Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hệ điều khiển ổ từ chủ động tích hợp trong hệ truyền động động cơ bánh đà

Chia sẻ: Trần Văn Yan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:173

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án: Nghiên cứu thiết kế điều khiển phi tuyến cho ổ từ chủ động trong truyền động động cơ - bánh đà để nâng cao chất lượng của hệ. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hệ điều khiển ổ từ chủ động tích hợp trong hệ truyền động động cơ bánh đà

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN DANH HUY NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG TÍCH HỢP TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ- BÁNH ĐÀ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. BÙI QUỐC KHÁNH Hà Nội – 2019
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án hoàn toàn trung thực và chưa từng được tác giả khác công bố. Hà Nội, ngày 24 tháng 05 năm 2019 Người hướng dẫn khoa học Tác giả luận án PGS.TS Bùi Quốc Khánh Nguyễn Danh Huy i
LỜI CẢM ƠN Vượt qua một thử thách dài và khó khăn để có được kết quả này, tôi đã nhận được sự giúp đỡ, động viên của nhiều người. Tôi rất biết ơn thầy hướng dẫn PGS Bùi Quốc Khánh đã tận tình hướng dẫn chuyên môn và động viên tôi hoàn thành quyển luận án. Xin trân trọng cảm ơn các thầy, các cô, các bạn đồng nghiệp tại Bộ môn Tự động hóa Công nghiệp và nhiều bạn bè trong trường đã hỗ trợ, ủng hộ về mọi mặt trong quá trình nghiên cứu của tôi. Cảm ơn gia đình đã chia sẻ và tạo mọi điều kiện để tôi yên tâm hoàn thành công việc nghiên cứu cũng như tất cả công việc cơ quan, xã hội. Hà Nội, ngày 24 tháng 05 năm 2019 Nguyễn Danh Huy ii
MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT............................................................................................... vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ............................................................................................ vii MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... xv 1. CHƯƠNG 1 ................................................................................................................1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ - BÁNH ĐÀ TÍCH HỢP Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG ......................................................................................................................1 1.1. Lịch sử phát triển hệ tích lũy năng lượng dùng bánh đà .......................................1 1.2. Tổng quan về hệ truyền động động cơ - bánh đà có tích hợp ổ đỡ từ. ...................4 1.3. Phân tích nguyên lý chung hệ TĐ ĐC-BĐ có tích hợp ổ đỡ từ. .............................9 1.3.1. Nguyên lý làm việc của bánh đà. ....................................................................10 1.3.2. Nguyên lý làm việc của hệ truyền động động cơ – bánh đà............................. 11 1.3.3. Nguyên lý làm việc của ổ đỡ từ ...................................................................... 11 1.4. Tổng quan các phương pháp điều khiển ổ từ chủ động trong hệ truyền động động cơ-bánh đà. .................................................................................................................. 16 1.5. Định hướng nghiên cứu...................................................................................... 19 1.5.1. Chọn cấu hình ổ từ chủ động ......................................................................... 19 1.5.2. Xây dựng mô hình điều khiển ổ từ ..................................................................22 1.5.3. Thiết kế điều khiển ......................................................................................... 22 1.5.4. Xây dựng mô hình thử nghiệm........................................................................ 22 1.6. Kết luận ............................................................................................................. 22 2. CHƯƠNG 2 .............................................................................................................. 23 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ - BÁNH ĐÀ TÍCH HỢP Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG .................................................................................. 23 2.1. Động học quá trình điện cơ của ổ từ. .................................................................23 2.1.1. Động học quá trình điện cơ của ổ từ kép. ....................................................... 23 2.1.2. Phương trình trạng thái cho một ổ từ chủ động. ............................................. 25 2.2. Động lực học của hệ ổ từ chủ động trong truyền động động cơ-bánh đà. ........... 26 2.2.1. Phân tích lực cho hệ ổ từ. .............................................................................. 26 2.2.2. Động lực học của hệ ổ từ chủ động trong hệ tọa độ u, v, w . .......................... 30 2.2.3. Chuyển vị điều khiển. ..................................................................................... 41 2.2.4. Động lực học của bánh đà nâng bằng ổ từ trong hệ z, θx, θy . ......................... 44 2.3. Cấu trúc chung hệ điều khiển ổ từ tích hợp trong hệ TĐ ĐC-BĐ. ....................... 45 2.4. Phân tích mô hình điều khiển. ............................................................................ 47 2.4.1. Đặc điểm về điều khiển: ................................................................................. 47 iii
2.4.2. Đặc điểm về hoạt động: ................................................................................. 48 2.5. Kết luận. ............................................................................................................ 49 3. CHƯƠNG 3 .............................................................................................................. 50 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH CHO HỆ Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ - BÁNH ĐÀ ........................................................................................ 50 3.1. Phân tích tính phi tuyến của mô hình động lực học ổ từ .....................................50 3.2. Thiết kế tuyến tính hóa cho một ổ từ kép. ........................................................... 51 3.3. Thiết kế điều khiển nâng theo mô hình tuyến tính của một cặp ổ từ. ................... 56 3.3.1. Tổng hợp mạch vòng điều khiển vị trí. ........................................................... 56 3.3.2. Mô phỏng điều khiển nâng theo mô hình tuyến tính của một cặp ổ từ ............. 57 3.4. Thiết kế điều khiển nâng bánh đà theo mô hình tuyến tính của ổ từ. ................... 61 3.4.1. Mô phỏng hệ 3 ổ từ điều khiển tuyến tính. ...................................................... 63 3.5. Nhận xét. ........................................................................................................... 70 3.6. Kết luận. ............................................................................................................ 70 4. Chương 4 .................................................................................................................. 72 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO HỆ Ổ TỪ CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ – BÁNH ĐÀ THEO NGUYÊN LÝ PHẲNG ....................................................................... 72 4.1. Nguyên lý phẳng và điều khiển phẳng ................................................................ 72 4.1.1. Định nghĩa hệ phẳng...................................................................................... 72 4.1.2. Thiết kế quỹ đạo đặt. ...................................................................................... 75 4.2. Thiết kế điều khiển phẳng khi nâng cho hệ ổ từ của truyền động động cơ–bánh đà theo hệ tọa độ u, v, w. ...................................................................................................79 4.2.1. Thiết kế điều khiển theo phương pháp tựa phẳng. .......................................... 79 4.2.2. Thiết kế điều khiển quá trình nâng lên vị trí cân bằng. ...................................85 4.2.3. Thiết kế điều khiển duy trì ở vùng vị trí cân bằng. .......................................... 92 4.2.4. Thiết kế bù nhiễu bằng bộ bù feedforward...................................................... 94 4.3. Thiết kế điều khiển phẳng cho hệ bánh đà-ổ từ trong hệ z, θx, θy ........................ 96 4.3.1. Điều khiển nâng bánh đà lên vị trí cân bằng. ................................................. 96 4.3.2. Duy trì bánh đà ở vị trí cân bằng. ..................................................................98 4.3.3. Mô phỏng điều khiển phi tuyến hệ bánh đà ổ từ. ............................................ 99 4.4. Kết luận, đánh giá............................................................................................ 100 5. CHƯƠNG 5 ............................................................................................................ 101 5.1. Mô tả cấu hình thí nghiệm................................................................................ 101 5.2. Trình tự thực hiện thí nghiệm:.......................................................................... 101 5.2.1. Thiết lập ghép nối DSP với các tín hiệu vào/ra điều khiển hệ ổ từ. ............... 101 iv
5.2.2. Thiết lập ghép nối DSP với các tín hiệu vào/ra điều khiển động cơ truyền động bánh đà. .................................................................................................................. 104 5.3. Xây dựng giao diện thí nghiệm. ........................................................................ 105 5.3.1. Giao diện thí nghiệm điều khiển theo hệ u, v, w............................................ 106 5.3.2. Giao diện thí nghiệm điều khiển theo hệ u, v, w............................................ 108 5.4. Thí nghiệm và lấy kết quả của giai đoạn nâng tĩnh........................................... 110 5.4.1. Nâng tĩnh khi điều khiển theo u,v, w ............................................................. 110 5.4.2. Nâng tĩnh điều khiển theo z, θx, θy. ............................................................... 111 5.5. Thí nghiệm khởi động và duy trì tốc độ bánh đà. .............................................. 112 5.6. Thí nghiệm quá trình xả cho bánh đà. .............................................................. 114 5.7. Thí nghiệm điều khiển phi tuyến ....................................................................... 116 5.7.1. Xây dựng giao diện vận hành, giám sát cho phương pháp phi tuyến............. 116 5.8. Kết luận. .......................................................................................................... 119 6. PHỤ LỤC ............................................................................................................... 129 6.1. Thông số thiết kế .............................................................................................. 129 6.2. Thiết kế bánh đà............................................................................................... 129 6.3. Thiết kế ổ từ. .................................................................................................... 131 6.3.1. Tính toán lực nâng cho ổ từ ......................................................................... 132 6.3.2. Tính toán các thông số nam châm điện. ....................................................... 133 6.3.3. Chọn cảm biến đo vị trí và hệ đo vị trí. ........................................................ 135 6.3.4. Thiết kế cụm bệ đỡ bánh đà.......................................................................... 136 6.3.5. Thiết kế khung vỏ hệ bánh đà:...................................................................... 137 6.3.6. Cơ cấu lắp cảm biến. ................................................................................... 139 6.3.7. Chế tạo, lắp ráp bánh đà, nam châm và cảm biến vị trí. ............................... 139 6.3.8. Lắp ráp cụm nắp dưới: ................................................................................ 139 6.3.9. Lắp ráp cụm nắp trên: ................................................................................. 140 6.3.10. Lắp ráp bánh đà .......................................................................................... 141 6.3.11. Lắp ráp khung vỏ và cảm biến. .................................................................... 141 6.4. Thiết kế chế tạo các bộ biến đổi công suất, đo lường và điều khiển cho các ổ từ. 142 6.4.1. Thiết kế mạch khuyếch đại công suất ........................................................... 142 6.4.2. Thiết kế mạch điều khiển dòng điện.............................................................. 147 6.4.3. Hiệu chỉnh bộ điều chỉnh dòng điện ............................................................. 150 v
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Ghi chú Tiếng Anh Ý nghĩa FESS Flywheel Energy Store System Hệ thống tích trữ năng lượng bánh đà KERS Kinetic Energy Recovery Systems Hệ thống thu hồi năng lượng bằng động năng UPS Uninteruptible Power Supply Cấp nguồn không gián đoạn PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung MLS Magnetic Levitation System Hệ thống nâng từ DSP Digital Signal Proccessing Xử lý tín hiệu số ADC Analog to Digital Converter Chuyển đổi tương tự sang số DAC Digital to Analog Converter Chuyển đổi số sang tương tự SMC Sliding Mode Control Điều khiển chế độ trượt PID Proportional Integral Derivative Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân – đạo hàm DOD Depth of Discharge Độ xả sâu BBĐ Bộ biến đổi vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa Fem N Lực điện từ m kg Khối lượng bánh đà g m / s2 Gia tốc trọng trường e m Khe hở không khí z m Độ lệch vị trí đọc trục B Wb / m2 Mật độ từ thông L1 , L2 H Điện cảm cuộn dây nam châm R1 , R2  Điện trở cuộn dây nam châm  Độ từ thẩm của vật liệu sắt từ 0 Độ từ thẩm của môi trường chân không r Độ từ thẩm tương đối n Số vòng dây Wa Năng lượng tích trữ Ka Hệ số tỷ lệ với dòng điện Kn Hệ số tỷ lệ với độ dịch chuyển KP Hệ số khuếch đại của bộ điều khiển KD Hệ số đạo hàm của bộ điều khiển KI Hệ số tích phân của bộ điều khiển s Toán tử Laplace A m2 Tiết diện mạch từ  Hệ số cấu tạo nam châm ổ từ Fu , Fv , Fw N Lực điện từ của các ổ từ tại các góc u , v, w zu , zv , z w m Độ lệch vị trí tại các góc bánh đà Fze N Lực điện từ dọc trục M xe , M ye Nm Mô men điện từ lật theo trục x, y x ,  y rad Góc nghiêng theo trục x, y vii
Fzd N Lực nhiễu dọc trục M xd , M yd Nm Mô men nhiễu theo trục quay x, y Jx, J y, Jz N .m.s 2 Mô men quán tính theo các trục x, y, z r m Bán kính tác động của ổ từ lên bánh đà D m Đường kính vành ngoài bánh đà d m Đường kính vành trong bánh đà H m Chiều dày bánh đà i1u , i1v , i1w A Dòng điện các cuộn dây nam châm i2u , i2v , i2 w I0 A Dòng điện tiền từ hóa (dòng điện lệch) Tbx s Chu kỳ điều chế độ rộng xung của bộ biến đổi viii
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Bánh đà đã được thử nghiệm bởi USFS. ...................................................3 Hình 1.2. Hệ bánh đà do hãng Pillar (Đức) chế tạo. ................................................3 Hình 1.3. Hệ thống FES dùng bánh đà của hãng Beacon Power. .............................4 Hình 1.4. Một số kiểu FESS cỡ nhỏ dùng bánh đà. ..................................................4 Hình 1.5. Hệ thống động cơ - bánh đà với ổ từ 5 bậc tự do. .....................................5 Hình 1.6. Cấu tạo hệ thống bánh đà tích trữ năng lượng điển hình. .........................9 Hình 1.7. Nguyên tắc cơ bản nam châm điện. ........................................................ 12 Hình 1.8. Mô hình hệ nâng vật bằng lò xo. ............................................................ 12 Hình 1.9. Cấu trúc cơ bản của ổ từ chủ động. ........................................................ 13 Hình 1.10. Đặc tính quan hệ lực điện từ theo dòng điện. .......................................15 Hình 1.11. Hệ nâng từ bằng nam châm kép (ổ từ kép)............................................ 15 Hình 1.12. Cấu hình hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ làm mô hình thử nghiệm. .................................................................................................................. 20 Hình 1.13. Cấu hình hệ ổ từ của mô hình thử nghiệm. ........................................... 21 Hình 2.1. Mô tả ổ từ kép với hai nam châm điện. ................................................... 24 Hình 2.2. Cấu trúc một cơ cấu ổ từ. .......................................................................25 Hình 2.3. Phân tích lực bánh đà trong các hệ tọa độ. ............................................ 26 Hình 2.4. Tính quy đổi giữa hệ (u, v, w) và (z,  x ,  y ) về vị trí và lực. .................... 28 Hình 2.5. Mô tả các ổ từ tương đương trong hệ ( z ,  x ,  y ) .....................................41 Hình 2.6. Tương quan giữa các dòng điện i2 z , i2 x , i2 y và i2u , i2v , i2w .......................... 43 Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý điều khiển ổ từ chủ động trong mô hình truyền động động cơ -bánh đà............................................................................................................ 46 Hình 2.8. Cấu trúc điều khiển ổ từ trong hệ ổ từ chủ động trong mô hình truyền động động cơ -bánh đà. ..................................................................................................47 Hình 3.1. Quan hệ giữa lực F và dòng điện i của các nam châm điện .................... 51 Hình 3.2. Nguyên lý ổ từ với dòng điện tiền từ hóa ................................................ 51 ix
Hình 3.3. Cấu trúc điều khiển ổ từ kép khi có dòng tiền từ hóa I0........................... 52 Hình 3.4. Đặc tính F(iC) với các giá trị I0 khác nhau.............................................. 54 Hình 3.5. Cấu trúc ổ từ tại điểm làm việc tuyến tính .............................................. 54 Hình 3.6. Đặc tính F(iC) với các giá trị I0 khác nhau khi y=0 (điểm cân bằng). .....55 Hình 3.7. Đặc tính F(y) với các giá trị I0 khác nhau khi iC=0.................................55 Hình 3.8. Đặc tính F(iC) với I0 = 1,8A khi z thay đổi .............................................. 56 Hình 3.9. Đặc tính F(iC) với I0 = 1,8A tại z=0 (điểm cân bằng) ............................. 56 Hình 3.10. Cấu trúc mạch vòng vị trí lân cận điểm cân bằng. ................................ 57 Hình 3.11. Kết quả mô phỏng điều khiển ổ từ theo mô hình tuyến tính hóa. ........... 57 Hình 3.12. Cấu trúc điều khiển đầy đủ cho một ổ từ theo mô hình tuyến tính. ........ 58 Hình 3.13. Mô phỏng ổ từ đơn nâng từ điểm (z  0,01mm) tới điểm cân bằng với mạch vòng dòng điện lý tưởng và không có hạn chế tốc độ lượng đặt. ................... 58 Hình 3.14. Mô phỏng ổ từ đơn nâng từ điểm (z  0,1mm) tới điểm cân bằng với mạch vòng dòng điện lý tưởng và có hạn chế tốc độ lượng đặt. .......................................59 Hình 3.15. Vị trí (a), dòng điện (b), điện áp (c), của ổ từ với nguồn 250VDC ........ 60 Hình 3.16. Cấu trúc điều khiển tuyến tính hệ bánh đà ổ từ theo z,x ,y . ................ 63 Hình 3.17. Vị trí z,x ,y (a); zu ,zv , zw (b); dòng điện iz , i x , i y (c) và iu , iv , iw (d) với vị trí ban đầu nằm ngang, không có nhiễu. ............................................................ 64 Hình 3.18. Vị trí z,x ,y (a); zu ,zv ,zw (b); dòng điện điều khiển iz , i x , i y (c) và iu , iv , iw (d) với vị trí ban đầu nghiêng, không có nhiễu ngoài tác động................... 65 Hình 3.19. Vị trí z,x ,y (a); zu ,zv ,zw (b); dòng điện iz , i x , i y (c) và iu , iv , iw (d) với vị trí ban đầu nghiêng, có nhiễu ngoài tác động lên bánh đà. ................................ 66 Hình 3.20. Lực nhiễu tác động lên bánh đà tại các góc (a) và dao động vị trí (b). .67 Hình 3.21. Động học bánh đà khi quay. .................................................................68 Hình 3.22. Vị trí z,x ,y khi bánh đà không quay (a) và quay (b), có nhiễu. ......... 68 Hình 3.23. Tốc độ quay và lực nhiễu tác động vào bánh đà khi tăng tốc. ............... 69 x
Hình 3.24. Vị trí z,x ,y khi nâng bánh đà từ vị trí ban đầu xa điểm cân bằng. ....69 Hình 4.1. Cấu trúc tựa phẳng với mô hình ngược làm bộ điều khiển feedforward. .73 Hình 4.2. Cấu trúc điều khiển tựa phẳng với 2 bộ điều khiển feedforward và feedback. .............................................................................................................................. 74 Hình 4.3. Cấu trúc điều khiển tựa phẳng với khâu tạo quỹ đạo đặt ........................ 74 Hình 4.4. Bộ điều khiển truyền thẳng (tính toán dòng điện đặt). ............................ 83 Hình 4.5. Cấu trúc điều khiển tựa phẳng cho hệ đối xứng......................................86 ** ** Hình 4.6. Quỹ đạo đặt z j1 , z j 2 và z j1 , z j2 ................................................................ 87 Hình 4.7. Quỹ đạo đặt, quỹ đạo thực khi chưa có khâu bù sai lệch mô hình. .......... 87 Hình 4.8. Khâu bù sai lệch mô hình. ......................................................................88 Hình 4.9. Cấu trúc điều khiển phẳng có bù sai lệch mô hình cho ổ từ góc u........... 88 Hình 4.10. Vị trí (a), điện áp (b), dòng điện (c), của ổ từ điều khiển phẳng............ 89 Hình 4.11. Vị trí (a), điện áp (b), dòng điện (c), của ổ từ điều khiển phẳng............ 90 Hình 4.12. Vị trí (a), điện áp (b), dòng điện (c), của ổ từ điều khiển phẳng............ 91 Hình 4.13. Vị trí (a), dòng điện (b), của ổ từ .......................................................... 93 Hình 4.14. Vị trí các góc (a) khi có lực nhiễu cân bằng tác động (b)...................... 94 Hình 4.15.Cấu trúc hệ điều khiển tựa phẳng với khâu bù nhiễu feedforward.. .......94 Hình 4.16. Khâu bù nhiễu feedforward. .................................................................95 Hình 4.17. Vị trí (a) và lực nhiễu tác động (b) khi hệ có bù feedforward. ............... 95 Hình 4.18. Vị trí các góc u, v, w của bánh đà khi có nhiễu không đối xứng. ........... 96 Hình 4.19. Khâu bù sai lệch mô hình và tính toán dòng điện cho trục z. ................ 97 Hình 4.20. Khâu bù và tính toán dòng điện đặt cho chuyển động  x ...................... 98 Hình 4.21. Cấu trúc điều khiển phẳng hệ ổ từ chủ động trong hệ z, x , y ............. 98 Hình 4.22. Vị trí zu , z v , z w (a); z, x , y (b) khi nhiễu tác động lên bánh đà (c) trong một quá trình hoạt động của hệ truyền động động cơ – bánh đà ............................ 99 Hình 5.1. Cấu hình hệ thí nghiệm. ....................................................................... 101 Hình 5.2. Cấu hình kênh vào đo vị trí cho dS-1104. ............................................. 102 xi
Hình 5.3. Cấu hình kênh ra đặt dòng điện cho dS-1104. ...................................... 104 Hình 5.4. Cấu hình hệ truyền động động cơ để nạp (quay) và xả (hãm) cho bánh đà. ............................................................................................................................ 104 Hình 5.5. Biến tấn và trở xả để nạp và xả cho bánh đà ........................................ 105 Hình 5.6. Giao diện điều khiển tuyến tính theo u, v, w. ........................................ 106 Hình 5.7. Phần nhập vị trí đặt, hiển thị vị trí thực và sai lệch vị trí mỗi góc......... 107 Hình 5.8. Phần nhập các thông số bộ PID điều chỉnh vị trí.................................. 107 Hình 5.9. Phần hiển thị các giá trị ra của của bộ điều khiển vị trí và của từng thành phần (P, I, D) của bộ điều chỉnh .......................................................................... 107 Hình 5.10. Phần đặt dòng từ hóa I0 và hiển thị dòng điện đặt ............................. 107 Hình 5.11. Giao diện điều khiển tuyến tính theo z, θx, θy. .................................... 108 Hình 5.12. Phần giao diện nhập vị trí, góc đặt, hiển thị vị trí và góc thực khi điều khiển theo z, θx, θy............................................................................................... 109 Hình 5.13. Phần nhập các thông số bộ điều chỉnh vị trí. ...................................... 109 Hình 5.14. Phần hiển thị các giá trị ra của của bộ điều khiển z, θx, θy và giá trị chuyển đổi sang u, v, w ........................................................................................ 109 Hình 5.15. Phần đặt dòng từ hóa I0 và hiển thị dòng điện đặt .............................. 109 Hình 5.16. Vị trí và góc nghiêng khi nâng tĩnh theo u, v, w .................................. 110 Hình 5.17. Vị trí và góc nghiêng khi nâng tĩnh theo z, θx, θy ................................. 111 Hình 5.18. Vị trí và góc nghiêng khi quay ở 1350 v/phút...................................... 113 Hình 5.19. Vị trí và góc nghiêng tại thời điểm hãm bánh đà dùng (xả). ............... 115 Hình 5.20. Giao diện thử nghiệm thuật toán tạo quỹ đạo đặt. .............................. 116 Hình 5.21. Thử nghiệm tạo quỹ đạo đặt vị trí trên ControlDesk ........................... 117 Hình 5.22. Thử nghiệm tạo quỹ đạo đặt dòng điện trên ControlDesk. .................. 117 Hình 5.23. Tín hiệu ra đặt dòng điện thực của dS1104......................................... 118 Hình 5.24. Sai lệch tín hiệu ra đặt dòng điện thực do giới hạn tốc độ tính toán của dS1104................................................................................................................. 118 Hình 6.1. HÌnh dạng bánh đà mô hình. ................................................................ 129 Hình 6.2. Thiết kế chi tiết bánh đà. ...................................................................... 131 xii
Hình 6.3. Thiết kế trục bánh đà. ........................................................................... 131 Hình 6.4. Tính chọn kích thước mạch từ. ............................................................. 133 Hình 6.5. Kích thước mạch từ nam châm. ............................................................ 134 Hình 6.6. Thiết kế cụm nam châm. ....................................................................... 134 Hình 6.7. Bố trí lắp ổ từ và ghép nối bánh đà – động cơ/máy phát. ...................... 137 Hình 6.8. Thiết kế khung vỏ ngoài........................................................................ 138 Hình 6.9. Thiết kế nắp trên và nắp dưới. .............................................................. 138 Hình 6.10. Thiết kế cơ cấu lắp cảm biến. ............................................................. 139 Hình 6.11. Cụm nắp dưới đã lắp ráp.................................................................... 140 Hình 6.12. Cụm nắp trên đã lắp ráp..................................................................... 140 Hình 6.13. Hệ ổ từ - bánh đà – đông cơ đã lắp ráp. ............................................. 141 Hình 6.14. Lắp đặt khung vỏ và cảm biến. ........................................................... 141 Hình 6.15. Sơ đồ nguyên lý ghép nối IR2110 cho mạch lực.................................. 143 Hình 6.16. Cảm biến đo dòng Hall và cách kết nối. ............................................. 144 Hình 6.17. Mạch công suất với đo dòng dùng LA25P. ......................................... 144 Hình 6.18. Sơ đồ mạch lực bộ biến đổi. ............................................................... 145 Hình 6.19. Mạch lực bộ băm xung đã lắp ráp. ..................................................... 146 Hình 6.20. Mạch vòng dòng điện điều khiển các nam châm điện. ........................ 148 Hình 6.21. Mạch điều khiển dòng điện. ................................................................ 149 Hình 6.22. Mạch điều khiển đã lắp ráp. ............................................................... 150 Hình 6.23. Đáp ứng bộ điều khiển dòng điện. ...................................................... 151 xiii
DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1. Thông số mô hình thực nghiệm …………………………………………….42 xiv
Mở đầu MỞ ĐẦU i. Tính cấp thiết của việc nghiên cứu nghiên cứu hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động. Hệ truyền động động cơ – bánh đà (TĐ ĐC-BĐ) là hệ mà trong đó ngoài động cơ thì có thêm bánh đà. Trong hệ này bánh đà cũng đóng vai trò là một thành phần của nguồn động lực, có vai trò hỗ trợ cho động cơ. Trong các hệ thống có bánh đà thông thường thì bánh đà nối với động cơ qua cơ cấu truyền giảm tốc, ví dụ như trong các cơ cấu truyền động trục cán, máy nghiền, truyền động cho các phương tiện hạng nặng như đường sắt, đường thủy. Tuy nhiên, một hướng ứng dụng mới và đang rất được quan tâm nghiên cứu của hệ TĐ ĐC-BĐ là trong hệ thống lưu trữ năng lượng bằng bánh đà (FESS - ﬂywheel energy storage system). Trong hệ này, năng lượng được tích lũy bằng động năng của bánh đà, động cơ truyền động cho bánh đà quay lên tốc độ rất cao khi nạp năng lượng. Năng lượng sau đó có phát ra dưới dạng cơ năng khi bánh đà truyền chuyển động quay cho phụ tải cơ. Nếu phụ tải cơ của bánh đà là máy phát điện thì FESS có thể cung cấp điện năng cho hệ thống. FESS đã được ứng dụng trong các lĩnh vực công nghệ cao, thiết bị đặc biệt và bắt đầu được nghiên cứu để ứng dụng rộng rãi hơn trong các máy móc, thiết bị phục vụ đời sống. Một số lĩnh vực trong đó ứng dụng FESS hiệu quả như là: - Làm nguồn dự phòng tác động nhanh, ví dụ UPS bảo vệ cho các hệ thống dữ liệu khi mất điện lưới. FES có thể cung cấp công suất tới megawatt để đảm bảo khả năng đáp ứng nhanh của lưới điện tại một khu vực. - Dùng để truyền động cho bơm làm mát thanh nhiên liệu trong lò phản ứng nhà máy điện hạt nhân khi mất điện. FES có thể truyền động trực tiếp cho bơm hoặc phát điện. - Cung cấp công suất đỉnh cho lưới điện và là một phần quan trọng trong hệ thống quản lý phân phối năng lượng trong các hệ thống dùng nguồn năng lượng tái tạo (năng lượng gió hay năng lượng mặt trời). xv
Mở đầu - Ứng dụng trong các cơ cấu phục hồi năng lượng (KERS) trên các ô tô lai giúp tăng hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu. - Có thể dùng làm thiết bị nạp và cấp năng lượng cho các xe bus chạy điện trong thành phố mà không cần dùng pin hay acquy là các thiết bị rất không thân thiện với môi trường. Theo nguyên lý cơ học, động năng tích trữ trong bánh đà tỷ lệ bậc hai với tốc độ quay, tỷ lệ bậc hai với bán kính bánh đà (bậc 4 nếu dạng hình trụ dài), và tỷ lệ với khối lượng. Các yếu tố bán kính và khối lượng là các thông số cấu tạo, về cơ bản để tăng các thông số đó cũng đồng nghĩa với việc phải tăng kích thước thiết bị, dùng vật liệu có trọng lượng riêng lớn do đó tăng giá thành hệ thống. Khía cạnh khác, khi kích thước lớn, khối lượng lớn sẽ ảnh hưởng đến khả năng làm việc ổn định, bền bỉ của hệ thống. Trong khi đó, việc tăng tốc độ mang lại đạt hiệu quả tích trữ năng lượng cao hơn nhiều và cho phép hệ có kích thước nhỏ nhưng khả năng lưu trữ năng lượng lớn, tức là mật độ năng lượng, mật độ công suất cao. Do vậy, trong thực tế truyền động bánh đà thường được thiết kế để làm việc ở vùng tốc độ rất cao (10.000 – 60.000 vòng/phút). Thông thường, bánh đà gồm cả bánh đà tốc độ cao có thể dùng ổ đỡ cơ khí. Dùng ổ đỡ cơ khí cho phép hệ thống có cấu tạo đơn giản nhưng đòi hỏi công nghệ, chất lượng gia công, và vật liệu đặc biệt, mặc dù vậy vẫn không đảm bảo hoạt động được ở tốc độ cao với thời gian dài, đặc biệt với tốc độ rất cao như nêu trên. Sử dụng ổ đỡ cơ gây hạn chế rất nhiều cho hệ do các vấn đề: - Ma sát lớn, đây là nguyên nhân chính gây tổn hao năng lượng của bánh đà. Ma sát trong hệ TĐ BĐ-ĐC gồm ma sát của ổ đỡ cơ khí, mặc dù ổ đỡ cơ khí có cấu tạo và chất lượng cao vẫn là kiểu ổ cơ, tiếp xúc cơ khí nên vẫn gây tổn thất. Ma sát gây tổn thất chính cho bánh đà là ma sát với không khí khi bánh đà quay tốc độ cao. Để loại trừ ma sát này, hệ truyền động bánh đà được đặt trong buồng chân không hoặc áp suất thấp. - Ổ đỡ cơ khí, phải bảo dưỡng, thay thế thường xuyên do tuổi thọ ngắn. Điều này gần như không thể cho phép thực hiện đối với hệ bánh đà phải làm việc liên tục, ví dụ như trong các hệ thống cấp nguồn không gián đoạn UPS. xvi
Mở đầu Do vậy, các hệ truyền động động cơ - bánh đà cần dùng một giải pháp khác làm ổ đỡ để nâng cao chất lượng, đó là dùng các cơ cấu nâng bằng từ trường (ổ từ). Cơ cấu ổ từ khắc phục hoàn toàn các hạn chế của ổ bi cơ sẽ không có tiếp xúc cơ, do vậy không có ma sát và không cần bảo dưỡng, bôi trơn. Với việc dùng ổ đỡ từ để nâng bánh đà đã loại bỏ được ma sát, hao mòn và bảo dưỡng, qua đó cho phép phát huy tối đa tính năng để trở thành một thiết bị lưu trữ và cung cấp năng lượng tiên tiến và thân thiện với môi trường. Chúng góp phần mạnh mẽ trong việc phát triển các thiết bị lưu trữ và cung cấp điện năng từ các nguồn năng lượng tái tạo hoặc thay thế cho acquy trong nhiều lĩnh vực qua đó giúp giảm bớt việc sử dụng một sản phẩm độc hại trong sản xuất, sử dụng và đặc biệt khi sau khi loại bỏ. Cơ cấu nâng bằng từ trường có thể dùng nam châm vĩnh cửu, vật liệu siêu dẫn hay nam châm điện từ. Trong đó: - Nam châm vĩnh cửu đơn giản nhưng không đảm bảo hệ thống ổn định do không điều khiển được. Nam châm vĩnh cửu thường dùng kết hợp với nam châm điện trong đó nam châm vĩnh cửu tạo phần lực nâng chủ đạo còn nam châm điện dùng điều khiển với vai trò “trợ lực”. Tuy nhiên hệ này có nhược điểm là chế tạo lắp ráp rất phức tạp và cần chế tạo nam châm vĩnh cửu phù hợp với bánh đà - Dùng công nghệ vật liệu siêu dẫn thì khó ứng dụng trong điều kiện bên ngoài phòng thí nghiệm vì quá phức tạp. - Trong khi đó, nam châm điện từ đã được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Ổ đỡ từ dùng nam châm điện cho phép bánh đà làm việc ổn định trong nhiều điều kiện khác nhau và linh hoạt. Cơ cấu nâng bằng từ trường sử dụng nguyên lý nâng không tiêp xúc bằng lực từ. Hệ thống nâng không tiếp xúc dùng lực từ đã được nghiên cứu ứng dụng trong các lĩnh vực như thiết bị chống rung, máy điện quay, tàu cao tốc đệm từ MAGLEV (Magnetic levitation train) ... Khi hệ TĐ ĐC-BĐ dùng ổ từ chủ động, chuyển động quay của bánh đà và hoạt động nâng hoặc giữ vị trí bánh đà của ổ từ tác động lẫn nhau và tác động lớn đến đến chất lượng truyền động của hệ truyền động cũng như tính năng hoạt động chung của hệ thống. Việc điều khiển ổ từ một cách phù hợp sẽ nâng cao chất lượng và tính năng vận hành của hệ TĐ ĐC-BĐ. xvii
Mở đầu ii. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu a. Đối tượng nghiên cứu: Một hệ TĐ ĐC-BĐ có tích hợp ổ từ bao gồm cơ cấu bánh đà kết nối với động cơ (máy phát) và cơ cấu ổ từ để nâng bánh đà hoặc cả phần quay gồm bánh đà - rotor. Hệ TĐ ĐC-BĐ có tích hợp ổ từ là hệ chưa có sản phẩm thương mại sản xuất loạt và chuẩn hóa như các hệ truyền động truyền thống khác. Do vậy, hiện nay đang có nhiều hướng có thể nghiên cứu, phát triển về hệ này bao gồm: - Nghiên cứu, thiết kế bánh đà: gồm hình dạng, kích thước, vật liệu chế tạo và lắp đặt bành đà. - Nghiên cứu, thiết kế ổ từ: gồm hình dạng, kích thước, vật liệu chế tạo và lắp đặt ổ từ. - Nghiên cứu điều khiển hệ bánh đà - ổ từ: gồm điều khiển cơ cấu nam châm điện của ổ từ, điều khiển hệ bánh đà ổ từ … Khác với hệ dùng ổ đỡ cơ khi mà cơ cấu quay có thể hoạt động bất kỳ lúc nào thì đối với hệ có tích hợp ổ từ, cơ cấu quay chỉ có thể bắt đầu làm việc sau khi ổ từ đã di chuyển và ổn định phần quay ở vị trí cân bằng (giữa ổ từ). Đồng thời trong quá trình hoạt động của hệ, chuyển động quay của động cơ – bánh đà cũng tương tác với cơ cấu ổ từ và ảnh hưởng lẫn nhau. Do vậy, việc điều khiển ổ từ không chỉ điều khiển ổn định vị trí cân bằng (vị trí làm việc) khi có các tác động nhiễu do chuyển động quay của động cơ – bánh đà gây ra mà còn phải hoạt động phù hợp với các trạng thái vận hành của cả hệ truyền động theo công nghệ. Do vậy, đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ điều khiển ổ từ chủ động tích hợp trong hệ truyền động động cơ – bánh đà. b. Phạm vi nghiên cứu: Với hệ TĐ ĐC-BĐ có tích hợp ổ từ, đối tượng chủ đạo cần điều khiển là ổ từ với phần tử tạo lực nâng là nam châm điện- đây là một phần tử điện từ điển hình. Hệ TĐ ĐC-BĐ quay với tốc độ rất cao nên dễ mất ổn định khi nạp hoặc xả, bộ điều khiển ổ đỡ từ đóng vai trò quan trọng trong việc giữ ổn định bánh đà. xviii
Mở đầu Cơ cấu chấp hành điện từ của ổ đỡ từ là các nam châm điện, mỗi cuộn dây của nam châm điện được cung cấp năng lượng bởi một bộ biến đổi công suất và mỗi cụm nam châm điện có thể coi là một hệ điện từ có điều khiển. Vì vậy với đối tượng đã đề xuất, phạm vi nghiên cứu của luận án là: Nghiên cứu thiết kế điều khiển cho ổ từ chủ động tích hợp trong hệ truyền động động cơ - bánh đà. iii. Phương pháp nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu: - Xây dựng mô hình của hệ truyền động động cơ - bánh đà có tích hợp ổ từ, kiểm chứng mô hình bằng kết hợp mô phỏng và thực nghiệm. - Nghiên cứu, thiết kế điều khiển cho ổ từ chủ động trong hệ truyền động động cơ - bánh đà theo các phương pháp điều khiển đã đề xuất, mô phỏng và thực nghiệm để đánh giá và hiệu chỉnh. - Thử nghiệm phương pháp điều khiển đã thiết kế trên mô hình thực nghiệm và đánh giá kết quả, từ đó đưa ra các hiệu chỉnh cần thiết và kết luận. iv. Mục tiêu và dự kiến kết quả đạt được a. Mục tiêu của luận án: Nghiên cứu thiết kế điều khiển phi tuyến cho ổ từ chủ động trong truyền động động cơ - bánh đà để nâng cao chất lượng của hệ. b. Dự kiến kết quả đạt được: - Xây dựng được mô hình điều khiển ổ từ chủ động trong hệ truyền động động cơ - bánh đà có tích hợp ổ từ. - Thiết kế thành công điều khiển phi tuyến cho ổ từ chủ động trong hệ truyền động động cơ – bánh đà. v. Đóng góp mới của luận án: - Đề xuất cấu trúc hệ ổ từ mới cho hệ truyền động động cơ-bánh đà, với ba ổ từ kép đặt lệch nhau 1200 thay cho một ổ từ kép dạng vành khăn. Cấu trúc mới có ưu điểm: Dễ chế tạo và khi thiết kế điều khiển ba bậc tự do sẽ tạo nên sự ổn định bánh đà khi quay, không bị nghiêng lật, chao đảo. xix