Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu điều khiển hệ thống tích trữ năng lượng bánh đà sử dụng biến tần ma trận gián tiếp và động cơ từ trường dọc trục

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu điều khiển hệ thống tích trữ năng lượng bánh đà sử dụng biến tần ma trận gián tiếp và động cơ từ trường dọc trục" được nghiên cứu với mục tiêu: Nghiên cứu và đề xuất phương pháp điều chế, điều khiển bộ biến đổi điện tử công xuất 2 chiều và thiết kế, chế tạo mô hình thử nghiệm máy điện AFPM 2 mặt.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu điều khiển hệ thống tích trữ năng lượng bánh đà sử dụng biến tần ma trận gián tiếp và động cơ từ trường dọc trục

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Đỗ Nguyên Hưng NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG BÁNH ĐÀ SỬ DỤNG BIẾN TẦN MA TRẬN ĐIỀU CHẾ GIÁN TIẾP VÀ ĐỘNG CƠ TỪ TRƯỜNG DỌC TRỤC Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - 2023
Công trình được hoàn thành tại: Đại học Bách khoa Hà Nội NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS Trần Trọng Minh 2. TS Đỗ Mạnh Cường Phản biện 1: PGS.TS. Phạm Tâm Thành Phản biện 2: PGS.TS. Đỗ Như Ý Phản biện 3: PGS.TS. Ngô Đức Minh Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Đại học Bách khoa Hà Nội họp tại Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi 8h30 giờ, ngày 13 tháng 11 năm 2023 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Đại học Bách khoa Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
Mở đầu 1. Sự cần thiết của đề tài Hệ thống lưu trữ năng lượng bánh đà (FESS) là công nghệ lưu trữ năng lượng dưới dạng động năng. FESS tham gia vào lưới điện thực hiện các chức năng: cung cấp năng lượng dự phòng hiệu quả giúp cân bằng tải, giảm thiểu sự cố về điện áp giảm tổn thất năng lượng và tăng cường khả năng ổn định của hệ thống điện. Các ứng dụng cụ thể của FESS trong thực tế: điều chỉnh tần số và điện áp lưới, cung cấp điện liên tục (UPS), tích hợp hệ thống năng lượng tái tạo bao gồm lưới điện siêu nhỏ (MG), quân sự, đường sắt và giao thông bao gồm xe điện (EV), hàng không và du hành vũ trụ, … . FESS có nhiều ưu điểm: cung cấp mật độ công suất cao, phản ứng động nhanh, có thể thực hiện hàng nghìn chu kỳ nạp/xả, khả năng nạp/ xả sâu; Trạng thái năng lượng lưu trữ dễ kiểm soát thông qua tốc độ quay; tuổi thọ của hệ thống dài (20 năm-30 năm) và ít phải bảo dưỡng; có khả năng mở rộng khả năng lưu trữ và hầu như không có tác động đến môi trường. Cấu trúc hệ thống FESS gồm động cơ từ trường dọc trục (AFPM) tích hợp bánh đà, điều khiển bởi bộ biến đổi kiểu ma trận gián tiếp (IMC) có ưu thế về mật độ năng lượng cao, tác động nhanh là một trong những xu hướng phát triển hứa hẹn đưa đến những ứng dụng thực tế quan trọng. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu điều khiển hệ thống tích trữ năng lượng bánh đà sử dụng động cơ từ trường dọc trục stator kép và bộ biến tần ma trận gián tiếp” sẽ tập trung thực hiện thiết kế hệ thống điều khiển bộ biến đổi công suất 2 chiều và thiết kế, chế tạo thử nghiệm động cơ AFPM stator kép; xây dựng các quy trình thiết kế, chế tạo hệ thống FESS trong điều kiện thí nghiệm. Qua đó đóng góp một phần vào nghiên cứu và phát triển công nghệ lưu trữ năng lượng và lưu trữ năng lượng dạng bánh đà. 2. Mục tiêu nghiên cứu Luận án thực hiện nghiên cứu FESS, trong đó tập trung nghiên cứu và đề xuất phương pháp điều chế, điều khiển bộ biến đổi điện tử công xuất 2 chiều và thiết kế, chế tạo mô hình thử nghiệm máy điện AFPM 2 mặt. Các nội dung nghiên cứu hướng đến ứng dụng trong thực tế và làm nền tảng cho các nghiên cứu chuyên sau về hệ thống tích trữ năng lượng. 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Trong luận án sẽ thực hiện nội dung và phạm vi nghiên cứu gồm: + Hệ thống FESS sử dụng biến tần ma trận điều chế gián tiếp (IMC) và động cơ từ trường dọc trục đầu ra kép, xây dựng quy luật điều chế mẫu xung điều khiển mới cho IMC. + Thiết kế, chế tạo mô hình thử nghiệm động cơ từ trường dọc trục AFPM stator kép. Phân tích và đánh giá các kết quả đạt được trong phạm vi thực hiện trong thưc tế. 4. Phương pháp nghiên cứu Kết hợp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm - Nghiên cứu lý thuyết mô hình hóa và mô phỏng phương pháp điều chế, điều khiển bộ biến tần trao đổi năng lượng 2 chiều BTB, IMC. - Nghiên cứu mô hình toán học, mô hình vật lý động cơ AFPM và thiết kế mô phỏng đánh giá cấu hình động cơ ứng dụng trong FESS. - Nghiên cứu và kiểm chứng lý thuyết bằng thực nghiệm chế tạo động cơ AFPM và đo đạc, kiểm tra, phân tich đánh giá động cơ được chế tạo. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài * Ý nghĩa khoa học: Luận án xây dựng được hệ tích trữ năng lượng bánh đà sử dụng AFPM và IMC để điều khiển lưu trữ và trao đổi năng lượng 2 chiều, trong đó: đề xuất luật điều chế mới cho IMC đảm bảo quá trình chuyển mạch van bán dẫn tối ưu; xây dựng mô hình thử nghiệm AFPM stator kép phục vụ cho các nghiên cứu chuyên sâu về loại động cơ này ứng dụng trong FESS. * Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả nghiên cứu góp phần hoàn thiện hệ thống FESS để đưa vào ứng dụng thực tiễn; mô hình thử nghiệm AFPM có thể sử dụng trong các thực nghiệm của các nghiên cứu tiếp theo về động cơ và hệ tích trữ năng lượng bánh đà. 6. Bố cục của luận án Luận án gồm 4 chương và phần kết luận chung, gồm nội dung chính như sau: Chương 1: Trình bày tổng quan về hệ thống lưu trữ năng lượng bánh đà. Phân tích cấu tạo và đánh giá sự phù hợp, các hướng nghiên cứu hiện nay của bộ biến đổi và động cơ AFPM trong FESS. Từ đó đề 2
xuất hướng nghiên cứu và nội dung thực hiện của luận án. Chương 2: Trình bày các bộ biến đổi công suất 2 chiều sử dụng trong FESS. Đề xuất mô hình bán vật lý của AFPM stator kép. Đề xuất thiết kế điều khiển và mô phỏng cho FESS: cấu trúc BTB đầu ra kép - AFPM stator kép; cấu trúc IMC đầu ra kép - AFPM stator kép, trong đó tập trung giải quyết vấn đề chọn lựa, phân tích, đánh giá và điều khiển bộ BTB và IMC khi thực hiện trao đổi năng lượng 2 chiều. Chương 3: Tính toán thiết kế AFPM stator kép. Lựa chọn thông số và mô phỏng AFPM stator kép sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) 3D, và đánh giá các kết quả thu được phục vụ cho phần thiết kế bộ biến đổi công suất 2 chiều ở Chương 2 và chế tạo thử nghiệm động cơ AFPM stator kép ở Chương 4. Chương 4: Trình bày chi tiết các thiết kế chế tạo của AFPM stator kép với các thông số được lựa chọn trong phạm vi thử nghiệm và quy trình chế tạo. Đánh giá khả năng trao đổi năng lượng 2 chiều của AFPM stator kép và những hạn chế, khó khăn trong quá trình triển khai chế tạo. Phần kết luận: Nhận xét, đánh giá và kết luận về kết quả đạt được của luận án. Bình luận về ý nghĩa khoa học, thực tiễn của các kết quả đạt được trong phạm vi nghiên cứu. Chỉ ra các hạn chế, khó khăn và đề xuất cho các hướng nghiên cứu tiếp theo nhằm nâng cao chất lượng của hệ FESS và ứng dụng thành công trong thực tế. 7. Các đóng góp của luận án Luận án có những đóng góp mới như sau: - Đề xuất cấu trúc hệ thống FESS sử dụng AFPM stator kép điều khiển bằng biến tần ma trận điều chế gián tiếp (IMC). - Đề xuất mẫu xung điều chế mới nhằm cải tiến quá trình chuyển mạch cho IMC. - Xây dựng hệ thống thực nghiệm nhằm kiểm chứng các thuật toán đề xuất, tính khả thi trong chế tạo AFPM stator kép. Chương 1. Tổng quan 1.1. Khái quát vấn đề nghiên cứu 1.1.1. Giới thiệu chung về FESS FESS được giới thiệu như một ESS dạng cơ khí. Hiện nay, sự phát triển về công nghệ ổ bi từ và ổ bị lai gốm, điện tử công suất và sự ra đời của máy điện tốc độ cao đã mở rộng các ứng dụng của FESS trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Kích thước FESS ngày càng nhỏ và khả 3
năng tích trữ năng lượng lớn hơn nhờ sự phát triển của công nghệ vật liệu. . Hình 1.1 Cấu trúc và thành phần của FESS Cấu trúc và thành phần của FESS như Hình 1.1 gồm các thành phần chính: máy điện (stator, rotor), bánh đà, hệ thống ổ bi, bộ chuyển đổi công suất 2 chiều và buồng chân không để giảm ma sát. 1.1.2 Năng lượng và chế độ làm việc của FESS Năng lượng tích trữ trong FESS được xác định bởi hình dạng và vật liệu của Bánh đà/roto, tỷ lệ với momen quán tính và bình phương vận tốc góc, được xác định theo công thức: 1 2 E= Jω (1.1) 2 trong đó: E là động năng tích trữ (J), J là momen quán tính (kg.m2) và ω là vận tốc góc (rad/s). Năng lượng hữu ích của bánh đà thuộc phạm vi tốc độ tối đa (ωmax) và tốc độ tối thiểu (ωmin) được tính theo công thức (1.2): 1 2 2 E= J(ωmax - ωmin ) (1.2) 2 Chế độ làm việc của FESS: - Chế độ nạp năng lượng (Charging Mode): bánh đà được tăng tốc lên ωmax nhằm tích trữ năng lượng dưới dạng động năng. - Chế độ chờ (Standby Mode): bánh đà quay ở tốc độ ổn định nên động năng tích lũy được duy trì ổn định. - Chế độ xả năng lượng (Discharging Mode): bánh đà giảm tốc từ ωmax xuống ωmin để giải phóng năng lượng. 4
ω ωmax Standby Charge Discharge ωmin t t1 t2 t3 t4 Hình 1.2 Đặc tính làm việc của bánh đà 1.1.3 Phân tích các thành phần của FESS a. Bánh đà/rotor Bánh đà (được tích hợp cùng rotor) là bộ phận lưu trữ năng lượng dạng động năng. Bánh đà thường được chế tạo dưới dạng hình trụ hoặc dạng đĩa. Mô men quán tính của bánh đà được tính như công thức: 1 2 1 J= mr = πρhr 2 (1.3) 2 2 b. Động cơ/Máy điện Luận án nghiên cứu động cơ AFPM 2 mặt sử dụng trong FESS gồm 2 cặp stator và rotor.Chọn cấu trúc có 2 rotor độc lập từ trường, bánh đà tích hợp cùng rotor, 2 stator nằm phía ngoài. Hình 1.3 Cấu trúc AFPM và bánh đà trong FESS Số Tên thành phần Số Tên thành phần AFPM một mặt phần Khe hở không khí trên 1, 2 8, 14 trên và dưới và dưới Vòng bi chặn trên và Rotor trên và dưới 3, 18 9, 12 dưới 4, 16 Stator trên và dưới 10 Vành rotor 5, 17 Vòng bi chính trên và 11 Trục 5
dưới 6 Răng stator 13 Nam châm vĩnh cửu Dây quấn 3 pha stator Buồng chân không 7, 15 19 trên và dưới c. Bộ biến đổi điện tử công suất Hai loại bộ biến đổi thường được sử dụng trong hệ thống FESS: AC-DC-AC (Back-to-back) và AC-AC (Ma trận). - Bộ biến đổi Back to Back (BTB) AC/DC DC/AC GRID AFPM Flywheel LG LI ua Bus DC 3 Phase Grid ub M/G 380V – 50Hz uc 3 Phase Active Rectifier 3 Phase Inverter CF RD Back-to-Back Converter Hình 1.4 Cấu trúc hệ FESS sử dụng bộ biến đổi AC-DC-AC - Bộ biến đổi Ma trận (MC) S1 S4 S7 L AFPM Flywheel 3 Phase Grid S2 S5 S8 M/G 380V – 50Hz S3 S6 S9 CF Matrix Converter Hình 1.5 Cấu trúc hệ FESS sử dụng bộ biến đổi AC-AC - So sánh bộ biến đổi BTB và MC Các nội dung đánh giá khi sử dụng bộ biến đổi tập chung vào phạm vi ứng dụng để so sánh về mật độ công suất, hiệu suất, tối ưu linh kiện điện tử, kích thước, giá thành,… Đối với ứng dụng FESS, bộ biến đổi MC có đáp ứng tốt hơn so với bộ biến đổi BTB. 1.2 Tổng quan về các hướng nghiên cứu của FESS 1.2.1 Hướng nghiên cứu về FESS Các hướng nghiên cứu về FESS đang được triển khai với các nội dung: tối ưu hóa hiệu suất lưu trữ năng lượng; phát triển FESS tích hợp với các nguồn năng lượng tái tạo; nghiên cứu các vật liệu mới để làm bánh đà; phát triển các hệ thống điều khiển thông minh để tối ưu hoạt động FESS; phát triển các ứng dụng mới cho FESS, bao gồm các ứng dụng trong ngành y tế, công nghiệp và vũ trụ; nghiên cứu và phát triển 6
các bộ biến đổi điện tử công suất về cấu trúc và điều khiển cho các ứng dụng. 1.2.2 Phương pháp điều khiển cho hệ FESS Phương pháp điều khiển trong luận án này tập trung điều khiển các bộ biến đổi BTB, IMC. Các bộ điều khiển được thiết kế nhằm đáp ứng các yêu cầu cơ bản của điều khiển đối với FESS: + Huy động nhanh lượng công suất được tích trữ. + Đáp ứng các chế độ nạp, chờ và xả nhanh, chính xác. Trong luận án này sẽ tập trung sử dụng các phương pháp điều khiển cơ bản để thiết kế điều khiển cho FESS. 1.3 Đề xuất phương hướng thực hiện Luận án đề xuất các hướng nghiên cứu như sau: + Thiết kế và xây dựng mô hình bán vật lý máy điện AFPM + Thiết kế, mô phỏng, so sánh và đánh giá cấu trúc bộ biến đổi phù hợp với FESS, có đánh giá khả năng nối lưới. + Xây dựng và kiểm nghiệm trên mô hình thử nghiệm AFPM 2 mặt và đánh giá khả năng phát trả năng lượng về lưới điện. Chương 2. Nghiên cứu bộ biến đổi ma trận gián tiếp đầu ra kép trong hệ thống lưu trữ năng lượng bánh đà 2.1 Thiết kế mô hình bán vật lý AFPM 2 mặt Trong luận án này đề xuất xây dựng mô hình bán vật lý của AFPM 2 mặt. Mô hình được sử dụng để thiết kế điều khiển AFPM ở các chế độ làm việc khác nhau của FESS. Dây quấn 1 Stator 1 NCVC 1 Rotor 1 T1 T1 F1 F1 NCVC 2 Rotor 2 T2 T2 F2 F2 Dây quấn 2 Stator 2 Hình 2.1 Cấu trúc AFPM 2 mặt AFPM luôn tồn tại lực hút từ dọc trục (F1,F2) giữa stator và rotor trong quá trình làm việc. 7
2.1.2 Mô hình AFPM trên hệ tọa độ dq r  ia d - axis iq d id s q - axis q  A - axis R0 q Ri d ib ic Hình 2.2 Vị trí rotor và hệ toạ độ dq a. Hệ phương trình điện áp và dòng điện  d vd = Rsisd + dt d − rq   (2.1) v = R i + d  +    q  s sq dt q r d b. Phương trình lực dọc trục  2 2 5 3 2 2   N f 2i f 2 + 2 N s N f 2isd 2i f 2 + 2 N s (isd 2 + isq 2 )  2     ( R0 − Ri2 )  2 ( g 20 − z )2  F = F2 − F1 = 0   (2.2) 16 p 2 5  N i + N N i i + N (i + i )  2 2 3 2 2 2 − f 1 f 1 2 s f 1 sd 1 f 1 2 s sd 1 sq1   ( g10 + z )2    c. Phương trình mô men điện từ 30 ( R0 − Ri2 ) N s 2  N f 1i f 1 N f 2i f 2  Te =  +   iq = KT isq (2.3) 16 p  g10 g 20  d. Phương trình chuyển động dọc trục d 2z m = F - G = K1 + K 2 z + K 3icd 0 − G (2.4) d 2t e. Phương trình động học: d 1 K = Te = T isq (2.5) dt J J 8
Từ các phương trình trên, ta xây dựng được mô hình toán học và mô hình bán vật lý của động cơ. U sd 1 id1 Va1 ++ Lsd .s + Rs id1 8 1 iq1 T1 Lsq Abc/ B2(s) Vb1 dq 1 Lsd A1(s) id1 1 iq1 Vc1 U sq − +− iq1 Lqd .s + Rs G 1/m.s^2 m We Wm Theta 1/s P 1/J.s TL Z U sd 1 id2 ++ id2 Va2 Lsd .s + Rs 1 id2 Lsq Abc/ A2(s) Vb2 dq 1 iq2 T2 Lsd B2(s) U sq − 1 iq2 Vc2 +− iq2 Lqd .s + Rs m Hình 2.3 Mô hình toán học AFPM 2 mặt Hình 2.4 Mô hình bán vật lý AFPM 2 mặt 9
2.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển AFPM stator kép 2.2.1 Thiết kế điều khiển * Tổng hợp mạch vòng dòng * Tổng hợp mạch vòng điều khiển điện điện áp một chiều 1   1  *  is is * k p 1 +  1 Rs  1  3 .P . -  Ti s  sTsd + 1 k p .1 +  2 c p Ri SVM ĐT  Ti .s  Js - R ĐT * Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh vị trí dọc trục z* + 1 z PD K2 - ms2-K1 z 2.2.2 Thông số động cơ AFPM 2 mặt STT Thông số động cơ Giá trị 1 Công suất mỗi Stator P = 500 W 2 Tốc độ định mức 3000 rpm 3 Điện áp pha 220V 4 Tần số 100 Hz 5 Rs 5Ω 6 J 0.0185 kgm2 7 m 4.09 kg 8 G 40.12 N 9 p 2 10 Lq=Ld 0.039 H 11 Ns 458 vòng 2.3 Hệ thống điều khiển AFPM stator kép bằng bộ biến đổi BTB 2.3.1 Cấu trúc điều khiển 10
Mạch lực ia1 Bộ nghịch ib1 lưu 1 z ic1 ua, ia AFPM 2 NL1 ω ub, ib Bộ chỉnh C mặt và Nguồn uc, ic lưu } cảm biến ia2 CL Bộ nghịch ib2 lưu 2 ic2 NL2 NL1 Khối điều khiển nghịch lưu Khối điều khiển nghịch lưu Khối điều khiển chỉnh lưu CL Khâu ud1 BĐK PWM chuyển hệ SVM PWM tọa độ dòng điện 1 uq1 dq à αβ ua θ iq1 ia1, ib1, ic1 Khâu chuyển uq - Khâu chuyển ub hệ tọa độ PLL + hệ tọa độ abcàαβàdq ud - id1 abcàαβàdq uc SVM + Uαβ + id0 + icd0 ω ia - BĐK icq - icd BĐK - z id BĐK Khâu + tốc độ + + vị trí Khâu chuyển + ib hệ tọa độ dòng chuyển hệ id0 - icd0 tọa độ ic abc àαβà dq iq điện dq à αβ ω* z* + - id2 ia2, ib2, ic2 Udc_ref + - Udc Khâu chuyển + - iq2 hệ tọa độ abcàαβàdq NL2 Khâu PWM SVM chuyển hệ ud2 BĐK tọa độ dòng điện 2 dq à αβ uq2 Hình 2.5 Cấu trúc điều khiển BTB – AFPM 2 mặt 2.3.2 Thiết kế điều khiển khâu biến đổi AC/DC Cấu trúc điều khiển VOC, phương pháp điều chế vector không gian SVM để điều khiển đóng cắt các van IGBT của mạch lực, gồm các bước: Bước 1. Xác định trạng thái (vecto chuẩn) của mạch chỉnh lưu. Bước 2. Xác định vị trí vector điện áp đặt us : Sử dụng phương pháp đại số để xác định vị trí vector điện áp đặt us . Bước 3. Tính toán thời gian (hoặc hệ số điều chế) thực hiện hai vector chuẩn trong mỗi chu kỳ điều chế Ts . Bước 4. Tính toán thời gian thực hiện (hoặc hệ số điều chế) thực hiện nhánh van chỉnh lưu trong mỗi chu kì Ts . * Tổng hợp mạch vòng dòng điện * Tổng hợp mạch vòng điều i*  1  1 Rs is khiển điện áp một chiều s k pd  1 +  1  Tid s  sTsd + 1 * uc + Ki 1,5.U d uc - Kp + − - s C.U c .s Ri SVM ĐT 11
2.3.3 Mô phỏng và đánh giá kết quả a. Thông số mô phỏng Bảng 2.1 Thông số bộ biến đổi, chỉnh lưu tích cực b. Kịch bản mô phỏng Thông số bộ biến đổi Giá trị Thời gian 0-1 1- 2-2,5 Điện áp DC Vo = 600 V (s) 1,5 Công suất P = 5 KW Tốc độ 0 3000 Tụ DC C = 1750 uF động cơ à 3000 à Cuộn cảm lọc phía BBĐ L_i = 4.75 mH (Vòng/phút) 3000 1500 Cuộn cảm lọc Lg = 0.7 mH Chế độ hoạt Nạp Chờ Xả động Tụ lọc Cf = 22 uF Trở lọc Rd = 2.04 Ω c. Kết quả mô phỏng + Tốc độ AFPM + Điện áp trên tụ DC-Link Tốc độ Vdc 3000 600 (Vòng/phút) 2000 ( V) 550 1000 500 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Thời gian (s) Thời gian (s) + Dòng điện Id1, Iq1, Id2, Iq2 + Đáp ứng lực dọc trục Id1 F1 0.2 2000 1800 0.1 1600 (N) (A) 0 1400 -0.1 1200 1000 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Thời gian (s) Thời gian (s) F2 Id2 0.2 2000 0.1 1800 (N) (A) 1600 0 1400 -0.1 1200 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Thời gian (s) Thời gian (s) F1-F2=G 0 Iq1 5 -50 (N) (A) 0 -100 -150 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 -5 Thời gian (s) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Thời gian (s) 5 Iq2 +Đáp ứng mô men Te Te 20 10 (A) 0 (N) 0 -5 -10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Thời gian(s) -20 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Thời gian (s) 12
+ Công suất P + Năng lượng E P E 1500 1000 1000 800 500 600 (W) (J) 0 400 -500 200 -1000 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Thời gian (s) Thời gian (s) 2.4 Hệ thống điều khiển AFPM stator kép bằng bộ biến đổi IMC 2.4.1 Phân tích cấu trúc IMC – AFPM stator kép Hình 2.6 Cấu trúc IMC đầu ra kép nối tải R,L IMC khi đó có cấu tạo gồm một chỉnh lưu tích cực hai chiều và hai nghịch lưu . Vấn đề đặt ra gồm: + Điều chế phía nghịch lưu. + Điều chế phía chỉnh lưu. + Phối hợp giữa điều chế chỉnh lưu và nghịch lưu qua 3 cơ chế: - Phân phối xung nghịch lưu trong mỗi thời gian điều chế (duty cycle) của phía chỉnh lưu. - Tính điện áp một chiều ảo Vpn cho điều chế nghịch lưu thay vì đo Vpn. 13
- Tính toán quy luật điều chế để tối ưu số lần đóng cắt của các van bán dẫn và đảm bảo quá trình chuyển mạch chỉnh lưu khi idc = 0 ở phía nghịch lưu. 2.4.2 Điều chế vector không gian cho nghịch lưu Vp VB V2 V3 [0P0] [PP0] S7 S9 S11 II V out Tải V4 III I V1 Vpn Load [0PP] out [P00] S8 S10 S12 VA IV V0 VI V V5 V6 Vn [00P] [P0P] VC SECTOR I (Vo, V1, V2, V7) d0/2 d2 3TsVom   d1 T1 = sin  − out  do/2 V pn 3  Ts V0 V1 V2 V7 V7 V2 V1 V0 3TsVom T2 = sin out V pn S7 3Vom mI = S9 S11 V pn Phương trình dòng điện:   → → → d = mI sin  − out  V out = d V 1 + d  V 2 3  d  = mI sin(out ) Các hệ số điều chế: ( d + d   1 ) d0 = 1 − d − d  d0 = 1 − ( d + d  ) T d =  ;d  = T T ;d0 = 0 Ts Ts Ts 14
2.4.3 Điều chế vector không gian cho chỉnh lưu Vp I3[bc] Ib S1 S3 S5 Ipn I4[ba] Iin I2[ac] Ua 1 Ub Vpn 2 Uc 3 0 S2 S4 S6 I0 Ia 4 5 Bộ lọc I5[ca] I1[ab] Chỉnh lưu Vn Ic I6[cb] Phương trình dòng điện: T = d ,  = d , 0 = d0 T T IinTs = I T + I T + I 0T0 Ts Ts Ts Các hệ số điều chế: Ts = T + T + T0 3Ts Iim   T = sin  − in  I pn 3   d = mR sin( − in ) 3 3Ts Iim T = sin in d = mR sin(in ) I pn d0 = 1 − d − d I mR = im I pn 2.4.4 Liên kết giữa chỉnh lưu và nghịch lưu Hệ số điều chế của các vector Khoảng thời gian cho mỗi tích cực cho ‘n’ phần nghịch vector trong trình tự chuyển lưu: mạch phần chỉnh lưu: n  n R tr = d Ts d = mI sin( − out ) 3 n n d  = mI sin(out ) Các hệ số điều chế cho trình tự Khoảng thời gian cho mỗi chuyển mạch của bất kỳ ‘n’ phần vector trong trình tự chuyển nghịch lưu: mạch “n” phần nghịch lưu: 15
n R   n ( d0 = d 1 − d + d   n   ) tin = d0 Ts 0 n n R n tin = d1 Ts n d1 = d d 1 n R n tin = d 2 Ts n d 2 = d d  2 tin = d3 Ts 3 n n R n d3 = d d tin = d 4 Ts 4 n n R n d 4 = d d  tin = d5 Ts n ( ) 5 d5 = d 1 − d + d   n R n n     d d dα d dβ do do/2 dβ d dα do/2 Ts/2 Ts V0 V1 V2 V7 V2 V1 V1 V2 V7 V2 V1 V0 Idc=0 Idc=0 Hình 2.7 Sơ đồ liên kết chuyển mạch điều chỉnh tại Sector I theo đề xuất mới 2.4.5 Mô phỏng hệ thống điều khiển AFPM stator kép bằng IMC a. Thông số mô phỏng STT Thông số bộ biến đổi Giá trị 1 Cuộn cảm lọc phía BBĐ Li = 4.75 mH 2 Cuộn cảm lọc phía lưới L_g = 0.7 mH 3 Tụ lọc Cf = 22 uF 4 Trở lọc Rd = 2.04 Ω STT Thông số động cơ Giá trị 1 Công suất mỗi Stator P = 500 W 2 Tốc độ định mức 3000 rpm 3 Điện áp pha 220V 4 Tần số 100 Hz 16
b. Kịch bản mô phỏng Đường đặc tính tốc độ: + Tốc độ AFPM Tốc độ Tốc độ 3000 3000 2500 2500 (v ò n g/ p h út) (v ò n g/ p h út) 2000 2000 1500 1500 1000 1000 500 500 0 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Thời gian (s) Thời gian (s) + Vị trí z + Dòng điện Id1, Iq1, Id2, Iq2 Id1 10 -4 z 0.6 0 0.4 (A) -0.5 (m) 0.2 -1 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Thời gian (s) -1.5 Id2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 0.2 Thời gian (s) 0 + Đáp ứng lực dọc trục (A) -0.2 1.4 F1 -0.4 2000 -0.6 1500 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Thời gian (s) (N) Iq1 1000 4 500 2 (A) 0 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Thời gian (s) -2 F2 2000 -4 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Thời gian (s) 1500 Iq2 4 ( N) 1000 2 (A) 500 0 0 -2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Thời gian (s) -4 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 F1-F2 = G 2000 Thời gian (s) 1500 + Mô men Te 1000 ( N) 500 0 -500 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Thời gian (s) 17
+ Năng lượng E + Công suất P P 1500 1000 500 0 -500 -1000 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Thời gian (s) Kết luận: + Thiết kế và mô phỏng FESS với cấu trúc IMC đầu ra kép -AFPM 2 mặt cho kết quả đảm bảo với yêu cầu của hệ thống. + Khi so sánh các kết quả khi sử dụng giữa IMC và BTB, ta thấy IMC có đáp ứng tốt hơn so với BTB khi AFPM chuyển đổi trạng thái làm việc nạpàchờ và chờàxả Chương 3. Thiết kế động cơ đồng bộ từ thông dọc trục 3.1 Thiết kế AFPM 3.1.1 Cơ sở lý thuyết Phân tích cấu trúc và đặc tính từ trường trong động cơ được dựa trên cơ sở lý thuyết trường điện từ với các phương trình Maxwell và phương pháp phần tử hữu hạn (sử dụng phương pháp trọng số dư Galerkin). 3.1.2 Thông số của AFPM stator kép Tính toán thông số động cơ AFPM stator kép Thông số Giá trị Công suất định mức 1 kw Tốc độ định mức 3000 rpm Điện áp pha 220V Tần số 100 Hz Số pha m=3 Số cặp cực p=2 Số rãnh của một pha dưới 1 cực q=2 Mật độ từ thông tại khe hở không khí Bmg=0.8 T Độ dày khe hở không khí g=1 mm Hệ số dây quấn kw=0.93 Tỷ số sức điện động với điện áp pha 𝜀 = 0.8 18