Sơ đồ hoạt động của các pha và cảm biến Hall của động cơ BLDC

Một phần của tài liệu Chuyên đề ô tô điện đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật ô tô (Trang 61)

Để biết thời điểm chính xác để chuyển đổi dịng điện là nhờ cảm biến vị trí. Nhiều nhà sản xuất động cơ BLDC cung cấp động cơ có 3 cảm biến vị trí Hall. Mỗi cảm biến xuất ra mức cao 180 độ cho một cuộn dây và mức thấp 180 độ cho cuộn dây khác. Mỗi cảm biến hoạt động cách nhau 60 độ để mỗi đầu ra cảm biến phù hợp với một trong các mạch điện từ. Biểu đồ thời gian thể hiện mối quan hệ giữa các đầu ra cảm biến và điện áp truyền động động cơ đƣợc thể hiện trong hình 3.40[10].

3.2.4.4 Đặc tính của động cơ PM BLDC

Mơ-men xoắn và hiệu suất so với cƣờng độ dòng điện phần ứng đƣợc thể hiện trên hình 3.41. Khi biên độ dịng điện phần ứng bằng giá trị định mức là 18,2 A thì mơ-men tạo thành có thể đạt giá trị mong muốn là 200 Nm. Trong khi đó, động cơ có thể duy trì hiệu suất cao, hầu hết là trên 90%, để hoạt động bình thƣờng. Hiệu suất tổng thể của truyền động động cơ PM BLDC này tƣơng tự nhƣ của truyền động động cơ đồng bộ PM.

50

Hình 3.41: Đặc tính hiệu suất - mơ-men xoắn so với cường độ dịng điện của động cơ

PM BLDC [4]

Đặc tính tốc độ - mô-men xoắn của truyền động động cơ PM BLDC đƣợc thiết kế, bao gồm cả hoạt động mô-men xoắn không đổi và hoạt động công suất không đổi, đƣợc thể hiện trên Hình 3.42. Động cơ PM BLDC có thể cung cấp hoạt động mô-men xoắn không đổi với mô-men xoắn định mức 200 Nm từ 0 đến 300 vịng/phút và hoạt động cơng suất không đổi với công suất định mức 6,3 kW từ 300 đến 900 vịng/phút. Trong khi đó, bằng cách sử dụng điều khiển góc theo pha, bộ truyền động động cơ PM BLDC có thể mở rộng đáng kể phạm vi tốc độ để vận hành công suất liên tục, điều này rất thuận lợi cho ứng dụng trên EV [4].

51

3.2.4.5 Ƣu và nhƣợc điểm

 Ƣu điểm:

- Vì từ trƣờng đƣợc kích từ bởi nam châm vĩnh cửu năng lƣợng cao, trọng lƣợng và khối lƣợng tổng thể có thể giảm đáng kể đối với công suất đầu ra nhất định, dẫn đến mật độ công suất cao hơn.

- Do khơng có cuộn dây đồng trong rotor nên mang lại hiệu suất cao hơn.

- Vì nhiệt chủ yếu phát sinh trong stator nên có thể đƣợc tản ra xung quanh hiệu quả hơn, dẫn đến việc làm mát dễ dàng hơn.

- Vì kích từ nam châm vĩnh cửu khơng có rủi ro về lỗi sản xuất, quá nhiệt hoặc hƣ hỏng cơ học, có độ tin cậy cao hơn.

- Do khơng có cuộn dây đồng trong rotor nên nó đáp ứng động lực học tốt hơn.  Nhƣợc điểm:

- Vì nam châm vĩnh cửu năng lƣợng cao đƣợc chế tạo các nguyên tố đất hiếm, nên giá thành cao hơn nhiều so với động cảm ứng.

- Vì các nam châm vĩnh cửu nằm trong rotor, đặc biệt là loại nam châm vĩnh cửu gắn trên bề mặt, có vấn đề đối với hoạt động tốc độ cao.

- Do từ thông của nam châm vĩnh cửu vốn có khơng thể kiểm sốt, phạm vi hoạt động công suất liên tục bị hạn chế.

- Trong trƣờng hợp động cơ đƣợc thiết kế hoặc vận hành không đúng cách, các nam châm vĩnh cửu có thể vơ tình bị khử từ.

3.2.5 Truyền động động cơ từ trở thay đổi (Switched Reluctance Motor - SRM)

Bộ truyền động động cơ từ trở thay đổi đƣợc phát triển vào những năm 1980 với những ƣu điểm vƣợt trội hơn về tính năng, cơng suất trên một đơn vị trọng lƣợng và khối lƣợng, độ mạnh mẽ và tính linh hoạt khi vận hành. Mặc dù tƣơng đối mới, công nghệ này đã đƣợc áp dụng cho nhiều ứng dụng bao gồm truyền động công nghiệp đa năng, máy nén, thiết bị gia dụng và thiết bị văn phòng và doanh nghiệp.

52 Động cơ từ trở thay đổi là một loại động cơ nổi bật hơn hẳn. Bộ truyền động động cơ từ trở thay đổi không thể phát huy hết tiềm năng của nó cho đến khi có sự ra đời của điện tử công suất, điều khiển kỹ thuật số và mạch cảm biến. Hệ thống truyền động động cơ từ trở thay đổi hiện đại ngày càng đƣợc sử dụng nhiều cho động cơ xe điện vì chi phí hệ thống thấp, cấu trúc máy mạnh mẽ, độ tin cậy cao, điều khiển đơn giản và hiệu quả cao. Mặt khác, nó có hạn chế lớn nhất là gây ra tiếng ồn âm thanh khó chịu [1].

3.2.5.1 Tổng quan về truyền động động cơ từ trở thay đổi

Bộ truyền động động cơ từ trở thay đổi bao gồm bốn thành phần chính: động cơ từ trở thay đổi, bộ biến tần từ trở thay đổi, cảm biến và bộ điều khiển nhƣ trong hình 3.43. Trong số đó, động cơ từ trở thay đổi đóng vai trị chủ đạo, đó là chuyển hóa năng lƣợng điện thành chuyển động cơ học. Bộ điều khiển cung cấp tín hiệu điều khiển đến các thiết bị nguồn của bộ biến tần với tín hiệu lệnh, thuật tốn điều khiển và tín hiệu phản hồi cảm biến [4].

Hình 3.43: Mơ hình cơ bản của hệ truyền động bằng động cơ từ trở thay đổi [4]

Động cơ từ trở thay đổi thƣờng đƣợc thiết kế để hoạt động ở tốc độ cao lên đến 10.000 vòng/phút. Để phù hợp với tốc độ bánh xe, thƣờng nhỏ hơn 1000 vòng/phút, một hộp số cố định thƣờng đƣợc sử dụng để giảm tốc độ động cơ từ trở thay đổi khoảng 10 lần. Vì rotor khơng có cuộn dây đồng hoặc nam châm vĩnh cửu nên bộ truyền động động cơ từ trở thay đổi mang lại tính tồn vẹn cơ học vƣợt trội, điều này rất đƣợc mong đợi cho động cơ xe điện [4].

53

3.2.5.2 Cấu tạo động cơ từ trở thay đổi

Động cơ từ trở thay đổi có các cực từ lồi trên cả stator và rotor nhƣ thể hiện trong hình 3.44. Stator có các cuộn dây tập trung nhiều pha, nhƣng khơng có cuộn dây đồng hoặc nam châm trong rotor. Stator có một chồng các lớp thép silicon, trên đó có các cuộn dây quấn. Thơng thƣờng, nó là dây quấn cho ba pha đƣợc chia giữa các cặp cực. Rotor khơng có cuộn dây và thuộc loại cực lồi đƣợc làm hoàn tồn bằng các tấm thép có rãnh. Các cực của rotor có chiều rộng tƣơng đƣơng với các cực stator. Số cực trên stator khác với số cực của rotor, cung cấp khả năng tự khởi động và quay hai chiều của động cơ [4].

Hình 3.44: Cấu tạo của động cơ từ trở thay đổi [4]

Trong hình 3.45 bên dƣới, stator có 12 cực chia cách đều nhau trong đó mỗi cực đƣợc quấn bằng một cuộn dây. Ba pha này đƣợc cung cấp năng lƣợng từ nguồn DC.

54 Mối quan hệ của các cực rotor với các cực của stator đối với động cơ bƣớc ba pha đƣợc tính bằng cơng thức sau: Nr = Ns ± (Ns / q) (3.5) Trong đó: Nr là số cực của rotor Ns là số cực của stator q là số pha

Có thể có nhiều cấu trúc liên kết cho động cơ từ trở thay đổi, chủ yếu phụ thuộc vào số pha cũng nhƣ số cực của stator và rotor. Hình 3.46 cho thấy hai cấu trúc liên kết cơ bản của động cơ từ trở thay đổi: cấu trúc liên kết ba pha 6/4 cực, có sáu cực stator và bốn cực rotor và cấu trúc liên kết bốn pha 8/6 cực, có tám cực stator và sáu cực rotor. Động cơ từ trở thay đổi ba pha 6/4 cực có ƣu điểm là giá thành thấp hơn và vận hành tốc độ cao tốt hơn. Tuy nhiên, nó bị gợn mô-men xoắn (ripple torque) và tiếng ồn âm thanh cao hơn. Mặt khác, động cơ từ trở thay đổi bốn pha 8/6 cực có mơ-men xoắn khởi động tốt hơn và độ gợn mơ-men xoắn thấp hơn, nhƣng địi hỏi nhiều thiết bị điện hơn và chi phí cao hơn.

Hình 3.46: Mặt cắt ngang: (a) Động cơ từ trở thay đổi 3 pha 6/4 cực, (b) Động cơ từ

trở thay đổi 4 pha 8/6 cực [4]

Để cải thiện mật độ mô-men xoắn, động cơ từ trở thay đổi có thể sử dụng nhiều răng trên mỗi cực stator. Hình 3.47 mơ tả một động cơ từ trở thay đổi ba pha 12/10 cực với hai răng trên mỗi cực stator. Lợi ích của việc sử dụng nhiều răng trên mỗi cực stator

55 để cải thiện mật độ mô-men xoắn nên đƣợc giới hạn ở thiết kế tốc độ thấp nhƣ đối với động cơ xe điện truyền động trực tiếp.

Hình 3.47: Mặt cắt ngang động cơ từ trở thay đổi 3 pha 12/10 cực, stator cực đôi [4]

Nhờ cấu trúc chắc chắn, khả năng chịu nhiệt và nhỏ gọn, động cơ từ trở thay đổi rất phù hợp đối với việc truyền động trực tiếp trên các bánh xe đối với xe điện. Đặc biệt, cấu trúc liên kết rotor bên ngoài cho phép rotor gắn với vành bánh xe, do đó loại bỏ bánh răng giảm tốc và tổn hao truyền lực tƣơng ứng. Hình 3.48 mơ tả một động cơ từ trở thay đổi ba pha 6/8 cực rotor nằm ngoài với 6 cực stator và 8 cực rotor. Khác với cấu trúc liên kết động cơ từ trở thay đổi thơng thƣờng là rotor có đƣờng kính nhỏ hơn stator, cấu trúc liên kết rotor ngồi này có đƣờng kính rotor lớn hơn. Do đó, số lƣợng cực của rotor thƣờng đƣợc chọn lớn hơn số cực của stator để giảm gợn mô-men xoắn [4].

56

3.2.5.3 Nguyên lý hoạt động động cơ từ trở thay đổi

Rotor của SRM đƣợc coi là nằm ở vị trí đồng trục so với 1 pha xác định nào đó nếu nhƣ tại thời điểm có điện cảm của cuộn dây pha là lớn nhất và rotor đƣợc gọi là vị trí lệch trục với một pha xác định nếu nhƣ điện cảm đạt giá trị nhỏ nhất, cịn ở các vị trí khác nhau thì rotor sẽ đƣợc gọi là vị trí mất đồng trục.

Khi một cuộn dây pha đƣợc dẫn dịng, rotor của SRM ln có xu hƣớng chuyển động về phía cực stator có cuộn dây dẫn dịng để có giá trị điện cảm là lớn nhất (vị trí đồng trục) và điều này làm cho từ năng trong cuộn dây đạt giá trị lớn nhất. Để duy trì chuyển động quay, một hệ thống điều khiển điện tử chuyển đổi thứ tự trên cuộn dây của các cực stator liên tiếp để từ trƣờng của stator dẫn cực rotor, kéo nó về phía trƣớc. Thay vì sử dụng cổ góp cơ học để chuyển đổi dòng điện cuộn dây nhƣ trong động cơ truyền thống, động cơ từ trở thay đổi sử dụng cảm biến vị trí điện tử để xác định góc của trục rotor và thiết bị điện tử để chuyển đổi cuộn dây stator. Động cơ từ trở thay đổi khơng có hiện tƣợng trƣợt giúp bạn có thể biết chính xác vị trí của rotor, cho phép động cơ đƣợc quay nhanh chậm tùy ý [11].

57 Trong hình 3.50, giả thiết rằng: tại một thời điểm 0 (lúc bắt đầu cuộn dây pha đƣợc cấp nguồn), rotor nằm ở vị trí mất đồng trục hình 3.50a, rotor sẽ bị kéo chuyển động về phía cực của pha đang dẫn dòng để đạt đƣợc trạng thái đồng trục. Do đó khi cấp nguồn pha A rotor sẽ bị kéo về phía stator nhƣ Hình 3.50b, lúc này nếu ngắt dịng pha A và pha D đƣợc cấp nguồn khi đó rotor tiếp tục đƣợc kéo về vị trí đồng trục nhƣ Hình 3.50c. Tiếp đến ta cấp nguồn pha C rồi đến pha B, do đó trình tự đóng ngắt cuộc dây pha vào nguồn một chiều là: A, D, C, B, A... để tạo ta chuyển động quay theo chiều kim đồng hồ [11].

Phân tích tƣơng tự, để đảo chiều quay của SRM thì trình tự đóng ngắt các cuộn dây pha vào nguồn một chiều là A, B, C, D, A..

Hình 3.50: Thứ tự quay của rotor quay theo chiều kim đồng hồ [11]

Nhƣ đã đề cập ở trên, khi một cuộn dây pha stator đƣợc đóng vào nguồn và rõ ràng mơ-men sinh ra sẽ kéo rotor chuyển động theo một hƣớng làm điện cảm tăng dần cho tới khi giá trị của điện cảm là lớn nhất (tƣơng ứng với vị trí đồng trục).

Giả thiết rằng khơng có hiện tƣợng từ dƣ trong lõi thép và không xét tới chiều của dòng điện trong cuộn dây pha của SRM thì mơ-men ln có chiều hƣớng kéo rotor chuyển động về vị trí đồng trục gần nhất. Vì thế chiều của mơ-men dƣơng chỉ đƣợc xác

58 định khi rotor nằm ở vị trí lệch trục và vị trí đồng trục tiếp theo cùng chiều với chiều quay của rotor. Hay nói một cách khác là mơ-men dƣơng chỉ đƣợc sinh ra khi rotor quay theo chiều làm điện cảm của SRM tăng dần. Nếu số cực của stator và số răng của rotor là nhƣ nhau thì mỗi một pha của stator khi đƣợc đóng vào nguồn thì có thể tạo ra mơ-men quay trên một nửa phần bề mặt của răng rotor tƣơng ứng và kết quả là để tạo ra mơ-men quay thì cần ít nhất 2 cặp dây stator đƣợc cấp nguồn tại bất kỳ vị trí nào của rotor. Vì vậy mà SRM ln có cấu tạo với số cực của stator bao giờ cũng nhiều hơn số răng của rotor. Nhƣ vậy, để tạo ra đƣợc mô-men dƣơng cuộn dây pha stator phải đƣợc cấp nguồn trong khi điện cảm cuộn dây pha này tăng dần. Tƣơng tự nhƣ vậy, để hãm động cơ, thì cuộn dây pha phải đƣợc cấp nguồn khi điện cảm trong cuộn dây pha này giảm dần [3].

3.2.5.4 Đặc tính của động cơ từ trở thay đổi

Trên thực tế đặc tính làm việc của SRM là hồn tồn có thể lập trình đƣợc và dễ dàng xác định bằng các phƣơng pháp điều khiển. Đây là một trong những đặc điểm khiến cho các hệ truyền động sử dụng SRM trở thành một giải pháp toàn diện, khả thi và giá thành giảm đáng kể. Tuy nhiên vẫn cần có nhiều giới hạn về khả năng làm việc và đặc tính cơ của SRM đƣợc mơ tả trong hình 3.51.

Cũng nhƣ các loại động cơ điện khác, moment của SRM bị giới hạn bởi dòng điện cực đại cho phép và tốc độ của động cơ thì phụ thuộc vào độ rộng của xung áp điều chế đặt vào cuộn dây pha stator.

59 Để có thể tăng tốc độ động cơ lên trên tốc độ cơ bản thì bắt buộc ta phải giảm moment tải, trong đặc tính làm việc của động cơ trên hình 3.51 ta thấy rõ 2 vùng làm việc cơ bản:

- Vùng 1 (Vùng làm việc dƣới tốc độ cơ bản): Vùng giới hạn dòng điện, trong miền này dịng điện trong cuộn dây pha ln nhỏ hơn giá trị dòng điện giới hạn, lúc này ta có thể tăng tốc độ động cơ đồng thời tăng cả mô-men trên trục động cơ.

- Vùng 2 (Vùng làm việc trên tốc độ cơ bản): Vùng công suất không đổi. Trong vùng này, tốc độ động cơ lớn hơn tốc độ cơ bản. Vùng này đƣợc chia thành 2 vùng nhỏ hơn:

+ Miền tốc độ cao: Mô-men trên đầu trục động cơ tỉ lệ nghịch với tốc độ động cơ. + Miền tốc độ rất cao: Trong vùng làm việc này, mô-men trên đầu trục động cơ tỉ lệ nghịch với bình phƣơng tốc độ, để tăng tốc độ động cơ lên 2 lần thì moment đầu trục động cơ giảm đi √ lần [11].

3.2.5.5 Ƣu và nhƣợc điểm của từ trở thay đổi

 Ƣu điểm:

- Có cấu tạo chắc chắn, đơn giản, kích thƣớc nhỏ.

- Mơ-men và hiệu xuất cao do tỷ lệ với bình phƣơng dịng điện. - Khơng có chổi than và cổ góp.

- Dây quấn chỉ có ở stator, khơng dây quấn hay nam châm ở rotor do vậy tiết kiệm đƣợc vật liệu. Hơn nữa dây chỉ quấn tập trung và không bị phân tán nhƣ trong các động cơ xoay chiều khác nên rõ ràng kinh tế hơn.

Một phần của tài liệu Chuyên đề ô tô điện đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật ô tô (Trang 61)

Tải bản đầy đủ (PDF)

(120 trang)