Nghiên cứu các bộ biến đổi cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm IPM motor ứng dụng trong ô tô điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ====&==== VŨ MINH VƯƠNG NGHIÊN CỨU CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU CỰC CHÌM (IPM MOTOR) ỨNG DỤNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA HÀ NỘI - 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ====&==== VŨ MINH VƯƠNG NGHIÊN CỨU CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU CỰC CHÌM (IPM MOTOR) ỨNG DỤNG TRONG Ơ TƠ ĐIỆN Chuyên ngành: Điều khiển Tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS TẠ CAO MINH HÀ NỘI - 2011 LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan Luận văn cao học với đề tài: “Nghiên cứu biến đổi cho động đồng nam châm vĩnh cửu cực chìm (IPM motor) dùng ô tô điện” em tự thực hướng dẫn Thầy hướng dẫn, PGS TS TẠ CAO MINH Các số liệu kết hoàn toàn trung thực Để hoàn thành Luận văn cao học này, Tài liệu tham khảo dẫn cuối Luận văn, khơng chép cơng trình thiết kế tốt nghiệp người khác Nếu phát có sai phạm với điều cam đoan trên, em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Học viên Vũ Minh Vương   MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ Ô TÔ ĐIỆN .1  1.1.  Lược sử phát triển ô tô điện 1  1.2.  Những ưu điểm điểm cịn tồn tô điện .5  1.3.  Cấu tạo chung hệ truyền động ô tô điện 7  1.4.  Các động điện sử dụng tơ điện 8  CHƯƠNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU CỰC CHÌM (IPM MOTOR) 11  2.1.  Giới thiệu chung IPM 11  2.2.  Đặc tính góc-momen động 13  2.3.  Mơ hình tốn học phương pháp điều chỉnh động .14  2.3.1.  Mơ tả tốn học động IPM hệ tọa độ cực 14  2.3.2.  Mô tả toán học động IPM hệ tọa độ cố định 0αβ 15  2.3.3.  Mơ tả tốn học động IPM hệ tọa độ d-q 16  2.4.  Đặc tính vùng điều chỉnh .18  2.4.1.  Vùng momen không đổi 19  2.4.2.  Vùng công suất không đổi 19  2.4.3.  Vùng tích cơng suất tốc độ khơng đổi 19  2.5.  Các phương pháp điều khiển động IPM 20  2.5.1.  Điều khiển vector định hướng theo từ thông rotor FOC 20  2.5.2.  Điều khiển trực tiếp momen DTC 21    2.5.3.  Lựa chọn phương án điều khiển 22  CHƯƠNG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CHO ĐỘNG CƠ IPM .24  3.1.  Các nghịch lưu .24  3.1.1.  Phân loại nghịch lưu 24  3.2.  Các phương pháp điều biến 27  3.2.1.  Phương pháp điều biến PWM sóng hình sin 27  3.2.2.  Nghịch lưu ba pha sử dụng phương pháp điều chế SVM 32  3.3.  Đặc thù biến đổi cho ô tô điện 36  3.3.1.  Chuyển mạch mềm (soft-switching) 37  3.3.2.  Bộ biến đổi đa mức (multilevel inverter) 43  3.4.  Bộ nghịch lưu ba mức diode kẹp (3L-NPC) 55  CHƯƠNG MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 68  4.1.  Mơ hình nghịch lưu .68  4.2.  Mô hệ thống 68  4.2.1.  Bộ điều chỉnh tốc độ 70  4.2.2.  Khối tính id* 70  4.2.3.  Khối điều chỉnh dòng điện có bù chéo .71  4.2.4.  Khối phát xung 71  4.3.  Kết mô 74  KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .80  TÀI LIỆU THAM KHẢO 82  PHỤ LỤC 83    DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1-1: Mơ hình xe điện giới Hình 1.1-2: Camille Jenatzy Jamais Contente năm 1899 Hình 1.1-3: Electrovair II (1966) Hình 1.1-4: Phiên EV1 General Motor .4 Hình 1.3-1: Cấu hình hệ truyền động ô tô điện Hình 2.1-1: Động đồng nam châm vĩnh cửu cực chìm 12 Hình 2.2-1: Đồ thị vector động đồng nam châm vĩnh cửu cực chìm 13 Hình 2.2-2: Đặc tính góc-momen động 14 Hình 2.3-1: Sơ đồ thay động IPM hệ tọa độ quay đồng .18 Hình 2.4-1: Các chế độ làm việc động .18 Hình 2.5-1: Sơ đồ phương pháp điều khiển DTC 21 Hình 2.5-2: Sơ đồ khối phương pháp điều khiển FOC thơng thường .23 Hình 3.1-1: Nghịch lưu nguồn dòng ba pha 25 Hình 3.1-2 Nghịch lưu nguồn dịng ba pha, có diode cách ly 25 Hình 3.1-3: Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp ba pha 27 Hình 3.2-1: Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển nghịch lưu áp ba pha điều chế PWM sóng hình sin 28 Hình 3.2-2: Dạng tín hiệu điều khiển dạng điện áp PWM 29 Hình 3.2-3: Quan hệ điện áp đầu điện áp sóng chuẩn cải biến .31 Hình 3.2-4 Vector không gian vector biên chuẩn .34 Hình 3.3-1: Mơ hình điều khiển động ô tô 36 Hình 3.3-2: Mơ hình khóa chuyển mạch mềm 39 Hình 3.3-3: Cấu tạo nghịch lưu QPRDCL 40 Hình 3.3-4: Mạch tương đương nghịch lưu QPRDCL 41 Hình 3.3-5: Các chế độ hoạt động 42 Hình 3.3-6: Các dạng sóng thành phần khóa chuyển mạch 42 Hình 3.3-7: Dạng điện áp khóa Sa1 Sa2 42   Hình 3.3-8: Bộ nghịch lưu diode kẹp mức 44 Hình 3.3-9: Trạng thái, điện áp điều khiển chuyển mạch điện áp .45 Hình 3.3-10: Điện áp pha điện áp dây nghịch lưu 3L-NPC .46 Hình 3.3-11: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang P với dòng điện tải iA > 47 Hình 3.3-12: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang P với dòng điện tải iA < 47 Hình 3.3-13: Bộ nghịch lưu dạng flying capacitor mức 49 Hình 3.3-14: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang P, iA>0 50 Hình 3.3-15: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang P, iA4=>7=>14=>16, iA>0 53 Hình 3.3-18: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái 1=>4=>7=>14=>16, iA anpha ,beta delta moi u_beta moi u_beta moi Ta Ta Tinh thoi gian chuyen mach Tao xung chuyen mach cac van Chương 4: Mô đánh giá kết sqrt (2)*u(2)*sin (2*pi*u(1)*u(3)) f Ua U sqrt(2)*u(2)*sin(2*pi*u(1)*u(3) + 2*pi/3) Ub Clock sqrt(2)*u(2)*sin (2*pi*u(1)*u(3) - 2*pi/3) Uc Hình 4.2-6: Khâu tạo điện áp ba pha ua u(1) ub u_anpha Fcn uc u_beta (u(2) - u(3))/sqrt(3) Fcn1 Hình 4.2-7: Khâu đổi tọa độ αβ delta u_anpha u u_beta fcn y fcn u Xac dinh goc delta y sector Xac dinh sector Hình 4.2-8: Khâu xác định sector u_anpha fcn u y u_anpha moi chuyen doi toa anpha cua Vref ve sector u_beta fcn u sector u_beta moi chuyen doi toa beta cua Vref ve sector u delta y fcn y chuyen doi goc delta cua Vref ve sector Hình 4.2-9: Khâu chuyển đổi sector 72  delta moi Chương 4: Mô đánh giá kết u_anpha moi u_beta moi y fcn u delta moi region Xac dinh vi tri tam giac Udc ma Hình 4.2-10: Khâu Xác định tam giác điện áp fcn u y T1 delta moi Tinh thoi gian tac dong T region fcn u ma y T2 Tinh thoi gian tac dong T Tpulse fcn u y Tinh thoi gian tac dong T T3 Hình 4.2-11: Khâu tính thời gian tác động van sector fcn u y T2 y Tinh thoi diem dong S u fcn y Ta T3 u fcn fcn fcn u y fcn 1phaC y Tinh thoi diem tac dong S 1phaC fcn y y Tinh thoi diem dong S fcn y y Tinh thoi diem tac dong S Tinh thoi diem tac dong S 2phaB Hình 4.2-12: Khâu tính tốn thời gian chuyển mạch 73  2phaC 2phaB u fcn Tc Tb Tinh thoi diem dong S u 2phaA y Tinh thoi diem dong S u u 2phaA y Tinh thoi diem tac dong S 1phaB Tinh thoi diem tac dong S1phaB y Tinh thoi diem dong S u fcn u Tinh thoi diem tac dong S1phaA fcn u 1phaA region T1 fcn u Tinh thoi diem dong S 2phaC Chương 4: Mô đánh giá kết = AND S 1a NOT compare S3a PULSE A = S4a compare = AND S 1b NOT compare S3b PULSE B = S4b compare = AND S 1c NOT compare S3c = compare 11 Clock rem(u(1),Tpulse ) Fcn Hình 4.2-13: Khâu phát xung chuyển mạch 4.3 Kết mô Kết chạy thử nghiệm: 74  NOT S4c PULSE C Chương 4: Mô đánh giá kết Dien ap pha 50 data1 40 30 20 Volage[V] 10 -10 -20 -30 -40 -50 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 Time[s] 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 Hình 4.3-1: Điện áp đầu pha A nghịch lưu Dien ap mot pha 50 40 30 Voltage[V] 20 10 -10 -20 -30 -40 -50 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 Time[s] 0.06 0.07 0.08 Hình 4.3-2: Điện áp đầu pha A nghịch lưu sau lọc 75  0.09 0.1 Chương 4: Mô đánh giá kết Dien ap ba pha 50 40 30 Voltages[V] 20 10 -10 -20 -30 -40 -50 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 Time[s] 0.06 0.07 0.08 0.09 Hình 4.3-3: Điện áp đầu pha nghịch lưu sau lọc - Kết chạy có gắn với điều khiển động cơ: 60 Ua Ub Uc 40 U[V] 20 -20 -40 -60 0.02 0.04 0.06 0.08 Time[s] 0.1 0.12 0.14 Hình 4.3-4: Điện áp đầu ba pha nghịch lưu sau lọc 76  0.16 0.1 Chương 4: Mô đánh giá kết Hình 4.3-5: Hệ số méo dạng điện áp Đáp ứng tốc độ: 120 100 w[rad/s] 80 60 40 20 w* w 0 0.02 0.04 0.06 0.08 Time[s] 0.1 Hình 4.3-6: Đáp ứng tốc độ 77  0.12 0.14 0.16 Chương 4: Mô đánh giá kết Đáp ứng dòng điện iabc Ia Ib Ic I(A) -1 -2 -3 -4 0.02 0.04 0.06 0.08 Time(s) 0.1 0.12 Hình 4.3-7: Đáp ứng dịng điện Ia, Ib, Ic Hình 4.3-8: Hệ số méo dạng điện áp 78  0.14 0.16 Chương 4: Mô đánh giá kết - Đáp ứng momen có kích thích sau: 1.8 1.6 1.4 Te[N.m] 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 -0.2 0.02 0.04 0.06 0.08 Time[s] 0.1 0.12 0.14 0.16 Hình 4.3-9: Đáp ứng momen động Nhận xét: Từ kết mô thư ta nhận thấy rằng, nghịch lưu thực tốt nhiệm vụ mình: Về đáp ứng hệ thống: • Điện áp đầu nghịch lưu đảm bảo: biên độ, tần số, dạng sóng Ít nhấp nhơ, đập mạch • Dịng điện stator động có dạng hình sin, đảm bảo, hoạt động dịng định mức tốt, độ nhanh nhanh chóng hoạt động chế độ xác lập • Các đáp ứng momen tốc độ đảm bảo bám momen tốc độ đặt cách xác Đáp ứng biến đổi dáp ứng động đảm bảo thỏa mãn yêu cầu hoạt động động IPM 79  Chương 4: Mô đánh giá kết 80  KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Sự phát triển mạnh mẽ cách mạng công nghiệp công nghệ mở nhiều hội thách thức cho nhà khoa học công nghiệp phục vụ đời sống nhân sinh Tuy nhiên, với phát triển công nghiệp đại, khủng hoảng nguồn lượng dầu mỏ nguy ô nhiểm môi trường khí thải sinh tiền đề vơ quan trọng để phát triển nghiên cứu chế tạo ô tô điện nước ta Mặc dù giai đoạn đầu phát triển khó khăn trước mắt động lực thúc đẩy việc sâu tìm tịi, nghiên cứu ứng dụng điều khiển cho xe điện Và tìm hiểu nghiên cứu biến đổi cho động điện ứng dụng xe điện nói chung đặc biệt tô điện trở thành yêu cầu cấp thiết Trong trình phát triển đề tài: “Nghiên cứu biến đổi cho động nam châm vĩnh cửu cực chìm (IPM motor) dùng tơ điện”, hướng dẫn tận tình Thầy giáo, PGS.TS Tạ Cao Minh, em hoàn thành luận văn tốt nghiệp, đồng thời củng cố, mở mang thêm vốn kiến thức thân Với bốn chương Luận văn, em tìm hiểu xe điện, đặc điểm cá yêu cầu xe, động IPM, mơ hình hóa động hệ trục tọa độ, đề xuất phân tích phương pháp điều khiển động cơ, từ tìm hiểu, phân tính lựa chọn biến đổi hợp lý, cuối mơ hình hóa mô kết thu Matlab/Simulink Các nghiên cứu biến đổi, đặc biệt nghịch lưu đa mức nguồn áp trình bày chi tiết, rõ ràng Chương 3, đảm bảo tính tin cậy khả dụng Đồng thời, kết thu Chương cho thấy, Mơ hình tốn học thuật tốn điều khiển, mơ hình hóa động cơ, biến đổi… đắn; biến đổi làm việc tốt, thông số đáp ứng hợp lý, đáp ứng yêu cầu động xe ô tô điện, đảm bảo đáp ứng yêu cầu Đề tài không sâu vào nghiên cứu điều khiển động cơ, mà tập trung vào nghịch lưu, để nâng cao chất lượng điều khiều cần phải nghiên cứu sâu thuật toán điều khiển động 80  IPM vùng tốc độ khác Nhiệm vụ đề cập thiết kế tốt nghiệp chuyên đề khác Trong nội dung thực luận văn dừng lại nghiên cứu biến đổi cho hệ truyền động có động cơ, bước phát triển cao biến đổi cho hai động cơ, bốn động truyền động Bên cạnh nghiên cứu cải tiến phương pháp điều chế PWM cho nghịch lưu nguồn áp để mở rộng biên độ điều chế, thành phần sóng hài bậc cao, độ đập mạch…, nghiên cứu chuyển mạch mềm, đảm bảo an toàn, dễ điều khiển, phù hợp ứng dụng hợp lý cho xe điện vấn đề cần tiếp tục hoàn thiện nghiên cứu Do thời gian có hạn nhiều hạn chế kiến thức điều kiện nghiên cứu, Luận văn khó tránh khỏi hạn chế thiếu sót Vì thế, em kính mong nhận lời nhận xét, đánh giá góp ý Thầy, Cơ để Luận văn hồn thiện hữu dụng Một lần nữa, em xin cảm ơn Thầy hướng dẫn - PGS.TS Tạ Cao Minh, người trực tiếp hướng dẫn, bảo tận tình động viên suốt trình thực Luận văn Em xin gửi lời cảm ơn Thầy, Cô Bộ mơn Tự động hóa xí nghiệp cơng nghiệp cảm ơn thành viên Lab Thầy Tạ Cao Minh hướng dẫn giúp em hoàn thành luận văn Em xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày 28 tháng 09 năm 2011 81  TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh, Điện tử công suất – lý thuyết – thiết kế - ứng dụng, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2004 [2] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Vă Nghi, Điều chỉnh tự động truyền động điện, NXB khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2005 [3] Nguyễn Phùng Quang (2002), Matlab/Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội [4] Ngô Việt Dũng (2007), Điều khiển cực đại momen động đồng nam châm vĩnh cửu cực lồi, Đồ án tốt nghiệp, Bộ mơn Tự động hóa XNCN trường Đại học Bách Khoa Hà Nội [5] Nguyễn Tiến Luật (2009), Nghiên cứu ứng dụng biến tần đa mức truyền động điện, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên [6] Trần Trọng Minh (2007), Nghiên cứu, xây dựng biến tần kiểu ma trận, Luận án tiến sỹ kỹ thuật, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội [7] B K Bose (2002), Modern Power Electronics and AC Drives, Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ [8] A.Bendre, G Venkataramanan, D.Rosene, V.Srinivasan (2006), “Modelling and design of Neutral-Point voltage regulator for a three-level Diode – Clamped inverter using multiple-carrier modulation”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol 53, N°3, pp 718-726 [9] Yong C.Jung, Hyo I.Liu, Guk C.Cho, and Gyu H.Cho (1996), “Soft Switching Space Vector PWM Inverter Using a New Quasi-Parallel Resonant DC Link”, IEEE Transactions On Power Electronics, Vol 11, No 82  PHỤ LỤC Thông số động sử dụng mô Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Công suất P 500 W Số đôi cực Pp Điện trở phần ứng R 0,57 Ω Từ thông nam châm Ψf 0,108 Wb Điện cảm trục d Ld 8,72 mH Điện cảm trục q Lq 22,8 mH Điện áp cực đại Uam 50 V Dòng điện cực đại Iam 8,66 A ωbase 1250 rpm J 0,4.10-3 kg.m2 Tốc độ Momen quán tính 83  ... ? ?Nghiên cứu biến đổi cho động nam châm vĩnh cửu cực chìm (IPM motor) dùng tô điện? ?? Đề tài thực gồm 04 chương: Chương 1: Giới thiệu ô tô điện Chương 2: Động đồng nam châm vĩnh cửu cực chìm (IPM) ... FOC thông thường 23  Chương 2: Động đồng nam châm vĩnh cửu cực chìm (IPM motor) 24  Chương 3: Các biến đổi cho động IPM CHƯƠNG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CHO ĐỘNG CƠ IPM Động điện được cấp nguồn biến đổi, ... thiệu ô tô điện 11  Chương 2: Động đồng nam châm vĩnh cửu cực chìm (IPM motor) CHƯƠNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU CỰC CHÌM (IPM MOTOR) Qua tổng hợp phân tích ưu điểm, nhược điểm khả ứng dụng