Đồ án Tự động hóa 2: Điều khiển động cơ từ trở SRM bằng phương pháp Vector

Đồ án Tự động hóa 2: Điều khiển động cơ từ trở SRM bằng phương pháp điều khiển vector. Tài liệu chi tiết về nguyên lý, cấu tạo và hoạt động.

• Tác giả: Dương Văn Việt
• Người hướng dẫn: Ts. Nguyễn Hoàng Việt
• Trường học: Trường Đại Học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Sử Dụng Phương Pháp Điều Khiển Vector Để Điều Khiển Động Cơ Từ Trở SRM
• Loại tài liệu: Đồ Án Môn Học
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Cơ sở vật lý của động cơ từ trở SRM

Động cơ từ trở SRM (Switched Reluctance Motor) là một loại máy điện đặc biệt hoạt động dựa trên nguyên lý từ trở mà không cần hệ thống kích thích nam châm vĩnh cửu. Cơ sở vật lý của SRM nằm ở khả năng tạo ra momen từ sự chênh lệch độ tập trung từ. Khi xem xét phương trình momen, ta nhận thấy momen quay bao gồm hai thành phần chính: thành phần do từ thông cực gây nên và thành phần phản kháng từ hiệu số độ tập trung. Đặc biệt, ngay cả khi máy điện không có kích thích rõ ràng, động cơ SRM vẫn có khả năng tạo ra momen đáng kể. Momen này càng lớn khi chênh lệch độ tập trung từ giữa các vị trí cực càng lớn. Đây chính là sơ sở vật lý cho phép điều khiển Vector áp dụng hiệu quả trên SRM, tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.

1.1. Nguyên lý hoạt động cơ bản

SRM hoạt động như một hệ thống các nam châm điện độc lập được cấp dòng tuần tự đồng bộ với vị trí rotor. Khi cuộn dây quấn quanh các cực stator được cấp điện, chúng trở thành nam châm điện hút các vật liệu sắt từ ở cực rotor gần nhất, làm rotor quay. Các cặp cực được thiết kế tại vị trí tương đối thích hợp để tạo ra lực hút theo cùng một hướng quay, tạo nên momen tổng cho động cơ. Phương pháp Vector Control cho phép điều chỉnh dòng và thời điểm cấp điện chính xác nhất.

1.2. Ứng dụng trong điều khiển hiện đại

Hiểu rõ cơ sở vật lý giúp áp dụng phương pháp điều khiển Vector hiệu quả hơn. Điều khiển Vector cho phép kiểm soát chính xác từ thông và dòng điện trong từng pha, tối ưu hóa momen động cơ và giảm thiểu sóng gợn momen. Kỹ thuật này đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng yêu cầu điều chỉnh tốc độ mềm mại và hiệu suất cao như hệ thống bơm nước, quạt công nghiệp.

II. Cấu trúc stator và rotor trong SRM

Cấu trúc của động cơ từ trở SRM khác biệt hoàn toàn so với các loại động cơ truyền thống. Stator được tạo thành từ các cuộn dây độc lập quấn xung quanh các cực stator theo cách tập trung, mỗi pha chỉ có hai cực. Các cuộn dây này được cấp dòng riêng biệt, cho phép điều khiển độc lập từng pha. Rotor của SRM có cấu trúc đơn giản nhưng tinh tế, được chế tạo từ vật liệu sắt từ có xẻ rằn (teeth), và quan trọng là rotor không chứa cuộn dây. Số lượng răng rotor luôn ít hơn tổng số cực stator, tạo nên một đặc tính độc đáo. SRM là loại động cơ duy nhất có cấu trúc cực ở cả hai phía rotor và stator, cho phép tương tác từ trở hiệu quả.

2.1. Đặc điểm thiết kế Stator

Stator của SRM gồm các cuộn dây độc lập quấn tập trung quanh các cực, không gây nhiễu từ giữa các pha. Mỗi pha chỉ có hai cực đối xứng, giúp tạo ra momen cân bằng. Thiết kế này cho phép áp dụng điều khiển Vector một cách độc lập cho từng pha, tối ưu hóa cách điều khiển. Số lượng pha thường từ 3 đến 6, phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể.

2.2. Đặc điểm thiết kế Rotor

Rotor SRM không có cuộn dây, chổi than hay chuyển mạch, chỉ gồm các lá thép ghép thành hình răng. Cấu trúc đơn giản này giảm chi phí sản xuất và tăng độ tin cậy. Số răng rotor ít hơn cực stator tạo điều kiện cho điều khiển Vector hoạt động ổn định. Thiết kế này làm rotor bền bỉ, dễ bảo trì, phù hợp với các ứng dụng công nghiệp nặng.

III. Phương pháp điều khiển Vector cho SRM

Phương pháp điều khiển Vector là kỹ thuật tiên tiến để điều khiển động cơ từ trở SRM với hiệu suất cao. Phương pháp này dựa trên việc phân tích và kiểm soát các thành phần từ thông và momen của motor trong không gian vector. Điều khiển Vector cho phép tối ưu hóa dòng điện cấp vào từng pha tại thời điểm chính xác, giảm thiểu sóng gợn momen và tăng hiệu suất toàn hệ thống. Bằng cách điều chỉnh thời điểm cấp dòng và độ lớn dòng theo vị trí rotor, Vector Control tạo ra momen liên tục và ổn định. Kỹ thuật này đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng yêu cầu điều chỉnh tốc độ mềm mại, chính xác và tiết kiệm năng lượng.

3.1. Nguyên lý hoạt động Vector Control

Vector Control hoạt động bằng cách đo vị trí rotor và xác định thời điểm tối ưu để cấp dòng vào từng pha. Phương pháp này tách momen động cơ thành các thành phần trong không gian vector, cho phép kiểm soát độc lập. Bằng cách giữ dòng xung quanh vị trí cực của rotor, điều khiển Vector đảm bảo momen tối đa được tạo ra với hiệu suất năng lượng cao nhất, giảm tổn hao nhiệt.

3.2. Lợi ích và ứng dụng thực tế

Vector Control mang lại nhiều lợi ích: giảm sóng gợn momen, tăng hiệu suất, tiết kiệm năng lượng, và cải thiện đặc tính động. Ứng dụng bao gồm hệ thống bơm nước, quạt công nghiệp, máy nén, và các hệ truyền động yêu cầu độ chính xác cao. Phương pháp này đặc biệt phù hợp với SRM do cấu trúc đơn giản và khả năng điều khiển từng pha độc lập.

IV. Ứng dụng thực tiễn và tối ưu hóa hiệu suất

Động cơ từ trở SRM với điều khiển Vector có khả năng thay thế nhiều hệ truyền động truyền thống như động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc hay động cơ một chiều. Ưu điểm nổi bật của SRM bao gồm cấu trúc đơn giản, chi phí thấp, độ tin cậy cao, và khả năng hoạt động hiệu quả trong các điều kiện khắc nghiệt. Điều khiển Vector giúp tối ưu hóa hiệu suất bằng cách điều chỉnh dòng và thời điểm cấp điện theo điều kiện tải thực tế. Hệ thống này phù hợp với các ứng dụng công nghiệp nặng, tự động hóa nông nghiệp, và hệ thống bơm tưới có yêu cầu tiết kiệm năng lượng. Sự kết hợp giữa SRM và Vector Control tạo ra giải pháp điều khiển hiện đại, hiệu quả, và bền vững.

4.1. Ứng dụng trong các hệ thống công nghiệp

SRM với Vector Control được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống bơm nước tưới tiêu, quạt công nghiệp, máy nén, và các hệ thống truyền động yêu cầu điều chỉnh tốc độ. Phương pháp điều khiển Vector cho phép tối ưu hóa momen động cơ theo tải, tiết kiệm năng lượng đáng kể. Cấu trúc đơn giản của SRM giảm chi phí bảo trì, tăng thời gian hoạt động liên tục của hệ thống.

4.2. Tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng

Bằng cách áp dụng Vector Control, hiệu suất động cơ SRM có thể tăng lên 15-25% so với điều khiển truyền thống. Điều khiển Vector cho phép điều chỉnh dòng điện liên tục theo điều kiện tải, giảm tổn hao và nhiệt độ hoạt động. Kỹ thuật này đặc biệt hiệu quả trong các ứng dụng biến tải, nơi năng lượng được tiết kiệm tối đa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ.1 Cấu tạo, nguyên lí hoạt động và ứng dụng.1 Cấu tạo của SRM.2 Nguyên lý hoạt động của SRM.3 Ứng dụng của động cơ SRM.2 Mô hình động cơ.1 Mô hình một pha của động cơ SRM.2 Mô hình ba pha của động cơ SRM.3 Mô phỏng mô hình động cơ.13 iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Động cơ từ trở thay đổi.2 Stator và Rotor của SRM.3 Rotor của SRM.4 Nguyên lý hoạt động của 1 cực stator và 1 cực rotor.5 Cấu trúc của SRM loại 8/6 với: a) Vị trí đồng trục. b) Vị trí lệch trục. c) Vị trí mất đồng trục.6 Phân bố từ thông ở a) Vị trí lệch trục b) Vị trí đồng trục.7 Trình tự đóng ngắt nguồn , , , ,. để tạo ra chuyển động quay theo chiều kim đồng hồ.8 Trình tự đóng ngắt nguồn , , , ,.

để tạo ra chuyển động quay ngược chiều kim đồng hồ.9 Mạch tương đương một pha động cơ SRM.10 Mô hình 1 pha của SRM.11 Mô hình 3 pha của động cơ SRM.12 Mô hình SRM trên Simulink. 12 o) của trường Đại học Thủy lợi iv MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.iv DANH MỤC BẢNG BIỂU.v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH CÁC THUẬT NGỮ.vi CHƯƠNG 1 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ.1 Cấu tạo, nguyên lí hoạt động và ứng dụng.1 Cấu tạo của SRM.2 Nguyên lý hoạt động của SRM.3 Ứng dụng của động cơ SRM.2 Mô hình động cơ.1 Mô hình một pha của động cơ SRM.2 Mô hình ba pha của động cơ SRM.3 Mô phỏng mô hình động cơ.13 iii DANH MỤC BẢNG BIỂU v DANH MỤC BẢNG BIỂU v DANH MỤC BẢNG BIỂU v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH CÁC THUẬT NGỮ SRM Switched Reluctance Motor : Động cơ từ trở thay đổi vi MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.iv DANH MỤC BẢNG BIỂU.v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH CÁC THUẬT NGỮ.vi CHƯƠNG 1 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ.1 Cấu tạo, nguyên lí hoạt động và ứng dụng.1 Cấu tạo của SRM.2 Nguyên lý hoạt động của SRM.3 Ứng dụng của động cơ SRM.2 Mô hình động cơ.1 Mô hình một pha của động cơ SRM.2 Mô hình ba pha của động cơ SRM.3 Mô phỏng mô hình động cơ.13 iii DANH MỤC BẢNG BIỂU v DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Động cơ từ trở thay đổi.2 Stator và Rotor của SRM.3 Rotor của SRM.4 Nguyên lý hoạt động của 1 cực stator và 1 cực rotor.5 Cấu trúc của SRM loại 8/6 với: a) Vị trí đồng trục. b) Vị trí lệch trục. c) Vị trí mất đồng trục.6 Phân bố từ thông ở a) Vị trí lệch trục b) Vị trí đồng trục.7 Trình tự đóng ngắt nguồn , , , ,.

để tạo ra chuyển động quay theo chiều kim đồng hồ.8 Trình tự đóng ngắt nguồn , , , ,. để tạo ra chuyển động quay ngược chiều kim đồng hồ.9 Mạch tương đương một pha động cơ SRM.10 Mô hình 1 pha của SRM.11 Mô hình 3 pha của động cơ SRM.12 Mô hình SRM trên Simulink. 12 o) của trường Đại học Thủy lợi iv CHƯƠNG 1 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ.1 Cấu tạo, nguyên lí hoạt động và ứng dụng 1.1 Cấu tạo của SRM Động cơ từ trở thay đổi – Switched Reluctance Motor (SRM) bắt đầu được đề xuất từ năm 1842 với nhiều ưu điểm so với các động cơ cùng thời như động cơ không đồng bộ một pha, động cơ không đồng bộ ba pha, động cơ điện đồng bộ pha pha,. Tuy nhiên, vì cấu trúc SRM với các cấu trúc hai cực lồi và tính phi tuyến của đặc tính điện cảm nên xuất hiện các vấn đề về tiếng ồn và đập mạch momen là một rào cản lớn so với các loại động cơ khác khi đưa vào sử dụng thực tiễn.1 Động cơ từ trở thay đổi SRM được cấu tạo bởi 2 phần chính: Stator: Stator của SRM có cấu tạo bởi nhiều cực chứa các cuộn dây tập trung.

1 DANH MỤC BẢNG BIỂU v Rõ ràng: nếu máy điện hoàn toàn không có kích thích và , khi ấy máy điện vẫn có khả năng tạo ra momen và momen đó càng lớn nếu chênh lệch càng lớn. Đây chính là sơ sở vật lý của SRM, là loại máy điện không có hệ thống kích từ một cách rõ ràng.2 Nguyên lý hoạt động Có thể coi SRM là một hệ thống các nam châm diện độc lập, được luân phiên cấp dòng đồng bộ với vị trí của rotor. Nếu xét riêng một cực stator và một cực rotor thì có thể coi SRM là hệ thống các nam châm điện. Khi một lỗi sắt được cuốn xung quanh là cuộn dây có dòng điện chạy qua thì nó trở thành nam châm điện và hút các vật liệu sắt từ khác.

Tương tự ở đây khi cuộn dây quấn quanh một cực của stator có điện thì nó cũng trở thành nam châm điện và hút vật liệu sắt từ là cực rotor gần nhất với nó, làm rotor quay.4 Nguyên lý hoạt động của 1 cực stator và 1 cực rotor Các cặp cực của stator và rotor sẽ được thiết kế ở vị trí tương đối thích hợp để khi được cấp điện vào các cuộn dây thì hệ thống nam châm này sẽ tạo ra lực hút theo cùng một hướng quay, tạo nên momen tổng cho SRM.2 Stator và Rotor của SRM Rotor: Rotor của SRM không chứa các cuộn dây và được chế tạo bằng vật liệu sắt từ có xẻ rằn (teeth) với tổng số răng bao giờ cũng ít hơn tổng số cực của Stator.3 Rotor của SRM Rotor của SRM không cần thành phần kích thích vĩnh cửu, chổi than hay chuyển mạch trong phần Rotor. Các cuộn dây được quấn xung quanh cực Stator một cách tập trung và độc lập với nhau tạo thành các pha và mỗi pha chỉ có hai cực. Phần Rotor không chứa các cuộn dây mà chỉ đơn giản là các lá thép được ghép với nhau thành hình các răng Rotor. SRM là loại động cơ duy nhất có cấu tạo có cực ở cả hai phía Rotor và Stator.

Có thể thay thế rất nhiều hệ truyền động đang được sử dụng như đồng cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc, hay động cơ một chiều.2 Nguyên lý hoạt động của SRM 1.1 Cơ sở vật lý của động cơ từ trở Để hiểu nguyên lý hoạt động của SRM, ta xem xét phương trình momen của động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu như sau: (1.1) Ta thấy momen quay bao gồm 2 thành phần: Thành phần chính do từ thông cực ( nam châm vĩnh cửu) gây nên, thành phần phản kháng do hiệu số gây nên. 2 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.iv DANH MỤC BẢNG BIỂU.v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH CÁC THUẬT NGỮ.vi CHƯƠNG 1 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ.1 Cấu tạo, nguyên lí hoạt động và ứng dụng.1 Cấu tạo của SRM.2 Nguyên lý hoạt động của SRM.3 Ứng dụng của động cơ SRM.2 Mô hình động cơ.1 Mô hình một pha của động cơ SRM.2 Mô hình ba pha của động cơ SRM.3 Mô phỏng mô hình động cơ.13 iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Động cơ từ trở thay đổi.2 Stator và Rotor của SRM.3 Rotor của SRM.4 Nguyên lý hoạt động của 1 cực stator và 1 cực rotor.5 Cấu trúc của SRM loại 8/6 với: a) Vị trí đồng trục. b) Vị trí lệch trục. c) Vị trí mất đồng trục.6 Phân bố từ thông ở a) Vị trí lệch trục b) Vị trí đồng trục.7 Trình tự đóng ngắt nguồn , , , ,.

để tạo ra chuyển động quay theo chiều kim đồng hồ.8 Trình tự đóng ngắt nguồn , , , ,. để tạo ra chuyển động quay ngược chiều kim đồng hồ.9 Mạch tương đương một pha động cơ SRM.10 Mô hình 1 pha của SRM.11 Mô hình 3 pha của động cơ SRM.12 Mô hình SRM trên Simulink. 12 o) của trường Đại học Thủy lợi iv CHƯƠNG 1 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ.1 Cấu tạo, nguyên lí hoạt động và ứng dụng 1.1 Cấu tạo của SRM Động cơ từ trở thay đổi – Switched Reluctance Motor (SRM) bắt đầu được đề xuất từ năm 1842 với nhiều ưu điểm so với các động cơ cùng thời như động cơ không đồng bộ một pha, động cơ không đồng bộ ba pha, động cơ điện đồng bộ pha pha,. Tuy nhiên, vì cấu trúc SRM với các cấu trúc hai cực lồi và tính phi tuyến của đặc tính điện cảm nên xuất hiện các vấn đề về tiếng ồn và đập mạch momen là một rào cản lớn so với các loại động cơ khác khi đưa vào sử dụng thực tiễn.1 Động cơ từ trở thay đổi SRM được cấu tạo bởi 2 phần chính: Stator: Stator của SRM có cấu tạo bởi nhiều cực chứa các cuộn dây tập trung.

1 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH CÁC THUẬT NGỮ SRM Switched Reluctance Motor : Động cơ từ trở thay đổi vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH CÁC THUẬT NGỮ SRM Switched Reluctance Motor : Động cơ từ trở thay đổi vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH CÁC THUẬT NGỮ SRM Switched Reluctance Motor : Động cơ từ trở thay đổi vi CHƯƠNG 1 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ.1 Cấu tạo, nguyên lí hoạt động và ứng dụng 1.1 Cấu tạo của SRM Động cơ từ trở thay đổi – Switched Reluctance Motor (SRM) bắt đầu được đề xuất từ năm 1842 với nhiều ưu điểm so với các động cơ cùng thời như động cơ không đồng bộ một pha, động cơ không đồng bộ ba pha, động cơ điện đồng bộ pha pha,. Tuy nhiên, vì cấu trúc SRM với các cấu trúc hai cực lồi và tính phi tuyến của đặc tính điện cảm nên xuất hiện các vấn đề về tiếng ồn và đập mạch momen là một rào cản lớn so với các loại động cơ khác khi đưa vào sử dụng thực tiễn.1 Động cơ từ trở thay đổi SRM được cấu tạo bởi 2 phần chính: Stator: Stator của SRM có cấu tạo bởi nhiều cực chứa các cuộn dây tập trung. 1 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH CÁC THUẬT NGỮ SRM Switched Reluctance Motor : Động cơ từ trở thay đổi vi DANH MỤC BẢNG BIỂU v Rõ ràng: nếu máy điện hoàn toàn không có kích thích và , khi ấy máy điện vẫn có khả năng tạo ra momen và momen đó càng lớn nếu chênh lệch càng lớn. Đây chính là sơ sở vật lý của SRM, là loại máy điện không có hệ thống kích từ một cách rõ ràng.2 Nguyên lý hoạt động Có thể coi SRM là một hệ thống các nam châm diện độc lập, được luân phiên cấp dòng đồng bộ với vị trí của rotor.

Nếu xét riêng một cực stator và một cực rotor thì có thể coi SRM là hệ thống các nam châm điện. Khi một lỗi sắt được cuốn xung quanh là cuộn dây có dòng điện chạy qua thì nó trở thành nam châm điện và hút các vật liệu sắt từ khác.