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

- 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.
- ĐỘNG CƠ TRONG Ô TÔ ĐIỆN .
- Đặc tính hoạt động của động cơ trong ô tô điện .
- Các loại động cơ dùng trong ô tô điện Chương 2 - MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ IPM .
- KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU .
- Kết cấu động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Error! Bookmark not defined.1 2.2.2.
- 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 .
- Đồ thị véc tơ Chương 3 - PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ IPM .
- ĐIỀU KHIỂN VEC TƠ TỰA TỪ THÔNG ROTOR Chương 4 - CÁC BỘ BIẾN ĐỔI VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU BIẾN PWM CHO ĐỘNG CƠ IPM .
- 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.
- 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 2006.
- Động cơ dẫn động chính trong ô tô điện sẽ dẫn động cặp bánh xe thông qua bộ truyền động vi sai.
- Ô tô điện bao gồm bộ pin điện để tích trữ năng, một động cơ điện và một bộ điều khiển.
- 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.
- 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.
- 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.
- Khi tác động vào chân phanh, xe có thể đi từ từ giống như xe dùng động cơ đốt trong.
- 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.
- Điều khiển hãm tái sinh cần có sự tương tác giữa điều khiển xe và điều khiển động cơ truyền động.
- 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.
- Trong bộ phận truyền động của ô tô là động cơ điện.
- Trước đây, động cơ 1 chiều đã được sử dụng trong các ứng dụng để thay đổi tốc độ.
- 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).
- 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.
- Động cơ một chiều không chổi than so với động cơ một chiều thông thường có những ưu điểm sau.
- Điều này làm tăng sự linh hoạt trong điều khiển động cơ.
- 9 + Dải tốc độ do không bị hạn chế bởi sự chuyển mạch cơ khí như 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.
- Mômen điều khiển động cơ trơn.
- Nhờ những đặc điểm quan trọng trên mà động cơ IPM ngày càng được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực ô tô điện.
- 10 CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ IPM 2.1.
- 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.
- Tiêu chuẩn thiết kế các động cơ servo đồng bộ dùng cho truyền động trong ô tô phải thỏa mãn các yêu cầu sau.
- 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.
- 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.
- 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.
- Động cơ có đặc tính giống như động cơ cực lồi.
- 12 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.
- 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.
- 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.
- Mô tả toán học của động cơ trên hệ tọa độ d-q 2.3.2.1.
- Trong mọi chế độ vận hành, động cơ đồng bộ phải sản sinh một thành phần mômen phụ để bù lại thành phần 17 phản kháng.
- Thành phần phản kháng tồn tại một cách rõ ràng và không bỏ qua được với động cơ cực chìm.
- 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.
- ΨfqψaψsEfαdθeIsUsΦIqIdδ-XqIqXdIdUdUqδ Hình 2.5 Đồ thị vector của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm trên hệ tọa độ d-q 19 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.
- 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: dq2sfesddqLLPT3 sin sin22L 2LL⎡⎤−ψψ⎛⎞=δ+ψδ.
- Ở động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn hình sin, do Ld = Lq nên mômen từ trở bằng 0, và do đó chỉ có thành phần đầu tiên.
- trong khi đó với động cơ từ trở, ψf = 0, chỉ có thành phần mômen từ trở.
- Chú ý rằng với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm, Lq > 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Động cơ có 2 vùng hoạt động: PWM cho vùng mômen không đổi, khi còn có thể điều khiển vector dòng điện.
- 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).
- ψs Hình 3.5 Đồ thị vector của động cơ động bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi.
- 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.
- Sau đó động cơ hoạt động ở vùng công suất không đổi.
- (3.16) Tất cả các hằng số trên các phương trình trên phụ thuộc vào từng động cơ được sử dụng.
- 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.
- Nguyên lý Nguyên lý điều khiển kinh điển tựa từ thông rotor của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong tương đối đơn giản, ở một mức độ nào đó.
- Phương pháp điều khiển vector này gần tương tự như điều khiển vector động cơ không đồng bộ, ngoại trừ một số điểm sau.
- Tần số trượt ωs = 0 vì động cơ luôn chạy ở tốc độ đồng bộ ωe.
- Điều khiển vector động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu hình sin (vùng mô men không đổi) Chú ý rằng các vector ψa và ψf ở Hình 3.13 vuông góc với nhau như động cơ một chiều, ngoại trừ rằng chúng quay với tốc độ đồng bộ.
- Động cơ hoạt động với hệ số góc công suất φ nhỏ như hình vẽ.
- Điều chỉnh ở chế độ giảm từ thông Như đã phân tích ở trên, tốc độ của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có thể được điều chỉnh trên tốc độ cơ bản bằng cách giảm từ thông.
- Hình 3.17 Hệ điều khiển vector động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu kinh điển 38 CHƯƠNG 4 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU BIẾN PWM CHO ĐỘNG CƠ IPM 4.1.
- BỘ BIẾN ĐỔI DÙNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN Động cơ trong ô tô điện được cấp nguồn từ một bộ biến đổi nguồn áp.
- Điều khiển bộ biến đổi được hình thành bằng cách hiệu chỉnh dòng điện, điện áp qua stato của động cơ.
- Khi động cơ làm việc trong quá trình lái, xử lý tín hiệu số (DSP) trong bộ chuyển đổi của bộ điều khiển có thể phát ra sáu kênh biến đổi độ rộng xung (PWM) tần số cao để điều khiển sáu van công suất đóng/ mở( on/off).
- Bộ biến đổi này được sử dụng phổ biến để điều chỉnh tốc độ động cơ và chúng được đặc trưng được xác định rõ ràng dạng sóng chuyển điện áp ở thiết bị đầu cuối.
- Bộ biến đổi nguồn áp kết hợp với động cơ Bộ biến đổi 3 pha bao gồm sáu van đóng cắt được vẽ như hình trên, từ nguồn áp một chiều để tạo ra điện áp xoay chiều.
- Ngày nay, một hệ thống truyền động xoay chiều điển hình trong ô tô điện bao gồm một nghịch lưu và động cơ.
- Các van công suất dùng trong hệ truyền động động cơ yêu cầu phải có Diot bảo vệ mắc song song.
- Sóng hài: dòng điện ra có dạng gần hình sin nên có thể nối trực tiếp với động cơ

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