3.2.2.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ cảm ứng
Xét dây quấn 3 pha đơn giản với chỉ 3 cuộn dây. Khi dòng điện xoay chiều 3 pha đi qua dây quấn stator, mỗi dây dẫn mang dòng điện tạo ra một trừ trƣờng xung quanh nó. Dịng điện AC sẽ thay đổi theo thời gian, xét 3 thời điểm đƣợc thể hiện ở hình 3.27, ở đây do sự thay đổi của dòng điện AC, từ trƣờng cũng thay đổi theo, mỗi từ trƣờng có một hƣớng khác nhau ở một thời điểm, nhƣng mà độ lớn là giống nhau. Từ 3 thời điểm thì rõ ràng nó giống nhƣ một từ trƣờng quay (Rotating Magnetic Field - RMF), tốc độ quay của từ trƣờng đƣợc gọi là tốc độ đồng bộ.
Đặt một vòng dây dẫn kín bên trong từ trƣờng quay nhƣ vậy. Khi từ trƣờng biến thiên thì một sức điện động (Electromotive Force - EMF) đƣợc tạo ra trong vịng kín theo định luật Faraday. EMF sẽ sinh ra một dịng điện chạy trong vịng dây kín. Do đó nó trở thành trƣờng hợp một vịng dây kín có dịng điện đi qua đƣợc đặt trong từ trƣờng. Điều này dẫn đến sẽ có một lực điện từ trong dây dẫn kín theo định luật Lorentz, vì vậy vịng dây kín sẽ bắt đầu quay dƣới tác dụng của lực điện từ.
Tƣơng tự, thay vì một vịng dây kín đơn giản, động cơ cảm ứng sử dụng một rotor lồng sóc. Rotor lồng sóc bao gồm các thanh dẫn đƣợc nối ngắn mạch 2 đầu bởi 2 vòng ngắn mạch. Dòng điện 3 pha chạy trong dây quấn stator tạo ra một từ trƣờng quay. Do vậy giống nhƣ hiện tƣợng nhắc đến phía trên, dịng điện sẽ đƣợc tạo ra trong các thanh
33 dẫn của rotor lồng sóc và nó bắt đầu quay. Dịng điện cảm ứng trong thanh dẫn sẽ thay đổi, điều này là do từ thông cắt qua mỗi một cặp thanh dẫn là khác nhau, và hƣớng khác nhau của chúng. Sự thay đổi của dòng điện trên các thanh dẫn sẽ thay đổi theo thời gian. Dòng điện trong rotor sinh ra do cảm ứng chứ không phải đƣợc cấp trực tiếp. Đây là lý do tại sao gọi là động cơ điện cảm ứng [4].
Hình 3.27: Cách tạo ra từ trường quay trong stator động cơ cảm ứng [4]
Thời điểm mà tốc độ từ trƣờng quay bằng tốc độ rotor ta có thể thấy rằng khi đó thì rotor sẽ chịu một từ trƣờng khơng đổi, do đó sẽ khơng có suất điện động hay dòng điện
34 cảm ứng đƣợc sinh ra trong rotor. Điều này có nghĩa sẽ khơng có lực điện từ nào sinh ra trong thanh dẫn của rotor, do đó rotor sẽ quay chậm dần. Nhƣng tại lúc nó quay chậm dần, rotor sẽ chịu 1 từ trƣờng biến thiên, Do đó, dịng điện cảm ứng và lực sẽ tăng lên lại và rotor sẽ quay nhanh lên. Nhƣ vậy, rotor sẽ khơng bao giờ có thể bắt kịp với tốc độ của từ trƣờng. Nó quay với một tốc độ cụ thể và nhỏ hơn tốc độ đồng bộ.
Tốc độ đồng bộ đƣợc tính theo cơng thức:
Hệ số trƣợt đƣợc tính theo cơng thức sau:
Hệ số trƣợt s thƣờng thay đổi từ 1 đến 10 phần trăm tùy thuộc vào kích cỡ và loại động cơ. Tốc độ trên trục động cơ đƣợc tính bằng: Trong đó: n: Tốc độ rotor, động cơ (vịng/phút) n1: Tốc độ từ trƣờng quay stator (vòng/phút) f: Tần số (Hz) p: Số cặp cực s: Hệ số trƣợt
3.2.2.4 Điều khiển động cơ cảm ứng
Biến tần động cơ cảm ứng
Biến tần là một bộ chuyển đổi DC sang AC, có chức năng là thay đổi điện áp đầu vào DC thành điện áp đầu ra AC đối xứng có cƣờng độ và tần số mong muốn. Điện áp đầu ra có thể cố định hoặc thay đổi ở tần số cố định hoặc thay đổi.
35 Điện áp đầu ra thay đổi có đƣợc bằng cách thay đổi điện áp xoay chiều đầu vào và duy trì độ khuếch đại của biến tần không đổi hoặc điện áp một chiều đƣợc cố định và điện áp đầu ra thay đổi thu đƣợc bằng cách thay đổi độ khuếch đại của bộ biến tần đƣợc thực hiện bằng cách điều chế độ rộng xung (PWM) điều khiển trong biến tần. Độ khuếch đại biến tần có thể đƣợc định nghĩa là tỷ số giữa điện áp đầu ra xoay chiều và điện áp đầu vào một chiều.
Dạng sóng điện áp đầu ra của bộ biến tần lý tƣởng là dạng hình sin nhƣng dạng sóng thực tế của bộ biến tần thực tế khơng phải dạng hình sin và chứa một số sóng hài nhất định. Đối với các ứng dụng công suất thấp và trung bình, điện áp sóng vng hoặc sóng gần nhƣ vng có thể đƣợc chấp nhận; và đối với các ứng dụng cơng suất cao, cần có dạng sóng hình sin bị méo mó thấp. Với sự sẵn có của các thiết bị bán dẫn công suất tốc độ cao, lƣợng sóng hài điện áp đầu ra có thể đƣợc giảm thiểu.
Bộ biến tần PWM hiện đang đƣợc sử dụng nhiều nhất để cấp nguồn cho động cơ công nghiệp điện áp thấp trong các ứng dụng liên quan đến sự thay đổi tốc độ. Chúng hoạt động nhƣ một mặt phân cách giữa nguồn năng lƣợng (nguồn điện AC) và động cơ cảm ứng [8].
Để có đƣợc tín hiệu đầu ra có điện áp và tần số mong muốn, tín hiệu đầu vào phải thực hiện ba giai đoạn trong bộ biến tần:
• Cầu diode: chỉnh lƣu điện áp đầu vào AC, biên độ và tần số thay đổi đến từ lƣới điện. • Bộ lọc DC: Điều chỉnh/làm mịn tín hiệu đã chỉnh lƣu với bộ lƣu trữ năng lƣợng thông qua một dãy tụ điện.
• Transistor cơng suất IGBT: nghịch đảo điện áp đến từ liên kết DC thành tín hiệu thay thế có biên độ và tần số thay đổi.
36
Điều khiển theo phƣơng pháp biến thiên điện áp – biến thiên tần số (VVVF) Điều khiển VVVF đƣợc chấp nhận rộng rãi trong việc điều khiển tốc độ động cơ điện cảm ứng. Nó dựa trên sự điều khiển tỉ số V/f không đổi cho dải tần số dƣới tần số định mức. Và điều khiển biến thiên tần số với mức điện áp định mức không đổi cho các dải tần số nằm ngoài tần số định mức. Đối với các dải tần số rất thấp, việc nâng điện áp lên cao đƣợc áp dụng để bù đắp lại sự chênh lệch giữa điện áp đặt vào và lực cảm ứng điện từ.
Sức điện động đƣợc tạo ra đƣợc tính nhƣ cơng thức sau:
Tốc độ đồng bộ đƣợc tính theo cơng thức (3.1):
Tốc độ của động cơ điện cảm ứng công thức (3.3):
Trong đó: n: Tốc độ rotor, động cơ (vòng/phút) n1: Tốc độ từ trƣờng quay stator (vòng/phút) s: Hệ số trƣợt f: Tần số (Hz) p: Số cặp cực K: Hằng số cuộn dây T: Số lần chuyển mỗi pha ɸ: Mật độ từ thông (T)
Từ biểu thức 3.5, ta thấy từ thông tỷ lệ thuận với V/f. Vậy việc giữ cho từ thông không đổi là rất quan trọng và ta chỉ có thể làm đƣợc điều đó khi ta thay đổi điện áp. Khi ta giảm tần số, từ thông sẽ tăng lên nhƣng đồng thời nếu ta giảm điện áp, từ thông cũng
37 sẽ giảm dẫn đến khơng có sự thay đổi của từ thơng và từ đó nó đƣợc giữ khơng đổi. Và nhƣ vậy chúng ta giữ cho tỉ số V/f không đổi nên phƣơng pháp này gọi là phƣơng pháp V/f. Và để thực hiện phƣơng pháp này để điều khiển tốc độ động cơ điện cảm ứng xoay chiều ba pha chúng ta phải cung cấp một điện áp và tần số biến thiên, cơng việc này có thể dễ dàng thực hiện đƣợc bằng bộ biến tần [4].
3.2.2.5 Đặc tính của động cơ cảm ứng
Hình 3.29: Đặc tính tốc độ - mơ-men xoắn của động cơ cảm ứng khi chưa được điều
khiển [4]
Hình 3.29 cho thấy đặc tính tốc độ - mơ-men xoắn của động cơ cảm ứng hoạt động với một điện áp và tần số cố định (60Hz), có tốc độ đồng bộ là 1800 vịng/phút. Trong đó, Tst là mô-men khởi động và Tmax là mơ-men cực đại. Rõ ràng là đặc tính tốc độ mơ- men xoắn này không đủ tốt cho động cơ xe điện do mô-men xoắn khởi động thấp và dải tốc độ hạn chế. Do đó, việc kết hợp điện tử cơng suất để điều khiển động cơ cảm ứng là gần nhƣ bắt buộc đối với ứng dụng xe điện.
38
Hình 3.30: Đặc tính tốc độ - mơ-men xoắn và khả năng vận hành của động cơ cảm
ứng khi điều khiển bằng phương pháp VVVF [1]
Ở trên mức tốc độ danh định ωb, điện áp đặt vào bằng với điện áp định mức. Trong khi đó, tần số hoạt động đƣợc tăng lên cao hơn tần số định mức. Vì vậy, mơ-men cực đại bị giảm đi khi tần số tăng (theo công thức 3.5).
Vƣợt quá tốc độ danh định, động cơ đƣợc vận hành ở trạng thái trƣợt để có mơ-men xoắn cực đại. Cƣờng độ dịng điện và công suất của động cơ đều giảm tỷ lệ nghịch với tốc độ động cơ. Trong khi đó, mơ-men giảm tỷ lệ nghịch với bình phƣơng của tốc độ.
Quan sát hình 3.30, ta có thể thấy rằng có ba vùng hoạt động:
- Vùng đầu tiên đƣợc gọi là vùng mơ-men xoắn khơng đổi, trong đó động cơ cung cấp mơ-men xoắn danh định của nó ở tốc độ thấp hơn tốc độ danh định (thƣờng đƣợc gọi là tốc độ cơ bản ωb).
- Vùng thứ hai đƣợc gọi là vùng công suất không đổi (nằm giữa tốc độ cơ bản ωb và tốc độ giới hạn ωc), độ trƣợt đƣợc tăng dần đến giá trị lớn nhất để dịng điện stator khơng đổi và động cơ có thể duy trì khả năng cơng suất định mức của nó.
39 - Vùng thứ 3 đƣợc gọi là vùng cơng suất giảm. Trong đó, động cơ hoạt động vƣợt quá tốc độ giới hạn ωc, độ trƣợt khơng đổi trong khi dịng điện stator giảm, do đó mơ- men xoắn giảm theo bình phƣơng tốc độ.
3.2.2.6 Ƣu và nhƣợc điểm
Ƣu điểm:
- Truyền động động cơ cảm ứng có cơng nghệ hồn thiện nhất trong số các bộ truyền động động cơ khơng cổ góp.
- Bền bỉ, chịu đƣợc các lực tác động cao: Những động cơ cảm ứng có thể làm việc liên tục với một công suất vô cùng lớn mà không hề bị hao mòn. Kể cả sử dụng trong suốt một thời gian dài thì hiệu quả làm việc cũng vẫn ổn định y nhƣ ban đầu.
- Không cần bảo dƣỡng thƣờng xuyên, có thể hoạt động thƣờng xuyên, liên tục trong suốt 1 thời gian dài mà không hề làm giảm công suất.
- Hoạt động êm ái. - Chi phí sản xuất thấp. Nhƣợc điểm:
- Kết cấu to nặng, sinh nhiệt khi hoạt động.
- Động cơ IM có hiệu suất thấp ở tốc độ thấp khi đi trong thành phố.
Hiệu suất của động cơ IM 85-96% tùy vào cấu tạo và điều kiện vận hành. Các hãng xe của Hoa Kỳ sử dụng động cơ IM làm động cơ truyền động, lý do là xe ở Mỹ chủ yếu chạy trên đƣờng cao tốc, khoảng cách dài, đƣờng trong đơ thị cũng rộng và thống; khi đó động cơ IM sẽ phát huy đƣợc tối đa hiệu suất của mình, tổn thất khơng lớn. Ở Việt Nam, đƣờng nhỏ, hẹp, đông đúc, xe thƣờng chạy ở tốc độ thấp và hay dừng, đỗ thƣờng xuyên. Với chế độ hoạt động nhƣ vậy, động cơ IM sẽ phải thƣờng xuyên chạy ở tốc độ dƣới định mức gây hiệu suất thấp, hạn chế đáng kể quãng đƣờng đi cho một lần nạp ắc quy.
Bộ truyền động động cơ cảm ứng đang đƣợc thay thế bằng bộ truyền động động cơ không chổi than nam châm vĩnh cửu. Do chi phí vật liệu nam châm vĩnh cửu cao, thiếu
40 nguồn cung cấp và sự không ổn định về nhiệt độ, nên động cơ cảm ứng vẫn đƣợc ƣa chuộng cho các dòng xe điện tiêu biểu nhƣ Tesla với các dòng Model S, Model X [1].
3.2.3 Truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
3.2.3.1 Tổng quan về truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet Synchronous Motor - PMSM) là một trong những lựa chọn tốt nhất cho một loạt các ứng dụng điều khiển chuyển động. PMSM đƣợc sử dụng rộng rãi trong robot, máy công cụ, thiết bị truyền động và nó đang đƣợc xem xét trong các ứng dụng năng lƣợng cao nhƣ truyền động cơng nghiệp và động cơ xe cộ. Nó cũng đƣợc sử dụng cho các ứng dụng dân dụng và thƣơng mại. PMSM đƣợc biết đến với độ gợn mô-men xoắn thấp, hiệu suất động lực học vƣợt trội, hiệu suất cao và mật độ công suất cao [9].
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là loại động cơ đƣợc sử dụng phổ biến nhất trên các ô tô điện, hầu hết các nhà sản xuất ô tô sử dụng động cơ PMSM cho xe hybrid và xe điện của họ. Ví dụ: Toyota Prius, Chevrolet Bolt EV, Ford Focus Electric, Nissan Leaf, Honda Accord, BMW i3,... và Tesla cũng đã trang bị trên Model 3 khi mà trƣớc đó hãng chỉ sử dụng động cơ cảm ứng.
41
3.2.3.2 Cấu tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là một động cơ đồng bộ, điều này có nghĩa là tốc độ rotor bằng với tốc độ từ trƣờng. Cấu tạo bao gồm một stator kết hợp với cuộn dây phần ứng ba pha và một rotor kết hợp với các cực nam châm vĩnh cửu.
Có 2 loại động cơ PMSM là động cơ PMSM có nam châm đƣợc gắn trên bề mặt rotor (Surface Permanent Magnet - SPM) và động cơ PMSM có nam châm đƣợc gắn chìm bên trong rotor (Interior Permanent Magnet - IPM). Động cơ IPM có những ƣu thế gần nhƣ tuyệt đối trong ứng dụng cho ô tơ điện.
Hình 3.32: Cấu tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu [4]
42
Tính chất của vật liệu nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet - PM)
Vật liệu nam châm vĩnh cửu là một phần quan trọng của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, nó cung cấp cho động cơ khả năng kích từ lâu dài. Sự phát triển của vật liệu nam châm vĩnh cửu đã có từ nhiều thế kỷ trƣớc.
Nam châm đất hiếm là tên gọi của các loại nam châm vĩnh cửu đƣợc làm từ các hợp chất hoặc hợp kim của các nguyên tố đất hiếm và kim loại chuyển tiếp. Hiện nay, có bốn loại vật liệu nam châm vĩnh cửu chính đƣợc sử dụng rộng rãi cho động cơ nam châm vĩnh cửu:
• Ferrite: Nam châm ferrite đƣợc phát minh vào những năm 1930. Nó đã đƣợc sử
dụng rộng rãi nhƣ nam châm thƣơng mại trong vài thập kỷ qua vì nguồn ngun liệu dồi dào và chi phí sản xuất thấp. Tuy nhiên, nó có những hạn chế nhƣ hệ số nhiệt độ cao và mật độ năng lƣợng thấp, dẫn đến nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ và kích thƣớc cồng kềnh để ứng dụng cho động cơ nam châm vĩnh cửu.
• Alnico: Đây là tên của hợp kim nhôm-niken-coban (Al-Ni-Co) làm từ sắt, đƣợc
phát minh vào những năm 1940. Đây là vật liệu nam châm vĩnh cửu hiện đại đầu tiên cung cấp độ từ dƣ cao. Do nhiệt độ Curie cao, nó có thể đƣợc sử dụng ở nhiệt độ hoạt động cao. Thật khơng may, lực kháng từ của nó rất thấp nên rất dễ bị khử từ, điều này hạn chế ứng dụng tƣơng ứng với động nam châm vĩnh cửu.
• Samarium-coban (Sm-Co): Đƣợc phát minh vào những năm 1960, vật liệu nam
châm vĩnh cửu đất hiếm này có các ƣu điểm nhƣ độ từ dƣ cao, lực kháng từ cao, mật độ năng lƣợng cao, nhiệt độ Curie cao và hệ số nhiệt độ thấp. Nó rất phù hợp để ứng dụng cho các động cơ nam châm vĩnh cửu, những động cơ mong muốn mật độ năng lƣợng cao, hiệu suất cao và độ ổn định cao. Tuy nhiên, chi phí của nó là nhƣợc điểm chính. Đặc biệt, nguyên tố đất hiếm, samarium rất đắt.