Mở đầu
1. Sự cần thiết của đề tài
Hệ thống lưu trữ năng lượng bánh đà (FESS) là công nghệ lưu trữ
năng lượng dưới dạng động năng. FESS tham gia vào lưới điện thực
hiện các chức năng: cung cấp năng lượng dự phòng hiệu quả giúp cân
bằng tải, giảm thiểu sự cố về điện áp giảm tổn thất năng lượng và tăng
cường khả năng ổn định của hệ thống điện.
Các ứng dụng cụ thể của FESS trong thực tế: điều chỉnh tần số và
điện áp lưới, cung cấp điện liên tục (UPS), tích hợp hệ thống năng
lượng tái tạo bao gồm lưới điện siêu nhỏ (MG), quân sự, đường sắt và
giao thông bao gồm xe điện (EV), hàng không và du hành vũ trụ, … .
FESS có nhiều ưu điểm: cung cấp mật độ cơng suất cao, phản ứng
động nhanh, có thể thực hiện hàng nghìn chu kỳ nạp/xả, khả năng nạp/
xả sâu; Trạng thái năng lượng lưu trữ dễ kiểm sốt thơng qua tốc độ
quay; tuổi thọ của hệ thống dài (20 năm-30 năm) và ít phải bảo dưỡng;
có khả năng mở rộng khả năng lưu trữ và hầu như khơng có tác động
đến mơi trường.
Cấu trúc hệ thống FESS gồm động cơ từ trường dọc trục (AFPM)
tích hợp bánh đà, điều khiển bởi bộ biến đổi kiểu ma trận gián tiếp
(IMC) có ưu thế về mật độ năng lượng cao, tác động nhanh là một
trong những xu hướng phát triển hứa hẹn đưa đến những ứng dụng
thực tế quan trọng. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu điều khiển hệ thống
tích trữ năng lượng bánh đà sử dụng động cơ từ trường dọc trục stator
kép và bộ biến tần ma trận gián tiếp” sẽ tập trung thực hiện thiết kế hệ
thống điều khiển bộ biến đổi công suất 2 chiều và thiết kế, chế tạo thử
nghiệm động cơ AFPM stator kép; xây dựng các quy trình thiết kế,
chế tạo hệ thống FESS trong điều kiện thí nghiệm. Qua đó đóng góp
một phần vào nghiên cứu và phát triển cơng nghệ lưu trữ năng lượng
và lưu trữ năng lượng dạng bánh đà.

2. Mục tiêu nghiên cứu
Luận án thực hiện nghiên cứu FESS, trong đó tập trung nghiên cứu
và đề xuất phương pháp điều chế, điều khiển bộ biến đổi điện tử cơng
xuất 2 chiều và thiết kế, chế tạo mơ hình thử nghiệm máy điện AFPM
2 mặt. Các nội dung nghiên cứu hướng đến ứng dụng trong thực tế và
làm nền tảng cho các nghiên cứu chuyên sau về hệ thống tích trữ năng
lượng.
1


3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Trong luận án sẽ thực hiện nội dung và phạm vi nghiên cứu gồm:
+ Hệ thống FESS sử dụng biến tần ma trận điều chế gián tiếp (IMC)
và động cơ từ trường dọc trục đầu ra kép, xây dựng quy luật điều chế
mẫu xung điều khiển mới cho IMC.
+ Thiết kế, chế tạo mơ hình thử nghiệm động cơ từ trường dọc trục
AFPM stator kép. Phân tích và đánh giá các kết quả đạt được trong
phạm vi thực hiện trong thưc tế.
4. Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm
- Nghiên cứu lý thuyết mơ hình hóa và mơ phỏng phương pháp
điều chế, điều khiển bộ biến tần trao đổi năng lượng 2 chiều BTB,
IMC, MC.
- Nghiên cứu mô hình tốn học, mơ hình vật lý động cơ AFPM và
thiết kế mơ phỏng đánh giá cấu hình động cơ ứng dụng trong FESS.
- Nghiên cứu và kiểm chứng lý thuyết bằng thực nghiệm chế tạo
động cơ AFPM và đo đạc, kiểm tra, phân tich đánh giá động cơ được
chế tạo.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
* Ý nghĩa khoa học: Luận án xây dựng được hệ tích trữ năng lượng

bánh đà sử dụng AFPM và IMC để điều khiển lưu trữ và trao đổi năng
lượng 2 chiều, trong đó: đề xuất luật điều chế mới cho IMC đảm bảo
quá trình chuyển mạch van bán dẫn tối ưu; xây dựng mơ hình thử
nghiệm AFPM stator kép phục vụ cho các nghiên cứu chuyên sâu về
loại động cơ này ứng dụng trong FESS.
* Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả nghiên cứu góp phần hồn thiện
hệ thống FESS để đưa vào ứng dụng thực tiễn; mơ hình thử nghiệm
AFPM có thể sử dụng trong các thực nghiệm của các nghiên cứu tiếp
theo về động cơ và hệ tích trữ năng lượng bánh đà.
* Ý nghĩa khoa học:
6. Bố cục của luận án
Luận án gồm 4 chương và phần kết luận chung, gồm nội dung chính
như sau:
2


Chương 1: Trình bày tổng quan về hệ thống lưu trữ năng lượng
bánh đà. Phân tích cấu tạo và đánh giá sự phù hợp, các hướng nghiên
cứu hiện nay của bộ biến đổi và động cơ AFPM trong FESS. Từ đó đề
xuất hướng nghiên cứu và nội dung thực hiện của luận án.
Chương 2: Trình bày các bộ biến đổi công suất 2 chiều sử dụng
trong FESS. Đề xuất mô hình bán vật lý của AFPM stator kép. Đề xuất
thiết kế điều khiển và mô phỏng cho FESS: cấu trúc BTB đầu ra kép AFPM stator kép; cấu trúc IMC đầu ra kép - AFPM stator kép, trong
đó tập trung giải quyết vấn đề chọn lựa, phân tích, đánh giá và điều
khiển bộ BTB và IMC khi thực hiện trao đổi năng lượng 2 chiều.
Chương 3: Tính tốn thiết kế AFPM stator kép. Lựa chọn thông số
và mô phỏng AFPM stator kép sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn
(FEM) 3D, và đánh giá các kết quả thu được phục vụ cho phần thiết
kế bộ biến đổi công suất 2 chiều ở Chương 2 và chế tạo thử nghiệm
động cơ AFPM stator kép ở Chương 4.

Chương 4: Trình bày chi tiết các thiết kế chế tạo của AFPM stator
kép với các thông số được lựa chọn trong phạm vi thử nghiệm và quy
trình chế tạo. Đánh giá khả năng trao đổi năng lượng 2 chiều của
AFPM stator kép và những hạn chế, khó khăn trong q trình triển
khai chế tạo.
Phần kết luận: Nhận xét, đánh giá và kết luận về kết quả đạt được
của luận án. Bình luận về ý nghĩa khoa học, thực tiễn của các kết quả
đạt được trong phạm vi nghiên cứu. Chỉ ra các hạn chế, khó khăn và
đề xuất cho các hướng nghiên cứu tiếp theo nhằm nâng cao chất lượng
của hệ FESS và ứng dụng thành cơng trong thực tế.
7. Các đóng góp của luận án
Luận án có những đóng góp mới như sau:
- Đề xuất cấu trúc hệ thống FESS sử dụng AFPM stator kép điều
khiển bằng biến tần ma trận điều chế gián tiếp (IMC).
- Đề xuất mẫu xung điều chế mới nhằm cải tiến quá trình chuyển
mạch cho IMC.
- Xây dựng hệ thống thực nghiệm nhằm kiểm chứng các thuật toán
đề xuất, tính khả thi trong chế tạo AFPM stator kép.

Chương 1. Tổng quan
1.1. Khái quát vấn đề nghiên cứu
1.1.1. Giới thiệu chung về FESS
FESS được giới thiệu như một ESS dạng cơ khí. Hiện nay, sự phát

3


triển về công nghệ ổ bi từ và ổ bị lai gốm, điện tử công suất và sự ra
đời của máy điện tốc độ cao đã mở rộng các ứng dụng của FESS trong
nhiều lĩnh vực khác nhau. Kích thước FESS ngày càng nhỏ và khả

năng tích trữ năng lượng lớn hơn nhờ sự phát triển của cơng nghệ vật
liệu.

.
Hình 1.1 Cấu trúc và thành phần của FESS
Cấu trúc và thành phần của FESS như Hình 1.1 gồm các thành phần
chính: máy điện (stator, rotor), bánh đà, hệ thống ổ bi, bộ chuyển đổi
công suất 2 chiều và buồng chân không để giảm ma sát.
1.1.2 Năng lượng và chế độ làm việc của FESS
Năng lượng tích trữ trong FESS được xác định bởi hình dạng và
vật liệu của Bánh đà/roto, tỷ lệ với momen qn tính và bình phương
vận tốc góc, được xác định theo cơng thức:

E=

1 2
Jω
2

(1.1)

trong đó: E là động năng tích trữ (J), J là momen quán tính (kg.m2) và
ω là vận tốc góc (rad/s).
Năng lượng hữu ích của bánh đà thuộc phạm vi tốc độ tối đa (ωmax)
và tốc độ tối thiểu (ωmin) được tính theo công thức (1.2):

E=

1
2

2
J(ωmax
- ωmin
)
2

(1.2)

Chế độ làm việc của FESS:
- Chế độ nạp năng lượng (Charging Mode): bánh đà được tăng tốc
lên ωmax nhằm tích trữ năng lượng dưới dạng động năng.
- Chế độ chờ (Standby Mode): bánh đà quay ở tốc độ ổn định nên
4


động năng tích lũy được duy trì ổn định.
- Chế độ xả năng lượng (Discharging Mode): bánh đà giảm tốc từ
ωmax xuống ωmin để giải phóng năng lượng.
ω
ωmax

Standby

Charge

Discharge

ωmin

t

t1

t2

t3

t4

Hình 1.2 Đặc tính làm việc của bánh đà
1.1.3 Phân tích các thành phần của FESS
a. Bánh đà/rotor
Bánh đà (được tích hợp cùng rotor) là bộ phận lưu trữ năng lượng
dạng động năng. Bánh đà thường được chế tạo dưới dạng hình trụ hoặc
dạng đĩa. Mơ men qn tính của bánh đà được tính như cơng thức:

J=

1 2 1
mr = πρhr 2
2
2

(1.3)

b. Động cơ/Máy điện
Luận án nghiên cứu động cơ AFPM 2 mặt sử dụng trong FESS gồm
2 cặp stator và rotor.Chọn cấu trúc có 2 rotor độc lập từ trường, bánh
đà tích hợp cùng rotor, 2 stator nằm phía ngồi.

Hình 1.3 Cấu trúc AFPM và bánh đà trong FESS

Số

Tên thành phần

Số

Tên thành phần

1, 2

AFPM một mặt phần
trên và dưới

8, 14

Khe hở không khí trên
và dưới

3, 18

Vịng bi chặn trên và

9, 12

Rotor trên và dưới

5


dưới

4, 16

Stator trên và dưới

10

5, 17

Vịng bi chính trên và
dưới

11

Răng stator

13

Dây quấn 3 pha stator
trên và dưới

19

6
7, 15

Vành rotor
Trục
Nam châm vĩnh cửu
Buồng chân không


c. Bộ biến đổi điện tử công suất
Hai loại bộ biến đổi thường được sử dụng trong hệ thống FESS:
AC-DC-AC (Back-to-back) và AC-AC (Ma trận).
- Bộ biến đổi Back to Back (BTB)
DC/AC

AC/DC
GRID

LG

LI

AFPM

ua

Flywheel

Bus DC

ub

3 Phase Grid
380V – 50Hz

M/G

uc
3 Phase Inverter


3 Phase Active Rectifier

CF

Back-to-Back Converter

RD

Hình 1.4 Cấu trúc hệ FESS sử dụng bộ biến đổi AC-DC-AC
- Bộ biến đổi Ma trận (MC)
L
3 Phase Grid
380V – 50Hz

S1

S4

S7

S2

S5

S8

S3

S6


AFPM

Flywheel

M/G

S9

CF

Matrix Converter

Hình 1.5 Cấu trúc hệ FESS sử dụng bộ biến đổi AC-AC
- So sánh bộ biến đổi BTB và MC
Các nội dung đánh giá khi sử dụng bộ biến đổi tập chung vào phạm vi
ứng dụng để so sánh về mật độ công suất, hiệu suất, tối ưu linh kiện
điện tử, kích thước, giá thành,… Đối với ứng dụng FESS, bộ biến đổi
MC có đáp ứng tốt hơn so với bộ biến đổi BTB.
1.2 Tổng quan về các hướng nghiên cứu của FESS
1.2.1 Hướng nghiên cứu về FESS
Các hướng nghiên cứu về FESS đang được triển khai với các nội
dung: tối ưu hóa hiệu suất lưu trữ năng lượng; phát triển FESS tích hợp
6


với các nguồn năng lượng tái tạo; nghiên cứu các vật liệu mới để làm
bánh đà; phát triển các hệ thống điều khiển thông minh để tối ưu hoạt
động FESS; phát triển các ứng dụng mới cho FESS, bao gồm các ứng
dụng trong ngành y tế, công nghiệp và vũ trụ; nghiên cứu và phát triển

các bộ biến đổi điện tử công suất về cấu trúc và điều khiển cho các ứng
dụng.
1.2.2 Phương pháp điều khiển cho hệ FESS
Phương pháp điều khiển trong luận án này tập trung điều khiển các
bộ biến đổi BTB, IMC, MC. Các bộ điều khiển được thiết kế nhằm đáp
ứng các yêu cầu cơ bản của điều khiển đối với FESS:
+ Huy động nhanh lượng cơng suất được tích trữ.
+ Đáp ứng các chế độ nạp, chờ và xả nhanh, chính xác.
Trong luận án này sẽ tập trung sử dụng các phương pháp điều khiển
cơ bản để thiết kế điều khiển cho FESS.
1.3 Đề xuất phương hướng thực hiện
Luận án đề xuất các hướng nghiên cứu như sau:
+ Thiết kế và xây dựng mơ hình bán vật lý máy điện AFPM
+ Thiết kế, mô phỏng, so sánh và đánh giá cấu trúc bộ biến đổi phù
hợp với FESS, có đánh giá khả năng nối lưới.
+ Xây dựng và kiểm nghiệm trên mơ hình thử nghiệm AFPM 2 mặt
và đánh giá khả năng phát trả năng lượng về lưới điện.

Chương 2. Nghiên cứu bộ biến đổi ma trận gián tiếp đầu ra
kép trong hệ thống lưu trữ năng lượng bánh đà
2.1 Thiết kế mơ hình bán vật lý AFPM 2 mặt
Trong luận án này đề xuất xây dựng mơ hình bán vật lý của AFPM 2
mặt. Mơ hình được sử dụng để thiết kế điều khiển AFPM ở các chế độ
làm việc khác nhau của FESS.
Dây quấn 1

Stator 1

Rotor 1


NCVC 1

NCVC 2

Dây quấn 2

Hình 2.1

T1
T1

F1
F1

T2
T2

F2
F2

Rotor 2

Stator 2

Cấu trúc AFPM 2 mặt
7


AFPM luôn tồn tại lực hút từ dọc trục (F1,F2) giữa stator và rotor
trong q trình làm việc.

2.1.2 Mơ hình AFPM trên hệ tọa độ dq
ia

d - axis
iq

id
q - axis
A - axis

ib

ic

Hình 2.2 Vị trí rotor và hệ toạ độ dq
a. Hệ phương trình điện áp và dịng điện
d

vd = Rsisd + dt d − rq

v = R i + d  +  
s sq
q
r d
 q
dt

(2.1)

b. Phương trình lực dọc trục

5
3 2 2
 2 2

2
 N f 2i f 2 + 2 N s N f 2isd 2i f 2 + 2 N s (isd 2 + isq 2 ) 


( g 20 − z )2
0 ( R02 − Ri2 ) 

F = F2 − F1 =


2
5
3
16 p
 N 2 i 2 + N N i i + N 2 (i 2 + i 2 ) 
f1 f1
s f 1 sd 1 f 1
s sd 1
sq1
−

2
2
2



(
g
+
z
)
10



(2.2)

c. Phương trình mô men điện từ
Te =

30 ( R02 − Ri2 ) N s
16 p

 N f 1i f 1 N f 2i f 2 

+
  iq = KT isq
g 20 
 g10

(2.3)

d. Phương trình chuyển động dọc trục
d 2z

= F - G = K1 + K 2 z + K 3icd 0 − G

d 2t
e. Phương trình động học:
m

d 1
K
= Te = T isq
dt
J
J

(2.4)

(2.5)
8


Từ các phương trình trên, ta xây dựng được mơ hình tốn học và
mơ hình bán vật lý của động cơ.
U sd

1
Lsd .s + Rs

++

Va1

Vb1


Abc/
dq

id1

T1

iq1
B2(s)

1
Lsd

U sq

Vc1

id1

1
Lsq

A1(s)

1
Lqd .s + Rs

−

+−


id1

iq1

iq1

G

m
1/s

U sd

1
Lsd .s + Rs

++

Va2

Vb2

Vc2

Abc/
dq

Wm


We
Theta

1/m.s^2

TL

1/J.s

P

Z

id2
id2

1
Lsq

id2

1
Lsd

iq2

A2(s)

U sq


−
+
−

T2
B2(s)

1
Lqd .s + Rs

iq2
iq2

m

Hình 2.3 Mơ hình tốn học AFPM 2 mặt

Hình 2.4 Mơ hình bán vật lý AFPM 2 mặt

9


2.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển AFPM stator kép
2.2.1 Thiết kế điều khiển
* Tổng hợp mạch vòng dòng * Tổng hợp mạch vòng điều khiển
điện
điện áp một chiều
is*
-



1 
k p 1 +

Ti s 


1

1
Rs
sTsd + 1

Ri

SVM

ĐT



is

*
-


1 
k p .1 +


 Ti .s 
R



3 .P .
2 c p
Js
ĐT

* Tổng hợp mạch vịng điều chỉnh vị trí dọc trục
z*

+

PD

-

K2

1
ms2-K1

z

z

2.2.2 Thơng số động cơ AFPM 2 mặt


STT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

Thông số động cơ
Công suất mỗi Stator
Tốc độ định mức
Điện áp pha
Tần số
Rs
J
m
G
p
Lq=Ld
Ns

Giá trị
P = 500 W
3000 rpm
220V

100 Hz
5Ω
0.0185 kgm2
4.09 kg
40.12 N
2
0.039 H
458 vòng

2.3 Hệ thống điều khiển AFPM stator kép bằng bộ biến đổi BTB
2.3.1 Cấu trúc điều khiển

10


Mạch lực

ia1
Bộ nghịch
lưu 1

ua, ia
ub, ib
uc, ic

Nguồn

Bộ chỉnh
lưu


ib1

AFPM 2
mặt và
cảm biến

NL1

C

z

ic1

}

ω

ia2

CL
Bộ nghịch
lưu 2

ib2
ic2

NL2

Khối điều khiển chỉnh lưu


NL1

CL

PWM

PWM

ua
ub
uc

Khâu chuyển
hệ tọa độ
abcàαβàdq

uq

Khâu chuyển
hệ tọa độ
abc àαβà dq

id
iq

Udc_ref

Khâu
chuyển hệ

tọa độ
dq à αβ

Khốiđiều
điềukhiển
khiểnnghịch
nghịchlưu
lưu
Khối
ud1
uq1

BĐK
dòng điện 1

iq1

θ

+

PLL

ud

-

SVM

BĐK

dòng
điện

+

-

- id1

Khâu chuyển
hệ tọa độ
abcàαβàdq

ia1, ib1, ic1

+
Uαβ

ia
ib
ic

SVM

ω

-

BĐK
tốc độ


+

Khâu
chuyển hệ
tọa độ
dq à αβ

+
id0 + icd0
- icd
+ +
id0 - icd0

icq

ω*

+ + NL2
PWM

SVM

Khâu
chuyển hệ
tọa độ
dq à αβ

ud2
uq2


iq2

- z
+
z*

id2

Udc

BĐK
vị trí

ia2, ib2, ic2
Khâu chuyển
hệ tọa độ
abcàαβàdq

BĐK
dịng điện 2

Hình 2.5 Cấu trúc điều khiển BTB – AFPM 2 mặt
2.3.2 Thiết kế điều khiển khâu biến đổi AC/DC
Cấu trúc điều khiển VOC, phương pháp điều chế vector khơng gian
SVM để điều khiển đóng cắt các van IGBT của mạch lực, gồm các
bước:
Bước 1. Xác định trạng thái (vecto chuẩn) của mạch chỉnh lưu.
Bước 2. Xác định vị trí vector điện áp đặt us : Sử dụng phương
pháp đại số để xác định vị trí vector điện áp đặt us .

Bước 3. Tính tốn thời gian (hoặc hệ số điều chế) thực hiện hai
vector chuẩn trong mỗi chu kỳ điều chế Ts .
Bước 4. Tính tốn thời gian thực hiện (hoặc hệ số điều chế) thực
hiện nhánh van chỉnh lưu trong mỗi chu kì Ts .
* Tổng hợp mạch vòng dòng điện
i*s

-

 1 
k pd  1 + 
 Tid s 
Ri

1

SVM

1
Rs
sTsd + 1

is

* Tổng hợp mạch vòng
điều khiển điện áp một
chiều

ĐT


2.3.3 Mô phỏng và đánh giá kết quả
11


a. Thông số mô phỏng
Bảng 2.1 Thông số bộ biến đổi, chỉnh lưu tích cực
Thơng số bộ biến đổi

b. Kịch bản mô phỏng

Giá trị

Điện áp DC

Vo = 600 V

Công suất

P = 5 KW

Tụ DC

C = 1750 uF

Cuộn cảm lọc phía BBĐ

L_i = 4.75 mH

Cuộn cảm lọc


Lg = 0.7 mH

Tụ lọc

Cf = 22 uF

Trở lọc

Rd = 2.04 Ω

Thời gian
(s)
Tốc độ
động cơ
(Vòng/phút)
Chế độ hoạt
động

0-1

11,5

0
à
3000
Nạp

2-2,5
3000
à

1500
Xả

3000
Chờ

c. Kết quả mô phỏng
+ Tốc độ AFPM

+ Điện áp trên tụ DC-Link
Tốc độ

Vdc

3000

(Vòng/phút)

600

( V)

2000

550

1000
500

0

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4
0

Thời gian (s)

0.4

0.6

0.8

1

1.4

1.2


Thời gian (s)

+ Dòng điện Id1, Iq1, Id2, Iq2

+ Đáp ứng lực dọc trục

Id1

0.2

0.2

F1

2000
1800

(N)

(A)

0.1

0

1600
1400
1200


-0.1

1000
0

-0.2
0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0.2

0.4

0.6

1

1.2


1.4

1

1.2

1.4

1

1.2

1.4

F2

Id2

0.2

0.8

Thời gian (s)

1.4

Thời gian (s)
2000
1800


(A)

(N)

0.1
0

1600
1400

-0.1
1200
0

-0.2
0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0.2


0.4

0.6

0.8

Thời gian (s)

1.4

Thời gian (s)

F1-F2=G

0

Iq1
5

(A)

(N)

-50

-100

0


-150
0

0.2

0.4

0.6

0.8

Thời gian (s)

-5
0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4


+Đáp ứng mô men Te

Thời gian (s)
Iq2
5

Te

10

0

(N)

(A)

20

0

-10

-5
0

0.2

0.4

0.6


0.8

Thời gian(s)

1

1.2

1.4
-20
0

+ Công suất P

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Thời gian (s)

+ Năng lượng E

12


1.2

1.4


P

1000

800

500

600

0

400

-500

200

-1000

E

1000


(J)

(W)

1500

0

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Thời gian (s)

1

1.2

1.4

0

0.2


0.4

0.6

0.8

1

Thời gian (s)

2.4 Hệ thống điều khiển AFPM stator kép bằng bộ biến đổi IMC
2.4.1 Phân tích cấu trúc IMC – AFPM stator kép

Hình 2.6 Cấu trúc IMC đầu ra kép nối tải R,L
IMC khi đó có cấu tạo gồm một chỉnh lưu tích cực hai chiều và hai
nghịch lưu .
Vấn đề đặt ra gồm:
+ Điều chế phía nghịch lưu.
+ Điều chế phía chỉnh lưu.
+ Phối hợp giữa điều chế chỉnh lưu và nghịch lưu qua 3 cơ chế:
- Phân phối xung nghịch lưu trong mỗi thời gian điều chế (duty
cycle) của phía chỉnh lưu.
- Tính điện áp một chiều ảo Vpn cho điều chế nghịch lưu thay vì
đo Vpn.
- Tính tốn quy luật điều chế để tối ưu số lần đóng cắt của các van
bán dẫn và đảm bảo quá trình chuyển mạch chỉnh lưu khi idc = 0 ở
13

1.2


1.4


phía nghịch lưu.
2.4.2 Điều chế vector khơng gian cho nghịch lưu
VB

Vp
S7

S9

V2
[PP0]

V3
[0P0]

S11

II

Tải

Load

Vpn

S8


S10

V out

III

V4

out

[0PP]

S12
IV

V0

V1
[P00]

I

VA

VI

V
V6
[P0P]


V5
[00P]

Vn

VC
SECTOR I
(Vo, V1, V2, V7)

d0/2
d2
d1

T1 =

3TsVom


sin  − out 
V pn
3


T2 =

3TsVom
sin out
V pn

mI =


3Vom
V pn

do/2
Ts
V0

V1

V2

V7

V7

V2

V1

V0

S7

S9
S11

Phương trình dịng điện:
→
→

→
V out = d V 1 + d  V 2



d = mI sin  − out 
3



Các hệ số điều chế:
( d + d   1 )

d0 = 1 − d − d 

d  = mI sin(out )

d0 = 1 − ( d + d  )
T
T
T
d =  ;d  =
;d0 = 0
Ts
Ts
Ts

14



2.4.3 Điều chế vector không gian cho chỉnh lưu
Vp
S1

S3

I3[bc]

Ib

S5
Ipn

I4[ba]

Iin

I2[ac]

Ua
Ub

1

2

Vpn

Uc


0

3
S2

S4

S6

4

Ia

I0
5

Bộ lọc

I5[ca]
Chỉnh lưu

I1[ab]

Vn

Ic
I6[cb]

Phương trình dịng điện:
IinTs = I T + I T + I 0T0


T
T
T
= d ,  = d , 0 = d 0
Ts
Ts
Ts

Các hệ số điều chế:

Ts = T + T + T0

T =
T =

3Ts Iim


sin  − in 
I pn
3

3Ts Iim
sin in
I pn

I
mR = im
I pn


d = mR sin(


3

− in )

d = mR sin(in )
d0 = 1 − d − d

2.4.4 Liên kết giữa chỉnh lưu và nghịch lưu
Hệ số điều chế của các vector
Khoảng thời gian cho mỗi
tích cực cho ‘n’ phần nghịch vector trong trình tự chuyển
lưu:
mạch phần chỉnh lưu:

n )
tr = dRTs
dn = mI sin( − out

3

n )
d n = mI sin(out

Các hệ số điều chế cho trình tự Khoảng thời gian cho mỗi
chuyển mạch của bất kỳ ‘n’ phần vector trong trình tự chuyển
nghịch lưu:

mạch “n” phần nghịch lưu:

15


)

(

d0n = dR 1 − dn + d n 



tin0 = d0nTs
tin1 = d1nTs

d1n = dR dn

tin2 = d 2nTs

d 2n = dR d n

tin3 = d3nTs

d3n = dR dn
d 4n = dR d n

tin4 = d 4nTs
tin5 = d5nTs


)

(

d5n = dR 1 − dn + d n 


d

d

dα

d

dβ
do

d

do/2
dβ
dα
do/2
V0

V1

V2


V7

V2

V1

Ts/2
V1

Idc=0

Hình 2.7

Ts
V2

V7

V2

V1

V0

Idc=0

Sơ đồ liên kết chuyển mạch điều chỉnh tại Sector I
theo đề xuất mới

2.4.5 Mô phỏng hệ thống điều khiển AFPM stator kép bằng IMC

a. Thông số mô phỏng
STT
1
2
3
4

Thông số bộ biến đổi
Cuộn cảm lọc phía BBĐ
Cuộn cảm lọc phía lưới
Tụ lọc
Trở lọc

Giá trị
Li = 4.75 mH
L_g = 0.7 mH
Cf = 22 uF
Rd = 2.04 Ω

STT

Thông số động cơ

Giá trị

1

Công suất mỗi Stator

P = 500 W


2

Tốc độ định mức

3000 rpm

3

Điện áp pha

4

Tần số

220V
100 Hz

16


b. Kịch bản mơ phỏng

Đường đặc tính tốc độ:

+ Tốc độ AFPM
Tốc độ

3000


3000

2500

2500

(v ò n g/ p h út)

(v ò n g/ p h út)

Tốc độ

2000
1500

2000
1500
1000

1000

500

500

0

0
0


0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0

1.4

0.2

0.4

0.6

+ Vị trí z

1

1.2

1.4


+ Dịng điện Id1, Iq1, Id2, Iq2

10 -4

0

0.8

Thời gian (s)

Thời gian (s)

z

Id1

0.6

(A)

0.4

(m)

-0.5

0.2

-1


0
0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Thời gian (s)

-1.5

0

0.2

0.4

0.6

0.8


1

1.2

1.4

Id2

0.2

Thời gian (s)
0

(A)

+ Đáp ứng lực dọc trục và
F1

-0.6
0

1500

0.2

0.4

0.6


0.8

1

1.2

1.4

1

1.2

1.4

1

1.2

1.4

Thời gian (s)

1000

4

500

2


(A)

(N)

1.4

-0.2
-0.4

2000

0
0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Iq1

0


1.4

-2

Thời gian (s)
F2
2000

-4
0

0.2

0.4

0.6

0.8

Thời gian (s)
1500

Iq2

2

(A)

( N)


4
1000

500

0
-2

0
0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Thời gian (s)

-4
0


F1-F2 = G

0.2

0.4

0.8

+ Mô men Te

1500
1000

Te
15

500

10

0

5

( N m)

( N)

0.6


Thời gian (s)

2000

-500
0

0.2

0.4

0.6

0.8

Thời gian (s)

1

1.2

1.4

0
-5
-10
-15
0

0.2


0.4

0.6

0.8

1

Thời gian (s)

17

1.2

1.4


+ Năng lượng E

+ Công suất P
E

P
1500

800

1000


600

(J)

500

400
0

200

-500

-1000

0
0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2


1.4

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Thời gian (s)

Thời gian (s)

Kết luận:
+ Thiết kế và mô phỏng FESS với cấu trúc IMC đầu ra kép -AFPM 2 mặt cho kết quả
đảm bảo với yêu cầu của hệ thống.
+ Khi so sánh các kết quả khi sử dụng giữa IMC và BTB, ta thấy IMC có đáp ứng tốt
hơn so với BTB khi AFPM chuyển đổi trạng thái làm việc nạpàchờ và chờàxả

Chương 3. Thiết kế động cơ đồng bộ từ thông dọc trục
3.1 Thiết kế AFPM

3.1.1 Cơ sở lý thuyết
Phân tích cấu trúc và đặc tính từ trường trong động cơ được dựa trên
cơ sở lý thuyết trường điện từ với các phương trình Maxwell và phương
pháp phần tử hữu hạn (sử dụng phương pháp trọng số dư Galerkin).

3.1.2 Thông số của AFPM stator kép
Tính tốn thơng số động cơ AFPM stator kép
Thông số

Giá trị

Công suất định mức

1 kw

Tốc độ định mức

3000 rpm

Điện áp pha
Tần số
Số pha
Số cặp cực

220V
100 Hz
m=3
p=2

Số rãnh của một pha dưới 1 cực


q=2

Mật độ từ thông tại khe hở khơng khí

Bmg=0.8 T

Độ dày khe hở khơng khí

g=1 mm

Hệ số dây quấn

kw=0.93

18


Tỷ số sức điện động với điện áp pha

𝜀 = 0.8

- Thơng số stator, rotor, nam châm
Thơng số
Đường kính ngồi stator
Đường kính trong stator
Độ dày stator
Số rãnh stator
Hệ số lấp đầy xếp chồng
Thông số rãnh

Thông số dây quấn
Loại thép rotor và stator
Đường kính ngồi rotor
Đường kính trong rotor
Độ dày rotor
Độ che phủ của nam châm
Kích thước nam châm

Giá trị
120 mm
69 mm
50 mm
24 rãnh
0.95
wbi= 27 mm, d1= 1.5 mm, d2=1.5 mm,
d3= 20 mm, wbs=3.5 mm, ws= 1.5 mm
ddq= 0.65 mm, Nsl= 90 vòng
M27_24G
120 mm
69 mm
52 mm
𝛼𝑀 = 0.7
Ro= 34,5 mm , Rn= 60 mm, l = 2,8 mm

Thơng số

Giá trị

Stator
Hình dạng và kích thước rãnh Stator:

Hs0:
Hs2:
Bs0:
Bs1:
Bs2:

Hệ số lấp đầy rãnh lớn nhất
Số vịng dây/1 rãnh
Số vịng dây/pha
Đường kính dây quấn
Trọng lượng Stator

1 mm
25,294 mm
2 mm
5,348 mm
5,348 mm

75%
160 vòng
640 vòng
0,404 mm
4.342 kg

19


Trọng lượng lõi thép
Trọng lượng nam châm
Mật độ từ thông

Mật độ từ thông răng Stator
Mật độ từ thông thân Stator
Mật độ từ thông thân Rotor
Mật độ từ thông NCVC
Mật độ từ thơng khe hở khơng khí
Tổn hao và hiệu suất
Tổn hao lõi thép
Tổn hao đồng
Hiệu suất

2.861 kg
0.128 kg
1,409 T
1,250 T
0,459 T
0,765 T
0,709 T
22,4 W
70,8 W
91,47%

3.1.3 Xây dựng mơ hình 3D của động cơ AFPM trên FEM
Chia lưới đề xuất cho AFPM
TT
1
2
3
4

Thành phần

Stator
Rotor
Dây quấn
Nam châm

Đồ thị mật độ từ thông khe hở
khơng khí so với độ điện.

Số mắt lưới
16856
14187
15280
147077

Kết quả mơ phỏng FEM 3D

20


Nhận xét: Đường đi của từ trường
trong động cơ khép kín, bắt đầu từ
nguồn từ trường (NCVC) à qua
các răng stator à qua gông stator
à trở lại rotor, đúng theo lý thuyết
mạch từ của AFPM.
. Lực từ F theo các trục x,y,z:
Thành phần lực
Giá trị
F(x)
0,24 N

F(y)
0,04 N
F(z)
1.844 N

3.3 Quy trình thiết kế AFPM cho FESS
Start

Cài đặt thông số: loại máy: Cơng suất, tốc
độ, điện áp, số đơi cực, kích thước Stator,
Rotor, nam châm, trục, kích thước khe hở
khơng khí

Cài đặt chọn vật liệu, bộ dây quấn, ...

Chạy mô phỏng để tính tốn về hiệu suất,
tổn hao, đáp ứng mơ men, ...

Kiểm tra thông
số

Chia lưới và mô phỏng FEM 3D

Kiểm tra thông
số

Đưa ra bộ thông số
thiết kế

21



Chương 4. Chế tạo mơ hình thử nghiệm động cơ từ thông
dọc trục
4.1 Thông số chế tạo: theo thông số tại mục 3.1.2
4.2 Quy trình gia cơng
- Chế tạo theo quy trình:
Bắt đầu

Bắt đầu

Chọn tơn SI,
INOX

Chọn tơn SI,
INOX

Chế tạo đồ gá,
Tạo thanh tôn

Chế tạo đồ gá,
Tạo thanh tôn

Định vị phôi
và đồ gá,
Chuẩn bị Trục

Định vị phôi
và đồ gá


Quấn thân Rotor

Quấn thân Stator
Ko
Ko đạt
đạt

Ko
Ko đạt
đạt
Kiểm tra

Kiểm tra
Đạt
Đạt

Đạt
Đạt
Ủ thân Stator

Gia công rãnh

Định vị Nam
châm

Ủ thân Stator

Kết thúc

Kết thúc


4.3 Triển khai thực nghiệm và đo kiểm
- Đo kiểm tra động cơ
Giá trị điện trở các pha

22


- Kiểm tra AFPM ở chế độ
không tải Đặt tốc độ định mức
(f=100
Hz,
=3000
vòng/phút):
- Kiểm tra động cơ M2 ở chế
độ máy phát:

Dạng sóng EMF

- Kiểm tra động cơ M2 khi
nối tải

Dạng sóng điện áp, dịng
điện ở chế độ có tải

Dạng sóng cơng suất, điện
áp, dịng điện ở chế độ nạp,
chờ, xả.

23