Chương 1 sẽ tập trung vào phần giới thiệu tổng quan động cơ đồng bộ từ trở (SynRM). Các phương pháp, công trình đã nghiên cứu về động cơ đồng bộ từ trở trong và ngoài nước từ đó đưa ra phương pháp nghiên cứu mới cho động cơ đồng bộ từ trở và thể hiện rõ phạm vi nghiên cứu của đề tài.1 Tổng quan Động cơ đồng bộ từ trở là động cơ đồng bộ hiệu suất cao với kích thước nhỏ gọn được dùng tương đối phổ biến trên thị trường cho các phụ tải công suất vừa và lớn. Các lĩnh vực ứng dụng động cơ đồng bộ từ trở như lĩnh vực kéo, nâng tải, lĩnh vực phương tiện giao thông bằng năng lượng điện…Với cấu trúc đặc biệt nên không có tổn hao đồng phía rotor, hiệu suất cao so với mặt bằng chung hiện nay. Đó là một trong những điểm mạnh của động cơ đồng bộ từ trở.
Động cơ đồng bộ từ trở đã nhận được rất nhiều sự chú ý trong nhiều ứng dụng trong ngành trong những năm gần đây do tính đơn giản của cấu trúc và chi phí sản xuất thấp. SynRM tương đối rẻ vì không sử dụng nam châm vĩnh cửu. Bên cạnh đó, việc vận hành SynRM không sinh ra nhiệt độ cao, do đó nó không có vấn đề về việc khử từ. Ngoài ra, không có tổn thất đồng sinh ra ở rôto cho phép mô men xoắn lớn hơn so với máy không đồng bộ dẫn đến chỉ số hiệu suất của SynRM có thể lên tới chỉ số IE4 với kích thước giống hệt với máy không đồng bộ thông thường.
Chính những lợi thế đó đã góp phần tạo ra cơ hội lớn để SynRM phát triển trong lĩnh vực công nghiệp hiện nay. Năm 2011 là năm đánh dấu cột mốc của sự phát triển SynRM với giải thương đầu tiên dành cho động cơ đồng bộ từ trở do ABB phát triển đã được trao giải thưởng Tự động hóa năm bởi tạp chí thương mại AUTOMATION ở Đức. Tuy nhiên, SynRM cũng có những nhược điểm đáng kể. Chính vì cấu tạo đặc biệt của rotor mà SynRM có thể gây ra rung động và tiếng ồn lớn khi vận hành.
Hệ số công suất của loại máy này thường thấp, dẫn đến quá khổ công suất của biến tần. Ngoài ra, nó rất nhạy cảm với bão hòa từ, tác động mạnh đến giá trị tối đa cho mô men đạt được. HVTH: Huỳnh Công Phúc GVHD: TS. Trương Phước Hòa Luận văn thạc sĩ 2 Hình 1.1 Động cơ đồng bộ từ trở [25] 1.2 Ưu nhược điểm của động cơ đồng bộ từ trở 1.1 Ưu điểm Những ưu điểm chính của SynRM phụ thuộc vào việc loại bỏ tổn thất đồng rotor cho phép giá trị mô men xoắn đạt được cao hơn so với động cơ không đồng bộ có cùng kích cỡ, cùng với cấu trúc đơn giản của rotor dẫn đến chi phí thấp hơn so với động cơ không đồng bộ.
Giải pháp của rotor SynRM cho thấy là tiềm năng cho sự thay thế động cơ không đồng bộ trong các ứng dụng về sức kéo. Tóm lại, các ưu điểm của SynRM được tóm tắt như sau: Chi phí thấp, không gian lắp đặt nhỏ, khối lượng nhẹ dễ dàng lắp đặt. Hiệu suất cao IE4 (giảm tổn thất đến 40% so với động cơ hiệu suất cao IE2). Mật độ moment / dòng điện cao.
Nhiệt độ hoạt động thấp và hiệu năng cao. Cấu trúc giống hệt stator và mạch công suất biến tần của Induction Motor. Khả năng chịu quá tải cao trong thời gian ngắn. HVTH: Huỳnh Công Phúc GVHD: TS.
Trương Phước Hòa Luận văn thạc sĩ 3 Cơ cấu đơn giản và chắc chắn. Độ tin cậy cao. Để hình dung được sự giảm tốt thất so với động cơ không đồng bộ chuẩn IE2 ta tham khảo hình sau đây: Hình 1.2 So sánh tổn thất giữa động cơ không đồng bộ IE2 và động cơ đồng bộ từ trở [25] Từ hình 1.2 ta nhận thấy tổn thất giảm rõ rệt cụ thể so với động cơ SynRM IE4 ta giảm được tổn thất khoảng 40% và 20% so với động cơ SynRM thông thường.2 Nhược điểm Bên cạnh những ưu điểm mà động cơ đồng bộ từ trở mang lại thì SynRM cũng tồn tại các nhược điểm. Vì cấu trúc và nguyên lý hoạt động của rotor dị hướng của SynRM mà SynRM tồn tại các nhược điểm như sau: Hệ số công suất thấp (0.7) Phạm vi tốc độ thấp Rung mô-men quay Đây chính là lý do của đề tài nghiên cứu nhằm khắc phục được nhược điểm thứ ba của động cơ từ trở chính là giảm hiện tượng giao động moment và góp phần giảm HVTH: Huỳnh Công Phúc GVHD: TS.
Trương Phước Hòa Luận văn thạc sĩ 4 tổn thất Stator khi điều khiển động cơ bằng dòng điện tối ưu được tính toán trong Chương 3.3 Tình hình nghiên cứu về động cơ đồng bộ từ trở 1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Động cơ đồng bộ từ trở và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cữu là hai loại động cơ được quan tâm nhất ở thời điểm hiện tại về các ưu điểm là hai loại động cơ này mang lại. Trong đó, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cữu có hiệu suất nhỉnh hơn động cơ đồng bộ từ trở một ít. Tuy nhiên về mặt khoáng sản để sản xuất động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cữu lại phần lớn nằm ở nước Trung Quốc ( Trung quốc chiếm đến 70% sản lượng khoáng sản đất hiếm trên toàn cầu - theo bbc việt nam) và Mỹ hiện tại đang nhập khẩu trực tiếp đất hiếm từ Trung Quốc lên đến 80% tổng sản lượng đất hiếm sử dụng hằng năm. Việc sử dụng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cữu tăng sẽ dẫn đến việc lệ thuộc tương đối vào quốc gia Trung Quốc.
Trong những năm gần đây, dưới áp lực về chính sách thương mại mà Tổng thống Donald Trumph đang áp đặt cho Trung Quốc, Trung Quốc đã chính thức lên tiếng sẽ hạn chế xuất khẩu mặt hàng khoáng sản này. Vì vậy, việc chế tạo và phát triển một động cơ khác có hiệu suất tương đương là giải pháp tốt nhất vào thời điểm này. Đó là động cơ đồng bộ từ trở. Trong những năm gần đây, SynRM đã nhận được nhiều sự chú ý cho nhiều ứng dụng do tính đơn giản về cấu trúc, chi phí sản xuất thấp và kết cấu chắc chắn [1-3].
Tuy nhiên, độ gợn mô-men xoắn cao tạo ra các rung động cơ học và tiếng ồn âm thanh là một trong những nhược điểm chính của động cơ này. Độ phẳng của mô-men xoắn là một yêu cầu thiết yếu trong nhiều ứng dụng hiện nay. Do đó, nhiều tác giả ngoài nước đã đề xuất các phương pháp khác nhau để giảm thiểu gợn mô-men xoắn với loại động cơ này thông qua hai cách tiếp cận. HVTH: Huỳnh Công Phúc GVHD: TS.
Trương Phước Hòa Luận văn thạc sĩ 5 1.1 Cách tiếp cận thứ nhất là thay đổi cấu trúc động cơ để đạt được kết quả tối ưu Trong bài viết số [4], các tác giả đã chỉ ra rằng có hai cách tiếp cận giảm thiểu độ gợn mô-men xoắn của động cơ đồng bộ. Phương pháp đầu tiên là cải tiến kỹ thuật bao gồm các kỹ thuật để điều chỉnh thiết kế stator và rôto của máy để loại bỏ gợn mô-men xoắn không mong muốn. Các tác giả trong bài viết [5-7] đã đề xuất các phương pháp giảm độ gợn mô-men xoắn bằng cách điều chỉnh giới hạn thông lượng từ thông trong cấu trúc của rotor. Hiệu quả của rôto với cấu trúc trục nghiêng để đạt được sự giảm độ gợn mô-men xoắn đã được nghiên cứu chi tiết trong phần [8-9].
Các tác giả trong [8] và [9] chỉ ra rằng gợn mô-men xoắn được giảm khi cấu trúc rôto bị lệch với một góc bằng với độ rộng một khe của khe stator. Về cách tiếp cận thứ nhất cho thấy đây là một cách tiếp cận phổ biến để thay đổi cấu trúc rotor động cơ đồng bộ từ trở. Cách tiếp cận này đã và đang là cách tiếp cận cần thiết để đổi mới không ngừng thiết kế cải tiến cho động cơ đồng bộ từ trở.2 Cách tiếp cận thứ hai là thay đổi dòng điện điều khiển Stator để đạt được dòng điện tối ưu và giảm độ gợn mô men xoắn như mong muốn Dựa trên hệ trục tọa độ rotor dq, các nghiên cứu được trình bày trong [11-13] đưa ra các biểu thức của dòng điện tối ưu để giảm thiểu gợn mô-men xoắn. Các tác giả của [11] và [12] đề xuất một phép biến đổi Park mở rộng để có được dòng điện tối ưu trong động cơ không sin, trong khi các tác giả trong [13] có được dòng điện tối ưu để đạt được điều kiện mô-men xoắn cực đại có tính đến ảnh hưởng của bão hòa từ.
Dựa trên sự tuyến tính hóa tín hiệu đầu ra, các tác giả trong bài viết [14] và [15] đã đề xuất một phương pháp để có được dòng điện tối ưu cho mô-men xoắn không đổi và giảm thiểu tổn thất. Các bộ điều khiển phi tuyến được đề xuất trong [14] để điều chỉnh mô-men xoắn bằng cách chọn giá trị của dòng điện mô-men trục d và trục q làm một trong các biến đầu ra. HVTH: Huỳnh Công Phúc GVHD: TS. Trương Phước Hòa Luận văn thạc sĩ 6 Dựa trên điều khiển chế độ trượt - Sliding mode control (SMC) [16], giá trị của dòng tham chiếu được điều chỉnh để giữ tốc độ của động cơ không đổi.
Do đó, gợn mô- men xoắn của động cơ được giảm thiểu. Việc bơm dòng điện hài bậc cao được đề xuất trong [17], nhược điểm của phương pháp này là gợn mô-men xoắn cao vì các tác giả chỉ tối ưu hóa dòng điện cho sóng hài bậc 5 và 7. Gần đây, dựa trên mô hình điều khiển mô-men xoắn trực tiếp – direct torque control (DTC), các phương pháp nghiên cứu trong [18-21] đã đề xuất kiểm soát từ thông stator và tạo ra mô-men xoắn. Trong [19], biên độ và góc của các vectơ điện áp đầu vào được lấy từ các sai số của mô-men xoắn và từ thông.
Do đó, mô-men xoắn và thông lượng gợn sóng được giảm thiểu. Dựa trên điều khiển dự báo giá trị mô-men xoắn [20], điện áp tối ưu hóa được sử dụng để giảm gợn mô-men xoắn. Trong phương pháp đó, vectơ góc điện áp được xác định từ đầu ra của bộ điều khiển mô men và từ thông. Một phương pháp khác dựa trên việc bơm dòng điện tần số cao được trình bày trong [21], điểm Maximum Torque per Ampere (MTPA) có thể được tinh toán bởi sự thay đổi mô-men xoắn dựa trên sự thay đổi của góc bằng không tại các điểm MTPA.