Nghiên cứu hệ điều khiển ổ từ chủ động trong động cơ bánh đà

LỜI CẢM ƠN

1. MỤC LỤC

1.1. DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

1.2. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

1.3. DANH MỤC HÌNH VẼ

1.4. DANH MỤC BẢNG

2. MỞ ĐẦU

2.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ - BÁNH ĐÀ TÍCH HỢP Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG

2.1.1. Lịch sử phát triển hệ tích lũy năng lượng dùng bánh đà

2.1.2. Tổng quan về hệ truyền động động cơ - bánh đà có tích hợp ổ đỡ từ

2.1.3. Phân tích nguyên lý chung hệ TĐ ĐC-BĐ có tích hợp ổ đỡ từ

2.1.4. Nguyên lý làm việc của bánh đà

2.1.5. Nguyên lý làm việc của hệ truyền động động cơ – bánh đà

2.1.6. Nguyên lý làm việc của ổ đỡ từ

2.1.7. Tổng quan các phương pháp điều khiển ổ từ chủ động trong hệ truyền động động cơ-bánh đà

2.1.8. Định hướng nghiên cứu

2.1.9. Chọn cấu hình ổ từ chủ động

2.1.10. Xây dựng mô hình điều khiển ổ từ

2.1.11. Thiết kế điều khiển

2.1.12. Xây dựng mô hình thử nghiệm

2.2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ - BÁNH ĐÀ TÍCH HỢP Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG

2.2.1. Động học quá trình điện cơ của ổ từ

2.2.2. Động học quá trình điện cơ của ổ từ kép

2.2.3. Phương trình trạng thái cho một ổ từ chủ động

2.2.4. Động lực học của hệ ổ từ chủ động trong truyền động động cơ-bánh đà

2.2.5. Phân tích lực cho hệ ổ từ

2.2.6. Động lực học của hệ ổ từ chủ động trong hệ tọa độ u, v, w

2.2.7. Chuyển vị điều khiển

2.2.8. Động lực học của bánh đà nâng bằng ổ từ trong hệ z, θx, θy

2.2.9. Cấu trúc chung hệ điều khiển ổ từ tích hợp trong hệ TĐ ĐC-BĐ

2.2.10. Phân tích mô hình điều khiển

2.2.11. Đặc điểm về điều khiển

2.2.12. Đặc điểm về hoạt động

2.3. THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH CHO HỆ Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ - BÁNH ĐÀ

2.3.1. Phân tích tính phi tuyến của mô hình động lực học ổ từ

2.3.2. Thiết kế tuyến tính hóa cho một ổ từ kép

2.3.3. Thiết kế điều khiển nâng theo mô hình tuyến tính của một cặp ổ từ

2.3.4. Tổng hợp mạch vòng điều khiển vị trí

2.3.5. Mô phỏng điều khiển nâng theo mô hình tuyến tính của một cặp ổ từ

2.3.6. Thiết kế điều khiển nâng bánh đà theo mô hình tuyến tính của ổ từ

2.3.7. Mô phỏng hệ 3 ổ từ điều khiển tuyến tính

2.4. THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO HỆ Ổ TỪ CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ – BÁNH ĐÀ THEO NGUYÊN LÝ PHẲNG

2.4.1. Nguyên lý phẳng và điều khiển phẳng

2.4.2. Định nghĩa hệ phẳng

2.4.3. Thiết kế quỹ đạo đặt

2.4.4. Thiết kế điều khiển phẳng khi nâng cho hệ ổ từ của truyền động động cơ–bánh đà theo hệ tọa độ u, v, w

2.4.5. Thiết kế điều khiển theo phương pháp tựa phẳng

2.4.6. Thiết kế điều khiển quá trình nâng lên vị trí cân bằng

2.4.7. Thiết kế điều khiển duy trì ở vùng vị trí cân bằng

2.4.8. Thiết kế bù nhiễu bằng bộ bù feedforward

2.4.9. Thiết kế điều khiển phẳng cho hệ bánh đà-ổ từ trong hệ z, θx, θy

2.4.10. Điều khiển nâng bánh đà lên vị trí cân bằng

2.4.11. Duy trì bánh đà ở vị trí cân bằng

2.4.12. Mô phỏng điều khiển phi tuyến hệ bánh đà ổ từ

2.4.13. Kết luận, đánh giá

2.5. MÔ TẢ CẤU HÌNH THÍ NGHIỆM

2.5.1. Trình tự thực hiện thí nghiệm

2.5.2. Thiết lập ghép nối DSP với các tín hiệu vào/ra điều khiển hệ ổ từ

2.5.3. Thiết lập ghép nối DSP với các tín hiệu vào/ra điều khiển động cơ truyền động bánh đà

2.5.4. Xây dựng giao diện thí nghiệm

2.5.5. Giao diện thí nghiệm điều khiển theo hệ u, v, w

2.5.6. Thí nghiệm và lấy kết quả của giai đoạn nâng tĩnh

2.5.7. Nâng tĩnh khi điều khiển theo u,v, w

2.5.8. Nâng tĩnh điều khiển theo z, θx, θy

2.5.9. Thí nghiệm khởi động và duy trì tốc độ bánh đà

2.5.10. Thí nghiệm quá trình xả cho bánh đà

2.5.11. Thí nghiệm điều khiển phi tuyến

2.5.12. Xây dựng giao diện vận hành, giám sát cho phương pháp phi tuyến

2.6. THÔNG SỐ THIẾT KẾ

2.6.1. Thiết kế bánh đà

2.6.2. Thiết kế ổ từ

2.6.3. Tính toán lực nâng cho ổ từ

2.6.4. Tính toán các thông số nam châm điện

2.6.5. Chọn cảm biến đo vị trí và hệ đo vị trí

2.6.6. Thiết kế cụm bệ đỡ bánh đà

2.6.7. Thiết kế khung vỏ hệ bánh đà

2.6.8. Cơ cấu lắp cảm biến

2.6.9. Chế tạo, lắp ráp bánh đà, nam châm và cảm biến vị trí

2.6.10. Lắp ráp cụm nắp dưới

2.6.11. Lắp ráp cụm nắp trên

2.6.12. Lắp ráp khung vỏ và cảm biến

2.6.13. Thiết kế chế tạo các bộ biến đổi công suất, đo lường và điều khiển cho các ổ từ

2.6.14. Thiết kế mạch khuyếch đại công suất

2.6.15. Thiết kế mạch điều khiển dòng điện

2.6.16. Hiệu chỉnh bộ điều chỉnh dòng điện

I. Giới thiệu về hệ điều khiển ổ từ chủ động

Hệ điều khiển ổ từ chủ động trong động cơ bánh đà là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong công nghệ tự động hóa. Hệ điều khiển ổ từ cho phép nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống truyền động. Hệ thống này không chỉ giúp giảm thiểu ma sát mà còn loại bỏ các vấn đề liên quan đến bảo trì. Việc sử dụng ổ từ chủ động trong động cơ bánh đà mang lại nhiều lợi ích, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao và khả năng hoạt động liên tục. Theo nghiên cứu, việc tích hợp công nghệ điều khiển vào hệ thống này có thể cải thiện đáng kể hiệu suất làm việc của động cơ. Hệ thống này có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp nặng đến các thiết bị tiêu dùng. Việc phát triển công nghệ điều khiển cho ổ từ chủ động không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu suất mà còn mở ra hướng đi mới cho các hệ thống lưu trữ năng lượng.

1.1. Lịch sử phát triển hệ thống

Hệ thống truyền động động cơ - bánh đà đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển. Ban đầu, bánh đà được sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng cơ khí đơn giản. Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ, hệ điều khiển ổ từ đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi. Các nghiên cứu gần đây cho thấy rằng việc sử dụng ổ từ chủ động có thể cải thiện hiệu suất và độ bền của hệ thống. Hệ thống này đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, từ sản xuất công nghiệp đến các thiết bị tiêu dùng. Sự phát triển của công nghệ điều khiển đã giúp tối ưu hóa hoạt động của hệ thống, giảm thiểu tổn thất năng lượng và nâng cao hiệu suất làm việc. Nghiên cứu về hệ điều khiển ổ từ không chỉ dừng lại ở lý thuyết mà còn được kiểm chứng qua thực nghiệm, cho thấy tính khả thi và hiệu quả của nó trong thực tế.

II. Nguyên lý hoạt động của hệ thống

Nguyên lý hoạt động của hệ thống truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động dựa trên việc sử dụng lực từ để nâng đỡ và điều khiển bánh đà. Nguyên lý làm việc của ổ đỡ từ cho phép bánh đà hoạt động mà không cần tiếp xúc vật lý, từ đó giảm thiểu ma sát và hao mòn. Hệ thống này hoạt động dựa trên nguyên lý điều khiển tự động, cho phép điều chỉnh vị trí và tốc độ của bánh đà một cách chính xác. Việc sử dụng công nghệ điều khiển hiện đại giúp tối ưu hóa quá trình hoạt động của hệ thống, đảm bảo rằng bánh đà luôn ở trạng thái cân bằng. Hệ thống này có thể được điều khiển thông qua các thuật toán phức tạp, cho phép phản ứng nhanh với các thay đổi trong điều kiện hoạt động. Điều này không chỉ nâng cao hiệu suất mà còn đảm bảo an toàn cho hệ thống trong quá trình vận hành.

2.1. Phân tích lực trong hệ thống

Phân tích lực trong hệ thống truyền động động cơ - bánh đà là một yếu tố quan trọng để đảm bảo hoạt động ổn định. Các lực tác động lên bánh đà bao gồm lực điện từ, lực trọng trường và lực ma sát. Phân tích lực cho hệ ổ từ cho phép xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc của hệ thống. Việc hiểu rõ các lực này giúp tối ưu hóa thiết kế và điều khiển hệ thống. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc giảm thiểu lực ma sát có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống. Hệ thống ổ từ chủ động giúp loại bỏ hoàn toàn ma sát cơ học, từ đó nâng cao hiệu suất và độ bền của bánh đà. Điều này cho phép hệ thống hoạt động hiệu quả hơn trong các điều kiện khắc nghiệt.

III. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống

Hệ điều khiển ổ từ chủ động trong động cơ bánh đà có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực khác nhau. Một trong những ứng dụng nổi bật là trong hệ thống lưu trữ năng lượng bằng bánh đà (FESS). Ứng dụng ổ từ trong FESS cho phép tích trữ năng lượng hiệu quả và cung cấp năng lượng khi cần thiết. Hệ thống này có thể được sử dụng trong các ứng dụng như UPS, cung cấp điện năng dự phòng cho các thiết bị quan trọng. Ngoài ra, hệ thống này còn có thể được ứng dụng trong các phương tiện giao thông, giúp tăng hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu. Việc sử dụng công nghệ ổ từ trong các thiết bị này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu tác động đến môi trường. Hệ thống này đang được nghiên cứu và phát triển để mở rộng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

3.1. Lợi ích của hệ thống

Lợi ích của hệ điều khiển ổ từ chủ động trong động cơ bánh đà rất đa dạng. Đầu tiên, hệ thống này giúp giảm thiểu ma sát, từ đó nâng cao hiệu suất làm việc. Việc loại bỏ ma sát cơ học không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn kéo dài tuổi thọ của thiết bị. Thứ hai, công nghệ điều khiển hiện đại cho phép điều chỉnh chính xác vị trí và tốc độ của bánh đà, đảm bảo hoạt động ổn định trong mọi điều kiện. Cuối cùng, việc sử dụng ổ từ chủ động giúp giảm thiểu chi phí bảo trì, do không cần thay thế hoặc bảo dưỡng thường xuyên như các hệ thống sử dụng ổ đỡ cơ khí. Những lợi ích này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn tạo ra giá trị kinh tế lớn cho các doanh nghiệp.

Luận án về hệ điều khiển ổ từ chủ động trong hệ truyền động động cơ bánh đà