DACN điều khiển động cơ IPM

Mỗi nam châm được bọc bởi một mảng cực thép nên nó làm mạch từ của máy thay đổi khá mạnh, vì do các mảng cực thép này tạo ra các đường dẫn sao cho từ thông cắt ngang các cực này và cả tr

MỤC LỤC

Lời cảm ơn 1

Chương 1 : Tìm hiểu động cơ IPM 2

1.1 Cấu tạo và đặc điểm động cơ IPM 2

1.2 Ứng dụng 6

Chương 2 Phương pháp điều khiển và mô hình hóa động cơ 7

2.1 Phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor (FOC) 7

2.2 Mô hình hóa động cơ 10

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển 2 mạch vòng 13

3.1 Thiết kế mạch vòng điều khiển dòng điện 13

3.2 Mạch vòng điều khiển tốc độ 16

3.3 Điều khiển tốc độ trên định mức 18

Chương 4: Mô phỏng và kết quả 19

4.1 Mô phỏng hệ điều khiển trong Simulink 19

4.2 Kết quả mô phỏng 21

Tài liệu tham khảo 28

2

Chương 1 : Tìm hiểu động cơ IPM

1.1 Cấu tạo và đặc điểm động cơ IPM

Động cơ IPM ( Interior Permanent Magnet), còn gọi là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm, thuộc loại động cơ đồng bộ ba pha kích từ nam châm vĩnh cửu Trong đó phần cảm được kích thích bằng những phiến nam châm bố trí dưới bề mặt rotor Các thanh nam châm thường được làm bằng đất hiếm, là các nam châm có suất năng lượng cao và giảm tối đa hiệu ứng khử từ Rotor của động cơ IPM thường làm bằng thép hợp kim chất lượng cao, được rèn thành khối trụ sau đó gia cong phay rãnh để đặt các thanh nam châm Khi các thanh nam châm ẩn trong rotor thì có thể đạt được cấu trúc cơ học bền vững hơn, kiểu này thường được sử dụng trong các động cơ cao tốc Tốc độ loại này thường cao nên để hạn chế lực li tâm rotor thường

có dạng hình trống với tỉ số “chiều dài/đường kính” lớn

Đối với cấu trúc nam châm vĩnh cửu chìm, máy không thể được coi là khe hở không khí đều như động cơ nam châm cực lồi Trong trường hợp này các thanh nam châm được lắp bên trong lõi thép rotor về mặt vật lý coi là không có sự thay đổi nào của

bề mặt hình học các nam châm Mỗi nam châm được bọc bởi một mảng cực thép nên nó làm mạch từ của máy thay đổi khá mạnh, vì do các mảng cực thép này tạo ra các đường dẫn sao cho từ thông cắt ngang các cực này và cả trong không gian vuông góc với từ thông nam châm Do đó hiệu ứng cực lồi là rõ ràng và nó làm thay đổi cơ chế sản sinh momen của máy điện

3

Hình 1.1 So sánh cấu tạo ĐCĐB NCVC cực lồi và cực ẩn

Với yêu cầu chính của các hệ truyền động là vận hành êm ái, do đó cần hạn chế momen rãnh và momen đập mạch do các sóng hài không gian và thời gian gây ra

Để đạt được điều này người ta thường tạo hình cho các nam châm, uốn các nam châm lượn chéo theo trục rotor, uốn rãnh và dây quấn stator kết hợp với tính toán số răng và kích thước của nam châm Kỹ thuật tạo ra các rotor xiên là khá đắt tiền và phức tạp

Nhờ việc gắn chìm các nam châm trong rotor, dẫn tới sự khác biệt giữa điện cảm dọc trục và điện cảm ngang trục, từ đó tạo ra khả năng sinh momen từ trở cộng thêm vào momen vốn có của nam châm Đặc tính này khiến động cơ IPM có khả năng sinh momen rất cao

4

Hình 1.2 : Đặc tính momen theo góc lệch giữa ᴪ̅̅̅ và ᴪ𝑠 ̅̅̅̅ 𝑝

Ngoài ra, động cơ IPM còn có khả năng điều chỉnh tốc độ cao trên định mức bằng phương pháp giảm từ thông Khả năng điều khiển giảm từ thông linh động với mọi loại tải, giảm nguy cơ khử từ của nam châm vĩnh cửu, tang sức đề kháng với các tác động cơ học và ăn mòn, cộng với khả năng làm việc ở nhiệt độ cao đã khiến động

cơ IPM trở thành hướng nghiên cứu mới tiềm năng cho các nhà khoa học

5

Hình 1.3: Một số loại rotor động cơ IPM thường gặp

Trong tương lai, một đô thị xanh hiện đại với các điểm dừng xe buýt có các bộ sạc không dây, kết hợp với xe buýt dùng động cơ IPM có hệ thống phanh nối với cơ cấu thu hồi năng lượng dùng siêu tụ sẽ là viễn cảnh không quá xa vời

7

Chương 2 Phương pháp điều khiển và mô hình hóa

động cơ

2.1 Phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor (FOC)

Điều khiển tựa từ thông rotor là điều khiển các dòng điện stator ở dạng vector Việc điều khiển này dựa trên việc chuyển đổi hệ ba pha thay đổi theo tốc độ vào thời gian thành hệ hai trục d-q cố định theo thời gian Nó tạo nên hệ điều khiển giống như điều khiển động cơ điện 1 chiều Các động cơ điện điều khiển theo phương pháp này cần

2 đại lượng đặt đầu vào cố định: thành phần từ thông (nằm dọc theo trục d) và thành phần momen (nằm dọc theo trục q) Điều khiển tựa theo từ thông có thể điều khiển được các đại lượng điện tức thời trong mọi thời điểm (trạng thái ổn định và quá độ)

Hình 2.1 Cấu trúc điều khiển FOC

Trên sơ đồ này hai dòng điện (𝑖𝑎, 𝑖𝑏) được đưa vào khối chuyển tọa độ (abc → αβ) Đầu ra của khối này là 𝑖𝑠α và 𝑖𝑠β Hai thành phần dòng điện này là đầu vào của khối chuyển hệ tọa độ d-q Hai thành phần này được đem so sánh với hai thành phần dòng điện đặt tạo từ thông và momen đặt (𝑖𝑑 và 𝑖𝑞) Đối với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, từ thông rotor chính là từ thông cực từ không đổi nên ta đặt 𝑖𝑑 = 0 Đầu ra

Hình 2.2 Chuyển đổi tọa độ abc-dq Công thức chuyển hệ tọa độ như sau:

Tương tự 3 dòng điện cũng là hình sin và lệch nhau 120𝑜 như hình dưới đây:

Hình 2.3 Dòng điện trên hệ tọa độ abc

Khi chuyển sang hệ tọa độ d-q thì dòng điện trở thành dạng một chiều, từ đó ta có thể điều khiển động cơ một cách dễ dàng tương tự như điều khiển động cơ một chiều

11

𝐿𝑠𝑑 Điện cảm stator đo ở vị trí đỉnh cực (vị trí trục d)

𝐿𝑠𝑞 Điện cảm stator đo ở vị trí ngang cực (vị trí trục q)

𝑇𝑠𝑑 = 𝐿𝑠𝑑/𝑅𝑠 Hằng số thời gian trục d của mạch stator

𝑇𝑠𝑞 = 𝐿𝑠𝑞/𝑅𝑠 Hằng số thời gian trục q của mạch stator

ᴪ𝑝 Từ thông cực (nam châm vĩnh cửu)

Ta thấy rằng, momen quay của ĐCĐB bao gồm hai thành phần: thành phần chính với tích ᴪ𝑝.𝑖𝑠𝑞 và thành phần phản kháng do sự chênh lệch điện cảm stator (𝐿𝑠𝑑 -

𝐿𝑠𝑞 ≠ 0) gây ra Trong mọi chế độ vận hành, ĐCĐB phải sản sinh một thành phần momen phụ để bù thành phần phản kháng Thành phần phản kháng tồn tại một cách

rõ ràng nhưng thường bị bỏ qua không tính đến trong các phương án điều khiển kinh điển Việc bỏ qua đó giúp làm đơn giản hóa hệ thống điều chỉnh và trên thực tế có thể chấp nhận được trong dải tốc độ quay dưới định mức, bởi trong dải đó luôn có

𝑖𝑠𝑑 = 0 Ngược lại, ở dải tốc độ quay trên định mức, để tăng tốc độ lên ta phải giảm

từ thông, lúc đó phải bơm một dòng 𝑖𝑠𝑑 âm vào trục d ĐCĐB 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 Điều đó dẫn đến thành phần momen phản kháng có khả năng đạt được biên độ đáng kể không thể bỏ qua

Ta có mô hình động cơ IPM trên hệ tọa độ dq như hình dưới:

Hình 2.4 Mô hình MĐĐB KTVC trên hệ tọa độ từ thông cực

12

Dùng công cụ mô phỏng Simulink ta vẽ được mô hình:

Hình 2.5 Mô hình mô phỏng MĐĐB KTVC trên Simulink

13

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển 2 mạch vòng

Chọn dải điện áp đưa vào bộ điều khiển là ±10(V), ta có:

Tính chọn bộ cảm biến dòng và tốc độ:

Chọn hằng số thời gian cảm biến dòng là 𝑇𝑖𝑠𝑑 = 𝑇𝑖𝑠𝑞 = 0.001(s)

Hằng số thời gian cảm biến tốc độ là 𝑇⍵ = 0.01(s)

Hệ số khuếch đại của cảm biến tốc độ là 𝐾⍵ = 0.04

Chọn biến tần gián tiếp dùng nghịch lưu cầu 3 pha

s sd sd sq sq

sd sq s s sq

L G

sd R

G

R R L

Từ đây ta có cấu trúc chi tiết mạch vòng điều chỉnh dòng:

Hình 3.2 Mạch vòng điều khiển dòng điện

Vậy cách duy nhất là bơm dòng 𝑖𝑑 âm vào để giảm ᴪ𝑠𝑑

Ta có công thức liên hệ giữa vùng tốc độ tăng và độ lớn dòng 𝑖𝑑 âm:

𝑖𝑑 =

⍵đ𝑚 ᴪ𝑝

⍵𝑠 − ᴪ𝑝

𝐿𝑑

Hình 3.4 Vector không gian từ thông và dòng điện động cơ IPM

a) Vùng dưới tốc độ cơ bản b) Vùng trên tốc độ cơ bản

19

Chương 4: Mô phỏng và kết quả

4.1 Mô phỏng hệ điều khiển trong Simulink

Để thuận tiện quan sát và điều chỉnh thông số, ta tạo một m file trong matlab để lưu các giá trị của bộ điều khiển và tham số động cơ:

%Thong so ban dau cua dong co

n = 1200; p = 2; R = 0.57;

Ld = 8.7*10^-3; J = 0.4*10^-3; Lq = 22.8*10^-3; Phi = 0.108;

Knl = 5; Ki = 1; Ti = 0.001; Kw = 0.00417; Tw = 0.01; Tsw = Tw+2*Ti; %2T's = Tsw

20

Khối mạch vòng điều khiển dòng iq tách kênh mô phỏng bằng Simulink

Hình 4.1 Sơ đồ điều khiển mạch vòng idq

Cho khối điều khiển dòng idq cùng mô hình động cơ vào 1 Subsystem, ta có sơ đồ tổng thể bộ điều khiển gồm mạch vòng tốc độ bên ngoài:

Hình 4.2 Hệ điều khiển động cơ trong Matlab Simulink

22

Hình 4.4 Đồ thị đáp ứng dòng 𝑖𝑠𝑑

Hình 4.4 Đồ thị đáp ứng dòng 𝑖𝑠𝑞

24

Hình 4.6 Đồ thị đáp ứng tốc độ (trên định mức)

Hình 4.7 Đồ thị đáp ứng dòng 𝑖𝑠𝑑 (n = 1500rpm)

25

Hình 4.8 Đồ thị đáp ứng dòng 𝑖𝑠𝑞 (n = 1500rpm)

Đáp ứng momen tương đối tốt, hệ cân bằng khá nhanh sau khi tác động momen cản

Do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế, cộng với thời gian không được nhiều nên

đồ án sẽ còn nhiều thiếu sót Mong rằng trong tương lai em sẽ được tìm hiểu thêm

về động cơ IPM cũng như các phương pháp điều khiển mới

Một lần nữa xin cảm ơn các thầy cùng các bạn đã giúp nhóm em hoàn thành đồ án này!

Sinh viên thực hiện Nguyễn Đức Dũng

28

Tài liệu tham khảo

[1] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Cơ sở truyền động điện, Nhà xuất bản khoa

học và kỹ thuật, Hà Nội – 2009

[2] Nguyễn Phùng Quang, Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha,

Nhà xuất bản giáo dục – 1998

[3] Nguyễn Phùng Quang, MATLAB & SIMULINK dành cho kỹ sư điều khiển tự

động, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội – 2003