Đề tài: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
(PMSM)
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) là sự giao thoa giữa
động cơ cảm ứng và động cơ DC không chổi than có mật độ công suất
cao hơn động cơ cảm ứng .
1. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động:
1.1.Cấu tạo:
 Về cơ bản cấu tạo của PMSM cũng gần giống như động cơ
đồng bộ thông thường.
 Stato của PMSM giống như động cơ đồng bộ thông thường
sử dụng các lá thép kỹ thuật ghép lại với nhau. Bên trong có
xẻ rãnh để đặt dây quấn. Động cơ PMSM có 3 cuộn dây quấn
phân tán hình sinh trên chu vi stato. Ba cuộn dây được cấp 3
điện áp xoay chiều.
 Rotor của PMSM là một nam châm vĩnh cửu được cấu trúc
sao cho sự phân bố độ tự cảm (hoặc mật độ từ thông) là hình
sin.
 Theo kết cấu của động cơ ta có thể chia PMSM ra thành hai
loại:Động cơ cực ẩn và động cơ cực lồi
1.1.1. Động cơ cực lồi (SPMSM)
 Rotor máy điện cực lồi thường có tốc độ quay thấp nên
đường kính rotor có thể lớn, trong khi chiều dài lại nhỏ. Tỷ
số “chiều dài/ đường kính” nhỏ.
 Rotor thường là đĩa nhôm hay nhựa trọng lượng nhẹ có độ
bền cao. Các nam châm được gắn chìm trong đĩa này. Các
loại máy này thường được gọi là máy từ trường hướng trục
(rotor đĩa). Loại này hay được sử dụng trong kỹ thuật robot.
1.1.2. Động cơ cực ẩn (IPMSM)
 Rotor của máy điện cựu ẩn thường làm bằng thép hợp
kim chất lượng cao, được rèn thành khối trụ sau đó gia
công phay rãnh để đặt các thanh nam châm.
 Khi các thanh nam châm ẩn trong rotor thì có thể đạt
được cấu trúc cơ học bền vững hơn, kiểu này thường
được sử dụng trong các động cơ cao tốc.
 Tốc độ loại này thường cao nên để hạn chế lực li tâm
rotor thường có dạng hình trống với tỷ số “chiều
dài/đường kính” lớn.
1.2. Nguyên lí hoạt động:
 Việc khởi động động cơ PMSM cũng gần giống với việc
khởi động động cơ đồng bộ thông thường. Nhưng không
cần đưa nguồn kích từ vào rotor vì là rotor nam châm vĩnh
cửu. Cụ thể là: Khi cấp dòng điện 3 pha vào 3 cuộn dây
stator sẽ xuất hiện từ trường quay với tốc độ n = 60f/p
Trong đó: f là tần số dòng điện
p là số đôi cực
Do từ trường của nam châm vĩnh cửu là từ trường không đổi
không quay, sự tác động giữa từ trường quay với từ trường
không đổi tạo mô men dao động, giá trị trung bình của mô
men này là 0. Để máy điện có thể làm việc được phải quay
nam châm vĩnh cửu tới tốc độ bằng tốc độ từ trường, lúc đó
mô men trung bình của động cơ sẽ khác 0.
2. Phương pháp điều khiển PMSM.
 Phương pháp điều khiển vô hướng U/f:
 Phương pháp điều khiển vector tựa từ thông rotor (FOC)
 Phương pháp điều khiển trực tiếp momen (DTC)
3. Ứng dụng:
Vì đặc tính cấu tạo tương đối phức tạp và quá trình sản xuất tốn kém
nên dẫn tới giá thành của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có giá
thành tương đối cao chính vì vậy mà loại motor này thường chỉ sử
dụng trong một số trường hợp đặc biệt như sau:
 Dùng trong một số loại máy móc yêu cầu kích thước nhỏ gọn
như máy nén lạnh, máy nén khí.
 Hệ thống cẩu nâng hạ cần momen mạnh ở tốc độ chậm nên
cũng thường hay sử dụng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
 Máy thu xả cuộn cần lực torque để điều khiển nên cũng hay
được áp dùng loại động cơ này.
4. MÔ TẢ TOÁN HỌC CỦA PMSM
Để xây dựng, thiết kế bộ điều chỉnh cần phải có mô hình mô tả chính xác đến mức
tối đa đối tượng cần điều chỉnh. Mô hình toán học thu được cần phải thể hiện rõ
đặc tính thời gian của đối tượng điều chỉnh. Tuy nhiên mô hình được xây dựng ở
đây chủ yếu là để phục vụ cho việc xây dựng các thuật toán điều chỉnh. Để đơn
giản hoá mô hình có lợi cho việc thiết kế sau này, trong phạm vi sai lệch cho phép
ta giả thiết rằng:
1) Bỏ qua bão hòa, nó có thể lưu ý đến khi tinh sự thay đổi tham số.
2) Stđ là hình sin.
3) Dòng Phucô (Foucault) và hiện tượng từ trễ bỏ qua.
4) Không có dòng kích từ động.
5) Không có thanh dẫn dạng lồng sóc ở rotor.
6) Các cuộn dây của stator được bố trí đối xứng về mặt không gian.
7) Các giá trị điện trở, điện cảm coi là không đổi.
4.1. Hệ phương trình cơ bản của PMSM
Ba phương trình điện áp cho ba cuộn dây stator của động cơ là:
Trong đó: 𝑅𝑠 - điện trở cuộn dây pha stato
𝜓𝑠𝑐 , 𝜓𝑠𝑏 , 𝜓𝑠𝑎 − 𝑡ừ 𝑡ℎô𝑛𝑔 𝑐𝑢ộ𝑛 𝑑â𝑦 𝐴 𝐵 𝐶
Áp dụng công thức điện áp ta có:
2
𝑢𝑠 (𝑡) = [𝑢𝑠𝑎 (𝑡) + 𝑎𝑢𝑠𝑏(𝑡) + 𝑎2 𝑢𝑠𝑐 (𝑡)]
3
(2.6)
Thay các điện áp pha trong (2.3) (2.4) (2.5) vào (2.6) ta có phương trình điện áp
stator dưới dạng vector như sau:
Phương trình (2.7) thu được từ việc quan sát hệ thông ba pha cuộc dây stator, do đó
ta có thể viết:
Chuyển phương trình (2.8) sang quan sát trên hệ toạ độ dq ta đƣợc:
𝑓
Véc tơ từ thông rotor 𝜓𝑠 chỉ có thành phần thực 𝜓𝑝 do trục thực d đi qua trục của
𝑓
𝑓
chính véc tơ 𝜓𝑠 , ta có: 𝜓𝑠 = 𝜓𝑝
𝑓
Véc tơ từ thông stator 𝜓𝑠 bao gồm hai thành phần: một thành phần do dòng stator
tự cảm trong các cuộn dây stator và một thành phần là chính 𝜓𝑝 cảm ứng sang:
𝑓
𝑓
𝑓
𝜓𝑠 = 𝐿𝑠 𝑖𝑠 + 𝜓𝑝
4.2. Hệ phương trình của động cơ trong hệ tọa độ (a, b, c)
4.2.1. Phương trình điện áp
Sử dụng định luật Kirchhoff 2, chúng ta có 3 phương trình vi phân.
Trường hợp riêng cho từng dây quấn stator, các phương trình cân bằng điện áp như
sau:
𝑑𝜓𝑎𝑠
𝑢𝑎𝑠 = 𝑅𝑠 𝑖𝑎𝑠 +
𝑑𝑡
𝑑𝜓𝑏𝑠
𝑢𝑏𝑠 = 𝑅𝑠 𝑖𝑏𝑠 +
𝑑𝑡
𝑑𝜓𝑐𝑠
𝑢𝑐𝑠 = 𝑅𝑠 𝑖𝑐𝑠 +
𝑑𝑡
Trong đó các từ thông ψas, ψbs, ψcs, được xác định như sau :
Viết dưới dạng ma trận như sau :
𝑢𝑎𝑏𝑐𝑠 = 𝑅𝑠 𝑖𝑎𝑏𝑐𝑠
𝑑𝜓𝑎𝑏𝑐𝑠
𝑑𝑡
Trong đó : r : độ dời góc rotor
m : biên độ từ thông tạo ra bởi NCVC
4.2.2. Phương trình từ thông :
Vectơ từ thông dưới dạng ma trận:
𝜓𝑎𝑏𝑐𝑠 = 𝐿𝑠 𝑖𝑎𝑏𝑐𝑠 + 𝜓𝑚 =
Ma trận điện cảm stator Ls :
Ta có phương trình cân bằng điện áp dưới dạng vectơ như sau:
𝑈𝑎𝑏𝑐𝑠 = 𝑅𝑠 𝑖𝑎𝑏𝑐𝑠
𝑑𝜓𝑚
𝑑𝑡
𝜓𝑚 cos 𝜃𝑟
𝑑𝜓𝑚
Trong đó:
𝑑𝑡
2
= 𝜓𝑚
[𝜓𝑚 cos(𝜃𝑟 − 3 𝜋)]
2
𝜓𝑚 cos(𝜃𝑟 + 𝜋)
3
4.3 Phương trình của động cơ trong hệ tọa độ (dq)
Hình 2: Từ thông stato và rotor trong các hệ trục tọa độ
Vector từ thông stator s và vector từ thông rotor f, có thể vẽ vector từ thông
rotor, stator trong các hệ tọa độ cố định (d, q), (x, y) như hình vẽ.
Góc giữa từ thông stator và từ thông rotor là góc tải 
Ở trạng thái ổn định góc tải  là hằng số tƣơng ứng với một mô men tải và cả từ
thông rotor và stator tỷ lệ với tốc độ đồng bộ.
Khi hoạt động góc  và từ thông stator và rotor tỷ lệ với các tốc độ khác nhau.
Các phương trình từ thông stator, điện áp, mô men trong hệ tọa độ (dq) :
- Phương trình từ thông:
𝜓𝑑 = 𝐿𝑑 𝑖𝑑+ 𝜓𝑠
{ 𝜓 =𝐿 𝑖
𝑞
𝑞 𝑞
|𝜓𝑠 | = √𝜓𝑑2 + 𝜓𝑞2
Và: 𝛿 = tan−1 (
𝐿𝑞 𝑖𝑞
𝐿𝑑 𝑖𝑑 +𝜓𝑠
- Phương trình điện áp
)
𝑈𝑑 = 𝑅𝑠 𝑖𝑑 + 𝑝𝜓𝑑 − 𝜔𝑟 𝜓𝑑
{ 𝑈 = 𝑅 𝑖 + 𝑝𝜓 − 𝜔 𝜓
𝑞
𝑠 𝑞
𝑞
𝑟 𝑞
- Phương trình mô men:
3
𝑇 = 𝑃(𝜓𝑑 𝑖𝑑 − 𝜓𝑞 𝑖𝑞 )
(2.11)
2
Trong đó: s, Ld, Lq là hằng số sức điện động cảm ứng và các điện cảm phần ứng
trục d, trục q.
Biến đổi thành tọa độ (xy):
𝐹𝑥
cos 𝛿 sin 𝛿 𝐹𝑑
][ ]
[𝐹 ] = [
− sin 𝛿 cos 𝛿 𝐹𝑞
𝑦
𝐹𝑑
cos 𝛿 − sin 𝛿 𝐹𝑥
 [𝐹 ] = [
][ ]
sin 𝛿 − cos 𝛿 𝐹𝑦
𝑞
F: thể hiện điện áp, dòng điện và từ thông.
4.4.Phương trình trong hệ tọa độ từ thông stator (xy)
Từ hình 2.4 ta có:
𝜓𝑞
sin 𝛿 =
|𝜓𝑠 |
𝜓𝑑
cos 𝛿 =
|𝜓𝑠 |
|𝜓𝑠 | là biên độ từ thông stator.
Ta tính được mô men:
3
Τ = Ρ|𝜓𝑠 |𝑖𝑦
2
4.4.1. Phương trình từ thông trong hệ tọa độ xy
Phương trình từ thông có thể viết dƣới dạng ma trận như sau:
𝜓𝑥
𝐿𝑥 0 𝑖𝑥
𝜓
[𝜓 ] = [ 0 𝐿 ] [𝑖 ] + [ 𝑠 ]
0
𝑦
𝑦
𝑦
𝜓𝑥
𝐿𝑥 0 𝑖𝑥
cos 𝛿
 [𝜓 ] = [ 0 𝐿 ] [𝑖 ] + [
]
− sin 𝛿
𝑦
𝑦
𝑦
Do 𝜓𝑦 = 0 => 𝑖𝑦 =
𝜓𝑠 sin 𝛿
𝐿𝑠
. Thay vào (2.11):
𝑇=
3𝑃|𝜓𝑠 |𝜓𝑠 sin 𝛿
𝐿𝑠
Trong đó:  là góc vận gốc giữa vectơ từ thông stator và từ thông nam châm.
4.5. Mô hình trạng thái của PMSM trên họa tọa độ từ thông rotor
- Phương trình thành phần từ thông
{
𝜓𝑑 = 𝐿𝑑 𝑖𝑑 + 𝜓𝑠
𝜓𝑞 = 𝐿𝑞 𝑖𝑞
(2.12)
- Phương trình thành phần điện áp
𝑈𝑑 = 𝑅𝑠 𝑖𝑑 + 𝐿𝑑
{
𝑈𝑞 = 𝑅𝑠 𝑖𝑞 + 𝐿𝑞
𝑑𝑖𝑑
− 𝜔𝑟 𝐿𝑑 𝑖𝑑
𝑑𝑡
𝑑𝑖𝑞
− 𝜔𝑟 𝐿𝑞 𝑖𝑞 + 𝜔𝑟 𝜓𝑠
𝑑𝑡
Ta có phương trình mô menquay của động cơ:
3
𝑇 = 𝑃(𝜓𝑑 𝑖𝑑 − 𝜓𝑞 𝑖𝑞 )
2
3
Từ (2.12) => 𝑇 = 𝑃[𝜓𝑠 𝑖𝑞 + 𝑖𝑑 𝑖𝑞 (𝐿𝑑 − 𝐿𝑞 )]
2
3
𝜓𝑠
= 𝑃 [( + 𝑖𝑑 ) 𝐿𝑑 𝑖𝑑 − 𝐿𝑞 𝑖𝑑 𝑖𝑞 ]
2
𝐿𝑑