Nghiên cứu các phương pháp điều chế PWM bộ biến đổi cho động cơ nam châm vĩnh cửu cực chìm dùng trong ô tô điện

Tuy nhiên, các động cơ điện đồng bộ do có những ưu điểm vượt trội nên ngày càng được sử dụng rộng rãi và có thể so sánh với động cơ không đồng bộ trong lĩnh vực truyền động điện.. Tiêu c

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: “Nghiên cứu các phương pháp điều chế PWM bộ biến đổi cho động cơ nam châm vĩnh cửu cực chìm dùng trong ô tô điện” do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Ts Tạ Cao Minh Các số

liệu và kết quả mô phỏng là hoàn toàn xác thực, đã được kiểm tra

Để hoàn thành đồ án này, em chỉ sử dụng những tài liệu đã được liệt kê trong phần Phụ lục - Tài liệu tham khảo ở cuối quyển đồ án mà không sử dụng bất kỳ một tài liệu nào khác Nếu phát hiện ra có sự sao chép, em xin hoàn toàn chịu trách

nhiệm

Học viên

Nguyễn Minh Tiến

MỤC LỤC

Lời cam đoan

Mục lục

Danh mục các ký hiệu

LỜI NÓI ĐẦU

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN

1.1 SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA Ô TÔ ĐIỆN………… ii

1.2 TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN ii

1.3 ĐỘNG CƠ TRONG Ô TÔ ĐIỆN 6

1.3.1 Đặc tính hoạt động của động cơ trong ô tô điện 6

1.3.2 Các loại động cơ dùng trong ô tô điện 7

Chương 2 - MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ IPM 10

2.1 KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU 10

2.2 CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI……… Error! Bookmark not defined 2.2.1 Kết cấu động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Error! Bookmark not defined.1 2.2.2 Phân loại…… ……… ii

2.2.3 Vật liệu nam châm vĩnh cửu……… ii2

2.3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC ii

2.3.1 Hệ phương trình cơ bản của động cơ Error! Bookmark not defined.4 2.3.2 Mô tả toán học của động cơ trên hệ tọa độ d-q……… 15

2.3.2.1 Mô tả toán học.……… 15

2.3.2.2 Đồ thị véc tơ….……… 17

Chương 3 - PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ IPM 19

3.1 ĐIỀU KHIỂN VECTOR TỰA TỪ THÔNG STATOR……… 21

3.1.1 Nguyên lý điều chỉnh……… 21

3.1.2 Xử lý tín hiệu phản hồi……… 27

3.1.3 Điều chỉnh giảm từ thông ở chế độ điện áp vuông (SW) 28

3.2 ĐIỀU KHIỂN VEC TƠ TỰA TỪ THÔNG ROTOR 33

Chương 4 - CÁC BỘ BIẾN ĐỔI VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU BIẾN PWM CHO

ĐỘNG CƠ IPM 37

4.1 BỘ BIẾN ĐỔI DÙNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN 37

4.1.1 Bộ biến đổi……….………. 38

4.1.2.Lựa chọn bộ biến đổi dùng trong ô tô điện………… 40

4.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ PWM……… 40

4.2.1 PWM dùng sóng mang ……… 42

4.2.1.1 PWM hình sin……… 42

4.2.1.2 Điều chế hình sin dùng sóng mang với tín hiệu thứ tự không (ZSS) 43

4.2.2 Điều chế véc tơ không gian (SVM) 45

4.2.3 So sánh PWM dùng sóng mang với PWM véc tơ không gian 49

4.2.4 Quá điều biến……… 50

Chương 5 - MÔ PHỎNG KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 55

5.1 TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ CẦN THIẾT …… 55

5.2 MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG Error! Bookmark not defined. 5.2.1 Kết quả mô phỏng ở vùng tốc độ thấp ( ở 100rad/s)…… 58

5.2.1.1 Điều chế sóng mang 58

5.2.1.2 Điều chế véc tơ không gian……… Error! Bookmark not defined 5.2.2 Kết quả mô phỏng ở vùng tốc độ cao ( ở 200rad/s)… Error! Bookmark not defined 5.2.2.1 Điều chế sóng mang……… Error! Bookmark not defined 5.2.2.2 Điều chế sóng mang tín hiệu thứ tự không ZSS…… Error! Bookmark not defined 5.2.2.3 Điều chế véc tơ không gian…… 67

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU

1.KẾT LUẬN

2 ĐỀ XUẤT PHƯƠNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền, Truyền động điện, NXB khoa

học và kỹ thuật, Hà Nội 2004

2 Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi, Ðiều chỉnh tự

động truyền động điện, NXB khoa học và kỹ thuật Hà Nội, 2004

3 Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Mạnh Tiến, Đoàn Quang Vinh, Điều khiển động cơ xoay

chiều cấp từ biến tần bán dẫn, NXB khoa học và kỹ thuật Hà Nội, 2003

4 Nguyễn Phùng Quang, Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha, NXB

Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 1996

5 Nguyễn Phùng Quang, Truyền động điện thông minh, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội,

2002

6 Nguyễn Phùng Quang, Matlab/Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2002

7 Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu, Máy điện I - II, NXB

Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2001

8 Nguyễn Đình Thắng, Vật liệu kỹ thuật điện, Trường ĐHBK HN, 2004

9 Võ Thu Hà, “Nghiên cứu hoàn thiện hệ truyền động điều khiển trực tiếp mômen động

cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu”, Luận văn thạc sỹ, bộ môn Tự Động Hóa trường

ĐHBK HN 2004

10 Lê Hồng Hải, “Nâng cao chất lượng hệ truyền động biến tần - động cơ đồng bộ kích từ

nam châm vĩnh cửu”, Luận văn thạc sỹ, bộ môn Tự Động Hóa trường ĐHBK HN

Hydro-14 Morimoto S., Takeda Y., Hirasa T., Taniguchi K., “Expansion of operating limits for

permanent magnet motor by currentvector control considering inverter capacity”,

IEEE Trans Ind Appl., Vol 26, Issue 5, pp 866 - 871, Sep/Oct 1990

15 Morimoto S., Sanada M., Takeda Y., “Wide-speed operation of interior permanent

magnet synchronous motors with high-performance current regulator”, IEEE Trans

Ind Appl., vol 30, pp 920-926, Aug 1994

16 Morimoto S., Ueno T., Sanada M., Yamagiwa A., Takeda Y., Hirasa T., “Effects and

compensation of magnetic saturation in permanent magnetsynchronous motor drives”,

Proc IEEE IAS Ann Meet., pp 59-64, 1993

17 Morimoto S., Hatanaka K., Tong Y., Takeda Y., Hirasa T., “Servo drive system and

control characteristics of salient pole permanent magnet synchronous motor”, IEEE

trans Ind Appl., vol 29, pp 338-343, Mar/Apr 1993

18 Thomas M Jahns, “Flux-Weakening Regime Operation of an Interior

Permanent-Magnet Synchronous Motor Drive”, IEEE Trans Ind Appl., pp 681-689, vol IA-23,

No 4, Jul./Aug 1987

19 Soong W.L., Miller T.J.E., “Field-weakening performance of brushless synchronous

AC motordrives”, IEEE Proc Electr Power Appl., vol 141, No.6, Nov 1994

20 Fu, Z.X., “Pseudo constant power times speed operation in the field weakening region

of IPM synchronous machines”, Proc IEEE 38th IAS Ann Meet., pp 373- 379, Oct

2003

21 Zhaohui Zeng, Zhou E., Liang D.T.W., “A new flux weakening control algorithm for

interior permanentmagnet synchronous motors”, Proc IEEE IECON 22nd Int Conf.,

pp 1183 - 1186, Aug 1996

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN

1.1 SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA Ô TÔ ĐIỆN (Electric Vehicle -

đề ô nhiễm môi trường ngày càng trở lên nghiêm trọng hơn

Chính vì vậy, các quốc gia công nghiệp đã đặt ra các điều luật về môi trường với mức độ nghiêm ngặt hơn để buộc các nhà chế tạo phương tiện giao thông đặc biệt là nhà sản xuất ô tô phải nghiên cứu, cải thiện sản phẩm của mình nhằm hạn chế nồng độ các chất ô nhiễm trong khí thải

Khi ngành kinh tế và công nghiệp phát triển, đòi hỏi nhu cầu sử dụng năng lượng phát triển mạnh Từ thị trường có nhu cầu về năng lượng không đáng kể trong những năm 1900, đến nay nguồn năng lượng điện chiếm 34% của nguồn tiêu dùng năng lượng của nước Mỹ Trong khi các phương tiện giao thông chỉ sử dụng 27% trong nguồn năng lượng điện được tạo ra Than đá và khí ga tự nhiên cung cấp tới 65% năng lượng dùng để tạo ra điện năng trên thế giới

Ngày nay, nhu khai thác nhiên liệu sinh ra năng lượng tăng cao, trong khi nguồn nhiên liệu này được tạo ra từ tự nhiên ngày càng trở lên ít dần, nhiên liệu hóa thạch đã trở lên đắt và khó chiết suất hơn Do đó, vấn đề cấp thiết đặt ra là tìm nguồn năng lượng thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch đang sử dụng trong các phương tiện giao thông Các xu hướng nghiên cứu và phát triển ngày nay nhằm thay thế động cơ đốt trong bằng động cơ điện cho phương tiện giao thông, để giảm tải nhu cầu sử dụng năng lượng hóa thạch, giảm thiểu khả năng ô nhiễm môi trường và

độ ồn của các phương tiện giao thông Ngành công nghiệp ô tô cũng không nằm ngoài xu hướng phát triển này

Tuy nhiên, mức độ giảm ô nhiễm môi trường do sử dụng năng lượng điện để phục vụ cho hoạt động của ô tô phụ thuộc vào nguồn năng lượng để sản xuất điện năng Nếu sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch để sản xuất điện rồi nạp vào ắc quy

để cung cấp cho ô tô thì mức độ gây ô nhiễm nói chung không giảm mà còn tăng Ngoài ra còn trở ngại khác là khả năng tích trữ điện năng của ắc quy có giới hạn khiến cho quãng đường di chuyển của ô tô điện bị rút ngắn Sự phát triển về công nghệ vật liệu và hóa chất đã giúp chế tạo ra các loại pin dùng trong ô tô điện có độ bền và thời gian sử dụng lâu đã góp phần mở rộng sự phát triển của ô tô điện Ngoài

ra, phát minh về pin nhiên liệu (fuel cells) của William Grove vào năm 1940 được ứng dụng vào EV đã đánh dấu bước phát triển mới trong việc chế tạo và sản xuất

EV

1.2 TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN (EV)

Như đã trình bày ở trên, để giải quyết vấn đề ô nhiễm và nhiên liệu hóa thạch ngày càng khan hiếm thì ý tưởng dùng động cơ điện để thay thế cho động cơ xăng

và động cơ diezen ngày càng trở thành hiện thực bởi một số lý do sau:

+ Động cơ điện có hiệu năng cao hơn động cơ đốt trong và có tỷ lệ công suất trên trọng lượng lớn dẫn đến giảm trọng lượng xe và giảm tiêu hao nhiên liệu

+ Mômen khởi động lớn

+ Công nghệ vật liệu mới ngày càng phát triển giúp cho cải thiện pin nhiên liệu tích trữ được điện năng lớn hơn

+ Giảm thiểu tối đa ô nhiễm môi trường

Động cơ dẫn động chính trong ô tô điện sẽ dẫn động cặp bánh xe thông qua bộ truyền động vi sai Khi động cơ điện quay, mô men được truyền từ hộp số qua trục chính tới bộ truyền động vi sai để dẫn động cặp bánh xe Mô men được chia đều

cho mỗi bánh thông qua bộ điều khiển điện tử

Hình1.1.Cấu tạo chung của bộ phận chuyền động đơn giản trong ô tô điện

Hiện tại, chúng ta có thể chia EV thành 5 dạng như sau:

- Ô tô điện sử dụng pin truyền thống

Ô tô điện bao gồm bộ pin điện để tích trữ năng, một động cơ điện và một bộ điều khiển Pin được nạp thường xuyên từ đường dẫn điện chính qua một phích cắm

và một khối nạp pin Bộ điều khiển sẽ điều khiển thường xuyên để cấp nguồn cho động cơ khi tốc độ ô tô thay đổi khi chuyển động về phía trước hoặc đảo chiều Bộ điều khiển này được biết như là bộ điều khiển hai góc phần tư (2Q), tiến hoặc lùi

Bộ điều khiển này thường xuyên được sử dụng để hãm tái sinh vừa phục hồi năng lượng và là một dạng phanh không ma sát tiện lợi Khi tích hợp bộ điều khiển này cho phép hãm tái sinh theo hướng tiến hoặc đảo chiều thì nó được biết như bộ điều khiển bốn góc phần tư (4Q)

Hình1.2.Mô hình nạp lại của ô tô điện sử dụng pin truyền thống (ắc quy)

- Ô tô điện hybrid (hybrid EV):

Ô tô hybrid là dòng xe sử dụng động cơ tổ hợp, có hai hoặc nhiều hơn hai nguồn công suất Hầu hết các ô tô hybrid kết hợp một động cơ đốt trong với ắc quy

và một động cơ điện và máy phát Động cơ hybrid là loại động cơ kết hợp giữa động cơ chạy bằng năng lượng thông thường với động cơ điện lấy năng lượng từ một ắc quy đặc biệt Nhờ vậy mà động cơ này có thể tiết kiệm được nhiên liệu khi vận hành bằng động cơ điện đồng thời tái sinh được năng lượng điện để dùng khi cần thiết Do đó, dạng ô tô đang chiếm ưu thế chủ đạo hiện nay

Hình1.3.Mô hình ô tô hybrid của hãng Toyota

Ô tô Hybrid được chia làm các loại sau:

+ Hệ thống Hybrid nối tiếp

Ở hệ thống này các bánh xe chủ động được dẫn nhờ một mô tơ điện, động cơ chính của xe chỉ làm nhiệm vụ duy nhất là là làm quay máy phát điện để cấp điện cho động cơ và nạp điện cho ăc quy chính của xe

Hình1.4.Mô hình hệ thống Hybrid nối tiếp

+ Hệ thống hybrid song song:

Hệ thống này động cơ chính làm nhiệm vụ chủ yếu là dẫn động, đồng thời chuyền chuyển động đến máy phát để nạp điện cho ăc quy Mô tơ điện sẽ hỗ trợ trong trường hợp xe cần tăng tốc, nhờ vậy mà có thể tiết kiệm được nhiên liệu

Hình1.5.Mô hình hệ thống Hybrid song song

+ Hệ thống hybrid hỗn hợp

Trong hệ thống này, bộ chia công suất đảm nhiệm việc phân phối công suất từ động

cơ chính và mô tơ điện theo các tỷ lệ khác nhau đến bánh xe chủ động

Hình1.6.Mô hình hệ thống hybrid hỗn hợp

- EV sử dụng nhiên liệu có thể thay thế như nguồn năng lượng sử dụng fuel cells hoặc metal air batteries

Nguyên lý cơ bản của ô tô điện này là sử dụng nhiên liệu khá giống với ắc quy trong ô tô điện, nhưng các ô nhiên liệu hoặc pin khí thủy tinh hóa lỏng thay thế có thể nạp lại ắc quy

- EV được cấp bởi đường dây điện (power lines)

Xe bus điện và xe điện đã được biết đến, và trong một thời gian nó được sử dụng rộng rãi như một phương tiện chính trong thành phố Hiệu quả mà nó đem lại

là là dạng phương tiện vận chuyển trong thành phố không phát thải, phương tiện này vẫn còn đang sử dụng ở một vài thành phố Thông thường nguồn điện cung cấp bởi một đường dây ở phía trên và một ắc quy nhỏ được sử dụng trên xe bus điện để cho phép nó một phạm vi giới hạn mà không sử dụng đến đường cấp điện

- EV sử dụng năng lượng mặt trời (solar energy)

Các ô tô điện sử dụng năng lượng mặt trời như Honda Dream, ô tô đã chiến thắng trong cuộc thi ô tô năng lượng mặt trời năm 1996, giá thành của nó rất đắt và chỉ làm việc có hiệu quả ở những vùng có ánh sáng mặt trời cao Mặc dù nó không thể giống ô tô tự nhiên có thể chạy tương ứng vào mọi lúc trong ngày mà hiệu quả

sẽ giảm về ban đêm khi tế bào photon ánh sáng giảm Mô hình được sử dụng là ô tô được dán các tế bào cảm nhận năng lượng trên vỏ phía trên ô tô

1.3 ĐỘNG CƠ TRONG Ô TÔ ĐIỆN

1.3.1 Đặc tính hoạt động của động cơ trong ô tô điện

Hoạt động của ô tô điện cũng tương tự như hoạt động của ô tô sử dụng động cơ đốt trong Một bộ phận đánh lửa hoặc khối phím số được sử dụng để bật bảng đo lường và các module điện tử của xe Sự sang số diễn ra ở bộ truyền động hoặc bộ ly hợp của xe Khi tác động vào chân phanh, xe có thể đi từ từ giống như xe dùng động cơ đốt trong Khi ngưới lái tác động vào chân ga, một tín hiệu được truyền đến module điều khiển điện tử, nó sẽ tác động một dòng điện và điện áp từ hệ thống ắc quy tới động cơ điện, tương ứng với góc chân phanh Động cơ truyền Momen tới các bánh của ô tô điện Bởi vì đường cong công suất / mômen cho động cơ điện là rộng hơn so với động cơ đốt trong, tăng tốc của xe điện có thể rất nhanh

Ô tô điện ngày nay không sử dụng động cơ một chiều thông thường Vấn đề then chốt đưa ra ở đây là hiệu quả sử dụng năng lượng là tối đa và để cho ô tô điện chạy được khoảng cách xa hơn sau khi nạp điện Công nghệ tái sinh năng lượng là một biện pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề này Hầu hết động cơ điện sử dụng

trong ô tô điện có một đặc tính có sẵn được gọi là hãm tái sinh, quá trình đó diễn ra khi giảm gas trong oto điện Theo như kết quả nghiên cứu ô tô điện ở Bắc Mỹ, năng lượng tái sinh được lưu trữ trong ắc quy sẽ làm cho ô tô điện chạy thêm được 10% - 20% đoạn đường

Năng lượng tái sinh được cho là loại hãm tái sinh khi phanh và hãm tái sinh khi xuống dốc Khi một phương tiện ứng dụng quá trình hãm tái sinh, động cơ truyền động chạy như máy phát và chuyển đổi năng lượng động lực học của xe thành năng lượng điện, năng lượng này có thể được phân phối theo ba cách:

+ Nạp năng lượng cho ắc quy và kéo dài đoạn đường chạy

và điều khiển động cơ truyền động

1.3.2 Các loại động cơ dùng trong ô tô điện

Từ các loại ô tô điện đã phân tích ở trên ta thấy rằng xu thế phát triển ô tô điện đều xoay quanh việc nghiên cứu để tìm ra các loại nhiên liệu thay thế nhiên liệu truyền thống (nhiên liệu hóa thạch) Phần lớn các công trình nghiên cứu trong những năm 1900 đều tập trung vào chế tạo xe chạy bằng pin acquy, đáng chú ý nhất

là General Motors với kiểu xe EV1 Nhưng giá thành, tốc độ, và tầm lái không đủ

xa do đó cũng không có hiệu quả kinh tế Các loại xe chạy bằng pin acquy chủ yếu

sử dụng pin chì acid và pin NiMH Khả năng nạp lại của các laoị pin chì acid giảm đáng kể nếu chúng bị sử dụng hết trên 75% thường xuyên, dãn đến chúng không phải là một giải pháp lý tưởng Các pin NiMH là lựa chon tốt hơn, nhung giá thành đắt hơn đáng kể so với chì – acid Ngày nay các nghiên cứu và phát triển đều hướng vào xe ô tô điện hybrid sử dụng cả năng lượng điện và động cơ đốt trong Loại xe Hybrid đầu tiên bán tại Mỹ là loại Honda Insight Cho đến 2005, loại xe này vẫn được sản xuất và đạt được khoảng 25.5 kilomet/lít

Vấn đề quan trọng nhất trong ô tô điện là nguồn năng lượng và bộ phận truyền động Trong bộ phận truyền động của ô tô là động cơ điện Có hai loại hệ thống truyền động điện chính: xoay chiều (AC) và một chiều (DC) Trước đây, động cơ 1 chiều đã được sử dụng trong các ứng dụng để thay đổi tốc độ Thời gian gần đây do nhưng cải tiến về điện tử công suất, dẫn đến động cơ xoay chiều giờ đây đã được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng Động cơ một chiều điều khiển đơn giản hơn và không đắt hơn, nhưng kích thước và khối lượng lớn hơn so với động cơ xoay chiều, cũng như động cơ xoay chiều và các bộ điều khiển có hiệu suất cao và có dải điều chỉnh rộng Cùng với sự hạn chế về mặt công nghệ chế tạo và phương pháp điều khiển nên trong các loại ô tô điện trước đây thường sử dụng động cơ một chiều (DC motor) Động cơ DC tuy điều khiển và chế tạo đơn giản nhưng kích thước và khối lượng lớn sẽ làm tăng nhiên liệu sử dụng khi ô tô chuyển động và hiệu suất và chất lượng hoạt động của động cơ không cao Hơn nữa do đặc tính của động cơ một chiều có chổi than - cổ góp nên chất lượng điện áp không cao Khi động cơ chạy ở tốc độ cao ma sát chổi than tăng, do đó momen hữu ích giảm Hồ quang ở chổi than khi chuyển mạch sinh ra nhiễu điện ảnh hưởng tới các thiết bị xung quanh Sau đó,

để thay thế nhược điểm cơ bản của động cơ một chiều thông thường là chổi than, nó được thay thế bằng động cơ một chiều không chổi than (BLDC) Động cơ một chiều thông thường: thay vì dùng bộ chuyển mạch cơ khí bằng chổi than-vành góp thì động cơ BLDC dùng bộ chuyển mạch điện tử Về cấu trúc, động cơ BLDC bao gồm các bộ phận: Stator, Rotor, cảm biến vị trí và bộ chuyển mạch điện tử Trong đó, Stator và Rotor nằm trong động cơ, bộ cảm biến vị trí thường được gắn đồng trục bên trong vỏ động cơ còn bộ chuyển mạch điện tử có thể được đặt bên ngoài nhưng

vì hoạt động của động cơ BLDC gắn liền với bộ này nên ta có thể coi nó như một phần của động cơ Động cơ một chiều không chổi than so với động cơ một chiều thông thường có những ưu điểm sau:

+ Thời gian làm việc dài hơn

+ Đặc tính cơ êm cho phép hoạt động ở tất cả các tốc độ với tải xác định

+ Hiệu suất cao, không có điện áp rơi qua chổi than

+ Công suất ra/kích thước cơ cấu cao, giảm được kích thước vì các đặc tính nhiệt cao Động cơ BLDC có các cuộn dây trên Stator, nó được nối với vỏ, nhiệt được tiêu tán tốt hơn

+ Quán tính Rotor thấp do có cac nam châm vĩnh cửu trên roto Điều này làm tăng

sự linh hoạt trong điều khiển động cơ

+ Dải tốc độ do không bị hạn chế bởi sự chuyển mạch cơ khí như động cơ một chiều thông thường

+ Sự phát sinh tiếng ồn điện thấp

Tuy nhiên giá thành chế tạo động cơ BLDC cao hơn so với động cơ một chiều thông thường

Ngày nay, do sự phát triển của công nghệ vật liệu và công nghệ chế tạo đã chế tạo, động cơ nam châm vĩnh cửu cực chìm (IPM) đã dần dần thay thế động cơ 1 chiều (DC) và động cơ một chiều không chổi than (BLDC) bởi một số ưu điểm sau: + Động cơ IPM có sự chênh lệch khe hở không khí trên hai trục d và trục q, nên điệncảm trên trục q lớn hơn điện cảm trên trục d (Ld < Lq) Đây là yếu tố làm momen của động cơ IPM lơn hơn so với động cơ điện một chiều thông thường khi cùng các thông số cơ bản

+ Nam châm được gắn bên trong rotor, có các đặc điểm như: bền vững hơn, cho phép hoạt động ở tốc độ cao

+ Mômen điều khiển động cơ trơn

+ Điều khiển tốc độ sâu hơn ( tốc độ điều khiển trên vùng tốc độ cơ bản do đặc điểm của động cơ IPM)

Nhờ những đặc điểm quan trọng trên mà động cơ IPM ngày càng được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực ô tô điện

CHƯƠNG 2

MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ IPM

2.1 KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

Các động cơ điện xoay chiều dùng rộng rãi trong công nghiệp thường là các động cơ điện không đồng bộ, vì chúng có những đặc điểm như cấu tạo đơn giản, làm việc chắc chắn, bảo quản dễ dàng và giá thành hạ Tuy nhiên, các động cơ điện đồng bộ do có những ưu điểm vượt trội nên ngày càng được sử dụng rộng rãi và có thể so sánh với động cơ không đồng bộ trong lĩnh vực truyền động điện

Động cơ đồng bộ có thể chia thành 3 loại: động cơ đồng bộ dây quấn, động cơ đồng bộ từ trở và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Ở dải công suất trung bình

và nhỏ, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu được sử dụng rộng rãi, đặc biệt trong các truyền động servo công suất nhỏ, máy công cụ, truyền động tay máy và robot

Ở động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, cuôn dây stator giống như ở động cơ đồng bộ rotor dây quấn, nhưng cuộn kích từ của rotor được thay thế bởi một nam châm vĩnh cửu Ưu điểm của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là triệt tiêu tổn thất đồng ở rotor, nhưng lại mất đi sự linh hoạt của điều chỉnh từ thông so với động

cơ đồng bộ rotor dây quấn Với những loại nam châm vĩnh cửu có suất năng lượng cao (như NdFeB), kích thước của động cơ sẽ nhỏ hơn với mômen quán tính thấp hơn, rất thuận lợi cho nhiều ứng dụng truyền động Giá thành đắt hơn động cơ không đồng bộ, nhưng bù lại, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu lại có hiệu suất cao hơn Tuy nhiên trong nhưng năm trở lại đây, giá thành NdFeB có xu hướng giảm, dẫn đến động cơ nam châm vĩnh cửu càng được ứng dụng rộng rãi Dải công suất sử dụng là trung bình và thấp và thường nhỏ hơn 100kW

Trong phạm vi đồ luận án này, ta sẽ chỉ phân tích chi tiết về động cơ IPM công suất nhỏ và trung bình Tiêu chuẩn thiết kế các động cơ servo đồng bộ dùng cho truyền động trong ô tô phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

• Mật độ từ thông khe hở không khí cao

• Tỷ số công suất / trọng lượng cao

• Tỷ số mômen / quán tính lớn (để đạt gia tốc lớn)

• Mômen đều (đập mạch nhỏ) ngay cả khi tốc độ thấp (để đạt độ chính xác cao về vị trí

• Vùng điều chỉnh tốc độ rộng

• Có khả năng sinh mômen lớn, đáp ứng nhanh (thời gian tăng giảm tốc ngắn)

• Hiệu suất cao và hệ số cosφ cao;

• Cấu trúc vững chắc

Có thể thỏa mãn các yêu cầu này bằng cách sử dụng điều khiển vector các máy điện động bộ nam châm vĩnh cửu

2.2 CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI

2.2.1 Kết cấu động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Stator của động cơ đồng bộ bao gồm lõi thép, trong có đặt dây quấn stator và thân động cơ, nắp động cơ Lõi thép stator được ép bằng các lá tôn silic dày 0.5mm, hai mặt có phủ sơn cách điện Dọc chiều dài lõi thép stator cứ cách khoảng 3 - 6 cm lại có một rãnh thông gió ngang trục, rộng 10mm Thân động cơ phải được thiết kế chế tạo sao cho trong nó hình thành hệ thống đường thông gió làm mát động cơ Nắp được chế tạo từ gang dục hoặc thép tấm

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 có lõi thép được chế tạo bằng thép đúc và được gia công thành khối lăng trụ hoặc khối hình trụ Trên mặt hoặc bên trong được gắn nam châm vĩnh cửu Đây chính là đặc điểm phân loại máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

2.2.2 Phân loại

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có hai loại: nam châm bề mặt (cực tròn) SPM và nam châm chìm IPM như Hình 2.1

Ở động cơ SPM, nam châm vĩnh cửu được gắn trên bề mặt rotor, tác dụng khe

hở không khí lớn, đồng bộ, khiến cho động cơ có các đặc tính giống như động cơ cực ẩn Do đó điện cảm đồng bộ ngang trục và dọc trục nhỏ và bằng nhau Ld = Lq Ảnh hướng của phản ứng phần ứng cũng bị giảm do điện cảm từ hóa nhỏ Mật độ từ thông khe hở được phân bố đều, do vậy độ đập mạch của mômen nhỏ

Còn động cơ IPM, nam châm được gắn bên trong rotor, có các đặc điểm như: bền vững hơn, cho phép hoạt động ở tốc độ cao; khe hở không khí không đều, ở vị trí trục d lớn hơn trục q, khiến cho Ld < Lq; và với ảnh hưởng khe hở không khí nhỏ, phản ứng phần ứng có phần vượt trội Động cơ có đặc tính giống như động cơ cực lồi

Hiện nay, SPM được sử dụng rộng rãi hơn trong công nghiệp, tuy nhiên, động

cơ IPM có những ưu điểm riêng (mômen sinh ra lớn hơn, tốc độ cao hơn, điều chỉnh

từ thông được nhiều hơn)

Hình 2.1 Hai loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

(a) nam châm bề mặt SPM (cực tròn), (b) nam châm chìm IPM

2.2.3 Vật liệu nam châm vĩnh cửu

Hình 2.2 Điểm làm việc của động cơ nam châm vĩnh cửu trên đường từ hóa

Đặc tính từ hóa của một nam châm vĩnh cửu và sự lựa chọn các loại vật liệu riêng cho nó là rất quan trọng trong khi thiết kế một động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PM) Hình 2.2 cho thấy phần khử từ của đường cong từ hóa B-H khi sử dụng nam châm vĩnh cửu Mật độ từ thông cực đại Br ứng với điểm A’ là điểm bắt đầu nếu như nam châm được ngắn mạch với các đai thép (không có khe hở không khí) Khi nam châm được lắp đặt trong động cơ, khe hở không khí sẽ có hiệu ứng khử từ và hoạt động tại điểm B’ ứng với đường không tải như ở trên hình vẽ Độ dốc của đường đặc tính không tải (ứng với trục H) sẽ ít hơn với khe hở không khí

lớn hơn Khi có dòng điện chạy trong dây quấn stato, hiệu ứng tương tác phần ứng trên trục từ (d) có thể gây ra hiệu ứng khử từ và làm giảm mật độ từ thông trong khe

hở không khí Đường đặc tính tải ứng với trường hợp khử từ lớn nhất, xảy ra khi khởi động, quá độ, hoặc khi động cơ hỏng hóc, cũng được chỉ ra trên hình vẽ Tại điểm hoạt động D nếu sự khử từ được loại bỏ, nam châm sẽ phục hồi dọc theo đường phục hồi (nét đứt), có độ dốc xấp xỉ đường khử từ (đậm) ở gần điểm H = 0 Trong những lần hoạt động sau, điểm làm việc ổn định là giao điểm của đường tải

và đường hồi phục Do đó, nam châm bị khử từ vĩnh viễn tại chế độ làm việc không tải tương ứng với khoảng cách giữa A’ và A Do đó, điểm khử từ lớn nhất có ý nghĩa vô cùng quan trọng đối với sự hoạt động của động cơ và cần được điều chỉnh thật chính xác Tuy nhiên, nếu như vật liệu nam châm vĩnh cửu được lựa chọn để có được đặc tính từ hóa thẳng, thì đường hồi phục đồng nhất với đường khử từ bất chấp điểm khử từ lớn nhất (tức là sự khử từ vĩnh viễn sẽ được bỏ qua)

Hình 2.3 Đặc tính của một vài loại vật liệu nam châm vĩnh cửu

Hình 2.3 chỉ ra các đặc tính của một vài vật liệu nam châm vĩnh cửu Alnico

có nhiệt độ làm việc cao, sự ổn định nhiệt tốt và mật độ từ thông lớn nhưng có nhược điểm là từ kháng thấp, được ghép với đặc tính B-H có dạng gần vuông, sẽ gây ra sự khử từ vĩnh cửu cao đến mức mà thực tế không thể áp dụng được cho các động cơ nam châm vĩnh cửu Các loại vật liệu Barium và Ferrit strontium được sử dụng rộng rãi cho nam châm vĩnh cửu Dùng Ferrite có lợi là giá thành thấp và nguồn nguyên liệu nguyên chất là dồi dào Chúng cũng dễ dàng để sản xuất, và quá trình này diễn ra trong khối lượng thời gian lớn đủ để làm chậm sự tăng nhiệt độ làm việc (400oC) Loại nam châm này có đường cong khử từ tuyến tính nhưng độ từ

dư (Br) lại thấp Do đó, kích cỡ và khối lượng của máy điện trở nên lớn hơn Nam

châm Cobalt – Samarium được sản xuất từ sắt, nikel, cobalt, và Samarium Nó có

ưu điểm là từ dư cao, mật độ năng lượng cao (BHm), và các đặc tính khử từ tuyến

tính Nhiệt độ làm việc có thể đạt đến 300oC và nhiệt độ ổn định (% sự thay đổi của

B mỗi oC) là rất tốt (-0.03%) Nhưng, vật liệu này giá thành rất đắt bởi vì Samarium

rất hiếm Nam châm Neodium-sắt-boro (Nd-Fe-B) có mật độ năng lượng cao nhất,

từ dư lớn nhất, và độ kháng từ (Hc) rất tốt Nhược điểm của chúng là nhiệt độ làm

việc thấp (150oC) và dễ bị oxi hóa lớp bảo vệ bề mặt Ngoài ra, nhiệt độ ổn định

(-0.13%) kém hơn so với nam châm CoSm Vật liệu này là đắt hơn so với ferrite,

nhưng bởi vì mật độ năng lượng cao hơn nên khối lượng máy điện là giảm đi Ứng

dụng của các nam châm Nd-Fe-B vẫn tiếp tục được phát triển cho các máy điện

nam châm vĩnh cửu

2.3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC

2.3.1 Hệ phương trình cơ bản của động cơ

Ta có phương trình điện áp ba pha cuộn dây stator khi bỏ qua tổn thất lõi thép

rotor (trên thực tế, tổn thất lõi thép rotor của động cơ không đáng kể):

với R là điện trở cuộn dây pha stator; ψa, ψb, ψc là từ thông stator cuộn dây pha a, b,

c Áp dụng công thức (2.3) cho điện áp ta có vector điện áp stator quan sát trên hệ

Thay các điện áp pha trong (2.1) vào (2.2) ta có phương trình điện áp dưới dạng

vector như sau:

ψ = + ψ ( 2.8) Ngoài ra, để mô tả động cơ đồng bộ đầy đủ, cần thêm hai phương trình mômen và phương trình động học:

- Quan sát động cơ đồng bộ nam châm trong ta thấy khoảng cách từ khe hở không khí tới nam châm bên trong rotor ở mỗi vị trí khác nhau là khác nhau Điều

đó dẫn đến các trị số điện cảm stator khác nhau khi đo với các vị trí khác nhau của rotor

2.3.2 Mô tả toán học của động cơ trên hệ tọa độ d-q

2.3.2.1 Mô tả toán học

Với động cơ nam châm vĩnh cửu cực lồi (nam châm ẩn), như đã trình bày ở chương trước, Ld < Lq, trong đó sự chênh lệch định lượng cụ thể là tùy thuộc vào từng loại động cơ Phương trình (2.8) có thể được viết như sau:

Với Ld, Lq là điện cảm stator trục d và q được tính bằng Ld = Lls + Lmd; Lq = Lls

+ Lmq với Lls, Lmd, Lmq theo thứ tự là các thành phần điện cảm rò stator, điện cảm từ

hóa trục d, q Viết lại (2.6) dưới dạng phương trình của các phần tử vector và thay

(2.10a,b) vào ta được:

Trong đó Td = Ld/Rs là hằng số thời gian trục d của mạch stator

Tq = Lq/Rs là hằng số thời gian trục q của mạch stator

So sánh với động cơ không đồng bộ, ta thấy được ưu thế của động cơ đồng bộ

nam châm vĩnh cửu: do đặc điểm kích thích vĩnh cửu, hệ phương trình mô tả động

cơ đã bớt đi được hai phương trình từ thông rotor và do đó vector trạng thái đơn

giản đi hai chiều so với động cơ không đồng bộ

Thay thế các phần tử của vector is và ψs vào phương trình (2.9) ta có phương

trình mômen điện từ của động cơ:

- Chú ý rằng những phương trình trên đúng cho cả động cơ cực ẩn (SPM) khi

ta cho các giá trị Ld = Lq Chúng sẽ được dùng cho việc xây dựng mô hình động cơ,

mô phỏng trên Matlab/Simulink

- Phương trình (2.15) chỉ ra rõ ràng rằng mômen quay của động cơ đồng bộ

gồm hai thành phần: thành phần chính với tích ψpiq và thành phần phản kháng

do sự chênh lệch điện cảm stator (Ld - Lq ≠ 0) gây ra Trong mọi chế độ vận hành,

động cơ đồng bộ phải sản sinh một thành phần mômen phụ để bù lại thành phần

phản kháng Thành phần phản kháng tồn tại một cách rõ ràng và không bỏ qua được với động cơ cực chìm Đối với loại cực ẩn, thành phần đó không được tính đến trong các phương án điều khiển, điều chỉnh kinh điển Việc bỏ qua đó giúp làm đơn giản hóa hệ thống điều chỉnh và trên thực tế có thể chấp nhận được trong dải tốc độ quay cơ sở (là dải tốc độ dưới tốc độ quay cơ bản) bởi dải đó luôn có id = 0 Ngược lại, ở dải tốc độ trên tốc độ cơ bản, để thêm được điện áp điều chỉnh, ta phải giảm biên độ từ thông rotor bằng cách bơm vào trục d một thành phần dòng id < 0, động

cơ đồng bộ lúc này vận hành ở chế độ giảm từ thông và dòng id sẽ có biên độ lớn tăng tỷ lệ thuận với tốc độ quay rotor Điều đó dẫn đến thành phần mômen phản kháng có khả năng đạt được biên độ đáng kể không thể bỏ qua được

Hình 2.4 Sơ đồ mạch thay thế động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm

trong hệ trục tọa độ quay đồng bộ (d-q) Hình 2.5 đưa ra sơ đồ mạch thay thế động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm trong hệ trục tọa độ quay đồng bộ (d-q) Dòng điện If’ là dòng điện thay thế tương đương gây ra từ trường của nam châm vĩnh cửu ψf = LdmIf’

với Ef là sức điện động cảm ứng trong dây quấn stator do từ trường của nam châm vĩnh cửu gây ra, được tính theo Ef = ωeψf

Nếu bỏ qua điện trở pha stator của động cơ, ta có thể vẽ được đồ thị vector của động cơ như Hình 2.6 Hình vẽ biểu diễn các đồ thị vector của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm, bao gồm cả các vector từ thông Sức điện động cảm ứng Ef trùng với trục q, và ψf trùng với trục d Điện áp pha Us và dòng điện pha Isxác định thành phần tương ứng theo các trục dvà q và các vector điện áp được vẽ tương ứng với các tổn thất phản kháng Trong đồ thị vector này, từ thông phản ứng phần ứng ψa cùng với từ thông nam châm vĩnh cửu của stato sinh ra từ thông stato

ψs như hình vẽ Đồ thị vector trên hệ trục d-q cũng có thể biểu diễn cho máy điện cực tròn (SPM) khi Xd = Xq

CHƯƠNG 3

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ IPM

Cấu trúc cơ bản và đặc điểm của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu IPM đã được phân tích ở chương 2 Có thể tóm tắt như sau, do ảnh hưởng khe hở không khí nhỏ

và không đều đối với các trục d và q, nên động cơ có Ld < Lq và phản ứng phần ứng đáng kể

Như đã nói ở những phần trước, mômen của động cơ đồng bộ cực ẩn có 2 thành phần: (1) thành phần gây bởi từ thông nam châm vĩnh cửu, và (2) thành phần mômen từ trở Mômen tổng của động cơ cực lồi được tính theo công thức:

Ld, phương trình mômen tồn tại cả hai thành phần, không như các động cơ động bộ dây quấn; cực ẩn hay động cơ đồng bộ từ trở

Giống như động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm có thể hoạt động bằng cách trực tiếp đấu với nguồn hoặc điều chỉnh mạch hở U/f, và khi đó rất cần cuộn dập để giảm dao động Tuy nhiên, ở chế độ tự điều chỉnh, động cơ không cần cuộn dập

Phương pháp điều khiển động cơ IPM được xây dựng trên cơ sở sử dụng phương pháp điều khiển véc tơ tựa từ thông để điều khiển động cơ đồng bộ như điều khiển động cơ môt chiều Thay vì điều khiển tần số độc lập của bộ biến đổi, tần

số và pha của sóng phía đầu ra được điều khiển bởi bộ PWM như hình sau:

Hình 3.1 Sơ đồ hệ truyền động

Phương pháp điều khiển tựa từ thông được tìm ra và được áp dụng vào năm

1970 và đã cho thấy rằng, với động cơ từ trở hay động cơ đồng bộ có thể điều khiển như động cơ một chiều kích từ độc lập bằng điều khiển sức điện động có hướng của stato (mmf) hoặc véc tơ dòng điện có mối quan hệ với từ thông roto tác động tới đối tượng điều khiển Để động cơ có thuộc tính như động cơ một chiều, khi điều khiển phải biết được vị trí tức thời của từ thông roto hay vị trí roto của nam châm vĩnh cửu tức là cần phải có một máy phân tích hoặc cảm biến vị trí quang học Khi biết được vị trí, dòng điện của 3 pha có thể tính toán được Việc tính toán sử dụng ma trận dòng điện phụ thuộc vào mong muốn điều khiển

Phương pháp điều khiển vector là đưa các đại lượng của động cơ như dòng điện, điện áp, từ thông về dạng vector, sau đó quan sát các vector đó trên một hệ tọa

độ nào đó, tĩnh hoặc động Mục đích chính là phân ly dòng điện thành hai thành phần chính: một thành phần sinh từ thông, một thành phần sinh mômen quay và điều khiển riêng biệt hai thành phần này giống như động cơ một chiều Trong phần này, chúng ta sẽ phân tích 2 phương pháp điều khiển vector cho hệ truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi: tựa từ thông rotor và tựa từ thông stator Mỗi phương pháp đều có 3 chế độ: chế độ mômen không đổi, chế độ công suất không đổi và tích momen với tốc độ là không đổi Các cách lựa chọn này dựa trên giới hạn vật lý của động cơ và bộ biến đổi Động cơ sẽ làm việc ở chế độ mômen không đổi khi tốc độ động cơ nhỏ hơn tốc độ cơ bản, khi đó bộ nghịch lưu cấp nguồn cho động cơ còn có thể điều chỉnh bằng PWM Khi tốc độ động cơ vượt

quá tốc độ cơ bản, bộ nghịch lưu sẽ bão hòa, tức là điện áp đầu ra bộ nghịch lưu sẽ

là điện áp vuông, điều khiển vector hoàn toàn không còn tác dụng Muốn khôi phục lại điều chỉnh vector, ta phải làm giảm từ thông (vùng P = const, P.ω =const) Ở động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm, do khe hở không khí nhỏ, điện cảm

từ hóa lớn, phản ứng phần ứng xảy ra mạnh hơn so với động cơ cực ẩn, do vậy từ thông stator giảm được nhiều hơn, cho phép hoạt động ở vùng tốc độ cao hơn

Hình 3.2 Các vùng điều chỉnh tốc độ động cơ IPM

Điều khiển động cơ IPMSM được điều khiển tương đương như điều khiển động

cơ một chiều bằng hai phương pháp như đã biết là điều khiển tựa từ thông hoặc điều khiển véc tơ

3.1 ĐIỀU KHIỂN VECTOR TỰA TỪ THÔNG STATOR

3.1.1 Nguyên lý điều chỉnh

Từ thông stator ψs được điều chỉnh trực tiếp bằng mạch vòng phản hồi Ở động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi, từ thông nam châm ψf là hằng số (hoặc gần như không đổi), và do có phản ứng phần ứng mạnh, có thể tự nhiên điều chỉnh từ thông stator và định hướng dòng điện theo ψs để tối ưu đáp ứng quá độ Luật điều khiển sẽ được mô tả có tầm quan trọng đặc biệt cho các hệ truyền động ô

tô điện (EV)

Hình 3.3 Đặc tính cơ mômen- tốc độ của hệ truyền động

Hình 3.3 đưa ra đặc tính cơ của hệ truyền động, và các đường cong điện áp

pha Us, từ thông stator ψs Động cơ có 2 vùng hoạt động: PWM cho vùng mômen

không đổi, khi còn có thể điều khiển vector dòng điện; và vùng điện áp vuông -

công suất không đổi hoặc suy giảm từ thông Ranh giới giữa hai vùng phụ thuộc

vào điện áp một chiều đầu vào bộ nghịch lưu Ud, có thể biến thiên rộng đối với các

ứng dụng ô tô điện Ud càng lớn (Ud2 > Ud1) thì giới hạn Us cũng sẽ tăng tỉ lệ, và do

đó công suất đầu ra cũng tăng tỉ lệ theo Từ thông stator của động cơ có thể xem

như là một hàm của mômen để tăng hiệu suất khi non tải (Hình 3.7) Nếu tổn thất

lõi sắt là một hàm của từ thông cũng như tần số, từ họ các đường đặc tính mômen

và tần số ta sẽ tìm được đường đặc tính có hiệu suất cao nhất Biên giới giữa hai chế

độ PWM và SW trên Hình 3.3 Phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa từ thông

và tốc độ của đường đặc tính này:

với ψs là từ thông stator, ψsr là từ thông stator ứng với mômen đặt Ter, ψf là từ thông

nam châm vĩnh cửu, ωb là tốc độ cơ bản, ωr là tốc độ rotor, ωe là tốc độ vượt

Hình 3.4. Quan hệ giữa từ thông stator (ωbψs) với mômen

Đồ thị vector của động cơ, đúng trong trạng thái xác lập, được mô tả trên

Hình 3.6 Với động cơ quay thuận, đồ thị vector có thể xem như được quay ngược

chiều kim đồng hồ với tốc độ đồng bộ đối với trục α cố định, và tại mọi thời điểm,

góc giữa trục từ thông rotor d và trục cố định α luôn là θe = ωet Từ thông phần ứng

ψa được cho bởi:

Thành phần này sẽ kết hợp với từ thông nam châm ψf để tạo thành từ thông stator,

tạo với trục d góc δ Các vector điện áp Us và sức điện động cảm ứng quay Ef, theo

thứ tự có giá trị bằng ωeψs và ωeψf, và vuông góc với các vector từ thông tương ứng

Thành lập một hệ trục d’ - q’, trùng phương với vector ψs và Us như hình vẽ

Vector dòng điện Is lệch pha so với Us góc φ (hệ số góc công suất) Dòng Is có thể

phân tích thành 2 thành phần id - iq trên hệ trục d - q hoặc IM - IT trên hệ trục d’ - q’

Thành phần dòng điện sinh mômen IT (gây công suất tiêu thụ) có thể điều chỉnh

mômen Thành phần dòng điện phản kháng (hay thành phần từ hóa) IM, gắn với từ

thông stator có thể điều chỉnh ψs Tuy nhiên, ψs là một hàm của cả IT và IM Phương

trình mômen (2.22) có thể biểu diễn trên hệ trục mới như sau:

vì ψq’ = 0 và ψd’ = ψs

Hình 3.5 Đồ thị vector của động cơ động bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi

Ở vùng mômen không đổi, mômen có thể điều chỉnh bằng dòng IT, với từ thông ψs có thể duy trì ở một giá trị xác định bởi quan hệ trên Hình 3.4 Đường cong nét đứt AB trên hình 3.6 là quỹ tích của vector ψs khi mômen tăng từ 0 đến giá trị đặt ở vùng mômen không đổi (xem hình 3.4) Ở điểm A, mômen Te = 0, IT =0, và

do đó ψs = ψf Khi Te tăng, ψs tăng, yêu cầu IT và IM cũng phải tăng cho tới khi đạt giá trị mômen đặt

Hình 3.6 đưa ra mối quan hệ dòng điện IM và IT Cần chú ý rằng với động cơ đồng bộ dây quấn, từ thông ψs được điều chỉnh bởi dòng điện kích từ, và do đó, động cơ luôn hoạt động với một hệ số công suất nhất định Mặt khác, với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm, từ thông được điều chỉnh bởi thành phần dòng IM; do vậy động cơ hoạt động với hệ số công suất nhỏ hơn 1 Ở biên giới của vùng mômen không đổi, điều chỉnh IT và IM hay nói cách khác là điều chỉnh vector không còn thực hiện được nữa do sự bão hòa của bộ nghịch lưu Sau đó động cơ hoạt động ở vùng công suất không đổi Và tất nhiên, ψs có thể giảm như là một hàm của tốc độ ở vùng công suất không đổi để có thể khôi phục lại điều chỉnh dòng điện (khôi phục điều chỉnh vector)

Dòng phản kháng

Dòng tiêu thụ

Hình 3.6 Quan hệ giữa dòng phản kháng (IM*) và dòng tiêu thụ (IT*)

Hình 3.7 đưa ra sơ đồ khối đơn giản của một hệ điều khiển vector tựa từ thông stator Về cơ bản đây là một hệ điều chỉnh mạch vòng mômen kín dùng cho các ứng dụng máy kéo Có thể sử dụng mạch vòng vị trí và tốc độ nếu muốn Hình

vẽ bao gồm một số khóa chuyển mạch để chuyển sang chế độ điện áp vuông, sẽ được giải thích ở phần sau Bộ xử lý tín hiệu phản hồi sẽ nhận tín hiệu dòng điện ia

và ib, góc vị trí rotor θe dạng dốc (0-360o điện) và nhiệt độ stator Ts Nó sẽ thực hiện những công việc tính toán sau:

• Tổng hợp sinθe và cosθe

• Ước lượng từ thông stator ψs

• Chuyển hệ tọa độ cố định sang hệ tọa độ quay

• Ước lượng mômen

• Ước lượng góc mômen

Khối này sẽ được mô tả chi tiết sau Trên hình 3.7 mômen đặt Te* được so sánh với mômen phản hồi, sai lệch đầu ra qua bộ điều chỉnh P-I tạo thành dòng điện đặt IT* Dòng phản kháng (hay dòng từ hóa) đặt IM* nhận được từ quan hệ giữa dòng phản kháng và dòng tiêu thụ trên hình 3.6 Hệ thống cũng có mạch vòng điều chỉnh từ thông, với từ thông stator đặt ψs* lấy từ mômen đặt thông qua mô hình từ thông trên Hình 3.4 Mạch vòng từ thông đưa ra dòng từ hóa ∆IM* cộng thêm vào đầu ra của

mô hình dòng điện, giúp duy trì ψs mong muốn ngay cả khi tham số của động cơ có thay đổi Mô hình từ thông có thể được thay thế bằng ψsr* không đổi nếu như hệ hoạt động với mômen đặt không đổi

Hình 3.7 Điều khiển vector tựa từ thông rotor ở chế độ mômen không đổi

Các tín hiệu đặt IT* và IM* sau đó được xử lý qua các mạch vòng dòng điện,

VR, và bộ chuyển đổi 2 pha sang 3 pha để đưa ra 3 tín hiệu dòng stator đặt như trên

hình vẽ Mạch vòng dòng điện được mô tả chi tiết trên Hình 3.8 Có thể sử dụng

các bộ điều chỉnh dòng điện với các đặc điểm sau: (1) điều chỉnh dòng điện theo dải

trễ (đây không phải phương pháp tối ưu sóng điều hòa bậc cao); (2) điều chỉnh dòng

điện bão hòa từng phần, sẽ khiến cho đặc tính chuyển chế độ sang SW trơn hơn

Giả thiết ở thời điểm hiện tại có tất cả các tín hiệu phản hồi của khối xử lý tín

hiệu trên hình 3.7 Thành phần dòng điện id và iq có thể chuyển thành IM và IT bằng

những phương trình quan hệ sau:

Hình 3.8 Điều chỉnh dòng điện

Có thể dùng bộ điều chỉnh P-I hoặc bộ điều chỉnh dòng trễ (Hysteresis Band)

cho mạch vòng IT và IM đảm bảo theo dõi tín hiệu dòng đặt và tín hiệu dòng thực

khi bộ điều chỉnh dòng điện còn phát huy tác dụng Những tín hiệu dòng điện này là

các vector quay, do vậy IT*’ và IM*’ tương ứng cùng phương với các vector Us và ψs

như hình 3.8 Các vector này có thể được tính toán góc lệch như sau:

Khi tốc độ tăng trên vùng mômen không đổi, sức điện động cảm ứng Ef tăng

và bộ điều chỉnh dòng điện rơi vào vùng trên PWM Trong trường hợp này, đầu ra

của mạch vòng dòng điện sẽ tăng cao hơn tín hiệu đặt tương ứng, trong khi tín hiệu

đặt và phản hồi vẫn như vậy bởi bộ điều chỉnh P-I Khi tốc độ tiếp tục tăng cao, số

lượng xung vuông trong một chu kỳ của bộ điều chỉnh giảm và cuối cùng ở chế độ

SW, bộ điều chỉnh dòng điện hoàn toàn bão hòa và mạch vòng dòng điện trở nên vô

tác dụng

3.1.2 Xử lý tín hiệu phản hồi

cosθ e - sinθ e — Tổng hợp hai thành phần này được thực hiện bởi look-up

table, đơn giản và không cần giải thích chi tiết

Ước lượng từ thông — Ước lượng chính xác từ thông ψs là rất khó vì sự bão

hòa điện cảm với rotor lồi , gây ra ảnh hưởng chéo giữa trục từ thông dọc và ngang

Các mô hình và mô phỏng mở rộng đã được kiểm nghiệm thực tế đưa ra những

phương trình từ thông sau:

Tất cả các hằng số trên các phương trình trên phụ thuộc vào từng động cơ được sử

dụng Điện áp Uq’ và Ud’ biểu diễn thành phần từ thông tương ứng ở tốc độ cơ bản

ωb Những phương trình trên chỉ ra rằng tham số Lq và ψf là các hàm của id và iq,

nhưng Ld thực chất vẫn duy trì không đổi

VR -1 của i a và i b — Dòng điện id và iq có thể nhận được từ dòng điện pha bởi

bộ chuyển đổi 3φ/2φ và quay vector, như đã đề cập ở trên Các biểu thức đó là:

Ước lượng mômen và góc δ — Một khi từ thông và dòng điện trục d và q đã

được ước lượng thì mômen cũng có thể tính được theo công thức:

Usin

U

b

Ucos

U

3.1.3 Điều chỉnh giảm từ thông ở chế độ điện áp vuông (SW)

Điều chỉnh giảm từ thông ở chế độ SW có lợi thế đơn giản điều chỉnh và cải

thiện hiệu suất vì đã giảm tổn thất khi chuyển mạch nghịch lưu Tuy nhiên, điều bất

lợi là đáp ứng quá độ không được tối ưu và sự chuyển đổi phức tạp giữa chế độ điều

khiển vector PWM và chế độ SW Ý tưởng cơ bản của điều chỉnh mômen ở chế độ

xung vuông là hướng trục điện áp Us (trục q’) (xem hình 3.6) tạo với trục Ef (q) một

góc mong muốn δ Hình 3.10 mô tả sơ đồ khối điều chỉnh đơn giản ở chế độ xung

vuông SW

Khóa chuyển mạch trên hình vẽ chỉ ra cho thấy cấu trúc điều chỉnh có thể

chuyển từ chế độ PWM (1) sang chế độ SW (2) Mạch vòng điều chỉnh mômen đưa

ra tín hiệu sinδ* đặt qua một bộ điều chỉnh P-I từ phương trình mômen:

Tín hiệu sinδ* đặt được chuyển thành góc δ* bằng lookup table sin-1 Góc δ*

được cộng vào với góc rotor như hình vẽ Góc tổng (θe + δ*) được chuyển thành

cos(θe + δ*) và sin(θe + δ*) Điều chỉnh góc δ* được thực hiện với sự có mặt của bộ

VR trên hình 3.9, sau khi chuyển vị trí của khóa DPDT (double-pole double-throw)

sang vị trí 2 và coi cos(θe + δ*) và sin(θe + δ*) như tín hiệu điều khiển Hình 3.11

giải thích chi tiết nguyên lý điều chỉnh góc lệch pha bằng dạng sóng dòng điện và

điện áp Đường dốc góc θe lấy từ cảm biến vị trí rotor được dịch pha về bên trái

bằng cách cộng thêm góc δ* và tương ứng, cos(θe + δ*) và sin(θe + δ*) nhận được từ

lookup table Sau đó chúng được sử dụng bộ VR (vector rotation) và 2φ/3φ với hai

tham số đầu vào không đổi là A và B và cho B = 0, ta nhận được các tín hiệu điện

áp pha như sau:

Chú ý rằng hằng số A rất lớn và do vậy các dòng pha đặt ia*, ib*, ic* được thay

thế tương ứng bằng điện áp pha đặt va0*, vb0*, vc0*, vì sườn dốc của những sóng điều

chỉnh này sẽ khiến cho bộ điều chỉnh dải dòng điện trễ lật ở biên giới mỗi nửa chu

kỳ và do đó đưa ra điện áp pha hình vuông Ở hình 3.13, rõ ràng là thành phần cơ

bản của sóng vuông va0 đang dẫn với góc (π/2 + δ) đối với sóng ψf (xem hình 3.8)

Các điện áp các pha khác lệch góc 2π/3 với sóng điện áp va0 Rõ ràng là dấu của

mômen đảo khi đảo dấu góc δ Khi tốc độ tăng ở vùng công suất không đổi với

mômen tới hạn (Hình 3.4) tới điểm C, từ thông stator ψs giảm tương ứng với góc δ

không đổi Cuối cùng, nếu mômen giảm tới 0 (điểm D) ở tốc độ cao nhất, vector ψs

sẽ cùng phương với trục d

Có thể dễ dàng thấy được trên đồ thị vector Hình 3.6, khi động cơ hoạt động

ở hệ số công suất dẫn thấp ở tốc độ cao, non tải, vì vậy giảm hiệu suất bộ biến đổi - động cơ Nếu mômen bằng 0 ở vùng công suất không đổi, có thể lý tưởng cho rằng động cơ hoạt động ở hệ số công suất bằng 0

Nhận xét:

- Ưu điểm: Vì điều khiển tựa từ thông stator nên đã phân dòng điện thành hai thành phần iT sinh mômen và iM sinh từ thông Do đó mômen chỉ phụ thuộc vào một thành phần iT, dễ dàng thiết kế mạch vòng điều chỉnh mômen

- Nhược điểm: cần biết trước mối quan hệ từ thông - mômen và iT - iM; tính toán phản hồi, ước lượng các giá trị phức tạp; điều chỉnh ở vùng tốc độ cao bằng phương pháp dịch pha khó khăn, quá độ ở vùng tốc độ cao cũng không thể điều chỉnh tối ưu

Hình 3.10 Thực hiện điều chỉnh sóng vuông thông qua bộ điều chỉnh dòng VR và

HB

Hình 3.11 Lưu đồ chuyển giữa hai chế độ điều khiển vector PWM và SW