Chương 1: Tổng quan đề tài Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Mô hình PMSM ACMC của dSPACE Chương 4: Vận hành mô hình PMSM ACMC của dSPACE Chương 5: Kết luận và hướng phát triển 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Tổng quan về động cơ điện 2. Giới thiệu động cơ điện Động cơ điện là một loại máy điện được sử dụng rộng rãi nhất trong rất nhiều các ứng dụng từ dân dụng đến công nghiệp. Động cơ điện có khả năng chuyển đổi năng lượng điện trở thành chuyển động cơ học.
Các chuyển động này sẽ được đánh giá bằng các biến công suất cơ học, chẳng hạn như tốc độ, moment xoắn và mã lực. Hầu hết các loại động cơ điện hoạt động được nhờ vào sự tương tác qua lại giữa từ trường của động cơ và dòng điện đi qua các cuộn dây để ra lực ở dưới dạng moment xoắn áp lên trục của động cơ. Về cơ bản, động cơ điện cũng tương tự máy phát điện, nhưng hoạt động ngược lại, nếu như máy phát điện chuyển đổi cơ năng thành điện năng thì động cơ điện chuyển đổi điện năng để biến thành cơ năng. Các động cơ điện có thể hoạt động được nhờ nguồn cung cấp năng lượng bằng cả dòng điện một chiều (DC) như là pin, bộ chỉnh lưu hoặc bằng nguồn điện xoay chiều (AC) như mạng lưới điện, máy biến tần hoặc máy phát điện.
Sự ứng dụng rộng rãi của động cơ điện 4 Động cơ điện được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ các ngành công nghiệp nặng đến những ứng dụng nhỏ trong đời sống hàng ngày. Trong các ngành công nghiệp, chúng là nguồn cung cấp sức mạnh để vận hành máy móc cũng như quy trình sản xuất, có thể kể đến các ứng dụng như quạt công nghiệp, máy bơm, máy công cụ, robot. Trong cuộc sống hàng ngày, động cơ điện là trái tim của các thiết bị gia đình, từ máy giặt, tủ lạnh, quạt đến các máy khoan điện hay máy hút bụi. Động cơ điện đã trở thành một phần không thế thiếu trong cuộc sống hàng ngày cũng như sự phát triển của công nghiệp.
Cấu tạo và nguyên lí hoạt động chung Một động cơ điện thông thường có cấu tạo cơ khí gồm hai bộ phận: đó là rotor, bộ phận chuyển động và stator, bộ phận đứng yên. Xét về mặt điện từ, động cơ điện sẽ bao gồm hai phần: phần nam chân từ trường và phần ứng, một phần sẽ được gắn vào rotor và phần còn lại gắn vào stator. Kết hợp với nhau chúng sẽ tạo thành một mạch từ, các nam châm sẽ tạo ra từ trường đi qua phần ứng. Nam châm đó có thể là nam châm điện hoặc nam châm vĩnh cửu.
Đa phần phần nam châm sẽ được nằm trên stator, còn phần ứng sẽ ở rotor, nhưng ở một số trường hợp có thể đảo ngược tùy vào ứng dụng. Chuyển động của rotor Rotor: là bộ phận chuyển động để cung cấp năng lượng cơ học cho động cơ điện. Nó chuyển động nhờ vào sự tương tác giữa cuộn dây và từ trường từ đó tạo ra moment xoắn quanh trục. 5 Stator: là bộ phận đứng im trong động cơ điện.
Stator bao quanh rotor, thường chứa các nam châm từ trường, đó có thể là nam châm điện (vòng dây quấn quanh lõi sắt) hoặc là nam châm vĩnh cửu. Nó tạo ra từ trường đi qua phần ứng của rotor, làm quay phần rotor. Stator (bên phải) và rotor (bên trái) tương ứng trong động cơ điện 2. Phân loại động cơ điện Có nhiều cách phân loại động cơ điện khác nhau nhưng thường thấy nhất là phân loại theo nguồn cung cấp là nguồn một chiều (DC) hoặc nguồn xoay chiều (AC).
DC Motor: gồm các loại động cơ có chổi than và động cơ không chổi than. AC Motor: gồm các loại động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ. Phân loại động cơ điện 6 2. Động cơ điện PMSM Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM) là một loại động cơ đồng bộ sử dụng nam châm vĩnh cửu cố định, thường được sử dụng cho những mục đích điều khiển cần hiệu suất cũng như sự chính xác ở mức cao.
Khác với các loại động cơ điện khác sử dụng những phương pháp điều khiển đơn giản, động cơ PMSM sử dụng các thuật toán điều khiển phức tạp và chuyên sâu cùng với đó là mức chi phí và hiệu suất cao. Nhờ vào tính linh hoạt và hiệu suất cao, động cơ PMSM có mặt trong hầu hết các ứng dụng cần độ chính xác và độ tin cậy cao. Cấu tạo Như bất kì các loại động cơ điện, động cơ PMSM cũng có hai bộ phận chính: bộ phận đứng yên stator và bộ phận chuyển động rotor. Cấu tạo bên trong của động cơ PMSM Thông thường, rotor sẽ được bố trí ở bên trong stator, tuy nhiên cũng có vài cấu trúc động cơ ngược lại với stator bên trong và rotor ở bên ngoài.
Hai cách bố trí stator và rotor khác nhau trong PMSM 2. Rotor Phần rotor của động cơ PMSM sẽ bao gồm các nam châm vĩnh cửu. Vật liệu thường dùng làm nam châm là những vật liệu có từ tính và độ cưỡng bức cao. Dựa vào những cách thiết kế khác nhau của rotor, sẽ có 2 loại động cơ PMSM: Động cơ PMSM có nam châm trên bề mặt Động cơ PMSM có nam châm bên trong Hình 2.
PMSM nam châm trên bề mặt Hình 2. PMSM nam châm bên trong 2. Stator Phần stator trong động cơ PMSM sẽ bao gồm phần khung bên ngoài và cuộn dây quấn. Thiết kế phổ biến nhất được sử dụng là cuộn dây hai pha và ba pha.
Sẽ có hai cách thiết kế stator khác nhau: Stator với cuộn dây phân bố Stator với cuộn dây tập trung 8 Hình 2. Stator cuộn dây phân bố Hình 2. Stator cuộn dây tập trung 2. Nguyên lí hoạt động Nguyên lí hoạt động của động cơ PMSM rất đơn giản, nhanh và hiệu quả khi so sánh với các động cơ điện thông thường khác.
Động cơ PMSM hoạt động dựa vào từ trường quay của stator và từ trường cố định của rotor. Dòng điện ba pha được đưa vào cuộn stator của động cơ. Sau khi dòng điện được đưa vào, một từ trường quay sẽ được tạo ra trong cuộn stator của động cơ. Vì nam châm cố định được lắp trên rotor nên cực từ của nam châm sẽ được cố định.
Theo nguyên lí cực từ cùng loại sẽ đẩy, khác loại sẽ hút nhau, từ trường quay được tạo ra trong stator sẽ đẩy cho rotor quay. Và cuối cùng tốc độ quay của rotor bằng tốc độ quay của từ trường quay tạo ra trong stator. Vì vậy, quá trình khởi động của một động cơ PMSM được coi là bao gồm một giai đoạn khởi động không đồng bộ và sau đó là giai đoạn kéo đồng bộ. Trong giai đoạn khởi động không đồng bộ, tốc độ của động cơ sẽ tăng dần đến khi đạt được tốc độ của từ trường xoay.
Từ trường quay tạo ra trong stator 9 2. Ưu điểm và nhược điểm 2. Ưu điểm Động cơ PMSM có nhiều ưu điểm vượt trội khi so sánh với các loại động cơ không đồng bộ truyền thống khác, một vài điểm nổi bật có thể kể đến như: Hiệu suất cao: động cơ PMSM sử dụng nam châm vĩnh cửu nên không cần cấp dòng điện vào rotor để tạo từ trường, từ đó loại bỏ hoàn toàn tổn hao trên rotor. Khi so sánh với các loại động cơ điện khác, động cơ PMSM yêu cầu dòng điện thấp hơn trên stator và có hệ số công suất lớn hơn, dẫn đến định mức dòng điện trên bộ điều khiển sẽ nhỏ hơn và làm tăng hiệu suất tổng thể của hệ thống, tiết kiệm chi phí năng lượng.
Kích thước nhỏ: động cơ PMSM thường có mật độ công suất cao hơn các loại động cơ truyền thống khác, nghĩa là chúng có thể cấp một công suất tương đương hoặc lớn hơn với một kích thước và trọng lượng nhỏ hơn. Moment khởi động lớn: động cơ PMSM thường tạo ra moment khởi động lớn, khiến chúng trở nên vượt trội trong các ứng dụng yêu cầu khởi động nhanh hoặc phải xử lí các tải lớn. Kiểm soát vị trí và tốc độ chính xác: Do từ trường của động cơ PMSM được tạo ra bởi nam châm vĩnh cửu nên việc lấy vị trí của rotor sẽ chính xác hơn, từ đó phù hợp với các ứng dụng yêu cầu điều khiển vị trí và tốc độ, chẳng hạn như xe điện và các loại máy móc công nghiệp. Chi phí bảo trì thấp: động cơ PMSM thường có ít các chi tiết nên sẽ giảm thời gian và chi phí bảo trì.
Nhược điểm Chi phí ban đầu cao, thường cao gấp 3 lần động cơ không đồng bộ thông thường. Vật liệu làm nam châm là đất hiếm như neodymium và samarium, đắt tiền và khó khai thác Yêu cầu cao về mạch điều khiển, việc lắp đặt và vận hành trở nên phức tạp. Ứng dụng Động cơ PMSM được ứng dụng trên nhiều lĩnh vực khác nhau, từ gia dụng đến các ngành công nghiệp nặng: 10 Gia dụng: PMSM được sử dụng trong các loại quạt, điều hòa, thông gió, các loại máy bơm do hiệu suất năng lượng cao và vận hành ở các tốc độ thay đổi. Xe điện và xe điện Hybrid: PMSM thường được sử dụng do có hiệu suất cao, kích thước nhỏ gọn và có khả năng cung cấp moment xoắn cao ở tốc độ thấp.
Tự động hóa công nghiệp: PMSM được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp cần độ chính xác cao như robot, máy CNC, các máy móc trong quy trình sản xuất. Hàng không vũ trụ: PMSM được dùng trong các động cơ điện trên máy bay và vệ tinh, nhờ thiết kế nhẹ, mật độ năng lượng và hiệu suất cao. Ứng dụng rộng rãi của động cơ PMSM 2. Tổng quan về phương pháp Model-Based Design (MBD) 2.
Khái niệm Model-Based Design, hay còn được gọi là phát triển dựa trên mô hình, là một phương pháp thiết kế hệ thống để chuyển các thông tin của hệ thống nằm trên giấy tờ, tài liệu và tập tin sang các mô hình số hóa được lưu trữ trong môi trường mô phỏng. Mô hình này 11 chứa toàn bộ thông tin về quá trình thiết kế được tiến hành, bao gồm các yêu cầu, quy định thiết kế, triển khai, xác nhận & xác thực, triển khai. MBD được sử dụng để giải quyết các vấn đề liên quan đến việc thiết kế các hệ thống phức tạp trong các ngành công nghiệp như hàng không vũ trụ và quốc phòng, ô tô, robot học, IoT,. với nhiều lợi ích đáng kế bao gồm: tăng năng suất kỹ sư, giảm chi phí, rút ngắn thời gian phát triển, và nhiều lợi ích khác.