LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: “Nghiên cứu các phương pháp điều
chế PWM bộ biến đổi cho động cơ nam châm vĩnh cửu cực chìm dùng trong ô tô
điện” do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Ts. Tạ Cao Minh. Các số
liệu và kết quả mô phỏng là hoàn toàn xác thực, đã được kiểm tra.
Để hoàn thành đồ án này, em chỉ sử dụng những tài liệu đã được liệt kê trong
phần Phụ lục - Tài liệu tham khảo ở cuối quyển đồ án mà không sử dụng bất kỳ một
tài liệu nào khác. Nếu phát hiện ra có sự sao chép, em xin hoàn toàn chịu trách
nhiệm.
Học viên

Nguyễn Minh Tiến


MỤC LỤC
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các ký hiệu
LỜI NÓI ĐẦU
Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN
1.1. SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA Ô TÔ ĐIỆN…………........................ii
1.2. TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN.................................................................................ii
1.3. ĐỘNG CƠ TRONG Ô TÔ ĐIỆN...............................................................................6
1.3.1. Đặc tính hoạt động của động cơ trong ô tô điện.................................................6
1.3.2. Các loại động cơ dùng trong ô tô điện..............................................................7
Chương 2 - MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ IPM..........................................10
2.1. KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU....................10
2.2.
CẤU
TẠO

động
cơ...........................................................Error! Bookmark not defined.4
2.3.2. Mô tả toán học của động cơ trên hệ tọa độ d-q……………………………......15
2.3.2.1. Mô tả toán học.…………….................................................................15
2.3.2.2. Đồ thị véc tơ….……………................................................................17
Chương 3 - PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ IPM...................................19
3.1. ĐIỀU KHIỂN VECTOR TỰA TỪ THÔNG STATOR……………………...........21
3.1.1. Nguyên lý điều chỉnh……………..............................................................21
3.1.2. Xử lý tín hiệu phản hồi…………………........................................................27
3.1.3. Điều chỉnh giảm từ thông ở chế độ điện áp vuông (SW)...............................28
3.2. ĐIỀU KHIỂN VEC TƠ TỰA TỪ THÔNG ROTOR..........................................33
Chương 4 - CÁC BỘ BIẾN ĐỔI VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU BIẾN PWM CHO
ĐỘNG CƠ IPM..................................................................................................................37
4.1. BỘ BIẾN ĐỔI DÙNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN..........................................................37
4.1.1 Bộ biến đổi……….…………………………................................................38
4.1.2.Lựa chọn bộ biến đổi dùng trong ô tô điện………….......................................40
4.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ PWM…………………….........................40
4.2.1. PWM dùng sóng mang ……………………….................................................42


4.2.1.1. PWM hình sin…………………………………….....................................42
4.2.1.2. Điều chế hình sin dùng sóng mang với tín hiệu thứ tự không (ZSS)............43
4.2.2. Điều chế véc tơ không gian (SVM)....................................................................45
4.2.3. So sánh PWM dùng sóng mang với PWM véc tơ không gian...........................49
4.2.4. Quá điều biến……………………………………….........................................50
Chương 5 - MÔ PHỎNG KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .....................55
5.1. TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ CẦN THIẾT ……..................................................55
5.2. MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN
ĐỘNG.........................................................................Error! Bookmark not defined.
5.2.1. Kết quả mô phỏng ở vùng tốc độ thấp ( ở 100rad/s)……..................................58

Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2001.
8. Nguyễn Đình Thắng, Vật liệu kỹ thuật điện, Trường ĐHBK HN, 2004.
9. Võ Thu Hà, “Nghiên cứu hoàn thiện hệ truyền động điều khiển trực tiếp mômen động
cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu”, Luận văn thạc sỹ, bộ môn Tự Động Hóa trường
ĐHBK HN 2004.
10. Lê Hồng Hải, “Nâng cao chất lượng hệ truyền động biến tần - động cơ đồng bộ kích từ
nam châm vĩnh cửu”, Luận văn thạc sỹ, bộ môn Tự Động Hóa trường ĐHBK HN
2006.
11. B. K. Bose, Modern Power Electronics and AC Drives, Prentice Hall, Upper Saddle
River, NJ, 2002.
12. H. Wayne Beaty, James L. Kirtley, Electric Motor Handbook, McGraw-Hill Prof., June
1998.
13. SimPowerSystems For Use with Simulink, TransÉnergie Technologies Inc., HydroQuébec, and The MathWorks, Inc. 2002.
14. Morimoto S., Takeda Y., Hirasa T., Taniguchi K., “Expansion of operating limits for
permanent magnet motor by currentvector control considering inverter capacity”,
IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 26, Issue 5, pp. 866 - 871, Sep/Oct 1990.
15. Morimoto S., Sanada M., Takeda Y., “Wide-speed operation of interior permanent
magnet synchronous motors with high-performance current regulator”, IEEE Trans.
Ind. Appl., vol. 30, pp. 920-926, Aug. 1994.
16. Morimoto S., Ueno T., Sanada M., Yamagiwa A., Takeda Y., Hirasa T., “Effects and
compensation of magnetic saturation in permanent magnetsynchronous motor drives”,
Proc. IEEE IAS Ann. Meet., pp 59-64, 1993.


17. Morimoto S., Hatanaka K., Tong Y., Takeda Y., Hirasa T., “Servo drive system and
control characteristics of salient pole permanent magnet synchronous motor”, IEEE
trans. Ind. Appl., vol. 29, pp. 338-343, Mar/Apr 1993.
18. Thomas M. Jahns, “Flux-Weakening Regime Operation of an Interior PermanentMagnet Synchronous Motor Drive”, IEEE Trans. Ind. Appl., pp. 681-689, vol. IA-23,
No. 4, Jul./Aug. 1987.
19. Soong W.L., Miller T.J.E., “Field-weakening performance of brushless synchronous

dùng năng lượng của nước Mỹ. Trong khi các phương tiện giao thông chỉ sử dụng
27% trong nguồn năng lượng điện được tạo ra. Than đá và khí ga tự nhiên cung cấp
tới 65% năng lượng dùng để tạo ra điện năng trên thế giới.
Ngày nay, nhu khai thác nhiên liệu sinh ra năng lượng tăng cao, trong khi
nguồn nhiên liệu này được tạo ra từ tự nhiên ngày càng trở lên ít dần, nhiên liệu hóa
thạch đã trở lên đắt và khó chiết suất hơn. Do đó, vấn đề cấp thiết đặt ra là tìm
nguồn năng lượng thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch đang sử dụng trong các
phương tiện giao thông. Các xu hướng nghiên cứu và phát triển ngày nay nhằm thay
thế động cơ đốt trong bằng động cơ điện cho phương tiện giao thông, để giảm tải
nhu cầu sử dụng năng lượng hóa thạch, giảm thiểu khả năng ô nhiễm môi trường và

1


độ ồn của các phương tiện giao thông. Ngành công nghiệp ô tô cũng không nằm
ngoài xu hướng phát triển này.
Tuy nhiên, mức độ giảm ô nhiễm môi trường do sử dụng năng lượng điện để
phục vụ cho hoạt động của ô tô phụ thuộc vào nguồn năng lượng để sản xuất điện
năng. Nếu sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch để sản xuất điện rồi nạp vào ắc quy
để cung cấp cho ô tô thì mức độ gây ô nhiễm nói chung không giảm mà còn tăng.
Ngoài ra còn trở ngại khác là khả năng tích trữ điện năng của ắc quy có giới hạn
khiến cho quãng đường di chuyển của ô tô điện bị rút ngắn. Sự phát triển về công
nghệ vật liệu và hóa chất đã giúp chế tạo ra các loại pin dùng trong ô tô điện có độ
bền và thời gian sử dụng lâu đã góp phần mở rộng sự phát triển của ô tô điện. Ngoài
ra, phát minh về pin nhiên liệu (fuel cells) của William Grove vào năm 1940 được
ứng dụng vào EV đã đánh dấu bước phát triển mới trong việc chế tạo và sản xuất
EV.
1.2. TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN (EV)
Như đã trình bày ở trên, để giải quyết vấn đề ô nhiễm và nhiên liệu hóa thạch
ngày càng khan hiếm thì ý tưởng dùng động cơ điện để thay thế cho động cơ xăng

- Ô tô điện hybrid (hybrid EV):
Ô tô hybrid là dòng xe sử dụng động cơ tổ hợp, có hai hoặc nhiều hơn hai
nguồn công suất. Hầu hết các ô tô hybrid kết hợp một động cơ đốt trong với ắc quy
3


và một động cơ điện và máy phát. Động cơ hybrid là loại động cơ kết hợp giữa
động cơ chạy bằng năng lượng thông thường với động cơ điện lấy năng lượng từ
một ắc quy đặc biệt. Nhờ vậy mà động cơ này có thể tiết kiệm được nhiên liệu khi
vận hành bằng động cơ điện đồng thời tái sinh được năng lượng điện để dùng khi
cần thiết. Do đó, dạng ô tô đang chiếm ưu thế chủ đạo hiện nay.

Hình1.3.Mô hình ô tô hybrid của hãng Toyota

Ô tô Hybrid được chia làm các loại sau:
+ Hệ thống Hybrid nối tiếp
Ở hệ thống này các bánh xe chủ động được dẫn nhờ một mô tơ điện, động cơ
chính của xe chỉ làm nhiệm vụ duy nhất là là làm quay máy phát điện để cấp điện
cho động cơ và nạp điện cho ăc quy chính của xe.

Hình1.4.Mô hình hệ thống Hybrid nối tiếp

+ Hệ thống hybrid song song:

4


Hệ thống này động cơ chính làm nhiệm vụ chủ yếu là dẫn động, đồng thời
chuyền chuyển động đến máy phát để nạp điện cho ăc quy. Mô tơ điện sẽ hỗ trợ
trong trường hợp xe cần tăng tốc, nhờ vậy mà có thể tiết kiệm được nhiên liệu.

được dán các tế bào cảm nhận năng lượng trên vỏ phía trên ô tô.
1.3. ĐỘNG CƠ TRONG Ô TÔ ĐIỆN
1.3.1. Đặc tính hoạt động của động cơ trong ô tô điện
Hoạt động của ô tô điện cũng tương tự như hoạt động của ô tô sử dụng động cơ
đốt trong. Một bộ phận đánh lửa hoặc khối phím số được sử dụng để bật bảng đo
lường và các module điện tử của xe. Sự sang số diễn ra ở bộ truyền động hoặc bộ ly
hợp của xe. Khi tác động vào chân phanh, xe có thể đi từ từ giống như xe dùng
động cơ đốt trong. Khi ngưới lái tác động vào chân ga, một tín hiệu được truyền đến
module điều khiển điện tử, nó sẽ tác động một dòng điện và điện áp từ hệ thống ắc
quy tới động cơ điện, tương ứng với góc chân phanh. Động cơ truyền Momen tới
các bánh của ô tô điện. Bởi vì đường cong công suất / mômen cho động cơ điện là
rộng hơn so với động cơ đốt trong, tăng tốc của xe điện có thể rất nhanh.
Ô tô điện ngày nay không sử dụng động cơ một chiều thông thường. Vấn đề
then chốt đưa ra ở đây là hiệu quả sử dụng năng lượng là tối đa và để cho ô tô điện
chạy được khoảng cách xa hơn sau khi nạp điện. Công nghệ tái sinh năng lượng là
một biện pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề này. Hầu hết động cơ điện sử dụng
6


trong ô tô điện có một đặc tính có sẵn được gọi là hãm tái sinh, quá trình đó diễn ra
khi giảm gas trong oto điện. Theo như kết quả nghiên cứu ô tô điện ở Bắc Mỹ, năng
lượng tái sinh được lưu trữ trong ắc quy sẽ làm cho ô tô điện chạy thêm được 10% 20% đoạn đường.
Năng lượng tái sinh được cho là loại hãm tái sinh khi phanh và hãm tái sinh khi
xuống dốc. Khi một phương tiện ứng dụng quá trình hãm tái sinh, động cơ truyền
động chạy như máy phát và chuyển đổi năng lượng động lực học của xe thành năng
lượng điện, năng lượng này có thể được phân phối theo ba cách:
+ Nạp năng lượng cho ắc quy và kéo dài đoạn đường chạy.
+ Trợ giúp phanh
+ Cung cấp năng lượng điện cho hệ thống nhiệt khi có một yêu cầu nhiệt độ của
người dùng.

dụng rộng rãi trong các ứng dụng. Động cơ một chiều điều khiển đơn giản hơn và
không đắt hơn, nhưng kích thước và khối lượng lớn hơn so với động cơ xoay chiều,
cũng như động cơ xoay chiều và các bộ điều khiển có hiệu suất cao và có dải điều
chỉnh rộng. Cùng với sự hạn chế về mặt công nghệ chế tạo và phương pháp điều
khiển nên trong các loại ô tô điện trước đây thường sử dụng động cơ một chiều (DC
motor). Động cơ DC tuy điều khiển và chế tạo đơn giản nhưng kích thước và khối
lượng lớn sẽ làm tăng nhiên liệu sử dụng khi ô tô chuyển động và hiệu suất và chất
lượng hoạt động của động cơ không cao. Hơn nữa do đặc tính của động cơ một
chiều có chổi than - cổ góp nên chất lượng điện áp không cao. Khi động cơ chạy ở
tốc độ cao ma sát chổi than tăng, do đó momen hữu ích giảm. Hồ quang ở chổi than
khi chuyển mạch sinh ra nhiễu điện ảnh hưởng tới các thiết bị xung quanh. Sau đó,
để thay thế nhược điểm cơ bản của động cơ một chiều thông thường là chổi than, nó
được thay thế bằng động cơ một chiều không chổi than (BLDC). Động cơ một chiều
thông thường: thay vì dùng bộ chuyển mạch cơ khí bằng chổi than-vành góp thì
động cơ BLDC dùng bộ chuyển mạch điện tử. Về cấu trúc, động cơ BLDC bao gồm
các bộ phận: Stator, Rotor, cảm biến vị trí và bộ chuyển mạch điện tử. Trong đó,
Stator và Rotor nằm trong động cơ, bộ cảm biến vị trí thường được gắn đồng trục
bên trong vỏ động cơ còn bộ chuyển mạch điện tử có thể được đặt bên ngoài nhưng
vì hoạt động của động cơ BLDC gắn liền với bộ này nên ta có thể coi nó như một
phần của động cơ. Động cơ một chiều không chổi than so với động cơ một chiều
thông thường có những ưu điểm sau:
+ Thời gian làm việc dài hơn
+ Đặc tính cơ êm cho phép hoạt động ở tất cả các tốc độ với tải xác định
+ Hiệu suất cao, không có điện áp rơi qua chổi than
+ Công suất ra/kích thước cơ cấu cao, giảm được kích thước vì các đặc tính nhiệt
cao. Động cơ BLDC có các cuộn dây trên Stator, nó được nối với vỏ, nhiệt được
tiêu tán tốt hơn.
+ Quán tính Rotor thấp do có cac nam châm vĩnh cửu trên roto. Điều này làm tăng
sự linh hoạt trong điều khiển động cơ.


Các động cơ điện xoay chiều dùng rộng rãi trong công nghiệp thường là các
động cơ điện không đồng bộ, vì chúng có những đặc điểm như cấu tạo đơn giản,
làm việc chắc chắn, bảo quản dễ dàng và giá thành hạ. Tuy nhiên, các động cơ điện
đồng bộ do có những ưu điểm vượt trội nên ngày càng được sử dụng rộng rãi và có
thể so sánh với động cơ không đồng bộ trong lĩnh vực truyền động điện.
Động cơ đồng bộ có thể chia thành 3 loại: động cơ đồng bộ dây quấn, động cơ
đồng bộ từ trở và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Ở dải công suất trung bình
và nhỏ, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu được sử dụng rộng rãi, đặc biệt trong
các truyền động servo công suất nhỏ, máy công cụ, truyền động tay máy và robot.
Ở động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, cuôn dây stator giống như ở động cơ
đồng bộ rotor dây quấn, nhưng cuộn kích từ của rotor được thay thế bởi một nam
châm vĩnh cửu. Ưu điểm của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là triệt tiêu tổn
thất đồng ở rotor, nhưng lại mất đi sự linh hoạt của điều chỉnh từ thông so với động
cơ đồng bộ rotor dây quấn. Với những loại nam châm vĩnh cửu có suất năng lượng
cao (như NdFeB), kích thước của động cơ sẽ nhỏ hơn với mômen quán tính thấp
hơn, rất thuận lợi cho nhiều ứng dụng truyền động. Giá thành đắt hơn động cơ
không đồng bộ, nhưng bù lại, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu lại có hiệu suất
cao hơn. Tuy nhiên trong nhưng năm trở lại đây, giá thành NdFeB có xu hướng
giảm, dẫn đến động cơ nam châm vĩnh cửu càng được ứng dụng rộng rãi. Dải công
suất sử dụng là trung bình và thấp và thường nhỏ hơn 100kW.
Trong phạm vi đồ luận án này, ta sẽ chỉ phân tích chi tiết về động cơ IPM
công suất nhỏ và trung bình. Tiêu chuẩn thiết kế các động cơ servo đồng bộ dùng
cho truyền động trong ô tô phải thỏa mãn các yêu cầu sau:
•

Mật độ từ thông khe hở không khí cao

•

Tỷ số công suất / trọng lượng cao

máy điện động bộ nam châm vĩnh cửu.
2.2. CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI

2.2.1. Kết cấu động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Stator của động cơ đồng bộ bao gồm lõi thép, trong có đặt dây quấn stator và
thân động cơ, nắp động cơ. Lõi thép stator được ép bằng các lá tôn silic dày 0.5mm,
hai mặt có phủ sơn cách điện. Dọc chiều dài lõi thép stator cứ cách khoảng 3 - 6 cm
lại có một rãnh thông gió ngang trục, rộng 10mm. Thân động cơ phải được thiết kế
chế tạo sao cho trong nó hình thành hệ thống đường thông gió làm mát động cơ.
Nắp được chế tạo từ gang dục hoặc thép tấm.
Dây quấn stator của động cơ nếu như được quấn phân tán hình sin, ta có động
cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu hình sin, còn nếu quấn tập trung thì động cơ sẽ trở
thành động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu hình thang, hay còn gọi là động cơ một
chiều không chổi than. Ở đây ta chỉ nghiên cứu động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu hình sin
Rotor của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có lõi thép được chế tạo bằng
thép đúc và được gia công thành khối lăng trụ hoặc khối hình trụ. Trên mặt hoặc
bên trong được gắn nam châm vĩnh cửu. Đây chính là đặc điểm phân loại máy điện
đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
2.2.2. Phân loại
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có hai loại: nam châm bề mặt (cực tròn)
SPM và nam châm chìm IPM như Hình 2.1.
Ở động cơ SPM, nam châm vĩnh cửu được gắn trên bề mặt rotor, tác dụng khe
hở không khí lớn, đồng bộ, khiến cho động cơ có các đặc tính giống như động cơ
cực ẩn. Do đó điện cảm đồng bộ ngang trục và dọc trục nhỏ và bằng nhau Ld = Lq.
Ảnh hướng của phản ứng phần ứng cũng bị giảm do điện cảm từ hóa nhỏ. Mật độ từ
thông khe hở được phân bố đều, do vậy độ đập mạch của mômen nhỏ.
Còn động cơ IPM, nam châm được gắn bên trong rotor, có các đặc điểm như:
bền vững hơn, cho phép hoạt động ở tốc độ cao; khe hở không khí không đều, ở vị
trí trục d lớn hơn trục q, khiến cho Ld < Lq; và với ảnh hưởng khe hở không khí nhỏ,

điểm hoạt động D nếu sự khử từ được loại bỏ, nam châm sẽ phục hồi dọc theo
đường phục hồi (nét đứt), có độ dốc xấp xỉ đường khử từ (đậm) ở gần điểm H = 0.
Trong những lần hoạt động sau, điểm làm việc ổn định là giao điểm của đường tải
và đường hồi phục. Do đó, nam châm bị khử từ vĩnh viễn tại chế độ làm việc không
tải tương ứng với khoảng cách giữa A’ và A. Do đó, điểm khử từ lớn nhất có ý
nghĩa vô cùng quan trọng đối với sự hoạt động của động cơ và cần được điều chỉnh
thật chính xác. Tuy nhiên, nếu như vật liệu nam châm vĩnh cửu được lựa chọn để có
được đặc tính từ hóa thẳng, thì đường hồi phục đồng nhất với đường khử từ bất
chấp điểm khử từ lớn nhất (tức là sự khử từ vĩnh viễn sẽ được bỏ qua).

Hình 2.3 Đặc tính của một vài loại vật liệu nam châm vĩnh cửu
Hình 2.3 chỉ ra các đặc tính của một vài vật liệu nam châm vĩnh cửu. Alnico
có nhiệt độ làm việc cao, sự ổn định nhiệt tốt và mật độ từ thông lớn nhưng có
nhược điểm là từ kháng thấp, được ghép với đặc tính B-H có dạng gần vuông, sẽ
gây ra sự khử từ vĩnh cửu cao đến mức mà thực tế không thể áp dụng được cho các
động cơ nam châm vĩnh cửu. Các loại vật liệu Barium và Ferrit strontium được sử
dụng rộng rãi cho nam châm vĩnh cửu. Dùng Ferrite có lợi là giá thành thấp và
nguồn nguyên liệu nguyên chất là dồi dào. Chúng cũng dễ dàng để sản xuất, và quá
trình này diễn ra trong khối lượng thời gian lớn đủ để làm chậm sự tăng nhiệt độ
làm việc (400oC). Loại nam châm này có đường cong khử từ tuyến tính nhưng độ từ
dư (Br) lại thấp. Do đó, kích cỡ và khối lượng của máy điện trở nên lớn hơn. Nam
13


châm Cobalt – Samarium được sản xuất từ sắt, nikel, cobalt, và Samarium. Nó có
ưu điểm là từ dư cao, mật độ năng lượng cao (BHm), và các đặc tính khử từ tuyến
tính. Nhiệt độ làm việc có thể đạt đến 300oC và nhiệt độ ổn định (% sự thay đổi của
B mỗi oC) là rất tốt (-0.03%). Nhưng, vật liệu này giá thành rất đắt bởi vì Samarium
rất hiếm. Nam châm Neodium-sắt-boro (Nd-Fe-B) có mật độ năng lượng cao nhất,
từ dư lớn nhất, và độ kháng từ (Hc) rất tốt. Nhược điểm của chúng là nhiệt độ làm

⎢ u a (t) + u b (t)e 3 + u c (t)e 3
3 ⎢⎣
2π

u ss (t) =

4π

⎤
⎥
⎥⎦

(2.2)

Thay các điện áp pha trong (2.1) vào (2.2) ta có phương trình điện áp dưới dạng
vector như sau:

u ss = Riss +

dψss
dt

(2.3)

Áp dụng công thức chuyển hệ tọa độ sang d-q ta có:
u ss = u sf e jθe ;iss = isf e jθe ; ψss = ψsf e jθe

Đạo hàm (2.4c) ta được

14

Vector từ thông stator ψsf gồm hai thành phần, một do dòng stator tự cảm trong các
cuộn dây, và một là chính ψpf cảm ứng sang.
ψsf = Lsisf + ψff

( 2.8)

Ngoài ra, để mô tả động cơ đồng bộ đầy đủ, cần thêm hai phương trình
mômen và phương trình động học:
3 P
Te = ( )(ψs × is )
2 2
Te − TL =

2 dωe
J
P dt

(2.9)
(2.10)

Nhận xét:
- Do luôn luôn tồn tại một hướng xác định của từ thông rotor nên đối với
động cơ đồng bộ ta chỉ dùng phương thức mô tả toán học thu được trên cơ sở quan
sát từ hệ tọa độ d-q.
- Quan sát động cơ đồng bộ nam châm trong ta thấy khoảng cách từ khe hở
không khí tới nam châm bên trong rotor ở mỗi vị trí khác nhau là khác nhau. Điều
đó dẫn đến các trị số điện cảm stator khác nhau khi đo với các vị trí khác nhau của
rotor.
2.3.2. Mô tả toán học của động cơ trên hệ tọa độ d-q
2.3.2.1. Mô tả toán học


(2.12a,b)

Hệ phương trình (2.12) có thể được viết lại dưới dạng hệ phương trình trạng thái:
Lq 1
⎧ di d
1
= − i d + ωe
+
ud
⎪
Td
Ld Ld
⎪ dt
⎨
⎪ di q = −ω Ld − 1 i + 1 u − ω ψ f
e
q
q
e
⎪ dt
Lq Tq
Lq
Lq
⎩

Trong đó

(2.13a,b)


do sự chênh lệch điện cảm stator (Ld - Lq ≠ 0) gây ra. Trong mọi chế độ vận hành,
động cơ đồng bộ phải sản sinh một thành phần mômen phụ để bù lại thành phần
16


phản kháng. Thành phần phản kháng tồn tại một cách rõ ràng và không bỏ qua được
với động cơ cực chìm. Đối với loại cực ẩn, thành phần đó không được tính đến
trong các phương án điều khiển, điều chỉnh kinh điển. Việc bỏ qua đó giúp làm đơn
giản hóa hệ thống điều chỉnh và trên thực tế có thể chấp nhận được trong dải tốc độ
quay cơ sở (là dải tốc độ dưới tốc độ quay cơ bản) bởi dải đó luôn có id = 0. Ngược
lại, ở dải tốc độ trên tốc độ cơ bản, để thêm được điện áp điều chỉnh, ta phải giảm
biên độ từ thông rotor bằng cách bơm vào trục d một thành phần dòng id < 0, động
cơ đồng bộ lúc này vận hành ở chế độ giảm từ thông và dòng id sẽ có biên độ lớn
tăng tỷ lệ thuận với tốc độ quay rotor. Điều đó dẫn đến thành phần mômen phản
kháng có khả năng đạt được biên độ đáng kể không thể bỏ qua được.

Hình 2.4 Sơ đồ mạch thay thế động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm
trong hệ trục tọa độ quay đồng bộ (d-q)
Hình 2.5 đưa ra sơ đồ mạch thay thế động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực
chìm trong hệ trục tọa độ quay đồng bộ (d-q). Dòng điện If’ là dòng điện thay thế
tương đương gây ra từ trường của nam châm vĩnh cửu ψf = LdmIf’.
2.3.2.2. Đồ thị vector
Ở chế độ xác lập của động cơ, các thành phần vi phân thời gian của phương
trình (2.12a,b) bằng 0. Chúng có thể được viết lại dưới dạng:
⎧⎪ U sd = R s Isd − Xsq Isq
⎨
⎪⎩ U sq = R s Isq + E f + Xsd Isd

17



δ

ψa
Ψf

θe

Id
XdId

d
α

Hình 2.5 Đồ thị vector của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm
trên hệ tọa độ d-q

18


CHƯƠNG 3
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ IPM
Cấu trúc cơ bản và đặc điểm của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu IPM đã được
phân tích ở chương 2. Có thể tóm tắt như sau, do ảnh hưởng khe hở không khí nhỏ
và không đều đối với các trục d và q, nên động cơ có Ld < Lq và phản ứng phần ứng
đáng kể.
Như đã nói ở những phần trước, mômen của động cơ đồng bộ cực ẩn có 2
thành phần: (1) thành phần gây bởi từ thông nam châm vĩnh cửu, và (2) thành phần
mômen từ trở. Mômen tổng của động cơ cực lồi được tính theo công thức:
⎤

Giống như động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn, động cơ đồng bộ
nam châm vĩnh cửu cực chìm có thể hoạt động bằng cách trực tiếp đấu với nguồn
hoặc điều chỉnh mạch hở U/f, và khi đó rất cần cuộn dập để giảm dao động. Tuy
nhiên, ở chế độ tự điều chỉnh, động cơ không cần cuộn dập.
Phương pháp điều khiển động cơ IPM được xây dựng trên cơ sở sử dụng
phương pháp điều khiển véc tơ tựa từ thông để điều khiển động cơ đồng bộ như
điều khiển động cơ môt chiều. Thay vì điều khiển tần số độc lập của bộ biến đổi, tần
số và pha của sóng phía đầu ra được điều khiển bởi bộ PWM như hình sau:

19


Hình 3.1. Sơ đồ hệ truyền động
Phương pháp điều khiển tựa từ thông được tìm ra và được áp dụng vào năm
1970 và đã cho thấy rằng, với động cơ từ trở hay động cơ đồng bộ có thể điều khiển
như động cơ một chiều kích từ độc lập bằng điều khiển sức điện động có hướng của
stato (mmf) hoặc véc tơ dòng điện có mối quan hệ với từ thông roto tác động tới đối
tượng điều khiển. Để động cơ có thuộc tính như động cơ một chiều, khi điều khiển
phải biết được vị trí tức thời của từ thông roto hay vị trí roto của nam châm vĩnh
cửu tức là cần phải có một máy phân tích hoặc cảm biến vị trí quang học. Khi biết
được vị trí, dòng điện của 3 pha có thể tính toán được. Việc tính toán sử dụng ma
trận dòng điện phụ thuộc vào mong muốn điều khiển.
Phương pháp điều khiển vector là đưa các đại lượng của động cơ như dòng
điện, điện áp, từ thông về dạng vector, sau đó quan sát các vector đó trên một hệ tọa
độ nào đó, tĩnh hoặc động. Mục đích chính là phân ly dòng điện thành hai thành
phần chính: một thành phần sinh từ thông, một thành phần sinh mômen quay và
điều khiển riêng biệt hai thành phần này giống như động cơ một chiều. Trong phần
này, chúng ta sẽ phân tích 2 phương pháp điều khiển vector cho hệ truyền động
động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi: tựa từ thông rotor và tựa từ thông
stator. Mỗi phương pháp đều có 3 chế độ: chế độ mômen không đổi, chế độ công