Chương 1: Tổng quan Chương 2: Khảo sát mô hình động học động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Chương 3: Chiến lược điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Chương 4: Giới thiệu về mạng nơron nhân tạo Chương 5: Ứng dụng mạng nơron RBF trong nhận dạng và điều khiển Chương 6: Kết luận và hướng phát triển 3 Luan van CHƯƠNG 2. KHẢO SÁT MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU 2. Khái quát về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có cấu tạo gồm các cuộn dây 3 pha phân bố đối xứng và rotor gắn nam châm vĩnh cửu để tạo từ trường khe hở. Việc loại bỏ được mạch điện kích từ ở phía rotor đem lại một số ưu điểm cho PMSM như giảm tổn hao đồng, mật độ công suất cao hơn, giảm mô-men quán tính của động cơ, cấu tạo rotor bền vững về mặt cơ khí hơn.
Mô hình động học của PMSM 2. Nguồn tương đương Các đầu vào công suất cho máy ba pha có được bằng năng lượng đầu vào cho các máy hai pha có ý nghĩa giải thích trong phép đo, phân tích và mô phỏng. Công suất đầu vào tức thời của 3 pha là: p vt i v i v i v i (2.1) i abc abc as as bs bs cs cs pi : công suất đầu vào tức thời vt : vector điện áp pha abc tức thời abc v ,v v : điện áp đầu vào pha a, b, c as bs, cs iabc : vector điện áp pha 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: i abc T abc 1i r qdo (2.3) abc abc Từ (2.3) ta có công suất đầu vào: i p (v r )t T qdo abc 1 t T abc 1i r qdo (2.4) 4 Luan van Khai triển phía bên phải của phương trình (2.4), công suất đầu vào trong các biến dqo là: 3 p v r i r v r i r 2v i (2.5) i 2 qs qs ds ds 0 0 Đối với máy 3 pha cân bằng, dòng thứ tự không không tồn tại nên công suất đầu vào có thể được thu gọn: 3 p v r i r v r i r (2.6) i 2 qs qs ds ds 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 ma trận máy bằng cách nhìn vào công suất đầu vào và các thành phần khác của nó như tổn thất điện trở, công suất cơ học, và mức độ thay đổi của năng lượng từ trường tích lũy trong cuộn dây stator. Mức độ thay đổi của năng lượng từ trường được lưu trữ chỉ có thể bằng không trong trạng thái ổn định. Do đó, trong một trạng thái ổn định có tổn thất điện trở và công suất đầu ra chênh lệch với công suất đầu vào. Mức độ thay đổi của 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 Ri L pi G i (2.7) r Công suất đầu vào tức thời là: p i tV i t Ri i t L pi i t G i (2.8) i r Với: R : ma trận các thành phần điện trở L : ma trận các hệ số của hàm điều hành p G : ma trận các hệ số của tốc độ rotor ωr i t Ri : điện trở tổn thất ở rotor và stator 5 Luan van i t Lpi : biểu thị mức độ thay đổi năng lượng từ trường được lưu trữ i t G r i : các thành phần còn lại bao gồm cả khe hở không khí Mối liên hệ giữa khe hở không khí và momen xoắn: T P i t G i i t Gi P (2.9) m e a r 2 m Trong đó P là số cực. Bỏ qua tốc độ trên cả hai vế phương trình ta có momen điện từ: T i t G i P (2.10) e 2 Thay thế [G] trong phương trình (2.10) ta có momen xoắn điện từ thu được dưới dạng: 3 P T L L i r i r ( N .3 Mô hình từ thông móc vòng Các phương trình động lực của PMSM trong hệ tọa độ rotor có thể được thể hiện bằng cách sử dụng các mối liên kết từ thông như các biến. Ngay cả khi điện áp và dòng là không liên tục thì các từ thông móc vòng vẫn liên tục.
Điều này tạo thuận lợi phân biệt các biến số có sự ổn định. Các từ thông móc vòng stator và rotor trong hệ tọa độ rotor được định nghĩa là: r L i r (2.13) ds d ds af Từ những phương trình này, các dòng điện stator trong hệ tọa độ rotor có thể được biểu diễn với các từ thông móc vòng và cuộn cảm. Điện áp theo hệ trục dq stator về các từ thông móc vòng trong hệ tọa độ rotor như sau: R v r s r pr r (2.14) qs L qs qs r ds q R v r s r pr r (2.15) ds L ds af ds r qs d 6 Luan van Những phương trình này có thể được biểu diễn dưới dạng các mạch tương đương và cũng có thể ở dạng một sơ đồ khối. Momen điện từ như là một hàm của các từ thông móc vòng thu được bằng cách thay thế dòng điện stator về các từ thông móc vòng và được tính toán như sau: 3P 1 (1 )r r 3P r r T i r i r (2.16) e 2 2 L af ds qs 2 2 ds qs qs ds q L q Trong đó: L d Phần thứ hai của biểu thức thể hiện rõ hơn momen là kết quả của sự tương tác giữa từ thông móc vòng và dòng điện trục d-q ở các cuộn dây và ngược lại.
Các dấu trừ liên quan đến các từ thông móc vòng trục q và trục d dòng điện là bởi vì nó tạo ra một momen cản ngược lại với các thành phần momen khác.4 Mạch tương đương Các mạch tương đương của PMSM có thể bắt nguồn từ các phương trình stator và được thể hiện ở hình 2. 7 Luan van Hình 2.1: Mạch tương đương của PMSM bỏ qua tổn thất lõi. (a) Mạch tương đương stator theo trục q (b) Mạch tương đương stator theo trục d (c) Mạch tương đương không theo trình tự Các mạch tương đương rất hữu ích trong việc nghiên cứu hệ thống. Các mạch tương đương có thể được sửa đổi để giải thích cho những tổn thất lõi.
Tổn thất lõi sinh ra bởi từ trễ và các tổn thất dòng xoáy trong các lá thép kỹ thuật điện. Trong khi những tổn thất thường bị chi phối bởi mật độ từ trường, tần số kích thích, và đặc tính của lá thép, và độ dày của lá thép trong trường hợp tổn thất dòng xoáy là duy nhất, cần lưu ý rằng mỗi biến ảnh hưởng đến sự tổn thất lõi rất khác nhau. Hơn nữa, có tổn thất trên mặt cực và tổn thất sóng hài do cuộn dây và các lá thép stator và rotor. Như vậy một mô hình tổn thất cho tất cả mọi các thành phần có thể không được dễ dàng tích hợp vào các mạch tương đương đơn giản.
Tuy nhiên, một mô 8 Luan van hình đơn giản để giải thích cho những tổn thất cốt lõi do kích thích cơ bản là có thể bởi một trở kháng tương đương, mặc dù vẫn có tổn thất khác như tổn thất trên mặt cực và tổn thất sóng hài được loại trừ trong một mô hình này. Mô hình này rất hữu ích trong các nghiên cứu tính hiệu quả tối ưu momen cho hoạt động của máy, và quan trọng nhất để xác định momen đối với tốc độ giới hạn để việc sử dụng tối ưu và an toàn nhất trong vận hành máy.2: Mạch trạng tương đương thái ổn định với tổn thất lõi của PMSM. (a) Mạch tương đương trạng thái ổn định theo trục q (b) Mạch tương đương trạng thái ổn định theo trục d Việc thêm vào điện trở tổn hao tương đương trong các mạch theo trục q và d chứng minh rằng dòng điện tiêu thụ của chúng bị mất cho hệ momen trong máy. Hơn thế nữa, những tổn thất làm giảm khả năng tản nhiệt của máy.
Các sơ đồ khối của PMSM được thể hiện trong hình 2. Các momen điện từ có được từ các từ thông móc vòng. Các dòng điện được rút ra từ các từ thông móc vòng và chúng không được hiển thị ở đây để đơn giản hóa. 9 Luan van Hình 2.3: Sơ đồ khối của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.5Mô phỏng động học Các mô phỏng động năng của PMSM được giải thích trong phần này.
Các phương trình của PMSM trong hệ tọa độ rotor: R L afn 1 r pi r sn i r dn i r v (2.18) qsn b L qsn L rn dsn L rn L qsn qn qn qn qn Lqn R 1 r pi r i r sn i r v (2.19) qsn b L rn qsn L dsn L dsn dn dn dn 1 r r r p afn iqsn Ldn Lqn idsniqsn Bnrn Tn (2.20) rn 2H Các phương trình cuối cùng được thêm vào để tìm vị trí rotor vì nó rất quan trọng trong việc xác định điện áp và dòng điện trong từng pha của máy. Các vị trí rotor đơn vị là radian. Nó được xem là những phương trình phi tuyến, kết quả của các biến có liên quan. Các giải pháp của hệ thống sau đó thu được bằng cách tích hợp các phương trình vi phân.
Phương pháp Runge Kutta Gill có thể được sử dụng cho tích phân số hoặc minh họa trong chương trình MATLAB, một giải pháp đơn giản bằng cách rời rạc hóa có thể thu được điện áp đầu vào. Các dòng pha abc có thể được lấy từ dòng dq trong hệ tọa độ rotor bằng cách sử dụng các ma trận biến 10 Luan van đổi nghịch đảo.