ĐIỀU KHIỂN cực đại MOMENT ĐỘNG cơ ĐỒNG bộ NAM CHÂM CHÌM ỨNG DỤNG CHO ô tô điện

Mô hình toán học của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu trên hệ tọa độ d-q Ta có từ các biến đổi đã thực hiện ở 2.1.3 ta có thể biến đổi hệ các đại lượng ba pha xoay chiều abc sang hệ các

Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: “Điều khiển cực đại Momen động

cơ đồng bộ nam châm chìm ứng dụng cho ô tô điện” do em tự thiết kế dưới sự

hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS Tạ Cao Minh Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế

Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Vũng Tàu, ngày 31 tháng 03 năm 2015

Sinh viên thực hiện

Phan Công Thành

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 5

DANH MỤC TRONG BẢNG 7

LỜI NÓI ĐẦU 8

CHƯƠNG 1 10

TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ IPM VÀ ỨNG DỤNG 10

1.1 Khái quát về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu 10

1.1.1 Cấu tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu 10

1.1.2 Phân loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu 10

1.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu 12

1.3 Ưu điểm của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu 12

CHƯƠNG 2 14

MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ IPM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN 14

2.1 Mô hình toán học trong động cơ đồng bộ 14

2.1.1 Mô hình toán học trong tọa độ abc 14

2.1.2 Biểu diễn vector không gian cho các đại lượng ba pha 15

2.1.3 Các phép chuyển đổi hệ tọa độ 17

2.1.4 Mô hình toán học của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu trên hệ tọa độ d-q 21

2.2 Một số phương pháp điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu 24

2.2.1 Điều khiển trực tiếp momen DTC 25

2.2.2 Điều khiển vector tựa từ thông 26

CHƯƠNG 3 29

THUẬT TOÁN CỰC ĐẠI MOMENT CHO ĐỘNG CƠ IPM 29

3.1 Điều khiển cực đại momen với giá trị dòng điện 29

3.1.1 Khái niệm cực đại momen với giá trị dòng điện (MTPA) 29

3.1.2 Các phương pháp thực hiện momen cực đại (MTPA) 30

3.2 Thuật toán điều khiển cực đại momen 35

3.2.1 Các giới hạn làm việc của động cơ 35

3.2.2 Giá trị cực đại momen điện từ của động cơ với dòng điện 37

3.2.3 Giới hạn làm việc của động cơ đồng bộ IPM 39

3.2.4 Thuật toán điều khiển cực đại momen cho động cơ đồng bộ IPM 41

3.3 Cấu trúc điều khiển momen cực đại 43

3.3.1 Bộ nghịch lưu 44

3.3.2 Bộ giới hạn điện áp 44

3.3.4 Bộ điều khiển 45

3.4 Ảnh hưởng của tham số động cơ thay đổi 49

3.4.1 Điện trở thay đổi 50

3.4.2 Điện cảm thay đổi 50

CHƯƠNG 4 52

MÔ HÌNH HÓA VÀ TÍNH TOÁN CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN 52

4.1 Tham số động cơ 52

4.2 Giới hạn làm việc của động cơ 52

4.3 Mô hình hệ thống 54

4.3.1 Bộ nghịch lưu 56

4.3.2 Bộ điều khiển dòng điện 57

4.3.3 Bộ điều khiển tốc độ 58

4.3.4 Giới hạn dòng điện điện áp 59

CHƯƠNG 5 60

MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN VÀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG 60

5.1 Vùng dưới tốc độ cơ bản 60

5.2 Vùng trên tốc độ cơ bản 62

5.3 Ảnh hưởng của tham số động cơ tới chất lượng hệ điều khiển 63

KẾT LUẬN 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

PHỤ LỤC 71

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Kí hiệu

IM Induction Motor Động cơ không đồng bộ

IPMSM Interior Permanent Magnet

DC Direct Current Motor Động cơ điện một chiều

DTC Direct Torque Control Điều khiển trực tiếp momen FOC Field Oriented Control Điều khiển tựa từ thông

MTPA Maximum Torque Per Ampere Cực đại momen với mỗi dòng

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: So sánh cấu trúc của động cơ SPM và IPM 11

Hình 2.1 Sơ đồ động cơ đồng bộ 3 pha 14

Hình 2.2 Vector không gian điện áp stator trong hệ tọa độ αβ 1 6 Hình 2.3 Vector không gian điện áp và các điện áp pha hệ trục αβ 17

Hình 2.4 Hệ tọa độ dq 19

Hình 2.5 Mô hình liên tục của động cơ IPM 24

Hình 2.6 Sơ đồ phương pháp điều khiển DTC 26

Hình 2.7 Sơ đồ khối phương pháp điều khiển FOC với isd= 0 28

Hình 3.1 Đường momen điện từ cực đại theo mỗi giá trị dòng điện stator Is 30

Hình 3.2 Cấu hình điều khiển cửa ra ở [8] 31

Hình 3.3 Thuật toán tìm kiếm đưa ra ở [7] 34

Hình 3.4 Các vùng làm việc của động cơ đồng bộ IPM 39

Hình 3.5 Các vùng chuyển đổi trong thuật toán điều khiển cực đại momen cho động cơ đồng bộ IPM 42

Hình 3.6 Lưu đồ thuật toán điều khiển cực đại momen cho động cơ đồng bộ IPM 43

Hình 3.7 Cấu trúc điều khiển cực đại momen cho động cơ đồng bộ IPM 43

Hình 3.8 Sơ đồ khối bộ điều chỉnh dòng điện bù chéo trực tiếp 46

Hình 3.9 Mô hình toán học động cơ IPM 47

Hình 3.10 Mạch vòng dòng điện isd 48

Hình 3.11 Mạch vòng tốc độ 49

Hình 4.1 Các vùng làm việc của động cơ 52

Hình 4.2 Giới hạn làm việc của động cơ (lý thuyết) 54

Hình 4.3 Sơ đồ hệ truyền động xây dựng trên Simulink 55

Hình 4.4 Bộ nghịch lưu 56

Hình 4.5 Bộ điều chỉnh dòng điện có bù chéo 57

Hình 4.6 Bộ điều chỉnh tốc độ 58

Hình 5.1 Đáp ứng tốc độ động cơ 60

Hình 5.2 Đáp ứng momen của động cơ 60

Hình 5.3 Dòng điện isd, isq của động cơ 61

Hình 5.4 Dòng điện Is của động cơ 61

Hình 5.5 Dòng điện 3 pha a, b, c của động cơ 62

Hình 5.6 Đáp ứng vùng trên tốc độ cơ bản của động cơ 63

Hình 5.7 Điện trở thay đổi theo thời gian 64

Hình 5.8 Đáp ứng của hệ ở dưới tốc độ cơ bản khi điện trở thay đổi 65

Hình 5.9 Đáp ứng của hệ ở trên tốc độ cơ bản khi điện trở thay đổi 66

Hình 5.10 Điện cảm Lq thay đổi theo iq 67

Hình 5.11.Đáp ứng với tải nhẹ khi điện cảm thay đổi 68

Hình 5.12.Đáp ứng với tải nặng khi điện cảm thay đổi 70

DANH MỤC TRONG BẢNG

Bảng 3.1 Thuật toán giới hạn điện áp trên hệ (d, q) bằng phần mềm 45 Bảng 4.1 Bảng thông số động cơ mô phỏng 52

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, động cơ điện được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng, các hệ truyền động trong các máy gia công kim loại, máy đóng gói, ôtô điện,

hệ thống tự động tòa nhà… Trong số các loại động cơ điện, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) có các ưu điểm nổi trội như không cần chổi than, hiệu suất cao, chất lượng điều khiển tốt đã thu được nhiều sự chú ý của các nhà nghiên cứu Sử dụng nam châm vĩnh cửu gắn ở rotor từ đó tiết kiệm được dòng điện để tạo ra từ thông khiến động cơ nam châm vĩnh cửu có kích cỡ nhỏ hơn so với động

cơ không đồng bộ Không chổi than giúp đảm bảo tiết kiệm công sức bảo dưỡng đồng thời cũng giảm tổn thất do mất mát khi tiếp xúc bằng chổi than Các ưu điểm này đã giúp động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu đang dần thay thế cho các động

cơ không đồng bộ và một chiều trước đây hay được sử dụng

Động cơ không đồng bộ nam châm vĩnh cửu lại có thể chia làm hai loại dựa trên cấu tạo rotor: Động cơ nam châm vĩnh cửu chìm (IPM) và động cơ nam châm vĩnh cửu bề mặt (SPM) Động cơ nam châm bề mặt có nam châm được phân bố trên

bề mặt rotor, cấu trúc này không phù hợp đối với các ứng dụng tốc độ cao Mặt khác, động cơ nam châm vĩnh cửu chìm có nam châm được đặt sâu trong trục rotor, cấu trúc này không chỉ bền vững cho các ứng dụng tốc độ cao mà còn giúp động cơ

có được một đặc điểm khác là sự khác biệt giữa điện cảm Ld và Lq Chính sự khác biệt này đã giúp động cơ nam châm vĩnh cửu chìm tạo ra thêm một thành phần momen khác ngoài thành phần momen điện từ tạo ra do từ thông nam châm vĩnh cửu Để tận dụng hết khả năng này của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm, nhiều thuật toán đã được đưa ra để có thể đạt được momen tối ưu với một giá trị dòng điện xác định

Qua quá trình tìm hiểu, cùng với sự hướng dẫn của Thầy Tạ Cao Minh, em

đã tìm hiểu về các thuât toán điều khiển momen cực đại cho động cơ nam châm vĩnh cửu chìm Trong số đó có phương pháp đáng chú ý do tác giả người Nhật Shigeo Morimoto, Masayuki Sanada và Yoji Takeda, đưa ra thuật toán điều khiển momen tối ưu ở vùng tốc độ cơ bản và vùng tốc độ cao Trong đồ án này, em đã

tiến hành xây dựng mô hình và thực hiện mô phỏng kiểm chứng thuật toán của các tác giả trên và rút ra được những kết luận về điều khiển momen cực đại Đồ án được trình bày theo 5 chương:

Chương 1: Tổng quan về động cơ IPM và các ứng dụng

Chương 2: Yêu cầu truyền động trong ô tô điện

Chương 3: Thuật toán cực đại momen

Chương 4: Mô hình hóa hệ thống và tính toán bộ điều khiển

Chương 5: Mô phỏng hoạt động của hệ điều khiển và hệ truyền động

Các công thức tính toán, chương trình mô phỏng được trình bày ở phụ lục

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy giáo hướng dẫn PGS.TS.Tạ Cao Minh, người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đề tài này

Trong quá trình nghiên cứu chắc chắn không thể tránh khỏi những sai sót,

em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô khi đọc quyển đồ án này

Vũng Tàu, ngày 31 tháng 03 năm 2015 Sinh viên thực hiện

Phan Công Thành

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ IPM VÀ ỨNG DỤNG

1.1 Khái quát về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Động cơ đồng bộ nói chung là máy điện xoay chiều có tốc độ quay của rotor bằng tốc độ quay của từ trường Ở chế độ xác lập động cơ điện đồng bộ có tốc độ quay của rotor luôn không đổi khi tải thay đổi, tùy thuộc vào tần số của nguồn và số đôi cực của động cơ Động cơ đồng bộ có phần cảm được đặt ở rotor còn phần ứng

là một hệ dây quấn ba pha đặt ở stator Với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu phần cảm được kích thích bằng những phiến nam châm bố trí trên rotor

1.1.1 Cấu tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Cấu tạo của động cơ không đồng bộ cũng bao gồm rotor và stator:

* Stator của động cơ đồng bộ bao gồm lõi thép và dây quấn stator động cơ Lõi thép stator được chế tạo bằng các lá tôn silic ép chặt vào nhau, có phủ sơn cách điện Dây quấn stator của động cơ nếu như được quấn phân tán hình sin, ta có động

cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu hình sin, còn nếu quấn tập trung thì động cơ sẽ trở thành động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu hình thang, hay còn gọi là động cơ một chiều không chổi than Ở đây ta chỉ nghiên cứu động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu hình sin

* Rotor của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu được chế tạo bằng thép đúc

và gia công thành khối lăng trụ hoặc khối hình trụ Nam châm vĩnh cửu được gắn trên mặt hoặc bên trong của khối Chính sự khác biệt rất này cho ta phân loại được các động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

1.1.2 Phân loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có thể chia ra làm hai loại:

a Cấu trúc cơ SPM

b Cấu trúc cơ IPM Hình 1.1: So sánh cấu trúc của động cơ SPM và IPM

* Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu bề mặt (SPMSM: Surface Permanent

Magnet Synchronous Motor ): Nam châm vĩnh cửu được gắn trên bề mặt rotor, khe

hở không khí lớn Do đó điện cảm đồng bộ ngang trục và dọc trục xấp xỉ bằng nhau (Lsd = Lsq) Mật độ từ thông khe hở không khí phân phối đều, do vậy độ đập mạch momen nhỏ

* Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm (IPMSM: Interior Permanent

Magnet Synchronous Motor) : Nam châm vĩnh cửu được gắn bên trong rotor, vị trí

trục d khác trục q Do đó điện cảm đồng bộ ngang trục và dọc trục khác nhau (Lsd<

Lsq), nên mật độ từ thông khe hở không khí phân phối không đều, độ đập mạch

momen lớn hơn so với động cơ SPMSM

1.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Khi ta đặt vào các cuộn dây stator của động cơ đồng bộ điện áp xoáy chiều 3 pha, dòng điện chạy trong dây quấn stator sẽ sinh ra một từ trường quay với tốc độ :

n = 60. s

C

f

P ( vòng/ phút) Trong đó fs là tần số của mạch stator, PC là số đôi cực của động cơ đồng bộ

Từ trường này sẽ tương tác với từ trường rotor tạo ra momen quay kéo rotor sao cho từ trường do nam châm rotor sinh ra trùng với hướng của nó Do từ trường stator quay với tốc độ n từ trưởng của rotor cũng sẽ bị kéo quay theo với tốc độ n làm rotor cũng quay với tốc độ n (tức là rotor quay đồng bộ với từ trường stator)

1.3 Ưu điểm của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Động cơ đồng bộ nói chung, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu nói riêng được sử dụng rộng rãi trong các hệ truyền động điện công nghiệp vì nó thừa hưởng được những ưu điểm của cả hai loại động cơ một chiều (DC) và động cơ không đồng bộ:

* Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu không có cổ ghóp nên nó gọn nhẹ hơn động cơ một chiều, giá thành đầu tư thấp và nó làm việc tin cậy ít phải bảo dưỡng hơn Động cơ đồng bộ còn khả năng làm việc ở dải tốc độ rất thấp và rất cao, những vùng tốc độ mà truyền động điện một chiều rất khó đạt được

* Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có sự tách biệt giữa phần cảm và phần ứng do sử dụng nam châm tạo từ thông nên nó dễ điều chỉnh tốc độ và momen hơn so với động cơ không đồng bộ

* Vì rotor của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là nam châm vĩnh cửu nên nó có ưu điểm hơn động cơ đồng bộ rotor dây quấn ở chỗ sẽ ít tổn thất đồng ở rotor hơn Với những loại nam châm vĩnh cửu có mật độ năng lượng cao như

Neodymium – Iron – Boron (NdFeB), kích thước động cơ sẽ nhỏ hơn dẫn đến momen quán tính thấp hơn, tạo nhiều ưu điểm trong điều khiển truyền động điện

* Đặc biệt động cơ nam châm vĩnh cửu chìm (IPM) do có sự khác biệt giữa điện cảm 2 trục d, q có khả năng phát huy momen cao, chịu quá tải lớn, tốc độ làm việc cao.Như vậy có thể thấy động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có rất nhiều ưu điểm tuy nhiên do chế tạo khó khăn giá thành của nó khá cao.Trong vài năm gần đây, với sự phát triển của công nghệ chế tạo, giá thành của NdFeB có xu hướng giảm dẫn đến động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu càng được ứng dụng rộng rãi Điều này khiến các nhà nghiên cứu chú tâm hơn đến động cơ đông bộ nam châm vĩnh cửu cụ thể là IPM Với các ưu thế về hiệu suất và kích cỡ động cơ IPM trờ thành sự lựa chọn rất thích hợp trong các ứng dụng cần tiết kiệm năng lượng điển hình là trong xe điện Dải công suất được sử dụng thường là trung bình và thấp và thường nhỏ hơn 100 kW

CHƯƠNG 2

MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ IPM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP

ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN

2.1 Mô hình toán học trong động cơ đồng bộ

2.1.1 Mô hình toán học trong tọa độ abc

Ta có động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu được cấp nguồn bằng cách đặt vào stator động cơ đồng bộ một hệ điện áp xoay chiều ba pha lệch nhau 1200

2 sin( )

2

2 sin( )

3 2

2 sin( )

3 0

Khi đó trên stator cuộn dây xuất hiện hệ dòng điện xoay chiều ba pha:

2 sin( )

2

3 2

Trong đó γ là góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp, I là giá trị hiệu dụng của dòng điện pha

Ta có các phương trình biểu diễn quan hệ giữa điện áp và dòng điện pha stator như sau:

Trong đó, Rs là điện trở cuộn dây stator (do cấu trúc đối xứng nên điện trở từng pha là như nhau)   a, b, c lần lượt là từ thông stator trên các trục pha a, pha

b, pha c của dây quấn stator Hệ phương trình (2.5) là hệ phương trình điện áp và dòng điện cơ bản trong không gian ba pha

Phương trình cơ học của động cơ :

1 s

Trong đó Te là momen điện từ của động cơ

TL là momen cản trên trục động cơ

J là momen quán tính của động cơ

Phương trình điện từ trên hệ tọa độ a, b, c rất phức tạp nên ta sẽ không sử dụng, thay vào đó ta sẽ sử dụng công thức đơn giản hơn sẽ được đưa ra ở phần sau

2.1.2 Biểu diễn vector không gian cho các đại lượng ba pha

Ta định nghĩa hệ tọa độ ảo αβ (trục α là trục thực, β là trục ảo) với trục α trùng với trục a, trục β vuông góc với trục α như hình 2.2 Ta có điện áp ba pha hình sin cấp vào stator động cơ có thể được mô tả dưới dạng vector quay Us (t) quay trên không gian với tốc độ ωs:

Hình 2.2 Vector không gian điện áp stator trong hệ tọa độ αβ Trong đó vector không gian điện áp Us được định nghĩa như sau:

Khi đó ta có ba điện áp pha sẽ là hình chiếu của vector, xuống trục của các cuộn dây tương ứng Tướng tự ta có thể biểu diễn các đại lượng ba pha khác của động cơ dưới dạng vector:

Trong đó u s là vector điện áp stator

i s là vector dòng điện stator

slà vector từ thông stator

2.1.3 Các phép chuyển đổi hệ tọa độ

2.1.3.1 Phép chuyển đổi hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ αβ

Ta có đại lượng điện áp trên hệ tọa độ abc gồm ba trục cách nhau 1200

có thể biểu diễn bằng một vector quay u t s( ) như đã nêu ở trên Ta có vector này lại có thể biểu diễn bằng đại lượng trên hệ trục tọa độ αβ (định nghĩa như ở 2.2) như sau:

Vậy ta có thể biểu diễn các đại lượng usa, usb, usc theo các đại lượng trên hệ tọa độ αβ Ta sẽ tìm mối quan hệ giữa us, us và các giá trị usa, usb, usc thông qua vector u t s( )

Hình 2.3 Vector không gian điện áp và các điện áp pha hệ trục αβ

Từ hình vẽ 2.3 ta thấy:

Rút theo u s,u s ta có:

Theo (2.6) ta có:

Từ đó ta có ma trận chuyển đổi từ abc sang αβ như sau:

Tương tự ta có thể tìm được mối quan hệ theo chiều ngược lại:

Ta có thể sử dụng ma trận chuyển đổi để chuyển đổi qua lại các đại lượng trên hệ abc với các đại lượng tương đương trên hệ αβ Từ đó ta có thể quy đổi các giá trị ba pha như dòng điện, điện áp, từ thông của động cơ về hệ tọa độ vuông góc

αβ

2.1.3.2 Phép chuyển đổi hệ tọa độ αβ sang dq

Ta định nghĩa một hệ trục tọa độ d-q quay với tốc độ góc quay với tốc độ góc

Ta sẽ tìm cách biểu diễn các đại lượng trên hệ tọa độ αβ theo các đại lượng tương ứng trên hệ tọa độ dq (q là trục ảo, d là trục thực) Ta sẽ tìm mối quan hệ giữa ,

s s

u u và các giá trị usd , usq qua vector u t s( )

Hình 2.4 Hệ tọa độ dq

Trong đó Tr là ma trận chuyển đổi từ hệ tọa độ αβ sang dq

Ta có thể dễ dàng tìm được ma trận biến đổi ngược lại từ dq sang αβ:

Vậy ta có thể sử dụng ma trận chuyển đổi để chuyển đổi qua lại các đại lượng trên hệ dq với các đại lượng tương đương trong hệ αβ

2.1.3.3 Phép chuyển đổi hệ tọa độ abc sang dq

Từ 2.1.3.1 và 2.1.3.2 với một vector điện áp u t s( )quay ta có thể dễ dàng sử dụng công thức chuyển đổi từ hệ tọa độ abc ứng với ba tín hiệu xoay chiều về hệ tọa

độ αβ rồi từ đó chuyển về hệ tọa độ dq Ta có quan hệ giữa các đại lượng trên hệ abc và dq:

u u

u u

2.1.4 Mô hình toán học của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu trên hệ tọa độ d-q

Ta có từ các biến đổi đã thực hiện ở 2.1.3 ta có thể biến đổi hệ các đại lượng

ba pha xoay chiều abc sang hệ các đại lượng trong hệ tọa độ dq hoặc αβ tương đương, từ đó xây dựng được mô hình động cơ trên các hệ trục tọa độ khác nhau Trong số ba hệ tọa độ, hệ tọa độ dq có ưu điểm hơn hẳn hai hệ tọa độ còn lại, lý do

là vì hệ trục tọa độ này quay cùng tốc độ với đại lượng vector nên các giá trị dq lúc nào cũng là một chiều không đổi (nếu đại lượng vector quay không đổi) Vì lý do này, việc phân tích mô hình động cơ trên hệ tọa độ dq sẽ đơn giản hơn rất nhiều so với mô hình trên hệ tọa độ abc hay αβ với các đại lượng biến thiên hình sin Trên thực tế, mô hình thu được có ứng dụng nhiều nhất.Nếu góc ban đầu của trục d được đặt trùng với góc ban đầu của từ thông rotor, hay nói cách khác trong quá trình hoạt động trục d luôn trùng với từ thông rotor (còn gọi là tựa từ thông rotor) Ta sẽ đi tìm

mô hình của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu trên hệ trục tọa độ dq tựa từ thông rotor

Ta có mô hình động cơ ở dạng vector:

Lần lượt biểu diễn các giá trị ( ), ( ), s( )

Trong đó u s là vector điện áp stator

i s là vector dòng điện stator

slà vector từ thông stator

I s là vector dòng điện rotor

rlà vector từ thông rotor

Thay vào (2.22) ta thu được:

Vector từ thông stator gồm hai thành phần Thành phần thứ nhất do dòng stator tự cảm trong các cuộn dây của chính nó Thành phần còn lại do r cảm ứng sang

s r L I s s

Ở đây: Ls là điện cảm stator

Trong biểu thức (2.25) vector r là vector từ thông rotor Vì trục d của hệ trục tọa độ trùng với trục của từ thông rotor, thành phần vuông góc (thành phần trục q) của r sẽ bằng không Vậy vector từ thông rotor chỉ có duy nhất thành phần thực

r

 Từ đó ta thu được: r rd  jrq r(với rd=0)

Đối với động cơ IPM nếu đo điện cảm cuộn dây stator ta sẽ thu được hai kết quả khác nhau Lsd (khi đo ở vị trí đỉnh cực, dọc theo trục d) và Lsq (khi đo ở vị trí ngang cực, vị trí khe hở giữa hai nam châm, dọc theo trục q) Trong động cơ IPM thì giá trị Lsd< Lsq

Từ đó ta có phương trình các thành phần từ thông stator :

Thay phương trình (2.26) vào (2.24) ta thu được:

Chuyển (2.27) sang miền Laplace ta được:

Với s: là toán tử Laplace

Phương trình momen tổng quát của động cơ đồng bộ:

Với Pc là số cặp cực của động cơ

Thay (2.26) vào (2.29) ta được

Từ phương trình momen điện từ của động cơ đồng bộ (2.30) ta rút ra nhận xét rằng:

Momen của động cơ đồng bộ bao gồm hai thành phần, thành phần chính là

độ tỷ lệ thuận với tốc độ của rotor Chính điều này làm cho thành phần momen phản kháng (Lsd - Lsq) isd isq là không thể bỏ qua

Ta vẫn có phương trình cơ học của động cơ:

Trong đó:Te: momen điện từ của động cơ

TL: momen cản trên trục động cơ

J: momen quán tính của động cơ

Hệ phương trình (2.27) có thể viết lại dưới dạng phương trình trạng thái với các biến trạng thái là isd và isq sau đây:

Ta xây dựng được mô hình toán học của động cơ đồng bộ trên hệ tọa độ dq

Hình 2.5 Mô hình liên tục của động cơ IPM

2.2 Một số phương pháp điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Trong các hệ truyền động cơ đồng bộ, ta sẽ điều khiển tốc độ của động cơ thông qua điều khiển tần số và điện áp của nguồn cấp bởi bộ nghịch lưu trực tiếp hoặc gián tiếp Động cơ đồng bộ chỉ hoạt động ở tốc độ đồng bộ tức tần số của nguồn ba pha cấp vào Ta có thể phân chia các phương pháp điều khiển động cơ như sau:

* Điều khiển vô hướng:

- Điều khiển U/f

* Điều khiển có hướng:

- Điều khiển tựa từ thông FOC

- Điều khiển trực tiếp momen DTC

Phương pháp U/f là phương pháp cơ bản ta chỉ có thể thay đổi giá trị điện áp

và tần số mà không điều khiển góc của vector điện áp do vậy không thể điều khiển động cơ đạt chất lượng cao Trên thực tế phương pháp này chỉ dùng cho những hệ thống đơn giản không cần chất lượng cao, do vậy sẽ không trình bày ở đây Hai phương pháp thuộc điều khiển có hướng giúp hệ truyền động đạt được chất lượng cao hơn

2.2.1 Điều khiển trực tiếp momen DTC

Phương pháp điều khiển trực tiếp momen điều khiển một cách trực tiếp momen của động cơ thông qua việc đóng mở các van công suất theo quy luật dựa vào trạng thái tức thì của momen và từ thông Nguyên lý của phương pháp điều khiển momen là chọn trực tiếp vector điện áp theo sự khác nhau giữa giá trị đặt và giá trị thực của momen và từ thông rò Sai lệch moment và từ thông được so sánh với một khâu tạo trễ, tạo ra tín hiệu điều khiển bộ phát xung vào van công suất Phương pháp này cho phép đạt được đáp ứng momen của hệ truyền động nhanh hơn gấp hàng chục lần so với phương pháp điều khiển vector tựa từ thông Tuy nhiên, nhấp nhô momen (torque ripple) là một tồn tại làm hạn chế ứng dụng của phương pháp trong nhiều trường hợp Đến nay, nhược điểm này vẫn chưa giải quyết được triệt để Do vậy, bây giờ người ta coi DTC là một phương pháp bổ trợ cho phương pháp điều khiển vector cho các ứng dụng đòi hỏi điều khiển momen nhanh nhưng không quá khắt khe về nhấp nhô momen

Hình 2.6 Sơ đồ phương pháp điều khiển DTC

2.2.2 Điều khiển vector tựa từ thông

Phương pháp điều khiển tựa từ thông FOC gồm:

- Tựa từ thông rotor

- Tựa từ thông stator

Trên thực tế phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor mang lại lợi ích nhiều hơn cả vì vậy ta sẽ chỉ đi sâu vào phương pháp này và khi nhắc đến FOC ta sẽ hiểu là tựa từ thông rotor

Phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor dựa trên việc biểu diễn mô hình của động cơ trên hệ trục tọa độ quay cụ thể là hệ tọa độ quay đặt trùng với từ thông rotor (do vậy gọi là tựa từ thông rotor) Nguyên lý của phương pháp này là xây dựng hệ thống điều khiển truyền động toàn bộ trên hệ tọa độ d-q từ đó có thể dễ dàng điều khiển các đại lượng id, iq lúc này là một chiều Thông qua điều khiển các đại lượng isd, isq ta có thể đạt được giá trị momen và từ thông mong muốn Để thực hiện việc giao tiếp giữa bộ điều khiển trên hệ d-q này ta sẽ thêm vào một bộ chuyển tọa độ làm nhiệm vụ thực hiện ma trận chuyển đổi giữa các tín hiệu trên hệ d-q và

hệ ba pha xoay chiều a-b-c của động cơ

Theo những phân tích ở trên thì động cơ đồng bộ IPM có yêu cầu rất cao về điều chỉnh tốc độ trên cả 3 vùng Phương pháp điều khiển vector tựa từ thông rotor

có thể điều khiển các đại lượng d-q một cách đơn giản từ đó điều khiển tốt hoạt động của động cơ Mặt khác, với sự phát triển của khoa học công nghệ ngày nay, các lĩnh vực điện tử công suất và vi xử lý ngày càng được cải tiến đáp ứng tốt các yêu cầu điều khiển, và tính toán của phương pháp Với những lý do đó, phương pháp FOC được lựa chọn để điều khiển động cơ đồng bộ IPM Cách điều khiển động cơ IPM bằng phương pháp FOC truyền thống đơn giản được thực hiện bằng cách giữ dòng isd =0 ở dưới vùng tốc độ cơ bản và cho isd <0 nhằm giảm từ thông ở vùng tốc độ trên cơ bản

2.2.2.1 Điều khiển ở vùng tốc độ cơ bản i sd =0

Nguyên lý điều khiển FOC dưới vùng tốc độ cơ bản bằng phương pháp truyền thống của động cơ IPM tương đối đơn giản Dòng điện stator sẽ được điều

chỉnh sao cho thành phần isd=0 và isq= Is Với isd=0, khi đó momen điện từ được tính theo công thức:

Phương trình trên chỉ ra rằng momen điện từ tỷ lệ tuyến tính với dòng isqGiá trị điện áp:

Tốc độ cực đại ứng với giá trị Umax:

Đối với phương pháp isd =0 tốc độ này được gọi là tốc độ cơ bản của động

cơ, và như vậy rõ ràng việc điều khiển isd =0 chỉ thực hiện được dưới vùng tốc độ

cơ bản

Hình 2.7 Sơ đồ khối phương pháp điều khiển FOC với isd= 0 Hình 2.7 là sơ đồ khối của phương pháp điều khiển kinh điển isd= 0 Ta cố định dòng sinh từ thông isd= 0, bởi vì từ thông rotor của động cơ đồng bộ IPM là từ thông của nam châm vĩnh cửu Phương pháp này có ưu điểm là dễ điều khiển vì

(2.33)

(2.34)

(2.35)

momen điện từ trong trường hợp này tỷ lệ tuyến tính với dòng isq, khối lượng tính toán ít, đơn giản Tuy nhiên nó có nhược điểm là do giữ cố định dòng isd= 0 đã làm mất khả năng giảm từ thông của động cơ IPM, điều này làm hạn chế giới hạn làm việc của động cơ IPM ở vùng tốc độ cao Ở các chương sau ta sẽ phân tích giữ isd=0 còn không tận dụng hết khả năng của động cơ

2.2.2.2 Điều khiển giảm từ thông với vùng tốc độ cao

Giảm từ thông là một chế độ làm việc đặc thù của động cơ đồng bộ IPM Do giới hạn của bộ biến đổi của động cơ, điện áp và dòng điện đầu vào của động cơ chỉ

có thể đạt được một giá trị nhất định Ta có sức phản điện động lại tỉ lệ với từ thông khe hở của động cơ Khi đạt đến một tốc độ đủ lớn giá trị của sức phản điện động sẽ vượt quá giá trị của điện áp mà Bộ nghịch lưu có thể cung cấp, khiến dòng điện không thể điều khiển được Để khắc phục điều này ta phải giảm giá trị sức phản điện động xuống bằng cách giảm từ thông khe hở Từ thông sẽ được giảm sao cho giá trị của nó tỉ lệ nghịch với tốc độ để đảm bảo giá trị sức phản điện động nằm trong giới hạn cho phép, như vậy giúp đẩy tốc độ làm việc lên được cao hơn Đối với động cơ IPM ta có thể thực hiện điều này bằng cách đưa vào dòng điện isd < 0 tạo ra từ trường ngược hướng với từ trường nam châm Điều này có thể dẫn đến sự khử hoàn toàn từ nam châm nếu dòng isd quá lớn, tuy nhiên với công nghệ hiện tại

đã có thể tạo ra rotor bằng nam châm đất hiếm có thể chịu được dòng isd lớn vì thế đây không còn là vấn đề quá quan trọng

CHƯƠNG 3 THUẬT TOÁN CỰC ĐẠI MOMENT CHO ĐỘNG CƠ IPM

3.1 Điều khiển cực đại momen với giá trị dòng điện

3.1.1 Khái niệm cực đại momen với giá trị dòng điện (MTPA)

Từ mô hình động cơ, ta có giá trị momen điện từ của động cơ IPM là một hàm của các thông số Lsd , Lsq , isd , isq , ψr được xác định như sau:

Ta có thể thấy sẽ có vô số cặp (isd , isq ) đồng thời cùng thỏa mãn để tạo ra một giá trị momen, từ đó đặt ra câu hỏi làm thế nào để chọn được dòng điện (isd ,

isq) phù hợp Đối với động cơ IPM ta thường có giá trị Lsd < Lsq , do đó ta có thể tách riêng giá trị momen thành 2 thành phần: Thành phần thứ nhất là thành phần được tạo ra từ từ thông nam châm vĩnh cửu (reactance torque) và thành phần thứ hai được tạo ra từ sự chênh lệch giữa Lsd và Lsq (reluctance torque)

Do Lsd < Lsq nên nếu ta đưa vào một dòng điện isd có giá trị âm, ta có thể tận dụng thành tạo ra thành phần momen thứ hai có giá trị momen để đưa giá trị momen tổng lên cao hơn so với khi giữ dòng isd=0 Từ đó ta có với mỗi giá trị IS=i sd I ktmax

có thể tìm được một cặp giá trị tại đó momen T đạt cực đại Quỹ tích các điểm này được thể hiện trên hình 3.1

(3.1)

(3.2)

Hình 3.1 Đường momen điện từ cực đại theo mỗi giá trị dòng điện stator Is

Trên hình 3.1 đường Te max là quỹ tích của các điểm (isd,isq) tại đó momen đạt cực đại với giá trị dòng điện is đường này được gọi là MTPA (Maximum Torque Per Ampere)

3.1.2 Các phương pháp thực hiện momen cực đại (MTPA)

Ngày nay, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm IPM có kết cấu nhỏ gọn, làm việc chắc chắn, độ tin cậy cao, giá thành sản xuất ngày càng thấp đã trở thành sự lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu chất lượng cao, tiết kiệm năng lượng Chính vì lý do này, trong những năm gần đây việc điều khiển nâng cao hiệu suất của nó cũng ngày càng được chú trọng nghiên cứu và phát triển.Trong số các hướng nghiên cứu, điều khiển động cơ hoạt động theo đường momen cực đại đối với dòng điện (MTPA) đã thu hút được nhiều sự chú ý của các nhà nghiên cứu Hiện nay, đã có nhiều giải pháp được đưa ra và ứng dụng trên thực tế Căn cứ vào cách hoạt động và cấu hình điều khiển các phương pháp này có thể được phân thành

2 nhóm:

* Nhóm các phương pháp điều khiển thực hiện tính toán trước: là nhóm các phương pháp sử dụng công thức lý thuyết chứng minh từ mô hình toán học hoặc dùng bẳng tra hay đa thức xấp xỉ để đạt được điểm làm việc trên đường momen cực đại MTPA

* Nhóm các phương pháp sử dụng thuật toán tìm kiếm: là nhóm các phương pháp sử dụng một thuật toán tìm kiếm nào đó để xác định điểm làm việc trên đường momen cực đại MTPA trong quá trình làm việc thay vì xác định trước

3.1.2.1 Nhóm phương pháp điểu khiển thực hiện tính toán trước:

Nhóm các phương pháp này hướng tới thực hiện đường MTPA dựa trên việc

sử dụng các công thức có được bằng cách chứng minh từ mô hình động cơ hoặc các bảng tra tính trước, đa thức xấp xỉ Các phương pháp ban đầu được đưa ra sử dụng cách tính đạo hàm giá trị momen theo dòng điện nhằm đạt được phương trình MTPA theo lý thuyết Tác giả Morimoto đã đưa ra thuật toán sử dụng công thức xác định quan hệ giữa isd ,isq nhằm đạt được MTPA ở [8] :

Trong tài liệu tác giả đã có đưa ra một cách khá chi tiết thuật toán và cấu hình điều khiển (Hình 3.2) để thực hiện đường MTPA theo công thức trên Đầu ra của bộ điều khiển tốc độ là isq giá trị đặt isd sẽ được tính theo công thức (3.3) để đạt theo đường momen cực đại

Hình 3.2 Cấu hình điều khiển đưa ra ở [8]

Phương pháp này có ưu điểm là quá trình tính toán đặt thẳng theo quan hệ MTPA, từ đó đảm bảo tốt đạt được điểm làm việc ổn định Tuy nhiên nó vẫn có một

(3.3)

nhược điểm lớn là do tính toán trước hoặc theo công thức nên phụ thuộc nhiều vào việc biết trước các tham số của động cơ, khi các tham số động cơ thay đổi công thức

sẽ không còn đúng với đường MTPA nữa Khi làm việc ở điều kiện nhiệt độ cao, dòng điện lớn do ảnh hưởng của nhiệt độ và hiện tượng bão hòa, các tham số động

cơ sẽ thay đổi làm ảnh hưởng tới chất lượng điều khiển và hiệu suất của hệ thống Tác giả Morimoto sau đó cũng đưa ra khảo sát bằng cách coi Lsd, Lsq là các hàm của dòng điện ở [9], tác giả ở [10] cũng đã đưa ra một công thức khác bằng cách sử dụng phương pháp nhân tử Lagrange trong đó Lsd, Lsqđược coi là hàm của dòng điện Các giải pháp sử dụng công thức tương tự cũng đã được đưa ra nhưng đều có chung một nhược điểm

Một nhược điểm khác của việc tính theo công thức là các phương pháp này đòi hỏi hàm lượng tính toán của bộ xử lý cao do sử dụng các công thức phức tạp Nhiều tác giả đã đưa ra giải pháp là tính toán trước các giá trị này để lưu trữ trong một bảng tra cứu (Look up table) hoặc sử dụng các phép xấp xỉ để đưa về dạng đa thức bậc thấp hơn, từ đó giảm bớt gánh nặng tính toán Tuy nhiên việc xấp xỉ về đa thức bậc thấp chắc chắn sẽ làm giảm tính chính xác của thuật toán Một giải pháp là biến đổi công thức (3.3) ta sẽ sử dụng quan hệ giữa Is và góc δ thay vì quan hệ giữa

isd,isq Ta có thay giá trị isd, isq bằng Is và góc δ, ta có :

Trong đó δ là góc giữa vector dòng điện stator Is và trục d Ta có dải điều kiện đạo hàm:

(3.4)

(3.5)

Công thức trên dù vẫn phức tạp nhưng được cho là có thể xấp xỉ về đa thức

bậc 2 với độ chính xác chấp nhận được theo [7] Một giải pháp nữa là sử dụng máy

đo để xác định đặc tính của đường MTPA, nhưng việc đo đạc khá phức tạp và tốn

kém và không phải lúc nào động cơ cũng làm việc với điều kiện như vậy

Nhìn chung, nhóm phương pháp này còn có hai hạn chế về khối lượng tính

toán và thay đổi của tham số động cơ Vấn đề về tính toán nói chung với khả năng

của vi xử lý hiện đại có thể phần nào giải quyêt được Để xử lý vấn đề về tham số,

các nhà nghiên cứu lại đi theo hai hướng giải quyết: Đưa ra giải pháp ước lượng tham số để đảm bảo tính chính xác của công thức hoặc sử dụng hướng tiếp cận thứ

hai tới MTPA là sử dụng thuật toán tìm kiếm Nhiều phương pháp cũng đã được

đưa ra nhằm thực hiện ước lượng tham số động cơ

3.1.2.2 Nhóm phương pháp dựa trên thuật toán tìm kiếm:

Các phương pháp này xuất hiện sau các phương pháp sử dụng công thức với

mục đích nhằm thực hiện được đường MTPA mà không bị phụ thuộc vào tham số

động cơ Để đạt được điều đó, nhóm các phương pháp này hướng tới thực hiện một

số thuật toán tìm kiếm online nhằm xác định điểm làm việc tối ưu có momen cực

đại với dòng điện nhỏ nhất thay vì sử dụng các công thức hay bảng tra tính trước

Các phương pháp này sẽ thực hiện một thuật toán tìm kiếm online bằng cách thay

đổi tín hiệu điều khiển đo phản hồi từ đó đưa ra quyết định thay đổi tiếp theo, cứ

như vậy cho đến khi tìm được điểm làm việc tối ưu Ưu điểm của cách này là ít phụ

thuộc vào tham số động cơ, có thể sử dụng được cả với các động cơ có tham số

không chính xác hoặc ít thông tin về tham số Một trong những phương pháp tìm

kiếm đơn giản được đưa ra ở [7] Thuật toán đã được tác giả đưa ra theo lưu đồ hình

3.3 Nguyên lý của phương pháp này là đưa ra thuật toán tìm kiếm điểm làm việc

bằng cách thay đổi giá trị góc δ một lượng nhỏ Δδ cho đến khi tìm được điểm làm

việc tối ưu Ở chu kì tìm kiếm thứ k+1, giá trị góc δ sẽ được thay đổi một khoảng

Δδ Bộ tìm kiếm sau đó sẽ chờ giá trị is ổn định mới do bộ điều khiển tốc độ đưa ra,

sau đó so sánh nó với giá trị is cũ ứng với góc δ ở chu kì k trước đó Dựa vào kết

quả so sánh bộ tìm kiếm sẽ đưa ra quyết định tiếp theo, nếu giá trị is này nhỏ hơn

giá trị is cũ nghĩa là ta đã thay đổi theo đúng hướng và tiếp tục thêm Δδ ở chu kì sau, nếu giá trị này lớn hơn giá trị cũ thì ta đã thay đổi is theo sai hướng và phải thay đổi theo hướng ngược lại vì các tín hiệu chỉ thay đổi một khoảng nhỏ nên giá trị is

mới sẽ ổn định nhanh, sau một khoảng thời gian thuật toán sẽ tìm được điểm làm việc thích hợp gần với điểm làm việc tối ưu Độ chính xác của thuật toán sẽ phụ thuộc vào độ thay đổi góc Δδ và độ chính xác của tín hiệu đo về Tuy nhiên, ta có thể thấy nếu trong quá trình tìm kiếm có biến đổi về tải hoặc giá trị đặt giá trị is sẽ thay đổi không theo chúng ta mong muốn và có thể làm quá trình tìm kiếm thất bại

Để xử lý vấn đề này, tác giả đã đưa ra giải pháp là dùng thuật toán tìm kiếm trong khi có thay đổi về tải hoặc giá trị đặt tốc độ nhưng dù vậy giải pháp này chỉ có thể

sử dụng được trong trường hợp tải và giá trị đặt ít thay đổi

Hình 3.3 Thuật toán tìm kiếm đưa ra ở [7]

Nhược điểm chung của họ phương pháp này là sẽ mất một khoảng thời gian

để thuật toán có thể đạt được điểm làm việc mong muốn, trong một số trường hợp

thuật toán tìm kiếm có thể thật bại trong việc đạt được trang thái mong muốn gây mất ổn định hệ thống

Sau khi phân tích các phương pháp đã được đưa ra, phương pháp của Morimoto đưa ra ở [8] tuy không mới nhưng có khá nhiều ưu điểm Phương pháp này có thể kết hợp với thuật toán giảm từ thông để đạt được dải tốc độ rộng hơn, trong thuật toán ở [8] tác giả cũng đã thực hiện cả các tối ưu khi làm việc ở vùng tốc

độ cao Ta có thể cải thiện thêm chất lượng của hệ bằng cách kết hợp thêm các phương pháp ước lượng tham số online Vấn đề về tính toán có thể được cải thiện bằng cách sử dụng các vi xử lý tính toán hiện đại Phần sau ta sẽ đi tìm hiểu chi tiết thuật toán điều khiển theo MTPA này

3.2 Thuật toán điều khiển cực đại momen

Trong một hệ thống truyền động điện, ta có các giá trị dòng điện tối đa và giá trị điện áp tối đa mà hệ thống có thể làm việc ổn định (trong giới hạn cho phép của động cơ và khả năng của Bộ nghịch lưu) Các giá trị này sẽ giới hạn khả năng tạo momen và vùng tốc độ làm việc của hệ truyền động Thuật toán điều khiển cực đại momen được xây dựng trên cơ sở nhằm tối ưu giá trị momen đạt được trong giới hạn về dòng điện và điện áp Trước tiên ta sẽ xem xét các giới hạn làm việc của động cơ và điều kiện để đạt được momen đầu ra tối ưu cho động cơ IPM, từ đó sẽ phân tích thuật toán điều khiển

3.2.1 Các giới hạn làm việc của động cơ

3.2.1.1 Giới hạn dòng điện của động cơ

Ta có giá trị dòng điện cực đại là giá trị dòng điện lớn nhất mà động cơ và các thiết bị trong hệ thống còn hoạt động được mà không bị hư hại hoặc dòng điện tối

đa mà nguồn cấp có thể đáp ứng được Gọi giá trị này là Iam , ta có giá trị module của vector dòng điện không thể vượt quá giá trị này:

Đối với động cơ IPM do rotor được chế tạo từ nam châm vĩnh cửu, ta có thêm một giới hạn nữa cho dòng điện là Iktmax Nếu ta đưa vào giá trị isd âm vượt quá giới

(3.6)

hạn này, từ trường của nam châm sẽ bị khử và không thể tăng trở lại như ban đầu ảnh hưởng nghiêm trọng đến hoạt động của động cơ Ta có thêm điều kiện:

i sd I ktmax (3.7)

Do sự phát triển của công nghệ chế tạo rotor, giới hạn này đã được cải thiện rất nhiều, ta có thể tạm thời bỏ qua nó nếu không hoạt động ở vùng tốc độ rất cao Động cơ sẽ hoạt động ổn định nếu giá trị dòng điện isd,isq thỏa mãn điều kiện (3.6)

ở trên

3.2.1.2 Giới hạn điện áp của động cơ

Tương tự như đối với dòng điện, ta có giá trị điện áp cực đại là giá trị mà động

cơ và các thiết bị trong hệ thống còn hoạt động được mà không bị hư hại hoặc giá trị tối đa mà Bộ nghịch lưu có thể cung cấp được Gọi giá trị này là Umax, ta có giá trị module của vector điện áp không thể vượt quá giá trị này:

Ta có theo phương trình điện của động cơ:

Thay vào điều kiện điện áp trên, ta thu được điều kiện điện áp theo dòng điện

isd, isq ở chế độ xác lập:

Ta thấy giới hạn này phụ thuộc vào tốc độ làm việc của động cơ Tốc độ động cơ cao sẽ làm tăng giá trị sức phản điện động E, sức phản điện động quá cao ảnh hưởng tới giá trị dòng điện, thậm chí gây quá giới hạn điện áp Đây chính là lý

do khiến ta phải giảm từ thông ở vùng làm việc tốc độ cao

(3.10)

(3.11)

Ta thấy phương trình giới hạn điện áp ở trên khá phức tạp không thích hợp cho phân tích, để đơn giản hóa cho quá trình phân tích và xây dựng thuật toán, ta sử dụng điều kiện sau thay cho (3.11):

Ta có tâm các Elip giới hạn điện áp xác định bởi:

r sd

e L





3.2.2 Giá trị cực đại momen điện từ của động cơ với dòng điện

Ta có theo mô hình động cơ Momen điện từ của động IPM được tính theo công thức:

e c r sq sd sq sd sq

3

T P [ i (L L ).i i ] 2

Như đã phân tích ở trên với mỗi giá trị 2 2

s sd sq

I  i i ta có thể tìm được một cặp giá trị (isd, isq) để momen điện từ T đạt cực đại Ta có thể tìm được tập hợp các điểm này bằng cách khảo sát coi T là hàm của dòng điện isd, isq

(3.12)

Công thức (3.18) thể hiện quan hệ isd với dòng điện stator IS sao cho Te đạt max

3.2.3 Giới hạn làm việc của động cơ đồng bộ IPM

Để xét được dải làm việc của động cơ ta thể hiện các điều kiện giới hạn và tối ưu trên trong cùng một mặt phẳng tọa độ isd và isq :

Hình 3.4 Các vùng làm việc của động cơ đồng bộ IPM Trong hình 3.4, ta biểu diện các đường momen cực đại MTPA, đường tròn giới hạn dòng điện, đường elip giới hạn điện áp và đường tối đa công suất tối đa trên giới hạn điện áp Đường công suất tối đa trên giới hạn điện áp là một đường tối

ưu, do nằm ngoài nội dung của đồ án nên ta sẽ không tìm hiểu chi tiết Đường tối đa công suất tối đa với giới hạn điện áp đi qua tâm Elip có phương trình là:

Ta gọi điểm A( idA , iqA ) là điểm cắt giữa đường momen cực đại và đường tròn giới hạn dòng điện Iam Đường công suất tối đa trên giới hạn điện áp cắt đường tròn giới hạn dòng điện tại điểm A1 và trục d tại A2 đồng thời là tâm của elip giới hạn điện áp, ta gọi 2 là tốc độ ứng với đường elip đi qua điểm A1 Gọi tốc độ ứng với đường Elip đi qua điểm A là tốc độ cơ bản:

thống giữ isd =0 Ta sử dụng các giá trị tốc độ trên để chia các vùng tốc độ làm việc với các đặc điểm riêng biệt:

* Vùng I  1: lúc này elip điện áp vẫn còn lớn đủ để bao điểm A Do A

là giao của đường tròn điện áp và đường momen cực đại MTPA ta có thể thấy giá trị momen cực đại mà động cơ có thể sinh ra ở vùng tốc độ này sẽ đạt được tại điểm

A Vậy ở vùng tốc độ này giá trị momen có thể đạt giá trị tối đa tại điểm làm việc

A Lúc đó ta có:I S  I am,U U am.

* Vùng II1  2:lúc này giá trị tốc độ đã đủ lớn khiến elip giới hạn

co hẹp khiến động cơ không còn có thể họat động tại điểm A được nữa Lúc này giá trị momen lớn nhất mà động cơ có thể sinh ra được có thể đạt được khi làm việc tại giao của đường giới hạn điện áp và dòng điện (điểm gần điểm cực đại nhất), các điểm này di chuyển trên cung A-A1 dọc theo đường tròn giới hạn dòng điện ứng với các giá trị tốc độ Tại các điểm này ta có: I S I am,U U am

* Vùng III2: lúc này tốc độ đã đạt rất lớn, giá trị momen đạt được lớn nhất tại các điểm nằm trên đường công suất tối đa trên giới hạn điện áp Lúc này có :I S  I am,U U amTuy nhiên vùng này không phải lúc nào cũng tồn tại, đường công suất trên giới hạn điện áp sẽ đi qua tâm của elip giới hạn điện áp, nếu tâm của elip không nằm trong giới hạn dòng điện ta sẽ không thể làm việc trên đường này và không đạt được tốc độ cao do lại gần tâm elip giới hạn điện áp Ta có điều kiện để tồn tại vùng này:

Tâm Elip được xác định bởi công thức (3.14): r

sd

e L

I L

(3.20)

Nếu biết các tham số động cơ ta có thể xác định các giá trị dòng điện isd và

isq, giá trịbase của đường Elip đi qua tại điểm A và các giá trị dòng điện tốc độ tại điểm A1, A2 Từ đó có thể xác định được giới hạn làm việc của động cơ