Nghiên cứu các bộ biến đổi cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm (IPM Motor) ứng dụng trong ô tô điện

- VŨ MINH VƯƠNG NGHIÊN CỨU CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU CỰC CHÌM (IPM MOTOR) ỨNG DỤNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA HÀ NỘI - 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI.
- VŨ MINH VƯƠNG NGHIÊN CỨU CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU CỰC CHÌM (IPM MOTOR) ỨNG DỤNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN Chuyên ngành: Điều khiển và Tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS.
- TẠ CAO MINH HÀ NỘI - 2011  LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan bản Luận văn cao học với đề tài: “Nghiên cứu các bộ biến đổi cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm (IPM motor) dùng trong ô tô điện” do em tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy hướng dẫn, PGS.
- 71.4. Các động cơ điện có thể sử dụng trong ô tô điện.
- 8CHƯƠNG 2 ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU CỰC CHÌM (IPM MOTOR.
- 112.2. Đặc tính góc-momen của động cơ.
- 132.3. Mô hình toán học và phương pháp điều chỉnh động cơ.
- 142.3.1. Mô tả toán học động cơ IPM trong hệ tọa độ cực.
- 142.3.2. Mô tả toán học động cơ IPM trong hệ tọa độ cố định 0αβ.
- 152.3.3. Mô tả toán học động cơ IPM trên hệ tọa độ d-q.
- 192.5. Các phương pháp điều khiển động cơ IPM.
- 202.5.1. Điều khiển vector định hướng theo từ thông rotor FOC.
- 202.5.2. Điều khiển trực tiếp momen DTC.
- 2.5.3. Lựa chọn phương án điều khiển.
- 22CHƯƠNG 3 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CHO ĐỘNG CƠ IPM.
- 243.1. Các bộ nghịch lưu.
- 684.1. Mô hình bộ nghịch lưu.
- 2 Hình 1.1-3: Electrovair II (1966.
- 7 Hình 2.1-1: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm.
- 12 Hình 2.2-1: Đồ thị vector động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm.
- 13 Hình 2.2-2: Đặc tính góc-momen của động cơ.
- 14 Hình 2.3-1: Sơ đồ thay thế động cơ IPM trong hệ tọa độ quay đồng bộ.
- 18 Hình 2.4-1: Các chế độ làm việc của động cơ.
- 18 Hình 2.5-1: Sơ đồ phương pháp điều khiển DTC.
- 21 Hình 2.5-2: Sơ đồ khối phương pháp điều khiển FOC thông thường.
- 23 Hình 3.1-1: Nghịch lưu nguồn dòng ba pha.
- 25 Hình 3.1-2 Nghịch lưu nguồn dòng ba pha, có diode cách ly.
- 25 Hình 3.1-3: Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp ba pha.
- 27 Hình 3.2-1: Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển nghịch lưu áp ba pha điều chế PWM sóng hình sin.
- 28 Hình 3.2-2: Dạng tín hiệu điều khiển và dạng điện áp ra PWM.
- 34 Hình 3.3-1: Mô hình điều khiển động cơ của một ô tô.
- 36 Hình 3.3-2: Mô hình khóa chuyển mạch mềm.
- 39 Hình 3.3-3: Cấu tạo của bộ nghịch lưu QPRDCL.
- 40 Hình 3.3-4: Mạch tương đương của bộ nghịch lưu QPRDCL.
- 41 Hình 3.3-5: Các chế độ hoạt động.
- 42 Hình 3.3-6: Các dạng sóng thành phần của các khóa chuyển mạch.
- 42 Hình 3.3-7: Dạng điện áp của khóa Sa1 và Sa2.
- 42  Hình 3.3-8: Bộ nghịch lưu diode kẹp 3 mức.
- 44 Hình 3.3-9: Trạng thái, điện áp điều khiển các chuyển mạch và điện áp ra.
- 45 Hình 3.3-10: Điện áp pha và điện áp dây của bộ nghịch lưu 3L-NPC.
- 46 Hình 3.3-11: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang P với dòng điện tải iA > 0.
- 47 Hình 3.3-12: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang P với dòng điện tải iA < 0.
- 47 Hình 3.3-13: Bộ nghịch lưu dạng flying capacitor 3 mức.
- 49 Hình 3.3-14: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang P, iA>0.
- 50 Hình 3.3-15: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang P, iA iA>0.
- 53 Hình 3.3-18: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái iALmd dẫn đến Lq> Ld.
- Vì có thành phần thứ hai mà momen động cơ IPM lớn hơn động cơ nam châm vĩnh cửu SPM cùng khối lượng.
- Hay nói cách khác thành phần thứ hai không xuất hiện ở động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu SPM.
- Sơ đồ thay thế động cơ IPM trong hệ d-q Từ các phương trình điện áp usd, usq ở hệ phương trình mô tả toán học (2-16) trên ta có sơ đồ thay thế động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm trong hệ tọa độ quay đồng bộ như sau: Chương 2: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm (IPM motor) 18 (a) (b) Hình 2.3-1: Sơ đồ thay thế động cơ IPM trong hệ tọa độ quay đồng bộ.
- Chương 2: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm (IPM motor) 19 2.4.1.
- Trong vùng này, muốn tăng tốc độ động cơ ω, ta điều chỉnh giữ nguyên dòng điện stator is tại giá trị lớn nhất imax, điều chỉnh điện áp Us tăng từ 0 tới Usmax.
- Trong vùng này, ta vẫn quen thuộc với phương pháp điều khiển vector động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu kinh điển đó là điều chỉnh thành phần id = 0.
- Các phương pháp điều khiển động cơ IPM Mục này sẽ trình bầy các phương pháp điều khiển động cơ IPM hiện có và lựa chọn phương pháp điều khiển hợp lý nhất cho động cơ nam châm vĩnh cửu cực chìm.
- Đối với động cơ IPM hiện nay có hai phương pháp điều khiển chủ yếu là.
- Mô hình rất nhạy với biến thiên thông số động cơ - Hoạt động tốt ở vùng tốc độ thấp, khả năng điều chỉnh sâu tốc độ tốt.
- Điều khiển trực tiếp momen DTC Phương pháp điều khiển trực tiếp momen DTC được trình bầy lần đầu tiên vào năm 1980 điều khiển momen và từ thông của động cơ không đồng bộ.
- Vào năm 1990, nó được phát triển cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
- Động cơInverterBảng chọn vector điện áp*M*sΨαβabcsiαsiβTính ssuuαβsβΨDCUsuαsuβsαΨsαΨsαΨsΨGóc statorTính toán momenTính toán biên độ và góc quay từ thông--M Hình 2.5-1: Sơ đồ phương pháp điều khiển DTC.
- Chương 2: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm (IPM motor) 22.
- Lựa chọn phương án điều khiển 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.
- Trong 3 phương pháp điều khiển động cơ đồng bộ, để động cơ hoạt động tốt ở cả 3 vùng, phương án điều chỉnh vector định hướng từ thông rotor là có ưu thế hơn cả.
- Kích thước các bộ biến tần gọn nhẹ, chất lượng điều khiển tốt.
- Với những lý do đó, phương án lựa chọn để điều khiển động cơ đồng bộ IPM là phương án điều khiển vector (FOC).
- Động cơ IPM được điều khiển theo phương pháp FOC hay còn gọi là phương pháp tựa từ thông rotor FOC (Rotor Flux Orient Control) lại chia thành hai hướng điều khiển chính.
- Hướng điều khiển FOC thông thường dùng cảm biến tốc độ.
- Sơ đồ khối hai phương pháp này được đưa ra chi tiết như sau: Chương 2: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm (IPM motor) 23 *abcVabcidi*diqi*qiidRiqR*dV*qVRϖdi*ϖϖθθ Hình 2.5-2: Sơ đồ khối phương pháp điều khiển FOC thông thường.
- Cả hai hướng điều khiển trên đều có chung các có chung mô hình mô tả các khâu chỉ khác khâu ước lượng tốc độ và vị trí của động cơ.
- Do thời gian có hạn nên em triển khai điều khiển động cơ IPM theo phương án điều khiển dùng phương pháp FOC thông thường.
- Chương 2: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm (IPM motor) 24 Chương 3: Các bộ biến đổi cho động cơ IPM 24 CHƯƠNG 3 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CHO ĐỘNG CƠ IPM Động cơ điện được được cấp nguồn bởi bộ biến đổi, là thiết bị thay đổi điện áp một chiều (của ắc quy) thành điện áp xoay chiều có điều khiển, đảm bảo các chế độ hoạt động của ô tô điện.
- Các bộ nghịch lưu 3.1.1.
- Phân loại nghịch lưu a.
- Chương 3: Các bộ biến đổi cho động cơ IPM 25 60o120o180o240o300o360oθθθθθθ Hình 3.1-1: Nghịch lưu nguồn dòng ba pha.
- (b) Dạng tín hiệu điều khiển.
- LC1V1V4V6V3ZtEIdC2V2V5C3ABCC6C4 C5D1 D3D5D4D6D2 Hình 3.1-2 Nghịch lưu nguồn dòng ba pha, có diode cách ly.
- Chương 3: Các bộ biến đổi cho động cơ IPM 26 Ưu điểm cơ bản của nghịch lưu dòng song song là có khả năng trao đổi công suất phản kháng với nguồn lưới xoay chiều nếu như đầu vào một chiều là một chỉnh lưu có điều kiển với mạch dòng điện.
- Chương 3: Các bộ biến đổi cho động cơ IPM 27 Hình 3.1-3: Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp ba pha.
- Sơ đồ gồm 6 van điều khiển hoàn toàn V1, V2.
- Đối với nghịch lưu áp ba pha hiện nay có hai phương pháp điều khiển cơ bản để tạo ra một hệ thống điện áp ba trên tải, đó là.
- Để điện áp ra có dạng không phụ Chương 3: Các bộ biến đổi cho động cơ IPM 28 thuộc phụ tải người ta thường dùng biến điệu bề rộng xung hai cực tính, như vậy mỗi pha của sơ đồ ba pha có thể được điều khiển với nhau.
- được điều khiển ngược lại.
- Hình 3.2-1: Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển nghịch lưu áp ba pha điều chế PWM sóng hình sin.
- Chương 3: Các bộ biến đổi cho động cơ IPM 29 Hình 3.2-2: Dạng tín hiệu điều khiển và dạng điện áp ra PWM.
- Chương 3: Các bộ biến đổi cho động cơ IPM 30 Quá trình điều chế chỉ diễn ra trong khoảng t1 và t2.
- Cấu trúc điều khiển như trên hình 3.2-1 cho dạng điện áp ra không phụ thuộc tải và tính chất của tải, tức là phương pháp PWM đảm bảo nghịch lưu ba pha là nghịch lưu áp.
- Trong trường hợp khi ma≤1 Chương 3: Các bộ biến đổi cho động cơ IPM 31 thì biên độ thành phần cơ bản của điện áp đầu ra và điện áp điều khiển là tuyến tính, tức là: Utm=ma.U/2.
- Để cải thiện dải tuyến tính, mở rộng của điều chế PWM sóng hình sin người ta có thể sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến, phương pháp này cho phép thực hiện điều khiển tuyến tính điện áp tải với chỉ số điều chế nằm trong phạm vi 0 0 Chương 3: Các bộ biến đổi cho động cơ IPM 47 Hình 3.3-11: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang P với dòng điện tải iA > 0.
- Trường hợp 1: dòng điện tải iA > 0 Hình 3.3-17: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái iA>0.
- Chương 3: Các bộ biến đổi cho động cơ IPM 54 Bộ nghịch lưu ở trạng thái "1" tương ứng với S11, S21, S12 và S22 đang dẫn dòng với điện áp ra UAN=2E.
- Chương 3: Các bộ biến đổi cho động cơ IPM 56 Hình 3.4-1: Cấu trúc bộ nghịch lưu 3 mức (3L-NPC).
- Giả thiết cho đại lượng ba pha cân bằng va , vb, vc thoả mãn công thức: va + vb + vc = 0 Chương 3: Các bộ biến đổi cho động cơ IPM 57 Phép chuyển đổi từ các đại lượng ba pha va , vb , vc sang đại lượng vector quay vrtheo công thức: ()223jjab cvvveveγγ=++r với γ = 23π • Điều chế vector không gian cho bộ nghịch lưu áp 3 mức Trong phương pháp điều chế vector mỗi tổ hợp logic điều khiển đóng cắt ba nhánh van tương ứng một điện áp chuẩn (trạng thái đóng cắt).
- Chia không gian thành 6 vùng như hình dưới đây: Chương 3: Các bộ biến đổi cho động cơ IPM 58 Hình 3.4-2: Phân vùng vector điện áp không gian của bộ nghịch lưu.
- Chương 3: Các bộ biến đổi cho động cơ IPM 59.
- Để giảm mất cân bằng điện áp thì thời gian tác động của các khoá bán Chương 3: Các bộ biến đổi cho động cơ IPM 62 dẫn tương ứng với trạng thái vector nhỏ sẽ được phân bố đều giữa hai loại trạng thái P và N trong một chu kì điều chế, tuỳ theo vị trí vector trung bình Vref thuộc vị trí tam giác nào ta sẽ khảo sát cụ thể.
- Hình 3.4-7: Thứ tự chuyển mạch trong vùng I-4.
- Chương 3: Các bộ biến đổi cho động cơ IPM 63.
- Chương 3: Các bộ biến đổi cho động cơ IPM 68 Chương 4: Mô phỏng và đánh giá kết quả 68 CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 4.1.
- Mô hình hệ thống với điều chế vector không gian SVM điều khiển bộ nghịch lưu cấp nguồn cho động cơ IPM được mô tả như hình dưới đây: Chương 4: Mô phỏng và đánh giá kết quả 69 wmw*powerguiDiscrete ,Ts = 1e-005 s.inverterVabc*UaUbUcTeT loadPhat xungUabc *V*abcMachinesMeasurementDemuxmis_abcis_qdwmthetamTeKhoi dong coIPMTmmABCIs_dqIabcDieu khien dong dienIdq *Iabcwmteta_muabc *Dieu khientoc dow*widq *i+-i+-i+-Dong dien stator iabcDong dien stator iq id Hình 4.2-1: Mô hình hệ thống.
- Bộ điều chỉnh tốc độ Bộ điều chỉnh tốc độ động cơ được trình bày như hình dưới: idq *1SaturationRwPIId* calculatorwmIq*id*w2w*1iq* Hình 4.2-2: Bộ điều chỉnh tốc độ.
- 2*pi/3)sqrt(2)*u(2)*sin(2*pi*u(1)*u(3))Clock3U2f1 Hình 4.2-6: Khâu tạo điện áp ba pha.
- u(3))/sqrt(3)Fcnu(1)uc3ub2ua1 Hình 4.2-7: Khâu đổi tọa độ αβ

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt