Tài liệu điều khiển giảm từ thông động cơ đồng bộ nam châm chìm( ipm) ứng dụng cho

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của tôi, có sự hỗ trợ từ giáo viên hướng dẫn là PGS.TS. Tạ Cao Minh. Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng, cũng như kết quả luận văn của mình. Hà Nội, ngày tháng Tác giả Phan Đúng   năm 2014 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... 1 MỤC LỤC .............................................................................................................. 1 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................... 4 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ............................................................................... 5 DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................... 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................... 7 MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 9 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM CHÌM (INTERIOR PERMANENT MAGNET MOTOR) .......................................... 11 1.1. Tổng quan về động cơ đồng bộ .................................................................... 11 1.1.1. Khái niệm chung về động cơ đồng bộ .................................................................................. 11 1.1.2. Phân loại động cơ đồng bộ ................................................................................................... 11 1.1.3. Cấu tạo động cơ đồng bộ ...................................................................................................... 11 1.1.4. Nguyên lý hoạt động của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.......................................... 12 1.1.5. Các dạng cấu trúc rotor nam châm vĩnh cửu của động cơ đồng bộ ...................................... 12 1.1.6. Ứng dụng của động cơ đồng bộ ............................................................................................ 14 1.2. Động cơ đồng bộ nam châm chìm ............................................................... 14 1.2.1. Cấu tạo .................................................................................................................................. 14 1.2.2. Đặc điểm của động cơ đồng bộ nam châm chìm .................................................................. 17 1.2.3. Ưu điểm, khả năng ứng dụng của động cơ đồng bộ nam châm chìm .................................. 19 1.3. Xây dựng mô hình toán học cho động cơ đồng bộ nam châm chìm ......... 19 1.3.1 Mô hình trong hệ toạ độ a-b-c ............................................................................................... 19 1.3.2. Mô hình trong hệ toạ độ d-q ................................................................................................. 22 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ ÔTÔ ĐIỆN .................................................... 25 2.1. Lịch sử phát triển của ôtô điện .................................................................... 25 2.1.1. Thời kỳ đầu từ năm 1832 đến năm 1935 .............................................................................. 25 1   2.1.2. Vào những năm 1960-1990 .................................................................................................. 26 2.1.3. Sự phát triển ô tô điện từ những năm 1990 đến nay ............................................................. 27 2.2. Các loại động cơ sử dụng cho ô tô điện ....................................................... 27 2.2.1. Ưu và nhược điểm của động cơ điện so với động cơ xăng khi sử dụng cho ôtô .................. 28 2.2.2. Các yêu cầu về động cơ sử dụng cho ô tô điện..................................................................... 29 CHƯƠNG 3. THUẬT TOÁN GIẢM TỪ THÔNG .......................................... 31 3.1. Các giới hạn làm việc của động cơ .............................................................. 31 3.2. Thuật toán điều khiển vùng dưới tốc độ cơ bản ....................................... 34 3.3. Thuật toán điều khiển giảm từ thông vùng trên tốc độ cơ bản (trên dải tốc độ danh định) ................................................................................................. 37 3.4. Thuật toán điều khiển ở vùng tốc độ rất cao .............................................. 40 CHƯƠNG 4. MÔ HÌNH HOÁ VÀ TÍNH TOÁN CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN ... 43 4.1. Cấu trúc hệ truyền động động cơ đồng bộ nam châm chìm ..................... 43 4.2. Các bộ điều khiển .......................................................................................... 44 4.2.1. Bộ điều khiển tốc độ ............................................................................................................. 44 4.2.2. Bộ tính toán dòng i*sd theo thuật toán giảm từ thông ............................................................ 44 4.2.3. Bộ điều khiển dòng điện có bù chéo..................................................................................... 46 4.3. Bộ giới hạn điện áp ....................................................................................... 47 4.4. Tính toán các bộ điều khiển ......................................................................... 47 4.4.1. Mạch vòng điều khiển dòng điện isd (Bộ điều khiển Risd) .................................................... 48 4.4.2. Mạch vòng điều khiển dòng điện isq (Bộ điều khiển Risq) .................................................... 50 4.4.3. Tổng hợp mạch vòng điều khiển tốc độ ............................................................................... 51 CHƯƠNG 5. MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN VÀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG.................................................................................................. 53 5.1. Các điều kiện mô phỏng ............................................................................... 53 5.2. Tính toán các giới hạn của động cơ ............................................................. 54 5.3. Mô hình mô phỏng ........................................................................................ 56 5.3.1. Bộ nghịch lưu ....................................................................................................................... 56 5.3.2 Bộ điều khiển dòng điện có bù chéo...................................................................................... 57 5.3.3 Bộ điều khiển tốc độ .............................................................................................................. 58 2   5.3.4 Bộ giới hạn dòng điện và điện áp .......................................................................................... 59 5.4. Kết quả mô phỏng ......................................................................................... 60 5.4.1. Vùng dưới tốc độ cơ bản ...................................................................................................... 60 5.4.2. Tại tốc độ cơ bản .................................................................................................................. 61 5.4.2. Vùng trên tốc độ cơ bản........................................................................................................ 63 KẾT LUẬN ........................................................................................................... 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 68 PHỤ LỤC.............................................................................................................. 69 3   DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT   IM Induction Motor Động cơ không đồng bộ IPMSM Interior Permanent Magnet Động cơ đồng bộ Synchronous Motor nam châm chìm Surface Permanent Động cơ đồng bộ nam Magnet Synchronous SPMSM châm bề mặt Motor DC Direct Current Motor Động cơ điện một chiều DTC Direct Torque Control Điều khiển trực tiếp momen FOC Field Oriented Control Điều khiển tựa từ thông MTPA Maximum Torque Cực đại momen với Per Ampere mỗi dòng điện ĐCĐBNCĐ Động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm điện ĐCĐBNCVC Động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu CNC Computer Numerical Control 4   DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU   P Số đôi cực động cơ Rs Điện trở dây quấn Stator Lsd , Lsq Điện cảm Stator đo theo trục d và trục q J Moment quán tính của trục động cơ ωs, ωbase, ωc Tốc độ điện đồng bộ, tốc độ cơ bản, tốc độ giới hạn vùng giảm từ thông ψf, ψs Từ thông nam châm vĩnh cửu và stator is , u s Vector dòng điện, điện áp Stator isa, isb, isc Dòng điện 3 pha a-b-c isd, isq Thành phần dòng điện Stator theo trục d và trục q isα, isβ Thành phần dòng điện Stator theo trục α và trục β usα, usβ Thành phần điến áp Stator theo trục α và trục β usd, usq Thành phần điện áp Stator theo trục d và trục q ψrd, ψrq Thành phần từ thông Rotor theo trục d và trục q ψsd, ψsq Thành phần từ thông Stator theo trục d và trục q Ia , V a Dòng điện và điện áp dây quấn Stator Tsd , Tsq Hằng số thời gian Stator theo trục trục d và trục q Tinv Hằng số thời gian bộ nghịch lưu điện áp Rω Bộ điều chỉnh tốc độ Rid , Riq Bộ điều chỉnh dòng điện truc d và trục q 5   DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 – Bảng so sánh động cơ chạy bằng điện so với động cơ chạy bằng xăng ............................................................................................................................... 28 Bảng 5.1 – Thông số động cơ IPM dùng trong mô phỏng ..................................... 53 6   DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 – Các kiểu rotor sử dụng trong động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu .............................................................................................................. 13 Hình 1.2 – Động cơ đồng bộ nam châm cực ẩn ......................................... 16 1-lõi thép stator; 2-rotor; 3-nam châm vĩnh cửu ........................................ 16 Hình 1.3 – Biểu diễn điện cảm dọc trục và ngang trục của động cơ SPM và IPM ............................................................................................................. 18 Hình 1.4 – Momen động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nam châm được gắn chìm bên trong rotor ............................................................................ 18 Hình 1.5 – Mô hình hệ trục toạ độ của ĐCĐB nam châm chìm................. 20 Hình 1.6 – Biểu diễn vectơ không gian trên hệ tọa độ dq .......................... 22 Hình 1.7 – Mô hình liên tục của động cơ IPM ........................................... 24 Hình 2.1 – Đặc tính làm việc của động cơ dùng trong công nghiệp (a) và cho ô tô điện (b) .......................................................................................... 29 Hình 3.1 – Các vùng hoạt động của động cơ IPM ..................................... 33 Hình 3.2 – Đường cực đại moment trên dòng điện .................................... 36 Hình 3.3 – Quỹ đạo dòng điện trong hai thuật toán ................................... 39 Hình 4.1 – Cấu trúc tổng quan của hệ truyền động điều khiển động cơ IPM .................................................................................................................... 43 Hình 4.2 – Lưu đồ thuật toán tính toán dòng isd ......................................... 45 Hình 4.3 – Sơ đồ khối của bộ điều chỉnh dòng điện bù chéo ..................... 46 Hình 4.4 – Sơ đồ khối của bộ giới hạn điện áp .......................................... 47 Hình 4.5 – Mạch vòng điều khiển dòng isd ................................................. 48 Hình 4.6 – Mạch vòng điều khiển dòng isq ................................................. 50 Hình 5.1 – Quỹ đạo các giới hạn làm việc của động cơ IPM..................... 54 Hình 5.2 – Mô hình mô phỏng điều khiển giảm từ thông động cơ IPM ..... 56 Hình 5.3 – Bộ nghịch lưu ............................................................................ 57 Hình 5.4 – Bộ điều khiển tách kênh dòng điện id, iq có bù chéo ................. 57 7   Hình 5.5 – Bộ điều khiển tốc độ ................................................................. 58 Hình 5.6 – Bộ giới hạn điện áp ................................................................... 59 Hình 5.7 – Đáp ứng tốc độ vùng dưới tốc độ cơ bản ................................ 60 Hình 5.8 – Đáp ứng moment vùng dưới tốc độ cơ bản ............................... 60 Hình 5.9 – Đáp ứng dòng điện trong stator vùng dưới tốc độ cơ bản ....... 61 Hình 5.10 – Đáp ứng của dòng điện iq, id vùng dưới tốc độ cơ bản ........... 61 Hình 5.11 – Đáp ứng tốc độ tại tốc độ cơ bản .......................................... 62 Hình 5.12 – Đáp ứng moment tại tốc độ cơ bản......................................... 62 Hình 5.13 – Dòng điện iq, id tại tốc độ cơ bản ............................................ 63 Hình 5.14 – Đáp ứng tốc độ vùng trên tốc độ cơ bản ................................ 63 Hình 5.15 – Đáp ứng moment vùng trên tốc độ cơ bản.............................. 64 Hình 5.16 – Đáp ứng dòng điện trong stator vùng trên tốc độ cơ bản ...... 65 Hình 5.17 – Đáp ứng của dòng điện iq, id vùng trên tốc độ cơ bản ............ 65 8   MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp hóa, hiện đại hóa là nhu cầu tiêu thụ năng lượng ngày càng tăng lên. Các nguồn năng lượng hoá thạch ngày càng cạn kiệt. Ôtô điện là một đối tượng nghiên cứu cấp thiết hiện nay để giải quyết vấn đề cạn kiệt nguồn năng lượng hóa thạch và ô nhiễm môi trường. Động cơ đồng bộ nam châm chìm (IPMSM) là động cơ thích hợp nhất cho ô tô điện do có cấu trúc gọn, khả năng sinh moment lớn và dải điều chỉnh rộng. Để khắc phục nhược điểm của động cơ không đồng bộ thì người ta cân nhắc đến việc sử dụng động cơ đồng bộ kích từ dây quấn có hiệu suất và hệ số công suất cao để thay thế. Song do nó có nhược điểm là cấu tạo phức tạp, có chổi than - vành trượt nên khó khăn trong vận hành bảo dưỡng, độ tin cậy không cao, nhất là ở các khu vực dễ cháy nổ. Việc sử dụng động cơ đồng bộ nam châm chìm là một giải pháp có khả năng giải quyết được nhược điểm của cả hai loại động cơ trên. Hiện nay động cơ đồng bộ nam châm chìm đang phát triển rất mạnh và dần dần thay thế động cơ không đồng bộ trong các hệ truyền động. Tuy vậy ở Việt Nam hiện nay, nhiều tài liệu của các tác giả uy tín đã công bố cũng chỉ mới chủ yếu tập trung nghiên về điều khiển động cơ không đồng bộ, còn các vấn đề liên quan điều khiển động cơ đồng bộ đặc biệt là động cơ đồng bộ nam châm chìm hầu như chỉ được đề cập đến một cách hết sức khái quát. Việc triển khai nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển cho động cơ đồng bộ nam châm chìm là điều rất cần thiết. Trên cơ sở phân tích trên, tác giả lựa chọn đề tài “Điều khiển giảm từ thông động cơ đồng bộ nam châm chìm (IPMSM) ứng dụng cho ôtô điện”. 9   2. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn Mục tiêu nghiên cứu chính của đề tài là đi sâu vào tìm hiểu thuật toán điều khiển giảm từ thông động cơ đồng bộ nam châm chìm. 3. Đối tượng nghiên cứu Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu động cơ đồng bộ nam châm chìm. 4. Phạm vi nghiên cứu Tìm hiểu về động cơ đồng bộ nam châm chìm, tổng quan về ôtô điện, thuật toán giảm từ thông, mô hình hoá, tính toán các bộ điều khiển và mô phỏng hoạt động trên phần mềm Matlab. 5. Phương pháp nghiên cứu Tìm hiểu thuật toán điều khiển giảm từ thông cho động cơ đồng bộ nam châm chìm thông qua thực tế và tài liệu tham khảo. 10   CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM CHÌM (INTERIOR PERMANENT SYNCHRONOUS MAGNET MOTOR) 1.1. Tổng quan về động cơ đồng bộ 1.1.1. Khái niệm chung về động cơ đồng bộ Động cơ đồng bộ (ĐCĐB) là những động cơ điện xoay chiều có tốc độ xoay rotor (n) bằng tốc độ quay của từ trường (n1). Dây quấn stator được nối với lưới điện xoay chiều, dây quấn rotor được kích thích (kích từ ) bằng dòng điện một chiều. Ở chế độ xác lập động cơ điện đồng bộ có tốc độ quay của rotor luôn không thay đổi khi tải thay đổi, tuỳ thuộc vào tần số của nguồn xoay chiều (2πfs/P) và số đôi cực của động cơ. 1.1.2. Phân loại động cơ đồng bộ Phân loại theo cấu tạo + Động cơ đồng bộ nam châm bề mặt (Surface Permanent Magnet Synchronous motor-SPMSM) + Động cơ đồng bộ nam châm chìm (Interior Permanent Magnet Synchronous motor-IPMSM). Đây là đối tượng nghiên cứu chính của đề tài • Phân loại theo nguồn kích thích + Động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm điện (ĐCĐBNCĐ) + Động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu (ĐCĐBNCVC) 1.1.3. Cấu tạo động cơ đồng bộ Động cơ đồng bộ là những máy điện xoay chiều có phần cảm đặt ở rotor và phần ứng là một hệ dây quấn ba pha đặt ở stator. Với ĐCĐBNCVC thì phần cảm được kích thích bằng những phiến nam châm bố trí trên bề mặt hoặc dưới bề mặt rotor. Các thanh nam châm được làm bằng đất hiếm ví dụ như Samariu-cobalt (SmCO5, SmCO17) hoặc Neodymium-ion-boron (NdFeB) là các nam châm có suất năng lượng cao và tránh được hiệu ứng khử từ, thường được gắn trên bề mặt hoặc bên trong lõi thép rotor [8]. Để đạt được độ bền cơ khí cao, nhất là khi tốc độ làm 11   việc cao thì khe hở giữa các thanh nam châm có thể đắp bằng vật liệu dẫn từ sau đó bọc bằng vật liệu có độ bền cao, ví dụ như sợi thuỷ tinh hoặc bắt bulon vít lên các thanh nam châm. Ngoài ra còn có nam châm gốm có độ bền cao [9]. 1.1.4. Nguyên lý hoạt động của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Khi ta đặt vào các cuộn dây stator của động cơ đồng bộ điện áp xoay chiều ba pha, dòng điện chạy trong dây quấn stator sẽ sinh ra một từ trường quay với tốc độ: n= 60. fs P Trong đó fs là tần số của mạch stator, P là số đôi cực của động cơ đồng bộ. Từ trường này sẽ tương tác với từ trường của rotor tạo ra moment quay, kéo rotor sao cho từ trường do nam châm rotor sinh ra trùng với hướng của nó. Do từ trường của stator quay với tốc độ n nên từ trường của rotor cũng sẽ bị kéo quay theo với tốc độ n và làm cho rotor cũng quay với tốc độ n (rotor quay đồng bộ với từ trường stator). 1.1.5. Các dạng cấu trúc rotor nam châm vĩnh cửu của động cơ đồng bộ Động cơ đồng bộ ba pha nam châm vĩnh cửu theo cấu trúc rotor được chia ra làm nhiều loại khác nhau. Đối với những động cơ có tốc độ khá thấp và không đổi hoặc tốc độ thay đổi nhỏ, thì các thiết kế thường tập trung vào kiểu động cơ từ trường hướng trục. Với những kiểu thiết kế này moment đập mạch giảm xuống đáng kể, độ mịn của moment tương đối tốt. Những kiểu động cơ này thường tốc độ nhỏ hơn 1000 vòng/phút. Đối với những động cơ cần tốc độ thấp, moment lớn hơn, thì cấu trúc động cơ thường là rotor nằm trong sử dụng các nam châm vĩnh cửu đất hiếm nhiều cực. 12   Nếu cần đến tốc độ động cơ lớn hơn nữa, với tốc độ không đổi hoặc thay đổi ít, thì cấu trúc động cơ thường là rotor ngoài. Ứng dụng phù hợp với các phụ tải có moment quán tính tương đối cao, như quạt gió hoặc thổi hơi. Hình 1.1 - Các kiểu rotor sử dụng trong động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu a) Rotor có nam châm gắn bề mặt b) Rotor có nam châm nhúng trên mặt c) Rotor có nam châm cực lồi d) Rotor có nam châm nhúng bố trí vuông e) Rotor có nam châm nhúng bố trí hướng kính f) Hai nam châm/cực bố trí hình V g) Rotor trở kháng kết hợp với nam châm vĩnh cửu Đối với các động cơ đồng bộ có rotor nằm trong thì quá trình sản xuất khá giống với việc sản xuất động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc. Các rotor nằm trong có gắn nam châm vĩnh cửu thường được chia ra làm hai nhóm lớn: gắn bề mặt hoặc gắn chìm bên trong rotor. Cấu trúc rotor và vị trí của chúng có ảnh hưởng đáng kể tới đặc tính của động cơ. Tuy nhiên, khi động cơ chạy trực tiếp với điện áp lưới xoay chiều công nghiệp mà không qua bộ biến tần, thì cấu trúc rotor bên cạnh nam châm vĩnh cửu còn cần thêm lồng sóc để khởi động. 13   1.1.6. Ứng dụng của động cơ đồng bộ Hiện nay động cơ xoay chiều được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng công nghiệp. Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc đặc biệt phổ biến vì cấu tạo đơn giản, chi phí sản xuất thấp và ít bảo trì. Tuy nhiên hạn chế của chúng là tốc độ làm việc thấp hơn tốc độ từ trường quay và hệ số trượt thay đổi phụ thuộc vào tải, nghĩa là khi tải tăng sẽ làm tốc độ giảm xuống. Do đó động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc không phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi điều khiển chính xác tốc độ và vị trí như hệ thống servo. Ngược lại tốc độ của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có thể kiểm soát được một cách chính xác bằng cách thay đổi tần số của từ trường quay, gọi là tốc độ đồng bộ. Tuy nhiên động cơ đồng bộ lại có nhược điểm là chi phí sản xuất và bảo trì cao. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu loại bỏ được việc sử dụng các chổi than - vành trượt để kích từ nên giảm được chi phí bảo trì và tổn thất trong rotor. Do kích thước nhỏ gọn và mật độ moment xoắn cao, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu đã được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp, trong hệ thống truyền động hiệu suất cao như máy CNC (Computer Numerical Control), robot và các hệ thống sản xuất tự động trong các ngành công nghiệp. 1.2. Động cơ đồng bộ nam châm chìm 1.2.1. Cấu tạo Cấu tạo động cơ gồm 2 phần chính là stator và rotor * Stator của động cơ đồng bộ nam châm chìm gồm 2 bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy. - Lõi thép stator gồm các lá thép kĩ thuật điện hai mặt được phủ lớp sơn cách điện, được dập rãnh bên trong sau đó được ghép lại với nhau tạo thành hình trụ rỗng, bên mặt trong tạo thành các rãnh theo hướng trục để đặt dây quấn sau này (hình 1.2). Dọc chiều dài của lõi thép stator cứ cách khoảng 3 - 6 cm lại có một lỗ thông gió ngang trục rộng 10 mm (tuỳ theo động cơ). Lõi thép stator được đặt cố 14   định trong thân máy. Thân máy phải được thiết kế sao cho hình thành một hệ thống thông gió để làm mát máy tốt nhất. Nắp máy thường được chế tạo từ gang đúc, thép tấm hoặc nhôm đúc. - Dây quấn stator thường được chế tạo bằng đồng có tiết diện hình tròn hoặc chữ nhật (tuỳ thuộc vào công suất máy), bề mặt được phủ một lớp cách điện, được quấn thành từng bối và lồng vào các rãnh của lõi thép stator, được đấu nối theo các qui luật nhất định tạo thành các sơ đồ hình sao hoặc tam giác. * Rotor của động cơ đồng bộ nam châm chìm thường làm bằng thép hợp kim chất lượng cao, được rèn thành khối trụ sau đó gia công phay rãnh để đặt các thanh nam châm. Khi các thanh nam châm ẩn trong rotor thì có thể đạt được cấu trúc cơ học bền vững hơn, kiểu này thường được sử dụng trong các động cơ cao tốc. Tốc độ loại này thường cao nên để hạn chế lực li tâm rotor thường có dạng hình trống với tỷ số “chiều dài/đường kính” lớn. Máy này được gọi là máy từ trường hướng kính (rotor trụ dài), nó được sử dụng trong các máy công cụ. Tuy nhiên với cấu trúc nam châm vĩnh cửu chìm, máy không thể được coi là khe hở không khí đều. Trong trường hợp này các thanh nam châm được lắp bên trong lõi thép rotor về mặt vật lý coi là không có sự thay đổi nào của bề mặt hình học các nam châm. Mỗi nam châm được bọc bởi một mảng cực thép nên nó làm mạch từ của máy thay đổi khá mạnh, do các mảng cực thép này tạo ra các đường dẫn từ sao cho từ thông cắt ngang các cực này và cả trong không gian vuông góc với từ thông nam châm. Do đó hiệu ứng là rõ ràng và nó làm thay đổi cơ chế sản sinh moment của máy điện. 15   Hình 1.2 – Động cơ đồng bộ nam châm chìm 1-lõi thép stator; 2-rotor; 3-nam châm vĩnh cửu Với yêu cầu của truyền động servo là vận hành phải êm, cần phải hạn chế moment răng (rãnh) và moment đập mạnh do các sóng hài không gian và thời gian sinh ra. Để đạt được điều này người ta thường tạo hình cho các nam châm, uốn các nam châm lượn chéo theo trục rotor, uốn rãnh và dây quấn stator kết hợp với tính toán số răng và kích thước của nam châm. Kỹ thuật tạo ra các rotor xiên là khá đắt tiền và phức tạp. Trong điều kiện bình thường của truyền động servo, nếu moment điều hoà răng (rãnh) cỡ 2% moment định mức thì có thể chấp nhận được. Tuy nhiên có thể hạn chế được đa số các moment điều hoà răng (rãnh) trong truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cấp từ bộ biến đổi bằng cách sử dụng bộ biến đổi chất lượng cao và các bộ điều khiển có chứa các phần tử đo chính xác các thông số hoạt động như tốc độ, vị trí của động cơ. Trong các máy điện nam châm vĩnh cửu kinh điển, trên stator có các răng, ngày nay ta có thể chế tạo các stator không răng. Trong trường hợp này dây quấn stator được chế tạo từ bên ngoài sau đó được lồng vào và định vị trong stator. Máy điện như vậy sẽ không đập mạch ở tốc độ thấp và tổn thất sẽ giảm, tăng được không gian hơn cho dây quấn stator, nên có thể sử dụng dây quấn tiết diện lớn hơn và tăng dòng điện định mức của máy điện do đó tăng được công suất của máy. Nhưng khe hở không khí lớn gây bất lợi cho từ thông khe hở nên phải chế tạo rotor có đường kính lớn hơn và có bề mặt nam châm lớn hơn. 16   1.2.2. Đặc điểm của động cơ đồng bộ nam châm chìm Các động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu dạng sóng sin (PM motor) vốn đã có đặc tính điều khiển rất tốt, thường được sử dụng trong các hệ truyền động đòi hỏi độ chính xác và chất lượng cao như robot, máy công cụ CNC và các hệ truyền động servo khác. Động cơ đồng bộ nam châm chìm vẫn giữ nguyên những ưu điểm vốn có này, ngoài cấu trúc nam châm chìm đặc biệt còn làm tăng khả năng sinh moment của động cơ này khiến nó một trong những động cơ có nhiều yêu điểm nhất. Động IPM kết hợp ưu điểm của hai động cơ sau [2] § Động cơ PM thông thường có các nam châm vĩnh cửu được gắn trên bề mặt của rotor, ta gọi là Surface Permanent Magnet (SPM). Động cơ này có khe hở không khí tác dụng đều, từ trở theo các trục d và q bằng nhau. Do vậy moment của motor chỉ do nam châm vĩnh cửu tương tác với dòng điện stator sinh ra (magnet torque) § Động cơ từ trở đồng bộ (Synchronous Reluctance Motor-SynRM) có rotor được thiết kế gồm các lớp vật liệu từ tính và phi từ tính đan xen lẫn nhau tạo ra sự khác biệt giữa từ trở trục d và trục q, sinh ra moment từ trở (reluctance torque). Động cơ này không hề có nam châm vĩnh cửu, do vậy moment của động cơ hoàn toàn là moment từ trở. Bằng cách sử dụng nam châm vĩnh cửu gắn với rotor (khối quay) đã tạo ra mật độ từ thông lớn và khả năng phân phối mạnh hơn góp phần làm cho mật độ moment quay tốt hơn. Mặc khác động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nam châm được gắn chìm bên trong rotor dẫn tới sự khác biệt giữa điện cảm dọc trục và điện cảm ngang trục (hình 1.3), từ đó tạo ra khả năng sinh moment từ trở cộng thêm vào moment vốn có do nam châm sinh ra (hình 1.4). Đặc tính này khiến động cơ có khả năng sinh moment rất cao. Moment điện từ trong động cơ đồng bộ nam châm chìm sinh ra do hai thành phần: thành phần do nam châm tạo ra và thành phần tạo ra do sự chênh lệch điện cảm (hoặc từ trở) dọc trục và ngang trục. Nếu điều khiển theo phương pháp điều khiển vectơ thông thường thì đối với động cơ PMSM, thành phần moment từ 17   trở không được huy động (điểm có góc dẫn bằng không trên hình 1.4). Vì điện cảm trục d nhỏ hơn điện cảm trục q (hình 1.3) nên nếu ta đưa dòng điện trục d âm vào động cơ sẽ sinh ra moment từ trở dương làm tăng moment tổng của động cơ. Như ta thấy trên hình 1.4, đường biểu diễn theo góc dẫn (đường moment tổng) có điểm cực đại, như vậy, nếu việc điều khiển các vector dòng điện được thực hiện một cách hợp lý, ta có cực đại hoá moment động cơ, gọi là điều khiển cực đại tỉ số của moment trên dòng điện (Maximum Torque Per Ampere-MTPA) [1]. Hình 1.3 – Biểu diễn điện cảm dọc trục và ngang trục của động cơ SPM và IPM Hình 1.4 – Momen động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nam châm được gắn chìm bên trong rotor Mặt khác, động cơ này cũng có phản ứng phần ứng mạnh, dẫn tới khả năng giảm từ thông mạnh, cho phép nâng cao vùng điều chỉnh tốc độ. Đề tài này tập trung chủ yếu vào việc điều khiển giảm từ thông của động cơ này. 18   1.2.3. Ưu điểm, khả năng ứng dụng của động cơ đồng bộ nam châm chìm Động cơ đồng bộ nam châm chìm là một loại động cơ hiệu suất cao có những đặc điểm moment quay tăng cường và kích cỡ nhỏ hơn so với các động cơ điện xoay chiều thông thường. Ứng dụng điển hình là những ứng dụng có moment quay cao, như thang máy, cần trục, trục quay. Tuy nhiên, động cơ này cũng tạo ra những ưu thế cho những ứng dụng tiêu thụ năng lượng lớn, như trong quạt, bơm và máy nén công suất lớn. Trong những ứng dụng moment quay lớn, động cơ này đem lại rất nhiều lợi ích. Chẳng hạn đối với máy công cụ, nó giảm thiểu lượng nhiệt thất thoát, do đó không chỉ góp phần tiết kiệm năng lượng mà còn giúp duy trì độ chính xác của máy công cụ. Đối với thang máy, động cơ này giúp tiết kiệm không gian nhờ được lắp trong trục thang máy. Điều khiển tốc độ cũng được tăng cường, điều này rất có lợi cho những ứng dụng cần trục. Về kích thước thì so với một động cơ không đồng bộ xoay chiều, kích thước vật lí của động cơ này chỉ bằng 1/3. Ngoài ra, động cơ IPM còn có những ưu thế gần như tuyệt đối trong ứng dụng cho ngành công nghiệp ôtô điện. Nó có thể chuyển đổi 97.5% nguồn điện sẵn có trong ắc quy thành động năng cung cấp cho ôtô (so với 64.6% của các loại động cơ khác) [2]. 1.3. Xây dựng mô hình toán học cho động cơ đồng bộ nam châm chìm 1.3.1 Mô hình trong hệ toạ độ a-b-c Trong động cơ đồng bộ nam châm chìm từ thông được tạo bởi cuộn dây kích thích tách biệt với các cuộn dây stator (hoặc bởi các phiến nam châm vĩnh cửu được bố trí trong rotor). Động cơ đồng bộ nam châm chìm có một đặc điểm chính là từ thông của nó phân cực, có hướng nhất quán và cố định, tính định 19