Tóm tắt: 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

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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.

Mở đầu Sự cần thiết đề tài Hệ thống lưu trữ lượng bánh đà (FESS) công nghệ lưu trữ lượng dạng động FESS tham gia vào lưới điện thực chức năng: cung cấp lượng dự phòng hiệu giúp cân tải, giảm thiểu cố điện áp giảm tổn thất lượng tăng cường khả ổn định hệ thống điện Các ứng dụng cụ thể FESS thực tế: điều chỉnh tần số điện áp lưới, cung cấp điện liên tục (UPS), tích hợp hệ thống lượng tái tạo bao gồm lưới điện siêu nhỏ (MG), quân sự, đường sắt giao thông bao gồm xe điện (EV), hàng không du hành vũ trụ, … FESS có nhiều ưu điểm: cung cấp mật độ công suất cao, phản ứng động nhanh, thực hàng nghìn chu kỳ nạp/xả, khả nạp/ xả sâu; Trạng thái lượng lưu trữ dễ kiểm sốt thơng qua tốc độ quay; tuổi thọ hệ thống dài (20 năm-30 năm) phải bảo dưỡng; có khả mở rộng khả lưu trữ khơng có tác động đến môi trường Cấu trúc hệ thống FESS gồm động từ trường dọc trục (AFPM) tích hợp bánh đà, điều khiển biến đổi kiểu ma trận gián tiếp (IMC) có ưu mật độ lượng cao, tác động nhanh xu hướng phát triển hứa hẹn đưa đến ứng dụng thực tế quan trọng Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu điều khiển hệ thống tích trữ lượng bánh đà sử dụng động từ trường dọc trục stator kép biến tần ma trận gián tiếp” tập trung thực thiết kế hệ thống điều khiển biến đổi công suất chiều thiết kế, chế tạo thử nghiệm động AFPM stator kép; xây dựng quy trình thiết kế, chế tạo hệ thống FESS điều kiện thí nghiệm Qua đóng góp phần vào nghiên cứu phát triển công nghệ lưu trữ lượng lưu trữ lượng dạng bánh đà Mục tiêu nghiên cứu Luận án thực nghiên cứu FESS, tập trung nghiên cứu đề xuất phương pháp điều chế, điều khiển biến đổi điện tử công xuất chiều thiết kế, chế tạo mơ hình thử nghiệm máy điện AFPM mặt Các nội dung nghiên cứu hướng đến ứng dụng thực tế làm tảng cho nghiên cứu chuyên sau hệ thống tích trữ lượng Đối tượng phạm vi nghiên cứu Trong luận án thực nội dung phạm vi nghiên cứu gồm: + Hệ thống FESS sử dụng biến tần ma trận điều chế gián tiếp (IMC) động từ trường dọc trục đầu kép, xây dựng quy luật điều chế mẫu xung điều khiển cho IMC + Thiết kế, chế tạo mơ hình thử nghiệm động từ trường dọc trục AFPM stator kép Phân tích đánh giá kết đạt phạm vi thực thưc tế Phương pháp nghiên cứu Kết hợp nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm - Nghiên cứu lý thuyết mơ hình hóa mơ phương pháp điều chế, điều khiển biến tần trao đổi lượng chiều BTB, IMC, MC - Nghiên cứu mơ hình tốn học, mơ hình vật lý động AFPM thiết kế mô đánh giá cấu hình động ứng dụng FESS - Nghiên cứu kiểm chứng lý thuyết thực nghiệm chế tạo động AFPM đo đạc, kiểm tra, phân tich đánh giá động chế tạo Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài * Ý nghĩa khoa học: Luận án xây dựng hệ tích trữ lượng bánh đà sử dụng AFPM IMC để điều khiển lưu trữ trao đổi lượng chiều, đó: đề xuất luật điều chế cho IMC đảm bảo trình chuyển mạch van bán dẫn tối ưu; xây dựng mơ hình thử nghiệm AFPM stator kép phục vụ cho nghiên cứu chuyên sâu loại động ứng dụng FESS * Ý nghĩa thực tiễn: Các kết nghiên cứu góp phần hồn thiện hệ thống FESS để đưa vào ứng dụng thực tiễn; mơ hình thử nghiệm AFPM sử dụng thực nghiệm nghiên cứu động hệ tích trữ lượng bánh đà * Ý nghĩa khoa học: Bố cục luận án Luận án gồm chương phần kết luận chung, gồm nội dung sau: Chương 1: Trình bày tổng quan hệ thống lưu trữ lượng bánh đà Phân tích cấu tạo đánh giá phù hợp, hướng nghiên cứu biến đổi động AFPM FESS Từ đề xuất hướng nghiên cứu nội dung thực luận án Chương 2: Trình bày biến đổi cơng suất chiều sử dụng FESS Đề xuất mơ hình bán vật lý AFPM stator kép Đề xuất thiết kế điều khiển mô cho FESS: cấu trúc BTB đầu kép AFPM stator kép; cấu trúc IMC đầu kép - AFPM stator kép, tập trung giải vấn đề chọn lựa, phân tích, đánh giá điều khiển BTB IMC thực trao đổi lượng chiều Chương 3: Tính tốn thiết kế AFPM stator kép Lựa chọn thông số mô AFPM stator kép sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) 3D, đánh giá kết thu phục vụ cho phần thiết kế biến đổi công suất chiều Chương chế tạo thử nghiệm động AFPM stator kép Chương Chương 4: Trình bày chi tiết thiết kế chế tạo AFPM stator kép với thông số lựa chọn phạm vi thử nghiệm quy trình chế tạo Đánh giá khả trao đổi lượng chiều AFPM stator kép hạn chế, khó khăn q trình triển khai chế tạo Phần kết luận: Nhận xét, đánh giá kết luận kết đạt luận án Bình luận ý nghĩa khoa học, thực tiễn kết đạt phạm vi nghiên cứu Chỉ hạn chế, khó khăn đề xuất cho hướng nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng hệ FESS ứng dụng thành công thực tế Các đóng góp luận án Luận án có đóng góp sau: - Đề xuất cấu trúc hệ thống FESS sử dụng AFPM stator kép điều khiển biến tần ma trận điều chế gián tiếp (IMC) - Đề xuất mẫu xung điều chế nhằm cải tiến trình chuyển mạch cho IMC - Xây dựng hệ thống thực nghiệm nhằm kiểm chứng thuật tốn đề xuất, tính khả thi chế tạo AFPM stator kép Chương Tổng quan 1.1 Khái quát vấn đề nghiên cứu 1.1.1 Giới thiệu chung FESS FESS giới thiệu ESS dạng khí Hiện nay, phát triển công nghệ ổ bi từ ổ bị lai gốm, điện tử công suất đời máy điện tốc độ cao mở rộng ứng dụng FESS nhiều lĩnh vực khác Kích thước FESS ngày nhỏ khả tích trữ lượng lớn nhờ phát triển công nghệ vật liệu Hình 1.1 Cấu trúc thành phần FESS Cấu trúc thành phần FESS Hình 1.1 gồm thành phần chính: máy điện (stator, rotor), bánh đà, hệ thống ổ bi, chuyển đổi công suất chiều buồng chân không để giảm ma sát 1.1.2 Năng lượng chế độ làm việc FESS Năng lượng tích trữ FESS xác định hình dạng vật liệu Bánh đà/roto, tỷ lệ với momen qn tính bình phương vận tốc góc, xác định theo công thức: E= Jω (1.1) đó: E động tích trữ (J), J momen quán tính (kg.m2) ω vận tốc góc (rad/s) Năng lượng hữu ích bánh đà thuộc phạm vi tốc độ tối đa (ωmax) tốc độ tối thiểu (ωmin) tính theo cơng thức (1.2): E= 2 J(ωmax - ωmin ) (1.2) Chế độ làm việc FESS: - Chế độ nạp lượng (Charging Mode): bánh đà tăng tốc lên ωmax nhằm tích trữ lượng dạng động - Chế độ chờ (Standby Mode): bánh đà quay tốc độ ổn định nên động tích lũy trì ổn định - Chế độ xả lượng (Discharging Mode): bánh đà giảm tốc từ ωmax xuống ωmin để giải phóng lượng ω ωmax Standby Charge Discharge ωmin t t1 t2 t3 t4 Hình 1.2 Đặc tính làm việc bánh đà 1.1.3 Phân tích thành phần FESS a Bánh đà/rotor Bánh đà (được tích hợp rotor) phận lưu trữ lượng dạng động Bánh đà thường chế tạo dạng hình trụ dạng đĩa Mơ men qn tính bánh đà tính cơng thức: J= mr = πρhr 2 (1.3) b Động cơ/Máy điện Luận án nghiên cứu động AFPM mặt sử dụng FESS gồm cặp stator rotor.Chọn cấu trúc có rotor độc lập từ trường, bánh đà tích hợp rotor, stator nằm phía ngồi Hình 1.3 Cấu trúc AFPM bánh đà FESS Số Tên thành phần Số Tên thành phần 1, AFPM mặt phần 8, 14 Khe hở khơng khí 3, 18 Vòng bi chặn 9, 12 Rotor dưới 4, 16 Stator 10 5, 17 Vịng bi 11 Răng stator 13 Dây quấn pha stator 19 7, 15 Vành rotor Trục Nam châm vĩnh cửu Buồng chân không c Bộ biến đổi điện tử công suất Hai loại biến đổi thường sử dụng hệ thống FESS: AC-DC-AC (Back-to-back) AC-AC (Ma trận) - Bộ biến đổi Back to Back (BTB) DC/AC AC/DC GRID LG LI AFPM ua Flywheel Bus DC ub Phase Grid 380V – 50Hz M/G uc Phase Inverter Phase Active Rectifier CF Back-to-Back Converter RD Hình 1.4 Cấu trúc hệ FESS sử dụng biến đổi AC-DC-AC - Bộ biến đổi Ma trận (MC) L Phase Grid 380V – 50Hz S1 S4 S7 S2 S5 S8 S3 S6 AFPM Flywheel M/G S9 CF Matrix Converter Hình 1.5 Cấu trúc hệ FESS sử dụng biến đổi AC-AC - So sánh biến đổi BTB MC Các nội dung đánh giá sử dụng biến đổi tập chung vào phạm vi ứng dụng để so sánh mật độ công suất, hiệu suất, tối ưu linh kiện điện tử, kích thước, giá thành,… Đối với ứng dụng FESS, biến đổi MC có đáp ứng tốt so với biến đổi BTB 1.2 Tổng quan hướng nghiên cứu FESS 1.2.1 Hướng nghiên cứu FESS Các hướng nghiên cứu FESS triển khai với nội dung: tối ưu hóa hiệu suất lưu trữ lượng; phát triển FESS tích hợp với nguồn lượng tái tạo; nghiên cứu vật liệu để làm bánh đà; phát triển hệ thống điều khiển thông minh để tối ưu hoạt động FESS; phát triển ứng dụng cho FESS, bao gồm ứng dụng ngành y tế, công nghiệp vũ trụ; nghiên cứu phát triển biến đổi điện tử công suất cấu trúc điều khiển cho ứng dụng 1.2.2 Phương pháp điều khiển cho hệ FESS Phương pháp điều khiển luận án tập trung điều khiển biến đổi BTB, IMC, MC Các điều khiển thiết kế nhằm đáp ứng yêu cầu điều khiển FESS: + Huy động nhanh lượng cơng suất tích trữ + Đáp ứng chế độ nạp, chờ xả nhanh, xác Trong luận án tập trung sử dụng phương pháp điều khiển để thiết kế điều khiển cho FESS 1.3 Đề xuất phương hướng thực Luận án đề xuất hướng nghiên cứu sau: + Thiết kế xây dựng mô hình bán vật lý máy điện AFPM + Thiết kế, mô phỏng, so sánh đánh giá cấu trúc biến đổi phù hợp với FESS, có đánh giá khả nối lưới + Xây dựng kiểm nghiệm mơ hình thử nghiệm AFPM mặt đánh giá khả phát trả lượng lưới điện Chương Nghiên cứu biến đổi ma trận gián tiếp đầu kép hệ thống lưu trữ lượng bánh đà 2.1 Thiết kế mơ hình bán vật lý AFPM mặt Trong luận án đề xuất xây dựng mơ hình bán vật lý AFPM mặt Mơ hình sử dụng để thiết kế điều khiển AFPM chế độ làm việc khác FESS Dây quấn Stator Rotor NCVC NCVC Dây quấn Hình 2.1 T1 T1 F1 F1 T2 T2 F2 F2 Rotor Stator Cấu trúc AFPM mặt AFPM tồn lực hút từ dọc trục (F1,F2) stator rotor q trình làm việc 2.1.2 Mơ hình AFPM hệ tọa độ dq ia d - axis iq id q - axis A - axis ib ic Hình 2.2 Vị trí rotor hệ toạ độ dq a Hệ phương trình điện áp dịng điện d  vd = Rsisd + dt d − rq  v = R i + d  +   s sq q r d  q dt (2.1) b Phương trình lực dọc trục 2  2   N f 2i f + N s N f 2isd 2i f + N s (isd + isq )    ( g 20 − z )2 0 ( R02 − Ri2 )   F = F2 − F1 =   16 p  N i + N N i i + N (i + i )  f1 f1 s f sd f s sd sq1 −  2   ( g + z ) 10   (2.2) c Phương trình mơ men điện từ Te = 30 ( R02 − Ri2 ) N s 16 p  N f 1i f N f 2i f   +   iq = KT isq g 20   g10 (2.3) d Phương trình chuyển động dọc trục d 2z = F - G = K1 + K z + K 3icd − G d 2t e Phương trình động học: m d K = Te = T isq dt J J (2.4) (2.5) Mạch lực ia1 Bộ nghịch lưu ua, ia ub, ib uc, ic Nguồn Bộ chỉnh lưu ib1 AFPM mặt cảm biến NL1 C z ic1 } ω ia2 CL Bộ nghịch lưu ib2 ic2 NL2 Khối điều khiển chỉnh lưu NL1 CL PWM PWM ua ub uc Khâu chuyển hệ tọa độ abcàαβàdq uq Khâu chuyển hệ tọa độ abc àαβà dq id iq Udc_ref Khâu chuyển hệ tọa độ dq αβ Khốiđiều điềukhiển khiểnnghịch nghịchlưu lưu Khối ud1 uq1 BĐK dòng điện iq1 θ + PLL ud - SVM BĐK dòng điện + - - id1 Khâu chuyển hệ tọa độ abcàαβàdq ia1, ib1, ic1 + Uαβ ia ib ic SVM ω - BĐK tốc độ + Khâu chuyển hệ tọa độ dq αβ + id0 + icd0 - icd + + id0 - icd0 icq ω* + + NL2 PWM SVM Khâu chuyển hệ tọa độ dq αβ ud2 uq2 iq2 - z + z* id2 Udc BĐK vị trí ia2, ib2, ic2 Khâu chuyển hệ tọa độ abcàαβàdq BĐK dòng điện Hình 2.5 Cấu trúc điều khiển BTB – AFPM mặt 2.3.2 Thiết kế điều khiển khâu biến đổi AC/DC Cấu trúc điều khiển VOC, phương pháp điều chế vector khơng gian SVM để điều khiển đóng cắt van IGBT mạch lực, gồm bước: Bước Xác định trạng thái (vecto chuẩn) mạch chỉnh lưu Bước 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 Tính tốn thời gian (hoặc hệ số điều chế) thực hai vector chuẩn chu kỳ điều chế Ts Bước Tính tốn thời gian thực (hoặc hệ số điều chế) thực nhánh van chỉnh lưu chu kì Ts * Tổng hợp mạch vòng dòng điện i*s -   k pd  +   Tid s  Ri SVM Rs sTsd + is * Tổng hợp mạch vòng điều khiển điện áp chiều ĐT 2.3.3 Mô đánh giá kết 11 a Thông số mô Bảng 2.1 Thông số biến đổi, chỉnh lưu tích cực Thơng số biến đổi b Kịch mô Giá trị Điện áp DC Vo = 600 V Công suất P = KW Tụ DC C = 1750 uF Cuộn cảm lọc phía BBĐ L_i = 4.75 mH Cuộn cảm lọc Lg = 0.7 mH Tụ lọc Cf = 22 uF Trở lọc Rd = 2.04 Ω Thời gian (s) Tốc độ động (Vòng/phút) Chế độ hoạt động 0-1 11,5 3000 Nạp 2-2,5 3000 1500 Xả 3000 Chờ c Kết mô + Tốc độ AFPM + Điện áp tụ DC-Link Tốc độ Vdc 3000 (Vòng/phút) 600 ( V) 2000 550 1000 500 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 Thời gian (s) 0.4 0.6 0.8 1.4 1.2 Thời gian (s) + Dòng điện Id1, Iq1, Id2, Iq2 + Đáp ứng lực dọc trục Id1 0.2 0.2 F1 2000 1800 (N) (A) 0.1 1600 1400 1200 -0.1 1000 -0.2 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 0.2 0.4 0.6 1.2 1.4 1.2 1.4 1.2 1.4 F2 Id2 0.2 0.8 Thời gian (s) 1.4 Thời gian (s) 2000 1800 (A) (N) 0.1 1600 1400 -0.1 1200 -0.2 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 0.2 0.4 0.6 0.8 Thời gian (s) 1.4 Thời gian (s) F1-F2=G Iq1 (A) (N) -50 -100 -150 0.2 0.4 0.6 0.8 Thời gian (s) -5 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 +Đáp ứng mô men Te Thời gian (s) Iq2 Te 10 (N) (A) 20 -10 -5 0.2 0.4 0.6 0.8 Thời gian(s) 1.2 1.4 -20 + Công suất P 0.2 0.4 0.6 0.8 Thời gian (s) + Năng lượng E 12 1.2 1.4 P 1000 800 500 600 400 -500 200 -1000 E 1000 (J) (W) 1500 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Thời gian (s) 1.2 1.4 0.2 0.4 0.6 0.8 Thời gian (s) 2.4 Hệ thống điều khiển AFPM stator kép biến đổi IMC 2.4.1 Phân tích cấu trúc IMC – AFPM stator kép Hình 2.6 Cấu trúc IMC đầu kép nối tải R,L IMC có cấu tạo gồm chỉnh lưu tích cực hai chiều hai nghịch lưu Vấn đề đặt gồm: + Điều chế phía nghịch lưu + Điều chế phía chỉnh lưu + Phối hợp điều chế chỉnh lưu nghịch lưu qua chế: - Phân phối xung nghịch lưu thời gian điều chế (duty cycle) phía chỉnh lưu - Tính điện áp chiều ảo Vpn cho điều chế nghịch lưu thay đo Vpn - Tính tốn quy luật điều chế để tối ưu số lần đóng cắt van bán dẫn đảm bảo trình chuyển mạch chỉnh lưu idc = 13 1.2 1.4 phía nghịch lưu 2.4.2 Điều chế vector không gian cho nghịch lưu VB Vp S7 S9 V2 [PP0] V3 [0P0] S11 II Tải Load Vpn S8 S10 V out III V4 out [0PP] S12 IV V0 V1 [P00] I VA VI V V6 [P0P] V5 [00P] Vn VC SECTOR I (Vo, V1, V2, V7) d0/2 d2 d1 T1 = 3TsVom   sin  − out  V pn 3  T2 = 3TsVom sin out V pn mI = 3Vom V pn do/2 Ts V0 V1 V2 V7 V7 V2 V1 V0 S7 S9 S11 Phương trình dịng điện: → → → V out = d V + d  V   d = mI sin  − out    Các hệ số điều chế: ( d + d   ) d0 = − d − d  d  = mI sin(out ) d0 = − ( d + d  ) T T T d =  ;d  = ;d0 = Ts Ts Ts 14 2.4.3 Điều chế vector không gian cho chỉnh lưu Vp S1 S3 I3[bc] Ib S5 Ipn I4[ba] Iin I2[ac] Ua Ub Vpn Uc S2 S4 S6 Ia I0 Bộ lọc I5[ca] Chỉnh lưu I1[ab] Vn Ic I6[cb] Phương trình dịng điện: IinTs = I T + I T + I 0T0 T T T = d ,  = d , = d Ts Ts Ts Các hệ số điều chế: Ts = T + T + T0 T = T = 3Ts Iim   sin  − in  I pn 3  3Ts Iim sin in I pn I mR = im I pn d = mR sin(  − in ) d = mR sin(in ) d0 = − d − d 2.4.4 Liên kết chỉnh lưu nghịch lưu Hệ số điều chế vector Khoảng thời gian cho tích cực cho ‘n’ phần nghịch vector trình tự chuyển lưu: mạch phần chỉnh lưu:  n ) tr = dRTs dn = mI sin( − out n ) d n = mI sin(out Các hệ số điều chế cho trình tự Khoảng thời gian cho chuyển mạch ‘n’ phần vector trình tự chuyển nghịch lưu: mạch “n” phần nghịch lưu: 15 ) ( d0n = dR 1 − dn + d n    tin0 = d0nTs tin1 = d1nTs d1n = dR dn tin2 = d 2nTs d 2n = dR d n tin3 = d3nTs d3n = dR dn d 4n = dR d n tin4 = d 4nTs tin5 = d5nTs ) ( d5n = dR 1 − dn + d n    d d dα d dβ d do/2 dβ dα do/2 V0 V1 V2 V7 V2 V1 Ts/2 V1 Idc=0 Hình 2.7 Ts V2 V7 V2 V1 V0 Idc=0 Sơ đồ liên kết chuyển mạch điều chỉnh Sector I theo đề xuất 2.4.5 Mô hệ thống điều khiển AFPM stator kép IMC a Thông số mô STT Thông số biến đổi Cuộn cảm lọc phía BBĐ Cuộn cảm lọc phía lưới Tụ lọc Trở lọc Giá trị Li = 4.75 mH L_g = 0.7 mH Cf = 22 uF Rd = 2.04 Ω STT Thông số động Giá trị Công suất Stator P = 500 W Tốc độ định mức 3000 rpm Điện áp pha Tần số 220V 100 Hz 16 b Kịch mơ Đường đặc tính tốc độ: + Tốc độ AFPM Tốc độ 3000 3000 2500 2500 (v ò n g/ p h út) (v ò n g/ p h út) Tốc độ 2000 1500 2000 1500 1000 1000 500 500 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 0.2 0.4 0.6 + Vị trí z 1.2 1.4 + Dòng điện Id1, Iq1, Id2, Iq2 10 -4 0.8 Thời gian (s) Thời gian (s) z Id1 0.6 (A) 0.4 (m) -0.5 0.2 -1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 Thời gian (s) -1.5 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 Id2 0.2 Thời gian (s) (A) + Đáp ứng lực dọc trục F1 -0.6 1500 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.2 1.4 1.2 1.4 Thời gian (s) 1000 500 (A) (N) 1.4 -0.2 -0.4 2000 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 Iq1 1.4 -2 Thời gian (s) F2 2000 -4 0.2 0.4 0.6 0.8 Thời gian (s) 1500 Iq2 (A) ( N) 1000 500 -2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 Thời gian (s) -4 F1-F2 = G 0.2 0.4 0.8 + Mô men Te 1500 1000 Te 15 500 10 ( N m) ( N) 0.6 Thời gian (s) 2000 -500 0.2 0.4 0.6 0.8 Thời gian (s) 1.2 1.4 -5 -10 -15 0.2 0.4 0.6 0.8 Thời gian (s) 17 1.2 1.4 + Năng lượng E + Công suất P E P 1500 800 1000 600 (J) 500 400 200 -500 -1000 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 Thời gian (s) Thời gian (s) Kết luận: + Thiết kế mô FESS với cấu trúc IMC đầu kép -AFPM mặt cho kết đảm bảo với yêu cầu hệ thống + Khi so sánh kết sử dụng IMC BTB, ta thấy IMC có đáp ứng tốt so với BTB AFPM chuyển đổi trạng thái làm việc nạpàchờ chờàxả Chương Thiết kế động đồng từ thông dọc trục 3.1 Thiết kế AFPM 3.1.1 Cơ sở lý thuyết Phân tích cấu trúc đặc tính từ trường động dựa sở lý thuyết trường điện từ với phương trình Maxwell phương pháp phần tử hữu hạn (sử dụng phương pháp trọng số dư Galerkin) 3.1.2 Thông số AFPM stator kép Tính tốn thơng số động AFPM stator kép Thông số Giá trị Công suất định mức kw Tốc độ định mức 3000 rpm Điện áp pha Tần số Số pha Số cặp cực 220V 100 Hz m=3 p=2 Số rãnh pha cực q=2 Mật độ từ thơng khe hở khơng khí Bmg=0.8 T Độ dày khe hở khơng khí g=1 mm Hệ số dây quấn kw=0.93 18 Tỷ số sức điện động với điện áp pha 𝜀 = 0.8 - Thông số stator, rotor, nam châm Thơng số Đường kính ngồi stator Đường kính stator Độ dày stator Số rãnh stator Hệ số lấp đầy xếp chồng Thông số rãnh Thông số dây quấn Loại thép rotor stator Đường kính ngồi rotor Đường kính rotor Độ dày rotor Độ che phủ nam châm Kích thước nam châm Giá trị 120 mm 69 mm 50 mm 24 rãnh 0.95 wbi= 27 mm, d1= 1.5 mm, d2=1.5 mm, d3= 20 mm, wbs=3.5 mm, ws= 1.5 mm ddq= 0.65 mm, Nsl= 90 vòng M27_24G 120 mm 69 mm 52 mm 𝛼𝑀 = 0.7 Ro= 34,5 mm , Rn= 60 mm, l = 2,8 mm Thơng số Giá trị Stator Hình dạng kích thước rãnh Stator: Hs0: Hs2: Bs0: Bs1: Bs2: Hệ số lấp đầy rãnh lớn Số vòng dây/1 rãnh Số vịng dây/pha Đường kính dây quấn Trọng lượng Stator mm 25,294 mm mm 5,348 mm 5,348 mm 75% 160 vòng 640 vòng 0,404 mm 4.342 kg 19 Trọng lượng lõi thép Trọng lượng nam châm Mật độ từ thông Mật độ từ thông Stator Mật độ từ thông thân Stator Mật độ từ thông thân Rotor Mật độ từ thông NCVC Mật độ từ thơng khe hở khơng khí Tổn hao hiệu suất Tổn hao lõi thép Tổn hao đồng Hiệu suất 2.861 kg 0.128 kg 1,409 T 1,250 T 0,459 T 0,765 T 0,709 T 22,4 W 70,8 W 91,47% 3.1.3 Xây dựng mơ hình 3D động AFPM FEM Chia lưới đề xuất cho AFPM TT Thành phần Stator Rotor Dây quấn Nam châm Đồ thị mật độ từ thơng khe hở khơng khí so với độ điện Số mắt lưới 16856 14187 15280 147077 Kết mô FEM 3D 20 Nhận xét: Đường từ trường động khép kín, nguồn từ trường (NCVC) qua stator qua gông stator trở lại rotor, theo lý thuyết mạch từ AFPM Lực từ F theo trục x,y,z: Thành phần lực Giá trị F(x) 0,24 N F(y) 0,04 N F(z) 1.844 N 3.3 Quy trình thiết kế AFPM cho FESS Start Cài đặt thông số: loại máy: Công suất, tốc độ, điện áp, số đơi cực, kích thước Stator, Rotor, nam châm, trục, kích thước khe hở khơng khí Cài đặt chọn vật liệu, dây quấn, Chạy mơ để tính tốn hiệu suất, tổn hao, đáp ứng mơ men, Kiểm tra thông số Chia lưới mô FEM 3D Kiểm tra thông số Đưa thông số thiết kế 21 Chương Chế tạo mơ hình thử nghiệm động từ thông dọc trục 4.1 Thông số chế tạo: theo thông số mục 3.1.2 4.2 Quy trình gia cơng - Chế tạo theo quy trình: Bắt đầu Bắt đầu Chọn tôn SI, INOX Chọn tôn SI, INOX Chế tạo đồ gá, Tạo tôn Chế tạo đồ gá, Tạo tôn Định vị phôi đồ gá, Chuẩn bị Trục Định vị phôi đồ gá Quấn thân Rotor Quấn thân Stator Ko Ko đạt đạt Ko Ko đạt đạt Kiểm tra Kiểm tra Đạt Đạt Đạt Đạt Ủ thân Stator Gia công rãnh Định vị Nam châm Ủ thân Stator Kết thúc Kết thúc 4.3 Triển khai thực nghiệm đo kiểm - Đo kiểm tra động Giá trị điện trở pha 22 - Kiểm tra AFPM chế độ không tải Đặt tốc độ định mức (f=100 Hz, =3000 vòng/phút): - Kiểm tra động M2 chế độ máy phát: Dạng sóng EMF - Kiểm tra động M2 nối tải Dạng sóng điện áp, dịng điện chế độ có tải Dạng sóng cơng suất, điện áp, dịng điện chế độ nạp, chờ, xả 23 Kết luận kiến nghị Luận án đóng góp mặt lý thuyết thực tiễn nhằm nghiên cứu thiết kế FESS Những đóng góp luận án: - Xây dựng mơ hình bán vật lý máy điện AFPM mặt - Đề xuất cấu trúc FESS gồm biến tần ma trận gián tiếp (IMC) động AFPM mặt, đảm bảo trao đổi lượng chiều; Mô phỏng, đánh giá điều khiển cho cấu trúc FESS dùng MC – AFPM mặt, dùng phương pháp PIL để thực - Phương pháp tính tốn thiết kế AFPM mặt Đề xuất quy trình thiết kế, thực mô phần mềm FEM Đề xuất quy trình chế tạo, chế tạo thử nghiệm AFPM mặt Những hạn chế luận án hướng nghiên cứu Mặc dù kết đạt trình bày tồn luận án đảm bảo tính đắn lý thuyết thực tiễn Tuy nhiên nghiên cứu tồn giới hạn, cần thêm thời gian phát triển nghiên cứu tiếp theo: - Hạn chế điều kiện thiết bị thí nghiệm, cơng nghệ chế tạo, vật liệu,… nên việc đánh giá, đo kiểm thông số làm việc chi tiết, chất lượng mơ hình thử nghiệm AFPM gặp khó khăn chưa đánh giá hết kết thử nghiệm mong muốn - Phương pháp điều khiển thiết kế cho biến tần ma trận gián tiếp sử dụng phương pháp điều khiển thông thường (FOC, vec tơ không gian,…) chưa đề cập đến điều khiển đánh giá, tối ưu cho vấn đề mô men cogging, nhiệt độ làm việc AFPM Với hạn chế trên, luận án đề xuất hướng nghiên cứu nhằm phát triển hoàn thiện hệ thống FESS: - Cải thiện chất lượng hệ thống việc phát triển phương pháp điều khiển nâng cao - Phát triển mơ hình thử nghiệm nhằm đo kiểm đánh giá chi tiết thông số AFPM thiết kế, chế tạo; xây dựng biến đổi chiều kết nối AFPM cho ứng dụng lưu trữ lượng chế độ làm việc khác 24