Nghiên cứu thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc TT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Đức Bắc NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ SERVO KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA ROTOR LỒNG SÓC Ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 9520201 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Hà Nội – 2021 Hà Nơi - 2021 Cơng trình hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Thế Công TS Trần Tuấn Vũ Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Sự phát triển sản xuất công nghiệp gắn liền với phát triển hệ thống điều khiển Xuất phát từ yêu cầu khắt khe, nhà máy sản xuất thông minh, tự động với thiết bị máy móc đại CNC, robot… dần thay loại máy móc lạc hậu phương thức điều khiển, vận hành cũ Xu hướng kéo theo nhu cầu sử dụng động servo điều khiển truyền động ngày phát triển Cách mạng công nghiệp 4.0 đánh dấu xuất mở rộng không ngừng máy móc đại, thiết bị sản xuất thơng minh với bước phát triển đột phá công nghiệp khí điện tử xác, hoạt động sản xuất giao phần lớn cho robot thực Việc xuất động servo góp phần thúc đẩy phát triển, nghiên cứu ngành tự động hoá nước ta, nhằm tăng chất lượng sản phẩm, mức độ an tồn, tiết kiệm chi phí nhân cơng tăng suất sản phẩm Tự động hóa nói riêng cách mạng cơng nghiệp 4.0 nói chung xu đảo ngược Hệ thống servo tích hợp động với điều khiển đặc biệt cần thiết sản xuất đại chúng có khả điều khiển xác thiết bị (như cánh tay robot) tốc độ cao với chế cho phép thực loại điều khiển: vị trí, mơmen, tốc độ kết hợp chế điều khiển Động servo phận quan trọng hệ thống servo Việc thiết kế động servo phải đáp ứng yêu cầu ngày khắt khe hệ thống mômen cao hơn, kích thước nhỏ hơn, thời gian đáp ứng nhanh Chính vậy, “Nghiên cứu thiết kế tối ưu động servo khơng đồng pha rotor lồng sóc” cấp thiết có tính thời Động servo địi hỏi nhiều tiêu chí hoạt động dải mômen - tốc độ rộng Đề tài nghiên cứu thiết kế tối ưu cách tối ưu thơng số kết cấu, điều khiển q trình hoạt động Cách tiếp cận bao gồm kết hợp tối ưu thuật tốn mơ hình đa vật lý để đạt thiết kế tối ưu Kết tối ưu nhận mô kiểm nghiệm mô hình thực nghiệm Mục đích đề tài Nghiên cứu, thiết kế tối ưu động servo không đồng pha sở tối ưu thơng số kết cấu, điều khiển q trình hoạt động động Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu luận án động servo không đồng pha rotor lồng sóc Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu phương pháp thiết kế tối ưu đa mục tiêu động servo không đồng pha rotor lồng sóc - Nghiên cứu xây dựng mơ hình mẫu thử ảo Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp xây dựng mơ hình, mơ thực nghiệm Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Ý nghĩa khoa học Nghiên cứu phương pháp thiết kế tối ưu đa mục tiêu cho động servo khơng đồng pha rotor lồng sóc Kiểm nghiệm kết phân tích phần tử hữu hạn mô Chế tạo mẫu thử, thử nghiệm đánh giá kết thiết kế tối ưu Ý nghĩa thực tiễn Ở Việt Nam, lĩnh vực sản xuất động điện, chủ yếu sản xuất động không đồng với tốc độ tối đa 3000 (v/ph) Động servo chưa nghiên cứu sản xuất hoàn chỉnh Việc nghiên cứu phương pháp thiết kế tối ưu động servo, sở mô thực nghiệm, làm sở cho nghiên cứu, thiết kế, chế tạo loại động lĩnh vực ứng dụng Dự kiến kết đạt - Xây dựng thuật toán thiết kế tối ưu đa mục tiêu từ bước mơ hình áp dụng cho động servo không đồng pha - Xây dựng thuật toán tối ưu hai hàm mục tiêu động servo không đồng pha Kết tối ưu thể phân bổ tối ưu đa mục tiêu Pareto - Xây dựng mơ hình mẫu thử ảo thông qua mô nhiệt - điện từ, thử nghiệm mẫu thử động servo không đồng pha CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan động servo Phân loại động servo Sơ đồ phân loại động servo biểu diễn hình 1.1 Hình 1.1 Phân loại động servo Ứng dụng động servo Công nghệ servo ngày phát triển ứng dụng động servo ngày mở rộng Một số hãng giới Siemens, Mitsubishi, Panasonic chế tạo động servo ứng dụng ngành cơng nghiệp địi hỏi độ xác cao như: gia cơng kim loại, băng tải, robot, CNC, cửa tự động Các chế độ làm việc động Sự khác biệt động servo động thường So với động công nghiệp thường thiết kế theo thông số định mức mơmen, điện áp, dịng điện… (điểm ), động servo thiết kế để hoạt động dải tốc độ rộng nhằm đảm bảo mômen hai vùng làm việc cực đại liên tục Đặc tính làm việc mơmen – tốc độ điển hình động servo biểu diễn hình 1.3 Hình 1.3 Đặc tính mơmen – tốc độ động servo Đường đặc tính tối đa động Đường đặc tính làm việc liên tục động 1.2 Các nghiên cứu thiết kế tối ưu động servo Trong năm gần đây, với phát triển vật liệu bán dẫn dùng cho điện tử cơng suất, cơng suất tính tốn chip điện tử phương pháp toán ứng dụng động cơ, việc điều khiển xác mơmen/tốc độ động dải hoạt động rộng trở nên dễ dàng Các nghiên cứu thiết kế tối ưu động servo giới tiếp tục phát triển khơng ngừng: - Phát triển phần mềm mơ hình hóa kết nối tượng đa vật lý (cơ-nhiệt-điện từ-rung-ồn) động mơ hình giải tích phần tử hữu hạn với thỏa hiệp cấp xác thời gian tính tốn] - Nghiên cứu áp dụng thuật toán tối ưu (SQP - Sequential Quadratic Programming, GA - Genetic Algorithms, PSO – Particle Swarm Optimization, Space-Mapping) để giải toán thiết kế tối ưu hóa động đơn đa mục tiêu: giảm khối lượng/giá, tăng hiệu suất động cơ, tăng mômen cực đại công suất tốc độ cao 1.3 Kết luận chương Nội dung chương trình bày tổng quan động servo, ứng dụng, đặc tính làm việc, phân loại khác động servo động thường Phân tích nghiên cứu thiết kế tối ưu động servo Dựa kết nghiên cứu thiết kế tối ưu động servo, đề tài “Nghiên cứu thiết kế tối ưu động servo không đồng pha rotor lồng sóc” cấp thiết với kết luận: Các nghiên cứu tối ưu động servo không đồng pha rotor lồng sóc khơng có nhiều, tốn tối ưu chủ yếu mục tiêu riêng biệt giảm khối lượng hay tăng hiệu suất động cơ… Các nghiên cứu chưa sử dụng thuật toán tối ưu đa mục tiêu cho động servo không đồng pha rotor lồng sóc kết hợp mơ hình hóa mẫu thử ảo để giảm thời gian tính tốn vịng lặp chế tạo mẫu Từ tác giả đề xuất hướng nghiên cứu với bước tiến hành luận án sau: - Nghiên cứu thiết kế tối ưu hai mục tiêu động servo: cực đại mômen, cực tiểu khối lượng, xác định phân bổ Pareto - Kiểm nghiệm thiết kế phân tích phần tử hữu hạn (FEA) - Mô nhiệt động - Sản xuất mẫu thử prototype động servo, đo đạc, thử nghiệm, so sánh kết CHƯƠNG THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ SERVO KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA 2.1 Thiết kế tối ưu đa mục tiêu động servo Lý thuyết tối ưu Việc tối ưu hóa hay tìm giá trị cực đại (hoặc cực tiểu) mục tiêu thay mơ hình tốn học yêu cầu (mục tiêu) giúp giải cách logic Nó phải xác định xác công thức: ( )= ( ), ( ), … , ( ) (2.1) (2.2) − { , ,…, } ∈ ℝ ∈ − , ,…, , = 1, … , (2.3) Ràng buộc: ( ) ≤ 0, = 1, … , (2.4) ℎ ( ) = 0, = 1, … , Trong hàm mục tiêu (f1(X), f2(X), ) nhiều tiêu chí xác định mục tiêu, biến tham số thiết kế (X = {x1, x2, , xn}) ràng buộc tuyến tính, phi tuyến (gj(X), hk(X)) Tối ưu đa mục tiêu Giải vấn đề tối ưu hóa đa mục tiêu khơng dẫn đến giải pháp tồn cục Do tính chất mâu thuẫn mục tiêu, có số lượng giải pháp vơ hạn giải pháp gán mức độ ưu tiên khác cho mục tiêu Các giải pháp gọi điểm phân bổ tối ưu Pareto Điểm tối ưu phân bổ Pareto định nghĩa sau: Điểm x*∈ X tối ưu Pareto không tồn điểm khác x ∈ X , cho f(x) ≤ f(x*) fi(x) < fi(x*) cho hàm mục tiêu Hình 2.1 thể tối ưu hai mục tiêu định nghĩa biểu đồ phân bổ Pareto Sau đó, tùy thuộc vào người định để chọn điểm từ biểu đồ phân bổ tối ưu Pareto Thuật toán quy hoạch đa thức bậc (SQP) phương pháp hiệu để giải đề tối ưu hóa ràng buộc phi tuyến Nội dung thuật toán quy hoạch đa thức bậc bắt ngồn từ Wilson (Wilson -1963) phổ biến Han (Han-1977) Powell (Powell-1978) Hình 2.1 Biểu đồ phân bổ tượng trưng tối ưu đa mục tiêu Pareto Vấn đề lập trình phi tuyến: ( ) (2.5) ( ) = j = 1, … , m (2.6) ( ) ≤ j = m + 1, … , n (2.7) Một phương pháp giải toán tối ưu đa mục tiêu hiệu thuật toán ràng buộc ɛ (ɛ-constraint) Trong phương pháp này, hàm mục tiêu chọn để tối ưu hóa f1(x) hàm khác f2(x), f3(x) chuyển thành ràng buộc bổ sung biến toán đa mục tiêu thành đơn mục tiêu, dẫn đến giải pháp chứng minh ln tối ưu phân bổ Pareto Thay đổi có hệ thống giá trị hàm mục tiêu thành ràng buộc bổ sung f2(x) ≤ {ɛ1, ɛ2, , ɛn} dẫn đến việc tạo biên giới Pareto phân bố Đồ thị tượng trưng sử dụng thuật tốn ɛ-constraint thể Hình 2.2 Hình 2.2 Đồ thị tượng trưng sử dụng thuật toán ɛ -constraint Ứng dụng tối ưu đa mục tiêu động servo Phương pháp thiết kế tối ưu đề xuất thể lưu đồ thuật tốn hình 2.7 Hình 2.7 Lưu đồ thuật tốn thiết kế tối ưu đề xuất Kết thiết kế tối ưu kiểm nghiệm mô phần tử hữu hạn FEA Khi có kết kiểm tra mơ nhiệt phận động cơ, đạt cho kết thiết kế kết cấu làm mát cho động Nếu không đạt tối ưu thiết kế làm mát tiếp tục mô nhiệt Bước xây dựng mơ hình 3D cho động tiến hành chế tạo mẫu thử Sau chế tạo hoàn thiện động cơ, tiến hành thử nghiệm, đo thông số điểm hoạt động động Kết thử nghiệm so sánh với kết thiết kế để kiểm tra phương pháp thiết kế tối ưu sai số trình chế tạo mẫu thử 2.1.3.1 Thơng số kỹ thuật yêu cầu thiết kế Thiết kế động servo xoay chiều pha, thỏa mãn yêu cầu: - Công suất cực đại HP (750W) dải tốc độ [500 : 1000] rpm; - Công suất liên tục 0,5HP (375W); - Dòng điện cực đại ≤ A; - Điện áp dây cực đại ≤ 380V; - Tốc độ lớn 3500 rpm; - Động làm mát tự nhiên; - Chi phí sản xuất thấp 2.1.3.2 Xây dựng toán thiết kế tối ưu động servo không đồng pha Động servo hoạt động cần thời gian đáp ứng nhanh mômen tải lớn Vì động cần có khối lượng nhỏ mơmen lớn Bài tốn tối ưu hóa đa mục tiêu động ba pha servo không đồng pha rotor lồng sóc nhơm, tốc độ tối đa 3500 rpm xây dựng thể lưu đồ thuật tốn hình 2.8: Hình 2.8 Lưu đồ thuật tốn thiết kế tối ưu động servo khơng đồng pha Hình 2.11 Đặc tính mơmen – tốc độ động tối ưu Dựa vào kết giá trị mômen điểm tốc độ khác nhau, tính tốn cơng suất động tương ứng chế độ làm việc liên tục ngắn hạn Tập hợp giá trị công suất điểm tốc độ khác nhau, xây dựng đặc tính cơng suất điểm làm việc ngắn hạn liên tục hình 2.12 Cơng suất động thỏa mãn yêu cầu đề đưa Hình 2.12 Đặc tính cơng suất theo tốc độ 2.2 Mơ phần tử hữu hạn Lý thuyết rãnh nghiêng rotor Mô so sánh rãnh nghiêng rotor rãnh thẳng Hình 2.16 biễu diễn kết mơmen trung bình độ nhấp nhơ theo góc nghiêng rotor Dựa vào đồ thị chọn góc nghiêng tối ưu Tại điểm góc nghiêng 7,50C(tương ứng góc nghiêng rãnh), độ nhấp mơmen giảm nhiều mơmen trung bình giảm khơng đáng kể 11 Vì vậy, động lựa chọn nghiêng rãnh rotor cho thiết kế tối ưu Hình 2.16 Kết mơ FEA mơmen độ nhấp nhơ theo góc nghiêng Hình 2.17, hình 2.18 cho thấy mô FEA 2D mômen cực đại n = 500rpm trường hợp rãnh thẳng rãnh rotor nghiêng Kết mơmen trung bình thu 14,66 N.m, với 2,98 A, dao động mômen 0,8 N.m rãnh nghiêng (Hình 2.17) so với 15,01 N.m (cùng dịng điện) dao động mơmen cực đại 1,6 N.m rãnh thẳng (Hình 2.18) Dao động mơmen giảm 50% với giá trị mơmen trung bình giảm 2,3% Hình 2.17 Kết mơ mơmen cực đại 500 rpm rotor rãnh nghiêng Tiến hành mô FEA số điểm hoạt động (tốc độ) khác So sánh với thiết kế tối ưu, kết thể hình 2.21 Các kết mô FEA chế độ cực đại liên tục so sánh với kết thiết kế tối ưu, sai số nhỏ 10% 12 Hình 2.18 Kết mô mômen cực đại 500 rpm rotor rãnh thẳng Hình 2.21 So sánh mơ FEA thiết kế tối ưu 2.3 Kết luận chương Nội dung chương trình bày phương pháp thiết kế tối ưu động sử dụng thuật tốn sở tối ưu thơng số kết cấu, điều khiển, ứng dụng cho động servo không đồng pha rotor lồng sóc Phương pháp thiết kế sử dụng thuật tốn tối ưu hóa, nhằm giảm vòng lặp chế tạo mẫu thử tốn chi phí thời gian phương pháp thiết kế máy điện “truyền thống” Dựa phân bổ Pareto đưa phương án lựa chọn tốt khối lượng điện từ mômen cực đại sau đánh giá mơ hình thuật tốn ɛconstraint kết hợp thuật tốn quy hoạch đa thức bậc (SQP) matlab Một thiết kế tối ưu lựa chọn đặc tính phân bổ Pareto với khối lượng điện từ 9,52 kg, mômen cực đại đạt 15 N.m Một thiết kế khác làm tăng mơmen cực đại với khối lượng lớn Đặc tính mơmen – tốc độ động xây dựng với điểm hoạt động tối ưu chế độ làm việc liên tục chế độ 13 cực đại Thiết kế rotor rãnh nghiêng so sánh với rotor rãnh thẳng nhờ phân tích mơ FEA Góc nghiêng tối ưu lựa chọn cho thiết kế động 7,50C Mô FEA số điểm hoạt động khác (tốc độ khác nhau) để kiểm nghiệm mơ hình thiết kế tối ưu Kết sai số hai mơ hình thấp 10% Các kết chương công bố báo số [3], [5] CHƯƠNG MÔ PHỎNG NHIỆT ĐỘNG CƠ SERVO 3.1 Phân tích nhiệt động Đặt vấn đề Tản nhiệt động thơng qua hai hình thức: truyền nhiệt vật rắn tản nhiệt nhờ xạ, đối lưu Giải toán tản nhiệt cho động vấn đề quan trọng thiết kế Q trình tính tốn nhiệt liên quan chặt chẽ đến việc làm nguội xác định độ tăng nhiệt θ cho phép dây quấn động mơi trường bên ngồi Ngun lý truyền nhiệt dẫn nhiệt động 3.2 Mơ hình phát nhiệt động Đặt vấn đề Mơ hình nhiệt động Hình 3.2 cho thấy mơ hình mạng nhiệt xây dựng Hình 3.2 Mơ hình nhiệt động 14 3.3 Tính tốn độ tăng nhiệt chế độ ổn định 3.4 Mô nhiệt động Kết mô nhiệt điểm làm việc liên tục *) Trường hợp nắp động kín Hình 3.3 biểu diễn nhiệt độ theo thời gian số phận động servo không đồng chế độ làm việc liên tục, làm mát tự nhiên tốc độ n=500rpm, mômen đạt động M = 4,8 N.m Nhiệt độ môi trường 400C, sau khoảng thời gian 3,8h nhiệt độ động đạt bão hịa Hình 3.3 Nhiệt độ động theo thời gian, chế độ làm việc liên tục, làm mát tự nhiên Kết phân tích nhiệt cho thấy, nhiệt độ dây quấn stator 154,80C, dẫn lồng sóc 1770C Qua phân tích kết nhận trường hợp nắp kín nhận thấy nhiệt độ dây quấn stator rotor ngưỡng vượt điều kiện cho phép cấp F (