Khái quát chung 12.
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
- HOÀNG VÕ TÙNG LÂM
NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN
CHO Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG BỐN CỰC
Chuyên ngành :
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
TS
2015
Trang 2LỜI CAM ĐOAN
lu th c hi i s ng d n
ca thy giáo TS Nguych
hoàn thành lu s d ng nh ng tài li c ghi trong
danh m c tài li u tham kh o và không sao chép b t k tài li u nào khác N u phát
hi n có s sao chép tôi xin ch u hoàn toàn trách nhi m
Hà Nộ i, ngày tháng năm 2015
i th c hi n
Hoàng Võ Tùng Lâm
Trang 43.1 T ng h p các b u khi n c a t theo m 373.1.1 Mô t toán h u khi n 38
Trang 5n 564.2.2 ng c a hi u ng con quay h i chuy n trong quá trình làm vi c
Trang 6fe T thông trong lõi thép
a T thông trong khe h không khí
T thông móc vòng c a cun dây
Sa Tit dit trong khe h không khí
l Chiu dày lõi thép hình C
w Chi u r ng lõi thép hình C
lC Ching t thông trong lõi thép hình C
lI Ching t thông trong lõi thép hình I
g Khe h không khí t i v nh
Trang 9ixp, iyp
ixr, iyr
Thành phn trong h t t nh tiThành phn trong h t
Wx, Kx, Tx Hàm truy n, h ng s thi gian, h s khui c trí
Gcd, L, R, Ti Hàm truyn cn tr , h ng s i gian c th a cun dây
Trang 10Active Magnetic Bearing
Passive agnetic M Bearing
Superconducting material bearing
Hybrid magnetic bearing
High temperature superconduting
Magnetomotive Force MMF
Proportional Integral Derivative
Lc t ng
B u khi n t l tích phân vi phân
Khui công su t
B u khi n
Trang 12 59
59
59
Trang 13MỞ ĐẦU
1 Khái quát chung
Trong các h u khi n chuy ng, các c giúp cho các tr c có th tr thc hi n chuy ng quay ho c t nh ti n m t cách d dàng nh gi m thi u c
ma sát Th c t c r tr chia làm hai lo i là có ti p xúc và không có ti p xúc Lo i có ti ng g p là các lo khí , ngoài ch cho các tr c chuy ng quay ho c t nh ti n thì nó còn
có chn chuyng theo chi u d c tr c Lo i không có ti các loi bi t (gi i t t là t , s d ng l c nâng c a t c ho c b tr
ph n chuy ng th c hi n chuy ng quay hay t nh ti n mà không có ti p xúc
gia phng), t có ch ch trc ( t ng tâm), mun thêm chn thì ph i k t h p thêm mt lo i t d c tr c.
Do không có s p xúc tr c ti p gi a ph n chuy ti ng và phnên các t ng d ng quan tr ng và hi u qu trong các thi t b máy có trc quay v i t cao chính xác l n, làm vi ng
(4) Nghiên cu nâng cao chng h u khi n cho t
Ni dung lun án này s ng nghiên cng th 4
Trang 14Nh ng b u khi n hi i ng h n ch ng d ng t ch u trong ycác thi t b c s d ng r ng rãi So v i các b u khi n trên, b
u khi n PID m c dù ch u khi n còn th p do tính phi tuy n và xen kênh ca t u khi n PID v c ng d ng r ng rãi c
bi t trong các ng d ng công nghi m có, v mi ích thi t k m b u khi n t c yêu c u chng, lu u ng d ng b u khi n u khi n tách
x p vào lo i s n ph m công ngh cao, thân thi n v ng, có kh trin m nh Nh ng nghiên c u v t không ch t p trung ch y u các c phát tric y m nh n t vtrong quá trình nghiên c u và phát tri n, ng d ng c a nó v c th nghim, h u h c s n xu t hàng lo i hóa Trong
n, khi công ngh ch t o phát tri n, nh ng h n ch c a t
Trang 15Song song v i vi c phát tri n ph n c ng, các thu u khi n cho t
c nâng cao, hoàn thi n Các thu u khi n hi i có kh ng
t t v c tính phi tuy n cao, không nh ca t , cho ch ng cao Tuy nhiên, các b u khi n này có tính ch t ph c t p, làm h n ch các ng d ng c a
t nên b u khi n PID n vc ng d ng r ng rãi Vì v y, vi c nâng cao ch ng b u khi n PID cho t là yêu c u c p thi t
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
-
-
k
tách kênh
4 Phương pháp nghiên cứu
- Xây d ng mô hình toán h c cho ch t ng 4 c c
- Nghiên c u thi t k h u khi n m m b o nh cho h thng nâng b ng t ng s d ng t ch ng 4 c c:
+ H u ch nh v i c u trúc 2 m ch vòng s d ng b u ch nh PID + H u ch nh có tách kênh, m b u ch c l p vi c nâng t
Trang 16- Mô phng ki m nghi m b ng ph n m m matlab - Simulink
6 Ý nghĩa lý luận và thực tiễn của đề tài
Nghiên c u v t là v m i Vit Nam Các công trình nghiên cu
n n i dung này k t v c
b nào trong các t p chí chuyên ngành tài này ti p thu m t s ng th n v t , có th s d cho nhi u nghiên c u ti p theo
Thông qua vi c mô t t v c tính xen kênh; t t k b u khi u khi n tách kênh, nh m c i thi n ch y s phát trin nghiên c u t t i Vi t Nam, ti n d n t i vi c ng d ng t vào các h truy n Vit Nam, nh t là h có yêu c c bi t (t ng
khc nghit, yêu c u vô trùng )
7 Bố cục của luận văn
Trang 17Chương 1 TỔNG QUAN VỀ Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG 1.1 Khái niệm về ổ từ
t, t t c u c n ph i có m t h th ng tr c
H ng này có tác dth trCác d ng kt cu ki u vòng bi có ch c hi n nhi m v
M c s d ng r ng rãi trong vi c nâng các v t chuy ng, tuy nhiên, chúng v n còn t n t i m m gây ra b i chuy ng ti p xúc và chng xuyên b o
ng ho c thay m i Trong m t s ng d ng vi c b r t khó
i chi phí r t cao và công nhân chuyên nghi p Ví d : các vòng b
th tr thành v truyng làm vi c ngoài không gian,
hong kh c nghi t v i các ch t phóng x ho c ch u
c s d ng chân không cao, trong
ng có nhi c c cao ho c c c th p ho c c ng yêu c u
s ch cao Ngoài ra, d yu gây ra ô nhi m môi
ng Hiu nghiên c u v vi c thay th
Trang 18thay th b ng m t tròn bên trong g n các cu n, và tr
ng trong kho ng không gi a t b i l c t n sinh ra ô t s d ng l c t nâng nh try s
hong mà không có ma sát hay s bào mòn v m t v hot
ng t r t l n mà không c n ph i tra thêm d u m y, vi c s d ng các t ho ng kh c nghit v i hi u sut ln nh t
(a) (b) Hình 1.2
t có kh p xúc các tr c chuy ng nh vào l c t
ng Do gi a tr c quay và ph p xúc v i nhau, cho nên t c coi là m t ngành công ngh có th i nhi t phá cho các ngành công nghi p ch t o và s n xu t nh nhm ni b
- Không gây ra hao mòn và ma sát cho vc nâng do không có s p xúc giti a
Trang 19t c s là m t s n ph th n t thông minh và là m t s n ph m n n cho nhi u ngành công nghi p khác Nghiên c u v t y mch nhiu
c phát trit, Mc, Trung Qu c, Hàn Qu c, và thu h c s quan tâm c a r t nhi u hãng s n xu t vòng bi l n Các s n ph m c t
ng d ng trong nhi , máy nén cao t c, máy phát tuabin khí cao t c và các thi t b y t
dày c a nam châm và các c u trúc c c t có hi u qu c i thi n kh i
ca t Tuy nhiên, khi nam châm quá l n thì l c nâng t khi
ng c a chính nó Vì v y, các thi t k t u không th quá l n PMB
Trang 201.2.2 Ổ từ siêu dẫn ( superconducting material bearing SMB) –
c ch t o t u và ch t siêu d n, l c t o ra
y V t li u siêu d n d a trên tính ch t v t li u r c bi t: t th m
i µr = 0, nhc s quan tâm r ng rãi c gi công ngh M c dù v a i trong ph m vi phòng thí nghi ng d ng công nghi p có kh n
c tính c t lõi c a v t li u siêu d n là nhi r t thn
tr bi n m t M n trong v t li u siêu d n s ti p t c ch y ngay c khi không còn b t c ngu n áp nào T t c t ng b ép ra bên ngoài v t li u siêu d n b i
hi u ng nh giu
V t li u siêu d n nhi cao m hi n tính ch t quý giá này nhi c a Ni
l ng, và m t vài vt liu ngo i lai khá c thm chí còn nhi
c tính tuy n tính hóa c a mà không c n tiêu th ng
Có vài h ng k t h p t th th c xây d ng trong quá kh M t ví d quan tr ng trong công nghi cao ki u lai (hybrid turbomolecular pumps
TMPs) t h p ch ng và th ng, th m chí là c b m rung b ng gi
Trang 21 k t h p này tlà i th c nâng c 5 tr c m t cách ch n nay, chi phí cho vi c hoàn toàn dùng h thng ch c c t gi m xu ng m c c nh tranh, k t qu là cao ki u lai c thay th b i loi hoàn toàn ch ng (fully active hybrid turbomolecular pumps ).
1.2.4 Ổ từ chủ động (Active Magnetic Bearing – AMB)
tng ca rotor, làm gim công sut cn thit ca AMB
H u h t các ng d ng công nghi p s d ng l c nâng t u d trên t a ch ng
Trang 22Ta th y, lo ấ ạ i ổ ừ chủ động có ưu điểm đặ t c bi ệt là độ ng h c rotor có th ọ ể được điề u khiể n m t cách ch ng thông qua K t qu là, nh ng tính ch t trên cho phép các ộ ủ độ ổ đỡ ế ả ữ ấ thiế ế ớ ốc độ t k m i, t cao v i kh ớ ả năng giả m rung m t cách ch ng, m ộ ủ độ ật độ công su t ấ
l ớn, không có hao mòn cơ họ c, ít bảo trì và do đó, chi phí thấ p
=> Đây là loạ ổ đỡ được đề ậ i c p nghiên c u trong lu ứ ận án Đặc điể m c a t ch ủ ổ ừ ủ
độ ng s ẽ đượ c xem xét c th ụ ể hơn ở ph n ti p theo ầ ế
- Loi t ch ng ba c m là nh g n, d ch t o và s ng b khui công su t ít Tuy nhiên, l c nâng có phân b i x ng, khó th c hi n
vi c tách kênh và có tính phi tuy n r t m nh, vì v y vi m b o t ch ng ba cc làm vic nh là ri h u khi n ph c tp
- Loi t ch ng tám c c có phân b l i x ng và d dàng th c hi n
u khi i có quá nhi u c c d n t i s ng b khu i công sut và tn hao trong t
Trang 23- Loi t ch ng b n c c dung hòa c hai yêu c y m nh nghiên c u và hi chú ý c a nhi u hãng s n xu ng nghiên c u c a lu
1.3.2 Nguyên lý nâng sử dụng lực từ
AMB s d u ch n t u khi n v trí c a rotor ho c c i
c nâng nói chung Các t là nh ng thi t b t v i lõi thép, cu n dây, c m bi nh v trí rotor
i v i t ch ng 4 c nh v trí c a tr c theo c c và
i ta thi t k t sao cho có th t o ra l c t ng v i 2 tr c
ng tâm tr c giao Do các c c t c a là gi c h n, ta phân tích m t c n, mô t cho ch t ng trong hình 1.4 là lou khi n nâng theo mng
Hình 1.4
t có c u t n Tuy nhiên, thay vì t o ra momen
xo quay rotor, nó li to ra mt lc ngang tr nâng rotor trong lòng
Trang 28
1.4.4 Ứng dụng đòi hỏi ma sát nhỏ
t không có s ti c ma sát g tri t tiêu hoàn toàn
c áp d ng cho 1 s ng d c bin hình là trong h th ng ngu n d
Không gi ng v i các h ng trong ng hc tích tr i d th
n
H ng này làm vi c theo nguyên t c t n d th t
phát ra ngun d c cthì ta
c t l n nh h t V i vi c l c ma sát b tri t tiêu g hoàn toàn, t c c r t ln và suy hao trong th i gian r t lâu
Trang 29Chương 2
t là chi ti t máy thu c k thu cho các tr c chuy ng quay và t nh ti n M t khác nó l i là m t thi t b u khi n C , v c u th
t o nó gi n có stator làm b ng thép lá k thu n, trên
c x t dây qu n, rotor c ch t o b ng v t li u t tính bao bên ngoài tr c chuy nguyên lý làm vi c thì t l t
n thay vì t o mô men quay cho tr c thì nó l i t o ra các l c chuy n
d ch tr à y, các lu ch nh t ng nh m duy trì khe
h gi a stator và rotor xung quanh giá tr thi t l c m i quan h
ng l c h c c a t ch c h t ph c t thông, t tr n c m, m t thông, l c t n d ch (x, y)
ca tr c mô hình toán h c c a AMB
2.1 Cơ sở toán học của hệ nâng từ trường
xây d ng mô hình toán h ng, phu tiên s toán h c c a h nâng t ng Mc th c hi n nh m tính toán
Trang 30 v nh là g T c a lõi t hình ch I là x u dài khe h không khí là (g x)
Sfe tit din mt ct lõi thép
Sa tit din mt ct khe h không khí
Trang 31l R=
lfp chiu dài cng sc t
µmt d n t t m) c th a v t li u
Trang 32Khi lõi thép I di chuyn x, t c a khe h không khí, lõi thép C và tr lõi thép I lt là:
Trang 34Mthi t t thông hoàn toàn n m trong m ch t i ti t di (v n
mt ct ngang là Sfe) có tr s i trong toàn b m ch vòng kín T thông này
b ng v i t thông trong khe h không khí (v i tit din mt ct ngang là Sa), ta có:
ta có th d c l c t t i m t chuy n d ch b t k ng h p t ng ti khe h ng nh hi ng tích tr W a
c tính toán theo công th c
Trang 35 i v i v t li u s t t có µ r >> 1 thì t hóa s t t c b qua (b qua thành ph n l lC I
Trang 36 nhau
n i, trong m t cu n dây, l c t ng MMF, t thông và lc ng tâm
F u phía trên sinh ra m t l c hút F 1 theo chi u ng lên), u phía
Trang 37v t th là hi u c a hai thành ph n l u sinh rc nhau
x 2L2 B
k = Ig
H s l c dòng di n k i và h s l c d ch chuy n k x
T y r ng l t t l v c u khi n l c i b n phân cc IBc gi i
Trang 38Cơ cấu này có ưu điểm là đưa đượ c d ng ph thu c c a l c t theo dòng ạ ụ ộ ủ ự ừ điệ n v quan h t l tuy ề ệ ỷ ệ ến tính; đồ ng th i, có th t o ra l ờ ể ạ ực điề u ch nh khá l n ỉ ớ
b ng m ằ ột lượng điề u ch nh nh giá tr ỉ ỏ ị dòng điện điề u khi n ể