Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu điều khiển hệ thống truyền động sử dụng động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:128

Thêm vào BST

Báo xấu

29
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài nhằm nghiên cứu mô hình của hệ thống truyền động không tiếp xúc sử dụng động cơ đồng bộ phục vụ thử nghiệm; nghiên cứu ứng dụng điều khiển phi tuyến đảm bảo chất lượng hệ thống truyền động không tiếp xúc sử dụng ĐCĐB; kiểm chứng chất lượng điều khiển hệ thống bằng mô phỏng và thực nghiệm.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu điều khiển hệ thống truyền động sử dụng động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu

LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là Dương Quốc Tuấn, hiện đang công tác tại Bộ môn Tự động hóa – Khoa Điện – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể các nhà khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa được công bố trên bất cứ một công trình nào khác. Thái Nguyên, ngày tháng 03 năm 2020 Tác giả luận án Dương Quốc Tuấn i
LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận án này, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của các thầy cô, các anh chị, các em, các bạn và các tổ chức. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới: Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo, Khoa Điện của trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp thuộc Đại học Thái Nguyên, Viện Nghiên cứu Phát triển Công nghệ cao về Kỹ thuật Công nghiệp thuộc Đại học Thái Nguyên và Đại học Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận án. PGS.TS. Nguyễn Như Hiển và PGS.TS. Trần Xuân Minh, những người thầy kính mến đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi. Tập thể các nhà khoa học của Bộ môn Tự động hóa, Khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa của trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đã có những ý kiến đóng góp quý báu để tôi hoàn chỉnh bản luận án này. Xin chân thành cảm ơn bố mẹ, các em và người vợ yêu quý cùng con trai đã luôn luôn bên tôi, hết lòng thương yêu, quan tâm, sẻ chia, ủng hộ, động viên tinh thần, tình cảm, tạo điều kiện giúp tôi có nghị lực để hoàn thành quyển luận án này. Thái Nguyên, ngày tháng 03 năm 2020 Tác giả luận án Dương Quốc Tuấn ii
Mục lục MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................... v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................. vi DANH MỤC HÌNH VẼ .............................................................................................. x MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài .......................................................................................... 1 2. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu.................................................... 2 3. Mục tiêu của luận án ............................................................................................... 3 4. Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án .......................... 3 5. Bố cục của luận án .................................................................................................. 4 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐCĐB TỪ THÔNG DỌC TRỤC CÓ TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ 5 1.1 Mở đầu .................................................................................................................. 5 1.2 Sự phát triển của máy điện đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu từ thông dọc trục 6 1.3 Các kiểu máy điện từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu ....................... 7 1.3.1 Các cấu hình cơ bản của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục .................... 9 1.3.2 Lựa chọn cấu hình động cơ đồng bộ từ thông dọc trục ........................... 10 1.3.3 Mô hình truyền thống về ổ đỡ trục động cơ ............................................ 11 1.3.4 Mô hình ĐC thông dụng sử dụng ổ từ đỡ trục ĐC .................................. 11 1.3.5 Mô hình tích hợp ổ từ dọc trục vào động cơ đồng bộ từ thông dọc trục . 13 1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ........................................................ 14 1.4.1 Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................ 15 1.4.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước ............................................................ 16 1.5 Định hướng nghiên cứu của luận án ................................................................... 27 1.6 Kết luận............................................................................................................... 28 CHƯƠNG 2 : MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ THÔNG DỌC TRỤC KÍCH TỪ NCVC TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ DỌC TRỤC............................................. 29 2.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu ................................................................................................... 29 2.1.1 Cấu tạo ..................................................................................................... 29 iii
Mục lục 2.1.2 Nguyên lý làm việc động cơ đồng bộ từ thông dọc trục NCVC ............. 30 2.2 Mô hình toán học của động cơ từ thông dọc trục kích từ NCVC....................... 30 2.2.1 Đặt vấn đề ................................................................................................ 30 2.2.2 Mô hình toán học của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục tích hợp chức năng ổ từ dọc trục trên hệ tọa độ đồng bộ từ thông ........................................... 32 2.3 Tính toán lực hút dọc trục................................................................................... 35 2.3.1 Xác định lực dọc trục của ĐCĐB từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu 35 2.3.2 Mô hình toán học của ĐC AFPM ............................................................ 45 2.4 Kết luận............................................................................................................... 47 CHƯƠNG 3 : ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ THÔNG DỌC TRỤC 48 3.1 Cấu trúc điều khiển vectơ động cơ AFPM ......................................................... 48 3.1.1 Cấu trúc điều khiển tổng quát .................................................................. 48 3.1.2 Thiết kế điều khiển động cơ AFPM bằng phương pháp kinh điển ......... 49 3.1.3 Thiết kế điều khiển động cơ AFPM bằng phương pháp Backstepping-SMC 54 3.2 Các kết quả mô phỏng ........................................................................................ 60 3.2.1 Mô phỏng hệ thống với mạch vòng ngoài PID, mạch vòng dòng điện PID 61 3.2.2 Mô phỏng hệ thống với mạch vòng ngoài Backstepping-trượt ............... 66 CHƯƠNG 4 : HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .... 74 4.1 Hệ thống thí nghiệm ........................................................................................... 74 4.2 Kết quả thực nghiệm........................................................................................... 89 4.2.1 Động cơ chạy với tốc độ nhỏ hơn tốc độ định mức n=1500 vòng/phút .. 89 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 93 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ... 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 97 PHỤ LỤC ................................................................................................................ 108 iv
Danh mục các bảng biểu DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật nguồn DC GW INSTEK PSW 80-40.5 .......................78 Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật của Encoder RE30E-500-213-1 ...................................79 Bảng 4.3 Thông số kỹ thuật cảm biến đo khoảng cách SENTEC LS 500D-2A.......80 v
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Danh mục các ký hiệu Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa B, B T Mật độ từ thông, mật độ từ thông ở khe hở không khí C3/2, C2/3 Ma trận chuyển đổi từ hệ tọa độ ba pha sang hệ tọa độ 2 pha và ngược lại C3s/2r, C2r/3s Ma trận chuyển đổi từ hệ tọa độ cố định ba pha sang hệ tọa độ quay 2 pha và ngược lại C2s/2r, C2r/2s Ma trận chuyển đổi từ hệ tọa độ cố định 2 pha sang hệ tọa độ quay 2 pha và ngược lại L Ma trận điện cảm F1 , F2 N Lực điện từ do động cơ 1, động cơ 2 sinh ra FL N Lực ngoài tác động vào trục động cơ Fp, Fs, F Sức từ động kích từ, stđ tổng 3 pha stator, stđ tổng go mm Khe hở không khí giữa Stator và rotor i,i A Thành phần trục , của dòng điện iA, iB, iC A Các dòng điện pha id, iq A Dòng điện trên trục d,q Ip , If A Dòng kích từ một chiều isd, isq A Thành phần trục d,q của dòng điện stator J, jr KGm2 Mô men quán tính Knl Hệ số khuếch đại của nghịch lưu Lsd, Lsq H Thành phần điện cảm dọc trục, ngang trục M 1 , M 2 , m1 , m 2 Nm Mô men điện từ do động cơ 1, động cơ 2 sinh ra Mđt Nm Mô men điện từ N Số vòng dây np Số đôi cực R Ma trận điện trở Rs , Rr Điện trở cuộn dây stator, rotor S m2 Diện tích mặt cắt của đường sức từ Sp m2 Diện tích cực từ tại khe hở không khí vi
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt Tsd, Tsq s Hằng số thời gian Te, Tm s Hằng số thời gian điện từ, hằng số thời gian điện cơ u, u V Điện áp trên trục , uA, uB, uC V Các điện áp pha ud, uq V Điện áp trên trục d,q usd, usq V Thành phần trục d,q của điện áp stator Wm Năng lượng điện từ wl mm2 Kích thước mạch từ z mm Độ dịch chuyển của lõi thép, rotor ,  Wb Từ thông p Wb Từ thông cực từ  rad Góc lệch giữa trục d và trục   Wb Từ thông o Tm/A Độ từ thẩm của không khí s, 1 rad/s Tốc độ góc của từ trường stator , m rad Vị trí góc  s Hằng số thời gian Các chỉ số bên phải, trên cao: f đại lượng mô tả trên hệ tọa độ T4R (hệ tọa độ dq quay đồng bộ với vector từ thông. s, r đại lượng mô tả trên hệ tọa độ  cố định với stator, rotor vii
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt Danh mục các chữ viết tắt Chữ viết Ý nghĩa tắt Axial Flux Permanent Magnet (từ thông dọc trục kích thích vĩnh AFPM cửu) axial gap self- bearing machine (máy điện tự nâng có khe hở dọc AGBM trục) AMB Active Magnetic Bearing (ổ đỡ từ chủ động) AMM amorphous magnetic materials (vật liệu từ vô định hình) ĐB Đồng bộ ĐC Động cơ ĐCĐB Động cơ đồng bộ ĐH Đại học BSCCO Bismuth strontium calcium copper oxide CAN Controller Area Network CNC Computer Numeric Control (Điều khiển số dùng máy tính) CFD computational fluid dynamic (động học chất lỏng tính toán) DSP Digital signal processor (Xử lý tín hiệu số) DSSR Double stator single rotor (hai stator một rotor) EV electric vehicle (Xe điện) FEA Finite Element Analysis (Phân tích phần tử hữu hạn) FEM Finite element method (Phương pháp phần tử hữu hạn) Fractional-slot concentrated-winding (dây quấn tập trung rãnh FSCW phân số) FVA Finite Volume Analysis (phân tích thể tích hữu hạn) HTC high-temperature superconducting (siêu dẫn nhiệt độ cao) LQG Linear Quadratic Gaussian LSAFPM Line start AFPM (AFPM khởi động trực tiếp) Line start permanent magnet (Máy điện kích thích vĩnh cửu khởi LSPM động trực tiếp) MIMO multiple-input multiple-output (nhiều đầu vào nhiều đầu ra) NCVC nam châm vĩnh cửu NGTL NOVA Gas Transmission Ltd viii
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt NS North – South (Bắc – Nam) PC Personal Computer (máy vi tính) PPC PowerPC (Máy tính chuyên dụng) PID Proportional Integral Derivative (tỷ lệ vi tích phân) PM Permanent Magnet (Nam châm vĩnh cửu) Radial Flux Permanent Magnet (máy điện kích thích vĩnh cửu từ RFPM thông hướng tâm) LRU Least recently used SMC Sliding Mode Control (Điều khiển trượt) soft magnetic composites, soft magnetic compound (Hợp chất từ SMC mềm) SS South – South (Nam – Nam) SSDR Single stator double rotor (Một stator hai rotor) SSSR Single stator single rotor (Một stator một rotor) stđ sức từ động TFPM transverse flux PM () T4 R Tựa theo từ thông rotor XNCN Xí nghiệp công nghiệp YBCO yttrium barium copper oxide ix
Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Hình ảnh của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục, kích từ nam châm vĩnh cửu, có tích hợp ổ từ chặn chuyển động dọc trong dây quấn stator động cơ ......................2 Hình 1.1 ĐC điện-từ với rotor dạng đĩa theo bằng sáng chế số 405 858,1889 của N. Tesla (a- hình chiếu đứng, b- hình chiếu cạnh, c- mặt cắt dọc). .................................6 Hình 1.2 Các modul cơ bản của ĐC AFPM................................................................9 Hình 1.3 Các cấu hình của máy điện từ thông dọc trục NCVC ..................................9 Hình 1.4 Mặt cắt mô hình ĐC điện thông dụng ........................................................11 Hình 1.5 Ổ đỡ từ hướng tâm chủ động .....................................................................12 Hình 1.6 Mặt cắt mô hình ĐC điện thông dụng có tích hợp ổ đỡ từ hướng tâm và hướng trục (1: Trục; 2: Rotor; 3: Stator; 4: Ổ từ hướng tâm; 5: Ổ từ dọc trục). ......12 Hình 1.7 Cấu tạo ổ từ chủ động (AMB): hướng tâm (a), dọc trục (b). .....................13 Hình 1.8 Mặt cắt ĐC AFPM có tích hợp ổ đỡ từ hai đầu trục ..................................14 Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc của động cơ AFPM tích hợp chức năng ổ đỡ từ dọc trục ..29 Hình 2.2 Vector dòng stator khi ĐCĐB làm việc trong dải tốc độ quay danh định .31 Hình 2.3 Mô hình liên tục của của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục ....................35 Hình 2.4 Mạch từ lõi thép chữ C...............................................................................36 Hình 2.5 Quan hệ phi tuyến giữa từ thông móc vòng  và dòng điện i ...................39 Hình 2.6 Mô hình xác định các từ thông móc vòng của ĐC AFPM .........................41 Hình 2.7 Mô hình xác định từ thông móc vòng và lực đẩy kéo của stator 1 (a) và stator 2 (b) với rotor ............................................................................................................41 Hình 2.8 Sơ đồ thay thế mạch từ của ĐC đồng bộ từ thông dọc trục NCVC ...........42 Hình 2.9 Sơ đồ cấu trúc đầy đủ của ĐC AFPM có tích hợp ổ từ dọc trục ...............46 Hình 3.1 Cấu trúc điều khiển vectơ của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục ...........48 Hình 3.2 Cấu trúc dòng điện của động cơ AFPM .....................................................49 Hình 3.3 Mạch vòng điều khiển dòng điện có khâu tách kênh Rii. ..........................51 Hình 3.4 Mạch vòng điều khiển tốc độ .....................................................................52 Hình 3.5 Mạch vòng điều khiển khoảng cách trục ...................................................53 Hình 3.6 Cấu trúc mô phỏng điều khiển động cơ AFPM .........................................61 Hình 3.7 Kết quả mô phỏng động cơ AFPM trong chế độ làm việc với tốc độ định mức và chưa có lực dọc trục tác động. ......................................................................62 Hình 3.8 Kết quả mô phỏng động cơ AFPM trong chế độ làm việc với tốc độ định mức và có lực tác động dọc trục. ..............................................................................63 x
Danh mục hình vẽ Hình 3.9 Kết quả mô phỏng động cơ AFPM trong chế độ làm việc có tải và chưa có lực tác động dọc trục. ................................................................................................64 Hình 3.10 Kết quả mô phỏng động cơ AFPM trong chế độ làm việc có tải và có lực tác động dọc trục. ......................................................................................................65 Hình 3.11 Cấu trúc mô phỏng với bộ điều khiển Backstepping ...............................66 Hình 3.12 Kết quả mô phỏng với mạch vòng ngoài Backstepping-trượt .................67 Hình 3.13 Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển Backstepping động cơ không tải và có lực dọc trục tác động ............................................................................................68 Hình 3.14 Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển Backstepping động cơ có tải và không có lực dọc trục tác động ............................................................................................69 Hình 3.15 Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển Backstepping động cơ có tải và có lực dọc trục tác động .................................................................................................70 Hình 3.16 So sánh kết quả mô phỏng của hai phương pháp ....................................72 Hình 4.1 Cấu trúc của hệ thống thí nghiệm ..............................................................74 Hình 4.2 Động cơ AFPM ..........................................................................................75 Hình 4.3 Stator của động cơ AFPM ..........................................................................75 Hình 4.4 Sơ đồ đấu dây Stator của động cơ AFPM ..................................................75 Hình 4.5 Rotor của động cơ AFPM ..........................................................................76 Hình 4.6 Động cơ AFPM với tải là máy phát một chiều ..........................................76 Hình 4.7 Bộ nguồn một chiều lập trình được ............................................................77 Hình 4.8 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của encoder.............................................78 Hình 4.9 Encoder RE30E-500-213-1 của NIDEC COPAL ......................................79 Hình 4.10 Cảm biến đo khoảng cách SENTEC LS 500D-2A ..................................80 Hình 4.11 dSPACE DS1104 .....................................................................................81 Hình 4.12 Connector/LED panel CLP1104 ..............................................................82 Hình 4.13 Cấu trúc phần cứng của DS1104 ..............................................................83 Hình 4.14 Thư viện dSPACE RTI1104 ....................................................................86 Hình 4.15 Giao diện điều khiển hệ thống .................................................................87 Hình 4.16 Hệ thống thí nghiệm động cơ AFPM .......................................................87 Hình 4.17 Toolbars của ControlDesk .......................................................................88 Hình 4.18 Thiết lập thời gian quan sát thí nghiệm Capture settings .........................88 Hình 4.19 Kết quả thực nghiệm ĐC chạy với tốc độ nhỏ hơn tốc độ định mức ......90 Hình 4.20 Kết quả thực nghiệm động cơ với tốc độ bằng tốc độ định mức .............91 xi
Mở đầu MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Các hệ truyền động sử dụng động cơ điện (ĐC) xoay chiều đã được nghiên cứu phát triển và ứng dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng từ những năm 80 của thế kỷ 20, nhờ khả năng hoạt động tin cậy, chi phí thấp, kích thước nhỏ gọn, làm việc chắc chắn và giá thành rẻ. Tuy nhiên, vẫn còn một vấn đề tồn tại trong hệ truyền động xoay chiều là yêu cầu bảo dưỡng và thay thế các vòng bi cơ. Trong nhiều ứng dụng thực tế, vấn đề bảo dưỡng và thay thế vòng bi cơ thực sự rất khó khăn đòi hỏi chuyên gia trình độ cao hoặc chi phí rất lớn. Thêm vào đó, dầu bôi trơn không thể sử dụng trong môi trường chân không, môi trường nhiệt độ rất cao, rất thấp hoặc trong các môi trường yêu cầu rất sạch (chế biến dược phẩm, thực phẩm, công nghệ vật liệu,...) và tốc độ rất cao. Để đáp ứng được các yêu cầu này thì hệ thống truyền động không tiếp xúc sử dụng động cơ đồng bộ (ĐCĐB) là một trong những lựa chọn phù hợp nhất hiện nay và đang được đẩy mạnh nghiên cứu ở nhiều nước trên thế giới. Các lĩnh vực ứng dụng chính của hệ thống truyền động không tiếp xúc sử dụng ĐCĐB có thể phân loại sơ bộ như sau: - Nâng cao hiệu suất của hệ truyền động: Do trục quay của ĐCĐB chuyển động không có tiếp xúc với phần cố định, nên tổn hao do ma sát gần như bằng không. Điều này cho phép ĐCĐB làm việc với hiệu suất và tốc độ quay rất cao. Các ứng dụng dạng này thường tập trung vào các máy nén cao tốc, các máy công cụ [3]. - Các ngành công nghệ sạch: Trục quay của ĐCĐB không tiếp xúc với phần tĩnh do đó không có các hạt bụi do mài mòn tạo ra cũng như không cần sử dụng các chất bôi trơn. Kết quả là không gây ô nhiễm tới môi trường xung quanh. Với ưu điểm này hệ thống truyền động không tiếp xúc sử dụng ĐCĐB đang được đẩy mạnh nghiên cứu ứng dụng trong các ngành công nghệ vật liệu, công nghệ hóa học, công nghệ sinh học (bơm hóa chất [4], bơm máu trong tim nhân tạo [5][6]..) - Trong các môi trường khắc nghiệt: Nhờ vào việc loại bỏ được chất bôi trơn, hệ thống truyền động không tiếp xúc sử dụng ĐCĐB còn được nghiên cứu ứng dụng trong các môi trường rất lạnh [7], [8] Qua những phân tích đánh giá trên, dễ dàng nhận thấy rằng hệ thống truyền động không tiếp xúc sử dụng ĐCĐB là một sản phẩm khoa học công nghệ mới trên thế giới. Vì vậy, nghiên cứu về điều khiển động cơ đồng bộ bằng các bộ điều khiển hiện đại là rất cấp thiết và có nhiều ý nghĩa. 1
Mở đầu 2. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của luận án là nghiên cứu ĐCĐB từ thông dọc trục có tích hợp ổ đỡ từ dọc trục theo hướng thiết kế điều khiển để ĐC đồng thời sinh ra mô men quay và lực dọc trục để giữ rotor của ĐC ở vị trí cân bằng mà không cần bổ sung thêm ổ đỡ từ chặn chuyển động dọc trục. ĐC điện đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu (động cơ AFPM) có tích hợp ổ đỡ từ dọc trục, khi sử dụng hai ổ từ hướng tâm ở hai đầu trục như minh họa trên hình 1, hiện đang được xếp loại sản phẩm công nghệ cao chứa đựng nhiều hàm lượng chất xám và đồng thời cũng là sản phẩm công nghệ xanh mới, mặc dù có những hạn chế trong việc ứng dụng rộng rãi do kích thước lớn và giá thành cao,… Nhưng trong tương lai gần, khi các nghiên cứu sản xuất được các vật liệu mới để giảm kích thước và giảm giá thành thì sự thay thế của ĐC điện loại này cho ĐC điện thông dụng trong các lĩnh vực công nghệ sạch, thiết bị y tế, thiết bị quốc phòng và công nghiệp vũ trụ,… là điều tất yếu. Hình 1 Hình ảnh của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục, kích từ nam châm vĩnh cửu, có tích hợp ổ từ chặn chuyển động dọc trong dây quấn stator động cơ Phạm vi nghiên cứu: Luận án tập trung nghiên cứu tổng quan về AFPM, từ đó đề xuất chọn cấu hình nghiên cứu gồm: Động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu, có tích hợp ổ từ chặn chuyển động dọc trục trong dây quấn stator động cơ và hai ổ đỡ từ hướng tâm hai đầu trục. Trên cơ sở cấu hình đã chọn, tiến hành xây dựng mô hình toán học của ĐC sau đó thực hiện cấu trúc điều khiển đảm bảo ĐC vừa sinh 2
Mở đầu mô men quay vừa tạo lực dọc trục để giữ rotor tại vị trí cân bằng. Phân tích và lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp với đối tượng nhằm đạt được chất lượng điều khiển cao nhất. Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu sử dụng là kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm bằng máy tính và mô hình thực. Các vấn đề khoa học và công nghệ được tiến hành theo phương pháp kinh điển về nghiên cứu phát triển đó là: - Nghiên cứu lý thuyết chung về ĐCĐB tạo lực hút dọc trục. - Ứng dụng các phần mềm mô phỏng xây dựng cấu trúc và thuật điều khiển đảm bảo phân ly giữa lực nâng và mômen điện từ. - Nghiên cứu bằng thực nghiệm trên mô hình thực và hiệu chỉnh. 3. Mục tiêu của luận án Mục tiêu chung của luận án là nghiên cứu và thiết kế điều khiển cho hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng ĐCĐB từ thông dọc trục. Mục tiêu nghiên cứu của luận án được cụ thể như sau: - Nghiên cứu mô hình của hệ thống truyền động không tiếp xúc sử dụng ĐCĐB phục vụ thử nghiệm. - Nghiên cứu ứng dụng điều khiển phi tuyến đảm bảo chất lượng hệ thống truyền động không tiếp xúc sử dụng ĐCĐB. Kiểm chứng chất lượng điều khiển hệ thống bằng mô phỏng và thực nghiệm. 4. Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Những đóng góp mới - Xây dựng được mô hình toán cho động cơ AFPM và tính lực tác dụng dọc trục có kể đến tương tác của các dòng điện isd, isq và chuyển dịch dọc trục z; - Thiết kế được bộ điều khiển dòng điện với giải pháp tách kênh triệt để bằng các bộ bù phân ly; - Thiết kế bộ điều khiển tốc độ bằng phương pháp Lyapunov sử dụng kỹ thuật Backstepping; - Thiết kế thành công bộ điều khiển trượt cho mạch vòng vị trí. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm đã chứng minh các bộ điều khiển cho ba mạch vòng: Dòng điện, tốc độ và vị trí đáp ứng tốt các yêu cầu đề ra. Ý nghĩa khoa học của luận án 3
Mở đầu - Trong hệ thống truyền động này, trục của ĐC trước khi quay đã được nâng hoàn toàn trong không gian nhờ hai ổ đỡ từ hướng tâm nên nó không tiếp xúc với bất kỳ vật nào, do đó chuyển động quay của trục rotor không gây ra hao mòn, không có ma sát và không cần chất bôi trơn cũng như có khả năng chuyển động ở tốc độ rất cao. - Động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu sẽ tạo ra mô men quay trong hệ thống truyền động không tiếp xúc. Điều khiển thành công hệ truyền động này sẽ tạo ra sản phẩm có hàm lượng khoa học công nghệ. Ngoài ra cũng góp phần đáng kể trong việc tiếp cận và làm chủ được một ngành công nghệ tiên tiến trên thế giới về ứng dụng đệm từ trường. - Do có tính năng kết hợp vừa tạo mô men quay, vừa tạo lực hút dọc trục, nên động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu không phải sử dụng thêm ổ từ chặn chuyển động dọc trục. Ý nghĩa thực tiễn của luận án Kết quả nghiên cứu của luận án có thể ứng dụng điều khiển động cơ trong các hệ truyền động có tốc độ cao và siêu cao (bơm hêli lỏng trong máy chụp cộng hưởng từ), cho xe điện với công suất đến 130 KW, cho các hệ tích trữ cơ năng bằng bánh đà,… 5. Bố cục của luận án Luận án gồm phần mở đầu, 04 chương và kết luận, được bố cục như sau: Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục có tích hợp ổ đỡ từ Chương 2: Mô hình hóa ĐCĐB từ thông dọc trục có tích hợp ổ đỡ từ Chương 3: Điều khiển ĐCĐB từ thông dọc trục có tích hợp ổ đỡ từ Chương 4: Hệ thống thí nghiệm và kết quả thực nghiệm Kết luận và kiến nghị 4
Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐCĐB TỪ THÔNG DỌC TRỤC CÓ TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ 1.1 Mở đầu Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện tử công suất, vi xử lý và kỹ thuật máy tính,... thì việc điều chỉnh tốc độ ĐC xoay chiều trở nên dễ dàng và đạt được những chỉ tiêu chất lượng cao. Trong các ngành công nghiệp, các hệ thống truyền động điện sử dụng ĐC điện một chiều đang được thay thế bằng hệ thống truyền động điện sử dụng ĐC điện xoay chiều ba pha (ĐCXCBP). Do đó, các hệ thống truyền động biến tần điều khiển ĐCXCBP cũng phát triển mạnh mẽ và mang lại lợi ích kinh tế cao trong sản xuất. Các hệ truyền động ĐCXCBP đã được nghiên cứu phát triển và ứng dụng rộng rãi từ những năm 80 của thế kỷ trước nhờ khả năng hoạt động tin cậy, chi phí thấp, kích thước nhỏ gọn. Đặc biệt, hệ biến tần điều khiển ĐCXCBP đang được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm vì hệ thống này có nhiều ưu điểm như: tiết kiệm năng lượng; mômen mở máy lớn do vậy kéo được tải nặng khi khởi động; việc điều chỉnh tốc độ đơn giản; phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng; có khả năng điều chỉnh vô cấp tốc độ,... ĐCXCBP có các loại đồng bộ và không đồng bộ. Ưu điểm nổi bật của ĐCĐB là độ ổn định tốc độ cao, các chỉ tiêu năng lượng như hiệu suất, hệ số cosφ tốt, độ tin cậy cao. Chương này tập trung nghiên cứu tổng quan ĐCĐB từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu trong điều kiện ràng buộc là hai đầu trục của ĐC sử dụng hai ổ đỡ từ. Các ổ đỡ từ này chỉ đỡ cho trục rotor quay mà không chặn được dịch chuyển dọc trục của rotor. Để chặn dịch chuyển dọc trục của rotor khi quay, tác giả đề xuất loại ĐCĐB từ thông dọc trục có cấu tạo đặc biệt, vừa tạo ra mômen quay cho rotor vừa chặn được chuyển dịch dọc trục của nó. Điều đó, không làm tăng kích thước của ĐC và cũng không phải sử dụng thêm thiết bị chặn cơ khí nào. Máy điện đã trải qua một chặng đường phát triển dài, bắt đầu từ những thí nghiệm của Michael Faraday (1831) và ngày nay là những sản phẩm có thiết kế tinh tế do các kĩ sư tài giỏi chế tạo theo nhiều cách thức khác nhau với mục đích làm cho kích thước ĐC nhỏ hơn, mạnh mẽ hơn, mang tính động học và có hiệu suất tốt hơn. Các loại máy điện xoay chiều dùng nhiều trong sản xuất thường là ĐC điện không đồng bộ (KĐB), vì loại ĐC điện này có những đặc điểm như cấu tạo đơn giản, làm việc chắc chắn, bảo quản dễ dàng và giá thành hạ. 5
Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục Tuy nhiên, các ĐC điện đồng bộ (ĐB) do có những ưu điểm nhất định nên trong thời gian gần đây đã được sử dụng rộng rãi hơn và có thể so sánh với ĐC điện KĐB trong lĩnh vực truyền động điện. Về ưu điểm, trước hết phải nói là ĐC điện ĐB do được kích thích bằng dòng điện một chiều có thể làm việc với cos bằng 1 và không cần lấy công suất phản kháng từ lưới điện, kết quả là hệ số công suất của lưới điện được nâng cao, làm giảm được tổn thất điện áp lưới và tổn hao công suất trên đường dây. Ngoài ưu điểm chính đó, ĐC điện ĐB còn ít chịu ảnh hưởng đối với sự thay đổi điện áp của lưới điện do mômen của ĐC chỉ tỷ lệ với điện áp nguồn cung cấp (U), trong khi mômen của ĐC điện KĐB tỷ lệ với bình phương của điện áp nguồn cung cấp (U2). Vì vậy, khi điện áp của lưới bị sụt thấp do sự cố, khả năng giữ tải của ĐC điện ĐB lớn hơn; trong trường hợp đó nếu tăng kích thích, ĐC điện đồng bộ có thể làm việc an toàn và cải thiện được điều kiện làm việc của cả lưới điện. Cũng phải nói thêm rằng, hiệu suất của ĐC điện ĐB cao hơn hiệu suất của ĐC điện KĐB vì ĐC điện ĐB có khe hở tương đối lớn, khiến cho tổn hao sắt từ nhỏ hơn. Nhược điểm của ĐC điện ĐB so với ĐC điện KĐB ở chỗ cấu tạo phức tạp, đòi hỏi phải có máy kích từ hoặc nguồn cung cấp dòng điện một chiều khiến cho giá thành cao (chủ yếu đối với máy điện đồng bộ cực lồi công suất lớn). Hơn nữa, việc mở máy ĐC điện đồng bộ cũng phức tạp và việc điều chỉnh tốc độ của nó chỉ có thể thực hiện được bằng cách thay đổi tần số của nguồn điện cung cấp. 1.2 Sự phát triển của máy điện đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu từ thông dọc trục Hình 1.1 ĐC điện-từ với rotor dạng đĩa theo bằng sáng chế số 405 858,1889 của N. Tesla (a- hình chiếu đứng, b- hình chiếu cạnh, c- mặt cắt dọc). Khi tìm hiểu về lịch sử phát triển của máy điện cho thấy các máy điện đầu tiên là các máy điện từ thông dọc trục (M. Faraday, 1831, Nhà phát minh vô danh với các nam châm vĩnh cửu đầu tiên, 1832, W. Ritchie, 1833, B. Jacobi, 1834). Nguyên mẫu làm việc thô sơ đầu tiên của một máy điện từ thông dọc trục được ghi nhận là có dạng hình đĩa của M. Faraday (1831) [59]. 6
Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục Cấu tạo kiểu đĩa của các máy điện cũng xuất hiện trong các bằng sáng chế của N. Tesla, chẳng hạn bằng sáng chế của Mỹ số 405 858 [111] có tiêu đề ĐC điện - từ và được xuất bản năm 1889 (hình 1.1).Tuy nhiên, không lâu sau khi T. Davenport (1837) yêu cầu bảo hộ bằng sáng chế đầu tiên [35,106] cho một máy điện từ thông hướng tâm, các máy điện từ thông hướng tâm thông dụng được chấp nhận rộng rãi như là cấu hình chủ đạo đối với các máy điện [26,28]. Sự phát triển của máy điện từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu (Axial Flux Permanent Magnet - AFPM) khá chậm so với các máy điện từ thông hướng tâm kích từ nam châm vĩnh cửu (Radial Flux Permanent Magnet - RFPM) nguyên nhân là do thiếu công nghệ chế tạo máy điện AFPM [118] vì gặp phải các khó khăn như: Lực hấp dẫn từ tính dọc trục giữa stator và rotor lớn, chi phí cao liên quan đến chế tạo các lõi stator ghép bằng các lá thép và khó khăn trong lắp ráp máy điện để giữ cho khe hở không khí đều,…mặt khác, mặc dù hệ thống kích từ nam châm vĩnh cửu (NCVC) đầu tiên được áp dụng cho máy điện từ đầu những năm 1830, nhưng do chất lượng kém của các vật liệu từ cứng đã ngăn cản việc sử dụng NCVC. Việc phát minh ra hợp kim Alnico vào năm 1931, barium ferrite vào những năm 1950 và đặc biệt là vật liệu đất hiếm neodymium-iron-boron (NdFeB) được công bố năm 1983, đã cho phép sự trở lại của hệ thống kích từ NCVC. Hiện tại, sự sẵn có của các vật liệu NCVC năng lượng cao là động lực cho việc khai thác các cấu trúc máy điện kích từ NCVC mới và vì vậy đã thúc đẩy quá trình nghiên cứu chế tạo và ứng dụng máy điện AFPM. Giá của các NCVC đất hiếm đã giảm mạnh trong thập kỷ cuối của thế kỷ 20. Một khảo sát thị trường cho thấy rằng các NCVC NdFeB hiện nay có thể được mua ở vùng Viễn Đông với giá < U.S $20/kg. Với sự sẵn có của các vật liệu NCVC giá cả ngày càng rẻ hơn, các máy điện AFPM có thể đóng một vai trò quan trọng hơn trong tương lai gần. Ngày nay, máy điện AFPM đã trở thành đối tượng của nhiều nghiên cứu quan trọng khắp thế giới trong 30 năm qua và giờ đây có thể được xem như là một công nghệ chín muồi, bằng chứng là việc sử dụng chúng trong rất nhiều ứng dụng khác nhau, từ hàng tiêu dùng đến các ứng dụng công nghiệp cao và quân sự, từ các hệ thống năng lượng tái tạo đến vận tải, đó là những ứng dụng yêu cầu tính cực kỳ nhỏ gọn theo hướng trục đi đôi với mật độ mô men và hiệu suất cao. 1.3 Các kiểu máy điện từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu Về nguyên lý, mỗi kiểu của một máy điện từ thông hướng tâm (RFPM) sẽ có một phiên bản từ thông dọc trục tương ứng. Thực tế, máy điện AFPM được giới hạn ở ba kiểu sau: 7
Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục - Các máy điện cổ góp một chiều kích từ NCVC; - Các máy điện đồng bộ và một chiều không chổi than kích từ NCVC; - Các máy điện không đồng bộ (máy điện cảm ứng). Có thể phân biệt giữa máy điện một chiều có vành góp kích thích vĩnh cửu, máy điện một chiều không chổi than kích thích vĩnh cửu hay máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu có những điểm khác nhau. Máy điện một chiều không chổi than và máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu có cấu tạo giống nhau nhưng khác nhau về nguyên lý hoạt động. Dạng sóng sức điện động tạo ra bởi máy điện một chiều không chổi than có dạng hình thang. Các ĐC cổ góp một chiều AFPM vẫn là một lựa chọn linh hoạt và kinh tế cho một số ứng dụng công nghiệp, ứng dụng trong ô tô và thiết bị gia dụng nhất định như quạt gió, quạt thổi, xe điện cỡ nhỏ, dụng cụ điện máy, đồ gia dụng,… Trong các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung chủ yếu vào loại ĐCĐB từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu (gọi tắt là ĐC AFPM). Cuối năm 1970 đầu năm 1980, đã xuất hiện nhiều cấu trúc mới của ĐC AFPM (Campbell, 1975; Leung and Chan, 1980; Weh et al., 1984). Từ đó cho đến nay, sự quan tâm đến ĐC điện AFPM tăng lên đáng kể và tìm thấy trong nhiều ứng dụng do ưu điểm của chúng so với các ĐC điện đồng bộ từ thông hướng tâm (ĐC RFPM) thông dụng [19]. Chẳng hạn như: Vì được kích thích vĩnh cửu nên chúng có hiệu suất lớn hơn do tổn thất ở mạch kích từ được loại bỏ, giảm đáng kể tổn thất ở rotor. Hiệu suất của ĐC điện này vì vậy được cải thiện rất nhiều và mật độ công suất đạt được lớn. Cấu trúc từ thông dọc trục có rất ít vật liệu lõi cho nên đạt được tỷ số mô men/khối lượng cao. ĐC điện AFPM có các nam châm mỏng, do đó kích thước của chúng cũng nhỏ hơn so với các ĐC điện RFPM. Kích thước và hình dạng là những tính năng quan trọng trong các ứng dụng khi không gian lắp đặt có nhiều hạn chế, vì vậy tính tương thích là rất quan trọng. Tiếng ồn và rung động chúng tạo ra ít hơn so với các máy điện thông thường, hơn nữa các khe hở không khí của chúng phẳng và dễ dàng điều chỉnh. Những lợi ích này tạo cho ĐC AFPM nhiều ưu thế so với các máy điện thông dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau. Về mặt cấu tạo, ĐC AFPM có những nét đặc biệt riêng, chẳng hạn modul stator bao gồm: Modul đơn (Hình 1.2) chỉ có một bộ dây quấn và modul kép có hai bộ dây quấn chung một lõi và quay lưng vào nhau. Rotor cũng tương tự, modul rotor đơn chỉ một mặt có nam châm vĩnh cửu và modul kép thì cả hai mặt đều có nam châm vĩnh cửu (Hình 1.2). 8
Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục Hình 1.2 Các modul cơ bản của ĐC AFPM. 1.3.1 Các cấu hình cơ bản của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục Có nhiều cấu hình ĐC AFPM được phân chia chủ yếu dựa vào số lượng và cách bố trí các modul stator và rotor, ví dụ như trên hình 1.3. Cấu hình nào mà khả năng tạo mô men càng cao thì càng hấp dẫn. Trên hình 1.3, giới thiệu bốn cấu hình cơ bản theo modul (modul stator và modul rotor). Mô men được tạo ra với cấu hình thứ tư (hình 1.3.d), được kết hợp bởi 5 modul (hai modul stator kép, hai modul rotor đơn và một modul rotor kép), lớn gấp đôi so với mô men của cấu hình thứ hai và thứ ba là những cấu hình gồm có 3 modul (hình 1.3c: một modul stator kép và hai modul rotor đơn) và hình 1.3b (hai modul stator đơn và một modul rotor kép), và lớn hơn 4 lần mô men được tạo ra ở cấu hình thứ nhất, (hình 1.3a - một modul stator đơn và một modul rotor đơn). Hình 1.3 Các cấu hình của máy điện từ thông dọc trục NCVC a) 1 rotor 1 stator; (b) 1 rotor 2 stator; (c) 2 rotor 1 stator; (d) Cấu trúc nhiều tầng Cần chú ý rằng các cấu hình minh họa ở hình 1.3b và 1.3c có cùng khả năng tạo mô men và lựa chọn giữa hai cấu hình này phụ thuộc vào việc ứng dụng cần rotor bên trong hay rotor bên ngoài. Một số so sánh và ứng dụng như sau: - ĐC AFPM một tầng như 1.3a có các ứng dụng trong lực kéo công nghiệp, các truyền động điện cơ servo, quân sự, công nghiệp vận tải, và thang máy không hộp số vì cấu trúc nhỏ gọn và khả năng sinh mô men cao [52]. Nhược điểm cơ bản của máy điện này là lực dọc trục không cân bằng giữa stator và rotor, có thể vặn xoắn cấu trúc một cách dễ dàng [24]. Để đạt được mô men quay cực đại với lực dọc trục cực tiểu, 9