Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:140

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện "Nghiên cứu thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc" trình bày thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ 3 pha; Mô phỏng nhiệt động servo; Động cơ mẫu thử được chế tạo và thử nghiệm. Kết quả thử nghiệm đo các thông số như mômen, dòng điện,... tại một số điểm hoạt động khác nhau sẽ được so sánh với mô hình thiết kế tối ưu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Đức Bắc NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ SERVO KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA ROTOR LỒNG SÓC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Hà Nội – 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Đức Bắc NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ SERVO KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA ROTOR LỒNG SÓC Ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 9520201 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. NGUYỄN THẾ CÔNG 2. TS TRẦN TUẤN VŨ Hà Nội – 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các ấn phẩm được công bố chung với các cán bộ hướng dẫn khoa học và các đồng nghiệp đã được sự đồng ý của các tác giả trước khi đưa vào luận án. Các kết quả trình bày trong luận án này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Người cam đoan Nguyễn Đức Bắc TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Nguyễn Thế Công TS. Trần Tuấn Vũ i
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu đề tài, được sự giúp đỡ tận tình của các thầy giáo hướng dẫn, của các thầy cô trong Bộ môn Thiết bị điện- điện tử - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, sự giúp đỡ tận tình của bạn bè, đồng nghiệp, luận án đến nay đã hoàn thành. Để có luận án này, tác giả vô cùng biết ơn và bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc nhất đến hai thầy giáo hướng dẫn khoa học trực tiếp là TS. Nguyễn Thế Công và TS. Trần Tuấn Vũ luôn dành nhiều công sức, tâm huyết, thời gian và tận tình hướng dẫn nghiên cứu sinh trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tác giả chân thành cảm ơn Bộ môn Thiết bị điện- điện tử, Viện Điện và Phòng Đào tạo/ bộ phận Đào tạo sau đại học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện để nghiên cứu sinh có điều kiện thuận lợi nhất về thời gian và cơ sở vật chất trong quá trình thực hiện luận án. Tác giả cũng bày tỏ lời cảm ơn tới toàn thể thầy, cô giáo Bộ môn Điện kỹ thuật – Trường Đại học Xây dựng, nơi tác giả đang công tác đã tạo mọi điều kiện hỗ trợ để tác giả thuận lợi về thời gian học tập và nghiên cứu luận án. Tác giả cũng gửi lời cảm ơn tới PGS.TS Lưu Đức Thạch – Trưởng Khoa Cơ khí Xây dựng, đã tạo điều kiện thuận lợi về thời gian trong quá trình học tập và nghiên cứu luận án. Cuối cùng, tác giả dành lời cảm ơn tới bố mẹ, vợ, các con và gia đình đã luôn động viên về tinh thần trong những lúc khó khăn nhất để tác giả yên tâm nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tác giả luận án Nguyễn Đức Bắc ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .................................................................................. 1 LỜI CẢM ƠN ........................................................................................ ii MỤC LỤC ............................................................................................. iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ............................................................... v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................. vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ....................................................... viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .............................................................. ix MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................... 4 1.1 Tổng quan về động cơ servo....................................................................... 4 Phân loại động cơ servo .................................................................. 4 Ứng dụng của động cơ servo ........................................................... 4 Các chế độ làm việc của động cơ .................................................... 5 Sự khác biệt giữa động cơ servo và động cơ thường ...................... 9 1.2 Các nghiên cứu về thiết kế tối ưu động cơ servo ..................................... 10 1.3 Kết luận chương 1 .................................................................................... 13 CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ SERVO KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA .......................................................................................................................... 15 2.1 Thiết kế tối ưu đa mục tiêu động cơ servo ............................................... 15 Lý thuyết tối ưu ............................................................................. 15 Tối ưu đa mục tiêu......................................................................... 16 Ứng dụng tối ưu đa mục tiêu động cơ servo ................................. 25 2.1.3.1. Thông số kỹ thuật yêu cầu thiết kế ............................................. 27 2.1.3.2. Xây dựng bài toán thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ 3 pha ................................................................................................................ 27 2.1.3.3. Đặc tính động cơ tối ưu ............................................................... 31 2.2 Mô phỏng phần tử hữu hạn....................................................................... 34 Lý thuyết nghiêng rãnh rotor ......................................................... 34 Mô phỏng so sánh rãnh nghiêng rotor và rãnh thẳng .................... 35 2.3 Kết luận chương 2 .................................................................................... 39 CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG NHIỆT ĐỘNG CƠ SERVO ................................... 41 3.1 Phân tích nhiệt trong động cơ ................................................................... 41 iii
Đặt vấn đề ...................................................................................... 41 Nguyên lí cơ bản về truyền nhiệt và dẫn nhiệt trong động cơ ...... 42 3.1.2.1. Phát nóng và làm nguội trong vật thể đồng nhất ........................ 43 3.1.2.2. Độ chênh nhiệt độ theo chiều dày lớp cách điện ........................ 43 3.1.2.3. Tản nhiệt trên bề mặt .................................................................. 44 3.2 Mô hình phát nhiệt của động cơ ............................................................... 46 Đặt vấn đề ...................................................................................... 46 Mô hình nhiệt của động cơ ............................................................ 46 3.3 Tính toán độ tăng nhiệt ở chế độ nhiệt ổn định ........................................ 48 3.4 Mô phỏng nhiệt động cơ ........................................................................... 49 Kết quả mô phỏng nhiệt tại điểm làm việc liên tục ....................... 50 Kết quả mô phỏng nhiệt tại điểm làm việc ngắn hạn .................... 53 3.5 Kết luận chương 3 .................................................................................... 55 CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ............................. 57 4.1 Đặt vấn đề ................................................................................................. 57 4.2 Xây dựng mô hình 3D động cơ mẫu thử .................................................. 57 4.3 Chế tạo động cơ mẫu thử .......................................................................... 60 4.4 Thử nghiệm động cơ................................................................................. 62 4.5 Kết quả thử nghiệm và so sánh với mô phỏng ......................................... 63 Kết quả đo mômen, dòng điện tại một số điểm hoạt động ............ 63 Kết quả đo nhiệt động cơ............................................................... 72 4.6 Kết luận chương 4 .................................................................................... 77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................. 78 ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN .................................................... 79 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ............................................... 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................... 81 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ........................... 89 PHỤ LỤC A ......................................................................................... 90 PHỤ LỤC B ....................................................................................... 100 PHỤ LỤC C ....................................................................................... 109 PHỤ LỤC D ......................................................................................... 99 PHỤ LỤC E ....................................................................................... 111 iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Mô tả W Khối lượng điện từ của động cơ D Đường kính trong stator L Chiều dài mạch từ s Tần số trượt V Điện áp dây n Tốc độ động cơ f Tần số dòng stator Tm Mômen động cơ Is Dòng điện stator Sóng hài sức điện động Bm Mật độ từ thông v Vận tốc tiếp tuyến rotor τ Bước cực ξ Khoảng cách giữa điểm đầu và điểm cuối của thanh rotor pCu Tổn hao đồng trên dây quấn stator pAl Tổn hao đồng trên thanh dẫn rotor p Tổn hao sắt trong stator và rotor do từ trễ và dòng điện xoáy của từ trường chính sinh ra trong lõi sắt p . Tổn hao cơ do ma sát, quạt gió pstray Tổn hao phụ v
C Nhiệt dung riêng của vật thể α Hệ số tản nhiệt của bề mặt vật thể nóng θ Độ chênh nhiệt độ giữa bề mặt vật thể nóng với môi trường xung quanh θ0 Độ tăng nhiệt ban đầu θ∞ Nhiệt bão hòa T Hằng số phát nóng Q Nhiệt lượng Sc Tiết diện của đường truyền dòng nhiệt λc Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách điện δc Chiều dày lớp cách điện R Nhiệt trở o Hệ số tản nhiệt bề mặt trong môi trường tĩnh v Tốc độ dòng không khí k Hệ số tính đến sự chuyển dịch dòng không khí R Nhiệt trở của bề mặt tản nhiệt Rcd Nhiệt trở cách điện RFe Nhiệt trở bề mặt lõi sắt RCu Nhiệt trở bề mặt phần đầu nối θ Độ tăng nhiệt độ của dây quấn θ Độ tăng nhiệt độ của lõi sắt stator vi
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TT Chữ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt Sequential Quadratic 1 SQP Quy hoạch đa thức bậc 2 Programming 2 GA Genetic Algorithms Thuật toán di truyền 3 PSO Particle Swarm Optimization Phương pháp tối ưu bầy đàn 4 FEA Finite Element Analysis Phân tích phần tử hữu hạn 5 AC Alternating Curent Dòng điện xoay chiều 6 DC Direct Curent Dòng điện một chiều 7 EMF Electromotive force Sức điện động International Electrotechnical 8 IEC Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế Commission vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Các đặc tính làm việc của động cơ ............................................................ 6 Bảng 2.1. Kết quả áp dụng thuật toán SQP .............................................................. 22 Bảng 2.2. Kết quả hàm mục tiêu f1(x) và f2(x) ......................................................... 24 Bảng 2.3. Kết quả một số thông số chính của thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ ..................................................................................................................... 31 Bảng 2.4. Lựa chọn phương thức làm mát và mật độ dòng điện [62] ...................... 32 Bảng 2.5. Giá trị mômen và độ nhấp nhô theo góc nghiêng rotor ........................... 36 Bảng 3.1. Nhiệt độ giới hạn tương ứng các cấp cách điện ....................................... 42 Bảng 3.2. Hệ số tản nhiệt bề mặt ở môi trường tĩnh ................................................ 45 Bảng 3.3. Nhiệt độ bão hòa một số bộ phận động cơ với trường hợp nắp hở .......... 52 Bảng 4.1. Thông số kích thước của động cơ ............................................................ 58 Bảng 4.2. Kết quả một số thông số chính của động cơ servo mẫu thử .................... 61 Bảng 4.3. Kết quả đo mômen và dòng điện dây quấn stator khi điều chỉnh tần số tại n = 500 rpm, U = 340V ............................................................................................ 64 Bảng 4.4. Kết quả đo mômen và dòng điện dây quấn stator khi điều chỉnh tần số tại n = 500 rpm, U = 360V ............................................................................................ 65 Bảng 4.5. Kết quả đo mômen và dòng điện dây quấn stator khi điều chỉnh tần số tại n = 700 rpm, U = 350V ............................................................................................ 66 Bảng 4.6. Kết quả đo mômen và dòng điện dây quấn stator khi điều chỉnh tần số tại n = 700 rpm, U = 380V ............................................................................................ 68 Bảng 4.7. Bảng so sánh kết quả đầu vào giữa thiết kế tối ưu và thử nghiệm........... 70 Bảng 4.8. Kết quả so sánh giữa mô phỏng nhiệt và thực nghiệm tại tốc độ n = 500 rpm, chế độ làm việc ngắn hạn ................................................................................. 73 Bảng 4.9. Kết quả so sánh giữa mô phỏng nhiệt và thực nghiệm tại tốc độ n = 700 rpm, chế độ làm việc liên tục.................................................................................... 75 Bảng 4.10. Kết quả so sánh giữa mô phỏng nhiệt và thực nghiệm tại tốc độ n = 1000 rpm ............................................................................................................................ 76 viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Phân loại động cơ servo.............................................................................. 4 Hình 1.2. Một số ứng dụng động cơ servo ................................................................. 5 Hình 1.3. Đặc tính mômen – tốc độ của động cơ servo ............................................. 9 Hình 2.1. Biểu đồ phân bổ tượng trưng tối ưu đa mục tiêu Pareto .......................... 16 Hình 2.2. Đồ thị tượng trưng sử dụng thuật toán ɛ -constraint [48] ......................... 19 Hình 2.3. Kết quả hội tụ sử dụng thuật toán SQP các biến x1, x2 ............................ 22 Hình 2.4. Kết quả hội tụ sử dụng thuật toán SQP của hàm f1(x) và ràng buộc g1(x)23 Hình 2.5. Kết quả tính toán tối ưu mô phỏng Matlab .............................................. 24 Hình 2.6. Kết quả phân bổ Pareto hai hàm mục tiêu f1(x) và f2(x) .......................... 25 Hình 2.7. Lưu đồ thiết kế tối ưu đa mục tiêu động cơ servo không đồng bộ 3 pha . 26 Hình 2.8. Lưu đồ thuật toán tối ưu hai mục tiêu SQP kết hợp ɛ-constraint ............. 28 Hình 2.9. Trình tự các bước thiết kế ......................................................................... 29 Hình 2.10. Đặc tính phân bố tối ưu Pareto theo hai hàm mục tiêu .......................... 30 Hình 2.11. Đặc tính mômen theo tốc độ của động cơ tối ưu .................................... 32 Hình 2.12. Đặc tính công suất theo tốc độ ............................................................... 33 Hình 2.13. Đặc tính điện áp dây theo tốc độ ............................................................ 33 Hình 2.14. Đặc tính dòng điện stator theo tốc độ ..................................................... 34 Hình 2.15. Sức điện động cảm ứng trong thanh dẫn rotor [67]................................ 35 Hình 2.16. Kết quả mô phỏng FEA mômen và độ nhấp nhô theo góc nghiêng....... 36 Hình 2.17. Kết quả mô phỏng mômen cực đại tại 500 rpm rotor rãnh nghiêng ...... 37 Hình 2.18. Kết quả mô phỏng mômen cực đại tại 500 rpm rotor rãnh thẳng .......... 37 Hình 2.19. Kết quả mô phỏng mômen cực đại tại 3500 rpm, rotor rãnh nghiêng ... 38 Hình 2.20. Kết quả mô phỏng mômen cực đại tại 3500 rpm, rotor rãnh thẳng ....... 38 Hình 2.21. So sánh mô phỏng FEA và thiết kế tối ưu ............................................. 39 Hình 3.1. Hướng truyền nhiệt trong động cơ [88] .................................................... 47 Hình 3.2. Mô hình nhiệt động cơ.............................................................................. 48 Hình 3.3. Nhiệt độ động cơ theo thời gian, chế độ làm việc liên tục, làm mát tự nhiên .................................................................................................................................. 50 Hình 3.4. Mặt cắt nhiệt dọc trục của động cơ, làm mát tự nhiên, chế độ liên tục .... 51 Hình 3.5. Mặt cắt nhiệt ngang trục của động cơ, làm mát tự nhiên, chế độ liên tục 51 Hình 3.6. Nhiệt độ động cơ theo thời gian, chế độ làm việc liên tục, làm mát tự nhiên với thiết kế hở nắp .................................................................................................... 52 Hình 3.7. Mặt cắt nhiệt ngang trục của động cơ, làm mát tự nhiên, chế độ liên tục với thiết kế hở nắp. ......................................................................................................... 52 ix
Hình 3.8. Nhiệt độ động cơ theo thời gian, chế độ làm việc ngắn hạn, làm mát tự nhiên ......................................................................................................................... 53 Hình 3.9. Mặt cắt nhiệt dọc trục của động cơ, làm mát tự nhiên, chế độ ngắn hạn . 54 Hình 3.10. Mặt cắt nhiệt ngang trục của động cơ, làm mát tự nhiên, chế độ ngắn hạn .................................................................................................................................. 54 Hình 3.11. Nhiệt độ động cơ theo thời gian, chế độ làm việc ngắn hạn, làm mát tự nhiên khi thiết kế hở nắp .......................................................................................... 55 Hình 3.12. Mặt cắt nhiệt ngang trục của động cơ, làm mát tự nhiên, chế độ ngắn hạn khi thiết kế nắp hở .................................................................................................... 55 Hình 4.1. Mô phỏng 2D động cơ mẫu thử................................................................ 58 Hình 4.2. Mô phỏng 3D stator động cơ mẫu thử...................................................... 59 Hình 4.3. Mô phỏng 3D rotor động cơ mẫu thử ...................................................... 59 Hình 4.4. Mô phỏng 3D động cơ thiết kế ................................................................. 59 Hình 4.5. Rotor rãnh nghiêng mẫu thử ..................................................................... 60 Hình 4.6. Hình ảnh động cơ khi chế tạo ................................................................... 60 Hình 4.7. Động cơ mẫu thử chế tạo .......................................................................... 61 Hình 4.8. Thử nghiệm mẫu thử động cơ trên hệ thống đo test-bench. ..................... 62 Hình 4.9. Sơ đồ khối mô hình thử nghiệm động cơ ................................................. 63 Hình 4.10. Đặc tính mômen theo tần số tại n = 500 rpm, U = 340 V ...................... 64 Hình 4.11. Đặc tính mômen theo tần số tại n = 500 rpm, U = 360V ....................... 65 Hình 4.12. Kết quả thử nghiệm các thông số tại 500 rpm, U = 360 V, f = 32 Hz, chế độ làm việc ngắn hạn ................................................................................................ 66 Hình 4.13. Đặc tính mômen theo tần số tại n = 700 rpm, U = 350 V ...................... 67 Hình 4.14. Đặc tính mômen theo tần số tại n = 700 rpm, U = 380 V ...................... 68 Hình 4.15. Kết quả thử nghiệm các thông số tại 700 rpm, U = 380 V, f = 46 Hz, chế độ làm việc ngắn hạn ................................................................................................ 69 Hình 4.16. Kết quả thử nghiệm các thông số tại 700 rpm, U = 300 V, f = 38,6 Hz, chế độ làm việc liên tục ................................................................................................... 69 Hình 4.17. Kết quả thử nghiệm các thông số tại 1000 rpm, U = 380 V, f = 54,4 Hz, chế độ làm việc liên tục ............................................................................................ 70 Hình 4.18. Đặc tính mômen – tốc độ tính toán và kết quả đo tại các điểm hoạt động khác nhau .................................................................................................................. 71 Hình 4.19. Kết quả đo nhiệt độ động cơ tại 500 rpm, chế độ làm việc ngắn hạn .... 72 Hình 4.20. Kết quả mô phỏng nhiệt độ mẫu thử tại 500 rpm, chế độ làm việc ngắn hạn ............................................................................................................................ 73 Hình 4.21. Nhiệt độ dây quấn tại 500 rpm, chế độ làm việc ngắn hạn .................... 73 x
Hình 4.22. Kết quả đo nhiệt độ bão hòa của động cơ tại 700 rpm, chế độ làm việc liên tục ...................................................................................................................... 74 Hình 4.23. Kết quả mô phỏng nhiệt độ mẫu thử tại 1000 rpm, chế độ làm việc liên tục ............................................................................................................................. 74 Hình 4.24. Nhiệt độ bão hòa dây quấn tại 700 rpm, chế độ làm việc liên tục ......... 75 Hình 4.25. Kết quả đo nhiệt độ bão hòa của động cơ tại 1000 rpm, chế độ làm việc liên tục ...................................................................................................................... 75 Hình 4.26. Kết quả mô phỏng nhiệt độ mẫu thử tại 1000 rpm, chế độ làm việc liên tục ............................................................................................................................. 76 Hình 4.27. Nhiệt độ bão hòa dây quấn và vỏ tại 1000 rpm, chế độ làm việc liên tục .................................................................................................................................. 76 xi
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Sự phát triển của nền sản xuất công nghiệp gắn liền với sự phát triển của các hệ thống điều khiển. Xuất phát từ những yêu cầu mới khắt khe, các nhà máy sản xuất thông minh, tự động với các thiết bị máy móc hiện đại như CNC, robot… đang dần thay thế các loại máy móc lạc hậu và phương thức điều khiển, vận hành cũ. Xu hướng này kéo theo nhu cầu sử dụng động cơ servo trong điều khiển truyền động [1]–[3] đang ngày càng phát triển. Cách mạng công nghiệp 4.0 được đánh dấu bởi sự xuất hiện và mở rộng không ngừng của máy móc hiện đại, thiết bị sản xuất thông minh cùng với bước phát triển đột phá của nền công nghiệp cơ khí và điện tử chính xác, các hoạt động sản xuất được giao phần lớn cho robot thực hiện. Việc xuất hiện của động cơ servo đã góp phần thúc đẩy sự phát triển, nghiên cứu ngành tự động hoá ở nước ta, nhằm tăng chất lượng sản phẩm, mức độ an toàn, tiết kiệm chi phí nhân công và tăng năng suất sản phẩm. Tự động hóa nói riêng cũng như cách mạng công nghiệp 4.0 nói chung là một xu thế không thể đảo ngược. Hệ thống servo được tích hợp động cơ với bộ điều khiển đặc biệt cần thiết trong sản xuất hiện đại bởi chúng có khả năng điều khiển chính xác các thiết bị (như cánh tay robot) ở tốc độ cao với cơ chế cho phép thực hiện 3 loại điều khiển [4],[5]: vị trí, mômen, tốc độ hoặc kết hợp các cơ chế điều khiển này. Động cơ servo là bộ phận quan trọng trong hệ thống servo. Việc thiết kế động cơ servo phải đáp ứng yêu cầu ngày càng khắt khe trong các hệ thống này như mômen cao hơn, kích thước nhỏ hơn, thời gian đáp ứng nhanh [6]–[8]. Chính vì vậy, “Nghiên cứu thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc” là cấp thiết và có tính thời sự. Động cơ servo đòi hỏi nhiều tiêu chí và hoạt động trong một dải mômen - tốc độ rộng [9],[10]. Đề tài nghiên cứu thiết kế tối ưu bằng cách tối ưu các thông số kết cấu, điều khiển trong quá trình hoạt động. Cách tiếp cận này bao gồm kết hợp tối ưu thuật toán và mô hình đa vật lý để đạt được thiết kế tối ưu. Kết quả tối ưu nhận được bằng mô phỏng và kiểm nghiệm trên mô hình thực nghiệm. 2. Mục đích của đề tài Nghiên cứu, thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ 3 pha trên cơ sở tối ưu các thông số kết cấu, điều khiển trong quá trình hoạt động của động cơ. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu 1
Đối tượng nghiên cứu của luận án là động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu phương pháp thiết kế tối ưu đa mục tiêu động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc. - Nghiên cứu xây dựng mô hình mẫu thử ảo. 4. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp xây dựng mô hình, mô phỏng và thực nghiệm. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học Nghiên cứu phương pháp thiết kế tối ưu đa mục tiêu cho động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc. Kiểm nghiệm kết quả bằng phân tích phần tử hữu hạn và mô phỏng. Chế tạo mẫu thử, thử nghiệm đánh giá kết quả thiết kế tối ưu. Ý nghĩa thực tiễn Ở Việt Nam, trong lĩnh vực sản xuất động cơ điện, chủ yếu sản xuất động cơ không đồng bộ với tốc độ tối đa 3000 (v/ph). Động cơ servo chưa được nghiên cứu và sản xuất hoàn chỉnh. Việc nghiên cứu phương pháp thiết kế tối ưu động cơ servo, trên cơ sở mô phỏng và thực nghiệm, làm cơ sở cho nghiên cứu, thiết kế, chế tạo loại động cơ này. 6. Dự kiến các kết quả đạt được - Xây dựng thuật toán thiết kế tối ưu đa mục tiêu ngay từ bước mô hình áp dụng cho động cơ servo không đồng bộ 3 pha. - Xây dựng thuật toán tối ưu hai hàm mục tiêu đối với động cơ servo không đồng bộ 3 pha. Kết quả tối ưu được thể hiện trên phân bổ tối ưu đa mục tiêu Pareto. - Xây dựng mô hình mẫu thử ảo thông qua mô phỏng nhiệt - điện từ, thử nghiệm mẫu thử động cơ servo không đồng bộ 3 pha. 7. Kết cấu của luận án Toàn bộ luận án được chia thành phần mở đầu, 4 chương, kết luận và kiến nghị và 04 phụ lục, cụ thể các nội dung cơ bản như sau: Mở đầu Trình bày lý do để lựa chọn đề tài, mục đích, phạm vi, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và các đóng góp dự kiến của luận án. 2
Chương 1: Tổng quan Trình bày tổng quan về động cơ servo. Phân tích, đánh giá các nghiên cứu về động cơ servo. Qua đó chỉ ra các vấn đề còn tồn tại, đưa ra các vấn đề mà luận án cần tập trung giải quyết. Chương 2: Thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ 3 pha Trình bày phương pháp thiết kế tối ưu áp dụng cho động cơ servo. Nội dung phần này đưa ra phương pháp thiết kế sử dụng các thuật toán tối ưu hóa, nhằm giảm các vòng lặp chế tạo mẫu thử tốn kém về chi phí và thời gian của phương pháp thiết kế truyền thống. Bài toán thiết kế tối ưu động cơ servo, sử dụng tối ưu hóa đa mục tiêu với các ràng buộc được chọn để tìm ra kết quả thiết kế tối ưu. Phân bổ Pareto được đưa ra nhằm giúp người thiết kế lựa chọn kết cấu động cơ phù hợp nhất cho ứng dụng yêu cầu. Chương 3: Mô phỏng nhiệt động servo Trình bày nghiên cứu phân tích nhiệt trong động cơ servo ở các chế độ làm việc khác nhau và các điểm hoạt động khác nhau. Việc áp dụng mô phỏng nhiệt-điện từ trong quá trình thiết kế, giúp giảm yêu cầu về việc sản xuất nguyên mẫu và thử nghiệm, vì vậy giảm thời gian nghiên cứu chế tạo sản xuất và chi phí. Dựa trên các kết quả phân tích nhiệt và giới hạn ngưỡng nhiệt độ của các thành phần trong động cơ, nhằm lựa chọn phương thức làm mát để động cơ thiết kế vừa tối thiểu hóa khối lượng vừa đảm bảo mômen cực đại của động cơ servo. Chương 4: Thực nghiệm và đánh giá kết quả Chương 4 trình bày động cơ mẫu thử được chế tạo và thử nghiệm. Kết quả thử nghiệm đo các thông số như mômen, dòng điện,... tại một số điểm hoạt động khác nhau sẽ được so sánh với mô hình thiết kế tối ưu. Kết quả đo nhiệt của động cơ cũng sẽ được so sánh với kết quả phân tích nhiệt trong mô phỏng. Kết luận và kiến nghị Phần cuối cùng của luận án là kết luận về những đóng góp của luận án, những hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp theo. Phụ lục 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về động cơ servo Phân loại động cơ servo Động cơ servo được phân loại thành các động cơ servo một chiều, động cơ servo xoay chiều và động cơ bước [11]. Trong đó động cơ servo xoay chiều có động cơ servo đồng bộ và động cơ servo không đồng bộ. Sơ đồ phân loại động cơ servo được biểu diễn ở Hình 1.1. Hình 1.1. Phân loại động cơ servo Ứng dụng của động cơ servo Công nghệ servo ngày càng phát triển vì vậy ứng dụng của động cơ servo [12],[13] ngày càng được mở rộng. Một số hãng trên thế giới như Siemens, Mitsubishi, Panasonic đã chế tạo động cơ servo và được ứng dụng trong những ngành công nghiệp đòi hỏi độ chính xác cao như: gia công kim loại, băng tải, robot, CNC, cửa tự động. Sau đây là một số ứng dụng phổ biến của động cơ servo trong công nghiệp (Hình 1.2): +) Công nghệ robot: động cơ servo tại mỗi điểm hoạt động của robot được sử dụng để kích thích và hiệu chỉnh chuyển động, giúp cánh tay robot di chuyển những góc chính xác. +) Hệ thống băng chuyền: động cơ servo di chuyển, dừng băng tải chở sản phẩm theo các giai đoạn khác nhau như trong các dây chuyển đóng gói, đóng chai, dán nhãn …. +) Hệ thống theo dõi năng lượng mặt trời: động cơ servo điều chỉnh góc của tấm pin mặt trời để đảm bảo diện tích chiếu sáng lớn nhất. +) Máy CNC: động cơ servo cung cấp điều khiển chuyển động chính xác cho máy CNC, phay, máy tiện, máy cắt…để dập, ép, uốn các tấm kim loại. 4
(b) (a) (c) (d) Hình 1.2. Một số ứng dụng động cơ servo Ngoài ra còn rất nhiều ứng dụng của động cơ servo như: cửa tự động, điều khiển vị trí Ăn-ten trong các đài quan sát thiên văn, máy dệt công nghiệp, các máy in khắc công nghiệp... Các chế độ làm việc của động cơ Các chế độ làm việc của động cơ được phân thành 9 loại biểu thị từ S1 đến S9 dựa theo sự liên tục, thời gian làm việc ngắn hạn và theo chu kỳ [14], được thể hiện như trong Bảng 1.1. 5
Bảng 1.1. Các đặc tính làm việc của động cơ Stt Chế độ làm việc Đặc tính tải, nhiệt độ 1 Làm việc liên tục: S1 2 Làm việc ngắn hạn: S2 3 Làm việc theo chu kỳ: S3 6
Làm việc theo chu kỳ xét 4 đến thời gian khởi động/tăng tốc: S4 Làm việc theo chu kỳ bao gồm thời gian khởi 5 động/tăng tốc, tải không đổi, hãm và thời gian dừng: S5 Làm việc liên tục với mỗi chu kỳ bao gồm thời gian 6 khởi động, tải không đổi và hãm: S6 7