Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống tích trữ năng lượng bánh đà sử dụng động cơ đồng bộ từ thông dọc trục AFPM

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG

Nhu cầu của việc lưu trữ năng lượng

Ngày nay, với sự gia tăng dân số và sự phát triển không ngừng của nền công nghiệp, năng lượng ngày càng thể hiện vai trò quan trọng trong cuộc sống Nhiều quy trình sản xuất công nghiệp, giao thông vận tải, thiết bị quân sự và y tế đều yêu cầu nguồn điện liên tục và chất lượng cao Khi nguồn năng lượng không ổn định, cần có hệ thống dự phòng để khắc phục biến động điện và đảm bảo phân phối điện năng theo yêu cầu Vì vậy, nghiên cứu về lưu trữ năng lượng và chuyển đổi các chế độ năng lượng điện đã trở thành một đề tài quan trọng trong lĩnh vực năng lượng.

Trong cơ cấu năng lượng hiện nay, năng lượng tàn dư như than đá, dầu mỏ và khí tự nhiên đang ngày càng khan hiếm và gây ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường Do đó, các nguồn năng lượng tái tạo như sức gió, năng lượng mặt trời và thủy điện đang được phát triển mạnh mẽ Tuy nhiên, việc lưu trữ năng lượng dư thừa là cần thiết, vì mặt trời không luôn tỏa sáng và gió không thổi liên tục Để tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng tái tạo, lưới điện cần có hệ thống lưu trữ lớn để tích trữ điện từ năng lượng gió và năng lượng mặt trời, nhằm đảm bảo cung cấp điện khi cần thiết.

Các hệ thống tích trữ năng lượng hiện nay

1.2.1 Các công nghệ lưu trữ năng lượng hiện nay a) Hệ thống lưu trữ năng lượng sử dụng pin hóa học (BESS- Baterry Energy Storage System)

Công nghệ lưu trữ hiện nay có nhiều tiềm năng hấp dẫn cho lưới điện, nhưng một số lại không hiệu quả và có tuổi thọ ngắn Một ví dụ điển hình là công nghệ lưu trữ pin hóa học, trong đó điện năng được tích trữ dưới dạng hóa năng.

Hình 1.1 Lưu trữ năng lượng pin hóa học [5]

Pin lithium-ion đã trở thành tiêu chuẩn cho công nghệ pin sạc nhờ vào tính năng năng lượng cao, giá thành hợp lý và ứng dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị như máy tính bảng, máy ảnh, khoan điện và máy bay Lithium, nguyên tố kim loại nhẹ nhất trong bảng tuần hoàn, sở hữu tiềm năng hóa điện lớn Quá trình tạo ra điện trong pin lithium-ion diễn ra khi các ion lithium di chuyển từ điện cực âm sang điện cực dương, và ngược lại trong quá trình sạc.

Pin lithium-khí sử dụng các điện cực kim loại tương tác với không khí thay vì chất lỏng, với thành phần chủ yếu là lithium và natri, giúp tạo ra dòng điện từ oxy trong không khí Các nhà khoa học tin rằng công nghệ này sẽ là "chìa khóa" cho pin xe điện, có khả năng kéo dài cự ly di chuyển lên đến 1.000 km, vượt xa mức trung bình hiện tại chỉ khoảng 100-200 km Tuy nhiên, công nghệ này vẫn chưa ổn định và đang trong quá trình nghiên cứu, với IBM hiện đang phát triển một mẫu pin lithium-khí cho máy bay Dreamliner của Boeing.

Các nhà hóa học từ trường đại học Utah và đại học Michigan đã hợp tác với Trung tâm Nghiên cứu lưu trữ năng lượng chung thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ để dự báo tương lai tươi sáng cho pin lưu trữ điện, cụ thể là pin dòng oxi hóa.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng mô hình dự đoán để phát triển một phân tử tích trữ năng lượng ổn định hơn 1.000 lần so với các hợp chất hiện có Kết quả nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí của hiệp hội hóa học Hoa Kỳ, mở ra hướng đi mới cho công nghệ siêu tụ (SC - Super Capacitor).

Siêu tụ graphene không phải là pin nhưng có khả năng lưu trữ năng lượng vượt trội, có thể khiến pin trở nên lỗi thời Khác với pin, siêu tụ chỉ lưu trữ năng lượng mà không tạo ra dòng điện qua phản ứng điện hóa Thách thức lớn hiện nay là phát triển các siêu tụ nhỏ gọn, chi phí thấp và có khả năng lưu trữ năng lượng nhiều hơn so với pin truyền thống.

Nghiên cứu mới đây cho thấy graphene, một lớp carbon mỏng chỉ dày bằng một nguyên tử, có khả năng nâng cao đáng kể mật độ năng lượng của tụ điện Hệ thống lưu trữ năng lượng từ trường siêu dẫn (SMES) cũng được nhắc đến như một giải pháp tiềm năng trong lĩnh vực này.

Vật liệu siêu dẫn, bao gồm thuỷ ngân và chì, có khả năng dẫn điện mà không có điện trở khi được làm lạnh xuống điểm 0 tuyệt đối (-273 độ C).

0 Ngày nay, những vật liệu này được sử dụng để chế tạo các nam châm điện cực mạnh dùng trong các thiết bị ảnh hoá cộng hưởng từ tính (MRI), tàu đệm từ maglev và các thiết bị tạo từ trường hình xuyến Tokamak trong các lò phản ứng hạt nhân Trong

Trong tương lai, vật liệu siêu dẫn hứa hẹn sẽ cải thiện hiệu suất lưới điện nhờ khả năng truyền dẫn điện với công suất lớn và tỷ lệ thất thoát thấp Một ứng dụng tiềm năng khác là hệ thống lưu trữ năng lượng bánh đà (FESS - Flywheel Energy Storage System), giúp tối ưu hóa việc lưu trữ và cung cấp năng lượng.

Hệ thống lưu trữ năng lượng bánh đà là một công nghệ tích trữ điện năng dưới dạng cơ năng, sử dụng một bánh xe cơ khí hình trụ với vành ngoài có mật độ khối lượng lớn Bánh đà này được quay với tốc độ rất cao, giúp tích trữ một lượng động năng lớn thông qua lực ly tâm.

1.2.2 Hệ thống lưu trữ năng lượng bánh đà FESS a) Tổng quan về hệ thống lưu trữ năng lượng bánh đà

FESS là thiết bị lưu trữ năng lượng dưới dạng động năng thông qua một bánh đà quay tròn Năng lượng được lưu trữ phụ thuộc vào khối lượng, hình dạng và tốc độ quay của bánh đà.

Thế hệ đầu tiên của hệ thống lưu trữ năng lượng bánh đà đã được phát triển với ý tưởng sử dụng khối lượng quay để giảm biến động tốc độ của động cơ và máy phát điện Trong hệ thống này, bộ biến đổi chỉ điều khiển phía roto của máy phát, trong khi phía stato được kết nối trực tiếp với lưới điện xoay chiều Đối với máy điện không đồng bộ, sự chênh lệch tốc độ giữa roto và từ trường quay do stato tạo ra được gọi là độ trượt, với dòng điện bên phía roto có tần số tương ứng với tần số trượt Công suất cơ phát sinh từ sự chênh lệch này, được gọi là công suất trượt, có thể đạt khoảng 50% công suất danh định của máy điện, dẫn đến công suất của bộ biến đổi sẽ nhỏ hơn Hệ thống này chỉ hoạt động hiệu quả trong một phạm vi thay đổi tốc độ nhất định của roto.

Với sự tiến bộ của điện tử công suất, các giới hạn về công suất không còn là rào cản lớn, dẫn đến sự phát triển của hệ thống sang cấu trúc mới Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi công suất cho phép tạo ra điện áp và tần số cố định từ một bánh đà ở nhiều tốc độ khác nhau Loại bánh đà này được phân loại là thế hệ thứ hai.

Hình 1.3 Cấu trúc Flywheel thế hệ thứ hai [7]

Chiều dòng năng lượng được biểu thị bằng mũi tên và có thể đảo ngược để nạp năng lượng cho flywheel Mục tiêu chính của việc lưu trữ năng lượng là bù đắp cho tổn hao trên lưới điện trong trường hợp có sự cố.

Các yêu cầu thiết kế cho FESS

Một tiêu chuẩn quan trọng trong thiết kế hệ thống lưu trữ năng lượng flywheel là đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao Để thực hiện điều này, động cơ và máy phát cần có hiệu suất làm việc tối ưu, với tổn hao do khe hở và ma sát ở mức tối thiểu Việc sử dụng buồng chân không giúp giảm thiểu tổn thất do ma sát không khí khi hệ thống hoạt động ở tốc độ cao, trong khi các ổ đỡ từ có thể giảm thiểu ảnh hưởng của tổn hao ma sát trong quá trình vận hành.

Hệ thống cần có mật độ năng lượng lưu trữ lớn, và để đạt được điều này, việc tăng tốc độ quay của flywheel được ưu tiên hơn so với việc tăng khối lượng Mặc dù có thể tăng khối lượng flywheel, nhưng điều này sẽ làm tăng trọng lượng tổng thể của hệ thống Kích thước và khối lượng của flywheel thường được chọn cố định phù hợp với yêu cầu của ứng dụng Do năng lượng lưu trữ tỷ lệ bình phương với tốc độ quay, việc tăng vận tốc sẽ giúp tăng mật độ năng lượng lưu trữ Để đảm bảo kết cấu cơ khí bền vững khi hoạt động ở tốc độ cao, vật liệu composite được lựa chọn để chế tạo vành flywheel.

Mật độ công suất là yếu tố quan trọng đối với hệ thống lưu trữ năng lượng bằng lò xo (FESS), chủ yếu phụ thuộc vào động cơ hoặc máy phát Theo công nghệ hiện tại, mật độ công suất có thể đạt tới 30 kW/kg, nhờ vào tốc độ quay cao và khả năng trao đổi nhiệt hiệu quả.

Kết luận chương 1

Chương 1 đã trình bày nhu cầu của việc lưu trữ năng lượng, giới thiệu về các hệ thống lưu trữ năng lượng hiện nay, khái quát về hệ thống FESS cùng với các chế độ làm việc của nó (nạp, xả và duy trì năng lượng) cũng như tìm hiểu về quá trình phát triển hệ thống FESS để cho thấy hệ thống lưu trữ năng lượng flywheel ngày càng được hoàn thiện qua các phiên bản của nó với mật độ lưu trữ năng lượng ngày càng lớn, đáp ứng yêu cầu hiệu suất ngày càng cao Đồng thời, tiến hành so sánh hệ thống FESS và các hệ thống lưu trữ khác trên phương diện mật độ năng lượng và mật độ công suất để từ đó làm nổi bật ưu điểm của hệ thống FESS so với các hệ thống lưu trữ năng lượng khác

Chương 2 sẽ tìm hiểu về máy điện AFPM: lịch sử phát triển, các loại cấu hình và, ứng dụng; so sánh ưu điểm của việc lựa chọn máy điện đồng bộ so với loại không đồng bộ, loại dọc trục so với ngang trục; cuối cùng, lựa chọn máy điện kích thích nam châm vĩnh cửu có từ thông định hướng dọc trục cho ứng dụng FESS; giới thiệu một hệ thống lưu trữ năng lượng bánh đà tiên tiến sử dụng động cơ đồng bộ từ thông dọc trục AFPM

HỆ THỐNG LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG BÁNH ĐÀ TIÊN TIẾN SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN AFPM

Máy điện đồng bộ kích từ NCVC từ thông dọc trục AFPM

2.1.1 Sự phát triển của máy điện đồng bộ kích từ NCVC từ thông dọc trục

Sự phát triển của máy điện bắt đầu với các máy điện từ thông dọc trục, được ghi nhận lần đầu bởi M Faraday vào năm 1831, tiếp theo là W Ritchie (1833) và B Jacobi (1834) Nguyên mẫu đầu tiên của máy điện từ này có hình dạng đĩa do M Faraday thiết kế, và cấu trúc hình đĩa cũng được N Tesla sử dụng trong các bằng sáng chế của ông.

Sự phát triển của máy điện từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu (AFPM) diễn ra chậm hơn so với máy điện từ thông hướng tâm (RFPM) do thiếu công nghệ chế tạo, gặp khó khăn trong việc duy trì lực hấp dẫn từ tính dọc trục giữa stator và rotor, cùng với chi phí cao trong sản xuất các lõi stator Mặc dù hệ thống kích từ nam châm vĩnh cửu (NCVC) đã được áp dụng từ những năm 1830, chất lượng kém của vật liệu từ cứng đã hạn chế việc sử dụng chúng Tuy nhiên, sự phát minh của hợp kim Alnico vào năm 1931, barium ferrite vào những năm 1950, và đặc biệt là vật liệu đất hiếm neodymium-iron-boron (NdFeB) vào năm 1983 đã thúc đẩy sự phát triển của hệ thống NCVC Hiện nay, sự sẵn có của vật liệu NCVC năng lượng cao (NdFeB) đã tạo động lực cho nghiên cứu và ứng dụng máy điện AFPM, khiến chúng trở thành đối tượng nghiên cứu quan trọng trong 30 năm qua và hiện đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực từ tiêu dùng đến công nghiệp và quân sự, cũng như trong các hệ thống năng lượng tái tạo và vận tải.

17 những ứng dụng yêu cầu tính cực kì nhỏ gọn theo hướng trục đi đôi với mật độ momen và hiệu suất cao

2.1.2 Phân tích lựa chọn máy điện AFPM cho ứng dụng FESS

Trong ứng dụng lưu trữ năng lượng bánh đà, máy điện không đồng bộ đã từng được sử dụng, nhưng do vấn đề độ trượt và giảm công suất, chúng không phù hợp cho các ứng dụng có phạm vi thay đổi tốc độ lớn Thay vào đó, máy điện đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu (PMSM) là lựa chọn tối ưu cho hệ thống lưu trữ năng lượng bánh đà (FESS) PMSM có hiệu suất cao, mật độ mô men lớn và không gặp phải tổn hao rotor ở tần số cơ bản Không có cuộn dây kích từ, máy điện PMSM dễ dàng điều khiển và tạo ra từ thông lớn, dẫn đến khả năng tạo ra mô men lớn Mặc dù vẫn tồn tại một số hạn chế như độ bền không cao và nhạy cảm với nhiệt độ, nhưng PMSM vẫn là sự lựa chọn hàng đầu cho ứng dụng FESS.

Các ứng dụng FESS thường sử dụng động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu với kiểu từ thông hướng tâm (radial flux type) Tuy nhiên, máy điện kiểu từ thông dọc trục có những đặc trưng riêng biệt, cho phép khai thác tính năng này trong ứng dụng FESS Lực dọc trục của máy có thể được điều khiển để chống lại lực hấp dẫn tác động lên rotor khi trục quay nằm theo phương thẳng đứng.

Theo lý thuyết, việc này sẽ giảm áp lực và ma sát lên hệ thống ổ đỡ phía dưới, từ đó giảm tổn thất ở ổ đỡ và hạn chế sự tự giải phóng năng lượng lưu trữ trong chế độ dự phòng.

So sánh định lượng giữa máy điện đồng bộ kiểu từ thông hướng tâm truyền thống và máy điện kiểu từ thông dọc trục AFPM luôn gặp nhiều khó khăn Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra sự khác biệt trong hiệu suất và ứng dụng của hai loại máy này.

Nghiên cứu định lượng về hai loại máy điện, bao gồm máy điện đồng bộ từ thông hướng tâm và máy AFPM, cho thấy máy AFPM có khối lượng và vật liệu ít hơn cho cùng một mức công suất Điều này cho phép so sánh hiệu suất giữa chúng ở các cấu hình và mức công suất khác nhau Nhìn chung, các đặc tính của máy AFPM được đánh giá là ưu việt hơn so với máy từ thông hướng tâm thông thường.

• AFPM có tỷ lệ đường kính lớn hơn nên sự thông gió và làm mát tốt hơn

Cấu trúc liên kết của máy AFPM cho phép thiết kế linh hoạt, điều chỉnh số lượng cấu trúc tương tự nhằm đáp ứng yêu cầu về năng lượng và mô-men xoắn.

• Máy AFPM có khoảng cách không khí bằng nhau và có thể điều chỉnh được khoảng cách này

Các máy điện AFPM nổi bật với mô men lớn hơn, mật độ công suất cao hơn và độ ồn thấp hơn so với các máy điện từ thông hướng tâm Ngoài ra, các máy điện từ thông dọc trục với một khe hở không khí có khả năng tạo ra các lực dọc trục bền vững, yêu cầu các ổ đỡ trục phải chịu đựng.

• Đường kính ngoài của rotor lớn hơn, số cực nhiều hơn, làm cho máy AFPM trở thành sự lựa chọn phù hợp cho các hoạt động tần số cao

Các máy điện đồng bộ kiểu từ thông dọc trục (AFPM) hiện nay có khả năng sinh momen cao, mật độ công suất tốt và ít tiếng ồn hơn so với máy điện đồng bộ kiểu từ thông hướng tâm Ngoài ra, chúng có khả năng tạo ra lực dọc trục bền vững mà các ổ đỡ trục cần phải chống lại Mặc dù vẫn tồn tại một số hạn chế như độ bền không cao, giá thành cao và sự nhạy cảm với nhiệt độ của nam châm vĩnh cửu, nhưng máy điện AFPM vẫn là lựa chọn hàng đầu cho ứng dụng FESS.

2.1.3 Các loại cấu hình của máy điện AFPM

Động cơ AFPM có cấu tạo đặc biệt với modul stator, bao gồm modul đơn chỉ có một bộ dây quấn và modul kép với hai bộ dây quấn.

Dây quấn của mô-đun rotor đơn chỉ có một mặt với NCVC, trong khi mô-đun rotor kép có cả hai mặt đều được trang bị nam châm vĩnh cửu Các dây quấn này đều quấn chung quanh một lõi và quay lưng vào nhau, tạo nên cấu trúc hiệu quả cho rotor (hình 2.1).

Hình 2.1 Các modul cơ bản của động cơ AFPM

Có nhiều cấu hình động cơ AFPM được phân chia chủ yếu dựa vào số lượng và cách bố trí các modul stator và rotor

Hình 2.2 Các cấu hình của máy điện từ thông dọc trục NCVC

Cấu trúc cơ bản và đơn giản nhất của máy điện AFPM là một rotor và một stator, tuy nhiên, cấu trúc này dễ gặp phải lực dọc trục không cân bằng, yêu cầu lắp đặt ổ đỡ phức tạp hơn và đĩa rotor dày hơn Để khắc phục vấn đề này, có thể sử dụng cấu trúc một rotor - hai stator, được gọi là máy điện từ thông dọc trục rotor, với stato có thể có hoặc không có rãnh Trong cấu trúc này, từ thông chính chảy dọc trục qua đĩa rotor hoặc khép kín dọc theo đĩa rotor Ngoài ra, còn có các cấu trúc phức tạp hơn như hai rotor - một stator và cấu trúc nhiều tầng.

Máy điện AFPM nhiều tầng được hình thành từ 20 trục, tạo nên sự sắp xếp phức tạp hơn Mô men được tạo ra phụ thuộc vào đường kính ngoài của máy; khi đường kính này bị hạn chế, mô men điện từ mong muốn có thể đạt được thông qua cấu trúc nhiều tầng Loại máy điện này có thể ứng dụng trong hệ thống đẩy của tàu thủy, bơm và máy phát NCVC tốc độ cao.

2.1.4 Các ưu điểm và ứng dụng của máy điện AFPM

Hiệu suất cao của động cơ được cải thiện nhờ giảm tổn thất ở rotor, đồng thời đạt mật độ công suất lớn và tỉ số momen/khối lượng cao với lượng vật liệu lõi tối thiểu Kích thước nhỏ gọn và hình dạng linh hoạt là những yếu tố quan trọng trong các ứng dụng có không gian lắp đặt hạn chế, đồng thời giảm thiểu tiếng ồn và rung động.

- Các truyền động và máy phát tốc độ cao

- Truyền động và máy phát bánh đà, vô lăng quan tính và vô lăng vệ tính

- Các dây truyền thực phẩm và dược phẩm, môi trường khắc nhiệt như nhiệt độ thấp, nhiệt độ cao, chân không hoặc khí độc hại

- Thiết bị y tế, bơm máu có thể cấy ghép vào cơ thể

- Các truyền động lưu trữ thông tin

Hiện nay được sử dụng chủ yếu trong hai ứng dụng là các bánh đà tích trữ năng lượng và hệ thống đấy (kéo) trong ô tô điện.

Hệ thống lưu trữ năng lượng bánh đà tiên tiến sử dụng động cơ AFPM

Hệ thống lưu trữ năng lượng bánh đà nhỏ gọn và hiệu quả được đề xuất sử dụng động cơ đồng bộ từ thông dọc trục AFPM, với thiết kế tích hợp ổ đỡ cơ khí và ổ đỡ từ tính Bánh đà hoạt động như rotor, được kẹp giữa hai stator loại đĩa để tiết kiệm không gian Sự kết hợp giữa vòng bi từ tính tích cực, vòng bi cơ khí và nam châm vĩnh cửu trong động cơ giúp rotor-bánh đà quay và nâng lên theo hướng thẳng đứng, đồng thời hạn chế bốn bậc tự do khác theo hướng xuyên tâm nhờ vào cấu trúc cơ khí của hệ thống.

Dưới đây là sơ đồ mặt cắt ngang cấu trúc hệ thống FESS được đề xuất [8] Các phần tử của hệ thống được liệt kê trong bảng 2.1:

Hình 2.3 Cấu trúc hệ thống FESS tiên tiến [8]

Bảng 2 1 Các phần tử của hệ thống FESS

STT Tên phần tử trong hệ thống

8 Nam châm vĩnh cửu gắn trên rotor

9 Vòng bảo vệ vật liệu không dẫn từ

10 Vành flywheel làm bằng vật liệu carbon

12 Giá đỡ cho thanh trượt

Động cơ đồng bộ từ thông dọc trục AFPM là thành phần trung tâm của FESS, với thiết kế bao gồm một rotor và hai stator kiểu đĩa Rotor là một đĩa phẳng được gắn các NCVC ở cả hai mặt, tạo ra cực ẩn và được trang bị vành vật liệu carbon chức năng như Flywheel, nhằm tối ưu hóa hiệu suất.

Để tối ưu hóa diện tích sinh mô-men xoắn của rotor loại đĩa, hai stator được kẹp vào hai bên rotor với các dây quấn ba pha, tạo ra từ trường quay trong khe hở không khí Từ trường này sinh ra các mô-men T1, T2 trên rotor và lực hấp dẫn F1, F2 giữa rotor và các stators Dòng điện của mỗi stator có thể được điều chỉnh độc lập, giúp kiểm soát lực nâng của rotor và duy trì vị trí của nó ở giữa hai stator.

F = F2 - F1 Trong đó F1 là lực giữa các stator phía dưới và rotor; F2 là lực giữa các stator phía trên và rotor

T = T1 + T2 Trong đó T1 và T2 là momen tạo ra bởi động cơ phía trên và phía dưới

Hình 2.4 Cấu trúc rotor/stator của AFPM

Rotor thép kiểu đĩa được gắn trên trục thép không từ tính, sử dụng thép không gỉ với độ cứng cao làm vật liệu trục Sợi cacbon có độ bền kéo vượt trội và trọng lượng nhẹ, cho phép bánh đà cacbon quay với tốc độ lên tới 60.000 vòng/phút Việc áp dụng cấu trúc vật liệu composite tiên tiến trong bánh đà không chỉ cải thiện mật độ năng lượng mà còn giảm khối lượng hệ thống Một vòng bảo vệ làm từ vật liệu không từ tính bền cao được sử dụng để bảo vệ các nam châm vĩnh cửu khỏi lực ly tâm.

Bánh đà có ba trục x, y, z, tương ứng với sáu bậc tự do (DOF), bao gồm cả sự dịch chuyển và quay của mỗi trục, cần được kiểm soát với sự hỗ trợ phù hợp.

Vòng bi cơ học có cấu trúc đơn giản và hoạt động dễ dàng, nhưng cần chú ý đến tổn thất ma sát và việc sử dụng chất bôi trơn Ma sát trên ổ đỡ theo hướng lực hấp dẫn, tức là theo trục z, lớn hơn nhiều so với các hướng khác, khiến việc sử dụng ổ đỡ cơ học dọc theo trục này không thực tế, trong khi vẫn có thể áp dụng cho các trục khác.

Vòng bi từ tính mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với vòng bi thông thường, như hiệu quả sử dụng năng lượng cao, độ bền và tuổi thọ dài hơn, không cần bôi trơn và bảo trì, cùng với phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng Mặc dù có nhiều nghiên cứu về ổ đỡ vòng bi từ tính, việc kiểm soát từng bậc tự do yêu cầu cảm biến, thiết bị truyền động và bộ điều khiển, làm tăng độ phức tạp trong thiết kế Đề xuất trong đồ án này là khái niệm mới về ổ đỡ từ, chỉ kiểm soát 2 bậc tự do của trục (dịch và xoay dọc theo trục z), trong khi các chuyển động khác bị hạn chế bởi ổ đỡ cơ khí Sự kết hợp giữa vòng bi từ tính và ổ đỡ cơ khí có thể giảm thiểu độ phức tạp trong điều khiển, đồng thời nâng cao tính ổn định và hiệu quả chi phí của hệ thống.

Các ổ bi cơ khí được lắp đặt ở hai đầu trục nhằm hạn chế chuyển động xuyên tâm và hỗ trợ cho chuyển động quay của rotor-flywheel Chuyển động dọc trục được thực hiện nhờ vào các thanh trượt, kèm theo đó là các cảm biến vị trí và tốc độ để đo lường tốc độ cũng như phát hiện dịch chuyển dọc trục của rotor Để giảm thiểu tổn thất do ma sát không khí, hệ thống được đặt trong buồng chân không.

Kết luận chương 2

Chương 2 đã trình bày khái quát về sự ra đời, phát triển, cấu hình, ứng dụng của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu từ thông dọc trục (AFPM); giới thiệu cấu trúc hệ thống FESS tiên tiến sử dụng máy điện AFPM; phân tích, so sánh giữa máy điện đồng bộ và không đồng bộ, loại từ thông dọc trục và ngang trục để từ đó lựa chọn máy điện AFPM phù hợp cho ứng dụng FESS

Chương 3 tiến hành xây dựng mô hình toán học máy điện AFPM Phân tích mô hình toán học của lực nâng flywheel và momen quay trong cấu trúc đề xuất, thực hiện tuyến tính hóa phương trình toán học của lực nâng và momen quay của roto để thiết kế sách lược điều khiển cho vị trí và tốc độ roto-flywheel Lựa chọn phương pháp thiết kế bộ điều khiển ADRC cho vị trí và tốc độ rotor-flywheel thay vì sử dụng bộ điều khiển PID truyền thống

MÔ HÌNH HÓA VÀ THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN

Xây dựng mô hình toán học máy điện AFPM

a Cấu tạo AFPM b Biểu diễn hệ trục tọa độ

Động cơ đồng bộ từ thông dọc trục có cấu tạo gồm hai stato và một roto, được mô tả trong hình 3.1a Mô hình toán học của động cơ được biểu diễn trong hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (hệ tọa độ quay dq) như trong hình 3.1b Các cuộn dây ba pha của stato được ký hiệu là u, v, và w, với số vòng dây giống nhau Động cơ này có thể được xem như một động cơ đồng bộ thông thường, trong đó từ trường của các cuộn dây được thay thế bằng nam châm vĩnh cửu.

PM có thể được phân tích bằng cách thay thế các nam châm vĩnh cửu của rotor bằng dòng rotor tương đương, điện cảm tương đương Lf và số vòng dây quấn Nf Góc lệch pha θ s giữa trục u và trục d xác định vị trí của vector từ thông rotor.

Momen sinh ra của động cơ Te được sử dụng để điều chỉnh tốc độ quay của flywheel, trong khi tổng lực dọc trục F đảm bảo sự cân bằng vị trí của rotor.

26 trục z Do khi động cơ làm việc, ngoài chuyển động quay sẽ xuất hiện chuyển động dọc trục của rotor

Bằng cách thay đổi hệ tọa độ, thành phần dọc trục dòng điện stator id sẽ được điều chỉnh để kiểm soát lực F, giúp đưa rotor về vị trí cân bằng khi có sự dịch chuyển do nhiễu.

Mô hình toán học của hệ thống được xây dựng dựa trên tài liệu tham khảo [8] Trong hệ tọa độ tựa từ thông rotor, ma trận từ thông móc vòng được diễn đạt như sau: f m f f d m s ls d q q s ls.

Trong hệ thống điện từ, từ thông móc vòng do rotor tạo ra được ký hiệu là λ f, trong khi λ d và λ q lần lượt là từ thông của stator trong hệ tọa độ dq Các thông số điện cảm bao gồm Lf (điện cảm tương đương của rotor), Ls (điện cảm các cuộn dây stator), và Lls (điện cảm tản của các cuộn stator) Điện cảm tương hỗ giữa các cuộn dây stator và cuộn dây giả tưởng trên rotor được ký hiệu là Lm Các dòng điện trên stator là id và iq Do điện cảm tản của các cuộn dây stator rất nhỏ, có thể bỏ qua, dẫn đến việc ma trận từ thông móc vòng được đơn giản hóa.

2 Ls; Ld, Lq là điện cảm của stato trên hệ tọa độ dq

Trong bài viết này, P đại diện cho số cặp cực, g là chiều dài khe hở không khớp, và μo là độ từ thẩm của khe hở không khí với giá trị μo = 4π × 10^(-7) H/m Ngoài ra, Ns là số cuộn stator trên mỗi pha, trong khi Ro và Ri lần lượt là bán kính ngoài và trong của stator.

3.1.1 Thiết lập phương trình điện áp và dòng điện

Phương trình điện áp của động cơ: d d s d q q q s q d v R i d dt v R i d dt

Trong đó: ω là tốc độ quay từ trường; vd, vq là điện áp stator trên hệ tọa độ dq;

Rs là điện trở cuộn dây stator

Từ (3.2), (3.3) và (3.4) ta rút ra được: d s q d d r q d d d q s d m q q r d r q q q q di 1 R L v i (P )i dt L L L di 1 R L v i (P )i (P ) dt L L L L

Với ωr là tốc độ quay rotor; λ m là biên độ từ thông cảm ứng bởi các nam châm vĩnh cửu của rotor trong các pha stators Trong đó:

Giá trị của Nfif được xác định theo công thức: r m f f m m r 0

Cường độ từ trường (Hm) được xác định bởi độ dày của nam châm vĩnh cửu (lm), mật độ từ thông dư (Br) và hằng số độ từ thẩm tương đối (μr).

Phương trình điện áp và dòng điện của stator trong hệ tọa độ dq được xác định bằng cách thay thế giá trị dòng điện và điện áp tương ứng vào các phương trình đã cho.

3.1.2 Thiết lập phương trình vị trí và tốc độ

Năng lượng điện từ lưu trữ được tính theo công thức: f fi d di q qi

Lực hấp dẫn Fs đối với một stator được tính theo công thức:

Như vậy, khe hở không khí giữa stator và rotor ở điểm cân bằng được xác định theo công thức:

Khe hở không khí giữa bề mặt stator và nam châm vĩnh cửu tại điểm cân bằng được ký hiệu là lg, trong khi hệ số Carter được ký hiệu là Kc và thường được chọn xấp xỉ bằng 1.

Lực F1 được tạo ra từ stator phía trên, được tính bằng cách thay thế các giá trị g = go – z, id = id1 và iq = iq1 vào công thức (3.9) Trong khi đó, lực F2 từ stator phía dưới được tính bằng cách thay g = go + z, id = id2 và iq = iq2 vào cùng công thức (3.9).

Lực nâng từ trường F = F2 – F1 được xác định:

Momen quay của động cơ đối với một stator:

Momen tổng động cơ sinh ra:

(3.13) Để đơn giản hóa cho việc tính toán lực nâng roto F ta định nghĩa các hàm sau:

Trong đó: icd được gọi là dòng offset, Id0 là hằng số; icd, icq là dòng điện điều khiển

Khi phân tích trọng lực roto và các yếu tố nhiễu tác động bên ngoài, lực nâng roto F đạt giá trị 0 tại điểm cân bằng z = 0 Việc tuyến tính hóa phương trình (3.11) được thực hiện tại điểm cân bằng z.

= 0 và id = id1 = id2 = Id0; khai triển theo chuỗi Taylor đến bậc 1 ta thu được phương trình tổng lực dọc trục:

Phương trình động học của chuyển động dọc trục của rotor:

1 2 cd mz = − =F G K z K i+ −G (3.19) Trong đó: G là lực hấp dẫn của flywheel Đặt Icd0 = G/K2; (3.19) có thể được viết lại thành:

(3.20) Đặt:i ~ cd =i cd −I cd0 Phương trình (3.20), có thể được viết lại thành:

Các tham số động cơ được thể hiện trong bảng sau:

Bảng 3 1 Tham số động cơ Tham số Giá trị

Thay các tham số động cơ vào công thức (3.16), (3.17), (3.18) ta tính được các hệ số:

Giá trị lớn nhất của dòng điện là: 1.85x 2 =2.62A; |icq| ≤ 2.62 Khoảng giá trị của K1 là:

2.89x10 K12.96x10 (3.23) icq biến thiên trong khoảng giá trị rất nhỏ, sự thay đổi giá trị icq chỉ làm thay đổi 2.36% giá trị của K1 nên khi điều khiển vị trí ta có thể bỏ qua ảnh hưởng của dòng icq và K1 được coi như hằng số Từ đó, (3.21) được tuyến tính hóa, dịch chuyển z được điều khiển bằng dòng điện ĩcd

Từ biểu thức (3.13) ta có thể thấy rằng momen Te không phụ thuộc vào dòng điện id1 và id2

Giả sử các dòng điện iq1 = iq2 =icq và z nhỏ hơn rất nhiều so với g0, khi đó, biểu thức (3.13) trở thành:

Thay các tham số từ bảng 3.1 ta được KT =3.028

Phương trình chuyển động có thể được viết như sau: r T e cq d dt d 1 K

Khi máy điện hoạt động ở chế độ máy phát, Te< 0 Nói cách khác, bằng cách điều khiển dòng icq