Tom tat luan an: Nghiên cứu nâng cao chất lượng ổ từ kiểu lai.

Nghiên cứu nâng cao chất lượng ổ từ kiểu lai.Nghiên cứu nâng cao chất lượng ổ từ kiểu lai.Nghiên cứu nâng cao chất lượng ổ từ kiểu lai.Nghiên cứu nâng cao chất lượng ổ từ kiểu lai.Nghiên cứu nâng cao chất lượng ổ từ kiểu lai.Nghiên cứu nâng cao chất lượng ổ từ kiểu lai.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ ĐÌNH ĐẠT NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG Ổ TỪ KIỂU LAI Ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 9520216 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA Hà Nội – 2021 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Quang Địch PGS.TS Nguyễn Huy Phương 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 5.Tính cấp thiết đề tài 6.Ổ đỡ từ loại ổ trục có khả nâng khơng tiếp xúc trục chuyển động nhờ vào lực từ trường Vì khơng có tiếp xúc học nên khơng có mài mịn khơng cần bơi trơn Do ổ đỡ từ ngày sử dụng rộng rãi nhiều ứng dụng khác nhau, chúng cho thấy khả tuyệt vời để làm việc điều kiện khắc nghiệt môi trường chân không, tốc độ quay cao nhiệt độ cao mà ổ bi thông thường đáp ứng 7.Với ưu điểm vượt trội khó thay tiềm phát triển ứng dụng rộng rãi hệ thống ổ từ đại diện cho hệ thống điện phức tạp, cần có nhiều hoạt động nghiên cứu phát triển Những nghiên cứu bao gồm thiết kế khí, truyền động điện tử công suất, thiết kế điều khiển để khắc phục hạn chế tồn phát triển hệ thống ổ từ có hiệu suất chất lượng cao 8.Ổ từ theo thành phần cấu tạo chia làm ba loại, ổ từ bị động cấu tạo nam châm vĩnh cửu, ổ từ chủ động cấu tạo nam châm điện ổ từ kiểu lai cấu tạo kết hợp nam châm điện nam châm vĩnh cửu Bởi có cấu tạo kết hợp nên ổ từ kiểu lai tổng hợp ưu điểm hai loại ổ từ cịn lại Đó tận dụng lực nâng sẵn có nam châm vĩnh cửu để tiết kiệm lượng điện từ cần cung cấp đồng thời có khả điều khiển linh hoạt nhờ tác động điều khiển qua nam châm điện Tuy nhiên có cấu tạo kết hợp hai loại nam châm nên ổ từ kiểu lai tồn tượng xen kênh từ thông nguy bão hòa từ mạch từ dẫn đến tổn hao lượng từ trường đồng thời gây khó khăn trình điều khiển Vì luận án tác giả tập trung nghiên cứu đối tượng ổ từ từ chủ động kiểu lai Cụ thể tiến hành nghiên cứu phát triển cấu trúc ổ từ kiểu lai lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp để giải tồn bên Nhằm mục tiêu tiết kiệm lượng tiêu thụ, tăng khả chịu tải dễ dàng điều khiển cho ổ từ kiểu lai 9.Đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án 10 Đối tượng nghiên cứu: ổ từ kiểu lai, loại ổ từ tích hợp nam châm vĩnh cửu nam châm điện 11 Phạm vi nghiên cứu: thiết kế cấu tạo, xây dựng mơ hình tốn học, thiết kế điều khiển thích hợp cho ổ từ kiểu lai 12 Mục tiêu nghiên cứu 13 Nghiên cứu phát triển cấu trúc ổ từ kiểu lai đảm bảo giảm ảnh hưởng xen kênh, giảm ảnh hưởng bão hòa từ, tiết kiệm lượng, dễ dàng điều khiển 14 Xây dựng hệ điều khiển phù hợp để đảm bảo hoạt động cho ổ từ kiểu lai với cấu trúc 15 Phương pháp nghiên cứu 16 Từ nghiên cứu lý thuyết đến mô thực nghiệm Nghiên cứu tổng quan cấu tạo phương pháp điều khiển ổ từ kiểu lai để lựa chọn cấu trúc ổ từ kiểu lai có nhiều ưu điểm phương pháp điều khiển phù hợp Áp dụng phương pháp mạch từ tương đương, phương pháp mô phần tử hữu hạn để tính tốn mơ cấu trúc ổ từ kiểu lai Xây dựng mơ hình tốn học ổ từ kiểu lai, thiết kế điều khiển phù hợp mô điều khiển Matlab Cuối tiến hành thực nghiệm để kiểm chứng 17 Những đóng góp ý nghĩa khoa học luận án - Nghiên cứu phát triển thành công cấu trúc ổ từ kiểu lai (ổ từ kiểu lai khe phân cách), thỏa mãn tiêu chí khơng xen kênh từ thông, giảm từ trường tản, mở rộng đường dẫn từ thông, tiết kiệm lượng dễ dàng điều khiển - Xây dựng mơ hình tốn học cho ổ từ kiểu lai khe phân cách, mơ hình tốn học có tính đến ảnh hưởng tốc độ quay rotor - Xây dựng hệ điều khiển tuyến tính phi tuyến đảm bảo hoạt động ổn định ổ từ kiểu lai có khe phân cách + Bộ điều khiển tuyến tính phản hồi tập trung PD tâm rotor thiết kế Trong thành phần điều khiển chuyển động tịnh tiến chuyển động quay rotor phân tách với + Bộ điều khiển phi tuyến (điều khiển trượt) thiết kế với hàm dấu Sgn thay hàm Sigmoid giảm thiểu tượng rung (chattering) phương pháp điều khiển trượt - Xây dựng mơ hình hệ thống ổ từ kiểu lai khe phân cách thực thuật toán điều khiển PD tảng hệ thống ổ từ xây dựng Kết hệ thống làm việc ổn định điều kiện tốc độ khác nhau, không bị ảnh hưởng xen kênh chuyển động ổn định với tác động nhiễu lực bên - Ý nghĩa khoa học thực tiễn - *) Ý nghĩa khoa học - Nghiên cứu đưa sở lý thuyết việc xây dựng mơ hình ổ từ kiểu lai Trong phần tính tốn, thiết kế, mơ thực nghiệm trình bày khoa học, giúp người đọc dễ dàng tiếp cận với ổ từ kiểu lai - Luận án tài liệu tham khảo cho việc nghiên cứu, phân tích đối tượng tượng tương tự - *) Ý nghĩa thực tiễn - Mơ hình ổ từ kiểu lai nghiên cứu phát triển thành công với sở lý thuyết khoa học kiểm chứng thông qua thực nghiệm Đây sở để ứng dụng sản xuất công nghiệp - CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ Ổ TỪ KIỂU LAI - 1.1 Khái niệm chung ổ từ - Trong ổ từ, cực từ tạo lực từ để nâng rotor chuyển động quay mà khơng có tiếp xúc khí, lực ma sát gần không - Ổ từ kiểu lai có cấu tạo kết hợp nam châm điện nam châm vĩnh cửu ví dụ minh họa Hình 1.5 - Hình 1.5 Cấu trúc ổ từ kiểu lai (HMB) 1.2 Nghiên cứu tổng quan ổ từ kiểu lai 1.2.1 Nghiên cứu cấu trúc ổ từ kiểu lai 1.2.2 Nguyên cứu phương pháp điều khiển ổ từ kiểu - lai 1.3 Kết luận định hướng nghiên cứu Trình bày khái quát ổ từ ổ từ kiểu lai, tình hình nghiên cứu tiềm ứng dụng ổ từ kiểu lai - Phân tích ưu nhược điểm cấu trúc khác ổ từ kiểu lai, từ lựa chọn cấu trúc ổ từ kiểu lai cực từ độc lập để phát triển cấu trúc ổ từ kiểu lai Định hướng nghiên cứu cải tiến cấu trúc để hạn chế xen kênh mà đảm bảo đường dẫn từ thơng - Phân tích ưu nhược điểm, khả áp dụng phương pháp điều khiển cho ổ từ nói chung ổ từ kiểu lai nói riêng, qua định hướng lựa chọn phương pháp điều khiển tuyến tính phản hồi tập trung PD tâm rotor phù hợp để áp dụng cho cấu trúc ổ từ kiểu lai - - CHƯƠNG NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC MỚI Ổ TỪ KIỂU LAI 2.1 Ổ từ kiểu lai khe hở phụ 2.1.1 Cấu trúc ổ từ kiểu lai khơng có khe hở phụ 2.1.2 2.1.4 2.1.3 Hình 2.1 Cấu trúc ổ từ HMB khơng có khe hở phụ 2.1.5 Phân tích mơ hình phương pháp mơ phần tử hữu hạn 2.1.6 Phân tích so sánh kết 2.2 Ổ từ kiểu lai khe hở phụ 2.2.1 Cấu trúc ổ từ kiểu lai khe hở phụ 2.2.2 Hình 2.13 Mơ hình cực từ lai có khe hở phụ 2.2.3 Phương pháp tính tốn mạch từ tương đương 2.2.4 Phương pháp mô phần tử hữu hạn 2.2.5 Phân tích đánh giá kết 2.2.6 Phân tích đánh giá kết thu phương pháp tính tốn mạch từ tương đương mơ phần từ hữu hạn 2.2.7 2.2.8 2.2.9 (EMCM) 2.2.10 (FEM) Lực từ tác dụng lên rotor theo dòng điện Lực từ tác dụng lên rotor theo dịng điện 2.2.11Hình 2.19 Tổng hợp lực từ tác động lên Rotor (EMCM & FEM) 2.2.12 Kết tính tốn theo phương pháp EMCM trùng khớp với phương pháp FEM, kết tin cậy 2.2.13 Ổ từ HMB có khe hở phụ có ưu điểm với ổ từ HMB thơng thường cịn hạn chế lực nâng (thể Hình 2.20), nên cần cải tiến 2.2.14 2.2.15 2.2.16 2.2.17 2.2.18 2.2.19 2.2.20 2.2.21 2.2.22 2.2.23 2.2.24 2.2.25 2.2.26 2.2.28 Lực từ hệ có cuộn dây 2.2.29 Lực từ HMB khơng có khe hở phụ Lực từ HMB có khe 2.2.27 hở phụ với phương pháp điều khiển PD 10-3 145 146 Điều khiển PD Điều khiển trượt 147 10 148 -1 150 -2 10-4 Điều khiển PD Điều khiển trượt 149 151 152 155 -5 153 0.1 0.2 0.3 0.5 Thời gian (s) 154 0.4 -3 0.2 0.3 Thời gian (s) 0.4 0.5 (a) Chuyển động quay (  ) (b) Chuyển động tịnh tiến 159 (x) 10-3 161 0.1 157 158 160 156 10-4 Điều khiển PD Điều khiển trượt 162 163 0.5 164 Điều khiển PD Điều khiển trượt -5 165 166 167 169 0.1 -10 0.2 0.3 0.5 Th ời gian (s) 170 168 (c)Chuyển động quay ( ) 0.4 171 172 0 0.5 0.1 173 0.2 0.3 0.4 Thời gian (s) (d) Chuyển động tịnh tiến 174 (y) 175Hình 3.15 Chuyển động rotor Ω=10500 vịng/phút Phương pháp điều khiển trượt không đạt thời gian cân nhanh mà cịn chịu ảnh hưởng yếu tố thay đổi tác động lên hệ thống so với phương pháp điều khiển PD 176 3.4 Kết luận chương Từ mơ hình ổ từ kiểu lai khe phân cách đề xuất phát triển chương 2, xây dựng mơ hình tốn học cho hệ thống ổ từ cách tách chuyển động hỗn hợp Rotor thành thành hai chế độ chuyển động tịnh tiến chuyển động quay tâm rotor Hiệu ứng quay hồi chuyển ảnh hưởng rotor quay đưa vào phương trình mơ tả tốn học mơ hình 178 Xây dựng hai điều khiển tuyến tính PD phi tuyến (điều khiển trượt) phù hợp cho hệ thống ổ từ kiểu lai khe phân cách 177 Kết mô cho thấy hai điều khiển đáp ứng điều khiển ổn định cho hệ thống CHƯƠNG XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 179 4.1 Giới thiệu mơ hình thực nghiệm 4.2 Cơ cấu chấp hành hệ thống ổ từ kiểu lai khe phân cách Hình 4.6 Cơ cấu chấp hành hệ thống ổ từ HMB chế tạo 180 4.3 Phần cứng hệ điều khiển ổ từ kiểu lai khe phân cách 4.3.1 Mô tả phần cứng hệ điều khiển ổ từ kiểu lai 181 182 Hình 4.7 Sơ đồ mơ tả hệ điều khiển cho ổ từ HMB Tín hiệu dịch chuyển vị trí rotor từ cảm biến truyền dSPACE 1104 xử lý để đưa tín hiệu dịng điện điều khiển vào cực ổ từ Bên cạnh đó, việc sử dụng phần mềm Control Desk xây dựng giao diện điều khiển giám sát hệ thống ổ từ thu kết thực nghiệm 183 4.3.2 Bộ biến đổi cơng suất 184 Hình 4.10 Sản phẩm biến đổi công suất 4.3.3 Cảm biến khoảng cách 185 Hình 4.11 Đầu đo cảm biến khoảng cách 4.3.4 Mơ hình hồn thiện hệ thống ổ từ kiểu lai khe phân cách 186 Hình 4.12 Mơ hình thực nghiệm hệ ổ từ kiểu lai bậc tự 4.4 Kết thực nghiệm đánh giá 4.4.1 Rotor trạng thái tĩnh không quay (a) Ổ từ HMB-A (trục x) 187 (b) Ổ từ HMB-B (trục x) 188 189 y) c) Ổ từ HMB-A (trục d) Ổ từ HMB-B (trục y) Hình 4.13 Độ dịch chuyển rotor khởi động nâng rotor 4.4.2 Rotor trạng thái quay 190 (a) Ổ từ HMB-A (trục x) (b) Ổ từ HMB-B (trục x) 191 192 193 (c) Ổ từ HMB-A (trục y) (d) Ổ từ HMB-B (trục y) Hình 4.14 Độ dịch chuyển rotor rotor quay từ tới 7000 vòng/phút 4.4.3 Khi rotor thay đổi tải trọng có tác động nhiễu lực bên ngồi 194 (a) Ổ từ HMB-A (trục x) (b) Ổ từ HMB-B (trục x) 195 196 197 (c) Ổ từ HMB-A (trục y) (d) Ổ từ HMB-B (trục y) Hình 4.16 Dịch chuyển Rotor thay đổi tải trọng 198 199 200 201 (a) Ổ từ HMB-A (trục x) (b) Ổ từ HMB-B (trục x) 202 (c) Ổ từ HMB-A (trục y) (d) Ổ từ HMB-B (trục y) Hình 4.17 Dịch chuyển Rotor nhiễu lực tác động 4.5 Kết luận chương Từ kết nghiên cứu lý thuyết kết hợp với kiến thực tế, tác giả xây dựng hoàn chỉnh mơ hình thực nghiệm cho hệ thống ổ từ kiểu lai khe phân cách 204 Kết thực nghiệm khớp với kết tính tốn lý thuyết cho thấy kết nghiên cứu phần lý thuyết hoàn tồn đáng tin cậy Đồng thời qua q trình thực nghiệm kỹ kiểm chứng tính ổn định ổ từ trạng thái tĩnh, trạng thái động (rotor quay) kể chịu tác động nhiễu lực bên 203 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 206 Luận án trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu ngồi nước lĩnh vực thiết kế chế tạo ổ từ kiểu lai Phân tích so sánh ưu nhược điểm loại ổ tử kiểu lai, từ lựa chọn loại ổ từ kiểu lai bốn cực tách kênh đường dẫn từ thông với ưu điểm dễ dàng điều khiển độ ổn định cao làm đối tượng tập trung nghiên cứu phát triển Qua bước nghiên cứu phân tích, hai loại ổ từ kiểu kiểu lai đề xuất, ổ từ kiểu lai khe hở phụ ổ từ kiểu lai khe phân cách Ổ từ kiểu lai khe phân cách với ưu điểm giảm từ trường tản tăng đường dẫn từ thông mạch từ lựa chọn Sau tiến hành xây dựng mơ hình tốn học cho hệ thống ổ từ kiểu lai khe phân cách, có tính tới ảnh hưởng tốc độ quay Từ mơ hình tốn học, cấu trúc điều khiển đề xuất Ứng dụng thuật toán điều khiển tuyến tính PD điều khiển phi tuyến dựa điều khiển trượt cho kết điều khiển hệ thống ổn định 207 Các kết đóng góp luận án bao gồm: 1- Nghiên cứu phát triển cấu trúc ổ từ kiểu lai (ổ từ kiểu lai khe phân cách), thỏa mãn tiêu chí khơng xen kênh từ thơng, giảm từ trường tản, mở rộng đường dẫn từ thông, tiết kiệm lượng, độ ổn định cao dễ dàng điều khiển 2- Xây dựng mơ hình tốn học ổ từ kiểu lai khe phân cách có kể đến ảnh hưởng tốc độ quay rotor 3- Xây dựng điều khiển tuyến tính phi tuyến để minh chứng hoạt động hệ thống ổ từ kiểu lai khe phân cách Kết hệ thống đạt ổn định với hai điều khiển 4- Xây dựng mơ hình thực nghiệm hệ thống ổ từ kiểu lai khe phân cách thực thuật toán điều khiển PD tảng mơ hình thực nghiệm Kết hệ thống làm việc ổn định điều kiện tốc độ khác nhau, không bị ảnh hưởng xen kênh chuyển động ổn định với tác động nhiễu lực bên 208 Kiến nghị: 209 Bản luận án hoàn thiện từ nghiên cứu lý thuyết tới thực nghiệm, đảm bảo tính lý luận phù hợp với luận án tiến sĩ 205 ngành Điều khiển Tự động hóa Tác giả mong người đọc góp ý để hồn thiện Và mong muốn đưa bảo vệ cấp trường 211 Định hướng nghiên cứu tiếp theo: 212 Áp dụng điều khiển trượt để điều khiển cho mơ hình thực nghiệm hệ thống ổ từ kiểu lai khe phân cách nghiên cứu ảnh hưởng tượng từ trễ rotor chuyển động với tốc độ cao 210 213 214 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 215 216 217 218 219 220 221 [1] Vũ Đình Đạt, Nguyễn Anh Tuấn, Luyện Thế Thạnh (2015), Research to improve the quality of hybrid active magnetic bearing, Tạp chí Khoa Học cơng nghệ Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng yên, ISSN 2354-0575, số 8, trang 57-63 [2] Vũ Đình Đạt, Nguyễn Quang Địch, Nguyễn Huy Phương (2017), Phân tích đề xuất cấu trúc cho ổ đỡ từ chủ động kiểu lai, Hội nghị - Triển lãm quốc tế lần thứ Điều khiển Tự động hóa VCCA-2017 [3] Vũ Đình Đạt, Nguyễn Quang Địch, Giang Hồng Qn (2017), Tính tốn ổ đỡ từ sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn, Hội thảo điều khiển tự độ hóa cho phát triển bền vững CASD-2017 [4] Vũ Đình Đạt, Nguyễn Quang Địch, Nguyễn Huy Phương (2020), Phân tích so sánh cấu trúc ổ từ cực kiểu lai hai bậc tự do, Chuyên san Đo lường, Điều khiển Tự động hóa , ISSN 1859-0551, vol.1 (2) (2020) [5] Vũ Đình Đạt, Nguyễn Quang Địch, Nguyễn Huy Phương (2021), Đánh giá hoạt động ổ từ kiểu lai có khe hở phụ đề xuất phương án cải tiến, Chuyên san Đo lường, Điều khiển Tự động hóa , ISSN 1859-0551, vol.1 (2) (2020) [6] Vũ Đình Đạt, Nguyễn Quang Địch, Nguyễn Huy Phương (2021), Modeling and Control of a Novel Structure of the 4DOF-Hybrid Magnetic Bearings, Chuyên san Đo lường, Điều khiển Tự động hóa, ISSN 1859-0551, Vol.2 (1) (2021) ... trúc ổ từ kiểu lai (HMB) 1.2 Nghiên cứu tổng quan ổ từ kiểu lai 1.2.1 Nghiên cứu cấu trúc ổ từ kiểu lai 1.2.2 Nguyên cứu phương pháp điều khiển ổ từ kiểu - lai 1.3 Kết luận định hướng nghiên cứu. .. bày khái quát ổ từ ổ từ kiểu lai, tình hình nghiên cứu tiềm ứng dụng ổ từ kiểu lai - Phân tích ưu nhược điểm cấu trúc khác ổ từ kiểu lai, từ lựa chọn cấu trúc ổ từ kiểu lai cực từ độc lập để... cho ổ từ kiểu lai với cấu trúc 15 Phương pháp nghiên cứu 16 Từ nghiên cứu lý thuyết đến mô thực nghiệm Nghiên cứu tổng quan cấu tạo phương pháp điều khiển ổ từ kiểu lai để lựa chọn cấu trúc ổ từ