luận án nghiên cứu thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép

Nguyễn Trường Giang đãluôn tận tâm, tận lực hỗ trợ, động viên, hướng dẫn về mặt chuyên môn trong suốtquá trình tôi thực hiện luận án này.Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ, nghiên cứu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Võ Đức Nhân

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN

ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG STATOR KHÔNG LÕI THÉP

Ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

Mã số: 9520216

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS Nguyễn Quang Địch

2 TS Nguyễn Trường Giang

HÀ NỘI-2023

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn Các số liệu và kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa từng được ai công bố trên bất cứ một công trình nào khác

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

PGS TS Nguyễn Quang Địch

TS Nguyễn Trường Giang

Nghiên cứu sinh

Võ Đức Nhân

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Đại học Bách Khoa Hà Nội đã cho phép tôi thực hiện luận án này Cảm ơn Phòng Đào tạo, Viện Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

đã luôn hỗ trợ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình tôi thực hiện luận án này

Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn sâu sắc đến người thầy, người giáo viên hướng dẫn của tôi là PGS.TS Nguyễn Quang Địch, TS Nguyễn Trường Giang đã luôn tận tâm, tận lực hỗ trợ, động viên, hướng dẫn về mặt chuyên môn trong suốt quá trình tôi thực hiện luận án này

Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ, nghiên cứu sinh của Viện Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa và các giảng viên của Khoa Tự động hóa, Đại học Bách Khoa

Hà Nội đã đưa ra những góp ý, chỉ dẫn giúp tôi hoàn thành mô hình thử nghiệm phần cứng cho luận án của mình Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Phạm Thị Lý, Trường Đại học Giao thông Vận tải và ThS Nguyễn Xuân Biên, Trường Đại học Thủy lợi đã trợ giúp thực hiện đề tài luận án

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn thiện luận án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai

Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, Lãnh đạo Bộ Khoa học và Công nghệ, Lãnh đạo Vụ và các anh chị, em của Vụ Phát triển khoa học và công nghệ địa phương, Bộ Khoa học và Công nghệ và bạn bè đã luôn ở bên động viên, giúp đỡ trong suốt quá trình tôi tham gia khóa học này

Nghiên cứu sinh

Võ Đức Nhân

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ CÁI VIẾT TẮT v

CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC HÌNH VẼ ix

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG STATOR KHÔNG LÕI THÉP 6

1.1 Tình hình nghiên cứu động cơ tự nâng stator không lõi thép 6

1.2 Tổng quan về động cơ tự nâng stator không lõi thép theo nguyên lý lực Lorentz

10 1.2.1 Cấu tạo của động cơ tự nâng stator không lõi thép 10

1.2.2 Khái quát về lực Lorentz áp dụng cho động cơ tự nâng stator không lõi thép 16 1.2.3 Cơ chế tạo lực ổ từ 17

1.2.4 Cơ chế sinh mô men quay 20

1.3 Cấu trúc điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép………… …………21

1.4 Mô hình nghiên cứu của đề tài luận án 23

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG STATOR KHÔNG LÕI THÉP 25

2.1 Mô hình động cơ tự nâng stator không lõi thép (TNSKLT) dây quấn rải 25

2.1.3 Phân tích nguyên lý điều khiển mô men quay động cơ tự nâng stator không lõi thép dây quấn rải 32

2.2 Mô hình mạch lực của truyền động động cơ tự nâng stator không lõi thép 35

2.3 Động lực học quá trình điện từ động cơ tự nâng stator không lõi thép 36

2.3.1 Động lực học mạch phần ứng 36

2.3.2 Động lực học mạch vòng điều khiển lực 36

2.3.3 Động lực học chuyển động 37

2.4 Mô hình điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép 39

2.5 Cấu trúc điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép dạng I 40

2.6 Phân tích điều khiển lực ổ từ cho động cơ TNSKLT dây quấn rải (dạng II).….43 2.7 Sơ đồ nguyên lý cấu trúc điều khiển có khử nhiễu cho động cơ tự nâng stator không lõi thép dạng II……….……… 47

2.8 Phân tích chọn mô hình điều khiển 49

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG STATOR KHÔNG LÕI THÉP 51

3.1 Khái quát chung 51

3.1.1 Đặt vấn đề 51

3.2 Cấu trúc điều khiển động cơ TNSKLT 53

3.3 Tổng hợp các mạch vòng tốc độ 55

3.4 Phân tích phương án điều khiển phản hồi đầu ra với bộ điều khiển PID mạch vòng vị trí 56

3.4.1 Đặc điểm mạch vòng vị trí: 56

3.4.2 Phân tích lựa chọn phương án 57

3.4.3 Tổng hợp mạch vòng điều khiển vị trí 58

3.4.4 Đánh giá mạch vòng vị trí theo tiêu chí bám lượng đặt và kháng nhiễu 59

3.4.5 Thiết kế bù nhiễu ngoại 61

3.5 Mô phỏng hệ điều khiển động cơ TNSKLT 63

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ TNSKLT VÀ THỰC NGHIÊM 68

4.1 Khái quát chung 68

4.2 Giới thiệu các thiết bị trong thực nghiệm 69

4.3 Thực nghiệm xác định thông số ban đầu 73

4.4 Thử nghiệm về điều khiển 75

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 80

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

PHỤ LỤC 88

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ CÁI VIẾT TẮT

a-d cuộn dây stator

b-e cuộn dây stator

c-f cuộn dây stator

d- trục cực từ

B (T) Cường độ từ trường

D Nhiễu

E (V) sức điện động

F (N) lực từ

FadLực từ Lorentz tác động lên cuộn dây a-d

FbeLực từ Lorentz tác động lên cuộn dây b-e

FcfLực từ Lorentz tác động lên cuộn dây c-f

F (A vòng) Sức từ động

G Hàm truyền

GF Hàm truyền Feedforwward

I (A) dòng điện

I ad(A) Dòng điện chạy qua cuộn dây stator a-d

I be(A) Dòng điện chạy qua cuộn dây stator b-e

I cf (A) Dòng điện chạy qua cuộn dây stator c-f

(A) Dòng điện sinh lực từ của cuộn dây stator a-d

(A) Dòng điện sinh lực từ của cuộn dây stator b-e

(A) Dòng điện sinh lực từ của cuộn dây stator c-f

(A) Dòng điện sinh mô men của cuộn dây stator a-d

(A) Dòng điện sinh lực mô men của cuộn dây stator b-e

(A) Dòng điện sinh lực mô men của cuộn dây stator c-f

k hệ số

kfx (N/A) hệ số tỷ lệ lực với dòng điện trục X

kfy (N/A) hệ số tỷ lệ lực với dòng điện trục

km (Nm/A) hệ số tỷ lệ mô men

L (H) điện cảm cuộn dây

ℓ (mm) chiều cao cuộn dây stator

M (Nm) mô men của động cơ

n (v/p) tốc độ động cơ

q- Trục tọa độ

R (Ω) điện trở

r (mm) bán kính rotor

U (V) Điện áp

X trục X

x(mm) là khoảng cách khe hở giữa rotor và stator của động cơ theo trục X

y(mm) là khoảng cách khe hở giữa rotor và stator của động cơ theo trục Y

Z Trục Z

Δ (mm) là khe hở không khí giữa rotor và stator của động cơ

γ (rad) góc lệch giữa véc tơ từ trường và véc tơ dòng điện

Ψ (rad) góc quay của cực từ rotor

ω (rad/s) tốc độ góc của động cơ

Β (rad) góc lệch của lực Lorentz của cuộn dây a-d với trục X

là gia số

(mm) sai lệch trục X

(mm) sai lệch trục Y

(mm) sai lệch trục y

(N) Biến thiên lực trục X

(N) Biến thiên lực trục Y

(N) Biến thiên dòng trục X

(N) Biến thiên dòng trục Y

TNSKLT: Động cơ tự nâng stator không lõi thép

CHỮ VIẾT TẮT

ABM : Active Magnetic Bearing

SSBM : Slotless Self-Bearing Motor

TN SKLT: Tự nâng stator không lõi thép

DANH MỤC BẢNG BIỂU

B 2.1 Thông số kích thước động cơ

B 3.1 Thông số động cơ

B 4.1 Số liệu thí nghiệm về sức điện động động cơ

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.2 Động cơ tích hợp với ổ từ ngang trục 6 Hình 1.3 Động cơ tích hợp ổ từ ngang trục theo nguyên lý Lorentz……… 8 Hình 1.4 Động cơ tự nâng stator không lõi thép theo nguyên lý Lorentz không răng rãnh ……… 9 Hình 1.5 Động cơ tự nâng stator không lõi thép theo nguyên lý Lorentz………….10 Hình 1.6 Mô hình động cơ tự nâng stator không lõi thép … ……… 11 Hình 1.7 Cấu trúc rotor động cơ tự nâng stator không lõi thép 12

Hình 1.9 Cấu tạo stator động cơ tự nâng stator không lõi thép 13 Hình 1.10 Sơ đồ cấu tạo một vòng dây thanh dẫn của động cơ 14 Hinh 1.11 Sơ đồ bố trí dây dẫn stator động cơ tự nâng stator không lõi thép 14 Hình 1.12 Sơ đồ mô tả động cơ tự nâng stator không lõi thép 15 Hình 1.13 Đồ thị véc tơ lực do cặp cuộn dây a-d tác động lên rotor 17 Hình 1.14 Mô tả sự lệch tâm rotor của động cơ tự nâng stator không lõi thép 19 Hình 1.15 Phân tích thành phần lực tạo mô men của động cơ TNSKLT 20 Hình 1.16 Cấu trúc điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép ……… 22 Hình 1.17 Sơ đồ cuốn dây stator của mô hình nghiên cứu động cơ TNSKLT 23 Hình 2.1 Mô hình nghiên cứu động cơ tự nâng stator không lõi thép 25

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý nối dây cuộn dây stator 27 Hình 2.4 Sức từ động của cặp dây cuốn thứ k 28 Hình 2.5 Sơ đồ véc tơ sức từ động của cuộn dây stator 28 Hình 2.6 Đồ thị véc tơ dòng điện đẳng trị cho ba cặp cuộn dây (a) Đồ thị véc tơ lực

ổ từ của rotor tác động lên ba cặp cuộn dây (b) 29 Hình 2.7 Đồ thị véc tơ dòng điện đẳng trị cho ba cặp cuộn dây chiếu lên trục X-Y 29

Hình 2.8 Lực ổ từ của động cơ TNKLT khi hệ đứng im khi đồng tâm (a) và khi

Hình 2.9 Đồ thị véc tơ dòng điện đẳng trị của động cơ tự nâng stator không lõi thép 33

Hình 2.10 Biểu diễn dòng điện stator động cơ trong không gian véc tơ 34 Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý mạch lực và đo lường động cơ TNSKLT……… 35 Hình 2.12 Sơ đồ thay thế một pha mạch phần ứng của động cơ tự nâng stator không

Hình 2.13 Cấu trúc đối tượng điều khiển vị trí rotor 37

Hình 2.15 Sơ đồ mô tả đối tượng điều khiên mô men 39 Hình 2.16 Sơ đồ động học mạch vòng điều khiển vị trí……… … 41 Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý cấu trúc điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi

Hình 2.18 Sơ đồ biến đổi lực nâng (a-d, b-e, c-f) sang (X-Y) 44 Hình 2.19 Sơ đồ mô tả biến đổi lực nâng trên hệ trục (X-Y ) sang (a-d, b-e, c-f) 45 Hình 2.20 Sơ đồ biến đổi dòng điện hệ trục (X-Y ) sang (a-d, b-e, c-f) 46 Hình 2.21 Sơ đồ tính toán biên độ và vị trí dòng điện để tính quy đổi 47 Hình 2.22 Sơ đồ khối đối tượng mạch vòng điều khiển vị trí 48 Hình 2.23 Sơ đồ cấu trúc điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép dây

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý cấu trúc điều khiển động cơ TNSKLT………53 Hình 3.2 Cấu trúc mạch vòng điều khiển tốc độ của động cơ TNSKLT 55 Hình 3.3 Cấu trúc được đơn giản mạch vòng điều khiển tốc độ động cơ TNSKLT55 Hình 3.4 Cấu trúc điều khiển vị trí một mạch vòng có bộ điều khiển PI 56 Hình 3.5 Cấu trúc điều khiển vị trí có hai mạch vòng nối tầng 57 Hình 3.6 Cấu trúc điều khiển vị trí PD có hai mạch vòng nối song song 57 Hình 3.7 Cấu trúc điều khiển vị trí kiểu PD song song 58

Hình 3.9 Đáp ứng mạch vòng vị trí có sai lệch ban đầu và có nhiễu tải Fc 59

Hình 3.11 Đáp ứng điều khiển khi có nhiễu ngoại mạch vòng vị trí 61 Hình 3.12 Cấu trúc điều khiển có bù nhiễu D 61

Hình 3.13 Đáp ứng của hệ khi có nhiễu ngoại khi có thiết kế bù nhiễu 63 Hình 3.14 Mô hình mô phỏng hệ điều khiển động cơ TNSKLT

……… 63

Hình 3.15 Kết quả mô phỏng hệ điều khiển động cơ TNSKLT

………66

Hình 4.1 Mô hình thử nghiệm động cơ tự nâng stator không lõi thép 668 Hình 4.2 Hình ảnh động cơ tự nâng stator không lõi thép trong bộ thí nghiệm 669

Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý khuếch đại dòng điện 71

Hình 4.7 Mô hình điều khiển xây dựng trên Matlab-Simulink 72

Hình 4.9 Dạng sóng sức điện động động cơ a) Lúc bắt đầu chạy b) Chạy ổn định 74 Hình 4.10 Kết quả thực nghiệm hệ điều khiển vị trí 76 Hình 4.11 Đáp ứng vị trí và tốc độ để khảo sát xen kênh 77 Hình 4.12 Kết quả thực nghiệm điều khiển tốc độ 78 Hình 4.13 Đáp ứng đánh giá sai số quỹ đạo x-y khi động cơ chạy ổn định tại tốc độ

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Động cơ điện tự nâng là động cơ điện trong đó rotor của động cơ được nâng hoàn toàn không có tiếp xúc trong không gian nhờ vào lực từ, như vậy ngoài khả năng sinh mô men quay thì động cơ này còn có khả năng tự sinh lực nâng để giữ cố định rotor Trong thời gian gần đây động cơ điện sử dụng ổ từ là một hướng nghiên cứu mới thu hút mạnh mẽ nhiều nhà khoa học trên thế giới Chúng được giới thiệu như những phần tử máy rất có giá trị với nhiều đặc điểm công nghệ mới và có phạm

vi ứng dụng rất rộng Các nghiên cứu về động cơ sử dụng ổ từ thường tập trung chủ yếu tại các nước phát triển như Nhật, Mỹ, Pháp, Đức và Thụy Sỹ, hiện nay trước khả năng ứng dụng mạnh mẽ của động cơ ổ từ trong nhiều lĩnh vực, việc nghiên cứu

về chế tạo động cơ ổ từ và các ứng dụng cũng đang được đẩy mạnh tại các nước đang phát triển như Trung Quốc, Hàn Quốc, Brazil…

Ma sát, sự mài mòn và chất bôi trơn trong các vòng bi cơ của động cơ điện thông thường khiến cho các động cơ này không thể hoạt động hiệu quả trong các môi trường khắc nghiệt như chân không, trong các môi trường có nhiệt độ rất cao hoặc rất thấp hoặc trong các môi trường hóa chất Ngoài ra sự hiện diện của chất bôi trơn trong vòng bi còn là tác nhân gây ra ô nhiễm trong các ngành công nghiệp sạch như chế biến dược phẩm, thực phẩm, công nghệ vật liệu và công nghệ sinh học…

Hình 1 Động cơ vòng bi cơ

Để khắc phục những nhược điểm trên của động cơ vòng bi cơ, rất nhiều loại ổ

đỡ khác đã được nghiên cứu như ổ đỡ kiểu đệm khí nén, ổ đỡ kiểu đệm từ trường… trong đó kiểu ổ đỡ dùng đệm từ trường (ổ từ) được đặc biệt quan tâm do chúng có kích thước nhỏ, có khả năng điều chỉnh được lực nâng cũng như có khả năng giám

sát được quá trình làm việc thông qua hệ thống điều chỉnh điện tử cho ổ từ Các ổ từ

sẽ tạo ra lực nâng trục quay của động cơ (rotor) thông qua từ trường vì vậy rotor của động cơ sẽ không tiếp xúc với bất kỳ vật nào Kết quả là chuyển động quay của trục không gây ra hao mòn, không có ma sát và cũng không cần hệ thống bôi trơn và do

đó làm tăng hiệu suất của động cơ điện, giảm chi phí bảo dưỡng cũng như không gây ra ô nhiễm môi trường làm việc

Với những ưu điểm nổi bật có được nhờ khả năng nâng vật chuyển động không có tiếp xúc, động cơ ổ từ được coi là một sản phẩm công nghệ mới, có hàm lượng khoa học cao, thân thiện với môi trường và có khả năng thúc đẩy mạnh mẽ đến sự phát triển khoa học và công nghệ trong thế kỷ 21 cả trong nghiên cứu cơ bản lẫn nghiên cứu ứng dụng [1]

Các lĩnh vực ứng dụng chính của động cơ ổ từ bao gồm:

- Nâng cao hiệu suất của hệ truyền động: Do trục quay của động cơ chuyển động không có tiếp xúc với phần cố định nên tổn hao do ma sát gần như bằng không Điều này cho phép động cơ làm việc với hiệu suất và tốc độ quay rất cao Các ứng dụng dạng này thường tập trung vào các máy nén cao tốc, các máy công cụ… Ví dụ trong hệ thống vận chuyển khí hóa lỏng tại New York, máy nén ly tâm công suất 12MW với tốc độ quay là 12000 vòng phút sử dụng động cơ điện dùng ổ

từ được thay thế cho động cơ sử dụng vòng bi thủy lực động giúp cho hệ thống tiết kiệm được 700000 kWh/năm [2÷3]

- Các ngành công nghệ sạch: Trục quay của động cơ điện dùng ổ từ không tiếp xúc với phần tĩnh do đó không có các hạt bụi do mài mòn tạo ra cũng như không cần sử dụng các chất bôi trơn Kết quả là động cơ điện dùng ổ từ không gây ô nhiễm tới môi trường xung quanh Với ưu điểm này động cơ điện dùng ổ từ đang được đẩy mạnh nghiên cứu ứng dụng trong các ngành công nghệ vật liệu, công nghệ hóa học, công nghệ sinh học (bơm hóa chất [4÷5], bơm máu trong tim nhân tạo [6÷8]…)

- Trong các môi trường khắc nghiệt: Nhờ vào việc loại bỏ được chất bôi trơn, động cơ điện dùng ổ từ còn được nghiên cứu ứng dụng trong các môi trường rất lạnh (bơm khí helium lỏng, -2760C [9]) và rất nóng (5500C [10])