Nghien cứu Điều khiển hệ truyền Động kéo Ô tô dùng Động cơ từ trường dọc trục afpm’’

Xe ô tô điện có ưu thế so với ô tô động cơ đốt trong truyền thống khi loại bỏ được hộp số phức tạp, loại bỏ khí thải, thân thiện với môi trường, đang là xu hướng cách mạng trong phương tiện giao thông ngày nay. Cấu trúc hệ thống truyền động của xe điện chủ yếu được chia thành truyền động điện tập trung và phân tán. Hệ thống truyền động điện tập trung thay thế động cơ đốt trong thông thường bằng một động cơ dẫn động hai bánh thông qua hệ thống vi sai để cung cấp lực kéo cho hai bánh xe [1]. Trong khi đó, hệ thống truyền động điện phân tán bao gồm nhiều động cơ, đảm bảo lực kéo ở phía trước hoặc phía sau của xe ở hai hoặc bốn bánh, làm cho chiếc xe trở thành một hệ dẫn động cầu trước, dẫn động cầu sau, hoặc dẫn động bốn bánh [2]. Hệ truyền động điện phân tán với cấu trúc nhỏ gọn và bố trí linh hoạt, rút ngắn chuỗi truyền động cơ khí và cải thiện việc sử dụng không gian. Hệ truyền động điện cải thiện hiệu suất lái của chiếc xe thông qua sự khác biệt giữa các bánh lái, tận dụng tối đa năng lượng xe, cải thiện hiệu quả truyền động và tăng quãng đường đi được.

NGHIEN CỨU ĐIỀU KHIỂN Hệ TRUYỀN ĐỘNG KÉO Ô

TÔ DÙNG ĐộNG CƠ TỪ TRƯỜNG DỌC TRỤC AFPM’’

PI, Mờ và Mờ-Nơ ron, mục đích cải thiện nâng cao đáp ứng mô men đúng với tính chấtvật lý của truyền động xe ô tô điện Hơn nữa để cải thiện đáp ứng mô-men, trong hệtruyền động động cơ AFPM được cấp nguồn bởi biến tần đa mức kiểu T-Type Cấu trúc

và điều chế vector điện áp biến tần 3 mức kiểu T-Type được trình bày chi tiết Hiệu quảcâu trúc, phương pháp điều khiển mô-men động cơ từ trường dọc trục kết hợp vớibiến tần

3 mức kiểu T-Type được minh chứng qua kết quả mô phỏng MATLAB/SIMULINK vàcác đánh giá so sánh”

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 3

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN 3

MỤC LỤC 4

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC HÌNH VẼ 7

DANH SÁCH BẢNG BIỂU 10

MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ TRUYỀN ĐỘNG KÉO CHO XE Ô TÔ ĐIỆN 13 1.1 Cấu trúc ô tô điện 13

1.2 Hệ thống truyền động kéo cho xe ô tô điện 15

1.3 Lựa chọn động cơ tích hợp bánh xe 20

1.3.1 Đặc điểm đặc tính cơ các loại động cơ và truyền động xe ô tô điện 20

1.3.2 So sánh các tiêu chí lựa chọn động cơ tích hợp bánh xe 23

1.4 Động cơ AFPM 26

1.5 Nguyên lý hoạt động của ô tô điện 30

1.6 Điều khiển hệ truyền động điện động cơ AFPM 31

1.7 Bộ biến đổi (Nghịch lưu nguồn áp) 34

1.7.1 Cấu trúc nghịch lưu T-Type 3 pha 37

1.7.2 So sánh cấu trúc nghịch lưu T-Type với cấu trúc nghịch lưu NPC 38

1.7.3 Đánh giá các cấu trúc biến đổi 43

1.9 Kết luận 44

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ TRUYỀN ĐỘNG KÉO CHO Ô TÔ ĐIỆN VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MÔ-MEN 46

2.1 Mô hình tóan học động cơ AFPM 46

2.2 Mô hình tóan học của xe điện 48

2.2.1 Tổng quan mô hình hóa 48

2.2.2 Mô tả bánh xe 49

2.3 Thiết kế bộ điều khiển mô-men 51

2.3.1 Bộ điều khiển PI 51

2.3.2 Bộ điều khiển mờ nơron 53

2.3.2 Mạng nơron nhân tạo 59

2.3.3 Thiết kế bộ điều khiển mờ 66

2.3.4 Bộ điều khiển mờ nơron 69

CHƯƠNG 3: ĐIỀU CHẾ BIẾN TẦN ĐA MỨC 74

3.2 Cấu trúc nghịch lưu T-Type 3 pha 74

3.3 Phương pháp điều chế vector không gian điện áp – SVM 76

3.3.1 Tổng quan về SVM 76

3.3.2 Điều chế SVM cho nghịch lưu T-type 77

3.3.3 Thuật toán cân bằng điện áp trên 2 tụ một chiều sử dụng điều chế SVM 87

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 90

4.1 Xây dựng giá trị đầu vào hệ truyền động kéo 90

4.2 Kết quả mô phỏng 90

4.2.1 Trường 1: Thông số động cơ không đổi 92

4.2.2 Trường hợp 2: Thông số động cơ thay đổi: 97

4.2.3 Đánh giá biến tần 3 mức T-type trong hệ truyền động kéo 101

Kết luận 104

DANH MỤC HÌNH V

Hình 1 1 Cấu trúc của một chiếc ô tô điện thông thường 16

Hình 1 2 Sơ đồ hệ thống điển hình của Evs 17

Hình 1 3 Sơ đồ điều khiển điển hình của Evs 18

Hình 1 4 Cấu hình hệ thống truyền động điển hình 19

Hình 1 5 Loại hệ thống truyền động thông thường trong xe điện 19

Hình 1 6 Hệ thống truyền động không hộp số 20

Hình 1 7 Hệ thống truyền động trong bánh với các bánh răng giảm tốc 20

Hình 1 8 Hệ thống dẫn động cầu trực tiếp 20

Hình 1 9 Hệ thống truyền động bốn bánh 21

Hình 1 10 Đặc tính cơ của động cơ SRM 22

Hình 1 11 Các đặc tính điển hình của động cơ PM BLDC 23

Hình 1 12 Đặc điểm mô-men xoắn của động cơ AFPM- Viết sang tiếng việt 24

Hình 1 13 Đặc tính đầu ra mong muốn của truyền động động cơ điện trong Evs 24

Hình 1 14 Cấu tạo cơ bản của động cơ AFPM 29

Hình 1 15 Các cấu hình của máy điện từ thông dọc trục NCVC a): Cấu trúc 1 rotor 1 stator; (b): Cấu trúc 1 rotor 2 stator; (c): Cấu trúc 2 rotor 1 stator; (d): Cấu trúc nhiều tầng gồm 2 khối stator và 3 khối rotor 29

Hình 1 16: Cấu tạo động cơ 1 mặt (1 stator và 1 rotor) 31

Hình 1 17 Cấu trúc điều khiển vector hệ truyền động ô tô điện sử dụng 34

Hình 1 18 Điện áp ra nghịch lưu 2 mức và 5 mức 36

Hình 1 19 Cấu trúc nghịch lưu 2 mức – Cấu trúc nghịch lưu 3 mức 37

Hình 1 20 Điện áp đầu ra Uab của nghịch lưu 2 mức 37

Hình 1 21 Điện áp đầu ra Uab (điện áp dây) của nghịch lưu 3 mức 38

Hình 1 22 Mạch lực cấu trúc nghịch lưu T-type 3 pha 39

Hình 1 23 Điện áp dây đầu ra nghịch lưu T-type 3 pha 40

Hình 1 24 Sơ đồ một pha 3 mức NPC 41

Hình 1 25 Sơ đồ 1 pha 3 mức FC 42

Hình 1 26 Sơ đồ tổng quát cấu trúc CHB 44

Hình 1 27 Sơ đồ một pha ba mức cầu H 44

Y Hình 2 1 Mạch tương đương của PMSM 48

Hình 2 2 Mô hình bánh xe truyền động 49

Hình 2 3 Mô tả hệ thống bánh xe và các lực tác dụng 50

Hình 2 4 Các lực bên ngoài tác dụng lên xe đang chạy 50

Hình 2 5 Cấu trúc bộ điều khiển momen 52

Hình 2 6 Minh họa các phương pháp giải mờ 56

Hình 2 7 Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ 58

Hình 2 8 Các loại mạng nơron nhân tạo thường gặp a) Mạng nơron truyền thẳng một lớp; b) Mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp; c) Mạng nơron hồi quy một lớp; d) Mạng nơron hồi quy nhiều lớp 62

Hình 2 9 Học có giám sát 63

Hình 2 10 Học củng cố 64

Hình 2 11 Học không có giám sát 64

Hình 2 12 Nơron Perceptron và mạng Perceptron 65

Hình 2 13 Cấu trúc bộ điều khiển mờ-nơron 69

Hình 2 14 Mô hình mờ Sugeno bậc nhất hai đầu vào với hai quy tắc 71

Hình 2 15 Cấu trúc mô hình mờ-nơron gồm 5 lớp 72

Hình 3 1 Mạch lực cấu trúc nghịch lưu T-type 3 pha 74

Hình 3 2 Điện áp dây đầu ra nghịch lưu T-type 3 pha 75

Hình 3 3 Lưu đồ thuật toán thực hiện SVM 76

Hình 3 4 Sơ đồ không gian vector 3 pha 3 mức 77

Hình 3 5 Ba hệ tọa độ một phần sáu (sáu sector) 78

Hình 3 6 Quá trình tính toán các đại lượng kg, kh, mg, mh 79

Hình 3 7 Tổng hợp điện áp từ ba vector đỉnh của tam giác 80

Hình 3 8 Lưu đồ thuật toán cân bằng điện áp 88

Hình 3 9 Lưu đồ thuật toán cân bằng điện áp 89

Hình 4 1 Xây dựng quỹ đạo đặt cho chân ga, chân phanh xe ô tô điện 91

Hình 4 2 Bảng giá trị nội suy của a) chân ga và b) chân phanh 91

Hình 4 3 Mô hìnhđiều khiển hệ thống truyền động kéo cho ô tô điện dùng động cơ từ trường dọc trục nam châm vĩnh cửu AFPM 94

Hình 4 4 Đáp ứng dòng điện isd, isq của bộ điều khiển khi thông số động cơ không thay đổi 97

Hình 4 5 Đáp ứng men a ) Đáp ứng men của bộ điều khiển PI b)Đáp ứng mô-men của bộ điều khiển mờ c) Đáp ứng mô-mô-men của bộ điều khiển mờ nơ-ron khi thông số động cơ không thay đổi 99

Hình 4 6 Đáp ứng tốc độ khi thông số động cơ không thay đổi 99

Hình 4 7 a) Đáp ứng dòng điện isd , b) đáp ứng dòng điện isq, của bộ điều khiển PI khi thay đổi thông số Ld , Lq 10% 101

Hình 4 8 a) Đáp ứng dòng điện isd , b) đáp ứng dòng điện isq, của bộ điều khiển Mờ khi thay đổi thông số Ld , Lq 10% 102

Hình 4 9 a) Đáp ứng dòng điện isd , b) đáp ứng dòng điện isq, của bộ điều khiển Mờ-nơron khi thay đổi thông số Ld , Lq 10% 103

Hình 4 10 Đáp ứng a ) Đáp ứng mô-men của bộ điều khiển PI b)Đáp ứng mô-men của bộ điều khiển mờ c) Đáp ứng mô-men của bộ điều khiển mờ nơ-ron khi thông số động cơ thay đổi 104

Hình 4 11 Đáp ứng điện áp 3 pha 105

Hình 4 12 Đáp ứng dòng điện ba pha 106

Hình 4 13 Đáp ứng điện áp một chiều trên 2 tụ 106

DANH SÁCH BẢNG BI

Bảng 1 1 So sánh giữa ba động cơ được sử dụng trong Evs cho tỷ lệ công suất trên trọng

lượng 25

Bảng 1 2 So sánh hiệu quả động cơ 25

Bảng 1 3 So sánh giữa bốn động cơ được sử dụng trong Evs về chi phí của bộ điều khiển 26

Bảng 1 4 So sánh giữa bốn động cơ được sử dụng trong Evs cho động cơ 26

Bảng 1 5 So sánh ưu nhược điểm của nghịch lưu thông thường và nghịch lưu đa mức 37 Bảng 1 6 Các mức trạng thái đóng cắt NL 3 mức loại NPC 40

Bảng 1 7 Các mức trạng thái đóng cắt NL 3 mức loại NPC 41

Bảng 1 8 Các mức trạng thái đóng cắt NL 3 mức loại NPC 44

Bảng 1 9 Bảng so sánh số lượng linh kiện của cấu trúc T-type với các cấu trúc khác 45

Y Bảng 2 1 Bảng chân lý của phép kéo theo 54

Bảng 2 2 Một số phép suy diễn thường dùng 54

Bảng 2 3 Các luật hợp thành 54

Bảng 2 4: Ma trận các quy tắc điều khiển mờ 67

Bảng 3 1 Thuật toán xác định vị trí vector trong sector lớn 79

Bảng 3 2 Bảng các vector trạng thái trong các sector 87

Bảng 3 3 Bảng thứ tự đóng cắt các vector 90

Bảng 4 1 Thông số mô phỏng: 93

Bảng 4 2 Thông số bộ điều khiển PI 95

Bảng 4 3.Kết quả đánh giá đáp ứng dòng điện stator của bộ điều khiển PI, Mờ và Mờ-nơ ron 99

Bảng 4 4 Kết quả đánh giá đáp ứng mô-men, tốc độ của bộ điều khiển PI, Mờ và Mờ-Nơ ron 103

Bảng 4 5.Kết quả đánh giá đáp ứng dòng điện stator của bộ điều khiển PI, Mờ và Mờ-nơ ron 107

Bảng 4 6.Kết quả đánh giá đáp ứng mô-men, tốc độ của bộ điều khiển PI, Mờ và Mờ-Nơ ron 109

MỞ ĐẦU

Xe ô tô điện có ưu thế so với ô tô động cơ đốt trong truyền thống khi loại bỏ được hộp sốphức tạp, loại bỏ khí thải, thân thiện với môi trường, đang là xu hướng cách mạng trongphương tiện giao thông ngày nay. Cấu trúc hệ thống truyền động của xe điện chủ yếu

được chia thành truyền động điện tập trung và phân tán Hệ thống truyền động điện tậptrung thay thế động cơ đốt trong thông thường bằng một động cơ dẫn động hai bánhthông qua hệ thống vi sai để cung cấp lực kéo cho hai bánh xe [1] Trong khi đó, hệ thốngtruyền động điện phân tán bao gồm nhiều động cơ, đảm bảo lực kéo ở phía trước hoặcphía sau của xe ở hai hoặc bốn bánh, làm cho chiếc xe trở thành một hệ dẫn động cầutrước, dẫn động cầu sau, hoặc dẫn động bốn bánh [2] Hệ truyền động điện phân tán vớicấu trúc nhỏ gọn và bố trí linh hoạt, rút ngắn chuỗi truyền động cơ khí và cải thiện việc

sử dụng không gian Hệ truyền động điện cải thiện hiệu suất lái của chiếc xe thông qua sựkhác biệt giữa các bánh lái, tận dụng tối đa năng lượng xe, cải thiện hiệu quả truyền động

và tăng quãng đường đi được

Hệ thống truyền động phân tán, theo các phương pháp lắp đặt khác nhau của động cơ, cóthể được chia thành truyền động động cơ trục bánh xe và truyền động động cơ trongbánh xe [3] So với tích hợp cao động cơ trung tâm bánh xe, động cơ trong bánh xe thì dễdàng phanh, có tác dụng tản nhiệt tốt, và thuận tiện hơn cho cài đặt và bảo trì Động cơgần bánh xe hiện đang được sử dụng trong xe buýt điện, xe quân sự và đặc biệt phươngtiện vận chuyển Động cơ dẫn động trong bánh xe gồm có động cơ từ trường hướng tâm

và từ trường dọc trục.Chiều dài trục của động cơ từ trường dọc trục ngắn hơn động cơ từ

trường hướng trục, vì vậy động cơ từ trường dọc trục thích hợp hơn để gắn trong bánh xe.

Trong khi đó, do rotor động cơ từ trường dọc trục có trọng lượng nhẹ và khả năng chốngrung [4], tuổi thọ của động cơ từ trường dọc trục là lớn hơn của động cơ từ trường hướngtâm, do đó cải thiện độ tin cậy của động cơ và nâng cao độ an toàn và độ tin cậy củaphương tiện năng lượng mới [5] Mặc dù động cơ từ trường dọc trục cải thiện hiệu suấthoạt động của xe điện, tuy nhiên, mỗi xe cần được lắp đặt nhiều động cơ và bộ điềukhiển, điều này làm phức tạp hệ thống [6] Đồng thời, động cơ bánh xe gần làm tăng chiphí của chiếc xe và có yêu cầu cao đối với công nghệ điều khiển của xe, chẳng hạn nhưđiện cân bằng, vi sai điện tử, thu hồi năng lượng Các xe ô tô điện có bánh xe gần động

cơ thì yêu cầu động cơ kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, mô-men xoắn nhỏ, hiệu suất cao,khả năng quá tải lớn và dải tốc độ rộng [7]

Qua đó các vấn đề tìm hiểu trên, nhận thấy rằng hệ thống truyền động điện cảithiện điều chỉnh tốc độ chất lượng cao và hiệu suất của xe ô tô điện, nhưng yêu cầu kỹ

thuật chế tạo động cơ cao Vì vậy luận án đề xuất "Nghiên cứu điều khiển động cơ từ trường dọc trục 1 mặt tích hợp bánh xe ô tô điện được nuôi bởi biến tần đa mức kiểu T-Type”.

cơ từ trường dọc trục một mặt tích hợp bánh xe ô tô điện

- Nghiên cứu cấu trúc và phương pháp điều chế vector điện áp biến tần 3 mức kiểuT-Type

- Kiểm chứng tính đúng của lý thuyết bằng mô phỏngMATLAB/SIMULINK

- Đánh giá và kết luận

Luận văn được bố trí các chương như sau:

 Chương 1: Tổng quan hệ truyền động kéo cho xe điện

 Chương 2: Mô hình toán học hệ truyền động kéo cho ô tô

điệnvàthiếtkếbộđiềukhiểnmô-men

 Chương 3:Điềuchếbiếntầnbamứckiểu T-Type

 Chương 4: Kết quả mô phỏng và đánh giá

Trong quá trình thực hiện luận văn mặc dù bản thân đã nỗ lực rất nhiều, nhưng dothời gian thực hiện đề tài hạn hẹp cũng như hạn chế về kiến thức và điều kiện thựcnghiệm, luận văn chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót Vì thế, học viên kínhmong nhận được những lời nhận xét, đánh giá và góp ý của các Thầy/ Cô giáo và các bạn

để bản luận văn này được hoàn thiện hơn Học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến

Thầy PGS.TS Trần Trọng Minh và Cô TS Võ Thanh Hà (Đại học GTVT cộng tác viên tại phòng thí nghiệm Truyền động điện và Điện tử công suất- ĐH Bách Khoa Hà Nội)đã hết

lòng giúp đỡ và chỉ bảo tận tình cho học viên trong thời gian thực hiện luận văn này Nếukhông có sự hướng dẫn nhiệt tình của Thầy, Cô thì chắc chắn học viên không thể hoànthành tốt luận văn được Học viên cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy, Côcủa Trường Điện – Điện Tử, Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện hết sức thuậnlợi để học viên có thể hoàn thành luận văn đúng thời hạn

Hà Nội, ngày 10 tháng 01 năm 2023

Học viên cao học

Đào Duy Hoàng

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ TRUYỀN ĐỘNG

KÉOCHO XE Ô TÔ ĐIỆN

Hình 1 1Cấu trúc của một chiếc ô tô điện thông thường

(1)Độngcơđiện/Motor điện:Sửdụngnănglượngtừbộnguồnắc qui, motornàydẫnđộngcác bánh xe Vàiphươngtiệncònsửdụngtổhợpđộngcơ – máyphát (motorgenerators) thựchiệncả 2 chứcnăngtruyềnđộngvàtáisinh/hồiphụcnănglượng;

controller):Bộphậnnàyquảnlýdòngnănglượngđiệnđượccungcấpbởiắcquy,

điềukhiểntốcđộcủa motor điệnvàmomenxoắnmànótạo

(3)Bộchuyểnđổi DC/DC:Thiếtbịnàychuyểnđổinguồn DC ápcaotừắcquythànhnguồn

Bộ chuyển đổi DC-DC Pin Bộ điều khiển động cơ

Động cơ điện

Hộp số

Bánh sau Bánh sau

Hình 1 2SơđồhệthốngđiểnhìnhcủaEvs

Tốc độ xe điện Chân ga

ECU Phanh

ECU chính

ECU Động cơ

ECU Pin

ECU Phụ tải

Tốc độ động cơ

Tốc độ xe điện

Điều khiển Động cơ

Bộ chuyển đổi DC-DC

Rơle điện

Pin

Thiết bị phụ tải

Động cơ điện

hãmđiềukhiểnsaochotoànbộmômenphanhđượctạorabởicảhệthốngphanhtáisinhvàhệthốngphanhthủylựcthôngthường ECU pin giámsáttrạngtháisạcvàxảcủa pin Nóichung,mànhìnhcủa pin bao gồmpháthiệnròrỉ, pháthiệnđiệnápbấtthường,pháthiệnnhiệtđộbấtthường, pháthiệndòngđiệnbấtthường ECUphụtảiđiềukhiểnbộchuyểnđổiDC-DC đểtạoranhiềumứcđiệnáp DCkhácnhauchochiếusángvàcácthiếtbịkhác

truyềnđộnggiántiếphoặctrựctiếp; và (d) sốcấp bánh răngtruyềnđộng Do đó,cáchệthốngtruyềnđộngcóthểcótrongxeđiệncósáucấuhìnhsau.

A Loạithôngthường

Đốivớiloạithôngthườngcủahệthốngtruyềnđộngtrongxeđiện,

độngcơđốttrongthôngthườngđượcthaythếbằngđộngcơđiện, nhưtronghình1.5.Cấuhìnhnàykhôngthayđổicấutrúcđiểnhìnhcủahệthốngtruyềnđộngtrongxeđiệnvà dođóđượcthựchiệndễdàng

Hình 1 5Loạihệthốngtruyềnđộngthôngthườngtrongxeđiện

B Loạikhôngtruyềnđộng

Loạihệthốngtruyềnđộngkhôngcóhộpsốtrongxeđiệnđơngiảnhóaloạithôngthường,vìhộpsốđượcloạibỏ Hình1.6môtảloạihệthốngtruyềnđộngkhôngcóhộpsố.

Hình 1 6Hệthốngtruyềnđộngkhônghộpsố

C Loạitrong bánh có bánh rănggiảmtốc

Loạinàycóđượctừviệcđơngiảnhóaloạikhôngtruyềnđộng Hai

rănggiảmtốcđượccungcấpđểtruyềnđộngcác bánh xe, nhưthểhiệntronghình1.7

Hình 1 7Hệthốngtruyềnđộngtrong bánh vớicác bánh rănggiảmtốc

D Loạidẫnđộngtrựctiếptrên bánh

Tronghình1.8, bánh sauvàđộngcơđượctíchhợpđểcóthểtạorachuyểnđộng quay

Đâylàkiểudẫnđộngtrựctiếpcủahệthốngtruyềnđộngcầu

Hình 1 8Hệthốngdẫnđộngcầutrựctiếp

E Loạidẫnđộngtrựctiếpbốn bánh

Bốnđộngcơtrong bánh đượcsửdụngđểdẫnđộngtrựctiếpbốn bánhtươngứngnhưtrongHình1.9 Cóthểlàmộttayláiđiệnđượcsửdụngđểđiềukhiểnhướngcủa EV

Hình 1 9Hệthốngtruyềnđộngbốn bánh

cáchệtruyềnđộngtrênthấyrằngcáchệngàycàngcókíchthướcnhỏgọnhơn, trọnglượngnhẹhơn,hiệusuấtcaohơn, vàtínhnăngđiềukhiểnlinhhoạthơn Đốivớicáchệtruyềnđộngtrựctiếp,yêucầuvềgiảmkíchthướcvàtrọnglượngcủađộngcơcũngnhưhộpsốcàngtrởnênquantrọng

 Vớiưuthếvềhiệusuấtmô-men xoắnvàhệthốngđiềukhiểntrởlênđơngiản,linhhoạthơnbàibáonàysẽtậptrungvàohệthốngtruyềnđộngphântánvớiđộngcơgắntíchh

ợp bánh xe

1.3Lựachọnđộngcơtíchhợp bánh xe

1.3.1 Đặcđiểmđặctínhcơcácloạiđộngcơvàtruyềnđộngxeô tôđiện

a Độngcơđiệntrở Witched (SRM)

Điềukhiểnđơngiản, vùngcôngsuấtkhôngđổilớn ở tốcđộcao, khảnăngchịulỗi,đặctínhtốcđộmô-men xoắnhiệuquảvàkếtcấuchắcchắnlàtấtcảnhữnglợiíchcủa SRMdànhchoxeđiện SRM đãthuđượcrấtnhiềulựckéo do thànhphầnmô-men xoắntănglên.Hiệuquảcủa SRM làkhoảng 95%, cóthể so sánhvới IM SRMlàmộtloạiđộngcơlýtưởngchocácứngdụng EV vìnhữngđặcđiểmnày.Khôngcầnbảotrìvìkhôngcóchổi than, bộthunhiệthoặcnamchâm Kếtquảlà, chiphísảnxuấtlàtốithiểu.

Độngcơnàycóthểđượcđiềukhiểnkhôngcầncảmbiếnvìtỷlệđiệncảmrôtocao Dokhôngcótổnthấtđồngtrongrôto do dâydẫntrongcuộndâyrôto, nênnhiệtđộrôtothấphơn sovớicácloạiđộngcơkhác

Quántínhthấplàyếutốquantrọngđểnắmbắttốcđộthamchiếutrongcácứngdụngtốcđộthamchiếucóthểthayđổi Rôtocủa SRM cũngcóquántínhkémhơncácđộngcơkhác.Bởivìkhôngcóliênkếtgiữacácpha, độngcơtiếptụcchạyngaycảkhimộttrongsốchúngbịhỏng.Tiếngồnâmthanh, rung độngvàgợnsóngmô-men xoắncaolàtấtcảcácmốiquantâm dorôtovàstatocựcnổigâyra.Tuynhiên, chúngkhôngquantrọngđốivớixeđiện

Tốc độ Mô-men Công suất không đổi

Tốc độ tối đa Tốc độ cơ bản

Hình 1 10Đặctínhcơcủađộngcơ SRM

b Độngcơ DC khôngchổi than PM (BLDC)

Độngcơ PM BLDC cómậtđộcôngsuấtvàhiệusuấtcao Do khôngcótổn haođồngrôtovàdâyquấnrôtonênhiệusuấtcủachúngtốthơn IM Tuynhiên, sựtồntạicủatrường

PM, màtrường stator cóthểgiảmđi, cóthểthấytronghình1.11,

mứccôngsuấtkhôngđổitừbađếnbốnlần Cácnamchâmcủađộngcơ PM BLDCngănđộngcơtạoramô-men xoắncao Hơnnữa, cónhữngnhượcđiểmđángkể,chẳnghạnnhưlựccơhọcvà chi phínamchâm Sựgiatănglựclytâm ở tốcđộlớnhơnđặtramối lo

châmcũngdễbịảnhhưởngbởinhiệtđộcao Do nhiệtđộlàmviệccaonênmậtđộtừthôngcặngiảm,làmgiảmcôngsuấtmômencủamáy

cũngnhỏhơncácmáytươngđươngthônglượngxuyêntâm do cónamchâmmỏng

lànhữngyếutốquantrọngtrongcácứngdụngcókhônggianhạnchế Do đó,khảnăngtươngthíchlàrấtquantrọng Chúngtạoratiếngồnvàđộ rung íthơnnhiều sovớicácmáytruyềnthống Ngoàira, độngcơ AFPM còncócácưuđiểmnhưhiệusuấtcao,tỷlệcôngsuấtkíchthướclớn, mậtđộcôngsuấtcao, tuổithọcao, mômenquántínhnhỏ,dảitốcđộhoạtđộngrộng, tỷsốmô-men xoắn / dòngđiện, lớn, tiếngồnthấp, ổnđịnh, v.v Do

đãđượcsửdụngrộngrãitrongcáchệthốngtruyềndẫnđiềukhiểntốcđộchấtlượngcaonhưxeđiện,

rôbốtcôngnghiệp, máy CNC vàcácthiếtbịkhác Hơnnữa, bánh đà quay trong ytếtronghệthốnglưutrữnănglượngcólợithếgầnnhưtuyệtđốitrongcácứngdụngcho ô tôđiện.

hànhmạnhmẽ Hình1.13môtảđặctínhđầurayêucầucủabộtruyềnđộngđộngcơ EV.Độngcơtruyềnđộngphảicónhiềumô-men xoắn ở tốcđộthấpđểtăngtốcvà bay,rấtnhiềucôngsuất ở tốcđộcaođể bay vàphạm vi tốcđộrộngtrongđiềukiệnkiểmsoátliêntục

Theo Hình1.14, nếutỷlệvùngcôngsuấtkhôngđổitănglên,côngsuấtcầnthiếtchohiệusuấttăngtốcsẽgiảmxuống, theođặctínhđầuracủa EV Kếtquảlà,mô-men xoắncầnthiết, chi phíbộchuyểnđổi, kíchthướcđộngcơvàkhốilượngđềutănglên.

Tăngtốcđộtốiđacủađộngcơcóthểlàmgiảmkíchthướcđộngcơbằngcáchchophépgàisốđểtăngm

tốcđộtốiđacủađộngcơkhôngthểtănglênvôthờihạnmàkhôngphátsinhthêm chiphívàyêucầutruyềnđộng Do đó, cóvôsốxungđộtcấphệthốngkhimởrộngphạm vicôngsuấtkhôngđổi

1.3.2 So sánhcáctiêuchílựachọnđộngcơtíchhợp bánh xe

ĐểcóđượcsựlựachọnthíchhợpnhấtchoEvstrongsốbốnloạitruyềnđộngđộngcơ,

mộtsốấnphẩmđưaranhữngđónggópcủahọ [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14] và [15].Từcácđặcđiểmtómtắt ở trêncủabốnloạitruyềnđộngđộngcơchoxeđiện, Bảng1, 2, 3,4liệtkêcácyếutốtrọnglượngvềhiệusuất, trọnglượngvà chi phícủabốn ổ độngcơ,trongđónămdấuthểhiệnhiệusuấtcaonhất, trọnglượngthấpnhấtvà chi phíthấpnhất,tươngứng Cáctiêuchí so sánhcủađộngcơtheo thang điểm 1-5

a Tỷlệcôngsuấttrênkhốilượng

Côngsuấtcựcđạicủađộngcơđiệnthườngđượcsửdụngđểtínhtỷsốcôngsuấttrêntrọnglượ

ng Chia côngsuấtđỉnhcủađộngcơtínhbằng kW chotrọnglượngcủađộngcơtínhbằng Kg

đểcóđượccânbằngcôngsuấttrêntrọnglượngcủađộngcơđiện Hơnnữa,cácnhàsảnxuấtđộngcơđiệnkhácnhaupháttriểnvàchếtạocùngmộtđộngcơvớicùngxếphạngtheonhữngcáchkhácnhau Do đó, cóthểcósựkhácbiệtnhỏvềtrọnglượnggiữachúng Dođó,

trọnglượngtrungbìnhcủađộngcơsẽđượcsửdụngđểtínhtoántỷlệcôngsuấttrêntrọnglượngcủachúngvàcùngxếphạngcôngsuất, điệnápvàtốcđộ

phíchungmàanh ta chọncuốicùngsẽảnhhưởngđếnđộngcơ.Giáthànhcủabộđiềukhiểnchocácđộngcơđiệnhạthếkhácnhaucócùngđiệnápvàxếphạngcôngsuấtđầurađượcđưaradướiđâyđốivớiđộngcơđiệnhạápđượcsửdụngrộngrãitrongxeđiện((Pđm = 108kW, Te = 242Nm).

Bảng 1 3 So sánhgiữabốnđộngcơđượcsửdụngtrongEvsvề chi phícủabộđiềukhiển

d Chi phíđộngcơ

Mộttrongnhữngnhiệmvụtháchthứcnhấtmàcácnhàsảnxuấtxeđiệnphảiđốimặtlàcungcấpchongườitiêudùngmộtchiếcxeđiệnhoạtđộngtốtvàmộtchiếcxechạyxăngtrongkhivẫnrẻ.Nhưminhhọadướiđây, chi phícủamộtsốđộngcơđiệncócùngđiệnápvàcôngsuấtđầurađược sosánhvớiPđm = 108kW, Te = 242Nm

tôđiệnthíchsửdụngđộngcơcảmứngphahơn Độngcơđồngbộhiệuquảhơn ở tốcđộthấphơn,chophépsửdụng pin vàphạm vi láixetốthơn Độngcơđồngbộsẽđượcsửdụngkhicầnmô-menxoắnliêntục SRM làmộtgiảiphápthaythếtuyệtvờichođộngcơcảmứngvìchúnggiảm chiphíđộngcơvàbộđiềukhiển, hiệuquảcao ở tảicaonhấtvàtải 10%, độ tincậyvàkhảnăngchịulỗi Cuốicùng, độngcơ AFPMs cócácưuđiểmnhưhiệusuấtcao,tỷlệcôngsuấtkíchthướclớn, mậtđộcôngsuấtcao, tuổithọcao, mômenquántínhnhỏ,dảitốcđộhoạtđộngrộng, tỷlệmô-men xoắn / dòngđiện, lớn, tiếngồnthấp, ổnđịnh,

nhưngchúngcómột chi phícao Do đó, độngcơ AFPMđãđượcsửdụngrộngrãitrongcáchệthốngtruyềndẫnđiềukhiểntốcđộchấtlượngcaonhưxeđiện.

Vì vậy AFPM làđộngcơlýtưởngnhấtlàphùhợpvớitích hợp bánh xe Độngcơ AFPM vớimộtstator mộtrôtochomậtđộmômenxoắncaovàđộổnđịnh quay tốtphùhợpvớixe ô tôđiện

1.4Độngcơtừ trường dọc trục AFPM

Cuốinăm 1970 đầunăm 1980, đãxuấthiệnnhiềucấutrúcmớicủađộngcơAFPM (Campbell, 1975; Leung and Chan, 1980; Weh et al., 1984) Từđóchođếnnay, sựquantâmđếnđộngcơđiện AFPM tănglênđángkểvàtìmthấytrongnhiềuứngdụng do ưuđiểmcủachúng so vớicácđộngcơđiệnđồngbộtừthônghướngtâm (độngcơ RFPM) thôngdụng Chẳnghạnnhư: Vìđượckíchthíchvĩnhcửunênchúngcóhiệusuấtlớnhơn do tổnthất ở mạchkíchtừđượcloạibỏ, giảmđángkểtổnthất ở rotor Hiệusuấtcủađộngcơđiệnnàyvìvậyđượccảithiệnrấtnhiềuvàmậtđộcôngsuấtđạtđượclớn Cấutrúctừthôngdọctrụccórấtítvậtliệulõichonênđạtđượctỷsốmô men/ khốilượngcao Độngcơđiện AFPM cócácnamchâmmỏng, do đókíchthướccủachúngcũngnhỏhơn so vớicácđộngcơđiện RFPM.Kíchthướcvàhìnhdạnglànhữngtínhnăngquantrọngtrongcácứngdụngkhi

khônggianlắpđặtcónhiềuhạnchế, vìvậytínhtươngthíchlàrấtquantrọng Tiếngồnvà rung độngchúngtạoraíthơn so vớicácmáyđiệnthôngthường, hơnnữacáckhehởkhôngkhícủachúngphẳngvàdễdàngđiềuchỉnh Nhữnglợiíchnàytạochođộngcơ AFPM nhiềuưuthế so vớicácmáyđiệnthôngdụngtrongnhiềuứngdụngkhácnhau

Hình 1 14Cấutạocơbảncủađộngcơ AFPM

Vềmặtcấutạo, độngcơ AFPM cónhữngnétđặcbiệtriêng, chẳnghạnmodul stator bao gồm: Modul đơn (Hình 1.15 a) chỉcómộtbộdâyquấnvàmodulképcóhaibộdâyquấnchungmộtlõivà quay lưngvàonhau Rotor cũngtươngtự,modul rotor đơnchỉmộtmặtcónamchâmvĩnhcửuvàmodulképthìcảhaimặtđềucónamchâmvĩnhcửu (hình 1.15 c)

aLựachọncấutạođộngcơtừtrườngdọctrục3 phaxoaychiềuAFPM

Cấutạođộngcơ AFPM đượcphân chia chủyếudựavàosốlượngvàcáchbốtrícácmodul stator

và rotor, vídụnhưtrênhình 1.15:

Hình 1 15 Cáccấuhìnhcủamáyđiệntừthôngdọctrục NCVC a): Cấutrúc 1 rotor 1 stator; (b): Cấutrúc 1 rotor 2stator; (c): Cấutrúc 2 rotor 1 stator;

(d): Cấutrúcnhiềutầnggồm 2 khối stator và 3 khối rotor.

Cấuhìnhnàomàkhảnăngtạomô men càngcaothìcànghấpdẫn Trênhình1.15, giớithiệubốncấuhìnhcơbảntheomodul (modul stator vàmodul rotor) Mômen đượctạoravớicấuhìnhthứtư (hình 1.15.d), đượckếthợpbởi 5 modul (haimodul stator kép, haimodul rotor đơnvàmộtmodul rotor kép), lớngấpđôi so vớimômencủacấuhìnhthứhaivàthứbalànhữngcấuhìnhgồmcó 3 modul (hình9)1.16c: mộtmodul stator képvàhaimodul rotor đơn) vàhình 1.3b (haimodul statorđơnvàmộtmodul rotor kép), vàlớnhơn 4 lầnmômenđượctạora ở cấuhìnhthứnhất, (hình 1.15a (mộtmodul stator đơnvàmộtmodul rotor đơn).Cầnchú ý rằngcáccấuhìnhminhhọa ở hình 1.15(b) và 1.15(c) cócùngkhả

năngtạomô men vàlựachọngiữahaicấuhìnhnàyphụthuộcvàoviệcứngdụngcần rotor bêntrong hay rotor bênngoài

Mộtsố sosánhvàứngdụngnhưsau:

- Độngcơ AFPM mộttầng (mộtmodul stator đơnvàmộtmodul rotor đơn)như 1.16a cócácứngdụngtronglựckéocôngnghiệp, cáctruyềnđộngđiệncơ servo,quânsự, côngnghiệpvậntải, và thang máykhônghộpsốvìcấutrúcnhỏgọnvàkhảnăngsinhmô men cao Nhượcđiểmcơbảncủamáyđiệnnàylàlựcdọctrụckhôngcânbằnggiữa stator và rotor, cóthểvặnxoắncấutrúcmộtcáchdễdàng Đểđạtđượcmô men quay cựcđạivớilựcdọctrụccựctiểu, cóthểsửdụngmộtsốphươngpháplà: điềuchỉnhcácthànhphầndòngđiệndâyquấn stator, cácthànhphầnnàyđượcchiếulêncáchệtrụcvuônggóctươngứngvớicácvịtrí rotor; stator khôngrãnh; cácphươngánbốtrí ổ đỡphứctạp; đĩa rotor dầyhơnvàdịchphadòngđiện,…

- Độngcơ AFPM nhiềutầng bao gồm N modul stator và N+1 modul rotor trêncùngmộttrụccơ (Hình 1.15b,c,d) Dâyquấn stator cóthểđượcnối song songhoặcnốitiếp Cấutrúcnhiềutầnglàmtăngmậtđộmô men vàmậtđộcôngsuấtmàkhônglàmtăngđườngkínhcủamáyđiện Cácđộngcơ AFPM nhiềutầngcóthểdễ

lắpráphơn so vớiđộngcơ RFPM do khehởkhôngkhícủachúngphẳng.

Độngcơ AFPM cócácưuđiểmnhư: hiệusuấtcao, tỉlệcôngsuấttrênkích

thướclớn, mậtđộcôngsuấtcao, tuổithọlớn, mô men quántínhnhỏ, dảitốcđộlàmviệcrộng, tỉsốmomen/dòngđiệnlớn, ítnhiễu, bềnvững,… Vìthế, độngcơ AFPMđãvàđangđượcsửdụngrộngrãitrongcáchệthốngtruyềnđộngcóđiềuchỉnhtốc

độchấtlượngcaonhưxeđiện, robot côngnghiệp, máy CNC, cácthiếtbị y tế, quaybánh đàtrongcáchệtíchtrữnănglượngvàcónhữngưuthếgầnnhưtuyệtđốitrong

làlựachọnhoànhảovớiứngdụngtíchhợpđộngcơvàotrong bánh xe.Vìlý do đó,trongnghiêncứunày ta chọnđốitượngnghiêncứulàđộngcơAFPM cócấutrúcmột statorvàmột rotor

Ngoàira, cácđộngcơ AFPM cònphânbiệtvớinhau qua mộtsốđặcđiểmvềcấutạo, chẳnghạnnhư: Modul rotor cócácphiếnnamchâmhìnhdảiquạtđượcgắn

trênbềmặthoặcchìmbêntronglõi, modul stator cósẻrãnhhoặckhôngcórãnh, cólõiphầnứnghoặckhôngcólõi, dâyquấntrên stator dạngvònghoặcdạngtrống,mộttầnghoặcnhiềutầng.

b.Cấutạo

Động cơ mộtmặtlàcấutrúccơbảnnhấtcủacáccấutrúcliênkếtnàycho AFPM.Sựsắpxếpnàychứamộtstatođặtcuộndâyvàmộtrôtođặtnamchâm Cácnamchâmtrongrôto xenkẽgiữacáccựcnamvàbắcđốixứngvớistato, nhưthểhiệntrongHình1.16

Đĩa Rotor

Cuộn dây

Cực

Đĩa Stator Rãnh

Hình 1 16:Cấu tạo động cơ 1 mặt (1 stator và 1 rotor)

Trongcấutrúcliênkếtnày, cóthểđạtđượctỷlệcaogiữađườngkínhvàchiềudàimáy.Cấutrúcliênkếtthường bao gồmmộtthiếtkếnhỏgọnvàcungcấp chi phíthấp.Nhượcđiểmchínhcủacấutrúcliênkếtmộtphíalàvấnđềthuhútlựclượngchính;

bởivìtừthôngchỉđếntừmộtphía, cáclựchấpdẫndẫnđếnsựuốncongcủacácáchvàtổnthất ổtrụccao

1.5 Nguyên lý hoạt động của ô tô điện

Theo tài liệu [5], khi động cơ quay, công suất của động cơ được truyền đến bánh xechủ động của ô tô thông qua hệ thống truyền lực Khi truyền như vậy, công suất bị tổnhao do ma sát trong hệ thống truyền lực và công suất ở bánh xe chủ động sẽ nhỏ hơncông suất do động cơ phát ra Công suất ở bánh xe chủ động được thể hiện qua hai thông

số là mômen xoắn và vòng quay của bánh xe chủ động Nhờ có mômen xoắn truyền tớibánh xe chủ động và nhờ có sự tiếp xúc giữa bánh xe chủ động với mặt đường nên tạivùng tiếp xúc giữa bánh xe chủ động và mặt đường sẽ phát sinh ra lực kéo tiếp tuyếnhướng theo chiều chuyển động Lực kéo tiếp tuyến chính là lực mà mặt đường tác dụnglên bánh xe Để cho ôtô có thể chuyển động được thì ở vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặtđường phải có độ bám đường nhất định đặc trưng bằng hệ số bám Nếu độ bám thấp thìbánh xe có thể bị trượt hoặc quay khi có mômen xoắn lớn truyền động từ động cơ đếnbánh xe chủ động và lúc đó ô tô không thể tiến lên phía trước được Hệ số bám giữa bánh

xe chủ động và mặt đường là tỷ số giữa lực kéo tiếp tuyến cực đại sinh ra tại điểm tiếpxúc giữa bánh xe chủ động và mặt đường trên tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xechủ động

1.6 Điềukhiểnhệtruyềnđộngđiệnđộngcơ AFPM

Khi thiết kế bộ điều khiển cho động cơ AFPM thường sử dụng phương pháp điềukhiển trực tiếp mô-men DTC và tựa từ thông rotor FOC Trong đó phương pháp điềukhiển DTC, từ thông rotor được ước lượng bằng điện áp stator Mô-men xoắn được ướctính qua từ thông và vector dòng điện stator Biên độ từ thông rotor và mô -men được sosánh với giá trị đặt Nếu từ thông ước tính hoặc mômen thực không bám sát với giá trịtham chiếu nhiều (tồn tại sai lệch lớn phạm vi sai lệch cho phép), thì tần số hệ truyềnđộng thay đổi để sao cho sai lệch là nhỏ nhất Do đó, điều khiển mô-men xoắn trực tiếp làđiều khiển độ trễ hoặc kiểm soát bang-bang Trong đó, điều khiển vector FOC với cấutrúc điều khiển phân tầng đã khá quen thuộc cho động cơ xoay chiều 3 pha Ở đó, 2 thànhphần dòng điện stator (là những đối tượng có động học nhanh) được điều chỉnh ở vòngtrong cùng, các đại lượng tốc độ quay và từ thông rotor có động học chậm hơn được điềuchỉnh ở vòng bên ngoài Bộ điều khiển dòng stator cũng như trường hợp động cơ mộtchiều kích từ độc lập phải đảm bảo yêu cầu nhanh và chính xác Ngoài ra, đối với động

cơ xoay chiều 3 pha do có sự tương tác giữa 2 thành phần dòng điện cần phải bổ sungthêm yêu cầu tách kênh để loại bỏ sự tương tác này Bên cạnh đó phương pháp điều khiểnFOC có dải biên tần mô-men nhỏ, độ bền vững truyền động tốt hơn so với DTC, nhưngđáp ứng động học chậm hơn so với DTC

Vậy với những ưu điểm của điều khiển vector FOC, nên trong đề tài nghiên cứu sẽ

áp dụng phương pháp điều khiển FOC cho hệ truyền động động cơ AFPMtích hợp bánh

xe ô tô điện như hình 1.17.

Hình 1 17Cấu trúc điều khiển vector hệ truyền động ô tô điệnsửdụng

cácnghiêncứutrongnướchướngchínhnghiêncứucácgiảiphápđiềukhiểnchuyểnđộngđểnângcaochấtlượnghệtruyềnđộngthông qua bộthiếtkếđiềukhiểnmô-men

chođộngcơkhôngđồngbộ, đồngbộnamchâmvĩnhcửu,điềukhiểnchốngtrượttheophươngphápướclượngmô-men cựcđại, tốiưutỷsốtrượt…

Tuynhiênhệtruyềnđộngnàycầncóthêmcácgiảiphápvềcơkhívàđiềukhiểnthôngminh,

kếthợpbộquansát Trongkhiđó, hệtruyềnđộngtrựctiếpchobốn bánh xe(truyềnđộngphântán) ứngdụngđộngcơtừtrườngdọctrục AFPMSMngàycàngđượcquantâmvà xu hướngsửdụngtrongtươnglại Bởivì,cácđộngcơđượcđiềukhiểnđộclập, hoạtđộngcủađộngcơđượcđiềuphối quamộtmáytínhtrungtâm, bảođảmtínhổnđịnhvà an toàntrongchuyểnđộngcủaxe Bêncạnhđó,việctíchhợpcácđộngcơđếntừng bánh xesẽloạibỏcấuhìnhbộtruyềncơkhí,giảmbớttrọnglượngcủaxe, qua đó, giảmbớtcôngsuấtđộngcơ, giảmbớtgiáthànhchoxe.Tuynhiênđiềukhiểnphátđộngmô-men, chuyểnđộngphứctạp, nhưngkếtcấucơkhíđơngiản,vìvậyđộổnđịnhchuyểnđộngvàkhảnăngnângcaochấtlượngchuyểnđộngbằngđiềukhiểnđộngcơtốthơn so vớihệtruyềnđộngtậptrung

cáccôngtrìnhnghiêncứutrongnướcvàngoàinướcđãvàđangtậpchungchủyếuvềthiếtkế,

xesaochopháthuymômenxoắnđểcảithiệnhiệusuấtcủaxe ô tôđiện,bằngcáchthayđổivậtliệutừthíchhợp, bốtrívịtrí, sốlượngcựctừ stator, rotorvàcảithiệnhệthốnglàmmáthiệuqủa

Cáckếtquảnghiêncứunàychỉdừnglạilàđềxuấtcấutạođộngcơ AFPMSMđảmbảocáctiêuchíkỹthuậtnhưtrên, màchưacóchứngminhbằngmôphỏng haythựcnghiệmtrườnghợpđộngcơ AFPMSM tíchhợpvới bánh xe ô tôđiện Bêncạnhđó,cácnhà khoa họctrongnướcvàngoàinướcđãvàđangquantâmnghiêncứuđiềukhiểnmô-men,tốcđộđộngcơ AFPMSM ứngdụngchotruyềnđộngkéotậptrungcủa ôtôđiệnsaochocácđápứngđộngcơ (mô-men, tốcđộ) theoyêucầu Bộđiềukhiểnmô-men,tốcđộđượcđiềukhiểndựatrêntrựctiếpmô men (DTC), tựatừthông rotor (FOC)vàkếthợpcácphươngphápđiềukhiểnnhưtuyếntính (PI, LQR, Dead beat…), hay phi tuyến

Cáckếtquảnghiêncứuchỉdừnglạiđánhgiáhiệuqủapháthuycủatừnggiảiphápchobộđiềukhiểnmô-men, tốcđộtrongtrườnghợpđộngcơhoạtđộngvớimô-men tảikhôngthayđổi, haythamsốđộngcơthayđổi….saochođápứngmô-men

cóđộđậpmạchnhỏvàđápứngtốcđộthựcbámnhanhvàchínhxáctốcđộyêucầu Quađónhậnthấyrằng, vấnđềnghiêncứuđánhgiácácgiảiphápđiềukhiểnnângcaomô-menxoắnđộngcơ AFPMSM tíchhợp bánh xe ô tôđiện, kếthợpvớithànhphầnmô-menyêucầuđúngvớitínhchấtvậylýhoạtđộngcủaxe ô tôđiệnnhưchânphanh, chân ga,tácđộngcủađộnghiêngcủađườngvàcảntrởcủagió … đểcảithiệnhiệusuấtcủaxe ôtôđiệnvẫnđangrấtít ở nướcngoài, vàthậmchíchưacócôngtrình khoa họccôngbố ở ViệtNam Vìvậynângcaođápứngmô men xoắnđộngcơtừtrườngdọctrụcđồngbộ AFPMSMtíchhợp bánh xeđểcảithiệnhiệusuấtcủaxe ô tôđiệnbằngcácphươngphápđiềukhiểntuyếntính,phítuyếnvàdựbáolàrấtcầnthiếtvềnghiêncứulýthuyếtcũngnhưtriểnkhaithựcnghiệmtrongtươnglai

1.7Bộnghịchlưunguồnáp

Ngàynay, trongcôngnghiệpsửdụngcácthiếtbịcôngsuất caovìvậyyêucầucácbộbiếnđổiđápứngđượcchấtlượngtốtmàcònphảitiếtkiệmnănglượngtốiđa.Nghịchlưuđamứcđápứngđượcyêucầutrên

Sựtiếnbộgầnđâynâng cao tínhnăngcủadòng, ápcủathiếtbịchuyểnmạchnhư IGBT,IGCT, GTO đãthúcđẩybộnghịchlưunguồnáptronglĩnhvựccôngsuấtlớn

ngàycàngđượcứngdụngrộngrãitrongtruyềnđộngxoaychiều,

trongtruyềntảiđiệnxoaychiềunhưbộbùtĩnh (static var compensator)

V

t V

t

Sovớibộbiếnđổi hai mứccổđiển, bộnghịchlưuđamức có hiệusuấtbiếnđổi cao hơn,điệnápđầu ra có dạnggầnsinhơn, thànhphần sóng hàibậc caolạirấtnhỏtheosốmứccủabộbiếnđổi.

Cácdạngcấu trúc cơbảncủabộnghịchlưuápđamức

Có 4 dạngthườngđượcsửdụngtrongbộnghịchlưuápđamức:

- Dạng diode kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter)

- Dạngdùngtụđiệnthayđổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter)

- Dạngghéptầng cascade (Cascade Inverter)

U DC /2

N a

c b

Hình 1 19Cấutrúcnghịchlưu 2 mức – Cấutrúcnghịchlưu 3 mức

Hình 1 21ĐiệnápđầuraUab (điệnápdây) củanghịchlưu 3 mức

lớnhơn íthơn

Sốlượng van bándẫníthơn,

điềukhiểnđơngiảnhơn

Cầnsốlượng van lớn, điềukhiểnphứctạpkhisốmứctănglên

1.7.1 Cấu trúc nghịch lưu T-Type 3 pha

Cấu trúc nghịch lưu 3 mức T-type được phát triển từ cấu trúc nghịch lưu nguồn áp 3pha 2 mức thông thường Cấu trúc được cấu thành từ 6 van bán dẫn mắc kiểu thôngthường và 6 van mắc song song tạo thành 3 nhánh chữ T (Hình 1.1)

Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi là dựa vào 2 tụ một chiều DC để chia điện ápđầu vào thành 2 thành phần điện áp Vdc /2 và tạo nên điểm trung tính ảo Điều chỉnh đóngcắt hợp lý các van bán dẫn sẽ cho ra mức điện áp dây đầu ra có dạng 5 mức : 1/2Vc, -Vc,

Có fij= 0 nếu Tij; fij= 1 nếu Tij mở:

0 0 0

2

0

i i i

00

A A

f f

ïï

íï =ïî

Vc

-Vc

Vc/2

-Vc/2

Hình 1 23Điệnápdâyđầuranghịchlưu T-type 3 pha

1.7.2 So sánh cấu trúc nghịch lưu T-Type với cấu trúc nghịch lưu NPC

a)Cấu trúc Diode kẹp (NPC)

Trongnghịchlưudùng diode chốtnguồnmộtchiều DC đượctạo ranhiềumứcnhờhệthốngtụphânáp, các diode có tácdụngngăncácmứcđiệnáptrênsơđồ van

vàocácmứcđiệnápnày Sơđồ có thểchỉcầnmộtnguồn DC duynhất,tuynhiênnhượcđiểmlàcầntớinhiều diode trongmạchchốtvàvấnđềcânbằngcácmứcđiệnáp

DC tươngđốiphứctạp

S1

S2' C2

Van

Vdc

0 a

Hình 1 24Sơđồmộtpha 3 mức NPC

Theo cấu trúc củanghịchlưuđamức NPC, baogồm 2 tụđiện C1, C2 chiađiệnáp VDCthành 3 mứcđiệnápđầu ra Van: Vdc/2, 0 và - Vdc/2 bởisựkếthợpđóngcắtgiữacác vantheobảngdướiđây:

Ưu điểm nghịch lưu đa mức NPC:

+ Độ méo sóng hài THD giảm theo sự gia tăng số mức do đó không cần bộ lọc DC.+ Tất cả các van được đóng cắt ở tần số cơ bản nên hiệu suất của bộ nghịch lưu tăngcao

+ Tất cả các pha dùng chung một đường dẫn nguồn một chiều DC bus với yêu cầutối thiểu về số lượng tụ điện

+ Các tụ điện có thể được nạp điện từ trước theo nhóm

Nhược điểm nghịch lưu đa mức NPC:

+ Khó khăn trong việc điều khiển công suất tiêu thụ điều này dẫn đến các tụ một

chiều hay vượt quá ngưỡng nạp hay ngưỡng xả.

+ Khi cấu trúc có bậc n lớn hơn 3 thì điện áp mà diode kẹp phải chịu đựng là Udc2)/(n-1) cao

(n-+ Số lượng Diode gia tăng theo số mức NPC từ đó làm cho hệ thống cồng kềnh

b) Cấutrúcdùngtụđiệnthayđổi (FC)

`

Vdc

n C2

Hình 1 25Sơđồ 1 pha 3 mức FC

Cũng như cấu trúc của nghịch lưu đa mức NPC, ở đây thay vì sử dụng diode người

ta sử dụng tụ điện để kẹp điện áp của thiết bị đến mức điện áp của tụ điện

+ Sốlượngtụđiệnlớn dođócóthểlàmbộnghịchlưubámđượcdạngđiệnáptrongthờigianngắn.

Nhượcđiểmnghịchlưuđamức FC

+ Điềukhiểnđểbámtheogiáctrịcủacácmứcđiệnáppháphứctạp

+ Sửdụngsốlượnglớntụđiệndẫnđếnmạchcồngkềnh, chi phícao

+ Quátrìnhđiềukhiểndòngcôngsuấthữucông qua bộnghịchlưuđạthiệusuấtthấp

c) Cấu trúc dạngnốitầng (CHB)

Một nghịchlưuđacấpnốitầngđược tạo thành từ một loạt cácbộbiếnđổicầumộtpha(thườnggọilàcầuchữH), mỗi cầu có mộtnguồn DC riêngbiệt Nghịchlưunày có thể tạo radạng sóng điện ápgần như hình sin từ một sốnguồn DC, có thể được lấy từ pin mặt trời,pin nhiên liệu, tụ điện,từchỉnhlưuvớimáybiếnáp có nhiềucuộnthứcấp Mỗi cầu chữ H cóthể tạo ra 3 cấp điện áp khác nhau trên đầu ra + Vdc, 0 và Vdc bằng cách kết nối cácnguồn DC với đầu ra AC bằng bốn trạng thái đóng cắt có thể của bốn van bán dẫn Tất cảcác nguồn DC có thể có giá trị bằng nhau hoặc khác nhau theo một quy luật nhất định.Điện áp đầu ra của nghịch lưu M- mức là tổng của tất cả các giá trị đầu ra của các mạchcầu Nếu tất cả các nguồn DC có giá trị bằng nhau thì với M mức trên dạng sóng điện ápđầu ra có một mức không là chung khi tất cả các cầu H đều cho đầu ra không, vậy trongnửa chu kỳ sẽ có số mức là (M-1)/2, chính là số cầu H thành phần Như vậy số mức chỉ

có thể là số lẻ, ví dụ 3 mức (chỉ gồm một cầu H, N=1), 5 mức (2 cầu H, N=2), 7 mức (3cầu H, N=3), …

Bằng cách sử dụng các nguồn DC có giá trị khác nhau có thể tạo ra nhiều cấp điện áp

ở đầu ra bằng các phương pháp điều khiển phù hợp

Lợi thế của bộ nghịch lưu đa mức dùng các khâu biến đổi nối tầng bao gồm: (1) cácvan bán dẫn chỉ phải đóng cắt ở tần số cơ bản (hoặc gần tần số này), do đó giảm đáng kểtổn hao do quá trình đóng cắt, (2) không cần dùng máy biến áp ở tần số lưới cung cấp cácmức điện áp cần thiết, (3) kết cấu kiểu mô-đun hóa nên cấu trúc mạch lực đơn giản hơn,

số lượng thiết bị ít hơn, và (4) vì không có biến áp nên hệ thống có thể đáp ứng nhanhhơn nhiều

S1

`

+ - S3

Vớisơđồmộtphabộnghịchlưu 3 mứccầu H, sẽ có 3 mứcđiệnáp ra baogồm: 0, VDC,

-VDC Kýhiệutrạngtháikhóa bán dẫnlà “1” khikhóadẫndòngvà “0” khikhóakhôngdẫndòng

Cáctrạngtháimứcđiệnáp ra củasơđồ, kýhiệulàSA (state level), có giátrịsau:

11