Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa: Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

7
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án "Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép" là xây dựng mô hình toán học cho động cơ tự nâng stator không lõi thép để làm rõ khả năng sinh lực đồng thời cả mô men quay lẫn lực nâng ngang trục. Xây dựng hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép nhằm đảm bảo điều khiển được cả lực nâng ngang trục lẫn mô men quay của động cơ.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa: Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VÕ ĐỨC NHÂN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG STATOR KHÔNG LÕI THÉP Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – 2023
Công trình được hoàn thành tại: Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Nguyễn Quang Địch 2. TS. Nguyễn Trường Giang Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Đại học Bách khoa Hà Nội họp tại Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ……… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Động cơ điện tự nâng là động cơ điện trong đó rotor của động cơ được nâng hoàn toàn không có tiếp xúc trong không gian nhờ vào lực từ, như vậy ngoài khả năng sinh mô men quay thì động cơ này còn có khả năng tự sinh lực nâng để giữ cố định rotor. Trong thời gian gần đây động cơ điện sử dụng ổ từ là một hướng nghiên cứu mới thu hút mạnh mẽ nhiều nhà khoa học trên thế giới. Chúng được giới thiệu như những phần tử máy rất có giá trị với nhiều đặc điểm công nghệ mới và có phạm vi ứng dụng rất rộng. Hình 1. Cấu trúc chung của động cơ ổ từ thông thường Trong các động cơ điện sử dụng ổ từ thông thường, động cơ điện được đặt giữa hai ổ từ ngang trục. Hai ổ từ này có nhiệm vụ điều chỉnh các hướng chuyển động x1, y1, x2 và y2 của trục quay của động cơ. Còn chuyển động dọc trục của trục quay (hướng z) được điều khiển bởi một ổ từ từ dọc trục. Các lực nâng trục được điều khiển bằng hệ thống phản hồi kín để đảm bảo trục quay của động cơ luôn nằm chính giữa lõi stator. Như vậy, kể cả chuyển động quay do động cơ điện sinh ra thì động cơ điện ổ từ có 6 bậc tự do. So với động cơ vòng bi cơ, động cơ điện sử dụng ổ từ có kích thước lớn, cấu trúc phức tạp và giá thành cao vì vậy sẽ hạn chế trong nhiều ứng dụng. Để khắc phục những nhược điểm này các hướng nghiên cứu kết hợp chức năng động cơ điện với ổ từ đang được tiến hành. Với mục tiêu xây dựng được động cơ ổ từ có cấu trúc đơn giản, kích thước nhỏ và giá thành thấp, nhiều công trình nghiên cứu đang tập trung phát triển một loại động cơ tự nâng mới theo nguyên lý lực Lorentz có sơ đồ cấu trúc được mô tả như trong hình 1.1. Để có thể điều khiển được cả mô men quay lẫn lực nâng ngang trục các công trình công bố đã xây dựng mô hình stator là các thanh dẫn có cấu trúc điều khiển cho động cơ này với hai kênh điều khiển vị trí và tốc độ. Tuy các công trình này có một số kết quả nhưng do mô hình động lực học phức tạp gây khó khăn cho thiết kế điều khiển. Do đó hướng nghiên cứu của luận án là phát triển động cơ tự nâng stator không lõi thép, nhưng stator quấn dây, áp dụng lý thuyết của máy điện và lực Lorenzt để xây dựng mô hình điều khiển từ đó đi thiết kế điều khiển. 2. Mục tiêu nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu a. Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng mô hình động lực học cho động cơ tự nâng stator không lõi thép dây quấn rải để làm rõ khả năng sinh lực đồng thời cả mô men quay lẫn lực nâng ngang trục. Thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép nhằm đảm bảo điều khiển được cả lực nâng ngang trục lẫn mô men quay của động cơ. b. Đối tượng nghiên cứu Động cơ tự nâng stator không lõi thép dây quấn rải và rotor dạng nam châm hình trụ. 1
c. Phạm vi nghiên cứu Hệ điều khiển tốc độ và vị trí ngang trục của động cơ tự nâng stator không lõi thép. d. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết trên cơ sở tiếp thu các kết quả nghiên cứu từ các công trình nghiên cứu đã công bố ở trong nước và nước ngoài cũng như thành quả nghiên cứu của Viện Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa, Đại học Bách khoa Hà Nội để từ đó đề xuất phương pháp hoàn thiện hệ điều khiển cho động cơ tự nâng stator không lõi thép. Kiểm chứng kết quả nghiên cứu bằng mô phỏng và thực nghiệm. 3. Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài luận án Luận án đã nghiên cứu để đưa ra một phương pháp mới xây dựng mô hình điều khiển động cơ stator không lõi thép dây quấn rải có lai ổ từ. Từ đó có thể áp dụng cho các thiết kế điều khiển mới để nâng cao chất lượng điều khiển cho động cơ tự nâng stator không lõi thép. Góp phần vào công việc thiết kế chế tạo động cơ tự nâng stator không lõi thép chạy dược ở tốc độ cao, ứng dụng vào thực tế. 4. Dự kiến kết quả nghiên cứu mới - Xây dựng mô hình toán học cho động cơ tự nâng stator không lõi thép kích từ vĩnh cửu và stator dây quấn rải. Sử dụng lý thuyết máy điện và phép biến đổi vector để xây dựng mô hình động học thuận tiện cho việc thiết kế điều khiển. - Thiết kế điều khiển vị trí cho động cơ tự nâng stator không lõi thép, có bộ điều khiển PD song song kết hợp với điều khiển Feedforward bù nhiễu lực ly tâm và đưa ra phương án cấp dòng điện một chiều để duy trì lực nâng. Đề xuất phép biến đổi tọa độ tĩnh từ tín biệu hệ trục (x,y) sang tín hiệu hệ (ad, be và cf) thay cho phép biến đổi tọa độ quay để tránh hiện tượng sinh mô men hãm ngược. - Chế tạo mô hình thực nghiệm hệ truyền động động cơ tự nâng stator không dùng lõi thép để kiểm chứng các thuật toán điều khiển trên. 5. Nội dung nghiên cứu Nội dung luận án chia thành bốn chương, bao gồm: Chương 1. Trình bày tổng quan chung về động cơ tự nâng stator không lõi thép. Chương 2. Xây dựng mô hình toán học động cơ tự nâng stator không lõi thép từ đó đề xuất cấu trúc điều khiển. Chương 3. Thiết kế điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Chương 4. Xây dựng mô hình động cơ tự nâng stator không lõi thép và thực nghiệm Kết luận và kiến nghị. 2
Chương 1. TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG STATOR KHÔNG LÕI THÉP 1.1 Nguyên lý cấu tạo động cơ tự nâng stator không lõi thép dạng thanh Động cơ tự nâng stator không lõi thép có cấu tạo gồm hai phần: Stator và rotor như trên Hình 1.1 Giá dỡ nhôm TẢI Cuộn dây Rotor Khung nhựa stator Vỏ sắt S N Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo động cơ tự nâng stator không lõi thép Rotor: Cấu trúc của rotor được trình bày như trong hình 1.2 có rotor nam châm vĩnh cửu, vỏ sắt bao quanh để dẫn từ như trên hình 1.3: Trục nối với tải Khớp nối mềm S N Đế nhôm S N Vỏ sắt Rotor Nam châm Vĩnh cửu Hình 1.2 Cấu tao rotor động cơ tự nâng stator không lõi thép Hình 1.3. Đường sức từ khi có vỏ sắt Hình 1.4. Sơ đồ cấu tạo của một vòng dây quấn và dây quấn một pha của động cơ được trình bày như trên hình 1.5. Sơ đồ bố trí thanh dẫn các pha của stator được trình bày trên hình 1.6. Cuộn dây Z  e- a+ f+ c-   a- t  b+ S N e+ /2 f- p d-   d+ c+ t b-   Lõi nhựa 0 -a +a Hinh 1.6 Sơ đồ bố trí Hình 1.4. Cấu tạo khung dây động cơ Hình 1.5. Sơ đồ cấu tạo một vòng dây dẫn stator động cơ tự nâng stator không lõi thép dây thanh dẫn của động cơ không lõi thép Vị trí của các cuộn dây thứ k được xác định theo ký hiệu là θ0+ θk. Tổng quát hóa với sơ đồ quấn dây có n vòng, vị trí của vòng dây thứ k được xác định bằng công thức tổng quát sau:  k k 1 2m   phase   0  3n   6   phase k  (1.1)  k k 1 2m  3  phase   0      3n 6 3
Trong đó m là hệ số tương ứng với từng pha: pha a tương ứng m = 0,… pha f tương ứng m = 5. cấu tạo cụ thể trên mặt cắt đứng và mặt cắt ngang được trình bày trên Hình 1.7 n  n r r  Vỏ sắt S N Thanh dẫn B B Y a-  f+ + + b+  e-  f- t a+ X + + d+ B c-   b- e+ + + c+  d- Hình 1.7 Sơ đồ mô tả nguyên lý cấu của động cơ tự nâng stator không lõi thép 1.2 Khái quát về lực Lorentz áp dụng cho động cơ tự nâng stator không lõi thép Nam châm của rotor có cường độ từ trường B, tác động với thanh dẫn có chiều dài ℓ có dòng điện I chạy qua, một lực F tính bằng công thức của định luật Lorentz: F  B I sin  (1.2)  từ 1.3 Cơ chế tạo lực ổ n  n r r  Y a) Xét khi rotor đứng im khe hở không khí đồng đều Vỏ thép a f Xét sơ đồ nguyên lý động cơ như trên hình 1.8, ta có lực F-ad. b + -  +e +  F a  B I  a sin  0 f + - a t    N I  d sin(  0   ) + - Thanh dẫn SF d  B d B c+ +   +b   e - X (1.3)  F a  B I  a sin(  0  ) c - + d +  2 + - +   B  F d   B I  d B    0  sin( )  2 n  và r  Tổng hợp lực cho thanh dẫn +ad r thanh dẫn –ad: n Y Vỏ thép a f  F ad  2 B I  ad sin  0 b + -  +e  + (1.4)   f + - a  F ad  2 B I  ad sin(  0  2 )  - t Thanh dẫn S N d+ B c+ + Khi chọn góc θ0 = 45 , ta có đồ thị véc tơ lực sinh ra do cuộn a và d được trình bày trên- X 1.8 0 +b  e Hình - c + d + + + - B B 4
Y +a -a F ad  0 X Fad F ad +d -d Hình 1.8. Đồ thị véc tơ lực do cặp cuộn dây a-d tác động lên rotor Tổng hợp lực cho các thanh dẫn ad ta có: Fad  2 2B iaf sin  (1.5)   3 Trong đó:   0    0  2 4 4 Chiếu lực này lên hai trục X-Y ta thu được hai thành phần lực Fx và Fy.  Fxad  Fad cos    (1.6)  Fyad  Fad sin   Với  x   y   , cường dộ dòng điện I ad  Ibe  I cf ta có tổng hợp lực của các pha:   Fad  2 2 B iaf sin    2  Fbe  2 2 B ib sin(   ) f 3 (1.7)   2  Fcf  2 2 B ic sin(   3 ) f  Do thanh dẫn cố định nên ba lực Fad ,Fbe ,Fcf sẽ tạo phản lực tác động lên rotor ký hiệu là r r r Fad ,Fbe ,Fcf . Ba lực đẩy này tác động lên rotor giữ cho rotor cân bằng tạo chức năng tương tự như ổ từ giữ cho rotor đồng tâm. Chiếu các lực lên hai trục X-Y ta có:   Fxad  Fad cos  ; Fyad  Fad sin    2 2  Fxbe  Fbe cos(   ); Fybe  Fbe sin(   ) (1.8)  3 3  2 2  Fxcf  Fcf cos(   3 ); Fycf  Fcf sin(   3 )  b) Khi rotor quay khe hở không khí δ đồng đều Từ (1.7) suy ra lực tác động của thanh dẫn lên rotor khi rotor quay với tốc độ góc t là: 5
  Fad  2 2 B iaf sin(   t )   2  Fbe  2 2 B ib sin(    t ) f 3 (1.9)   2  Fcf  2 2 B ic sin(   3  t ) f  c) Trường hợp khi khe hở không khí δ không đồng đều do lệch tâm rotor Khi rotor bị lệch tâm (xem Hình 1.9) ta có sai lệch trên trục X và Y là ∆x và ∆y. Cuộn dây Cuộn dây S N Y Fy Fx 0 x X y Hình 1.9 Mô tả sự lệch tâm rotor của động cơ tự nâng không lõi thép Chiếu ba lực này lên trục X-Y ta có hai dòng điện ix và iy và ra lực ổ từ trên trục X-Y là: Fx  k fx ix   (1.10) Fy  k fy iy  Khi rotor quay ta có thể biểu diễn véc tơ dòng điện tổng quay ngược với chiều quay rotor là i f biểu diễn trên ba trục a-d, b-e và c-f là: iad  ix cos t  i y sin t f  f  ibe  ix cos(t  2 / 3)  i y sin(t  2 / 3) (1.11)  f icf  ix cos(t  4 / 3)  i y sin(t  4 / 3)  1.4 Cơ chế sinh mô men quay Từ công thức (1.2), dòng điện tạo mô men là dòng điện xoay chiều ví dụ đối với cuộn dây a-d ta cấp cho dòng điện xoay chiều: iad  I m cos T (1.12) Dòng điện này sẽ tác động với từ trường B tạo nên ngẫu lực quay rotor (xem Hình 1.9) 6
Y Tổng mô men tác dụng do cuộn a-d gây nên: F +aT a M ad  2B r cos 0    sin 0   I m cos   (1.13 Ta cung cấp cho dòng điện xoay chiều cho ba cặp cuộn -a dây a-d, b-e, c-f để sinh mô men: FTa N S X iad  I m cos T T F T ibe  I m cos(  2 / 3) d -d T (1.14 +d icf  I m cos(  2 / 3) FTd Hình 1.10. Phân tích thành phần lực tạo mô men của động cơ tự nâng stator không lõi thép Ta có mô men do ba cặp cuộn dây ad, be và cf tạo nên được tính:   M  k cos   t   sin   t   I cos m   m  ad 0 0     2   2  2  M be  km cos   0   t   sin   0   t   I m cos(  ) (1.15)    3   3  3   2 2  2  M cf  km cos   0      t   sin   0   t   I m cos(  )     3   3  3 Trong đó km  2B r . Từ (1.14) và (1.15) ta có: ia ,d  iaf,d  ia ,d T   ib,e  ib,e  ib,e f T (1.16)  ic,f  ic,f  ic,f f T  Dòng điện stator là tổng của hai thành phần dòng điện tạo ra lực ổ từ và mô men quay. Do đó, nó được biểu diễn thành: ia ,d  ix cos t  iy sin t  I m cos  ib,e  ix cos(t  2 / 3)  iy sin(t  2 / 3)  I m cos(  2 / 3)  (1.17) ic,f  ix cos(t  4 / 3)  iy sin(t  4 / 3)  I m cos(  2 / 3) Với góc    o  t 7
CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG STATOR KHÔNG LÕI THÉP DÂY QUẤN RẢI 2.1 Mô hình động cơ tự nâng stator không lõi thép dây quấn rải Trong chương một đã khái quát về mô hình động học của động cơ tự nâng không lõi thép stator có dây quấn dạng thanh. Ta thấy các phương trình mô tả về lực nâng và mô men phức tạp rất khó áp dụng để tbieets kế điều khiên. Luận án đề xuất xây dựng mô hình động cơ tự nâng stator không lõi thép (TNSKLT) mới với stator dây cuốn có sáu bối dây, cuốn rải theo chu vi của stato như ảnh Trên Hình 2.1a là mặt cắt đứng của mô hình động cơ TNSKLT: Rotor là nam châm vĩnh cửu hình trụ được từ hóa đều với cường độ từ trường B, để khép kín mạch từ cho từ trường người ta bao xung quanh động cơ bởi một vỏ thép quay cùng với rotor. Rotor được nối với tải thử nghiệm là máy phát một chiều (MFMC) qua khớp nối mềm, như vậy trục Z của động cơ được cố định hai trục ngang X-Y được thả lỏng. Các bộ phận ghép nối được làm bằng vật liệu nhôm để cách từ. Stator là dây quấn rải Hình 2.1b là hình ảnh cuộn dây. Nguyên lý triển khai dây quấn trên Hình 2.1c và Hình 2.1d, ta thấy sơ đồ bố trí các ba cặp cuộn dây a-d, b-e, c-f theo chu vi stator. Như vậy động cơ có hai khe hở: δ là khe hở giữa cuộn dây stator và rotor và δn là khe hở ngoài giữa cuộn dây stator và vỏ thép, hai khe hở này đều liên quan chặt chẽ với nhau, nên ta chỉ cần điều khiển giữ δ không đổi là giữ cho tổng khe hở không khí không đổi.  Khung 2 TẢI nhôm MFMC Khớp nối mềm Vỏ thép Đế nhôm n Cuộn dây stato  trên khung nhựa S N Giá đỡ nhôm Rô to -c +e +f -a +d -b -e +a +b -f +c -d a) b) c) +b Y Y Y -a Jb +f I ad -e -f I be X +a X X -b -c +c +e I cf -d d) Hình 2.1 Sơ đồ cuốn dây stator của mô hình động cơ tự nâng stator không lõi thép f Do ta nối -a và +d và cấp cho cặp thanh dẫn dòng điện iad vào hai đầu +a và -d để tạo lực từ Fad , để f xác định véc tơ lực từ Fad ta phải dựa vào véc tơ dòng điện I ad tương ứng cho cặp cuộn dây a-d. 2.1.2 Lực ổ từ của mô hình động cơ tự nâng stator không lõi thép Lực nâng của động cơ tự nâng stator không lõi thép có độ lớn được tính:   Fad  kn B iad sin(   t ) f   2  Fbe  kn B ibe sin(    t ) f (2.1)  3  2  Fcf  kn B icf sin(   3  t ) f  8
   0  .  0 là pha của véc tơ pha a-d so với trục X là 450 (xem hình 2.3a), I f  kni f , 2 2N kn  kqd  Y Y Fad I cff t f I ad 0 t 0 X Fcf X B B f I be Fbe a) b) Hình 2.2 Đồ thị véc tơ dòng điện đẳng trị cho ba cặp cuộn dây (a). Đồ thị véc tơ lực ổ từ của rotor tác động lên ba cặp cuộn dây (b) f f f Véc tơ dòng điện tạo lực ổ từ I a ,Ib ,I c được trình bày trên Hình 2.2a. Theo (2.1) ta có ba véc tơ lực từ Fad ,Fbe ,Fcf quay cùng với tốc độ rotor, tác động của rotor lên ba cặp cuộn dây được trình bày trên Hình 2.2b. Do ba cặp cuộn dây đứng im nên sinh ra phản lực tác động từ cuộn dây lên rotor Fad ,Fbe ,Fcf được biểu r r r diễn trên Hình 2.3a r r r Chiếu ba lực Fad ,Fbe ,Fcf lên hai trục X-Y ta có lực các cuộn dây tác động lên rotor được chiếu lên hai trục X và Y.  2 2  Fxad  Fad cos(   t ); Fxbe  Fbe cos(   3  t ); Fxcf  Fcf cos(   3  t ) r r r   (2.2)  F  F r sin(   t ); F  F r sin(   2  t ); F  F r sin(   2  t )  yad  ad ybe be 3 ycf cf 3 Tổng hợp lực trên trục X và Y được trình bày trên hình 2.3b:  Fx  Fxad  Fxbe  Fxcf   (2.3)  Fy  Fyad  Fybe  Fycf  r Fad Y Y r F yad Fcfr Fy r t Fycf r Fxad X Rô to r Fxcf X Fx Fx Fy r Fybe r Fbe a)Lực quay (Fad, Fbe, Fcf) b) Lực tĩnh (Fx, Fy) Hình 2.3 Đồ thị véc tơ dòng điện đẳng trị cho ba cặp cuộn dây chiếu lên trục X-Y 9
Xét chế độ tĩnh ở vị trí ban đầu với ωt = 0 và rotor đồng tâm ta có các lực thành phần được biểu diễn trên Hình 2.4a với I oad  I obe  I ocf  I0 f f f f - Lực ổ từ theo trục X  Fx  Fx  Fx     Fx  Fxad  Fxbe r r (2.4)    Fx  Fxcf r  Lực ổ từ theo trục Y  Fy  Fy  Fy     Fy  Fxbe r (2.5)    Fy  Fyad  Fycf r r  3 Để kiểm tra mô hình lực ổ từ ta thay số liệu ở trạng thái rotor đứng im với   và t  0 , tính toán ta 4 có:   f  3 7   Fx  Fxad  Fxbe   B I o cos 4  cos(  12 ) r r      0,5B I o  0,707  0, 258  0,5B I o  0,965 f f (2.6)   Fx  Fxcf   B I of cos    0,5B I of  0,965 r   12       f  3   Fy  Fyad  Fycf   B I o  sin 4  sin 12  r r       B I o  0,707  0, 258   B I o  0 ,965 f f (2.7)   Fy   Fybe   B I of  sin 7   B I of  0,965 r   12     Từ (2.6) và (2.7) ta thấy khi rotor đồng tâm (sai lệch vị trí bằng không) ta có:  Fx  Fx     (2.8)  Fy  Fy  Từ (2.8) của mô hình lực ổ từ của động cơ TNSKLT được biểu diễn trên trục X-Y như trên Hình 2.4a Khi rotor lệch tâm (Hình 2.4b), hệ điều khiển sẽ tạo ra Fx và Fx để khử sai lệch theo trục X ( x  0 ),   lực Fy và Fy để khử sai lệch theo trục y ( y  0 ) bằng giải pháp điều khiển dòng điện tạo ra lực để kéo sai lệch ∆x = 0 và ∆y = 0.  Fx  k f ix   (2.9)  Fy  k f i y  10
 Y Y Fy Fy a) Fy Rô to Fx Fx Fx Fx X Fx Fx X Rô to Fy Fy Fy a) b) Hình 2.4 Lực ổ từ của động cơ TNSKLT khi hệ đứng im khi đồng tâm (a) và khi lệch tâm (b) trên tọa độ X-Y 2.1.3 Mô men quay động cơ tự nâng stator không lõi thép Sử dụng tính chất vật lý tạo ra sức từ động của từng cặp bối dây khi cấp cho ba cặp bối dây động cơ dòng xoay chiều: iad  I m cos T T ibe  I m cos(  2 / 3) (2.10) T icf  I m cos(  2 / 3)  Trong đó    0  t với  0  . Đồ thị véc tơ dòng và từ trường được trình bày trên Hình 2.5. 4 q Y (t ) T I ad T I be  0  4 t X d B T I cf Hình 2.5 Đồ thị véc tơ dòng điện đẳng trị của động cơ tự nâng không lõi thép Dùng phép biến đổi véc tơ cho máy điện ta có thể chọn véc tơ tổng I s trùng với trục q như trên hình 2.6. Với mô hình nghiên cứu động cơ tự nâng stator không lõi thép, do điện cảm Ls động cơ rất nhỏ (Ls= 0,006 mH), nếu động cơ chạy với tần số 1000Hz (60.000v/f) thì giá trị điện kháng stator chỉ cỡ 0,037Ω, so với điện trở stator 3,2Ω (xem số liệu động cơ ở Bảng 3.1) (điều này tương tự như máy điện đồng bộ làm việc trong chế độ thuần trở) dẫn đến véc tơ dòng điện tổng I s trùng pha với véc tơ sức điện động cơ E , tức là véc tơ dòng điện tổng I s trùng với trục q. Điều này có nghĩa là dòng stator không có thành phần trợ từ hoặc diệt từ ( sd  Ls .I sd  0 ) . 11
q Y  2  I s  3 ( I a  aI b  a I c ) 2  Is T t  I ad T I be 2 d  j r X a  e 3  (2.11) T I cf Hình 2.6 Biểu diễn dòng điện stato động cơ trong không gian véc tơ Từ thông rotor  r được tính bằng cường độ từ trường nhân với diện tích cực từ rotor: 1  r   r B(Wb ) (2.12) 2 Mô men động cơ được tính: M  kM r I sm  kM r I sm (2.13) 1 \ Trong đó kM  Nkdq r 2 2.2 Mô hình điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép 2.2.1. Phân tích phương pháp điều khiển a. Cấu trúc điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép dạng thanh (dạng I) Cấu trúc điều khiển của động cơ tự nâng stator không lõi thép dạng I như trên hình 2.7 - Hệ có hai đại lượng cần điều khiển là vị trí rotor (X và Y) và tốc độ động cơ (ω). Như vậy hệ điều khiển có hai kênh điều khiển: Điều vị trí rotor và điều khiển tốc độ động cơ. Hai đại lượng điều khiển gồm: T Dòng điện tạo lực ổ từ I kf là dòng một chiều để điều khiển vị trí rotor và dòng điện tạo mô men I k để điều khiển tốc độ là dòng xoay chiều. Hai dòng điện này được điều khiển riêng rẽ sau đó tổng hợp đưa vào bộ khuếch đại nguồn dòng cấp cho các thanh dẫn của động cơ. - Đại lượng nhiễu đối với kênh điều khiển tốc độ là mô men tải Mc, nhiễu xen kênh từ sai lệch vị trí rotor ảnh hưởng tới lực sinh mô men. Nhiễu đối với kênh vị trí là lực cản do trọng lực rotor Fc và nhiễu lực ly tâm là D. Kênh điều khiển tốc độ có bộ điều khiển tốc độ có đại lượng ra là biên độ cực đại dòng xoay chiều Im  được qua bộ biến đổi theo (1.14) trong đó    t . Tốc đô động cơ ω lấy từ bộ đo resolver ta được ba 4 T T T dòng xoay chiều ( iad ,ibe ,icf ) . Kênh điều khiển vị trí có hai bộ điều khiển theo trục X và bộ điều khiển vị trí trục Y với lượng đặt là kích thước khe hở không khí δ (không đổi) tín hiệu vị trí lấy từ hai bộ đo khoảng cách ở hai trục X-Y. Đầu ra hai bộ điều khiển vị trí là tín hiệu hai dòng điện ∆ix và ∆iy. Qua bộ biến đổi tọa độ (X-Y )→(a-d, b-e,c-f) theo (1.11). Đặc điểm của phương pháp điều khiển vị trí là điện lực nâng chỉ xuất hiện khi có sai lệch tức là khi không có sai lệch rotor được thả lỏng. Dòng tạo lực là xoay chiều có cùng tấn số quay với rotor nhưng chiều quay thì ngược lại do dùng biến đổi (1.11) ba lực nâng ( Fad ,Fbe ,Fcf ) sẽ đứng im đó với rotor. Ưu điểm của r r r phương pháp này là hiệu suất động cơ cao vì dòng tạo mô men được phát huy nhiều nhất. Nhược điểm của phương pháp này là khi ổn định vị trí rotor sẽ tạo ra mô men hãm ngược gây dao động tốc độ. 12
y BKĐ A y* + - y I y a-d,b-e,c-f iad I* ad +a -d Y + Bộ điều khiển vị trí BKĐ B ibe + * I be X +b S N -e + x BKĐ C - x * x* + I x icf I cf + +c X-Y -f +   Reslover T I ad cos * I sm T + Bộ điều khiển cos(  2 ) I be -  tốc độ cos(  3 2 ) T I cf 3  d/dt Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý cấu trúc điều khiển động cơ stator tự nâng không lõi thép dạng I b. Cấu trúc điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép (dạng II) Cấu trúc điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép dạng II đươc trình bày trên Hình 2.8, về cơ bản cấu trúc dạng II cũng giống dạng I có hai kênh điều khiển tốc độ và vị trí. Có sự khác nhau là cấu f trúc dạng II luôn tồn tại dòng I 0 như phân tích ở 2.1.2. Như vậy rotor luôn được giữ chặt bởi lực nâng liên tục. Ưu điểm của phương pháp này là vị trí rotor sẽ bền vững với nhiễu, nhưng nhược điểm là sẽ tiêu tốn điện năng so với phương pháp dạng I và hiệu suất động cơ sẽ thấp. Sự khác biệt tiếp là khâu biến đổi tọa độ vì dòng lực nâng là một chiều nên bộ biến đổi tọa độ sẽ là bộ biến đổi tĩnh 2→3. Biến đổi tọa độ ( ix ,i y )  ( iad ,ibe ,icf ) . Khi hệ có sai lệch vị trí rotor hệ điều khiển sẽ tạo ra hai dòng điện trên hệ tọa độ X-Y là ∆ix ≠ 0 và ∆iy ≠ 0 ta cần phải biến đổi hai tín hiệu dòng ( ix ,i y ) sang dòng trên cặp cuộn dây (a-d, b-e, c-f) là ( iad ,ibe ,icf ) như trên Hình 2.9a I 0f BKĐ A y* - y y ix iad I* ad +a + + -d Y + f I 0f I beo X Y BKĐ B Điều khiển ví trí X ibe * I be x +b S x* - x + + -e N f I + 0 BKĐ C i y * icf + I cf +c -f ad  be  cf +   Reslover T I ad cos  * I sm T + Bộ điều khiển cos(  2 ) I be  - tốc độ cos(  3 2 ) T I cf 3  d/dt Hình 2.8 Sơ đồ cấu trúc điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép dạng II 13
 ix iad ad  be  cf ibe i y icf x, y Y Y a) A I ad B  i y i I be 4  X ix X I cf C b) Hình 2.9 Sơ đồ biến đổi dòng điện hệ trục (X-Y ) sang (a-d, b-e, c-f) Phương pháp biến đổi dòng điện biến thiên dòng trên cùng hệ tạo độ (X- Y) là ( ix ,i y ) sang dòng ( iad ,ibe ,icf ) như sau: Ta tính được: i  i 2  i 2   x y  i (2.14)  sin   y   i Vì vậy bản chất của phép biến đổi là chuyển đại lượng véc tơ i với biên độ là i và góc pha là  sang ba véc tơ ( iad ,ibe ,icf ) ở hệ tọa độ tĩnh ba pha (A,B,C) cùng trên mặt phẳng (X-Y) (xem Hình 2.10b). Vị trí véc tơ i là góc  phụ thuộc vào sai lệch rotor ( x,y ) và độ lớn của véc tơ i phụ thuộc vào giá trị dòng ( ix ,i y ) hay có thể nói là độ lớn của sai lệch ( x,y ) . 2.3 Động lực học quá trình điện từ động cơ TNSKLT 2.3.1 Động lực học mạch phần ứng Giả thiết ba cuộn dây có thông số giống nhau, không có nối điện với nhau, đặt cách nhau đúng 1200, ta có phương trình điện áp cho từng thành phần cho một pha: Quá trình điện từ mạch stator đối với dòng tạo lực nâng dicf usf  Ls  isf .Rs (2.15) dt 14
- Quá trình điện từ đối với dòng tạo mô men quay t dis us  e( t )  Ls T  Rsis T (2.16) dt Từ (2.17) và (2.18) ta xây dựng được sơ đồ thay thế mạch phần ứng cho quá trình tạo lực nâng được trình bày trên Hình 2.10a và sơ đồ thay thế mạch phần ứng cho quá trình tạo mô men quay được trình bày trên Hình 2.10b. Trong đó U sf và U s là điện áp của stator ứng với quá trình tạo lực nâng và tạo mô men T quay, Es là sức điện động xoay chiều cảm ứng, R là điện trở và L là điện cảm mạch phần ứng. Rs Rs T Es Is I sf Ls T Ls U sf Us a) b) Hình 2.10 Sơ đồ thay thế một pha mạch phần ứng của động cơ TNSKLT 2.3.2 Động lực học mạch vòng điều khiển lực nâng Phương trình chuyển động theo trục X  dv  Fx  Fcx  m x dt   dx v x  (2.17)  dt  Fx  k f ix   Phương trình chuyển động theo trục Y  dv y  Fy  Fcy  m  dt  dy v y  (2.18)  dt  Fy  k f i y   Trong đó: x(m), y(m) là vị trí rotor tính theo trục X và trục Y được phát hiện bởi cảm biến vị trí; m(kg) khối lượng rotor; Fcx(N), Fcy(N) là lực cản của rotor quy đổi về trục X và trục Y; Fx(N), Fy(N) là lực đẩy động cơ sinh ra quy về trục X và trục Y được sinh ra do dòng điện của ba cuộn dây stator quy về trục X và trục Y, ta có mô hình đối tượng điều khiển vị trí rotor của động cơ được trình bày trên Hình 2.11. 15
Fcx Ix Fx - 1 vx 1 x k fx + ms s Fcy Iy Fy - 1 vy 1 y k fy + ms s Hình 2.11 Cấu trúc đối tượng điều khiển vị trí rotor Đại lượng tác động của vị trí là lực thông qua đại lượng dòng điện Ix và Iy, hai dòng điện này do ba dòng f f f điện một chiều I ad ,I be ,I cf tạo nên được chiếu trên trục X-Y. 2.3.3 Động lực học chuyển động Vấn đề về chuyển động quay của rotor: Trục rotor của mô hình động cơ TNSKLT được nối với tải bởi khớp mềm. Do góc lệch của mặt rotor nhỏ β≤3.50 nên có thể giả thiết bỏ qua thay đổi mô men quán tính, tức là dJ/dt = 0. Mặt khác khi khe hở không khí thay đổi sẽ gây ra mô men động cơ thay đổi cũng được giả thiết gần đúng bỏ qua, ta có phương trình động học chuyển động của động cơ: d M dc  M c  J (2.19) dt Từ (2.22) ta có mô hình đối tượng điều khiển mô men được trình bày trên Hình 2.12 Mc 1  I sm k M r M - + Js Hình 2.12 Mô hình đối tượng điều khiển mô men Đại lượng tác động tốc độ động cơ là mô men, mô men động cơ được điều khiển bởi dòng điện tạo mô T T T men I ad ,I be ,I cf thông qua điều khiển biên độ cực đại của ba dòng điện này Ism. 16
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG STATOR KHÔNG LÕI THÉP 3.1 Tổng hợp mạch vòng tốc độ Trên Hình 3.1 là sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển tốc độ: Mc * u k IT I sm M - 1  dN/dt R km r + 1  sTi + Js - Hình 3.1 Cấu trúc mạch vòng điều khiển tốc độ động cơ Áp dụng tiêu chuẩn mô đun tối ưu bậc ba để tổng hợp bộ điều khiển tốc độ. Ta được hàm truyền bộ điều khiển tốc độ là PI. Cụ thể: 1  s R FR ( s )  k R s R (3.2) J 1 Với k R  ; R  4Ti khâu tao gia tốc là km kit 1  4Ti s 3.2 Tổng hợp mạch vòng điều khiển vị trí Mạch vòng điều khiển vị trí được trình bày trên Hình 3.2 Hình 3.2. Cấu trúc điều khiển vị trí PD có hai mạch vòng nối song song - Điều khiển tốc độ chuyển dịch vị trí Rv(x,y):  m k Rvx  2k .T  f i (3.3)  k  m  Rvy 2k f .Ti  - Điều khiển vị trí R(x,y):  1 k Rx  2 ; vx  2Ti  vx  (3.4) k Ry  1 ; vy  2Ti   2 vy 17
Cấu trúc này có ưu điểm là đáp ứng nhanh, tuy nhiên lại không khử được sai lệch nhiễu tải và nhiễu ngoại nên thường phải thiết kế thêm điều khiển Feedforward bù nhiễu. Để khắc phục được nhiễu D ta phải thiết kế bù nhiễu theo điều khiển feedforward. Để thiết kế bù nhiễu có hai điều kiện: Phải đo hoặc ước lượng được nhiễu D và phải nhận dạng được hàm truyền trong mạch điều khiển bù. Thực tế nhiễu ngoại xuất hiện là ngẫu nhiên nên cần phải dùng bộ quan sát nhiễu. Ta có hai mạch đo vị trí x và y và có biểu thức tính toán lực ly tâm nên quan sát và ước lượng nhiễu có thể thực hiện được tuy nhiên trong giới hạn nội dung của bản luận án này là tập trung vào một giải pháp loại bỏ nhiễu, khi mô phỏng ta giả thiết đo được nhiễu theo nhiễu đưa vào hệ là D  D . Để thiết kế điều khiển bù nhiễu ta chọn nhiễu có dạng hàm điều hòa. Dạng nhiễu này phù hợp lực ly tâm khi động cơ quay. Chọn điểm tác động của tín hiệu bù nhiễu tại đầu ra bộ điều khiển vị trí. Cấu trúc bù nhiễu dùng điều khiển Feedforward được trình bày trên Hình 3.5. Bộ điều khiển D Vị trí có bù nhiễu Fc I 0f GFF D x* , y*+ + I x,y + + kf Fx,y - - 1 1 x, y k Rx,y - + + + I* f 1  sTi + + ms s x,y k Rv + vx,y v*  0 x,y - s Hình 3.3 Cấu trúc điều khiển vị trí PD có hai mạch vòng nối song song có bù nhiễu Từ cấu trúc điều khiển hình 3.5 ta có thể viết  *f kf  1 ( I x,y  GFF D )  Fc  D  2  ( x, y ) (3.5)  1  sTi  ms Biến đổi biểu thức (3.5):  * f k f   kf  1  I x,y  Fc    GFF D  D   2  ( x,y ) (3.6)   1  sTi   1  sTi   ms  Thiết kế hàm Feedforward: 1  sTi GFF( s )  (3.7) kf Thay (3.7) vào (3.6) ta được:  * f k f   1  I x,y 1  sTi    Fc   D  D  2  ( x, y ) (3.8)     ms  Về nguyên tắc ta phải thiết kế khâu ước lượng được nhiễu, như trên đã giả thiết trong phạm vi bài báo giả thiết đã ước lượng được nhiễu D  D Thay vào (3.5) ta nhận được:  * f kf  1  I x,y  Fc  2  ( x, y ) (3.9)  1  sTi  ms Như vậy nhiễu D đã được khử. 3.4 Mô phỏng hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép Số liệu mô hình nghiên cứu động cơ tự nâng stator không lõi thép được trình bày trên Bảng B3.1 18