báo cáo nhập môm ngành điện đề tài động cơ permanent magnet synchronous motor

Điều này tạo ra mộtchuyển động quay chính xác và ổn định.Với hiệu suất cao và khả năng điều khiển tốt, động cơ PMSM được sử dụngrộng rãi trong nhiều ứng dụng công nghiệp, từ máy móc công

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÁO CÁO NHẬP MÔM NGÀNH ĐIỆN

ĐỀ TÀI ĐỘNG CƠ PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR

THÂN MINH HIỆP

Hiep.tm222529@sis.hust.edu.vn

Ngành KT Điều khiển & Tự động hóa

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Hoàng Nam

Khoa: Tự động hóa

Trường: Điện – Điện tử

Lời cảm ơn

Trước hết em xin cảm ơn đến thầy Nguyễn Hoàng Nam đã hướng dẫn chỉ dạy tận tình để em có thể hoàn thành bản báo cáo này Sự hiểu biết, kiến thức và kinh nghiệm sâu rộng của Thầy đã giúp em vượt qua những thách thức và phát triển không những về tư duy mà còn về kĩ năng và chuyên môn

Em rất mong nhận được những sự góp ý, sửa đổi từ phía của thầy để bản báo cáo của em có thể hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn

Tóm tắt nội dung đồ án

Đề tài của em làm về động cơ Permanent Magnet Synchronous Motor Sau khi

phân tích đề tài thì em quyết định chia đề tài của mình thành bốn phần chính Phần một là tổng quan về động cơ PMSM, hai là nguyên lý hoạt động và điều khiển, ba

là ưu nhược điểm và ứng dụng và cuối cùng là kết luận

Động cơ PMSM là một giải pháp đa dụng với nhiều ưu điểm như hiệu suất cao, ít mất năng lượng, và khả năng điều khiển chính xác Mặc dù có chi phí ban đầu cao

và một số hạn chế về ổn định trong môi trường đặc biệt, PMSM vẫn là lựa chọn phổ biến cho nhiều ứng dụng khác nhau từ công nghiệp, ô tô điện đến các thiết bị điện tử tiêu dùng

Sinh viên thực hiện

Ký và ghi rõ họ tên

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ PERMANENT MAGNET

SYNCHRONOUS MOTOR 1

1.1 Động cơ PMSM là gì 1

1.2 Cấu tạo 2

1.3 Các thông số cơ bản 2

1.4 Lợi ích của động cơ PMSM so với các loại động cơ khác 3

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN 3

2.1 Nguyên lý hoạt động cơ bản 3

2.2 Cách điều khiển và tối ưu 4

CHƯƠNG 3: ƯU NHƯỢC ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ PMSM 5 3.1 Ưu nhược điểm 5

3.2 So sánh động cơ PMSM với các loại động cơ khác 6

3.2.1 Động cơ DC với PMSM: 6

3.2.2 Động cơ AC với PMSM: 7

3.2.3 Động cơ BLDC với PMSM: 8

3.3 Ứng dụng 9

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 11

4.1 Xu hướng phát triển của động cơ PMSM 11

4.2 Kết luận 12

TÀI LIỆU THAM KHẢO 13

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Động cơ PMSM 2

Hình 1.2 Cấu tạo của động cơ PMSM 2

Hình 2.1 Sơ đồ hoạt động của động cơ PMSM 4

Hình 3.1 Động cơ DC 7

Hình 3.2 Động cơ AC 8

Hình 3.3 Xe điện sử dụng động cơ PMSM 9

Hình 3.4 Máy khí nén sử dụng động cơ PMSM 10

Hình 3.5 Quạt trần lớn PMSM tự phát triển của nhà máy Trung Quốc 10

Hình 3.6 Động cơ PMSM ứng dụng trong tàu thủy 11

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR

1.1 Động cơ PMSM là gì

Động cơ PMSM là viết tắt của "Permanent Magnet Synchronous Motor", tức là Động cơ Đồng Bộ Nam Châm Vĩnh Cửu Đây là một loại động cơ không đồng bộ

sử dụng nam châm vĩnh cửu trên rotor (phần quay) để tạo ra trường từ cố định, không cần nguồn năng lượng bên ngoài để tạo trường từ như các động cơ không đồng bộ thông thường (Phố xe điện, 2023)

Động cơ PMSM hoạt động dựa trên nguyên tắc đồng bộ hóa giữa trường từ

từ stator (phần cố định) và trường từ từ rotor, được điều khiển thông qua dòng điện điều chỉnh qua các cuộn dây trên stator Điều này tạo ra một chuyển động quay chính xác và ổn định

Với hiệu suất cao và khả năng điều khiển tốt, động cơ PMSM được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng công nghiệp, từ máy móc công nghiệp đến hệ thống điện tử, và đặc biệt phổ biến trong xe điện do hiệu quả và hiệu suất của nó

1

Hình 1.1 Động cơ PMSM

1.2 Cấu tạo

Động cơ PMSM bao gồm các thành phần chính sau:

Rotor: Phần quay của động cơ, thường bao gồm nam châm vĩnh cửu để tạo

ra từ trường cố định Nam châm này có thể được xếp thành từng cực để tạo

ra từ trường mạnh

Stator: Là phần cố định xung quanh rotor, chứa cuộn dây dẫn điện Khi dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn dây này, nó tạo ra từ trường điện có tần số và hướng cụ thể

Cuộn dây và cảm biến: Các cuộn dây trong stator thường được sắp xếp theo kiểu ba pha (3-phase) để tạo ra từ trường xoay, cần thiết cho hoạt động đồng

bộ của động cơ

Bộ điều khiển: Điều khiển hoạt động của động cơ thông qua việc điều chỉnh dòng điện và tần số cung cấp vào stator, từ đó điều chỉnh tốc độ và hướng quay của động cơ (Công ty TNHH Minhmotor, 2023)

Hình 1.2 Cấu tạo của động cơ PMSM

1.3 Các thông số cơ bản

Công suất: Đo bằng đơn vị kW (kilowatt), thể hiện khả năng sản xuất công việc của động cơ

Tốc độ quay: Đo bằng vòng/phút (RPM - revolutions per minute), cho biết tốc độ quay tối đa của động cơ

2

Hiệu suất: Tỷ lệ giữa công suất đầu ra và công suất đầu vào, thường được thể hiện dưới dạng phần trăm

Dòng điện định mức: Giới hạn dòng điện tối đa mà động cơ có thể chịu được trong điều kiện hoạt động bình thường

Điện áp định mức: Điện áp cần thiết để vận hành động cơ ở điều kiện thông thường

Độ chính xác trong điều khiển: Đo lường khả năng kiểm soát chính xác của động cơ trong các ứng dụng cụ thể

1.4 Lợi ích của động cơ PMSM so với các loại động cơ khác

Động cơ PMSM có một số lợi ích so với các loại động cơ khác:

Hiệu suất cao: Nhờ sử dụng nam châm vĩnh cửu, động cơ PMSM thường có hiệu suất cao hơn so với các loại động cơ khác, giảm thiểu mất điện năng trong quá trình hoạt động

Ít mất nhiệt và ít hao mòn: Tính chất không có ma sát trực tiếp giữa rotor và stator của PMSM giúp giảm mất nhiệt và hao mòn cơ học, làm tăng tuổi thọ

và hiệu suất của động cơ

Đáp ứng nhanh và chính xác: Động cơ PMSM có khả năng đáp ứng nhanh chóng và có độ chính xác cao trong việc điều chỉnh tốc độ và hướng quay, rất phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao

Tính ổn định: Động cơ PMSM hoạt động ổn định với dải tốc độ rộng mà không cần sử dụng bộ gia tốc như một số loại động cơ khác

Tiết kiệm năng lượng: Hiệu suất cao và ít mất nhiệt của PMSM giúp tiết kiệm năng lượng, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu hiệu quả năng lượng Các lợi ích này khiến động cơ PMSM trở thành lựa chọn phổ biến cho nhiều ứng dụng công nghiệp, từ xe điện đến máy móc công nghiệp và thiết bị điện tử

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN

2.1 Nguyên lý hoạt động cơ bản

Động cơ PMSM hoạt động dựa trên nguyên lý tạo ra một trường từ từ nam châm vĩnh cửu trên rotor và từ trường điện từ stator để tạo ra chuyển động quay

3

Tạo trường từ trên rotor: Rotor chứa nam châm vĩnh cửu tạo ra một trường từ

cố định, không cần dùng nguồn năng lượng bên ngoài để duy trì Trường từ này tạo ra một trục xoay (còn gọi là trục từ) xung quanh trục quay của động cơ

Tạo trường từ trong stator: Stator chứa các cuộn dây dẫn điện, thông thường được sắp xếp theo kiểu ba pha (3-phase) Khi dòng điện xoay chiều chạy qua các cuộn dây này, chúng tạo ra một trường từ điện quay theo cùng hướng với trường từ từ rotor

Tương tác giữa hai trường từ: Trường từ từ rotor và trường từ điện từ stator tương tác với nhau, tạo ra một lực cản hoặc một lực đẩy Tương tác này gây

ra một lực xoay lên rotor, thúc đẩy nó quay đồng bộ với trường từ điện trong stator

Điều khiển và Điều chỉnh: Bằng cách điều khiển dòng điện và tần số cung cấp cho stator, có thể điều chỉnh vận tốc và hướng quay của động cơ PMSM một cách chính xác (Hong Phuc Electric Motor, 2021)

Hình 2.1 Sơ đồ hoạt động của động cơ PMSM

2.2 Cách điều khiển và tối ưu

Để điều khiển và tối ưu hiệu suất của động cơ PMSM, thường sử dụng các phương pháp sau:

4

Điều khiển Vector: Phương pháp này tập trung vào việc điều khiển cả hướng

và amplitud của dòng điện vào motor để kiểm soát tốc độ và vị trí của rotor Vector Control giúp đạt được hiệu suất cao và ổn định trong nhiều điều kiện vận hành khác nhau

Bộ điều khiển PID : Bộ điều khiển PID thường được sử dụng để điều chỉnh dòng điện và tốc độ quay của động cơ Các thông số PID được điều chỉnh để đạt được phản hồi tốt và điều khiển chính xác

Các thuật toán Điều khiển Mô hình Dự báo: MPC sử dụng mô hình dự báo

để dự đoán tương lai và tối ưu hóa dòng điện và tốc độ quay, đặc biệt hiệu quả trong việc ứng phó với các biến đổi nhanh chóng trong hệ thống Tối ưu hóa Công suất và Hiệu suất: Điều chỉnh các thông số của động cơ PMSM như dòng điện, tần số và góc pha để đạt được hiệu suất tối ưu, giảm thiểu mất công suất và làm mát

Quá trình điều khiển và tối ưu hiệu suất động cơ PMSM thường liên quan đến việc sử dụng các thuật toán thông minh, cảm biến và bộ điều khiển chính xác để đáp ứng các yêu cầu vận hành cụ thể và cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống (123 doc, 2017)

CHƯƠNG 3: ƯU NHƯỢC ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ PMSM 3.1 Ưu nhược điểm

Ưu điểm:

Hiệu suất cao: PMSM thường có hiệu suất vận hành cao hơn so với các loại động cơ khác nhờ vào từ tính cố định từ nam châm vĩnh cửu

Tốc độ đáp ứng nhanh: Khả năng phản ứng nhanh và chính xác với các tác động từ bên ngoài, giúp trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác và tốc độ đáp ứng cao

Hiệu quả năng lượng: Do ít mất nhiệt và mất điện năng hơn so với các loại động cơ khác, PMSM tiết kiệm năng lượng

5

Dễ bảo dưỡng: Không cần bảo dưỡng thường xuyên do không có bộ phận cơ học tiếp xúc

Nhược điểm:

Chi phí ban đầu cao: Nam châm vĩnh cửu được sử dụng trong PMSM có chi phí sản xuất cao, làm tăng chi phí ban đầu cho việc mua sắm

Độ ổn định vận hành: Trong một số trường hợp, động cơ PMSM có thể gặp vấn đề về ổn định trong việc duy trì tốc độ và vị trí rotor trong môi trường nhiệt đới hoặc khi có sự xâm nhập từ tác động bên ngoài

Cân nhắc về vận chuyển và lắp đặt: Do nam châm vĩnh cửu có khả năng tạo

ra từ tính mạnh, việc vận chuyển và lắp đặt cần phải được thực hiện cẩn thận

để tránh làm hỏng nam châm hoặc gây ra sự cố

Mặc dù có nhược điểm nhất định, động cơ PMSM vẫn là lựa chọn phổ biến cho nhiều ứng dụng do hiệu suất và tính ổn định của nó (HTG Holding Together, 2023)

3.2 So sánh động cơ PMSM với các loại động cơ khác

3.2.1 Động cơ DC với PMSM:

Nam châm: PMSM sử dụng nam châm vĩnh cửu, trong khi động cơ DC thường sử dụng nam châm từ tính được tạo ra từ dòng điện

Hiệu suất: PMSM thường có hiệu suất cao hơn động cơ DC vì ít mất năng lượng hơn

Điều khiển: Động cơ PMSM cần bộ điều khiển phức tạp hơn so với động cơ DC

Bảo dưỡng: PMSM ít cần bảo dưỡng hơn, vì không có chổi than và bộ phận tiếp xúc cơ học như động cơ DC (Xây dựng số, 2023)

6

Hình 3.1 Động cơ DC

3.2.2 Động cơ AC với PMSM:

Hiệu suất: PMSM thường có hiệu suất cao hơn trong phạm vi tải nhẹ và trung bình

Tính linh hoạt trong điều khiển: PMSM có khả năng điều khiển chính xác hơn trong nhiều điều kiện vận hành so với động cơ AC

Tác động từ bên ngoài: Động cơ AC có thể chịu được các biến đổi từ tác động bên ngoài tốt hơn PMSM

Chi phí: Thường thì động cơ AC có chi phí ban đầu thấp hơn PMSM

7

Hình 3.2 Động cơ AC

Mỗi loại động cơ có ưu điểm và hạn chế riêng Lựa chọn giữa chúng phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng, như hiệu suất, độ chính xác trong điều khiển

3.2.3 Động cơ BLDC với PMSM:

Động cơ BLDC và PMSM có nhiều điểm tương đồng nhưng cũng có những khác biệt quan trọng:

Cấu trúc và thiết kế: BLDC có dây quấn trên rotor, trong khi PMSM có nam châm vĩnh cửu trên rotor PMSM thường có hiệu suất hơn do ít mất năng lượng hơn trong quá trình chuyển đổi

Điều khiển: BLDC có thể điều khiển thông qua cảm biến Hall hoặc cảm biến không dây, trong khi PMSM thường cần sử dụng cảm biến để theo dõi vị trí cảm biến (sensor) hoặc có thể sử dụng điều khiển vector trực tiếp (DTC)

8

Hiệu suất và hiệu suất tải: PMSM thường có hiệu suất cao hơn ở tốc độ cao hơn và có thể xử lý tải nặng tốt hơn so với BLDC

Ứng dụng: BLDC thường được sử dụng trong các ứng dụng như quạt, máy khoan, và các ứng dụng gia dụng thông thường PMSM thường xuất hiện trong các ứng dụng yêu cầu hiệu suất cao như máy CNC, robot công nghiệp, hay các loại xe điện

Tùy thuộc vào nhu cầu cụ thể của bạn trong ứng dụng nào, việc lựa chọn giữa BLDC và PMSM sẽ phụ thuộc vào yêu cầu kỹ thuật và hiệu suất mong muốn (Công ty TNHH MR.VŨ, 2023)

3.3 Ứng dụng

Động cơ PMSM có rất nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau do tính linh hoạt và hiệu suất cao của nó:

Xe Điện: Động cơ PMSM thường được sử dụng trong xe điện vì hiệu suất cao, trọng lượng nhẹ và kích thước nhỏ (Đại lý xe điện, 2022)

Hình 3.3 Xe điện sử dụng động cơ PMSM

9

Công nghiệp và Máy móc: Trong các máy công nghiệp, động cơ PMSM được áp dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao như máy gia công, robot công nghiệp, hay máy cắt gia công

Hình 3.4 Máy khí nén sử dụng động cơ PMSM

Điện tử Tiêu dùng: Trong các thiết bị gia đình như máy giặt, tủ lạnh, hay quạt điện thông minh, động cơ PMSM được sử dụng để cải thiện hiệu suất và tiết kiệm năng lượng

Hình 3.5 Quạt trần lớn PMSM tự phát triển của nhà máy Trung Quốc

Tàu và Tàu lớn: Động cơ PMSM cũng được áp dụng trong ngành hàng hải vì khả năng hoạt động ổn định ở tốc độ cao và hiệu suất tốt

10

Hình 3.6 Động cơ PMSM ứng dụng trong tàu thủy

Năng lượng tái tạo: Trong các ứng dụng năng lượng tái tạo như động cơ của các turbine gió hay ứng dụng trong ngành điện mặt trời

Động cơ PMSM được ưa chuộng trong các ứng dụng này nhờ vào hiệu suất cao, độ chính xác trong điều khiển, và khả năng tiết kiệm năng lượng (HTG Holding Together, 2023)

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN

4.1 Xu hướng phát triển của động cơ PMSM

Xu hướng phát triển của động cơ PMSM đang tập trung vào một số điểm chính:

Hiệu suất cao: Tiếp tục cải thiện hiệu suất của động cơ để tối ưu hóa sử dụng năng lượng và giảm tổn thất

Kích thước nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ: Nỗ lực để giảm kích thước và trọng lượng của động cơ PMSM để phù hợp với các ứng dụng có hạn chế về không gian

11

Điều khiển thông minh: Phát triển công nghệ điều khiển thông minh để cải thiện hiệu suất và khả năng điều khiển của động cơ, đồng thời đáp ứng yêu cầu đa dạng của các ứng dụng khác nhau

Tích hợp hệ thống: Tích hợp động cơ PMSM vào các hệ thống tự động hóa

và IoT (Internet of Things) để tăng tính linh hoạt và khả năng kết nối với các thiết bị khác

Phát triển trong ô tô điện và công nghiệp sản xuất: Sự phổ biến của xe điện

và ứng dụng trong ngành công nghiệp sản xuất đang thúc đẩy việc nghiên cứu và cải tiến động cơ PMSM để đáp ứng nhu cầu này

4.2 Kết luận

Động cơ PMSM là một giải pháp đa dụng với nhiều ưu điểm như hiệu suất cao, ít mất năng lượng, và khả năng điều khiển chính xác Mặc dù có chi phí ban đầu cao

và một số hạn chế về ổn định trong môi trường đặc biệt, PMSM vẫn là lựa chọn phổ biến cho nhiều ứng dụng khác nhau từ công nghiệp, ô tô điện đến các thiết bị điện tử tiêu dùng Sự linh hoạt trong điều khiển và khả năng tiết kiệm năng lượng của PMSM đã làm tăng tính ưa chuộng của nó trong thời gian gần đây Tuy nhiên, khi lựa chọn động cơ này, cần xem xét kỹ các yếu tố như yêu

TÀI LIỆU THAM KHẢO

12

[1]

123 doc (2017, 9 6) Điều khiển động cơ PMSM Retrieved from

text.123.docz.com: https://123docz.net/document/4399299-dieu-khien-dong-co-pmsm.htm

[2] Công ty TNHH Minhmotor (2023, 2 8) Cấu tạo của động cơ PMSM Retrieved from minhmotor

[3] Công ty TNHH MR.VŨ (2023, 9 25) Sự khác biệt giữa động cơ BLDC và động cơ PMSM Retrieved from quattran.vn: https://quattran.vn/su-khac-biet-giua-dong-co-bldc-va-dong-co-pmsm.aspx

[4] Đại lý xe điện (2022, 7 16) Lợi ích của động cơ PMSM đối với xe điện Retrieved from dailyxedien.vn: https://dailyxedien.vn/dong-co-pmsm-duoc-su-dung-cho-xe-dien-la-gi-cung-tim-hieu-nhe

[5] Hong Phuc Electric Motor (2021, 3 15) Nguyên lý hoạt động của động cơ PMSM Retrieved from dongco3pha.com: https://dongco3pha.com/dong-co-nam-cham-vinh-cuu.html

[6] HTG Holding Together (2023, 6 28) Ứng Dụng PMSM Với Tự Động Hóa Retrieved from htg-group.com.vn: https://htg-group.com.vn/pmsm-la-gi-tim-hieu-ve-dong-co-nam-cham-vinh-cuu/

[7].Phố xe điện (2023) Khái niệm động cơ PMSM Retrieved from

phoxedien.com: https://phoxedien.com/dong-co-pmsm/?

fbclid=IwAR01iyJVvgWQIeznc0CHKtKxE0K6v-w2yISS1zPnJ6i_ekmqSN44VvvH0O0

[8] Xây dựng số (2023) Sự khác biệt giữa động cơ PMSM và DC Retrieved from xaydungso: https://xaydungso.vn/blog/dinh-nghia-pmsm-la-gi-va-ung-dung-trong-cong-nghe-thong-tin-vi-cb.html

13