Tài liệu Báo cáo thực tập kỹ thuật

Lời mở đầu Thực tập kĩ thuật là cơ hội quý báu để sinh viên thực hành, áp dụng kiến thức đã học vào thực tế. Việc học lý thuyết trong nhà trường luôn phải đi đôi với học hỏi những kinh nghiệm thực tế để việc học không chỉ mang tính chất lý thuyết suông. Trong đợt thực tập của mình, em được phân công thực tập tại công ty TNHH một thành viên Hanel. Đây là một công ty về công nghệ và điện tử rất hữu ích để em nâng cao kiến thức chuyên ngành. Được sự hướng dẫn tận tình của giảng viên, TS Nguyễn Thu Hà và anh Lê Hồng Khanh, em đã hoàn thành quá trình thực tập trong thời gian một tháng với nội dung: ” Nghiên cứu các hệ thống điều khiển động cơ, tìm hiểu hệ thống cấp nguồn và nạp năng lượng trên xe oto điện” Em xin chân thành cảm ơn bộ môn điều khiển tự động và cô Nguyễn Thu Hà đã tạo điều kiện và hướng dẫn tận tình trong quá trình thực tập của em. Đồng thời, em cũng xin chân thành cảm ơn đến các cán bộ công ty TNHH một thành viên Hanel đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình thực tập. Do thời gian nghiên cứu còn hạn chế nên báo cáo thực tập của em không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý giúp đỡ từ các thầy cô trong bộ môn để em hoàn thiện bài báo cáo thực tập. Hà Nội, ngày 24 tháng 8 năm 2016 Sinh viên thực hiện Phạm Văn Tú PHẦN I: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG TY HANEL ......................................................... 3 1.1 giới thiệu ............................................................................................................ 3 1.2 sơ đồ tổ chức ...................................................................................................... 4 PHẦN II: BÁO CÁO THỰC TẬP CÁ NHÂN ............................................................ 5 2.1 Nội dung thực tập và công việc được giao .......................................................... 5 2.1.1 Phân tích và chọn động cơ cho oto điện ....................................................... 5 a. Động cơ một chiều (DC Motor) ....................................................................... 5 b. Động cơ không đồng bộ (Induction Motor – IM). ......................................... 6 d. Động cơ từ trở thay đổi (Switched Reluctance Motor – SRM) .................. 7 e. Động cơ một chiều không chổi than(BLDC) .................................................. 8 f. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm (Interior Permanent Magnet Motor – IPM motor).............................................................................................. 10 2.1.2 Động cơ BLDC ......................................................................................... 13 a. Cấu tạo động cơ BLDC .................................................................................. 13 b. Nguyên lý hoạt động ....................................................................................... 18 2.1.3 Bộ điều khiển động cơ BLDC ................................................................. 22 2.2 Thu hoạch của cá nhân....................................................................................... 26 2.2.1 Về mặt chuyên môn ...................................................................................... 26 2.2.2 Về mặt kĩ năng .............................................................................................. 26 PHẦN I: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG TY HANEL 1.1 giới thiệu Công ty TNHH một thành viên Hanel được thành lập ngày 17/12/1984 với sứ mệnh là doanh nghiệp tiên phong trong ngành điện tử- tin học tại thủ đô. Trong 30 năm qua, Hanel đã đạt được những bước đi vững chắc, vượt qua những thời điểm khó khăn, đầy thử thách của nền kinh tế. Hiện nay, công ty Hanel là doanh nghiệp theo mô hình công ty mẹ- công ty con với 37 công ty thành viên, liên doanh, liên kết và gần 8000 người lao động. Định hướng của công ty Hanel là trở thành doanh nghiệp tiên phong trong nền kinh tế công nghệ và tri thức tại Việt Nam; phát triển hiệu quả và bền vững dựa trên sang tạo về công nghệ. 1.2 sơ đồ tổ chức Hình 1: sơ đồ tổ chức công ty Hanel PHẦN II: BÁO CÁO THỰC TẬP CÁ NHÂN 2.1 Nội dung thực tập và công việc được giao Nội dung thực tập:” Nghiên cứu các hệ thống điều khiển động cơ, tìm hiểu hệ thống cấp nguồn và nạp năng lượng trong oto điện”. Trong quá trình thực tập, nhóm em đã nghiên cứu, thảo luận các vấn đề liên quan đến động cơ và hệ thống cấp nguồn cho oto điện. Trong đó, công việc của em bao gồm:  Tìm hiểu các loại động cơ và chọn ra động cơ phù hợp cho oto điện  Nghiên cứu bộ điều khiển động cơ BLDC cho oto điện 2.1.1 Phân tích và chọn động cơ cho oto điện Hình 2: các loại động cơ sử dụng trong oto điện a. Động cơ một chiều (DC Motor) Động cơ một chiều có ưu điểm nổi bật là rất dễ điều khiển. Khi công nghệ bán dẫn và kỹ thuật điều khiển chưa phát triển, động cơ một chiều là sự lựa chọn hàng đầu cho những ứng dụng cần điều khiển tốc độ, mômen. Nhược điểm của loại động cơ này là cần bộ vành góp, chổi than, có tuổi thọ thấp, đòi hỏi bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên, không phù hợp với điều kiện nóng ẩm, bụi bặm. Khi công nghệ bán dẫn và kỹ thuật điều khiển phát triển mạnh, động cơ một chiều dần bị thay thế bởi các loại động cơ khác. b. Động cơ không đồng bộ (Induction Motor – IM) Động cơ IM có ưu điểm giá thành thấp, thông dụng, dễ chế tạo. Với kỹ thuật hiện nay, hoàn toàn có thể thực hiện các thuật toán điều khiển vector tiên tiến cho động cơ IM, đáp ứng các yêu cầu công nghệ cần thiết. Nhược điểm của động cơ IM là có hiệu suất thấp. Các hãng xe của Hoa Kỳ như GM phần lớn sử dụng động cơ IM làm động cơ truyền động, lý do là xe ở Mỹ chủ yếu chạy trên đường cao tốc, khoảng cách dài, đường trong đô thị cũng rộng và thoáng; khi đó động cơ IM sẽ phát huy được tối đa hiệu suất của mình, tổn thất không lớn. Ở Việt Nam, đường của chúng ta chủ yếu là nhỏ, hẹp, đông đúc, xe thường chạy ở tốc độ thấp và hay phải dừng, đỗ. Với chế độ hoạt động như vậy, động cơ IM sẽ phải thường xuyên chạy ở tốc độ dưới định mức gây hiệu suất thấp, hạn chế đáng kể quãng đường đi cho một lần nạp ắc quy. c. Động cơ từ trở đồng bộ (Synchronous Reluctance Motor – SynRM) Động cơ SynRM có cấu trúc stator giống động cơ xoay chiều thông thường với dây quấn và lõi sắt từ. Rotor của động cơ được thiết kế gồm các lớp vật liệu từ tính và phi từ tính đan xen nhau như ta thấy trên hình 4. Cấu trúc này khiến cho từ trở dọc trục và từ trở ngang trục của động cơ khác nhau, sinh ra mômen từ trở làm động cơ quay. Hình 3. Cấu trúc động cơ từ trở đồng bộ d. Động cơ từ trở thay đổi (Switched Reluctance Motor – SRM) Động cơ SRM có cấu tạo của rotor và stator đều có dạng cực lồi, trên stator có dây quấn tương tự như dây quấn kích từ của động cơ một chiều, rotor chỉ là một khối sắt, không có dây quấn hay nam châm. Với cấu tạo đặc biệt này, SRM rất bền vững về cơ khí, cho phép thiết kế ở dải tốc độ rất cao, lên tới hàng chục nghìn vòng / phút. Nguyên lý hoạt động của động cơ như sau: các dây quấn stator được kích từ lần lượt (gần giống động cơ bước – stepping motor), lực từ trường tác dụng lên rotor làm nó quay từ vị trí có từ trở lớn nhất (vị trí lệch trục) đến vị trí có từ trở nhỏ nhất (vị trí đồng trục). Mạch từ động cơ làm việc trong cả vùng tuyến tính và vùng bão hòa nên ta có thể sử dụng tối đa khả năng của vật liệu từ, do vậy động cơ SRM có tỉ lệ công suất trên khối lượng (kích thước) lớn. Hình4 . Động cơ từ trở thay đổi – SRM. Động cơ SRM cũng có những nhược điểm làm hạn chế khả năng ứng dụng của nó. Nguyên lý vận hành đơn giản, nhưng lại khó điều khiển với chất lượng cao vì có nhấp nhô mômen (torque ripple) lớn, đặc biệt là trong thời gian chuyển mạch. Mặt khác, do cấu tạo cực lồi, động cơ có tính phi tuyến cao, gây khó khăn cho việc điều khiển và thiết kế động cơ. Những nhược điểm này đang được nghiên cứu, nếu khắc phục thành công sẽ mở ra các hướng ứng dụng rộng rãi cho SRM, cả trong công nghiệp và lĩnh vực ô tô điện. e. Động cơ một chiều không chổi than (Brushless DC motor – BLDC motor) Động cơ BLDC trên thực tế là một loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Điểm khác biệt cơ bản so với những động cơ đồng bộ khác là sức phản điện động (back-EMF) của động cơ có dạng hình thang do cấu trúc dây quấn tập trung (các loại khác có dạng hình sin do cấu trúc dây quấn phân tán). Dạng sóng sức phản điện động hình thang khiến cho động cơ BLDC có đặc tính cơ giống động cơ một chiều, mật độ công suất, khả năng sinh mômen cao, hiệu suất cao. Động cơ được điều khiển dựa vào tín hiệu từ các cảm biến Hall xác định vị trí của rotor như hình 5. Nhược điểm cơ bản của động cơ BLDC là có nhấp nhô mômen lớn, xuất hiện 6 xung mômen trong 1 chu kì, tuy nhiên, có thể sử dụng các thuật toán điều khiển để giảm nhấp nhô mômen. (a) (b) Hình 5. Cấu trúc động cơ BLDC (a) và các cảm biến Hall (b). Hình 6. Nguyên lý điều khiển động cơ BLDC f. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm (Interior Permanent Magnet Motor – IPM motor) Động cơ IPM có những ưu thế gần như tuyệt đối trong ứng dụng cho ô tô điện. Động cơ nam châm vĩnh cửu thông thường có nam châm được gắn trên bề mặt rotor (SPM) vốn đã có đặc tính điều khiển rất tốt. Động cơ IPM có nam châm được gắn chìm bên trong rotor (hình 9), dẫn tới sự khác biệt giữa điện cảm dọc trục và điện cảm ngang trục (hình 10), từ đó tạo khả năng sinh mômen từ trở (Reluctance Torque) cộng thêm vào mômen vốn có do nam châm sinh ra (Magnet Torque) như ta thấy trên hình 11. Đặc tính này khiến động cơ IPM có khả năng sinh mômen rất cao, đặc biệt phù hợp cho ô tô điện. Mặt khác, động cơ IPM có phản ứng phần ứng mạnh, dẫn tới khả năng giảm từ thông mạnh, cho phép nâng cao vùng điều chỉnh tốc độ, làm việc tốt ở vùng II như đã phân tích ở mục 2c phía trên. Hình 7. So sánh cấu trúc của động cơ SPM và IPM Hình 8. Khác với loại SPM, động cơ IPM có điện cảm dọc trục và ngang trục khác nhau Hình 9. Đặc tính sinh mômen của động cơ IPM. Kết luận: chọn động cơ BLDC với yêu cầu kĩ thuật như sau Công suất: 20kW Điện áp: 72V- 120V DC Mô men: 80Nm- 100Nm Hình 10. Động cơ BLDC sử dụng trong oto điện 2.1.2 Động cơ BLDC a. Cấu tạo động cơ BLDC Khác với động cơ một chiều truyền thống, động cơ BLDC sử dụng chuyển mạch điện tử thay cho kết cấu chổi than và cổ góp để chuyển mạch dòng điện cấp cho các cuộn dây phần ứng. Có thể gọi đó là cơ cấu chuyển mạch tĩnh. Để làm được điều đó, phần ứng cũng phải tĩnh. Như vậy, về mặt kết cấu có thể thấy rằng động cơ BLDC và động cơ một chiều truyền thống có sự hoán đổi vị trí giữa phần cảm và phần ứng: phần cảm trên rôto và phần ứng trên stato. Như đã giới thiệu, động cơ BLDC có các cuộn dây phần ứng đặt trên stato (gọi là các cuộn dây stato) còn các nam châm vĩnh cửu được đặt trên rôto theo nhiều cách kết cấu khác nhau Hình11: Các bộ phận chính của một động cơ BLDC điển hình Tuỳ thuộc vào số cuộn dây stato ta có các loại động cơ BLDC một pha, hai pha, ba pha tương ứng có một cuộn dây, hai cuộn dây, ba cuộn dây trên stato. Trong đó loại động cơ ba pha được sử dụng phổ biến hơn cả. Trong động cơ một chiều truyền thống, thời điểm chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây phần ứng được xác định một cách tự nhiên do kết cấu và sự bố trí phù hợp giữa các cặp cực trên stato và cơ cấu chổi than - cổ góp. Động cơ BLDC không có cơ cấu chổi than - cổ góp nên cần phải có các phần tử và phương pháp để xác định vị trí của rôto nhằm đưa ra các tín hiệu điều khiển trình tự cấp điện cho các cuộn dây pha phù hợp.  Kết cấu rôto của động cơ BLDC Rôto của động cơ BLDC gồm có phần lõi bằng thép và các nam châm vĩnh cửu được gắn trên đó theo các cách khác nhau. Về cơ bản có hai phương pháp gắn các nam châm vĩnh cửu trên lõi rôto:  Rôto có nam châm gắn trên bề mặt lõi: Các nam châm vĩnh cửu được gắn trên bề mặt lõi rôto. Kết cấu này đơn giản trong chế tạo nhưng không chắc chắn nên thường được sử dụng trong phạm vi tốc độ trung bình và thấp. Hình12: Rôto có nam châm gắn trên bề mặt  Rôto có nam châm ẩn bên trong lõi Trong lõi rôto có các khe dọc trục và các thanh nam châm vĩnh cửu được chèn vào các khe này. Kết cấu này khó khăn trong chế tạo và lắp ráp, đặc biệt là khi công suất lớn, nhưng chắc chắn và được sử dụng trong các ứng dụng tốc độ cao. Hình13: Rôto có nam châm ẩn bên trong lõi Trong động cơ BLDC, các nam châm vĩnh cửu trên rôto tạo ra từ trường hướng tâm và phân bố đều dọc theo khe hở không khí giữa stato và rôto.Vật liệu làm nam châm thông thường là ferit, tuy giá thành rẻ nhưng mật độ từ trường thấp. Các loại nam châm được sản xuất từ các hợp kim đất hiếm có mật độ từ trường cao hơn nhiều, và cho phép tạo ra các nam châm có mật độ từ trường cao trong khi kích thước và trọng lượng thấp. Điều này đặc biệt có ích đối với các động cơ công suất lớn. Nam châm được sản xuất từ hợp kim hiếm có giá thành cao và thường chỉ được sử dụng trong các ứng dụng cao cấp.  Kết cấu stato của động cơ BLDC Stato của động cơ BLDC gồm các lá thép mỏng được xếp chặt cùng với các cuộn dây được đặt trong các khe dọc theo mặt bên trong của stato. Kết cấu như vậy trông giống như trong động cơ không đồng bộ. Tuy nhiên, khác với động cơ không đồng bộ, các cuộn dây trên stato của động cơ BLDC được phân bố với mật độ đều nhau dọc theo mặt trong của stato. Hình13: Cách phân bố các cuộn dây trên stato Với sự phân bố từ trường và cách phân bố các cuộn dây stato như vậy, động cơ BLDC có sức điện động hình thang và tạo ra mômen lớn hơn, công nghệ chế tạo đơn giản hơn, rẻ tiền hơn; nhưng đập mạch mômen cũng lớn hơn động cơ có sức điện động hình sin.  sức điện động cảm ứng Hình vẽ dưới đây minh hoạ kết cấu đơn giản của một động cơ BLDC với rôto có hai cực từ: Hình14: Minh hoạ kết cấu động cơ BLDC Như đã phân tích ở phần kết cấu động cơ BLDC, ta thấy rằng có sự phân bố đều các vòng dây ở mặt trong stato cũng như sự phân bố đều từ trường rôto dọc theo khe hở không khí giữa stato và rôto. Có thể giả sử thêm rằng sự phân bố từ trường tại trục tiếp giáp giữa hai cực từ (trục Δ1Δ2) cũng đều. Phân tích sự hình thành sức điện động cảm ứng trong cuộn dây pha A khi rôto quay như sau: - Khi góc θr giữa trục từ rôto và trục từ cuộn dây pha A có giá trị trong khoảng từ π/6 đến 5π/6. Trong phạm vi này, khi rôto quay theo chiều mũi tên trên hình vẽ thì toàn bộ các thanh dẫn của cuộn dây pha A đều chuyển động vuông góc với một trừ trường đều. Do đó trong mỗi thanh dẫn cảm ứng một sức điện động xác định theo biểu thức: E0=Blv=Blrωm (2.1) Trong đó: B: là mật độ từ trường do các nam châm rôto tạo ra l: chiều dài của mỗi thanh dẫn v: vận tốc dài của thanh dẫn khi cắt qua từ trường ωm: vận tốc góc của rôto r: bán kính rôto Nếu cuộn dây pha có N vòng dây, tức là có 2N thanh dẫn cắt qua từ trường, thì sức điện động tổng trong cuộn dây là: E=2NBlrωm Vậy khi tốc độ quay không đổi thì sức điện động cảm ứng là hằng số. - Khi góc θr có giá trị trong khoảng từ 5π/6 đến 7π/6. Trong phạm vi này, các thanh dẫn sẽ chuyển động vuông góc với một từ trường có mật độ đều nhưng có các vectơ cảm ứng từ ngược chiều nhau. Do đó sức điện động cảm ứng trong các thanh dẫn cũng ngược chiều và làm giảm dần sau đó đảo chiều sức điện động tổng. Tại vị trí θr bằng 7π/6 sẽ kết thúc một bán kỳ chuyển động của rôto. Bán kỳ sau lặp lại tương tự nhưng với sức điện động đã đổi dấu. Phân tích tương tự cho các pha còn lại ta xây dựng được các đường cong sức điện động pha theo vị trí rôto như sau Hình15: Sức điện động cảm ứng trên các cuộn dây pha Nhận thấy rằng sức điện động cảm ứng trên các pha có dạng hình thang với khoảng giá trị hằng số có độ rộng là 1200 điện. b. Nguyên lý hoạt động Điều khiển động cơ BLDC bằng cách chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây pha theo một thứ tự và vào những thời điểm nhất định. Mômen quay được tạo ra là do sự tương tác giữa hai từ trường: từ trường do nam châm rôto tạo ra và từ trường tổng do dòng điện trong các cuộn dây pha tạo ra. Xu hướng của rôto là quay đến vị trí sao cho hai vectơ từ trường tổng trùng nhau. Mômen quay đạt giá trị lớn nhất là khi hai từ trường vuông góc với nhau.Trong quá trình hoạt động, tại một thời điểm chỉ có hai cuộn dây pha được cấp điện, cuộn dây thứ ba không được cấp điện, và việc chuyển mạch dòng điện từ cuộn dây này sang cuộn dây khác sẽ tạo ra từ trường quay và làm cho rôto quay theo. Như vậy, thứ tự chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây pha phải căn cứ vào chiều quay của rôto. Thời điểm chuyển mạch dòng điện từ pha này sang pha khác được xác định sao cho mômen đạt giá trị lớn nhất và đập mạch mômen do quá trình chuyển mạch dòng điện là nhỏ nhất. Ta có mômen được xác định bằng biểu thức: Te= (eaia+ebib+ecic)/ωm Trong đó: ea,eb,ec: sức điện động cảm ứng của pha A, B, C (V) ia, ib,ic: dòng điện các pha A, B, C (A) ωm: vận tốc góc của trục Rotor (rad/s) Để đạt được yêu cầu trên, ta mong muốn cấp điện cho cuộn dây vào thời điểm sao cho dòng điện trùng pha với sức điện động cảm ứng và dòng điện cũng được điều chỉnh để đạt biên độ không đổi trong khoảng có độ rộng 1200 điện. Nếu không trùng pha với sức điện động thì dòng điện cũng sẽ có giá trị lớn và gây thêm tổn hao trên stato Hình16: Sự trùng pha giữa sức điện động cảm ứng và dòng điện Việc xác định thời điểm chuyển mạch dòng điện bằng việc giám sát trực tiếp sức điện động cảm ứng pha được gọi là kỹ thuật điều khiển không cảm biến và sẽ được nghiên cứu kỹ hơn ở phần sau. Do có mối liên hệ giữa sức điện động cảm ứng pha và vị trí của rôto như mô tả ở phần trên nên việc xác định thời điểm cấp điện cho các cuộn dây còn có thể thực hiện được bằng việc xác định vị trí của rôto nhờ các cảm biến vị trí. Trong động cơ BLDC sử dụng cảm biến vị trí hiệu ứng Hall (gọi tắt là cảm biến Hall). Hiệu ứng Hall được mô tả như sau: khi một dây dẫn điện đặt trong một từ trường, từ trường sẽ tác động một lực lên các điện tích đang chuyển động trong dây điện và có khuynh hướng đẩy chúng sang một bên của dây dẫn. Điều này rất dễ hình dung khi dây dẫn có dạng tấm mỏng. Sự tích tụ các điện tích ở một bên dây dẫn làm xuất hiện điện áp giữa hai mặt của dây dẫn. Điện áp này có độ lớn tỷ lệ với cường độ từ trường và cường độ dòng điện qua dây dẫn Hình17 . Mô hình phần tử cảm biến Hall Ur= (KhIB) /d Động cơ BLDC có ba cảm biến Hall được đặt trên stato. Khi các cực của nam châm trên rôto chuyển động đến vị trí cảm biến Hall thì đầu ra của cảm biến có mức logic cao hoặc thấp, tuỳ thuộc vào cực nam châm là N hay S. Dựa vào tổ hợp các tín hiệu logic của ba cảm biến để xác định trình tự và thời điểm chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây pha stato. Thông thường có hai cách bố trí ba cảm biến Hall trên stato là bố trí lệch nhau 600 hoặc 1200 trong không gian. Mỗi cách bố trí đó sẽ tạo ra các tổ hợp tín hiệu logic khác nhau khi rôto quay.