Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu đã được phát triển từ sớm nhưng gặp nhiều hạn chế do công nghệ vật liệu từ Đến năm 1984, GE và Sumitomo Metals đã giới thiệu nam châm vĩnh cửu mới kết hợp giữa đất hiếm (Nd), sắt (Fe) và Bo (B), gọi là NdFeB, trở thành nam châm vĩnh cửu mạnh nhất hiện nay Sự ra đời của loại nam châm này đã mang lại nhiều ưu điểm cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, giúp chúng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp Động cơ này hoạt động với tốc độ quay của rotor bằng tốc độ từ trường, khi cuộn dây stator nhận điện áp xoay chiều ba pha, tạo ra từ trường quay tương tác với rotor qua nguyên lý cảm ứng điện từ, sinh ra momen kéo Trong chế độ xác lập, tốc độ quay của rotor không đổi khi tải thay đổi, phụ thuộc vào tần số nguồn và số cặp cực của động cơ.
Trong đó: p p là số cặp cực f s là tần số nguồn áp
Cấu tạo của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu gồm rotor và stator
Chương 1 Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Stator của động cơ đồng bộ bao gồm lõi thép và dây cuốn, với lõi thép được chế tạo từ các lá tôn silic ép chặt và phủ sơn cách điện Dây cuốn stator có hai kiểu quấn: quấn rải tạo ra động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, trong khi quấn tập trung tạo ra động cơ một chiều không chổi than.
Rotor của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu được chế tạo từ thép đúc, có hình dạng khối lăng trụ hoặc khối hình trụ Nam châm vĩnh cửu được gắn trên bề mặt hoặc bên trong khối rotor, tạo ra sự khác biệt trong cấu tạo, từ đó cho phép phân loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
Phân loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu được chia thành hai loại chính: động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu bề mặt (SPM) và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm (IPM) Động cơ SPM có nam châm vĩnh cửu gắn trên bề mặt rotor với khe hở không khí lớn, dẫn đến điện cảm đồng bộ dọc trục và ngang trục gần như bằng nhau (Lsd ≈ Lsq) và mật độ từ thông phân bố đều, tạo ra độ đập mạch mô men nhỏ Ngược lại, động cơ IPM có nam châm vĩnh cửu gắn bên trong rotor, với vị trí gắn nam châm trên trục d khác trục q, khiến điện cảm dọc trục và ngang trục khác nhau (Lsd ≠ Lsq), dẫn đến mật độ từ thông không đều và độ đập mạch mô men lớn hơn so với động cơ SPM.
Chương 1 Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Hình 1.1 Cấu tạo của động cơ đồng bộ SPM (a) và IPM (b).
Mô tả toán học đồng cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Khi cung cấp điện áp xoay chiều ba pha cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, ba dòng điện pha xuất hiện trên cuộn dây stato, được biểu diễn dưới dạng vector i s trong không gian với tần số stator f s Các đại lượng khác cũng được thể hiện dưới dạng vector trên hệ trục tọa độ d-q, có tốc độ quay tương đương với tốc độ quay của từ trường, trong đó trục d gắn liền với trục của từ trường kích từ f.
Phương trình cơ bản của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu f s s s s f u R i d j dt
Bỏ qua điện áp rơi trên điên trở, ta có đồ thị vector của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Chương 1 Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Hình 1.2 Đồ thị vector động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Giả thiết rằng mạch từ của động cơ chưa bão hòa, các cuộn dây stato đối xứng và điện áp cấp cho cuộn dây là ba pha đối xứng, đồng thời các thông số của động cơ không thay đổi trong quá trình vận hành, mô tả toán học của động cơ trong hệ tọa độ d-q sẽ được trình bày như sau.
Phương trình các các thành phần từ thông sd sd sd f sq sq sq
Từ (1.2) và (1.3), ta thu được hệ phương trình điện áp
sd sd s sd sd s sq sq sq sq s sq sq s sd sd s f u R i L di L i dt u R i L di L i dt
Phương trình tính momen điện từ
Chương 1 Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Thay (1.5) vào (1.7), ta có được phương trình momen của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
M 2 p f sq sd sq sd sq m p i i (1.6)
Momen quay của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu được cấu thành từ hai thành phần chính: thành phần momen chính và thành phần momen phản ứng Thành phần momen phản ứng xuất hiện do sự chênh lệch điện cảm trên các trục thành phần của động cơ.
Hình 1.3 Mô hình toán học của động cơ IPM.
Đặc tính momen của động cơ
Công suất của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu được tính theo công thức
P U I (1.7) Với U s , I s là điện áp và dòng điện đặt vào stator
Từ đồ thị vector hệ trục tọa độ tựa từ thông rotor hình 1.2 Ta có
Chương 1 Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Bỏ qua điện áp rơi trên điện trở, điện áp trên các trục có phương trình sd d sd sq q sq
Từ (1.9), ta xác định được các dòng thành phần cos sin s ; s sd sq sd sq
Từ (1.7) đến (1.10) ta có công thức tính công suất động cơ
Momen động cơ được tính:
Suất điện động của động cơ được tính bằng công thức E = ωψ_s f, trong đó X_sd = ω_s L_sd và X_sq = ω_s L_sq là điện kháng dọc trục và điện kháng ngang trục của stato động cơ Góc δ, được gọi là góc tải, là góc giữa véc tơ điện nguồn cấp U_s và sức điện động E_s Đối với động cơ cực ẩn, L_sd = L_sq, và momen động cơ có một thành phần quan trọng.
Momen đồng bộ xuất hiện do tác động của từ thông kích từ f và dòng điện phần ứng i sq, như được minh họa trong hình 1.4a.
Ta thấy động cơ làm việc trong vùng góc δ (0 ÷
ta có momen động cơ cực đại, khi góc tải lớn hơn
thì động cơ mất đồng bộ và dừng làm việc
Chương 1 Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Hình 1.4 Đồ thị momen động cơ đồng bộ a) cực lồi b) cực ẩn
Momen định mức động cơ m M ứng với góc dm , khi thiết kế người ta thường chọn góc định mức dm khoảng dưới
Để tăng khả năng quá tải của động cơ, cần hiểu rằng rotor động cơ, mặc dù quay với tốc độ đồng bộ, luôn chậm pha so với stator, dẫn đến việc biến đổi điện năng thành cơ năng Ngược lại, khi động cơ hoạt động như một máy phát, vector sức điện động sẽ vượt trước vector điện áp, tạo ra điện năng từ cơ năng Đối với động cơ cực lồi, do Lsd khác Lsq, ngoài mô men đồng bộ, còn xuất hiện mô men phản ứng phần ứng, phát sinh từ sự tác động của hai thành phần dòng i sd và i sq.
Do L d L q nên momen phản ứng trợ từ nên sinh momen dương ở vùng 0
Phản ứng phần ứng trong động cơ đồng bộ cực lồi là quá trình khử từ, dẫn đến sự hình thành momen âm Đồ thị momen của động cơ này bao gồm hai thành phần: momen chính (đồng bộ) và momen phụ (phản ứng phần ứng) Tổng momen của động cơ đồng bộ cực lồi có giá trị lớn hơn so với momen của động cơ cực ẩn trong vùng 0.
, đồ thị ở momen như hình 1.4b
Chương 1 Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Thuật toán momen cực đại (MTPA) cho động cơ IPM
Để tối ưu hóa momen tổng của động cơ, cần tăng giá trị dòng điện isd, như thể hiện trong phương trình momen và đồ thị đặc tính momen động cơ Tuy nhiên, việc tăng isd sẽ dẫn đến sự giảm giá trị của isq do giới hạn dòng điện của động cơ.
Khi giá trị dòng isd tăng, góc φ cũng tăng theo, dẫn đến giảm cosφ và hiệu suất của động cơ Đồng thời, sự gia tăng của isd làm tăng từ thông thành phần trục d, cụ thể là sd L i sd sd f, dẫn đến sự gia tăng sức điện động s sd khi động cơ hoạt động ở vùng tốc độ cơ bản và tốc độ cao, gây ra tình trạng quá giới hạn điện áp của động cơ.
Mô hình động cơ cho thấy giá trị momen của động cơ phụ thuộc vào các thông số điện cảm, dòng điện trục d-q và từ thông cực Có nhiều cặp (isd, isq) thỏa mãn để tạo ra một giá trị momen nhất định Điều này đặt ra câu hỏi về cách chọn dòng điện (isd, isq) phù hợp, sao cho mỗi giá trị isd có thể tìm thấy một cặp (isd, isq) tại đó momen mM đạt cực đại Thuật toán này được gọi là tìm tỉ số momen cực đại trên dòng điện (MTPA).
Thay (1.6) vào phương trình giới hạn điện áp, ta thấy giá trị giới hạn điện áp lại thay đổi theo tốc độ, được thể hiển ở phương trình dưới đây:
2 ( ) 2 s s sd s sq sq s sq s sd sd s f
Bỏ qua sự sụt áp trên điện trở:
sq sq 2 ( sd sd f ) 2 s max 2 s
Phương trình (1.17) chỉ ra rằng điện áp biểu diễn qua isd và isq có đặc tính giới hạn, phụ thuộc vào tốc độ quay Mỗi giá trị tốc độ sẽ tương ứng với một hình dạng đặc trưng cụ thể.
Chương 1 Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu elip có tâm tại tọa độ (0,− 𝜓 𝑓
𝐿 𝑠𝑑) Đồ thị giới hạn dòng điện là đường tròn bán kính không đổi là Ismax, tâm đường tròn ở gốc tọa độ (đường nét liền)
Hình 1.5 Giới hạn làm việc của động cơ
Từ phương trình momen của động cơ (1.8) và phương trình giới hạn dòng điện (1.15), ta viết lại được biểu thức momen như sau:
M 2 p f s sd sd sq sd s sd m p I i L L i I i (1.19) Đạo hàm giá trị momen theo dòng điện, ta thu được mối quan hệ giữa isd và isq cho MTPA ở tốc độ cơ bản
2 4 2 f f sd sq sq sd sq sd i i
(1.20) Biến đổi (1.20), ta có được công thức thể hiện mối quan hệ của dòng điện isd và Is
4 16 f f s sd sq sd sq sd i I
Chương 1 Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Các phương pháp điều khiển động cơ IPM
Trong các hệ truyền động động cơ đồng bộ, hai phương pháp điều khiển chính là điều khiển momen trực tiếp (DTC) và điều khiển vector theo từ thông rotor (FOC) Phương pháp FOC nổi bật với nhiều ưu điểm và mang lại chất lượng điều khiển tốt hơn Do đó, hiện nay, phương pháp này được ưa chuộng để điều khiển động cơ IPM.
Phương pháp điều khiển dựa trên từ thông rotor sử dụng mô hình động cơ trong hệ tọa độ quay dq, với trục d trùng với vector từ thông rotor Cách tiếp cận này cho phép biểu diễn các thành phần dòng điện dưới dạng đại lượng một chiều, từ đó đơn giản hóa việc biểu diễn toán học và thiết kế hệ thống điều khiển.
Cấu trúc điều khiển FOC cho động cơ IPM ở vùng tốc độ dưới cơ bản được minh họa trong hình 1.6, trong đó mạch nghịch lưu nhận điện áp Udc đầu vào và kết nối với động cơ IPM Để đo giá trị dòng điện các pha a, b phục vụ cho phản hồi dòng điện, phần đo lường sử dụng các biến dòng Đồng thời, thiết bị đo góc được sử dụng để xác định tốc độ động cơ, hỗ trợ cho quá trình biến đổi tọa độ trong điều khiển và nghịch lưu.
Hình 1.6 Cấu trúc điều khiển FOC cho động cơ IPM vùng tốc độ cơ bản
Chương 1 Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Phần biến đổi tọa độ chuyển từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ và từ hệ tọa độ sang hệ tọa độ dq dựa trên từ thông rotor Tín hiệu dòng điện i sa và i sb được chuyển đổi từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ dq để tạo ra tín hiệu phản hồi dòng điện Đồng thời, tín hiệu điều khiển điện áp u sd và u sq từ bộ điều khiển được chuyển từ hệ tọa độ dq về hệ tọa độ abc nhằm cung cấp điện áp cho mạch nghịch lưu, từ đó cấp điện áp cho động cơ.
Phần điều khiển bao gồm hai mạch vòng: mạch vòng trong điều khiển dòng điện và mạch vòng ngoài điều khiển tốc độ Mạch điều khiển dòng điện có hai kênh: kênh điều khiển từ thông sd thông qua dòng isd và kênh điều khiển dòng phần ứng thông qua dòng isq Mạch vòng ngoài điều khiển tốc độ cung cấp tín hiệu ra cho bộ điều khiển isq, trong khi tín hiệu đặt cho bộ điều khiển isd được tính toán theo phương pháp MTPA.
Vấn đề điều khiển momen của động cơ IPM
Động cơ IPM ( hình 1.1b) có LsdLsq nên mô men có hai thành phần:
Cách điều khiển động cơ IPM được thực hiện bằng cách giữ dòng isd ở mức 0, trong khi isq đạt giá trị Is Khi đó, momen điện từ tỷ lệ tuyến tính với dòng isq.
Phương pháp điều khiển isd = 0 không tận dụng được momen phản ứng của động cơ vì động cơ IPM truyền thống có cấu trúc Lsd khác Lsq Để có momen phản ứng dương, cần điều khiển dòng isd với giá trị dương Tuy nhiên, việc tăng dòng isd sẽ làm giảm dòng isq do giới hạn dòng điện stato Is, dẫn đến giảm momen đồng bộ Do đó, cần xác định giá trị isd tối ưu để đạt được momen động cơ lớn nhất trong giới hạn dòng điện stato.
Chương 1 Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Hình 1.7 Đồ thị vector IPM khi điều khiển isd > 0
Có ba vấn đề tồn tại:
- Có sự ràng buộc giữa hai thành phần isd và isq: I s I sd 2 I sq 2 I s max , nếu tăng dòng isd thì phải giảm dòng isq
Khi điều khiển dòng isd > 0, sức điện động tổng E sẽ tăng lên, được tính bằng công thức E = ωψs f + ωs L i sd sd Khi động cơ hoạt động ở tốc độ định mức, điện áp sẽ bị giới hạn bởi giá trị điện áp định mức của động cơ Để đạt được tỷ lệ tối ưu (M/I)s max, cần phải tăng điện áp cung cấp cho động cơ.
- Khi isd > 0 làm cho giảm hệ số công suất (góc φ tăng hình 1.6), tức là giảm khả năng khai thác công suất tác dụng của động cơ
Do ba lý do chính, việc sử dụng điều khiển isd > 0 bị hạn chế, và người ta chuyển sang sử dụng điều khiển isd = 0 Điều này đã dẫn đến sự phát triển của động cơ IPM kiểu mới, với Lsq > Lsd và tỷ số sq sd.
L lớn để khắc phục những nhược điểm trên
Chương 1 Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Động cơ IPM kiểu mới
Các nhà chế tạo máy điện đưa ra nhiều loại động cơ IPM có Lsq > Lsd với tỷ số sq sd
Có hai loại IPM phổ biến, được ưa chuộng vì giá thành rẻ và độ an toàn cao, đó là IPM kiểu Multi-Layer magnets sản xuất năm 2011 và IPM cấu trúc chữ V.
Hình 1.8 Cấu trúc IPM kiểu mới a) IPM nhiều lớp b) IPM cấu trúc chữ V
Khi Lsq > Lsd và điều khiển isd < 0, momen phản ứng phần ứng ma sẽ dương, tuy nhiên từ thông sd lại khử từ, ngược chiều với từ trường kích từ f, dẫn đến suy giảm từ thông chính sd = f - sd Để đảm bảo thông số kích từ của động cơ, nam châm được thiết kế quá kích từ Hình 1.5 minh họa đồ thị véc tơ của động cơ IPM kiểu mới, với hình 1.9a thể hiện động cơ hoạt động ở tốc độ cơ bản ω scb và hình 1.9b cho thấy động cơ vận hành trên tốc độ cơ bản.
Sức điện động do kích từ nam châm sinh ra tại tốc độ định mức là:
Chương 1 Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Hình 1.9 Đồ thị véc tơ động cơ IPM có Lsq > Lsd a) Động cơ làm việc tại cb , b) Động cơ làm việc vùng tốc độ trên cơ bản cb
Khi động cơ hoạt động ở tốc độ vượt quá tốc độ cơ bản, cần tăng dòng isd (theo chiều âm) để giảm từ thông Khi tốc độ tăng, sức điện động Ef cũng gia tăng, nhưng sức điện động cảm ứng cũng tăng theo, do đó điện áp usq vẫn giữ trong giới hạn an toàn Cụ thể, khi bỏ qua điện áp rơi trên điện trở stato, điện áp được tính bằng công thức: usq = Ef - Edq = ωψs(f - Li_sd).
Động cơ IPM mới với điều khiển isd
