Chương 1: Tổng quan - Chương 2: Cơ sở nghiên cứu - Chương 3: Thiết kế hệ thống - Chương 4: Thử nghiệm và đánh giá - Chương 5: Kết luận và kiến nghị - Tài liệu tham khảo 7 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ NGHIÊN CỨU 2. Động cơ điện không đồng bộ ba pha 2. Nguyên lý hoạt động Động cơ điện không đồng bộ là loại động cơ điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng từ, tốc độ quay của rotor khác với tốc độ đồng bộ của từ trường quay [17]. Cấu tạo của máy điện không đồng bộ gồm hai bộ phận chính là phần tĩnh (stator) và phần quay (rotor).
Stator - Gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn stator. - Lõi thép stator hình trụ do các lá thép kỹ thuật điện có dập rãnh bên trong ghép lại tạo thành các rãnh theo hướng trục. Lõi thép được ép chặt vào trong vỏ máy. - Dây quấn stator làm bằng dây đồng hoặc dây nhôm có tráng men cách điện.
Rotor - Gồm lõi thép, dây quấn và trục máy. - Lõi thép gồm các lá thép kỹ thuận điện có dập rãnh ghép lại tạo thành các rãnh nghiêng theo hướng trục, ở giữa có lỗ để lắp trục. - Dây quấn rotor: có hai kiểu: rotor dây quấn và rotor ngắn mạch (còn gọi là rotor lồng sóc). Từ trường 3 pha do dây quấn 3 pha stator của động cơ điện xoay chiều sinh ra, giả thiết mỗi pha dây quấn có một phần tử và dòng điện đưa vào dây quấn là dòng ba pha đối xứng như hình 2.6 Fm Fm Fm 0.4 iA iB iC 0.1: Phân bố dòng và sức từ động trong dây quấn ba pha Ta có phương trình dòng điện ba pha của từng dây quấn là: i A I max .3) Xét một động cơ điện không đồng bộ gồm có 3 cuộn dây stator AX, AY, CZ đặt trong 6 rãnh.
Trục của các dây quấn lệch nhau trong không gian một góc 120o điện (hình 2. Chiều dòng điện theo mặt cắt ngang được qui ước vơi dấu “+” là chiều dòng đi vào, dấu “-” là chiều dòng đi ra.2: Từ trường quay ba pha 9 Xét tại từng thời điểm, ta thấy được phương chiều, trị số của từ trường do dây quấn ba pha tao ra như sau: Tại thời điểm t , dòng I A cực đại, dòng I B & IC < 0, lúc này sức từ động pha A 2 cực đại, FA Fm. Dựa vào quan hệ các véc-tơ sức từ động của ba pha, ta có: 3 3 F3 p FA Fm (2.4) 2 2 2 Tại thời điểm t , dòng I B cực đại, dòng I A & IC < 0, lúc này sức từ động 2 3 pha B cực đại, FB Fm. Và: 3 3 F3 p FB Fm (2.5) 2 2 4 Tại thời điểm t , dòng IC cực đại, dòng I B & I A < 0, lúc này sức từ động 2 3 pha C cực đại, FC Fm.
Và: 3 3 F3 p FC Fm (2.6) 2 2 Ta thấy, khi rotor quay hết một vòng ( 2 ) thì dòng điện và sức từ động trùng với thời điểm ban đầu. Tốc độ dịch chuyển của sức từ động phụ thuộc vào tốc độ góc của dòng điện xoay chiều và số cực từ trong máy điện. Hay nói cách khác, sức từ động (từ trường) trong động cơ điện xoay chiều ba pha đối xứng có trị số không đổi có phương chiều biến đổi theo quỹ tích vòng tròn trong không gian dọc theo khe hở không khí (khe hở từ), còn được gọi là sức từ động ba pha quay hay từ trường quay [18]. Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong dây quấn ba pha đối xứng trong các máy điện có ưu điểm lớn là tạo ra từ trường quay.
Từ trường này cắt các thanh dẫn của dây quấn rotor, cảm ứng các sức điện động trong dây quấn. Vì dây quấn rotor nối 10 ngắn mạch nên sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng điện trong các thanh dẫn rotor. Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay (sức từ động) với các thanh dẫn mang dòng điện rotor, kéo rotor quay cùng chiều quay của từ trường với tốc độ thấp hơn tốc độ quay của từ trường trên stator [18]. Điều khiển tốc độ động cơ Độ chênh lệch tốc độ từ trường quay và tốc độ rotor được gọi là tốc độ trượt.7) N (1 s ) p Tốc độ thực của động cơ điện phụ thuộc vào tần số hoạt động, số cực và độ trượt tương đối giữa stator và rotor.
Trong đó số cực là phần cứng không thể thay đổi trong quá trình hoạt động, tốc độ động cơ lúc này sẽ phụ thuộc vào độ trượt và tần số hoạt động. Nói cách khác, tốc độ thực tế của xe máy điện có thể được thay đổi dựa trên sự thay đổi tần số động cơ với kỳ vọng rằng động cơ sẽ đạt được tốc độ mong muốn tương ứng với độ trượt thấp nhất. Việc thay đổi tần số trong khi duy trì biên độ không đổi của điện áp sẽ làm tăng dòng điện cung cấp cho động cơ. Về cơ bản, dòng điện đi vào động cơ có hai nhiệm vụ chính, một là dùng để tạo ra từ thông cắt các thanh dẫn dây quấn rotor, sinh ra sức điện động trên rotor, gọi là dòng từ hóa.
Phần còn lại biến thành nhiệt gây hao tổn, giảm tuổi thọ của động cơ. Mặt khác, khi nâng dòng điện đến một mức nào đó thì sẽ xảy ra hiện tượng bão hoà từ, do đó dòng từ hoá không thể tăng được nữa. Lúc này, nếu dòng điện tiếp tục tăng lên, nó chỉ có nhiệm vụ duy nhất là tạo ra tổn thất, dẫn đến quá nhiệt. Ngược lại, nếu từ thông giảm xuống dưới định mức sẽ làm giảm momen động cơ.
Do đó, việc giảm tần số cung cấp cho động cơ xuống dưới tần số cơ bản thường liên quan đến việc giảm điện áp cung cấp cho động cơ tuân theo tỷ số V/f không đổi. Nói cách khác, thay đổi điện áp và tần số sao cho tỷ lệ V/f không đổi để từ thông không đổi trong vùng tuyến tính. 11 Tuy nhiên, ở tần số thấp (f <fb), ảnh hưởng của điện trở stato trong việc giảm từ thông trở nên rất rõ ràng [20]. Vì vậy, tần số tối thiểu nhỏ hơn nhiều so với momen kéo ở tần số cao hơn, và đây có thể là một vấn đề đối với tải yêu cầu momen khởi động cao ở dải tần số thấp [21].
Hiệu suất tần số thấp có thể được cải thiện bằng cách tăng tỷ lệ V/f ở tần số thấp để giữ thông lượng đầy đủ, một kỹ thuật được gọi là tăng áp (đường màu đỏ trong hình 2.3: Sự thay đổi giữa điện áp và tần số Mặt khác, khi động cơ đạt tốc độ cao bằng với định mức, thì tần số f có thể được khuyến khích để đẩy ra khỏi khung (f > frated) trong khi vẫn duy trì điện áp định mức để tăng tốc độ động cơ. Lúc này động cơ hoạt động trong vùng có từ thông giảm nhưng vẫn đảm bảo ổn định nếu phụ tải không bị thay đổi bất thường. Tóm lại, để thay đổi tốc độ động cơ, ta phải thay đổi giá trị điện áp cung cấp và tần số đầu vào tùy thuộc vào vùng làm việc và chế độ hoạt động của động cơ. Bộ nghịch lưu áp ba pha 2.
Nguyên lí hoạt động Trên xe máy điện, nguồn năng lượng sử dụng cho động cơ là nguồn pin lithium-ion, là nguồn điện một chiều. Nên cần phải có một thiết bị để chuyển đổi điện áp từ một chiều sang điện áp xoay chiều ba pha với tần số và điện áp biến thiên, thiết bị này là bộ nghịch lưu áp ba pha. Bộ nghịch lưu áp ba pha là một phần của bộ biến tần gián 12 tiếp ba pha. Có chức năng chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều.
Quá trình chuyển mạch của bộ nghịch lưu áp thường là quá trình chuyển mạch cưỡng bức, được thực hiện bởi các linh kiện bán dẫn cưỡng bức. Khóa bán dẫn công suất Hình 2.4 bên dưới thể hiện cấu trúc cơ bản của một bộ nghịch lưu áp. Trong đó, các khóa bán dẫn là linh kiện bán dẫn cưỡng bức (IGBTs) trực tiếp nghịch lưu điện áp từ một chiều thành xoay chiều.4: Sơ đồ bộ nghịch lưu cơ bản Các thuật toán điều khiển động cơ được đưa ra xoay quanh việc điều khiển các khóa bán dẫn để tạo ra sự thay đổi về điện áp, dòng điện, thời gian chuyển pha, tần số ở đầu ra để phù hợp từng đặc tính tải khác nhau của động cơ. Thông thường, các khóa bán dẫn công suất được sử dụng phổ biến là các IGBTs.
IGBT là một transitor công suất, có khả năng chịu được điện áp và dòng điện lớn cũng như tạo nên độ sụt áp vừa phải khi dẫn điện. Ưu điểm của IGBT là khả năng đóng ngắt nhanh làm cho nó được sử dụng phổ biến trong các bộ biến đổi điều chế xung ở tần số rất cao. Khi tác dụng lên cực G một điện thế dương, lúc này các hạt mang điện loại N được kéo vào kênh P gần cực G làm giàu điện tích mạch cổng P của transistor NPN làm cho transistor này dẫn điện và làm cho IGBT dẫn, việc ngắt IGBT có thể thực hiện bằng cách ngắt điện thế cấp cho cực G để ngắt kênh dẫn P [23].5: Sơ đồ mạch tương đương của IGBT 2. Nghịch lưu điện áp bằng phương pháp SPWM Phương pháp SPWM hay còn goi là phương pháp điều chế độ rộng xung theo hàm sin.
Phương pháp điều chế độ rộng xung này tạo ra điện áp gần giống với dạng hình sin và đồng thời điều chỉnh được điện áp mong muốn dựa trên cơ sở so sánh hai tín hiệu cơ bản [24]: - Sóng mang (tần số cao) là dạng sóng hình tam giác. Tần số sóng mang càng cao, lượng sóng hài bậc cao bị khử càng nhiều. Tuy nhiên, tần số đóng ngắt cao làm tổn hao phát sinh do quá trình đóng ngắt tăng (tổn hao nhiệt). - Sóng điều khiển, hay tín hiệu điện áp tham chiếu hoặc sóng điều chế (modulating signal) dạng hình sin.
Sóng điều khiển mang thông tin về độ lớn, trị số hiệu dụng và tần số sóng hài cơ bản của điện áp ngõ ra. Để tạo ra điện áp xoay chiều bằng phương pháp SPWM, tín hiệu xung tam giác tần số cao (sóng mang) được so sánh với điện áp sin chuẩn (sóng điều chế). Nếu dạng xung đầu ra này được cung cấp cho bộ nghịch lưu 1 pha, đầu ra sẽ nhận được điện áp PWM có tần số bằng tần số hình sin mẫu.