GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 Xe điện mini và biến tần cho xe điện mini
Ngày nay, khi môi trường sống của chúng ta đang ngày càng chịu áp lực từ vấn đề ô nhiễm không khí và giảm nguồn năng lượng không tái tạo, việc phát triển và áp dụng công nghệ xe điện mini trở nên cực kỳ quan trọng Điều này không chỉ giúp giảm phát thải khí nhà kính mà còn đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về phương tiện di chuyển cá nhân hiệu quả và bền vững.
Hình 1-1 Xe điện mini hãng HongGuang
Biến tần đóng một vai trò quan trọng trong ứng dụng xe điện Biến tần cho phép kiểm soát tốc độ, công suất của động cơ điện Yêu cầu về biến tần của xe điện mini sẽ khác với biến tần xe điện thông thường: công suất phù hợp, mật độ năng lượng lớn, nhỏ gọn, hiệu suất cao, tiết kiệm, giá thành hợp lý,…
Hình 1-2 Vai trò của biến tần trong một cấu trúc xe điện Đặc biệt, với một số đặc điểm trên của biến tần xe điện mini, cần phải nghiên cứu, và phát triển thiết kế cấu trúc điều khiển nghịch lưu, các chỉ tiêu chất lượng nghịch lưu làm việc ở tần số cơ bản cao, trên 400 Hz Do tại tần số cơ bản cao, có thể giảm được kích thước linh kiện như cuộn cảm, tụ điện,…; tăng hiệu điện mini tối ưu về giá và hiệu suất, Đồ án sẽ nghiên cứu thiết kế biến tần với tần số cơ bản cỡ 650 Hz.
1.2 Phương pháp điều chế PWM tối ưu đồng bộ cho cấu trúc điều khiển FOC Phương pháp điều chế PWM tối ưu đồng bộ, viết tắt là phương pháp SOM (Synchronous Optimal Pulse Width Modulation) Đây là một giải pháp phầm mềm được đề xuất để giải quyết vấn đề sau: khi cần động cơ vận hành ở tốc độ cao thì cần nguồn cấp có tần số cao tương ứng, tuy nhiên để đảm bảo chất lượng, các giải pháp thông thường đó là tăng tần số băm xung sau đó sử dụng các bộ lọc để loại bỏ các thành phần sóng hài không mong muốn làm tăng chất lượng dòng điện động cơ Tuy nhiên việc tăng tần só phát xung sẽ có giới hạn vì còn phải phụ thuộc vào công nghệ van bán dẫn, nếu sử dụng các loại van công nghệ cao, có tần số đóng cắt siêu cao thì dẫn tới chi phí tăng theo Để hài hòa giữa yếu tố kỹ thuật và yếu tố kinh tế, giải pháp sử dụng thuật toán SOM được đề xuất. Phương án này phù hợp với các ứng dụng yêu cầu chi phí thấp Đối với phương án này, tỷ lệ giữa tần số cơ bản và tần số phát xung được giữ cố định, độ rộng xung sẽ được tính dựa trên các góc chuyển mạch, các góc chuyển mạch được xác định dựa trên lý thuyết SHE (Selected Harmonic Emilination) Kết quả thu được đó là các sóng hài bậc cao sẽ được loại bỏ có chọn lọc Nhược điểm của phương pháp SOM đó là khối lượng tính toán lớn, yêu cầu phần cứng của mạch điều khiển phải mạnh.
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BIẾN TẦN CHO XE ĐIỆN MINI
Lựa chọn công suất biến tần
Hình 2-3 Biểu đồ so sánh một số loại ô tô mini bán chạy nhất thế giới
- Ưu điểm của xe điện mini đời mới là nhỏ gọn, dễ di chuyển, hiệu suất tốt, tốc độ cao và đặc biệt là giá rẻ, phù hợp với nhiều tầng lớp trong xã hội
- Phù hợp với mọi ưu điểm trên và có lượng bán ra nhiều nhất thế giới, xe điện Wuling Hongguang Mini EV sẽ là tiêu chuẩn thiết kế của đề tài.
- Ngoài ra, một số xe như Microlino 2.0 2022, CEVO C-SE cũng có thông số tương tự nhưng chưa được tối ưu về giá Một số thông số về các loại xe được đưa dưới bảng 2.1.
Bảng 2-1 Tổng hợp thông số của một vài xe điện mini sản xuất gần đây
EV Motor Range Battery size Prize
M 132 km 19 kWh Li-ion 20k 97 kW
170 km 16 kWh Li-ion 22k 47 kW
M 120 km Li-ion 9.2 kWh 5k 100 km/h 15 kW Để tối ưu, công suất thiết kế biến tần được lựa chọn sẽ dựa trên thông số các xe kể trên Đồ án lựa chọn công suất xe ≈ 15 kW.
Lựa chọn cấu trúc biến tần
2.2.1 Một số cấu trúc nghịch lưu được đề xuất để làm việc ở tần số cao
- Nghịch lưu nguồn áp (VSI): Ưu điểm là dễ kiểm soát, hiệu suất cao và phù hợp với nhiều ứng dụng trong xe điện bao gồm điều khiển tốc độ động cơ, quản lý năng lượng,
- Nghịch lưu nguồn dòng (CSI): Thường được dùng trong các cài đặt công suất rất cao vì khả năng làm méo dòng thấp hơn.
- Nghịch lưu có điểm kẹp trung tính (NPC): Thường được sử dụng trong ứng dụng đòi hỏi hiệu suất và chất lượng nguồn điện cao.
Thiết kế cho động cơ công suất ≈ 15kW trong Đồ án sẽ ứng dụng cấu trúc nghịch lưu nguồn áp (VSI)
Bảng 2-2 Thông số thiết kế biến tần
Công suất 15 kW Điện áp đầu vào 400 Vdc Điện áp đầu ra 177 VAC
Tần số cơ bản 650 Hz
- Hai loại cấu trúc nghịch lưu nguồn áp phổ biến là cấu trúc nghịch lưu 2 mức và cấu trúc nghịch lưu 3 mức NPC
Hình 2-4 Cấu trúc nghịch lưu nguồn áp 2 mức
Hình 2-5 Cấu trúc nghịch lưu nguồn áp 3 mức NPC
Hình 2-6 So sánh hiệu suất theo phương pháp phát xung của 2 cấu trúc
- Có thể thấy rằng, ưu điểm của cấu trúc nghịch lưu 2 mức là đơn giản, nhỏ gọn với ít linh kiện, dễ điều khiển, giá thành rẻ và có độ tin cậy cao Mặc dù hiệu suất của cấu trúc nghịch lưu 2 mức thấp hơn cấu trúc nghịch lưu 3 mức NPC nhưng
Do những lý do kể trên, Đồ án chọn cấu trúc nghịch lưu 2 mức để nghiên cứu điều khiển.
Lựa chọn van bán dẫn
Hình 2-7 Bảng thông số một vài xe điện nổi bật
- Van Si IGBT với ưu điểm nổi bật là giá thành rẻ, độ phổ biến cao cũng như đáp ứng được phần lớn yêu cầu về kĩ thuật Van SiC MOSFET toàn diện hơn nhưng chưa phổ biến do đắt đỏ và cần được thử nghiệm thêm.
Hình 2-8 Biểu đồ so sánh hiệu suất của 2 loại van bán dẫn trong dải tần số đóng cắt
- Để đạt hiệu suất tối đa, tần số đóng cắt của van thường phải bị giới hạn nhỏ hơn
20 kHz Theo Hình 2.6, hiệu suất của van Si IGBT và SiC MOSFET có sự chênh lệch không đáng kể
Xét trên phương diện kinh tế và kĩ thuật, van Si IGBT sẽ được ứng dụng trong nghiên cứu biến tần cho xe điện mini của Đồ án.
Lựa chọn động cơ
Hiện nay, hai sự lựa chọn phổ biến cho ứng dụng xe điện là động cơ IM
Bảng 2-3 Bảng so sánh ưu/nhược điểm động cơ IM và PMSM
- Chi phí sản xuất thấp
- Khả năng chịu tải cao ở mức tốc độ thấp
- Hiệu suất cao ở mọi mức tốc độ, công suất
- Khả năng điều khiển tốt, đáp ứng nhanh
- Hiệu suất giảm ở mức tốc độ thấp
- Moment khởi động nhỏ, không tốt khi phải khởi động nhiều
- Chi phí sản xuất có thể cao hơn Độ phổ biến
Phổ biến hơn ở Mỹ, Châu Âu do xe chủ yếu chạy trên cao tốc, đường thoáng, dài
Phổ biến hơn ở những nơi có đường xá nhỏ, hẹp, hay phải dừng đỗ
- Động cơ PMSM phù hợp với mục tiêu thiết kế của Đồ án cũng như độ phổ biến tại Châu Á.
- Động cơ PMSM được phân loại theo kết cấu rotor
Hình 2-9 Động cơ (a) Surface Mounted PM (SMPM), (b) Surface Inset PM (SIPM) Đặc điểm:
• Kết cấu đơn giản, mật độ từ thông khe hở không khí cao hơn
• SMPM và SIPM không phù hợp ứng dụng tốc độ cao do lực ly tâm lớn có thể làm “văng” nam châm vĩnh cửu khỏi motor
Hình 2-10 Động cơ Interior PM (IPM) Đặc điểm:
• IPM có kết cấu rotor bền vững, phù hợp với vùng tốc độ cao
• Có thêm thành phần moment từ trở
• Điều khiển phức tạp hơn do có thêm thành phần moment từ trở
Như vậy, động cơ IPM có tính năng vượt trội hơn trong ứng dụng tốc độ cao yêu cầu độ chính xác cao, moment ổn định Lựa chọn động cơ IPM là tối ưu cho ứng dụng xe điện của Đề tài.
Bảng 2-4 Thông số động cơ đã có phù hợp với yêu cầu thiết kế
Input voltage (phase_rms) 102 V d-axis inductance Ld 0.9209mH q-axis inductance Lq 1.787mH
Tổng kết lựa chọn thiết kế
Như vậy, tổng kết một số tính toán lựa chọn cho Đồ án như bảng dưới đây
Bảng 2-5 Tổng kết lựa chọn thiết kế
Cấu trúc nghịch lưu VSI
Cấu trúc mạch lực 2 mức – TLI
Tần số cơ bản 650 Hz
Tần số đóng cắt 10 – 20 kHz Động cơ IPM
Cấu trúc điều khiển
2.6.1 Mô hình hóa động cơ IPM
Hình 2-11 Biểu diễn ba dòng pha dưới dạng vector phức
Ba dòng pha hình sin phía stator không nối điểm trung tính có thể được mô tả dưới dạng vector i s (t) quay trên không gian với tần số stator f s i s (t)=2
Trục từ thông rotor i s i sd i s q j q
Hình 2-12 Biểu diễn vector dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định và hệ tọa độ quay
Khi động cơ hoạt động ở chế độ xác lập, các vector từ thông, điện áp, dòng điện đều quay với tốc độ ω s Vì vậy các thành phần chiếu lên 2 trục d và q là các thành phần 1 chiều.
Chọn trục d trùng với trục từ thông rotor thì: Ψ rd =¿⃗Ψ PM |; Ψ rq =0
Tách được dòng điện stator thành 2 thành phần sinh từ thông và moment là dòng i d và dòng i q
Trong hệ tọa độ dq:
{ u sq = u sd L = sq L d i dt sd sq d i dt + sd R + s i R sq +ω s i sd −ω e L sd e i L sd sq +ω i sq e ψ r 2-2 Eq
- Phương trình moment và tốc độ động cơ
{ T = 3 2 p J ( ψ dω dt r i q =T +( L −T d − L L q )i q i d ) 2-3 Eq Động cơ được chia 3 vùng làm việc theo sự tăng dần của tốc độ:
- Vùng công suất không đổi
- Vùng tích công suất và tốc độ không đổi
Hình 2-13 Các vùng làm việc của động cơ chia theo sự tăng dần của tốc độ
- Là vùng tốc độ cơ bản của động cơ, tốc độ động cơ thuộc (0; ωbase )
- Trong vùng này, muốn tăng tốc độ động cơ ω , ta điều chỉnh giữ nguyên dòng is tại giá trị lớn nhất imax, điều chỉnh điện áp Us tăng từ 0 đến Usmax Khi đó công suất động cơ tăng từ 0 đến Pmax, moment động cơ được giữ nguyên tại Tmax.
- Phương pháp kinh điển: Điều chỉnh thành phần id = 0, moment phụ thuộc iq Ưu điểm: Đơn giản, dễ thực hiện, đáp ứng tốt
Nhược điểm: moment sinh ra bị triệt tiêu mất thành phần moment từ trở do id = 0
- Phương pháp MTPA (Maximum Torque per Ampere) là một phương pháp điều khiển được sử dụng trong các hệ thống động cơ điện, đặc biệt là trong các ứng dụng của xe điện Điều khiển MTPA giúp tối ưu hóa hiệu suất vận hành bằng cách điều chỉnh dòng điện đưa vào động cơ sao cho tại mỗi mức tải, công suất tối đa có thể được đạt được với mức dòng điện thấp nhất
Từ phương trình moment trên, có nhiều tổ hợp i sd , i sq tạo ra cùng một giá trị T. Vậy bài toán MTPA được đặt ra là xác định tổ hợp i sd , i sq sao cho dòng điện đặt lên stator i s là nhỏ nhất.
- Tính toán theo phương pháp MTPA i s
* i s q Hình 2-14 Mô hình khối tính toán MTPA
Hình 2-15 Nguyên lý của phương pháp MTPA
{ i sd i sq =−i =i s cos s sin β β Eq.
Thay từ (Eq 2-5) vào (Eq 2-6) ta có:
Kết hợp với i sq 2 =i s 2 −i sd 2 , ta tính được i sq
Vậy tính toán theo phương pháp MTPA, ta có được: ¿ Eq.
2.6.1.2 Vùng công suất không đổi
- Là vùng tốc độ trên cơ bản (tốc độ động cơ từ cơ bản đến tới hạn).
- Điện áp phụ thuộc bộ biến đổi không thể thay đổi, công suất động cơ đã tới hạn. Muốn tăng tốc động cơ cần có biện pháp điều khiển phù hợp: Field Weakening Control
- Field Weakening Control (Điều khiển suy giảm từ thông)
Phương trình điện áp trục d và q của động cơ:
{ U sq U = sd L =L sq d i dt sd sq d i dt + sd R i + sq R i + ω sd −ω e L sd e i L sd sq + i ω sq e ψ f Eq 2-10
Khi động cơ tăng tốc với giá trị trên giá trị tốc độ định mức, suất phản điện động (back EMF) sẽ tăng do ω e tăng , ψ f cố định
Cùng với việc giới hạn về dòng và áp của biến tần Dẫn đến khi tốc độ tăng đến một giá trị nhất định, V backEMF đạt đến giá trị điện áp tối đa lấy từ nguồn DC
Khi đó, điện áp dự trữ giảm về 0, dòng giảm về 0, momen giảm về 0 dẫn đến động cơ không thể tăng tốc. Điều khiển: Giảm giá trị suất phản điện động V backEMF , qua đó tăng điện áp dự trữ cho động cơ tăng tốc Mà ω e tăng, dẫn đến phải làm giảm giá trị ψ f
Phương pháp: Cho thêm một lượng dòng âm trên trục d (Do trục d trùng với trục từ thông rotor)
PP1: Sử dụng LUT (Look-up Table) có sẵn để tính toán lượng đặt
Số liệu dựa vào từng loại động cơ, tùy theo tốc độ mà lượng đặt vào thay đổi theo dạng trên biểu đồ cho sẵn
Hình 2-16 Phương pháp Field Weakening sử dụng Lookup Table
PP2: Dựa trên giá trị giới hạn điện áp để tính toán lượng đặt
Mô-men xoắn và tốc độ của hệ truyền động bị giới hạn bởi dòng điện pha max và điện áp tối đa lấy từ nguồn DC.
Hình 2-17 Ứng dụng MTPA và FW theo sự tăng của tốc độ
Trong đó : i max biên độ dòng pha max u max biên độ điện áp pha max với SVM U dc
Tại thời điểm bắt đầu suy giảm từ thông, phương trình điện áp trên stator:
{ u sq u =ω sd =−ω e L sd i e sdmax L sq i +ω sqmax e Ψ f Eq 2-12
Ta có phương trình giới hạn điện áp: u 2 sd +u sq 2 ≤u max 2 Eq 2-13
⇔ (−ω e L sq i sqmax ) 2 +( ω e L sd i sdmax +ω e Ψ f ) 2 ≤u max
⇔ ( L sq i sqmax ) 2 +( L sd i sdmax +ψ f ) 2 ≤ u max
Thay i❑ sq =√ ( i smax 2 −i s d 2 ) ta có:
2 −i 2 s d ) +( L sd i sd ) 2 +2 L sd i sd ψ f +ψ f 2 −u smax 2 ω e 2 ≤0
2 +2L sd i sd ψ f +ψ f 2 +L sq 2 I smax 2 −u smax 2 ω e 2 ≤0 Tại thời điểm bắt đầu suy giảm từ thông, ta có phương trình:
2 +2L sd i sd ψ f +ψ f 2 +L sq 2 I smax 2 −u smax 2 ω e 2 =0 Eq 2-14
Giải phương trình trên ta có nghiệm:
2.6.1.3 Vùng tích công suất và tốc độ không đổi
- Là vùng tốc độ siêu cao (tốc độ động cơ từ tốc độ tới hạn đến tốc độ cực hạn)
- Vùng khó điều chỉnh do phải điều chỉnh:
• Điện áp đầu ra BBĐ giữ nguyên giá trị định mức
• Dòng điện và công suất giảm tỷ lệ nghịch tốc độ
• Moment giảm tỷ lệ với nghịch đảo bình phương tốc độ
Kết luận: Đối với động cơ IPM hiện nay có 2 phương pháp điều khiển chủ yếu:
- Điều khiển tựa từ thông rotor FOC
- Điều khiển trực tiếp moment DTC
Theo các phân tích, động cơ IPM có yêu cầu rất cao về điều chỉnh tốc độ trên cả
3 vùng, cộng thêm việc lĩnh vực điện tử công suất và vi xử lý phát triển mạnh, xu thế điều khiển vector ngày càng phổ biến với đặc điểm kích thước biến tần gọn nhẹ, chất lượng điều khiển tốt.
Do đó, phương án lựa chọn tối ưu để điều khiển động cơ IPM là phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor FOC và phương pháp điều khiển FOC sẽ được ứng dụng nghiên cứu cho Đề tài.
2.6.2 Phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor FOC
Hình 2-18 Cấu trúc điều khiển FOC có sử dụng thuật toán MTPA và Field Weakening
2.6.2.1 Các khối chuyển tọa độ
Hình 2-19 Vào ra khối chuyển tọa độ abc-αβ
Sử dụng phép biến đổi Clarke
Hình 2-20 Vào ra khối chuyển tọa độ αβ - dq
Sử dụng phép biến đổi Park
{ i q i =−i d =i α α cossinϑ ϑ s s +i +i β β sincos ϑ ϑ s s Eq 2-16 u sd u dq
Sử dụng phép biến đổi Park ngược
{ u u α β =u =u sd sd cosϑ sinϑ s s +u −u sq sq cossin ϑ ϑ s s Eq 2-17 2.6.2.2 Bộ điều chỉnh dòng điện
Hình 2-22 Vào ra của khối điều chỉnh dòng điện
Bộ điều chỉnh Ri làm tăng chất lượng dòng điện stator bằng việc điều chỉnh hai dòng điện quy đổi i sd và i sq
- Nếu ta giữ nguyên được i sd và i sq thì Moment động cơ sinh ra ổn định.
- Đầu ra của R i là u sd và u sq , được sử dụng để phục vụ khâu điều chế SVM.
- Lượng đặt cho dòng điện là i sd ¿ và i sq ¿ được tính toán từ bộ điều chỉnh tốc độ và khối MTPA, Field Weakening Control.
Ta có hệ phương trình của động cơ:
{ u sq =R u sd = s (1+ R s (1+ s T sq s T )i sd sq +)i ω sd −ω s L sd s i L sd sq +ω i sq s ψ p Eq 2-18 Để đảm bảo không tương tác giữa 2 thành phần trục d và trục q thì ta có cấu trúc của bộ điều khiển dòng điện có dạng như sau:
Hình 2-23 Cấu trúc bộ điều khiển dòng điện
- Từ mô hình dòng điện ta thấy có thành phần xen kênh Vì vậy khi thiết kế bộ điều khiển ta phải khử thành phần xen kênh này.
- Sau cùng, ta thấy quan hệ giữa i sd và u sd , i sq và u sq là khâu quán tính bậc nhất Ta thiết kế bộ điều khiển PI dựa theo mô hình sau: i * 1
Hình 2-24 Bộ điều khiển PI cho dòng điện Để đơn giản cho cách thiết kế bộ PI, ta thực hiện như sau:
- Bỏ qua thành phần đan kênh
- Coi SVM là khâu có hàm truyền bằng 1
Hình 2-25 Mô hình cấu trúc điều khiển có Ri
{ u u sd sq ≈ R ≈ R s s (1+(1+p T p T sq sd ).i ) i sq sd Eq 2-19
Chọn T id =T sd để triệt tiêu hằng số thời gian của đối tượng, khi đó ta có hàm truyền hệ hở có dạng:
Lựa chọn hằng số thời gian của hàm truyền hệ kín bằng số nguyên lần chu kì phát xung:
T id =n T s ⇔L sd k pd =n T s ⇔k pd = L sd nT k Eq 2-23
Như vậy, thông số bộ PI:
{ T id k =T pd = sd n T L = sd L k R sd s Eq 2-24
Hình 2-26 Vào ra của khâu SVM
Khối SVM sử dụng phương pháp điều chế SVM để phát xung điều khiển van bán dẫn của mạch nghịch lưu nguồn áp. Đầu vào của khối SVM là điện áp u sα và u sβ được tính toán từ đầu ra của bộ điều chỉnh dòng điện. Đầu ra là duty cycle rồi so sánh với khâu răng cưa để phát xung cho van.
2.6.2.4 Bộ điều chỉnh tốc độ
Xuất phát từ phương trình chuyển động m M −m L =Jdω dt ;m L =0 Eq 2-25
Hàm truyền đạt đối tượng:
Cấu trúc bộ điều khiển tốc độ:
Hình 2-27 Cấu trúc bộ điều khiển tốc độ
Hàm truyền hệ kín theo dạng chuẩn hàm bậc hai:
- Theo dạng chuẩn ta có:
G kω (s)= 2.ξ w ω nw s+ω nw 2 s 2 +2.ξ w ω nw s+ω nw 2 Eq 2-31 ω nw là tần số giao động riêng, 0< ξ w
