CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN
3.1. Tổng quan về ô tô điện
3.1.4. Các Yêu cầu đối với ô tô điện
a. Các yêu cầu đối với hệ truyền động kéo trên ơ tơ điện
Tính năng vận hành của một chiếc xe nói chung được đánh giá dựa trên các tiêu chí sau:
+ ) Khả năng tăng tốc: được xác định bởi thời gian cần thiết để tăng tốc độ từ 0 đến tốc độ cho trước, hoặc từ một tốc độ thấp đến một tốc độ cao.
+ ) Khả năng vận hành của xe trên các loại đường khác nhau. + ) Tốc độ cực đại mà xe có thể đạt được.
b. Yêu cầu về động cơ cho ô tô điện
Động cơ truyền động cho ơ tơ điện có những u cầu riêng, có những điểm khác so với động cơ dùng trong cơng nghiệp. Nhìn chung, loại động cơ này cần có những u cầu được phân tích dưới đây:
+ ) Khối lượng nhẹ, kích thước nhỏ gọn, cơng suất lớn
Động cơ truyền động cho ơ tơ điện thường có cơng suất từ khoảng 30 kW cho tới 100 kW và hơn thế nữa. Với công suất này, nếu sử dụng động cơ thông thường trong công nghiệp, khối lượng động cơ sẽ rất lớn, làm tăng trọng lượng của xe, dẫn đến tiêu tốn năng lượng, giảm quãng đường đi được mỗi lần nạp điện (một thông số rất quan trọng của ô tô điện).
+ ) Đặc tính làm việc phù hợp với đặc tính của ơ tô 3.1.5. Đánh giá một số loại động cơ điện
Một số loại động cơ điện đã và đang được sử dụng trên ô tô điện là: động cơ không đồng bộ (động cơ cảm ứng), động cơ nam châm vĩnh cửu, động cơ một chiều, động cơ từ trở chuyển mạch.
a. Động cơ một chiều
+ ) Ưu điểm:
- Động cơ một chiều được sử dụng do khả năng tạo ra mômen lớn ở vùng tốc độ thấp và đặc tính mơmen - tốc độ phù hợp cho truyền động kéo, đặc biệt là động cơ một chiều kích từ nối tiếp.
- Việc điều chỉnh tốc độ và mở rộng dải tốc độ động cơ cũng dễ thực hiện bằng các bộ điều chỉnh điện áp. Các động cơ kích từ hỗn hợp vừa có mơmen khởi động lớn lại có khả năng mở rộng dải tốc độ bằng cách điều chỉnh giảm từ thơng kích từ.
+ ) Nhược điểm
- Động cơ một chiều truyền thống có kích thước và trọng lượng lớn, hiệu suất thấp, độ tin cậy kém, gây nhiễu điện từ, gây ồn.
- Cần phải bảo trì, bảo dưỡng thường xun do có cơ cấu chuyển mạch cơ khí hay do loại động cơ này cần bộ vành góp, chổi than, có tuổi thọ thấp. Ngồi ra, do có ma sát giữa chổi than và cổ góp nên hạn chế tốc độ của động cơ, khơng phù hợp với điều kiện nóng ẩm, bụi bặm.
=> Khi cơng nghệ bán dẫn và kỹ thuật điều khiển phát triển mạnh, động cơ một chiều dần bị thay thế bởi các loại động cơ khác.
b. Động cơ không đồng bộ (Induction Motor )
+ ) Ưu điểm:
- Động cơ khơng đồng bộ có ưu điểm giá thành thấp, thông dụng, dễ chế tạo.
- Động cơ khơng đồng bộ có cấu trúc đơn giản, tin cậy, hoạt động êm, ít phải bảo dưỡng, có khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt.
- Do khơng có cơ cấu chuyển mạch cơ khí nên cho phép mở rộng dải tốc độ động cơ. Việc điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số nguồn được thực hiện dễ dàng nhờ có các bộ biến tần bán dẫn cơng suất lớn và các thuật toán điều khiển tối ưu theo các chỉ tiêu khác nhau. Thuật toán điều khiển tựa từ thông rotor (FOC) cho phép động cơ đạt được đặc tính như động cơ một chiều kích từ độc lập.
Thuật tốn này cũng cho phép mở rộng dải tốc độ của động cơ bằng cách điều chỉnh giảm từ thơng.
+ ) Nhược điểm:
Động cơ này có hiệu suất khơng cao do có tổn hao đồng và tổn hao thép trên rotor.
c. Động cơ từ trở đồng bộ (Synchronous Reluctance Motor - SynRM)
Động cơ SynRM có cấu trúc stator giống động cơ xoay chiều thông thường với dây quấn và lõi sắt từ. Rotor của động cơ được thiết kế gồm các lớp vật liệu từ tính và phi từ tính đan xen nhau như ta thấy trên hình. Cấu trúc này khiến cho từ trở dọc trục và từ trở ngang trục của động cơ khác nhau, sinh ra mơmen từ trở làm động cơ quay.
Hình 3.6: Cấu trúc động cơ từ trở đồng bộ - SynRM (a) và so sánh rotor động cơ SynRM với động cơ không đồng bộ(b)[7]
d. Động cơ từ trở thay đổi (Switched Reluctance Motor – SRM)
Hình 3.7: Động cơ từ trở thay đổi – SRM [1]
+ ) Ưu điểm:
Động cơ có cấu trúc đơn giản và bền vững, độ tin cậy cao, điều khiển đơn giản, dải tốc độ rộng. Động cơ này cũng có mơmen khởi động lớn và mơmen qn tính nhỏ. Cấu trúc của rơto thực sự đơn giản do khơng có nam châm, cuộn dây cũng như cơ cấu chuyển mạch cơ khí. Do dải tốc độ rộng nên nó phù hợp
cho trường hợp hệ truyền động khơng sử dụng hộp số. Do khơng có tổn hao trên rôto nên động cơ SRM phù hợp cho môi trường nhiệt độ cao.
+ ) Nhược điểm
Nhược điểm của động cơ từ trở chuyển mạch là đập mạch mômen lớn.Mặt khác, do cấu tạo cực lồi, động cơ có tính phi tuyến cao, gây khó khăn cho việc điều khiển và thiết kế động cơ.
e. Động cơ một chiều khơng cổ góp + ) Ưu điểm:
Động cơ một chiều khơng cổ góp có ưu điểm nổi bật là hiệu suất cao và mật độ cơng suất lớn do khơng có cuộn dây kích từ trên rơto. Dải tốc độ làm việc có thể mở rộng bằng kỹ thuật điều khiển sớm pha. Động cơ này có qn tính nhỏ do đó có tính tác động nhanh. Những ưu điểm này rất phù hợp cho việc ứng dụng trên xe, khi mà vấn đề giảm trọng lượng toàn xe và tăng hiệu suất sử dụng nhiên liệu đang đặt ra rất cấp thiết.
Trước kia, tốc độ và mơmen cũng bị hạn chế do độ bền cơ khí của rơto. Hiện nay đã có các cơng nghệ nhúng các nam châm vào lõi rotor để đảm bảo độ bền và cho phép động cơ làm việc với mômen lớn và tốc độ cao.
+ ) Nhược điểm:
Động cơ một chiều khơng cổ góp cơng suất lớn có giá thành cao do rotor được chế tạo từ các hợp kim đất hiếm.
Nhược điểm cơ bản của động cơ một chiều khơng cổ góp là có nhấp nhơ mơmen lớn, xuất hiện 6 xung mơmen trong 1 chu kì.
Hình 3.8: Cấu trúc động cơ một chiều khơng cổ góp [3]
f. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm (Interior Permanent Permanent
Magnet Motor – IPM motor)
Động cơ IPM có những ưu thế gần như tuyệt đối trong ứng dụng cho ô tô điện.
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) có thể coi là loại động cơ phù hợp nhất cho ứng dụng ô tô điện với hiệu suất cao, khả năng sinh mơmen lớn và có thể được điều khiển với chất lượng tốt. Trong đó, loại nam châm vĩnh cửu chìm trong rotor (IPMSM) có nhiều ưu việt phù hợp cho ô tô hiện đại. Hai mẫu xe thương mại Nissan Leaf và Mitsubisht MiEV của Nhật Bản đều sử dụng động cơ này.
Động cơ nam châm vĩnh cửu thơng thường có nam châm được gắn trên bề mặt rotor vốn đã có đặc tính điều khiển rất tốt. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm có nam châm được gắn chìm bên trong rotor (hình 3. 7), dẫn tới sự khác biệt giữa điện cảm dọc trục và điện cảm ngang trục (hình 3.7), từ đó tạo khả năng sinh mômen từ trở (Reluctance Torque) cộng thêm vào mômen vốn có do nam châm sinh ra (Magnet Torque) như ta thấy trên hình 3.10. Đặc tính này khiến động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm có khả năng sinh mômen rất cao, đặc biệt phù hợp cho ô tô điện. Mặt khác, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm có phản ứng phần ứng mạnh, dẫn tới khả năng giảm từ thông mạnh, cho phép nâng cao vùng điều chỉnh tốc độ, làm việc tốt ở vùng II như đã phân tích ở mục 2c phía trên.
Hình 3. 9: So sánh cấu trúc của động cơ nam châm vĩnh cửu và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm [1].
Việc lựa chọn loại động cơ phù hợp cho ơ tơ điện nói chung (xe chạy hồn tồn bằng điện cũng như ô tô điện lai) phụ thuộc vào nhiều tiêu chí. Nếu như tiêu chí hàng đầu là giá thành rẻ và đơn giản trong điều khiển thì động cơ một chiều truyền thống vẫn là sự lựa chọn phù hợp.
Động cơ không đồng bộ hiện vẫn được xử dụng trên một số ô tô điện do kế thừa được các công nghệ đã rất phát triển trong cơng nghiệp, tuy nhiên do có khối lượng lớn nên khơng phù hợp trên ô tô điện lai.
Trong cả hiện tại và tương lai, vấn đề tiết kiệm năng lượng cũng như giảm sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng hoá thạch vẫn là những vấn đề cấp bách, đặc biệt là trên ô tô điện lai. Để đạt được điều đó thì tiêu chí về hiệu suất của động cơ là một tiêu chí được ưu tiên hàng đầu.Vì vậy các loại động cơ một chiều khơng cổ góp và động cơ từ trở chuyển mạch đang và sẽ là xu hướng của ô tô điện trong tương lai.
3.2. Điều khiển động cơ điện trên xe ô tô
Điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp sử dụng bộ inventer ( Biến tần ) trên ô tơ điện.
Lí do sử dụng biến tần để điều khiển động cơ là vì:
+) Điểm đặc biệt nhất của hệ truyền động biến tần - động cơ là ta có thể điều chỉnh vơ cấp tốc độ động cơ. Tức là thơng qua việc điều chỉnh tần số và có thể điều chỉnh tốc độ động cơ thay đổi theo ý muốn trong một dải rộng.
+) Sử dụng biến tần, ta có thể sử dụng được rất nhiều các tính năng thơng minh, linh hoạt như là tự động nhận dạng động cơ; tính năng điều khiển thơng qua mạng; có thể thiết lập được 16 cấp tốc độ; khống chế dòng khởi động động cơ giúp quá trình khởi động êm ái (mềm) nâng cao độ bền kết cấu cơ khí; giảm thiểu chi phí lắp đặt, bảo trì; tiết kiệm khơng gian lắp đặt; các chế độ tiết kiệm năng lượng,…
3.2.1. Biến tần
a) Giới thiệu chung.
Biến tần (Inverter) hay bộ biến đổi tần số (Variable Frequency Drive, VFD) là thiết bị điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều thông qua việc thay đổi tần số nguồn điện cấp cho động cơ. Vì thế mà biến tần cịn có tên goi khác là bộ điều chỉnh tốc độ động cơ (Variable Speed Drive, VSD). Ngoài ra, điện áp cấp cho động cơ của biến tần cũng thay đổi theo tần số nên biến tần đơi khi cịn được gọi là bộ biến đổi điện áp tần số (Variable Voltage Variable Frequency Drive, VVVFD).
Hình 3.16: Hệ thống điều tốc độ động cơ với biến tần [5]
Ứng dụng: Bộ biến tần thường được sử dụng để điều khiển vận tốc động
cơ xoay chiều theo phương pháp điều khiển tần số, theo đó tần số của lưới nguồn sẽ thay đổi thành tần số biến thiên. Ngồi việc thay đổi tần số cịn có sự thay đổi tổng số pha. Từ nguồn lưới một pha , với sự giúp đỡ của biến tần ta có thể mắc vào tải động cơ ba pha.
b ) Phân loại.
Biến tần thường được chia thành hai loại:
- Biến tần trực tiếp
Bộ biến đổi này chỉ dùng một khâu biến đổi là có thể biến đổi nguồn điện xoay chiều có điện áp và tần số khơng đổi thành điện áp xoay chiều có điện áp và tần số điều chỉnh được.
Do q trình biến đổi khơng phải qua khâu trung gian nên được gọi là bộ biến tần trực tiếp, còn được gọi là bộ biến đổi sóng cố định.
Hình 3.17: Thiết bị biến tần trực tiếp[7]
Mỗi một pha đầu ra của bộ biến tần trực tiếp đều được tảo bởi mạch điện mắc song song ngược.
Hình 3.18: Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp[7]
Hai sơ đồ chỉnh lưu thuận ngược lần lượt được điểu khiển làm việc theo chu kỳ nhất định. Trên phụ tải sẽ nhận được điện áp xoay chiều U1.
Biên độ của nó phụ thuộc vào góc điều khiển α, cịn tần số của nó phụ thuộc vào tần sơ khống chế qua quá trình chuyển đổi sự làm việc của hai sơ đồ chỉnh lưu măc song song ngược.
Nếu góc α khơng thay đổi thì điện áp trung bình đầu ra có giá trị khơng đổi trong mỗi nửa chu kỳ điện áp đầu ra.
Muốn nhận được điệp áp đầu ra có dạng hình sin hơn cần phải liên tục thay đổi góc điều khiển các van của mỗi sơ đồ chỉnh lưu trong thời gian làm việc của nó ( mỗi nửa chu kỳ điện áp ra).
Điện áp trung bình trong nửa chu kỳ là hình sin trong hình vẽ thể hiện bằng nét đứt. Sự điều khiển sơ đồ ngược trong nửa chu kỳ âm điện áp ra cũng tương tụ như thế.
Hình 3.19: Đồ thị điện áp đầu ra cảu thiết bị biến tần xoay chiều hình sin[7]
Bộ biến tần trực tiếp có ưu điểm là có thể thiết kế với một cơng suất khá lớn ở đầu ra và hiệu suất cao, nhưng có một số nhược điểm sau:
+) Chỉ có tạo ra điện áp xoay chiều đầu ra với tần số thấp hơn tần số điện áp lưới.
+) Khó điều khiển ở tần số cận khơng vì khi đó tổn hao sóng hài trong động cơ khá lớn.
+) Độ chính xác trong điều khiển khơng cao. +) Sóng điện áp đầu ra khác xa hình sin.
- Biến tần gián tiếp
Là bộ biến đổi tần số gián tiếp thông qua một khâu trung gian một chiều. Bộ biến tần gián tiếp cho phép khắc phục những nhược điểm của bộ biến tần trực tiếp ở trên.
Hình 3.20: Thiết bị biến tần gián tiếp[7]
+) Thiết bị biến tần gian tiếp dùng chỉnh lưu điều khiển
3 f1,U1 Chỉnh lưu điều khiển L ọc Nghịchlưu 3 f2,U2
Hình 3.21: Thiết bị tần gián tiếp dùng chỉnh lưu điều khiển[7]
Bộ biến tần này có cấu trúc như hình trên, điện áp xoay chiều lưới điện được biến đổi thành điện áp một chiều có điều chỉnh nhờ chỉnh lưu điều khiển tiristor, khâu lọc có thể là bộ lọc điện dung hoặc điện cảm phụ thuộc vào dạng nghịch lưu yêu cầu, khối nghịch lưu có thể sử dụng các tiristor hoặc transistor, việc điều chỉnh điện áp ra U2 được thực hiện bằng việc điều khiển góc điều khiển bộ chỉnh lưu, việc điều chỉnh tần số tiến hành bởi khâu nghịch lưu, tuy nhiên quá trình điều khiển được phối hợp trên cùng một mạch điện điều khiển.
Cấu trúc của bộ biến tần loại này rất đơn giản, dễ điều khiển nhưng do khâu biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều sử dụng chỉnh lưu điều khiển tiristor nên khi điện áp ra thấp thì hệ số cơng suất giảm thấp, khâu biến đổi điện áp hoặc dòng điện một chiều thành xoay chiều thường dùng nghịch áp 3 pha bằng tiristor nên sóng hài bậc cao trong điện áp xoay chiều đầu ra thường có biên độ khá lớn. Đây là nhược điểm chủ yếu của loại biến tần này.
+) Biến tần dùng chỉnh lưu khơng điều khiển có thêm bộ biến đổi xung điện áp 3 f1,U1 Chỉnh lưu khơng điều khiển L ọc 1 Bộ biến đổi xung điện áp L ọc 2 Nghich lưu 3 f2,U2
Hình 3.22: Biến tần dùng chỉnh lưu khơng điều khiển có thêm bộ biến đổi xung điện áp[7]
Bộ biến tần xoay gián tiếp dùng bộ chỉnh lưu khơng điều khiển kết hợp vói bộ biến đổi xung điện áp một chiều để điều chỉnh điện áp một chiều ở đầu vào khối nghịch lưu được biểu diễn như hình trên.
Việc biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều để cấp cho khối nghịch lưu sử dụng bộ chỉnh lưu đi ốt không điều khiển.
Khối nghịch lưu chỉ có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều thành xoay chiều với tần số điều chỉnh được mà khơng có khả năng điều chỉnh điện áp ra của nghịch lưu nên giữa khối chỉnh lưu và nghịch lưu bố trí thêm bộ biến đổi xung điện áp một chiều để điều chỉnh giá trị điện áp một chiều cấp cho nghịch