CHƯƠNG 1TỔNG QUAN 1. Tính cấp thiết của luận văn Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) chủ yếu được sử dụng trong các loại động cơ có hiệu năng và hiệu quả cao như sử dụng trong đường sắt. PMSM có các đặc điểm phù hợp với động cơ kéo nhỏ gọn, nhẹ và hiệu quả hơn động cơ không đồng bộ. Hiện tại ở Việt Nam cũng đang triển khai hệ thống đường sắt cao tốc như tuyến Metro Bến Thành -Suối Tiên, Bến Thành - Tân Kiên, Thạnh Xuân (quận 12) - Khu đô thị Hiệp Phước, Cầu Sài Gòn - bến xe Cần Giuộc, Cát Linh - Hà Đông.Với xu hướng phát triển như hiện tại thì PMSM chắc chắn sẽ được ứng dụng.
Vấn đề bảo trì và nâng cấp hệ thống sẽ được đặt ra. Cuộc vận động nghiên cứu khoa học, làm chủ công nghệ của Đảng và Nhà nước ngày càng được đẩy mạnh. Cũng như các hệ thống điều khiển khác, chất lượng các hệ điều khiển truyền động điện phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng của các bộ điều khiển. Các bộ điều khiển phải tạo ra phạm vi điều khiển rộng.
Với mong muốn tìm hiểu sâu về lĩnh vực truyền động điện xoay chiều và thực trạng xây đang xây dựng tuyến Metro ở nước ta, em chọn đề tài “Mô Hình Mô Phỏng Điều Khiển Động Cơ Đồng Bộ Nam Châm Vĩnh Cữu Kết Hợp Điều Khiển Thông Minh” cho luận văn này. Mục tiêu của luận văn Nghiên cứu 2 mô hình điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu dùng phương pháp điều khiển PI và FUZZY PI và xây dựng mô hình mô phỏng sử dụng phần mềm Psim. Phương pháp thực hiện luận văn Thu thập tài liệu từ các bài báo liên quan. Khảo sát mô hình động học, mô hình hóa và mô phỏng cấu trúc điều khiển động cơ PMSM.
Ý nghĩa của luận văn Là tài liệu tham khảo hữu ích cho những ai quan tâm đến phương pháp điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Luận văn là tài liệu tham khảo chuyên sâu cho các sinh viên, các nhà nghiên cứu và phục vụ cho công tác giảng dạy chuyên ngành. 2 Luan van CHƯƠNG 2ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU 2. Giới thiệu chung về động cơ đồng bộ Động cơ đồng bộ là động cơ có tốc độ quay của rotor bằng với tốc độ quay của từ trường.
Tốc độ quay của động cơ không đổi khi tải thay đổi và chỉ phụ thuộc vào tần số của nguồn cung cấp cho động cơ và số đôi cực của động cơ. Tốc độ của động cơ được xác định bởi công thức sau: 60𝑓 𝑛= 𝑝 Trong đó: n là tốc độ quay của rotor (vòng/phút) f là tần số của nguồn điện (Hz) p là số cặp cực của động cơ Nguyên lý làm việc: Momen của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu dược sinh ra do sự tương tác giữa 2 từ trường quay, một từ trường được tạo nên do dòng điện trong dây quấn 3 pha của statorvà từ trường thứ hai docác thanh nam châm vĩnh cửu gắn lên bề mặt của rotor. Động cơ đồng bộ được sử dụng nhiều trong thực tế sản xuất vì có những đặc điểm vượt trội như hiệu suất, hệ số công suất cao so với các động cơ khác.động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) là một dạng động cơ đồng bộ tiêu biểu (đây là đối tượng nghiên cứu chính của luận văn). Hiện nay, động cơ PMSM được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và dân dụng vì có nhiều ưu điểm mà các loại động cơ khác không làm được: • Sử dụng động cơ PMSM sẽ giúp tiết kiệm năng lượng điện tiêu thụ (từ 30- 50% năng lượng) • Không cần bảo trì thường xuyên so với các động cơ khác (không có chổi than) 3 Luan van • Động cơ nhõ, trọng lượng nhẹ nên tiết kiệm được không gian phù hợp với tiêu chí thiết kế nhỏ ngày nay • Độ rung và tiếng ồn thấp trong quá trình làm việc • Tỏa nhiệt thấp giúp an toàn trong các môi trường làm việc dễ cháy nổ Tuy nhiên động cơ PMSM thường có 2 khuyết điểm chính là: giá thành nam châm vĩnh cửu cao nên giá động cơ đắt so với động cơ cùng loại và hoạt động trong tầm nhiệt độ thấp hơn so với động cơ dây quấn do khả năng khử từ của nam châm vĩnh cửu.
Động cơ PMSM có hai loại chính là: động cơ cực lồi SPM (Surface Permanent Magnet) chiếm tỉ lệ cao trong công nghiệp 95% (là loại động cơ sử dụng trong luận văn) và động cơ cực ẩn IPM (Interior Permanent Magnet). Cấu tạo động cơ PMSM gồm 2 thành phần chính là: Stator và rotor ❖ Starto của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu gồm hai bộ phận chính là: lá thép và dây quấn ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy. • Lõi thép startor gồm các lá thép kỹ thuật điện (tôn silic 0.5mm), 2 mặt được phủ một lớp sơn cách điện được dập rãnh bên trong sau đó được ghép lại với nhau tạo thành hình trụ, bên trong mặt tạo thành các rãnh theo hướng trụ để đặt dây quấn sau này. Lõi thép stator được đặt cố định trong thân máy.
• Thân máy phải được thiết kế sao cho hình thành một hệ thống thông gió để làm mát tốt nhất cho máy. • Nắp máy thường được chế tạo từ gang đúc, thép tấm hoặc nhôm đúc. ❖ Rotor động cơ PMSM cực lồi SPM: thường có tốc độ quay thấp nên đường kính rotor lớn, trong khi chiều dài động cơ lại ngắn. Rotor thường là đĩa nhôm hay nhựa trọng lượng nhẹ có độ bền cao.
Các nam châm được gắn chìm trong đĩa này. ❖ Rotor động cơ PMSM cực ẩn IPM: thường làm bằng thép hợp kim chất lượng cao, được rèn thành khối trụ sau đó gia công phay rãnh để đặt các thanh nam châm. Khi các thanh nam châm ẩn trong rotor thì có thể đạt được 4 Luan van cấu trúc cơ học bền vững hơn, kiểu này thường được sử dụng trong các động cơ tốc độ cao. Tốc độ loại này thường cao nên để hạn chế lực ly tâm rotor thường có chiều dài lớn.
Trục Rotor Lõi Rotor Nam châm vĩnh cửu Khe hở không khí Dây quấn Stator Lõi Stator Hình 2.1: Cấu tạo động cơ PMSM Trong các máy điện nam châm vĩnh cửu trước kia trên stator thường có các răng, ngày nay stator thường chế tạo không răng, dây quấn stator được chế tạo bên ngoài sau đó được lồng vào và định vị trong stator. Máy điện như vậy sẽ ổn định ở tốc độ thấp và tổn thất giảm, tăng được không gian cho dây quấn stator, nên có thể sử dụng dây quấn có tiết diện lớn hơn và tăng dòng điện định mức của máy điện, do đó công suất của máy tăng. Nhưng khe hở không khí lớn gây bất lợi nên phải chế tạo rotor có đường kính lớn hơn và có bề mặt nam châm lớn. Máy điều hòa không khí: Động cơ PMSM được dùng làm máy nén khí của máy điều hòa không khí để làm tăng hiệu suất.
Ngoài ra, trong môi trường làm việc của máy nén khí động cơ tiếp xúc với nhiều dầu nhờn, cảm biến vị trí không được sử dụng nên động cơ PMSM là một giải pháp tối ưu nhất. Với các dòng máy điều hòa inverter tiết kiệm điện (30-50%) của các hãng 5 Luan van như Panasonic, Toshiba, Samsung. Máy giặt công nghiệp và gia đình: động cơ PMSM cũng đang được sử dụng phổ biến trong hệ thống truyền động của máy giặt do chúng có momen xoắn cao khi ở tốc độ rất thấp. Tủ lạnh: máy nén tủ lạnh cũng yêu cầu mô-men xoắn tốt hơn khi ở tốc độ thấp.
Những yêu cầu này được đáp ứng tốt bởi động cơ PMSM. Ô-tô: máy bơm và máy nén điều hòa không khí được sử dụng trong ô-tô cũng chuyển dần sang dùng động cơ PMSM do hiệu suất làm việc tốt, tuổi thọ cao so với động cơ DC, và mô-men xoắn cao khi ở tốc độ thấp. Các dòng ô-tô đang có mặt trên thị trường minh chứng cho điều này: Vivic (Honda), Prius (Toyota), Mercedes-Benz S Class Hybrid.2: Ứng dụng động cơ PMSM [1] 2. Mô hình toán học động cơ PMSM.
Mathematical Modeling and Simulation of Permanent Magnet Synchronous Machine. International Journal of Electronics and Electrical Engineering Vol. Nguồn tương đương. Các đầu vào công suất cho máy ba pha có được bằng năng lượng đầu vào cho cácmáy hai pha có ý nghĩa giải thích trong phép đo, phân tích và mô phỏng.
Công suấtđầu vào tức thời của 3 pha là: pi=vtabciabc=vasias+vbsibs+vcsic (2.1) p : công suất đầu vào tức thời i vt :vector điện áp abc tức thời abc v ,v ,v : điện áp đầu vào pha a, b, c as bs cs 6 Luan van i : vector dòng điện pha abc abc i ,i ,i : dòng điện stator tức thời 3 pha as bs cs Các dòng pha abc và điện áp được chuyển thành tương đương: iabc = [Tabc ]−1 idq r 0 (2.3) ta có công suất đầu vào: −1 t −1 r pi = (vqd r t 0 ) ([Tabc ] ) [Tabc ] iqd 0 (2.4) Khai triển phía bên phải của phương trình (2.4), công suất đầu vào trong các biến dq0 là: 3 r r pi = [(v qs iqs + v ds r r ids ) + 2 v 0i 0 ] 2 (2.5) Đối với máy 3 pha không có thứ tự dòng điện, công suất đầu vào có thể được thu gọn: 3 r r pi = [(v qs iqs + v ds r r ids ) + 2 v 0i 0 ] (2. Momen điện từ. Mô-men điện từ là các biến đầu ra quan trọng nhất để xác định các động lực cơ khí của máy chẳng hạn như vị trí rotor và tốc độ. Nó có nguồn gốc từ phương trình matrận máy bằng cách nhìn vào công suất đầu vào và các thành phần khác của nó như tổnthất điện trở, công suất cơ học, và mức độ thay đổi của năng lượng từ trường tích lũytrong cuộn dây stator.
Mức độ thay đổi của năng lượng từ trường được lưu trữ chỉ cóthể bằng không trong trạng thái ổn định. Do đó, trong một trạng thái ổn định có tổnthất điện trở và công suất đầu ra chênh lệch với công suất đầu vào. Mức độ thay đổicủa năng lượng từ trường tích lũy trong cuộn dây stator không cần phải bằng không.Và nguồn gốc của các momen xoắn điện từ được thực hiện như sau. Các phương trình động học của PMSM có thể được viết như sau: V = [R]i+ [L]pi+ [G]w r i (2.7) 7 Luan van Công suất đầu vào tức thời là: pi = itV = it [ R]i + it [L] pi + i t [G]wri (2.9) 2 Trong đó P là số cực.
Bỏ qua tốc độ trên cả hai vế phương trình ta có momen điện từ: P Te = i t [G ]i 2 (2. Từ thông móc vòng.