Luận án tiến sĩ nghiên cứu điều khiển hệ thống tích trữ năng lượng bánh đà sử dụng biến tần ma trận gián tiếp và động cơ từ trường dọc trục

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỖ NGUYÊN HƯNG

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TÍCH TRỮ
NĂNG LƯỢNG BÁNH ĐÀ SỬ DỤNG BIẾN TẦN MA TRẬN
GIÁN TIẾP VÀ ĐỘNG CƠ TỪ TRƯỜNG DỌC TRỤC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội - 2023

Hà Nội – 20…


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỖ NGUYÊN HƯNG

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TÍCH TRỮ
NĂNG LƯỢNG BÁNH ĐÀ SỬ DỤNG BIẾN TẦN MA TRẬN
GIÁN TIẾP VÀ ĐỘNG CƠ TỪ TRƯỜNG DỌC TRỤC

Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 9520216

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS Trần Trọng Minh

2. TS. Đỗ Mạnh Cường

Hà Nội - 2023


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng
dẫn của tập thể hướng dẫn. Tài liệu tham khảo trong luận án được trích dẫn đầy
đủ. Các kết quả nghiên cứu của luận án là trung thực và chưa từng được các tác
giả khác công bố.
Hà Nội, ngày … tháng 11 năm 2023
Nghiên cứu sinh

Tập thể hướng dẫn khoa học

PGS.TS. Trần Trọng Minh

TS. Đỗ Mạnh Cường

i

Đỗ Nguyên Hưng


LỜI CẢM ƠN
Trải qua một thời gian nghiên cứu dài, khó khăn và nhiều thử thách, tác giả
cũng đã hồn thành bản luận án. Trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu, tác
giả đã luôn nhận được sự giúp đỡ hỗ trợ của các đơn vị chuyên môn, tập thể hướng
dẫn, các nhà khoa học, gia đình và đồng nghiệp.
Qua đây tác giả muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc tới tập thể hướng dẫn đã tâm

huyết hướng dẫn tác giả trong suốt thời gian nghiên cứu.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp, tập
thể Bộ mơn Tự động hóa Cơng nghiệp trước đây, nay là khoa Tự động hố đã có
những đóng góp q báu, đã nhiệt tình giúp đỡ, cung cấp tài liệu tham khảo và đã
hỗ trợ về thiết bị thí nghiệm, hướng dẫn vận hành để tác giả có thể hồn thành một
số thực nghiệm của luận án. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Phòng đào tạo và
các đơn vị chức năng của Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi
cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện đề tài luận án.
Đặc biệt, tác giả gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè ln ủng hộ, chia sẻ cả
về tinh thần và vật chất để tác giả hoàn thành nội dung nghiên cứu này.
Tác giả luận án

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................... ii
MỤC LỤC........................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ............................................ vi
1. Danh mục các từ viết tắt ………………………………………………….vi
2. Danh mục các ký hiệu ……………………………………………………vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................ ix
DANH MỤC HÌNH VẼ....................................................................................... x
MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ……………………………………………………1
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu …………………………………………2
3. Mục tiêu nghiên cứu ………………………………………………………2
4. Phương pháp nghiên cứu ………………………………………………….2
5. Những đóng góp mới của luận án …………………………………………3

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn …………………………………………….3
7. Bố cục và nội dung của luận án ……………………………………………4
CHƯƠNG 1 ......................................................................................................... 5
TỔNG QUAN HỆ THỐNG LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG BÁNH ĐÀ ............... 5
1.1 Cấu tạo và chế độ làm việc của FESS................................................. 5
1.1.1 Cấu tạo của FESS ............................................................................. 5
1.1.2 Chế độ làm việc của FESS ............................................................... 7
1.2 Động cơ từ trường dọc trục (AFPM) …………………………………….9
1.2.1 Sự phù hợp của AFPM và RFPM khi sử dụng cho FESS ............... 9
1.2.2 Các loại động cơ AFPM ................................................................. 10
1.3 Bộ biến đổi điện tử công suất…………………………………………...11
1.3.1 Bộ biến đổi Back to Back (BTB) ................................................... 12
1.3.2 Bộ biến đổi Ma trận (MC) ............................................................. 13
1.4 Các vấn đề đặt ra với FESS …………………………………………….15
1.4.1 Yêu cầu về động cơ AFPM stator kép tích hợp bánh đà. .............. 16
1.4.2 Yêu cầu về bộ biến đổi điện tử công suất ...................................... 16
1.4.3 Tổng hợp điều khiển cho FESS ..................................................... 17
1.5 Nội dung nghiên cứu ……………………………………………………17

iii


1.6 Kết luận chương 1……………………………………………………….17
CHƯƠNG 2 ....................................................................................................... 19
NGHIÊN CỨU BỘ BIẾN ĐỔI MA TRẬN ĐIỀU CHẾ GIÁN TIẾP ĐẦU RA
KÉP TRONG HỆ THỐNG LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG ................................. 19
BÁNH ĐÀ ....... ………………………………………………………………..19
2.1 Mơ hình bán vật lý AFPM stator kép……………………………………19
2.1.1 Mơ hình AFPM trên hệ tọa độ dq .................................................. 20
2.1.2 Mơ hình tốn học và mơ hình bán vật lý của AFPM stator kép .... 24

2.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển AFPM stator kép…………………………25
2.2.1 Mạch vòng điều khiển dòng điện ................................................... 26
2.2.2 Mạch vòng điều khiển tốc độ ......................................................... 28
2.2.3 Mạch vịng điều chỉnh vị trí dọc trục ............................................. 30
2.3 Hệ thống điều khiển AFPM stator kép bằng bộ biến đổi BTB………….31
2.3.1 Cấu trúc chung ............................................................................... 31
2.3.2 Mạch vòng dòng điện .................................................................... 31
2.3.3 Mạch vòng điện áp một chiều ........................................................ 34
2.3.4 Mô phỏng hệ thống điều khiển AFPM stator kép bằng BTB ........ 35
2.4 Hệ thống điều khiển AFPM stator kép bằng bộ biến đổi IMC………….43
2.4.1 Phân tích cấu trúc IMC – AFPM stator kép ................................... 43
2.4.2 Điều chế vector khơng gian cho phía nghịch lưu .......................... 44
2.4.3. Điều chế vector khơng gian cho phía chỉnh lưu ........................... 49
2.4.4 Liên kết giữa chỉnh lưu và nghịch lưu ........................................... 53
2.4.5 Thực hiện điều khiển IMC đầu ra kép ........................................... 54
2.4.6. Mô phỏng IMC đầu ra kép nối tải RL........................................... 58
2.4.7 Mô phỏng hệ thống điều khiển AFPM stator kép bằng IMC ....... 62
2.5 Kết luận chương 2……………………………………………………….70
CHƯƠNG 3 ....................................................................................................... 72
THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRƯỜNG DỌC TRỤC ...................... 72
3.1 Thiết kế AFPM
72
3.1.1 Cơ sở lý thuyết ............................................................................... 72
3.1.2 Đề xuất cơng suất AFPM thiết kế .................................................. 76
3.1.3 Tính chọn thông số của AFPM stator kép ..................................... 76
3.1.4 Mô phỏng trên phần mềm FEM ..................................................... 77

iv

3.2 Xây dựng mơ hình 3D của động cơ AFPM trên FEM

80

3.2.1 Mơ hình 3D .................................................................................... 80
3.2.2 Chia lưới đề xuất cho AFPM ......................................................... 81
3.2.3 Kết quả mô phỏng FEM 3D .......................................................... 82
3.3 Đề xuất quy trình thiết kế và bộ thông số AFPM

83

3.3.1 Thông số của AFPM ...................................................................... 83
3.3.2 Quy trình thiết kế AFPM cho FESS .............................................. 84
3.4 Kết luận chương 3……………………………………………………….84
CHƯƠNG 4 ....................................................................................................... 86
CHẾ TẠO MƠ HÌNH THỬ NGHIỆM ............................................................. 86
ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ THÔNG DỌC TRỤC............................................ 86
4.1 Mơ hình AFPM stator kép………………………………………………86
4.2 Các bước chế tạo AFPM stator kép……………………………………..87
4.2.1 Chọn vật liệu chế tạo ...................................................................... 87
4.2.2 Chế tạo Stator ................................................................................. 88
4.2.3 Chế tạo Rotor ................................................................................. 89
4.2.4 Chế tạo Nam châm ......................................................................... 90
4.2.5 Chế tạo Trục ................................................................................... 91
4.3 Triển khai thực nghiệm và đo kiểm……………………………………..91
4.4 Kết luận chương 4……………………………………………………….97
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................... 98
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ........... 100
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 101
PHỤ LỤC A ..................................................................................................... 109

PHỤ LỤC B ..................................................................................................... 111
PHỤ LỤC C ..................................................................................................... 113
PHỤ LỤC D ..................................................................................................... 116
PHỤ LỤC E ..................................................................................................... 118

v


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
1. Danh mục các từ viết tắt
a/ Danh mục tiếng Anh
Từ viết
Ý nghĩa tiếng Anh
tắt
2D, 3D Dimension
AC
Alternating Current
Axial flux permanent magnet
AFPM
motor

Ý nghĩa tiếng Việt
Khơng gian 2 chiều, 3 chiều
Dịng điện xoay chiều
Động cơ nam châm vĩnh cửu từ
thơng dọc trục

avg

Average

Trung bình

BESS

Battery Energy Storage System

BLDC

Brushless DC Motor

BTB

Back to Back

Bộ biến đổi BTB

CS

Capacitor Energy Storage
System

Hệ thống lưu trữ năng lượng tụ
điện

DC

Direct Current

Dòng điện một chiều

DG

Distributed generation

Nguồn phát điện phân tán

DMC

Direct Matrix Converter

Bộ biến đổi ma trận trực tiếp

EMF

Back - electromotive force

Sức phản điện động

ESS

Energy Storage System

Hệ thống lưu trữ năng lượng

FEM

Finite Element Method

Phương pháp phần tử hữu hạn

FESS

Flywheel Energy Storage
System

Hệ thống lưu trữ năng lượng
bánh đà

IM

Induction motor

Động cơ không đồng bộ

IMC

Indirect Matrix converter

Bộ biến đổi ma trận điều chế
gián tiếp

Max

Maximize

Tối đa

MC

Matrix converter

Bộ biến đổi ma trận

MG

Microgrid

Lưới điện siêu nhỏ

Min

Minimize

Tối thiểu

PLL

Phase-lock loop

Vịng khóa pha

PM

Permanent magnet

Nam châm vĩnh cửu

vi

Hệ thống lưu trữ năng lượng ắc
quy
Động cơ một chiều không chổi
than


PMSM

Permanent Magnet
Synchronous Machine

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu

PWM

Pulses With Modulation

Điều chế độ rộng xung

RFPM

Radial flux permanent magnet
motor

Động cơ từ thơng hướng tâm
kích thích nam châm vĩnh cửu

rpm

Revolution per minute

Vịng/phút

VRM
Variable Reluctance Motor
Động cơ từ trở biến thiên
b/Danh mục tiếng Việt
Ký hiệu
Ý nghĩa tiếng việt
NLTT
Năng lượng tái tạo
2. Danh mục các ký hiệu
Ký hiệu
Đơn vị
Ý Nghĩa
E
J
Năng lượng
Bmg
T
Mật độ từ thông tại khe hở khơng khí
D0
m
Đường kính ngồi của stator
ddq
m
Đường kính dây quấn
Di
m

Đường kính ngồi của stator
g
m
Độ dày khe hở khơng khí
2
J
kg.m
Mơ men quán tính
lM
m
Độ dày của nam châm
Lrot
m
Độ dày của rotor
lsat
m
Độ dày stator
m
kg
Trọng lượng bánh đà
N
vòng
Số vòng dây mỗi pha
Nsl
vòng
Số vòng dây mỗi rãnh stator
r
m
Bán kính
TL

N.m
Mơ men tải
Rad/s
Vận tóc góc

(vịng/phút)
Wbi
m
Độ dày của gơng từ




Tesla
H
Ampe
Vơn
H/m

Từ thơng
Điện cảm
Dịng điện
Điện áp
Từ thẩm

T
C
G
P

N.m
F
N
W

Mơ men
Tụ điện
Trọng lực
Công suất


L
i

vii


Ký hiệu

Ý nghĩa
Hệ số dây quấn
Số pha
Số cặp cực
Số rãnh của mỗi pha dưới một cực

kw
m
p
q

Hệ toạ độ quay dq
Hệ toạ độ abc
Hệ toạ độ 
Cuộn dây tương đương phía rotor
Góc tạo bởi véc tơ dịng điện
Động cơ M1
Động cơ M2
Hệ số điều chế
Góc pha

dq
abc


Nf

i
M1
M2
d



M

Lực dọc trục
Bán kính
Độ che phủ nam châm

Uc

Điện áp tụ

F
R

viii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Thành phần của FESS ........................................................................ 16
Bảng 2.1 Thơng số bộ biến đổi, chỉnh lưu tích cực ........................................... 35
Bảng 2.2 Thông số động cơ AFPM stator kép ................................................... 36
Bảng 2.3 Thời gian và tốc độ động cơ trong chu kì đầu ................................... 37
Bảng 2.4 Các trạng thái chuyển mạch của phần nghịch lưu ............................ 45
Bảng2.5 Chuyển đổi trạng thái và các điện áp đầu ra........................................ 46
Bảng 2.6 Chuyển đổi trạng thái và các pha dòng đầu vào tạo ra ....................... 49
Bảng 2.10 Thông số bộ lọc, tải .......................................................................... 58
Bảng 2.11 Thông số nguồn và điện áp, tần số ................................................... 58
Bảng 2.10 Thông số bộ lọc ................................................................................ 63
Bảng 2.11 Thông số động cơ AFPM stator kép ................................................. 63
Bảng 2.12 Thời gian và tốc độ động cơ trong chu kì đầu .................................. 64
Bảng 3.1: Thơng số AFPM đề xuất thiết kế và thử nghiệm cho FESS ............. 76
Bảng 3.2 Thông số stator, rotor, nam châm ....................................................... 77
Bảng 3.3 Các bước thực hiện khai báo và chọn thông số cho AFPM trên FEM ...
.......................................................................................................... 77
Bảng 3.4 Một số thông số tính tốn ................................................................... 78
Bảng 3.5. Số mắt lưới các bộ phận của động cơ và vùng biên chân không. ..... 81
Bảng 4.1 Các chi tiết chính của mơ hình thực nghiệm ...................................... 87
Bảng 4.2 Kích thước thân Stator ........................................................................ 88

Bảng 4.3 Thơng số dây quấn.............................................................................. 88
Bảng 4.4 Kích thước Rotor ................................................................................ 89
Bảng 4.6 Giá trị điện trở các pha ....................................................................... 92
Bảng 4.7 Điện áp và dòng điện ở chế độ không tải ........................................... 93
Bảng 4.8 Tần số và tốc độ .................................................................................. 93
Bảng 4.9 Tần số và sức điện động phản kháng EMF ........................................ 94
Bảng 4.10 Tần số và U,I,P ................................................................................. 95
Bảng D.4 Khai báo thông số rotor ................................................................... 117
Bảng D.5 Khai báo thông số Nam châm.......................................................... 117

ix


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Cấu tạo và thành phần của FESS ........................................................ 5
Hình 1.2 Hệ số K của các dạng hình học bánh đà khác nhau (nguồn [16]) ...... 6
Hình 1.3 Đặc tính làm việc của bánh đà ............................................................ 8
Hình 1.4 AFPM loại 1 mặt (Nguồn [31]) ........................................................ 10
Hình 1.5 AFPM loại stator kép........................................................................ 11
Hình 1.6 AFPM nhiều mặt (Nguồn [31]). ....................................................... 11
Hình 1.7 Cấu trúc hệ FESS sử dụng bộ biến đổi AC-DC-AC (Nguồn [41]) .. 12
Hình 1.8 Cấu trúc hệ FESS sử dụng bộ biến đổi DMC (Nguồn [51]) ............ 13
Hình 1.9 Cấu trúc bộ biến đổi IMC ................................................................. 14
Hình 1.10 Cấu trúc AFPM và bánh đà trong FESS (Nguồn [37]) .................... 15
Hình 2.1 Cấu trúc AFPM stator kép ................................................................ 20
Hình 2.2 Vị trí rotor và hệ toạ độ dq (Nguồn [70]) ......................................... 20
Hình 2.3 Mơ hình tốn học AFPM stator kép ................................................ 25
Hình 2.4 Mơ hình bán vật lý AFPM stator kép ............................................... 25
Hình 2.5 Cấu trúc hệ thống điều khiển AFPM stator kép ............................... 26
Hình 2.6 Cấu trúc điều khiển dòng điện bù xen kênh ..................................... 27

Hình 2.7 Cấu trúc bộ điều khiển dịng stator ................................................... 27
Hình 2.8 Cấu trúc của bộ điều khiển tốc độ .................................................... 29
Hình 2.9 Mạch vịng điều khiển vị trí ............................................................. 30
Hình 2.10 Cấu trúc điều khiển BTB đầu ra kép – AFPM stator kép ................ 31
Hình 2.11 Sơ đồ mạch tương đương của chỉnh lưu tích cực sử dụng mạch lọc
LCL
……………………………………………………………………..32
Hình 2.12 Cấu trúc vịng điều khiển dịng điện bù xen kênh ............................ 33
Hình 2.13 Mạch vịng điều chỉnh dịng điện ..................................................... 33
Hình 2.14 Mạch vịng điện áp trên miền tốn tử Laplace ................................. 34
Hình 2.15 Mơ hình mơ phỏng hệ thống ............................................................ 35
Hình 2.16 Tốc độ đặt ......................................................................................... 36
Hình 2.17 Đáp ứng tốc độ của AFPM ............................................................... 37
Hình 2.18 Đáp ứng vị trí z ................................................................................. 37
Hình 2.19 Điện áp trên tụ DC link ................................................................... 38
Hình 2.20 Dịng điện Id1, Iq1, Id2, Iq2 khi điều khiển bằng BTB ......................... 39

x


Hình 2.21 Lực F1, F2 khi điều khiển bằng BTB ............................................... 41
Hình 2.22 Mơ men Te của AFPM ..................................................................... 41
Hình 2.23 Năng lượng E khi điều khiển bằng BTB .......................................... 42
Hình 2.24 Cơng suất P ....................................................................................... 42
Hình 2.25 Cấu trúc IMC đầu ra kép nối tải R,L ................................................ 44
Hình 2.26 Sơ đồ nghịch lưu............................................................................... 44
Hình 2.27 Biểu đồ vector khơng gian cho phía nghịch lưu ............................... 47
Hình 2.28 Vector tham chiếu Vout trong một sector ........................................ 47
Hình 2.29 Sơ đồ chuyển mạch tại Sector I phía nghịch lưu .............................. 48
Hình 2.30 Sơ đồ chỉnh lưu ................................................................................. 49

Hình 2.31 Biểu đồ vector khơng gian cho chỉnh lưu ......................................... 51
Hình 2.32 Vector tham chiếu Iin trong một sector ............................................. 52
Hình 2.33 Sơ đồ điều chế chuyển mạch phía chỉnh lưu .................................... 53
Hình 2.34 Sơ đồ liên kết chuyển mạch tại Sector I ........................................... 54
Hình 2.35 Sơ đồ liên kết chuyển mạch điều chỉnh tại Sector I theo đề xuất xung
điều chế mới ....................................................................................................... 54
Hình 2.36 Khối điều khiển chỉnh lưu ................................................................ 56
Hình 2.37 Khối xác định các sector................................................................... 56
Hình 2.38 Khối điều khiển nghịch lưu .............................................................. 56
Hình 2.39 Khối SVM ........................................................................................ 57
Hình 2.40 Khối tính phát xung theo luật điều chế mới ..................................... 57
Hình 2.41 Khối xuất tín hiệu điều khiển nghịch lưu ......................................... 58
Hình 2.42 Điện áp uabc, điện áp dây uab, dòng điện, điện áp một chiều ảo Vpn,
dòng một chiều idc1 và idc 2. ................................................................................. 60
Hình 2.43 Đáp ứng dịng điện một chiều idc1, idc2 phóng to .............................. 60
Hình 2.44 Hệ số điều chế d , d ........................................................................ 60
Hình 2.45 Các sector ......................................................................................... 61
Hình 2.46 Đáp ứng điện áp dây Vab, dịng điện 3 pha iabc................................ 61
Hình 2.47 Điện áp Vab, dịng điện 3 pha iabc ...................................................... 62
Hình 2.48 Cấu trúc IMC đầu ra kép – AFPM stator kép................................... 62
Hình 2.49 Mơ hình mơ phỏng AFPM stator kép ............................................... 63
Hình 2.50 Đường đặc tính tốc độ của AFPM .................................................... 64

xi


Hình 2.51 Đáp ứng tốc độ khi điều khiển bằng IMC ........................................ 65
Hình 2.52 Đáp ứng vị trí z khi điều khiển bằng IMC ....................................... 65
Hình 2.53 Dịng điện Id1, Iq1, Id2,Iq2 điều khiển bằng IMC ................................ 66
Hình 2.54 Đáp ứng mơ men khi điều khiển bằng IMC ..................................... 67

Hình 2.55 Đáp ứng lực dọc trục khi điều khiển bằng IMC ............................... 68
Hình 2.56 Đáp ứng năng lượng khi điều khiển bằng IMC ................................ 69
Hình 2.57 Đáp ứng cơng suất khi điều khiển bằng IMC ................................... 70
Hình 3.1 Bố trí của dây quấn stator ................................................................. 79
Hình 3.2 Đặc tính B-H của PM ....................................................................... 79
Hình 3.3 Đặc tính B-H của thép Stator, Rotor ................................................ 80
Hình 3.4 Mật độ từ thơng khe hở khơng khí. .................................................. 80
Hình 3.5 Mơ hình 3D của AFPM .................................................................... 81
Hình 3.6 Chia lưới các thành phần động cơ và chia lưới trên stator ............... 82
Hình 3.7 Đường đi của từ trường trong động cơ và trên 1 PM ....................... 82
Hình 3.8 Mật độ từ thơng trên stator ............................................................... 83
Hình 3.9 Quy trình thiết kế và mơ phỏng AFPM ............................................ 84
Hình 4.1 Sơ đồ các chi tiết chính của mơ hình ................................................ 86
Hình 4.2 Các lớp tơn SI của thân Stator (Nguồn [82]) .................................... 88
Hình 4.3 Quy trình chế tạo Stator và Rotor .................................................... 91
Hình 4.4 Mơ hình thực nghiệm tại phịng 203 C9- ĐH BKHN ...................... 92
Hình 4.5 Sơ đồ đo kiểm AFPM ở chế độ không tải ........................................ 93
Hình 4.6 Đồ thị EMF của 3 pha ...................................................................... 94
Hình 4.7 Dạng sóng EMF ở chế độ khơng tải ................................................. 95
Hình 4.8 Sơ đồ đo kiểm khi nối tải.................................................................. 95
Hình 4.9 Dạng sóng của điện áp và dịng điện khi nối tải............................... 96
Hình 4.10 Dạng sóng dịng điện, điện áp, công suất ở chế độ nạp – chờ - xả .. 96
Hình A.1 Cấu trúc vịng khóa pha PLL .......................................................... 109
Hình B.1 Chế tạo stator và rotor .................................................................... 112
Hình D.1 Đường đặc tính B-H của nam châm vĩnh cửu ................................ 117
Hình E.1 Hình chiếu đứng của Thân Stator ................................................... 118
Hình E.2 Hình chiếu bằng của thân Stator và hình chiếu đứng của rãnh ...... 118
xii

Hình E.3 Đai Inox trong và ngồi của Stator ................................................. 118
Hình E.4 Sơ đồ đấu dây (Nguồn [70]) ........................................................... 119
Hình E.5 Hình chiếu đứng và hình chiếu bằng của thân Rotor và đai Inox .. 119
Hình E.6 Hình chiếu đứng và hình chiếu bằng của Nam châm và vị trí gắn 119
Hình E.7 Kích thước trục động cơ ................................................................. 120

xiii


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp 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[1]:
cung cấp năng lượng dự phòng hiệu quả[2][3], giúp cân bằng tải [4], giảm thiểu sự
cố về điện áp[5][6], giảm tổn thất năng lượng và tăng cường khả năng ổn định của
hệ thống điện [7][8].
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.
Các ứng dụng cụ thể của FESS trong thực tế: ổn định 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)[9], quân sự, đường sắt và giao thông bao gồm xe điện (EV),
hàng không và du hành vũ trụ, … [10][11]. Một số nghiên cứu đã cho thấy việc sử
dụng kết hợp các công nghệ lưu trữ năng lượng khác nhau như FESS và BESS có
thể hiệu quả hơn trong một số trường hợp [12].
FESS có nhiều ưu điểm: cung cấp mật độ công 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. Mặt khác, triển khai FESS sẽ góp phần
giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch và giảm lượng khí thải
gây hiệu ứng nhà kính.
Nghiên cứu về FESS liên quan đến nhiều lĩnh vực: điện – điện tử, cơ khí, vật
liệu,…Hiện nay, với sự phát triển của cơng nghệ trong các lĩnh vực, FESS đã và
đang được nghiên cứu hoàn thiện [12]. Các hướng nghiên cứu về FESS tập trung
3 vấn đề chính: tăng hiệu suất và giảm kích thước hệ thống để FESS trở thành một
giải pháp lưu trữ năng lượng hiệu quả và có thể tích hợp vào nhiều ứng dụng khác
nhau; nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ của FESS để đảm bảo hoạt động ổn định và
bền vững trong thời gian dài; giảm chi phí sản xuất và vận hành trong q trình
triển khai và sử dụng FESS [13]. Tại Việt Nam, các nghiên cứu và ứng dụng FESS
cịn khá mới mẻ, chưa có ứng dụng trong thực tế. Do vậy, việc nghiên cứu phát
triển, làm chủ công nghệ thiết kế, chế tạo FESS là rất cần thiết [3][14].
Việc nghiên cứu và ứng dụng các giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả của FESS

1


cịn phụ thuộc theo các u cầu và tính chất, phạm vi ứng dụng cụ thể. Trong cấu
trúc của FESS, bộ biến đổi công suất 2 chiều và động cơ có sẽ quyết định chính
đến hiệu suất, chất lượng FESS. Do vậy, hướng nghiên cứu và phát triển cho bộ
biến đổi công suất 2 chiều và động cơ hiện đang tập trung tìm kiếm các giải pháp
nhằm mở rộng dải công suất, tăng hiệu suất, tăng tốc độ chuyển đổi năng lượng và
kiểm sốt q trình trao đổi năng lượng hai chiều [13].
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 công nghệ lưu trữ năng lượng và lưu trữ năng lượng dạng

bánh đà.
Nghiên cứu hệ thống lưu trữ năng lượng bánh đà (FESS) là đề tài cấp thiết trong
lĩnh vực lưu trữ năng lượng. Với tầm quan trọng và tiềm năng ứng dụng của FESS
trong việc cải thiện hiệu suất hệ thống điện, tích hợp nguồn năng lượng tái tạo và
cung cấp nguồn điện ổn định, nghiên cứu về FESS có khả năng giải quyết các vấn
đề kinh tế, khoa học, xã hội và môi trường hiện nay.
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Trong luận án sẽ thực hiện nội dung và phạm vi nghiên cứu gồm:
+ Nghiên cứu và đề xuất cấu trúc hệ thống FESS, trong đó thực hiện thiết kế
điều khiển, mô phỏng và đánh giá bộ biến đổi điện tử cơng suất BTB, IMC. Trong
đó tập trung nghiên cứu và đề xuất luật điều chế điều khiển cho hệ thống IMCAFPM stator kép.
+ Nghiên cứu thiết kế chế tạo mơ hình thử nghiệm động cơ AFPM stator kép và
đề xuất quy trình thiết kế, chế tạo và đánh giá khả thi trong chế tạo động cơ.
Các kết quả đạt được có thể đưa ra các đề xuất làm cơ sở để tiếp tục phát triển
cho các nghiên cứu chuyên sâu về FESS và ứng dụng triển khai trong thực tế.
3. Mục tiêu nghiên cứu
+ Nghiên cứu hệ thống FESS sử dụng biến tần ma trận điều chế gián tiếp (IMC)
và động cơ từ trường dọc trục đầu ra kép.
+ Thiết kế, chế tạo mơ hình thử nghiệm động cơ từ trường dọc trục AFPM stator
kép sử dụng trong FESS.
4. Phương pháp nghiên cứu
+ Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:
Tổng hợp lý thuyết về hệ thống FESS, kết hợp cấu trúc cụ thể của hệ thống
FESS trên cơ sở các giả thiết phù hợp trong điều kiện thực tiễn để phân tích, tổng
2


hợp, đánh giá tính khả thi khi ứng dụng trong thực tiễn, trong đó:
- Nghiên cứu lý thuyết và mơ phỏng điều khiển bộ biến đổi BTB, IMC, trong
đó tập trung thiết kế cấu trúc, xây dựng phương pháp điều chế cho IMC, … để

đánh giá, phân tích kết quả mô phỏng và đưa ra các đề xuất, kết luận về ưu nhược
điểm của bộ biến đổi 2 chiều khi ứng dụng trong FESS.
+ Nghiên cứu lý thuyết thiết kế và mô phỏng động cơ AFPM, kết hợp phương
pháp giải tích và phương pháp số (FEM – phần tử hữu hạn) trong thiết kế động cơ
AFPM stator kép, phân tích, đánh giá kết quả và đề xuất quy trình thiết kế và bộ
thông số động cơ AFPM stator kép phục vụ chế tạo thử nghiệm.
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:
+ Nghiên cứu và xây dựng quy trình thiết kế và thực hiện chế tạo mơ hình thử
nghiệm động cơ AFPM stator kép.
+ Nghiên cứu thực nghiệm đo kiểm mô hình động cơ AFPM stator kép, phân
tích các số liệu đo kiểm và đánh giá chất lượng mơ hình, đề xuất cải tiến mơ hình
AFPM và các vấn đề kỹ thuật trong thực tiễn chế tạo.
5. Những đóng góp mới của luận án
Luận án có những đóng góp mới như sau:
- Đề xuất cấu trúc FESS gồm biến tần ma trận gián tiếp (IMC) và động cơ AFPM
stator kép, đảm bảo trao đổi năng lượng 2 chiều. Trong đó đề xuất điều chế điều
khiển IMC đầu ra kép đảm bảo điều khiển độc lập các đầu ra và đề xuất luật xung
điều khiển mới.
- Đề xuất quy trình thiết kế, thực hiện mô phỏng trên phần mềm FEM. Đề xuất
quy trình chế tạo và chế tạo mơ hình thử nghiệm AFPM stator kép.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
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 khi ứng dụng trong FESS.
Kết quả luận án đã giải quyết tương đối đầy đủ các bước thiết kế, phân tích hệ
thống (từ tính tốn thiết kế, chế tạo, mơ hình hóa, phân tích và thiết kế). Luận án
là một tài liệu tham khảo rất ý nghĩa cho việc nghiên cứu, phân tích các đối tượng
tương tự. Đồng thời các kết quả nghiên cứu của luận án cũng góp phần mang lại

những nhận thức mới về các phương pháp thiết kế, chế tạo động cơ AFPM trong
FESS.
Ý nghĩa thực tiễn: Trong điều kiện các nghiên cứu tại Việt Nam về FESS còn
khá hạn chế, các kết quả nghiên cứu của luận án góp phần hồn thiện hệ thống
FESS để đưa vào ứng dụng thực tiễn, góp phần thúc đẩy nghiên cứu ứng dụng về
3


tích trữ năng lượng và hướng tới cơng nghệ thân thiện với mơi trường; mơ hình
thử nghiệm AFPM đóng góp thêm về quy trình thiết kế, chế tạo động cơ từ trường
dọc trục. Kết quả đạt được có thể sử dụng trong các thực nghiệm của các nghiên
cứu tiếp theo về động cơ AFPM và hệ tích trữ năng lượng bánh đà.
7. Bố cục và nội dung của luận án
Luận án gồm 4 chương và phần kết luận chung, gồm nội dung chính như sau:
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 mơ 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 quá 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 công trong
thực tế.

4


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN HỆ THỐNG LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG BÁNH ĐÀ
1.1 Cấu tạo và chế độ làm việc của FESS
1.1.1 Cấu tạo của FESS
Hiện nay, FESS thường có cấu tạo và các thành phần chính như Hình 1.1, bao
gồm: động cơ điện, bộ biến đổi điện tử công suất 2 chiều, bánh đà, hệ thống ổ bi
chặn, ổ bi quay, hệ thống buồng chân không. Phụ thuộc vào thiết kế FESS mong
muốn mà các thành phần chính của FESS sẽ có các đặc điểm và tính chất khác
nhau. Cấu tạo và chức năng của các thành phần chính của FESS:
- Động cơ: tạo ra chuyển động quay cho FESS, điều chỉnh tốc độ quay của động
cơ sẽ giúp cho hệ thống FESS nạp hoặc xả năng lượng, và đảm bảo bánh đà hoạt
động ở mức tốc độ an toàn và hiệu quả. Động cơ được thiết kế có mật độ công suất
lớn và hiệu suất cao [15]. Các loại động cơ thường được sử dụng là loại động cơ
không đồng bộ hoặc động cơ đồng bộ.

Hình 1.1 Cấu tạo và thành phần của FESS
- Bộ biến đổi điện tử công suất 2 chiều: có chức năng chuyển đổi năng lượng
từ nguồn vào bánh đà (nạp và lưu trữ năng lượng) và chuyển đổi năng lượng từ
bánh đà về nguồn (xả năng lượng) khi cần thiết. Bộ biến đổi điện tử công suất 2
chiều, bao gồm: chuyển đổi DC-AC và chuyển đổi AC-DC hoặc chuyển đổi trực

tiếp (biến tần ma trận). Mỗi loại có các yêu cầu kỹ thuật khác nhau tùy thuộc vào
cấu trúc và yêu cầu của hệ thống FESS để lựa chọn loại bộ biến đổi điện tử công
suất phù hợp.
5


- Bánh đà: được gắn vào trục động cơ hoặc tích hợp cùng rotor, là bộ phận lưu
trữ năng lượng dạng động năng. Do vậy, thiết kế của bánh đà rất quan trọng đối
với khả năng lưu trữ năng lượng và thường là điểm khởi đầu của toàn bộ thiết kế
FESS. 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 [16]:
1
1
J = mr 2 = πρhr 2
(1.1)
2
2
trong đó m là khối lượng (kg), r là bán kính ngồi (m), h là chiều dài bánh đà (m)
và ρ là khối lượng riêng.
Độ bền của vật liệu làm bánh đà được xác định theo ứng suất gặp phải khi làm
việc. Cần duy trì một giới hạn an toàn phù hợp để giữ cho ứng suất do bánh đà gây
ra nhỏ hơn độ bền của vật liệu làm bánh đà [16]. Ứng suất cực đại của vật liệu làm
bánh đà (σmax) có hình dạng trụ trịn được tính theo cơng thức:
σ max = ρr 2ω2

(1.2)

Dạng hình học bánh đà cũng có ảnh hưởng đến năng lượng riêng và mật độ năng
lượng, được điều chỉnh bằng cách đưa vào hệ số hình dạng K [26]. Năng lượng
riêng và mật độ năng lượng tối đa khi đó được tính bởi:

σ
E
= K max  J / kg 
m
ρ
(1.3)
σ max 
E
3
=K
J/m

V
ρ 

Trụ rỗng
mỏng

K = 0.5

Trụ rỗng
dày

K = 0.305

Đĩa đặc

K = 0.606

Đĩa vát

K=1

Thép

Vật liệu tổng hợp

Hệ số K có các giá trị khác nhau, tùy thuộc vào dạng hình học của bánh đà, và
khác nhau được thể hiện trên Hình 1.2.

Hình 1.2 Hệ số K của các dạng hình học bánh đà khác nhau (nguồn [16])
Hiện nay, bánh đà thường được chế tạo từ vật liệu tổng hợp (composite) hoặc

6


thép:
+ Bánh đà composite: có độ bền kéo dọc cao nhưng độ bền kéo hướng tâm yếu,
điều này hạn chế khả năng lưu trữ năng lượng khi hệ thống làm việc ở tốc độ cao.
Với cấu tạo bánh đà gồm nhiều vành composite mỏng ghép lại có thể cải thiện
nhược điểm ứng suất theo hướng xuyên tâm. Tiêu chí thiết kế phổ biến cho bánh
đà composite có thể thực hiện theo nghiên cứu của Tsai–Wu [17]. Khi thiết kế tối
ưu bánh đà composite, cần xem xét độ dày của vành, phụ gia co ngót và kết hợp
vật liệu khác nhau [18][19][20].
+ Bánh đà thép: thường sử dụng ở chế độ làm việc ''tốc độ thấp'', có tổn thất cơ
học cao. Gần đây, các nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện mật độ năng lượng
bằng cách tìm ra cấu trúc hình học tối ưu [21][22]. Bánh đà thép đang được quan
tâm nhiều hơn nhờ các ưu điểm như: chi phí thấp, chế tạo dễ dàng và khả năng tái
chế tốt hơn.
- Hệ thống ổ bi chặn, ổ bi quay:

+ Hệ thống ổ bi quay được sử dụng để giữ cho bánh đà ổn định trong q trình
làm việc. Có nhiều loại ổ bi quay được sử dụng: ổ bi bánh xe, ổ bi đũa, ổ bi con
lăn và ổ bi cầu hoặc ổ bi từ [23], ổ bi gốm [24]. Loại ổ bi quay được sử dụng phụ
thuộc vào tốc độ quay của bánh đà và yêu cầu kỹ thuật của hệ thống.
+ Hệ thống ổ bi chặn được sử dụng để bánh đà làm việc ổn định theo phương
của trục hệ thống (chuyển động dọc trục). Tùy theo yêu cầu kỹ thuật, kết cấu hệ
thống mà ổ bi chặn có các yêu cầu kỹ thuật khác nhau.
- Hệ thống buồng chân khơng: Có chức năng giảm ma sát sinh ra do khơng khí
và do chuyển động cơ học của hệ thống bánh đà [16]. Khi hệ thống làm việc với
tốc độ cao, buồng chân khơng sẽ được tích hợp để hạn chế tổn thất do ma sát và
nâng cao hiệu suất của hệ thống.
Hiện nay, kích thước của FESS ngày càng nhỏ và khả năng lưu trữ năng lượng
ngày càng lớn hơn nhờ sự phát triển về công nghệ điện tử, động cơ tốc độ cao [25],
công nghệ vật liệu, cơng nghệ cơ khí, cơng nghệ vật liệu, … Các thành phần chính
cấu tạo của FESS đã và đang được tiếp tục nghiên cứu và đề xuất các giải pháp
cho các ứng dụng khác nhau nhằm đảm bảo tối ưu giá thành, nâng cao độ bền và
hiệu suất [11].
1.1.2 Chế độ làm việc của FESS
FESS có 3 chế độ làm việc: chế độ nạp năng lượng từ lưới điện, chế độ chờ và
chế độ xả năng lượng về lưới điện. Trên Hình 1.3 là đường đặc tính tốc độ tương
ứng với 3 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 tối đa dưới dạng động năng.
- Chế độ chờ (Standby Mode): bánh đà quay ổn định ở tốc độ ωmax nên động

7


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

ωmin để giải phóng năng lượng.
ω
chờ

ωmax

xả

nạp
ωmin

t1

t2

t3

t4

t

Hình 1.3 Đặc tính làm việc của bánh đà
Năng lượng tích trữ của FESS được xác định bởi hình dạng và vật liệu của Bánh
đà/rotor, tỷ lệ với momen qn tính và bình phương vận tốc góc, được xác định
theo cơng thức:
1
E = Jω2
(1.4)
2
trong đó: E là động năng tích trữ (J), J là momen qn tính (kg.m2) và ω là vận

tốc góc (rad/s).
Từ phương trình (1.1) ta thấy mơ men qn tính J phụ thuộc vào hình dạng, kích
thước, vật liệu của bánh đà và cố định theo thiết kế ban đầu của FESS. Do vậy,
theo phương trình (1.4), ta thấy tốc độ bánh đà sẽ quyết định năng lượng lưu trữ,
tốc độ quay của bánh đà càng cao thì năng lượng lưu trữ càng lớn. Ngồi ra, cũng
có thể tăng khối lượng bánh đà nhằm tăng khả năng lưu trữ, tuy nhiên khi đó khối
lượng hệ thống lớn, có thể gây bất lợi về kết cấu cơ khí và truyền động của FESS.
Trong thực tế, các thơng số kích thước và khối lượng của bánh đà thường được
thiết kế và tính chọn phù hợp với yêu cầu của FESS trong các ứng dụng khác nhau.
Năng lượng hữu ích của bánh đà phụ thuộc phạm vi tốc độ tối đa (ωmax) và tốc
độ tối thiểu (ωmin), dải tốc độ FESS có thể phát trả năng lượng hữu ích về lưới điện
và được tính theo cơng thức:
1
2
2
E = J(ωmax
- ωmin
)
(1.5)
2
Thơng thường, một bánh đà được dẫn động bằng động cơ điện, hoạt động với
giá trị ωmin / ωmax = 0,5 để tránh sự biến thiên điện áp quá lớn và cũng để giới hạn
mô-men cực đại của động cơ đối với công suất định mức nhất định. Trong trường
hợp này, 75% tổng năng lượng tích trữ có thể được huy động trở lại từ bánh đà.
Việc lựa chọn dải tốc độ làm việc (ωmax→ωmin) cũng có tác động đến hiệu suất
8


động cơ và cả hệ thống FESS [26].
Tốc độ bánh đà ở chế độ nạp và xả khi công suất P khơng đổi, được tính theo

cơng thức:

2
(1.6)
 Pdt
J
Trong đó: ω0 là tốc độ ban đầu và công suất P dương khi ở chế độ nạp và âm
khi ở chế độ xả.
Điều này rất hữu ích khi FESS được điều chỉnh để duy trì nguồn điện nạp hoặc
xả liên tục nhằm mục đích cân bằng điện năng [12].
1.2 Động cơ từ trường dọc trục (AFPM)
Động cơ là thành phần quan trọng chịu trách nhiệm thực hiện các chế độ làm
việc và ảnh hưởng hiệu suất chung của FESS [27]. Vì vậy, động cơ cần được tính
tốn và chọn lựa phù hợp trong quá trình thiết kế FESS. Các nghiên cứu đã đề xuất
và sử dụng cho FESS trong thực tế gồm 3 loại động cơ là: động cơ không đồng bộ
(IM), động cơ đồng bộ (PM) và động cơ từ trở biến thiên (VRM) [28]. Động cơ
PM được sử dụng phổ biến nhất cho FESS vì hiệu suất cao hơn, mật độ năng lượng
cao và tổn thất rotor thấp. Tuy nhiên, động cơ PM có giá thành cao và độ bền kéo
thấp [29]. Đối với động cơ PM, có thể chia thành 2 nhóm:
+ Động cơ từ thơng hướng tâm (RFPM) được rộng rãi cho nhiều ứng dụng,
trong đó có sử dụng cho FESS [30].
+ Động cơ từ thông dọc trục (AFPM) hiện đang tiếp tục được nghiên cứu và
ứng dụng trong công nghiệp và dân dụng với các ứng dụng khác nhau, trong đó có
ứng dụng cho FESS [26].
1.2.1 Sự phù hợp của AFPM và RFPM khi sử dụng cho FESS
Động cơ RFPM hay AFPM để quay bánh đà, các vấn đề điều chỉnh chế độ làm
việc có nhiều giải pháp để điều khiển 2 loại động cơ này. Tuy nhiên, có một số vấn
đề cần đánh giá về sự phù hợp khi sử dụng 2 loại động cơ này khi sử dụng trong
FESS:
+ Đối với động cơ RFPM, với cấu trúc có từ thơng hướng tâm, khi kết nối với

bánh đà sẽ có một số hạn chế: khó mở rộng cơng suất hay mơ men, khó thay đổi
cấu trúc động cơ (dây quấn stator hay số cực). Mặt khác, động cơ RFPM khi làm
việc không tạo ra lực dọc trục, điều này dẫn tới hệ thống sẽ xuất hiện tổn hao và
độ bền của tại ổ bi chặn khi hệ thống đặt theo phương thẳng đứng. Kích thước của
hệ thống FESS sẽ lớn hơn do động cơ và bánh đà nối đồng trục và tách biệt nhau,
do vậy việc điều chỉnh cân bằng rotor sẽ khó khăn hơn.
+ Ngược lại, động cơ AFPM, với cấu trúc có từ thơng hướng dọc trục, kết cấu
stator và rotor dạng đĩa nên dễ dàng mở rộng công suất, mô men thông qua thay
đổi kiểu dây quấn hoặc số cực nam châm hoặc thêm các mặt ghép Stator - Rotor.
ω = ω02 +

9


Khi AFPM làm việc luôn tạo ra một lực dọc trục, thực hiện điều khiển cân bằng
lực dọc trục sẽ giúp cho giảm tổn hao và lực tác động lên ổ trục bi chặn (nâng).
Hơn nữa, với kết cấu rotor dạng đĩa nên bánh đà thường được tích hợp cùng với
rotor sẽ giảm kích thước của hệ thống và dễ điều khiển rotor cân bằng hơn [31][32].
Theo tài liệu [33], khi so sánh bao gồm các khối lượng đồng, thép, nam châm,
tổn thất đồng và sắt, mơmen qn tính, mơmen xoắn trên một đơn vị công suất
giữa động cơ AFPM và RFPM, với dải công suất từ từ 0,25 kW đến 10 kW và tốc
độ định mức 2000 vòng/phút cho 0,25kW và 1000 vịng/phút cho các dải cơng suất
cịn lại. Kết quả động cơ AFPM có các thơng số tối ưu hơn động cơ RFPM khối
lượng vật liệu, thể tích và công suất, mô men, tổn hao trong cùng đơn vị công suất.
Kết luận: Qua tổng hợp các nghiên cứu và phân tích về đặc điểm, cấu tạo của
động cơ RFPM và AFPM, ta thấy AFPM có nhiều ưu điểm và phù hợp hơn RFPM
khi ứng dụng trong FESS.
1.2.2 Các loại động cơ AFPM
AFPM có thể phân thành 3 loại theo cấu trúc: kiểu 1 mặt (single sided), kiểu
stator kép (double sided) và kiểu đa mặt (Multi side). Cấu tạo stator gồm lõi thép

kỹ thuật điện và các cuộn dây 3 pha, các cuộn dây có thể bố trí theo các sơ đồ cấu
trúc khác nhau để tăng mô men, giảm tổn hao. Cấu tạo rotor gồm các lá thép kỹ
thuật điện, có dạng hình đĩa với các nam châm vĩnh cửu được gắn trên bề mặt hoặc
nam châm có thể đặt trong thân của rotor. Stator và rotor động cơ được gắn trên
cùng một trục [31].
+ AFPM một mặt (single side)
Cấu trúc AFPM 1 mặt như Hình 1.4, một đĩa rotor đối diện với stator tương ứng.
Cấu trúc AFPM loại này đơn giản, có momen xoắn thấp, khi động cơ làm việc sẽ
sinh ra lực hút dọc trục làm ổ bi chịu lực, gây ra tổn thất ma sát. Lực dọc trục này
có thể làm xoắn cấu trúc, gây ra dao động lớn khi động cơ có cơng suất lớn.

Hình 1.4 AFPM loại 1 mặt (Nguồn [31])
Các lực dọc trục có thể được giảm thiểu hoặc triệt tiêu thơng qua cấu trúc động
cơ được thiết kế như khơng có rãnh stator hoặc sử dụng các phương pháp điều
khiển tích cực, đây cũng là điểm hạn chế chính của AFPM 1 mặt. Mơ men, cơng
suất của AFPM 1 mặt có thể tăng lên bằng cách tăng đường kính của động cơ, vì
mơ men là hàm phụ thuộc vào đường kính động cơ (stator, rotor) [34][35][36].
+ AFPM stator kép (double side)
10