CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRỞ
1.3 Tình hình nghiên cứu về động cơ đồng bộ từ trở
Động cơ đồng bộ từ trở và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cữu là hai loại động cơ được quan tâm nhất ở thời điểm hiện tại về các ưu điểm là hai loại động cơ này mang lại. Trong đó, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cữu có hiệu suất nhỉnh hơn động cơ đồng bộ từ trở một ít. Tuy nhiên về mặt khoáng sản để sản xuất động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cữu lại phần lớn nằm ở nước Trung Quốc ( Trung quốc chiếm đến 70% sản lượng khoáng sản đất hiếm trên toàn cầu - theo bbc việt nam) và Mỹ hiện tại đang nhập khẩu trực tiếp đất hiếm từ Trung Quốc lên đến 80% tổng sản lượng đất hiếm sử dụng hằng năm. Việc sử dụng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cữu tăng sẽ dẫn đến việc lệ thuộc tương đối vào quốc gia Trung Quốc. Trong những năm gần đây, dưới áp lực về chính sách thương mại mà Tổng thống Donald Trumph đang áp đặt cho Trung Quốc, Trung Quốc đã chính thức lên tiếng sẽ hạn chế xuất khẩu mặt hàng khoáng sản này. Vì vậy, việc chế tạo và phát triển một động cơ khác có hiệu suất tương đương là giải pháp tốt nhất vào thời điểm này. Đó là động cơ đồng bộ từ trở.
Trong những năm gần đây, SynRM đã nhận được nhiều sự chú ý cho nhiều ứng dụng do tính đơn giản về cấu trúc, chi phí sản xuất thấp và kết cấu chắc chắn [1-3]. Tuy nhiên, độ gợn mô-men xoắn cao tạo ra các rung động cơ học và tiếng ồn âm thanh là một trong những nhược điểm chính của động cơ này. Độ phẳng của mô-men xoắn là một yêu cầu thiết yếu trong nhiều ứng dụng hiện nay. Do đó, nhiều tác giả ngoài nước đã đề xuất các phương pháp khác nhau để giảm thiểu gợn mô-men xoắn với loại động cơ này thông qua hai cách tiếp cận.
1.3.1.1 Cách tiếp cận thứ nhất là thay đổi cấu trúc động cơ để đạt được kết quả tối ưu
Trong bài viết số [4], các tác giả đã chỉ ra rằng có hai cách tiếp cận giảm thiểu độ gợn mô-men xoắn của động cơ đồng bộ. Phương pháp đầu tiên là cải tiến kỹ thuật bao gồm các kỹ thuật để điều chỉnh thiết kế stator và rôto của máy để loại bỏ gợn mô-men xoắn không mong muốn.
Các tác giả trong bài viết [5-7] đã đề xuất các phương pháp giảm độ gợn mô-men xoắn bằng cách điều chỉnh giới hạn thông lượng từ thông trong cấu trúc của rotor.
Hiệu quả của rôto với cấu trúc trục nghiêng để đạt được sự giảm độ gợn mô-men xoắn đã được nghiên cứu chi tiết trong phần [8-9]. Các tác giả trong [8] và [9] chỉ ra rằng gợn mô-men xoắn được giảm khi cấu trúc rôto bị lệch với một góc bằng với độ rộng một khe của khe stator.
Về cách tiếp cận thứ nhất cho thấy đây là một cách tiếp cận phổ biến để thay đổi cấu trúc rotor động cơ đồng bộ từ trở. Cách tiếp cận này đã và đang là cách tiếp cận cần thiết để đổi mới không ngừng thiết kế cải tiến cho động cơ đồng bộ từ trở.
1.3.1.2 Cách tiếp cận thứ hai là thay đổi dòng điện điều khiển Stator để đạt được dòng điện tối ưu và giảm độ gợn mô men xoắn như mong muốn
Dựa trên hệ trục tọa độ rotor dq, các nghiên cứu được trình bày trong [11-13] đưa ra các biểu thức của dòng điện tối ưu để giảm thiểu gợn mô-men xoắn. Các tác giả của [11] và [12] đề xuất một phép biến đổi Park mở rộng để có được dòng điện tối ưu trong động cơ không sin, trong khi các tác giả trong [13] có được dòng điện tối ưu để đạt được điều kiện mô-men xoắn cực đại có tính đến ảnh hưởng của bão hòa từ.
Dựa trên sự tuyến tính hóa tín hiệu đầu ra, các tác giả trong bài viết [14] và [15] đã đề xuất một phương pháp để có được dòng điện tối ưu cho mô-men xoắn không đổi và giảm thiểu tổn thất. Các bộ điều khiển phi tuyến được đề xuất trong [14] để điều chỉnh mô-men xoắn bằng cách chọn giá trị của dòng điện mô-men trục d và trục q làm một trong các biến đầu ra.
Dựa trên điều khiển chế độ trượt - Sliding mode control (SMC) [16], giá trị của dòng tham chiếu được điều chỉnh để giữ tốc độ của động cơ không đổi. Do đó, gợn mô- men xoắn của động cơ được giảm thiểu. Việc bơm dòng điện hài bậc cao được đề xuất trong [17], nhược điểm của phương pháp này là gợn mô-men xoắn cao vì các tác giả chỉ tối ưu hóa dòng điện cho sóng hài bậc 5 và 7.
Gần đây, dựa trên mô hình điều khiển mô-men xoắn trực tiếp – direct torque control (DTC), các phương pháp nghiên cứu trong [18-21] đã đề xuất kiểm soát từ thông stator và tạo ra mô-men xoắn. Trong [19], biên độ và góc của các vectơ điện áp đầu vào được lấy từ các sai số của mô-men xoắn và từ thông. Do đó, mô-men xoắn và thông lượng gợn sóng được giảm thiểu. Dựa trên điều khiển dự báo giá trị mô-men xoắn [20], điện áp tối ưu hóa được sử dụng để giảm gợn mô-men xoắn. Trong phương pháp đó, vectơ góc điện áp được xác định từ đầu ra của bộ điều khiển mô men và từ thông. Một phương pháp khác dựa trên việc bơm dòng điện tần số cao được trình bày trong [21], điểm Maximum Torque per Ampere (MTPA) có thể được tinh toán bởi sự thay đổi mô-men xoắn dựa trên sự thay đổi của góc bằng không tại các điểm MTPA.
Trong phần [22], các dòng tối ưu thu được dựa trên bộ điều khiển nhạy và điều chế vectơ không gian – Space vector modulation (SVM) trong giải thuật tìm kiếm tự động theo tiêu chí MTPA. Trong [23], sự ước tính khác biệt của độ tự cảm d -q đã được sử dụng để đạt được phương thức điều khiển MTPA và điều khiển mô-men xoắn một cách chính xác.
1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Gần đây, với sự phát triển trong công cuộc tự động hóa và hiện đại hóa, Việt Nam ngày càng đạt được một số thành tựu nhất định trong các lĩnh vực về năng lượng, lắp ráp và sản xuất vi mạch, động cơ, dây chuyền tự động… Và một số các công ty lớn dẫn đầu về các lĩnh vực như: Tập đoàn điện lực EVN, Tập đoàn Dầu khí Petro Việt Nam trong lĩnh vực về năng lượng, Tổng công ty máy động lực và nông nghiệp Việt Nam -VEAM về lĩnh vực cơ khí chế tạo máy, Tập đoàn viễn thông quân đội Viettel, FPT Software về lĩnh vực vi mạch, viễn thông…cùng với sự phát triển của
cuộc cách mạng 4.0 đã thúc đẩy mạnh mẽ về sự tích hợp các thuật toán trí tuệ nhân tạo vào hầu hết các lĩnh vực. Tuy nhiên, việc ứng dụng và chế tạo động cơ đồng bộ từ trở chưa được mọi người chú ý đến.
Vinfast (tập đoàn Vingroup – Phạm Nhật Vượng) là Công ty Việt nam đầu tiên ứng dụng việc chế tạo cơ khí, lắp ráp và sản xuất xe máy, xe ô tô được thị trường trong mong chờ nhất cho đến thời điểm hiện tại. Ngoài các động cơ đốt trong, Vinfast còn sử dụng các động cơ điện để chế tạo các mẫu xe điện hiệu năng cao đầu tiên của Việt Nam. Một số mẫu xe điện đã xuất xưởng như: Vinfast Clara (2018) và gần đây nhất là mẫu Vinfast V9 Sport base (2019).
Hình 1.3 Xe máy điện Vinfast [32]
Tuy nhiên, hai mẫu xe trên vẫn sử dụng động cơ điện DC cung cấp từ Bosch với cấu trúc rotor dây quấn. Hiệu suất và công suất chưa được cao nên hạn chế về mặt tốc độ cũng như kích thước. Việc ứng dụng được động cơ đồng bộ từ trở thay cho động cơ hiện tại là điều hoàn toàn khả thi với các ưu điểm vượt trội của động cơ đồng bộ từ trở mang lại.
Bên cạnh Vinfast, hãng xe MBI đến từ quốc gia Hàn Quốc đã cho ra mắt mẫu xe máy điện đầu tiên trên thế giới sử dụng động cơ DC nam châm vĩnh cữu, đánh dấu bước ngoặc sử dụng động cơ hiệu suất cao trên xe máy điện.
Hình 1.4 Xe máy điện MBI [32]
Hiện nay, một trong những chuyên gia nghiên cứu đầu tiên về động cơ đồng bộ từ trở của Việt Nam là Tiến Sĩ Trương Phước Hòa đã đạt được những thành công nhất định trong việc chứng minh được hiệu quả của loại động cơ này.
Do đó, việc phát triển nghiên cứu về động cơ động bộ từ trở là việc cần thiết cho nền công nghiệp Việt Nam.