Luận án: Điều khiển động cơ đồng bộ từ thông dọc trục nam châm vĩnh cửu tích hợp ổ từ

LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là Dương Quốc Tuấn, hiện đang công tác tại Bộ môn Tự động hóa – Khoa Điện – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể các nhà khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa được công bố trên bất cứ một công trình nào khác. Thái Nguyên, ngày tháng 03 năm 2020 Tác giả luận án Dương Quốc Tuấn i LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận án này, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của các thầy cô, các anh chị, các em, các bạn và các tổ chức.

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới: Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo, Khoa Điện của trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp thuộc Đại học Thái Nguyên, Viện Nghiên cứu Phát triển Công nghệ cao về Kỹ thuật Công nghiệp thuộc Đại học Thái Nguyên và Đại học Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận án. Nguyễn Như Hiển và PGS. Trần Xuân Minh, những người thầy kính mến đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi. Tập thể các nhà khoa học của Bộ môn Tự động hóa, Khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa của trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đã có những ý kiến đóng góp quý báu để tôi hoàn chỉnh bản luận án này.

Xin chân thành cảm ơn bố mẹ, các em và người vợ yêu quý cùng con trai đã luôn luôn bên tôi, hết lòng thương yêu, quan tâm, sẻ chia, ủng hộ, động viên tinh thần, tình cảm, tạo điều kiện giúp tôi có nghị lực để hoàn thành quyển luận án này. Thái Nguyên, ngày tháng 03 năm 2020 Tác giả luận án Dương Quốc Tuấn ii Mục lục MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .ii MỤC LỤC. iii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU. v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT.

vi DANH MỤC HÌNH VẼ. Tính cấp thiết của đề tài. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu. Mục tiêu của luận án.

Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án. Bố cục của luận án. 4 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐCĐB TỪ THÔNG DỌC TRỤC CÓ TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ 5 1.2 Sự phát triển của máy điện đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu từ thông dọc trục 6 1.3 Các kiểu máy điện từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu .1 Các cấu hình cơ bản của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục .2 Lựa chọn cấu hình động cơ đồng bộ từ thông dọc trục .3 Mô hình truyền thống về ổ đỡ trục động cơ .4 Mô hình ĐC thông dụng sử dụng ổ từ đỡ trục ĐC .5 Mô hình tích hợp ổ từ dọc trục vào động cơ đồng bộ từ thông dọc trục .4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước .1 Tình hình nghiên cứu trong nước .2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước .5 Định hướng nghiên cứu của luận án. 28 CHƯƠNG 2 : MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ THÔNG DỌC TRỤC KÍCH TỪ NCVC TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ DỌC TRỤC.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu.

29 iii Mục lục 2.2 Nguyên lý làm việc động cơ đồng bộ từ thông dọc trục NCVC .2 Mô hình toán học của động cơ từ thông dọc trục kích từ NCVC.2 Mô hình toán học của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục tích hợp chức năng ổ từ dọc trục trên hệ tọa độ đồng bộ từ thông .3 Tính toán lực hút dọc trục.1 Xác định lực dọc trục của ĐCĐB từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu 35 2.2 Mô hình toán học của ĐC AFPM. 47 CHƯƠNG 3 : ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ THÔNG DỌC TRỤC 48 3.1 Cấu trúc điều khiển vectơ động cơ AFPM .1 Cấu trúc điều khiển tổng quát .2 Thiết kế điều khiển động cơ AFPM bằng phương pháp kinh điển .3 Thiết kế điều khiển động cơ AFPM bằng phương pháp Backstepping-SMC 54 3.2 Các kết quả mô phỏng .1 Mô phỏng hệ thống với mạch vòng ngoài PID, mạch vòng dòng điện PID 61 3.2 Mô phỏng hệ thống với mạch vòng ngoài Backstepping-trượt. 66 CHƯƠNG 4 : HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .1 Hệ thống thí nghiệm .2 Kết quả thực nghiệm.1 Động cơ chạy với tốc độ nhỏ hơn tốc độ định mức n=1500 vòng/phút. 89 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.

93 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN. 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 108 iv Danh mục các bảng biểu DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật nguồn DC GW INSTEK PSW 80-40.2 Thông số kỹ thuật của Encoder RE30E-500-213-1 .3 Thông số kỹ thuật cảm biến đo khoảng cách SENTEC LS 500D-2A.80 v Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Danh mục các ký hiệu Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa B, B T Mật độ từ thông, mật độ từ thông ở khe hở không khí C3/2, C2/3 Ma trận chuyển đổi từ hệ tọa độ ba pha sang hệ tọa độ 2 pha và ngược lại C3s/2r, C2r/3s Ma trận chuyển đổi từ hệ tọa độ cố định ba pha sang hệ tọa độ quay 2 pha và ngược lại C2s/2r, C2r/2s Ma trận chuyển đổi từ hệ tọa độ cố định 2 pha sang hệ tọa độ quay 2 pha và ngược lại L Ma trận điện cảm F1 , F2 N Lực điện từ do động cơ 1, động cơ 2 sinh ra FL N Lực ngoài tác động vào trục động cơ Fp, Fs, F Sức từ động kích từ, stđ tổng 3 pha stator, stđ tổng go mm Khe hở không khí giữa Stator và rotor i,i A Thành phần trục , của dòng điện iA, iB, iC A Các dòng điện pha id, iq A Dòng điện trên trục d,q Ip , If A Dòng kích từ một chiều isd, isq A Thành phần trục d,q của dòng điện stator J, jr KGm2 Mô men quán tính Knl Hệ số khuếch đại của nghịch lưu Lsd, Lsq H Thành phần điện cảm dọc trục, ngang trục M 1 , M 2 , m1 , m 2 Nm Mô men điện từ do động cơ 1, động cơ 2 sinh ra Mđt Nm Mô men điện từ N Số vòng dây np Số đôi cực R Ma trận điện trở Rs , Rr Điện trở cuộn dây stator, rotor S m2 Diện tích mặt cắt của đường sức từ Sp m2 Diện tích cực từ tại khe hở không khí vi Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt Tsd, Tsq s Hằng số thời gian Te, Tm s Hằng số thời gian điện từ, hằng số thời gian điện cơ u, u V Điện áp trên trục , uA, uB, uC V Các điện áp pha ud, uq V Điện áp trên trục d,q usd, usq V Thành phần trục d,q của điện áp stator Wm Năng lượng điện từ wl mm2 Kích thước mạch từ z mm Độ dịch chuyển của lõi thép, rotor ,  Wb Từ thông p Wb Từ thông cực từ  rad Góc lệch giữa trục d và trục   Wb Từ thông o Tm/A Độ từ thẩm của không khí s, 1 rad/s Tốc độ góc của từ trường stator , m rad Vị trí góc  s Hằng số thời gian Các chỉ số bên phải, trên cao: f đại lượng mô tả trên hệ tọa độ T4R (hệ tọa độ dq quay đồng bộ với vector từ thông. s, r đại lượng mô tả trên hệ tọa độ  cố định với stator, rotor vii Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt Danh mục các chữ viết tắt Chữ viết Ý nghĩa tắt Axial Flux Permanent Magnet (từ thông dọc trục kích thích vĩnh AFPM cửu) axial gap self- bearing machine (máy điện tự nâng có khe hở dọc AGBM trục) AMB Active Magnetic Bearing (ổ đỡ từ chủ động) AMM amorphous magnetic materials (vật liệu từ vô định hình) ĐB Đồng bộ ĐC Động cơ ĐCĐB Động cơ đồng bộ ĐH Đại học BSCCO Bismuth strontium calcium copper oxide CAN Controller Area Network CNC Computer Numeric Control (Điều khiển số dùng máy tính) CFD computational fluid dynamic (động học chất lỏng tính toán) DSP Digital signal processor (Xử lý tín hiệu số) DSSR Double stator single rotor (hai stator một rotor) EV electric vehicle (Xe điện) FEA Finite Element Analysis (Phân tích phần tử hữu hạn) FEM Finite element method (Phương pháp phần tử hữu hạn) Fractional-slot concentrated-winding (dây quấn tập trung rãnh FSCW phân số) FVA Finite Volume Analysis (phân tích thể tích hữu hạn) HTC high-temperature superconducting (siêu dẫn nhiệt độ cao) LQG Linear Quadratic Gaussian LSAFPM Line start AFPM (AFPM khởi động trực tiếp) Line start permanent magnet (Máy điện kích thích vĩnh cửu khởi LSPM động trực tiếp) MIMO multiple-input multiple-output (nhiều đầu vào nhiều đầu ra) NCVC nam châm vĩnh cửu NGTL NOVA Gas Transmission Ltd viii Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt NS North – South (Bắc – Nam) PC Personal Computer (máy vi tính) PPC PowerPC (Máy tính chuyên dụng) PID Proportional Integral Derivative (tỷ lệ vi tích phân) PM Permanent Magnet (Nam châm vĩnh cửu) Radial Flux Permanent Magnet (máy điện kích thích vĩnh cửu từ RFPM thông hướng tâm) LRU Least recently used SMC Sliding Mode Control (Điều khiển trượt) soft magnetic composites, soft magnetic compound (Hợp chất từ SMC mềm) SS South – South (Nam – Nam) SSDR Single stator double rotor (Một stator hai rotor) SSSR Single stator single rotor (Một stator một rotor) stđ sức từ động TFPM transverse flux PM () T4 R Tựa theo từ thông rotor XNCN Xí nghiệp công nghiệp YBCO yttrium barium copper oxide ix Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Hình ảnh của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục, kích từ nam châm vĩnh cửu, có tích hợp ổ từ chặn chuyển động dọc trong dây quấn stator động cơ .1 ĐC điện-từ với rotor dạng đĩa theo bằng sáng chế số 405 858,1889 của N.2 Các modul cơ bản của ĐC AFPM.3 Các cấu hình của máy điện từ thông dọc trục NCVC .4 Mặt cắt mô hình ĐC điện thông dụng .5 Ổ đỡ từ hướng tâm chủ động .6 Mặt cắt mô hình ĐC điện thông dụng có tích hợp ổ đỡ từ hướng tâm và hướng trục (1: Trục; 2: Rotor; 3: Stator; 4: Ổ từ hướng tâm; 5: Ổ từ dọc trục).7 Cấu tạo ổ từ chủ động (AMB): hướng tâm (a), dọc trục (b).8 Mặt cắt ĐC AFPM có tích hợp ổ đỡ từ hai đầu trục .