Tổng hợp hệ thống biến tần động cơ đồng bộ sử dụng trong truyền động máy in offset

Giớ i thi ệ u công ngh ệ in offset

L ị ch s ử phát tri ể n c ủ a công ngh ệ in offset

In offset là một kỹ thuật in ấn, trong đó hình ảnh được chuyển từ mực in lên các tấm cao su trước khi in lên giấy Kỹ thuật này giúp ngăn chặn việc nước dính lên giấy, mang lại chất lượng in tốt hơn so với in thạch bản.

Các ưu điểm của kỹ thuật in này là:

• Chất lượng hình ảnh cao – nét và sạch hơn in trực tiếp từ bản in lên giấy vì miếng cao su áp đều lên bề mặt cần in

• Khả năng ứng dụng in ấn lên nhiều bề mặt, kể cả bề mặt không phẳng (như gỗ, vải, kim loại, da, giấy thô nhám)

• Việc chế tạo các bản in dễ dàng hơn.

• Các bản in có tuổi thọlâu hơn – vì không phải trực tiếp tiếp xúc với bề mặt cần in

Kỹ thuật in offset hiện nay là phương pháp in phổ biến nhất trong ngành in ấn thương mại Tuy nhiên, trong lĩnh vực in ấn cá nhân, vẫn có thể sản xuất một số lượng nhỏ sách chất lượng cao bằng cách in trực tiếp Nhiều người ưa chuộng các đường nét chìm nổi trên giấy do phương pháp in này tạo ra Đặc biệt, một số cuốn sách còn được in bằng công nghệ typo, sử dụng các bản in xếp từ con chữ chì, đây là một kỹ thuật in cổ điển.

Máy in offset và thạch bản đầu tiên xuất hiện ở Anh vào khoảng năm 1875, được thiết kế để in trên kim loại Trống offset ban đầu được làm từ giấy các tông, có nhiệm vụ truyền hình ảnh từ bản in thạch bản sang bề mặt kim loại Sau khoảng 5 năm, giấy các tông đã được thay thế bằng cao su, nâng cao hiệu quả in ấn.

Ira Washington Rubel được xem là người đầu tiên áp dụng kỹ thuật in offset vào năm 1903 khi ông phát hiện ra rằng giấy không được đưa vào máy in thạch bản đúng nhịp sẽ dính hai hình ảnh khác nhau Ông nhận thấy rằng hình ảnh in từ trống in cao su sắc nét và sạch hơn nhờ vào khả năng áp đều của miếng cao su lên giấy Từ đó, Rubel quyết định sử dụng các tấm bằng cao su để in ấn Đồng thời, hai anh em Charles và Albert Harris cũng độc lập phát hiện ra kỹ thuật này và đã chế tạo máy in offset cho Công ty In ấn Tự động Harris.

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ IN OFFSET

Các thiết kế của Harris phát triển từ máy in trống quay, với một trống bản in tiếp xúc chặt với cuộn mực và nước Trống cao su nằm ngay bên dưới trống xếp chữ, giúp ấn tờ giấy vào trống cao su để truyền hình ảnh Mặc dù cơ chế cơ bản này vẫn được sử dụng ngày nay, nhiều cải tiến đã được thực hiện như in hai mặt và nạp giấy bằng cuộn thay vì các miếng giấy.

Vào những năm 1950, kỹ thuật in offset đã trở thành phương pháp in ấn thương mại phổ biến nhất nhờ vào những cải tiến đáng kể về bản xếp chữ, mực in và giấy, giúp tối ưu hóa tốc độ in và nâng cao tuổi thọ của bản xếp chữ Hiện nay, hầu hết các loại hình in ấn, bao gồm cả in báo chí, đều áp dụng kỹ thuật này.

Gi ớ i thi ệu phương pháp in offset

1.2.1 Khái niệm về in offset

In offset là phương pháp in phổ biến nhất và cũng là phương pháp được nhắc đến nhiêu nhất

In offset là phương pháp in dựa trên nguyên lý in phăng, trong đó khuôn in có độ cao đồng nhất cho cả hình ảnh và vùng không in Phương pháp này tận dụng sự tương tác giữa dầu và nước, với khuôn in làm từ tấm kẽm mỏng khoảng 0.25mm Vùng không in có bề mặt kẽm, trong khi phần tử in được tạo thành từ nhựa diazô, loại nhựa có khả năng hút dầu và đẩy nước Trong quá trình in, khuôn in được làm ướt bằng một lớp nước mỏng, khiến nước bám vào vùng không in Sau đó, mực có gốc dầu được áp lên khuôn, chỉ bám vào phần tử in nhờ tính chất hút dầu của nhựa diazô Kết quả là hình ảnh được in chính xác lên bề mặt vật liệu cần in thông qua một trục chung.

1.2.2 Cấu tạo khuôn in và nguyên lý tạo hình

Bất kì một phương pháp in nào cũng cần dùng đến khuôn in (bản in) để tạo ra hình ảnh Trên khuôn in gồm 2 thành phần tách biệt nhau:

• Phần tử in: là phần có hình, chữ cần in Khi in phần này nhận mực, sau đó truyền lên bề mặt vật liệu tạo thành hình ảnh

• Phần tử không in: là những vùng trống, không nhận mực

Con dấu (mộc) là một ví dụ trực quan về khuôn in dạng typo, với hình ảnh và chữ được khắc nổi để truyền mực tạo thành hình ảnh khi đóng dấu Trong phương pháp in offset, khuôn in phẳng có phần tử in và không in không khác biệt về độ cao, nhưng được tách biệt nhờ tính chất lý hóa trái ngược: phần tử in ưa dầu và đẩy nước, trong khi phần tử không in ưa nước và đẩy dầu Mực in offset có gốc dầu, và khuôn in thường được làm từ tấm nhôm mỏng với bề mặt mịn và lớp hóa chất ưa dầu, tạo thành hình ảnh in Có hai phương pháp để tạo hình trên bề mặt khuôn in.

• Phương pháp quang hóa: dùng ánh sáng để “chụp” hình ảnh từ phim sang khuôn in

• Phương pháp ghi bản trực tiếp bằng máy ghi bản (Computer To Plate)

Hình 1.1 Khuôn in đang được lắp lên máy in

Bộ phận in trên máy in offset bao gồm ba ống chính: ống bản, ống cao su và ống ép in, được lắp đặt tiếp xúc nhau Khuôn in được làm từ một tấm kim loại, thường là nhôm, và được gắn lên ống bản bằng hệ thống nẹp bản Trong quá trình in, các lô chà nước và mực tiếp xúc trực tiếp với bề mặt bản; đầu tiên, bản in được làm ẩm bằng nước, sau đó chà mực Nhờ vào việc làm ẩm, mực chỉ truyền sang bề mặt các phần tử in Mực trên bề mặt bản in sau đó được truyền sang ống cao su thông qua áp lực và tiếp xúc giữa các trục Cuối cùng, tờ giấy in được dẫn vào máy và đi qua giữa ống cao su và ống ép, nơi mực được truyền lên bề mặt giấy, tạo thành hình ảnh in.

Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản của bộ phận in offset

1.2.4 Các công đoạn khi in offset

Công đoạn in offset được chia làm 5 công đoạn chính

Để thiết kế chế bản cho một tờ rơi quảng cáo cho Công ty Bán máy tính, trước tiên cần tạo ra đối tượng cần in trên máy tính Việc này bao gồm việc chuẩn bị các tư liệu như hình ảnh máy vi tính, thiết bị, địa chỉ và số điện thoại Sau đó, các tư liệu này được xử lý và sắp xếp một cách hài hòa và ấn tượng, kết hợp giữa tư duy, kinh nghiệm của người thiết kế và ý muốn của khách hàng Khi hoàn thành phần thiết kế chế bản, bước tiếp theo là thực hiện outfilm.

Sau khi hoàn tất chế bản, quy trình tiếp theo là xuất file để in ấn Đối với các tờ rơi có hình ảnh, file sẽ được xuất thành bốn tấm tương ứng với bốn lớp màu cơ bản: Cyan (C), Magenta (M), Yellow (Y) và Black (K).

Tới đây ta đề cập một chút về vấn đề màu sắc trong in Opset:

Trong in Offset, hệ màu sử dụng là CMYK, cho phép pha trộn tất cả các màu sắc từ bốn màu cơ bản này Ví dụ, màu đỏ cờ được tạo ra từ sự kết hợp giữa màu vàng (Y) và màu hồng (M), trong khi màu xanh Blue (xanh tím) là sự phối hợp của màu cyan (C) và màu hồng (M) Các màu sắc khác cũng có thể được tạo ra thông qua những sự kết hợp tương tự.

3 trong 4 màu nói trên hay kết hợp của cả 4 màu với nhiều thông số khác nhau sẽ đạt được nhiều kết quả màu sắc khác nhau

Output 4 tấm phim xong thì chuyển sang phơi bản kẽm c Phơi bản kẽm

Sau khi có 4 tấm phim, quá trình tiếp theo là phơi từng tấm lên bản kẽm bằng máy phơi kẽm Kết quả thu được là 4 bản kẽm tương ứng với 4 màu C, M, Y, K, sẵn sàng cho bước in tiếp theo.

7 HVTH: Nguyễn Quang Hạnh d In Offset

Quá trình in màu diễn ra từng bước, bắt đầu bằng việc lựa chọn một trong bốn kẽm màu để lắp lên quả lô máy in Offset Người thợ in sẽ cho loại mực tương ứng vào máy, ví dụ như mực Cyan cho kẽm màu C Khi quả lô quay, phần tử in sẽ được đập xuống giấy, và sau khi hoàn thành số lượng in, kẽm sẽ được tháo ra và vệ sinh sạch sẽ Tiếp theo, kẽm mới sẽ được lắp vào, ví dụ như kẽm màu Vàng (Y) với mực Y, và quy trình sẽ tiếp tục cho đến khi tất cả bốn màu được in chồng lên nhau, tạo ra bản in cuối cùng.

Cán láng là quá trình phủ một lớp màng mỏng lên bề mặt tờ rơi sau khi in, giúp tạo độ mịn cho giấy và làm cho hình ảnh trở nên đẹp hơn Có hai loại cán láng chính là cán mờ và cán bóng, mỗi loại mang lại hiệu ứng khác nhau cho sản phẩm in ấn.

+ Cán mờ sẽ tạo ra bề mặt mịn và mềm

+ Cán bóng sẽ cho bề mặt bóng hẳn lên

Cán láng chỉ là một trang sức sau khi in, không bắt buộc, khách hàng có thể lựa chọn hoặc không là tuỳ

Khi in ấn, thường sử dụng tờ giấy lớn phù hợp với kích thước của máy in Sau khi hoàn tất quá trình in, sản phẩm sẽ được cắt gọn bằng máy xén để có được thành phẩm cuối cùng.

Dưới đây là sơ đồ quy trình in offset:

C ấ u t ạ o máy in offset t ờ r ờ i

Hình 1.3 Quy trình in offset

1.3 Cấu tạo của máy in offset tờ rời

Máy in offset tờ rời bao gồm các bộ phận chính như bộ phận cung cấp giấy, nhiều đơn vị in, thiết bị trung chuyển để di chuyển giấy qua máy in, bộ phận ra giấy và các bộ phận hỗ trợ như bàn điều khiển máy in.

Thông thường một đơn vị in trong máy in offset tờ rời có ba trục chính cùng hệ thống làm ẩm và hệ thống chà mực lên khuôn in:

• Ống bản:là một trục ống bằng kim loại, trên khuôn in phần tử in bắt mực còn phần tử không in bắt nước.

Ống cao su là một trục ống được trang bị tấm cao su offset, được cấu tạo từ một lớp vải bọc bên ngoài với cao su tổng hợp, có chức năng truyền hình ảnh từ khuôn in lên bề mặt vật liệu in.

• Ống ép:là một trục khi quay luôn tiếp xúc với ống cao su, làm nhiệm vụ chuyển giấy và các vật liệu in khác.

Hệ thống cấp ẩm là một hệ thống bao gồm các lô làm ẩm sử dụng dung dịch làm ẩm chứa các chất phụ gia như axit, gôm arabic, cồn isopropyl và các tác nhân làm ẩm khác.

Hệ thống cấp mực là một phần quan trọng trong máy in offset, bao gồm các lô chà mực cho bản in Ngoài các đơn vị in, máy in offset một màu hoặc nhiều màu còn có các bộ phận thiết yếu khác hỗ trợ quá trình in ấn.

• Bộ phận nạp giấy:làm nhiệm vụ hút giấy và các vật liệu in khác từ bàn cung cấp giấy lên và đưa xuống đơn vị in đầu tiên.

Các bộ phận trung chuyển:(thông thường là các trục ống có nhíp kẹp giấy) có khả năng vận chuyển giấy đi qua máy in.

Bộ phận ra giấy:là bộ phận nhận giấy ra và vỗ giấy đều thành cây giấy trên bàn ra giấy

Sau đây chúng ta sẽ đi xem xét một số hệ thống có bản trong máy in offset

Hệ thống làm ẩm trong in offset tờ rời cung cấp dung dịch làm ẩm gốc nước lên bề mặt khuôn in trước khi mực được áp dụng Dung dịch này giúp cải thiện chất lượng in ấn và đảm bảo mực bám đều trên bề mặt khuôn.

9 HVTH: Nguyễn Quang Hạnh giữ cho phần tử không in trên khuôn được ẩm ướt do đó nó không bắt mực Nó được chà lên toàn bộ bản in.

Các phần tử không in trên khuôn in được tạo ra bằng cách hút một lớp mỏng gôm arabic, tạo thành chất ưa nước (hydrophilic), trong khi các phần tử in lại có tính chất đẩy nước (hydrophobic) Nước có thể được sử dụng để làm ẩm bản in, và một số máy in offset tờ rời có thể in ấn phẩm số lượng ít chỉ bằng nước Tuy nhiên, lớp đẩy mực này sẽ dần bị lột ra khi khuôn in được sử dụng lâu dài, và các hóa chất trong dung dịch làm ẩm sẽ tăng cường khả năng đẩy mực cho lớp này.

Có hai phương pháp làm ẩm thường được sử dụng trong maý in offset a Làm ẩn trực tiếp

Nước được chuyển trực tiếp từ máng nước qua các trục trung gian đến trục khuôn in, mang lại độ đồng đều cao và có nguyên lý đơn giản Kết cấu của phương án này không cần tính toán phức tạp, tương tự như cơ cấu cấp mực.

Hình 1.4 Làm ẩn trực tiếp b Làm ẩm gián tiếp

Nước được phun vào các lô trung gian thông qua vòi phun sương hoặc một trục quạt nước theo nguyên lý ly tâm, mang lại độ đồng đều tương đối cao Mặc dù cấu trúc đơn giản, nhưng việc tính toán cho phương pháp này lại khá phức tạp, do nước không tập trung mà dễ bị bắn tóe ra nhiều nơi.

Hình 1.5 Làm ẩn gián tiếp bằng trục quạt nước

Hình 1.6 Làm ẩm gián tiếp bằng vòi phun sương

Hệ thống cấp mực có nhiệm vụ mang mực từ máng mực thấm đều lên khuôn in

Mực được chuyển từ lô máng đến các lô dàn mực, tạo thành lớp mực chính hướng đến lô chà đầu tiên, trong khi lớp mực dính tiếp theo sẽ mỏng hơn Sau đó, các lô sàn phẳng sẽ được thêm vào để đảm bảo lớp mỏng và đều mực lên khuôn Hệ thống này yêu cầu thấm mực thật đều mịn với lượng vừa đủ trong quá trình in, và điều này đạt được thông qua cách bố trí số lượng trục trung gian và dao gạt mực.

Có hai phương án bố trí dao gạt mực: Theo góc dương (+) và theo góc âm (-) như sơ đồ sau

Hệ thống mực có nhiều cách bố trí khác nhau tùy thuộc vào số lượng lô trung gian và lô sang Trong phương pháp in này, do sử dụng mực loãng và có tốc độ in lớn, chúng tôi chọn phương án gồm hai lô sàng, hai lô trung gian và một lô chà bản.

Hình 1.9 Bốtrí cơ cấu cán mực 1- Lô mực ; 2- dao gạt mực; 3-Máng mực 4- Lô sàng 2; 5- lô chà bản; 6-Lô trung gian 7- Lô sàng 1; 8- Lô lấy mực

Thông thường trong máy in offset người ta có hai cách thiết kế hệ thống cấp giấy

- Dùng giác hút chân không đẩy phía trên

- Dùng giác hút chân không kéo phía dưới

13 HVTH: Nguyễn Quang Hạnh a Dùng giác hút chân không đẩy phía trên

Cấu tạo hệ thống cấp giấy dùng giác hút chân không đẩy phía trên được mô tảở hình 1.10

Hình 1.10 Hệ thống cấp giấy dùng giác hút chân không đẩy phía trên

1 – Phôi giấy cần gia công

2 – Giác hút chân không bằng cao su

3 – Tấm giấy đang được hút

7 – Khối định vị giấy (bằng sắt)

Máy cấp giấy có nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm khả năng cung cấp một lần số lượng lớn giấy, tốc độ cấp phôi nhanh chóng lên đến 5 tờ/giây và độ chính xác cao ngay cả khi cấp đến tờ cuối cùng Thiết bị này đảm bảo giấy không bị dính vào nhau nhờ hệ thống thổi gió tách rời, mang lại năng suất cao, rất phù hợp cho sản xuất hàng loạt lớn và các loại giấy có kích thước lớn, dày.

Hệ thống cấp giấy hiện tại có một số nhược điểm đáng lưu ý Việc điều chỉnh khi thay đổi kích thước giấy khá phức tạp và ít linh hoạt, dẫn đến khó khăn trong quá trình vận hành Mặc dù cấp giấy tương đối chính xác, nhưng vẫn có sai lệch do hiện tượng chùng giấy khi được đẩy từ phía sau, gây ra lệch lạc khi vào con lăn kéo Đặc biệt, việc cấp cho các tờ giấy nhỏ gặp nhiều trở ngại do giác hút có thể va chạm với con lăn, làm giảm hiệu suất của hệ thống.

Cấu tạo hệ thống cấp giấy dùng giác hút chân không kéo phía dưới được mô tảở hình 1.11

Hình 1.11 Hệ thống cấp giấy dùng giác hút chân không kéo phía dưới

1 – Chắn giấy; 2 – Chồng giấy phôi; 3 – Bàn chứa

4 – Cam 1; 5 – Cam 2; 6 – Thanh dịch chuyển lên xuống

7 – Thanh lắc kéo giấy; 8 – Giác hút chân không

9 – Con lăn kéo giấy; 10 – Băng tải kéo

Máy cấp giấy có nhiều ưu điểm nổi bật như khả năng cấp nhiều giấy cùng lúc, tốc độ cấp giấy nhanh và năng suất cao Hiệu suất cấp giấy cũng rất tốt, đảm bảo độ chính xác trong quá trình cấp Hệ thống thiết kế thông minh giúp giấy không bị dính vào nhau nhờ bộ phận chặn, rất phù hợp cho các kích thước giấy vừa và nhỏ.

Nhược điểm của việc cấp nhiều giấy là khi đạt một khối lượng nhất định, lực ma sát giữa các tờ giấy trở nên quá lớn, dẫn đến việc giác hút kéo làm cho tờ giấy tiếp theo bị rối hoặc hư hỏng Điều này cũng gây khó khăn trong việc xử lý khổ giấy lớn, do lực ma sát quá cao, ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc.

Yêu c ầ u truy ền độ ng máy in offset

1.4.1 Cơ cấu truyền động máy in offset

Cơ cấu truyền động của máy in offset hiện nay sử dụng động cơ nam châm vĩnh cửu kết hợp với hệ thống truyền động xích và bánh răng Động cơ nam châm vĩnh cửu cho phép điều chỉnh tốc độ nhanh chóng, trong khi động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, đặc biệt là động cơ IPM, có khả năng hoạt động ở tốc độ rất cao, giúp tăng sản lượng cho máy in offset.

Hình 1.12 Sơ đồ kết cấu truyền động máy in offset

Hình 1.12 bao gồm các thành phần chính như sau

1- Cơ cấu cam phối hợp chuyền động 2- Cơ cấu các lô in

3- Cơ cấu các lô cấp mực 4- Cơ câu các lô cấp nước 5- Động cơ đồng bộnam châm vĩnh cửu IPM 6- Cơ cấu chuyền động bánh răng

7- Cơ cấu chuyền động xích 8- Động cơ đồng bộnam châm vĩnh cửu IPM 9- Cơ cấu cấp giấy

Bộ phận chính truyền động trong máy in offset là bộ phận in

Bộ phận in gồm hai phần chính : Cấp mực và in

Hoạt động của bộ phận này được mô tảnhư sau:

Hình 1.13 Sơ đồ bố trí trục bộ phận in

Công suất của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu được truyền qua bộ truyền xích đến trục thứ nhất của lô cuốn giấy, sau đó qua bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng với tỷ số truyền 1 tới trục thứ hai và thứ ba, cả ba lô đều có đường kính bằng nhau Lô thứ ba chứa tấm kẽm với hoa văn cần in, hoa văn này sẽ được in lên lô thứ hai từ đĩa in lên giấy Chuyển động tiếp tục được truyền qua bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng với tỷ số 44/20, qua bộ phận cấp mực và nước theo sơ đồ đã chỉ ra.

Bộ phận cấp mực bao gồm một lô chính và một lô phụ để đảm bảo mực được phân phối đều Các lô này được kết nối với nhau thông qua bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng.

Bộ phận cấp nước gồm hai lô, truyền động với nhau bằng bộ truyền bánh răng trụ, răng thẳng

Hệ thống truyền động trong máy in offset phải đảm bảo các yêu câu sau

- Điều chỉnh tốc độ chính xác

- Tốc độ làm việc của động cơ truyền động phải lớn, để đảm bảo nâng cao được năng suất làm việc của máy

- Ổn định được tốc độ một cách nhanh chóng khi làm việc ở các loại vật liệu khác nhau

Máy in offset truyền thống thường sử dụng hệ truyền động động cơ một chiều, nhưng gặp nhiều khó khăn trong vận hành và bảo trì, đặc biệt là ở tốc độ cao Hiện nay, động cơ nam châm vĩnh cửu, đặc biệt là động cơ IPM, đã được áp dụng vào máy in mới nhờ vào khả năng ổn định tốc độ tuyệt vời và hoạt động hiệu quả trong dải tốc độ rộng, đặc biệt là ở tốc độ cao Do đó, nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc xây dựng hệ thống biến tần điều khiển động cơ IPM cho máy in offset.

Tổ ng quan v ề động có nam châm vĩnh cử u

C ấ u t ạ o và nguyên lý ho ạt độ ng c ủa động cơ đồ ng b ộ

Giống như nhiều loại động cơ khác, động cơ điện một chiều (ĐCĐB) bao gồm hai phần chính: phần không chuyển động được gọi là Stator và phần chuyển động gọi là Rotor.

Stator của động cơ DC bao gồm hệ thống dây quấn ba pha nằm trong lõi thép Lõi thép này có vai trò dẫn từ, và nếu từ trường trong lõi là xoay chiều, nó sẽ được làm từ các lá thép kỹ thuật điện ghép lại để giảm tổn hao Ngược lại, nếu từ trường là một chiều, lõi thép sẽ được chế tạo từ thép đúc nguyên khối.

Từ trường trong lõi thép của động cơ điện một chiều (ĐCĐB) là từ trường quay, vì vậy lõi thép được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm, với hai mặt được phủ lớp sơn cách điện.

Rotor của ĐCĐB cũng gồm lừi thép và dây quấn và được chia làm hai loại: Rotor cực lồi và Rotor cực ẩn

Lõi thép Stator Dây quấn Stator

Cực từ được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện dày 1,5 mm, được lắp đặt trên lõi thép của Rotor Lõi thép Rotor được sản xuất từ thép đúc và được gia công thành hình khối lăng trụ hoặc hình trụ.

Do dây quấn tập trung nên lực ly tâm lớn, ĐCĐB Rotor cực lồi có tốc độ quay thấp: n <

Lõi thép Rotor được chế tạo từ hợp kim chất lượng cao và có hình dạng trụ, với các rãnh được xẻ để lắp đặt dây quấn kích từ Phần không có rãnh của Rotor tạo thành mặt cực từ, giúp giảm lực ly tâm nhờ vào việc quấn dây kích từ rải Điều này cho phép Rotor cực ẩn hoạt động với tốc độ quay lớn, đạt trên 500 vòng/phút.

Lõi thép Rotor Cực từ

Lõi thép Rotor Dây quấn kích từ

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀĐỘNG CƠ NAM CHÂM VĨNH CỬU

Trên Rotor của ĐCĐB, ngoài dây quấn kích từ, còn có dây quấn mở máy kiểu lồng sóc Quá trình mở máy của ĐCĐB diễn ra qua hai giai đoạn: giai đoạn đầu tương tự như mở máy của động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB), và giai đoạn hai khi tốc độ động cơ gần đạt tốc độ đồng bộ, nguồn kích từ được cung cấp để tăng tốc độ lên mức đồng bộ.

Nguyên lý hoạt động của động cơ đồng bộ bắt đầu bằng việc cấp điện áp xoay chiều ba pha vào dây quấn Stator Dòng điện xoay chiều trong dây quấn này sẽ lệch nhau 120 độ về thời gian, tạo ra từ trường quay Tốc độ của từ trường quay được tính bằng công thức n1 = 60f/p.

Dây quấn kích từđược nối với nguồn một chiều nên dòng điện trong dây quấn kích từ sẽ sinh ra từtrường cực từ

Tác dụng của hai từtrường này sẽ sinh ra momen quay và momen quay đó sẽ kéo Rotor quay với tốc độđúng bằng tốc độ của từtrường quay: n = n1.

Các đặ c tính c ủa động cơ đồ ng b ộ

2.2.1 Đặc tính cơ của động cơ đồng bộ Động cơ đồng bộ làm việc ở tốc độ không đổi là tốc độ đồng bộ nên trong phạm vi momen cho phép M ≤ Mmax, đặc tính cơ là tuyệt đối cứng β=∞ Khi momen vượt quá trị số cho phép Mmax thì tốc độđộng cơ sẽ mất đồng bộ

Hình 2.4 Đặc tính cơ của ĐCĐB

2.2.2 Đặc tính góc của động cơ đồng bộ

Trong hệ truyền động sử dụng động cơ đồng bộ, đặc tính góc M=f(θ) thể hiện mối quan hệ giữa mô-men động cơ và góc lệch giữa vector điện áp pha của lưới điện với vector sức điện động cảm ứng trong dây quấn Stator, được sinh ra từ từ trường một chiều.

Phương trình đặc tính góc có dạng như sau:

U1là điện áp pha lưới điện,

E là sức điện động pha Stator, θ là góc lệc pha giữa U1 và E,

Xd, Xqlà điện kháng dọc trục và ngang trục Đường cong biểu diễn M là tổng của 2 thành phần: ω sinθ

Hình 2.5 Đặc tính góc của ĐCĐB

HVTH: Nguyễn Quang Hạnh Đối với ĐCĐB cực ẩn, khe hở không khí được coi là gần đều nên Xd = Xq do đó: M

= M1 Thực tếthường M2 rất nhỏ nên có thể bỏ qua, khi đó đặc tính góc của ĐCĐB cực ẩn và ĐCĐB cực lồi là như nhau: M = Mmsin θ với s m X

Mm thể hiện khả năng quá tải của động cơ; khi tải tăng, góc lệch θ cũng tăng Khi 2θ > π, momen sẽ giảm Động cơ điện đặc biệt (ĐCĐB) thường hoạt động ở mức định mức với θđm từ 20° đến 25°, và hệ số quá tải về momen dao động từ 2 đến 2,5.

Động cơ đồ ng b ộ kích thích vĩnh cử u

Để động cơ quay, cần có hai từ thông: từ thông Stator do dòng điện xoay chiều ba pha tạo ra và từ thông Rotor do dòng điện một chiều sinh ra.

Dòng điện xoay chiều ba pha có thể lấy trực tiếp từ lưới điện, nhưng để cung cấp dòng điện một chiều cho dây quấn kích từ, cần có nguồn điện một chiều riêng và hệ thống vành trượt - chổi than, điều này gây bất tiện và có thể phát sinh tia lửa điện, làm mòn chổi than theo thời gian Để khắc phục, hệ thống nguồn điện một chiều và vành trượt - chổi than được thay thế bằng nam châm vĩnh cửu, được chế tạo từ vật liệu như Ferrit, AlNiCo, SmCo5, NdFeB, có thể bố trí đều trên bề mặt hoặc chìm bên trong Rotor.

Bằng cách bố trí khác nhau, động cơ có thể sở hữu những đặc tính riêng biệt Khi các phiến nam châm được đặt trên bề mặt, khe hở không khí sẽ được coi là đều, và động cơ sẽ có tính chất của ĐCĐB cực ẩn Ngược lại, nếu các phiến nam châm được lắp đặt chìm bên trong Rotor, khe hở không khí sẽ không đều, dẫn đến động cơ mang tính chất của ĐCĐB cực lồi.

Hình 2.6 ĐCĐB - NCVC với các nam châm được bố trí trên bề mặt Rotor

Rotor của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu được chế tạo từ thép đúc và có hình dạng lăng trụ Trên bề mặt hoặc bên trong rotor, nam châm vĩnh cửu được gắn, phân loại động cơ thành hai loại: nam châm bề mặt (SPM) và nam châm ẩn (IPM) Để tăng cường độ bền cho rotor, khoảng trống giữa các thanh nam châm được lấp đầy bằng vật liệu không dẫn từ và được bọc bằng vật liệu có độ bền cao Hiện nay, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu với nam châm gắn trên bề mặt rotor đang được ứng dụng rộng rãi.

Các nam châm bề mặt thường được từhoá hướng kính nhằm sinh ra từ thông khe hở đều hơn, qua đó giảm độđập mạch của momen

Khi bố trí nam châm chìm trong Rotor, cấu trúc của Rotor trở nên bền vững hơn, cho phép hoạt động với tốc độ cao hơn Dưới đây là một số phương pháp bố trí nam châm vĩnh cửu trên bề mặt hoặc chìm trong Rotor.

Dây quấn Stator Nam châm vĩnh cửu

Hình 2.7 Các cách bốtrí nam châm vĩnh cửu khác nhau

Động cơ điện một chiều không chổi than sử dụng nam châm vĩnh cửu để tạo ra từ trường cực từ, giúp loại bỏ dây quấn kích từ và giảm tổn hao đồng ở Rotor Tổn thất sắt và đồng chỉ tập trung ở Stator, mang lại lợi ích trong việc làm mát Những ưu điểm này nâng cao hiệu suất của động cơ và giảm kích thước máy móc.

ĐCĐB - NCVC chủ yếu được ứng dụng trong ngành công nghiệp chế tạo máy, bao gồm máy gia công cắt gọt kim loại, máy đóng bao gói và máy gia công chính xác Trong những ứng dụng này, ĐCĐB - KTVC luôn đi kèm với các thiết bị điều khiển chất lượng cao để đảm bảo hiệu suất và độ chính xác.

Đại lượ ng vector không gian và các h ệ tr ụ c t ọa độ

Xét trong mặt phẳng vuông góc với trục rotor (mặt cắt ngang máy điện), chọn trục tọa độnhư sau:

Trục thực (Re) trùng với trục dây quấn pha a

Trục ảo (Im) vuông góc với trục dây quấn pha a

Bất kỳ một đại lượng nào đó của mạch stator (u s ,ψ s ,i s ) (để thuận tiện sẽ ký hiệu là K), với:

Thì có thểxác định được một véctơ định nghĩa như sau:

Trong đó a là toán tử quay: 2 1 3 exp 3 2 2 a =  j π = − + j

Véctơ không gian K s có thể được xác định bằng cách chiếu lên hệ tọa độ trực giao, với đặc điểm nổi bật là véctơ này quay trong mặt phẳng với tốc độ tương đương với tốc độ của từ trường quay.

2.4.2 Hệ tọa độ gắn với stator (Hệ toạđộα-β)

Hệ trục này gọi tên là (α,β,0) được gắn với stator trong đó:

Trục α chọn trùng với trục dây quấn pha a của stator

Trục β chọn vuông góc với trục dây quấn pha a của stator (hình 2.2)

Hình 2.9 Hệ tọa độ anpha - beta

Các trục tọa độ là trực giao, do đó, sức điện động hỗ cảm giữa chúng bằng không Trong khi đó, thành phần từ thông trên một trục là thành phần ngang với trục còn lại, tạo ra sức điện động quay cho trục kia.

Trên cơ sởvéctơ không gian có thể xây dựng được một véctơ không gian như sau:

Theo (2.5) thì chỉ cần đo 2 trong số3 dòng điện stator là đầy đủ thông tin vềvéctơ i s với các thành phần như sau:

Tương tự với véctơ dòng stator, các véctơ điện áp statoru s , từ thông statorψ s đều có thểđược biểu diễn bởi các thành phần thuộc hệ(α,β).

Biểu thức biểu diễn các thành phần trên hệ(α,β):

2.4.3 Hệ tọa độ gắn với rotor (Hệ toạđộ d-q)

Hệ trục (d,q,0) được gắn với rotor và quay quanh gốc tọa độ với tốc độ góc ω s = 2πf s Trục d hướng theo véctơ từ thông của rotor, trong khi gốc tọa độ của hệ (α,β) cũng trùng với gốc tọa độ này.

Véctơi s có thểđược viết cho hai hệ tọa độ(α,β) và (d,q) như sau:

- Hệ tọa độ (d,q): i s f =i sd + ji sq

Từ hình 2.10 ta có thểthu được: os sin sin os sd s s sq s s i i c i i i i c α β β β θ θ θ θ

[ ] os sin sin os os sin f s s s s s s s s j s i i c i j i i c i ji c j i e α β α β α β θ θ θ θ θ θ θ

Hình 2.10 Véctơ dòng stator trên hệ tọa độ cốđịnh αβ và hệ tọa độ quay dq

Với kết quảthu được, ta có công thức tổng quát để chuyển véctơ không gian giữa các hệ tọa độnhư sau: s f j f s j u u e u u e θ

Do các véctơ s và ψ r cùng quay đồng bộ quanh điểm gốc tọa độ với tốc độ góc ω s, các phần tử của véctơ như i sd và i sq là các đại lượng một chiều Trong chế độ vận hành xác lập, các phần tử này có thể giữ nguyên giá trị Tuy nhiên, trong quá trình quá độ, chúng có khả năng biến thiên theo một thuật toán đã được định sẵn.

Mô hình toán học động cơ PMSM

Điệ n c ảm và sơ đồ thay th ế m ột pha động cơ đồ ng b ộ kích t ừ nam châm vĩnh cử u

Mặt cắt ngang của động cơ với rotor hai cực được biểu diễn trong Hình 3.1, với khả năng mở rộng cho các rotor có số đôi cực (pc) Dây quấn ba pha được thể hiện qua các ký hiệu aa’, bb’, cc’ Góc lệch giữa từ trường vĩnh cửu của rotor và trục dây quấn pha a là θ.

Xét trong hệ trục toạ độ abc cố định so với stato: Áp dụng định luật kieckhop 2 cho 3 pha stato ta có:

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ PMSM

- Ua, Ub, Uc: Điện áp tức thời của các pha a,b,c

- ia, ib, ic: Dòng điện tức thời trong cuộn dây pha a,b,c

- Ψa, Ψb, Ψc: Từ thông tổng móc vòng trong các cuộn dây pha

Hình 3.1 Sơ đồ mặt cắt ngang của PMSM

Từ thông móc vòng với dây quấn các pha a, b, c được biểu diễn qua các phương trình Ψa = Laa.ia + Lab.ib + Lac.ic + Ψpa, Ψb = Lab.ia + Lbb.ib + Lbc.ic + Ψpb, và Ψc = Lca.ia + Lcb.ib + Lcc.ic + Ψpc Các phương trình này mô tả mối quan hệ giữa từ thông và dòng điện trong từng pha.

- Laa là điện cảm tự cảm của dây quấn pha a

- Lablà điện cảm hỗ cảm giữa 2 dây quấn tương ứng

Từ thông Ψpa, Ψpb, Ψpc của dây quấn pha a, b, c trong từ trường NCVC phụ thuộc vào điện cảm hỗ cảm giữa dây quấn stato và rotor, biến đổi theo chu kỳ dựa trên góc lệch θ giữa trục dây quấn và trục từ roto Nếu sức từ động không gian và từ thông khe hở là hàm của sin, thì từ thông Ψpa, Ψpb, Ψpc sẽ là hàm của cos, được biểu diễn bằng các công thức: Ψpa = Ψp.cos(ωt+θ0), Ψpb = Ψp.cos(ωt+θ0 – 120), và Ψpc = Ψp.cos(ωt+θ0 + 120).

- Ψp: Từ thông kích từ NCVC

Góc pha ban đầu giữa trục từ trường vĩnh cửu và trục từ trường dây quấn pha a được ký hiệu là ωt+θ0 Điện cảm tự cảm của stator Laa là một hằng số khi rotor có hình trụ, trong đó ảnh hưởng của rãnh rotor được bỏ qua.

Laa = Lbb = Lcc = Lao + Lal (3.4)

- Lao là thành phần điện cảm do từ thông khe hởcơ bản

Lal là thành phần điện cảm tính từ thông tản của stator Điện cảm giữa các pha của dây stator chỉ được xác định khi xem xét tác động của thành phần cơ bản từ từ thông khe hở.

Lab = Lac = Lbc = Lcb = Lac = Lca = Lao.cos(120) = -0,5.Lao (3.5) (do góc lệch giữa các pha là 120 0 )

Cộng với điều kiện 3 pha cân bằng : ia + ib + ic = 0

Do đó từthông móc vòng pha được viết thành : Ψa = (Lao + Lal).ia-0,5.Lao(ib + ic) + Ψp.cosθ = (3/2.Lao + Lal).ia+ Ψp.cosθ (3.6)

Điện cảm đồng bộ Ls được xác định bằng công thức Ls = 3/2.Lao + Lal, trong đó Ls là điện cảm hiệu quả quy đổi về pha a trong điều kiện làm việc định mức cân bằng 3 pha Ls bao gồm ba thành phần chính.

- Lao do tác dụng của thành phần khe hởcơ bản của từ thông móc vòng pha a

- Lal do thành phần từ thông tản của pha a

- 0,5.Lao do tác dụng của thành phần từ thông khe hởsinh ra dòng điện pha b,c Như vậy phương trình từ thông: Ψa = Ls.ia + Ψpa (3.7)

Điện cảm đồng bộ trong điều kiện cân bằng pha có thể được xem là điện cảm chỉ phụ thuộc vào từ thông của pha a và dòng điện của pha a Trong trường hợp tải đối xứng, phương trình cân bằng điện áp cho mỗi pha sẽ giống nhau.

Xét phương trình điện áp pha a có phương trình (3.1a):

Sức điện động e sinh ra bởi từthông vĩnh cửu trên pha a như sau :

Sức điện động e vượt trước từ thông móc vòng 𝜓𝜓 𝑝𝑝𝑎𝑎 một góc 90 0 và giá trị hiệu dụng được tính bằng :

√2 (3.10) Ở một thời điểm nhất định, ta mô tả đại lượng điện áp, dòng điện ở dạng vector phức và nhận được phương trình điện áp:

Điện kháng đồng bộ của động cơ PMSM được ký hiệu là 𝑋𝑋 𝑠𝑠 =𝜔𝜔 𝑠𝑠 𝐿𝐿 𝑠𝑠 Sơ đồ mạch điện thay thế hoàn chỉnh của động cơ này khi hoạt động ở chế độ động cơ được thể hiện trong hình 3.2, trong đó chỉ ra các chiều dương của điện áp và dòng điện động cơ.

Hình 3.2 Sơ đồ mạch điện thay thế PMSM ở chếđộ động cơ

Nếu ta tách điện kháng đồng bộ ra làm hai thành phần:

Xs= ωs.Ls= ωs.L σs + ωs.Lm = X σs + Xm (3.12) Trong đó:

- Xm: điện kháng tương ứng với từ thông khe hở cơ bản sinh ra bởi dòng điện ba pha

Vector 𝐸𝐸̇𝛿𝛿 – sức điện động bên trong sinh ra từ thông

Hình 3.3 Sơ đồ thay thế dạng khác của PMSM

Từ (3.11) ta xây dựng được sơ đồ vector của động cơ ở chếđộđộng cơ PMSM

Đối với động cơ IPM, ảnh hưởng của khe hở không khí dọc trục và ngang trục là khác nhau, dẫn đến điện cảm đồng bộ dọc trục và ngang trục cũng có sự khác biệt.

Lsq = Lmq + L σs (3.13b) Phương trình cân bằng điện áp đối với động cơ IPM:

- 𝐸𝐸̇ 𝑠𝑠𝑠𝑠 =𝑗𝑗𝑋𝑋 𝑚𝑚𝑠𝑠 𝐼𝐼̇ 𝑠𝑠𝑠𝑠 : Sức điện động dây quấn phần ứng dọc trục

- 𝐸𝐸̇𝑠𝑠𝑠𝑠 =𝑗𝑗𝑋𝑋𝑚𝑚𝑠𝑠𝐼𝐼̇𝑠𝑠𝑠𝑠: Sức điện động dây quấn phần ứng ngang trục

Từ công thức (3.14) ta có sơ đồ thay thếđộng cơ IPM

Hình 3.5 Sơ đồ thay thếđộng cơ IPM làm việc ở chếđộ động cơ Đồ thịvector động cơ IPM.

Hình 3.6 Đồ thịvector động cơ IPM

Sơ đồ thay thế một pha của động cơ IPM chỉ nhằm mô tả các mối quan hệ điện từ, tham số và tham biến của động cơ, không phục vụ cho việc thiết kế thuật toán điều chỉnh Để thực hiện điều này, cần phải mô hình hóa động cơ trong không gian vector.

Mô hình động cơ IPM phụ c v ụ các khâu điề u ch ỉ nh và quan sát

3.2.1 Mô hình trạng thái liên tục của động cơ IPM trên tọa độ tựa từ thông rotor a Mô hình liên tục

Từ phương trình điện áp của 3 cuộn dây theo (3.1a) (3.1b) và (3.1c), ta tìm được vector không gian điện áp, dòng điện, từthông stator được xác định:

Thay các điện áp trong (3.1a) (3.1b) và (3.1c) vào (3.15) ta được phương trình vector điện áp stator trên hệ tọa độαβ (hệ tọa độ stato cốđịnh)

Chúng ta xây dựng một hệ tọa độ với hai trục dq, quay với vận tốc góc ω, đồng bộ với vector từ thông và rotor Khi chọn vị trí sao cho trục thực d trùng với vector từ thông rotor, hệ tọa độ này trở thành hệ tọa độ tựa từ thông rotor (T 4 R) Các đại lượng như điện áp, dòng điện và từ thông đều quay đồng bộ với từ trường rotor Khi đặt động cơ trong hệ tọa độ dq, các đại lượng dòng và áp trở thành một chiều, thuận lợi cho thiết kế và điều khiển Do đó, chúng ta sẽ mô tả chi tiết động cơ trong hệ tọa độ dq mà không cần quan tâm đến hệ tọa độ αβ.

Công thức chuyển vector không gian giữa hai hệ tọa độαβ và dq :

Thay các biểu thức (3.17) vào (3.16) ta thu được phương trình điện áp stator trên hệ tọa độ dq:

Vector từ thông 𝜓𝜓 𝑠𝑠 𝑓𝑓 có hai thành phần: Một thành phần do dòng stator tự cảm trong các cuộn dây stator và một thành phần do 𝜓𝜓 𝑝𝑝 𝑓𝑓 cảm ứng sang:

Trong đó 𝜓𝜓 𝑝𝑝 𝑓𝑓 là vector từ thông rotor chỉ có thành phần thực do trục thực d đi qua trục của 𝜓𝜓 𝑝𝑝 𝑓𝑓 nên: 𝜓𝜓 𝑝𝑝 𝑓𝑓 =𝜓𝜓𝑝𝑝

Ta có thể viết lại (3.19) như sau:

Ta có thể tách các vector 𝑢𝑢 𝑠𝑠 𝑓𝑓 , 𝑖𝑖 𝑠𝑠 𝑓𝑓 , 𝜓𝜓 𝑠𝑠 𝑓𝑓 thành các thành phần theo hai trục d và q như sau:

Thay các giá trị ở các biểu thức (3.21), (3.20) vào (3.18) ta thu được hệ phương trình điện áp:

Từ (3.22) ta vẽ được mạch điện thay thế một chiều của động cơ IPM trên hệ tọa độ dq

Hình 3.7 Sơ đồ mạch điện thay thếđộng cơ IPM trên trục d Phương trình (3.22) viết lại như sau:

Với: Tsd = Lsd/Rs và Tsq = Lsq/Rs

Hình 3.8 Sơ đồ mạch điện thay thếđộng cơ IPM trên trục q Công suất tức thời ba pha a, b, c của động cơ tại một thời điểm được tính:

Pe = usaisa + usbisb + uscisc (3.25) Liên hệ giữa các đại lượng dòng stator của hệ tọa độabc và αβ như sau:

Liên hệ giữa các đại lượng dòng stator của hai hệ tọa độαβ và dq:

Từ (3.26) và (3.28) ta có liên hệ giữa đại lượng dòng stator của hai hệ tọa độ abc và dq:

𝑖𝑖 𝑠𝑠𝑠𝑠 � (3.29) Tương tựđối với đại lượng điện áp :

𝑢𝑢 𝑠𝑠𝑠𝑠 � (3.30) Thay (3.29) và (3.30) vào (3.25) ta có:

Ta thấy trong công thức của công suất có 3 thành phần:

2R i s sd +i sq : Biểu diễn tổn hao đồng trong phần ứng

2 sd sq sd sd sq sq di di

 : Biểu diễn biến thiên theo thời gian của năng lượng tích lũy.

2ω ψ s sd sq i −ψ sq sd i : công suất điện từ

Thành phần thứ3 sinh mô men điện từ có thểđược biểu diễn như sau:

Với: ωr= ωs/pc là tốc độgóc cơ của rotor

Thay (3.20) vào (3.33) ta được phương trình mô men như sau:

Ta thấy mô men quay của động cơ IPM bao gồm 2 thành phần: Thành phần chính

Trong hệ thống truyền động động cơ IPM tối ưu mô men, cần điều khiển cả hai thành phần dòng isd và isq để đạt được mô men tối ưu, từ đó tận dụng thành phần mô men phản kháng do chênh lệch (𝐿𝐿 𝑠𝑠𝑠𝑠 − 𝐿𝐿 𝑠𝑠𝑠𝑠) gây ra Phương pháp này mang lại ưu điểm vượt trội so với các phương pháp điều khiển kinh điển, trong đó thường duy trì dòng isd = 0.

Ta có phương trình chuyển động của động cơ như sau:

Với: 𝑚𝑚 𝑤𝑤 là mô men tải của động cơ

Từ các biểu thức (3.24), (3.34), (3.35) ta xây dựng được mô hình liên tục của động cơ IPM như trên hình 2.9

Hình 3.9 Mô hình liên tục của động cơ IPM ψ p

43 HVTH: Nguyễn Quang Hạnh b Mô hình trạng thái

Từ (3.24), (3.35) ta thu được mô hình trạng thái của động cơ:

Từ (3.36) ta xây dựng được mô hình trạng thái của động cơ như hình 2.10

Mô hình trạng thái phi tuyến của động cơ IPM được thể hiện trên hệ tọa độ dp trong hình 3.10 Trong mô hình này, thành phần phi tuyến yếu 𝑖𝑖 𝑠𝑠 𝜔𝜔 𝑠𝑠 ảnh hưởng đến hệ thống thông qua ma trận 𝑁𝑁, trong khi thành phần nhiễu do từ thông cực từ ψp tác động vào hệ qua ma trận 𝑆𝑆.

Trong quá trình xử lý, từ thông vĩnh cửu ψp có thể được xem như một tham số hệ thống do nhà sản xuất cung cấp Tác động của tham số này có thể được giảm thiểu thông qua quá trình bù nhiễu.

3.2.2 Mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ PMSM a Khái quát trung về mô hình trạng thái gián đoạn

Trong các hệ thống truyền động hiện đại, vi xử lý đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển thông qua các thuật toán và mô hình được tính toán tại các thời điểm gián đoạn Để xây dựng hệ thống điều khiển hiệu quả, cần thiết phải phát triển mô hình đối tượng trong trạng thái gián đoạn và thiết lập các luật điều khiển phù hợp Tuy nhiên, vì đối tượng thực tế là liên tục, việc sử dụng các khâu ADC và DAC là cần thiết để đảm bảo sự giao tiếp giữa đối tượng và hệ điều khiển Mô hình hệ thống được thể hiện trong hình vẽ.

Hình 3.11 Cấu trúc một hệ thống điều khiển số

Xuất phát từ mô hình liên tục, ta sẽđi tìm mô hình gián đoạn cho động cơ Có thể chia thành 2 loại mô hình liên tục sau:

- Hệ tuyến tính có hệ số là hàm của các tham số:

Với 𝐴𝐴 là ma trận hệ thống, 𝐵𝐵 là ma trận đầu vào và 𝐶𝐶 mà trận đầu ra

- Hệ tuyến tính với hệ số hằng: Đây là trường hợp đơn giản nhất với hệphương trình như:

Dựa trên giả thiết rằng đại lượng đầu vào 𝑢𝑢(𝑑𝑑) được cung cấp qua một khâu trích mẫu – giữ chậm, tức là 𝑢𝑢(𝑑𝑑) giữ hằng trong một chu kỳ trích mẫu, phương trình trạng thái gián đoạn của hệ được biểu diễn như sau: (2.38).

Ma trận hệ thống được định nghĩa bởi:

Ma trận 𝐶𝐶 của mô hình gián đoạn tương đương với ma trận ra của mô hình liên tục Hệ thống ma trận đóng vai trò quan trọng trong quá trình gián đoạn hóa, ảnh hưởng đến đặc tính động học và sự ổn định của hệ thống.

Khi vector đầu vào 𝑢𝑢 là hằng trong khoảng một chu kỳ trích mẫu T, ta có thể thực hiện tích phân hệ (3.42) trong giới hạn của chu kỳ T, tương tự như cách làm với hệ tuyến tính thông thường.

Từđó ta thu được mô hình trạng thái gián đoạn như (3.39) với ma trận hệ thống và ma trận đầu vào tương ứng như sau:

Kết quả (3.39) và (3.44) được áp dụng trong mô hình gián đoạn của động cơ IPM Để thực hiện gián đoạn hóa mô hình, ta tạm thời xem ψp là tham số của hệ thống Dựa trên (3.36), ta có thể viết lại mô hình này.

Trong hệ thống truyền động điện, quá trình quá độ của các đại lượng điện diễn ra nhanh hơn so với các đại lượng cơ Do đó, chúng ta có thể xem các đại lượng đầu vào như 𝑢𝑢 𝑠𝑠𝑠𝑠, 𝑢𝑢 𝑠𝑠𝑠𝑠 và 𝜔𝜔 𝑠𝑠 là hằng số trong khoảng thời gian một chu kỳ trích mẫu T.

Do đó có thể coi (3.45) là một hệ phi tuyến yếu như (3.42)

Từ đó, ta có thể thu được mô hình gián đoạn tương đương của đông cơ IPM trên không gian trạng thái:

𝑖𝑖 𝑠𝑠 (𝑘𝑘+ 1) =𝜙𝜙𝑖𝑖 𝑠𝑠 (𝑘𝑘) +𝐻𝐻 ∗ 𝑣𝑣(𝑘𝑘) (3.47) Trong đó các ma trận được xác định:

Mô hình trạng thái (3.47) đồng thời là mô hình dòng gián đoạn của động cơ IPM

Hình 3.12 Mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ IPM

Ta có thể tách ma trận 𝐻𝐻 ∗ như sau:

Cuối cùng ta có phương trình của mô hình trạng thái gián đoạn (mô hình dòng stator) của động cơ IPM như sau:

Với phương trình đặc tính: 𝑑𝑑𝑒𝑒𝑑𝑑 �𝑧𝑧𝐼𝐼 − 𝜙𝜙�; 𝐼𝐼 là ma trận đơn vị

Phương trình (3.51) và (3.52) được trình bày trong miền ảnh z, là công cụ quan trọng để mô tả các đối tượng tại các thời điểm gián đoạn đều, nhằm phục vụ cho việc phân tích và tổng hợp các hệ thống gián đoạn.

Xây dự ng h ệ th ống điề u khi ển động cơ PMSM…

Đặc tính các vùng điề u ch ỉ nh

Hình 4.1 Các vùng điều chỉnh tốc độđộng cở IPM

Động cơ IPM, với cấu tạo rotor sử dụng nam châm vĩnh cửu, có khả năng hoạt động hiệu quả ở ba vùng tốc độ khác nhau Trong đó, vùng tốc độ cơ bản (vùng I) là một trong những vùng quan trọng nhất trong quá trình vận hành của động cơ này.

Trong vùng tốc độ cơ bản (vùng II), các giá trị điện áp U, dòng điện I và công suất P được giữ cố định trong khi điều chỉnh U từ 0 đến Umax, dẫn đến việc công suất động cơ tăng từ 0 lên Pmax Đồng thời, cần chú ý đến giới hạn của dòng điện và điện áp stator, giảm từ thông và mô men động cơ để phù hợp với yêu cầu điều khiển Trong vùng tốc độ siêu cao (vùng III), các điều chỉnh tương ứng cũng cần được thực hiện để đảm bảo hiệu suất tối ưu của động cơ.

Khi hoạt động ở tốc độ siêu cao, tích của công suất và tốc độ là hằng số

- Điều chỉnh giữđiện áp ở giá trị tới hạn

- Điều chỉnh giảm giá trị từ thông stator và công suất tỷ lệ nghịch với sựtăng của tốc độ quay

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ PMSM

- Điều chỉnh mô men và từ thông giảm tỷ lên nghịch với bình phương tốc độ quay.

Điề u khi ển động cơ đồ ng b ộ nam châm vĩnh c ửu PMSM dướ i vùng t ốc độ cơ

4.2.1 Đặc tính momen và góc pha của vector dòng điện stato

Góc giữa vector dòng điện phần ứng và trục q được ký hiệu là β, trong đó vector dòng điện nằm ở góc phần tư thứ ba khi isd < 0 Các thành phần dòng điện có thể được biểu diễn theo trục d và q với công thức: isd = is * cos(β) và isq = is * sin(β).

Hình 4.2 Đồ thị vector dòng is Phương trình mô men của động cơ:

2 2 m sq sd sq sd sq

Từ (4.1) và (4.2) ta có thểtính mô men như sau:

mM bao gồm hai thành phần chính: thành phần thứ nhất, me, là mô men đồng bộ được tạo ra từ từ thông của nam châm vĩnh cửu; thành phần thứ hai, mr, là thành phần còn lại.

HVTH: Nguyễn Quang Hạnh cho biết rằng mô men từ trở tỷ lệ với độ lớn của vector dòng điện i s ở một góc β nhất định, trong khi đó, mô men từ mr tỷ lệ với bình phương độ lớn của vector dòng điện.

Khi đó mô men mM là hàm của góc β Nếu 0Lsd.ismax

Từ (4.28) ta có quan hệ giữa 2 thành phần dòng ở vùng công suất không đổi:

( ) s sd sq sq sd s m d s sq s sd i u L i

Có hai trường hợp quyết định sự tồn tại của vùng tốc độ siêu cao, liên quan đến tích công suất và tốc độ không đổi, đó là vị trí của tâm elip điện áp.

A q d Đường tròn giới hạn dòng điện

Elip giới hạn điện áp ω ω = b ω ω = c

Quĩ đạo tối ưu momen trên dòng điện

Quĩ đạo tối ưu momen trên giới hạn điện áp

Nguyễn Quang Hạnh chỉ ra rằng khi đường tròn giới hạn dòng điện (ψ m < L i sd s max) và tâm của elip điện áp nằm ngoài đường tròn giới hạn dòng điện (ψ m > L i sd s max), điều này sẽ ảnh hưởng đến quỹ đạo tối ưu mô men của động cơ trong vùng tốc độ cơ bản.

Để tối ưu hóa mô men di chuyển bình thường dọc theo đường biên từ A đến C, quỹ đạo vector dòng điện cần tuân theo điều kiện ψ > m L i sd s max Động cơ IPM hoạt động hiệu quả trong vùng công suất không đổi.

Khi ψ < m L i sd s max, quỹ đạo vector dòng điện được tối ưu để mô men di chuyển dọc theo đường biên từ A đến B, cho phép động cơ hoạt động ở vùng công suất không đổi Khi tốc độ tiếp tục tăng, quỹ đạo vector dòng điện sẽ tối ưu hóa mô men di chuyển theo đường tối ưu mô men trên giới hạn điện áp Tại điểm B, động cơ hoạt động ở vùng 3, nơi tích công suất và tốc độ giữ ổn định, và đây chính là giao điểm của đường tối ưu mô men trên giới hạn điện áp với đường tròn giới hạn dòng điện.

Trong hình 4.14, quỹ đạo của vector dòng điện được xác định khi ψm nhỏ hơn Lsdismax Trong điều kiện có vùng tốc độ siêu cao, tốc độ tại điểm B được tính là tốc độ thấp nhất trong khu vực này.

Tốc độ tại điểm B được tính như sau:

( ) ( ) smax B sq sqB p sd sdB u

B q d Đường tròn giới hạn dòng điện

Elip giới hạn điện áp ω ω= b ω ω= sc

Quĩ đạo tối ưu momen trên dòng điện

Quĩ đạo tối ưu momen trên giới hạn điện áp

B sdB B sq sqB smax sdB a a L a L L i i I I

Vùng tích công suất với tốc độ siêu cao rất khó điều chỉnh, và trong bài viết này, chúng tôi sẽ không đề cập đến việc điều chỉnh tốc độ trong khu vực này.

4.3.3 Cấu trúc hệ thống điều khiển động cơ nam châm vĩnh cửu trên vùng tốc độcơ bản

Hình 4.15 Sơ đồ cấu trúc điều khiển giảm từ thông

Cấu trúc điều khiển trong hình 4.15 cho phép giảm từ thông trong vùng công suất không đổi, sử dụng dòng điện phản hồi để xác định mức độ bão hòa của bộ điều chỉnh dòng Dòng điện phản hồi được chuyển đổi thành các giá trị 2 trục (isd).

Nguyễn Quang Hạnh đã nghiên cứu hệ tọa độ tĩnh với khối chuyển vị ba pha – hai pha, sau đó chuyển đổi thành isd, isq trong hệ tọa độ rotor thông qua phép quay góc rotor (θr) Giá trị dòng điện dọc trục isdd được tính từ mô men đặt qua bộ phát hàm FG1 Sai lệch giữa giá trị thực và giá trị đặt của dòng điện dọc trục, Δisdd, được sử dụng để nhận dạng sự bão hòa của nghịch lưu Khi chưa bão hòa, giá trị Δisd rất nhỏ do hệ số khuếch đại của bộ điều chỉnh dòng cao Sai lệch dòng điện Δisd là lượng vào của mạch điều chỉnh giảm từ thông.

Giá trị dòng điện 𝑖𝑖𝑠𝑠𝑠𝑠đ ′ được xác định từ mô men thông qua bộ phát hàm FG2, và giá trị này sẽ giảm khi sai lệch Δisd tăng Sự gia tăng Δisd tương ứng với hiện tượng bão hòa của các bộ điều chỉnh dòng của nghịch lưu Ở tốc độ rotor cố định, khi 𝑖𝑖 𝑠𝑠𝑠𝑠đ ′ giảm, vector không gian dòng điện đặt isd = isdd + jisqd sẽ di chuyển từ ngoài elip giới hạn điện áp vào bên trong elip này Điều này khiến cho các vector không gian dòng điện thực và dòng điện đặt gần nhau hơn, dẫn đến việc các bộ điều chỉnh dòng điện của nghịch lưu tiếp tục hoạt động hiệu quả.

Sai lệch Δisd được sử dụng trong bộ điều chỉnh PI để tạo tín hiệu ra isdc Dòng điện ngang trục 𝑖𝑖𝑠𝑠𝑠𝑠đ ′ cần được giới hạn và điều chỉnh để đảm bảo khi 𝑖𝑖𝑠𝑠𝑠𝑠đ ′ < isql (với isql là giá trị giới hạn của isq), đầu ra của bộ hạn chế sẽ là 𝑖𝑖𝑠𝑠𝑠𝑠đ ′ = i sqđ; nếu không, đầu ra sẽ là − + 𝑖𝑖 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 Sơ đồ này tạo ra sự phụ thuộc cần thiết từ chế độ giảm từ thông đến trạng thái mô men hằng, cho đến khi các bộ điều chỉnh dòng điện nghịch lưu đạt bão hòa Các giá trị iu và isqm được điều chỉnh để phân ly đúng đắn giữa các chế độ dòng điện và giảm từ thông của truyền động, đồng thời vẫn đảm bảo chất lượng động cao trong quá trình chuyển đổi giữa các chế độ.

Khi chế độ giảm từ thông làm việc, đặc tính động học của truyền động bị giới hạn bởi đặc tính động của các bộ điều chỉnh dòng điện của nghịch lưu Đáp ứng động trong chế độ này phụ thuộc vào mạch vòng phản hồi dòng điện dọc trục (isd) và sự bão hòa của các bộ điều chỉnh dòng của nghịch lưu.

Trong chế độ giảm từ thông, giới hạn tốc độ gần đạt ngưỡng quá kích thích của IPM, tại đó sức điện động cảm ứng của stator ω1.ψm tương đương với biên độ điện áp pha lớn nhất cho phép của stato |𝑢𝑢��| 𝑠𝑠.

Sơ đồ điề u khi ển động cơ đồ ng b ộ nam châm vĩnh cử u trên toàn d ả i t ốc độ

Dựa trên các phân tích trước đó, chúng ta đã xây dựng cấu trúc điều khiển cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu trên toàn dải tốc độ Các giá trị có ký hiệu “d” đại diện cho các lượng đặt Phần I của hệ thống là bộ điều chỉnh tối ưu mô men trên dòng điện trong vùng mô men không đổi, với giá trị đầu ra 𝑚𝑚 𝑀𝑀 𝑠𝑠 từ bộ điều chỉnh tốc độ PI Thông qua hai biểu thức (4.21) và (4.22), giá trị 𝑚𝑚 𝑀𝑀 𝑠𝑠 sẽ tạo ra hai thành phần dòng điện dọc trục và ngang trục (𝑖𝑖 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝑠𝑠 ,𝑖𝑖𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝑠𝑠) thông qua các khối FG1 và FG2, giúp dòng điện chạy theo quỹ đạo tối ưu mô men cho đến khi bộ điều chỉnh dòng điện đạt đến trạng thái bão hòa.

Trong chế độ điều khiển suy yếu từ thông, bộ điều chỉnh được chia thành hai thành phần: phần II và phần III Thuật toán hoạt động dựa trên việc sử dụng điện áp đặt – đầu ra của bộ điều chỉnh dòng điện – để xác định thời điểm bắt đầu suy yếu từ thông Khi động cơ gia tốc, đầu ra của bộ điều chỉnh, đặc biệt là điều chỉnh dòng điện trục q, tăng dần và tiến tới giới hạn điện áp Nếu không có hệ thống giám sát và đo lường điện áp đặt, khả năng làm việc của bộ điều chỉnh dòng sẽ giảm do dự trữ điện áp giảm, dẫn đến mất khả năng điều khiển.

Bộ điều chỉnh ở phần II theo dõi độ dự trữ điện áp nhằm tăng giá trị dòng điện trục d về phía cực âm, ngăn chặn bão hòa bộ điều chỉnh dòng điện Mạch vòng điều chỉnh điện áp ngoài giúp điều chỉnh hiệu quả độ lớn từ thông khe hở và tự động suy yếu từ thông này Ở vùng tốc độ thấp và trung bình, điện áp đặt u sqd = u sd 2 + u sq 2 thường nhỏ hơn điện áp giới hạn của biến tần max 3 s u = U dc, dẫn đến thuật toán điều chỉnh giảm từ thông phần II không hoạt động Tuy nhiên, khi điện áp một chiều của biến tần giảm đột ngột, bộ điều chỉnh này sẽ tự động kích hoạt.

Giá trị tăng dòng điện trục d (∆isd) là đầu ra của bộ điều chỉnh điện áp ngoài, đóng vai trò là khâu tích phân thuần túy Giá trị này kiểm soát độ lớn từ thông khe hở của động cơ IPM, được sử dụng làm đầu vào điều khiển dòng điện trục d trong chế độ điều khiển giảm từ thông Giới hạn độ lớn của ∆isd được xác định theo công thức: ∆isd = isd min - isd max.

Hoạt động chính của phần III nhằm hạn chế dòng điện trục q (𝑖𝑖𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝑠𝑠) tương ứng với sự gia tăng độ lớn của dòng điện trục d (𝑖𝑖 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝑠𝑠), đảm bảo vector dòng điện (isd, isq) bám theo đoạn cung tròn từ A tới B khi tốc độ tăng Mục tiêu là tối ưu mô men trên dòng điện trong điều kiện giới hạn dòng điện và điện áp tại các điểm trên cung AB.

Giá trị isq max được xác định như sau:

( d ) ( d ) ( d ) sq max sdx sqx sd i = i + i − i (4.36)

Trong vùng mô men không đỏi, phần III không cần hoạt động do 𝑖𝑖 𝑠𝑠𝑠𝑠 𝑠𝑠 =𝑖𝑖 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝑠𝑠 và

Bằng cách giới hạn dòng điện trục q ở phần III và đồng thời tăng dòng điện trục d theo chiều âm ở phần II, vector dòng điện ban đầu sẽ nằm trên quỹ đạo tối ưu mô men trong vùng mô men không đổi Điều này diễn ra bên trong đường giới hạn điện áp với tốc độ nhỏ hơn tốc độ định mức, sau đó tiếp tục bám theo đường giới hạn dòng điện khi tốc độ động cơ tăng lên mức cơ bản.

Sơ đồ điều khiển không dựa vào các thông số của mô hình động cơ PMSM để xác định điểm bắt đầu giảm từ thông, mà thay vào đó dựa vào điện áp yêu cầu của bộ điều chỉnh dòng điện và mạch vòng điều chỉnh điện áp ngoài Điều này giúp hệ thống trở nên bền vững và ít nhạy cảm với nhiễu tải cũng như sự thay đổi các thông số của động cơ.

Hình 4.16 Sơ đồđiều khiển tối ưu mô men IPM.

T ổ ng h ợ p b ộ điề u khi ể n

4.5.1 Mối liên hệ giữa dòng điện trên trục d và dòng điện trên trục q Ở trạng thái ổn định phương trình (3.22)được viết lại như sau sd s sd s sq sq sq s sq s sd sd s p

Vì vậy momen của động cơ PMSM ở trạng thái ổn định là

Từphương trình (4.37) chúng ta có mối quan hệ giữa hai dòng điện trên trục d và trục q sq s p s d sq sd s s

= − + (4.38) Phương trình (4.38) được viết gọn lại thành

I sq = K I dq sd + B dq (4.39) Trong đó s d dq sd s sq s p dq s

Từ (4.39), có thể nhận thấy mối liên hệ tuyến tính giữa I_sd và I_sq ở trạng thái ổn định tại một tốc độ nhất định khác 0, được xem là tác động chéo trong động cơ PMSM Khi tốc độ thay đổi, mối quan hệ này vẫn được duy trì, tuy nhiên hệ số K_dq sẽ thay đổi cùng với tốc độ ω_s Ảnh hưởng chéo gia tăng đáng kể ở tốc độ cao, do đó trong vùng suy giảm từ thông, tác động chéo trở nên chiếm ưu thế và cần được xử lý để điều chỉnh chính xác dòng điện.

Trong hệ thống điều khiển PMSM, thường có hai bộ điều khiển dòng điện cho trục d và trục q trên hệ tọa độ roto Cả biên độ và góc của dòng điện stato đều có thể được điều chỉnh theo lý thuyết điều khiển vector Đối với hệ truyền động PMSM với sự thay đổi tốc độ, việc điều chỉnh tốc độ là yêu cầu thiết yếu cho bộ điều khiển tốc độ, như được minh họa trong hình 4.16 Đầu ra của bộ điều khiển tốc độ sẽ cung cấp lượng momen đặt dựa trên phương trình động học của máy điện, được mô tả bởi phương trình (4.40).

69 HVTH: Nguyễn Quang Hạnh s 1 ( e L r ) d T T B dt J ω = − − ω (4.40)

J là momen quán tính của hệ truyền động

B là hệ số ma sát nhớt

Theo nguyên lý điều khiển vector, momen và từ thông stato của động cơ PMSM có thể được điều khiển độc lập Điều này được thực hiện thông qua việc điều khiển riêng biệt hai thành phần dòng điện i sd và i sq trên trục d và trục q Tuy nhiên, việc điều khiển độc lập i sd và i sq gặp khó khăn do ảnh hưởng chéo giữa hai điện áp u sd và u sq, là đầu ra của bộ điều khiển dòng điện.

1 1 sd p sd sd i sq p sq sq i u k i i k s u k i i k s

Tronh đó k k p , i tương ứng là hệ số tỷ lệ và hệ số tích phân của bộđiều khiển PI

Hiệu suất động học của đáp ứng dòng điện và momen bị ảnh hưởng mạnh bởi sự tác động chéo trong vùng suy giảm từ thông khi hoạt động ở tốc độ cao.

Bằng việc áp dụng bù feedforward, ảnh hưởng chéo có thể được loại bỏ ở trạng thái ổn định, như minh họa trong hình 4.17 Do đó, điện áp lệnh được xác định bởi điện áp đầu ra của bộ điều khiển dòng điện u sd, u sq và điện áp đầu ra của khâu bù feedforward U q 0.

Ngoài ra, vòng điều khiển dòng điện trên trục d và trục q có thểđược tuyến tính hóa bằng phương pháp tách.

4.5.2 Tổng hợp bộđiều khiển mạch vòng dòng điện

Từsơ đồ hệ thống điều khiển hình 4.16 ta đưa ra được sơ đồ mạch vòng dòng điện bù feedforward như hình 4.17

Hình 4.17 Cấu trúc mạch vòng dòng điện bù feedforward

Hệ thống bù dòng điện điều chỉnh điện áp đầu ra sau bộ điều khiển để loại bỏ thành phần tác động chéo, giúp các thành phần i_sd và i_sq chỉ phản ánh đáp ứng của mạch điện R và L.

Bộ điều chỉnh dòng điện có bù chéo là thành phần quan trọng trong hệ điều khiển vector, đặc biệt là trong hệ điều khiển vector đồng bộ nam châm vĩnh cửu Các thành phần dòng điện trục d và q không thể điều chỉnh độc lập do sự ảnh hưởng chéo lẫn nhau từ ud và uq Ảnh hưởng chéo này trở nên đặc biệt quan trọng trong động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm, nơi có điện cảm tương đối lớn không thể bị bỏ qua.

Hiệu ứng này tăng khi dòng điện tăng Do vậy, đáp ứng dòng điện cũng như đáp ứng

Nguyễn Quang Hạnh đã nghiên cứu về những ảnh hưởng của hiệu ứng ở vùng tốc độ cao, dẫn đến việc giảm từ thông Hiệu ứng ảnh hưởng chéo này có thể được khắc phục thông qua việc bù trực tiếp, như minh họa trong hình dưới Điện áp đặt được lấy từ bộ điều chỉnh PI kết hợp với thành phần bù trực tiếp.

Hay nói cách khác, đây chỉnh là mạng tính áp của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Các thành phần dòng điện trục d và q có thể được tuyến tính hóa bằng cách giả định rằng chúng không bị ảnh hưởng chéo lẫn nhau Từ đó, có thể tổng hợp các bộ điều chỉnh một cách hiệu quả.

Hinh 4.18 Sơ đồ khối mạch vòng dòng điện i sq sau khi bù

Khi sử dụng bộđiều khiển tách kênh, phương trình điện áp được viết đơn giản là: sd sd s sd sd sq sq s sq sq u R i L di dt u R i L di dt

Chuyển sang miền Laplace, đồng thời đặt : d sd ; q sq s s

= Khi đó viết lại phương trình (4.43) dưới dạng hàm truyền của đối tượng dòng i sd , i sq như sau:

72 HVTH: Nguyễn Quang Hạnh is

Coi các khâu chuyển đổi có hàm truyền là 1

Khâu Inverter có hàm truyền: inv

Hằng số thời gian của inverter, ký hiệu là T inv, được xác định bằng một nửa chu kỳ sóng mang của PWM Bộ điều khiển dòng i sd nhằm mục đích điều chỉnh và ổn định dòng điện trong hệ thống.

+ + (4.47) Để tổng hợp bộ điều khiển dòng ta sử dụng tiêu chuẩn tối ưu modul với hàn chuẩn là:

Bù hằng số thời gian lớn T d bằng cách chọn 𝜏𝜏 0 =𝑇𝑇 𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 Thu được bộ điều khiển có kiểu

Tương tự bộđiều khiển thành phần i sq có dạng:

4.5.3 Tổng hợp bộđiều khiển mạch vòng tốc độ

Bộđiều khiển tốc độ có chức năng tạo mômen đặt cho khối tính toán giá trị dòng điện đặt

Hình 4.19 Sơ đồ khối mạch vòng điều khiển tốc độ

Mạch vòng dòng điện được tổng hợp có hàm truyền:

Do T inv 2 nhỏ, có thể thay gần đúng hàm truyền của mạch vòng dòng điện bằng hàm truyền:

Hằng số mômen K t được coi là một yếu tố quan trọng trong việc lựa chọn thuật toán trong cấu trúc hình 3.1 Nếu xem khâu "lựa chọn thuật toán" như một khâu tỉ lệ, thì hằng số mômen này sẽ cân bằng với hệ số của khâu tỉ lệ đó Do đó, hàm truyền của đối tượng trong trường hợp này sẽ được xác định dựa trên mối quan hệ này.

= + (4.52) p c là sốđôi cực, p c =p/2; Áp dụng chuẩn tối ưu đối xứng cho đối tượng có hàm truyền S0 với hàm chuẩn có dạng:

Chọn T 0 =2T inv thu được bộđiều khiển có đạng PI theo là:

Xây d ự ng mô hình mô ph ỏ ng trên Matlab/Simulink

Sau khi hoàn thiện cấu trúc điều khiển cho động cơ PMSM trên toàn dải tốc độ, chúng tôi tiến hành xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink nhằm kiểm chứng thuật toán Các thông số kỹ thuật của động cơ được sử dụng trong mô phỏng được trình bày trong bảng 4.1.

Bảng 4.1 Thông sốđộng cơ IPM.

Thông số động cơ IPM

1700 [v/ph] Lsd 40 [mH] Điện áp U đm 220 [V] ψp 0,272 [Wb] Lsq 86 [mH]

Số cực 2pc 4 Umc 300 [V] J 0,000258[kgm 2

Hệ thống điều khiển được thiết kế trên Simulink, như thể hiện trong hình 4.20, có cấu trúc tương tự như mô hình điều khiển ở hình 4.16 Mô hình động cơ và bộ điều khiển dòng điện bù tách kênh feedforward được trình bày lần lượt trong hình 4.21 và hình 4.22.

Hình 4.20 Mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển động cơ PMSM trên toàn dải tốc độ

Hình 4.21 Mô hình động cơ PMSM

Hình 4.22 Bộđiều khiển dòng điện bù tách kênh feedforward

Hệ thống mô phỏng biến tần động cơ PMSM đã được thực hiện theo thông số động cơ được nêu trong bảng 4.1 Kết quả mô phỏng cho thấy hai trường hợp khi động cơ hoạt động: trường hợp đầu tiên là khi động cơ chạy dưới tốc độ cơ bản.

- Tốc độđộng cơ bằng tốc độđịnh mức ω r =ω rdm = 1700 [rpm] = 178 [rad/s]

Hình 4.23 Đáp ứng tốc độ khi không tải và có tải sau 0,04(s)

Hình 4.24 Đáp ứng mômen khi không tải và có tải sau 0,04(s)

Dap ung toc do [Rad/s]

Hình 4.25 Đáp ứng dòng điện i sd và i sq

Tốc độ thực của động cơ nhanh chóng đạt giá trị đặt mong muốn, mặc dù có sự lệch khi moment thay đổi Tuy nhiên, sau 0.02 giây, tốc độ lại trở về giá trị đặt Khi động cơ chạy không tải, cả hai dòng điện i_sd và i_sq đều bằng 0 Khi moment đạt 0.5 Nm, dòng điện i_sd là -0,07 A và i_sq là 0,6 A Trong trường hợp động cơ hoạt động ở tốc độ cơ bản, các thông số này cần được theo dõi để đảm bảo hiệu suất tối ưu.

- Tốc độđộng cơ trên tốc độđịnh mức ω r 00 [rad/s]

Hình 4.26 Đáp ứng tốc độ của động cơ

Hình 4.27 Đáp ứng mômen khi động cơ làm việc ở vùng tốc độ cao

Dap ung toc do [Rad/s]

Hình 4.28 Dòng điện i sq khi động cơ làm việc ở vùng tốc độ cao

Hình 4.29 Dòng điện isd khi động cơ làm việc ở vùng tốc độ cao

Thoi gian(s) Dong dien Isq

Thoi gian(s)Dap ung dong dien Isd

- Ở vùng tốc độcao đáp ứng tốc độ vẫn bám theo được lượng đặt mong muốn bất chấp sựthay đổi về momen

Kết quả cho thấy sự phù hợp với lý thuyết đã đề ra, khi động cơ hoạt động ở tốc độ dưới cơ bản, thành phần dòng isd nhỏ hơn 0 và điện áp chưa bị giới hạn Tuy nhiên, khi động cơ chuyển sang vùng tốc độ cao với điều kiện giới hạn dòng điện và điện áp, thành phần dòng isd giảm (tăng về độ lớn do isd < 0) trong khi isq dương cũng giảm.

Tiêu đề	Tổng Hợp Hệ Thống Biến Tần Động Cơ Đồng Bộ Sử Dụng Trong Truyền Động Máy In Offset
Tác giả	Nguyễn Quang Hạnh
Người hướng dẫn	PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Điều Khiển và Tự Động Hóa
Thể loại	Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật
Năm xuất bản	2014
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	93
Dung lượng	2,36 MB