Trang 1 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN ĐỨC TOẢN NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN CÔNG SUẤT, MOMEN XOẮN CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA ỨNG DỤNG TRÊN XE MÁY ĐIỆN NGÀNH: KỸ T
TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Hiện nay, trong thời đại của sự phát triển kinh tế bền vững, ô nhiễm môi trường là một vấn đề không thể tránh khỏi Tuy nhiên, mức độ ô nhiễm đang ngày càng gia tăng và gây tác động đáng kể đến chất lượng không khí Việc đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch, đặc biệt là than, xăng và dầu diesel là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến ô nhiễm, đồng thời đây cũng là nguồn gốc tạo ra bụi mịn (PM10, PM2.5),
CO2, NOx, … Những hợp chất này gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người, góp phần vào việc gây ra bệnh về đường hô hấp và tăng khả năng tử vong trên toàn cầu [1] Trong bối cảnh ý thức bảo vệ môi trường được đẩy mạnh, nguồn cung nhiên liệu hóa thạch đặc biệt là dầu mỏ đang dần cạn kiệt, nhiều quốc gia trên thế giới đang khuyến khích việc sử dụng các phương tiện giao thông thân thiện với môi trường để giảm thiểu lượng khí thải gây ô nhiễm Điều này được coi là một giải pháp thiết yếu để bảo vệ môi trường Các nước trên thế giới đã bắt đầu chuyển sang sử dụng công nghệ xe phát thải thấp (LEV) và Việt Nam cũng đang theo đuổi xu hướng này Các công nghệ LEV phổ biến nhất hiện nay bao gồm xe điện hybrid (HEV), xe điện chạy bằng pin (BEV) và xe điện pin nhiên liệu (FCEV) Với mục đích thay thế cho các xe sử dụng động cơ đốt trong thông thường (ICEV), giúp giảm thiểu lượng khí thải và ô nhiễm môi trường [2]
Bên cạnh đó, Việt Nam đang là một trong những quốc gia tiêu thụ xe máy nhiều nhất trên thế giới với doanh số bán hàng xe máy năm 2022 đạt 3,38 triệu chiếc [3] Theo Cục Đăng kiểm Việt Nam công bố, từ tháng 01/2022 đến tháng 9/2022 Việt Nam có 2.369.441 xe máy được sản xuất, lắp ráp mới [4] Xe máy trở thành phương tiện di chuyển chính ở Việt Nam chủ yếu vì đặc điểm địa hình với nhiều đường xá nhỏ hẹp, nhiều ngóc ngách, ngõ hẻm Tuy nhiên, xe máy cũng là nguồn gây ô nhiễm không
2 khí chính trong hệ thống phương tiện giao thông tại Việt Nam Điều này xuất phát từ việc các loại xe máy có tuổi đời lâu, không đáp ứng được tiêu chuẩn khí thải hiện tại
Do đó, việc thay thế hoặc cải tạo xe máy để sử dụng động cơ điện thay vì động cơ xăng là cần thiết và khả thi nhằm cải thiện môi trường sống cho con người tại Việt Nam trong tương lai
Ngoài ra, giá cả của xe máy điện trên thị trường Việt Nam vẫn đang khá cao và chưa thu hút được sự quan tâm của người dùng chủ yếu do việc phải nhập khẩu các linh kiện hoặc xe máy điện từ các nước khác Điều này dẫn đến tăng chi phí vận chuyển và nhân công lắp ráp Nhận thức được vấn đề này, tác giả đã lựa chọn sử dụng động cơ điện không đồng bộ 3 pha (TIM) để thay thế cho động cơ đốt trong truyền thống trên xe máy Lý do cho sự lựa chọn này là động cơ không đồng bộ 3 pha có hiệu suất tốt khi hoạt động ở trạng thái ổn định và tải định mức, điều này phù hợp với xe máy điện [5] Hơn nữa, động cơ này có thể được sản xuất và lắp ráp tại Việt Nam với chi phí thấp hơn so với việc nhập khẩu linh kiện hoặc xe máy điện từ các nước khác Điều này giúp giảm chi phí vận chuyển, nhân lực và tối ưu hóa quy trình sản xuất, lắp ráp, bảo dưỡng và sửa chữa xe máy điện
Vì những lý do trên, tác giả đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu cải thiện công suất và mô-men xoắn của động cơ điện không đồng bộ 3 pha áp dụng trong xe máy điện”, nhằm mục tiêu đề xuất một phương pháp nghịch lưu điện áp tối ưu hơn để nâng cao hiệu suất làm việc của động cơ điện không đồng bộ 3 pha Mục đích cuối cùng là ứng dụng vào xe máy điện để tối ưu hóa hoạt động, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tiết kiệm chi phí.
Tổng quan nghiên cứu đề tài trong và ngoài nước
Trong hơn nửa thập kỷ vừa qua, xe điện là một đề tài luôn luôn được các trường đại học, trung tâm công nghệ trong nước quan tâm đầu tư nghiên cứu Tuy nhiên, các đề tài đa phần tập trung vào nghiên cứu ô tô điện nói chung và công nghệ lưu trữ năng lượng trên ô tô điện nói riêng chẳng hạn như: Phân tích của Phạm Minh Mận [6] tập trung vào việc tối ưu các phương án cung cấp năng lượng cho xe điện trong khoảng
3 thời gian ngắn nhất và hiệu quả nhất, nhằm tiết kiệm năng lượng, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và đưa ra các giải pháp phù hợp trong quá trình cung cấp năng lượng cho xe điện Một nghiên cứu của Nguyễn Hữu Hiếu và Trịnh Trung Hiếu [7] đã sử dụng mạch chỉnh lưu cầu 3 pha bằng diode kết hợp với bộ chuyển đổi DC/DC có cấu trúc cầu đôi chủ động (DAB) để thiết kế một bộ sạc pin nhanh cho ô tô điện Dựa trên kết quả mô phỏng sử dụng phần mềm Matcad và MatLab – Simulink, bộ sạc này có hiệu suất xấp xỉ 90% và thời gian sạc đầy 80% dung lượng của pin trong khoảng 25 phút Phạm Quốc Thái [8] đã thiết kế và sản xuất một loại xe điện cá nhân nhỏ gọn, thân thiện với môi trường và có khả năng vận hành linh hoạt trong các khu vực chỉ dành cho người đi bộ như khuôn viên trường đại học và sân bay Kết quả thử nghiệm cho thấy xe có khả năng hoạt động ổn định với tốc độ tối đa lên đến 10 km/h và tải trọng lên đến 150 kg Hơn nữa, hệ thống an toàn được tích hợp để xác định vùng an toàn của người đi bộ xung quanh và cảnh báo cho người điều khiển xe Đinh Cao Trí [9,
10] đã thực hiện nghiên cứu về việc thiết kế và chế tạo mạch điều khiển TIM để áp dụng vào xe máy điện Mạch này dựa trên nguyên lý hoạt động của máy biến tần (VFD) và sử dụng vi điều khiển Atmega328P làm bộ xử lý trung tâm Điều chế độ rộng xung (PWM) được áp dụng để đóng ngắt điện áp một chiều (DC) để điện áp tổng thể ở đầu ra có dạng sóng hình sin, áp dụng để điều khiển động cơ 2 HP trong mô hình xe máy điện Kết quả của nghiên cứu trên băng thử ở phương pháp điều khiển hở, mạch điều khiển đã giúp xác định được đường đặc tính của động cơ ở các dải tần số khác nhau từ 5 Hz đến 65 Hz, khi khởi động mềm, cường độ dòng điện giảm 73,8% từ 9,2 A xuống còn 2,41 A Khi động cơ được điều khiển kín tại tần số danh định 50 Hz và tải 1,5 N.m trong khoảng 20 giây, tốc độ đạt 38% Khi thử nghiệm trên mô hình xe hai bánh, mạch hoạt động ổn định ở mức 60 o C và không tăng trong khoảng thời gian 15 phút ở điều kiện nhiệt độ môi trường Đối với phương pháp điều khiển hở, động cơ chỉ đạt được tốc độ đáp ứng 48% với tải cố định trong vòng 10 giây và không tăng nữa, khả năng đáp ứng được cải thiện đáng kể từ 48% lên đến 85% chỉ trong vòng 5 giây từ trạng thái nghỉ và đạt được 95% tốc độ mong muốn ở
2 giây tiếp theo Bên cạnh đó, Lê Thanh Phúc và Đinh Cao Trí [11] đã nghiên cứu
4 việc mô phỏng phương pháp SPWM để áp dụng vào điều khiển TIM và so sánh các đặc tính của động cơ khi sử dụng điện áp xoay chiều 3 pha tạo ra bằng phương pháp SPWM với tần số sóng mang 1 kHz và 20 kHz so với điện áp lưới Kết quả mô phỏng cho thấy động cơ hoạt động theo phương pháp SPWM có biên độ sóng hài cao hơn, độ gợn sóng lớn hơn và tỏa nhiệt nhiều hơn so với điện áp lưới do ảnh hưởng của sóng mang Các nghiên cứu về xe máy điện hiện vẫn còn ở giai đoạn sơ khai, đa phần hầu hết tập trung vào công nghệ lưu trữ và nạp năng lượng trên xe máy điện
Hiện nay, xe điện đang trở thành một xu hướng mới cho tương lai và nhận được sự quan tâm đặc biệt từ các nhà nghiên cứu lớn trong và ngoài nước Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ lưu trữ năng lượng hiện tại, việc sử dụng pin năng lượng đã giúp gia tăng số lượng xe điện trên thị trường Dựa trên mức độ tăng trưởng và sự phát triển hiện nay của xe điện, tác giả đã tổng quan các đề tài nghiên cứu về ứng dụng và điều khiển TIM trên xe điện
Nghiên cứu ứng dụng, điều khiển IM vào xe điện, Tazerart cùng cộng sự [12] đã nghiên cứu cung cấp một giải pháp thay thế bộ điều khiển mô hình tổn thất (LMC) bằng cách kết kết hợp bộ điều khiển cuối cùng này với sơ đồ điều khiển mô-men xoắn trực tiếp của IM ứng dụng trên xe điện, từ đó tối ưu hóa từ thông, tối đa hóa hiệu suất, tăng tuổi thọ của pin và ngăn chặn sự phóng điện của nó, đặc biệt là trong thời gian tăng tốc và giảm tốc Pal cùng cộng sự [13] đã nghiên cứu kỹ thuật điều khiển tốc độ không cảm biến cho xe điện sử dụng IM, sử dụng bộ điều khiển thích ứng tham chiếu mô hình (MRAC) với kỹ thuật tối ưu hóa năng lượng, thông lượng tổn thất của hệ thống truyền động được giảm thiểu Aouaouda cùng cộng sự [14] đã nghiên cứu thiết kế một bộ điều khiển khả năng chịu lỗi của cảm biến tốc độ (SSFTC) cho IM trong xe điện, mô hình phi tuyến của IM được biểu diễn bằng mô hình mờ Takagi-Sugeno (T-S) từ đó thiết kế bộ điều khiển sửa đổi trường hướng (MFOC), hiệu quả của bộ điều khiển này được chứng minh bằng mô phỏng số Iffouzar cùng cộng sự [15] đã nghiên cứu cải tiến trực tiếp trường rotor của IM 7 pha trong hệ thống xe điện hybrid
Sử dụng bộ điều khiển logic mờ để lọc các thành phần không tuần tự và cải thiện
5 năng lượng chất lượng, giảm thiểu các tổn thất và rò rỉ bên trong Pei [16] đã nghiên cứu ứng dụng mô hình Lagrangian của IM để xem xét tổn thất sắt đối với xe điện dựa trên mô hình toán học của nó trong một khung quay đồng bộ, sau đó mô phỏng và đưa ra hiệu quả của bộ điều khiển Yu cùng cộng sự [17] đã nghiên cứu phương pháp điều khiển theo dõi vị trí bề mặt động thời gian hữu hạn dựa trên mạng nơ-ron cho
IM có độ bão hòa đầu vào trong hệ thống truyền động xe điện, kết quả là hệ thống có tốc độ phản hồi nhanh hơn và hiệu quả theo dõi tốt hơn Aktas cùng cộng sự [18] đã tiến hành mô phỏng xe điện dựa trên m-file MatLab cho tất cả các thành phần của xe điện và thuật toán điều khiển nó, so sánh hiệu suất và hiệu suất năng lượng của IM dùng trong xe điện bằng cách áp dụng phương pháp điều khiển hướng trường gián tiếp (IFOC) và phương pháp điều khiển mô-men xoắn trực tiếp (DTC) với các bộ điều khiển tốc độ khác nhau (PI , Fuzzy logic và bộ điều khiển chế độ trượt) Cho thấy lợi thế của DTC so với IFOC và tính ưu việt của bộ điều khiển chế độ trượt từ đó đề xuất sử dụng bộ điều khiển chế độ trượt cho các ứng dụng trên xe điện
Nghiên cứu điều khiển TIM, Oliveira cùng cộng sự [19] đã nghiên cứu bộ điều khiển thích ứng tham chiếu mô hình cấu trúc biến gián tiếp (CIVS-MRAC) để điều khiển tốc độ của TIM Jamadar cùng cộng sự [20] đã nghiên cứu sử dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung hình sin SPWM bằng cách thay đổi số lượng xung trên nửa chu kỳ áp dụng tín hiệu ngắt của vi điều khiển PIC, kết quả của nghiên cứu này cho thấy khi tốc độ tăng lên thì hiệu suất tăng lên và nó đạt được giá trị tối đa ở 1.150 vòng/phút, khi số xung trên một nửa chu kỳ tăng lên thì hiệu suất cũng tăng lên Ưu điểm của hệ thống này là giúp làm giảm điện năng, cải thiện hiệu suất của TIM Ranjbar và Kholerdi [21] đã nghiên cứu sử dụng bộ nghịch lưu nguồn điện áp làm thiết bị truyền động để cung cấp điện áp 3 pha hình sin với tần số cần thiết theo cơ chế tỷ lệ không đổi V / f Tốc độ rotor của TIM hỗn loạn và sau đó tuân theo một tốc độ không đổi bằng cách sử dụng bộ điều khiển mờ Bouhoune cùng cộng sự [22] đã nghiên cứu kết hợp kỹ thuật trí tuệ nhân tạo (AI): Mạng nơ-ron nhân tạo và logic mờ bằng cách sử dụng chúng trong cùng một khối điều khiển áp dụng cho TIM được cung cấp bởi biến tần 3 pha, từ đó cải thiện thời gian phản hồi và nâng cao tính mạnh
6 mẽ của hệ thống, củng cố nguyên tắc điều khiển vector, tạo ra sự tách rời tốt giữa mô- men điện từ và từ thông rotor Guo cùng cộng sự [23] đã nghiên cứu phương pháp điều khiển trường hướng gián tiếp IFOC bộ nghịch lưu nguồn hiện tại (CSI) hiệu suất cao bao gồm một bộ quan sát từ thông rotor và hai bộ điều khiển PI được sử dụng để có được phản ứng động lực học của hệ thống, tần số dòng điện stator thu được bằng cách thêm tần số trượt vào tốc độ cơ học Goedtel cùng cộng sự [24], Castoldi cùng cộng sự [25] đã nghiên cứu điều khiển mô-men xoắn trực tiếp với điều chế vector không gian (DTC-SVM) của TIM, trong [24] hai thuật toán metaheuristic được xem xét: Giải thuật đàn kiến (ACO) và tối ưu tiến hóa vi phân (DE), các kỹ thuật này được xem xét để đạt được điều chỉnh tối ưu hóa bộ điều khiển PI trong các vòng điều khiển DTC-SVM, thuật toán ước tính của từ thông stator dựa trên các mô hình điện áp và dòng điện, cấu trúc bao gồm bốn vòng điều khiển: Tốc độ, mô-men xoắn, từ thông stator và ước lượng từ thông stator DTC-SVM được áp dụng cho TIM 0,74 kW, trong
[25] các vòng lặp từ thông và mô-men xoắn, PI được thiết kế dựa trên các phương pháp đáp ứng tần số về biên độ pha và tần số chéo 0 dB Đặc biệt đối với vòng lặp tốc độ, tiêu chí tối ưu đối xứng (SOC) được xem xét để điều chỉnh mức tăng PI dựa trên bộ thu cho vòng mô-men xoắn, thuật toán DTC-SVM đều được nhúng trong bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số (DSP) Ramasamy và Krishnasamy [26] đã nghiên cứu chiến lược điều khiển dựa trên điều chế độ rộng xung vector không gian SVPWM ứng dụng cho TIM cuộn dây hở biến tần kép năm cấp, hệ thống bao gồm 2 biến tần kẹp điểm trung tính (NPC) ba bậc, được cung cấp bởi hai nguồn điện một chiều cách ly, kết quả của nghiên cứu này giúp giảm độ phức tạp trong tính toán thời gian chuyển mạch, giảm tổng méo hài (THD) xuống còn 0,21% đối với điện áp đầu ra và 2,75% đối với dòng điện đầu ra, giảm thiểu điện áp chế độ chung (CMV) xuống 24,5 V (V dc /12 lần điện áp đầu vào)và giảm sự phức tạp trong tính toán thời gian chuyển mạch và nhận dạng vector tham chiếu.
Tính cấp thiết của đề tài
Từ những nghiên cứu trên, mặc dù đã có nhiều nghiên cứu khoa học và công nghệ về ứng dụng TIM vào xe ô tô điện, tuy nhiên các nghiên cứu về việc này đối với
7 xe máy điện vẫn còn khá khiêm tốn và đạt hiệu suất chưa cao Do vậy, việc “ nghiên cứu cải thiện công suất, mô-men xoắn của động cơ điện không đồng bộ 3 pha ứng dụng trên xe máy điện” là cần thiết để phát triển xe máy điện ở Việt Nam cũng như nhiều quốc gia khác trong tương lai gần Việc cải thiện công suất và mô-men xoắn của TIM để ứng dụng lên xe máy điện này sẽ có thể giúp xe máy điện có hiệu suất làm việc tốt hơn Từ đó trở nên phổ biến và thông dụng, giúp giảm thiểu một lượng khí thải đáng kể do xe máy thải ra và làm giảm ô nhiễm tiếng ồn, góp phần cải thiện chất lượng môi trường sống.
Mục tiêu đề tài
- Xây dựng mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu điện áp sử dụng phương pháp SVPWM trong việc tái tạo nguồn điện xoay chiều 3 pha cung cấp cho TIM dẫn động xe máy điện
- Thực hiện mô phỏng hệ thống trên phần mềm MatLab – Simulink
- Dựa vào kết quả mô phỏng, đánh giá hiệu suất và hiệu quả của phương pháp SVPWM với phương pháp SPWM trong việc nghịch lưu điện áp, từ đó đưa ra những đề xuất để cải thiện và tối ưu hóa hệ thống.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Động lực học xe gắn máy theo phương dọc
- Phương pháp nghịch lưu điện áp SVPWM, SPWM ứng dụng vào điều khiển TIM
- Tập trung vào việc nghiên cứu, mô hình hoá và mô phỏng hệ thống sử dụng phương pháp SVPWM nghịch lưu điện áp một chiều thành xoay chiều 3 pha cung cấp cho TIM ứng dụng lên xe máy điện và đánh giá tính hiệu quả của phương pháp này
Nội dung nghiên cứu
Luận văn này đã thực hiện các nội dung sau:
- Tổng quan các nghiên cứu liên quan đến ứng dụng TIM trên xe máy điện và các hướng phát triển, cải tiến mà các nhà nghiên cứu đã đề xuất
- Nghiên cứu về lý thuyết điều khiển TIM: Tìm hiểu về nguyên lý hoạt động, cấu trúc và đặc điểm của TIM
- Nghiên cứu về phương pháp SVPWM và SPWM: Xem xét cách thức hoạt động, công thức tính toán và thuật toán điều khiển của phương pháp SVPWM và phương pháp SPWM
- Xây dựng các mô hình toán học về động lực học xe gắn máy, TIM và bộ nghịch lưu điện áp sử dụng phương pháp SVPWM, SPWM
- Mô phỏng hệ thống trên phần mềm MatLab – Simulink, so sánh kết quả thu được từ việc ứng dụng phương pháp SVPWM với phương pháp SPWM
- Từ kết quả mô phỏng, đánh giá hiệu suất và hiệu quả của phương pháp SVPWM so với phương pháp SPWM trong việc nghịch lưu điện áp cung cấp cho TIM ứng dụng lên xe máy điện và đưa ra những đề xuất để cải thiện và tối ưu hóa hệ thống.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp tổng quan: Tác giả tìm kiếm các bài báo khoa học từ các nguồn uy tín như Google Scholar, Sciencedirect, Elsevier, Springer, IEEE, Tạp chí Khoa học và Công nghệ trong và ngoài nước để nghiên cứu đưa ra các hướng phát triển và cải tiến cho việc điều khiển TIM ứng dụng trên xe máy điện
- Phương pháp lý thuyết, tính toán: Tác giả nghiên cứu về động lực học của xe máy theo phương dọc, nguyên lý hoạt động của TIM và thuật toán ứng dụng phương pháp SVPWM, SPWM trong việc nghịch lưu điện áp Từ đó, thiết lập các phương trình toán học cần thiết để phục vụ việc mô phỏng hệ thống
- Phương pháp mô phỏng: Dựa vào cơ sở lý thuyết, tác giả sử dụng phần mềm
MatLab – Simulink để xây dựng các mô hình mô phỏng hệ thống và đánh giá
9 hiệu quả của việc sử dụng phương pháp SVPWM so với phương pháp SPWM trong việc nghịch lưu điện áp cung cấp cho TIM.
Kết quả dự kiến đạt được
- Thiết lập được các mô hình mô phỏng động lực học xe gắn máy theo phương dọc, TIM và bộ nghịch lưu điện áp sử dụng phương pháp SVPWM
- Đưa ra được tính hiệu quả của phương pháp SVPWM so với SPWM thông qua việc đánh giá kết quả mô phỏng trên phần mềm MatLab – Simulink.
Bố cục luận văn
Nội dung của luận văn này bao gồm các chương sau:
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết
- Chương 3: Thiết lập mô phỏng
- Chương 4: Kết quả mô phỏng
- Chương 5: Kết luận và kiến nghị
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Động lực học xe gắn máy theo phương dọc
Hình 2.1: Sơ đồ lực tác dụng lên xe máy khi chuyển động lên dốc
Khi xe chuyển động lên bề mặt dốc có độ dốc ( ) , các lực tác dụng lên xe bao gồm:
- Trọng lực là hút của trái đất tác dụng lên chiếc xe máy và người lái
Trong đó: m là khối lượng của người và xe, ( ) kg ;g là gia tốc trọng trường
- Khi di chuyển lên dốc với góc nghiêng , trọng lực sinh ra thành phần theo phương ngang F P , có hướng ngược với hướng chuyển động và có xu hướng cản trở chuyển động của xe
- Độ lớn thành phần trọng lực theo phương ngang ( ) F P :
- Lực cản lăn thực chất là lực ma sát giữa bánh xe và mặt đường khi bánh xe di chuyển, lực này sẽ thay đổi phụ thuộc vào độ bám dính của lốp xe, độ trơn trượt của bề mặt đường, áp lực lên mặt đường từ trọng lượng của xe, kích cỡ và áp suất của lốp, …
- Độ lớn lực cản lăn ( ) F w : w rr
Trong đó: C rr là hệ số cản lăn, đối với xe máy thông thường C rr 0,02 [28]
Lực cản của không khí ( ) F D [27]:
- Khi xe chuyển động với tốc độ cao trong không khí, có một lực được sinh ra do sự đối lập giữa chuyển động của xe và không khí quanh nó, lực này chính là lực cản của không khí và tỷ lệ thuận với bình phương tốc độ của xe
- Độ lớn lực cản của không khí ( ) F D :
Trong đó: là khối lượng riêng của không khí, =1,167(kg m/ 3 ) ở điều kiện tiêu chuẩn với áp suất khí quyển 987 ( mbar ) và nhiệt độ 20 ( ) o C ; C D là hệ số cản gió; A là diện tích bề mặt tiếp xúc với không khí, ( ) m 2 ; v là tốc độ của xe, ( m s / )
Phản lực pháp tuyến ( ) N : Lực này được sinh ra bởi sự tương tác giữa lốp xe và bề mặt đường và nó có xu hướng đẩy chiếc xe máy ra khỏi bề mặt tiếp xúc
Lực kéo của xe ( ) F T : Là lực được tạo ra bởi động cơ của xe máy, giúp xe máy đi về phía trước Khi di chuyển lên đường dốc, động cơ phải tạo ra nhiều lực kéo hơn để vượt qua các lực cản và duy trì tốc độ của xe máy Áp dụng định luật II Newton ta có:
Chiếu lên chiều dương như Hình 2.1 ta được:
Trong đó: alà gia tốc của xe, ( m s / 2 )
Dựa vào các phương trình (2.2), (2.3), (2.4), (2.6), (2.7) ta có phương trình động lực học của xe gắn máy theo phương dọc:
Thay v=x và a=x, phương trình động học của xe theo phương dọc được viết lại thành dạng phương trình vi phân cấp 2 như sau:
T rr mx=F −mg −C Ax −C mg (2.9)
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TIM
Cấu tạo của TIM bao gồm hai bộ phận chính là stator (phần tĩnh) và rotor (phần quay)
(a) Rotor lồng sóc (b) Rotor dây quấn
Stator: Là phần tĩnh của động cơ, bao gồm ba bộ phận chính là khung stator, lõi stator và dây quấn stator như Hình 2.3a
- Khung stator hay vỏ động cơ có chức năng hỗ trợ stator và bảo vệ các bộ phận bên trong khỏi các tác động cơ học
- Lõi stator được làm bằng các lá sắt mềm mỏng có độ dày thay đổi từ
0,3 mm −0,5 mm , dập rãnh bên trong như Hình 2.3b, được xếp chồng lên nhau ghép lại tạo thành các rãnh theo hướng trục và bắt vít với nhau để giảm thiểu hiện tượng trễ và tổn thất dòng điện xoáy
- Dây quấn stator là cuộn dây 3 pha, làm bằng dây đồng hoặc dây nhôm có tráng men cách điện, được đặt trên lõi stator, trong đó sáu đầu nối của cuộn dây được kết nối trong hộp đấu dây của động cơ Do đó, dây quấn stator có thể được nối theo kiểu sao hoặc tam giác
Rotor: Là phần quay của động cơ, có các rãnh làm mát, ở phía sau của nó được gắn vòng bi và quạt làm mát Có hai loại rotor là rotor lồng sóc (rotor ngắn mạch) và rotor dây quấn
- Rotor lồng sóc: Bao gồm một lõi hình trụ nhiều lớp, có các khe tròn nửa kín ở bên ngoài, các thanh dẫn bằng đồng hoặc nhôm được đặt vào các khe này và được nối tắt ở mỗi đầu bằng các vòng đồng hoặc nhôm như Hình 2.4 Chính vì vậy, cuộn dây rotor bị đoản mạch vĩnh viễn, không thể thêm trở kháng bên ngoài vào mạch rotor Các rãnh của rotor được làm lệch với trục để có được đủ mô-men, hoạt động trơn tru và giảm hiện tượng khóa từ của stator và rotor đồng thời làm tăng điện trở rotor do chiều dài rotor tăng lên
Hình 2.4: Cấu tạo rotor lồng sóc [29]
- Rotor dây quấn: Bao gồm các lá sắt như trong stator, một số khe nửa kín được đục lỗ bên ngoài, một cuộn dây cách điện 3 pha được đặt trong các khe này Rotor được quấn cho cùng số cực như stator, cuộn dây của rotor được kết nối theo kiểu sao và ba đầu còn lại được kết nối với vòng trượt, các rãnh của rotor dây quấn cũng được làm giống rotor lồng sóc như Hình 2.5 Khác với rotor lồng sóc, trở kháng bên ngoài có thể được thêm vào mạch rotor dây quấn Cuối cùng một trục được cố định vào rotor để chuyển động cơ học
Hình 2.5: Cấu tạo rotor dây quấn [29]
Khi đặt điện áp xoay chiều 3 pha vào các cuộn dây stator aa' bb' cc', , được đặt lệch nhau 120 o điện trong không gian như Hình 2.6, lúc này dòng điện 3 pha sẽ chạy trong các cuộn dây này và sinh ra từ trường quay trong khe hở không khí (khe hở từ) Để đơn giản hóa, chúng ta chỉ xem xét một sóng lực từ động (mmf) được tạo ra bởi một dòng điện chạy qua một cuộn dây pha
Hình 2.6: Cuộn dây stator và kiểu kết nối [30]
Hình 2.7: Chiều dòng điện và phân bố mmf pha a [30]
Hình 2.7 minh hoạ cho sự phân bố của mmf pha a ( ) F as , dấu đại diện cho chiều dòng điện đi vào (chiều dương) và dấu đại diện cho chiều dòng điện đi ra Khi dòng điện chạy trong cuộn dây pha a sẽ tạo ra một mmf F as phân bố theo hình sóng sin và có tâm nằm trên trục của cuộn dây đại diện cho cuộn dây pha a F as dao động dọc theo trục pha a và có biên độ và hướng phụ thuộc vào giá trị tức thời của dòng điện chạy qua cuộn dây pha a Tương tự, các cuộn dây pha b và c sẽ tạo ra các sóng mmf hình sin riêng ( F F bs , cs ), dao động dọc theo trục của chúng theo dòng điện tương ứng như trong Hình 2.8
Hình 2.8: Dao động và phân bố mmf [30]
Nếu các cuộn dây này đặt lệch nhau 120 o điện trong không gian và được cung cấp bởi dòng điện hình sin xoay chiều 3 pha đối xứng, thì tổng vector của ba mmf của
16 các cuộn dây này trở thành một vector mmf F quay đơn trong khe hở không khí Đây được gọi là từ trường quay và tốc độ di chuyển của nó tỷ lệ thuận với tần số của dòng điện Các dòng điện tức thời này được biểu diễn như Hình 2.9 và được xác định bởi các phương trình:
( ) cos cos 120 cos 120 as sm s o bs sm s o cs sm s i I t i I t i I t
Mối liên hệ giữa tốc độ góc ( ) s và tần số của dòng điện ( ) f s được thể hiện thông qua công thức: s 2 f s
Hình 2.9: Dòng điện 3 pha đối xứng trong một chu kỳ [30]
Tóm lại, mỗi sóng mmf F F F as , bs , cs có thể biểu diễn như một vector trong không gian dọc theo trục pha tương ứng và có độ lớn tỷ lệ với giá trị dòng tại thời điểm đó Sóng mmf tổng hợp F được tính toán dựa trên các sóng mmf thành phần bằng phương pháp đồ thị hoặc phương pháp phân tích
Xét tại thời điểm t=t 0 , giá trị của dòng điện trong các cuộn dây pha là:
/ 2 / 2 as sm bs sm cs sm i I i I i I
(2.12) Khi dòng điện qua pha a cực đại thì mmf của pha a cực đại, nghĩa là F as =F max theo chiều dương của trục pha a Các mmf của pha b c, có độ lớn là F max / 2 và hướng
17 theo chiều dương của mỗi trục Dựa vào mối quan hệ giữa các vector mmf 3 pha ta có tổng của ba vector là một vector F tác dụng theo chiều dương dọc theo trục pha a như Hình 2.10 và có độ lớn là:
Hình 2.10: Chiều dòng điện, độ lớn và hướng của sóng mmf tại t= =t 0 t 4 [29] Các sóng mmf thành phần và sóng mmf tổng hợp tại thời điểm này ( t=t 0 ) được thể hiện như trong Hình 2.10 Xét tại thời điểm t =t 1 , giá trị của dòng điện và mmf trong các cuộn dây pha là:
3 / 2, 3 / 2 as as bs sm bs max cs sm cs max i F i I F F i I F F
Chiều dòng điện, độ lớn và hướng của sóng mmf tổng hợp tại thời các thời điểm
0 4, 1, 2 t= =t t t=t t=t và t=t 3 được mô tả tương ứng như Hình 2.11 Độ lớn của mmf tổng hợp có cùng biên độ 3F max / 2 như tại t=t 0 nhưng nó cách nhau 90 o điện trường trong không gian theo hướng ngược chiều kim đồng hồ Rõ ràng là khi thời gian trôi qua, sóng mmf tổng hợp có biên độ không đổi và vẫn giữ nguyên sự phân bố hình sin trong không gian nhưng di chuyển xung quanh khe hở không khí Có thể thay đổi hướng quay của mmf bằng cách đảo trình tự pha của dòng điện
Hình 2.11: Chuyển động của mmf tổng hợp trên mỗi chu kỳ dòng điện [30]
Ta thấy, trong một chu kỳ của dòng điện biến thiên, sóng mmf tổng hợp quay lại vị trí như trong Hình 2.10 Do đó, mmf tạo ra một cực từ bắc và một cực từ nam, tức là số lượng cực từ là hai Mmf tổng hợp quay thực hiện quay một vòng tròn cơ học trên mỗi chu kỳ hoàn chỉnh của dòng điện biến thiên trong một động cơ hai cực Trong một động cơ có số cặp cực ( )p , một chu kỳ của dòng điện biến thiên sẽ làm cho sóng mmf quay 2 / p vòng Tốc độ quay đồng bộ của từ trường stator ( ) n s được được xác định bởi công thức:
Trong đó: f s là tần số dòng điện, ( ) Hz ;p là số cặp cực trên stator, (cặp)
Động lực học của TIM trong hệ tọa độ d-q
2.3.1 Chuyển đổi tọa độ Để làm cho quá trình tính toán và mô phỏng trở nên dễ dàng hơn, TIM có thể được biểu diễn dưới dạng động cơ 2 pha tương đương Xét một TIM đối xứng với các trục a b c− − cố định và đặt lệch nhau một góc 120 o , chúng ta có thể chuyển đổi các biến trong hệ tọa độ cố định 3 pha a b c− − thành các biến trong hệ tọa độ cố định
2 pha d s −q s và sau đó chuyển chúng sang hệ tọa độ quay đồng bộ 2 pha d e −q e và ngược lại [33]
Hình 2.15: Chuyển đổi hệ tọa độ từ a b c− − sang d s −q s Giả sử các trục d s −q s được định hướng theo góc như trong Hình 2.15, chúng ta có thể chuyển đổi các giá trị điện áp trong hệ tọa độ cố định a b c− − sang hệ tọa độ cố định d s −q s thông qua hệ phương trình:
( ) ( ) cos sin cos 120 sin 120 cos 120 sin 120 a s o o qs b s o o ds c v v v v v
Mối quan hệ ngược lại có thể được biểu diễn bằng hệ phương trình:
Hình 2.16 thể hiện hệ tọa độ quay đồng bộ d e −q e với tốc độ góc đồng bộ ( ) e so với hệ tọa độ cố định d s −q s với góc quay e = e t Cuộn dây 2 pha d s −q s được chuyển đổi thành cuộn dây giả định được gắn trên trục d e −q e
Hình 2.16: Chuyển đổi hệ tọa độ từ d s −q s sang d e −q e Giá trị điện áp trong hệ tọa độ cố định d s −q s có thể chuyển đổi sang hệ tọa độ quay đồng bộ d e −q e thông qua hệ phương trình:
( ) ( ) cos sin sin cos s qs e e qs s e e ds ds v v v v
Mối quan hệ ngược lại có thể được biểu diễn bằng hệ phương trình:
( ) ( ) cos sin sin cos s qs qs e e s e e ds ds v v v v
Các thông số khác như cường độ dòng điện ( ) i và từ thông ( ) có thể được chuyển đổi bằng các phương trình tương tự
Mô hình động lực học TIM được xây dựng bằng cách coi động cơ tương đương như một biến áp, trong đó stator tương đương cuộn sơ cấp và rotor tương đương cuộn thứ cấp Tuy nhiên, thực tế là rotor và stator không được kết nối trực tiếp điện với nhau mà chỉ tương tác từ Thông số của mạch điện rotor có thể được chuyển đổi ngược lại trên mạch stator thông qua hệ số trượt của rotor Rotor quay chậm hơn từ trường xoay đồng bộ của nguồn cấp trên IM Việc chuyển đổi này cho phép thiết lập
24 mô hình TIM trong một mạch điện duy nhất, giúp tính toán các thông số dễ dàng hơn Để bỏ qua các yếu tố xoay chiều hình sin, việc tính toán các thông số như điện áp, dòng điện và từ thông được thực hiện trên góc nhìn của hệ tọa độ quay đồng bộ với tốc độ góc e , mạch điện lúc này được coi là mạch điện một chiều Các thông số như điện áp, dòng điện và từ thông một chiều sẽ được tính toán và có thể chuyển đổi ngược lại và xem xét dưới dạng xoay chiều Khi nguồn điện được cấp vào stator, nó thực hiện nhiều công việc Đầu tiên, nó làm giảm điện áp trên điện trở trong stator
( ) R s Thứ hai, nó tạo ra một sức điện động tự cảm do tính chất cuộn dây của stator dưới tác dụng của từ thông biến thiên Ngoài ra, phần còn lại của năng lượng nguồn được tạo ra từ thông, bao gồm từ thông mất mát qua lõi sắt từ ( ) L ls và từ thông có ích để từ hóa lõi sắt của rotor ( ) L m Dưới tác động của từ thông trên stator, rotor sẽ tạo ra một điện áp trên cuộn dây của mình Điều này dẫn đến sự xuất hiện của một dòng điện trong các cuộn dây rotor, dẫn đến tiêu tốn trên điện trở trong rotor ( ) R r , từ thông mất mát ( ) L lr và từ thông có ích ( ) L m Nếu các cuộn dây trên rotor được hở mạch, chúng ta sẽ đo được một điện áp rotor ( ) v r ở hai đầu dây
Phương trình động lực học ở stator: qs s qs qs e ds ds s ds ds e qs v R i v R i
Phương trình động lực học ở rotor:
( ) qr r qr qr e r dr dr r dr dr e r qr v R i v R i
Khi rotor di chuyển với tốc độ góc điện ( ) r thì hệ tọa độ cố định d s −q s trên rotor sẽ di chuyển với tốc độ góc ( e − r ) so với hệ trục tọa độ quay đồng bộ Ngoài ra, đối với TIM rotor lồng sóc thì hai đầu dây rotor được nối ngắn mạch nên v r =0, xét trên từng trục trong hệ tọa độ d q− thì v qr =0,v qr =0 Hình 2.17 và Hình 2.18 biểu diễn sơ đồ mạch điện thỏa mãn các phương trình động lực học của stator và rotor
Hình 2.17: Sơ đồ mạch điện TIM theo phương trục q e
Hình 2.18: Sơ đồ mạch điện TIM theo phương trục d e
Mối quan hệ giữa từ thông và dòng điện được thể hiện qua các phương trình:
( ) qs ls qs m qs qr qr lr qr m qs qr
( ) ds ls ds m ds dr dr lr dr m ds dr
Trong đó, lượng điện cảm mất mát trên stator và rotor lần lượt là: ls s m
Mối quan hệ giữa từ thông và dòng điện được viết lại theo các hệ phương trình: qs s m qs m r qr qr
Mối quan hệ ngược lại có thể được biểu diễn bằng các hệ phương trình:
Mô-men động cơ được sinh ra để thắng ma sát bên trong động cơ, mô-men tải và tăng tốc độ động cơ [33] và được tính bằng một trong ba công thức sau:
Phương trình thành phần cơ khí được mô tả như sau: e L m m
Trong đó: T e là mô-men sinh ra bởi động cơ, ( N m ) ; T L là mô-men tải, ( N m ) ; J: là mô-men quán tính, ( kg m 2 ) ; m là tốc độ góc của rotor, ( rad s/ ); D là hệ số ma sát dính, ( N m s / )
Mối liên hệ giữa tốc độ góc của rotor ( ) m và tốc độ góc điện ( ) r được thể hiện qua công thức: r m p
Nghịch lưu điện áp
2.4.1 Không gian vector của nguồn điện 3 pha
Cho nguồn điện 3 pha, mỗi pha a b c, , được mô tả bằng phương trình tương ứng:
27 Đồ thị một chu kỳ điện áp được thể hiện như Hình 2.19 Chúng ta có thể mô tả điện áp của nguồn điện 1 pha bằng một vector nằm trên một trục cố định nhưng có độ lớn và chiều thay đổi, các trục điện áp này đặt lệch nhau 120 o điện Tại thời điểm t o , giá trị điện áp của các pha tương ứng là:
Hình 2.20: Biểu diễn vector của điện áp 3 pha tại thời điểm t o
Hình 2.21: Không gian vector của nguồn điện 3 pha
Giá trị điện áp của mỗi pha được biểu diễn bằng một điểm là đỉnh của vector có gốc
O Vector tổng 3 pha điện áp nguồn có thể được tính toán bằng cách cộng các vector điện áp của 3 pha Hình 2.21 mô tả vector tổng 3 pha điện áp nguồn khi các giá trị góc tăng từ 0 o đến 360 o Qua hình ảnh, chúng ta có thể nhận thấy rằng khi góc tăng dần, vector điện áp xoay ngược chiều với chiều kim đồng hồ Như vậy, chỉ cần sử
28 dụng một vector duy nhất, chúng ta có thể biểu diễn điện áp nguồn 3 pha Nói cách khác, từ một vector tổng, ta có thể suy ra điện áp của từng pha trên các trục phân cách nhau 120 o như được minh họa trong Hình 2.20
2.4.2 Bộ nghịch lưu điện áp 3 pha 6 bước
Trên các xe điện hiện nay, thường sử dụng pin lithium-ion để cung cấp năng lượng cho động cơ Tuy nhiên, điều cần lưu ý là nguồn điện này chỉ là nguồn điện một chiều Do đó, để biến đổi nguồn điện này này thành nguồn điện xoay chiều 3 pha với tần số và điện áp cần thiết để vận hành động cơ, ta cần sử dụng bộ nghịch lưu điện áp 3 pha Thiết bị này được thiết kế để chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều thông qua quá trình chuyển mạch cưỡng bức Quá trình này thường sử dụng các linh kiện bán dẫn như IGBT, MOSFET, SCR, Diode, tụ điện và nhiều linh kiện khác Hình 2.22, ta có thể thấy sơ đồ cơ bản của bộ nghịch lưu điện áp được sử dụng để điều khiển TIM Bộ mạch này sử dụng 6 khóa bán dẫn (IGBT/Diode) để thực hiện quá trình điều khiển cưỡng bức
Hình 2.22: Sơ đồ cơ bản bộ nghịch lưu điện áp 3 pha
Mỗi pha của bộ nghịch lưu điện áp được cấp điện thông qua một khóa tại phía cao (high side) và một khóa tại phía thấp (low side) Nguyên tắc hoạt động của bộ mạch này là chỉ có một khóa được kích hoạt tại một thời điểm Nếu khóa ở phía cao được kích hoạt, thì khóa ở phía dưới sẽ được ngắt và ngược lại Điều này đảm bảo rằng dòng điện không bị phóng ngắn mạch qua hai cực của nguồn điện Để tạo ra từ trường xoay chuyển động trên các cuộn dây của động cơ 3 pha giống như nguồn điện xoay chiều 3 pha, ta cần điều khiển các khóa bán dẫn theo thứ tự như Bảng 2.1, trong đó giá trị 1 tượng trưng cho khóa đóng, còn giá trị 0 thể hiện cho khóa ngắt
Bảng 2.1: Trạng thái các khóa bán dẫn trong bộ nghịch lưu 6 bước
Trạng thái của khóa ở pha a b, và c lần lượt được ký hiệu là S S a , b và S c Khi giá trị của S=1 khóa ở phía cao được đóng, còn khi S=0 khóa ở phía thấp được đóng Bảng trạng thái các khóa có thể được viết gọn lại như Bảng 2.2
Bảng 2.2: Trạng thái các khoá bán dẫn ở các pha a b c, ,
Khi khóa ở phía cao được đóng, điện áp cực V dc / 2 sẽ được đặt vào một đầu cuộn dây của động cơ, trong khi khóa ở phía thấp được đóng, điện áp −V dc / 2 sẽ được đặt vào đầu cuộn dây
Công thức tính điện áp dây là: ab an bn bc bn cn ca cn an v v v v v v v v v
Công thức tính điện áp pha là:
3 1 3 as ab ca bs bc ab cs ca bc v v v v v v v v v
Trong đó: , ,v v v an bn cn là điện áp nguồn điện, v v v ab , bc , ca là điện áp dây mỗi pha, v v v as , bs , cs là điện áp pha
Dựa trên bảng trạng thái các khóa bán dẫn ở Bảng 2.2 và công thức tính điện áp (2.43) và (2.44), ta có thể tính toán được điện áp cực và điện áp pha ứng với từng trạng thái của các khóa bán dẫn như Bảng 2.3
Bảng 2.3: Trạng thái và điện áp của bộ nghịch lưu 6 bước
S a S b S c v an v bn v cn v ab v bc v ca v as v bs v cs
Bộ nghịch lưu 6 bước được biểu diễn bởi 6 giá trị điện áp, mỗi giá trị tương ứng với một vector Các vector này là tổng của ba vector điện áp 3 pha, với giá trị của từng vector được cho trong Bảng 2.3 Bằng cách nối các đỉnh của các vector, ta được một hình lục giác Hình lục giác này được chia thành 6 khu vực (sector) được đánh số như trong Hình 2.23
Hình 2.23: Vector điện áp của bộ nghịch lưu 6 bước
Phương pháp SVPWM được dựa trên 6 vector điện áp bộ nghịch lưu 6 bước Ý tưởng của phương pháp này là điều chế vector điện áp tương tự như vector điện áp nguồn cấp xoay chiều 3 pha, nhằm dẫn động TIM
Hình 2.24: Phân tích điện áp điều chế V s trong sector 1 Để điều chế điện áp V s thuộc sector 1, chúng ta phân tích thành phần của vector này thành hai vector V A nằm trên trục V 1 và V B nằm trên trục V 2 Để duy trì điện áp V s trong khoảng thời gian T s thì chúng ta sẽ duy trì giá trị điện áp V 1 trong khoảng thời gian T A và V 2 trong khoảng thời gian T B Điều này được thực hiện sao cho giá trị điện áp trong x giây hay còn gọi là điện áp xung ( ) Vs có giá trị như nhau
Xét trong sector 1 như Hình 2.24 ta có:
V dt V dt V dt V dt V dt
Chiếu lên hệ trục tọa độ d s −q s ta có:
Giải phương trình (2.58) ta được:
Thay T B vào phương trình (2.57) ta được:
Ngoài ra ta có V 1 =V 2 =2V dc / 3, vậy nên các phương trình (2.49) và (2.50) có thể viết lại như sau:
Bảng 2.4: Phân tích vector điện áp điều chế V s ở các sector
Vector điện áp điều chế V s ở các sector còn lại cũng được phân tích tương tự sector
1 Dựa vào các phân tích ở Bảng 2.4, việc tính toán thời gian T T A , B ở các sector sẽ được dựa trên các phương trình tổng quát:
Trong đó: s là vị trí của sector, s=1, 2,3, 4,5, 6
Khi vector V s thuộc một sector bất kỳ, thời gian dẫn của các khóa bán dẫn sẽ phụ thuộc vào hai vector tạo nên sector đó Thời gian dẫn của các khóa bán dẫn được tổng hợp trong Bảng 2.5
Bảng 2.5: Thời gian dẫn của các khóa bán dẫn
Giới thiệu về MatLab và Simulink
MatLab và Simulink là hai chương trình phần mềm được sử dụng rộng rãi trong tính toán khoa học và kỹ thuật Chúng được phát triển và duy trì bởi MathWorks, nhà phát triển phần mềm hàng đầu cho máy tính kỹ thuật và thiết kế dựa trên mô hình
MatLab (Matrix Laboratory) là một phần mềm tính toán số cho phép người dùng thực hiện một loạt các hoạt động toán học, chẳng hạn như giải phương trình đại số, thực hiện phép tính ma trận, thực hiện tính toán số, vẽ đồ thị và phân tích dữ liệu Nó hỗ trợ nhiều định dạng tệp và cung cấp các công cụ để nhập và xuất dữ liệu từ các ứng dụng khác MatLab cũng cung cấp một bộ công cụ toàn diện để lập trình và phát triển
34 ứng dụng, bao gồm hỗ trợ cho các ngôn ngữ lập trình khác nhau như C, C++, Java,
Simulink là một phần mềm mô hình hóa và mô phỏng cho phép người dùng thiết kế và mô phỏng các hệ thống động Nó cung cấp một giao diện đồ họa để xây dựng các mô hình hệ thống trực quan, thường được biểu diễn bằng các khối và liên kết chúng lại với nhau để tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh Simulink bao gồm một thư viện toàn diện gồm các khối dựng sẵn có thể được sử dụng để mô hình hóa nhiều loại hệ thống, bao gồm hệ thống điện tử, cơ khí, điều khiển và đa ngành Simulink cũng cung cấp các công cụ mô phỏng và phân tích hệ thống thông qua các chức năng như phân tích tín hiệu, tối ưu hóa và kiểm tra tự động
MatLab và Simulink cung cấp một môi trường mạnh mẽ để giải quyết các vấn đề kỹ thuật phức tạp Chúng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm khoa học, kỹ thuật, công nghệ, tài chính và y học Một số ứng dụng cụ thể của MatLab và
- Xử lý hình ảnh và tín hiệu: MatLab thường được sử dụng để xử lý và phân tích các hình ảnh và tín hiệu kỹ thuật số, chẳng hạn như trong hình ảnh y tế, hình ảnh vệ tinh và xử lý tín hiệu radar
- Phân tích và trực quan hóa dữ liệu: MatLab thường được sử dụng để phân tích và trực quan hóa các tập dữ liệu lớn, chẳng hạn như tài chính và nghiên cứu khoa học
- Các hệ thống điều khiển: Simulink thường được sử dụng để thiết kế và mô phỏng các hệ thống điều khiển, chẳng hạn như trong ngành hàng không vũ trụ và ô tô
- Mô hình hóa vật lý: Simulink thường được sử dụng để mô hình hóa và mô phỏng các hệ thống vật lý, chẳng hạn như trong người máy và hệ thống điện
MatLab và Simulink được sử dụng rộng rãi trong môi trường học thuật và nghiên cứu, cũng như trong công nghiệp Chúng được coi là những công cụ cần thiết cho nhiều ứng dụng khoa học và kỹ thuật, đồng thời mức độ phổ biến của chúng tiếp tục tăng lên do tính dễ sử dụng, tính linh hoạt và khả năng mạnh mẽ của chúng
THIẾT LẬP MÔ PHỎNG
Mô hình mô phỏng động lực học xe gắn máy
Trong trường hợp xe máy đang chuyển động trên đường có độ dốc ( ) và dưới tác dụng của lực kéo ( ) F T , phương trình (2.9) mô tả động lực học theo phương dọc của xe gắn máy có thể viết lại thành:
Tác giả sử dụng phương trình (3.1) kết hợp với các hàm và khối có sẵn trong thư viện Simulink để thiết lập mô hình mô phỏng động lực học theo phương dọc của xe máy, mô hình này được thể hiện như trong Hình 3.1
Hình 3.1: Mô hình tính toán động lực học xe gắn máy
Trong mô hình này, các lực thành phần tác động lên xe được tính toán bằng cách sử dụng các khối có sẵn trong thư viện Sau khi được tính toán xong, các lực này được chia cho khối lượng của xe ( )m để tính toán gia tốc của xe ( )a Vận tốc ( )v được tính toán từ gia tốc ( ) a của thông qua phương trình (3.2) bằng cách sử dụng một khối tích phân 1/s Sau đó, vận tốc này cũng được sử dụng để tính quãng đường ( )x thông qua phương trình (3.3) bằng cách sử dụng thêm một khối tích phân 1/s Ngoài ra, vận tốc này cũng được đưa ngược trở lại để tính toán lực cản của không khí ( ) F D thông qua phương trình (2.4) v= xdt (3.2) x= vdt (3.3)
Ngoài ra, mối quan hệ giữa lực kéo ( ) F T và mô-men của động cơ dẫn động ( ) T e được thể hiện qua công thức: e T
Trong đó: n là tỷ số truyền của hệ thống truyền lực từ động cơ đến bánh xe; T e là mô-men của động cơ dẫn động, ( N m ); r là bán kính hiệu dụng của bán xe, ( ) m
Từ phương trình (3.1) và (3.4), phương trình mô tả động lực học theo phương dọc của xe gắn máy có thể viết lại thành:
D rr x nT mg C Ax C mg m r
Như vậy, trong một khoảng thời gian nhất định với thiết lập đầu vào là độ dốc ( ) và mô-men ( ) T e của động cơ cung cấp, mô hình sẽ tính toán được các thông số đầu ra là gia tốc ( ) a , vận tốc ( ) v và quãng đường ( ) x tương ứng như Hình 3.2
Hình 3.2: Thiết lập đầu vào, đầu ra động lực học xe máy.
Mô hình mô phỏng TIM
3.2.1 Mô hình chuyển đổi điện áp từ hệ tọa độ a-b-c sang d-q
Từ hệ phương trình (2.23) và (2.24) được trình bày trong mục 2.3.1, các phương trình chuyển đổi điện áp có thể được viết lại như sau:
Trong hệ tọa độ cố định d s −q s :
Trong hệ tọa độ quay đồng bộ d e −q e :
( ) ( ) cos sin sin cos s s qs qs e ds e s s ds qs e ds e v v v v v v
Dựa vào các phương trình chuyển đổi điện áp trên và các khối có sẵn trong thư viện Simulink, giá trị điện áp trong hệ tọa độ cố định d s −q s và hệ tọa độ quay đồng bộ s s d −q được tính toán thông qua mô hình được thể hiện trong Hình 3.3 và Hình 3.4
Hình 3.3: Mô hình chuyển đổi điện áp trong hệ tọa độ d s −q s
Hình 3.4: Mô hình chuyển đổi điện áp trong hệ tọa độ d e −q e
Như vậy, với đầu vào là giá trị điện áp xoay chiều 3 pha ( v v v a , , b c ) được cung cấp từ lưới điện hoặc do bộ điều khiển tạo ra và tốc độ góc đồng bộ ( ) e Thông qua các tính toán trên tác giả thu được giá trị điện áp đầu ra của stator ( v v qs , ds ) trong hệ tọa độ quay đồng bộ d e −q e Sơ đồ thiết lập đầu vào, ra được mô tả như trong Hình 3.5
Hình 3.5: Thiết lập đầu vào, đầu ra chuyển đổi điện áp stator
Các giá trị điện áp đầu ra ở stator ( v v qs , ds ) trong hệ tọa độ quay đồng bộ d e −q e tiếp tục được sử dụng để tính toán từ thông trên stator và được tác giả trình bày trong phần tiếp theo
3.2.2 Mô hình tính toán từ thông và dòng điện Để thuận tiện trong quá trình tính toán từ thông stator, phương trình động lực học ở stator (2.26) có thể viết lại lần lượt thành phương trình vi phân cấp 1: qs qs s qs e ds ds ds s ds e qs v R i v R i
Từ thông được tìm thấy bằng cách giải phương trình vi phân cấp một theo thời gian bằng cách sử dụng khối tích phân 1/s như được thể hiện trong Hình 3.6
Hình 3.6: Mô hình tính toán từ thông stator
Trong mô hình này, các thông số đầu vào là điện áp và dòng điện của stator trong hệ tọa độ quay đồng bộ d e −q e Từ thông đầu ra trên trục d sẽ được đưa trở lại để tính toán từ thông trên trục q và ngược lại Mô hình tính toán từ thông tại rotor được thiết lập tương tự như tại stator, ngoài các thông số đầu vào như điện áp và dòng điện của rotor thì còn có thêm tốc độ góc điện ( ) r như trong Hình 3.7 Để thiết lập mô hình tính toán này, phương trình động lực học ở rotor (2.27) cũng được viết lại lần lượt như sau:
( ) qr qr r qr e r dr dr dr r dr e r qr v R i v R i
Hình 3.7: Mô hình tính toán từ thông rotor
Từ thông đầu ra tiếp tục được sử dụng để tính toán dòng điện thông qua mối liên hệ qua lại giữa hai đại lượng này được thể hiện trong phương trình (2.32) đến (2.35) và được thiết lập như Hình 3.8
Hình 3.8: Mô hình tính toán dòng điện stator và rotor
Hình 3.9: Thiết lập đầu vào, đầu ra tính toán từ thông và dòng điện
Dòng điện stator và rotor đầu ra ngoài việc được đưa ngược trở lại để tính toán từ thông như Hình 3.9 còn được sử dụng để tính toán mô-men động cơ và chuyển đổi, xem xét dưới dạng xoay chiều trong hệ tọa độ a b c− −
3.2.3 Mô hình tính toán mô-men và tốc độ góc của động cơ
Mô hình tính toán mô-men của động cơ tạo ra được thiết lập bằng cách sử dụng kết quả tính toán dòng điện stator và rotor đã được trình bày trước đó và dựa trên phương trình (2.37), được thể hiện cụ thể trong phần phía trên của Hình 3.10
Hình 3.10: Mô hình tính toán mô-men và tôc độ góc của động cơ
Dựa vào phương trình (2.39), phương trình vi phân tính toán m được viết lại:
Như vậy, mô-men động cơ sinh ra được sử dụng làm đầu vào để tính tốc độ góc của rotor thông qua phương trình vi phân (3.10) bằng cách sử dụng khối tích phân 1/s Ngoài ra, tốc độ góc điện cũng được tính toán dựa trên phương trình (2.39), tốc độ góc này sẽ được đưa ngược trở lại làm thông số đầu vào của mô hình tính toán từ thông rotor Toàn bộ các thiết lập này được thể hiện trong phần dưới của Hình 3.10
3.2.4 Mô hình chuyển đổi dòng điện từ hệ tọa độ d-q sang a-b-c Để có được các thông số dòng điện của stator trong hệ tọa độ cố định a b c− − , đầu tiên chúng ta cần thực hiện chuyển đổi dòng điện từ hệ trục tọa độ quay đồng bộ e e d −q sang hệ tọa độ cố định d s −q s bằng cách sử dụng phép biến đổi tương tự hệ phương trình (2.25), mô hình biến đổi được thể hiện như trong Hình 3.11
Phương trình chuyển đổi dòng điện stator từ d e −q e sang d s −q s :
( ) ( ) cos sin cos sin s qs qs e ds e s ds ds e qs e i i i i i i
Hình 3.11: Mô hình chuyển đổi dòng điện stator từ d e −q e sang d s −q s Tiếp theo chúng ta cần chuyển đổi dòng điện từ hệ tọa độ d s −q s sang hệ tọa độ cố định a b c− − Phép biến đổi này được thực hiện dựa trên hệ phương trình biến đổi điện áp (2.22), mô hình biến đổi được thể hiện như trong Hình 3.12
Phương trình chuyển đổi dòng điện stator từ d s −q s sang a b c− − :
( ) ( ) cos sin cos 120 sin 120 cos 120 sin 120 s s as qs ds s o s o bs qs ds s o s o cs qs ds i i i i i i i i i
Hình 3.12: Mô hình chuyển đổi dòng điện stator từ d s −q s sang a b c− − Tương tự như trên stator, các hệ phương trình và mô hình biến đổi cho rotor cũng được biến đổi tương tự Tuy nhiên, như đã được trình bày trong mục 2.3.2, hệ tọa độ cố định d s −q s trên rotor sẽ di chuyển với tốc độ góc ( e − r ) vì vậy phương trình chuyển đổi dòng điện trong rotor có sự khác biệt so với stator ở góc quay, các phương trình này lần lượt được trình bày như sau
Phương trình chuyển đổi dòng điện rotor từ d e −q e sang d s −q s :
( ) ( ) cos sin cos sin s qr qr e r dr e r s dr dr e r qr e r i i i i i i
Phương trình chuyển đổi dòng điện rotor từ d s −q s sang a b c− − :
( ) ( ) cos sin cos 120 sin 120 cos 120 sin 120 s s ar qr dr s o s o br qr dr s o s o br qr dr i i i i i i i i i
Hình 3.13: Mô hình chuyển đổi dòng điện rotor từ d e −q e sang d s −q s
Hình 3.14: Mô hình chuyển đổi dòng điện rotor từ d s −q s sang a b c− −
Sơ đồ thiết lập đầu vào và đầu ra của bộ chuyển đổi dòng điện stator và rotor được mô tả lần lượt như trong Hình 3.15 và Hình 3.16
Hình 3.15: Thiết lập đầu vào, đầu ra chuyển đổi dòng điện stator
Hình 3.16: Thiết lập đầu vào, đầu ra chuyển đổi dòng điện rotor
Mô hình TIM được hình thành bởi sự kết hợp các mô hình được trình bày từ mục 3.2.1 đến mục 3.2.4 và được mô tả như Hình 3.17
Như đã đề cập trước đó, đầu vào của mô hình động cơ bao gồm điện áp xoay chiều 3 pha ( ) v abc và mô-men tải ( ) T L Đầu ra của mô hình này bao gồm dòng điện xoay chiều
3 pha của stator và rotor, mô-men xoắn và tốc độ góc của động cơ Mô-men xoắn của động cơ được sử dụng làm tín hiệu đầu vào cung cấp cho mô hình động lực học xe máy Sơ đồ đầu vào và đầu ra được thể hiện trong Hình 3.18
Hình 3.18: Thiết lập đầu vào, đầu ra TIM.
Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu điện áp
3.3.1 Mô hình xác định hệ số điều áp, góc quay và vị trí sector Để tính toán được điện áp điều chế ( ) V s và góc quay ( ) trong hệ tọa độ cố định s s d −q , đầu tiên chúng ta cần biến đổi điện áp v abc sang điện áp v d s và v q s thông qua hệ phương trình (3.15) Tiếp theo, chúng ta sử dụng giá trị điện áp v d s và v q s để tính toán giá trị điện áp điều chế ( ) V s và góc quay ( ) thông qua hệ phương trình (3.16), hệ số điều áp ( ) M được xác định bằng phương trình (3.17) Các tính toán này được thiết lập như Hình 3.19
Hình 3.19: Mô hình tính điện áp điều chế, hệ số điều áp và góc quay
Với giá trị góc quay tìm được, chúng ta sẽ xác định được vị trí của sector thông qua mô hình được thể hiện trong Hình 3.20
Hình 3.20: Mô hình xác định vị trí sector
Các thông số M, và s tiếp tục được sử dụng làm thông số đầu vào để tính toán thời gian dẫn của các khóa bán dẫn
3.3.2 Mô hình tính toán thời gian dẫn và điện áp đầu ra
Thời gian T T A , B được thiết lập dựa trên hệ phương trình (2.52) Với các thông số đầu vào là thời gian duy trì điện áp điều chế ( ) T s , hệ số điều áp ( ) M , góc quay ( ) và vị trí sector ( )s Mô hình tính toán này được mô tả trong Hình 3.21
Hình 3.21: Mô hình tính toán thời gian duy trì điện áp
Việc phân bố thời gian dẫn của các khóa bán dẫn ứng với từng sector đã được trình bày trong Bảng 2.5 và sẽ được mô phỏng trong Simulink bằng cách sử dụng 3 khối công tắc đa cổng (Multiport Switch) có sẵn trong thư viện tương ứng cho các IGBT/Diode phía cao ( Q Q Q 1, 3, 5 ) Trong phương pháp SVPWM, để tạo ra xung vuông để điều khiển các khóa bán dẫn IGBT/Diode, ta sử dụng khối Relational Operator để so sánh giá trị biên độ của hai sóng có tần số khác nhau: Sóng điều chế ( ) f m (đầu ra của Multiport Switch) và sóng mang ( ) f c (thường là sóng tam giác) được tạo ra bằng cách sử dụng khối Repeating Sequence có sẵn trong thư viện Nếu f m f c thì các
IGBT/Diode phía cao ( Q Q Q 1, 3, 5 ) sẽ đóng, IGBT/Diode phía thấp tương ứng
( Q Q Q 4, 6, 2 ) sẽ ngắt và ngược lại Tín hiệu điều khiển IGBT là tín hiệu số với hai mức trạng thái lần lượt là 0 tương ứng với ngắt và 1 tương ứng với đóng Mô hình điều khiển này được thiết lập như trong Hình 3.22
Hình 3.22: Mô hình điều khiển đóng, ngắt IGBT/Diode
Giá trị điện áp dây ( v ab , v v bc , ca ) và điện áp pha ( v v v as , bs , cs ) được tính toán trên cơ sở của các công thức (2.43) và (2.44), với đầu vào là các điện áp nguồn ( v an , v v bn , cn ) Việc tính toán này được thực hiện như trong Hình 3.23
Hình 3.23: Mô hình tính toán điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu
3.3.3 Mô hình bộ nghịch lưu điện áp
Bằng cách kết hợp các hệ thống con đã được thiết lập trong mục 3.3.1 và 3.3.2, ta có thể xây dựng bộ nghịch lưu điều khiển TIM dựa trên lý thuyết đã được trình bày trong mục 2.4 Sơ đồ kết hợp này được minh họa trong Hình 3.24 Giá trị điện áp 3 pha đầu ra v abcs được biểu diễn dưới dạng sóng có hình dạng tương tự sóng hình sin và được sử dụng như tín hiệu đầu vào cung cấp cho TIM
Hình 3.24: Mô hình bộ nghịch lưu điện áp 3 pha 6 bước.
Mô hình mô phỏng xe gắn máy điện
Mô hình toàn bộ hệ thống được thiết lập như Hình 3.25 bằng cách kết hợp các mô hình động lực học xe gắn máy, mô hình TIM và mô hình bộ nghịch lưu điện áp đã được trình bày trước đó Do mô hình có các thiết bị động lực nên cần có khối
Powergui được lấy ra từ thư viện Simulink
Hình 3.25: Mô hình xe gắn máy điện
Trong mô hình này, đầu ra của động cơ điện là mô-men kéo, mô-men này thắng lực cản lăn và lực cản do trọng lực sinh ra để kéo xe di chuyển về phía trước Sau khi tăng tốc, lực cản gió tỷ lệ với bình phương tốc độ v của xe sẽ cân bằng với mô-men kéo, điều này giúp xe đạt được tốc độ bình ổn Tín hiệu phản hồi lại động cơ điện là tốc độ góc Tốc độ góc này được tính toán bằng cách sử dụng mối liên hệ giữa tốc độ góc và tốc độ dài và được thể hiện qua công thức: v
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Thông số đầu vào của mô phỏng
Các thông số đầu vào của mô hình TIM và mô hình động lực học xe gắn máy được thiết lập có giá trị tương ứng như trong Bảng 4.1 và Bảng 4.2
Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Công suất danh định P n 1,500 kW
Tần số định mức f n 50, 00 Hz Điện áp định mức V n 220, 0 V Điện trở trong stator R s 1,115 Điện trở trong rotor R r 1, 083 Điện cảm từ hóa L m 0, 2037 H Điện cảm rò rỉ stator L ls 0,05974 H Điện cảm rò rỉ rotor L lr 0,05974 H Điện cảm stator L s L m +L ls H Điện cảm rotor L r L m +L lr H
Momen quán tính của động cơ J 0, 020 kg m 2
Hệ số ma sát dính D 0, 005752 N m s / Điện áp rotor trên trục d v dr 0, 000 V Điện áp rotor trên trục q v qr 0, 000 V
Tốc độ góc ban đầu của rotor m i 0, 000 rad s/
Bảng 4.2: Thông số động lực học xe gắn máy [28]
Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Hệ số cản lăn C rr 0, 020 -
Khối lượng riêng của không khí 1,167 kg m/ 3
Bán kính hiệu dụng của bánh xe r 0, 200 m
Tỷ số truyền hệ thống truyền lực n 5, 000 -
Tác giả chọn hệ trục tọa độ d s −q s có trục q s trùng với trục a trong hệ tọa độ a b c− − vậy nên =0 ( ) rad Các thông số này được thiết lập trong Simulink bằng cách gán giá trị tương ứng vào InitFcn trong Callbacks của Model Properties như trong Hình 4.1
Hình 4.1: Thông số đầu vào mô phỏng trong Simulink
Các kết quả mô phỏng sau đây được thực hiện nhằm mục đích kiểm chứng bộ nghịch lưu điện áp điều khiển TIM sử dụng phương pháp SVPWM, so sánh hiệu quả của phương pháp này với phương pháp SPWM Các phương trình vi phân trong mô phỏng sẽ được giải bằng ode1 (Euler) trong Simulink ở chế độ Fixed-step size là 10 − 6 Điều này được thực hiện bằng cách thiết lập thông số của mục Solver trong Model Configuration Parameters như trong Hình 4.2
Hình 4.2: Thông số giải phương trình vi phân trong Simulink
Với bước tính toán nhỏ như thiết lập sẽ làm giảm sai số tính toán nhưng dẫn đến thời gian thực hiện của máy tính phải kéo dài hơn.
Kết quả mô phỏng TIM
4.2.1 Kiểm chứng với mô hình có sẵn trong thư viện Simulink
Trong phần này, nhằm xem xét và đánh giá tính chính xác của mô hình TIM đã được thiết lập trong mục 3.3 với mô hình có sẵn trong thư viện Simulink Tác giả đã tiến hành so sánh các đường đặc tính của động cơ bao gồm dòng điện stator, dòng điện rotor, mô-men xoắn và tốc độ góc của động cơ Các thông số mô phỏng được thiết lập cho hai mô hình là như nhau:
- Thông số TIM được cho như trong Bảng 4.1
- Động cơ chạy ở chế độ không tải
- Điện áp cấp cho động cơ là điện áp xoay chiều 3 pha 220( ) V , tần số dòng điện
( ) s 50 f = Hz , ứng với điện áp và tần số định mức của động cơ
- Thời gian mô phỏng là 0,5 ( ) s
Kết quả mô phỏng được thể hiện như trong Hình 4.3 đến 4.6
Hình 4.3: Dòng điện stator (mô hình thiết lập – mô hình có sẵn)
Hình 4.4: Dòng điện rotor (mô hình thiết lập – mô hình có sẵn)
Hình 4.5: Mô-men xoắn của động cơ (mô hình thiết lập – mô hình có sẵn)
Hình 4.6: Tốc độ góc của động cơ (mô hình thiết lập – mô hình có sẵn)
Dựa vào các đường đặc tính trong đồ thị ở trên, có thể dễ dàng nhận thấy rằng kết quả của mô hình do tác giả thiết lập và mô hình có sẵn trong thư viện Simulink có sự
51 tương đồng Do đó, có lý do để cho rằng mô hình do tác giả thiết lập đạt độ chính xác cao Mô hình này sẽ được sử dụng để so sánh hiệu quả của bộ nghịch lưu sử dụng hai phương pháp SVPWM và SPWM được tác giả trình bày trong phần tiếp theo
4.2.2 Sóng điều chế, trạng thái IGBT, điện áp dây và điện áp pha
Về cơ bản, hai phương pháp SVPWM và SPWM đều dựa trên nguyên lý PWM dựa trên việc so sánh biên độ của sóng tham chiếu với biên độ của sóng mang để đưa ra tín hiệu đóng ngắt 6 IGBT của bộ nghịch lưu điện áp, mục đích chung là để tạo ra điện áp xoay chiều 3 pha cung cấp cho động cơ Tuy nhiên, SVPWM là một phương pháp PWM nâng cao hơn so với SPWM, nó sử dụng một vector không gian để đại diện cho điện áp đầu ra 3 pha, vector này là tổng của ba vector điện áp 3 pha như đã được trình bày trong mục 2.4.3 Khác với phương pháp SPWM sử dụng sóng tham chiếu có hình dạng sin chuẩn, sóng tham chiếu của phương pháp SVPWM được tạo ra phức tạp hơn bằng cách kết hợp các thời gian dẫn ( T T A , B ) của các khoá bán dẫn tương ứng với vị trí sector của vector điện áp để tạo ra các xung điều khiển Mối liên hệ giữa góc quay, vị trí sector và biên độ sóng tham chiếu của IGBT1 ở tần số 50( ) Hz trong khoảng thời gian 0,04 ( ) s (hai chu kỳ hoạt động) được được thể hiện trong Hình 4.7
Hình 4.7: Mối liên hệ giữa góc quay, vị trí sector và sóng tham chiếu của IGBT1
Biên độ sóng tham chiếu f m của IGBT1 như trong Hình 4.7 được thiết lập bằng cách kết hợp các biên độ thời gian T T A , A +T T B , B , và 0 lần lượt theo từng vị trí sector tương ứng như trong Bảng 2.5 và được thực hiện trong Simulink thông qua các công tắc đa cổng như Hình 3.22 Để xem xét sự khác nhau giữa hai bộ nghịch lưu sử dụng phương pháp SVPWM và SPWM trong việc dẫn động TIM, mô hình bộ nghịch lưu sử dụng phương pháp SPWM cũng được tác giả thiết lập tương tự phương pháp SVPWM dựa trên cơ sở lý thuyết của công trình nghiên cứu đã công bố trước đó [11] Việc so sánh giữa biên độ của sóng tham chiếu f m = 50 ( ) Hz và biên độ của sóng mang f c = 1 ( kHz ) để tạo ra f c / f m xung đóng ngắt IGBT1, IGBT4 của hai bộ nghịch lưu lần lượt được mô tả như trong Hình 4.8 và Hình 4.9
Hình 4.8: So sánh biên độ f m ,f c và trạng thái IGBT1-4 – SVPWM
Hình 4.9: So sánh biên độ f m ,f c và trạng thái IGBT1-4 – SPWM
Việc đóng ngắt các IGBT còn lại cũng được thực hiện tương tự, trạng thái của các IGBT (3-6, 5-2) còn lại được mô tả trong Hình 4.10 và Hình 4.11
Hình 4.10: Trạng thái IGBT 3-6, 5-2 – SVPWM
Hình 4.11: Trạng thái IGBT 3-6, 5-2 – SPWM
Từ việc đóng ngắt các IGBT một cách tuần tự, cùng với điện áp nguồn điện một chiều cấp cho bộ nghịch lưu là như nhau là V m = 326,54 ( ) V Lý giải cho việc chọn giá trị điện áp một chiều này, tác giả căn cứ vào mức điện áp dây tiêu chuẩn một số quốc gia rơi vào khoảng 380 ( ) V − 415 ( ) V Tác giả lựa chọn mức điện áp dây trung bình
~ 400V , mức điện áp này cũng được rất nhiều quốc gia áp dụng Công thức tính điện áp pha và điện áp một chiều cấp cho bộ nghịch lưu là:
V =V V (4.2) Điện áp hai đầu dây và điện áp của pha của pha a b c, , của hai phương pháp SVPWM và SPWM cũng lần lượt được mô tả như trong Hình 4.12 và Hình 4.13
Chúng ta có thể dễ dàng thấy được, điện áp dây và điện áp pha của phương pháp SVPWM có biên độ được duy trì ổn định và ít thay đổi hơn so với phương pháp SPWM khi ở cùng một điều kiện hoạt động giống nhau Điều này là một trong những lý do dẫn đến điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu sử dụng phương pháp SVPWM tiệm cận với đường điện áp lý tưởng hơn so với bộ nghịch lưu sử dụng phương pháp SPWM Tuy nhiên, do có sự sụt áp ở các linh kiện nên biên độ của điện áp pha khi sử dụng bộ nghịch lưu thấp hơn so với trường hợp sử dụng điện áp 3 pha xoay chiều lý tưởng như được thể hiện trong Hình 4.13
4.2.3 Kết quả mô phỏng ở tần số sóng mang 1 kHz
Nhằm đánh giá hiệu quả của việc sử dụng phương pháp SVPWM và SPWM trong việc nghịch lưu nguồn điện một chiều thành xoay chiều 3 pha cung cấp cho TIM Tác giả đã tiến hành thiết lập hai bộ nghịch lưu tương ứng để so sánh, đánh giá tính hiệu quả của việc tái tạo nguồn điện và so sánh với trường hợp sử dụng điện áp từ lưới điện Bộ nghịch lưu thứ nhất sử dụng phương pháp SVPWM, được xây dựng dựa trên cơ sở lý thuyết đã được trình bày trong mục 2.4, phương thức thiết lập mô hình được trình bày trong mục 3.3 Bộ nghịch lưu thứ hai sử dụng phương pháp SPWM, được xây dựng tương tự phương pháp SVPWM dựa trên công trình nghiên cứu đã được công bố trước đó [11] Từ đó phân tích, đánh giá sự khác biệt giữa hai phương pháp trong việc tái tạo nguồn điện thông qua việc xem xét các đường đặc tính dòng điện trên stator, dòng điện trên rotor, mô-men xoắn và tốc độ góc của động cơ Các mô phỏng được thực hiện trong cùng một điều kiện:
- Thông số TIM được cho như trong Bảng 4.1
- Động cơ chạy ở chế độ không tải
- Nguồn điện một chiều cấp cho bộ nghịch lưu như nhau
- Tần số sóng tham chiếu f m = 50 ( ) Hz
- Thời gian mô phỏng là 0,5 ( ) s
Trong quá trình khởi động, để thắng được ma sát bên trong, động cơ phải tạo ra mô- men xoắn đủ lớn Chính vì vậy dòng điện bên trong stator và rotor đạt giá trị cực đại, khi hoạt động ổn định thì dòng điện stator, rotor sẽ giảm dần và trở nên ổn định
Hình 4.14: Dòng điện stator pha a
Hình 4.15: Dòng điện rotor pha a Hình 4.14 thể hiện dòng điện trong stator pha a trong ba trường hợp, dòng điện stator pha a khi sử dụng điện áp lưới có biên độ cực đại lớn nhất ~ 91,3( ) A , tiếp đó đến trường hợp sử dụng phương pháp SVPWM ~ 54,5 ( ) A và cuối cùng là trường hợp sử dụng phương pháp SPWM ~ 41,7 ( ) A Tuy nhiên, thời gian ổn định của trường hợp sử dụng điện áp lưới và phương pháp SVPWM gần như nhau ~ 0,15 ( ) s và ngắn hơn so với trường hợp sử dụng SPWM ~ 0, 23( ) s , biên độ dòng điện stator khi ổn định
~ 5, 0 A Tương tự dòng điện trong stator pha a, trong quá trình khởi động động cơ, giá trị dòng điện trong rotor pha a của ở trường hợp sử dụng điện áp lưới có biên độ cực đại cao nhất ~ 80,3 ( ) A , phương pháp SVPWM ~ 43, 4 ( ) A và cùng ổn định tại thời điểm ~ 0,15 ( ) s Ngược lại, trường hợp sử dụng phương pháp SPWM thì giá trị dòng điện cực đại tạo ra trong quá trình khởi động là nhỏ nhất ~ 33,8 ( ) A nhưng thời gian ổn định dài hơn ~ 0, 23( ) s như được thể hiện trong Hình 4.15 Như vậy, trong quá trình khởi động của động cơ, chúng ta có thể thấy rằng cường độ dòng điện trong stator và rotor của trường hợp sử dụng phương pháp SVPWM lớn hơn so với phương pháp SPWM dẫn đến sự tương tác từ giữa stator và rotor trở nên mạnh mẽ hơn, chính vì vậy thời gian ổn định cũng sẽ nhanh hơn, giúp cho động cơ tạo ra mô-men khởi động lớn, vừa đủ để thắng được lực ma sát bên trong động cơ nhanh chóng và đạt được chế độ ổn định Cụ thể, mô-men xoắn của trường hợp sử dụng điện áp lưới lớn nhất và đạt giá trị cực đại ~ 147 ( ) Nm , phương pháp SVPWM ~ 58 ( ) Nm và phương pháp SPWM ~ 34,5( ) Nm Khi hoạt động ổn định, mô-men xoắn của động cơ ở cả ba trường hợp có giá trị ~ 1, 0( ) Nm như được thể hiện trong Hình 4.16 Điện áp đầu ra
57 của bộ nghịch lưu sử dụng SVPWM tiệm cận với đường điện áp lý tưởng hơn so với trường hợp sử dụng phương pháp SPWM, dẫn đến dòng điện và mô-men xoắn khởi động cũng được cải thiện đáng kể Lượng sóng nhấp nhô (sóng hài) của các đường đặc tính dòng điện và mô-men xoắn khi sử dụng phương pháp SVPWM có biên độ dao động thấp hơn phương pháp SPWM như Hình 4.14 đến Hình 4.16, dẫn đến ít tổn hao hơn Mô-men xoắn có giá trị âm một phần do yếu tố xoay chiều hình sin của dòng điện và mối liên hệ giữa dòng điện và mô-men xoắn được thể hiện trong phương trình (2.37)
Hình 4.16: Mô-men xoắn của động cơ
Hình 4.17: Tốc độ góc của động cơ
Hình 4.17 thể hiện tốc độ góc của động cơ từ thời điểm ban đầu có giá trị bằng không và đạt được tốc độ định mức của động cơ ~ 157 ( rad s / ) sau một khoảng thời gian trong cả ba trường hợp Tuy nhiên, trong trường hợp sử dụng điện áp được lấy từ điện áp lưới, tốc độ góc của động cơ tăng vọt lên và đạt đỉnh tại ~ 0, 06( ) s với giá trị cực đại ~ 173, 4 ( rad s / ) Ngược lại, đối với trường hợp sử dụng phương pháp SVPWM và
SPWM thì tốc độ góc của động cơ có sự dao động trong khoảng thời gian từ
0 s −0,075 s sau đó tăng ổn định đến tốc độ góc định mức của động cơ Khoảng thời gian để đạt được tốc độ góc định mức của trường hợp sử dụng điện áp lưới và
58 phương pháp SVPWM ~ 0,15 ( ) s , sau đó là trường hợp sử dụng phương pháp SPWM với ~ 0, 23 ( ) s cách 0,08 ( ) s đối với điện áp lưới và phương pháp SVPWM
Kết quả mô phỏng động lực học xe máy điện
Trong phần này, tác giả xem xét tính hiệu quả của hai bộ nghịch lưu sử dụng phương pháp SVPWM và SPWM khi áp dụng cho mô hình xe gắn máy được dẫn động bởi TIM bằng cách tiến hành mô phỏng mô hình xe gắn máy điện đã được thiết lập trong mục 3.4 Thông số đầu vào của mô phỏng là như nhau:
- Thông số TIM được cho như trong Bảng 4.1
- Thông số xe gắn máy được cho như trong Bảng 4.2
- Nguồn điện một chiều cấp cho bộ nghịch lưu là 326,54 ( ) V
- Tần số sóng tham chiếu f m = 50 ( ) Hz
- Tần số sóng mang f c = 10 ( kHz )
- Thời gian thực hiện mô phỏng là 60 ( ) s
Các thông số được xem xét bao gồm mô-men xoắn, tốc độ góc của TIM và tốc độ của xe máy điện, được thể hiện như tương ứng trong Hình 4.35 đến Hình 4.37
Hình 4.35: Mô-men xoắn của TIM
Hình 4.36: Tốc độ góc của TIM
Hình 4.37: Tốc độ xe máy điện
Chúng ta có thể dễ dàng thấy được, trong cùng một điều kiện hoạt động hoàn toàn giống nhau Việc sử dụng phương pháp SVPWM để tái tạo nguồn điện 3 pha cung
67 cấp cho động cơ dẫn động xe máy điện có hiệu suất cao hơn so với việc sử dụng phương pháp SPWM Cụ thể, tại vùng khởi động mô-men xoắn của động cơ khi sử dụng phương pháp SVPWM tăng mạnh để giúp động cơ đạt được tốc độ định mức và nhanh chóng ổn định ở mức ~ 16( ) Nm tại thời điểm ~ 15( ) s , trong khi đó phương pháp SPWM phải cần đến ~ 30( ) s để mô-men xoắn ổn định ở mức ~ 15( ) Nm Sự chênh lệch về mô-men xoắn khi sử dụng hai phương pháp trên ở trạng thái ổn định là không đáng kể ~ 1 ( ) Nm Bên cạnh đó, lượng sóng nhấp nhô của đường đặc tính mô- men khi sử dụng phương pháp SVPWM dao động với biên độ nhỏ hơn so với phương pháp SPWM như được thể hiện trong Hình 4.35, điều này giúp cho động cơ trở nên không quá nóng và lượng tiếng ồn của động cơ phát ra cũng sẽ được giảm xuống đáng kể
Ngoài ra, do có sự cải thiện đáng kể về mô-men xoắn của động cơ trong vùng khởi động, tốc độ góc của động cơ khi sử dụng phương pháp SVPWM cũng nhánh chóng đạt được trạng thái ổn định ở thời điểm ~ 15( ) s với giá trị ~ 147 ( rad s / ) ~ 94% tốc độ góc định mức của động cơ Trong khi đó, tại thời điểm này khi sử dụng phương pháp SPWM thì tốc độ góc của động cơ chỉ đạt ~ 106 ( rad s / ) ~ 67% giá trị tốc độ góc định mức của động cơ và ~ 72% giá trị tốc độ góc khi sử dụng phương pháp SVPWM Phải đến thời điểm sau đó 15( ) s tốc độ góc khi sử dụng phương pháp SPWM mới ổn định ở mức ~ 139 ( rad s / ) như được thể hiện trong Hình 4.36 Tốc độ của xe máy điện cũng tỷ lệ tương ứng với tốc độ góc của động cơ, tăng nhanh trong quá trình khởi động và ổn định ở thời điểm ~ 15( ) s với giá trị ~ 29, 4 ( m s / ) đối với trường hợp sử dụng phương pháp SVPWM Đối với phương pháp SPWM thì tốc độ xe máy điện chỉ đạt giá trị ~ 21 ( m s / ) tại thời điểm ~ 15( ) s và bắt đầu ổn định tại thời điểm ~ 30( ) s với giá trị ~ 27,9 ( m s / ) như trong Hình 4.37