Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động. Vào năm 1917, Stoloda đã có những nghiên cứu về hình dạng rotor của bánh đà và ứng suất quay [2]. Các mốc quan trọng tiếp theo là trong thời kỳ những năm 1960 và 1970 khi NASA tài trợ cho các chương trình đề xuất dùng bánh đà lưu giữ năng lượng làm nguồn cung cấp chính cho các thiết bị trong sứ mệnh không gian. Thập kỷ tiếp theo đã chứng minh rằng tính năng của bánh đà "pin cơ học" đã vượt qua các loại pin hóa học để có thể dùng cho nhiều ứng dụng [3] [4].
Tới những năm 1970, vấn đề lưu trữ năng lượng bằng bánh đà đã được đề xuất cho các lọai xe điện và phục hồi năng lượng [5] [6]. Thập kỷ 1980, việc áp dụng các thiết bị điện tử bán dẫn, hệ thống ổ đỡ từ và máy phát điện động cơ mật độ cao làm cho công nghệ tích lũy năng lượng bằng bánh đà trở nên có thể áp dụng rộng rãi [7]. Thiết bị lưu trữ năng lượng động năng bao gồm một bánh đà nối với một máy điện có thể chạy ở chế độ động cơ hoặc máy phát. Khi nạp năng lượng, điện năng được dùng để tăng tốc cho bánh đà, tức là biến năng lượng điện thành năng lượng cơ của bánh đà.
Trong quá trình hệ thống hoạt động thì năng lượng của bánh đà được huy động để thiết bị hoạt động ví dụ như xe điện. Khi đó năng lượng cơ năng qua bộ biến đổi chuyển thành năng lượng điện. Một số hệ thống xe bus chạy điện dùng bánh đà để tích năng lượng khi dừng ở trạm và cấp năng lượng để xe chạy từ trạm này tới trạm khác (không dùng acquy), các trạm có thể cách nhau tới 6km [8] [9]. Bánh đà có nhiều ưu điểm để làm thiết bị lưu trữ năng lượng [10] [11] với: - Mật độ công suất cao.
- Mật độ năng lượng cao. - Không suy giảm dung lượng, tuổi thọ không phụ thuộc tốc độ xả và số lần xả như hệ thống lưu trữ bằng pin. - Có thể giữ cân bằng rất tốt cả khi nặng tải hoặc nhẹ tải, trong khi đó các hệ thống dùng pin rất khó làm việc ổn định với tải thay đổi. - Không phải bảo dưỡng định kỳ.
- Thời gian xạc ngắn. - Vật liệu chế tạo không độc hại, quá trình hoạt động không ảnh hưởng tới môi trường. Các thiết kế rotor bánh đà hiện nay có mật độ năng lượng có thể sử dụng từ 45 đến 90 Whrs/kg [12]. Bánh đà có thể xả năng lượng đến bằng không nhiều lần mà 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.
không ảnh hưởng gì đến chất lượng, không giống như sự lão hóa của các loại pin hóa học. Hơn nữa, hiệu suất chuyển đổi cho phép xả sâu tới 95% (depth of discharge - DOD) và hơn nữa. Cũng theo [2], tổ chức USFS (hệ thống bánh đà Mỹ) đã thực hiện thử nghiệm hệ thống bánh đà theo chu trình nạp và xả sâu tới 90% với số chu trình lên tới 50.000 lần mà tính năng vẫn không bị suy giảm, bánh đà hoạt động với tốc độ 60.000 vòng/phút, tương ứng với tốc độ ngoài vành là 1km/s. Tương tự, đại học Austin ở Texas đã thử nghiệm một bánh đà bằng vật liệu tổng hợp hoạt động với tốc độ khoảng 48.000 vòng/phút với hơn 90.000 chu kỳ nạp-xả mà tính năng cũng không suy giảm [10].
Bánh đà đã được thử nghiệm bởi USFS. Hệ bánh đà do hãng Pillar (Đức) chế tạo. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động. Hệ thống FES dùng bánh đà của hãng Beacon Power.
Một số kiểu FESS cỡ nhỏ dùng bánh đà. Bánh đà đã được nghiên cứu sử dụng trong nhiều lĩnh vực như thu hồi năng lượng cho cầu trục bánh lốp (RTG - Rubber Tired Gantry) tại cảng biển để tiết kiệm năng lượng và giảm khí thải [9], dùng phát năng lượng kiểu xung phục vụ cho các thiết bị quân sự [13].4 là một số hệ thống bánh đà tích trữ năng lượng đã được cung cấp ở mức độ thương mại hoặc nghiên cứu ứng dụng. Có thể thấy rằng do bánh đà có đường kính và khối lượng lớn so với phần máy điện nên FESS thường thiết kế lắp đặt theo phương đứng để trọng tâm cơ học trùng với trọng tâm hình học làm tăng độ cứng vững tự nhiên của hệ thống. Tổng quan về hệ truyền động động cơ - bánh đà có tích hợp ổ đỡ từ.
Hệ TĐ ĐC-BĐ, được hiểu là bánh đà tích lũy năng lượng dưới dạng động năng, nó được nạp và phóng năng lượng thông qua hệ truyền động (Máy điện- Bộ biến đổi 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động. điển tử công suất). Ổ từ sử dụng trong hệ với mục đích để hệ có thể vận hành ở tốc độ cao và giảm tổn thất cơ khi phóng năng lượng.5 giới thiệu một hệ thống lưu trữ năng lượng bánh đà với hệ ổ đỡ từ 5 bậc tự do [6]. Hệ thống bánh đà bao gồm một bánh đà thép đặc đặt bên trong một thùng chân không.
Hệ thống động cơ - bánh đà với ổ từ 5 bậc tự do. Bánh đà được thiết kế vừa làm nhiệm vụ lưu trữ năng lượng và tích hợp cả phần quay của động cơ/máy phát điện. Bánh đà/máy điện được nâng đỡ bởi hệ ổ đỡ từ gồm các ổ từ ngang trục trên và dưới và ổ từ dọc trục có nhiệm vụ nâng toàn bộ trọng lượng bánh đà. Ổ từ dọc trục gồm nam châm vĩnh cửu tạo lực nâng nền và nam châm điện để điều chỉnh và ổn định vị trí.
Cấu hình này có thể thay đổi thành một số biến thể khác và đều có thể sử dụng miễn là đảm bảo khả năng nâng đỡ bánh đà và không bị nghiêng khi hoạt động. Ổ từ kiểu đồng cực hoạt động ưu việt hơn và càng cải thiện hơn khi có nam châm vĩnh cửu làm nền. Việc sử dụng ổ từ có nam châm vĩnh cửu làm nền cho phép giảm một nửa số bộ khuyếch đại công suất, chỉ còn một cho mỗi trục. [14] đồng thời đề xuất cấu trúc cấp nguồn cho hoạt động của ổ đỡ từ bằng chính năng lượng từ bánh đà, khi đó cho phép hệ thống làm việc hoàn toàn độc lập.
Hệ ổ từ nâng bánh đà thường gồm 5 bậc tự do (còn gọi là 5 trục), với hai bậc để ổn định ngang trục cho đầu trục phía trên và hai bậc để ổn định phương ngang trục cho đầu trục phía dưới, ổ từ còn lại ổn định dọc trục và tạo lực nâng chính để nâng bánh đà. Với các cơ cấu cỡ nhỏ và dạng thân dài như động cơ ổ từ thì cấu trúc này là phù hợp. Tuy nhiên đối với các bánh đà trọng lượng lớn và dạng đĩa dẹt thì cấu trúc này không phù hợp. [7] đã đề xuất cấu trúc chuyển ổ từ dọc trục thành 3 bậc tự do kết 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.
hợp với bai bậc để ổn định ngang trục. Cấu trúc này cho phép tăng lực nâng dọc trục, không làm tăng số bậc tự do của hệ thống, giảm dòng điện cho nam châm điện và bộ khuyếch đại (do tiết diện mạch từ lớn và phẳng). [15] nghiên cứu hệ bánh đà ổ từ có thêm ổ đỡ cơ lai (kết hợp ngang và dọc trục) làm dự phòng và ổ từ thụ động (nam cham vĩnh cửu) tạo lực nâng nền. Ổ từ tích cực nâng bánh đà ở chế độ làm việc bình thường.
Hệ điều khiển ổ từ (bộ điều khiển và khuyếch đại công suất) ban đầu được cấp nguồn từ ngoài, sau đó được cấp nguồn từ chính máy phát của hệ FESS. Mặc dù hệ ổ từ tích cực 5 trục làm nhiệm vụ nâng và ổn định bánh đà nhưng hệ có một ổ từ thục động tạo lực nâng dọc trục có tác dụng đỡ một nửa khối lượng bánh đà. Cơ cấu này cho phép giảm công suất và kích thước của hệ ổ từ chủ động đồng thời giảm tải trọng cho ổ đỡ cơ dự phòng khi ổ đỡ từ chủ động bị lỗi. Các thử nghiệm được thực hiện để đánh giá các tình huống lỗi và các phương thức vận hành hệ động cơ - bánh đà khi có lỗi để đảm bảo an toàn và tăng tuổi thọ cho các phần tử gồm cả bánh đà, ổ từ, ổ đỡ dự phòng.
Khả năng lưu trữ năng lượng của bánh đà tỷ lệ thuận với mô men quán tính theo khối lượng ngang trục và bình phương tốc độ quay, nhưng không phụ thuộc mô men quán tính dọc trục. Vì vậy, nếu xem xét khía cạnh tăng khả năng lưu trữ năng lượng, bánh đà đường kính rộng sẽ lưu trữ tốt hơn bánh đà thân trụ dài. Tuy nhiên, mô men con quay hồi chuyển của bánh đà đường kính rộng lớn hơn bánh đà kiểu trụ dài, có thể làm cho hệ thống kém ổn định, đặc biệt với hệ nâng bằng ổ từ do có khe hở. Để đánh giá và so sánh sự ổn định của của hệ TĐ ĐC-BĐ tích hợp ổ từ theo các kiểu thiết kế, [16] đã thử nghiệm hai hệ với kiểu bánh đà trái ngược nhau, với hai bánh đà có cùng dung lượng 5kWh tại tốc độ quay 18.
Với cùng bộ điều khiển, hệ bánh đà đường kính lớn bắt đầu không ổn định ở tốc độ khoảng 9.000 vòng/phút trở lên. Ngược lại, bánh đà trụ thân dài vẫn ổn định ngay khi tốc độ trên 20. Khi tăng hệ số khuyếch đại điều khiển, hệ bánh đà vành rộng tăng được dải tốc độ làm việc ổn định nhưng độ nhạy với nhiễu cũng tăng. Tuy nhiên, về mặt năng lượng thì bánh đà kiểu vành rộng lưu trữ được nhiều năng hơn bánh đà thân trụ dài tính theo mật độ năng lượng trên đơn vị khối lượng (kWh/kg).
Với khối lượng của bánh đà vành rộng chỉ bằng chỉ bằng 60% so vói bánh đà thân trụ dài nhưng năng lượng lưu được nhiều hơn 70%. Như vậy, FESS với tỷ lệ 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động. mô men quán tính ngang trục/mô men quán tính dọc trục lớn thích hợp hơn với tỷ lệ quán tính nhỏ hơn.