Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu hệ điều khiển ổ từ chủ động tích hợp trong hệ truyền động động cơ bánh đà

Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu hệ điều khiển ổ từ chủ động tích hợp trong hệ truyền động động cơ bánh đà, ứng dụng công nghệ tiên tiến.

• Tác giả: Nguyễn Danh Huy
• Người hướng dẫn: PGS. Bùi Quốc Khánh
• Trường học: Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Nghiên cứu hệ điều khiển ổ từ chủ động tích hợp trong động cơ bánh đà
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hệ truyền động động cơ bánh đà tích hợp ổ từ chủ động

Hệ truyền động động cơ - bánh đà (TĐ ĐC-BĐ) là một hệ thống quan trọng trong công nghệ lưu trữ năng lượng. Hệ thống này không chỉ sử dụng động cơ mà còn tích hợp bánh đà, giúp tăng cường hiệu suất và khả năng lưu trữ năng lượng. Hệ điều khiển ổ từ chủ động đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống. Việc sử dụng ổ từ giúp loại bỏ ma sát, từ đó giảm thiểu tổn thất năng lượng. Hệ thống này có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như UPS, phục hồi năng lượng trong ô tô, và cung cấp năng lượng cho các thiết bị công nghiệp. Theo nguyên lý cơ học, động năng tích trữ trong bánh đà tỷ lệ bậc hai với tốc độ quay, cho thấy tầm quan trọng của việc tối ưu hóa tốc độ quay để đạt được hiệu suất cao nhất.

1.1. Lịch sử phát triển hệ thống

Hệ thống bánh đà đã được nghiên cứu và phát triển từ lâu, với nhiều ứng dụng trong công nghiệp và đời sống. Sự phát triển của công nghệ hệ điều khiển ổ từ đã mở ra hướng đi mới cho việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc sử dụng ổ từ giúp giảm thiểu ma sát và tổn thất năng lượng, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống. Hệ thống bánh đà tích hợp ổ từ chủ động đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp nặng đến các thiết bị tiêu dùng, cho thấy tính khả thi và hiệu quả của nó.

II. Phân tích nguyên lý làm việc của hệ truyền động động cơ bánh đà

Nguyên lý làm việc của hệ TĐ ĐC-BĐ tích hợp ổ từ chủ động dựa trên việc sử dụng động năng của bánh đà để lưu trữ và cung cấp năng lượng. Khi động cơ quay, bánh đà sẽ tích lũy năng lượng dưới dạng động năng. Ổ từ chủ động sẽ giữ bánh đà ở vị trí cân bằng mà không cần tiếp xúc cơ học, giúp giảm thiểu ma sát và tổn thất năng lượng. Hệ thống này cho phép bánh đà hoạt động ở tốc độ cao mà không gặp phải các vấn đề liên quan đến ma sát, từ đó nâng cao hiệu suất và độ bền của hệ thống. Việc điều khiển ổ từ một cách chính xác sẽ giúp tối ưu hóa quá trình lưu trữ và cung cấp năng lượng, đồng thời đảm bảo an toàn cho hệ thống.

2.1. Nguyên lý làm việc của ổ đỡ từ

Ổ đỡ từ hoạt động dựa trên nguyên lý lực từ, cho phép bánh đà nâng lên mà không cần tiếp xúc vật lý. Điều này không chỉ giúp giảm thiểu ma sát mà còn kéo dài tuổi thọ của hệ thống. Công nghệ điều khiển ổ từ cho phép điều chỉnh lực từ một cách linh hoạt, giúp bánh đà duy trì vị trí cân bằng trong suốt quá trình hoạt động. Việc sử dụng ổ đỡ từ cũng giúp giảm thiểu chi phí bảo trì và nâng cao độ tin cậy của hệ thống. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa thiết kế ổ từ có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống TĐ ĐC-BĐ.

III. Thiết kế và mô phỏng hệ thống điều khiển

Thiết kế hệ thống điều khiển cho ổ từ chủ động là một phần quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ TĐ ĐC-BĐ. Hệ thống điều khiển cần phải đảm bảo tính chính xác và độ ổn định trong suốt quá trình hoạt động. Việc mô phỏng hệ thống điều khiển giúp đánh giá hiệu suất và khả năng hoạt động của hệ thống trong các điều kiện khác nhau. Các phương pháp điều khiển phi tuyến và tuyến tính đều được áp dụng để tối ưu hóa quá trình điều khiển. Mô phỏng cho thấy rằng việc sử dụng các thuật toán điều khiển hiện đại có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống, từ đó nâng cao khả năng lưu trữ và cung cấp năng lượng.

3.1. Phân tích tính phi tuyến của mô hình động lực học

Mô hình động lực học của hệ TĐ ĐC-BĐ có tính phi tuyến cao, điều này đòi hỏi các phương pháp điều khiển phải được thiết kế một cách cẩn thận. Việc phân tích tính phi tuyến giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng các phương pháp điều khiển phi tuyến có thể giúp cải thiện đáng kể khả năng đáp ứng của hệ thống, đặc biệt trong các tình huống thay đổi nhanh chóng. Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều khiển mới cho hệ thống TĐ ĐC-BĐ.

IV. Ứng dụng thực tiễn và giá trị của nghiên cứu

Nghiên cứu về hệ điều khiển ổ từ chủ động trong động cơ bánh đà không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn. Hệ thống này có thể được ứng dụng trong các lĩnh vực như lưu trữ năng lượng, phục hồi năng lượng trong ô tô, và cung cấp năng lượng cho các thiết bị công nghiệp. Việc sử dụng ổ từ giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng, từ đó nâng cao hiệu suất và độ bền của hệ thống. Hệ thống này cũng góp phần vào việc phát triển các thiết bị lưu trữ năng lượng từ các nguồn năng lượng tái tạo, giúp giảm thiểu tác động đến môi trường.

4.1. Tính khả thi và triển vọng phát triển

Tính khả thi của hệ thống TĐ ĐC-BĐ tích hợp ổ từ chủ động đã được chứng minh qua nhiều nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn. Hệ thống này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí bảo trì và nâng cao độ tin cậy. Triển vọng phát triển của hệ thống này rất lớn, đặc biệt trong bối cảnh nhu cầu về năng lượng sạch và bền vững ngày càng tăng. Việc nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới trong lĩnh vực này sẽ mở ra nhiều cơ hội cho các ứng dụng trong tương lai, từ đó góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 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 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 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 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.

[16] cũng cho thấy với một hệ truyền động bánh đà có ổ từ, vấn đề ưu tiên không chỉ là hiệu suất năng lượng mà còn là sự ổn định của hệ thống. Một đối tượng mà vai trò của thiết bị lưu trữ năng lượng rất quan trọng là vệ tinh địa tĩnh. Hệ thống lưu trữ năng lượng trong vệ tinh địa tĩnh có nhiệm vụ cung cấp điện cho hệ thống khi pin mặt trời không hoạt động vì vệ tinh nằm trong bóng của Trái đất. Vệ tinh địa tĩnh điển hình bay một vòng trái đất trong khoảng 90 phút và có thể dùng trực tiếp năng lượng mặt trời trong hơn một nửa thời gian này.

Thời gian còn lại do hệ thống lưu trữ cung cấp. Với vệ tinh có thời gian hoạt động cỡ 10 năm thì hệ thống lưu trữ năng lượng trải qua khoảng 60.000 chu trình sạc/xả, vượt quá giới hạn độ bền của pin điện hóa điển hình. Do đó việc sử dụng FESS cho phép kéo dài đáng kể tuổi thọ của vệ tinh so với dùng acqui thông thường. FESS có thể hoạt động với số chu kỳ sạc/xả không giới hạn.

Hơn nữa, nếu sử dụng ổ đỡ từ và động cơ/máy phát không chổi than cho FESS, rotor có thể bị treo mà không có bất kỳ tiếp xúc cơ học nào, khi đó cho phép tốc độ quay và mật độ năng lượng rất cao mà không ảnh hưởng đến tuổi thọ của hệ thống. Đối với FESS hoạt động trên vệ tinh thì có yếu tố độ tin cậy và mật độ lưu trữ năng lượng, theo đơn vị trọng lượng hoặc thể tích đều quan trọng. Nếu phần tử và hệ thống càng phức tạp thì độ tin cậy càng thấp. Với tư tưởng đó, [17] đề xuất một thiết kế đơn giản hơn là ổ đỡ từ điện động đơn cực.

Những ưu điểm chính của ổ đỡ từ điện động đơn cực so với ổ đỡ từ chủ động (AMB) là sự đơn giản và công suất phần bộ biến đổi và điều khiển rất thấp, dẫn đến độ tin cậy của hệ thống cao hơn, đó là một yếu tố quan trọng cho các ứng dụng không gian. Mặt khác, thiết kế cũng có thể phù hợp cho các ứng dụng thương mại do chi phí thấp hơn so với AMB. Khác với các kiểu ổ đỡ từ chủ động hay ổ đỡ từ điện động đơn cực, [18] đề xuất hệ thống ổ đỡ từ không tiếp xúc thụ động. Ưu điểm của ổ đỡ từ thụ động so với ổ đỡ từ chủ động là độ ổn định, và do đó có độ tin cậy cao hơn, là yếu tố quan trọng trong các ứng dụng ổ đỡ không tiếp xúc cho các hệ như FESS.

Thiết kế ở đỡ từ thụ động có một số hạn chế như là tổn thất quay lớn, yêu cầu chế tạo có độ chính xác cao và các vấn đề động học. 7 Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.