động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (ipmsm)

động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (ipmsm)

MỤC LỤC

ĐỀ TÀI : ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU (IPMSM)

Thông số động cơ: Cho động cơ đồng bộ với các thông số sau:

Udm=50V, nđm =1200rpm ,J=0,4e-3 kg.m2 ,Iđm=8,66,số đôi cực p=2 ;Rs=0,57Ω,

f=0.108Wb, Lsd=8.7mH,Lsq=22.8mH

YÊU CẦU:

- Thuyết minh nguyên lý làm việc của hệ truyền động điều khiển bằng

phương pháp vector

- Mô hình hóa hệ truyền động bằng phương pháp hàm truyền

- Xây dựng cấu hình hệ điều khiển với mạch dòng điện và tốc độ

Mô phỏng hệ điều khiển bằng hai phương pháp điều khiển PID dùng mô hình hàm truyền

Lấy các đặc tính điều khiển (tốc độ dòng điện) vùng dưới tốc độ cơ bản và vùngđiều khiển giảm từ thông (trên tốc độ cơ bản )

I Giới thiệu động cơ các phương pháp điều khiển, ứng dụng

1 Khái niệm và cấu tạo

Động cơ đồng bộ là động cơ xoay chiều có tốc độ quay của rotor bằng tốc

độ quay của từ trường Ở chế độ xác lập động động cơ điện có tốc độ quay của rotor luôn không đổi khi tải thay đổi tùy thuộc vào tần số nguồn và số đôi cực của động cơ

Động cơ đồng bộ nói chung , động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu nói riêng là những máy điện xoay chiều gồm có 2 phần stator và rotor , phần cảm đặt ở rotor và phần ứng đặt ở stator Với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu thì phần cảm ứng được kích thích bằng những phím nam châm bố trí trên bề mặt hoặc dưới bề mặt rotor Các thanh nam châm được làm bằng đất hiếm ví dụ nhưSamariu-cobalt(SmCO5, SmCO7) hoặc Neodymium-iron-boron(NdFeB), là các nam châm có năng suất năng lượng cao và tránh được khử từ, thường được gắn trên bề mặt hoặc bên trong lõi thép rotor để đạt được độ bền cơ khí cao, nhất là khi tốc độ làm việc cao thì khe hở giữa các nam châm có thể đắp bằng vật liệu

từ sau đó bọc bằng vật liệu có độ bền cao , ví dụ như sợi thủy tinh hoặc bắt bu lông vít lên các thanh nam châm Ngoài ra còn có nam châm gốm độ bền cao

Dựa vào loại sức phản điện động trên stator động cơ đồng bộ xoay chiều ba

pha(PMAC) có thể chia làm 2 loại dạng hình sin (PMSM) và dạng hình thang (BLDC)

Loại Trapezoidal PMAC còn được gọi là động cơ một chiều không chổi than (BLDC) Điểm khác biệt cơ bản so với những động cơ đồng bộ khác là sức phản điện động (back-EMF) của động cơ có dạng hình thang do cấu trúc dây quấn tập trung (các loại khác có dạng hình sin do cấu trúc dây quấn phân tán) Dạng sóng sức phản điện động hình thang khiến cho động cơ BLDC có đặc tính cơ giống động cơ một chiều, mật độ công suất, khả năng sinh mômen cao, hiệu suất cao

Dựa vào vị trí nam châm trong rotor người ta phân Sinusoidal PMAC thành 2 loại động cơ đồng bộ nam châm bề mặt(SPMSM) và động cơ đồng bộ nam châm chìm (IPMSM)

Hình 1: Cấu trúc động cơ SPM và IPM

Hình 2 : Khác với động cơ SPM, động cơ IPM có điện cảm dọc trục và ngang trục khác nhau

Hình 3: Đặc tính sinh momen của động cơ IPM

Động cơ SPM thông thường có nam châm được gắn trên bề mặt rotor Động cơ IPM có nam châm được gắn chìm bên trong rotor dẫn tới sự khác biệt giữa điện

(Magnet Torque) như ta thấy trên hình 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, chophép nâng cao vùng điều chỉnh tốc độ

3 Nguyên lý hoạt động của động cơ đồng bộ nam châm chìm (IPMSM)

Điện áp đặt stator là điện áp ba pha có thể cấp từ biến tần hoặc từ lưới xuất hiện dòng ba pha trên stator Nam châm vĩnh cửu tạo ra từ thông khe hở không khí ,từ thông này tác động với dòng điện stator tạo ra momen kéo rotor quay

Ở chế độ xác lập tốc độ rotor luôn đồng bộ với từ trường stator nên được gọi là động cơ đồng bộ

4 Ứng dụng của động cơ đồng bộ nam châm chìm (IPMSM)

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 trong các máy công cụ như máy nén khí máy nghiền và kéo tầu Tận dụng khả năng điều chỉnh trong dải tốc độ rộng và khả năng sinh momen lớn động cơ đồng bộ nam châm chìm đang đượcứng dụng rất mạnh trong lĩnh vực chế tạo ô tô

II.Hệ phương trình cơ bản của động đồng bộ nam châm chìm( IPMSM)

1 Đặt vấn đề

Để xây dựng , thiết kế bộ điều chỉnh cần phải có mô hình mô tả chính xác đến mức tối đa đối tượng cần điều chỉnh Mô hình toán học thu được cần phải thể hiện rõ đặc tính thời gian của đối tượng điều chỉnh Tuy nhiên mô hình được xây dựng chủ yếu là để phục vụ cho xây dựng các thuật toán điều chỉnh chứ không phải mô tả chính xác về mặt toán học đối tượng động cơ Điều đó dẫn đến các điều kiện được giả thiết khi thiết lập mô hình Các điều kiện nhằmđơn giản hóa mô hình có lợi cho việc thiết kế sau này ,mặt khác nó gây nên sai lệch cho phép nhất định giữa đối tượng và mô hình Sau này các sai lệch đó phải được loại trừ bằng các phương pháp thuộc về kỹ thuật điều chỉnh

Về phương diện động động cơ đồng bộ được mô tả bởi hệ phương trình vi phânbậc cao Vì cấu trúc phân bố các cuộn dây phức tạp về mặt không gian , vì các

mạch từ móc vòng ta phải chấp nhận các điều kiện sau đây khi mô hình hóa động cơ

• Các cuộn dây stator được bố trí một cách đối xứng về mặt không gian

• Các tổn hao sắt từ và bão hòa từ có thể bỏ qua

• Các giá trị điện trở và điện cảm được coi là không đổi

2 Các hệ phương trình cơ bản của động cơ

Phương trình điện áp cho 3 cuộn dây stator của động cơ

Usu(t)=Rsisu(t) +

Usv(t)=Rsisv(t) +

Usw(t) =Rsisw(t)+

Với Rs điện trở của cuộn dây stator

Ψsu,ψsv,ψsw từ thông stator của cuộn dây pha u,v,w

Usu,Usv,Usw điện áp pha u,v,w stator

Để đơn giản hóa mô hình động cơ dùng phép chuyển đổi trục tọa độ đưa hệ thống ba pha từ (uvw) sang hệ tọa độ dq Hệ tọa độ dq là hệ tọa độ tựa từ thông rotor

Ma trận chuyển đổi

Usd , Usq phần tử d,q của vector điện áp stator

là góc giữa trục chuẩn (quy ước là trục đi qua cuộn dây pha u) và trục rotor

Hình 4.Biễu diễn vector không gian trên hệ tọa độ tựa từ thông rotor(dq)

Sơ đồ thay thế của động cơ đồng bộ nam châm chìm (IPMSM)

Hình 5.Sơ dồ thay thế động cơ IPM

- Phương trình điện áp stator trong hệ tọa độ dq

Usd= Rs.isd + - q

Usq = Rs.isq + + d

Trong đó isd, isq phần tử d,q của vector dòng điện stator

d,q phần tử d,q của vector từ thông

MT Momen tải ,momen cản

là tốc độ góc rotor

3.Mô hình động cơ trong hệ tọa độ tựa từ thông rotor

Hình 6 Sơ đồ cấu trúc mô hình động cơ IPM Dựa vào hình 6 ta thấy đầu vào của mô hình động cơ IPMSM là điện áp

ba pha đầu ra là các giá trị tốc độ và dòng stator Điện áp ba pha được chuyển qua hệ tọa độ dq như đã được trình bày ở mục trên

Sử dụng phương trình từ thông và phương trình điện áp ta có thể viết lại

phần dòng isd <0 Động cơ lúc này được vận hành ở chế độ giảm từ thông và dòng isd sẽ có biên độ lớn tăng tỉ lệ thuận với tốc độ quay rotor

Từ các phương trình trên ta xây dựng được mô hình trong simulink

Mô hình Simulink

Hình 7 Sơ đồ Simulink động cơ IPM

III Chiến lược điều khiển

Phương pháp điều khiển FOC là sự lựa chọn tốt nhất có khả năng điều khiển momem tốt , đáp ứng nhanh Có khả năng làm suy yếu dòng Isd để đạt được dải tốc độ trên tốc độ cơ bản Vì vậy trong đề tài này em sử dụng phương pháp FOC

1.Phương pháp điều khiển FOC

Phương pháp FOC là phương pháp điều khiển vòng kín Tốc độ động cơ được sử dụng làm thông tin phản hồi để thực hiện thuật toán này Việc điều khiển momen được điều khiển gián tiếp thông qua điều khiển dòng điện stator is

HÌnh 8.Sơ đồ cấu trúc điều khiển FOCTheo sơ đồ cấu trúc gồm mạch vòng dòng điện(gồm isd và isq )và tốc độ Giá trị tốc được đo về qua encoder hoặc máy phát tốc so sánh với giá trị tốc độ đặt Trường hợp điều khiển dưới tốc độ cơ bản giá trị isd*=0 Trường hợp trên tốc độ

cơ bản từ giá trị momen đặt tính được giá trị isd* và giá trị isq* Việc tính dòng

isd* ,isq* trong đề tài này em sử dụng phương pháp (Mmax/Is)max Maximum torque per ampere)

(MTPA-2 Phương pháp điều khiển MTPA

Hình 9

Điều khiển cực đại tỉ số “ momen/dòng điện” dẫn đến tổn thất cực tiểu trong động cơ điều đó có nghĩa là tối ưu hóa hiệu suất của truyền động

Lúc này momen là hàm của Vậy ta có thể tìm để tỉ số max

Cuối cùng ta có thể thiết lập được mối quan hệ giữa M* và dòng stator tương ứngf(M*);f(M*)

III Tổng hợp hệ thống điều khiển động cơ nam châm chìm(IPMSM )tựa theo

từ thông rotor

1 Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện

Trong trường hợp hệ thống truyền động có hằng số thời gian cơ học rất lớn( lớn hơn bốn lần hằng số thời gian điện từ của phần ứng ) Khi đó ra coi sức điện động của động cơ không ảnh hưởng đến quá trình điều chỉnh của mạchvòng dòng điện ( coi E=0) Dựa vào sơ đồ cấu trúc ta thấy hai bộ điều chỉnh dòng điên Risd và Risq hoàn toàn giống nhau về mặt cấu trúc nên chỉ cần tính toán thiết kế cho bộ điều chỉnh dòng Risd

Hình 11.Cấu trúc của bộ điều khiển dòng điện

Sơ đồ khối mạch vòng điện (isd) được mô tả như hình 11

Hình 12 Sơ đồ mạch vòng dòng điệnTrong sơ đồ trên

Tcl : hằng số thời gian của mạch nghịch lưu và phát xung

Ti : hằng số thời gian của mạch đo dòng điện

Kcl : hằng số khuếch đại của mạch nghịch lưu

Ki : hằng số khuếch đại của mạch đo dòng điện

Khi đó hàm truyền của đối tượng điều chỉnh là

P= (*)Trong đó các hằng số thời gian Tcl,Ti rất nhỏ so với hằng số thời gian điện từ Tsd

Đặt Ts= Tcl+Ti thì công thức (*) có thể viết gần đúng như sau

P=

Theo tiêu chuẩn tối tối ưu modul thì hàm truyền chuẩn của mạch vòng dòng điện là

Suy ra

Risd=

Chọn Ts=T ta có

Risd=

Ta thấy bộ điều chỉnh dòng điện là môt khâu PI

Bằng cách tương tự ta có bộ điều chỉnh Risq cũng là một khâu PI

Hình 13.Cấu trúc của hệ điều chỉnh tốc độ

Trong đó là khâu hàm truyền của sensor tốc độ

Vậy hàm truyền của đối tượng điều chỉnh là :

=

Chọn = Ts

Suy ra :

=

IV Mô phỏng trong Simulink

1. Trường hợp điều khiển dưới tốc độ cơ bản (n* = 1180rpm)

Hình 14

Hình 15 Kết quả mô phỏng dưới tốc độ cơ bản

Hình 16 Kết quả mô phỏng id , iq dưới tốc độ cơ bản

2.Trường hợp trên tốc độ cơ bản (n*= 1400rpm)

Hình 17

Hình 18 Kết quả mô phỏng trên tốc độ cơ bản

Hình 19: Kết quả mô phỏng id , iq trên tốc độ cơ bản

Nhận xét: Khi khởi động dòng tăng nhanh để tạo ra momen lớn Để hạn chế dòng ta dùng khối saturation để hạn chế dòng lúc khởi động

Từ đồ thị nhận thấy : Thời gian đáp ứng nhanh bám giá trị đặt không có độ quá điều chỉnh

Khi có nhiễu tải tốc độ có giảm xuống song ổn định trở lại rất nhanh bám sát giá trị đặt

Kết quả điều khiển cho thấy thiết kế bộ điều khiển khá chính xác

Tuy nhiên vẫn có sai số mô hình nên khi có nhiễu tải thì giá trị tốc độ bị sụt xuống khá lớn Để chất lượng điều khiển được đảm bảo tốt hơn cần dùng bộ điều khiển theo phương pháp điều khiển tiên tiến như logic mờ

V Tài liệu tham khảo

• Cơ sở truyển động điện ( Bùi Quốc Khánh – Nguyễn Văn Liễn- Phạm Quốc Hải- Dương Văn Nghi)

• Điều chỉnh tự động truyền động điện (Bùi Quốc Khánh – Nguyễn Văn Liễn)

• Matlab Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động ( Nguyễn Phùng Quang)

• Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha ( Nguyễn Phùng Quang)

• Truyền động điện thông minh ( Nguyễn Phùng Quang)