Điều khiển giảm từ thông động cơ đồng bộ nam châm chìm( IPM) ứng dụng cho

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 xoay chiều ba pha, dòng điện chạy trong dây quấn stator sẽ sin

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của tôi, có sự hỗ trợ từ giáo viên hướng dẫn là PGS.TS Tạ Cao Minh

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng, cũng như kết quả luận văn của mình

Hà Nội, ngày tháng năm 2014

Tác giả

Phan Đúng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM CHÌM (INTERIOR PERMANENT MAGNET MOTOR) 11

1.1 Tổng quan về động cơ đồng bộ 11

1.1.1 Khái niệm chung về động cơ đồng bộ 11

1.1.2 Phân loại động cơ đồng bộ 11

1.1.3 Cấu tạo động cơ đồng bộ 11

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

1.1.5 Các dạng cấu trúc rotor nam châm vĩnh cửu của động cơ đồng bộ 12

1.1.6 Ứng dụng của động cơ đồng bộ 14

1.2 Động cơ đồng bộ nam châm chìm 14

1.2.1 Cấu tạo 14

1.2.2 Đặc điểm của động cơ đồng bộ nam châm chìm 17

1.2.3 Ưu điểm, khả năng ứng dụng của động cơ đồng bộ nam châm chìm 19

1.3 Xây dựng mô hình toán học cho động cơ đồng bộ nam châm chìm 19

1.3.1 Mô hình trong hệ toạ độ a-b-c 19

1.3.2 Mô hình trong hệ toạ độ d-q 22

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ ÔTÔ ĐIỆN 25

2.1 Lịch sử phát triển của ôtô điện 25

2.1.1 Thời kỳ đầu từ năm 1832 đến năm 1935 25

2.1.2 Vào những năm 1960-1990 26

2.1.3 Sự phát triển ô tô điện từ những năm 1990 đến nay 27

2.2 Các loại động cơ sử dụng cho ô tô điện 27

2.2.1 Ưu và nhược điểm của động cơ điện so với động cơ xăng khi sử dụng cho ôtô 28

2.2.2 Các yêu cầu về động cơ sử dụng cho ô tô điện 29

CHƯƠNG 3 THUẬT TOÁN GIẢM TỪ THÔNG 31

3.1 Các giới hạn làm việc của động cơ 31

3.2 Thuật toán điều khiển vùng dưới tốc độ cơ bản 34

3.3 Thuật toán điều khiển giảm từ thông vùng trên tốc độ cơ bản (trên dải tốc độ danh định) 37

3.4 Thuật toán điều khiển ở vùng tốc độ rất cao 40

CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH HOÁ VÀ TÍNH TOÁN CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN 43

4.1 Cấu trúc hệ truyền động động cơ đồng bộ nam châm chìm 43

4.2 Các bộ điều khiển 44

4.2.1 Bộ điều khiển tốc độ 44

4.2.2 Bộ tính toán dòng i* sd theo thuật toán giảm từ thông 44

4.2.3 Bộ điều khiển dòng điện có bù chéo 46

4.3 Bộ giới hạn điện áp 47

4.4 Tính toán các bộ điều khiển 47

4.4.1 Mạch vòng điều khiển dòng điện i sd (Bộ điều khiển R isd ) 48

4.4.2 Mạch vòng điều khiển dòng điện i sq (Bộ điều khiển R isq ) 50

4.4.3 Tổng hợp mạch vòng điều khiển tốc độ 51

CHƯƠNG 5 MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN VÀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG 53

5.1 Các điều kiện mô phỏng 53

5.2 Tính toán các giới hạn của động cơ 54

5.3 Mô hình mô phỏng 56

5.3.1 Bộ nghịch lưu 56

5.3.2 Bộ điều khiển dòng điện có bù chéo 57

5.3.3 Bộ điều khiển tốc độ 58

5.3.4 Bộ giới hạn dòng điện và điện áp 59

5.4 Kết quả mô phỏng 60

5.4.1 Vùng dưới tốc độ cơ bản 60

5.4.2 Tại tốc độ cơ bản 61

5.4.2 Vùng trên tốc độ cơ bản 63

KẾT LUẬN 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

PHỤ LỤC 69

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

IPMSM Interior Permanent Magnet

Synchronous Motor

Động cơ đồng bộ nam châm chìm

Magnet Synchronous Motor

Động cơ đồng bộ nam châm bề mặt

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

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

R s Điện trở dây quấn Stator

L sd , L sq Điện cảm Stator đo theo trục d và trục q

J Moment quán tính của trục động cơ

ω s , ω base , ω c Tốc độ điện đồng bộ, tốc độ cơ bản, tốc độ giới hạn vùng

giảm từ thông

ψ f, ψ s Từ thông nam châm vĩnh cửu và stator

i s , u s Vector dòng điện, điện áp Stator

i sa , i sb , i sc Dòng điện 3 pha a-b-c

i sd , i sq Thành phần dòng điện Stator theo trục d và trục q

i sα , i sβ Thành phần dòng điện Stator theo trục α và trục β

u sα , u sβ Thành phần điến áp Stator theo trục α và trục β

u sd , u sq Thành phần điện áp Stator theo trục d và trục q

ψ rd, ψ rq Thành phần từ thông Rotor theo trục d và trục q

ψ sd, ψ sq Thành phần từ thông Stator theo trục d và trục q

I a , V a Dòng điện và điện áp dây quấn Stator

T sd , T sq Hằng số thời gian Stator theo trục trục d và trục q

T inv Hằng số thời gian bộ nghịch lưu điện áp

R ω Bộ điều chỉnh tốc độ

R id , R iq Bộ điều chỉnh dòng điện truc d và trục q

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 – Bảng so sánh động cơ chạy bằng điện so với động cơ chạy bằng xăng 28 Bảng 5.1 – Thông số động cơ IPM dùng trong mô phỏng 53

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 – Các kiểu rotor sử dụng trong động cơ đồng bộ nam châm vĩnh

cửu 13

Hình 1.2 – Động cơ đồng bộ nam châm cực ẩn 16

1-lõi thép stator; 2-rotor; 3-nam châm vĩnh cửu 16

Hình 1.3 – Biểu diễn điện cảm dọc trục và ngang trục của động cơ SPM và IPM 18

Hình 1.4 – Momen động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nam châm được gắn chìm bên trong rotor 18

Hình 1.5 – Mô hình hệ trục toạ độ của ĐCĐB nam châm chìm 20

Hình 1.6 – Biểu diễn vectơ không gian trên hệ tọa độ dq 22

Hình 1.7 – Mô hình liên tục của động cơ IPM 24

Hình 2.1 – Đặc tính làm việc của động cơ dùng trong công nghiệp (a) và cho ô tô điện (b) 29

Hình 3.1 – Các vùng hoạt động của động cơ IPM 33

Hình 3.2 – Đường cực đại moment trên dòng điện 36

Hình 3.3 – Quỹ đạo dòng điện trong hai thuật toán 39

Hình 4.1 – Cấu trúc tổng quan của hệ truyền động điều khiển động cơ IPM 43

Hình 4.2 – Lưu đồ thuật toán tính toán dòng i sd 45

Hình 4.3 – Sơ đồ khối của bộ điều chỉnh dòng điện bù chéo 46

Hình 4.4 – Sơ đồ khối của bộ giới hạn điện áp 47

Hình 4.5 – Mạch vòng điều khiển dòng i sd 48

Hình 4.6 – Mạch vòng điều khiển dòng i sq 50

Hình 5.1 – Quỹ đạo các giới hạn làm việc của động cơ IPM 54

Hình 5.2 – Mô hình mô phỏng điều khiển giảm từ thông động cơ IPM 56

Hình 5.3 – Bộ nghịch lưu 57

Hình 5.4 – Bộ điều khiển tách kênh dòng điện i d , i q có bù chéo 57

Hình 5.5 – Bộ điều khiển tốc độ 58

Hình 5.6 – Bộ giới hạn điện áp 59

Hình 5.7 – Đáp ứng tốc độ vùng dưới tốc độ cơ bản 60

Hình 5.8 – Đáp ứng moment vùng dưới tốc độ cơ bản 60

Hình 5.9 – Đáp ứng dòng điện trong stator vùng dưới tốc độ cơ bản 61

Hình 5.10 – Đáp ứng của dòng điện i q, i d vùng dưới tốc độ cơ bản 61

Hình 5.11 – Đáp ứng tốc độ tại tốc độ cơ bản 62

Hình 5.12 – Đáp ứng moment tại tốc độ cơ bản 62

Hình 5.13 – Dòng điện i q, i d tại tốc độ cơ bản 63

Hình 5.14 – Đáp ứng tốc độ vùng trên tốc độ cơ bản 63

Hình 5.15 – Đáp ứng moment vùng trên tốc độ cơ bản 64

Hình 5.16 – Đáp ứng dòng điện trong stator vùng trên tốc độ cơ bản 65

Hình 5.17 – Đáp ứng của dòng điện i q, i d vùng trên tốc độ cơ bản 65

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp hóa, hiện đại hóa là nhu cầu tiêu thụ năng lượng ngày càng tăng lên Các nguồn năng lượng hoá thạch ngày càng cạn kiệt Ôtô điện là một đối tượng nghiên cứu cấp thiết hiện nay để giải quyết vấn đề cạn kiệt nguồn năng lượng hóa thạch và ô nhiễm môi trường Động

cơ đồng bộ nam châm chìm (IPMSM) là động cơ thích hợp nhất cho ô tô điện do

có cấu trúc gọn, khả năng sinh moment lớn và dải điều chỉnh rộng

Để khắc phục nhược điểm của động cơ không đồng bộ thì người ta cân nhắc đến việc sử dụng động cơ đồng bộ kích từ dây quấn có hiệu suất và hệ số công suất cao để thay thế Song do nó có nhược điểm là cấu tạo phức tạp, có chổi than - vành trượt nên khó khăn trong vận hành bảo dưỡng, độ tin cậy không cao, nhất là ở các khu vực dễ cháy nổ

Việc sử dụng động cơ đồng bộ nam châm chìm là một giải pháp có khả năng giải quyết được nhược điểm của cả hai loại động cơ trên Hiện nay động cơ đồng bộ nam châm chìm đang phát triển rất mạnh và dần dần thay thế động cơ không đồng bộ trong các hệ truyền động

Tuy vậy ở Việt Nam hiện nay, nhiều tài liệu của các tác giả uy tín đã công

bố cũng chỉ mới chủ yếu tập trung nghiên về điều khiển động cơ không đồng bộ, còn các vấn đề liên quan điều khiển động cơ đồng bộ đặc biệt là động cơ đồng bộ nam châm chìm hầu như chỉ được đề cập đến một cách hết sức khái quát Việc triển khai nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển cho động cơ đồng bộ nam châm chìm

là điều rất cần thiết Trên cơ sở phân tích trên, tác giả lựa chọn đề tài “Điều khiển giảm từ thông động cơ đồng bộ nam châm chìm (IPMSM) ứng dụng cho ôtô điện”

2 Mục tiêu nghiên cứu của luận văn

Mục tiêu nghiên cứu chính của đề tài là đi sâu vào tìm hiểu thuật toán điều khiển giảm từ thông động cơ đồng bộ nam châm chìm

3 Đối tượng nghiên cứu

Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu động cơ đồng bộ nam châm chìm

4 Phạm vi nghiên cứu

Tìm hiểu về động cơ đồng bộ nam châm chìm, tổng quan về ôtô điện, thuật toán giảm từ thông, mô hình hoá, tính toán các bộ điều khiển và mô phỏng hoạt động trên phần mềm Matlab

5 Phương pháp nghiên cứu

Tìm hiểu thuật toán điều khiển giảm từ thông cho động cơ đồng bộ nam châm chìm thông qua thực tế và tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM CHÌM (INTERIOR PERMANENT SYNCHRONOUS MAGNET MOTOR) 1.1 Tổng quan về động cơ đồng bộ

1.1.1 Khái niệm chung về động cơ đồng bộ

Động cơ đồng bộ (ĐCĐB) là những động cơ điện xoay chiều có tốc độ xoay rotor (n) bằng tốc độ quay của từ trường (n1) Dây quấn stator được nối với lưới điện xoay chiều, dây quấn rotor được kích thích (kích từ ) bằng dòng điện một chiều Ở chế độ xác lập động cơ điện đồng bộ có tốc độ quay của rotor luôn không thay đổi khi tải thay đổi, tuỳ thuộc vào tần số của nguồn xoay chiều (2πfs/P) và số đôi cực của động cơ

1.1.2 Phân loại động cơ đồng bộ

Phân loại theo cấu tạo

+ Động cơ đồng bộ nam châm bề mặt (Surface Permanent Magnet Synchronous

motor-SPMSM)

+ Động cơ đồng bộ nam châm chìm (Interior Permanent Magnet Synchronous motor-IPMSM) Đây là đối tượng nghiên cứu chính của đề tài

• Phân loại theo nguồn kích thích

+ Động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm điện (ĐCĐBNCĐ)

+ Động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu (ĐCĐBNCVC)

1.1.3 Cấu tạo động cơ đồng bộ

Động cơ đồng bộ là những máy điện xoay chiều có phần cảm đặt ở rotor và

phần ứng là một hệ dây quấn ba pha đặt ở stator Với ĐCĐBNCVC thì phần cảm được kích thích bằng những phiến nam châm bố trí trên bề mặt hoặc dưới bề mặt rotor Các thanh nam châm được làm bằng đất hiếm ví dụ như Samariu-cobalt (SmCO5, SmCO17) hoặc Neodymium-ion-boron (NdFeB) là các nam châm có suất năng lượng cao và tránh được hiệu ứng khử từ, thường được gắn trên bề mặt hoặc bên trong lõi thép rotor [8] Để đạt được độ bền cơ khí cao, nhất là khi tốc độ làm

việc cao thì khe hở giữa các thanh nam châm có thể đắp bằng vật liệu dẫn từ sau

đó bọc bằng vật liệu có độ bền cao, ví dụ như sợi thuỷ tinh hoặc bắt bulon vít lên các thanh nam châm Ngoài ra còn có nam châm gốm có độ bền cao [9]

1.1.4 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 xoay chiều ba

pha, dòng điện chạy trong dây quấn stator sẽ sinh ra một từ trường quay với tốc độ:

n= 60 f s

P

Trong đó fs là tần số của mạch stator, P là số đôi cực của động cơ đồng bộ

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

1.1.5 Các dạng cấu trúc rotor nam châm vĩnh cửu của động cơ đồng bộ

Động cơ đồng bộ ba pha nam châm vĩnh cửu theo cấu trúc rotor được chia

ra làm nhiều loại khác nhau

Đối với những động cơ có tốc độ khá thấp và không đổi hoặc tốc độ thay đổi nhỏ, thì các thiết kế thường tập trung vào kiểu động cơ từ trường hướng trục Với những kiểu thiết kế này moment đập mạch giảm xuống đáng kể, độ mịn của moment tương đối tốt Những kiểu động cơ này thường tốc độ nhỏ hơn 1000 vòng/phút

Đối với những động cơ cần tốc độ thấp, moment lớn hơn, thì cấu trúc động

cơ thường là rotor nằm trong sử dụng các nam châm vĩnh cửu đất hiếm nhiều cực

Nếu cần đến tốc độ động cơ lớn hơn nữa, với tốc độ không đổi hoặc thay đổi ít, thì cấu trúc động cơ thường là rotor ngoài Ứng dụng phù hợp với các phụ tải có moment quán tính tương đối cao, như quạt gió hoặc thổi hơi

Hình 1.1 - Các kiểu rotor sử dụng trong động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

a) Rotor có nam châm gắn bề mặt b) Rotor có nam châm nhúng trên mặt c) Rotor có nam châm cực lồi d) Rotor có nam châm nhúng bố trí vuông e) Rotor có nam châm nhúng bố trí hướng kính

f) Hai nam châm/cực bố trí hình V

g) Rotor trở kháng kết hợp với nam châm vĩnh cửu

Đối với các động cơ đồng bộ có rotor nằm trong thì quá trình sản xuất khá giống với việc sản xuất động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc Các rotor nằm trong có gắn nam châm vĩnh cửu thường được chia ra làm hai nhóm lớn: gắn bề mặt hoặc gắn chìm bên trong rotor Cấu trúc rotor và vị trí của chúng có ảnh hưởng đáng kể tới đặc tính của động cơ

Tuy nhiên, khi động cơ chạy trực tiếp với điện áp lưới xoay chiều công nghiệp mà không qua bộ biến tần, thì cấu trúc rotor bên cạnh nam châm vĩnh cửu còn cần thêm lồng sóc để khởi động

1.1.6 Ứng dụng của động cơ đồng bộ

Hiện nay động cơ xoay chiều được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng công nghiệp Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc đặc biệt phổ biến vì cấu tạo đơn giản, chi phí sản xuất thấp và ít bảo trì Tuy nhiên hạn chế của chúng là tốc độ làm việc thấp hơn tốc độ từ trường quay và hệ số trượt thay đổi phụ thuộc vào tải, nghĩa là khi tải tăng sẽ làm tốc độ giảm xuống Do đó động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc không phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi điều khiển chính xác tốc

độ và vị trí như hệ thống servo Ngược lại tốc độ của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có thể kiểm soát được một cách chính xác bằng cách thay đổi tần số của

từ trường quay, gọi là tốc độ đồng bộ Tuy nhiên động cơ đồng bộ lại có nhược điểm là chi phí sản xuất và bảo trì cao

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu loại bỏ được việc sử dụng các chổi than - vành trượt để kích từ nên giảm được chi phí bảo trì và tổn thất trong rotor

Do kích thước nhỏ gọn và mật độ moment xoắn cao, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu đã được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp, trong hệ thống truyền động hiệu suất cao như máy CNC (Computer Numerical Control), robot và các hệ thống sản xuất tự động trong các ngành công nghiệp

1.2 Động cơ đồng bộ nam châm chìm

1.2.1 Cấu tạo

Cấu tạo động cơ gồm 2 phần chính là stator và rotor

* Stator của động cơ đồng bộ nam châm chìm gồm 2 bộ phận chính là lõi thép

và dây quấn, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy

- Lõi thép stator gồm các lá thép kĩ thuật điện hai mặt được phủ lớp sơn cách điện, được dập rãnh bên trong sau đó được ghép lại với nhau tạo thành hình trụ rỗng, bên mặt trong tạo thành các rãnh theo hướng trục để đặt dây quấn sau này (hình 1.2) Dọc chiều dài của lõi thép stator cứ cách khoảng 3 - 6 cm lại có một lỗ thông gió ngang trục rộng 10 mm (tuỳ theo động cơ) Lõi thép stator được đặt cố

định trong thân máy Thân máy phải được thiết kế sao cho hình thành một hệ thống thông gió để làm mát máy tốt nhất Nắp máy thường được chế tạo từ gang đúc, thép tấm hoặc nhôm đúc

- Dây quấn stator thường được chế tạo bằng đồng có tiết diện hình tròn hoặc chữ nhật (tuỳ thuộc vào công suất máy), bề mặt được phủ một lớp cách điện, được quấn thành từng bối và lồng vào các rãnh của lõi thép stator, được đấu nối theo các qui luật nhất định tạo thành các sơ đồ hình sao hoặc tam giác

* Rotor của động cơ đồng bộ nam châm chìm thường làm bằng thép hợp kim chất lượng cao, được rèn thành khối trụ sau đó gia công phay rãnh để đặt các thanh nam châm Khi các thanh nam châm ẩn trong rotor thì có thể đạt được cấu trúc cơ học bền vững hơn, kiểu này thường được sử dụng trong các động cơ cao tốc Tốc

độ loại này thường cao nên để hạn chế lực li tâm rotor thường có dạng hình trống với tỷ số “chiều dài/đường kính” lớn Máy này được gọi là máy từ trường hướng kính (rotor trụ dài), nó được sử dụng trong các máy công cụ

Tuy nhiên với cấu trúc nam châm vĩnh cửu chìm, máy không thể được coi là khe hở không khí đều Trong trường hợp này các thanh nam châm được lắp bên trong lõi thép rotor về mặt vật lý coi là không có sự thay đổi nào của bề mặt hình học các nam châm Mỗi nam châm được bọc bởi một mảng cực thép nên nó làm mạch từ của máy thay đổi khá mạnh, do các mảng cực thép này tạo ra các đường dẫn từ sao cho từ thông cắt ngang các cực này và cả trong không gian vuông góc với từ thông nam châm Do đó hiệu ứng là rõ ràng và nó làm thay đổi cơ chế sản sinh moment của máy điện

Hình 1.2 – Động cơ đồng bộ nam châm chìm 1-lõi thép stator; 2-rotor; 3-nam châm vĩnh cửu

Với yêu cầu của truyền động servo là vận hành phải êm, cần phải hạn chế moment răng (rãnh) và moment đập mạnh do các sóng hài không gian và thời gian sinh ra Để đạt được điều này người ta thường tạo hình cho các nam châm, uốn các nam châm lượn chéo theo trục rotor, uốn rãnh và dây quấn stator kết hợp với tính toán số răng và kích thước của nam châm Kỹ thuật tạo ra các rotor xiên là khá đắt tiền và phức tạp Trong điều kiện bình thường của truyền động servo, nếu moment điều hoà răng (rãnh) cỡ 2% moment định mức thì có thể chấp nhận được Tuy nhiên có thể hạn chế được đa số các moment điều hoà răng (rãnh) trong truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cấp từ bộ biến đổi bằng cách sử dụng bộ biến đổi chất lượng cao và các bộ điều khiển có chứa các phần tử đo chính xác các thông số hoạt động như tốc độ, vị trí của động cơ

Trong các máy điện nam châm vĩnh cửu kinh điển, trên stator có các răng, ngày nay ta có thể chế tạo các stator không răng Trong trường hợp này dây quấn stator được chế tạo từ bên ngoài sau đó được lồng vào và định vị trong stator Máy điện như vậy sẽ không đập mạch ở tốc độ thấp và tổn thất sẽ giảm, tăng được không gian hơn cho dây quấn stator, nên có thể sử dụng dây quấn tiết diện lớn hơn

và tăng dòng điện định mức của máy điện do đó tăng được công suất của máy Nhưng khe hở không khí lớn gây bất lợi cho từ thông khe hở nên phải chế tạo rotor có đường kính lớn hơn và có bề mặt nam châm lớn hơn

1.2.2 Đặc điểm của động cơ đồng bộ nam châm chìm

Các động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu dạng sóng sin (PM motor) vốn

đã có đặc tính điều khiển rất tốt, thường được sử dụng trong các hệ truyền động đòi hỏi độ chính xác và chất lượng cao như robot, máy công cụ CNC và các hệ truyền động servo khác Động cơ đồng bộ nam châm chìm vẫn giữ nguyên những

ưu điểm vốn có này, ngoài cấu trúc nam châm chìm đặc biệt còn làm tăng khả năng sinh moment của động cơ này khiến nó một trong những động cơ có nhiều yêu điểm nhất Động IPM kết hợp ưu điểm của hai động cơ sau [2]

§ Động cơ PM thông thường có các nam châm vĩnh cửu được gắn trên bề mặt của rotor, ta gọi là Surface Permanent Magnet (SPM) Động cơ này có khe hở không khí tác dụng đều, từ trở theo các trục d và q bằng nhau Do vậy moment của motor chỉ do nam châm vĩnh cửu tương tác với dòng điện stator sinh ra (magnet torque)

§ Động cơ từ trở đồng bộ (Synchronous Reluctance Motor-SynRM) có rotor được thiết kế gồm các lớp vật liệu từ tính và phi từ tính đan xen lẫn nhau tạo ra sự khác biệt giữa từ trở trục d và trục q, sinh ra moment từ trở (reluctance torque) Động cơ này không hề có nam châm vĩnh cửu, do vậy moment của động cơ hoàn toàn là moment từ trở

Bằng cách sử dụng nam châm vĩnh cửu gắn với rotor (khối quay) đã tạo ra mật độ từ thông lớn và khả năng phân phối mạnh hơn góp phần làm cho mật độ moment quay tốt hơn Mặc khác động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nam châm được gắn chìm bên trong rotor dẫn tới sự khác biệt giữa điện cảm dọc trục

và điện cảm ngang trục (hình 1.3), từ đó tạo ra khả năng sinh moment từ trở cộng thêm vào moment vốn có do nam châm sinh ra (hình 1.4) Đặc tính này khiến động cơ có khả năng sinh moment rất cao

Moment điện từ trong động cơ đồng bộ nam châm chìm sinh ra do hai thành phần: thành phần do nam châm tạo ra và thành phần tạo ra do sự chênh lệch điện cảm (hoặc từ trở) dọc trục và ngang trục Nếu điều khiển theo phương pháp điều khiển vectơ thông thường thì đối với động cơ PMSM, thành phần moment từ

trở không được huy động (điểm có góc dẫn bằng không trên hình 1.4) Vì điện cảm trục d nhỏ hơn điện cảm trục q (hình 1.3) nên nếu ta đưa dòng điện trục d âm vào động cơ sẽ sinh ra moment từ trở dương làm tăng moment tổng của động cơ Như ta thấy trên hình 1.4, đường biểu diễn theo góc dẫn (đường moment tổng) có điểm cực đại, như vậy, nếu việc điều khiển các vector dòng điện được thực hiện một cách hợp lý, ta có cực đại hoá moment động cơ, gọi là điều khiển cực đại tỉ số của moment trên dòng điện (Maximum Torque Per Ampere-MTPA) [1]

Hình 1.3 – Biểu diễn điện cảm dọc trục và ngang trục của động cơ SPM và IPM

Hình 1.4 – Momen động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nam châm được gắn

chìm bên trong rotor

Mặt khác, động cơ này cũng có phản ứng phần ứng mạnh, dẫn tới khả năng giảm từ thông mạnh, cho phép nâng cao vùng điều chỉnh tốc độ Đề tài này tập trung chủ yếu vào việc điều khiển giảm từ thông của động cơ này

1.2.3 Ưu điểm, khả năng ứng dụng của động cơ đồng bộ nam châm chìm

Động cơ đồng bộ nam châm chìm là một loại động cơ hiệu suất cao có những đặc điểm moment quay tăng cường và kích cỡ nhỏ hơn so với các động cơ điện xoay chiều thông thường

Ứng dụng điển hình là những ứng dụng có moment quay cao, như thang máy, cần trục, trục quay Tuy nhiên, động cơ này cũng tạo ra những ưu thế cho những ứng dụng tiêu thụ năng lượng lớn, như trong quạt, bơm và máy nén công suất lớn

Trong những ứng dụng moment quay lớn, động cơ này đem lại rất nhiều lợi ích Chẳng hạn đối với máy công cụ, nó giảm thiểu lượng nhiệt thất thoát, do đó không chỉ góp phần tiết kiệm năng lượng mà còn giúp duy trì độ chính xác của máy công cụ

Đối với thang máy, động cơ này giúp tiết kiệm không gian nhờ được lắp trong trục thang máy Điều khiển tốc độ cũng được tăng cường, điều này rất có lợi cho những ứng dụng cần trục

Về kích thước thì so với một động cơ không đồng bộ xoay chiều, kích thước vật lí của động cơ này chỉ bằng 1/3

Ngoài ra, động cơ IPM còn có những ưu thế gần như tuyệt đối trong ứng dụng cho ngành công nghiệp ôtô điện Nó có thể chuyển đổi 97.5% nguồn điện sẵn có trong ắc quy thành động năng cung cấp cho ôtô (so với 64.6% của các loại động cơ khác) [2]

1.3 Xây dựng mô hình toán học cho động cơ đồng bộ nam châm chìm

1.3.1 Mô hình trong hệ toạ độ a-b-c

Trong động cơ đồng bộ nam châm chìm từ thông được tạo bởi cuộn dây kích thích tách biệt với các cuộn dây stator (hoặc bởi các phiến nam châm vĩnh cửu được bố trí trong rotor) Động cơ đồng bộ nam châm chìm có một đặc điểm chính là từ thông của nó phân cực, có hướng nhất quán và cố định, tính định

hướng đó phụ thuộc vào cấu trúc cơ học của động cơ Cho nên động cơ đồng bộ nam châm chìm nếu ta điều chỉnh tựa theo từ thông rotor thì sẽ thuận lợi hơn so với động cơ không đồng bộ Bởi vì với động cơ đồng bộ nam châm chìm góc pha

ban đầu θ 0là đã biết trước và công việc điều khiển ở đây là bằng cách nào đó theo dõi góc pha đó một cách liên tục bằng các thiết bị đo tốc độ góc

Hình 1.5 – Mô hình hệ trục toạ độ của ĐCĐB nam châm chìm

Cũng chính vì ưu thế này của động cơ đồng bộ nam châm chìm nên ta có

thể xem hệ tọa độ dq của động cơ là đã xác định như trên hình 1.5, do đó ta có thể

áp dụng các phương pháp điều khiển trực tiếp trên hệ tọa độ dq mà không cần quan tâm tới hệ tọa độ (α, β) nữa Ở đây, ta cũng chưa cần phải quan tâm tới kích

thích của động cơ là vĩnh cửu hay được kích thích ngoài bởi vì động cơ đồng bộ nam châm chìm có kích thích vĩnh cửu có thể được thay thế tương đương bằng động cơ đồng bộ nam châm chìm với cuộn dây kích thích và một dòng điện kích

- Giả thiết tiết điện của dây cuốn đủ nhỏ để mật độ dòng điện phân bố đều,

Trong đó: θ r là góc lệch giữa trục của rotor với trục chuẩn a (hình 1.6)

Lấy đạo hàm Ψs(t) trong biểu thức (1.3) ta có:

Trong đó: ω s là tốc độ quay của từ trường quay (tốc độ điện)

Thay (1.3) và (1.4) vào (1.2) ta được phương trình điện áp stator trong hệ toạ độ từ thông stator như sau:

1.3.2 Mô hình trong hệ toạ độ d-q

Xét động cơ trong hệ toạ độ dq, trong đó trục d vuông góc với trục q và hệ dq quay

với tốc độ đồng bộ ω s Đối với động cơ đồng bộ thì ta có thể coi hệ toạ độ dq được đặt trên rotor (hình 1.6) Vì trục d trùng với trục từ thông rotor nên:

Hình 1.6 – Biểu diễn vectơ không gian trên hệ tọa độ dq

Phương trình từ thông stator trên hệ tọa độ dq viết lại như sau:

L T R

= là hằng số thời gian ngang trục

Biến đổi Laplace phương trình (1.20) ta có:

T L: moment cản trên trục động cơ

J: moment quán tính của động cơ

Biến đổi Laplace phương trình (1.14) ta được

Dựa vào hệ phương trình trên, ta có mô hình hàm truyền động cơ đồng bộ IPM

Hình 1.7 – Mô hình liên tục của động cơ IPM

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ ÔTÔ ĐIỆN

Ôtô điện sử dụng một động cơ điện cho lực kéo; acquy, pin nhiên liệu cung cấp nguồn năng lượng tương ứng cho động cơ điện Ôtô điện có nhiều ưu điểm hơn các loại phương tiện sử dụng động cơ đốt trong, chẳng hạn như không phát thải khí ô nhiễm, hiệu suất cao, độc lập với nguồn năng lượng từ dầu mỏ, yên tĩnh và hoạt động trơn tru Các nguyên tắt hoạt động cơ bản giữa ôtô điện và phương tiện sử dụng động cơ đốt trong tương tự nhau.Tuy nhiên, một số khác biệt giữa phương tiện sử dụng động cơ đốt trong và ôtô điện, chẳng hạn như sử dụng một bồn chứa xăng so với nguồn pin, động cơ đốt trong so với động cơ điện, và khác nhau về yêu cầu truyền dẫn

2.1 Lịch sử phát triển của ôtô điện

2.1.1 Thời kỳ đầu từ năm 1832 đến năm 1935

• Chiếc ôtô điện đầu tiên xuất hiện vào khoảng năm 1832 Người phát minh ra là Robert Anderson, một doanh nhân người Scotland Vào thời điểm này xe điện còn rất thô sơ

• Vào khoảng năm 1835, ông Thomas Davenport (người Mỹ) chế tạo ra một đầu máy điện nhỏ Đến năm 1838, ông Scotsmen Robert Davidson (người Scotland) đã cho ra đời một mô hình tương tự có thể chạy tới vận tốc 6km/h Cả hai nhà sáng chế đều sử dụng pin không thể sạc lại

• Năm 1859, ông Plante người Pháp đã phát minh ra pin có thể sạc lại dùng axit chì Sau đó được cải tiến bởi Camille Faure vào năm 1881

• Năm 1891, ông William Morrison người Mỹ chế tạo thành công chiếc xe điện thật

điện đầu tiên chạy với tốc độ trên 100km/h Chiếc xe này được điều khiển bởi Camille Jenatzy (người Bỉ) và được trang bị lớp xe của hãng Michelin Xe mang hình dạng như một quả ngư lôi

• Vào năm 1990, xe điện bước vào thời kỳ hoàng kim Hơn một phần ba xe chạy trên đường là xe điện, phần còn lại là xe chạy xăng dầu và hơi nước

• Năm 1902, chiếc xe điện mang tên Phaeton de Wood có thể chạy được quãng đường dài 29km với tốc độ 22,5km/h và có giá chi phí là 2000USD

• Năm 1912, sản xuất xe điện đạt đến đỉnh cao Nhưng sự ra đời của chiếc xe chạy xăng Ford Model T vào năm 1908 đã thu hút sự chú ý của công chúng

• Trong những năm 1920, một số yếu tố dẫn đến sự suy giảm của xe điện có thể kể

ra như: phạm vi hoạt động của xe còn quá ngắn, tốc độ chạy còn quá thấp, xe chưa đạt được công suất mong đợi, sự có sẵn của dầu mỏ cộng với giá xe điện cao hơn nhiều so với giá xe xăng do hãng Ford sản xuất Kết quả xe điện đã không được sử dụng từ năm 1935

2.1.2 Vào những năm 1960-1990

• Năm 1966, Mỹ đề xuất sản xuất xe điện để giảm ô nhiễm không khí, phần lớn công chúng Mỹ ủng hộ và nhất là trong bối cảnh tăng giá của xăng dầu năm 1973

• Ôtô điện đã được đã được nghiên cứu và phát triển trở lại vào khoảng thập niên

60, 70 của thế kỷ 20 do tính ưu việt của nó Trước hết là do năng lượng điện dùng trong ôtô có thể được chuyển hoá từ nhiều nguồn năng lượng khác nhau như gió, sóng biển, năng lượng mặt trời, nước…Mặc khác ôtô điện hoàn toàn không có khí thải gây ô nhiễm môi trường

• Năm 1972, ông Victor Wouk cha đẻ của dòng xe hybrid (lai điện) đã chế tạo ra chiếc xe hybrid đầu tiên mang tên Buick Skylark General Motor viết tắt là GM

• Năm 1974, ra đời chiếc xe Vaguard-Sebring Citicar, giống như một xe điện giành cho sân gold được sản xuất và giới thiệu tại hội nghị chuyên đề xe điện ở Washington

• Năm 1976, Quốc hội Mỹ phê chuẩn chương trình “Electric and Hybrid Vehicle

Research, Development, and Demonstration Act” với mục đích thúc đẩy sự phát triển của công nghệ pin mới, động cơ và linh kiện Hybrid (lai điện)

2.1.3 Sự phát triển ô tô điện từ những năm 1990 đến nay

Trước tình hình ôtô điện sẽ trở thành một hình mẫu cho các phương tiện di chuyển trong tương lai không xa, các nước trên thế giới, đặc biệt là các nước có ngành công nghiệp ôtô phát triển đã nghiên cứu, chạy thử nghiệm và đưa ra thị trường nhiều mẫu xe khác nhau

• Giữa năm 1996 và 1998, hãng GM đã cho ra đời dòng xe điện EV1

• Năm 1997, hãng Toyota Nhật Bản đã tung ra dòng xe Prius, chiếc xe hybrid (lai điện) đầu tiên được chào bán hàng loạt

• Từ năm 1997 đến 2000, nhiều nhà sản xuất đã tung ra các mẫu xe điện hybrid như: Honda EV Plus, GM EV1, Ford Ranger Pickup EV, Nissan Altra EV, Chevy S-10

EV, Toyota RAV4 EV…

• Tuy nhiên đến năm 2000, sự phát triển của xe điện một lần nữa lại đi vào ngõ cụt

• Ngày nay, nhận thức chung về môi trường ngày càng lớn mạnh do đó thị trường xe điện có cơ hội để tăng trưởng trở lại

• Tại Nhật Bản, các hãng ôtô lớn đang lần lượt đưa các mẫu xe thuần điện (pure Evs) ra thị trường Nissan với Nissan Leaf, tuy vậy Mitsubishi mới là hãng đầu tiên tung ra xe điện thương phẩm với i-MiEV

• Hiện nay, tại các trường đại học cũng như các trung tâm nghiên cứu về ôtô của các hãng xe lớn, các nhà khoa học đang tập trung nghiên cứu nhằm cải thiện và nâng cao chất lượng nguồn năng lượng dùng trong ôtô điện Xe điện phổ thông có khả năng thay thế hoàn toàn xe ôtô cá nhân chạy xăng vẫn còn đang trong quá trình phát triển Điều đó thuộc về tương lai

2.2 Các loại động cơ sử dụng cho ô tô điện

• Đối với những loại xe điện nhỏ, yêu cầu công suất thấp thường sử dụng các loại

động cơ như động cơ một chiều (DC motor) hay động cơ một chiều không chổi than (Brushless DC motor – BLDC motor)

• Còn đối với các loại xe điện lớn, yêu cầu công suất cao động cơ được sử dụng là:

động cơ không đồng bộ (Induction Motor – IM) và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm (Interior Permanent Magnet Motor – IPM motor) Tuy nhiên hiện

nay động cơ đồng bộ nam châm chìm được sử dụng phổ biến hơn do tính ưu việt

của nó

2.2.1 Ưu và nhược điểm của động cơ điện so với động cơ xăng khi sử dụng cho ôtô

Bảng 2.1 – Bảng so sánh động cơ chạy bằng điện so với động cơ chạy bằng xăng

- Có cấu tạo cơ khí đơn giản, khi điều

khiển không cần phải có hợp số để

tăng tốc

- Có cấu tạo cơ khí phức tạp, khi điều khiển cần có hợp số để tăng tốc động

cơ

- Động cơ điện có thời gian đáp ứng

moment nhanh khoảng vài chục ms

-Thời gian đáp ứng moment của động

cơ chậm khoảng vài trăm ms

- Khi dừng máy, động cơ cũng ngừng

làm tiết kiệm năng lượng

- Khi dừng xe động cơ vẫn hoạt động tiêu tốn năng lượng

- Không có khí thải ra môi trường - Thải khí carbonic gây ô nhiễm môi

trường

- Cho phép ta kết hợp được các

phương pháp cũng như công nghệ điều

khiển tiên tiến để nâng cao chất lượng

động học của động cơ

- Việc áp dụng các phương pháp và công nghệ điều khiển tiên tiến khó thực hiện đối với động cơ xăng

-Trong tương lai, ta có thể lắp các

động cơ điện vào bánh xe, cho phép ta

điều khiển các bánh xe một cách độc

lập từ đó dẫn tới khả năng điều khiển

chuyển động của xe rất linh hoạt

- Không thể thực hiện được đối với động cơ xăng

- Khi vận hành ở tốc độ cao ta có thể

áp dụng phương pháp giảm từ thông

- Khi muốn vận hành ở tốc độ cao ta cần phải chuyển số

2.2.2 Các yêu cầu về động cơ sử dụng cho ô tô điện

Tính năng vận hành của một ôtô được đánh giá dựa trên các tiêu chí sau:

- Khả năng tăng tốc: Được xác định bởi thời gian cần thiết để tăng tốc độ đến tốc độ cho trước hoặc từ một tốc độ thấp đến tốc độ cao

- Khả năng vận hành của xe trên các loại đường khác nhau

- Tốc độ cực đại mà xe có thể đạt được

Đối với ôtô điện thì chỉ có các động cơ điện dẫn động các bánh xe do đó tính năng vận hành của xe hoàn toàn phụ thuộc vào đặc tính moment - tốc độ và công suất -tốc độ của động cơ kéo Để đạt được các yêu cầu về tính năng vận hành của xe như đã nêu trên thì vùng làm việc của động cơ mong muốn là nằm trong vùng công suất không đổi Vì vậy vùng này càng rộng càng tốt

Hình 2.1 – Đặc tính làm việc của động cơ dùng trong công nghiệp (a) và cho ô tô

điện (b)

Đối với động cơ dùng cho ôtô điện, động cơ phải có khả năng tạo ra moment lớn ở vùng tốc độ thấp nhằm khởi động và gia tốc cùng với đó là khả năng cung cấp công suất đủ lớn cho vùng tốc độ cao Như vậy, động cơ dùng cho ôtô điện phải có dải tốc độ làm việc rộng Tuy nhiên, không phải động cơ nào cũng đáp ứng được điều đó và thực tế là yêu cầu moment khởi động lớn lại mâu thuẫn với yêu cầu dải tốc độ rộng

Vấn đề lựa chọn động cơ phù hợp cho hệ truyền động kéo trên ôtô điện là một vấn

đề rất quan trọng và hiện tại vẫn là một thách thức với ngành công nghiệp ôtô Như vậy, từ các phân tích trên ta đưa ra một số yêu cầu đối với động cơ điện như sau:

- Có công suất lớn

- Moment lớn ở vùng tốc độ thấp để đảm bảo khả năng khởi động và tăng tốc

- Dải tốc độ rộng và công suất đủ lớn ở vùng tốc độ cao Đối với các loại động cơ này khi hoạt động ở vùng tốc độ cao ta bắt buột phải giảm từ thông và đó cũng là nội dung nghiên cứu chính của luận văn

- Đáp ứng nhanh với sự thay đổi của moment tải

- Hiệu suất cao

- Kích thước và trọng lượng nhỏ

- Làm việc tin cậy và bền vững

- Giảm nhiễu điện từ khi làm việc

Việc lựa chọn loại động cơ phù hợp cho ôtô điện nói chung (xe chạy hoàn toàn bằng điện cũng như ôtô điện lai) phụ thuộc vào nhiều tiêu chí Nếu như tiêu chí hàng đầu là giá thành rẻ và đơn giản trong điều khiển thì động cơ một chiều truyền thống vẫn là sự lựa chọn phù hợp

Động cơ không đồng bộ vẫn được sử dụng trên một số ôtô điện do được kế thừa các công nghệ đã phát triển trong công nghiệp, tuy nhiên do khối lượng lớn nên không phù hợp trên ôtô điện lai

Trong hiện tại và cả tương lại, vấn đề tiết kiệm năng lượng cũng như giảm sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng hoá thạch vẫn đang là vấn đề cấp bách, đặc biệt

là trên ôtô điện lai Để đạt được điều đó thì tiêu chí về hiệu suất của động cơ là một tiêu chí được ưu tiên hàng đầu Vì vậy các loại động cơ một chiều không cổ góp, động cơ từ trở chuyển mạch, động cơ đồng bộ nam châm chìm sẽ là xu hướng của ôtô điện trong tương lai

CHƯƠNG 3 THUẬT TOÁN GIẢM TỪ THÔNG 3.1 Các giới hạn làm việc của động cơ

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 mà không bị hư hại hoặc dòng điện tối đa mà nguồn nghịch lưu có thể cung cấp được trong khoảng thời gian ngắn Giá trị này

gọi là I am Module của vector dòng điện không thể vượt quá giá trị này:

(3.1) Đối với động cơ IPM do rotor được chế tạo từ nam châm vĩnh cửu nên cần

có một giới hạn nữa cho dòng điện là I ktmax Khi điều khiển ở tốc độ cao ta phải

giảm từ thông bằng cách đưa dòng điện i sd âm vào, nếu i sd âm đưa vào vượt quá

giá trị I ktmax từ trường của nam châm sẽ bị khử và không thể tăng trở lại như ban đầu làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến hoạt động của động cơ Vì thế ta cần thêm điều kiện:

(3.2) Giới hạn này ngày càng được cải thiện do sự phát triển của công nghệ chế tạo rotor

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

cơ và các thiết bị 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 Giá trị này gọi là U max Module của vector điện áp không thể vượt quá giá trị này:

(3.3) Quy đổi theo hệ trục toạ độ d-q:

Thay giá trị điện áp từ (3.5) vào (3.4) ta được:

(3.6)

Biểu thức trên là điều kiện điện áp theo dòng điện i sd , i sq ở chế độ xác lập

Nhận xét: Ta thấy giới hạn trên phụ thuộc vào tốc độ làm việc của động cơ Tốc độ

động cơ cao sẽ làm tăng 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

ta phải giảm từ thông ở vùng tốc độ cao

Ta thấy phương trình giới hạn điện áp ở trên không thích hợp cho việc phân tích,

để đơn giản hoá cho quá trình phân tích và xây dựng thuật toán, ta sẽ sử dụng điều

kiện sau để thay thế:

(3.7)

(3.8) Trong đó:

(3.9)

Ta có thể chứng minh nếu thoả mãn công thức (3.6) thì cũng thoả mãn công

thức (3.8), do giá trị điện trở thường nhỏ nên khoảng chênh lệch giữa hai điều kiện

cũng không lớn có thể bỏ qua được Ta thu được bất phương trình (3.8) giới hạn

điện áp biểu diễn theo i sd , i sq là một đường Elip Phương trình đường elip (3.8) cho

thấy tâm của đường elip là cố định, nhưng kích thước của elip sẽ nhỏ dần trong

quá trình tăng tốc Tâm của đường elip được xác định bởi:

(3.10) Nếu bỏ qua tổn thất trên điện trở dây dẫn, tổn thất trong lõi sắt thì công suất

động cơ được tính bằng công thức dưới đây:

(3.11) Động cơ IPM sẽ có 3 vùng hoạt động với các đường đặc tính điện áp, dòng điện, moment, công suất như hình:

Hình 3.1 – Các vùng hoạt động của động cơ IPM

Khi động cơ hoạt động ở vùng dưới tốc độ cơ bản, ta thấy moment và dòng điện

ở giá trị định mức Khi tốc độ động cơ tăng dần thì điện áp và công suất của động

cơ cũng tăng lên và đạt được giá trị định mức tại tốc độ cơ bản ω base Nếu tiếp tục tăng tốc độ động cơ vượt qua tốc độ cơ bản vào vùng tốc độ cao mà vẫn giữ nguyên dòng điện cũng như moment thì theo công thức (3.11) điện áp sẽ phải tăng Điều này sẽ sinh ra quá áp động cơ Vì vậy ta phải giảm moment, tuy nhiên khi giảm moment mà vẫn muốn động cơ giữ được công suất thì điện áp đặt vào động cơ phải ổn định không vượt qua giá trị định mức Để giữ điện áp không vượt

ngoài giá trị định mức thì từ thông ψ s phải được điều chỉnh giảm bằng cách bơm

vào dòng i ds âm để làm suy giảm từ thông cực Ở vùng hoạt động thứ ba khi động

P = 3UI cosϕ = T eω

cơ đã vượt qua giá trị ω c thì từ thông đạt giá trị nhỏ nhất để duy trì phản ứng với từ trường stator Khi đó muốn tăng tốc độ động cơ lên nữa, buộc phải giảm moment

động cơ Do không thể giảm thêm từ thông bằng cách bơm dòng i sd âm hơn nên

buộc phải giảm dòng i qs Vì vậy dòng điện stator sẽ giảm kéo theo công suất động

cơ sẽ giảm

3.2 Thuật toán điều khiển vùng dưới tốc độ cơ bản

Khi động cơ hoạt động dưới tốc độ cơ bản phương pháp điều khiển cực đại moment được sử dụng vì tại vùng tốc độ này moment điện từ do động cơ sinh ra phải đủ lớn để có đáp ứng tốc độ nhanh mỗi khi tăng tốc động cơ

Do cấu tạo của rotor nên động cơ IPM có điện cảm ngang trục L q lớn hơn

điện cảm dọc trục L d, sự sai khác về điện cảm dọc trục và ngang trục này là do hệ

số từ cảm của trục từ nam châm vĩnh cửu nhỏ hơn hệ số từ cảm của khe hở không khí Mặc khác trong biểu thức tính moment của động cơ IPM, thành phần moment

quay của động cơ gồm: thành phần moment tương tác ψ r i sq và thành phần moment

từ trở (L d -L q )i sd tạo nên

Như vậy để có thể tạo ra được moment cực đại trên dòng điện ta phải tìm sự liên

quan giữa hai dòng điện i sd và i sq Từ biểu thức tính moment điện từ của động cơ là:

(3.12)

Ở đây hàm moment T e là hàm được xây dựng từ hai biến số i sd và i sq thì bài

toán tìm cực đại moment sẽ trở thành bài toán tìm cực trị của hàm T e gồm hai biến

số là i sd và i sq Việc biểu diễn dòng điện i sd theo dòng điện i sq hay là biểu diễn dòng

điện i sq theo dòng điện i sd phụ thuộc vào cấu trúc của hệ truyền động đã định trước

Ta có dòng i sq là dòng chủ đạo để điều khiển thành phần moment tương tác ψ r i sq,

thành phần dòng điện i sd là thành phần được thêm vào để tạo moment từ trở cho

động cơ Do đó mục tiêu của bài toán tìm cực trị là biểu diễn dòng điện i sd theo

dòng điện i sq

T e = 3

2P(ψr i sq + (L sd − L sq )i sq i sd)

Giả thiết động cơ đang hoạt động ở chế độ xác lập, dòng điện và moment điện từ không đổi, ta có: