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

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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Hà Nội – 2021 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THẾ CÔNG TS TRẦN TUẤN VŨ Hà Nội – 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Tất ấn phẩm công bố chung với cán hướng dẫn khoa học đồng nghiệp đồng ý tác giả trước đưa vào luận án Các kết trình bày luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Người cam đoan Nguyễn Đức Bắc TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Nguyễn Thế Công TS Trần Tuấn Vũ i LỜI CẢM ƠN Trong trình nghiên cứu đề tài, giúp đỡ tận tình thầy giáo hướng dẫn, thầy cô Bộ môn Thiết bị điện- điện tử - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, giúp đỡ tận tình bạn bè, đồng nghiệp, luận án đến hồn thành Để có luận án này, tác giả vô biết ơn bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến hai thầy giáo hướng dẫn khoa học trực tiếp TS Nguyễn Thế Công TS Trần Tuấn Vũ dành nhiều công sức, tâm huyết, thời gian tận tình hướng dẫn nghiên cứu sinh suốt trình thực luận án Tác giả chân thành cảm ơn Bộ môn Thiết bị điện- điện tử, Viện Điện Phòng Đào tạo/ phận Đào tạo sau đại học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện để nghiên cứu sinh có điều kiện thuận lợi thời gian sở vật chất trình thực luận án Tác giả bày tỏ lời cảm ơn tới tồn thể thầy, giáo Bộ mơn Điện kỹ thuật – Trường Đại học Xây dựng, nơi tác giả công tác tạo điều kiện hỗ trợ để tác giả thuận lợi thời gian học tập nghiên cứu luận án Tác giả gửi lời cảm ơn tới PGS.TS Lưu Đức Thạch – Trưởng Khoa Cơ khí Xây dựng, tạo điều kiện thuận lợi thời gian trình học tập nghiên cứu luận án Cuối cùng, tác giả dành lời cảm ơn tới bố mẹ, vợ, gia đình ln động viên tinh thần lúc khó khăn để tác giả yên tâm nghiên cứu hoàn thành luận án Tác giả luận án Nguyễn Đức Bắc ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ix MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan động servo Phân loại động servo Ứng dụng động servo Các chế độ làm việc động Sự khác biệt động servo động thường 1.2 Các nghiên cứu thiết kế tối ưu động servo 10 1.3 Kết luận chương 13 CHƯƠNG THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ SERVO KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA 15 2.1 Thiết kế tối ưu đa mục tiêu động servo 15 Lý thuyết tối ưu 15 Tối ưu đa mục tiêu 16 Ứng dụng tối ưu đa mục tiêu động servo 25 2.1.3.1 Thông số kỹ thuật yêu cầu thiết kế 27 2.1.3.2 Xây dựng tốn thiết kế tối ưu động servo khơng đồng pha 27 2.1.3.3 Đặc tính động tối ưu 31 2.2 Mô phần tử hữu hạn 34 Lý thuyết nghiêng rãnh rotor 34 Mô so sánh rãnh nghiêng rotor rãnh thẳng 35 2.3 Kết luận chương 39 CHƯƠNG MÔ PHỎNG NHIỆT ĐỘNG CƠ SERVO 41 3.1 Phân tích nhiệt động 41 iii Đặt vấn đề Nguyên lí truyền nhiệt dẫn nhiệt động 41 42 3.1.2.1 Phát nóng làm nguội vật thể đồng 43 3.1.2.2 Độ chênh nhiệt độ theo chiều dày lớp cách điện 43 3.1.2.3 Tản nhiệt bề mặt 44 3.2 Mơ hình phát nhiệt động 46 Đặt vấn đề Mơ hình nhiệt động 46 46 3.3 Tính tốn độ tăng nhiệt chế độ nhiệt ổn định 48 3.4 Mô nhiệt động 49 Kết mô nhiệt điểm làm việc liên tục 50 Kết mô nhiệt điểm làm việc ngắn hạn 53 3.5 Kết luận chương 55 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 57 4.1 Đặt vấn đề 57 4.2 Xây dựng mơ hình 3D động mẫu thử 57 4.3 Chế tạo động mẫu thử 60 4.4 Thử nghiệm động 62 4.5 Kết thử nghiệm so sánh với mô 63 Kết đo mơmen, dịng điện số điểm hoạt động Kết đo nhiệt động 4.6 63 72 Kết luận chương 77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 78 ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 79 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 81 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 89 PHỤ LỤC A 90 PHỤ LỤC B 100 PHỤ LỤC C 109 PHỤ LỤC D 99 PHỤ LỤC E 111 iv 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 [1]– [3] ngày phát triển Cách mạng công nghiệp 4.0 đánh dấu xuất mở rộng không ngừng máy móc đại, thiết bị sản xuất thông minh với bước phát triển đột phá cơng 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 toàn, tiết kiệm chi phí nhân cơng tăng suất sản phẩm Tự động hóa nói riêng cách mạng cơng nghiệp 4.0 nói chung xu khơng thể 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 [4],[5]: 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 mơmen cao hơn, kích thước nhỏ hơn, thời gian đáp ứng nhanh [6]–[8] Chính vậy, “Nghiên cứu thiết kế tối ưu động servo không đồng pha rotor lồng sóc” cấp thiết có tính thời Động servo địi hỏi nhiều tiêu chí hoạt động dải mômen - tốc độ rộng [9],[10] Đề tài nghiên cứu thiết kế tối ưu cách tối ưu thông số kết cấu, điều khiển 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 mơ hình thực nghiệm Mục đích đề tài Nghiên cứu, thiết kế tối ưu động servo không đồng pha sở tối ưu thông số kết cấu, điều khiển trình hoạt động động Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu luận án động servo khơng 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 không đồng pha rotor lồng sóc Kiểm nghiệm kết phân tích phần tử hữu hạn mơ 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 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 Kết cấu luận án Toàn luận án chia thành phần mở đầu, chương, kết luận kiến nghị 04 phụ lục, cụ thể nội dung sau: Mở đầu Trình bày lý để lựa chọn đề tài, mục đích, phạm vi, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học đóng góp dự kiến luận án Chương 1: Tổng quan Trình bày tổng quan động servo Phân tích, đánh giá nghiên cứu động servo Qua vấn đề tồn tại, đưa vấn đề mà luận án cần tập trung giải Chương 2: Thiết kế tối ưu động servo không đồng pha Trình bày phương pháp thiết kế tối ưu áp dụng cho động servo Nội dung phần đưa phương pháp thiết kế sử dụng thuật toán tối ưu hóa, nhằm giảm vịng lặp chế tạo mẫu thử tốn chi phí thời gian phương pháp thiết kế truyền thống Bài toán thiết kế tối ưu động servo, sử dụng tối ưu hóa đa mục tiêu với ràng buộc chọn để tìm kết thiết kế tối ưu Phân bổ Pareto đưa nhằm giúp người thiết kế lựa chọn kết cấu động phù hợp cho ứng dụng yêu cầu Chương 3: Mô nhiệt động servo Trình bày nghiên cứu phân tích nhiệt động servo chế độ làm việc khác điểm hoạt động khác Việc áp dụng mô nhiệt-điện từ trình thiết kế, giúp giảm yêu cầu việc sản xuất nguyên mẫu thử nghiệm, giảm thời gian nghiên cứu chế tạo sản xuất chi phí Dựa kết phân tích nhiệt giới hạn ngưỡng nhiệt độ thành phần động cơ, nhằm lựa chọn phương thức làm mát để động thiết kế vừa tối thiểu hóa khối lượng vừa đảm bảo mơmen cực đại động servo Chương 4: Thực nghiệm đánh giá kết Chương trình bày động mẫu thử chế tạo thử nghiệm Kết thử nghiệm đo thơng số mơmen, dịng điện, số điểm hoạt động khác so sánh với mơ hình thiết kế tối ưu Kết đo nhiệt động so sánh với kết phân tích nhiệt mơ Kết luận kiến nghị Phần cuối luận án kết luận đóng góp luận án, hạn chế hướng nghiên cứu Phụ lục CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan động servo Phân loại động servo Động servo phân loại thành động servo chiều, động servo xoay chiều động bước [11] Trong động servo xoay chiều có động servo đồng động servo không đồng 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 [12],[13] 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 công kim loại, băng tải, robot, CNC, cửa tự động Sau số ứng dụng phổ biến động servo cơng nghiệp (Hình 1.2): +) Công nghệ robot: động servo điểm hoạt động robot sử dụng để kích thích hiệu chỉnh chuyển động, giúp cánh tay robot di chuyển góc xác +) Hệ thống băng chuyền: động servo di chuyển, dừng băng tải chở sản phẩm theo giai đoạn khác dây chuyển đóng gói, đóng chai, dán nhãn … +) Hệ thống theo dõi lượng mặt trời: động servo điều chỉnh góc pin mặt trời để đảm bảo diện tích chiếu sáng lớn +) Máy CNC: động servo cung cấp điều khiển chuyển động xác cho máy CNC, phay, máy tiện, máy cắt…để dập, ép, uốn kim loại Hình Kết đo n = 500rpm, U = 300V, f = 40Hz Hình Kết đo n = 500rpm, U = 300V, f = 45Hz 113 Hình Kết đo n = 500rpm, U = 300V, f = 50Hz Hình Kết đo n = 500rpm, U = 300V, f = 55Hz 114 Hình Kết đo n = 500rpm, U = 300V, f = 60Hz Kết đo n = 500rpm, U = 340V Hình 10 Kết đo n = 500rpm, U = 340V, f = 30Hz 115 Hình 11 Kết đo n = 500rpm, U = 340V, f = 35Hz Hình 12 Kết đo n = 500rpm, U = 340V, f = 40Hz 116 Hình 13 Kết đo n = 500rpm, U = 340V, f = 45Hz Hình 14 Kết đo n = 500rpm, U = 340V, f = 50Hz 117 Kết đo n = 500rpm, U = 360V Hình 15 Kết đo n = 500rpm, U = 360V, f = 35Hz Hình 16 Kết đo n = 500rpm, U = 360V, f = 40Hz 118 Hình 17 Kết đo n = 500rpm, U = 360V, f = 45Hz Kết đo n = 700rpm, U = 350V Hình 18 Kết đo n = 700rpm, U = 350V, f = 37Hz 119 Hình 19 Kết đo n = 700rpm, U = 350V, f = 39Hz Hình 20 Kết đo n = 700rpm, U = 350V, f = 42Hz 120 Hình 21 Kết đo n = 700rpm, U = 350V, f = 45Hz Hình 22 Kết đo n = 700rpm, U = 350V, f = 50Hz 121 Hình 23 Kết đo n = 700rpm, U = 350V, f = 52Hz Hình 24 Kết đo n = 700rpm, U = 350V, f = 55Hz 122 Hình 25 Kết đo n = 700rpm, U = 350V, f = 57Hz Hình 26 Kết đo n = 700rpm, U = 350V, f = 60Hz 123 Kết đo n = 700rpm, U = 380V Hình 27 Kết đo n = 700rpm, U = 380V, f = 37Hz Hình 28 Kết đo n = 700rpm, U = 380V, f = 40Hz 124 Hình 29 Kết đo n = 700rpm, U = 380V, f = 43Hz Hình 30 Kết đo n = 700rpm, U = 380V, f = 46Hz 125 Hình 31 Kết đo n = 700rpm, U = 380V, f = 50Hz Hình 32 Kết đo n = 700rpm, U = 380V, f = 55Hz 126 Hình 33 Kết đo n = 700rpm, U = 380V, f = 60Hz 127 ... 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. .. 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... động servo 10 1 .3 Kết luận chương 13 CHƯƠNG THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ SERVO KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA 15 2.1 Thiết kế tối ưu đa mục tiêu động servo 15 Lý thuyết tối