Bách Khoa HN_Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu kiểu cực chìm

Ngày nay động cơ điện đồng bộ được sử dụng nhiều trong lĩnh vực điều khiển, trong công nghiệp vì có những đặc điểm vượt trội như hiệu suất, Cos Cũng như các hệ thống điều khiển khác, ch

MỤC LỤC

MỤC LỤC……… 1

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT………3

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU……….3

DANH MỤC HÌNH VẼ……… 4

LỜI MỞ ĐẦU………5

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 6

1.1 Tìm hiểu động cơ xoay chiều đồng bộ 3 pha……… 6

1.2 Cấu tạo……… 7

1.3 Nguyên lí hoạt động của động cơ điện đồng bộ 3 pha………….9

1.4 Phân loại động cơ đồng bộ……… 9

CHƯƠNG 2 ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU …… 10

CỰC CHÌM 2.1 Cấu tạo động cơ IPM… ………11

2.2 Sơ đồ thay thế của động cơ đồng bộ……… 14

2.3 Đặc tính cơ của động cơ IPM….……… 15

2.4 Ứng dụng……….……… 18

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MOMEN TRÊN DÒNG ĐIỆN CỰC ĐẠI 3.1 Mô hình động cơ IPM trên hệ tọa độ d-q……… 19

3.2 Phương pháp điều khiển momen trên dòng điện cực đại…… 20

KẾT LUẬN……… 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 31 PHỤ LỤC……….32

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 3.1 Bảng số liệu MTPA

Bảng P.1 Tham số động cơ

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Cấu tạo động cơ đồng bộ

Hình 1.2: Hình ảnh so sánh động cơ ĐB NCVC cực ẩn và cực chìm

Hình 2.1: Phân loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Hình 2.2: Cấu tạo động cơ IPM

Hình 2.3: Thành phần ngang trục và dọc trục của động cơ IPM

Hình 2.4: Một số loại rotor động cơ IPM thường gặp

Hình 2.5: Sơ đồ thay thế một pha

Hình 2.6: Đặc tính cơ của động cơ IPM

Hình 2.7: Đồ thị vector của động cơ IPM

Hình 2.8: Đặc tính momen của động cơ IPM

Hình 3.1: Sơ đồ thay thế cho động cơ IPM

Hình 3.3: Ảnh hưởng của góc pha vector dòng điện lên momen động cơHình 3.4: Quỹ đạo dòng điện với momen hằng để đạt được cực đại tỉ số momen/dòng điện

Hình 3.5: Quan hệ hàm số giữa các thành phần dòng điện stato và momen để đạt cực đại tỉ số “ momen/dòng điện”

Hình 3.6: Cấu trúc điều khiển động cơ IPM với []cực đại

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay động cơ điện đồng bộ được sử dụng nhiều trong lĩnh vực điều khiển, trong công nghiệp vì có những đặc điểm vượt trội như hiệu suất, Cos

Cũng như các hệ thống điều khiển khác, chất lượng của các hệ truyền động điện phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng của các bộ điều khiển Yêu cầu đòi hỏi hệ thống phải tạo ra được khả năng thay đổi tốc độ trơn, mịn với phạm vi điều chỉnh rộng

Nhiều phương pháp điều khiển động cơ đồng bộ đã được nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực truyền động như: Phương pháp điều khiển vô

hướng (V/f=const), phương pháp điều khiển dựa theo từ thông ( Field

Orientated Control- FOC)

Để tìm hiểu và biết thêm kiến thức về động cơ đồng bộ, em đã được giao

đề tài Đồ án II với nội dung “ Tìm hiểu về điều khiển động cơ đồng bộ

nam châm vĩnh cửu kiểu cực chìm” Nội dung bao gồm các chương:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về động cơ đồng bộ

Chương 2: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm

Chương 3: Phương pháp điều khiển momen trên dòng điện cực đại

Trong quá trình làm đồ án, em nhận được sự giúp đỡ tận tình của thầy PGS-TS Nguyễn Văn Liễn.Do đó em đã hoàn thành Đồ án II với đầy đủ nội dung mà thầy yêu cầu Tuy nhiên do bản thân em kiến thức còn hạn chế, thờigian hạn chế nên báo cáo đồ án còn nhiều hạn chế và thiếu sót Em mong nhận được sự góp ý của thầy cô và các bạn để bài báo cáo tốt hơn

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ

1.1.Tìm hiểu động cơ xoay chiều đồng bộ 3 pha

Động cơ điện đồng bộ trong thời gian gần đây được sử dụng nhiều và

cũng có thể so sánh với động cơ không đồng bộ trong lĩnh vực truyền động

điện

-Ưu điểm:

Động cơ điện đồng bộ có khả năng

cần lây công suất phản kháng từ lưới

điện, nên hệ số công suất của lưới điện

được nâng cao, làm giảm điện áp rơi và

tổn hao công suất trên đường dây Động

cơ điện đồng bộ ít chịu ảnh hưởng của

điện áp lưới do moomen tỷ lệ với điện

Động cơ đồng bộ 3 pha có tốc độ quay của roto (n) bằng tốc độ quay của

từ trường (n1) Ở chế độ xác lập động cơ điện đồng bộ có tốc độ quay của

roto luôn luôn không đổi khi tải thay đổi, tùy thuộc vào tần số của nguồn và

số đôi cặp cực

Tốc độ quay động cơ được tính bằng biểu thức sau:

Trong đó: fs là tần số nguồn cung cấp, pc là số cặp cực của động cơ

1.2 Cấu tạo

Hình 1.1: Cấu tạo động cơ đồng bộGồm 2 phần chính: Rotor và stator (phần cảm đặt ở rotor và phần ứng đặt ở stator).

-Rotor: Rotor kích từ bằng điện gồm dây quấn và lõi

Ta có rotor cực ẩn hoặc cực lồi (dựa theo cuộn dây kích từ được quấn như thế nào)

Hình 1.2: Hình ảnh so sánh động cơ ĐB NCVC cực ẩn và cực chìm

+)Loại cực lồi: Dây quấn được quấn xung quanh cực từ Ở máy điện lớn thì trên cực còn được xẽ rãnh để đặt cuộn khởi động Dành cho những loại có tốc độ quay thấp, số đôi cực lớn (2p>4)

+)Loại cực ẩn: Người ta sẽ rãnh ở 2/3 chu vi roto Roto của loại này thường làm bằng thép chất lượng cao để đảm bảo lực li tâm khi tốc độ lớn, số đôi cực 2p=2

Với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu: thì phần cảm ứng được kích

thích bằng những phiến nam châm bố trí trên bề mặt hoặc dưới bề mặt phần cảm ứng Các thanh nam châm được làm bằng đất hiếm ví dụ như Samariu-

châm có năng suất năng lượng cao và tránh được khử từ, thường được gắn trên về 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 đối với loại động cơ có roto có kích từ bằng điện thì phải có

thêm hệ thống kích thích của động cơ đồng bộ để cung cấp nguồn điện một chiều cho dây quấn kích thích của động cơ đồng bộ

1.3 Nguyên lí hoạt động của động cơ điện đồng bộ 3 pha

Cho dòng điện ba pha ia, ib, ic vào dây quấn ba pha của stato, dòng điện

ba pha sẽ sinh ra từ trường quay với tốc độ n1 = 60f1/p

Ta hình dung từ trường quay stato như một nam châm có hai cực đang quay với tốc độ n1 Đồng thời cho dòng điện một chiều vào dây quấn rôto, rôto trở thành một nam châm điện (đối với động cơ roto dây quấn).Tác dụngtương hỗ giữa từ trường stato và từ trường rôto tạo ra lực tác dụng lên rôto

Vì từ trường quay stato quay với tốc độ n1 nên lực tác dụng ấy kéo rôto quay với tốc độ n = n1

Chú ý: Động cơ điện một chiều và động cơ KĐB đều làm việc theo nguyên lý lực điện từ tác dụng, còn ở động cơ đồng bộ thì làm việc theo nguyên lý lực tác dụng giữa hai từ trường

1.4 Phân loại động cơ đồng bộ

Động cơ đồng bộ xoay chiều 3 pha có thể phân loại làm hai loại chính:

- Loại rotor có kích từ bằng điện với dải công suất lớn từ vài trăm tới vài MW.Cuộn kích từ được cuốn theo cực ẩn hay cực lồi

- Loại rotor nam châm vĩnh cửu với dải công suất nhỏ

Hiện nay còn có động cơ đặc biệt( động cơ bước)

CHƯƠNG 2

ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU CỰC CHÌM

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)

Hình 2.1: Phân loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Loại động cơ có sức phản điện động hình thang (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 hìnhthang 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 động cơ có sức phản điện động hình sin(PMAC) thành 2 loại động cơ đồng bộ nam châm bề mặt (SPMSM) và động cơ đồng bộ nam châm chìm (IPMSM)

- Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có từ thông dạng hình sin, cực

từ bố trí mặt ngoài ( SPM: Simusoidal Surface Magnet Machine)

từ bố trí chìm bên trong (IPM: Simusoidal Interior Magnet Machine)

2.1 Cấu tạo động cơ IPM

Hình 2.2: Cấu tạo động cơ IPM Động cơ xoay chiều đồng bộ nam châm vĩnh cửu (ĐB NCVC) có rotor làNCVC và dây quấn 3 pha ở stator Trong động cơ đồng bộ NCVC thường kèm theo các cảm biến vị trí và cảm biến tốc độ sử dụng cho hệ truyền động servo ĐB NCVC thường được cấp hoặc điều khiển từ một biến tần nguồn

Động cơ IPMSM (Interior Permanent Magnet Synchronous Motor), 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

Cấu trúc nam châm vĩnh cửu cực chìm các thanh nam châm được lắp bêntrong lõi thép rotor về mặt vật lý không có sự thay đổi nào của bề mặt hình học các thanh nam châm Mỗi thanh nam châm được bọc bởi một mảng thépnên nó làm mạch từ của máy thay đổi mạnh, vì do các mảnh thép này tạo ra các đường dẫn từ thông cắt ngang các cực này và cả không gian vuông góc với từ thông nam châm Do đó hiệu ứng lồi là rất rõ ràng và nó làm thay đổi

cơ chế sinh momen của động cơ

Hình 2.3: Thành phần ngang trục và dọc trục của động cơ IPM

Hình 2.4: Một số loại rotor động cơ IPM thường gặp 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 nàycác 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.

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

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

2.2 Sơ đồ thay thế của động cơ đồng bộ

và xây dựng đặc tính của chúng người ta thường sử dụng sơ đồ thay thế một pha với các giả thiết như sau:

- Ba pha của động cơ là đối xứng, điện áp nguồn hình sin đối xứng

- Các thông số của động cơ không đổi

- Dòng điện một chiều kích từ không thay đổi

- Bỏ qua các tổn hao về cơ và hao phụ tải

- Bỏ qua các ảnh hưởng của từ trường bậc cao trong máy

Ta mô tả đại lượng điện áp và dòng điện ở các dạng vector phức, ta có phương trình điện áp cho mỗi pha của động cơ như sau:

U=E+I(R+JX) (2.1)

Từ phương trình trên ta có sơ đồ thay thế một pha của động cơ:

Hình 2.5: Sơ đồ thay thế một pha

2.3 Đặc tính cơ của động cơ IPM

động cơ sẽ quay với tốc độ đồng bộ là:

ω1= (2.2)

đặc tính cơ của động cơ đồng bộ như sau:

Hình 2.6: Đặc tính cơ của động cơ IPM

Khi momen vượt qua giá trị Mmax tốc độ động cơ sẽ mất dần tính đồng bộ.Trong hệ truyền động dùng động cơ đồng bộ người ta còn sử dụng đặc tính góc: M= f(θ)

Hình 2.7: Đồ thị vector của động cơ IPM

Từ đồ thị vector hình trên ta có thể viết:

Is.cosϕ=Isq.cosθ-Isd.sinθ (2.3)Công suất động cơ nhận được từ lưới cũng coi gần đúng như công suất điện từ: Pđ=Pđt=3Us(Isq.cosθ - Isd.sinθ) (2.4)Các thành phần dòng điện trên các trục:

Thế biểu thức (2.5) vào (2.4) thu được phương trình:

Pđt= sinθ + 3.Us2 sinθ (2.6)

Từ đó tính được momen điện từ của động cơ

M= [ sinθ + Us2 sinθ] (2.7)

M= 3 sinθ +3.U2.( -)sin2θ (2.8) Với Xd, Xq là điện kháng dọc trục và ngang trục

Đường cong biểu diễn M là tổng của 2 thành phần

Hình 2.8: Đặc tính momen của động cơ IPM

2.4 Ứng dụng:

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 các máy công cụ như máy nén khí, máy nghiền và máy kéo tàu.

Về động cơ IPM có những ưu thế gần như tuyệt đối trong ứng dụng cho ô

tô điện Động cơ nam châm vĩnh cửu thông thường có nam châm được gắn trên bề mặt rotor (SPM) vốn đã có đặc tính điều khiển rất tốt 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 (Magnet Torque) Đặc tính này khiến động cơ IPM có khả năng sinh mômenrất 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, làm việc tốt ở vùng công suất không đổi

CHƯƠNG 3

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MOMEN TRÊN

DÒNG ĐIỆN CỰC ĐẠI 3.1 Mô hình động cơ IPM trên hệ tọa độ d-q

Hình 3.1: Sơ đồ thay thế cho động cơ IPM

Phương trình điện áp stator:

Us = RsIs + dψs/dt (3.1)Chuyển phương trình từ hệ thống 3 pha cuộn dây pha của stator sang hệ tọa

Us = RsIs + dψs/dt + j.ωsψs (3.2) Quan hệ giữa từ thông stator và rotor được mô tả như sau:

ψs = LsIs + ψp (3.3)Trong đó ψp là vector từ thông cực Vì trục d của tọa độ trùng với trục của từ

3.2 Phương pháp điều khiển momen trên dòng điện cực đại cho động cơ

Có nhiều phương pháp điều khiển động cơ đồng bộ đã được nghiên cứu

và ứng dụng trong lĩnh vực truyền động như:

- Phương pháp điều khiển vô hướng ( )

- Phương pháp điều khiển trực tiếp DTC

- Phương pháp điều khiển vector FOC

Phương pháp điều khiển vô hướng (): Tỉ lệ V/f giữ nguyên không đổi bất

kì thay đổi nào với f, thì từ thông sẽ giữ không đổi và momen quay trở thànhđộc lập với tần số đầu vào Khi tốc độ tăng, điện áp Stator phải được tăng một cách cân xứng để giữ cho tỉ lệ Vs/f không đổi

Phương pháp điều khiển trực tiếp mômen (Direct Torque Control- DTC)

là dựa trên tác động trực tiếp của các véc tơ điện áp lên véc tơ từ thông móc vòng stator, làm thay đổi trạng thái của vec tơ từ thông stator dẫn đến thay đổi trực tiếp tới mô men điện từ của động cơ Đây là phương pháp điều