Luận văn: Điều khiển cực đại moment động cơ PMSM chìm cho ô tô điện

Luận văn thạc sĩ: Điều khiển cực đại moment động cơ nam châm vĩnh cửu chìm cho ô tô điện. Nghiên cứu chuyên sâu, giải pháp tối ưu hiệu suất.

• Tác giả: Trần Lam Giang
• Người hướng dẫn: PGS. Tạ Cao Minh
• Trường học: Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Điều Khiển Tự Động
• Đề tài: Điều khiển cực đại moment động cơ nam châm vĩnh cửu chìm ứng dụng cho ô tô điện
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU
• 1.1. Khái quát động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
• 1.2. Mô hình hóa động cơ PMSM
• 1.3. Điện cảm của động cơ PMSM
• 1.3.1. Điện cảm của động cơ SPMSM
• 1.3.2. Điện cảm của động cơ IPMSM
• 1.4. Phương trình điện áp động cơ SPMSM
• 1.4.1. Phương trình điện áp động cơ SPMSM trong hệ tọa độ abc
• 1.4.2. Phương trình điện áp SPMSM trong hệ tọa độ đứng yên αβ
• 1.4.3. Phương trình điện áp SPMSM trong hệ tọa độ đồng bộ dq
• 1.5. Phương trình điện áp IPMSM
• 1.5.1. Từ thông móc vòng trong IPMSM
• 1.5.2. Chuyển đổi ma trận từ trở
• 1.5.3. Phương trình điện áp động cơ IPMSM trong hệ tọa đứng yên αβ
• 1.5.4. Phương trình điện áp động cơ IPMSM trong hệ tọa độ đồng bộ dq
• 1.6. Phương trình moment động cơ PMSM
• 1.7. Phương trình động học động cơ PMSM
• 2. CHƯƠNG II: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ
• 2.1. Các vùng làm việc của động cơ PMSM
• 2.1.1. Vùng moment không đổi
• 2.1.2. Vùng công suất không đổi
• 2.2. Các phương pháp điều khiển động cơ đồng bộ
• 2.2.1. Điều khiển vô hướng U/f
• 2.2.2. Phương pháp điều khiển trực tiếp moment DTC
• 2.2.3. Điều khiển vector tựa từ thông rotor FOC
• 3. CHƯƠNG III: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MTPA CHO ĐỘNG CƠ IPMSM
• 3.1. Khái niệm điều khiển MTPA
• 3.2. Khái quát các kỹ thuật áp dụng trong điều khiển MTPA
• 3.3. Phương pháp điều khiển MTPA dựa trên quan hệ id, iq
• 3.4. Giới hạn làm việc của động cơ
• 3.5. Phương pháp điều khiển MTPA cho IPMSM
• 4. CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN CÁC MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
• 4.1. Thiết kế mạch vòng điều khiển dòng điện
• 4.2. Mô phỏng hệ thống
• 4.2.1. Các tính toán cơ bản
• 4.2.2. Mô phỏng và kết quả
• 4.2.3. Khởi tạo các tham số
• 4.2.4. Tính toán đường MTPA
• 4.2.5. Quỹ đạo tính toán đường giới hạn moment động cơ
• 4.2.6. Mô hình mô phỏng
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Điều Khiển Moment Cực Đại Cho Xe Điện

Ngày nay, sự phát triển của công nghệ vật liệu và kỹ thuật điều khiển đã thúc đẩy việc sử dụng rộng rãi động cơ PMSM trong nhiều ngành công nghiệp. Ưu điểm của động cơ PMSM là dải công suất lớn và khả năng mở rộng vùng tốc độ hoạt động theo yêu cầu của tải. Hầu hết các phương pháp điều khiển động cơ đồng bộ hiện nay đều sử dụng phương pháp điều khiển vector trong hệ tọa độ dq, quay với tốc độ từ trường quay. Đối với PMSM, thành phần dòng điện tạo từ thông id thường được giữ bằng không do đã có sự tồn tại từ thông của nam châm vĩnh cửu, và chỉ cần điều chỉnh thành phần dòng điện iq. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ hiệu quả khi động cơ hoạt động trong chế độ moment không đổi, khi bộ biến tần chưa bão hòa. Đối với các ứng dụng đòi hỏi động cơ phải làm việc trên dải tốc độ định mức, giải pháp là giảm từ thông stator bằng cách bơm vào dòng điện stator một thành phần dòng điện âm trục d để tạo phản ứng dọc trục khử từ. Tuy nhiên, dòng khử từ id phải được điều chỉnh ở một mức độ cho phép do mỗi nam châm đều có giới hạn khử từ nhất định, do đó vùng mở rộng dải tốc độ của PMSM còn tương đối nhỏ. Những năm gần đây, có nhiều nghiên cứu mới về điều chỉnh tốc độ PMSM. Một trong các phương pháp đó là biểu diễn dòng id theo dòng điện Is là giới hạn dòng điện tối đa mà nguồn cấp có thể đáp ứng được, sao cho moment đạt lớn nhất. Tác giả Shiego Morimoto và cộng sự đã đưa ra một kỹ thuật sử dụng thuật toán và cấu hình điều khiển để tìm đường MTPA. Tuy vậy, phương pháp này không thể áp dụng cho vùng trên tốc độ cơ bản do bị giới hạn về điện áp. Với đề tài “Điều khiển cực đại moment động cơ nam châm vĩnh cửu chìm ứng dụng cho ô tô điện”, tác giả đã xây dựng mô hình mô phỏng để kiểm chứng lại thuật toán và mở rộng thêm vùng hoạt động của động cơ lên trên tốc độ cơ bản cho phù hợp với đặc điểm truyền động của ô tô điện. Đề tài được trình bày làm bốn chương gồm: Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, Điều khiển động cơ đồng bộ, Phương pháp điều khiển MTPA cho IPMSM, Tính toán các mạch vòng điều khiển và mô phỏng.

1.1. Khái Quát Động Cơ Đồng Bộ Nam Châm Vĩnh Cửu PMSM

Mặc dù động cơ không đồng bộ và động cơ một chiều vẫn chiếm ưu thế trên thị trường, ngày nay có nhiều nghiên cứu và ứng dụng hơn dành cho động cơ đồng bộ, đặc biệt là các động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSM. PMSM sử dụng nam châm tạo ra từ trường ở khe hở không khí thay vì sử dụng cuộn dây. Ưu thế lớn của động cơ này phát sinh từ việc đơn giản hóa trong cấu trúc. Do không có cổ góp nên nó gọn nhẹ hơn động cơ một chiều, ít phải bảo dưỡng và làm việc với độ tin cậy cao. Rotor PMSM làm bằng sắt đặc hình trụ hoặc được ghép lại từ các lá thép kỹ thuật điện dát mỏng. Các thanh nam châm được gắn trên bề mặt của thân. Nam châm xoay theo hướng từ hóa mật độ từ thông qua khe hở không khí. Mật độ từ thông sau đó phản ứng với dòng điện trong cuộn dây đặt vào các rãnh trên bề mặt bên trong stator để sinh moment. Rotor trong PMSM thường được sản xuất kín hoàn toàn để bảo vệ các nam châm không hút bụi sắt từ không khí. Do không có cuộn dây trong rotor, PMSM có quán tính thấp, cường độ từ trường cao, tiếng ồn động cơ khi chạy giảm. Hơn nữa, do không có tổn thất đồng ở cuộn thứ cấp nên hiệu suất cao hơn động cơ đồng bộ. Ngoài ra PMSM có lợi thế trong việc kết hợp momen từ trở trên vùng suy giảm từ thông nên nó có thể được thiết kế để có công suất không đổi trong cả dải tốc độ. Dựa vào sự khác biệt ở vị trí đặt nam châm mà PMSM được phận ra làm hai loại: động cơ đồng bộ nam châm bề mặt (SPMSM) và động cơ đồng bộ nam châm chìm (IPMSM). Các động cơ với rotor có nam châm đặt trên bề mặt sẽ cho mật độ từ thông trong khe hở không khí lớn hơn nhưng kết cấu cơ khí kém vững chắc. Ngược lại, các động cơ với rotor có nam châm được đặt chìm trong thân sẽ có kết cấu cơ khí vững chắc và phù hợp cho các ứng dụng tốc độ từ cao đến rất cao.

1.2. Mô Hình Hóa Động Cơ PMSM Cho Điều Khiển MTPA

Để hiểu rõ về điều khiển MTPA, việc mô hình hóa động cơ PMSM là vô cùng quan trọng. Độ từ thẩm của các nam châm dùng trong động cơ PMSM khác nhau, ví dụ, của Neodymium-Iron-Boron (NdFeB) khoảng 1,04-1,11. Trong xe điện, đa phần sử dụng động cơ IPMSM dùng nam châm NdFeB để có mật độ từ dư Br vượt trội, khoảng 1,4T. Điện cảm của SPMSM và IPMSM khác nhau do vị trí đặt nam châm. Với SPMSM, điện cảm dọc trục xấp xỉ bằng điện cảm ngang trục. Tuy nhiên, với IPMSM, điện cảm dọc trục nhỏ hơn so với điện cảm ngang trục, dẫn đến Ld < Lq. Phương trình điện áp SPMSM và IPMSM cũng khác nhau do sự khác biệt về điện cảm và vị trí rotor. Phương trình moment PMSM là kết quả của sự tương tác chéo giữa liên kết từ thông stator với dòng stator. Công thức chung thể hiện mối liên hệ này là: T = 1.5 * p * [λ_m * i_qs + (L_d - L_q) * i_ds * i_qs]. Trong đó, 'p' là số cặp cực, 'λ_m' là liên kết từ thông do nam châm vĩnh cửu, 'L_d' và 'L_q' là điện cảm dọc trục và ngang trục, và 'i_ds' và 'i_qs' là các thành phần dòng điện stator.

II. Bài Toán Hiệu Suất Động Cơ Giải Pháp Điều Khiển MTPA

Trong xe điện, hiệu suất động cơ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quãng đường di chuyển và hiệu quả sử dụng năng lượng. Tuy nhiên, việc tối ưu hóa hiệu suất động cơ PMSM không phải là một nhiệm vụ đơn giản. Một trong những thách thức lớn nhất là duy trì hiệu suất cao trong toàn bộ dải tốc độ và tải trọng hoạt động. Nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ, bao gồm tổn hao đồng, tổn hao sắt, tổn hao cơ và tổn hao do các thành phần điện tử. Ngoài ra, các yếu tố như nhiệt độ, điện áp và dòng điện cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ. Theo tài liệu, Shiego Morimoto và các công sự đã đưa ra một kỹ thuật sử dụng thuật toán và cấu hình điều khiển để tìm đường MTPA. Tuy vậy, phương pháp này không thể áp dụng cho vùng trên tốc độ cơ bản do bị giới hạn về điện áp. Để giải quyết những thách thức này, điều khiển MTPA (Maximum Torque Per Ampere) đã trở thành một phương pháp quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất động cơ PMSM. Điều khiển MTPA giúp động cơ sản sinh moment lớn nhất với một lượng dòng điện nhất định, từ đó giảm tổn hao và tăng hiệu suất.

2.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Hiệu Suất Động Cơ PMSM

Một số yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ PMSM bao gồm: (1) Tổn hao đồng: Đây là tổn hao do dòng điện chạy qua cuộn dây stator, gây ra nhiệt và giảm hiệu suất. (2) Tổn hao sắt: Đây là tổn hao do từ trễ và dòng điện xoáy trong lõi sắt của stator và rotor. (3) Tổn hao cơ: Đây là tổn hao do ma sát trong ổ trục và quạt làm mát. (4) Tổn hao điện tử: Đây là tổn hao do các thành phần điện tử trong bộ biến tần và mạch điều khiển. Theo tài liệu gốc, tổn thất Cu và Fe có thể được giảm, đặc biệt ở tốc độ thấp khi tổn thất Fe thành không đáng kể so với tổn thất Cu. Các yếu tố khác như nhiệt độ, điện áp và dòng điện cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ. Ví dụ, nhiệt độ cao có thể làm giảm độ bền của nam châm và tăng điện trở của cuộn dây, làm giảm hiệu suất.

2.2. Lợi Ích Của Điều Khiển MTPA Trong Tối Ưu Hiệu Suất

Điều khiển MTPA (Maximum Torque Per Ampere) mang lại nhiều lợi ích quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất động cơ PMSM. Thứ nhất, MTPA giúp động cơ tạo ra moment lớn nhất với một lượng dòng điện nhất định, từ đó giảm tổn hao đồng và tăng hiệu suất. Thứ hai, MTPA có thể giúp động cơ hoạt động hiệu quả hơn trong toàn bộ dải tốc độ và tải trọng hoạt động. Thứ ba, MTPA có thể giúp giảm nhiệt độ động cơ, kéo dài tuổi thọ và tăng độ tin cậy. Theo phân tích ở chương trước, trong phương trình moment, id và iq có thể được thay thế bằng vector dòng điện stator Is. Từ phương trình moment IPMSM (3.1), việc lấy đạo hàm và giải phương trình giúp xác định giá trị id cho phép biểu diễn dòng theo dòng để moment đạt giá t lớn nhất.

III. Phương Pháp Điều Khiển MTPA Dựa Trên Quan Hệ Id Iq

Với SPMSM, do không có thành phần moment từ trở nên giá trị moment được xác định chỉ bằng dòng điện iq. Tuy nhiên với trường hợp của IPMSM, moment từ trở được quyết định bởi dòng điện id. Do đó có rất nhiều sự kết hợp giữa để sinh moment. Phương pháp điều khiển cổ điển và đơn giản đầu tiên là cho dòng điện id=0 và tận dụng lợi thế tuyến tính của quan hệ giữa moment và dòng điện iq. Phương pháp này thích hợp cho điều khiển SPMSM do không còn lựa chọn nào khác ngoại trừ việc điều khiển dòng điện trục q. Nhưng với IPMSM lại kém hiệu quả hơn vì khi cố định id=0 đồng nghĩa với việc làm mất khả năng giảm từ thông của động cơ, nghĩa là làm hạn chế giới hạn làm việc của IPMSM ở vùng tốc độ cao. Theo tài liệu gốc, một phương pháp điều khiển MTPA dựa trên quan hệ id, iq có thể được thực hiện bằng cách lấy đạo hàm moment với dòng điện iq để tìm giá trị id cho phép biểu diễn dòng theo dòng để moment đạt giá trị lớn nhất. Ngoài ra, để có đáp ứng tức thời nhanh và moment của động cơ đạt giá trị lớn nhất ở một cường độ dòng điện nhất định được cấp từ biến tần thì góc β phải được kiểm soát.

3.1. Tính Toán Góc Điều Khiển MTPA Để Tối Ưu Moment Xoắn

Để tính toán góc phù hợp, ta lấy đạo hàm của moment đối với góc β. Điều này cho ta góc ứng với cường độ dòng điện Is. Mặt khác, nên ta được Công thức cho phép biểu diễn dòng theo dòng điện satotor Is sao cho giá trị moment đạt lớn nhất. Theo tác giả Morimoto, nó là tập hợp các điểm có giá trị [9], [10] đã nêu ra một kỹ thuật sử dụng thuật toán và cấu hình điều khiển rất chi tiết để tìm đường MTPA dựa vào công thức (3.1). Phương pháp MTPA được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng thực tế vì nó đơn giản và giảm thiểu được tổn thất đồng. Tuy vậy, phương pháp này không thể áp dụng cho vùng trên tốc độ cơ bản do bị giới hạn về điện áp.

3.2. Giới Hạn Làm Việc Của Động Cơ Trong Điều Khiển MTPA

Đối với các hệ truyền động điện, ta luôn có một giá trị dòng điện cực đại mà động cơ và các thiết bị trong hệ thống còn hoạt động mà không bị hư hại hoặc dòng điện tối đa mà nguồn cấp có thể đáp ứng được. Nếu gọi giá trị này là Ism, ta có quan hệ dòng điện (3.10). Tương tự ta cũng có quan hệ về điện áp như sau (3.11). Theo tài liệu, với mỗi dòng điện stator Is, ta điều chỉnh dòng id âm theo dòng iq thì giá trị moment điện từ sẽ đạt cực đại. Từ đó ta biểu diễn được quỹ đạo đường MTPA là quỹ tích các điểm trên mặt phẳng (id, iq) sao cho moment là cực đại với mỗi đơn vị dòng điện Is.

IV. Điều Khiển Vector Kết Hợp MTPA Nâng Cao Khả Năng Xe Điện

Điều khiển vector tựa từ thông rotor (FOC) là giải pháp điều khiển tốt nhất cho các ứng dụng tốc độ thấp và hiệu suất truyền động cao. FOC là phương pháp điều khiển vòng kín với hai mạch vòng tốc độ mà moment. Mạch vòng tốc độ đo tốc độ tức thì của động cơ và phản hồi về thông qua bộ mã hóa, đây được coi như tín hiệu phản hồi vòng ngoài. Vòng trong là điều khiển moment điện từ. Đây cũng là lý do mà FOC được gọi là điều khiển gián tiếp (indirect). Điều khiển gián tiếp moment thông qua điều khiển dòng điện. Phương pháp điều khiển vector tựa từ thông rotor dựa trên mô hình động cơ trong hệ trục tọa độ quay đồng bộ. Trong đó hệ trục được gắn vào vector từ thông rotor. Ưu điểm của phương pháp này là điều khiển tốc độ chính xác, đáp ứng moment tốt. Nhược điểm của nó là chi phí cao, phải áp dụng các kỹ thuật điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu khá phức tạp.

4.1. Điều Khiển Vector FOC Để Kiểm Soát Tối Ưu Moment

Nguyên tắc chính trong điều khiển động cơ là giữ cho tốc độ mong muốn của động cơ không đổi. Điều này phụ thuộc vào moment cung cấp của tải. Vậy nên để có tốc độ mong muốn, moment cung cấp của tải phải được kiểm soát. Từ phương trình moment của PMSM, ta thấy rằng, điều khiển moment chính là điều khiển các thành phần dòng (Coi thành phần điện cảm Ld và Lq là không đổi). Như đã phân tích, ngày nay, FOC có hai hướng phát triển chính: Hướng điều khiển sử dụng cảm biến và các bộ mã hóa (Encoder) và Hướng điều khiển không cùng cảm biến mà dùng cách ước lượng vị trí và tốc độ rotor (Sensorless).

4.2. Ứng Dụng Điều Khiển Vector và MTPA Trong Xe Điện

Từ các phân tích trên ta thấy động cơ IPMSM phù hợp cho xe điện vì loại động cơ này có thể làm việc tốt trong cả vùng moment không đổi và vùng công suất không đổi thông qua các hoạt động suy giảm phù hợp. Trong một chu kỳ hoạt động của điển hình của xe điện, IPMSM là một lựa chọn lý tưởng vì có thể sản sinh moment xoắn cao ở tốc độ thấp và làm giảm từ thông ở tốc độ cao nhưng cần một thuật toán điều khiển để tối ưu hiệu suất khi chuyển từ vùng moment không đổi sang vùng công suất không đổi.

V. Mô Phỏng Hệ Thống Điều Khiển MTPA Cho Động Cơ IPMSM

Việc mô phỏng hệ thống điều khiển MTPA cho động cơ IPMSM là một bước quan trọng trong quá trình thiết kế và phát triển hệ thống. Mô phỏng giúp chúng ta kiểm tra và đánh giá hiệu quả của thuật toán điều khiển, cũng như tối ưu hóa các tham số của hệ thống. Theo tài liệu, tác giả đã xây dựng mô hình mô phỏng để kiểm chứng lại thuật toán và mở rộng thêm vùng hoạt động của động cơ lên trên tốc độ cơ bản cho phù hợp với đặc điểm truyền động của ô tô điện.

5.1. Xây Dựng Mô Hình Mô Phỏng Động Cơ IPMSM

Để mô phỏng hệ thống điều khiển MTPA, chúng ta cần xây dựng một mô hình chính xác của động cơ IPMSM. Mô hình này cần bao gồm các thành phần chính như stator, rotor, nam châm vĩnh cửu và các cuộn dây. Ngoài ra, mô hình cũng cần tính đến các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ, như tổn hao đồng, tổn hao sắt và tổn hao cơ.

5.2. Đánh Giá Kết Quả Mô Phỏng và Tối Ưu Thuật Toán

Sau khi xây dựng mô hình, chúng ta cần thực hiện các thử nghiệm mô phỏng để đánh giá hiệu quả của thuật toán điều khiển MTPA. Các thử nghiệm này có thể bao gồm mô phỏng động cơ hoạt động ở các tốc độ và tải trọng khác nhau, cũng như mô phỏng các tình huống khẩn cấp như quá tải hoặc ngắn mạch. Kết quả mô phỏng sẽ giúp chúng ta xác định các điểm yếu của thuật toán điều khiển và đề xuất các giải pháp cải thiện.

VI. Tương Lai Điều Khiển MTPA Cho Xe Điện Phát Triển Ứng Dụng

Các nghiên cứu và phát triển về điều khiển MTPA cho xe điện vẫn đang tiếp tục diễn ra mạnh mẽ. Trong tương lai, chúng ta có thể kỳ vọng vào những cải tiến đáng kể trong hiệu suất, độ tin cậy và khả năng điều khiển của hệ thống truyền động điện.Một số hướng nghiên cứu tiềm năng bao gồm phát triển các thuật toán điều khiển MTPA thông minh hơn, tích hợp MTPA với các phương pháp điều khiển khác, và ứng dụng MTPA trong các loại xe điện khác nhau.

6.1. Phát Triển Các Thuật Toán Điều Khiển MTPA Thông Minh

Trong tương lai, chúng ta có thể kỳ vọng vào sự phát triển của các thuật toán điều khiển MTPA thông minh hơn, có khả năng thích ứng với các điều kiện vận hành khác nhau và tối ưu hóa hiệu suất động cơ trong thời gian thực. Các thuật toán này có thể dựa trên các kỹ thuật như học máy, mạng nơ-ron và logic mờ.

6.2. Ứng Dụng MTPA Trong Các Loại Xe Điện Khác Nhau

Điều khiển MTPA có thể được ứng dụng trong nhiều loại xe điện khác nhau, từ xe điện hybrid (HEV) đến xe điện chạy hoàn toàn bằng pin (BEV). Việc ứng dụng MTPA có thể giúp cải thiện hiệu suất và quãng đường di chuyển của xe điện, đồng thời giảm phát thải khí nhà kính.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I. Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (1.11) Vector từ thông rotor gồm hai thành phần là độ lớn và góc θ. Khi góc tăng, vector từ thông quay ở tâm gốc tọa độ. Do đó từ thông móc vòng trong tọa độ đứng yên αβ được viết thành: (1.13) Với Phương trình điện áp SPMSM trong hệ tọa độ đứng yên αβ (1.14) Hoặc 10 download by : [e-mail] Chương I.

Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (1. Phương trình điện áp SPMSM trong hệ tọa độ đồng bộ dq Chuyển đổivào hệ tọa độ đồng bộ bằng việc thêm vào , tương đương với. Phương trình điện áp sẽ được mô tả trong tọa độ vật lý gắn với liên kết giữa rotor với góc quay ở tốc độ w của rotor.17) Phương trình điện áp trong hệ trục tọa độ đồng bộ (1.20) 11 download by : [e-mail] Chương I. Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Với là sức phản điện động, chỉ phụ thuộc vào tốc độ.

và là các xen kênh sinh ra trong quá trình chuyển đổi trong hệ tọa độ quay. Ở dạng phương trình vi phân (1. Phương trình điện áp IPMSM Trong IPMSM, giá trị điện cảm thay đổi phụ thuộc vào vị trí rotor. Liên kết từ thông thay đổi được mô tả bằng hàm sin của góc rotor là.

Từ thông móc vòng trong IPMSM Xem xét từ thông móc vòng của cuộn dây pha a cho các vị trí khác nhau của rotor trong hình 1. 12 download by : [e-mail] Chương I. Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Hình 1. Khe hở không khí và nghịch đảo của nó là một hàm của .(a) cho thấy các vị trí rotor khác nhau của dòng từ thông cuộn dây pha a.

Lưu ý rằng khe hở không khí thay đổi khi rotor quay. Khe hở không khí lớn nhất khi từ thông đi qua hết các nam châm từ góc bên phải. Tuy nhiên, nó cũng bị giảm đến nhỏ nhất khi từ thông không đi qua được nam châm nào. Một đồ thị biểu diễn hàm được miêu tả như trên hình 1.6, có thể coi là một chu kỳ tuần hoàn.

Điện cảm là một hàm nghịch đảo của khe hở không khí nên có thể được xấp xỉ thành (1.22) 13 download by : [e-mail] Chương I. Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu γ 0 và γ2 là các hằng số tích cực. Khi từ trở không phân cực, cho thấy hai sự thay đổi chu kỳ trên 1 vòng quay rotor. Bằng cách này ta có điện cảm cuộn dây pha a là Với và Lms là thành phần tĩnh, tương ứng chiều dài khe hở trung bình.

mô tả thành phần từ trở. Mở rộng kết quả cho các cuộn dây pha khác nhau ta có (1.24) Với Labcs là điện cảm là điện cảm tương ứng với khe hở không khí không đổi. thay đổi theo góc, nó chỉ mô tả các thành phần góc thay đổi cơ bản. Từ thông móc vòng tổng là 1.

Chuyển đổi ma trận từ trở Lrlc được coi là ma trận từ trở vì nó là kết quả của moment từ trở đã nói ở phần trước 14 download by : [e-mail] Chương I. Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Sử dụng Từ thông của IPMS hệ tọa độ đ yên là Vector mong muốn được tính trực tiếp Hoặc 15 (1.29) download by : [e-mail] Chương I. Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (1.30) vàlà các giá trị chuẩn theo tỷ lệ lồi của rotor 1. Phương trình điện áp IPMSM trong hệ tọa đứng yên αβ = (1.31) Viết dưới dạng ma trận = (1.32) Mô hình trên hệ tọa độ đứng yên này phù hợp cho việc phát triển dựa trên các thuật toán không dùng cảm biến đo trực tiếp.

Phương trình điện áp IPMSM trong hệ tọa độ đồng bộ dq = = Hoặc 16 download by : [e-mail] Chương I. Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Bằng cách so sánh, trong hệ tọa độ đứng yên, ta thấy đã biến mất trong hệ tọa độ đồng bộ. Điều này gây ra sự mất cân bằng giữa điện cảm 2 trục d và q. Phương trình điện áp = = Với và Ta có = (1.36 Tương đương với (1.37 Sự tồn tại của tạo ra sự khác biệt của và.

Nếu thì phương trình động học của IPMSM tương đương với SPMSM. 17 download by : [e-mail] Chương I. Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu 1. Phương trình moment PMSM Moment là kết quả của sự tương tức chéo giữa liên kết từ thông stator với dòng stator.

Theo quy tắc bàn tay phải, moment được lấy theo hướng dọc trục. Sử dụng các vector đơn vị trên tọa độ trực giao ta có (1.38) Vớilà moment điện từ dựa trên lực Lorentz.là moment từ trở do sai lệch giữa Lq và Ld tạo nên. Với mô hình có tổn thất nhỏ,và. Tổng công suất điện 18 download by : [e-mail] Chương I.

Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu 1. Phương trình động học PMSM Với J là moment quán tính rotor, đặc trưng cho quán tính hệ thống. B là hệ số ma sát nhớt và Mc là moment tải, ta có phương trình động học của PMSM Hình 1. Mô hình IPMSM trên hệ tọa độ dq.

19 download by : [e-mail] Chương II. Điều khiển động cơ đồng bộ CHƯƠNG II. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 2. Các vùng làm việc của PMSM Đặc tính moment và tốc độ của động cơ được chia thành hai vùng làm việc theo sự tăng dần của tốc độ.

Các vùng làm việc của động cơ PMSM. Vùng moment không đổi Vùng moment không đổi hay còn gọi là vùng dưới tốc độ cơ bản là vùng mà tốc độ động cơ nằm trong khoảng từ 0 đến tốc độ cơ bản. Trong vùng này, muốn tăng tốc độ động cơ ω, ta điều chỉnh giữ nguyên dòng điện stator tại giá trị lớn nhất , điều chỉnh điện áp tăng từ 0 tới. Khi đó công suất động cơ tăng từ 0 tới và momen động cơ được giữ nguyên tại giá trị để gia tốc của động cơ là lớn nhất.

Trong vùng này, ta có phương pháp điều khiển vector IPMSM kinh điển bằng cách điều chỉnh cho dòng. Khi đó moment điện từ sẽ tỷ lệ thuận với thành phần 20 download by : [e-mail] Chương II. Điều khiển động cơ đồng bộ dòng điện. Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện và cho đáp ứng khá tốt.

Tuy nhiên nếu sử dụng phương pháp này sẽ không tận dụng được tính chất không đẳng trị về điện cảm ngang trục và dọc trục của IPMSM, khiến moment sinh ra bị triệt tiêu mất thành phần thứ hai do trong phương trình, tức là moment sinh ra vẫn chưa được tối ưu. Vùng công suất không đổi Vùng công suất không đổi, là vùng trên tốc độ cơ bản có tốc độ nằm trong dải từ tốc độ cơ bản tới tốc độ tới hạn. Khi động cơ đang chạy ở tốc độ cơ bản , lúc này ta tiếp tục tăng tốc độ động cơ lên cao hơn nữa, ta bắt buộc phải thay đổi một số đại lượng vật lý của động cơ để phù hợp với sự thay đổi của động cơ. Khi động cơ làm việc ở tốc độ cao tại ranh giới của giới hạn điện áp và công suất mà bộ nghịch lưu có thể cung cấp và động cơ có thể chịu đựng.

Khi đó, để tăng được tốc độ hơn nữa, ta phải giảm từ thông ψ, điều này kéo theo giảm moment. Như ta đã biết trong PMSM = = Các vector dòng và áp được mô tả trong hình. (a) khi id<0 và iq>0. Điện áp xen kênh ngược với sức phản điện đông khi.

Do đó khi tăng theo chiều âm sẽ giúp bù sức phản điện động. Tuy nhiên, trong vùng tốc độ cao, điện áp giảm qua điện trở của stator là tương đối nhỏ. Bỏ qua điện áp thuần trở và giả thiết các điều kiện làm việc là ổn định. Ta sẽ có 21 download by : [e-mail] Chương II.

Điều khiển động cơ đồng bộ = = Hình 2. Vector dòng và áp: (a) có r s. Để tăng tốc độ, điều cần làm là tăng dòng id theo hướng âm, đồng nghĩa với việc giảm iq. Với phương pháp này, moment giảm nhưng công suất lại được giữ ổn định.

Vùng công suất không đổi này có thể được mở rộng vô hạn hoặc giới hạn. Nó được xác định bởi biên độ tương đối giữa. và Nếu điện áp tối đa có độ lớn là Us. Giới hạn điện áp được mô tả bằng công thức (2.5) Với từ thông rotor: Ta có 22 download by : [e-mail] Chương II.

Điều khiển động cơ đồng bộ Hình 2. Giới hạn dòng và áp cho các tốc độ khác nhau: (a) L d<Lq, (b) Ld>Lq Giới hạn điện áp là một tập hợp các hình elip tương ứng với các tốc độ khác nhau. Giới hạn dòng điện là đường tròn được xác định bởi công thức Nhìn vào hình vẽ ta nhận thấy, các elip thu nhỏ dần tới giá trị (-i f, 0) tương ứng với tốc độ tăng dần. Giá trị thực (i d, iq) là tập hợp các điểm giao nhau của elip và đường tròn.

Để chống lại sự tăng dần của sức phản điện động, dòng id phải được tăng theo chiều âm. Tuy nhiên, các giao điểm trong hình vẽ cho thấy sự gia tăng của id thu được tương đương với việc giảm dòng iq. Mặt khác, moment cũng cần phải được giảm để cung cấp một lượng lớn hơn dòng id âm. Vậy, phương trình giới hạn điện áp sẽ là 23 download by : [e-mail] Chương II.

Điều khiển động cơ đồng bộ Với w đủ lớn, vế phải được triệt tiêu. Do đó nếu khi. Thì khả năng xác định công suất ở tốc độ vô cùng được xác định bởi tiêu chuẩn Dựa vào biểu thức tiêu chuẩn trên, ta xác định được ba trường hợp với điện áp và dòng giới hạn cùng đồ thị biểu diễn quan hệ công suất- tốc độ. Đường cong dòng điện và đồ thị quan hệ công suất- tốc độ: (a) , (b) , (c) + : Tương ứng với trường hợp liên kết từ thông rotor lớn hơn trường + cảm ứng tối đa mà dòng stator có thể cung cấp.

Trên tốc độ định mức, công suất giảm về không rất nhanh. Từ tâm hình elip, dòng –if nằm ngoài giới hạn dòng điện, nên sẽ không có giao điểm trên vùng tốc độ giới hạn được xác định bởi công thức (2.10) Đường cong giới hạn dòng điện và điện áp tách biệt nhau khi. 24 download by : [e-mail] Chương II. Điều khiển động cơ đồng bộ + : Tương đương với if=Is.

Tâm elip nằm trên đường tròn giới hạn dòng + điện. Luôn có giao điểm với tốc độ bất kỳ.