TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN
Giới thiệu chung về động cơ điện
Động cơ điện, hay còn gọi là motor TỔNG điện, là thiết bị chuyển đổi điện năng thành cơ năng, ngược lại với máy phát điện Các động cơ điện phổ biến trong gia đình bao gồm quạt điện, tủ lạnh, máy giặt, máy bơm nước và máy hút bụi Chúng giúp quay bánh công tác của bơm, quạt, chạy máy nén và nâng vật liệu Động cơ điện được ứng dụng rộng rãi trong cả lĩnh vực dân dụng và công nghiệp, từ máy xay, khoan đến quạt gió.
Hì nh 1.1: Hình ảnh của động cơ điện
1.1.1 Ứng dụng của động cơ điện
Ngày nay, động cơ điện được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ các thiết bị nhỏ như lò vi sóng và máy đọc đĩa đến các công cụ như máy khoan và máy giặt Chúng cũng đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của thang máy và hệ thống thông gió Ở nhiều quốc gia, động cơ điện còn được sử dụng trong các phương tiện vận chuyển, đặc biệt là trong đầu máy xe lửa.
Trong giao thông vận tải động cơ điện được ứng dụng trong các phương tiện giao thông như: Xe đạp điện, xe ô tô điện, xe lai…
Trong công nghệ máy tính: Động cơ điện được sử dụng trong các ổ cứng, ổ quang (chúng là các động cơ bước rất nhỏ)
1.1.2 Phân loại động cơ điện
Có hai loại động cơ điện chính dựa vào chức năng: động cơ một chiều và động cơ xoay chiều Mỗi loại động cơ này lại được phân thành nhiều dạng khác nhau.
Hình 1.2: Các loại động cơ điện chính
Các loai động cơ được phân loại dựa trên nguồn cung năng lượng, cấu trúc động cơ và cơ chế vận hành
1.1.3 Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện
Động cơ điện gồm hai phần chính: phần đứng yên (stator) và phần chuyển động (rotor), được quấn nhiều vòng dây dẫn hoặc sử dụng nam châm vĩnh cửu Khi cuộn dây trên rotor và stator được kết nối với nguồn điện, từ trường xuất hiện xung quanh chúng Sự tương tác giữa từ trường của rotor và stator tạo ra chuyển động quay của rotor quanh trục, tạo ra mô men xoắn.
Động cơ điện chủ yếu hoạt động dựa trên nguyên lý điện từ, tuy nhiên, cũng có những loại động cơ sử dụng nguyên lý khác như lực tĩnh điện và hiệu ứng điện áp.
Động cơ điện từ hoạt động dựa trên nguyên lý cơ bản là lực cơ học tác động lên cuộn dây có dòng điện chạy qua trong một từ trường Lực này được mô tả bởi định luật Lorentz, nằm vuông góc với cả cuộn dây và từ trường.
Động cơ từ chủ yếu hoạt động theo cơ chế xoay, với rotor là phần chuyển động và stator là phần đứng yên Tuy nhiên, cũng tồn tại động cơ tuyến tính trong lĩnh vực này.
Bài tập lớn nghiên cứu điều khiển động cơ điện và ứng dụng trong xe ô tô điện tập trung vào việc phát triển các hệ thống điều khiển hiệu quả cho động cơ điện Nghiên cứu này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất của xe ô tô điện mà còn đảm bảo tính ổn định và an toàn trong quá trình vận hành Các công nghệ mới trong điều khiển động cơ điện đang mở ra nhiều cơ hội cho ngành công nghiệp ô tô, đặc biệt là trong bối cảnh chuyển đổi sang năng lượng sạch và bền vững Việc áp dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến sẽ góp phần tối ưu hóa hiệu suất năng lượng và giảm thiểu khí thải, tạo ra những chiếc xe ô tô điện thân thiện với môi trường hơn.
Động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều là loại máy điện hoạt động với nguồn điện một chiều, có khả năng vận hành ở cả chế độ máy phát điện và chế độ động cơ điện.
Trong sản xuất hiện đại, máy điện một chiều vẫn giữ vai trò quan trọng, được ứng dụng làm động cơ điện và máy phát điện Đặc tính nổi bật của động cơ điện một chiều là khả năng điều chỉnh tốc độ tốt, khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng trong các ngành công nghiệp yêu cầu kiểm soát tốc độ cao như cán thép, hầm mỏ và giao thông vận tải.
1.2.2 Ứng dụng của động cơ điện một chiều
- Trong đời sống con người: động cơ điện một chiều được sử dụng rất phổ biến trong nhiều lĩnh vực như :
+ Các bộ phận khởi động của ôtô, xe máy, máy kéo…
+ Các hệ truyền động có công suất nhỏ như quạt điện, máy xay sinh tố, động cơ bơm nước…
+ Lĩnh vực nghiên cứu, giảng dạy…
Động cơ điện một chiều đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp, được ứng dụng rộng rãi trong các máy cắt kim loại, máy công cụ và trong lĩnh vực giao thông vận tải.
1.2.3 Phân loại động cơ điện một chiều
Khi phân loại động cơ điện một chiều và máy phát điện một chiều, người ta dựa vào phương pháp kích từ Dựa trên tiêu chí này, động cơ điện một chiều được chia thành nhiều loại khác nhau.
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập hoạt động với phần ứng và phần kích từ được cung cấp từ hai nguồn điện riêng biệt Dòng điện kích từ của động cơ được lấy từ một nguồn điện khác, không liên quan đến phần ứng, giúp tăng cường hiệu suất và điều khiển linh hoạt trong quá trình vận hành.
+) Động cơ điện một chiều kích từ song song: Dây quấn kích từ nối song song với phần ứng
+) Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Dây quấn kích từ mắc nối tiếp với mạch phần ứng
Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp bao gồm hai dây quấn kích từ Một cuộn được mắc song song với phần ứng, trong khi cuộn còn lại được mắc nối tiếp với phần ứng.
1.2.4 Cấu tạo của động cơ điện một chiều
Cấu tạo của động cơ điện một chiều gồm có các bộ phận chính sau:
- Hệ thống chổi than, vành góp
Hình 1.4: Một số bộ phận của động cơ điện một chiều
Hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra từ trường, gồm có :
Bài tập lớn nghiên cứu điều khiển động cơ điện và ứng dụng trong xe ô tô điện tập trung vào các cực từ chính, là bộ phận tạo ra từ trường với lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ bên ngoài Các cực từ được gắn vào vỏ máy bằng bulông, và một cặp cực từ (đôi cực) bao gồm 2 cực nam – bắc đối xứng qua trục động cơ Số lượng cực từ có thể thay đổi tùy thuộc vào loại động cơ, trong khi các máy điện nhỏ thường sử dụng cực từ làm bằng thép khối.
+) Lõi sắt: làm bằng lá thép kĩ thuật điện (thép cacbon) dày từ 0.5-1 mm, được ép và tán chặt lại với nhau thành một khối
Dây quấn kích từ được làm từ dây đồng bọc cách điện, với mỗi cuộn dây được bọc cách điện kỹ lưỡng thành một khối Trước khi được đặt lên cực từ, các cuộn dây này còn được tẩm sơn cách điện để đảm bảo hiệu suất và độ bền.
Hình 1.5: Cực từ chính của động cơ một chiều b) Cực từ phụ: Đặt giữa các cực từ chính với tác dụng cải thiện đổi chiều,
Cực từ phụ được làm bằng thép khối trên đặt các cuộn dây quấn Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bu lông
Cực từ phụ bao gồm:
Lõi thép của máy điện được chế tạo từ thép khối, trong khi dây quấn được làm bằng đồng và có lớp bọc cách điện, mỗi cuộn dây đều được quấn cách điện và tẩm sơn cách điện trước khi lắp vào cực từ phụ Gông từ là thành phần quan trọng, kết nối các cực từ chính và tạo ra mạch từ, cho phép từ thông lưu thông qua các cuộn dây Trong các máy điện lớn, gông từ thường được làm bằng thép đúc, còn trong máy điện nhỏ, gông từ được chế tạo từ thép lá uốn thành hình trụ và hàn lại Đôi khi, trong các động cơ điện nhỏ, vỏ máy còn được làm từ gang.
Nắp máy có vai trò quan trọng trong việc bảo vệ các chi tiết bên trong máy, ngăn chặn vật lạ rơi vào làm hỏng cuộn dây và mạch từ, đồng thời đảm bảo an toàn cho người sử dụng khỏi các va chạm điện Đối với máy điện nhỏ và vừa, nắp máy còn được sử dụng như giá đỡ ổ bi, thường được chế tạo từ chất liệu gang để tăng cường độ bền và tính ổn định.
Cơ cấu chổi than có vai trò quan trọng trong việc dẫn điện vào động cơ và ra ngoài nếu là máy phát điện Nó bao gồm chổi than được đặt trong hộp chổi than, được giữ chặt lên cổ góp nhờ lò xo Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than, cách điện với giá để đảm bảo an toàn Giá chổi than có thể quay để điều chỉnh vị trí chổi than, và sau khi điều chỉnh xong, cần sử dụng vít để cố định lại vị trí.
1.2.3.2 Rotor: Là phần quay của động cơ, bao gồm:
Lõi sắt phần ứng là thành phần quan trọng trong máy điện, có tác dụng dẫn từ và được chế tạo từ lá thép kỹ thuật điện (thép hợp kim silic) dày 0.5mm Để giảm thiểu tổn hao do dòng điện xoáy, lõi sắt này được phủ lớp cách điện mỏng ở cả hai mặt và ép chặt lại.
Các lá thép được dập rãnh để tạo vị trí cho cuộn dây phần ứng khi ép Lõi sắt có hình trụ tròn, được ép chặt vào trục, tạo thành một khối thống nhất.
Hình 1.6: Lõi sắt phần ứng rotor của động cơ điện một chiều
Trong các động cơ trung bình và lớn, người ta thường dập lỗ thông gió để tạo ra các lỗ thông gió dọc trục khi ép lõi sắt Đối với các động cơ điện lớn hơn, lõi sắt thường được chia thành các đoạn nhỏ, giữa các đoạn này có khe hở thông gió Khi máy hoạt động, gió sẽ thổi qua các khe hở này, giúp cải thiện hiệu suất làm việc của động cơ.
Nghiên cứu điều khiển động cơ điện và ứng dụng trong xe ô tô điện là một lĩnh vực quan trọng, đóng vai trò then chốt trong sự phát triển của công nghệ xe điện Các hệ thống điều khiển động cơ điện giúp tối ưu hóa hiệu suất, tiết kiệm năng lượng và nâng cao trải nghiệm lái xe Việc áp dụng các công nghệ mới trong điều khiển động cơ không chỉ cải thiện khả năng vận hành mà còn góp phần vào việc giảm thiểu khí thải và bảo vệ môi trường Tương lai của xe ô tô điện phụ thuộc vào sự phát triển bền vững và hiệu quả của các giải pháp điều khiển động cơ điện.
Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục.
CÁC PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI TỐC ĐỘ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN
Phương pháp thay đổi tốc độ động cơ điện một chiều
2.1.1 Khái quát chung Động cơ điện một chiều cho phép điều chỉnh tốc độ quay liên tục trọng một phạm vi rộng và trong nhiều trường hợp cần có đặc tính cơ đặc biệt, thiết bị đơn giản hơn và rẻ tiền hơn các thiết bị điều khiển của động cơ ba pha Vì một số ưu điểm như vậy cho nên động cơ điện một chiều được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp, trong giao thông vận tải
2.1.2 Phương pháp thay đổi tốc độ động cơ điện một chiều
- Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng
- Phương pháp thay đổi từ thông Ф
- Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng
2.1.2.1 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng Đây là phương pháp thường dùng để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều
Nguyên lý điều khiển trong phương pháp này giữ U=Uđm và ф= ф đm, đồng thời nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng Điều này ảnh hưởng đến độ cứng của đường đặc tính cơ.
(2.1) +) Ta thấy khi điện trở càng lướn thì β càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc và do đó càng mềm hơn
Khi thay đổi điện trở phụ Rf, độ cứng tự nhiên đạt giá trị lớn nhất khi Rf=0, dẫn đến đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng cao hơn tất cả các đường đặc tính cơ có điện trở phụ Do đó, việc điều chỉnh Rf sẽ tạo ra một họ đặc tính cơ thấp hơn so với đặc tính cơ tự nhiên.
Đặc điểm của phương pháp:
Bài tập lớn nghiên cứu điều khiển động cơ điện và ứng dụng trong xe ô tô điện là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ hiện đại Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển các phương pháp điều khiển hiệu quả cho động cơ điện, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng Ngoài ra, việc ứng dụng các công nghệ điều khiển này trong xe ô tô điện không chỉ giúp cải thiện khả năng vận hành mà còn nâng cao tính bền vững và thân thiện với môi trường của phương tiện giao thông Các kết quả từ nghiên cứu có thể góp phần thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô điện trong tương lai.
+) Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ định mức ( chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm)
Chỉ áp dụng cho động cơ điện công suất nhỏ, vì tổn hao năng lượng trên điện trở phụ làm giảm hiệu suất động cơ Thực tế, giải pháp này thường được sử dụng trong động cơ điện của cần trục.
Phương pháp đánh giá các chỉ tiêu không cho phép điều khiển liên tục mà chỉ có thể điều khiển theo từng bước nhảy Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số momen tải; khi tải nhỏ, dải điều chỉnh D= ωmax / ωmin cũng sẽ giảm Phương pháp này cho phép điều chỉnh trong dải D=3:1.
+) Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện trở phụ lớn, chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản
2.1.2.2 Phương pháp thay đổi từ thông Ф Nguyên lí điều khiển:
Để điều chỉnh từ thông động cơ trong hệ thống với giả thiết U=Uđm và Rư=const, ta có thể thay đổi dòng điện kích từ Việc này có thể thực hiện bằng cách nối tiếp biến trở vào mạch kích từ hoặc điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ.
Khi động cơ hoạt động ở chế độ định mức với kích thích tối đa ф=фmax, phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ, dẫn đến việc điều chỉnh theo hướng giảm từ thông ф Điều này có nghĩa là tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức sẽ tăng khi giảm ф, làm cho tốc độ không tải lý tưởng tăng lên Tuy nhiên, độ cứng của đặc tính cơ giảm, kết quả là chúng ta thu được họ đặc tính cơ nằm trên đặc tính cơ tự nhiên.
Hình 2.2: Đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông
Khi giảm từ thông để tăng tốc độ động cơ, dòng điện sẽ tăng lên và có thể vượt quá mức cho phép nếu moomen giữ nguyên Để đảm bảo dòng điện không vượt quá giá trị cho phép trong quá trình giảm từ thông, cần phải giảm moomen.
Mt theo cùng tỷ lệ
Đặc điểm của phương pháp:
+) Phương pháp này có thể thay đổi tốc độ về phía tăng
+) Phương pháp này chỉ điều khiển ở vùng tải không quá lớn so với định mức,việc thay đổi từ thông không làm thay đổi dòng điện ngắn mạch
+) Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là phương pháp điều khiển với công suất không đổi
Đánh giá các chỉ tiêu điều khiển cho thấy sai số tốc độ lớn, với đặc tính điều khiển có độ dốc cao hơn so với đặc tính tự nhiên Dải điều khiển phụ thuộc vào phần cơ của máy, cho phép điều khiển trơn trong dải điều chỉnh D=3:1 Với công suất cuộn dây kích từ nhỏ và dòng điện kích từ thấp, việc điều khiển liên tục có thể đạt được với ф ≈ 1.
+) Phương pháp này được áp dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi liên tục
Đây là phương pháp gần như là duy nhất đối với động cơ điện một chiều khi cần điều chỉnh tốc độ lớn hơn tốc độ điều khiển
2.1.2.3 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển…các thiết bị nguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động Eb điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển Uđk vì nguồn có cồn suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong Rb và điện cảm Lb khác không Để đưa tốc độ động cơ với hiệu suất cao trong giới hạn rộng 1:10 hoặc hơn nữa
Hình 2.3 minh họa sơ đồ sử dụng bộ biến đổi điều khiển điện áp phần ứng Trong chế độ xác lập, chúng ta có thể thiết lập phương trình đặc tính của hệ thống một cách chính xác.
Bài tập lớn nghiên cứu điều khiển động cơ điện và ứng dụng trong xe ô tô điện đề cập đến các khía cạnh quan trọng của công nghệ động cơ điện, bao gồm nguyên lý hoạt động, các phương pháp điều khiển, và ứng dụng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của xe ô tô điện Nghiên cứu này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của động cơ điện mà còn mở ra hướng phát triển bền vững cho ngành công nghiệp ô tô Việc áp dụng các giải pháp điều khiển tiên tiến sẽ góp phần nâng cao hiệu quả năng lượng và giảm thiểu khí thải, đồng thời đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về phương tiện giao thông thân thiện với môi trường.
Vì từ thông của động cơ không đổi, độ cứng đặc tính cơ cũng giữ nguyên, và tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc vào điện áp điều khiển Uđk của hệ thống, nên phương pháp điều chỉnh này được xem là triệt để Tốc độ tối đa của hệ thống bị giới hạn bởi đặc tính cơ bản tương ứng với điện áp phần ứng định mức và từ thông cũng ở mức định mức Ngược lại, tốc độ tối thiểu trong dải điều chỉnh bị ảnh hưởng bởi yêu cầu sai số tốc độ và mômen khởi động Khi mômen đạt mức định mức, các giá trị tốc độ lớn nhất và nhỏ nhất sẽ được xác định rõ ràng.
(2.6) Để thỏa mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mômen ngắn mạch là: Mnmmin= Mcmax=KM.Mđm
Hệ số K M biểu thị mức độ quá tải về mômen Do các đặc tính cơ học là những đường thẳng song song, ta có thể diễn đạt độ cứng theo định nghĩa về đặc tính cơ.
Hình 2.4: Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp [7]
ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN VÀ ỨNG DỤNG TRÊN XE Ô TÔ ĐIỆN
Tổng quan về ô tô điện
Ô tô điện sử dụng động cơ điện thay vì động cơ đốt trong, với năng lượng được lưu trữ trong pin hoặc thiết bị lưu trữ năng lượng Đây là công nghệ ô tô lý tưởng, không phát sinh khí thải ô nhiễm, do đó còn được gọi là "ô tô không khí thải" (Zero Emission Vehicle).
Hình 3.1: Hình ảnh xe ô tô điện [1]
3.1.2 Các loại động cơ sử dụng cho ô tô điện
Thay vì sử dụng động cơ đốt trong (Internal Combustion Engine), ô tô điện được truyền động bằng động cơ điện
Một số loại động cơ điện đã và đang được sử dụng trên ô tô điện như sau:
Bài tập lớn nghiên cứu điều khiển động cơ điện và ứng dụng trong xe ô tô điện tập trung vào các nguyên lý cơ bản của động cơ điện, cách thức hoạt động của chúng, và vai trò quan trọng trong việc phát triển xe ô tô điện Nghiên cứu này giúp hiểu rõ hơn về các hệ thống điều khiển, từ đó cải thiện hiệu suất và tính năng của xe điện Đồng thời, nó cũng đề cập đến các công nghệ mới trong lĩnh vực động cơ điện, góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp ô tô.
Hình 3.2: Các loại động cơ sử dụng cho ô tô điện [7]
3.1.3 Ưu điểm của việc sử dụng động cơ điện
Động cơ điện mang lại nhiều ưu điểm nổi bật về khả năng điều khiển, cho phép áp dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến Điều này không chỉ nâng cao hiệu suất hoạt động mà còn cải thiện chất lượng động học của ô tô.
Động cơ điện là lựa chọn thân thiện với môi trường vì không sử dụng nhiên liệu đốt như xăng hay dầu và không thải ra khí carbonic, giúp giảm ô nhiễm so với động cơ đốt trong.
Động cơ điện mang lại nhiều ưu điểm nổi bật, đặc biệt là khả năng điều khiển linh hoạt Điều này cho phép áp dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến, từ đó cải thiện đáng kể chất lượng động học của ô tô điện.
Khả năng đáp ứng mômen nhanh và chính xác Động cơ điện có khả năng đáp ứng mômen nhanh gấp khoảng 100 lần so với động cơ đốt trong`
Có thể sử dụng hai hay bốn động cơ in-wheel lắp trong mỗi bánh xe
Động cơ in-wheel, tích hợp bên trong bánh xe, cho phép ô tô điện sở hữu một, hai hoặc bốn động cơ truyền động, khác với ô tô thông thường chỉ có một động cơ đốt trong kết nối với cầu chủ động qua trục các-đăng và hộp vi sai.
Tích hợp động cơ vào bánh xe đã thay đổi cơ bản cấu trúc cơ khí của ô tô điện, cho phép điều khiển độc lập từng bánh xe Điều này mang lại khả năng điều khiển chuyển động linh hoạt cho xe.
Có thể tính toán dễ dàng và chính xác mômen của động cơ điện
Khác với động cơ đốt trong, mômen điện từ của động cơ điện có thể được tính toán một cách chính xác bằng cách đo các thông số dòng điện và điện áp Việc ước lượng mômen này giúp điều khiển chính xác lực tác động giữa mặt đường và bánh xe, điều mà động cơ đốt trong khó thực hiện.
3.1.4 Các Yêu cầu đối với ô tô điện a Các yêu cầu đối với hệ truyền động kéo trên ô tô điện
Tính năng vận hành của một chiếc xe nói chung được đánh giá dựa trên các tiêu chí sau:
Khả năng tăng tốc được đo bằng thời gian cần thiết để tăng tốc từ 0 đến một tốc độ nhất định, hoặc từ một tốc độ thấp lên một tốc độ cao hơn.
+ ) Khả năng vận hành của xe trên các loại đường khác nhau
Tốc độ cực đại mà xe điện có thể đạt được phụ thuộc vào yêu cầu đặc biệt của động cơ Động cơ truyền động cho ô tô điện cần đáp ứng những tiêu chí riêng biệt, khác với động cơ công nghiệp Các yêu cầu này bao gồm hiệu suất cao, khả năng tiết kiệm năng lượng và độ bền vượt trội, nhằm đảm bảo hiệu quả hoạt động và trải nghiệm lái xe tốt nhất.
Động cơ truyền động cho ô tô điện có công suất từ 30 kW đến hơn 100 kW, nhưng lại có khối lượng nhẹ và kích thước nhỏ gọn Nếu sử dụng động cơ công nghiệp thông thường, trọng lượng sẽ tăng, dẫn đến tiêu tốn năng lượng và giảm quãng đường đi được mỗi lần nạp điện, một yếu tố quan trọng đối với ô tô điện.
+ ) Đặc tính làm việc phù hợp với đặc tính của ô tô 3.1.5 Đánh giá một số loại động cơ điện
Các loại động cơ điện phổ biến được sử dụng trong ô tô điện bao gồm động cơ không đồng bộ (động cơ cảm ứng), động cơ nam châm vĩnh cửu, động cơ một chiều và động cơ từ trở chuyển mạch.
Dưới đây sẽ phân tích ưu nhược điểm của từng loại động cơ để đưa ra sự
Động cơ một chiều là loại động cơ điện phổ biến, đặc biệt trong lĩnh vực xe ô tô điện Ưu điểm của động cơ này bao gồm cấu trúc đơn giản, dễ dàng điều khiển và bảo trì Động cơ một chiều cung cấp mô-men xoắn cao ngay từ tốc độ thấp, giúp xe có khả năng tăng tốc nhanh chóng Ngoài ra, hiệu suất năng lượng của động cơ một chiều thường cao, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong xe điện Việc ứng dụng động cơ một chiều trong xe ô tô điện không chỉ mang lại lợi ích về hiệu suất mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho tương lai giao thông bền vững.
Động cơ một chiều, đặc biệt là loại kích từ nối tiếp, nổi bật với khả năng tạo ra mômen lớn ở tốc độ thấp, rất phù hợp cho các ứng dụng truyền động kéo.
Việc điều chỉnh tốc độ và mở rộng dải tốc độ của động cơ trở nên dễ dàng nhờ vào các bộ điều chỉnh điện áp Đặc biệt, động cơ kích từ hỗn hợp không chỉ có mômen khởi động lớn mà còn có khả năng mở rộng dải tốc độ thông qua việc giảm từ thông kích từ.
- Động cơ một chiều truyền thống có kích thước và trọng lượng lớn, hiệu suất thấp, độ tin cậy kém, gây nhiễu điện từ, gây ồn
Điều khiển động cơ điện trên xe ô tô
Điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp sử dụng bộ inventer ( Biến tần ) trên ô tô điện
Lí do sử dụng biến tần để điều khiển động cơ là vì:
Hệ truyền động biến tần - động cơ nổi bật với khả năng điều chỉnh tốc độ động cơ một cách vô cấp Điều này cho phép người dùng thay đổi tốc độ động cơ theo ý muốn trong một dải rộng thông qua việc điều chỉnh tần số.
Sử dụng biến tần mang lại nhiều tính năng thông minh và linh hoạt như tự động nhận dạng động cơ, điều khiển qua mạng, thiết lập 16 cấp tốc độ, và khống chế dòng khởi động để đảm bảo quá trình khởi động êm ái, nâng cao độ bền của kết cấu cơ khí Ngoài ra, biến tần còn giúp giảm thiểu chi phí lắp đặt và bảo trì, tiết kiệm không gian lắp đặt, cùng với các chế độ tiết kiệm năng lượng hiệu quả.
3.2.1 Biến tần a) Giới thiệu chung
Biến tần, hay còn gọi là bộ biến đổi tần số (Variable Frequency Drive - VFD), là thiết bị điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều bằng cách thay đổi tần số nguồn điện cung cấp Do đó, nó cũng được gọi là bộ điều chỉnh tốc độ động cơ (Variable Speed Drive - VSD) Thêm vào đó, điện áp cung cấp cho động cơ cũng thay đổi theo tần số, vì vậy biến tần đôi khi được gọi là bộ biến đổi điện áp tần số (Variable Voltage Variable Frequency Drive - VVVFD).
Bộ biến tần là thiết bị quan trọng trong hệ thống điều tốc độ động cơ, cho phép điều khiển vận tốc động cơ xoay chiều thông qua việc điều chỉnh tần số Bằng cách thay đổi tần số lưới nguồn thành tần số biến thiên, bộ biến tần không chỉ thay đổi tần số mà còn có thể thay đổi tổng số pha Từ nguồn lưới một pha, nhờ vào biến tần, chúng ta có thể kết nối với tải động cơ ba pha.
Biến tần thường được chia thành hai loại:
Bộ biến đổi này chỉ sử dụng một khâu biến đổi để chuyển đổi nguồn điện xoay chiều với điện áp và tần số cố định thành điện áp xoay chiều có điện áp và tần số có thể điều chỉnh.
Bộ biến tần trực tiếp, hay còn gọi là bộ biến đổi sóng cố định, hoạt động mà không cần qua khâu trung gian trong quá trình biến đổi.
Hình 3.17: Thiết bị biến tần trực tiếp[7]
Mỗi một pha đầu ra của bộ biến tần trực tiếp đều được tảo bởi mạch điện
Nghiên cứu về điều khiển động cơ điện và ứng dụng của nó trong xe ô tô điện là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ hiện đại Động cơ điện đóng vai trò then chốt trong việc cải thiện hiệu suất và tiết kiệm năng lượng cho xe ô tô điện Việc tối ưu hóa hệ thống điều khiển không chỉ giúp tăng cường hiệu suất vận hành mà còn nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ của động cơ Ứng dụng công nghệ điều khiển tiên tiến giúp xe ô tô điện hoạt động mượt mà và hiệu quả hơn, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường Nghiên cứu này không chỉ mang lại lợi ích cho ngành công nghiệp ô tô mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của môi trường.
Hình 3.18: Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp[7]
Hai sơ đồ chỉnh lưu thuận ngược lần lượt được điểu khiển làm việc theo chu kỳ nhất định Trên phụ tải sẽ nhận được điện áp xoay chiều U1
Biên độ của hệ thống phụ thuộc vào góc điều khiển α, trong khi tần số của nó được xác định bởi tần số khống chế thông qua quá trình chuyển đổi hoạt động của hai sơ đồ chỉnh lưu mắc song song ngược.
Nếu góc α không thay đổi thì điện áp trung bình đầu ra có giá trị không đổi trong mỗi nửa chu kỳ điện áp đầu ra
Để đạt được điện áp đầu ra dạng hình sin, cần liên tục điều chỉnh góc van trong mỗi sơ đồ chỉnh lưu trong suốt thời gian hoạt động của nó, tương ứng với mỗi nửa chu kỳ điện áp Điện áp trung bình trong nửa chu kỳ sẽ có dạng hình sin, như được minh họa bằng nét đứt trong hình vẽ Việc điều khiển sơ đồ ngược trong nửa chu kỳ âm của điện áp đầu ra cũng diễn ra theo cách tương tự.
Hình 3.19: Đồ thị điện áp đầu ra cảu thiết bị biến tần xoay chiều hình sin[7]
Bộ biến tần trực tiếp mang lại lợi ích với khả năng thiết kế công suất đầu ra lớn và hiệu suất cao; tuy nhiên, nó cũng tồn tại một số nhược điểm cần lưu ý.
+) Chỉ có tạo ra điện áp xoay chiều đầu ra với tần số thấp hơn tần số điện áp lưới
+) Khó điều khiển ở tần số cận không vì khi đó tổn hao sóng hài trong động cơ khá lớn
+) Độ chính xác trong điều khiển không cao
+) Sóng điện áp đầu ra khác xa hình sin
Là bộ biến đổi tần số gián tiếp thông qua một khâu trung gian một chiều.
Bộ biến tần gián tiếp cho phép khắc phục những nhược điểm của bộ biến tần trực tiếp ở trên
Hình 3.20: Thiết bị biến tần gián tiếp[7]
+) Thiết bị biến tần gian tiếp dùng chỉnh lưu điều khiển
Hình 3.21: Thiết bị tần gián tiếp dùng chỉnh lưu điều khiển[7]
Bộ biến tần này chuyển đổi điện áp xoay chiều lưới điện thành điện áp một chiều có điều chỉnh thông qua chỉnh lưu điều khiển tiristor Khâu lọc có thể sử dụng bộ lọc điện dung hoặc điện cảm tùy thuộc vào yêu cầu của nghịch lưu Nghịch lưu có thể áp dụng tiristor hoặc transistor, và việc điều chỉnh điện áp đầu ra U2 được thực hiện bằng cách điều khiển góc chỉnh lưu Tần số được điều chỉnh bởi khâu nghịch lưu, với quá trình điều khiển được phối hợp trên cùng một mạch điện điều khiển.
Bộ biến tần loại này có cấu trúc đơn giản và dễ điều khiển, tuy nhiên, việc chuyển đổi điện áp xoay chiều thành một chiều thông qua chỉnh lưu tiristor dẫn đến giảm hệ số công suất khi điện áp ra thấp Ngoài ra, quá trình biến đổi điện áp hoặc dòng điện một chiều thành xoay chiều thường sử dụng nghịch áp 3 pha bằng tiristor, gây ra sóng hài bậc cao trong điện áp xoay chiều đầu ra với biên độ lớn, đây chính là nhược điểm chính của loại biến tần này.
Bài tập lớn nghiên cứu điều khiển động cơ điện và ứng dụng trong xe ô tô điện tập trung vào việc phát triển các hệ thống điều khiển hiệu quả cho động cơ điện Nghiên cứu này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất hoạt động của xe ô tô điện mà còn tối ưu hóa khả năng tiết kiệm năng lượng Thông qua việc áp dụng các công nghệ điều khiển tiên tiến, bài tập sẽ phân tích các phương pháp điều khiển khác nhau và ảnh hưởng của chúng đến hiệu suất động cơ Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp những kiến thức quý giá cho việc thiết kế và phát triển các phương tiện giao thông bền vững trong tương lai.
+) Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển có thêm bộ biến đổi xung điện áp
Hình 3.22: Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển có thêm bộ biến đổi xung điện áp[7]
Bộ biến tần xoay gián tiếp sử dụng bộ chỉnh lưu không điều khiển kết hợp với bộ biến đổi xung điện áp một chiều nhằm điều chỉnh điện áp một chiều ở đầu vào khối nghịch lưu.
Việc biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều để cấp cho khối nghịch lưu sử dụng bộ chỉnh lưu đi ốt không điều khiển
Khối nghịch lưu chỉ chuyển đổi điện áp một chiều thành xoay chiều với tần số điều chỉnh, nhưng không thể điều chỉnh điện áp đầu ra Do đó, cần thêm bộ biến đổi xung điện áp một chiều giữa khối chỉnh lưu và nghịch lưu để điều chỉnh giá trị điện áp một chiều cấp cho nghịch lưu, từ đó thực hiện điều chỉnh hiệu dụng điện áp xoay chiều đầu ra U2.