Đồ án tốt nghiệp tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Về nguyên lý hoạt động, khi nối nguồn ba pha vào các cuộn dây stator của PMSM, dòng điện chạy trong hệ thống ba cuộn dây quấn stator sẽ sinh ra một từ trường quay với tốc độ: 1.1 với fe

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

1.1 Giới thiệu về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Đối với động cơ xoay chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu, thì nam châm vĩnh cửu thay thế cho cuộn dây kích từ và vành trượt cổ góp dẫn điện như đối với động cơ đồng bộ kích từ bằng cuộn dây (Wound Field Synchronous Machine – WFSM), và động cơ xoay chiều nam châm vĩnh cửu cũng không có cấu tạo lồng sóc như ở rotor của động cơ không đồng bộ

(Induction Motor – IM) Nhờ đặc điểm đó, các PMSM có một số ưu điểm nổi bật so với các loại động cơ khác

Do không có các cuộn dây kích từ bên trong rotor, nên các động cơ xoay chiều nam châm vĩnh cửu có khối lượng nhỏ và mômen quán tính thấp, điều này giúp cho động cơ đáp ứng mômen nhanh hơn Thêm vào đó, cường độ từ trường của động cơ này vẫn lớn trong khi thể tích của động cơ có thể giảm xuống Hơn nữa, vì không cần năng lượng để từ hóa động cơ và không có tổn thất đồng ở rotor, nên PMSM có hiệu suất cao hơn IM và WFSM Điều này cũng giúp giảmchi phí và kích thước biến tần dùng cho PMSM Nhờ không có tổn thất đồng ở rotor, nên rotor PMSM hầu như không tự sinh nhiệt mà còn nhận nhiệt từ phía stator, giúp quá trình tản nhiệt trong động cơ tốt hơn Đặc biệt, một số PMSM có lợi thế vượt trội là được thêm mômen từ trở trong dải điều khiển giảm từ thông, vì vậy, chúng có thể được thiết kế để có một dải công suất không đổi rộng Các kết quả trên dẫn đến PMSM có mật độ công suất cao hơn bất kỳ loại động

cơ nào khác Nói cách khác, với cùng một công suất yêu cầu thì PMSM cần một không gian hiệu dụng nhỏ so với các loại động cơ khác

Về nguyên lý hoạt động, khi nối nguồn ba pha vào các cuộn dây stator của PMSM, dòng điện chạy trong hệ thống ba cuộn dây quấn stator sẽ sinh ra một từ trường quay với tốc độ:

(1.1)

với fe là tần số dòng điện stator, Pn là số đôi cực của động cơ đồng bộ Từ trường này sẽ tương

tác với từ trường rotor tạo ra mômen kéo rotor quay với tốc độ đúng bằng tốc độ của từ trường quay Như vậy, từ trường trong động cơ gồm hai thành phần là từ trường rotor và từ trường stator Từ trường stator là do dòng điện stator tạo thành, còn từ trường rotor là do nam châm vĩnh cửu gắn trên rotor tạo thành

1.2 Các loại PMSM

Dựa vào đặc điểm và cấu tạo của rotor, các động cơ đồng bộ (Synchronous Motor – SM) có thểđược phân loại như Hình 1.1

Hình 1.1: Các loại động cơ đồng bộ xoay chiều ba pha

Trong Hình 1.1, động cơ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet Motor – PM Motor) đượcphân thành hai loại theo dạng sóng sức phản điện động Một loại có đặc điểm là sức phản điệnđộng hình sin được gọi là PMAC hay PMSM (Permanent MagnetAlternatingCurrent,Permanent Magnet Synchronous Motor), và một loại khác là động cơ mộtchiều không chổi than (Brushless DC motor – BLDC motor) Dạng sóng sức phản điện động cóhình dạng phụ thuộc vào nam châm, sự sắp xếp các rãnh và kiểu quấn dây

Động cơ BLDC có đặc điểm là mômen bị nhấp nhô với tần số nhấp nhô gấp 6 lần tần sốchuyển mạch Điều này là khác biệt hoàn toàn với các loại động cơ thông thường khác vớimômen là một đường thẳng Do mômen nhấp nhô nên tốc độ của động cơ BLDC không ổnđịnh và có tiếng ồn khi làm việc, đặc biệt là ở vùng tốc độ thấp

Hình 1.2 (bvm 8a-e) thể hiện các mặt cắt của các PMSM hai cặp cực có sin với nam châmvĩnh cửu bề mặt hoặc là nam châm vĩnh cửu chìm Sự khác nhau là do vị trí của các nam châmvĩnh cửu (được bôi đen trong Hình 1.2) Nếu các nam châm vĩnh cửu được gắn trên bề mặt củarotor như Hình 1.2 (a- b), thì nó được gọi là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu bề mặt(Surface mounted PMSM-SPMSM) Nếu các nam châm mà được đặt chìm trong lõi rotor nhưHình 1.2 (c),(d), thì chúng được gọi là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm (InteriorPMSM-IPMSM) Trong Hình 1.2 (b), các nam châm vĩnh cửu được đặt vào rãnh của bề mặtrotor, được gọi là động cơ nam châm ghép bề mặt (inset magnet motor) Đối với động cơ namchâm ghép bề mặt, mặc dù nam châm ở trên bề mặt, nhưng từ trở có đặc điểm gần giống vớiIPMSM, đặc biệt là điện cảm trục q lớn hơn so với điện cảm trục d Với bố trí từ thông tậptrung như Hình 1.2 (d) thì mật độ từ thông khe hở không khí có thể được tăng lên lớn hơn sovới ở bề mặt của nam châm vĩnh cửu.

So sánh giữa PMSM và động cơ BLDC chỉ ra rằng PMSM có thể điều chỉnh tốc độ và vị tríchính xác hơn so với động cơ BLDC Hơn nữa, PMSM không tạo ra mômen nhấp nhô giốngnhư động cơ BLDC Nhưng giá trị sử dụng của các động cơ BLDC là ở điểm điều khiển đơngiản và giá thành cạnh tranh Động cơ BLDC thường có giá thành thấp và công suất nhỏ (nhỏhơn 5kW), và được ứng dụng trong máy quạt gió, dụng cụ cầm tay, các ứng dụng gia dụng…

So sánh giữa BLDC và PMSM được liệt kê trong Bảng 1.1

Sức phản điện động Sóng hình thang Sóng sin

Cảm biến vị trí Cảm biến Hall (giá thành rẻ) Resolver (giá thành đắt)Kiểu quấn dây stator Tập trung (tốn ít đồng) Phân tán (tốn nhiều đồng)

Sử dụng nam châm vĩnh cửu Lớn Tương đối nhỏ

Bảng 1.1 So sánh giữa động cơ BLDC với PMSM.

Đối với động cơ từ trở (Reluctance Motor) có thể được chia làm hai loại: động cơ từ trở đồng

bộ (Synchronous Reluctance Motor - SynRM) và động cơ từ trở thay đổi (Switch Reluctance

Motor, Variable Reluctance Motor - SRM) Trong đó, các SynRM có số cực ở stator và rotor làbằng nhau Rotor SynRM được thiết kế để hướng từ thông qua rotor theo quỹ đạo mong muốn,

do đó các lỗ trống được tạo ra nhằm mục đích này như trên Hình 1.2 (f-g) Cũng nhờ vậy nênkhi làm việc, rotor động cơ này mát hơn so với các động cơ khác Số cực điển hình của SynRM

là 4 và 6 Còn các SRM cũng có thể được xem là một dạng của động cơ bước với số cực ít CácSRM khác nhau về số lượng pha quấn trên stator và chúng là một con số nhất định dựa vào sự

tổ hợp phù hợp giữa số cực của stator và số cực rotor Ví dụ như SRM 2 pha 4/2 (stator 4 cực,rotor 2 cực), và SRM 3 pha 6/4 (stator 6 cực, rotor 4 cực) Nhờ cấu tạo đặc biệt này, đối với

SRM, ngoài điều khiển dòng điện, điện áp còn có thể điều khiển góc quay của rotor về nguyên

lý hoạt động, khi kích thích bằng liên tiếp các xung dòng điện ở mỗi pha của stator SRM, thìrotor của động cơ có xu hướng đuổi theo hướng từ trở nhỏ nhất, từ đó tạo chuyển động quaycho trục động cơ

1.3 Động cơ đồng bộ IPM

Về cấu tạo, stator của động cơ IPM bao gồm các cuộn dây được bố trí tương tự như ở các động

cơ xoay chiều ba pha khác Còn rotor của động cơ có cấu tạo khá đặc biệt và đa dạng, bao gồmlõi thép và các tấm nam châm vĩnh cửu đặt chìm trong lõi thép, tùy vào số đôi cực của động cơ

mà có số cặp nam châm tương ứng Hình 1.2 (c-e) là những cách bố trí nam châm thường thấytrong IPMSM

Sự bố trí các cặp nam châm bên trong lõi thép và cấu tạo lõi thép khiến cho từ thông của rotorchỉ hướng theo một trục nhất định, ta gọi trục đó là trục sinh từ thông d, trục còn lại không sinh

từ thông gọi là trục q, được mô tả trên Hình 1.3 Với cách bộ trí nam châm như trên dẫn đến từ

thông khe hở không khí không đều Do đó, điện cảm trên hai trục cũng khác nhau Cụ thể

là điện cảm ngang trục L q của IPMSM lớn hơn điện cảm dọc trục L d (Lq >Ld), và tỷ số ξ = L q /

L d được gọi là hệ số nhấp nhô Mức độ sai lệch giữa hai thành phần điện cảm này lớn hay nhỏtùy thuộc vào cấu tạo của động cơ Nhờ đặc điểm này đã dẫn đến một số ưu điểm trong điềukhiển động cơ IPM

Hình 1.3: Các đường sức từ của nam châm vĩnh cửu IPMS

Vật liệu làm nam châm cho động cơ là vật liệu có mật độ từ tính lớn, do đó, kích thước của rotor không cần quá lớn mà vẫn đạt được từ thông mong muốn, nhờ đó mà mật độ công suất của IPMSM thường rất cao Giống với động cơ SPM, khả năng sinh mômen của động cơ IPM

nhờ vào sự tương tác giữa dòng điện stator và từ thông của rotor, mômen này gọi là mômen điện từ

(Electromagnetic Torque) Tuy nhiên, do có Ld ≠ Lq nên IPMSM có thêm một thành phần

mômen từ trở (Reluctance Torque), điều này giúp cho động cơ IPM có khả năng sinh mômen

cao hơn Hơn nữa, IPMSM còn có khả năng giảm từ thông mạnh nên có thể điều chỉnh tốc độ trong một dải rộng

Ưu nhược điểm:

Có khả năng sinh mômen cao, dải điều chỉnh tốc độ rộng;

Khối lượng nhẹ, kích thước nhỏ gọn, mật độ công suất lớn;

Định vị nam châm Dán keo, dùng dải băng Đặt chìm trong roto

CHƯƠNG 2 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PMSM

Để điều khiển PMSM, ta chỉ có thể sử dụng các phương pháp điều khiển tần số, như điều

khiển vô hướng U / f, điều khiển vector tựa từ thông rotor (Field Oriented Control - FOC), điều khiển trực tiếp mômen (Direct Torque Control - DTC).

2.1 Các phương pháp điều khiển tần số

2.1.1.Phương pháp điều khiển vô hướng U / f

Phương pháp điều khiển vô hướng U / f là phương pháp điều khiển đơn giản và dễ thực hiện

nhất Ý tưởng của phương pháp là thay đổi tần số để thay đổi tốc độ đồng bộ, từ đó thay đổi tốc

độ động cơ Tuy nhiên, nếu điện áp cấp cho động cơ được giữ không đổi và giảm tần số sẽ kéo theo việc gia tăng từ thông trong khe hở không khí, khi đó dễ dẫn đến bão hòa mạch từ, dòng từhóa tăng, méo dạng sóng dòng và áp cung cấp cho động cơ dẫn đến tổn hao đồng trên stator sẽ tăng Để tránh tình trạng này, người ta thường giảm điện áp đi đôi với giảm tần số sao cho từ thông khe hở không khí được giữ nguyên không đổi Trong các ứng dụng công nghiệp, phương

pháp này được phân làm hai loại: 1) điều khiển U / f sao cho từ thông là hàm của mômen tải; và 2) điều khiển U / f sao cho từ thông luôn luôn không đổi ở toàn dải điều chỉnh Mặc dù có ưu

điểm là đơn giản, dễ thực hiện nhưng phương pháp này có nhược điểm là ổn định tốc độ ở vùng tốc độ thấp gặp khó khăn, do vậy thường được dùng trong các ứng dụng không yêu cầu điều chỉnh sâu tốc độ

2.1.2 Phương pháp điều khiển vector tựa từ thông rotor (FOC)

Còn phương pháp điều khiển vector tựa từ thông rotor (FOC) ra đời dựa trên việc áp dụng các phép biến đổi tuyến tính không gian vector Tinh thần của phương pháp là dùng các công cụ biến đổi vector để ước lượng đại lượng từ thông rotor r và điều chỉnh nó Ưu điểm của phươngpháp này là có thể ổn định tốc độ ở vùng cận không, cho họ đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ giống với đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập ở vùng từ thông không đổi

2.1.3 Phương pháp điều khiển trực tiếp mômen (DTC)

Phương pháp thứ ba là phương pháp điều khiển trực tiếp mômen (DTC) xuất hiện và phổ biến vào thập kỉ 90 của thế kỉ 20 Phương pháp này dựa vàoviệc điều khiển vị trí vector từ thông stator s để điều khiển mômen động cơ Để thực hiện phương pháp này, ta cần dựa trên phép biến đổi vector để xác định độ lớn và vị trí vector s , thay đổi vector điện áp stator us để thay đổi vị trí vector s Ưu điểm của phương pháp này là không cần xác định vị trí của rotor và chođáp ứng mômen nhanh Nhược điểm là với mômen đập mạch sinh ra, dẫn đến động cơ làm việc

ở tốc độ thấp khó ổn định

Với những ưu nhược điểm của các phương pháp đã nêu ra ở trên nên trong đồ án này, em sử dụng phương pháp FOC để xây dựng cấu trúc điều khiển cho bài toán điều khiển nâng cao hiệusuất PMSM

2.2.Phân tích phương pháp điều khiển vector tựa từ thông rotor (FOC)

Phương pháp điều khiển vector xuất phát từ nguyên lý điều khiển của động cơ điện một chiều

(Direct Current - DC) Động cơ điện DC có đặc tính điều khiển đơn giản, từ thông được sinh rabởi dòng điện kích từ và mômen được sinh ra nhờ dòng điện phần ứng của động cơ Hai dòng điện này là độc lập và có thể điều khiển dễ dàng, do đó ta có thể điều khiển độc lập từ thông và mômen của động cơ Với ưu điểm này, động cơ điện DC đã được sử dụng rộng rãi trong các hệthống điều khiển truyền động ở những năm đầu ứng dụng điều khiển số

Đối với động cơ xoay chiều (Alternating Current - AC) ba pha, việc mô tả toán học để có đặcđiểm điều khiển độc lập như động cơ điện DC là rất khó khăn Do đó, phương pháp điều khiển vector tựa theo từ thông rotor đã được xem xét và đề xuất bởi K Hasse và F Blaschke Phươngpháp này cho phép biểu diễn dòng điện stator thành hai dòng điện độc lập, có khả năng tạo từ thông và mômen giống với mô hình động cơ điện một chiều Điều này được thực hiện bằng cách chuyển các thành phần dòng điện và điện áp trong hệ tọa độ cố định sang hệ tọa độ quay đồng bộ với từ thông rotor, dựa trên các công thức chuyển đổi tuyến tính trong không gian vector do Clarke và Park đề xuất Khi ta thành công trong việc điều khiển vector dòng điện stator đảm bảo nhanh, chính xác và không tương tác (điều khiển tách kênh, đảm bảo cách ly giữa hai quá trình: từ hóa động cơ và tạo mômen quay), thì ta có thể thiết kế các bộ điều khiển vòng ngoài giống như đối với động cơ điện DC

2.2.1 Công thức chuyển đổi Clarke

Công thức chuyển đổi Clarke cho phép biểu diễn vector dòng điện stator i s gồm ba thành phần

xoay chiều i a ,i b ,i c trong hệ tọa độ stato r cố định a-b-c thành một vector gồm hai thành phần xoay chiều i α , i β trong hệ tọa độ Descartes, hay còn gọi là hệ tọa độ trực giao đứng yên α-β , trong đó trục α trùng với trục dây quấn pha a của động cơ Ta thấy rằng, hai dòng điện i α , i β là hai dòng điện xoay chiều hình sin

Hình 1.4: Vector dòng điện stator trên hai hệ tọa độ cố định stator và α-β

Biểu diễn hình học của công thức chuyển đổi được minh họa trên Hình 1.4 Công thức chuyển đổi Clarke được mô tả theo phương trình dưới đây:

độ stator cố định a-b-c:

(1.3)

2.2.2 Công thức chuyển đổi Park

Công thức chuyển đổi Clarke đã biểu diễn vector dòng điện stator i s từ ba thành phần xoay

chiều i a ,i b ,i c trong hệ tọa độ stator cố định a-b-c về chỉ

còn hai thành thành phần iα,iβ trong hệ tọa độ trực giao đứng yên α β Tuy nhiên, vector dòng điện trong hệ tọa độ α-β là vector vẫn quay với tần số

góc của từ trường quay stator α, vì vậy, dòng điện iα,iβ là các dòng xoay chiều Để đơn giản

trong điều khiển, các dòng điện xoay chiều này được

biểu diễn thành hai dòng điện một chiều i d ,i q

Việc biểu diễn này được xây dựng thành công thức chuyển đổi Park, được đưa ra trong bài báo năm 1929 của tác giả Robert H Park Bài báo được xếp hạng thứ hai trong các bài Biểu diễn hình học của công thức

Park được minh họa trên Hình 1.5 Trong đó: Ω s là tốc độ góc vector của vector dòng điện

stator i s ; θ s là góc pha giữa trục chuẩn α và trục d

Hình 1.5: Vector dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định α-βvà hệ tọa độ quay d-q

Công thức chuyển đổi Park [1]:

(1.4) Công thức (1.4) cho phép đưa vector dòng điện quay stator trong tọa độ trực giao đứng yên α-βthành vector dòng điện đứng yên, bằng cách cho hệ tọa độ trực giao đứng yên α-β quay quanh gốc với tần số góc bằng tần số góc của vector dòng điện quay stator Ta gọi hệ tọa độ quay này

là hệ tọa độ trực giao quay d-q

Tương tự ta cũng có công thức chuyển đổi Park ngược từ hệ tọa độ d-q về hệ tọa độ α-β:

(1.5)Như vậy thông qua hai phép biến đổi Clarke và Park, ta có thể đưa vector dòng điện gồm ba thành phần trong hệ tọa độ cố định ia,ib,ic thành vector dòng điện trong hệ tọa độ quay d-q chỉ gồm hai thành phần một chiều id , iq Tuy nhiên, để giống với nguyên lý điều khiển của động

cơ điện một chiều, ta phải chọn hệ tọa độ d-q sao cho dòng điện id là thành phần sinh từ thông

và dòng điện iq là thành phần sinh mômen Để làm được điều đó, ta gán trục d của hệ tọa độ

d-q trùng với hướng từ thông của rotor, khi đó trục d-q sẽ hướng theo chiều không sinh từ thông và

hệ trục tọa độ d-q sẽ quay với tốc độ góc đồng bộ với tốc độ góc của từ thông rotor Phương pháp điều khiển như vậy gọi là điều khiển vector tựa theo từ thông rotor (FOC)

Đối với PMSM, tốc độ góc của từ thông rotor cũng chính là tốc độ góc của trục rotor ω=ω và góc pha giữa trục chuẩn α(trục của hệ tọa độ α-β) với trục của từ thông rotor ψ trục d của hệ tọa

độ d-q) chính bằng góc cơ θ s =θθ r Như vậy, đối với PMSM, ta có thể sử dụng trực tiếp góc cơ công thức (1.4) và (1.5)

2.3 Phân tích hoạt động của PMSM

2.3.1.Mô hình toán học của PMSM

Trong hệ tọa độ d-q quay đồng bộ với vận tốc điện, quan hệ điện áp và dòng điện được biểu

diễn như sau:

m : từ thông nam châm vĩnh cửu.

Giả sử J là mômen quán tính của rotor, T c là mômen cản, và bỏ qua ma sát thì ta có phương trình cơ học sau:

Te –Tc = J trong đó O) r là tốc độ quay của rotor, được tính theo công thức sau:

r = Pn

Giới hạn từ thông rotor của PMSM có thể được phản ánh qua điện cảm dọc trục Ld và dòng

điện kích thích tương đương của nam châm vĩnh cửu (nguồn dòng ảo) i f Khi đó, có thể xem:

m = Ldif

Giới hạn dòng điện và điện áp

Gọi Ismax là biên độ dòng điện lớn nhấốt của PMSM Lúc đó, giới hạn dòng điện của động cơ được biểu diêỗn như một đường tròn (Hình 1.6) có

phương trình như sau:

e

Hình 1.6: Đường tròn giới hạn dòng điện và ellipse giới hạn điện áp với đường cong mômen

bằng hằng số của IPMSM.

Ở vùng tốc độ cao của PMSM, điện áp rơi R s i d và R s i q trên điện trở cuộn dây stator là rất nhỏ so với các thành phần khác trong (1.6), nên chúng thường được bỏ qua khi chọn giới hạn điện áp Giả sử động cơ đang làm việc ở trạng thái ổn định và bỏ qua điện áp thuần trở rơi trên điện trở stator, mô hình toán (1.6) trở thành:

viết gọn lại dưới dạng:

Hình 1.7: Các đặc tính của PMSM ở dải tốc độ quay định mức và vùng giảm từ thông

Để khai thác công sức tối đa của động cơ, điện áp và dòng điện lớn nhất sẽ được sử dụng Do

đó, khi làm việc ở công suất cực đại, các điểm làm việc cần phải được xác định tại giao điểm của các đường giới hạn điện áp và dòng điện Chú ý rằng, đường tròn giới hạn dòng điện khôngphụ thuộc vào tốc độ, trong khi ellipse giới hạn điện áp thì có lại khi tốc độ tăng Bởi vậy,các điểm làm việc di chuyển dọc theo vòng tròn bên trái (điểm A - điểm C của Hình 1.4) Theo sự di chuyển này, mômen giảm, bằng cách ấy nó được biểu diễn bằng một đường cong parabola trong khoảng (A, C) của Hình 1.7 Nếu tốc độ được tăng thêm nữa, ellipse điện áp tiếptục bị co lại Trong dải tốc độ đó, dòng điện giảm khi tốc độ tăng Các đường đặc tính điện áp, dòng điện, mômen, và từ thông trong vùng giảm từ thông được thể hiện trong Hình 1.5

2.3.3 Dải tốc độ quay định mức

Dải tốc độ quay định mức được giới hạn trong dải tốc độ từ không đến tốc độ cơ bản (0

base) Trong vùng này, mômen cực đại được giới hạn bởi dòng điện stator lớn nhất Khi tốc độ dưới tốc độ cơ bản, sức phản điện động của động cơ bé, điều kiện về giới hạn điện áp (1.14) luôn được thỏa mãn, lúc này chỉ cần chú ý đến giới hạn dòng điện (1.11) Khi tốc độ tăng lên, sức phản

điện động tăng lên đến khi đạt giá trị giới hạn, và công suất cũng tăng theo sức phản điện động (trong khoảng 0 đến A trên Hình 1.5) Ở tốc độ cơ bản basi (tại điểm A trên Hình 1.6), điện áp đầu cực của động cơ đạt đến giới hạn

Ở dải tốc độ quay định mức, phương pháp điều khiển thường dùng là điều khiển tối ưu dòng điện đầu vào đáp ứng mômen của phụ tải (Maximum Torque per Ampere - MTPA).

2.3.4 Vùng giảm từ thông phía thấp

Như đã trình bày ở trên, ở dải tốc độ quay định mức thì mômen được duy trì bằng hằng số và từthông cũng được giữ không đổi, tốc độ tăng khiến sức phản điện động tăng và do dó điện áp cung cấp cũng phải tăng theo Tuy nhiên, điện áp này bị giới hạn bởi khả năng cung cấp của

biến tần Lúc này, theo (1.15) thì nếu muốn tiếp tục tăng tốc độ thì phải điều chỉnh giảm từ thông để điều kiện điện áp (1.14) vẫn được thỏa mãn

Khi tần số tiếp tục tăng, ellipse điện áp co lại trong khi dòng điện đạt

mức cực đại Imax Do đó, vector dòng điện di chuyển dọc theo đường tròn ( giới hạn dòng điện)

từ A đến C trên Hình 1.6 Lúc này, mômen giảm tỷ lệ nghịch với tốc độ tăng, và công suất bằng hằng số (trong khoảng từ A đến C trên Hình 1.5) Dọc theo biên giới hạn này, dòng điện

trục d giảm (âm hơn), tạo thêm từ thông trục d ngược dấu với từ thông nam châm vĩnh cửu  m, dẫn đến từ thông khe hở không khí giảm xuống Vì điện áp và dòng điện vẫn giữ không đổi nên

công suất cũng là không đổi Vì vậy, vùng giảm từ thông phía thấp còn được gọi là vùng công suất không đổi, và thường dùng phương pháp điều khiển công suất cực đại 6 để điều khiển

Trong vùng này, mômen giảm tỷ lệ nghịch với tốc độ ω e Dải tốc độ này được gọi là dải tốc độ công suất không đổi (Constant Power Speed Range - CPSR).

2.3.5 Vùng giảm từ thông phía cao

Phương pháp điều khiển thường dùng cho vùng tốc độ cực cao này là điều khiển tối ưu từ thông đáp ứng mômen của phụ tải Chiến lược điều khiển này được sử dụng như là bước cuối

cùng trong vùng tốc độ cao của PMSM

khi Is >  m / Ld Điểm mômen cực đại ứng với mỗi mức từ thông được xác định dựa vào tiếp tuyến của đường cong mômen với giới hạn điện áp như tại các điểm C và D ở Hình 1.4

Trong vùng tốc độ cực cao này, ellipse điện áp tiếp tục co lại vào bêntrong đường tròn dòng

điện đến điểm (- m / L d ,0) và dòng điện của động cơ cũng giảm

Cho nên, mômen của động cơ cũng giảm rất nhanh và tỷ lệ với 1/ ω 2 , bắt đầu từ điểm C trên

hình 1.5

2.3.6 Đặc tính công suất - tốc độ

Bởi vì i q xấp xỉ bằng không khi tốc độ cực cao, nên giới hạn điện áp (1.14) trở thành:

(id + i f )2 ≤ Usmax2 / (ωeLd)2 (1.16)

Khi mà ω e đủ lớn thì vế bên phải của (1.16) xấp xỉ bằng 0 Hay khi i d → -i f và i f

thì ω e → Theo khả năng tạo ra tốc độ cực đại được xác định theo tiêu chí:

m =θ LdIsmax (1.17)

Hình 1.6 thể hiện ba trường hợp với các giới hạn điện áp và dòng điện và đồ thị công suất theo

tốc độ Minh họa cụ thể cho ba trường hợp được tổng hợp như sau:

1) Trường hợp / m > L d I smax: Tương ứng với trường hợp này (Hình 1.8 (a)), từ thông rotor m

lớn hơn giá trị lớn nhất của từ thông mà được tạo bởi dòng điện stator trên trục ư Lúc

này, tâm của ellipse giới hạn điện áp (-i f ,0) nằm bên ngoài đường tròn giới hạn dòng

điện Tốc độ tối đa mà động cơ có thể đạt được ứng với điểm (- Is max,0) được gọi là