Điều khiển vector động cơ đồng bộ từ thông dọc trục trong hệ thống truyền động có tích hợp ổ đỡ từ hai đầu trục​

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -o0o NGUYỄN BÁ BẮC LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA ĐIỀU KHIỂN VECTOR ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ THÔNG DỌC TRỤC TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CĨ TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ HAI ĐẦU TRỤC KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TRƯỞNG KHOA PGS.TS Nguyễn Như Hiển PHÒNG ĐÀO TẠO THÁI NGUYÊN 2016 ii LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Bá Bắc Sinh ngày: 24 tháng 04 năm 1982 Học viên lớp cao học khóa K16 - Tự động hóa - Trường Đại Học Kỹ Thuật Cơng Nghiệp - Đại Học Thái Nguyên Hiện công tác tại: Trường Cao đẳng nghề Lạng Sơn – Lạng Sơn Xin cam đoan luận văn “Điều khiển vector động đồng từ thơng dọc trục hệ thống truyền động có tích hợp ổ đỡ từ hai đầu trục’’ thầy giáo PGS TS Nguyễn Như Hiển hướng dẫn công trình nghiên cứu riêng tơi Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Tôi xin cam đoan tất nội dung luận văn nội dung đề cương yêu cầu thầy giáo hướng dẫn Nếu có vấn đề nội dung luận văn, tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan HỌC VIÊN Nguyễn Bá Bắc iii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực luận văn, tác giả nhận quan tâm lớn nhà trường, khoa, phịng ban chức năng, thầy giáo, gia đình đồng nghiệp Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Nguyễn Như Hiển, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiêp tận tình hướng dẫn trình thực luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn đến thầy Khoa Điện, phịng thí nghiệm Khoa Điện - Điện tử – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp giúp đỡ tạo điều kiện để tác giả hoàn thành điều kiện tốt Mặc dù cố gắng, song điều kiện thời gian kinh nghiệm nghiên cứu thân hạn chế nên luận văn không tránh khỏi thiếu xót Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp từ thầy giáo bạn đồng nghiệp để luận văn hồn thiện có ý nghĩa thực tế HỌC VIÊN Nguyễn Bá Bắc iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iv DANH MỤC HÌNH VẼ vi MỞ ĐẦU 1 Khái quát chung Cấu trúc luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ THÔNG DỌC TRỤC TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CĨ TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ 1.1 Mở đầu 1.2 Sự phát triển máy điện đồng kích từ NCVC từ thông dọc trục 1.3 Các kiểu máy điện AFPM 1.3.1 Các cấu hình động điện ĐB AFPM 1.2.2 Lựa chọn cấu hình động AFPM 1.3.2 Mơ hình truyền thống ổ đỡ trục động 10 1.3.3 Mơ hình động thơng dụng sử dụng ổ từ đỡ trục động 11 1.3.4 Mơ hình tích hợp ổ từ dọc trục vào động điện ĐB AFPM 13 1.4 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 14 1.4.1 Động đồng AFPM 14 1.4.2 Ổ đỡ từ 16 1.5 Các nhiệm vụ cần giải luận văn 22 1.5.1 Mục tiêu nghiên cứu 22 1.6 Kết luận chương 24 Chương MƠ HÌNH TỐN HỌC ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ THƠNG DỌC TRỤC KÍCH TỪ NAM CHÂM VĨNH CỬU CĨ TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ HAI ĐẦU TRỤC 25 2.1 Đặt vấn đề 25 2.2 Mơ hình tốn học nhiều biến động đồng 28 v 2.2.1 Đặc điểm mơ hình tốn học trạng thái động động đồng 28 2.2.2 Phương trình điện áp: 30 2.2.3 Phương trình từ thông: 31 2.2.5 Phương trình mơ men 34 2.2.6 Mô hình tốn học động đồng ba pha 36 2.2.7 Mơ hình tốn học động đồng theo định hướng từ trường tọa độ quay đồng hai pha 37 2.3 Tính lực đẩy kéo thay cho ổ đỡ từ dọc trục 38 2.3.2 Mơ hình thay động AFPM để tính lực đẩy kéo 38 2.4 Mơ hình tốn cho động AFPM 42 2.4 Kết luận 43 Chương THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN VECTOR ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ THƠNG DỌC TRỤC KÍCH TỪ NAM CHÂM VĨNH CỬU 45 3.1 Cấu trúc điều khiển vectơ động đồng từ thơng dọc trục, kích từ NCVC.45 3.2 Điều khiển dịng điện 46 3.4 Điều khiển tốc độ 52 3.5 Kết luận 55 CHƯƠNG 56 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 56 4.1 Số liệu để mơ hình hóa: 56 4.2 Cấu trúc mô 56 4.3 Kết mô 58 3.3 Kết luận 59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 60 Kết luận 60 Kiến nghị 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Động điện - từ với rotor dạng đĩa theo sáng chế số 405 858, 1889 N Tesla Hình 1.2: Các modul động AFPM Hình 1.3: Các cấu hình máy điện từ thơng dọc trục NCVC Hình 1.4: Mặt cắt mơ hình động điện thông dụng 10 Hình 1.5: Ổ đỡ từ hướng tâm chủ động 11 Hình 1.6: Mặt cắt mơ hình động điện thơng dụng có tích hợp ổ đỡ từ hướng tâm hướng trục 12 Hình 1.7: Cấu tạo ổ từ chủ động (AMB) 13 Hình 1.8: Mặt cắt động điện đồng từ thông dọc trục kích từ NCVC 14 có tích hợp ổ đỡ từ hai đầu trục 14 Hình 2.2: Mơ hình vật lý động đồng từ thông dọc trục có tích hợp ổ từ 25 Hình 2.2a: Mơ hình vật lý động đồng từ thơng dọc trục có tích hợp ổ từ 26 Hình 2.2b: Mơ hình vật lý động đồng từ thông dọc trục có tích hợp ổ từ 26 Hình 2.3: Vector khơng gian góc pha thời gian gần động đồng bộ; 27 Hình 2.4: Mơ hình xác định từ thơng móc vịng động đồng từ thông dọc trục nam châm vĩnh cửu 38 Hình 2.5: Sơ đồ thay cho mạch từ động đồng từ thông dọc trục nam châm vĩnh cửu 39 Hình 2.6 : Mơ hình toán học đầy đủ động đồng từ thơng dọc trục, kích thích vĩnh cửu có tích hợp ổ từ dọc trục 43 Hình 3.1: Cấu trúc điều khiển vectơ động đồng từ thông dọc trục NCVC 45 Hình 3.2: Mạch vịng điều khiển dịng điện tách 47 Hình 3.3: Mạch vòng điều khiển khoảng cách trục 50 Hình 3.4: Mạch vịng điều khiển tốc độ 52 Hình 4.1: Sơ đồ mơ điều khiển vectơ động đồng từ thông dọc trục NCVC 57 Hình 4.2: Đặc tính tốc độ 58 Hình 4.4: Đặc tính tốc độ mơmen tổng 58 Hình 4.5: Đặc tính lực đẩy kéo F1 F2 59 vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU Khái quát chung Trong ngành công nghiệp, hệ thống truyền động điện sử dụng động điện chiều thay hệ thống truyền động điện sử dụng động điện xoay chiều ba pha (ĐCXCBP) Do đó, hệ thống truyền động biến tần điều khiển ĐCXCBP phát triển mạnh mẽ mang lại lợi ích kinh tế cao sản xuất Các hệ truyền động ĐCXCBP nghiên cứu phát triển ứng dụng rộng rãi từ năm 80 kỷ trước nhờ khả hoạt động tin cậy, chi phí thấp, kích thước nhỏ gọn Đặc biệt, hệ biến tần điều khiển ĐCXCBP nhiều nhà nghiên cứu quan tâm hệ thống có nhiều ưu điểm như: tiết kiệm lượng; mômen mở máy lớn kéo tải nặng khởi động; việc điều chỉnh tốc độ đơn giản; phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng; có khả điều chỉnh vô cấp tốc độ, ĐCXCBP có loại đồng khơng đồng Ưu điểm bật động đồng ổn định tốc độ cao, tiêu lượng hiệu suất, hệ số cosφ tốt, độ tin cậy cao Trong luận văn này, tập trung nghiên cứu tổng quan động đồng từ thơng dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu Trong điều kiện ràng buộc hai đầu trục động sử dụng hai ổ đỡ từ Các ổ đỡ từ đỡ cho trục rotor quay mà không chặn dịch chuyển dọc trục rotor Tính cấp thiết đề tài Hệ truyền động điện ứng dụng động đồng từ thơng dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu có tích hợp hai ổ từ hướng tâm hai đầu trục, coi ngành công nghệ tiên tiến thân thiện với mơi trường Chúng góp phần mạnh mẽ việc nâng cao tốc độ quay cho động giúp động ứng dụng môi trường đặc biệt mà động sử dụng vịng bi thơng dụng khơng thể làm việc làm việc với chi phí bảo dưỡng cao Những nghiên cứu ổ đỡ từ thường tập trung chủ yếu nước phát triển, trước khả ứng dụng mạnh mẽ động điện dùng ổ đỡ từ nhiều lĩnh vực, việc nghiên cứu chế tạo động điện dùng ổ đỡ từ ứng dụng đẩy mạnh nước phát triển ổ đỡ từ sử dụng động điện xếp loại sản phẩm công nghệ cao chứa đựng nhiều hàm lượng chất xám đồng thời sản phẩm công nghệ xanh Hạn chế việc ứng dụng rộng rãi ổ đỡ từ dogiá thành cao Phần quan trọng hệ truyền động điện ứng dụng động đồng từ thơng dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu có tích hợp hai ổ từ hướng tâm hai đầu trục thiết kế điều khiển vectơ cho động Trong phạm vi luận văn coi hai ổ đỡ từ hướng tâm làm việc theo chức danh định Vì nghiên cứu tập trung vào thiết kế điều khiển động chủ yếu Cấu trúc luận văn Luận văn gồm có phần Chương 1: Tổng quan động đồng từ thông dọc trục hệ thống truyền động có tích hợp ổ đỡ từ Chương 2: Mơ hình tốn học động đồng từ thông dọc trục hệ thống truyền động có tích hợp ổ đỡ từ Chương 3: Thiết kế điều khiển vectơ động đồng từ thơng dọc trục kích từ NCVC Chương 4: Đánh giá chất lượng hệ thống Kết luận kiến nghị sử dụng phương pháp biến đổi Tustin (song tuyến tính - bilinear) 52 3.4 Điều khiển tốc độ Đối với tất loại động cơ, sai lệch mô men điện từ T mô men tải TL gây gia tốc rotor theo đặc tính học truyền động động Phương trình chuyển động quay viết sau: T−T =J dω L Hoặc dạng hàm truyền cố định: ω T−T L Mơ men điều khiển dòng điện trục q biểu diễn phương trình (2.39); vậy, mạch vịng điều khiển tốc độ biểu diễn hình 3.4 Hình 3.4: Mạch vịng điều khiển tốc độ Tương tự mạch vòng điều khiển chuyển dịch dọc trục, mạch vòng điều khiển tốc độ bao gồm mạch vòng điều khiển dòng điện bên hàm truyền động cố định Vì tải chưa xác định nên bước thứ coi nhiễu hệ thống Ảnh hưởng đo lường tốc độ thường kết hợp với số thời gian tương đương mạch vòng điều khiển dòng điện Bởi vậy, dẫn đến hàm truyền mạch vòng tốc độ: i ω qref = 53 Bộ điều khiển tốc độ đơn giản điều khiển tỷ lệ (P), biến đổi sai lệch tốc độ thành tín hiệu điều khiển dịng điện trục q i qđ Giả sử động không mang tải (TL = 0), sai lệch tốc độ dương tạo mô men điện từ dương làm cho hệ tăng tốc đến sai lệch không, sai lệch tốc độ âm tạo mô men điện từ âm làm cho hệ giảm tốc đến sai lệch không (chế độ hãm) Vì vậy, sai lệch tĩnh khơng trường hợp không tải Khi sử dụng điều khiển P, hàm truyền kín hệ là: ω ω ref = 1+ với: tần số góc tự nhiên ξ= hệ số tắt dần Từ phương trình này, thấy đáp ứng tốc độ mô men bên định tần số tự nhiên Tần số tự nhiên lớn đáp ứng nhanh, ζ lớn tắt dần nhanh Để đạt thỏa hiệp, hệ số khuếch đại tối ưu điều khiển dòng diện chọn sau: K = P J 4K T T eq hệ số tắt dần  =1/ 54 Tuy nhiên, tải mô men quay, tồn sai lệch tĩnh sử dụng điều khiển P đơn giản, sai lệch tính sau: eω = ( ωref − ω) Phương pháp tiếp cận phổ biến để vượt qua vấn đề áp dụng phần tử đóng vai trị tích phân điều khiển tốc độ Hàm truyền điều khiển tốc độ biểu diễn sau: Khi hàm truyền hở mạch vịng tốc độ là: Tương tự điều khiển dòng điện, việc tính tốn tham số K T1 điều khiển phụ thuộc vào hệ thống điều khiển Để có đáp ứng tốc độ tối ưu, việc tính tốn tham số thực theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng Hằng số T1 điều khiển PI chọn lớn số thời gian lướn mạch vòng, hệ số khuếch đại chọn cho tần số cắt tương ứng với góc pha cực đại Kết biểu diễn sau: T1 = 20Teq   K =   Trong q trình tăng tốc, tích phân liên tục cộng thêm sai lệch tốc độ Nếu tác động tích phân khơng bị giới hạn tích phân cộng thêm đến giá trị lớn Tuy nhiên, dòng điện động dòng điện đặt đầu điều khiển bị hạn chế đến giá trị cực đại Mặc dù giới hạn dòng điện đặt áp dụng, động tăng tốc đầu điều khiển nhỏ khơng Để có 55 dịng điện âm (chế độ hãm), trước tiên giá trị lớn tích phân phải giảm xuống đòi hỏi sai lệch tốc độ phải âm khoảng thời gian dài Điều dẫn đến điều chỉnh tốc độ lớn tiềm ẩn khả ổn định 3.5 Kết luận Từ mơ hình tốn học động đồng từ thơng dọc trục, kích từ NCVC thành lập chương 2, ta tiếp tục thiết kế cấu trúc điều khiển tính tốn số điều khiển sau: - Bộ điều khiển vòng động điều chỉnh dòng; - Bộ điều chỉnh lực đẩy kéo tác động đến rotor động thay cho vai trò ổ từ hướng trục; - Bộ điều chỉnh tốc độ vịng ngồi Căn vào số liệu động ta có số liệu thông số điều chỉnh tiến hành đánh giá chất lượng hệ thống chương sau 56 CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 4.1 Số liệu để mơ hình hóa: - Động cơ: + Cơng suất định mức động cơ: 300W + Tốc độ định mức: 6000 vịng/phút + Mơ men định mức: 0,5 Nm + Mô men cực đại: 1,5 Nm + Khe hở khơng khí rotor stator động theo hướng trục z = (0,5 ÷ 2) mm + Khe hở khơng khí ổ từ trục nâng (hướng x,y): [mm] + Độ xác điều chỉnh vị trí 0,5% + Thời gian đáp ứng vị trí đặt: 1ms + Công suất: 300W + Điện áp vào chiều 220V + Tần số điều chế: tùy chọn 20/30/40 kHz + Có khả điều khiển tốc độ quay vị trí dọc trục + Bộ lọc chặn phát nhiễu lên lưới: công suất 300 W, hệ số méo tổng 5% + Bộ lọc nhiễu phía động cơ: công suất 300 W 4.2 Cấu trúc mô Sơ đồ cấu trúc mô xây dựng dựa vào mơ tả tốn học động (hình 2.6) cấu trúc điều khiển vectơ hình 3.1, minh họa hình 4.1 57 Hình 4.1: Sơ đồ mô điều khiển vectơ động đồng từ thông dọc trục NCVC 58 4.3 Kết mô Các đặc tính thu bao gồm: - Đặc tính tốc độ động n = f(t) tần số 50Hz số đôi cực 2p = 1, tương ứng 1500v/ph Minh họa hình 4.2 - Đặc tính mơmen tổng tốc độ động hình 4.3, 4.4 - Đặc tính lực đẩy kéo hình 4.5 3500 3000 2500 n(t) 2000 1500 1000 500 3500 3000 2500 1500 N(t M(t)) 2000 1000 500 -5000 x 10 0.8 0.6 0.4 0.2 F1(t) -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -10 0.01 Kết mơ hình 4.2 đến 4.5 cho ta thấy: Thành phần lực F F2 hoàn toàn đối xứng, tổng chúng không chuyển dịch z = Đồ thị tốc độ hình 4.2 có chất lượng tĩnh động tốt 60 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Các hệ truyền động điện tự động sử dụng ổ từ thay cho ổ khí mang đến tính vượt trội cho hệ như: Hệ thống có tốc độ chuyển động lớn, khơng u cầu bôi trơn làm việc tốt môi trường nhiệt độ, áp suất cao thấp,…Nhưng ứng dụng chưa có tính phổ biến thơng Các cơng trình nghiên cứu tập trung vào việc thu nhỏ kích thước, giảm giá thành bền vững làm việc cho loại ổ từ Tài liệu tham khảo lĩnh vực ỏi Luận văn đạt số đóng kết sau: - Mơ tả tốn học cho động đồng từ thơng dọc trục, kích từ NCVC; - Dựa vào mơ tả tốn học xây dựng cấu trúc điều khiển thiết kế điều khiển cho mạch vòng dòng điện, lực đẩy kéo tốc độ có chất lượng tốt; - Trong điều kiện thiếu thốn mặt, kinh nghiệm thiết kế chế tạo, nên luận văn dừng lại việc mô thành công hệ điều khiển Kiến nghị Nội dung luận văn có đóng góp điều khiển động cơ, lĩnh vực điều khiển ổ đỡ từ hướng tâm số nội dung phải quan tâm Đó vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyen Phung Quang and Jörg-Andreas Dittrich, “Vector Control of Three-Phase AC Machines”, springer [2] Akira Chiba, adashi Fukao,Osamu Ichikawa, Masahide Oshima, asatsugu Takemoto and David G Dorrell, “Magnetic Bearings and Bearingless Drives”, Newnes, 2005 [3] Quang Dich Nguyen and Satoshi Ueno, “Analysis and Control of Non- Salient Permanent Magnet Axial-Gap Self-Bearing Motor”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol PP, No 99, pp 1-8, 2010 (early access) [4] Quang Dich Nguyen and Satoshi Ueno, “Modeling and Control of Salient- Pole Permanent Magnet Axial Gap Self-Bearing Motor”, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol PP, No 99, pp 1-9, 2010 (early access) [5] Nguyễn Phùng Quang, “Điều khiển tự động truyền động xoay chiều ba pha”, NXB Giáo dục, 1998 [6] Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich, “Truyền động điện thông minh”, NXB KHKT, 2006 [7] Trong Duy Nguyen, Student Member, IEEE, King-Jet Tseng, Senior Member, IEEE, Shao Zhang, Student Member, IEEE, and Hoan Thong Nguyen, “A Novel Axial Flux Permanent-Magnet Machine for Flywheel Energy Storage System: Design and Analysis”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.58, No.9, September 2011 [8] Trong Duy Nguyen, Gilbert Foo Hock Beng, King-Jet Tseng, Don Mahinda Vilathgamuwa, and Xinan Zhang, “Modeling and Position-Sensorless Control of a Dual-Airgap Axial Flux Permanent Magnet Machine for Flywheel Energy Storage Systems”, Journal of Power Electronics, Vol 12, No 5, September 2012 [9] K D Do, “Bounded controllers for formation stabilization of mobile agents with limited sensing ranges”, IEEE Transactions on Automatic Control, vol 52, no 3, pp 569–576, 2007 62 [10] K D Do, “Formation tracking control of unicycle-type mobile robots with limited sensing ranges”, IEEE Transactions on Control Systems Technology, vol 16, no 3, pp 527–538, 2008 [11] K Do and J Pan, “Nonlinear control of an active heave compensation system”, Ocean Engineering, vol 35, no 5-6, pp 558–571, 2008 [12] Do K.D., D.H Nguyen, T.B Nguyen “Nonlinear Control of Magnetic Bearings”, Journal of Measurement Science and Instrument, Vol 1, No 1, 2010, pp.10-16/ ... dọc trục có tích hợp ổ từ 25 Hình 2.2a: Mơ hình vật lý động đồng từ thông dọc trục có tích hợp ổ từ 26 Hình 2.2b: Mơ hình vật lý động đồng từ thơng dọc trục có tích hợp ổ từ ... vật lý động đồng Hình 2.2a: Mơ hình vật lý động từ thông dọc trục có tích hợp ổ từ (gọi động 1) đồng từ thơng dọc trục có tích hợp ổ từ (gọi động 2) Hình 2.3 đồ thị vector không gian từ thông. .. động đồng từ thông dọc trục hệ thống truyền động có tích hợp ổ đỡ từ Chương 3: Thiết kế điều khiển vectơ động đồng từ thông dọc trục kích từ NCVC Chương 4: Đánh giá chất lượng hệ thống Kết luận