Cách thiết kế bộ truyền động mô-tơ hoạt động yên tĩnh và hiệu quả

Một trong những lí do quan trọng để người ta sử dụng bộ truyền động bằng năng lượng điện chính là vì nó mang lại hiệu quả cao. Nhờ năng lượng điện tử và bộ điều khiển kỹ thuật số, các bộ truyền động này có thể được điều chỉnh và tối ưu hóa để tăng cường khả năng chống chịu, giảm thiểu tối đa năng lượng tiêu thụ cho quá trình tạo ra các hoạt động cơ học. Đây cũng là yếu tố then chốt đối với các loại xe điện hay bất kì các loại phương tiện sử dụng điện nào khác vì nó ảnh hưởng trực tiếp tới phạm vi hoạt động của phương tiện đó.

Bộ chuyển đổi năng lượng và khả năng điều khiển có tác động trực tiếp tới mô-tơ điện. Nếu các linh kiện này được thiết kế riêng, người dùng có thể sẽ trải nghiệm một vài cảm giác thất vọng khi kết nối chúng trong lần đầu tiên. Vì vậy, cần phải sớm tìm hiểu cặn kẽ về các tương tác phức tạp này ngay từ khâu thiết kế, với các bài kiểm tra ảo để đảm bảo rằng tất cả yêu cầu về vận hành đều đã được đáp ứng. Điều này không chỉ có lợi cho hiệu suất của bộ truyền động, mà còn tiện lợi cho quá trình theo dõi sự thay đổi nhiệt độ và các vấn đề phát sinh về tiếng ồn.

Công nghệ mô phỏng ngày nay cho phép chúng ta kiểm tra, mô tả chi tiết các tương tác của từng bộ phận trong bộ truyền động, tránh được việc phải thiết kế lại, vừa chậm trễ lại vừa tốn kém. Có một vấn đề thường xuyên xảy ra trong quá trình mô phỏng là đơn giản hóa các bộ phận như mô-tơ và bộ chuyển đổi năng lượng để đảm bảo đáp ứng hội tụ và tối ưu thời gian. Tuy nhiên, điều này hoàn toàn không hề lý tưởng cho việc phân tích chi tiết của nhiều yếu tố thiết kế.

Giải pháp Phần mềm mô phỏng Altair trong Truyền động mô-tơ

Các giải pháp Phần mềm mô phỏng Altair sử dụng mô hình dưới mức tối ưu của bộ chuyển đổi năng lượng và mô-tơ, sau đó ghi lại mức độ ảnh hưởng tới hiệu suất hệ thống. Altair được áp dụng rộng rãi trên các bộ truyền động mô-tơ sử dụng điện trong ngành ô tô, hàng không, và các phương tiện công nghiệp nặng.

Truyền động mô-tơ có thể được mô phỏng trong Phần mềm Altair PSIM, phần mềm hoạt động trong lĩnh vực điện năng lượng và thiết kế điều khiển mô-tơ. Ngoài ra, các công cụ ứng dụng phần tử hữu hạn như Altair Flux và Altair FluxMotor có khả năng cung cấp mô hình rút gọn của các thiết bị điện, sử dụng trực tiếp trên PSIM và kết nối với phần còn lại của hệ thống dưới dạng 1D. Những mô hình chính xác cao còn được sử dụng cho cả mô-tơ và biến tần. Nổi bật nhất chính là hiệu suất của bộ truyền động mô-tơ, khả năng điều khiển của mô-tơ, và sự tác động đến mô-men xoắn của máy. Mô-men xoắn này được mô phỏng như những gợn sóng điều hòa không gian đủ lớn và nằm ở một tần số đủ thấp để góp phần vào quá trình nghiên cứu tiếng ồn, độ rung lắc và độ xóc (noise, vibration, and harshness - NVH).

Hình 1: Flux kết hợp PSIM để mô phỏng toàn bộ truyền động mô-tơ

Ví dụ: Một cái máy kéo (loại máy đồng bộ nam châm vĩnh cửu) sử dụng trong xe điện. Các bảng dữ liệu được trích xuất từ Flux, sau đó được sử dụng trong PSIM có áp dụng điều khiển PWM (Pulse Width Modulation). Bằng cách sử dụng một vài lệnh thay đổi các điểm hoạt động, ta có thể thu được sơ đồ mô tả hiệu suất của mô-tơ, biến tần, và toàn bộ bộ truyền động như trong hình 1.

Mô phỏng PSIM đồng thời cũng cho phép người dùng thu được hình dạng hiện tại để có thể khai báo lại cho Flux, giúp kỹ sư có được đánh giá chính xác về các thất thoát tạo ra bởi dữ liệu điều hòa được nhắc đến trong điều khiển PWM. Hình 3 thể hiện sự gia tăng nhiệt độ gây ra bởi sự gia tăng thất thoát trong nam châm vĩnh cửu và cuộn dây. Nó cũng có tác động tới độ ồn của máy. Ta có thể tính toán được độ ồn này bằng cách trích xuất các lực và phân tích độ rung lắc. 

Hiểu được mối liên hệ chặt chẽ giữa mô-tơ, biến tần, và bộ điều khiển chính là mấu chốt để ta có thể thiết kế được một bộ truyền động tối ưu. Những mô phỏng dựa trên các mô hình chính xác cao có thể đạt được một vài hiệu ứng khác nhau và tạo tiền đề cho các quyết định đúng lúc trong khâu thiết kế.