báo cáo môn học điều khiển foc cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm trong ô tô điện

Tốc độ loại này thường cao nên để hạn chế lực li tâm rotor thường có dạng hình trống với tỉ số “chiều dài/đường kính” lớn.Cấu trúc nam châm vĩnh cửu cực chìm các thanh nam châm được lắp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢIKHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ



-BÁO CÁO MÔN HỌC

ĐIỀU KHIỂN FOC CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬUCHÌM TRONG Ô TÔ ĐIỆN

Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Ngọc Tiến

-Nguyễn Tuấn Phúc -201507316 Đỗ Xuân

Trường-Phạm Hồng Quân-Lê Anh

Tuấn-Lớp: Trang bị điện trong CN & GTVT 2 – K61

HÀ NỘI – 2023

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬUCỰC CHÌM.

1.1 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động trong ô tô điện.

1.2 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm.

1.2.1 Cấu tạo động cơ IPM.

Hình 1 1 Động cơ nam châm vĩnh cửu cực chìm (IPM)

Động cơ IPM ( Interior Permanent Magnet), còn gọi là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm, thuộc loại động cơ đồng bộ ba pha kích từ nam châm vĩnh cửu Trong đó phần cảm được kích thích bằng những phiến nam châm bố trí dưới bề mặt rotor Các thanh nam châm thường được làm bằng đất hiếm, là các nam châm có suất năng lượng cao và giảm tối đa hiệu ứng khử từ Rotor của động cơ IPM thường làm bằng thép hợp kim chất lượng cao, được rèn thành khối trụ sau đó gia cong phay rãnh để đặt các thanh nam châm Khi các thanh nam châm ẩn trong rotor thì có thể đạt được cấu trúc cơ học bền vững hơn, kiểu này thường được sử dụng trong các động cơ cao tốc Tốc độ loại này thường cao nên để hạn chế lực li tâm rotor thường có dạng hình trống với tỉ số “chiều dài/đường kính” lớn.

Cấu trúc nam châm vĩnh cửu cực chìm các thanh nam châm được lắp bên trong lõi thép rotor về mặt vật lý không có sự thay đổi nào của bề mặt hình học các thanh nam châm Mỗi thanh nam châm được bọc bởi một mảng thép nên nó làm mạch từ của máy thay đổi mạnh, vì do các mảnh thép này tạo ra các đường dẫn từ thông cắt ngang các cực này và cả không gian vuông góc với từ thông nam châm Do đó hiệu ứng lồi là rất rõ ràng và nó làm thay đổi cơ chế sinh momen của động cơ.

Hình 1 2 Thành phần ngang trục và dọc trục động cơ IPM

1.2.2 Nguyên lý làm việc của động cơ IPM

ĐBNCVC làm việc dựa trên sự tương tác giữa từ trường quay của cuộn stator và từ trường của NCVC đặt trên roto tạo nên Khi số đôi cực của từ trường stator và rotor như nhau, vận tốc quay của các từ trường bằng nhau, thì xuất hiện lực kéo điện từ giữa các cực từ của stator và rotor và hình thành momen điện từ ĐC khởi động dưới tác dụng của momen không đồng bộ hình thành do sự tương tác giữa từ trường rotor và dòng điện trong dây quấn stator Khi đạt tới tốc độ gần đồng bộ ,nhờ tác dụng từ trường quay stator và cực từ NCVC, rotor được kéo vào đồng bộ.

1.2.3 Ưu nhược điểm của động cơ IPM

1.2.3.1 Ưu điểm.

- Huy động momen lớn: giúp gia tăng lực quay của bánh xe Nhờ đó, cả khi xe di chuyển ở dải tốc độ thấp hay cao, số vòng quay của momen xoắn vẫn ổn định và đảm bảo khả năng vận hành êm ái.

- Dải vận tốc lớn: khả năng bứt tốc nhanh và êm ái, vượt trội hơn hẳn so với động cơ truyền thống.

- Tiết kiệm nhiên liệu: tiết kiệm 30% năng lượng so với động cơ truyền thống.

- Tăng khả năng sinh momen từ trở: nam châm vĩnh cửu đặt trên bề mặt rotor giúp tăng khả năng sinh momen từ trở Trong khi đó, nam châm trong momen có tác dụng giảm từ thông, nhờ đó xe điện có khả năng tăng tốc mượt mà, đồng thời tiết kiệm điện năng đáng kể.

1.2.3.2 Nhược điểm.

- Tuy nhiên, thiết kế nam châm vĩnh cửu nhúng trong rotor trên IPM có hạn chế khi xe vận hành ở tốc độ cao sẽ khó kiểm soát do từ trường quay bị cố định.

- Dù vậy, đây chỉ là hạn chế nhỏ, hiện nay IPM vẫn được đánh giá là động cơ ưu việt nhất trên xe máy điện.

1.2.4 Ứng dụng của động cơ IPM

Gần đây động cơ đồng bộ ngày càng ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng thực tế như trong các phương tiện giao thông các máy công cụ như máy nén khí, máy nghiền và máy kéo tàu.

Về động cơ IPM có những ưu thế gần như tuyệt đối trong ứng dụng cho ô tô điện Động cơ nam châm vĩnh cửu thông thường có nam châm được gắn trên bề mặt rotor (SPM) vốn đã có đặc tính điều khiển rất tốt Động cơ IPM có nam châm được gắn chìm bên trong rotor (hình 1.1), dẫn tới sự khác biệt giữa điện cảm dọc trục và điện cảm ngang trục (hình 1.2), từ đó tạo khả năng sinh mômen từ trở (Reluctance Torque) cộng thêm vào mômen vốn có do nam châm sinh ra (Magnet Torque) như (hình 3.2) Đặc tính này khiến động cơ IPM có khả năng sinh mômen rất cao, đặc biệt phù hợp cho ô tô điện Mặt khác, động cơ IPM có phản ứng phần ứng mạnh, dẫn tới khả năng giảm từ thông mạnh, cho phép nâng cao vùng điều chỉnh tốc độ, làm việc tốt ở vùng công suất không đổi.

1.2.5 Sơ đồ thay thế của động cơ IPM

1.2.5.1 Sơ đồ thay thế của động cơ đồng bộ.

Để nghiên cứu, phân tích các quá trình điện từ xảy ra bên trong động cơ và xây dựng đặc tính của chúng người ta thường sử dụng sơ đồ thay thế một pha với các giả thiết như sau:

- Ba pha của động cơ là đối xứng, điện áp nguồn hình sin đối xứng - Các thông số của động cơ không đổi.

- Dòng điện một chiều kích từ không thay đổi - Bỏ qua các hao tổn về cơ và hao tổn phụ.

- Bỏ qua các ảnh hưởng của từ trường bậc cao trong máy.

Ta mô tả đại lượng điện áp và dòng điện ở các dạng vector phức, ta có phương trình điện áp cho mỗi pha của động cơ như sau:

X: Điện kháng phần ứng

Từ phương trình (1.1) ta có sơ đồ thay thế một pha của động cơ như sau:

Hình 1 3 Sơ đồ thay thế của động cơ đồng bộ

1.2.5.2 Sơ đồ thay thế của động cơ IPM trên hệ tọa độ dq.

usd, usq là hai thành phần trên trục d và q của vector điện áp stator, tương tự isd, isq là các thành phần dòng điện stator trên trục d và q Ψd, Ψq là từ thông stator trên các trục d và q Vì từ thông rotor Ψf luôn có hướng trùng với trục d nên thành phần từ thông Ψq chỉ do dòng điện isq sinh ra, còn thành phần Ψd do cả dòng điện isd và từ thông rotor Ψf sinh ra.

Từ các phương trình điện áp usd, usq ở hệ phương trình mô tả toán học (1.2) trên ta có sơ đồ thay thế động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm trong hệ tọa độ quay đồng bộ như sau:

Hình 1 4 Sơ đồ thay thế động cơ IPM trong hệ tọa độ quay đồng bộ

Ở sơ đồ thay thế trên, mạch điện áp Ud có thêm dòng điện If là dòng điện hư cấu, có giá trị tương đương với dòng điện gây ra từ trường nam châm vĩnh cửu, tính bởi: Ψf =LmdIf 1.2.6 Đặc tính các vùng điều chỉnh

Khi đi sâu vào phân tích đặc tính các vùng điều chỉnh tốc độ của động cơ, ta thấy động cơ chia làm 3 vùng làm việc theo sự tăng dần của tốc độ:

Hình 1 5 Các chế độ làm việc của động cơ

1.2.6.1 Vùng mômen không đổi.

- Vùng momen không đổi hay còn gọi là vùng tốc độ cơ bản là vùng mà tốc độ động cơ nằm trong khoảng từ 0 đến tốc độ cơ bản ωb hay tốc độ định mức Trong vùng này, muốn tăng tốc độ động cơ ω, ta điều chỉnh giữ nguyên dòng điện stator is tại giá trị lớn nhất imax, điều chỉnh điện áp Us tăng từ 0 tới Usmax Khi đó công suất động cơ tăng từ 0 tới Pmax và momen động cơ được giữ nguyên tại giá trị Tmax Trong vùng này, ta vẫn quen thuộc với phương pháp điều khiển vector động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu kinh điển đó là điều chỉnh thành phần isd = 0 Khi ấy momen điện từ chỉ tỷ lệ với thành phần dòng điện isq Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện, khả năng đáp ứng tốt

- Tuy nhiên nếu sử dụng phương pháp này sẽ không tận dụng được tính chất không đẳng trị về điện cảm ngang trục và dọc trục của động cơ, khiến momen sinh ra bị triệt tiêu mất thành phần thứ hai (momen từ trở) do isd = 0 trong phương trình mômen, vì vậy momen sinh ra không được tối ưu.

1.2.6.2 Vùng công suất không đổi.

- Vùng công suất không đổi, hay còn gọi là vùng giảm từ thông hoặc vùng tốc độ trên cơ bản là vùng tốc độ động cơ nằm trong dải tốc độ từ tốc độ cơ bản ωb tới tốc độ tới hạn ωc Khi động cơ đang hoạt động ở chế độ định mức (tốc độ cơ bản ωb ), lúc này, muốn tăng tiếp tốc độ động cơ, ta bắt buộc phải làm cho một tham số nào đó thay đổi để phù hợp với sự thay đổi của tốc độ

- Khi xem xét tất cả các tham số tại điểm làm việc định mức thì điện áp và công suất không thể tăng tiếp được vì u phụ thuộc vào bộ biến đổi và công suất động cơ đã đạt đến giá trị tới hạn Như vậy muốn tăng tiếp tốc độ, ta dùng biện pháp giảm từ thông ψ, cũng có nghĩa là giảm momen

1.2.6.3 Vùng tích công suất và tốc độ không đổi.

- Vùng tích công suất và tốc độ không đổi hay còn gọi là vùng tốc độ siêu cao, tốc độ tăng từ tốc độ giới hạn ωc tới tốc độ lớn nhất ω.

- Vùng này là vùng rất khó điều chỉnh bởi khi tốc độ tiếp tục tăng, ta phải điều chỉnh sao cho điện áp đầu ra bộ biến đổi giữ nguyên ở giá trị định mức, dòng điện và công suất lúc này phải điều chỉnh giảm tỷ lệ nghịch với tốc độ, còn từ thông và momen phải điều chỉnh sao cho giảm tỷ lệ với nghịch đảo bình phương của tốc độ.

CHƯƠNG 2:MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ IPM VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀNĐỘNG

2.1 Nguyên lý theo tựa từ thông rotor

2.1.1 Biểu diễn các đại lượng xoay chiều ba pha dưới dạng các vector 2.1.2 Hệ tọa độ αβ

2.1.3 Hệ tọa độ dq

2.1.4 Ưu thế của hệ tọa độ dq

2.2 Mô hình hóa động cơ IPM

2.2.1 Mô hình hóa động cơ IPM trong hệ tọa độ cực

2.2.2 Mô tả toán học động cơ IPM trong hệ tọa độ cố định αβ 2.2.3 Mô tả toán học động cơ IPM trên hệ tọa độ d-q.

2.3 Điều khiển hệ truyền động

CHƯƠNG 3:MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ