Điều khiển nâng cao hiệu suất hệ truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tên tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt BLDC Brushless Direct Current Động cơ một chiều không chổi than CPSR Constant Power Speed Range Dải tốc độ công suất kh

NGUYỄN AN TOÀN

ĐIỀU KHIỂN NÂNG CAO HIỆU SUẤT

HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGUYỄN AN TOÀN

ĐIỀU KHIỂN NÂNG CAO HIỆU SUẤT

HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS TẠ CAO MINH

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn thạc sĩ “Điều khiển nâng cao hiệu suất hệ

truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu” là công trình của tôi và được

thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS TS Tạ Cao Minh Các số liệu và kết quả là hoàn toàn trung thực

Để hoàn thành luận văn này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục “Tài liệu tham khảo” và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện có sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, ngày 25 tháng 04 năm 2016

Học viên

Nguyễn An Toàn

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng tri ân sâu sắc và kính trọng đến thầy Tạ Cao Minh, thầy đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học trong quá trình nghiên cứu Học trò “Bảo An” cảm ơn thầy rất nhiều

Tôi xin trân trọng cảm ơn các giảng viên và cán bộ Viện Điện – Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận văn

Tôi xin trân trọng cảm ơn các cán bộ, nghiên cứu sinh và cựu sinh viên tại Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng và Sáng tạo Công nghệ (CTI) – Đại học Bách Khoa Hà

Nội đã hỗ trợ tôi trong quá trình thực hiện luận văn Cảm ơn các bạn Phạm Công Minh, Bùi Đình Dân, Lê Tất Thắng, Đỗ Ngọc Hân Đặc biệt, tôi xin cảm ơn anh Nguyễn Bảo Huy đã nhiệt tình trao đổi và hỗ trợ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu tại CTI

Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Quy Nhơn, Ban Chủ nhiệm khoa Kỹ thuật và Công nghệ đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi được tập trung học tập tại Hà Nội trong suốt thời gian qua Xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ và động viên của các đồng nghiệp, học viên cao học lớp 14AĐKTĐH Cảm ơn những người bạn ở khu Nhà khách Dân số – Ký túc xá Đại học Kinh tế Quốc dân đã luôn động viên, khích lệ tôi

Có những người luôn ở bên cạnh nhưng không cần ở tôi một lời cảm ơn nào, đó

là gia đình của tôi, người chị tảo tần nuôi dạy tôi Bản thân tôi chỉ biết khắc cốt ghi tâm

Khả năng của tôi còn nhiều hạn chế nên thành quả là rất nhỏ bé, nhưng nếu không có hỗ trợ và giúp đỡ như trên thì tôi sẽ không làm được gì Một lần nữa, tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến tất cả mọi người

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC CÁC BẢNG ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ x

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Lịch sử nghiên cứu 1

3 Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 3

4 Phương pháp nghiên cứu 4

Chương 1 TỔNG QUAN 5

1.1 Giới thiệu về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu 5

1.1.1 Các loại PMSM 6

1.1.2 Động cơ đồng bộ IPM 10

1.1.3 Một số phương pháp điều khiển PMSM 12

1.2 Phương pháp điều khiển vector PMSM 13

1.2.1 Công thức chuyển đổi Clarke 14

1.2.2 Công thức chuyển đổi Park 15

1.3 Phân tích hoạt động của PMSM 17

1.3.1 Mô hình toán học của PMSM 17

1.3.2 Giới hạn dòng điện và điện áp 18

1.3.3 Các đặc tính của PMSM 19

1.3.4 Đặc tính công suất – tốc độ 22

1.4 Kết luận chương 1 24

Chương 2 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU 26

2.1 Cấu hình điều khiển cho PMSM 26

2.2 Điều chế độ rộng xung cho bộ nghịch lưu ba pha 27

2.2.1 Mô hình hóa mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha 27

2.2.2 Phương pháp điều chế vector không gian 28

2.3 Thiết kế các bộ điều khiển dòng điện và tốc độ 33

2.3.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện bằng kỹ thuật hàm chuẩn bậc hai 33

2.3.2 Thiết kế mạch vòng tốc độ theo phương pháp tối ưu đối xứng 37

2.3.3 Mô phỏng và kết quả 39

2.4 Kết luận chương 2 42

Chương 3 ĐIỀU KHIỂN NÂNG CAO HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU 44

3.1 Mô hình tổn thất của PMSM 44

3.1.1 Tổn thất đồng 44

3.1.2 Tổn thất sắt 44

3.1.3 Tổn thất phụ 45

3.1.4 Tổn thất tổng 46

3.2 Bão hoà từ 46

3.3 Một số phương pháp giảm thiểu tổn thất đã biết 48

3.3.1 Phương pháp điều khiển MTPA 49

3.3.2 Phương pháp thực nghiệm 53

3.3.3 Phương pháp xấp xỉ đa thức 55

3.4 Phương pháp tối thiểu tổn thất đề xuất 58

3.4.1 Tối thiểu tổn thất ở vùng trong giới hạn điện áp và dòng điện 59

3.4.2 Tối thiểu tổn thất trên biên giới hạn điện áp 62

3.4.3 Điều khiển nâng cao hiệu suất PMSM 63

3.5 Kết luận chương 3 66

Chương 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 69

4.1 Mô phỏng hệ truyền động trong MATLAB/SIMULINK 69

4.1.1 Mô hình hệ truyền động 69

4.1.2 Kết quả mô phỏng và nhận xét 72

4.2 So sánh LMA đề xuất với phương pháp xấp xỉ đa thức của Lee 77

4.3 Kết luận chương 4 83

KẾT LUẬN 85

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN VĂN 86

PHỤ LỤC 91

P.1 Chuyển đổi giữa các hệ trục tọa độ trong MATLAB/SIMULINK 91

P.2 Mô hình động cơ đồng bộ IPM xây dựng trong MATLAB/SIMULINK 92

P.3 Mô hình bộ nghịch lưu nguồn áp ba pha trong MATLAB/SIMULINK 93

P.4 Khâu SVM xây dựng trong MATLAB/SIMULINK 93

P.5 Khâu điều khiển dòng điện và tốc độ 96

P.6 Bảng các thông số và hệ số của một PMSM trên FCEV [18] 97

P.7 Bảng các giá trị đặt tốc độ và mômen cản trên trục động động cơ theo thời gian 97 P.8 Lưu đồ thuật toán tối thiểu tổn thất cho IPMSM mà Lee đã đề xuất 98

P.9 Chương trình MATLAB function thực hiện LMA đề xuất 101

 rad/s Góc pha giữa trục chuẩn  với trục của vector từ thông

rotor (Góc pha từ thông)

 Wb Từ thông khe hở không khí

i A Dòng điện kích thích tương đương của nam châm vĩnh

cửu (Nguồn dòng ảo)

I A Dòng điện định mức của động cơ

sat

q

I A Mốc giá trị dòng điện i mà điện cảm q L bắt đầu giảm q

mạnh khi dòng điện i tăng q

s

I A Biên độ dòng điện pha stator

max

s

I A Biên độ dòng điện lớn nhất của động cơ

J kgm2 Mômen quán tính của rotor

up ut V Vector biên phải, biên trái

us V Vector điện áp stator

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt Tên tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt

BLDC Brushless Direct Current (Động cơ) một chiều không chổi

than CPSR Constant Power Speed Range Dải tốc độ công suất không đổi DTC Direct Torque Control Điều khiển trực tiếp mômen

FCEV Fuel Cell Electric Vehicle Xe ô tô điện sử dụng pin nhiên liệu FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn FOC Field Oriented Control Điều khiển tựa theo từ thông

IPM Interior Permanent Magnet Nam châm vĩnh cửu chìm

LMA Loss Minimization Algorithm Thuật toán tối thiểu tổn thất

LMC Loss Model Controller Bộ điều khiển mô hình tổn thất MTPA Maximum Torque per Ampere Tối ưu dòng điện đầu vào đáp ứng

mômen của phụ tải PMAC Permanent Magnet Alternating

Current

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có sức phản điện động hình sin PMSM Permanent Magnet Synchronous

Motor

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung

SPM Surface Permanent Magnet Nam châm vĩnh cửu bề mặt

SRM Switch Reluctance Motor Động cơ từ trở thay đổi

SynRM Synchronous Reluctance Motor Động cơ đồng bộ từ trở thay đổi WFSM Wound Field Synchronous

Machine

Động cơ đồng bộ kích từ bằng cuộn dây

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: So sánh giữa động cơ BLDC với PMSM 9Bảng 1.2: So sánh giữa SPMSM và IPMSM 11Bảng 2.1: Bảng trạng thái đóng cắt van và giá trị điện áp ứng với các vector chuẩn 29Bảng 2.2: Xác định tín hiệu điều chế theo phương pháp SVM 31

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Các loại động cơ đồng bộ xoay chiều ba pha 6

Hình 1.2: Mặt cắt một số dạng rotor tiêu biểu của động cơ đồng bộ 8

Hình 1.3: Các đường sức từ của nam châm vĩnh cửu IPMSM 10

Hình 1.4: Vector dòng điện stator trên hai hệ tọa độ cố định stator và - 14

Hình 1.5: Vector dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định - và hệ tọa độ quay d-q 15

Hình 1.6: Đường tròn giới hạn dòng điện và ellipse giới hạn điện áp với đường cong mômen bằng hằng số của IPMSM 18

Hình 1.7: Các đặc tính của PMSM ở dải tốc độ quay định mức và vùng giảm từ thông 19

Hình 1.8: Quỹ đạo dòng điện và đặc tính công suất – tốc độ trong ba trường hợp 23

Hình 2.1: Cấu trúc điều khiển cho PMSM 26

Hình 2.2: Mô hình mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha 27

Hình 2.3: Sơ đồ mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha 28

Hình 2.4: Vị trí các vector chuẩn trên hệ tọa độ cố định - 29

Hình 2.5: Lưu đồ thuật toán xác định sector của vector điện áp stator 30

Hình 2.6: Hàm điều chế cho mạch nghịch lưu ba pha theo phương pháp SVM 32

Hình 2.7: Mô hình động cơ trên hệ tọa độ d-q 33

Hình 2.8: Bộ điều khiển bù xen kênh dòng điện 34

Hình 2.9: Sơ đồ mạch vòng điều khiển dòng điện 34

Hình 2.10: Ảnh hưởng của hệ số tắt dần đến chất lượng hệ thống 37

Hình 2.11: Sơ đồ mạch vòng điều khiển tốc độ 38

Hình 2.12: Đồ thị đáp ứng tốc độ và mômen của động cơ khi đặt i d 0 41

Hình 2.13: Đồ thị đáp ứng dòng điện i d và i của động cơ ở các tốc độ và mômen q khác nhau khi đặt i d 0 41

Hình 2.14: Đồ thị đáp ứng dòng điện ba pha của động cơ ở các tốc độ và mômen khác nhau khi đặt i d 0 42

Hình 3.1: Đồ thị đo từ thông móc vòng stator theo dòng điện trên hai trục d, q 47

Hình 3.2: Giá trị đo điện cảm 47

Hình 3.3: Đường sức từ được kích thích bởi i d và i 48 q Hình 3.4: Đặc tính sinh mômen của IPMSM 50

Hình 3.5: Quỹ đạo của đường MTPA 51

Hình 3.6: Cấu hình điều khiển nâng cao hiệu suất cho IPMSM của Mademlis 53

Hình 3.7: Đồ thị xấp xỉ sự thay đổi của L theo một hàm tuyến tính bậc nhất 57 q Hình 3.8: Đồ thị xấp xỉ một đoạn thay đổi của L thành một hàm tuyến tính bậc nhất q 61

Hình 3.9: Thuật toán tối thiểu tổn thất (LMA) đề xuất 64

Hình 3.10: Thuật toán tối thiểu tổn thất đề xuất cho SPMSM 66

Hình 4.1: Mô hình hệ truyền động xây dựng trong MATLAB/SIMULINK 70

Hình 4.2: Khâu tính toán các dòng điện đặt * d i và i*q 71

Hình 4.3: Đồ thị đáp ứng tốc độ và mômen của động cơ khi sử dụng LMA đề xuất 75

Hình 4.4: Đồ thị đáp ứng các dòng điện i d và i của động cơ khi sử dụng LMA đề q xuất 75

Hình 4.5: Đồ thị dòng điện ba pha của động cơ khi sử dụng LMA đề xuất 76

Hình 4.6: Đồ thị dòng điện ba pha của động cơ trong khoảng thời gian 0,60,8s khi

sử dụng LMA đề xuất 76

Hình 4.7: Đồ thị tổn thất công suất của động cơ khi sử dụng LMA đề xuất 77

Hình 4.8: Đồ thị đáp ứng tốc độ trên trục động cơ của hai phương pháp 78

Hình 4.9: Đồ thị đáp ứng mômen của động cơ theo hai phương pháp 78

Hình 4.10: Đồ thị đáp ứng dòng điện i d theo hai phương pháp 79

Hình 4.11: Đồ thị đáp ứng dòng điện i theo hai phương pháp 79 q Hình 4.12: Đồ thị đáp ứng dòng điện ba pha của động cơ khi sử dụng LMA đề xuất 80

Hình 4.13: Đồ thị đáp ứng dòng điện ba pha của động cơ khi sử dụng phương pháp của Lee 80

Hình 4.14: Đồ thị tổn thất công suất của động cơ khi sử dụng LMA đề xuất 81

Hình 4.15: Đồ thị tổn thất công suất của động cơ khi sử dụng phương pháp của Lee 81

Hình 4.16: Đồ thị tổn thất công suất của động cơ theo hai phương pháp 82

Hình 4.17: Đồ thị tổn thất công suất của động cơ theo ba phương pháp 83

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Khi hiệu ứng nhà kính trở thành mối quan tâm hàng đầu, thì hiệu suất của các ứng dụng gia dụng trở thành vấn đề quan trọng hơn bao giờ hết Nhờ hiệu suất cao

và tỷ lệ công suất trên khối lượng lớn, giá thành của vật liệu nam châm vĩnh cửu dần

được giảm xuống và mối quan tâm đến khí hiệu ứng nhà kính cũng tăng lên, nên động

cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet Synchronous Motor – PMSM)

dần được sử dụng trong các ứng dụng gia dụng như tủ lạnh, điều hòa nhiệt độ, quạt gió, máy giặt… Hơn nữa, các hệ thống truyền động thủy lực trong ô tô và máy bay cũng dần được thay thế bằng PMSM để có hiệu suất nhiên liệu cao hơn Ngoài ra, PMSM còn được sử dụng phổ biến và đóng vai trò là một động cơ kéo cho ô tô và tàu thủy điện lai Thêm vào đó, với những ưu điểm nổi bật như trên, PMSM rất phù hợp cho các ứng dụng trong các hệ truyền động có nguồn cung cấp hạn chế như pin,

ắc quy Để tăng tính cạnh tranh của sản phẩm thì một yêu cầu đặt ra cho các ứng dụng trên là phải giảm thiểu được tổn thất của của động cơ, cũng như tăng thời gian sử dụng pin (ắc quy), hoặc cũng có thể giảm kích cỡ pin (ắc quy) nếu cần thiết Do đó,

đề tài “Điều khiển nâng cao hiệu suất hệ truyền động động cơ đồng bộ nam châm

vĩnh cửu” được đặt ra để giải quyết bài toán trên

2 Lịch sử nghiên cứu

Hệ truyền động PMSM điều khiển tốc độ được ứng dụng nhanh chóng vào lĩnh vực ô tô điện, dụng cụ y tế, và các thiết bị điều khiển chuyển động… Các hệ truyền động này thường được cung cấp năng lượng từ pin hoặc ắc quy Vì bị hạn chế bởi nguồn cung cấp, nên việc cải thiện hiệu suất trở thành ưu tiên quan trọng

Morimoto và các cộng sự [28] đã đưa ra luật điều khiển tối thiểu tổn thất PMSM dựa trên dòng điện chứa trong mô hình tổn thất đồng và tổn thất sắt, và bằng cách lấy

vi phân phương trình tổn thất, đưa ra dòng điện trục d để giảm thiểu tổn thất

Gallegos-López và các cộng sự [12] đã đề xuất ý tưởng ứng dụng phương pháp điều khiển

MTPA trong vùng giảm từ thông3 với các ứng dụng nổi bật trong ôtô điện Tuy nhiên, tổn thất sắt lại không được xét đến Mademlis và các cộng sự [20] đã xây dựng công

thức hàm tổn thất trong hệ tọa độ d-q, và suy ra cách để tối thiểu tổn thất theo dòng điện trục d Nhưng tối ưu trong vùng bão hòa và ở trên biên điện áp chưa được xét

đến Jeong và các cộng sự [15] đã xét vùng bão hòa và tách kênh trong mô hình tổn thất, và ứng dụng phương pháp Newton online trong tìm kiếm giá trị tối ưu Nhưng một nghiên cứu tối ưu ở biên điện áp cũng chưa được xét tới Lee và các cộng sự [18]

đã đưa ra thuật toán tối thiểu tổn thất bằng phương pháp Lagrange dựa trên mô hình

tổn thất của Mademlis [20], và đã dùng phép xấp xỉ đa thức4 để tìm nghiệm trên biên Ngoài ra, bảng tra gần đúng đã được sử dụng để điều khiển giảm thiểu tổn thất động cơ [7], [19], hoặc các phương pháp tìm kiếm giá trị online [10], [15], [23] cũng

đã được sử dụng Tuy nhiên, việc xây dựng bảng tra đòi hỏi chi phí cao và mất thời gian để đo đếm Thêm nữa, bảng tra gần đúng đòi hỏi một kích thước bộ nhớ lớn hoặc một thuật toán nội suy phù hợp

Như vậy, các nghiên cứu trên đã đưa ra nhiều giải pháp khác nhau để giải quyết bài toán điều khiển nâng cao hiệu suất cho động cơ, nhưng chung quy lại là đều dựa vào việc điều khiển giảm từ thông, và các phương pháp này có thể được phân làm hai loại chính: 1) kỹ thuật điều khiển dựa vào mô hình tổn thất; 2) ứng dụng thuật toán điều khiển tìm kiếm

Kỹ thuật điều khiển dựa vào mô hình tổn thất dựa trên việc khai triển mô hình toán của các tổn thất năng lượng xuất hiện khi động cơ làm việc Để có một kết quả tốt nhất, phương pháp này cần có một mô hình tổn thất chính xác và các tham số của

mô hình phải được xem xét trong điều kiện nhiệt độ và dòng điện thay đổi Bằng cách đưa mô hình tổn thất về một hàm của các biến điều khiển của hệ truyền động, thì kỹ thuật điều khiển dựa vào mô hình tổn thất tìm cách đưa ra giá trị của các biến điều khiển là tối ưu, để hiệu suất của động cơ là lớn nhất

Đối với kỹ thuật sử dụng thuật toán điều khiển tìm kiếm thì ngược lại, nó không dựa vào mô hình tổn thất, mà là sử dụng chương trình thích nghi Đầu tiên, kỹ thuật này thay đổi giá trị biến điều khiển theo từng bước nhỏ, sau đó đo công suất vào động

cơ ở mỗi điểm làm việc Cuối cùng, bằng cách so sánh kết quả đo được với giá trị đo được ở bước trước đó trong điều kiện vận hành ổn định, để tìm kiếm điểm tiêu thụ công suất thấp nhất Thuật toán điều khiển tìm kiếm có ưu điểm là không cần biết đến

mô hình tổn thất của động cơ và các tham số của nó Tuy nhiên, nó cũng có điểm hạn chế là chi phí xây dựng cấu hình hệ thống cao, gánh nặng tính toán lớn, đặt biệt là đáp ứng của hệ thống bị dao động, vì vậy, có thể dẫn đến hệ truyền động bị mất ổn định

Từ các ưu nhược điểm vừa phân tích cùng với điều kiện và khả năng nghiên cứu, trong luận văn này, tác giả sử dụng phương pháp điều khiển tối thiểu tổn thất PMSM dựa vào mô hình tổn thất để giải quyết bài toán đã đưa ra, đồng thời khắc phục những vẫn đề còn tồn tại ở trên

3 Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu

Nói chung, điều khiển tối thiểu tổn thất là một bài toán tối ưu có ràng buộc

Chính xác, nó là vấn đề tìm dòng điện đặt trục d và trục q trong giới hạn điện áp và

dòng điện, để tổn thất của động cơ là nhỏ nhất trong khi phải tạo ra mômen xác lập tại tốc độ đặt Khi đã giảm thiểu được tổn thất của động cơ thì hiệu suất của động cơ cũng được nâng lên

Để giải quyết bài toán đưa ra, cũng như khắc phục những mặt còn tồn tại, luận văn đề xuất hướng nghiên cứu như sau:

 Xây dựng cấu trúc điều khiển nâng cao hiệu suất PMSM sử dụng phương pháp điều khiển vector tựa theo từ thông rotor Trong đó bao gồm hai mạch vòng điều khiển: mạch vòng điều khiển dòng điện bên trong và mạch vòng điều khiển tốc

độ bên ngoài

 Dựa trên những nghiên cứu đã có, xây dựng mô hình tổn thất của PMSM bao

gồm các tổn thất có thể điều khiển được theo các biến trên hệ tọa độ d-q

 Nghiên cứu đưa ra thuật toán điều khiển tối thiểu tổn thất (Loss Minimization

Algorithm – LMA) với hai trường hợp riêng biệt tùy theo điểm làm việc của PMSM: trong vùng giới hạn điện áp và dòng điện, và trên biên giới hạn điện áp

 Xem xét hiện tượng bão hòa từ ảnh đến các tham số của PMSM Từ đó đưa ra thuật toán xấp xỉ giá trị điện cảm theo dòng điện ứng với các điểm làm việc khác nhau của PMSM, nhằm cải thiện thuật toán điều khiển tối thiểu tổn thất đề xuất

 Mô phỏng hệ thống sử dụng thuật toán tối thiểu tổn thất đề xuất và so sánh với một thuật toán mới được đề xuất gần đây để kiểm chứng giá trị của thuật toán

đề xuất

Đối tượng nghiên cứu

Hệ truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

4 Phương pháp nghiên cứu

 Sử dụng phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor để xây dựng hệ truyền động và mô hình tổn thất của bài toán

 Sử dụng phương pháp giải tích để tìm nghiệm của bài toán tối thiểu tổn thất động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

 Sử dụng phần mềm MATLAB/SIMULINK để mô phỏng và kiểm chứng các kết

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Đối với động cơ xoay chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu, thì nam châm vĩnh cửu thay thế cho cuộn dây kích từ và vành trượt cổ góp dẫn điện như đối với

động cơ đồng bộ kích từ bằng cuộn dây (Wound Field Synchronous Machine –

WFSM), và động cơ xoay chiều nam châm vĩnh cửu cũng không có cấu tạo lồng sóc

như ở rotor của động cơ không đồng bộ (Induction Motor – IM) Nhờ đặc điểm đó,

các PMSM có một số ưu điểm nổi bật so với các loại động cơ khác

Do không có các cuộn dây kích từ bên trong rotor, nên các động cơ xoay chiều nam châm vĩnh cửu có khối lượng nhỏ và mômen quán tính thấp, điều này giúp cho động cơ đáp ứng mômen nhanh hơn Thêm vào đó, cường độ từ trường của động cơ này vẫn lớn trong khi thể tích của động cơ có thể giảm xuống Hơn nữa, vì không cần năng lượng để từ hóa động cơ và không có tổn thất đồng ở rotor, nên PMSM có hiệu suất cao hơn IM và WFSM Điều này cũng giúp giảm chi phí và kích thước biến tần dùng cho PMSM Nhờ không có tổn thất đồng ở rotor, nên rotor PMSM hầu như không tự sinh nhiệt mà còn nhận nhiệt từ phía stator, giúp quá trình tản nhiệt trong động cơ tốt hơn Đặc biệt, một số PMSM có lợi thế vượt trội là được thêm mômen từ trở trong dải điều khiển giảm từ thông, vì vậy, chúng có thể được thiết kế để có một dải công suất không đổi rộng Các kết quả trên dẫn đến PMSM có mật độ công suất cao hơn bất kỳ loại động cơ nào khác Nói cách khác, với cùng một công suất yêu cầu thì PMSM cần một không gian hiệu dụng nhỏ so với các loại động cơ khác

Về nguyên lý hoạt động, khi nối nguồn ba pha vào các cuộn dây stator của PMSM, dòng điện chạy trong hệ thống ba cuộn dây quấn stator sẽ sinh ra một từ trường quay với tốc độ:

60 e

n

f n P

với f là tần số dòng điện stator, e P là số đôi cực của động cơ đồng bộ Từ trường này n

sẽ tương tác với từ trường rotor tạo ra mômen kéo rotor quay với tốc độ đúng bằng tốc độ của từ trường quay Như vậy, từ trường trong động cơ gồm hai thành phần là

từ trường rotor và từ trường stator Từ trường stator là do dòng điện stator tạo thành, còn từ trường rotor là do nam châm vĩnh cửu gắn trên rotor tạo thành

1.1.1 Các loại PMSM

Dựa vào đặc điểm và cấu tạo của rotor, các động cơ đồng bộ (Synchronous

Motor – SM) có thể được phân loại như Hình 1.1

Hình 1.1: Các loại động cơ đồng bộ xoay chiều ba pha

Trong Hình 1.1, động cơ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet Motor – PM

Motor) được phân thành hai loại theo dạng sóng sức phản điện động Một loại có đặc điểm là sức phản điện động hình sin được gọi là PMAC hay PMSM (Permanent

Động cơ đồng bộ(Synchronous Motor )

Động cơ đồng bộnam châm vĩnh cửu(PM Motor)

Động cơ đồng bộ

kích từ bằng cuộn dây

Động cơ từ trở(Reluctance Motor)

Sức phản điện độnghình sin(PMAC hay PMSM)

Sức phản điện độnghình thang(BLDC Motor)

Động cơ đồng bộ nam

châm vĩnh cửu bề mặt

(SPMSM)

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm(IPMSM)

khác là động cơ một chiều không chổi than (Brushless DC motor – BLDC motor)

Dạng sóng sức phản điện động có hình dạng phụ thuộc vào nam châm, sự sắp xếp các rãnh và kiểu quấn dây [29]

Động cơ BLDC có đặc điểm là mômen bị nhấp nhô với tần số nhấp nhô gấp 6 lần tần số chuyển mạch Điều này là khác biệt hoàn toàn với các loại động cơ thông thường khác với mômen là một đường thẳng Do mômen nhấp nhô nên tốc độ của động cơ BLDC không ổn định và có tiếng ồn khi làm việc, đặc biệt là ở vùng tốc độ thấp [2]

Hình 1.2 (a-e) thể hiện các mặt cắt của các PMSM hai cặp cực có sức phản điện động hình sin với nam châm vĩnh cửu bề mặt hoặc là nam châm vĩnh cửu chìm [24]

Sự khác nhau là do vị trí của các nam châm vĩnh cửu (được bôi đen trong Hình 1.2) Nếu các nam châm vĩnh cửu được gắn trên bề mặt của rotor như Hình 1.2 (a-b), thì

nó được gọi là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu bề mặt (Surface mounted PMSM

– SPMSM) Nếu các nam châm mà được đặt chìm trong lõi rotor như Hình 1.2 (c),

(d), thì chúng được gọi là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm (Interior PMSM

– IPMSM) Trong Hình 1.2 (b), các nam châm vĩnh cửu được đặt vào rãnh của bề

mặt rotor, được gọi là động cơ nam châm ghép bề mặt (inset magnet motor) Đối với

động cơ nam châm ghép bề mặt, mặc dù nam châm ở trên bề mặt, nhưng từ trở có

đặc điểm gần giống với IPMSM, đặc biệt là điện cảm trục q lớn hơn so với điện cảm trục d Với bố trí từ thông tập trung như Hình 1.2 (d) thì mật độ từ thông khe hở không

khí có thể được tăng lên lớn hơn so với ở bề mặt của nam châm vĩnh cửu [29]

So sánh giữa PMSM và động cơ BLDC chỉ ra rằng PMSM có thể điều chỉnh tốc

độ và vị trí chính xác hơn so với động cơ BLDC [17] Hơn nữa, PMSM không tạo ra mômen nhấp nhô giống như động cơ BLDC Nhưng giá trị sử dụng của các động cơ BLDC là ở điểm điều khiển đơn giản và giá thành cạnh tranh Động cơ BLDC thường

có giá thành thấp và công suất nhỏ (nhỏ hơn 5kW), và được ứng dụng trong máy quạt gió, dụng cụ cầm tay, các ứng dụng gia dụng… So sánh giữa BLDC và PMSM được liệt kê trong Bảng 1.1

Hình 1.2: Mặt cắt một số dạng rotor tiêu biểu của động cơ đồng bộ: (a) nam châm lồi

bề mặt; (b) nam châm ghép bề mặt; (c) nam châm chìm; (d) nam châm chìm (từ thông

Bảng 1.1: So sánh giữa động cơ BLDC với PMSM

Sức phản điện động Sóng hình thang Sóng sin

Cảm biến vị trí Cảm biến Hall (giá

thành rẻ)

Resolver (giá thành đắt)

Kiểu quấn dây stator Tập trung (tốn ít đồng) Phân tán (tốn nhiều

đồng)

Tổn thất do dòng điện xoay trong

nam châm

Độ phức tạp trong điều khiển Đơn giản Phức tạp

Đối với động cơ từ trở (Reluctance Motor) có thể được chia làm hai loại: động

cơ từ trở đồng bộ (Synchronous Reluctance Motor – SynRM) và động cơ từ trở thay đổi (Switch Reluctance Motor, Variable Reluctance Motor – SRM) Trong đó, các

SynRM có số cực ở stator và rotor là bằng nhau Rotor SynRM được thiết kế để hướng

từ thông qua rotor theo quỹ đạo mong muốn, do đó các lỗ trống được tạo ra nhằm mục đích này như trên Hình 1.2 (f-g) Cũng nhờ vậy nên khi làm việc, rotor động cơ này mát hơn so với các động cơ khác Số cực điển hình của SynRM là 4 và 6 Còn các SRM cũng có thể được xem là một dạng của động cơ bước với số cực ít Các SRM khác nhau về số lượng pha quấn trên stator và chúng là một con số nhất định dựa vào sự tổ hợp phù hợp giữa số cực của stator và số cực rotor Ví dụ như SRM 2 pha 4/2 (stator 4 cực, rotor 2 cực), và SRM 3 pha 6/4 (stator 6 cực, rotor 4 cực) Nhờ cấu tạo đặc biệt này, đối với SRM, ngoài điều khiển dòng điện, điện áp còn có thể điều khiển góc quay của rotor Về nguyên lý hoạt động, khi kích thích bằng liên tiếp các xung dòng điện ở mỗi pha của stator SRM, thì rotor của động cơ có xu hướng đuổi theo hướng từ trở nhỏ nhất, từ đó tạo chuyển động quay cho trục động cơ [2]

1.1.2 Động cơ đồng bộ IPM

Về cấu tạo, stator của động cơ IPM bao gồm các cuộn dây được bố trí tương tự như ở các động cơ xoay chiều ba pha khác Còn rotor của động cơ có cấu tạo khá đặc biệt và đa dạng, bao gồm lõi thép và các tấm nam châm vĩnh cửu đặt chìm trong lõi thép, tùy vào số đôi cực của động cơ mà có số cặp nam châm tương ứng Hình 1.2 (c-e) là những cách bố trí nam châm thường thấy trong IPMSM

Sự bố trí các cặp nam châm bên trong lõi thép và cấu tạo lõi thép khiến cho từ thông của rotor chỉ hướng theo một trục nhất định, ta gọi trục đó là trục sinh từ thông

d, trục còn lại không sinh từ thông gọi là trục q, được mô tả trên Hình 1.3 [16] Với

cách bộ trí nam châm như trên dẫn đến từ thông khe hở không khí không đều Do đó, điện cảm trên hai trục cũng khác nhau Cụ thể là điện cảm ngang trục L của IPMSM q

lớn hơn điện cảm dọc trục L ( d L qL d), và tỷ số L q/L d được gọi là hệ số nhấp nhô Mức độ sai lệch giữa hai thành phần điện cảm này lớn hay nhỏ tùy thuộc vào cấu tạo của động cơ Nhờ đặc điểm này đã dẫn đến một số ưu điểm trong điều khiển động cơ IPM

Hình 1.3: Các đường sức từ của nam châm vĩnh cửu IPMSM

Vật liệu làm nam châm cho động cơ là vật liệu có mật độ từ tính lớn, do đó, kích thước của rotor không cần quá lớn mà vẫn đạt được từ thông mong muốn, nhờ đó mà mật độ công suất của IPMSM thường rất cao Giống với động cơ SPM, khả năng sinh mômen của động cơ IPM nhờ vào sự tương tác giữa dòng điện stator và từ thông của

rotor, mômen này gọi là mômen điện từ (Electromagnetic Torque) Tuy nhiên, do có

L L nên IPMSM có thêm một thành phần mômen từ trở (Reluctance Torque),

điều này giúp cho động cơ IPM có khả năng sinh mômen cao hơn Hơn nữa, IPMSM còn có khả năng giảm từ thông mạnh nên có thể điều chỉnh tốc độ trong một dải rộng

Ưu nhược điểm:

 Có khả năng sinh mômen cao, dải điều chỉnh tốc độ rộng;

 Khối lượng nhẹ, kích thước nhỏ gọn, mật độ công suất lớn;

1.1.3 Một số phương pháp điều khiển PMSM

Để điều khiển PMSM, ta chỉ có thể sử dụng các phương pháp điều khiển tần số, như điều khiển vô hướng / ,U f điều khiển vector tựa từ thông rotor (Field Oriented Control – FOC), điều khiển trực tiếp mômen (Direct Torque Control – DTC)

Phương pháp điều khiển vô hướng /U f là phương pháp điều khiển đơn giản và

dễ thực hiện nhất Ý tưởng của phương pháp là thay đổi tần số để thay đổi tốc độ đồng bộ, từ đó thay đổi tốc độ động cơ Tuy nhiên, nếu điện áp cấp cho động cơ được giữ không đổi và giảm tần số sẽ kéo theo việc gia tăng từ thông trong khe hở không khí, khi đó dễ dẫn đến bão hòa mạch từ, dòng từ hóa tăng, méo dạng sóng dòng và áp cung cấp cho động cơ dẫn đến tổn hao đồng trên stator sẽ tăng Để tránh tình trạng này, người ta thường giảm điện áp đi đôi với giảm tần số sao cho từ thông khe hở không khí được giữ nguyên không đổi Trong các ứng dụng công nghiệp, phương pháp này được phân làm hai loại: 1) điều khiển U f sao cho từ thông là hàm của /mômen tải; và 2) điều khiển U f sao cho từ thông luôn luôn không đổi ở toàn dải /điều chỉnh Mặc dù có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện nhưng phương pháp này có nhược điểm là ổn định tốc độ ở vùng tốc độ thấp gặp khó khăn, do vậy thường được dùng trong các ứng dụng không yêu cầu điều chỉnh sâu tốc độ

Còn phương pháp điều khiển vector tựa từ thông rotor (FOC) ra đời dựa trên việc áp dụng các phép biến đổi tuyến tính không gian vector Tinh thần của phương pháp là dùng các công cụ biến đổi vector để ước lượng đại lượng từ thông rotor r

và điều chỉnh nó Ưu điểm của phương pháp này là có thể ổn định tốc độ ở vùng cận không, cho họ đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ giống với đặc tính cơ của động

cơ điện một chiều kích từ độc lập ở vùng từ thông không đổi Phương pháp này sẽ được trình bày rõ hơn ở mục 1.2 trong luận văn này

Phương pháp thứ ba là phương pháp điều khiển trực tiếp mômen (DTC) xuất hiện và phổ biến vào thập kỉ 90 của thế kỉ 20 Phương pháp này dựa vào việc điều

ψ để điều khiển mômen động cơ Để thực hiện

phương pháp này, ta cần dựa trên phép biến đổi vector để xác định độ lớn và vị trí vector ψ , thay đổi vector điện áp stator s u để thay đổi vị trí vector s ψ Ưu điểm của s

phương pháp này là không cần xác định vị trí của rotor và cho đáp ứng mômen nhanh Nhược điểm là với mômen đập mạch sinh ra, dẫn đến động cơ làm việc ở tốc độ thấp khó ổn định

Với những ưu nhược điểm của các phương pháp đã nêu ra ở trên nên trong luận văn này, tác giả sử dụng phương pháp FOC để xây dựng cấu trúc điều khiển cho bài toán điều khiển nâng cao hiệu suất PMSM

1.2 Phương pháp điều khiển vector PMSM

Tư tưởng của phương pháp điều khiển vector xuất phát từ nguyên lý điều khiển

của động cơ điện một chiều (Direct Current – DC) Động cơ điện DC có đặc tính điều

khiển đơn giản, từ thông được sinh ra bởi dòng điện kích từ và mômen được sinh ra nhờ dòng điện phần ứng của động cơ Hai dòng điện này là độc lập và có thể điều khiển dễ dàng, do đó ta có thể điều khiển độc lập từ thông và mômen của động cơ Với ưu điểm này, động cơ điện DC đã được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển truyền động ở những năm đầu ứng dụng điều khiển số

Đối với động cơ xoay chiều (Alternating Current – AC) ba pha, việc mô tả toán học để có đặc điểm điều khiển độc lập như động cơ điện DC là rất khó khăn Do đó, phương pháp điều khiển vector tựa theo từ thông rotor đã được xem xét và đề xuất bởi K Hasse [14] và F Blaschke [8] Phương pháp này cho phép biểu diễn dòng điện stator thành hai dòng điện độc lập, có khả năng tạo từ thông và mômen giống với mô hình động cơ điện một chiều Điều này được thực hiện bằng cách chuyển các thành phần dòng điện và điện áp trong hệ tọa độ cố định sang hệ tọa độ quay đồng bộ với

từ thông rotor, dựa trên các công thức chuyển đổi tuyến tính trong không gian vector

do Clarke và Park đề xuất [31] Khi ta thành công trong việc điều khiển vector dòng điện stator đảm bảo nhanh, chính xác và không tương tác (điều khiển tách kênh, đảm bảo cách ly giữa hai quá trình: từ hóa động cơ và tạo mômen quay), thì ta có thể thiết

kế các bộ điều khiển vòng ngoài giống như đối với động cơ điện DC [6]

1.2.1 Công thức chuyển đổi Clarke

Công thức chuyển đổi Clarke cho phép biểu diễn vector dòng điện stator i gồm s

ba thành phần xoay chiều , ,i i i trong hệ tọa độ stator cố định a-b-c thành một a b c

vector gồm hai thành phần xoay chiều ,i i trong hệ tọa độ Descartes, hay còn gọi

là hệ tọa độ trực giao đứng yên - , trong đó trục  trùng với trục dây quấn pha a

của động cơ [1] Ta thấy rằng, hai dòng điện ,i i là hai dòng điện xoay chiều hình sin

Biểu diễn hình học của công thức chuyển đổi được minh họa trên Hình 1.4 Công thức chuyển đổi Clarke được mô tả theo phương trình dưới đây:

i i

i i

Dựa vào Hình 1.4, ta cũng có công thức chuyển đổi Clarke ngược từ hệ tọa độ

- sang hệ tọa độ stator cố định a-b-c:

i i

1.2.2 Công thức chuyển đổi Park

Công thức chuyển đổi Clarke đã biểu diễn vector dòng điện stator i từ ba thành s

phần xoay chiều , ,i i i trong hệ tọa độ stator cố định a-b-c về chỉ còn hai thành a b c

phần ,i i trong hệ tọa độ trực giao đứng yên - Tuy nhiên, vector dòng điện trong

hệ tọa độ - vẫn là vector quay với tần số góc của từ trường quay stator s, vì vậy, dòng điện ,i i là các dòng xoay chiều Để đơn giản trong điều khiển, các dòng điện xoay chiều này được biểu diễn thành hai dòng điện một chiều ,i d i Việc biểu diễn q

này được xây dựng thành công thức chuyển đổi Park, được đưa ra trong bài báo năm

1929 của tác giả Robert H Park [31] Bài báo được xếp hạng thứ hai trong các bài báo quan trọng nhất liên quan đến kỹ thuật điện được xuất bản trong thế kỷ XX Biểu diễn hình học của công thức Park được minh họa trên Hình 1.5 Trong đó: slà tốc

độ góc của vector dòng điện stator is; và slà góc pha giữa trục chuẩn  với trục d

Công thức chuyển đổi Park [1]:

cos sinsin cos

điện quay stator Ta gọi hệ tọa độ quay này là hệ tọa độ trực giao quay d-q

Tương tự ta cũng có công thức chuyển đổi Park ngược từ hệ tọa độ d-q về hệ

i i

độ d-q sẽ quay với tốc độ góc đồng bộ với tốc độ góc của từ thông rotor Phương pháp

điều khiển như vậy gọi là điều khiển vector tựa theo từ thông rotor (FOC)

Đối với PMSM, tốc độ góc của từ thông rotor cũng chính là tốc độ góc của trục rotor  s r và góc pha giữa trục chuẩn  (trục của hệ tọa độ -) với trục của từ thông rotor m (trục d của hệ tọa độ d-q) chính bằng góc cơ  s r Như vậy, đối với PMSM, ta có thể sử dụng trực tiếp góc cơ r thay cho góc pha từ thông s trong các công thức (1.4) và (1.5)

1.3 Phân tích hoạt động của PMSM

1.3.1 Mô hình toán học của PMSM

Trong hệ tọa độ d-q quay đồng bộ với vận tốc điện e, quan hệ điện áp và dòng điện được biểu diễn như sau [26]:

Giả sử J là mômen quán tính của rotor, T là mômen cản, và bỏ qua ma sát thì c

ta có phương trình cơ học sau:

1.3.2 Giới hạn dòng điện và điện áp

Gọi I smax là biên độ dòng điện lớn nhất của PMSM Lúc đó, giới hạn dòng điện của động cơ được biểu diễn như một đường tròn (Hình 1.6) có phương trình như sau:

max

Hình 1.6: Đường tròn giới hạn dòng điện và ellipse giới hạn điện áp với đường cong

mômen bằng hằng số của IPMSM

Ở vùng tốc độ cao của PMSM, điện áp rơi R i và s d R i trên điện trở cuộn dây s q

stator là rất nhỏ so với các thành phần khác trong (1.6), nên chúng thường được bỏ qua khi chọn giới hạn điện áp Giả sử động cơ đang làm việc ở trạng thái ổn định và

bỏ qua điện áp thuần trở rơi trên điện trở stator, mô hình toán (1.6) trở thành:

Biểu diễn (1.12) theo nguồn dòng ảo i đã đưa ra ở (1.10), sau đó thay vào f

(1.13), ta được ràng buộc điện áp [18]:

U U Giới hạn điện áp (1.14) là một ellipse trong mặt phẳng ( , )i d i và q

phụ thuộc vào tốc độ e Như trên Hình 1.6 là đang biểu diễn ellipse giới hạn điện

áp của IPMSM (L qL d) Ellipse này co lại đến điểm m/L d, 0 khi tốc độ e tăng [27] Ràng buộc điện áp (1.14) có thể được viết gọn lại dưới dạng:

Các đặc tính của PMSM theo tốc độ được biểu diễn trên Hình 1.7

Hình 1.7: Các đặc tính của PMSM ở dải tốc độ quay định mức và vùng giảm từ thông

Để khai thác công sức tối đa của động cơ, điện áp và dòng điện lớn nhất sẽ được

sử dụng Do đó, khi làm việc ở công suất cực đại, các điểm làm việc cần phải được xác định tại giao điểm của các đường giới hạn điện áp và dòng điện Chú ý rằng, đường tròn giới hạn dòng điện không phụ thuộc vào tốc độ, trong khi ellipse giới hạn điện áp thì có lại khi tốc độ tăng Bởi vậy, các điểm làm việc di chuyển dọc theo vòng tròn bên trái (điểm A – điểm C của Hình 1.6) Theo sự di chuyển này, mômen giảm, bằng cách ấy nó được biểu diễn bằng một đường cong parabola trong khoảng (A, C) của Hình 1.7 Nếu tốc độ được tăng thêm nữa, ellipse điện áp tiếp tục bị co lại Trong dải tốc độ đó, dòng điện giảm khi tốc độ tăng Các đường đặc tính điện áp, dòng điện, mômen, và từ thông trong vùng giảm từ thông được thể hiện trong Hình 1.7

1.3.3.1 Dải tốc độ quay định mức

Dải tốc độ quay định mức được giới hạn trong dải tốc độ từ không đến tốc độ

cơ bản (0base) Trong vùng này, mômen cực đại được giới hạn bởi dòng điện stator lớn nhất Khi tốc độ dưới tốc độ cơ bản, sức phản điện động của động cơ bé, điều kiện về giới hạn điện áp (1.14) luôn được thỏa mãn, lúc này chỉ cần chú ý đến giới hạn dòng điện (1.11) Khi tốc độ tăng lên, sức phản điện động tăng lên đến khi đạt giá trị giới hạn, và công suất cũng tăng theo sức phản điện động (trong khoảng 0 đến

A trên Hình 1.7) Ở tốc độ cơ bản base (tại điểm A trên Hình 1.6), điện áp đầu cực của động cơ đạt đến giới hạn Ở dải tốc độ quay định mức, phương pháp điều khiển

thường dùng là điều khiển tối ưu dòng điện đầu vào đáp ứng mômen của phụ tải

(Maximum Torque per Ampere – MTPA) [25]

1.3.3.2 Vùng giảm từ thông phía thấp

Như đã trình bày ở trên, ở dải tốc độ quay định mức thì mômen được duy trì bằng hằng số và từ thông cũng được giữ không đổi, tốc độ tăng khiến sức phản điện động tăng và do dó điện áp cung cấp cũng phải tăng theo Tuy nhiên, điện áp này bị giới hạn bởi khả năng cung cấp của biến tần Lúc này, theo (1.15) thì nếu muốn tiếp tục tăng tốc độ thì phải điều chỉnh giảm từ thông để điều kiện điện áp (1.14) vẫn được

Khi tần số tiếp tục tăng, ellipse điện áp co lại trong khi dòng điện đạt mức cực đại Imax Do đó, vector dòng điện di chuyển dọc theo đường tròn ( giới hạn dòng điện)

từ A đến C trên Hình 1.6 Lúc này, mômen giảm tỷ lệ nghịch với tốc độ tăng, và công suất bằng hằng số (trong khoảng từ A đến C trên Hình 1.7) Dọc theo biên giới hạn

này, dòng điện trục d giảm (âm hơn), tạo thêm từ thông trục d ngược dấu với từ thông

nam châm vĩnh cửu m, dẫn đến từ thông khe hở không khí giảm xuống Vì điện áp

và dòng điện vẫn giữ không đổi nên công suất cũng là không đổi Vì vậy, vùng giảm

từ thông phía thấp còn được gọi là vùng công suất không đổi5, và thường dùng phương

pháp điều khiển công suất cực đại6 để điều khiển [29] Trong vùng này, mômen giảm

tỷ lệ nghịch với tốc độ e [26] Dải tốc độ này được gọi là dải tốc độ công suất không đổi (Constant Power Speed Range – CPSR)

1.3.3.3 Vùng giảm từ thông phía cao

Phương pháp điều khiển thường dùng cho vùng tốc độ cực cao này là điều khiển tối ưu từ thông đáp ứng mômen của phụ tải7 Chiến lược điều khiển này được sử dụng như là bước cuối cùng trong vùng tốc độ cao của PMSM khi I sm/L d [29] Điểm mômen cực đại ứng với mỗi mức từ thông được xác định dựa vào tiếp tuyến của đường cong mômen với giới hạn điện áp như tại các điểm C và D ở Hình 1.6 [27] Trong vùng tốc độ cực cao này, ellipse điện áp tiếp tục co lại vào bên trong đường tròn dòng điện đến điểm (m/L d, 0) và dòng điện của động cơ cũng giảm Cho nên, mômen của động cơ cũng giảm rất nhanh và tỷ lệ với 1/e2,bắt đầu từ điểm

C trên Hình 1.7 [29]

5 Constant power limit region

6 Maximum power control

Khi mà e đủ lớn thì vế bên phải của (1.16) xấp xỉ bằng 0 Hay khi i di f

(i f m/L d) và i q0 thì e   Theo [30], khả năng tạo ra tốc độ cực đại được xác định theo tiêu chí:

1) Trường hợp mL I d smax: Tương ứng với trường hợp này (Hình 1.8 (a)), từ thông rotor m lớn hơn giá trị lớn nhất của từ thông mà được tạo bởi dòng điện

stator trên trục d Lúc này, tâm của ellipse giới hạn điện áp (i f,0) nằm bên ngoài đường tròn giới hạn dòng điện Tốc độ tối đa mà động cơ có thể đạt được ứng với điểm (I smax, 0) được gọi là tốc độ giới hạn và có thể suy ra từ (1.16):

max

max

s c

có thể được mở rộng đến tốc độ vô cùng về mặt lý thuyết

Hình 1.8: Quỹ đạo dòng điện và đặc tính công suất – tốc độ trong ba trường hợp:

(a) mL I d smax; (b) mL I d smax; (c) mL I d smax

dòng điện

0

Công suất

Tốc độ(b)

dòng điện

0

Công suất

Tốc độ(a)

dòng điện

0

Công suất

Tốc độ(c)

3) Trường hợp mL I d smax: Lúc này, tâm của ellipse nằm trong đường tròn giới hạn dòng điện tại mọi tốc độ (Hình 1.8 (c)) Từ thông nam châm có thể bị khử hoàn hoàn bởi từ thông stator Ở trường hợp này, vùng công suất không đổi cũng được mở rộng đến vô hạn Tuy nhiên, công suất đầu ra bé hơn so với trường hợp 2

Như vậy, để mở rộng CPSR thì cường độ từ thông của nam châm vĩnh cửu trên rotor cần phải được cân đối với dòng điện stator lớn nhất Tiêu chí (1.17) là một yếu

tố quan trọng trong việc thiết kế các hệ truyền động ứng dụng CPSR Đối với những

hệ truyền động có yêu cầu dải điều chỉnh tốc độ rộng ở vùng công suất không đổi thì động cơ có đặc tính như trường hợp 2 và 3 được ưu tiên lựa chọn

1.4 Kết luận chương 1

Trong chương này, luận văn đã giới thiệu về các động cơ đồng bộ, bên cạnh đó

đã phân loại các động cơ này dựa vào dạng sóng của sức phản điện động và đặc điểm cấu tạo của rotor Qua so sánh và đánh giá ưu nhược điểm của từng loại động cơ thì nổi bật lên loại PMSM với nhiều ưu điểm về mômen và tốc độ Do đó, tác giả đã tiếp tục đi sâu phân tích thêm một loại động cơ tiêu biểu, với các ưu điểm vượt trội trong các PMSM là IPMSM Từ những phân tích trên, tác giả đã chọn động cơ IPM là đối tượng nghiên cứu chính của luận văn, sau đó sẽ mở rộng bài toán ra các loại động cơ khác

Ngoài ra, luận văn còn đưa ra một số phương pháp điều khiển có thể ứng dụng cho PMSM và nhận thấy rằng phương pháp FOC có nhiều ưu điểm về điều khiển hơn nên đã chọn phương pháp này để xây dựng cấu trúc điều khiển cho bài toán đưa ra Đây là một phương pháp điều khiển hiện đại giúp tách các thành phần dòng điện tạo

từ thông và dòng điện sinh mômen quay từ hệ thống dòng điện xoay chiều ba pha ở stator, nhờ mạch vòng điều khiển dòng điện stator Từ các công thức chuyển đổi giữa các hệ tọa độ có trong phương pháp FOC, tác giả đã xây dựng thành các khâu chuyển đổi hệ tọa độ trong MATLAB/SIMULINK như ở phụ lục P.1

Trong phần cuối của chương, luận văn đưa ra mô hình toán học của PMSM

trong hệ tọa độ d-q Từ mô hình toán này, tác giả đã xây dựng được mô hình của

IPMSM trong MATLAB/SIMULINK như ở phụ lục P.2 Cũng dựa vào mô hình toán này, giới hạn dòng điện và điện áp của PMSM được đưa ra Trong đó, đối với trường hợp là IPMSM (1) thì giới hạn điện áp là một ellipse, còn nếu trong trường hợp

là SPMSM (1) thì giới hạn điện áp này là một đường tròn, và các giới hạn điện áp này đều có tâm tại (i f,0) trong hệ tọa độ d-q Giới hạn dòng điện của các PMSM đều là đường tròn có tâm tại gốc của hệ tọa độ d-q Trong phần này, luận văn cũng

phân tích các đặc tính điện áp, dòng điện, mômen và từ thông rotor của PMSM theo dòng điện Từ đó chia vùng làm việc của động cơ thành 3 vùng: vùng tốc độ quay định mức, vùng giảm từ thông phía thấp (vùng công suất không đổi) và vùng giảm từ thông phía cao Trong đó, trong vùng giảm từ thông phía thấp (vùng tốc độ cao) thì mômen của động cơ giảm tỷ lệ nghịch với tốc độ, còn trong vùng giảm từ thông phía cao (vùng tốc độ cực cao) thì mômen động cơ giảm tỷ lệ nghịch với bình phương tốc

độ Ngoài ra, tác giả còn đưa ra đặc tính công suất – tốc độ của động cơ PMSM với

3 trường hợp riêng biệt Các nội dung này cũng sẽ là nền tảng phục vụ cho một số nội dung ở các chương sau

Trên cơ sở đối tượng điều khiển và phương pháp điều khiển đã chọn trong chương này, ở chương tiếp theo, tác giả sẽ đưa ra cấu hình điều khiển tối thiểu tổn thất cho PMSM, sau đó thiết kế các mạch vòng điều khiển có trong cấu hình này

Chương 2 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU 2.1 Cấu hình điều khiển cho PMSM

Cấu hình của một hệ truyền động điện điều khiển tựa theo từ thông rotor (FOC)

sử dụng PMSM được đưa ra trên Hình 2.1

Hình 2.1: Cấu trúc điều khiển cho PMSM

Sơ đồ Hình 2.1 gồm hai mạch vòng điều khiển: mạch vòng điều khiển dòng điện bên trong và mạch vòng điều khiển tốc độ bên ngoài Động cơ được nuôi bằng bộ nghịch lưu nguồn áp Khối SVM là khối điều chế vector không gian, có nhiệm vụ tạo

ra các xung điều khiển để đóng mở các van công suất trong bộ nghịch lưu nguồn áp

để tạo điện áp xoay chiều ba pha cấp cho động cơ Khối R là bộ điều khiển dòng I

điện tách kênh thông dụng PI, có nhiệm vụ tính toán để đưa ra giá trị điện áp đặt

PMSM

_

dq abc

Nghịch lưu nguồn áp

dq abc

tích phân