- TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Điều khiển giảm từ thông động cơ đồng bộ nam châm chìm( IPM) ứng dụng cho ô tô điện. - TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM CHÌM (INTERIOR PERMANENT MAGNET MOTOR. - Tổng quan về động cơ đồng bộ. - Khái niệm chung về động cơ đồng bộ. - Phân loại động cơ đồng bộ. - Cấu tạo động cơ đồng bộ. - Nguyên lý hoạt động của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. - Các dạng cấu trúc rotor nam châm vĩnh cửu của động cơ đồng bộ. - Ứng dụng của động cơ đồng bộ. - Động cơ đồng bộ nam châm chìm. - Đặc điểm của động cơ đồng bộ nam châm chìm. - Ưu điểm, khả năng ứng dụng của động cơ đồng bộ nam châm chìm. - Xây dựng mô hình toán học cho động cơ đồng bộ nam châm chìm. - Các loại động cơ sử dụng cho ô tô điện. - Ưu và nhược điểm của động cơ điện so với động cơ xăng khi sử dụng cho ôtô. - Các yêu cầu về động cơ sử dụng cho ô tô điện. - Các giới hạn làm việc của động cơ. - Thuật toán điều khiển vùng dưới tốc độ cơ bản. - Thuật toán điều khiển giảm từ thông vùng trên tốc độ cơ bản (trên dải tốc độ danh định. - Thuật toán điều khiển ở vùng tốc độ rất cao. - Cấu trúc hệ truyền động động cơ đồng bộ nam châm chìm. - Các bộ điều khiển. - Bộ điều khiển tốc độ. - Tổng hợp mạch vòng điều khiển tốc độ. - Tính toán các giới hạn của động cơ. - 57 5.3.3 Bộ điều khiển tốc độ. - Vùng dưới tốc độ cơ bản. - Tại tốc độ cơ bản. - Vùng trên tốc độ cơ bản. - 69 !4 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT !IM Induction Motor Động cơ không đồng bộ IPMSM Interior Permanent Magnet Synchronous Motor Động cơ đồng bộ nam châm chìm SPMSM Surface Permanent 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 MTPA Maximum Torque Per Ampere Cực đại momen với mỗi dòng điện ĐCĐBNCĐ Động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm điện ĐCĐBNCVC Động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu CNC Computer Numerical Control !5 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU !P Số đôi cực động cơ Rs Điện trở dây quấn Stator Lsd , Lsq Điện cảm Stator đo theo trục d và trục q J Moment quán tính của trục động cơ ωs, ωbase, ωc Tốc độ điện đồng bộ, tốc độ cơ bản, tốc độ giới hạn vùng giảm từ thông ψf, ψs Từ thông nam châm vĩnh cửu và stator is, us Vector dòng điện, điện áp Stator isa, isb, isc Dòng điện 3 pha a-b-c isd, isq Thành phần dòng điện Stator theo trục d và trục q isα, isβ Thành phần dòng điện Stator theo trục α và trục β usα, usβ Thành phần điến áp Stator theo trục α và trục β usd, usq Thành phần điện áp Stator theo trục d và trục q ψrd, ψrq Thành phần từ thông Rotor theo trục d và trục q ψsd, ψsq Thành phần từ thông Stator theo trục d và trục q Ia , Va Dòng điện và điện áp dây quấn Stator Tsd , Tsq Hằng số thời gian Stator theo trục trục d và trục q Tinv Hằng số thời gian bộ nghịch lưu điện áp Rω Bộ điều chỉnh tốc độ Rid , Riq Bộ điều chỉnh dòng điện truc d và trục q !6 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 !7 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. - 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. - 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. - 39 Hình 4.1 – Cấu trúc tổng quan của hệ truyền động điều khiển động cơ IPM. - 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. - 57 !8 Hình 5.5 – Bộ điều khiển tốc độ. - 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 iq, id 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 iq, id 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 iq, id vùng trên tốc độ cơ bản. - 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. - 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”. - 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. - Đối tượng nghiên cứu Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu động cơ đồng bộ nam châm chìm. - 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. - 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. - 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). - 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. - 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 !12 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]. - 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. - fsP 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. - 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. - 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. - !13 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. - 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. - 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. - 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. - 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
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt