Luận án tiến sĩ kỹ thuật điện nghiên cứu thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Tất ấn phẩm công bố chung với cán hướng dẫn khoa học đồng nghiệp đồng ý tác giả trước đưa vào luận án Các kết trình bày luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Người cam đoan Nguyễn Đức Bắc TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Nguyễn Thế Công TS Trần Tuấn Vũ i LỜI CẢM ƠN Trong trình nghiên cứu đề tài, giúp đỡ tận tình thầy giáo hướng dẫn, thầy cô Bộ môn Thiết bị điện- điện tử - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, giúp đỡ tận tình bạn bè, đồng nghiệp, luận án đến hồn thành Để có luận án này, tác giả vô biết ơn bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến hai thầy giáo hướng dẫn khoa học trực tiếp TS Nguyễn Thế Công TS Trần Tuấn Vũ dành nhiều công sức, tâm huyết, thời gian tận tình hướng dẫn nghiên cứu sinh suốt trình thực luận án Tác giả chân thành cảm ơn Bộ môn Thiết bị điện- điện tử, Viện Điện Phòng Đào tạo/ phận Đào tạo sau đại học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện để nghiên cứu sinh có điều kiện thuận lợi thời gian sở vật chất trình thực luận án Tác giả bày tỏ lời cảm ơn tới tồn thể thầy, giáo Bộ mơn Điện kỹ thuật – Trường Đại học Xây dựng, nơi tác giả công tác tạo điều kiện hỗ trợ để tác giả thuận lợi thời gian học tập nghiên cứu luận án Tác giả gửi lời cảm ơn tới PGS.TS Lưu Đức Thạch – Trưởng Khoa Cơ khí Xây dựng, tạo điều kiện thuận lợi thời gian trình học tập nghiên cứu luận án Cuối cùng, tác giả dành lời cảm ơn tới bố mẹ, vợ, gia đình ln động viên tinh thần lúc khó khăn để tác giả yên tâm nghiên cứu hoàn thành luận án Tác giả luận án Nguyễn Đức Bắc ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ix MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan động servo Phân loại động servo Ứng dụng động servo Các chế độ làm việc động Sự khác biệt động servo động thường 1.2 Các nghiên cứu thiết kế tối ưu động servo 10 1.3 Kết luận chương 13 CHƯƠNG THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ SERVO KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA 15 2.1 Thiết kế tối ưu đa mục tiêu động servo 15 Lý thuyết tối ưu 15 Tối ưu đa mục tiêu 16 Ứng dụng tối ưu đa mục tiêu động servo 25 2.1.3.1 Thông số kỹ thuật yêu cầu thiết kế 27 2.1.3.2 Xây dựng tốn thiết kế tối ưu động servo khơng đồng pha 27 2.1.3.3 Đặc tính động tối ưu 31 2.2 Mô phần tử hữu hạn 34 Lý thuyết nghiêng rãnh rotor 34 Mô so sánh rãnh nghiêng rotor rãnh thẳng 35 2.3 Kết luận chương 39 CHƯƠNG MÔ PHỎNG NHIỆT ĐỘNG CƠ SERVO 41 3.1 Phân tích nhiệt động 41 iii Đặt vấn đề 41 Nguyên lí truyền nhiệt dẫn nhiệt động 42 3.1.2.1 Phát nóng làm nguội vật thể đồng 43 3.1.2.2 Độ chênh nhiệt độ theo chiều dày lớp cách điện 43 3.1.2.3 Tản nhiệt bề mặt 44 3.2 Mơ hình phát nhiệt động 46 Đặt vấn đề 46 Mơ hình nhiệt động 46 3.3 Tính tốn độ tăng nhiệt chế độ nhiệt ổn định 48 3.4 Mô nhiệt động 49 Kết mô nhiệt điểm làm việc liên tục 50 Kết mô nhiệt điểm làm việc ngắn hạn 53 3.5 Kết luận chương 55 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 57 4.1 Đặt vấn đề 57 4.2 Xây dựng mơ hình 3D động mẫu thử 57 4.3 Chế tạo động mẫu thử 60 4.4 Thử nghiệm động 62 4.5 Kết thử nghiệm so sánh với mô 63 Kết đo mơmen, dịng điện số điểm hoạt động 63 Kết đo nhiệt động 72 4.6 Kết luận chương 77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 78 ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 79 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 89 PHỤ LỤC A 90 PHỤ LỤC B 100 PHỤ LỤC C 109 PHỤ LỤC D 99 PHỤ LỤC E 111 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Mô tả W Khối lượng điện từ động D Đường kính stator L Chiều dài mạch từ s Tần số trượt V Điện áp dây n Tốc độ động f Tần số dòng stator Tm Mơmen động Is Dịng điện stator Sóng hài sức điện động Bm Mật độ từ thông v Vận tốc tiếp tuyến rotor τ Bước cực ξ Khoảng cách điểm đầu điểm cuối rotor pCu Tổn hao đồng dây quấn stator pAl Tổn hao đồng dẫn rotor p Tổn hao sắt stator rotor từ trễ dòng điện xốy từ trường sinh lõi sắt p pstray Tổn hao ma sát, quạt gió Tổn hao phụ v C Nhiệt dung riêng vật thể α Hệ số tản nhiệt bề mặt vật thể nóng θ Độ chênh nhiệt độ bề mặt vật thể nóng với mơi trường xung quanh θ0 Độ tăng nhiệt ban đầu θ∞ Nhiệt bão hòa T Hằng số phát nóng Q Nhiệt lượng Sc Tiết diện đường truyền dòng nhiệt λc Hệ số dẫn nhiệt vật liệu cách điện δc Chiều dày lớp cách điện R Nhiệt trở o Hệ số tản nhiệt bề mặt mơi trường tĩnh v Tốc độ dịng khơng khí k Hệ số tính đến chuyển dịch dịng khơng khí R Nhiệt trở bề mặt tản nhiệt Rcd Nhiệt trở cách điện RFe Nhiệt trở bề mặt lõi sắt RCu Nhiệt trở bề mặt phần đầu nối θ Độ tăng nhiệt độ dây quấn θ Độ tăng nhiệt độ lõi sắt stator vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TT Chữ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt SQP Sequential Quadratic Programming Quy hoạch đa thức bậc 2 GA Genetic Algorithms Thuật toán di truyền PSO Particle Swarm Optimization Phương pháp tối ưu bầy đàn FEA Finite Element Analysis Phân tích phần tử hữu hạn AC Alternating Curent Dịng điện xoay chiều DC Direct Curent Dòng điện chiều EMF Electromotive force Sức điện động IEC International Electrotechnical Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế Commission vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các đặc tính làm việc động Bảng 2.1 Kết áp dụng thuật toán SQP 22 Bảng 2.2 Kết hàm mục tiêu f1(x) f2(x) 24 Bảng 2.3 Kết số thơng số thiết kế tối ưu động servo không đồng 31 Bảng 2.4 Lựa chọn phương thức làm mát mật độ dòng điện [62] 32 Bảng 2.5 Giá trị mômen độ nhấp nhơ theo góc nghiêng rotor 36 Bảng 3.1 Nhiệt độ giới hạn tương ứng cấp cách điện 42 Bảng 3.2 Hệ số tản nhiệt bề mặt môi trường tĩnh 45 Bảng 3.3 Nhiệt độ bão hòa số phận động với trường hợp nắp hở 52 Bảng 4.1 Thơng số kích thước động 58 Bảng 4.2 Kết số thơng số động servo mẫu thử 61 Bảng 4.3 Kết đo mômen dòng điện dây quấn stator điều chỉnh tần số n = 500 rpm, U = 340V 64 Bảng 4.4 Kết đo mơmen dịng điện dây quấn stator điều chỉnh tần số n = 500 rpm, U = 360V 65 Bảng 4.5 Kết đo mơmen dịng điện dây quấn stator điều chỉnh tần số n = 700 rpm, U = 350V 66 Bảng 4.6 Kết đo mơmen dịng điện dây quấn stator điều chỉnh tần số n = 700 rpm, U = 380V 68 Bảng 4.7 Bảng so sánh kết đầu vào thiết kế tối ưu thử nghiệm 70 Bảng 4.8 Kết so sánh mô nhiệt thực nghiệm tốc độ n = 500 rpm, chế độ làm việc ngắn hạn 73 Bảng 4.9 Kết so sánh mô nhiệt thực nghiệm tốc độ n = 700 rpm, chế độ làm việc liên tục 75 Bảng 4.10 Kết so sánh mô nhiệt thực nghiệm tốc độ n = 1000 rpm 76 viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Phân loại động servo Hình 1.2 Một số ứng dụng động servo Hình 1.3 Đặc tính mơmen – tốc độ động servo Hình 2.1 Biểu đồ phân bổ tượng trưng tối ưu đa mục tiêu Pareto 16 Hình 2.2 Đồ thị tượng trưng sử dụng thuật toán ɛ -constraint [48] 19 Hình 2.3 Kết hội tụ sử dụng thuật tốn SQP biến x1, x2 22 Hình 2.4 Kết hội tụ sử dụng thuật toán SQP hàm f1(x) ràng buộc g1(x)23 Hình 2.5 Kết tính tốn tối ưu mơ Matlab 24 Hình 2.6 Kết phân bổ Pareto hai hàm mục tiêu f1(x) f2(x) 25 Hình 2.7 Lưu đồ thiết kế tối ưu đa mục tiêu động servo không đồng pha 26 Hình 2.8 Lưu đồ thuật tốn tối ưu hai mục tiêu SQP kết hợp ɛ-constraint 28 Hình 2.9 Trình tự bước thiết kế 29 Hình 2.10 Đặc tính phân bố tối ưu Pareto theo hai hàm mục tiêu 30 Hình 2.11 Đặc tính mơmen theo tốc độ động tối ưu 32 Hình 2.12 Đặc tính cơng suất theo tốc độ 33 Hình 2.13 Đặc tính điện áp dây theo tốc độ 33 Hình 2.14 Đặc tính dịng điện stator theo tốc độ 34 Hình 2.15 Sức điện động cảm ứng dẫn rotor [67] 35 Hình 2.16 Kết mô FEA mômen độ nhấp nhô theo góc nghiêng 36 Hình 2.17 Kết mơ mômen cực đại 500 rpm rotor rãnh nghiêng 37 Hình 2.18 Kết mơ mơmen cực đại 500 rpm rotor rãnh thẳng 37 Hình 2.19 Kết mô mômen cực đại 3500 rpm, rotor rãnh nghiêng 38 Hình 2.20 Kết mô mômen cực đại 3500 rpm, rotor rãnh thẳng 38 Hình 2.21 So sánh mơ FEA thiết kế tối ưu 39 Hình 3.1 Hướng truyền nhiệt động [88] 47 Hình 3.2 Mơ hình nhiệt động 48 Hình 3.3 Nhiệt độ động theo thời gian, chế độ làm việc liên tục, làm mát tự nhiên 50 Hình 3.4 Mặt cắt nhiệt dọc trục động cơ, làm mát tự nhiên, chế độ liên tục 51 Hình 3.5 Mặt cắt nhiệt ngang trục động cơ, làm mát tự nhiên, chế độ liên tục 51 Hình 3.6 Nhiệt độ động theo thời gian, chế độ làm việc liên tục, làm mát tự nhiên với thiết kế hở nắp 52 Hình 3.7 Mặt cắt nhiệt ngang trục động cơ, làm mát tự nhiên, chế độ liên tục với thiết kế hở nắp 52 ix Hình 3.8 Nhiệt độ động theo thời gian, chế độ làm việc ngắn hạn, làm mát tự nhiên 53 Hình 3.9 Mặt cắt nhiệt dọc trục động cơ, làm mát tự nhiên, chế độ ngắn hạn 54 Hình 3.10 Mặt cắt nhiệt ngang trục động cơ, làm mát tự nhiên, chế độ ngắn hạn 54 Hình 3.11 Nhiệt độ động theo thời gian, chế độ làm việc ngắn hạn, làm mát tự nhiên thiết kế hở nắp 55 Hình 3.12 Mặt cắt nhiệt ngang trục động cơ, làm mát tự nhiên, chế độ ngắn hạn thiết kế nắp hở 55 Hình 4.1 Mô 2D động mẫu thử 58 Hình 4.2 Mơ 3D stator động mẫu thử 59 Hình 4.3 Mơ 3D rotor động mẫu thử 59 Hình 4.4 Mơ 3D động thiết kế 59 Hình 4.5 Rotor rãnh nghiêng mẫu thử 60 Hình 4.6 Hình ảnh động chế tạo 60 Hình 4.7 Động mẫu thử chế tạo 61 Hình 4.8 Thử nghiệm mẫu thử động hệ thống đo test-bench 62 Hình 4.9 Sơ đồ khối mơ hình thử nghiệm động 63 Hình 4.10 Đặc tính mơmen theo tần số n = 500 rpm, U = 340 V 64 Hình 4.11 Đặc tính mơmen theo tần số n = 500 rpm, U = 360V 65 Hình 4.12 Kết thử nghiệm thơng số 500 rpm, U = 360 V, f = 32 Hz, chế độ làm việc ngắn hạn 66 Hình 4.13 Đặc tính mơmen theo tần số n = 700 rpm, U = 350 V 67 Hình 4.14 Đặc tính mơmen theo tần số n = 700 rpm, U = 380 V 68 Hình 4.15 Kết thử nghiệm thông số 700 rpm, U = 380 V, f = 46 Hz, chế độ làm việc ngắn hạn 69 Hình 4.16 Kết thử nghiệm thơng số 700 rpm, U = 300 V, f = 38,6 Hz, chế độ làm việc liên tục 69 Hình 4.17 Kết thử nghiệm thơng số 1000 rpm, U = 380 V, f = 54,4 Hz, chế độ làm việc liên tục 70 Hình 4.18 Đặc tính mơmen – tốc độ tính tốn kết đo điểm hoạt động khác 71 Hình 4.19 Kết đo nhiệt độ động 500 rpm, chế độ làm việc ngắn hạn 72 Hình 4.20 Kết mơ nhiệt độ mẫu thử 500 rpm, chế độ làm việc ngắn hạn 73 Hình 4.21 Nhiệt độ dây quấn 500 rpm, chế độ làm việc ngắn hạn 73 x Hình Kết đo n = 500rpm, U = 300V, f = 40Hz Hình Kết đo n = 500rpm, U = 300V, f = 45Hz 113 Hình Kết đo n = 500rpm, U = 300V, f = 50Hz Hình Kết đo n = 500rpm, U = 300V, f = 55Hz 114 Hình Kết đo n = 500rpm, U = 300V, f = 60Hz Kết đo n = 500rpm, U = 340V Hình 10 Kết đo n = 500rpm, U = 340V, f = 30Hz 115 Hình 11 Kết đo n = 500rpm, U = 340V, f = 35Hz Hình 12 Kết đo n = 500rpm, U = 340V, f = 40Hz 116 Hình 13 Kết đo n = 500rpm, U = 340V, f = 45Hz Hình 14 Kết đo n = 500rpm, U = 340V, f = 50Hz 117 Kết đo n = 500rpm, U = 360V Hình 15 Kết đo n = 500rpm, U = 360V, f = 35Hz Hình 16 Kết đo n = 500rpm, U = 360V, f = 40Hz 118 Hình 17 Kết đo n = 500rpm, U = 360V, f = 45Hz Kết đo n = 700rpm, U = 350V Hình 18 Kết đo n = 700rpm, U = 350V, f = 37Hz 119 Hình 19 Kết đo n = 700rpm, U = 350V, f = 39Hz Hình 20 Kết đo n = 700rpm, U = 350V, f = 42Hz 120 Hình 21 Kết đo n = 700rpm, U = 350V, f = 45Hz Hình 22 Kết đo n = 700rpm, U = 350V, f = 50Hz 121 Hình 23 Kết đo n = 700rpm, U = 350V, f = 52Hz Hình 24 Kết đo n = 700rpm, U = 350V, f = 55Hz 122 Hình 25 Kết đo n = 700rpm, U = 350V, f = 57Hz Hình 26 Kết đo n = 700rpm, U = 350V, f = 60Hz 123 Kết đo n = 700rpm, U = 380V Hình 27 Kết đo n = 700rpm, U = 380V, f = 37Hz Hình 28 Kết đo n = 700rpm, U = 380V, f = 40Hz 124 Hình 29 Kết đo n = 700rpm, U = 380V, f = 43Hz Hình 30 Kết đo n = 700rpm, U = 380V, f = 46Hz 125 Hình 31 Kết đo n = 700rpm, U = 380V, f = 50Hz Hình 32 Kết đo n = 700rpm, U = 380V, f = 55Hz 126 Hình 33 Kết đo n = 700rpm, U = 380V, f = 60Hz 127