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

TSKH. Nguyễn Phùng Quang
Bộ môn Điều khiển tự động - Phòng thí nghiệm trọng điểm về Tự động hóa
Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội
e-mail:

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, SRMs 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 SRMs
.

Tóm tắt

Động cơ từ kháng (ĐCTK) là loại động cơ có thể đợc chế tạo với giá thành đặc biệt thuận lợi. ĐCTK có
một số u điểm nổi bật nh: Tổn thất xuất hiện chủ yếu ở phía stator và do đó rất dễ làm mát, quán tính rotor
bé nên có kết cấu bền vững và phù hợp cho tốc độ quay cao, mômen khởi động lớn, chịu quá tải ngắn hạn rất
tốt. Chính vì vậy, ĐCTK đang đợc sử dụng ngày càng nhiều trong các hệ thống mechatronics.

Tốc độ quay, tốc độ quay đồng bộ
p
c
Số đôi cực
R Điện trở cuộn dây pha của ĐCTK
u Điện áp cuộn dây pha của ĐCTK
u
DC
, u
trans
, u
diode
Điện áp mạch một chiều, điện áp sụt trên Transistor, trên Diode
U
s
,
U
p
Vector điện áp stator, vector điện áp kích thích của ĐCĐB
X
d
, X
q
Cảm kháng đồng bộ của ĐCĐB đo dọc, ngang trục từ thông cực
z Số răng của rotor
Từ thông cuộn dây pha của ĐCTK

p
Từ thông cực (kích thích vĩnh cửu)
Góc lệch trục (hình 3)

giảng dậy tại nớc ta.
2. Nguyên lý hoạt động của SRM
a) Nguyên lý

Để minh họa nguyên lý hoạt động của SRM ta có thể theo dõi công thức tính mômen
quay sau đây của động cơ đồng bộ (ĐCĐB) kích thích ngoài, còn gọi là ĐCĐB cực lồi:
()
3
11
sin sin 2
22
p
ss
M
sd q d
U
UU
m
nX X X




=+







nX X



=



(3)

ĐCĐB cực tròn:
()
3
2
M csdsq sd sq
mpiiLL=
(4)
Hai công thức (3) và (4) nói rằng: Chỉ nhờ sự khác nhau về điện cảm stator (về cảm
kháng) đo tại các vị trí khác nhau trên bề mặt rotor, ĐCĐB vẫn tạo nên mômen quay mà
không hề cần đến kích từ và ta có thể tải động cơ nhờ mômen đó. Hiệu ứng trên từ lâu đã
đợc tận dụng để chế tạo nên loại ĐCTK (Reluctance Motor) nuôi bởi điện áp xoay chiều
một hoặc ba pha.
Tuy nhiên, thay vì tạo từ trờng quay phía stator nhờ điện xoay chiều, ta có thể tạo bằng
cách lần lợt cấp điện áp (hay dòng) một chiều cho các cuộn dây stator. Tức là: Lần lợt
đóng ngắt các cuộn stator vào nguồn một chiều. Từ đó xuất hiện khái niệm
Switched

Reluctance Motor (ĐCTK kiểu đóng ngắt) là đối tợng của bài viết này. Từ đây về sau,
khái niệm ĐCTK cũng duy nhất chỉ vào loại có đóng ngắt.


đồng trục

của rotor và cực stator
activeMômen quay của ĐCTK có đờng phân
bố trên bề mặt rotor lặp lại theo chu kỳ của răng. Trong mỗi chu kỳ đều có hai vị trí: vị trí
đồng trục (cực có cuộn dây mang dòng - gọi là cực active - và răng đồng trục với nhau) và
vị trí lệch trục
(cực
active
ở vị trí giữa 2 răng). Hình 2 minh họa vị trí đồng trục của loại
động cơ 8/6. ở vị trí lệch trục, răng gần nhất với cực active sẽ chuyển động về phía cực
active để đạt đợc trạng thái đồng trục.
Giả sử trong hình 2, cực active tiếp theo sẽ là cực lân cận phía bên phải của cực active
hiện tại, khi ấy rotor sẽ quay trái một góc là ẳ răng. Nghĩa là: Rotor luôn quay ngợc với
chiều của trờng quay tạo nên từ phía stator. Gọi m là số pha của stator, 2p
c
là số cực của
một pha, từ trờng stator sẽ quay sau mỗi xung một góc là:
0
360
2
s
c
p m

=
(5)

Hình 3 Mômen quay của 1 pha phụ thuộc
góc lệch giữa cực và răngMômen quay đợc tính phụ thuộc
dòng chẩy qua cuộn dây pha i và vị trí
rotor nh sau:
()
( )
2
,
1
,
2
M
dL i
mii
d



=
(9)
Khi dòng
i
và tốc độ quay
n

này, NL đợc gọi là NL 2m (hình 5). Do khá tốn kém linh kiện rời rạc, sơ đồ NL 2m
thờng chỉ đợc sử dụng cho ĐCTK
có công suất 100W. Hình 5 Sơ đồ nghịch lu 2mSơ đồ ít tốn kém nhất là sơ đồ chỉ
sử dụng 1 van PWM chung cho tất
cả các pha (hình 6), còn gọi là NL (m+1). Lợi thế của sơ đồ là chỉ cần một cảm biến là có
thể đo dòng của tất cả các pha. Nhợc điểm cơ bản của sơ đồ (m+1) là: khi chuyển mạch
sang pha mới, cuộn dây pha trớc đó sẽ bị nối ngắn mạch và hiệu quả hoàn nguyên từ năng
về nguồn kém, dòng chậm tắt về không. Thậm chí, ở chế độ máy phát (ví dụ: khi hãm) có
thể xuất hiện tự kích. Nhợc điểm đó buộc ta phải giảm hệ số điều chế, và do đó giảm hiệu suất tận dụng NL. ở dải tốc độ lớn, có
nguy cơ không thể làm nhụt triệt để từ
thông của cực chứa cuộn dây pha tích
cực. Hình 6 Sơ đồ nghịch lu (m+1)Giải pháp dung hòa tốt sẽ là sơ đồ NL (m+2) cho loại ĐCTK 8/6 (hình 7). Sơ đồ cho
phép sử dụng tối đa hệ số điều chế.

Hình 7 Sơ đồ nghịch lu (m+2)


=+
(10)
để đơn giản, ta hãy bỏ qua điện trở R và viết:
()
( )
dL
di
uL i
dt d



=+
(11)
Trong (11), điện cảm L là một tham số phụ thuộc vị trí của rotor. Để tính công suất ta
hãy nhân hai vế của (11) với dòng i:
2
di dL
ui Li i
dt d


=+
(12)
hoặc:
22
11
22
ddL