CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Lý do chọn đề tài Vấn đề khí thải, ô nhiễm môi trường và nguồn nhiên liệu luôn là vấn đề được quan tâm hàng đầu và gây ra nhiều vấn đề nhức nhối cho con người. Nguồn phát sinh khí thải không phải chỉ từ khói bụi của các hoạt động công nghiệp hay từ thiên nhiên mà từ tất cả các hoạt động thường ngày của con người. Trong đó phải kể đến khí thải sinh ra từ các phương tiện giao thông. Ở Việt Nam, xe gắn máy là loại phương tiện phổ biến và có tốc độ tăng trưởng nhanh nhất điều này khiến cho môi trường không khí cũng bị ô nhiễm nhiều hơn đặc biệt là ở các khu đô thị, khu vực đông dân cư.
Mỗi ngày lượng khí thải ngày càng tăng lên, trái đất ngày càng nóng lên và con người phải đối mặt với hiện tượng ô nhiễm ngày càng nặng nề. Bên cạnh môi trường thì vấn đề về nhiên liệu cũng đáng được quan tâm bởi hiện nay nhiên liệu không tái tạo đang dần cạn kiệt khiến giá thành tăng cao. Việc sử dụng nguồn nhiên liệu mới tối ưu hơn và có trữ lượng lớn để thay thế được đẩy mạnh, nhà nước đã đưa ra chính sách để hỗ trợ phát triển xe điện và dần được đưa vào sử dụng để hạn chế và thay thế động cơ đốt trong với mục đích bảo vệ môi trường và tiết kiệm nhiên liệu. Chính vì sự cấp thiết của môi trường và sự phát triển của xe điện nên nhóm chúng em đã chọn đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển cho xe gắn máy điện.” để tiếp tục nghiên cứu, phát triển hệ thống điều khiển động cơ điện sử dụng cho xe máy được tối ưu hơn.
Đem lại sự hiệu quả và sự hài lòng cho người sử dụng, khắc phục những hạn chế còn tồn đọng và đặc biệt giúp giảm ô nhiễm môi trường do phương tiện gia thông truyền thống gây ra. 1 KHOA ĐT CLC – ĐH SPKT TP.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.1 Đối tượng nghiên cứu Động cơ không đồng bộ ba pha. Vi điều khiển STM32F401CCU6. Phần mềm STM32CubeIDE.
Phần mềm Altium Designer.2 Phạm vi nghiên cứu Tìm hiểu lý thuyết và nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ 3 pha. Tìm hiểu, nghiên cứu phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha. Tìm hiểu và thiết kế mạch điện để điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha.3 Tình hình nghiên cứu và phát triển của đề tài 1.1 Trong nước Thị trường xe máy điện ở Việt Nam những năm gần đây liên tục thay đổi. Số lượng xe máy điện được nhập khẩu và bán ra tăng lên nhanh chóng với ngày càng nhiều thương hiệu bước vào thị trường Việt Nam.
Các dòng xe mới liên tục được cho ra mắt để đáp ứng được nhu cầu người dùng về ngoại hình, tính năng, giá cả phù hợp. Riêng trong năm 2022, VinFast đã cho ra mắt 5 mẫu xe điện mới (Feliz S, Klara S, Vento S, Theon S, Evo 200), Yamaha cho ra mắt mẫu xe Yamaha NEO’S, Honda tổ chức lái thử nhiều mẫu xe điện mới và gần đây nhất xe máy điện Fierider của Yadea cũng được giới thiệu. Bên cạnh những dòng xe máy điện mới được cho ra mắt tăng lên thì tốc độ tăng trưởng doanh số xe máy điện tại Việt Nam cũng tăng lên đáng kể. Năm 2018 chỉ đạt 2,9% đến năm 2021 đã đạt đến 10% dù chịu ảnh hưởng của đại dịch COVID – 19.
Điều này cho thấy thị trường Việt Nam rất có tiềm năng để phát triển và đang phát triển khá ổn định. 2 KHOA ĐT CLC – ĐH SPKT TP.2 Ngoài nước Các kỹ sư không ngừng nghiên cứu, thử nghiệm các phương pháp điều khiển động cơ khác nhau nhằm tìm ra phương pháp điều khiển tối ưu nhất, giúp động cơ đạt hiệu suất cao đồng thời tiết kiệm chi phí sản xuất và sử dụng. Xe máy điện hiện nay đang là xu hướng trên toàn thế giới bởi sự tiện nghi, tính ổn định, chi phí và đặc biệt về vấn đề môi trường. Các quốc gia đều có những chính sách để hỗ trợ, đẩy mạnh, đưa xe máy điện dần thay thế xe máy dùng động cơ đốt trong truyền thống.
Do nhu cầu sử dụng tăng nhanh đã kéo theo số lượng xe máy điện được sản xuất và bán ra cũng tăng lên nhanh chóng đặc biệt ở thị trường Trung Quốc, Châu Âu. Với tiềm năng phát triển của xe máy điện trong tương lai nên nhiều quốc gia cũng bắt tay vào nghiên cứu cho ra mắt sản phẩm của riêng mình bên cạnh đó những chính sách hỗ trợ thuế, chi phí, trợ cấp đã khiến xe máy điện ngày càng được ưa chuộng.4 Phương pháp nghiên cứu Tìm hiểu hiện trạng thị trường xe máy điện tại Việt Nam và trên Thế giới cùng xu hướng phát triển của nó. Các phương pháp điều khiển đã được áp dụng. Tham khảo, nghiên cứu, đánh giá những mô hình có sẵn.
Tìm hiểu nội dung lý thuyết về động cơ không đồng bộ ba pha dùng điều khiển xe máy điện và các phần liên quan. Tìm hiểu nguyên lý hoạt động và tiến hành thi công mô hình. Thử nghiệm, quan sát và đánh giá kết quả đạt được.5 Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu, thiết kế được hệ thống điều khiển cho xe máy điện. Sản phảm có tính ứng dụng thực tế giúp giảm tình trạng ô nhiễm môi trường và cạn kiệt tài nguyên.
3 KHOA ĐT CLC – ĐH SPKT TP.6 Kết quả dự kiến đạt được Nắm rõ được nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ ba pha. Nắm được thành phần cấu tạo, nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển cho xe máy điện Thiết kế, thi công và hoàn thành mô hình hệ thống.7 Nội dung Chương 1: Tổng quan Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Xây dựng hệ thống Chương 4: Thực nghiệm Chương 5: Kết luận và hướng phát triển 4 KHOA ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Động cơ không đồng bộ ba pha (AC Induction Motor) 2.1 Khái niệm Động cơ không đồng bộ ba pha là loại động cơ điện xoay chiều ba pha hoạt động dựa vào nguyên lý cảm ứng điện từ với tốc độ quay của rotor (n) nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường stator (n1) (n < n1). Dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng tạo ra moment lực.2 Cấu tạo Động cơ không đồng bộ ba pha cấu tạo bởi hai phần chính: phần tĩnh và phần quay. 1: Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha [1] 5 KHOA ĐT CLC – ĐH SPKT TP.
2: Lá thép kỹ thuật điện [2] 2.1 Phần tĩnh (Stator) Stator gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn Hình 2. 3: Lá thép kỹ thuật điện của Stator [2] Hình 2. 4: Lõi thép Stator [2] Lõi thép Stator có dạng hình trụ. Được ghép bởi các lá thép kỹ thuật có sơn cách điện dày từ 0,3mm đến 0,5mm, có dập rãnh bên trong ghép lại theo hướng trục và 6 KHOA ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM được ép chặt vào trong vỏ máy.
Vì các lá thép có kích thước nhỏ nên điện trở của nó lớn, giúp hạn chế dòng điện Fuco sinh ra từ trường ngược. Dây quấn Stator được làm bằng thép, nhôm hoặc đồng. Hiện nay, dây quấn bằng đồng có bọc cách điện được sử dụng phổ biến nhất. Nó có tác dụng tạo ra từ trường quay khi có dòng điện ba pha chạy trong dây cuốn ba pha của Stator.2 Phần quay (Rotor) Rotor gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn.
Ngoài ra còn có trục máy. Lõi thép của Rotor là các lá thép kỹ thuật được lấy từ phần bên trong của lõi thép Stator và ghép lại. Mặt ngoài mỗi lá thép dược dập rãnh để quấn dây và có dập lỗ ở giữa để lắp trục. Dây quấn Rotor của động cơ không dồng bộ có hai kiểu: Rotor lồng sóc và Rotor dây quấn.
Trục máy được làm bằng thép, trên trục máy có gắn cố định lõi thép của Rotor. Rotor lồng sóc: sử dụng thanh kim loại bằng đồng hoặc nhôm đặt trong rãnh, lắp lệch với trục quay, hai đầu các thanh được nối với nhau bởi các vòng kim loại tạo lồng dạng trụ và các khung dây dẫn giống nhau có cùng trục quay. 5: Rotor lồng sóc[2] 7 KHOA ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM Rotor dây quấn: sử dụng loại dây quấn tương tự như dây quấn trên Stator và được đặt trong lõi thép. Dây quấn ba pha thường được đấu hình sao, ba đầu sao lần lượt nối với ba vòng trượt bằng đồng có ba chổi than tì lên trên.
6: Sơ đồ mạch điện của Rotor dây quấn[2] 2.3 Nguyên lý làm việc Cho dòng điện ba pha đi qua dây quấn Stator, trong khe hở không khí sẽ xuất hiện một từ trường quay với tốc độ n1 60𝑓 𝑛1 = (𝑣ò𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡) (2.1) 𝑝 Từ trường quay này đi qua dây quấn đặt trên lõi Rotor làm dây quấn bị ngắn mạch, sinh ra các suất điện động cảm ứng E trong dây quấn Rotor. Do Rotor kín mạch nên xuất hiện dòng điện I trong dây quấn. Từ thông được tạo ra do dòng I cùng với từ thông được tạo bởi Stator tạo thành từ thông tổng ở khe hở. Khi đó, dòng điện trong các dây quấn Rotor tác dụng với từ thông ở khe hở sinh ra moment, kéo Rotor quay với tốc độ n và quay cùng chiều với từ trường.
Với trường hợp Rotor quay cùng chiều với từ trường quay, tốc độ n < n1 (0 < s < 1) → Động cơ không đồng bộ 8 KHOA ĐT CLC – ĐH SPKT TP. 7: Từ trường quay tạo bởi động cơ không đồng bộ ba pha[2] Ta có tốc độ quay n của Rotor cùng chiều với tốc độ quay n1 của từ trường. Thanh dẫn chuyển động tương đối với từ trường có chiều ngược với n1. Áp dụng quy tắc bàn tay phải xác định được chiều của suất điện động E2 và chiều của dòng điện I2 cùng chiều nhau.
Áp dụng quy tắc bàn tay trái, xác định được chiều của lực điện từ (Fđt) trùng với chiều quay n. Với trường hợp n = n1 thì không có sự chuyển động tương đối giữa các thanh dẫn Rotor và từ trường quay. Vì vậy không có suất điện động và dòng điện cảm ứng sinh ra trong dây quấn Rotor, lực điện từ Fđt = 0. Khi đó tốc độ trượt: n2 = n1 – n 2.