u (§KNL). ViÖc lùa chän ®óng ®¾n cho phÐp gi¶m tiÕng ån ph¸t ra vµ n©ng cao chÊt l−îng truyÒn ®éng cña hÖ. Cã hai ph−¬ng ph¸p chÝnh ®Ó §KNL: • Sö dông nguån dßng: Trong d¶i tèc ®é thÊp, §CTK ®−îc nu«i bëi dßng cÊp d−íi d¹ng khèi (block current) nhê ®iÒu chÕ bÒ réng xung (chopping). M«men quay æn ®Þnh vÒ gi¸ trÞ trung b×nh nh−ng chøa nhiÒu hµi víi biªn ®é ®¸ng kÓ. §CTK cã sè pha m lín h¬n sÏ cÊp ra m«men chøa hµi víi biªn ®é bÐ h¬n. • Sö dông nguån ¸p: Cã thÓ nu«i §CTK b»ng ®iÖn ¸p cÊp d−íi d¹ng khèi (block voltage). Khi tèc ®é quay t¨ng dÇn, ¶nh h−ëng cña thêi gian ®ãng ng¾t van IGBT cµng râ. Khi søc tõ ®éng bªn trong ®¹t tíi gi¸ trÞ øng víi ®iÖn ¸p nguån mét chiÒu, khi Êy ta chØ cßn thuÇn tóy ®ãng ng¾t c¸c cuén d©y pha, diÔn biÕn dßng trë nªn kh«ng chÕ ngù ®−îc vµ cã biªn ®é hµi kh¸ lín, g©y nªn m«men l¾c phô. b) CÊu tróc ®iÒu khiÓn cã c¶m biÕn vÞ trÝ CÊu tróc ®iÒu khiÓn c¬ b¶n cña hÖ truyÒn ®éng sö dông §CTK bao giê còng cã chøa vßng §C chØnh dßng (xem [1], [2]). XuÊt ph¸t tõ ph−¬ng tr×nh ®iÖn ¸p pha: d u Ri dt ψ= + (10) ®Ó ®¬n gi¶n, ta h·y bá qua ®iÖn trë R vµ viÕt: ( ) ( )dLdiu L i dt d ϕϕ ωϕ= + (11) Trong (11), ®iÖn c¶m L lµ mét tham sè phô thuéc vÞ trÝ  cña rotor. §Ó tÝnh c«ng suÊt ta h·y nh©n hai vÕ cña (11) víi dßng i: 2di dLui Li i dt d ωϕ= + (12) hoÆc: 2 21 1 2 2 d dL P Li i dt d ωϕ  = +   (13) BiÓu thøc thø nhÊt ë vÕ ph¶i cña (13) ®Æc tr−ng cho thµnh phÇn tõ n¨ng tÝch trong cuén d©y pha. BiÓu thøc thø hai cña (13) m« t¶ c¬ n¨ng cung cÊp ra trôc ®éng c¬. Tõ ®ã ta cã c«ng thøc tÝnh m«men quay ®· cho ë (9) vµ thÊy râ: DÊu cña m«men – quyÕt ®Þnh chÕ ®é ®éng c¬ hay m¸y ph¸t – hoµn toµn do dÊu cña dL dj quyÕt ®Þnh. H×nh 8 §iÖn c¶m L cña §CTK: a) §Æc tÝnh L lý t−ëng phô thuéc vÞ trÝ rotor; b) Dßng pha ë chÕ ®é ®éng c¬; c) Dßng pha ë chÕ ®é m¸y ph¸t H×nh 8 minh häa râ rµng ph−¬ng thøc vËn hµnh §CTK ë hai chÕ ®é ®éng c¬ / m¸y ph¸t: CÊp xung dßng chÝnh x¸c phô thuéc vµo vÞ trÝ cña rotor, n¬i cã dÊu cña dL dj kh¸c nhau. §Ó ®¹t ®−îc m«men quay cÇn thiÕt, cßn cÇn ph¶i cÊp dßng cã biªn ®é t−¬ng øng nhê sù hç trî cña mét kh©u §C dßng ë m¹ch vßng trong cïng (h×nh 9). H×nh 9 §iÒu khiÓn §CTK nhê kh©u §C dßng ë m¹ch vßng trong cïng c) CÊu tróc ®iÒu khiÓn kh«ng cÇn c¶m biÕn vÞ trÝ Do §CTK lµ lo¹i ®éng c¬ cã gi¸ thµnh chÕ t¹o rÊt thÊp vµ ®−îc sö dông chñ yÕu ë d¶i c«ng suÊt nhá. ViÖc sö dông kh©u ®o gãc (®o vÞ trÝ) cña rotor cã thÓ lµm t¨ng gi¸ thµnh lªn ®¸ng kÓ. §· cã kh¸ nhiÒu nç lùc t×m ph−¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn §CTK kh«ng cÇn ®Õn c¶m biÕn vÞ trÝ (xem [3], [4] vµ [5]). §Ó h×nh dung kh¸i qu¸t c¸c kh¶ n¨ng nhËn d¹ng vÞ trÝ rotor, ta h·y theo dâi h×nh 10 sau ®©y. H×nh 10 C¸c nguån th«ng tin vÒ vÞ trÝ rotor chøa trong ph−¬ng tr×nh ®iÖn ¸p cña §CTK cã m pha H×nh 10 minh häa c¸c b−íc suy diÔn cña ph−¬ng tr×nh ®iÖn ¸p cña cuén d©y pha thø j trong m cuén d©y pha. ChØ sè k minh häa c¸c b−íc trong qu¸ tr×nh cÊp dßng cho cuén d©y. T¹m kh«ng quan t©m ®Õn thµnh phÇn ®iÖn ¸p r¬i trªn ®iÖn trë R, c«ng thøc cuèi cïng cã ba biÓu thøc Èn chøa th«ng tin vÒ vÞ trÝ (vÒ gãc) cña rotor. DÔ dµng thÊy r»ng, nguyªn lý c¬ së cña c¸c ph−¬ng ph¸p nhËn d¹ng vÞ trÝ cña rotor ®Òu dùa trªn sù biÕn thiªn cña tõ th«ng phô thuéc vÞ trÝ mµ xuÊt ph¸t ®iÓm lµ ph−¬ng tr×nh ®iÖn ¸p: 1 m j j kj k d u Ri dt ψ = = + ∑ (14) 1 m j j kj k d u Ri dt y = = + å ( ) 1 , m j j kj k k k d u Ri L i i dt j = é ù= + ê úë ûå 1 m kj kjk k j j k kj k k k L Ldi di u Ri i L i i dt dt w j= æ ö¶ ¶ ÷ç ÷= + + +ç ÷ç ÷ç ¶ ¶è ø å Th«ng tin vÒ vÞ trÝ rotor 1 2 3 Cã thÓ t×m thÊy trong tµi liÖu tµi liÖu tham kh¶o (vÝ dô: trong [3]) ®Æc tÝnh tõ th«ng cña mét §CTK lo¹i 8/6, minh häa quan hÖ chÆt chÏ gi÷a tõ th«ng vµ dßng qua cuén d©y pha t¹i c¸c vÞ trÝ kh¸c nhau cña rotor. H×nh 11 §Æc tÝnh tõ th«ng/dßng/vÞ trÝ rotor cña mét §CTK lo¹i 8/6 (theo [3]) Khi cã ®−îc ®Æc tÝnh ®o nh− h×nh 11, ta hoÆc cã thÓ thay trùc tiÕp vµo (14) ®Ó tÝnh vÞ trÝ, hoÆc thùc hiÖn d−íi d¹ng b¶ng tÝnh s½n ®Ó tra gi¸ trÞ gãc. Víi gi¸ trÞ gãc, hÖ thèng cã thÓ ®−a ra quyÕt ®Þnh chÝnh x¸c ®Ó chuyÓn m¹ch ®ãng/ng¾t van. TÊt c¶ c¸c ph−¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn kh«ng dïng c¶m biÕn hiÖn t¹i ®Òu ho¹t ®éng theo nguyªn lý trªn. Theo c«ng thøc cuèi cña h×nh 10 ta cÇn ®o ®−îc: ®iÖn ¸p, dßng, ®é dèc s−ên lªn (current rise time) vµ s−ên xuèng (current fall time) cña dßng. C¸c ®¹i l−îng tÝnh ®−îc sÏ lµ: ®iÖn c¶m, tõ th«ng vµ søc tõ ®éng c¶m øng. §Ó cµi ®Æt thuËt to¸n ta sÏ ph¶i xÐt ®Õn ®Æc ®iÓm vËt lý cña hÖ vµ ph©n toµn d¶i tèc ®é thµnh n¨m vïng víi c¸c chÕ ®é vËn hµnh kh¸c nhau (h×nh 12). H×nh 12 C¸c chÕ ®é vËn hµnh kh¸c nhau kh«ng cÇn c¶m biÕn ®o vÞ trÝ HÖ thèng cã §C nh− h×nh 9 sÏ ®−îc më réng khi kh«ng sö dông c¶m biÕn ®o vÞ trÝ nh− sau (h×nh 13): H×nh 13 CÊu tróc hÖ thèng ®−îc më réng thªm kh©u chuyÓn m¹ch kh«ng cÇn c¶m biÕn vÞ trÝ (VÝ dô cho tr−êng hîp §CTK lo¹i 6/4 víi ba pha: N1,2,3 vµ PWM1,2,3) Trªn c¬ së so s¸nh gi÷a gi¸ trÞ thùc cña tõ th«ng yˆ (tÝnh tõ dßng ®o ®−îc) víi gi¸ trÞ tõ th«ng chuÈn t¹i vÞ trÝ ®ång trôc *y , kh©u logic sÏ ra quyÕt ®Þnh chuyÓn m¹ch thÝch hîp. Theo h×nh 8, ë chÕ ®é ®éng c¬, ®iÒu kiÖn ®Ó chuyÓn m¹ch sÏ lµ: *ˆ caψ ψ> (15) víi ac lµ hÖ sè ®iÒu chÕ PWM cña kh©u §C dßng t¹i thêi ®iÓm tÝnh. §iÒu kiÖn chuyÓn m¹ch ®−îc minh häa dÔ hiÓu ë h×nh 14. H×nh 14 So s¸nh tõ th«ng thùc vµ tõ th«ng chuÈn ®Ó quyÕt ®Þnh thêi ®iÓm chuyÓn m¹ch nghÞch l−u §Ó tÝnh tõ th«ng, ta cã thÓ sö dông m« h×nh kinh ®iÓn, dÉn d¾t tõ ph−¬ng tr×nh (10): st® 1k k k k u T u Riψ ψ+   = + −  14442 4443 (16) tøc lµ ph¶i tÝch ph©n søc tõ ®éng ust® cña cuén d©y stator tÝch cùc. Khi tÝch ph©n, ®Ó tr¸nh sö dông thªm kh©u ®o ta cã thÓ tÝnh ®iÖn ¸p ust® nh− sau: ( ) ( ) tæn thÊt st® k k DC k trans k diode k k u u u Ri u d u i u i Ri   = − = − + +    144444444444442 4444444444443 (17) Trong c«ng thøc (17), ®iÖn ¸p tæn thÊt utæn thÊt lµ tæng c¸c ®iÖn ¸p r¬i trªn IGBT, Diode vµ ®iÖn trë cuén d©y. §Æc biÖt, hai ®iÖn ¸p r¬i trªn IGBT vµ Diode phô thuéc dßng, thÓ hiÖn ®Æc ®iÓm cña nghÞch l−u d−íi d¹ng ®−êng ®Æc tÝnh biÕt tr−íc vµ cã thÓ sö dông phÐp nhËn d¹ng Off-line (xem tµi liÖu [9]) ®Ó x¸c ®Þnh ®−êng ®Æc tÝnh ®ã. Mét mÆt, trªn c¬ së kho¶ng thêi gian ®o ®−îc t (h×nh 14), ta sÏ dÔ dµng sö dông (6) ®Ó tÝnh vËn tèc gãc cña rotor: r r t ϑω = ∆ (18) 4. Gi¶m m«men l¾c cña SRM Nh−îc ®iÓm lín cña §CTK lµ m«men l¾c, g©y nªn do ®iÖn c¶m stator ph©n bè kh«ng ®Òu trªn bÒ mÆt rotor. Tuy nhiªn, cã thÓ gi¶m bít m«men l¾c b»ng hai c¸ch: • Ph−¬ng ph¸p 1: ThiÕt kÕ §CTK cã sè cùc vµ sè r¨ng lín. §©y lµ c¸ch lµm dÉn ®Õn t¨ng gi¸ thµnh cña ®éng c¬. • Ph−¬ng ph¸p 2: Theo c«ng thøc (9), cã thÓ bï l¾c cho m«men b»ng c¸ch thay ®æi t−¬ng øng gi¸ trÞ cña kh©u §C dßng stator. Theo [6] ta sö dông mét kh©u §C bï l¾c xen vµo vÞ trÝ gi÷a kh©u §C tèc ®é quay vµ kh©u §C dßng nh− h×nh 15. H×nh 15 Bï m«men l¾c b»ng gi¶i ph¸p ®iÒu chØnh Gi¶i ph¸p h×nh 15 lµ gi¶i ph¸p Ýt lµm t¨ng gi¸ thµnh hÖ thèng nh−ng l¹i rÊt cã hiÖu qu¶. Tuy nhiªn, viÖc thiÕt kÕ kh©u §C bï m«men l¾c lµ khã kh¨n vµ lµ ®Ò tµi nghiªn cøu khoa häc tiÒm n¨ng. 5. KÕt luËn Nhê tiÕn bé v−ît bËc cña c¸c lÜnh vùc c¶m biÕn, ®iÖn tö c«ng suÊt, vi ®iÒu khiÓn vµ vi xö lý tÝn hiÖu, viÖc sö dông §CTK trong c¸c hÖ thèng Mechatronics ®· trë nªn hÊp dÉn vµ cÇn thiÕt. §ã chÝnh lµ ®éng lùc cña nhiÒu c«ng tr×nh nghiªn cøu / ph¸t triÓn øng dông cña h¬n mét thËp kû qua. B¸o c¸o ®· giíi thiÖu v¾n t¾t nguyªn lý cña ®éng c¬ vµ t×nh tr¹ng ph¸t triÓn hiÖn t¹i cña øng dông truyÒn ®éng §CTK, bao gåm c¸c vÊn ®Ò: • CÊu tróc cña nghÞch l−u (thiÕt bÞ ®iÖn tö c«ng suÊt) nu«i §CTK. • CÊu tróc ®iÒu khiÓn c¬ së (cÊu tróc cã sö dông c¶m biÕn ®o vÞ trÝ rotor). • CÊu tróc ®iÒu khiÓn kh«ng cÇn c¶m biÕn ®o vÞ trÝ, thay vµo ®ã sö dông kh©u quan s¸t tèc ®é quay. • B¸o c¸o ®· ch−a ®Ò cËp ®Õn vÊn ®Ò c¶i thiÖn cos cña hÖ thèng. Nh×n chung, vÊn ®Ò nghiªn cøu øng dông vµ gi¶ng dËy vÒ c¸c hÖ thèng sö dông §CTK ch−a ®−îc quan t©m ®Õn t¹i n−íc ta. Ng−êi viÕt hy väng: Víi b¸o c¸o cña m×nh cã thÓ khªu gîi sù chó ý cña c¸c kü s− ViÖt Nam. §©y lµ mét m¶ng vÊn ®Ò cßn tiÒm n¨ng khai th¸c, c¶ vÒ ph−¬ng diÖn häc thuËt lÉn thùc tÕ. 6. Tµi liÖu tham kh¶o [1] Arefeen, M. S.: Implementation of a Current Controlled Switched Reluctance Motor Drive Using the TMS320F240. Texas Instruments Application Report SPRA282, Sept. 1998 [2] DiRenzo, M. T.: Switched Reluctance Motor Control – Basic Operation and Example Using the TMS320F240. Texas Instruments Application Report SPRA420A, Feb. 2000 [3] Ehsani, M.; Fahimi, B.: Elimination of Position Sensors in Switched Reluctance Motor Drives: State of the Art and Future Trends. IEEE Trans. on IE, Vol. 49, No. 1, Feb. 2002, pp. 40 – 47 [4] Ertugrul, N.; Cheok, A. D,: Indirect Angle Estimation in Switched Reluctance Motor Drives Using Fuzzy Logic Based Motor Model. IEEE Trans. on PE, Vol. 15, No. 6, Nov. 2000, pp. 1029 - 1044 [5] Fedigan, S. J.; Cole, C. P.: A Variable-Speed Sensorless Drive System for Switched Reluctance Motors. Texas Instruments Application Report SPRA600, Oct. 1999 [6] Husain, I.: Minimization of Torque Ripple in SRM Drives. IEEE Trans. on IE, Vol. 49, No. 1, Feb. 2002, pp. 28 – 39 [7] Inderka, R. B.; Menne, M.; De Doncker, R. W. A. A.: Control of Switched Reluctance Drives for Electric Vehicle Applications. IEEE Trans. on IE, Vol. 49, No. 1, Feb. 2002, pp. 48 - 53 [8] Miller, T. J. E.: Optimal Design of Switched Reluctance Motors. IEEE Trans. on IE, Vol. 49, No. 1, Feb. 2002, pp. 15 - 27 [9] Quang, Ng. Ph.; Dittrich J. A.: TruyÒn ®éng ®iÖn th«ng minh. Nhµ xuÊt b¶n Khoa häc Kü thuËt, th¸ng 6/2002 [10] Reinert, J.; Schröder, S.: Power-Factor Correction for Switched Reluctance Drives. IEEE Trans. on IE, Vol. 49, No. 1, Feb. 2002, pp. 55 – 57