Như đã phân tích trong chương 1, vấn đề môi trường và an ninh năng lượng toàn cầu đã tạo cơ hội cho sự trở lại của xe điện nói chung và ô tô điện nói riêng. Khoa học công nghệ phát triển cũng là nguyên nhân trực tiếp hiện thực hóa việc thay thế động cơ đốt trong bằng động cơ điện vì ngày nay vận hành động cơ điện đã được nghiên cứu phát triển tương đối hoàn chỉnh. Tuy nhiên xe điện (ô tô điện) vẫn đối mặt với vấn đề chính là phạm vi vận hành ngắn do dung lượng có hạn của nguồn cấp mà thường là ắc-qui. Chính vì vậy quản lý việc sử dụng năng lượng từ nguồn là nhu cầu thiết yếu cần được nghiên cứu trong mục tiêu nâng cao hiệu quả vận hành xe điện.
Trong chương 2 ta đã phân tích các ưu nhược điểm của các loại động cơ có thể dùng trong xe điện và đưa ra lựa chọn động cơ một chiều không chổi than BLDC. Động cơ BLDC có cấu trúc đơn giản, hiệu suất làm việc cao, đáp ứng nhanh theo tải, dải tốc độ làm việc rộng, mô-men khởi động lớn, vận hành êm dịu…vì vậy giảm khối lượng và kích thước phần cứng, đơn giản hóa hệ thống chuyển đổi cơ khí, không có chổi than và vận hành xe với hiệu suất cao.
Các phương pháp điều khiển động cơ truyền động trình bày trong chương 3, các kết quả mô phỏng khẳng định thuật toán điều khiển gián tiếp mô-men bằng cách điều khiển dòng điện và điều khiển trực tiếp mô-men đều cho kết quả tốt. Mỗi cấu trúc điều khiển có ưu nhược điểm riêng. Tuy nhiên ô tô điện vận hành ở chế độ có tải được điều khiển đáp ứng tốc độ và mô-men tốt.
Điều khiển một phương tiện bất kỳ thì phanh hãm là nhu cầu tất yếu, và xe điện cũng không phải ngoại lệ. Thông thường xe điện sử dụng phanh cơ nhằm tăng ma sát với bánh và do đó giảm tốc độ xe. Nhưng nếu ta nhìn theo góc độ quản lý tiết kiệm năng lượng thì phanh cơ chuyển đổi hoàn toàn cơ năng thành nhiệt năng tiêu tán trên phanh và bánh xe. Một câu hỏi đặt ra liệu ta có thể sử dụng cơ năng
60
trong quá trình hãm để chuyển thành điện năng nạp lại cho hệ thống hay không? Câu hỏi này đồng nghĩa với việc ta có thể điều khiển hãm tái sinh động cơ truyền động hay không? Đây cũng là nội dung chính của luận văn với mục đích nghiên cứu vận hành xe điện ở chế độ hãm tái sinh.
Trước hết ta tìm hiểu nguyên lý chung điều khiển hãm tái sinh trong vận hành xe điện, mà cụ thể ở đây là điều khiển hãm tái sinh động cơ truyền động BLDC. Trên sơ đồ đặc tính cơ của động cơ, mặt phẳng tọa độ được chia thành bốn góc phần tư như hình 4.1. Góc phần tư thứ I và thứ III thứ tự thể hiện động cơ vận hành ở chế độ động cơ với chiều quay thuận và ngược. Góc phần tư thứ II và thứ IV có mô-men trái dấu với tốc độ, vì vậy mô-men sinh ra lực hãm và động cơ phát năng lượng trở lại nguồn.
Hình 4.1. Mặt phẳng tọa độ mô-men – tốc độ
Điểm khác biệt cơ bản giữa chế độ động cơ và hãm tái sinh là góc lệch pha giữa dòng điện và sức phản điện động. Trong chế độ động cơ, dòng điện pha và sức phản điện trùng pha nhau. Với chế độ hãm tái sinh, trong khi pha của sức phản điện không đổi do chiều quay của động cơ không đổi, để điều khiển hãm tái sinh ta điều khiển dòng điện pha lệch chậm pha hơn sức phản điện 1800 [1]. Biểu thức mô-men tức thời pha a sẽ làm sáng tỏ hơn nguyên lý:
( ) ( ) ( ) a a a E t I t T t ω = (4.1) Tốc độ Mô-men Quay thuận Chếđộ hãm Quay ngược Chếđộ hãm Quay ngược Chếđộđộng cơ Tốc độ Mô-men Quay thuận Chếđộ hãm Quay ngược Chếđộ hãm Quay ngược Chếđộđộng cơ Quay thuận Chếđộđộng cơ I II III IV
61
Ở đó Ea , Ia thứ tự là sức phản điện động và dòng điện pha của pha a, ω là tốc độ góc rotor. Biểu thức trên chỉ ra rằng dấu mô-men tức thời pha a thay đổi vì pha của dòng điện thay đổi trong khi tốc độ động cơ có chiều như cũ. Kết quả là công suất tức thời pha a: P ta( )=T ta( )ω<0, hay pha a sinh năng lượng trả lại nguồn. Hình 4.2 cho thấy sự khác nhau giữa dòng điện cần điều chế trong hai chế độ động cơ và hãm tái sinh khi điều khiển động cơ BLDC.
(a) (b) Hình 4.2. Sức phản điện và dòng điện các pha ở chế độ động cơ (a) ,
hãm tái sinh (b)
Những năm gần đây các nhà nghiên cứu quan tâm nhiều tới cấu trúc điều khiển động cơ BLDC ở chế độ hãm tái sinh. Các thuật toán điều khiển đưa ra với những ưu nhược điểm khác nhau nhưng có chung một mục tiêu là điều khiển dòng năng lượng đi theo hai chiều: từ nguồn tới động cơ (khi động cơ tiêu thụ năng lượng) hay từ động cơ về nguồn (khi hãm tái sinh). Sau đây ta tìm hiểu những cấu hình chính thực hiện mục tiêu này.
Ph a a Ph a c a pha dòng i Ph a b pha EMF 0 60 120 180 240 300 360 1 2 3 4 5 6 6 1 Mô- m en 0 Ph a a Ph a c a pha dòng i Ph a b pha EMF 0 60 120 180 240 300 360 1 2 3 4 5 6 6 1 Mô- m en 0
62