CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Lịch sử phát triển SRM SRM đã có quá trình hình thành và phát triển lâu dài, có thể tóm tắt như sau: Năm 1838 Davidson người Scotland đã phát minh ra SRM đầu tiên. Năm 1842, hai nhà khoa học là Aberdeen và Davidson đã tạo ra mẫu đầu tiên của SRM. Quá trình khảo sát, tính toán đã cho thấy trong điều kiện phát triển công nghệ vật liệu đây là loại động cơ điện có thể được chế tạo với chi phí không cao. Tuy nhiên vào thời gian đó các thiết bị điện tử, điều khiển chưa phát triển nên loại động cơ này ít được chú ý.
Vì vậy loại động cơ này gần như đã bị mọi người lãng quên trong một quãng thời gian mấy chục năm kể từ khi nó ra đời. Những thập niên 50 và 60 của thế kỷ XX, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị điện tử công suất đã khiến các nhà nghiên cứu tiếp tục quan tâm chú ý đến SRM. Nasar đã đăng bài báo mô tả nhiều đặc tính của SRM, trong đó tác giả đã làm rõ các đặc tính về chuyển mạch (tính đóng ngắt) và đặc tính từ trở của động cơ [4]. Sau năm 1970, cùng với sự phát triển của kỹ thuật điện - điện tử, ở Mỹ có nhiều nhà máy bắt đầu nghiên cứu ứng dụng SRM lắp trên ô tô.
Năm 1983, Công ty TASC Drives là công ty đầu tiên trên thế giới đưa ra thị trường dòng sản phẩm SRD-OULTON, và bắt đầu thương mại hóa hệ thống điều khiển SRM, sau đó công ty này còn lần lượt đưa ra 4 dòng sản phẩm có công suất và quy cách khác nhau [4]. Ngày nay SRM là một trong những đối tượng được nghiên cứu ở các viện, trường đại học ở khắp nơi trên thế giới. SRM với ưu điểm là kết cấu đơn giản, giá thành chế tạo thấp, độ tin cậy cao. nên nó đã trở thành điểm nóng trong nghiên cứu ứng dụng.
Tuy nhiên, do tính phức tạp của hệ thống điều khiển động cơ từ trở đã hạn chế sự phát triển của loại động cơ này. Hiện nay, với sự phát triển nhanh chóng về tính năng điều khiển của các linh kiện điện tử, việc điều khiển SRM trở nên thuận lợi hơn, từ đó phát huy được các ưu điểm vượt trội của SRM. Những năm gần đây, trên thế giới có nhiều các công trình nghiên cứu về SRM, nhiều nghiên cứu tập trung vào giải quyết vấn đề tiếng ồn động cơ, giảm độ nhấp nhô mômen động cơ, về điều khiển không cảm biến vị trí,. Động cơ từ trở gồm có hai loại chính: Động cơ từ trở đồng bộ (Synchronous Reluctance Motor- SyRM) và động cơ từ trở chuyển mạch (Switch Reluctance Motor - SRM).
Động cơ từ trở chuyển mạch thường được gọi là động cơ từ trở (SRM) [1]. Trong luận án tác giả tập trung nghiên cứu loại SRM. Tại Việt Nam hiện nay SRM chưa được nghiên cứu rộng rãi và chưa có tài liệu nào hướng dẫn thiết kế tính toán chi tiết về động cơ từ trở. SRM chưa được đưa vào sản xuất chế tạo do chưa có những nghiên nghiên cứu đầy đủ về tính toán thiết kế SRM.2 Ưu điểm Theo [1][4] so với các loại động cơ xoay chiều, động cơ một chiều truyền thống, động cơ từ trở có những ưu điểm nổi bật sau: 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Cấu tạo đơn giản, chi phí chế tạo thấp.
- Mômen khởi động lớn. - Dễ làm mát, do tổn thất xuất hiện chủ yếu ở phía stator, rotor có kết cấu cực lồi có vai trò như quạt làm mát. - Khả năng gia tốc của SRM lớn, quán tính rotor nhỏ do rotor không có dây quấn hay nam châm. - SRM hoạt động trên cả 4 góc phần tư.
- SRM chịu quá tải ngắn hạn tốt và có thể duy trì được hoạt động khi có sự cố mất pha.3 Nhược điểm Bên cạnh những ưu điểm trên, SRM còn có nhược điểm lớn cần khắc phục như là: - Độ nhấp nhô mômen lớn - Độ rung, tiếng ồn lớn.4 Ứng dụng của SRM SRM ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, ô tô điện, các thiết bị gia dụng, thiết bị y tế…[1][4][5][6]. Khi khảo sát ứng dụng của động cơ từ trở, người ta thường chia động cơ theo công suất và tốc độ truyền động[1][4]. - SRM được ứng dụng trong truyền động công suất thấp như: + Máy vẽ tọa độ: Công ty Hewlett-Packard đã phát triển và sử dụng SRM ba pha 8/6 như một loại động cơ servo trong vẽ tọa độ với mômen đạt 0,1275 Nm ở 4000 vòng/phút và công suất 53W. + Động cơ cho máy xử lý không khí: máy xử lý không khí 0,375 kW do A.Smith chế tạo đã sử dụng SRM.
+ Truyền động động cơ xe nâng: Động cơ từ trở với công suất 1,8 kW, tốc độ 1500 vòng/phút đã được một công ty của Pháp chế tạo và sử dụng. + Máy giặt - SRM được ứng dụng trong truyền động công suất trung bình (nhỏ hơn 300 kW) như: + Động cơ cho công nghiệp: Động cơ truyền động đã được sản xuất cho các ứng dụng công nghiệp với công suất lên tới 105 kW. + Động cơ truyền động khai thác mỏ: Công ty British Jeirey đã đưa ra loại động cơ 150 ÷ 300 kW và đạt tốc độ 1500 vòng/phút. Đây là loại động cơ 3 pha, 12/8 chạy trên cả 4 góc phần tư.
- SRM được ứng dụng trong truyền động công suất cao: Đã có nhiều SRM được sản xuất đạt tới 750 kW cho các ứng dụng về quạt và bơm. Tuy nhiên ở lĩnh vực này, các 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com bộ biến đổi cho SRM đã gặp khó khăn trong việc chế tạo và giá thành cao. Do đó, chúng khó có thể cạnh tranh được với các loại động cơ xoay chiều và một chiều. - SRM được ứng dụng trong truyền động tốc độ cao: Bên cạnh lợi thế khi rotor của SRM không có nam châm hay vòng dây quấn trên rotor, động cơ còn có cấu tạo chắc chắn và tỷ trọng năng lượng cao.
Do đó, chúng được ứng dụng rất nhiều trong các ứng dụng tốc độ cao, bao gồm: + Truyền động cho máy điều hòa không khí ở trên tàu: Normalair Garret đã sản xuất loại SRM ba pha loại 6/4 có công suất 40 kW đạt tốc độ 30000 vòng/phút. + Truyền động trong máy li tâm: Công ty Beckman Instruments đã đưa ra thị trường hệ thống truyền động máy li tâm sử dụng SRM tốc độ cao. Đây là động cơ 3 pha, cặp cực 6/4 với công suất 2,5 kW và đạt tốc độ lên tới 30000 vòng/phút. + SRM được ứng dụng trong các lĩnh vực đặc biệt: trong một số lĩnh vực đòi hỏi động cơ kích thước nhỏ nhưng công suất lớn: SRM được ưu tiên sử dụng hơn các loại động cơ khác, do SRM có cấu tạo đơn giản, giá thành thấp và có tỷ số công suất trên khối lượng cao.
Động cơ từ trở được ứng dụng trong các dụng cụ cầm tay, quạt máy, bơm, động cơ cho máy làm lạnh. Ngoài ra SRM còn được ứng dụng trong công nghệ chế tạo ô tô như hệ thống trợ lái, trục vận chuyển… những ứng dụng mà vấn đề về mômen đập mạch lớn không gây ảnh hưởng nghiêm trọng. Ứng dụng dưới nước: Hệ thống truyền động sử dụng SRM cũng được nghiên cứu và áp dụng cho các ứng dụng lực đẩy dưới nước. Do có ưu điểm là độ tin cậy cao, nên SRM cũng được chú ý nghiên cứu cho các truyền động của tàu ngầm.5 Các nghiên cứu trong nước và thế giới về SRM SRM có nhiều ưu điểm nổi bật nhưng do cấu trúc, nguyên lý làm việc, SRM có độ rung ồn và độ nhấp nhô mômen lớn, ảnh hưởng lớn đến hoạt động ổn định của hệ thống truyền động và phạm vi ứng dụng của động cơ.
Tuy nhiên chi phí chế tạo SRM thấp, hiệu năng cao so với một số loại động cơ khác. Do vậy hiện nay có nhiều các nhà nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng đã và đang quan tâm sâu sắc đến loại động cơ này.1 Các nghiên cứu trong nước Ngày nay SRM là khái niệm còn khá mới mẻ ở Việt Nam, các nghiên cứu về động cơ từ trở SRM còn hạn chế. Các nghiên cứu đã công bố chủ yếu tập trung vào tối ưu phương pháp điều khiển để giảm thiểu nhấp nhô mômen động cơ. Có thể tóm tắt một số nghiên cứu như sau: Tài liệu [7] (2009), Tạ Cao Minh và cộng sự nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng và điều khiển SRM 6/4, 60 kW, tốc độ 3000 vòng/phút.
Tác giả đề xuất phương pháp điều khiển SRM ở tốc độ cao nhằm giảm thiểu nhấp nhô mômen cho động cơ. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tài liệu [8] (2011), tác giả Tạ Cao Minh và cộng sự tiếp tục có những nghiên cứu sâu hơn về phương pháp điều khiển SRM tốc độ cao với đặc tính điện cảm phi tuyến để giảm sự nhấp nhô mômen. Nhóm tác giả đã nghiên cứu đề xuất phương pháp điều khiển trực tiếp mômen TDF. Tài liệu [9] (2012), tác giả Bùi Minh Định và cộng sự đã nghiên cứu tính toán tổn hao lõi thép của SRM 30 kW- 6/4 ở tốc độ cao và đưa ra phương pháp tối đa hóa mômen khởi động thông qua các phương án gia tốc cho động cơ.
Tài liệu [10] (2013), tác giả Bùi Minh Định và cộng sự nghiên cứu tối đa hóa mômen cho động cơ từ trở tốc độ cao vừa làm việc ở chế độ động cơ vừa làm việc chế độ máy phát SR S/G 30kW, 50000 vòng/phút. Tài liệu [11] (2014), tác giả Bùi Minh Định đã nghiên cứu tối đa hóa mômen động cơ/ máy phát từ trở tốc độ cao bằng phương pháp tính toán tối ưu hóa góc đóng, góc mở dòng điện. Tài liệu [12] (2014), tác giả Lê Quốc Dũng nghiên cứu phương pháp điều khiển SRM tốc độ thấp nhằm cực tiểu hóa độ nhấp nhô mômen, thực hiện bằng cách cho hai pha đồng dẫn và cùng sinh mômen trong vùng được xác định trước. Tài liệu [13] (2015), tác giả Bùi Minh Định nghiên cứu tính toán mô phỏng độ ồn và phân tích cộng hưởng tiếng ồn ở các tốc độ làm việc khác nhau của động cơ để từ đó đưa ra kết cấu stator phù hợp nhằm giảm thiểu tiếng ồn cho động cơ.
Tài liệu [14] (2017), nhóm tác giả Đỗ Thanh Tùng, Bùi Minh Định và cộng sự đã nghiên cứu thiết kế chế tạo SRM ứng dụng cho máy bơm. Nhóm tác giả nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thành công SRM 5,5kW ứng dụng cho máy bơm ba pha 4 cực.