Lưu ý: Khi khởi động máy, nhờ có dây quấn giảm chấn ở Rotor, động cơ sẽ làm việc như động cơ điện không đồng bộ. Người ta chế tạo các động cơ, có hệ số mở máy Mmở /Mđm từ 0,8 ÷ 1.
Trong quá trình khởi động máy ở dây quấn kích từ sẽ có điện áp cảm ứng rất lớn, có thể phá hỏng dây quấn kích từ, vì thế dây quấn kích từ sẽ được khép mạch qua điện trở phóng điện có trị số bằng 6 ÷ 10 lần điện trở dây quấn kích từ. Khi Rotor đã quay đến tốc độ gần bằng tốc độ đồng bộ, đóng nguồn điện một chiều vào dây quấn kích từ, động cơ sẽ làm việc đồng bộ.
Nguyên nhân xuất hiện hiện tượng thay đổi góc đột ngột: - Tải trọng thay đổi một cách đột ngột.
- Dòng điện từ trường thay đổi đột ngột. - Lỗi trong hệ thống cung cấp.
Ảnh hưởng của hiện tượng thay đổi góc tải đột ngột: - Có thể dẫn đến mất đồng bộ của tỉ lệ quay Rotor và Stator. - Tạo ra ứng suất cơ học trong trục Rotor.
- Làm tăng tổn thất của động cơ và gây hiện tượng tăng nhiệt độ. - Làm gia tăng khả năng xảy ra cộng hưởng.
73 Ngoài ra trong trường hợp khi động cơ là dạng động cơ đồng bộ, cuộn dây điều tiết thực hiện một chức năng bổ sung. Nó hoạt động như một cuộn dây lồng sóc và làm cho động cơ đồng bộ tự khởi động. Cuộn dây giảm chấn giúp động cơ đồng bộ tự khởi động bằng cách cung cấp moment khởi động.
Hình 3.20: Hiện tượng không tự khởi động của động cơ đồng bộ điện cực nổi
Do khi cấp nguồn ba pha cho Stator, từ trường quay phát triển giữa khe hở Stator và Rotor. Trường có các cực chuyển động được gọi là từ trường quay. Từ trường quay chỉ phát triển trong hệ thống nhiều pha. Do từ trường quay, các cực nam và bắc phát triển trên Stator.
Rotor được kích từ bởi nguồn điện một chiều. Nguồn điện một chiều tạo ra các cực bắc và cực nam trên Rotor. Khi nguồn điện một chiều không đổi, từ thông cảm ứng trên Rotor khơng đổi. Như vậy, từ thơng có cực tính cố định. Cực bắc phát triển ở một đầu của Rotor, và cực nam phát triển ở một đầu khác.
Dịng điện AC là hình Sin. Do đó tính phân cực của sóng thay đổi trong mỗi nửa chu kỳ, tức là sóng vẫn dương trong nửa chu kỳ đầu và trở nên âm trong nửa chu kỳ sau. Nửa chu kỳ dương và âm của sóng lần lượt phát triển các cực bắc và cực nam trên Stator.
74 Khi Rotor và Stator đều có cực ở cùng phía thì chúng đẩy nhau. Nếu chúng có các cực trái dấu chúng hút nhau. Điều này có thể dễ dàng hiểu được với sự trợ giúp như (Hình 3.20) Rotor hút về cực của Stator trong nửa chu kỳ đầu của nguồn cung cấp và đẩy trong nửa chu kỳ sau. Vì vậy, Rotor chỉ trở nên phát xung tại một nơi. Đây là lý do mà động cơ đồng bộ không tự khởi động.
3.2.5 Nguyên lí làm việc động cơ
Nguyên tắc hoạt động có thể được hiểu bằng cách coi các cuộn dây của Stator được nối với nguồn điện xoay chiều ba pha. Hiệu quả của Stator là thiết lập một từ trường quay tại 120f
p vòng mỗi phút cho một tần số f (hertz) và cho p (cực). Dòng điện một chiều trong cuộn dây trường cực p trên Rotor cũng sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ Rotor. Nếu tốc độ Rotor được tạo ra bằng tốc độ của trường Stator và khơng có moment tải, hai từ trường này sẽ có xu hướng thẳng hàng với nhau. Khi có tải cơ học, Rotor bị trượt ngược lại một số độ so với trường quay của Stator, phát triển moment xoắn và tiếp tục bị trường quay này hút xung quanh. Góc giữa các trường tăng lên khi tăng moment tải. Moment xoắn lớn nhất có thể đạt được khi góc mà trường Rotor trễ hơn trường Stator là 90°. Việc áp dụng nhiều moment xoắn tải hơn sẽ làm động cơ ngừng hoạt động.
Dây quấn Stator của động cơ điện giống hệt dây quấn của động cơ điện cảm ứng nhưng Rotor có dây quấn mang dòng điện devà tạo ra từ thơng trong khe hở khơng khí giúp từ trường quay do Stator sinh ra kéo Rotor theo nó. Dịng điện trường một chiều được cung cấp cho Rotor từ bộ chỉnh lưu tĩnh thơng qua các vịng trượt và chổi than, hoặc bằng cách kích từ khơng chổi than. Vì Rotor luôn chuyển động ở tốc độ đồng bộ (tức là độ trượt bằng 0), các trục quay đồng bộ theo devà qe được cố định với Rotor, trong đó trục e
d tương ứng với cực bắc, như (Hình 3.21). Khơng có cảm ứng do Stator gây ra trong Rotor, và do đó Emf của Rotor được cung cấp độc quyền bởi cuộn dây trường. Điều này cho phép động cơ ở một hệ số công suất tùy ý tại cực Stator.
75 Mặt khác, trong động cơ điện cảm ứng, Stator hãm kích từ Rotor làm cho hệ số công suất của động cơ ln ln trễ.
Hình 3.21: Mơ tả một động cơ điện đồng bộ trường quấn ba pha, Rotor hai cực. Cơ chế sản sinh moment xoắn phần nào giống với cơ chế của động cơ cảm ứng. Động cơ được đặc trưng như một cực nổi vì khe hở khơng khí khơng đồng đều xung quanh Rotor, góp phần tạo ra từ trở khơng đối xứng trong các trục d và q. Điều này trái ngược với động cơ có cấu trúc rotor hình trụ có khe hở khơng khí đồng đều (chẳng hạn như động cơ cảm ứng).
76
Hình 3.22: Ngun lí làm việc của động cơ
Stator được quấn với số cực tương tự như của Rotor và được cấp bằng nguồn điện xoay chiều ba pha. Nguồn điện xoay chiều 3 pha tạo ra từ trường quay trong Stator. Cuộn dây Rotor được cấp nguồn điện một chiều từ. Xét một động cơ điện đồng bộ hai cực như (Hình 3.22) trên đây.
Bây giờ, các cực của Stator đang quay với tốc độ đồng bộ (giả sử theo chiều kim đồng hồ). Nếu vị trí của Rotor sao cho cực N của Rotor gần cực N của Stator, thì các cực của Stator và Rotor sẽ đẩy nhau và moment sinh ra sẽ ngược chiều kim đồng hồ.
Các cực của Stator đang quay với tốc độ đồng bộ và chúng quay xung quanh rất nhanh và hoán đổi vị trí của chúng. Nhưng tại thời điểm này, Rotor khơng thể quay với cùng một góc (do qn tính) và vị trí tiếp theo có thể sẽ là sơ đồ thứ hai trong (Hình 3.22) trên. Trong trường hợp này, các cực của Stator sẽ hút các cực của Rotor, và moment quay được tạo ra sẽ theo chiều kim đồng hồ.
Do đó, Rotor sẽ chịu một moment xoắn đảo chiều nhanh chóng và động cơ sẽ không khởi động. Nhưng, nếu Rotor được quay tới tốc độ đồng bộ của Stator bằng ngoại lực (theo hướng trường quay của Stator) và trường Rotor được kích từ gần với tốc độ đồng bộ, các cực của Stator sẽ tiếp tục hút các cực đối diện của Rotor (hiện tại Rotor cũng quay cùng với nó và vị trí của các cực sẽ giống nhau trong suốt chu kỳ. Bây giờ,
77 Rotor sẽ chịu moment xoắn một chiều. Các cực đối diện của Stator và Rotor sẽ bị khóa với nhau, và Rotor sẽ quay với tốc độ đồng bộ.
3.2.6 Tổn thất trong động cơ
Hình 3.23: Tổn thất của động cơ điện trong hệ thống truyền lực
Động cơ điện loại đồng bộ lớn có hiệu suất cao đáng kể gần bằng 1. Do đó, tổng tổn hao Pd chỉ có giá trị vài phần trăm cơng suất định mức P .
- Hiệu suất của động cơ đồng bộ (Pout PN): = 98%. - Sai số đo của giá trị Pout: F = 0,5%.
- Tổng tổn thất: 1 11 0.02 din dinout outout Pp PPP Pp
- Sai số khi xác định tổn thất sử dụng phương pháp tính hiệu suất trực tiếp: F.Pout = 0,005. Pout = 0,005. Pn = 0,005. ( Pd/0,02) = 0,25Pd
.
78 Do đó, hiệu suất được xác định gián tiếp từ phép đo các thành phần tổn hao riêng lẻ Pd i, theo tiêu chuẩn IEC34-2, tương ứng là EN60530/2, vì tất cả các thành phần tổn hao (đã biết) có thể được đo với độ chính xác đủ trong trường hợp này.
, out outd i P PP 3.20 Có 3 nhóm lớn về tổn thất được trình bày trong bảng dưới đây:
- Tổn hao khi không tải (Is = 0). - Tổn hao do tải.
- Tổn hao do kích từ.
Bảng 3.5: Các dạng tổn thất của động cơ
Tổn hao không tải (Is= 0)
- Tổn thất từ trường: dịng điện xốy và tổn thất do bão hồ từ hố trong lớp phủ của Stator (với tần số fs).
- Tổn hao khơng tải bổ sung. Ví dụ: Tổn thất dịng điện xốy ở
các lớp phủ, do ma sát và tổn thất thơng gió.
Tổn thất tải
- Tổn hao dây quấn trong cuộn dây Stator.
- Tổn thất tải bổ sung cho Stator. Ví dụ: Dịng điện xốy trong
cuộn dây Stator.
- Tổn thất phụ tải của Rotor. Ví dụ: Dịng điện xốy trên bề mặt Rotor do sóng hài từ trường Stator, v.v.
Tổn thất kích từ
- Tổn thất dây quấn trong trường hợp tổn hao do cuộn dây bên trong máy kích từ/bộ chuyển đổi kích từ và các vịng trượt vv, tùy thuộc vào hệ thống kích từ mà có các tổn thất tương ứng.
79
3.3 Các phương pháp điều khiển động cơ
Ngày nay các phương tiện xe HEV và xe điện đã thay thế cho xe ô tô thơng thường và động cơ điện có xu hướng thay thế động cơ đốt trong. Động cơ điện đồng bộ kích từ bằng điện là một lựa chọn tốt cho ngành cơng nghiệp ơ tơ vì nó sở hữu nhiều ưu điểm: hiệu quả cao, mật độ năng lượng cao, moment xoắn cao khi khởi động, tuy nhiên độ bền không cao so với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
Tuy nhiên chức năng cơ bản của bất kỳ loại động cơ điện nào trong xe ô tô cũng là để kéo xe ở chế độ động cơ hoặc để nạp lại điện năng cho ắc quy cao áp trong chế độ máy phát điện. Điều khiển moment xoắn của động cơ điện trong chế độ động cơ và thu hồi điện năng trong chế độ máy phát điện cho ắc quy cao áp một cách hiệu quả là mục tiêu cho việc điều khiển động cơ điện. Một lựa chọn tốt cho xe điện do nhiều lợi thế là động cơ đồng bộ đồng bộ kích từ bằng điện. Trong chương này, sẽ trình bày hai bộ thuật toán điều khiển moment xoắn một cách tối ưu cho EESM nhằm mục đích điều khiển moment xoắn tối ưu trong toàn bộ phạm vi hoạt động dựa trên hai phương pháp lấy mẫu (so sánh giữa kết quả thực tế và số liệu tham chiếu đầu vào) và không lấy mẫu.
Giống như một động cơ nam châm vĩnh cửu, động cơ đồng bộ kích từ bằng điện cần điều khiển các dịng điện Stator. Ngồi ra, dịng kích từ của Rotor phải được thiết lập một cách chính xác và hiệu quả. Việc điều khiển moment xoắn của động cơ đồng bộ kích từ bằng điện có các nhiệm vụ chính sau đây:
1. Tạo ra các giá trị tham chiếu dòng điện tối ưu cho cả Stator và Rotor để đáp ứng đầu ra cho các yêu cầu moment xoắn và cơng suất.
2. Kiểm sốt chính xác và đầy đủ về giá trị tham chiếu đã tạo.
3. Kiểm soát sự nhiễu do các tác động của các hệ thống xung quanh. 4. Đảm bảo hệ thống hoạt động an tồn trong trường hợp có lỗi xảy ra.
80
3.3.1 Điều khiển vô hướng
Điều khiển vơ hướng hay cịn gọi là điều khiển V/F (Volt/Hz) là chế độ điều khiển cơ bản và phổ biến ở tất cả các loại biến tần. Mục đích của chế độ trên là điều khiển tỉ lệ V/F = hằng số để cung cấp cho từ thơng Stator, cịn từ thơng Rotor sẽ được cung cấp qua một hệ thống trung gian khác, do đó sẽ sinh ra độ trể khi điều khiển 2 loại từ thông này.
Trong chế độ này, biến tần điều khiển tần số theo dải 0Hz – Fmax và tương ứng điện áp theo dải 0V – Vmax. Trên thực tế, tỉ lệ giữa tần số và điện áp được chia theo:
- Từ 0Hz đến F khởi động (Hz): Điện áp cấp vào thấp suy ra dòng khởi động thấp dẫn đến động cơ khơng đủ moment để khởi động, vì vậy việc bù điện áp được thực hiện dẫn đến tỉ lệ V/F khơng tuyến tính.
- Từ F khởi động (Hz) đến F định mức (Hz): tỷ lệ V/F tuyến tính vì thế momen động cơ ổn định.
- F hoạt động (Hz) > F định mức (Hz): điện áp bị giới hạn tại điện áp định mức vì tránh sự cố phá vỡ cách điện giữa các dây quấn. Do đó, momen động cơ bị giảm.
81
3.3.2 Điều khiển vector
Để thời gian điều khiển đáp ứng kịp với sự thay đổi tốc độ và moment xơắn liên tục, biến tần có thể được tăng cường đáng kể bằng điều khiển Vector thay vì điều khiển vơ hướng. Trong vùng moment không đổi, nếu moment được tăng lên ở từ thơng Stator định danh khơng đổi, thì dịng điện từ trường If , Do đáp ứng của dịng điện từ trường chậm vì hằng số thời gian lớn và kết quả là động cơ phản ứng chậm.
Đáp ứng có thể được cải thiện đáng kể bằng điều khiển vector, trong đó dịng điện từ hóa theo có hướng của từ thơng trên Rotor có thể được đưa vào tức thời từ phía từ thơng của Stator của động cơ để tính tốn sự gia tăng từ thơng chậm.
Chế độ điều khiển vector gồm 2 chế độ là điều khiển vòng lặp hở (Open loop vector control) và vịng lặp kín (Close loop vector control) có tính chính xác cao hơn chế độ V/F.
- Chế độ vòng lặp hở (Sensorless Vector Control): Là phương pháp điều khiển dựa trên dòng điện hồi tiếp từ động cơ, biến tần sẽ giả lập một vector từ trường quay và điều khiển các thông số tần số, điện áp cho Stator, trong khi bộ môt bộ chỉnh lưu sẽ chịu trách nhiệm điều khiển giá trị dòng điện áp DC cung cấp cho Rotor, để điều khiển một cách chính xác tốc độ động cơ trong nhiều trường hợp khác nhau.
82
- Chế độ vịng lặp kín (Sensor Vector Control): Là phương pháp điều khiển dựa trên xây dựng vector từ trường quay bên trong động cơ. Xác định tốc độ từ trường dựa theo tốc độ thực tế trên trục động cơ thông qua cảm biến Rotor. Dựa vào tín hiệu cảm biến hồi tiếp này, biến tần sẽ điều khiển các thông số tần số, điện áp, tần số sóng mang, chỉnh lưu sẽ điều khiển dòng điên áp cung cấp cho Rotor để điều khiển chính xác tốc độ của động cơ.
Hình 3.26: Điều khiển chế độ vịng lặp kín 3.4 Bộ biến tần động cơ 3.4 Bộ biến tần động cơ
Bộ biến tần động cơ là một thành phần quan trọng trong xe điện, không chỉ về chức năng mà còn về độ an tồn. Biến tần có bộ truyền động đầu ra ba pha cho động cơ điện, được điều khiển độc lập về moment xoắn và tốc độ. Trong điều kiện phanh hoặc 'dừng', động cơ hoạt động như máy phát điện và cơng suất tạo ra có thể được chuyển trở lại qua biến tần để phanh tái sinh và trả lại năng lượng cho ắc quy cao áp. Chức năng của bộ biến tần động cơ có 2 chức năng cơ bản:
- Động cơ điện yêu cầu đầu vào là nguồn điện xoay chiều AC. Tuy nhiên nguồn điện chính là ắc quy cao áp là nguồn điện một chiều DC. Do đó đầu ra DC của ắc quy cao áp được chuyển đổi thành AC bằng bộ biến tần động cơ. Chức năng của bộ biến tần là thay đổi điện áp đầu vào một chiều thành điện áp đầu ra xoay chiều đối xứng có cường độ và tần số mong muốn.
- Trong khi động cơ sử dụng phanh tái sinh lúc này Stator lại sinh ra dịng điện AC để có đưa về lưu trữ tại ắc quy cao áp cần phải chuyển đổi từ AC sang DC.