Kết luận chương 2

4. Phương pháp nghiên cứu

2.4 Kết luận chương 2

Phần đầu của chương này, luận văn đã đưa ra cấu trúc điều khiển tối thiểu tổn thất cho PMSM và giải thích rõ nhiệm vụ của các khối cĩ trong cấu trúc này. Trong đĩ, bộ nghịch lưu nguồn áp được sử dụng để cấp nguồn cho động cơ, và ứng dụng phương pháp SVM để điều khiển 3 cặp van của bộ nghịch lưu. Đặc biệt, nội dung khối LMA trong cấu hình điều khiển ở trên sẽ được trình bày cụ thể hơn ở chương 3. Đồng thời trong chương này, tác giả đưa ra tư tưởng của phương pháp điều khiển, mơ hình hĩa bộ nghịch lưu nguồn áp, và đã trình bày sơ lược về điều chế vector khơng gian cho bộ nghịch lưu nguồn áp. Dựa vào kết quả mơ hình hĩa tác giả đã xây dựng mơ hình bộ nghich lưu nguồn áp ba pha trong MATLAB/SIMULINK như ở phụ lục P.3, và dựa vào những hiểu biết về phương pháp điều chế vector khơng gian tác giả đã xây dựng khâu SVM trong MATLAB/SIMULINK như ở phụ lục P.4.

Trong phần tiếp theo của chương này, tác giả tiến hành thiết kế các mạch vịng điều khiển. Đầu tiên, mạch vịng dịng điện được thiết kế trước bằng kỹ thuật hàm

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 t [s] i a , i b , i c [A]

Đáp ứng dòng điện ba pha của động cơ khi đặt i

d = 0

ia

ib

chuẩn bậc hai. Sau đĩ, mạch vịng tốc độ mới được thiết kế bằng phương pháp tối ưu đối xứng. Từ đĩ, bộ điều khiển dịng điện cĩ bù xen kênh và bộ điều khiển tốc độ được xây dựng trong MATLAB/SIMULINK như ở phụ lục P.5.

Sau cùng, để đánh giá chất lượng của các bộ điều khiển vừa thiết kế và phương pháp điều khiển đã chọn, tác giả đã tiến mơ phỏng hệ thống với dịng điện đặt *

0

d i  (đầu ra của khối LMA trên Hình 2.1). Kết quả mơ phỏng đã cho thấy rằng, hệ thống cĩ đáp ứng tốc độ, mơmen và dịng điện là nhanh, và đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng. Cấu trúc điều khiển đưa ra đã chỉ ra rằng, để điều khiển tối thiểu tổn thất động cơ cần phải tìm ra một thuật tốn điều khiển đưa ra được dịng điện đặt *

d

i tối ưu để tổn thất của PMSM là tối thiểu nhưng vẫn tạo ra mơmen xác lập tại tốc độ đặt. Trên cơ sở cấu hình điều khiển đã đưa ra, Chương 3 của luận văn sẽ đề cập đến một số phương pháp giảm thiểu tổn thất cho PMSM đã biết và đưa ra thuật tốn điều khiển tối thiểu tổn thất đề xuất.

Chương 3

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

3.1 Mơ hình tổn thất của PMSM

Tổn thất của PMSM bao gồm tổn thất đồng, tổn thất sắt, tổn thất phụ, và một số tổn thất khác.

3.1.1 Tổn thất đồng

Tổn thất đồng8 trong động cơ là do dịng điện chạy qua các cuộn dây gây ra và được tính tốn theo định luật Joule-Lenz. Đối với PMSM, khơng cĩ cuộn dây ở rotor mà chỉ cĩ cuộn dây ở stator, nên tổn thất đồng chỉ xuất hiện ở stator, đây cũng là một đặc điểm giúp giảm tổn thất trong PMSM.

Tổn thất đồng của PMSM phụ thuộc điện trở của cuộn dây stator Rs và được tính theo cơng thức sau [18]:

  2 2 2 3 3 2 2 cu s s s d q P  R I  R i i . (3.1) 3.1.2 Tổn thất sắt

Tổn thất sắt9 bao gồm tổn thất do từ trễ và tổn thất do dịng điện xốy. Tổn thất do từ trễ được ước lượng thơng qua cơng thức k Bh e. Trong đĩ: B là mật độ từ thơng của rotor; và  1,8 2, 2 là hằng số Steinmetz. Tổn thất do dịng điện xốy phụ thuộc vào từ trường vuơng gĩc và được tính theo cơng thức k Be 2e2. Vì vậy, tổn thất sắt cĩ thể được tính theo cơng thức sau [29]:

2 2

fe h e e e

P k B k B  . (3.2)

Cơng thức (3.2) được sử dụng cho các động cơ cơng suất trung bình và nhỏ với tốc độ gĩc được tính theo đơn vị rad/s. Các giá trị đặc trưng theo các cấp của lá thép- silicon ở trong khoảng kh 40 55 , ke 0,04 0,07 [22]. Tuy nhiên, tổn thất sắt trong các rãnh quấn dây và lõi thép cĩ mức độ phụ thuộc vào tổn thất do từ trễ và tổn thất do dịng điện xốy là khác nhau ở các tần số khác nhau. Chẳng hạn như ở tần số thấp, tổn thất do dịng điện xốy nhỏ hơn tổn thất do từ trễ, nhưng khi ở tần số cao thì tổn thất do dịng điện xốy lại là chủ yếu [29].

Mặt khác, do cĩ sự khác nhau về mật độ từ thơng, nên tổn thất sắt trong các rãnh quấn dây và lõi thép được tính tốn riêng lẻ [11], [13]. Vì vậy, cơng thức (3.2) tuy tường minh nhưng chưa bao quát tất cả các trường hợp, do đĩ tổn thất sắt cịn được xác định theo cơng thức thực nghiệm sau [18], [20]:

2 2 2

( )

fe fe e m d d q q

P C    L i L i  (3.3) trong đĩ:  1,5 1, 6 và Cfe là hệ số tổn thất sắt [13].

Thay (1.10) vào (3.3), ta được:

2 2 2 ( ) fe fe e d f d d q q P C   L i L i L i  2 2 2 2 ( ) fe e d f d q C L  i i  i       (3.4) trong đĩ  là hệ số nhấp nhơ [29]: 1 q d L L    . (3.5) 3.1.3 Tổn thất phụ

Tổn thấp phụ10 là do sĩng hài bậc cao ở cuộn dây stator và sĩng hài ở rãnh dây quấn gây nên. Vùng xảy ra tổn thất là trên bề mặt của rotor và stator (phần tiếp giáp với khe hở khơng khí và trong các rãnh quấn dây). Việc tính tốn tổn hao này là rất khĩ khăn và thường khơng đảm bảo độ chính xác yêu cầu [13].

Do đĩ, trong thực tế tổn thất phụ được ước lượng theo cơng thức sau [21]:   2 2 2 str str e d q P C  i i (3.6) trong đĩ Cstr là hệ số tổn thất phụ [13].

Ngồi ra, cịn cĩ tổn thất cơ khí11 và tổn thất sĩng hài12. Trong đĩ, tổn thất cơ khí là do ma sát và tổn thất do quạt giĩ. Tổn thất này tỷ lệ thuận với bình phương tốc độ rotor. Tổn thất sĩng hài là tổn thất bởi điện áp cấp cho stator của động cơ đồng bộ là khơng sin. Điện áp sĩng hài làm tăng tổn thất sắt và dịng điện sĩng hài làm tăng tổn thất đồng stator [13]. Vì tổn thất cơ khí là độc lập với các biến điện ( ,id iq) nên chúng khơng được điều khiển bằng cách giảm từ thơng. Ngồi ra, tổn thất sĩng hài cũng khơng được điều khiển trực tiếp bằng cách giảm từ thơng.

3.1.4 Tổn thất tổng

Như đã đề cập ở trên, tổn thất của động cơ cĩ thể phân chia làm hai loại: tổn thất điều khiển được và tổn thất khơng điều khiển được. Trong nội dung của luận văn này chỉ nghiên cứu vấn đề tối thiểu các tổn thất cĩ thể điều khiển được để nâng cao hiệu suất PMSM.

Tổng các tổn thất của PMSM đã đưa ra ở trên mà cĩ thể điều khiển được:

t cu fe str P P P P 2 2 2 2 2 2 2 3 ( )( ) ( ) 2Rs Cstr e id iq Cfe eLd if id iq              . (3.7) 3.2 Bão hồ từ

Từ thơng stator tỷ lệ với dịng điện stator. Tuy nhiên, khi giá trị dịng điện trở nên quá lớn, lõi thép từ tiến tới bão hịa. Hình 3.1 thể hiện giá trị đo từ thơng hai trục

d và q của động cơ PMSM cĩ các thơng số như ở phụ lục P.6, bằng cách sử dụng mối

quan hệ giữa từ thơng mĩc vịng stator với dịng điện hai trục d và q ở trạng thái ổn định [29]. Nhưng vài giá trị tương ứng với dịng điện cao 2 2

( id iq 500A) được ngoại suy với dữ liệu thu được bằng cách tính tốn theo phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method – FEM). Chú ý rằng, d hầu như khơng bão hịa theo dịng điện id. Tuy nhiên, q bão hịa rõ rệt khi dịng điện iq tăng.

Hình 3.1: Đồ thị đo từ thơng mĩc vịng stator theo dịng điện trên hai trục d, q (a) Từ thơng mĩc vịng trục d; (b) Từ thơng mĩc vịng trục q [29].

Hình 3.2: Giá trị đo điện cảm

Khảo sát giá trị điện cảm của một IPMSM (phụ lục P.6) khi thay đổi dịng điện được thể hiện trên Hình 3.2 [18]. Ta thấy rằng, điện cảm trục q là lớn hơn so với điện cảm trục d (Lq Ld). Cũng thấy rằng Ld hầu như khơng bão hịa. Nhưng hiện tượng bão hịa lại xuất hiện đáng kể đối với Lq khi iq tăng.

Để thấy tại sao hiệu ứng bão hịa từ xảy ra rõ rệt hơn trên trục q, kết quả mơ phỏng FEM của một IPMSM 3 đơi cực (phụ lục P.6) được đưa ra trong Hình 3.3 [29]. Hình 3.3 (a) thể hiện các đường sức từ khi chỉ cĩ dịng điện trục d kích thích, trong khi Hình 3.3 (b) thể hiện các đường sức từ khi chỉ cĩ dịng điện trục q kích thích. Ta thấy rằng, các đường sức từ do thành phần dịng điện stator iq tạo ra trùng với đường sức từ của nam châm vĩnh cửu theo trục q, và khơng bị cản trở bởi nam châm vĩnh cửu như đối với các đường sức từ của thành phần dịng điện stator id. Điều này giải thích vì sao khả năng bão hịa lõi sắt cao hơn với dịng điện iq.

Hình 3.3: Đường sức từ được kích thích bởi (a) i và (b) d iq [29].