CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Lý do chọn đề tài Hiện nay, xe điện đang là xu hướng phát triển của hầu hết các quốc gia trên thế giới. Ở riêng Việt Nam, các dự án xe điện đang được triển khai nghiên cứu phát triển ở các phòng thí nghiệm cũng như các công ty công nghệ. Vì vậy, tác giả chọn hướng nghiên cứu về xe điện với 4 lý do quan trọng.
Lý do thứ nhất là tình trạng ô nhiễm môi trường, một trong những nguyên nhân hàng đầu thúc đẩy quá trình chuyển đổi thay thế các nguồn nhiên liệu truyền thống thành nhiên liệu sạch không gây hại cho môi trường. Trước tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng, nhiều quốc gia trên thế giới đã và đang khuyến khích người dân sử dụng các phương tiện thân thiện với môi trường [1-2] và Việt Nam chắc chắn không nằm ngoài xu hướng chung của thế giới. Hiện nay, tình trạng ô nhiễm không khí của Việt Nam đang vượt quá mức cho phép, trực tiếp ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người mà một trong những nguyên nhân chính là do khí thải từ các phương tiện giao thông [3]. Chính vì vậy, việc thay thế các loại nhiên liệu hóa thạch truyền thống như xăng, diesel bằng những nguồn năng lượng sạch là việc làm cần thiết.
Lý do thứ hai là sự phù hợp của xe máy điện thay vì ô tô điện. Như chúng ta đã biết, Việt Nam là một trong những quốc gia có lượng tiêu thụ xe máy nhiều nhất thế giới do đặc điểm địa hình đường xá ở Việt Nam có nhiều ngóc ngách, hẻm. Nhưng đây cũng chính là nguồn phát khí thải chính của phương tiện giao thông, vì các loại xe máy phổ thông hiện nay không được đảm bảo tiêu chuẩn về an toàn khí thải. Nói cách khác, để giảm thiểu tác hại của khí thải xe máy, bảo vệ môi trường, thì việc thay thế xe máy sử dụng nhiên liệu truyền thống bằng xe máy điện là khả thi nhất trong tương lai gần.
Đi xe máy điện là một giải pháp quan trọng không chỉ thể hiện sự văn 1 minh mà còn phải xem đó là điều tối quan trọng để bảo vệ môi trường sống của chính mình và cả cộng đồng. Lý do thứ ba là mong muốn chế tạo xe máy điện thương hiệu Việt. Thực tế xe máy điện vẫn chưa chiếm được thị hiếu của đa số người tiêu dùng Việt Nam. Có nhiều lý do để giải thích điều này và một trong số đó là vấn đề giá thành sản phẩm.
Bởi hiện nay, trong giai đoạn toàn cầu hóa, các nhà sản xuất xe điện nói chung và xe máy điện nói riêng đang chuyển hướng đầu tư sản xuất ra nước ngoài nhằm thu hút tối đa nguồn tài nguyên và nhân lực từ khắp nơi trên thế giới. Tuy nhiên, đây cũng chính là nguyên nhân chính ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí vận chuyển và giá thành sản phẩm do khoảng cách địa lý. Nhận thấy được điều đó, tác giả lựa chọn động cơ cảm ứng hay còn gọi là động cơ không đồng bộ ba pha để thay thế động cơ đốt trong, vì động cơ này được sản xuất và lắp ráp hoàn toàn tại Việt Nam. Do đó, trực tiếp tối ưu hóa chi phí sản xuất cũng như lắp đặt, bảo trì, sửa chữa cho xe.
Lý do cuối cùng nhưng cũng không kém phần quan trọng về mặt kỹ thuật, đó là bộ điều khiển động cơ điện. Ngoài động cơ, mạch điều khiển cũng đóng một phần không thể thiếu trong việc vận hành của xe. Hiện nay, các động cơ không đồng bộ ba pha được áp dụng chủ yếu trong các lĩnh vực công-nông nghiệp với một hoặc một vài tác vụ hay mục đích nhất định và được điều khiển bằng thiết bị bộ biến tần. Nhiệm vụ của máy biến tần là biến đổi dòng điện ba xoay chiều 380-480V 50Hz thành dòng điện ba pha xoay chiều 380-480V 1-400Hz.
Trong đó, chúng ta cần phải cài đặt hàng loạt các giá trị ban đầu như tần số hoạt động, cường độ dòng điện, thời gian đạt đến tốc độ mong muốn, thời gian dừng động cơ, chiều quay. Ngoài ra, trong quá trình hoạt động, chúng ta không thể thay đổi được thông số cài đặt, khi muốn thay đổi, phải tiến hành dừng hoạt động của biến tần rồi cài đặt lại các giá trị ban đầu. Mặt khác, khi động cơ không đồng bộ ba pha được tích hợp trên xe, nguồn cung cấp đầu vào cho biến tần không phải là điện áp xoay chiều ba pha, mà là điện áp một chiều từ bộ pin. Vì vậy, tác giả quyết định lựa thiết kế lại bộ điều khiển cho động cơ không đồng bộ ba pha dựa trên nguyên lý hoạt động của bộ biến tần nhưng phù hợp với cơ chế hoạt động trên xe.
Cụ thể, mạch dẫn động điều khiển có nhiệm vụ chính là tiếp nhận 2 tín hiệu đầu vào (vị trí bướm ga, tốc độ xe) để tính toán và xử lý, sau đó truyền tín hiệu đầu ra đến bộ truyền động. Các thông số cài đặt đầu vào phải được tính toán dựa trên các đường cong đặc tính của từng loại động cơ để đảm bảo một số vấn đề như thay đổi lực kéo tùy thuộc vào tải trọng, điều kiện mặt đường. Hơn nữa, một mạch điều khiển còn đòi hỏi phải lựa chọn và sắp xếp các linh kiện điện tử một cách hợp lý để giảm nhiễu khi hoạt động trong điều khiện khắc nghiệt và tăng độ ổn định của mạch. Tình hình nghiên cứu đề tài 1.
Trong nước Trong những năm gần đây, xe điện luôn là một trong những đề tài nghiên cứu được các trường đại học quan tâm đầu từ và phát triển. Tuy nhiên, đa phần các đề tài tập trung nghiên cứu về xe ô tô lai [4-5] hoặc xe điện ba bánh phục vụ cho mục đích vận chuyển hàng hóa hay di chuyển đoạn đường ngắn trong khu dân cư [6]. Hiện tại vẫn chưa có các bài công bố khoa học chính thức về xe máy điện, các dự án này đang trong giai đoạn tìm hiểu và nghiên cứu. Ngoài nước Trong thế kỷ XXI, xe điện (EVs) được xem như một trong những phương tiện giao thông xanh, đã và đang là vấn đề được sự quan tâm lớn từ các nhà nghiên cứu, dẫn đến một loạt các nghiên cứu chuyên sâu và quy mô.
Với sự phát triển của công nghệ pin lưu trữ Lithium, số lượng xe EV tăng lên đáng kể. Dựa trên tình trạng phát triển hiện tại, tác giả tiến hành tổng quan những nghiên cứu trọng điểm về xe điện EV trên thế giới. Nghiên cứu ứng dụng động cơ không đồng bộ ba pha vào xe điện, Wang cùng cộng sự [7] đã nghiên cứu phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha và ảnh hưởng của các sóng hài bậc cao đến quá trình vận hành của động cơ, ứng dụng động cơ không đồng bộ ba pha vào xe lai (hybrid car). Cho cùng cộng sự [8] đã phân tích thiết kế kết cấu của động cơ không đồng bộ ba pha ảnh hưởng đến vùng làm việc của động cơ, qua đó đề xuất thiết kế tối ưu bằng phương pháp “niching genetic 3 method”.
Jiang cùng cộng sự [9] nghiên cứu thay đổi số cực trong kết cấu động cơ với mục đích mở rộng vùng công suất không đổi của động cơ (vùng tuyến tính). Cụ thể, nhóm đã ứng dụng chuỗi Fourier kép để phân tích phổ điện áp và dòng điện ba pha của động cơ, qua đó suy ra hàm số sóng hài đa bậc. Xue cùng cộng sự [10] đã so sánh phân tích về hiệu suất, trọng lượng, chi phí giá cả, khả năng tản nhiệt, làm mát, tốc độ tối đa và độ tin cậy giữa các loại động cơ từ trở, động cơ không đồng bộ ba pha, động cơ không chổi than có nam châm vĩnh cửu. Mục đích của nhóm là tìm ra động cơ thích hợp nhất cho xe điện.
Phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha, Chern cùng cộng sự [11] đã tiến hành mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha bằng phương pháp thay đổi tỉ lệ V/f dùng bộ xử lí tín hiệu số DSP, các kết quả mô phỏng chỉ ra mạch mô phỏng có thể đáp ứng được vị trí, tốc độ mong muốn khi có ảnh hưởng nhiễu do tải gây ra. Zhu cùng cộng sự [12] đã chỉ ra rằng động cơ không đồng bộ ba pha lồng sóc có ưu điểm là cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ và độ tin cậy tốt, nhưng việc điều khiển tốc độ và momen xoắn của động cơ có độ chính xác không cao. Từ những lý do đó, nhóm tiến hành mô phỏng hiệu suất của băng thử động cơ điện lồng sóc. Cụ thể, nhóm tiến hành so sánh phương pháp điều khiển momen xoắn trực tiếp kiểu mới so với kiểu truyền thống dựa trên phương pháp điều chế véc-tơ không gian.
Kết quả mô phỏng cho thấy băng thử điện có momen xoắn và phản ứng từ thông stato tốt hơn, các gợn sóng momen xoắn, dòng điện stato của nó được giảm đáng kể so với sử dụng phương pháp DTC thông thường. Hassan [13] đã tiến hành mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha bằng phương pháp điều khiển mờ (Fuzzy) dựa trên nền tảng trí thông minh nhân tạo (AI) với mong muốn tăng hiệu quả điều khiển, độ tin cậy, cũng như tối ưu hóa chi phí vận hành động cơ. Latt và Win [14] đã tiến hành thiết kế bộ điều khiển động cơ không đồng bộ 1 pha dạng rotor lồng sóc áp dụng phương pháp biến thiên tần số trong phạm vi từ 16Hz đến 56Hz với điện áp cung cấp không đổi 300V. Zhang cùng cộng sự [15] đề xuất sử dụng một bộ quan sát, bộ điều khiển chế độ trượt không sử dụng cảm biến tốc độ.
Cụ thể, nhóm tác giả điều chế xung dựa trên chế độ trượt với mục đích tập trung vào việc kiểm soát momen xoắn, 4 sau đó phát triển khả năng kiểm soát tốc độ. Kết quả mô phỏng, thí nghiệm cho thấy phương pháp này đạt được hiệu quả cao, ước lượng được sự trượt giữa stator và rotor. Schauder [16] đã chỉ ra rằng hiệu suất của truyền động động cơ không đồng bộ ba pha điều khiển bằng véc-tơ không có cảm biến tốc độ thường kém ở tốc độ rất thấp bởi vì các thành phần bù và trôi trong tín hiệu phản hồi thu được bị biến dạng điện áp, do sự biến dạng điện áp phi tuyến trong quá trình nghịch lưu bởi các khóa bán dẫn. Nhóm tiến hành xây dựng một mô hình hóa bộ ước tính từ thông của stator và đề xuất hướng nghiên cứu thay đổi điện trở stator trong quá trình vận hành.
Kết quả cho thấy động cơ hoạt động ổn định và mượt hơn ở vùng tần số thấp.