So sánh máy PMSM và BLDC bàn về điều khiển trực tiếp mô men các động cơ này

Stator của động cơ BLDC được cấu tạo từ các lá thép kỹ thuật điện với các cuộn dây được đặt trong các khe cắt xung quanh chu vi phía trong của stator. Theo truyền thống cấu tạo st[r]

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG

ISO 9001:2015

SO SÁNH MÁY PMSM VÀ BLDC BÀN VỀ ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔ MEN CÁC ĐỘNG CƠ

NÀY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CƠNG NGHIỆP

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG

ISO 9001:2015

SO SÁNH MÁY PMSM VÀ BLDC BÀN VỀ ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔ MEN CÁC

ĐỘNG CƠ NÀY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CƠNG NGHIỆP

Sinh viên: Nguyễn Đăng Phương

Người hướng dẫn: GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn

Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc

-o0o -BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG

NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP

Sinh viên : Nguyễn Đăng Phương – MSV : 1412101005 Lớp : ĐC1802- Ngành Điện Tự Động Công Nghiệp

NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI

1 Nội dung yêu cầu cần giải nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp ( lý luận, thực tiễn, số liệu cần tính tốn vẽ)

2 Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính toán

CÁC CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Người hướng dẫn thứ nhất:

Họ tên : Học hàm, học vị : Cơ quan công tác : Nội dung hướng dẫn :

Thân Ngọc Hoàn GS.TSKH

Trường Đại học dân lập Hải Phịng Tồn đề tài

Người hướng dẫn thứ hai: Họ tên : Học hàm, học vị : Cơ quan công tác : Nội dung hướng dẫn :

Đề tài tốt nghiệp giao ngày tháng năm 2018

Yêu cầu phải hoàn thành xong trước ngày tháng năm 2018

Đã nhận nhiệm vụ Đ.T.T.N Sinh viên

Nguyễn Đăng Phương

Đã giao nhiệm vụ Đ.T.T.N Cán hướng dẫn Đ.T.T.N

GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn

Hải Phòng, ngày tháng năm 2018 HIỆU TRƯỞNG

PHẦN NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

1.Tinh thần thái độ sinh viên trình làm đề tài tốt nghiệp

2 Đánh giá chất lượng Đ.T.T.N ( so với nội dung yêu cầu đề nhiệm vụ Đ.T.T.N, mặt lý luận thực tiễn, tính tốn giá trị sử dụng, chất lượng vẽ )

Cho điểm cán hướng dẫn

( Điểm ghi số chữ)

Ngày……tháng…….năm 2018 Cán hướng dẫn

NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA NGƯỜI CHẤM PHẢN BIỆN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP

1 Đánh giá chất lượng đề tài tốt nghiệp mặt thu thập phân tích số liệu ban đầu, sở lý luận chọn phương án tối ưu, cách tính tốn chất lượng thuyết minh vẽ, giá trị lý luận thực tiễn đề tài

Cho điểm cán chấm phản biện

( Điểm ghi số chữ)

Ngày……tháng…….năm 2018 Người chấm phản biện

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

Chương 1 GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

(PMSM)

21 1.Cấu tạo

21 Nguyên lý hoạt động động PMSM

61 Tính chất động PMSM Điều khiển tốc độ động PMSM

10 1.5 Bộ điều chỉnh PWM

13

Chương 2.GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ KHƠNG CHỔI THAN DỊNG

CHIỀU (BLDC)

14 2.1 Giới thiệu động BLDC

14 2.2 Cấu tạo động BLDC

16 2.3 Nguyên lí hoạt động động BLDC

28 2.4 Các hệ truyền động điện dùng động BLDC

30 2.6 Các phương pháp điều khiển động BLDC

32

Chương 3 SO SÁNH MÁY PMSM VÀ BLDC BÀN VỀ ĐIỀU KHIỂN

TRỰC TIẾP MÔ MEN CÁC ĐỘNG CƠ NÀY

41 3.1 Giới thiệu

41 3.2 So sánh PMSM BLDCM

42 3.3 Công nghệ động không chổi than DC

47 3.4 Điều khiển trực tiếp mô men động PMSM

50 3.5 Đóng góp

52 3.6 Kết luận

53 KẾT LUẬN

1

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, kinh tế nước ta đà phát triển mạnh mẽ, đời sống người dân ngày nâng cao Nhu cầu sử dụng điện đời sống sinh hoạt nghành công nghiệp,nông nghiệp dịch vụ tăng không ngừng Đây hội thách thức cho ngành điện với việc phát triển điện năng, phục vụ nhu cầu xã hội Sau thời gian học tập trường, bảo hướng dẫn nhiệt tình thầy giáo ngành Điện tự động công nghiệp trường Đại học Dân lập Hải Phịng, em kết thúc khố học tích luỹ vốn kiến thức định Được đồng ý nhà trường thầy cô giáo khoa em giao đề tài tốt nghiệp:

“So sánh máy PMSM BLDC bàn điều khiển trực tiếp mô men

động này” Đồ án tốt nghiệp em gồm ba chương:

Chương 1: Giới thiệu động đồng nam châm vĩnh cửu (PMSM) Chương 2: Giới thiệu động khơng chổi than dịng chiều (BLDC)

2

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU (PMSM)

1.1 CẤU TẠO

Hình1.1 Cấu tạo động nam châm vĩnh cửu

3

ví dụ samariu - cobalt (SmCO – SmCO 17 ) Neodymium – ion – boron (NdFeb) nam châm có suất lượng cao tránh hiệu ứng khử từ thường gắn bề mặt bên lõi thép roto đểđạt dược độ bền khí cao, tốc độ làm việc cao khe hở giữacác nam châm đắp vật liệu dẫn từ sau bọc vật liệu có độ bền cao, ví dụ sợi thủy tinh bắt bulon lên nam châm Ngồi cịn có nam châm gốm có độ bền cao Vì rotor khơng cần nguồn kích thích nên động loại hoạt động mạnh mẽ đáng tin cậy Những động có cơng suất từ 100w đến 100kw Momen tối đa máy thiết kế không vượt 150% momen định mức.Nếu máy hoạt động momen max tính đồng hoạt động động cảm ứng ngưng hoạt động Những động đa số khởi động trực tiếp Công suất hệ sốcông suất động đồng nam châm

vĩnh cửu thường tốt đến 10 lần động từ trở tương ứng

* Ưu điểm Động chổi than vành trượt rotor khơng sinh tia lửa điện hoạt động, lúc công việc bảo dưỡng chổi than trừ Những động kéo vào đồng tải có mức qn tính lớn qn tính rotor chúng nhiều lần Theo kết cấu động ta chia động đồng nam châm vĩnh cửu thành loại: Động cực ẩn động cực lồi mà ta xét thấy rõ đặc điểm cấu tạo loại máy

1.1.1 Động đồng nam châm vĩnh cửu cực lồi.

4

tạo thành rãnh theo hướng trục để đặt dây quấn Dọc chiều dài lõi thép stator cư cách khoảng -6 cm lại có khoảng thơng gió ngang trục rộng 10mm Lõi thép stato đặt cố định thân máy Thân máy phải thiết kế cho hình thành hệ thống thơng gió làm mát máy tốt Nắp máy thường chế tạo gang đúc, thép nhôm đúc

Dây quấn stator thường chế tạo đồng có tiết diện hình trịn chữ nhật, bề mặt dược phủ lớp cách điện, quấn thành bối lồng vào rãnh lõi thép stator, đấu nối theo qui luật định tạo thành sơ đồ hình tam giác * Roto máy điện cực lồi thường có tốc độ quay thấp nên dường kính roto lớn chiều dài lại nhỏ Roto thường đĩa nhôm hay nhựa trọng lượng nhẹ có độ bền cao Các nam châm gắn chìm đĩa Các loại máy thường goi máy từ trường hướng trục Loại nàythường sử dụng kỹ thuật robot

Hình 1.2.Động đồng nam châm vĩnh cửu cực lồi

1.1.2 Động đồng nam châm vĩnh cửu cực ẩn

* Stator động đồng nam châm vĩnh cửu cực ẩn tương tự động cực lồi

5

Khi nam châm ẩn rôt đạt cẩu trúc học bền

vững Kiểu thường sử dụng động cao tốc Tốc độ loại thường cao nên để hạn chế lực li tâm roto thường có dạng

hình trrongs với tỷ số “chiều dài/ đường kính “ lớn Máy gọi máy

từ trường hướng kính, thường sử dụng máy công cụ Tuy nhiên với cấu trúc nam châm vĩnh cửu chìm, máy khơng thể dược gọi

khe hở khơng khí Trong trường hợp nam châm lắp bên lõi thép roto mặt vật lí coi khơng có thay đổi hình học bề mặt nam châm Mỗi nam châm bọc mảng cực thép nên làm mạch từ máy thay đổi mạnh , mảng cực thép tạo đường dẫn từ cho từ thông cắt ngang cực khơng gian vng góc với từ thơng nam châm Do hiệu ứng cực lồi rõ ràng làm thay đổi chế sản sinh momen máy điện

Hình 1.3 Động đồng nam châm vĩnh cửu cực ẩn

6

điều hòa truyền động động đồng nam châm vĩnh cửu cấp từbộ biến đổi cách sử dụng biến đổi chất lượng cao điều khiển có chứa phần tử đo xác thơng số hoạt động tốc độ, vịtrí động Trong máy điện nam châm vĩnh cửu kinh điển , stattor có , ngày ta chế tạo stato không Trong trường hợp dây quấn stato chế tạo từ bên ngồi sau lồng vào định vị stato Máy điện không đập mạch chế độ thấp tổn thất giảm, tăng không gian cho dây quấn statto nên sử dụng dây quấn tiết diện lớn tăng dòng định mức máy điện tăng cơng suất máy Nhưng khe hở khơng khí lớn gây bất lợi cho từ thơng khe hởnên phải chế tạo roto có đường kính lớn có bề mặt nam châm lớn Động đồng nam châm vĩnh cửu có nhiều kiểu roto khác Dưới kiểu thường gặp thực tế:

Hình 1.4 Các kiểu rotor máy điện đồng cực ẩn

1.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ PMSM

PMSM động đồng nam châm vĩnh cửu hoạt động sau: cấp dịng điện hình sin vào cuộn dây stator xuất từtrường quay với tốc độ n tt = 60f/p, f- tần số biến thiên dịng điện, p – số đơi cực

7

trường, lúc mô men trung bình động khác

Việc đưa nam châm vĩnh cửu tới tốc độ từ trường phương pháp khởi động động đồng thường mà ta nghiên cứu trước Do khởi động máy lai ngoài, phương pháp đắt tiền, cồng kềnh nên sử dụng Phương pháp hay dùng phương pháp khởi động dị

Lúc đặt tải lên động Như máy đồng nam châm vĩnh cửu có nam châm quay đồng với từ trường quay, quay với tốc độ đồng

1.3 TÍNH CHẤT CỦA ĐỘNG CƠ PMSM 1.3.1 Mơ hình tốn

PMSM

8

trình động sau: Me = ML + B𝜔r Jp𝜔r(1.9) Ở :q – số đôi cực, ML – momen tải, B – hệ số ma sát, 𝜔r – tốc đọ rotor, J-mơ men qn tính Tần số biến tần quan hệ với tốc độ rotor sau: 𝜔s = q𝜔r (1.10) Mơ hình máy điện phi tuyến chứa tích biểu thức chứa tích biến trạng thái 𝜔r, id , iq Tổng công suất vào cho máy điện biểu diễn

qua biến a, b, c sau: P = ua ia + ub ib + uc ic (1.11) Và biểu diễn qua biến d, q sau: P = ( ud

id + uq iq )(1.12)

1.3.2 So sánh động không đồng động đồng nam châm vĩnh cửu

Type equation here

Hình 1.5 Mức hiệu suất động PMSM

9

ra, hệ số công suất cao nhiệt độ làm việc mát Động PMSM động lai với dây quấn ba pha phân bố rãnh stator tương tự với dây quấn động IM , có rotor với lồng sóc nhơm nam châm vĩnh cửu gắn bên Tuy nhiên khởi động tăng tốc trực tiếp nối với lưới điện mà khơng cần đến điều khiển Động cơPMSMcó mơmen cao, làm việc với tốc độ đồng cố định phù hợp với phụ tải có mơmen qn tính thấp Do khơng có tổn thất nhiệt lồng sóc nhơm ( thành phần chiếm khoảng 20% tổng tổn thất động IM ), tổn thất đồng dây quấn stator chiếm phần lượng lớn tổng tổn thất động Thành phần tổn thất động PMSM giảm đáng kể so với động IM giảm dịng điện từ hóa động cơ, giảm dòng điện đầu vào động sở nâng cao hệ số công suất cos𝜑, nâng cao hiệu suất so với động IM có hiệu suất IE3 có khả đạt đến hiệu suất IE5 Hệ số cos𝜑 : Hệ số cos𝜑 động IM thấp dẫn đến giảm khả phân phối công suất hệ thống điện Điều dẫn đến tăng tổn thất đường dây truyền tải điện Hệ số cos𝜑 thấp gây tổn thất phụ động IM Bên cạnh khách hàng phải trả thêm phụ phí để nâng cao hệ sốcos𝜑 hệ số cos𝜑 họ thấp tiêu chuẩn cho phép Ngược lại động PMSM trì hệ số cos𝜑

cao chí xấp xỉ với dải công suất làm việc rộng Momen tỉ lệ công suất đơn vị thể tích: Do động PMSM có sửdụng nam châm, nên nói chung tỉ lệ cơng suất đơn vị thể tích khả sinh mơmen lớn so với động IM Nhiệt độ động : Nhiệt độ động bị ảnh hưởng tổn thất tốc độ quay Đối với động PMSM thành phần tổn thất rotor khơng có, nên nhiệt độ động PMSM thường thấp khoảng 30% so vớiđộng IM công suất Đây lợi tốt để bảo vệ nam châm không bị khử từ nhiệt độ

10

PMSM thường điều khiển véc tơ (FOC) điều khiển trực tiếp momen (DTC)

1.4.1 Điều khiển véc tơ máy PMSM

Phương trình (1.6), (1.7) trình bày dạng đồ thị hình 1.6 Vì từ thơng móc vịng khơng đổi nên mơ men tỉ lệ thuận với dịng trục q Điều biểu thị sau: Me = Ktiq Trong Kt = 3/2qΨaf

Hình 1.6.Sơ đồ vector điều khiển vector

Phương trình mơ men giống với động chiều kích từ độc lập hồn tồn cho phép chuyển PMSM phương trình tương đương động chiều kích từ độc lập Tương tự hiểu dịng i d âm tượng làm yếu từ thông khe hở khơng khí biểu thức (1.6)

1.4.2 Bộ điều khiển dải trễ

11

Hình 1.7 Bộ biến tần PMSM

Mạch cơng suất điều khiển động PMSM hình 1.7.Giả thiết điện áp mạch dòng chiều lọc tốt Sáu van T – T sử dụng điều khiển dòng điện pha stator Điều khiển sau: Giá trị tức thời dòng điện ia ib chạy động đo, từ dòng ic xác định, điều loại bỏ cần thiết sensor dòng điện Giá trị tức thời giá trị đặt so sánh với tạo sai số.Để so sánh giá trị dòng điện sử dụng sơ đồ hình 1.8

Hình 1.8 Bộ điều khiển dải trễ dòng điện

12

Bảng 1.1 Logic điều khiển giải trễ

ia* ia T1 T4 Vdm

≥0 ia≤(ia* - ∆i) On Off +Udc /2

≥0 ia≥(ia* +∆i) Off Off +Udc /2(D4on) <0 ia≥(ia* +∆i ) Off On -Udc /2 <0 ia≤(ia* - ∆i) Off Off +Udc /2(D1on) Tương tự dùng cho pha lại Khi T mở dòng ia tăng theo chiều dương nên dùng pha B pha C đường khép kín trở Ngay sau T1 chuyển từ mở sang ngắt dịng điện chạy qua mày khơng thể đạt giá trị zero diot mắc song song với transistor bỏ xung nó, trường hợp T4 bắt đầu dẫn dòng pha A, điều xảy điệnáp pha A chuyển từ Udc /2 tới –Udc /2 Trường hợp ngược lại T4 chuyển từ mở sang ngắt trình tương tự xảy pha khác Lý để gọi điều khiển dải trễ sựchuyển điện áp pha xảy giữ dòng điện giải trễ đó, dịng điện pha có dạng gần hình sin Khi giải trễ nhỏ dạng dịng điện giống hình sin, nhiên giải trễ hẹp lại tần số dóng mở van lớn, điều bịhạn chế tần số dóng mở van điện tử cơng suất Tần số đóng ngắt tăng làm tăng tổn hao biến tần

1.5 BỘ ĐIỀU CHỈNH PWM

13

giữ chuyển sang cực dương (bật trên) Khi lỗi lệnh dạng sóng tam giác, biến tần chân chuyển sang tiêu cực phân cực (chuyển đổi thấp hơn) Điều tạo tín hiệu PWM hình 2.7 Biến tần chân bị buộc phải chuyển đổi tần số sóng tam giác tạo điện áp đầu tỷ lệthuận với lệnh lỗi Bản chất dịng sản lượng có kiểm soátbao gồm chép tham chiếu với tần số cao PWM gợn chồng lên

14

CHƯƠNG 2.

GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ KHƠNG CHỔI THAN DỊNG MỘT CHIỀU (BLDC)

2.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ BLDC Động chiều không chổi

than (BLDC) từ lâu sử dụng rộng rãi hệ truyền động công suất nhỏ (vài W đến vài chục W) ổ đĩa quang , quạt làm mát máy tính cá nhân , thiết bị văn phịng (máy in, scan,…) Trong ứng dụng mạch điều khiển chế tạo đơn giản có độ tin cậy cao Cùng với phát triển công nghệ điện tử, công nghệ chế tạo vật liệu làm nam châm vĩnh cửu có bước tiến lớn, làm cho ưu điểm hệ thống truyền động điện sử dụng động BLDC so với động chiều có cổ góp hay động dị rõ rệt hơn, đặc biệt hệ thống truyền động di động sử dụng nguồn điện chiều độc lập từ ắc quy, pin hay lượng mặt trời Trong khơng thể khơng nhắc đến hệ truyền động kéo xe điện với công suất từ vài chục đến 100kW Trong cơng nghiệp, chúng cịn sử dụng rộng rãi hệ điều khiển servo

có cơng suất 10kW Mặc dù gọi động chiều thực chất động BLDC thuộc

15

PM – Permanent magnet motor) Chính sức phản điện động có dạng hình thang yếu tố định để xác định động BLDC yếu tố khác Hall sensor, chuyển mạch điện từ (Electronic Commutator), v v nhiều người nghĩ Thay cho chuyển mạch dòng phần ứng sử dụng chổi than cổ góp động BLDC sử dụng chuyển mạch điện tử Điều loại bỏ nhược điểm cấu chuyển mạch chổi than – cổ góp khí, tượng đánh lửa mài mịn Do đó, động BLDC hoạt động tin cậy động chiều truyền thống phải bảo dưỡng Do có cuộn dây phần ứng đặt stator nên dễ dàng dẫn nhiệt từ cuộn dây vỏ, sử dụng phương pháp làm mát cưỡng khác cần Vì động BLDC có mật độ cơng suất lớn động chiều truyền thống.Động BLDC có nhiều ưu điểm so với động chiều truyền thống động khơng đồng bộ, là:

- Đặc tính tốc độ/mơ men tuyến tính - Đáp ứng động nhanh quán tính nhỏ - Hiệu suất cao sử dụng roto nam châm vĩnh cửu nên khơng có tổn hao

đồng roto - Tuổi thọ cao khơng có chuyển mạch khí

- Không gây nhiễu hoạt động - Dải tốc độ rộng - Mật độ công suất lớn

2.2 CẤU TẠO ĐỘNG CƠ BLDC.

16

cửu Hình 2.1 minh họa cấu tạo động chiều không chổi than ba pha điển hình:

Hình 2.1: Các thành phần động BLDC

Khác với động chiều truyền thống, động BLDC sử dụng chuyển mạch điện tử thay cho kết cấu chổi than cổ góp để chuyển mạch dịng điện cấp cho cuộn dây phần ứng Có thể gọi cấu chuyển mạch tĩnh Để làm điều đó, phần ứng phải tĩnh Như mặt kết cấu thấy động BLDC động chiều truyền thống có hốn đổi vị trí phần cảm phần ứng: phần cảm roto phần ứng stato

Hình 2.2: Sơ đồ khối động BLDC

17

bộ kết hợp vài phương tiện để xác định vị trí rotor (hay vịtrí cực từ) nhằm tạo tín hiệu điều khiển chuyển mạch điện tửnhư biểu diễn hình 2.2 Từ hình 2.2 ta thấy động chiều khơng chổi than kết hợp động xoay chiều đồng kích thích vĩnh cửu đổi chiều điện tử chuyển mạch theo vị trí rotor Việc xác định vị trí rotor thực thơng qua cảm biến vị trí, hầu hết cảm biến vị trí rotor (cực từ) phần tử Hall, nhiên có sốđộng sử dụng cảm biến quang học Mặc dù hầu hết động thống có suất cao động ba pha, động chiều không chổi than hai pha sử dụng phổ biến cấu tạo mạch truyền động đơn giản

2.2.1 Stato

Khác với động chiều thông thường, stator động chiều không chổi than chứa dây quấn phần ứng Dây quấn phần ứng hai pha, ba pha hay nhiều pha thường dây quấn ba pha (hình 2.3).Dây quấn ba pha có hai sơ đồ nối dây, nối theo hình Y hình tam giác Δ

Hình 2.3: Stato động BLDC

18

của động cảm ứng khác Tuy nhiên, bối dây phân bốtheo cách khác Hầu hết tất động chiều khơng chổi than có cuộn dây đấu với theo hình hình tam giác Mỗi cuộn dây cấu tạo số lượng bối dây nối liền với Các bối dây đặt khe chúng nối liền để tạo nên cuộn dây Mỗi cuộn dây phân bố chu vi stator theo trình tự thích hợp để tạo nên số chẵn cực Cách bố trí số rãnh stator động khác cho số cực động khác nhau.Sự khác cách nối liền bối dây cuộn dây stator tạo nên khác hình dáng sức phản điện động Động BLDC có dạng sức phản điện động dạng hình sin dạng hình thang Cũng khác mà tên gọi động khác nhau, động BLDC hình sin động BLDC hình thang Dòng điện pha động tương ứng có dạng hình sin hình thang Điều làm cho momen động hình sin phẳng đắt phải có thêm bối dâymắc liên tục Cịn động hình thang rẻ đặc tính momen lại nhấp nhơ thay đổi điện áp sức phản điện động lớn

a) Sức điện động hình thangb) sức điện động nam châm vĩnh cửu

Hình 2.4: Các dạng sức điện động động BLDC

19

lệđiện áp Động nhỏ 48V dùng máy tự động, robot, chuyển động nhỏ Các động 100V dùng thiết bị cơng nghiệp, tự động hóa ứng dụng công nghiệp

2.2.2 Roto

Được gắn vào trục động bề mặt rotor có dán nam châm vĩnh cửu Ở động yêu cầu quán tính rotor nhỏ, người ta thường chế tạo trục động có dạng hình trụ rỗng

Hình 2.5: Roto động BLDC

20

Hình 2.6: Các dạng Rotor động chiều không chổi than

Roto động BLDC gồm có phần lõi thép nam châm vĩnh cửu gắn theo cách khác

- Roto có nam châm gắn bề mặt lõi: nam châm vĩnh cửu gắn bề mặt lõi roto Kết cấu đơn giản chế tạo không chắn nên thường sử dụng phạm vi tốc độ trung bình thấp

- Roto có nam châm ẩn bên lõi: lõi roto có khe dọc trục nam châm vĩnh cửu chèn vào khe Kết cấu khó khăn chế tạo lắp ráp, đặc biệt công suất lớn, nhưung chắn sử dụng ứng dụng tốc độ cao

+ Ở động BLDC, nam châm vĩnh cửu roto tạo từ trường hướng

tâm phân bố dọc theo khe hở không khí stato roto

2.2.3 Cảm biến vị trí rotor

Như thấy đổi chiều dịng điện vào vị trí tùe thơng roto vấn đề xác định vị trí từ thơng roto quan trọng Để xác dịnh vị trí

từ thơng roto ta dùng thiết bị cảm biến Có thiết bị cảm biến sau: - Cảm biến Hall

- Cảm biến từ trở MR (magnetoresistor sensor) - Đèn LED transito quang

2.2.3.1 Cảm biến Hall

21

thuộc vào vị trí rotor động đâu để cấp điện cho Vì điều quan trọng cần phải biết vị trí roto để tiến tới biết cuộn dây stator cấp điện theo thứ tự cấp điện Vị trí rotor đo cảm biến sử dụng hiệu ứng Hall đặt ẩn stator.Hầu hết tất độn chiều khơng chổi than có cảm biến Hall dặt ẩn bên stato,ở phần đuôi trục (trục phụ) động

Mỗi cực nam châm rotor qua khu vực gần cảm biến Hall,các cảm biến gửi tín hiệu cao thấp ứng với cực Bắc cực Nam qua cảm biến Dựa vào tổ hợp tín hiệu từ cảm biến Hall, thứ tự chuyển mạch xác đƣợc xác định Tín hiệu mà cảm biến Hall nhận dựa hiệu ứng Hall Đó có dịng điện chạy vật dẫn đặt từ trường, từ trường tạo lực nằm ngang lên điện tích di chuyển vật dẫn theo hướng đẩy chúng phía vật dẫn Số lượng điện tích bị đẩy phía cân với mức độ ảnh hưởng từ trường Điều dẫn đến xuất hiệu điện mặt vật dẫn Sự xuất hiệu điện có khảnăng đo gọi hiệu ứng Hall, lấy tên người tìm vào năm 1879

22

Hình 2.8: Động BLDC cấu trúc nằm ngang

Trên hình 2.8 mặt cắt ngang động chiều không chổi than với rotor có nam châm vĩnh cửu Cảm biến Hall đặt phần đứng yên động cơ.Việc đặt cảm biến Hall stator trình phức tạp cân đối dẫn đến việc tạo sai số việcxác định vị trí rotor Để đơn giản q trình gắn cảm biến lên stator, vài động có nam châm phụ cảm biến Hall gắn rotor, thêm vào so với nam châm rotor Đây phiên thu nhỏ nam châm rotor Do đó, rotor quay, nam châm cảm biến rotor đem lại hiệu ứng tương tự nam châm Các cảm biến Hall thơng thường gắn mạch in cố định nắp đậy động Điều cho phép người dùng điều chỉnh hoàn toàn việc lắp ráp cảm biến Hall để chỉnh với nam châm rotor, đem lại khả hoạt động tối đa

Dựa vị trí vật lý cảm biến Hall, có cách đặt cảm biến Các cảm biến Hall đặt dịch pha góc 600

1200 tùy thuộc vào số đôi cực Dựa vào điều này, nhà sản xuất động định nghĩa chu trình chuyển mạch mà cần phải thực trình điều khiển độngcơ.Các cảm biến Hall cần cấp nguồn Điện áp cấp từ đến 24V Yêu cầu dòng từ đến 15mA Khi thiết kế điều khiển, cần để ý đến đặc điểm kỹ thuật tương ứng loại động để biết xác điện áp dịng điện cảm biến Hall dùng Đầu cảm biến Hall thường loại open-collector, ,cần có điện trở treo phía bơ điều khiển khơng có điện trở treo tín hiệu mà có khơng phải tín hiệu xung vng mà tín hiệu nhiễu

2.2.3.2 Bộ cảm biến từ trở (MR)

23

2.2.3.3 Dùng đèn LED transito quang chắn (shutter)

Trên hình 2.9 biểu diễn hệ thống xác định vị trí từ thơng dùng transito quang hay chắn

Hình 2.9: Thiết bị cảm biến vị trí rotor dùng quang

Hoạt động sau, transistor PT1 trạng thái dẫn hai transistor lại trạng thái tắc (PT2 PT3) Trên hình 2.10 trình bày hoạt động cụ thể động truyền động BLDC dùng transitor quang để phát vị trí từ thơng Trong hình 2.10a sơ đồ ngun lý, cịn hình 2.10b sơ đồ tương đương

24

transisto lại không chiếu sáng không dẫn Hoạt động hệ thống sau:

(1) PT1 chiếu sáng làm cho Tr1 dẫn có dịng điện kích từ I1 chạy qua

cuộn W1 tạo nam châm P1 (cực S) làm roto quay (2) Khi roto quay kéo theo chắn, PT1 bị che, PT2 chiếu sáng, Tr2dẫn

điện có dịng điện kích từ I2 chạy qua cuộn W2 tạo nam châm P2 (cực S) làm roto quay

(3) Bây PT3 chiếu sáng Tr3 dẫn có dịng điện kích từ I3 chạy qua cuộn dây W3 tạo nam châm P3 (cực S) làm roto quay Chúng ta thấy chu kỳ dẫn transisto đồng thời cuộn dây là1200

a) b)

Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý động BLDC điều khiển transisto quang

Trên hình 2.11a sơ đồ nguyên lý động BLDC điều khiển transisto quang Mạch điện tử công suất gồm transisto mắc thành cầu đối xứng Ba cuộn dây stato nối tam giác Trên roto gắn mạch tạo tín hiệu điều khiển động Hình 2.11b cách tạo chắn gắn phần tử quang Màn có lỗ, gắn phần tử quang phần tử quang cách góc 600

25

PT2Tr2,PT3Tr3,PT4Tr4,PT5Tr5,PT6Tr6.Thiết bị đóng ngắt chia thành bảng đóng ngắt, bảng transisto quang theo thứ tự sau: Tr1, Tr3, Tr5, bảng thứ gồm Tr2, Tr4, Tr6 ứng với cách nối sơ đồ cầu

2.2.4 Chuyển mạch dòng điện

Như thấy điều khiển động BLDC cách chuyển mạch dòng điện cuộn dây pha theo thứ tự vào thời điểm định Quá trình gọi q trình chuyển mạch dịng điện

Động BLDC có ba cảm biến Hall đặt stato Khi cực nam châm roto chuyển động đến vị trí cảm biến Hall đầu cảm biến có mức logic cao thấp, tùy thuộc vào cực nam châm N hay S Dựa vào tổ hợp tín hiệu logic ba cảm biến để xác định trình tự thời điểm chuyển mạch dịng điện cuộn dây pha stato

Thơng thường có hai cách bố trí ba cảm biến Hall stato bố trí lệch 600 1200 khơng gian Mỗi cách bố trí tạo tổ hợp tín hiệu logic khác roto quay

Trong trình hoạt động, thời điểm có hai cuộn dây pha cấp điện, cuộn dây thứ ba không cấp điện, việc chuyển mạch dòng điện từ cuộn dây sang cuộn dây khác tạo từ trường quay làm cho roto quay theo

26

Để đạt yêu cầu trên, ta mong muốn cấp điện cho cuộn dây vào thời điểm cho dòng điện trùng pha với sức điện động cảm ứng dòng điện điều chỉnh để đạt biên độ khơng đổi khoảng có độ rọng 1200

điện Nếu không trùng pha với sức điện động dịng điện có giá trị lớn gây thêm tổn hao stato

27

Hình 2.13: Trình tự thời điểm chuyển mạch dịng điện

2.3 NGUN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ BLDC

28

Hình 2.14: Sơ đồ cấp điện cho cuộn dây stato

Để động BLDC hoạt động cần biết vị trí xác roto để điều khiển trình đóng ngắt khóa bán dẫn, cấp nguồn cho cuộn dây stato theo trình tự hợp lí Mỗi trạng thái chuyển mạch có cuộn dây (như pha A) cấp điện dương (dòng vao cuộn dây pha A), cuộn dây thứ (pha B) cấp điện âm (dòng từ cuộn dây pha B) cuộn thứ (pha C) không cấp điện Momen sinh tương tác từ trường tạo cuộn dây stato với nam châm vĩnh cửu Một cách lí tưởng, momen lớn xảy từ trường lệch 900

giảm xuống chúng di chuyển Để giữ động quay, từ trường tạo cuộn dây stato phải quay “đồng bộ” với từ trường roto góc α

2.4 CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG ĐỘNG CƠ BLDC 2.4.1 Truyền động khơng đảo chiều (truyền động cực tính)

29

Hình 2.16: Thứ tự chuyển mạch chiều quay từ trường stator Hình 2.10 minh hoạ động BLDC ba pha đơn giản, động sử dụng cảm biến quang học làm phận xác định vị trí rotor Như biểu diễn hình 2.11, cực Bắc rotor vị trí đối diện với cực lồi P2 stator, phototransistor PT1 chiếu sáng, có tín hiệu đưa đến cực gốc (Base) transistor Tr1 làm cho Tr1 mở Ở trạng thái này, cực Namđược tạo thành cực lồi P1 dòng điện I1 chảy qua cuộn dây W1 hút cực Bắc rotor làm cho rotor chuyển động theo hướng mũi tên

30

2.4.2 Truyền động có đảo chiều (truyền động hai cực tính)

Ở động chiều không chổi than, dây quấn phần ứng quấn stator phần đứng yên nên dễ dàng thay chuyển mạch khí (trong động điện chiều thơng thường dùng chổi than) bộchuyển mạch điện tử dùng bóng transistor cơng suất điều khiển theo vị trí tương ứng rotor

Hình 2.17: Chuyển mạch hai cực tính động BLDC

Về chất chuyển mạch hai cực tính nghịch lưu độc lập với van chuyển mạch bố trí hình 2.17 Trong chuyển mạch van cơng suất, loại động công suất bé van chuyển mạch dùng van MOSFET cịn loại động cơng suất lớn van chuyển mạch thường dùng van IGBT Để thực dẫn dịng khoảng mà van khơng dẫn diode mắc song song với van Để điềukhiển van bán dẫn chuyển mạch điện tử, điều khiển cần nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí rơt để đảm bảo thay đổi chiều dịng điện dây quấn phần ứng rotor quay giống vành góp chổi than động chiều thông thường

31

Momen điện từ động BLDC xác định giống động DC

có chổi than: Td =CTdc∅f Ia =KTdcIa(1-1) Trong : CTdc∅f = KTdc số momen

Hằng số momen xác định theo công thức: CTdc = C(Edc)/2𝜋(1-2)

2.5.2 Đặc tính đặc tính làm việc động BLDC

Đặc tính động BLDC giống đặc tính động điện chiều thông thường Tức mối quan hệ momen tốc độ đường tuyến tính nên thuận tiện trình điều khiển động đểtruyền động cho cấu khác Động BLDC không dùng chổi than nên tốc độ tăng lên khơng có hạn chế đánh lửa Vì vùng điều chỉnh động BLDC mở rộng

Hình 2.18: Đường đặc tính đặc tính làm việc động BLDC

Xuất phát từ biểu thức: U = RI + L𝑑𝐼

𝑑𝑡 + E ≈ E + RITính dịng từ biểu thức được:I = 𝑈−𝐸

𝑅 = 𝑈−𝐾𝜙𝜔

𝑅 Thay vào biểu thức mô men rút 𝜔 nhận được: 𝜔 = 𝑈

𝐾𝜙 - 𝑅

(𝐾𝜙)2MeĐây phương trình đặc tính động BLDC vẽ

32

Cịn tới biểu thức mô men sđđ BLDC cách khác

nhau: Mô men đẩy nam châm thẳng hàng: Te =

𝑑(𝐿𝑚)

𝑑𝜃 isir = is

𝑑(𝐿𝑚𝑖𝑟)

𝑑𝜃 = is

𝑑(Ψ𝑚)

𝑑𝜃 Tổng từ thông xác định biểu thức:

Ψ𝑚 = [1 - 𝜃

𝜋/2]Ψ1𝑚𝑎𝑥 = (1 - 2𝜃

𝜋)2N1Bgl𝜋r1Thay vào phương trình mơ men nhận được:Te = is𝑑(Ψ𝑚)

𝑑𝜃 = -4NlBglr1is = -KΦIỞ đây: is – dòng stato, ir – dòng roto

2.5.3 Sức phản điện động

Khi động chiều không chổi than quay, cuộn dây tạo ramột điện áp gọi sức phản điện động chống lại điện áp nguồn cấp cho cuộn dây theo luật Lenz Chiều sức phản điện động ngược chiều với điện áp cấp Sức phản điện động phụ thuộc chủ yếu vào yếu tố: Vận tốc góc

củarotor, từ trường sinh nam châm vĩnh cửu rotor số vòng cuộn dây stator

EMF = E ≈ nlrB ω (1-3) Trong đó: N số vịng dây pha l chiều dài rotor

r bán kính rotor B mật độ từ trường rotor ω vận tốc góc động

33

2.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC

Để điều khiển động BLDC có hai phương pháp chính: phương pháp dùng cảm biến vị trí Hall (hoặc Encoder) phương pháp điều khiển không cảm biến (sensorless control) Trong ta có hai phương pháp điều chế điện áp từ điều khiển điện áp dạng sóng hình thang dạng sóng hình sin Cả hai phương pháp hình thang hình sin sử dụng cho điềukhiển có cảm biến Hall không cảm biến, phương pháp khôngcảm biến dùng phương pháp điện áp dạng sóng hình thang

2.6.1 Phương pháp điều khiển tín hiệu cảm biến Hall-phương pháp 6 bước

Hình 2.19 ví dụ tín hiệu cảm biến Hall tương ứng với sức phản điện động động dịng điện pha Hình 2.20 thứ tự chuyển mạch tương ứng với cảm biến Hall động quay thuận chiều kim đồng hồ Hình 2.21 ví dụ tín hiệu cảm biến Hall tương ứng với sức 25 phản điện động động dịng điện pha Hình 2.22 thứ tự chuyển mạch tương ứng với cảm biến Hall động quay ngược chiều kim đồng hồ

34

là dạng hình chữ nhật Đặc tính sức phản điện động ba cuộn dây lệch 2π/3 cuộn dây stator đặt lệch 2π /3 góc chuyển mạch sức phản điện động π /3 thếtrong thời gian khơng cấp dịng cho cuộn dây stator tương ứng Căn vào dạng dòng điện pha động theo vị trí cảm biến Hall đểxác định sơ đồ mở van cho nghịch lưu Do chu kỳ có lần cảmbiến Hall thay đổi vị trí nên có trạng thái mở van

35

Hình 2.20: Thứ tự cấp điện cho cuộn dây tƣơng ứng với cảm biến Halltrong chế độ quay thuận chiều kim đồng hồ

36

Hình 2.22: Thứ tự cấp điện cho cuộn dây tƣơng ứng với cảm biến Hall chế độ quay ngược chiều kim đồng hồ

Hình 2.23 sơ đồ khối hệ điều khiển động chiều không chổi than Hệ thống điều khiển có sử dụng vi điều khiển làm điều khiển chính, phát xung PWM cho đệm PWM - IGBT driver Để phát xung PWM cho đệm vi điều khiển phải thực cơng việc lấy tín hiệu từ cảm biến Hall vào bảng cảm biến Hall để phát xung mở van theo thứtự cấp điện

37

Bảng 2.2 2.3 thứ tự chuyển mạch van dựa đầu vào từ cảm biến Hall A, B, C ứng với chiều quay động Trong cảm biến Hall đặt lệch 600

Bảng 2.2: Thứ tự chuyển mạch động quay theo chiều kim đồng hồ Thứ tự Đầu vào từ cảm

biến Hall

Các tín hiệu PWM Dịng điện pha

A B C A B C

1 1 PWM5(Q5) PWM6(Q6) - -DC +DC 0 PWM1(Q1) PWM6(Q6) +DC -DC - 1 PWM1(Q1) PWM2(Q2) +DC - -DC PWM3(Q3) PWM2(Q2) - +DC -DC 1 PWM3(Q3) PWM4(Q4) -DC +DC - 0 PWM5(Q5) PWM4(Q4) -DC - +DC

Bảng 2.3: Thứ tự chuyển mạch động quay ngược chiều kim đồng hồ Thứ tự Đầu vào từ cảm

biến Hall

Các tín hiệu PWM Dòng điện pha

A B C A B C

38

Hình 2.24: Giản đồ Hall sensor dòng điện ngõ tổng

Hình 2.25: Quỹ đạo từ thơng stato khơng tải có tải

2.6.2 Điều khiển phương pháp PWM

39

Hình 2.26:Giản đồ xung điều khiển PWM kênh

Hình 2.27: BLDC motor có điều chế PWM 2.6.3

Điều khiển động BLDC không sử dụng cảm biến (sensorless control)

Đây phương pháp sử dụng ước lượng từ thông roto để điều khiển khóa đóng cắt thay cho cản biến Hall truyền thống Do phương pháp gọi phương pháp điều khiển không cảm biến (sensorless control) Cơ sở điều khiển khơng cảm biến động BLDC dựa vào thời điểm qua zezo sức điện động cảm ứng pha động Tuy

40

 Một xác định vị trí roto dựa vào sức điên động củađộng cơ, phương pháp đơn giản,dễ dàng thực giáthành rẻ

 Hai ước lượng vị trí dùng tơng số động cơ,các giá trị điện áp dòng điện động Phương phápnày tính tốn phức tạp, khó điều khiển, giá thành cao

Phương pháp ước lượng vị trí roto dựa vào thời điểm qua zezo sức điện động địi tạo mơt điểm trung tính để đo bắt điểm qua zezo sức điện động Điểm trung tính trung tính trung tính ảo

Điểm trung tính ảo lí thuyết có điện với trung tính thật cuộn dây đấu hình Y Tuy nhiên điểm trung tính khơng phải làđiểm cố định Điện áp điểm trung tính thay đổi từ đến gần điện áp DC nguồn Trong điều chế PWM, tín hiệu PWM chồng chất lên điện áp trung tính, gây nhiễu lớn tínhiệu cảm biến, điều gây trì hỗn khơng cần thiết cho tín hiệu cảm biến

Hình2.28: Đo điện áp cảm ứng điểm trung tính a Điểm trung tính thật

41

42

CHƯƠNG 3.

SO SÁNH MÁY PMSM VÀ BLDC BÀN VỀ ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔ MEN CÁC ĐỘNG CƠ NÀY

Tóm tắt: Lý thuyết điều khiển mô-men trực tiếp đạt thành công lớn việc điều khiển động BLDC động PMSM Nhiều nghiên cứu thực để áp dụng ý tưởng DTC BLDCM thành PMSM kể từ năm 1990 DTC áp dụng cách chọn vector điện áp thích hợp dựa trạng thái chuyển đổi biến tần xác định tín hiệu lỗi liên kết từ thơng tham chiếu mô-men với giá trị thực đo chúng cách tính tốn khung tham chiếu tĩnh phương tiện đơn giản phát điện áp động dòng điện Nhắm vào DTC PMSM Drives, nghiên cứu trình bày sở lý thuyết DTC cho PMSM trước hết Sau đó, khác biệt việc áp dụng DTC cho PMSM BLDCM, mơ hình chúng rơto khung tham chiếu với phương trình động tương ứng chúng giải thích trình bày

Từ khóa: Bldcmotor, DTC, biến tần, phương trình động cơ, Pmsmotor, liên kết từ thông tham chiếu, khung tham chiếu rôto, lý thuyết

3.1 GIỚI THIỆU

43

cuộn dây phần ứng gần ln ln có stator thường cuộn dây ba pha

Tốc độ máy đồng điều kiện trạng thái ổn định tỷ lệ thuận với tần số dịng điện phần ứng Từ trường tạo dòng điện quay quay với tốc độ tương tự tạo dòng trường rotor (quay tốc độ đồng bộ).Do đó, động đồng máy tốc độkhông đổi luôn quay tốc độ đồng bộ, phụ thuộc vào tần số số cực cho trước bởiEQ 𝜔r =(2π/(P⁄2))/(1/f)= 2/P(2𝜋𝑓)= 2/P 𝜔rad/s,Một động đồng vận hành động máy phát điện Bằng cách thay đổi dòng điện trường, hệ số cơng suất có thểđược kiểm sốt PMSM sử dụng rộng rãi động cơcông suất thấp trung bình thiết bị ngoại vi máy tính, robot, ổ đĩa tốc độ điều chỉnh xe điện Trong công việc này, thấy lược đồ DTC thực thành công PMSM thơng qua khung tham chiếu rotor phương trình động

3.2 SO SÁNH PMSM VÀ BLDCM

Động PMSM phân loại dựa phân bố mật độ từ thơng hình dạng kích thích dịng điện Chúngđược liệt kê thành hai loại, số động đồng bộPM (PMSM) động không chổi than PM (BLDC) Động PMSM gọi động nam châm vĩnh cửu AC (PMAC), có mật độ từ thơng hình sin, biến đổi EMF ngược lại BLDC có mật độ từ thơng hình chữ nhật, biến đổi dòng phản hồi EMF Phân loại hai động giải thích Bảng 3.1

44

Phân loại động nam châm vĩnh cửu dựa kích thích chúng dạng sóng phản hồi EMF, hình bên dướicho thấy dạng sóng EMF PMSM Động BLDC

Đặc tính PMSM BLDC

Giai đoạn kích thích

Hình sin Hình thang

Mật độ từ thơng Hình sin Hình vng Pha ngược EMF Hình sin Hình thang Năng lượng mơ men Hằng số Hằng số

Hình 3.1: Dạng sóng PBEMF PMSM BLDCM

45

3.2.1 Công nghệ động nam châm vĩnh cửu

Như với hầu hết động cơ, động đồng (SM) có haiphần chính.Phần tĩnh gọi stator vàphần động, thường bên stato, gọi rơto.Động đồng tạo theo cấu trúc khác nhau: Từ động ba pha stator phổ biến Có hai cách để tạo dòng rotor Một sử dụng cuộn rotor liên kết từ stator cuộn khác làm nam châm vĩnh cửu tạo từ thơng liên tục Để có nguồn cung cấp tạo dòng rotor, động trang bị cuộn dây rotor cần có chổi Các liên kết trường hợp này, làm vịng khơng có phân đoạn chuyển mạch nào; tuổi thọ hai chổi động giống Việc sử dụng nam châm cho phép sử dụng hiệu không gian xuyên tâm thay cuộn dây rotor, triệt tiêu tổn thất đồng rotor Vật liệu nam châm cao cấp Sm2Co17or NdFeB cho phép giảm đáng kể kích thước động trì mật độ lượng cao

3.2.2 Mơ hình PMSM khung tham chiếu rơto phương trình động cơ

Đối với hệ động cao, dòng điều khiển áp dụng hệ thống tham chiếu dòng rotor (dq) xoay tốc độ đồng Stator vector từ thông

46

Hình 3.2: Stator rotor từ thơng hệ thống tham chiếu khác PMSM đặc biệt có đặc điểm sau: (1) máy móc mạnh mẽ hơn, cho phép tốc độ hoạt động cao nhiều, (2) khoảng trống khơng khí hiệu ds –axis rộng so với qs–axis, tạo máy với cực lồi với Ldm < Lqm, (3) với khoảng trống khơng khí hiệu thấp, phản ứng ứng phản ứng trở nên chủ yếu Trạng thái ổn định máy PM hình sin với mạch tương đương sơ đồ phasor giống động trường ngoại trừ trường dòng tương đương xem số, nghĩa liên kết từ thông𝜔𝑓 = LdmIf = constant Mạch tương đương tức thời khung quay đồng bộ, hình 3.1

47

b)Hình 3.3: ds – qsmạch tương đương máy đồng

(a) mạch qs – axis, (b) mạch ds – axis Mơ hình trạng thái ổn định động bắt nguồn cách cânbằng tất dẫn xuất thời gian thuật ngữ liên quan đến S bằngkhơng Sau phương trình trạng thái ổn định:

Vqs = RsIqs + 𝜔e(𝜓f + LdsIds) =RsIqs + Vf + XdsIds(1) Vds = RsIds – XdsIqs (2) Ngoại trừ máy khơng có cuộn biến đổi Hình 3.2 cho thấy mạch tương đương lõi hữu hạn biểu diễn cuộn dây giảm chấn rải rác Bỏ qua lõi, phương trình cân mạch viết sau: 𝜓^f = LdmI’f(5) 𝜓’ds = ids(Lls + Ldm) = idsLds(6) 𝜓ds = 𝜓^f + 𝜓’ds(7)

𝜓qs = iqs(Lls +Lqm ) = iqsLqs(8) Te = 2(

𝑃

2)( 𝜓dsiqs - 𝜓qsids)(9)

48 𝑑𝑖qs

𝑑t =

𝜔𝑏

𝑋𝑞𝑠[Vqs – Rsiqs - 𝜔𝑒

𝜔𝑏Xdsids - 𝜔𝑒

𝜔𝑏Vf ](10) 𝑑𝑖ds

𝑑t = 𝜔𝑏

𝑋𝑑𝑠 [Vds – Rsids - 𝜔𝑒

𝜔𝑏 Xqsiqs ] (11)

Te = 3𝑃

4𝜔𝑏[(F’ds + Vf)iqs – Fqsids] (12) Vf = 𝜔bΨ^f,Xqs = 𝜔bLqs

Xds = 𝜔bLds,Fds’ = 𝜔eΨds’ Fqs = 𝜔eΨqs

Các phương trình có giá trị cho IPM SMPM (ngoại trừ Ldm= Lqm), sử dụng cho nghiên cứu mơ máy tính Một lần nữa, để vận hành trạng thái ổn định máy, phương trình thành phần phái sinh thời gian (3) (4) khơng, nghĩa là, chúng viết dạng phương trình tương ứng (1) (2)

3.3 CÔNG NGHỆ ĐỘNG CƠ KHÔNG CHỔI THAN DC

49

được biết góc định, để chỉnh điện áp áp dụng với EMF ngược Sự liên kết EMF kiện chuyển mạch ngược lại quan trọng Trong tình trạng này, động hoạt động động DC chạy điểm làm việc tốt Nhưng hạn chế động BLDC gây cần thiết việc chuyển đổi lượng đo vị trí rotor cân hiệu suất độ tin cậy tuyệt vời, giá thành giảm thành phần công suất mạch điều khiển

3.3.1 Mơ hình BLDCM khung tham chiếu rơto phương trình động cơ

Mơ hình động BLDC phát triển theo cách tương tự máy đồng ba pha Vì có nam châm vĩnh cửu gắn rotor, số đặc tính động khác nhau.Liên kết từ thơng từ rotor phụ thuộc vào vật liệu nam châm Do đó, độ bão hịa liên kết từ thơng từ điển hình cho loại động Như động ba pha điển hình nào, cấu trúc động BLDC cấp nguồn điện áp ba pha.Nguồn khơng thiết phải hình sin Sóng vng dạng sóng khác áp dụng miễn điện áp đỉnh không vượt giới hạn điện áp tối đa động Tương tự, mô hình cuộn dây ứng lực cho động BLDC thể sau:

50 Va = Ria + L

𝑑𝑖𝑎

𝑑𝑡 + Ea Vb = Rib + L

𝑑𝑖𝑏

𝑑𝑡 + Eb Vc = Rib + L𝑑𝑖𝑐

𝑑𝑡 + Ec

Trong đó: L – hệ số tự cảm phần ứng ( H ) R – điện trở phần ứng ( Ω

) Va, Vb, Vc – điện áp pha a, b, c ( V ) Ia, ib, ic–dòng đầu vào động ( A ) Ea, Eb, Ec – điện áp phản hồi EMF ( V ) Trong động BLDC pha, EMF có liên quan đến chức vị trí rơto EMF sau pha có chênh lệch góc pha 120 nên phương trình pha sau:

Ea = Kwf(𝜃)𝜔 (4) Eb = Kwf(𝜃 - 2𝜋/3)𝜔 (5)

Ec = Kwf(𝜃 + 2𝜋/3)𝜔 (6) Trong đó: Kw - số phản hồi EMF pha ( V/rad.s-1 )𝜔 – tốc độ rotor (

rad.s-1 )Góc rotor điện góc rotor học nhân với số đơi cực p:

𝜃 = 𝑃

2𝜃m (7)

Trong đó: 𝜃m - góc rotor khí (rad) Tổng sản lượng mơ-men biểu diễn dạng tổng kết giai đoạn Phương trình thể tổng sản lượng mô-men:

Te =

𝐸𝑎𝑖𝑎+𝐸𝑏𝑖𝑏+𝐸𝑐𝑖𝑐

𝜔 (8)

Trong đó: Te - tổng sản lượng mô-men ( Nm )

51 Te – Tl = J

𝑑𝜔

𝑑𝑡 + B𝜔(9)

Trong đó: Tl – mơ men tải ( Nm )

J - quán tính rotor cặp trục ( Kgm2 )B - số ma sát ( Nms.rad-1 ) Khối chuyển đổi phát triển cách sử dụng phương trình bên

dưới:

Va = (S1)Vd/2 – (S4)Vd/2 (10) Vb = (S3)Vd/2 – (S6)Vd/2 (11) Vc = (S5)Vd/2 – (S2)Vd/2 (12)

3.4 ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔ MEN ĐỘNG CƠ PMSM

52

bộ ước lượng mô-men từ thông nhu cầu DTC phụ thuộc vào việc xác định thông số độ xác ước lượng cần thiết cho toàn hiệu suất hệ thống.Trong PWM vector điều khiển từ thông, điện áp tần số sử dụng biến điều khiển điều chế sau áp dụng cho mơ tơ.Lớp điều biến cần thêm thời gian xử lý tín hiệu hạn chếmơ men đáp ứng tốc độ Ý tưởng đằng sau DTC kết hợp trực tiếp vectơ từ thông stator cách áp dụng vectơ điện áp thích hợp cho cuộn dây stato.Điều thực cách sử dụng bảng chuyển đổi thiết kế sẵn để cập nhật trực tiếp biến tần chuyển đổi rời rạc biến kiểm sốt, mơ men điện từ dịng stator, vượt giới hạn trễ xung quanh tham chiếu chúng

3.4.1 Công việc trước

53

và giá trị giới hạn thực thi.Hơn nữa, chuyển lỗ việc thực cao kể từ vectơ sử dụng thay DTC áp dụng mà khơng cần sử dụng cảm biến tốc độ sử dụng dòng điện điện áp cảm biến để xác định vectơ điện áp stator Trong kết họ họ sử dụng điều khiển vịng kín, họ liệu tốc độ tính tốn dao động nhiều DTC PMSM áp dụng cách thực thuật toán điều khiển dự báo mơ hình làm giảm tần số chuyển mạch tổn thất chuyển mạch Đề xuất thuật tốn giảm 50% tổn thất chuyển mạch THD giảm 25% Phương pháp DTC áp dụng cách sử dụng lọc LP để loại bỏ sóng hài cách chọn tần số cắt đầu so sánh áp dụng cho xác định vector điện áp thích hợp vector không gian stator từ thông.Các kết mô cho thấy, hệ thống chạy trơn tru có đặc tính động tĩnh hồn hảo với tốc độ 1500 vòng / phút điều khiển PID tự điều chỉnh mờ có thời gian điều chỉnh mạnh mẽ so với điều khiển PI truyền thống

3.5 ĐÓNG GÓP

54

cơ tải.Ngoài từ thơng mơ-men kiểm soát trực tiếp với vector điện áp biến tần DTC Hai điều khiển trễ độc lập sử dụng đểđáp ứng giới hạn từ thông mô-men Đây thông số stator điều khiển mơ-men.Q trình DTC động đồng nam châm vĩnh cửu giải thích Có thể kết luận DTC áp dụng cho động đồng nam châm vĩnh cửu đáng tin cậy phạm vi tốc độ rộng BLDCM.Đặc biệt ứng dụng có hiệu suất động cao yêu cầu DTC có lợi lớn so với phương pháp điều khiển khác tính chất phản ứng mơ-men nhanh

3.6 KẾT LUẬN

55

KẾT LUẬN

Dưới hướng dẫn tận tình GS.TSKH Thân Ngọc Hồn, thầy cô khoa Điện- Điện tử trường Đại học Dân lập Hải Phòng, giúp đỡcủa bạn sụ lỗ lực thân em hoàn thành xong đồ án tốt nghiệp Đồ án giải vấn đề sau:

- Giới thiệu động BLDC - Giới thiệu động PMSM

- So sánh máy PMSM BLDC bàn điều khiển trực tiếp mô men động

Sau mười hai tuần làm đồ án, em hiểu thêm nhiều cấu tạo nguyên lý hoạt động động đồng bộ, Tuy nhiên thời gian có hạn trình độ thân nhiều hạn chế nên đề tài thực cịn nhiều sai sót Em mong nhận bảo, sửa chữa đóng góp ý kiến thầy cô giáo, bạn lớp để em thực hồn thành đề tài tốt hơn.Một em xin chân thành cảm ơn bảo ,hướng dẫn tận tình GS.TSKH Thân Ngọc Hồn, thầy trongkhoa, bạn bè lớp giúp đỡ em trình thực đề tài Em xin chân thành cảm ơn !

Hải Phòng, ngày 13 tháng năm 2018 Sinh viên thực

56

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt: Thân Ngọc Hoàn, Nguyễn Trọng Thắng (2016) “Nguyên lý hoạt động máy điện” NXB xây dựng tailieu.hpu.edu.vn

3

.lib.hpu.edu.vn/bitstream/handle/123456789/ /19_VuManhCuong_DC170 pdf4

lib.hpu.edu.vn/bitstream/handle/123456789/20551/2_LeQuangTuyen_DC 51.pdfTiếng Anh: Abdulaziz Bello, Ibrahim Muhammad Kilishi, Muntaka Musa Bari, Usman Abubakar, “Comparative Review Of PMSM And

BLDCM Based On Direct Torque Control Method”, INTERNATIONAL

JOURNAL OF SCIENTIFIC & TECHNOLOGY RESEARCH VOLUME 3, ISSUE 3, MARCH 2014 M.D Singh, K.B Khanchandani, “Power Electronics” second edition ISBN: 978-0-07-058389-7 pp.908 &959

Swierczynski, D.; P Wojcik, P.; Kazmierkowski, M P & Janaszek, M (2008) “Direct Torque Controlled PWM Inverter Fed PMSM Drive for Public Transport”, Proceedings on IEEE International Workshop on Advanced Motion Control AMC, pp 716-720 Popescu, M.; Miller, T.J.E.; McGilp, M I.; Strappazzon, G.; Trivillin, N & Santarossa, R ” (2006),“Torque Behavior of One-Phase Permanent-Magnet AC Motor” IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol 21, No 1, pp 19-26, ISSN 0885-8969 Wang, L & Gao, Y (2007) “A Novel Strategy of Direct Torque Control for PMSM Drive Reducing Ripple in Torque and Flux”, Proceedings of IEEE International Electric Machines & Drives Conference IEMDC,pp 403-4066 Li, Y.; Gerling, D & Liu, W (2008) “A Novel Switching Table Using Zero Voltage Vectors for Direct Torque Control in Permanent Magnet Synchronous Motor”.18th International Conference on

57

Permanent Magnet Motors using a Single Current Sensor”, Proceedings of the IEEE International Electric Machines and Drives Conference IEMDC, pp 89-94, Geyer, T.; Beccuti, G A.; Papafotiou, G & Morari, M (2010).” Model Predictive Direct Torque Control of Permanent Magnet Synchronous Motors”, Proceedings of IEEE Energy Conversion Congress and Exposition ECCE, pp 1-8, Selin O and Nur B (2011),“Direct Torque

Control of Permanent Magnet Synchronous Motors Prof” Moulay Tahar Lamchich (Ed.), ISBN: 978-953-307- 428-3, 10 Zhong, L.; Rahman, M F.; Hu, W Y.; Lim, K W &Rahman, M A (1999).“A Direct Torque

Controller for Permanent Magnet Synchronous Motor Drives”. IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol.14, No.3 pp 637-642, ISSN 0885-8969 11 Kiran B., Prof Acy M K., N.P.Ananthamoorthy (2013)