động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (ipmsm)

động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (ipmsm)

Đồ án chuyên nghành MỤC LỤC Mai Đình Thế Page 1 Đồ án chuyên nghành 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, n đm =1200rpm ,J=0,4e-3 kg.m 2 ,I đm =8,66,số đôi cực p=2 ;R s =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 vùng điều khiển giảm từ thông (trên tốc độ cơ bản ) Mai Đình Thế Page 2 Đồ án chuyên nghành 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 như Samariu-cobalt(SmCO 5 , SmCO 7 ) 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 2. Phân loại Mai Đình Thế Page 3 Trapezoidal type (BLDCM) PMAC machines Sinusoidal type (PMSM) Surface magnets type (SPMSM) Interior magnets type (IPMSM) Đồ án chuyên nghành 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 Mai Đình Thế Page 4 Đồ án chuyên nghành 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 cảm dọc trục và điện cảm ngang trục,từ đó tạo khả năng sinh mômen từ trở (Reluctance Torque) cộng thêm vào mômen vốn có do nam châm sinh ra Mai Đình Thế Page 5 Đồ án chuyên nghành (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, cho phép 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 được ứng 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 nhằm đơn 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 phân bậc cao . Vì cấu trúc phân bố các cuộn dây phức tạp về mặt không gian , vì các Mai Đình Thế Page 6 Đồ án chuyên nghành 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 U su (t)=R s i su (t) + U sv (t)=R s i sv (t) + U sw (t) =R s i sw (t)+ Với R s điện trở của cuộn dây stator Ψ su, ψ sv, ψ sw từ thông stator của cuộn dây pha u,v,w U su, U sv ,U sw 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 U sd , U sq 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 Mai Đình Thế Page 7 Đồ án chuyên nghành 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 U sd = R s .i sd + - . q U sq = R s .i sq + + . d Mai Đình Thế Page 8 Đồ án chuyên nghành Trong đó i sd , i sq phần tử d,q của vector dòng điện stator d,q phần tử d,q của vector từ thông - hương trình từ thông d = i sd. L sd + p q = i sq . L sq p : từ thông của rotor nam châm vĩnh cửu • Phương trình mômen M= p.(ψ s . i s ) • Phương trình động học M-M T = J Trong đó J Momen quán tính cơ M T Momen tải ,momen cản là tốc độ góc rotor Mai Đình Thế Page 9 Đồ án chuyên nghành 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 I sd = I sq = Phương trình momen M= = (*) Nhận xét : Dựa vào phương trình (*) ta nhận thấy momen quay của động cơ IPM gôm 2 thành phần ,thành phần chính với M 1 = và thành phần phản kháng M 2 =do sự chênh lệch điện cảm stator gây ra . Ở dải tốc độ định mức để đơn giản hệ thống ta có thể cho i sd = 0. Tuy nhiên với dải tốc độ trên định mức để thu thêm được điện áp điều chỉnh ta phải giảm biên độ từ thông rotor bằng cách bơm vào trục d một thành Mai Đình Thế Page 10 [...]... dùng bộ điều khiển theo phương pháp điều khiển tiên tiến như logic mờ Mai Đình Thế Page 23 Đồ án chuyên nghành V Tài liệu tham khảo • Cơ sở truyển động điện ( Bùi Quốc Khánh – Nguyễn Văn LiễnPhạm 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. .. 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 mạch vòng dòng điện ( coi E=0) Dựa vào sơ đồ cấu trúc ta thấy hai bộ điều chỉnh dòng điên Risd và Risq hoàn toàn... của truyền động Phương trình momen M= (*) Hình 10 Biễu diễn vector Is Đặt = = : biên độ dòng điện lớn nhất được cung cấp từ bộ nghịch lưu Thay vào (*) ta có M= 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 ứng f(M*);f(M*) Mai Đình Thế Page 13 Đồ án chuyên nghành III Tổng hợp hệ thống điều khiển động cơ nam châm chìm(IPMSM... Trường hợp điều khiển dưới tốc độ cơ bản (n* = 1180rpm) Hình 14 Mai Đình Thế Page 18 Đồ án chuyên nghành Hình 15 Kết quả mô phỏng dưới tốc độ cơ bản Mai Đình Thế Page 19 Đồ án chuyên nghành 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 Mai Đình Thế Page 20 Đồ án chuyên nghành Hình 18 Kết quả mô phỏng trên tốc độ cơ bản Mai Đình Thế Page 21 Đồ...Đồ án chuyên nghành phần dòng isd . 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 Mai Đình Thế Page 4 Đồ án chuyên nghành Hình 2 : Khác với động cơ SPM, động. nghành MỤC LỤC Mai Đình Thế Page 1 Đồ án chuyên nghành 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, n đm =1200rpm ,J=0,4e-3. 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