Luận văn thạc sĩ khoa học 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 sĩ nghiên cứu bộ biến đổi cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu IPM trong ứng dụng ô tô điện, nâng cao hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.

• Tác giả: Vũ Minh Vương
• Người hướng dẫn: PGS. Tạ Cao Minh
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Điều Khiển và Tự Động Hóa
• Đề tài: Biến Đổi Cho Động Cơ IPM Trong Ô Tô Điện
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sỹ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ Ô TÔ ĐIỆN
• 1.1. Lược sử phát triển của ô tô điện
• 1.2. Những ưu điểm và điểm còn tồn tại của ô tô điện
• 1.3. Cấu tạo chung của một hệ truyền động ô tô điện
• 1.4. Các động cơ điện có thể sử dụng trong ô tô điện
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU CỰC CHÌM (IPM MOTOR)
• 2.1. Giới thiệu chung về IPM
• 2.2. Đặc tính góc-momen của động cơ
• 2.3. Mô hình toán học và phương pháp điều chỉnh động cơ
• 2.4. Mô tả toán học động cơ IPM trong hệ tọa độ cực
• 2.5. Mô tả toán học động cơ IPM trong hệ tọa độ cố định 0αβ
• 2.6. Mô tả toán học động cơ IPM trên hệ tọa độ d-q
• 2.7. Đặc tính các vùng điều chỉnh
• 2.8. Vùng momen không đổi
• 2.9. Vùng công suất không đổi
• 2.10. Vùng tích công suất và tốc độ không đổi
• 2.11. Các phương pháp điều khiển động cơ IPM
• 2.12. Điều khiển vector định hướng theo từ thông rotor FOC
• 2.13. Điều khiển trực tiếp momen DTC
• 2.14. Lựa chọn phương án điều khiển
• 3. CHƯƠNG 3: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CHO ĐỘNG CƠ IPM
• 3.1. Phân loại nghịch lưu
• 3.2. Các phương pháp điều biến
• 3.3. Phương pháp điều biến PWM sóng hình sin
• 3.4. Nghịch lưu ba pha sử dụng phương pháp điều chế SVM
• 3.5. Đặc thù của các bộ biến đổi cho ô tô điện
• 3.6. Chuyển mạch mềm (soft-switching)
• 3.7. Bộ biến đổi đa mức (multilevel inverter)
• 3.8. Bộ nghịch lưu ba mức diode kẹp (3L-NPC)
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
• 4.1. Mô hình bộ nghịch lưu
• 4.2. Mô phỏng hệ thống
• 4.3. Bộ điều chỉnh tốc độ
• 4.4. Khối điều chỉnh dòng điện có bù chéo
• 4.5. Khối phát xung
• 4.6. Kết quả mô phỏng
• KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về biến đổi cho động cơ IPM trong ô tô điện

Biến đổi cho động cơ IPM (Interior Permanent Magnet) trong ô tô điện là một chủ đề quan trọng trong nghiên cứu và phát triển công nghệ ô tô hiện đại. Động cơ IPM được biết đến với hiệu suất cao và khả năng sinh momen lớn, nhưng để khai thác tối đa tiềm năng của nó, cần có các bộ biến đổi phù hợp. Các bộ biến đổi này không chỉ giúp điều chỉnh điện áp và dòng điện mà còn tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của động cơ trong các điều kiện khác nhau.

1.1. Định nghĩa và vai trò của động cơ IPM trong ô tô điện

Động cơ IPM là loại động cơ điện sử dụng nam châm vĩnh cửu được đặt bên trong rotor. Điều này giúp tăng cường hiệu suất và giảm kích thước động cơ. Động cơ IPM có khả năng hoạt động hiệu quả trong nhiều chế độ khác nhau, từ khởi động đến tăng tốc, nhờ vào khả năng điều chỉnh momen và tốc độ linh hoạt.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng động cơ IPM trong ô tô điện

Việc sử dụng động cơ IPM trong ô tô điện mang lại nhiều lợi ích như tiết kiệm năng lượng, giảm khí thải và tăng cường hiệu suất. Động cơ này có khả năng hoạt động êm ái, không phát sinh tiếng ồn và khí thải, góp phần bảo vệ môi trường. Hơn nữa, động cơ IPM có tuổi thọ cao và bảo trì dễ dàng.

II. Thách thức trong việc phát triển biến đổi cho động cơ IPM

Mặc dù động cơ IPM có nhiều ưu điểm, nhưng việc phát triển các bộ biến đổi cho nó cũng gặp không ít thách thức. Các vấn đề như hiệu suất, độ tin cậy và chi phí sản xuất là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Vấn đề hiệu suất trong các bộ biến đổi

Hiệu suất của bộ biến đổi ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất tổng thể của động cơ IPM. Các bộ biến đổi cần được thiết kế để giảm thiểu tổn thất năng lượng trong quá trình chuyển đổi điện áp và dòng điện, từ đó tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của động cơ.

2.2. Chi phí sản xuất và khả năng thương mại hóa

Chi phí sản xuất các bộ biến đổi cho động cơ IPM thường cao do yêu cầu công nghệ tiên tiến và vật liệu chất lượng cao. Việc giảm chi phí sản xuất là một thách thức lớn để có thể thương mại hóa các bộ biến đổi này, từ đó thúc đẩy sự phát triển của ô tô điện.

III. Phương pháp phát triển bộ biến đổi cho động cơ IPM

Để phát triển các bộ biến đổi hiệu quả cho động cơ IPM, nhiều phương pháp và công nghệ mới đã được nghiên cứu và áp dụng. Các phương pháp này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất.

3.1. Phương pháp điều chế PWM trong bộ biến đổi

Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) là một trong những kỹ thuật phổ biến nhất trong việc điều khiển bộ biến đổi cho động cơ IPM. Kỹ thuật này cho phép điều chỉnh điện áp đầu ra một cách linh hoạt, từ đó tối ưu hóa hiệu suất động cơ trong các chế độ hoạt động khác nhau.

3.2. Công nghệ chuyển mạch mềm trong bộ biến đổi

Công nghệ chuyển mạch mềm (soft-switching) giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng trong quá trình chuyển mạch của bộ biến đổi. Kỹ thuật này không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn kéo dài tuổi thọ của các linh kiện trong bộ biến đổi.

IV. Ứng dụng thực tiễn của bộ biến đổi cho động cơ IPM

Các bộ biến đổi cho động cơ IPM đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều loại ô tô điện hiện đại. Những ứng dụng này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn nâng cao trải nghiệm người dùng.

4.1. Ứng dụng trong ô tô điện thương mại

Nhiều nhà sản xuất ô tô đã áp dụng công nghệ bộ biến đổi cho động cơ IPM trong các mẫu xe điện thương mại. Điều này giúp tăng cường hiệu suất và giảm chi phí vận hành cho người tiêu dùng.

4.2. Kết quả nghiên cứu và phát triển

Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc áp dụng bộ biến đổi cho động cơ IPM có thể cải thiện hiệu suất lên đến 20% so với các công nghệ truyền thống. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển ô tô điện trong tương lai.

V. Kết luận và tương lai của biến đổi cho động cơ IPM

Biến đổi cho động cơ IPM trong ô tô điện là một lĩnh vực đầy tiềm năng và thách thức. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, tương lai của các bộ biến đổi này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến đáng kể.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ biến đổi

Xu hướng phát triển công nghệ biến đổi cho động cơ IPM đang hướng tới việc tối ưu hóa hiệu suất và giảm chi phí sản xuất. Các nghiên cứu mới sẽ tiếp tục được thực hiện để cải thiện các bộ biến đổi này.

5.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu và phát triển

Nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực biến đổi cho động cơ IPM là rất quan trọng để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về ô tô điện. Điều này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ngành giao thông vận tải toàn cầu đang đối mặt với bài toán cấp bách về giảm thiểu ô nhiễm môi trường và cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch. Các số liệu thống kê cho thấy khoảng 80% khí CO, 60% khí HC và 40% khí NOx trong bầu khí quyển bắt nguồn từ khí thải của các phương tiện giao thông, đặc biệt là ô tô sử dụng động cơ đốt trong. Trước thực trạng đó, xe điện nổi lên như một giải pháp mang tính chiến lược nhờ khả năng triệt tiêu khí thải trực tiếp và nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng. So với động cơ nhiệt truyền thống có thời gian đáp ứng momen từ 100 ms đến 200 ms, hệ thống truyền động điện đạt tốc độ phản hồi vượt trội chỉ từ 1 ms đến 2 ms, tạo nền tảng vững chắc để nâng cao tính ổn định và an toàn chuyển động.

Vấn đề cốt lõi của hệ thống truyền động xe điện nằm ở việc lựa chọn loại động cơ truyền động và bộ biến đổi công suất tối ưu. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội về mật độ công suất, hiệu suất làm việc và khả năng sinh momen trên một đơn vị dòng điện. Tuy nhiên, việc khai thác triệt để các đặc tính phi tuyến của động cơ này đòi hỏi một bộ biến đổi nguồn áp và giải pháp điều khiển có chất lượng động học cao.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là xây dựng mô hình toán học, phân tích cấu trúc bộ biến đổi nghịch lưu ba pha đa mức và thiết lập thuật toán điều khiển vector tựa từ thông rotor cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống truyền động xe điện làm việc trên toàn bộ dải tốc độ, thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2011. Ý nghĩa của đề tài được khẳng định qua việc nâng cao hiệu suất bộ biến đổi lên trên 95%, tối ưu hóa khả năng sử dụng điện áp nguồn một chiều thêm khoảng 15.47% và giảm thiểu tổn hao đóng cắt của van bán dẫn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên ba trụ cột lý thuyết chính trong kỹ thuật điều khiển và điện tử công suất:

Lý thuyết mô hình hóa máy điện xoay chiều trên hệ tọa độ quay đồng bộ $d-q$: Cấu trúc cực chìm với nam châm vĩnh cửu đặt sâu bên trong rotor tạo nên sự bất đối xứng từ trở, dẫn đến điện cảm trục q lớn hơn điện cảm trục d ($L_q > L_d$). Phương trình momen điện từ tổng quát bao gồm hai thành phần:

$$T_e = \frac{3}{2} p \left[ \psi_f i_q + (L_d - L_q) i_d i_q \right]$$

Thành phần thứ nhất là momen điện từ cơ bản do tương tác giữa từ thông nam châm vĩnh cửu $\psi_f$ và dòng điện $i_q$. Thành phần thứ hai là momen từ trở sinh ra bởi sự chênh lệch điện cảm giữa hai trục.

Lý thuyết điều khiển vector định hướng từ thông rotor: Thuật toán tách kênh độc lập dòng điện trục d và trục q, biến đổi bài toán điều khiển động cơ xoay chiều phức tạp thành cấu trúc tương tự động cơ một chiều kích từ độc lập. Không gian làm việc được phân định thành 3 vùng đặc trưng: vùng momen không đổi ($0 \le \omega \le \omega_b$), vùng công suất không đổi giảm từ thông ($\omega_b \le \omega \le \omega_c$), và vùng tích công suất - tốc độ không đổi ($\omega_c \le \omega \le \omega_m$).

Lý thuyết biến đổi điện tử công suất và điều chế vector không gian: Đánh giá chi tiết cấu trúc nghịch lưu ba pha hai mức, nghịch lưu ba mức kẹp diode và công nghệ chuyển mạch mềm nhằm hạn chế tốc độ biến thiên điện áp $dv/dt$.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu và thông số mô hình: Nghiên cứu thiết lập hệ thống mô phỏng với động cơ có dải công suất định mức dưới 100 kW, sử dụng vật liệu nam châm đất hiếm Neodymium - Sắt - Boor có mật độ năng lượng từ dư cao. Điện áp bus một chiều được thiết lập ở mức 300 V đến 512 V, tần số đóng cắt của nghịch lưu là 5 kHz đến 10 kHz, thời gian lấy mẫu của vòng lặp dòng điện dưới 100 $\mu\text{s}$.

Phương pháp chọn mẫu và xây dựng kịch bản: Toàn bộ quá trình kiểm chứng được tiến hành thông qua việc giả lập các chu trình vận hành thực tế của ô tô điện, bao gồm quá trình khởi động mang tải định mức, tăng tốc qua dải tốc độ cơ bản $\omega_b$, đảo chiều quay và đáp ứng với tải đột biến từ 0% đến 100% momen định mức.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Do động cơ có tính chất phi tuyến mạnh và bộ biến đổi hoạt động ở chế độ đóng cắt gián đoạn, việc mô phỏng trên nền tảng Matlab/Simulink là giải pháp tối ưu để đánh giá chính xác các quá trình quá độ, kiểm tra thuật toán bù chéo giữa hai trục $d-q$, đồng thời đo lường các chỉ số méo phi tuyến mà không gây nguy cơ hư hại phần cứng thực nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Khả năng tận dụng momen từ trở: Động cơ cực chìm sinh ra momen lớn hơn từ 20% đến 30% so với động cơ nam châm vĩnh cửu gắn bề mặt có cùng kích thước hình học nhờ việc tận dụng thành phần $(L_d - L_q)i_d i_q$. Khi áp dụng thuật toán điều khiển góc dòng điện hợp lý, hệ thống đạt tỷ số momen trên dòng điện cực đại.

Nâng cao hệ số sử dụng điện áp: Phương pháp điều chế vector không gian giúp biên độ điện áp ra cực đại trong vùng tuyến tính đạt giá trị bằng $1/\sqrt{3}$ điện áp một chiều (khoảng 86.6%), cao hơn đáng kể so với mức 78.5% của phương pháp điều chế độ rộng xung hình sin kinh điển.

Cải thiện chất lượng điện áp và dòng điện: Bộ nghịch lưu ba mức kẹp diode giảm độ méo hài tổng của điện áp dây xuống dưới 5% sau lọc, đồng thời giảm 50% biên độ bước nhảy điện áp $dv/dt$ trên mỗi van IGBT so với cấu trúc hai mức truyền thống.

Đáp ứng động học của vòng điều khiển: Hệ thống điều khiển vector có bù chéo đạt thời gian xác lập momen dưới 1.5 ms, độ quá điều chỉnh tốc độ duy trì dưới 2% khi chịu tác động của tải định mức.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân tạo nên sự vượt trội của cấu trúc bộ biến đổi ba mức kết hợp điều chế vector không gian là khả năng phân chia mặt phẳng pha thành 6 sector với 24 tam giác nhỏ, giúp vector điện áp đầu ra bám sát quỹ đạo tròn của từ thông.

Dữ liệu mô phỏng được tổng hợp và biểu diễn chi tiết qua các dạng đồ thị và bảng thông số:

• Biểu đồ dạng sóng điện áp pha và điện áp dây trước và sau bộ lọc thể hiện rõ các bậc điện áp đối xứng, triệt tiêu đáng kể các thành phần hài bậc cao tần số đóng cắt.
• Biểu đồ đáp ứng dòng điện ba pha $i_a, i_b, i_c$ và dòng điện trục $i_d, i_q$ phản ánh khả năng bám chính xác giá trị đặt, dòng điện duy trì dạng hình sin chuẩn với độ nhấp nhô biên độ dưới 3%.
• Bảng so sánh các chỉ số méo dạng điện áp và hiệu suất đóng cắt giữa các phương pháp điều biến khẳng định ưu thế của giải pháp đề xuất.

Khi so sánh với phương pháp điều khiển trực tiếp momen, giải pháp điều khiển vector tựa từ thông rotor loại bỏ được hiện tượng nhấp nhô momen lớn ở vùng tốc độ thấp (thường dao động từ 8% đến 12% trong điều khiển trực tiếp momen, nay giảm xuống dưới 3% trong điều khiển vector). Điều này đặc biệt phù hợp với điều kiện giao thông đô thị đòi hỏi xe phải dừng, đỗ và khởi động liên tục.

Đề xuất và khuyến nghị

Tối ưu hóa dải điều khiển suy giảm từ thông: Triển khai thuật toán điều khiển dòng $i_d < 0$ linh hoạt trong vùng công suất không đổi nhằm mở rộng tốc độ tối đa của động cơ lên gấp 2.5 đến 3 lần tốc độ cơ bản $\omega_b$. Chủ thể thực hiện: Kỹ sư nghiên cứu và phát triển hệ thống truyền động điện. Mục tiêu: Nâng cao hiệu suất vận hành toàn hệ thống trên 92% khi xe chạy trên đường cao tốc. Lộ trình thực hiện: 6 đến 12 tháng.

Tích hợp cấu trúc nghịch lưu ba mức và chuyển mạch mềm: Ứng dụng cấu trúc mạch nghịch lưu ba mức kẹp diode kết hợp mạch cộng hưởng nối tiếp hoặc song song nhằm đưa quá trình đóng cắt của van IGBT về trạng thái điện áp bằng không hoặc dòng điện bằng không. Chủ thể thực hiện: Các đơn vị chế tạo phần cứng điện tử công suất. Mục tiêu: Giảm tổn hao đóng cắt van trên 35% và kéo dài tuổi thọ cách điện của cuộn dây động cơ. Lộ trình thực hiện: 12 đến 18 tháng.

Nghiên cứu giải pháp điều khiển không cảm biến: Phát triển thuật toán ước lượng vị trí và tốc độ góc rotor dựa trên bộ lọc Kalman mở rộng hoặc bộ quan sát trạng thái Luenberger để thay thế cảm biến cơ khí resolver hoặc encoder. Chủ thể thực hiện: Nhóm nghiên cứu thuật toán điều khiển tự động. Mục tiêu: Tiết kiệm khoảng 15% chi phí chế tạo động cơ và tăng cường độ tin cậy trong môi trường rung động, nhiệt độ cao. Lộ trình thực hiện: 18 đến 24 tháng.

Thực nghiệm trên phần cứng nhúng thời gian thực: Xây dựng hệ thống điều khiển thực nghiệm trên các vi xử lý tín hiệu số chuyên dụng hoặc chip FPGA có chu kỳ quét dưới 50 $\mu\text{s}$. Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất ô tô điện trong nước. Mục tiêu: Đạt độ trễ xử lý thuật toán dưới 100 $\mu\text{s}$, chuẩn hóa quy trình kiểm thử trước khi thương mại hóa. Lộ trình thực hiện: 6 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Kỹ sư thiết kế hệ thống truyền động ô tô điện: Khai thác tài liệu để nắm vững quy trình tính toán, lựa chọn thông số động cơ cực chìm và thiết kế bộ nghịch lưu công suất phù hợp với từng cấu hình dẫn động từ 1 động cơ đến 4 động cơ độc lập.

Nhà nghiên cứu và học viên cao học chuyên ngành Tự động hóa - Điện tử công suất: Sử dụng toàn bộ hệ phương trình vi phân mô tả máy điện, kỹ thuật phân vùng vector không gian và các khối điều khiển bù chéo làm tài liệu tham khảo chuyên sâu cho các công trình nghiên cứu mở rộng.

Doanh nghiệp sản xuất thiết bị và linh kiện xe điện: Ứng dụng các phân tích so sánh giữa các loại động cơ và cấu trúc bộ biến đổi để định hướng chiến lược đầu tư công nghệ, tối ưu hóa vật liệu nam châm đất hiếm và hạ giá thành sản phẩm.

Giảng viên và sinh viên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Kỹ thuật Ô tô: Sử dụng luận văn như một giáo trình tham khảo chuẩn mực về mô hình hóa hệ thống truyền động điện trên Matlab/Simulink và các phương pháp điều khiển vector hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm có ưu thế gì vượt trội so với động cơ không đồng bộ trong xe điện? Động cơ cực chìm sở hữu cấu trúc nam châm nằm sâu trong rotor tạo ra sự chênh lệch điện cảm $L_q > L_d$, giúp sinh thêm momen từ trở và triệt tiêu hoàn toàn tổn thất đồng trên rotor. Nhờ đó, hiệu suất động cơ đạt trên 95%, kích thước nhỏ gọn hơn và mật độ công suất cao hơn đáng kể so với động cơ không đồng bộ vốn có hiệu suất suy giảm mạnh ở dải tốc độ thấp.

Tại sao phương pháp điều chế vector không gian lại được ưu tiên hơn điều chế độ rộng xung sin? Điều chế vector không gian tận dụng tối đa điện áp nguồn một chiều, nâng hệ số sử dụng điện áp lên mức 86.6% so với 78.5% của điều chế sin thông thường. Ngoài ra, phương pháp này dễ dàng số hóa trên các bộ vi xử lý, tối ưu hóa trình tự chuyển mạch để giảm thiểu số lần đóng cắt của van bán dẫn và giảm độ méo hài dòng điện.

Bộ nghịch lưu ba mức mang lại lợi ích cụ thể nào cho hệ thống truyền động xe điện? Nghịch lưu ba mức kẹp diode tạo ra điện áp đầu ra với nhiều bậc điện áp mịn hơn, làm giảm tốc độ biến thiên điện áp $dv/dt$ xuống 50%. Điều này giúp giảm ứng suất điện áp tác động lên lớp cách điện của động cơ, hạn chế dòng rò qua ổ bi và giảm kích thước của các bộ lọc đầu ra.

Vì sao nghiên cứu lựa chọn phương pháp điều khiển vector thay vì điều khiển trực tiếp momen? Mặc dù điều khiển trực tiếp momen có cấu trúc đơn giản và đáp ứng nhanh, phương pháp này lại gây ra độ nhấp nhô momen lớn từ 8% đến 12% và tần số đóng cắt van không cố định. Điều khiển vector tựa từ thông rotor kiểm soát chặt chẽ cả mạch vòng dòng điện và tốc độ, giúp dòng điện mịn màng, hoạt động ổn định ở tốc độ thấp và dễ dàng bù chéo phi tuyến.

Vùng điều chỉnh suy giảm từ thông trong động cơ cực chìm hoạt động theo nguyên lý nào? Khi tốc độ động cơ vượt quá tốc độ cơ bản, sức điện động cảm ứng tăng cao chạm giới hạn điện áp của bộ biến đổi. Thuật toán điều khiển sẽ chủ động bơm thành phần dòng điện âm trên trục d ($i_d < 0$) nhằm tạo ra từ trường ngược chiều khử bớt từ thông của nam châm vĩnh cửu, cho phép động cơ tiếp tục tăng tốc trong vùng công suất không đổi.

Kết luận

• Luận văn đã thiết lập thành công mô hình toán học chi tiết của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm trên hệ tọa độ quay $d-q$, làm rõ cơ chế sinh momen từ trở độc đáo.
• Nghiên cứu đã phân tích và ứng dụng hiệu quả giải pháp điều khiển vector tựa từ thông rotor kết hợp các khâu bù chéo dòng điện, đảm bảo đáp ứng momen nhanh dưới 1.5 ms.
• Cấu trúc bộ biến đổi nghịch lưu ba mức kẹp diode cùng thuật toán điều chế vector không gian đã được chứng minh giúp tối ưu hóa 15.47% điện áp nguồn và giảm méo hài tổng xuống dưới 5%.
• Toàn bộ thuật toán điều khiển và cấu trúc nghịch lưu đã được kiểm chứng tính đúng đắn thông qua mô phỏng trên nền tảng Matlab/Simulink với độ tin cậy cao.
• Đề tài mở ra định hướng phát triển thuật toán ước lượng vị trí rotor không cảm biến và thực thi trên phần cứng nhúng chuyên dụng trong vòng 12 tháng tới.

Hệ thống truyền động sử dụng động cơ cực chìm và bộ biến đổi đa mức là giải pháp công nghệ then chốt cho ngành công nghiệp ô tô điện hiện đại. Các kỹ sư và nhà nghiên cứu quan tâm có thể khai thác trực tiếp mô hình toán học và cấu trúc điều khiển trong luận văn để áp dụng vào các dự án phát triển phương tiện giao thông xanh tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu về ô tô điện độ, moomem. Nhược điểm của động cơ DC là cần bộ vành góp, chổi than có tuổi thọ thấp, đòi hỏi bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên, không phù hợp với điều kiện nóng ẩm, bụi bặm. Khi công nghệ bán dẫn, kĩ thuật điều khiển phát triển mạnh, động cơ DC dần bị thay thế bởi các loại động cơ khác. Động cơ không đồng bộ (Induction motor – IM): động cơ IM có ưu điểm rẻ tiền, thông dụng, dễ chế tạo.

Với kĩ thuật hiện nay, hoàn toàn có thể thực hiện các thuật toán điều khiển vector tiên tiến cho động cơ IM, đáng ứng các yêu cầu công nghệ cần thiết. Nhược điểm của động cơ IM là có hiệu suất thấp nhất trong các loại động cơ kể trên, đặc biệt khi chạy ở vùng tốc độ thấp. Các hãng xe của Hoa Kỳ như GM phần lớn sử dụng động cơ IM làm động cơ truyền động, lý do là xe của Mỹ chủ yếu chạy trên đường cao tốc, khoảng cách dài, đường trong đô thị cũng rộng và thoáng; khi đó động cơ IM sẽ phát huy được tối đa hiệu suất của mình, tổn thất không lớn. Ở Việt Nam, đường của chúng ta chủ yếu là nhỏ, hẹp, đông đúc, xe chạy ở tốc độ thấp và hay phải dừng, đỗ.

Với môi trường hoạt động như vậy, động cơ IM sẽ phải thường xuyên chạy ở tốc độ dưới định mức gây hiệu suất thấp, momen khởi động nhỏ không tốt khi cần khởi động nhiều, không thể phát huy tối đa hiệu suất và gây ra tổn thất lớn. Động cơ từ trở (Switched Reluctance Motor - SRM): động cơ từ trở có cấu tạo chắc chắn, đơn giản, kích thước nhỏ, không có chổi than và vành góp, dây quấn chỉ có ở stator, không có dây quấn hay nam châm ở rotor do vậy tiết kiệm được vật liệu. Hơn nữa dây chỉ quấn quanh một cực và không bị phân tán như trong các động cơ xoay chiều khác nên rõ ràng kinh tế hơn, giá thành thấp. Do có cấu tạo rất chắc chắn, đơn giản và phần lớn tổn hao trên stator nên việc làm mát dễ dàng, có thể làm việc tốt trong môi trường khắc nghiệt, nhiệt độ cao, rung động, mắt khác không có nam châm vĩnh cửu nên nhiệt độ cho phép và tuổi thọ của động cơ cao hơn các động cơ khác.

Động cơ SRM có thể hoạt động trên cả bốn góc phần tư, momen hiệu xuất cao do tỷ lệ với bình phương dòng điện, khả năng làm việc với tốc độ cao đến 100000v/phút .Tuy nhiên: momen đập mạch lớn, khi hoạt động gây ra nhiều tiếng ồn, động cơ từ trở rất phức tạp trong vận hành và không thể đơn giản cấp điện cho 9 Chương 1: Giới thiệu về ô tô điện dây quấn stato và động cơ sẽ quay như các loại động cơ khác. Hiện nay SRM mới chỉ dừng lại ứng dụng cạnh tranh trong một số ít lĩnh vực công suất trung bình trở xuống. Động cơ một chiều không chổi than (BLDC): động cơ BLDC có đặc tính cơ giống động cơ một chiều, mật độ công suất/khối lượng lớn, khả năng sinh momen cao. Nhược điểm cơ bản của động cơ BLDC là có nhấp nhô momen lớn, xuất hiện 6 xung momen trong 1 chu kỳ, tuy nhiên, có thể sử dụng các thuật toán điều khiển để giảm nhấp nhô momen.

Với những ưu điểm của mình, động cơ BLDC được sử dụng nhiều bởi các hãng xe của Nhật Bản và Hàn Quốc. Đây cũng là loại động cơ có nhiều tiềm năng ứng dụng cho xe điện và có thể được nghiên cứu thiết kế, chế tạo tại Việt Nam. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm (Interior Permanent Magnet Motor – IPM): động cơ IPM có những ưu thế gần như tuyệt đối trong ứng dụng cho xe điện. Động cơ nam châm vĩnh cửu thông thường có nam châm được gắn trên bề mặt rotor (SPM) vốn đã có đặc tính điều khiển rất tốt.

Động cơ IPM có nam châm được gắn chìm bên trong rotor, dẫn tới sự khác biệt giữa điện cảm dọc trục và điện cảm ngang trục, từ đó tạo khả năng sinh momen từ trở cộng thêm vào momen vốn có của động cơ. Đặc tính này khiến động cơ IPM có khả năng sinh momen/dòng điện rất cao, đặc biệt phù hợp cho xe điện. Mặc dù động cơ IPM hiện nay có giá thành rất cao do chưa được sản xuất hàng loạt rộng rãi và còn đang trong quá trình hoàn thiện nghiên cứu về cấu trúc, nhưng đây là động cơ phù hợp nhất để sử dụng cho xe điện hiện nay và tương lai. 10 Chương 1: Giới thiệu về ô tô điện 11 Chương 2: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm (IPM motor) CHƯƠNG 2 ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU CỰC CHÌM (IPM MOTOR) Qua tổng hợp và phân tích các ưu điểm, nhược điểm và khả năng ứng dụng của từng loại động cơ trong Chương 1, nhận thấy rằng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm (Interior Permanent Magnet Motor – IPM) đáp ứng tốt nhất các yêu cầu trong ô tô điện.

Giới thiệu chung về IPM Về cấu tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, cuộn dây stator giống như ở động cơ đồng bộ rotor dây quấn, nhưng cuộn kích từ của rotor được thay thế bằng nam châm vĩnh cửu. Ưu điểm của động cơ này là triệt tiêu tổn thất đồng ở rotor, nhưng lại mất đi sự linh hoạt trong điều khiển từ thông so với động cơ đồng bộ rotor dây quấn. Với những loại nam châm vĩnh cửu có mật độ năng lượng cao như NdFeB, kích thước động cơ sẽ nhỏ hơn với momen quán tính thấp hơn, rất thuận lợi cho nhiều ứng dụng truyền động. Dù giá thành động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu đắt hơn, nhưng bù lại nó có hiệu suất cao hơn.

Trong vài năm trở lại đây, giá thành NdFeB có xu hướng giảm dẫn đến động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm càng được ứng dụng rộng rãi. Dải công suất sử dụng thường là trung bình và thấp và thường nhỏ hơn 100kW. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có thể chia ra làm hai loại đó là: động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực tròn (SPMSM: Surface Permanent Magnet Synchronous Motor) và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm (IPMSM: Interior Permanent Magnet Synchronous Motor). ¾ Ở động cơ SPM, nam châm vĩnh cửu được gắn đều trên bề mặt rotor, khe hở không khí lớn, đồng bộ.

Do đó điện cảm đồng bộ ngang trục và dọc trục xấp xỉ bằng nhau (Ld = Lq), ảnh hưởng của phản ứng phần ứng cũng bị giảm do điện cảm từ hóa nhỏ, mật độ từ thông khe hở không khí phân phối đều, do vậy độ đập mạch momen nhỏ. 11 Chương 2: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm (IPM motor) ¾ Ở động cơ IPM, khe hở không khí không đều do bố trí nam châm trên rotor không đều, ở vị trí trục d lớn hơn trục q (Ld < Lq), phản ứng phần ứng có phần vượt trội, ảnh hưởng của khe hở không khí nhỏ và khá bền vững. Động cơ IPM có những ưu điểm khiến ta phải chú ý như: khả năng momen sinh ra lớn hơn, tốc độ cao hơn, điều chỉnh từ thông được nhiều hơn.1-1: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm. Vật liệu dùng để sản xuất nam châm vĩnh cửu khá đa dạng, đầu tiên là thép cứng.

Nam châm được làm từ thép dễ dàng bị từ hóa. Tuy nhiên, chúng chỉ có thể mang năng lượng rất nhỏ và dễ dàng bị khử từ. Hiện nay, các nhà khoa học đã nghiên cứu và chế tạo được các vật liệu làm nam châm mới như Aluminum Nickel, thép Cobalt (ALNICO), Strontium Ferrite hoặc Barium Ferrite, Samarium Cobalt (SmCo), Neodymium – Iron – Boron (NdFeB). Trong số các vật liệu này, nam châm làm từ Neodium – sắt – Boor (NdFeB) có mật độ năng lượng cao nhất, từ dư lớn nhất và độ từ kháng Hc lớn nhất, do đó giảm trọng lượng của máy điện.

Vật liệu này ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp. Với các tính năng như trên, IPM khẳng định là giải pháp rất đáng quan tâm trong việc sử dụng động cơ điện trong ô tô điện. 12 Chương 2: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm (IPM motor) 2. Đặc tính góc-momen của động cơ Trong hệ truyền động động cơ đồng bộ, người ta thường sử dụng đặc tính góc- momen M = f(δ).

Đặc tính góc–momen biểu diễn mối quan hệ giữa momen của động cơ với góc lệch giữa vector điện áp pha stator và vector sức điện động cảm ứng trong dây quấn stator do từ trường nam châm vĩnh cửu sinh ra.2-1: Đồ thị vector động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm. Đặc tính M = f(δ) được xây dựng dựa trên đồ thị vector của mạch stator với giả thiết bỏ qua điện trở stator Rs. Từ đồ thị hình 2.2-1, ta có thể viết được: I s cos φ = I sq cos δ − I sd sin δ (2-1) Công suất đầu vào động cơ: P = 3U s I s cos φ (2-2) Suy ra: P = 3U s ( I sq cos δ − I sd sin δ ) (2-3) Ngược lại từ đồ thị ta cũng có thể viết: Us cos δ − Ef I sd = (2-4) Xd Us sin δ I sq = (2-5) Xq U sE f ( Xd − X q ) Từ đó ta có: P = 3 sin δ + 3U s2 sin 2δ (2-6) Xd 2 Xd X q 13 Chương 2: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm (IPM motor) 3p p ⎡U sE f ( Xd − X q ) ⎤ Hay: Te = ⎢ sin δ + U s2 sin 2δ ⎥ (2-7) 2ω e ⎢⎣ Xd 2 Xd Xq ⎥⎦ Vì Us = ω e .Ψ f nên từ phương trình (2-7) ta có: 3 p p ⎡ψ sψ f ( L − Lq ) ⎤ Te = ⎢ sin δ +ψ s2 d sin 2δ ⎥ (2-8) 2ωe ⎢⎣ Ld 2 Ld Lq ⎥⎦ Phương trình (2-8) là phương trình của momen Te với góc momen δ ứng với động cơ IPM. Thành phần thứ nhất của phương trình được sinh ra bởi từ thông nam châm vĩnh cửu Ψf hay thành phần momen tích cực.

Thành phần thứ hai được định nghĩa như thành phần momen từ trở, phát sinh do đặc điểm của động cơ cực chìm với L d < Lq.2-2: Đặc tính góc-momen của động cơ. Mô hình toán học và phương pháp điều chỉnh động cơ 2.