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

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

NGUYỄN DANH HUY

NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG TÍCH
HỢP TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ- BÁNH ĐÀ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. BÙI QUỐC KHÁNH

Hà Nội – 2019


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
trong luận án hoàn toàn trung thực và chưa từng được tác giả khác công bố.
Người hướng dẫn khoa học

Hà Nội, ngày 24 tháng 05 năm 2019
Tác giả luận án

PGS.TS Bùi Quốc Khánh

Nguyễn Danh Huy

i

LỜI CẢM ƠN

Vượt qua một thử thách dài và khó khăn để có được kết quả này, tôi đã nhận
được sự giúp đỡ, động viên của nhiều người. Tôi rất biết ơn thầy hướng dẫn PGS Bùi
Quốc Khánh đã tận tình hướng dẫn chuyên môn và động viên tôi hoàn thành quyển
luận án. Xin trân trọng cảm ơn các thầy, các cô, các bạn đồng nghiệp tại Bộ môn Tự
động hóa Công nghiệp và nhiều bạn bè trong trường đã hỗ trợ, ủng hộ về mọi mặt
trong quá trình nghiên cứu của tôi. Cảm ơn gia đình đã chia sẻ và tạo mọi điều kiện
để tôi yên tâm hoàn thành công việc nghiên cứu cũng như tất cả công việc cơ quan,
xã hội.
Hà Nội, ngày 24 tháng 05 năm 2019

Nguyễn Danh Huy

ii


MỤC LỤC
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ............................................................................................ vii
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... xv
1 CHƯƠNG 1 ................................................................................................................ 1
.
KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ - BÁNH ĐÀ TÍCH HỢP Ổ TỪ
CHỦ ĐỘNG ...................................................................................................................... 1
1.1. Lịch sử phát triển hệ tích lũy năng lượng dùng bánh đà ....................................... 1
1.2. Tổng quan về hệ truyền động động cơ - bánh đà có tích hợp ổ đỡ từ. ................... 4
1.3. Phân tích nguyên lý chung hệ TĐ ĐC-BĐ có tích hợp ổ đỡ từ. ............................. 9

1.3.1. Nguyên lý làm việc của bánh đà. .................................................................... 10
1.3.2. Nguyên lý làm việc của hệ truyền động động cơ – bánh đà............................. 11
1.3.3. Nguyên lý làm việc của ổ đỡ từ ...................................................................... 11
1.4. Tổng quan các phương pháp điều khiển ổ từ chủ động trong hệ truyền động động
cơ-bánh đà. .................................................................................................................. 16
1.5. Định hướng nghiên cứu...................................................................................... 19
1.5.1. Chọn cấu hình ổ từ chủ động ......................................................................... 19
1.5.2. Xây dựng mô hình điều khiển ổ từ .................................................................. 22
1.5.3. Thiết kế điều khiển ......................................................................................... 22
1.5.4. Xây dựng mô hình thử nghiệm........................................................................ 22
1.6.

Kết luận ............................................................................................................. 22

2
CHƯƠNG 2 .............................................................................................................. 23
.
XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ - BÁNH
ĐÀ TÍCH HỢP Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG .................................................................................. 23
2.1. Động học quá trình điện cơ của ổ từ. ................................................................. 23
2.1.1. Động học quá trình điện cơ của ổ từ kép. ....................................................... 23
2.1.2. Phương trình trạng thái cho một ổ từ chủ động. ............................................. 25
2.2. Động lực học của hệ ổ từ chủ động trong truyền động động cơ-bánh đà. ........... 26
2.2.1. Phân tích lực cho hệ ổ từ. .............................................................................. 26
2.2.2. Động lực học của hệ ổ từ chủ động trong hệ tọa độ u, v, w . .......................... 30
2.2.3. Chuyển vị điều khiển. ..................................................................................... 41
2.2.4. Động lực học của bánh đà nâng bằng ổ từ trong hệ z, θ x, θy . ......................... 44
2.3. Cấu trúc chung hệ điều khiển ổ từ tích hợp trong hệ TĐ ĐC-BĐ. ....................... 45
2.4. Phân tích mô hình điều khiển. ............................................................................ 47
2.4.1. Đặc điểm về điều khiển: ................................................................................. 47

iii


2.4.2. Đặc điểm về hoạt động: ................................................................................. 48
2.5. Kết luận. ............................................................................................................ 49
3 CHƯƠNG 3 .............................................................................................................. 50
.
THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH CHO HỆ Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG CỦA TRUYỀN
ĐỘNG ĐỘNG CƠ - BÁNH ĐÀ ........................................................................................ 50
3.1. Phân tích tính phi tuyến của mô hình động lực học ổ từ ..................................... 50
3.2. Thiết kế tuyến tính hóa cho một ổ từ kép. ........................................................... 51
3.3. Thiết kế điều khiển nâng theo mô hình tuyến tính của một cặp ổ từ. ................... 56
3.3.1. Tổng hợp mạch vòng điều khiển vị trí. ........................................................... 56
3.3.2. Mô phỏng điều khiển nâng theo mô hình tuyến tính của một cặp ổ từ ............. 57
3.4. Thiết kế điều khiển nâng bánh đà theo mô hình tuyến tính của ổ từ. ................... 61
3.4.1. Mô phỏng hệ 3 ổ từ điều khiển tuyến tính. ...................................................... 63
3.5. Nhận xét. ........................................................................................................... 70
3.6. Kết luận. ............................................................................................................ 70
4 Chương 4 .................................................................................................................. 72
.
THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO HỆ Ổ TỪ CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ
– BÁNH ĐÀ THEO NGUYÊN LÝ PHẲNG ....................................................................... 72
4.1. Nguyên lý phẳng và điều khiển phẳng ................................................................ 72
4.1.1. Định nghĩa hệ phẳng...................................................................................... 72
4.1.2. Thiết kế quỹ đạo đặt. ...................................................................................... 75
4.2. Thiết kế điều khiển phẳng khi nâng cho hệ ổ từ của truyền động động cơ–bánh đà
theo hệ tọa độ u, v, w. ................................................................................................... 79
4.2.1. Thiết kế điều khiển theo phương pháp tựa phẳng. .......................................... 79
4.2.2. Thiết kế điều khiển quá trình nâng lên vị trí cân bằng. ................................... 85

4.2.3. Thiết kế điều khiển duy trì ở vùng vị trí cân bằng. .......................................... 92
4.2.4. Thiết kế bù nhiễu bằng bộ bù feedforward...................................................... 94
4.3. Thiết kế điều khiển phẳng cho hệ bánh đà-ổ từ trong hệ z, θ x, θy ........................ 96
4.3.1. Điều khiển nâng bánh đà lên vị trí cân bằng. ................................................. 96
4.3.2. Duy trì bánh đà ở vị trí cân bằng. .................................................................. 98
4.3.3. Mô phỏng điều khiển phi tuyến hệ bánh đà ổ từ. ............................................ 99
4.4. Kết luận, đánh giá. ........................................................................................... 100
5
.

CHƯƠNG 5 ............................................................................................................ 101
5.1.

Mô tả cấu hình thí nghiệm................................................................................ 101

5.2. Trình tự thực hiện thí nghiệm: .......................................................................... 101
5.2.1. Thiết lập ghép nối DSP với các tín hiệu vào/ra điều khiển hệ ổ từ. ............... 101

iv


5.2.2. Thiết lập ghép nối DSP với các tín hiệu vào/ra điều khiển động cơ truyền động
bánh đà. .................................................................................................................. 104
5.3. Xây dựng giao diện thí nghiệm. ........................................................................ 105
5.3.1. Giao diện thí nghiệm điều khiển theo hệ u, v, w............................................ 106
5.3.2. Giao diện thí nghiệm điều khiển theo hệ u, v, w............................................ 108
5.4. Thí nghiệm và lấy kết quả của giai đoạn nâng tĩnh. .......................................... 110
5.4.1. Nâng tĩnh khi điều khiển theo u,v, w ............................................................. 110
5.4.2. Nâng tĩnh điều khiển theo z, θ x, θy. ............................................................... 111
5.5. Thí nghiệm khởi động và duy trì tốc độ bánh đà. .............................................. 112

5.6. Thí nghiệm quá trình xả cho bánh đà. .............................................................. 114
5.7. Thí nghiệm điều khiển phi tuyến ....................................................................... 116
5.7.1. Xây dựng giao diện vận hành, giám sát cho phương pháp phi tuyến. ............ 116
5.8.

Kết luận. .......................................................................................................... 119

6. PHỤ LỤC ............................................................................................................... 129
6.1. Thông số thiết kế .............................................................................................. 129
6.2.

Thiết kế bánh đà............................................................................................... 129

6.3. Thiết kế ổ từ. .................................................................................................... 131
6.3.1. Tính toán lực nâng cho ổ từ ......................................................................... 132
6.3.2. Tính toán các thông số nam châm điện. ....................................................... 133
6.3.3. Chọn cảm biến đo vị trí và hệ đo vị trí. ........................................................ 135
6.3.4. Thiết kế cụm bệ đỡ bánh đà.......................................................................... 136
6.3.5. Thiết kế khung vỏ hệ bánh đà: ...................................................................... 137
6.3.6. Cơ cấu lắp cảm biến. ................................................................................... 139
6.3.7. Chế tạo, lắp ráp bánh đà, nam châm và cảm biến vị trí. ............................... 139
6.3.8. Lắp ráp cụm nắp dưới: ................................................................................ 139
6.3.9. Lắp ráp cụm nắp trên: ................................................................................. 140
6.3.10. Lắp ráp bánh đà .......................................................................................... 141
6.3.11. Lắp ráp khung vỏ và cảm biến. .................................................................... 141
6.4. Thiết kế chế tạo các bộ biến đổi công suất, đo lường và điều khiển cho các ổ từ.
142
6.4.1. Thiết kế mạch khuyếch đại công suất ........................................................... 142
6.4.2. Thiết kế mạch điều khiển dòng điện.............................................................. 147
6.4.3. Hiệu chỉnh bộ điều chỉnh dòng điện ............................................................. 150

v


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Viết tắt
FESS

Ghi chú Tiếng Anh
Flywheel Energy Store System

Ý nghĩa

Hệ thống tích trữ năng lượng
bánh đà

KERS

Kinetic Energy Recovery Systems

Hệ thống thu hồi năng lượng
bằng động năng

UPS

Uninteruptible Power Supply

Cấp nguồn không gián đoạn

PWM

Pulse Width Modulation

Điều chế độ rộng xung Hệ

MLS

Magnetic Levitation System

thống nâng từ Xử lý tín hiệu

DSP

Digital Signal Proccessing

số

ADC

Analog to Digital Converter

Chuyển đổi tương tự sang số

DAC

Digital to Analog Converter

Chuyển đổi số sang tương tự

SMC

Sliding Mode Control

Điều khiển chế độ trượt

PID

Proportional Integral Derivative

Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân
– đạo hàm

DOD

Depth of Discharge

Độ xả sâu

BBĐ

Bộ biến đổi

vi


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Ký hiệu

Đơn vị

Fem

N

Lực điện từ

m

kg

g

m / s2

Khối lượng bánh đà
Gia tốc trọng trường

e

m

Khe hở không khí

z

m

Độ lệch vị trí đọc trục

B

Wb / m2

L1 , L2

H

Ý nghĩa

Mật độ từ thông
Điện cảm cuộn dây nam châm
Điện trở cuộn dây nam châm

R1 , R2

Độ từ thẩm của vật liệu sắt từ
Độ từ thẩm của môi trường chân không

0

r

Độ từ thẩm tương đối

n

Số vòng dây

Wa

Năng lượng tích trữ

Ka

Hệ số tỷ lệ với dòng điện

Kn

Hệ số tỷ lệ với độ dịch chuyển

KP

Hệ số khuếch đại của bộ điều khiển

KD

Hệ số đạo hàm của bộ điều khiển

KI

Hệ số tích phân của bộ điều khiển

s

Toán tử Laplace

A

m

Tiết diện mạch từ
2

Hệ số cấu tạo nam châm ổ từ
Fu , Fv , Fw

N

Lực điện từ của các ổ từ tại các góc u , v , w

zu , z v , zw

m

Độ lệch vị trí tại các góc bánh đà

F

N

Lực điện từ dọc trục

ze

M ,M
xe

x

,

ye

y

Nm

Mô men điện từ lật theo trục x, y

rad

Góc nghiêng theo trục x, y

vii


N

F

Lực nhiễu dọc trục

zd

M ,M
xd

yd

Jx,Jy,Jz

N .m . s2

Mô men nhiễu theo trục quay x, y
Mô men quán tính theo các trục x, y, z

r

mBán kính tác động của ổ từ lên bánh đà

D

mĐường kính vành ngoài bánh đà

d

mĐường kính vành trong bánh đà

H

mChiều dày bánh đà
A
Dòng điện các cuộn dây nam châm

i ,i ,i
1u

Nm

1v

1w

i ,i ,i
2u

2v

I0
Tbx

2w

A

Dòng điện tiền từ hóa (dòng điện lệch)

s

Chu kỳ điều chế độ rộng xung của bộ biến đổi

viii


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Bánh đà đã được thử nghiệm bởi USFS................................................................ 3
Hình 1.2. Hệ bánh đà do hãng Pillar (Đức) chế tạo............................................................ 3
Hình 1.3. Hệ thống FES dùng bánh đà của hãng Beacon Power...................................... 4
Hình 1.4. Một số kiểu FESS cỡ nhỏ dùng bánh đà............................................................... 4
Hình 1.5. Hệ thống động cơ - bánh đà với ổ từ 5 bậc tự do............................................... 5

Hình 1.6. Cấu tạo hệ thống bánh đà tích trữ năng lượng điển hình................................. 9
Hình 1.7. Nguyên tắc cơ bản nam châm điện...................................................................... 12
Hình 1.8. Mô hình hệ nâng vật bằng lò xo............................................................................ 12
Hình 1.9. Cấu trúc cơ bản của ổ từ chủ động...................................................................... 13
Hình 1.10. Đặc tính quan hệ lực điện từ theo dòng điện.................................................. 15
Hình 1.11. Hệ nâng từ bằng nam châm kép (ổ từ kép)....................................................... 15
Hình 1.12. Cấu hình hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ làm mô hình thử
nghiệm........................................................................................................................................... 20
Hình 1.13. Cấu hình hệ ổ từ của mô hình thử nghiệm....................................................... 21
Hình 2.1. Mô tả ổ từ kép với hai nam châm điện................................................................ 24
Hình 2.2. Cấu trúc một cơ cấu ổ từ........................................................................................ 25
Hình 2.3. Phân tích lực bánh đà trong các hệ tọa độ......................................................... 26
Hình 2.4. Tính quy đổi giữa hệ (u, v, w) và (z,

x, y

) về vị trí và lực.......................... 28

Hình 2.5. Mô tả các ổ từ tương đương trong hệ ( z, x , y ).................................................. 41
Hình 2.6. Tương quan giữa các dòng điện i2 z , i2 x ,i2 y và i2 u , i2 v ,i2w.......................43
Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý điều khiển ổ từ chủ động trong mô hình truyền động động
cơ -bánh đà................................................................................................................................... 46
Hình 2.8. Cấu trúc điều khiển ổ từ trong hệ ổ từ chủ động trong mô hình truyền động
động cơ -bánh đà........................................................................................................................ 47
Hình 3.1. Quan hệ giữa lực F và dòng điện i của các nam châm điện.......................... 51
Hình 3.2. Nguyên lý ổ từ với dòng điện tiền từ hóa............................................................ 51

ix

Hình 3.3. Cấu trúc điều khiển ổ từ kép khi có dòng tiền từ hóa I0.................................. 52
Hình 3.4. Đặc tính F(iC) với các giá trị I0 khác nhau......................................................... 54
Hình 3.5. Cấu trúc ổ từ tại điểm làm việc tuyến tính.......................................................... 54
Hình 3.6. Đặc tính F(iC) với các giá trị I0 khác nhau khi y=0 (điểm cân bằng)..........55
Hình 3.7. Đặc tính F(y) với các giá trị I0 khác nhau khi iC=0......................................... 55
Hình 3.8. Đặc tính F(iC) với I0 = 1,8A khi z thay đổi......................................................... 56
Hình 3.9. Đặc tính F(iC) với I0 = 1,8A tại z=0 (điểm cân bằng)..................................... 56
Hình 3.10. Cấu trúc mạch vòng vị trí lân cận điểm cân bằng......................................... 57
Hình 3.11. Kết quả mô phỏng điều khiển ổ từ theo mô hình tuyến tính hóa.................57
Hình 3.12. Cấu trúc điều khiển đầy đủ cho một ổ từ theo mô hình tuyến tính.............58
Hình 3.13. Mô phỏng ổ từ đơn nâng từ điểm (z

0,01mm) tới điểm cân bằng với

mạch vòng dòng điện lý tưởng và không có hạn chế tốc độ lượng đặt.......................... 58
Hình 3.14. Mô phỏng ổ từ đơn nâng từ điểm (z

0,1mm) tới điểm cân bằng với mạch

vòng dòng điện lý tưởng và có hạn chế tốc độ lượng đặt.................................................. 59
Hình 3.15. Vị trí (a), dòng điện (b), điện áp (c), của ổ từ với nguồn 250VDC............60
Hình 3.16. Cấu trúc điều khiển tuyến tính hệ bánh đà ổ từ theo z, x , y ........................63
Hình 3.17. Vị trí z, x , y (a); zu ,z v , zw (b); dòng điện i z , i x ,i y (c) và iu , iv ,iw (d) với

vị trí ban đầu nằm ngang, không có nhiễu............................................................................ 64
Hình 3.18. Vị trí z, x , y (a); zu ,zv ,zw (b); dòng điện điều khiển i z , i x ,i y (c) và

iu , iv ,iw (d) với vị trí ban đầu nghiêng, không có nhiễu ngoài tác động...................... 65
Hình 3.19. Vị trí z, x , y (a); zu ,zv ,zw (b); dòng điện i z , i x ,i y (c) và iu , iv ,iw (d) với

vị trí ban đầu nghiêng, có nhiễu ngoài tác động lên bánh đà.......................................... 66
Hình 3.20. Lực nhiễu tác động lên bánh đà tại các góc (a) và dao động vị trí (b). . 67
Hình 3.21. Động học bánh đà khi quay................................................................................. 68
Hình 3.22. Vị trí z, x , y khi bánh đà không quay (a) và quay (b), có nhiễu.................. 68
Hình 3.23. Tốc độ quay và lực nhiễu tác động vào bánh đà khi tăng tốc.....................69

x


Hình 3.24. Vị trí z, x , y khi nâng bánh đà từ vị trí ban đầu xa điểm cân bằng............69
Hình 4.1. Cấu trúc tựa phẳng với mô hình ngược làm bộ điều khiển feedforward. . 73
Hình 4.2. Cấu trúc điều khiển tựa phẳng với 2 bộ điều khiển feedforward và feedback.

74
Hình 4.3. Cấu trúc điều khiển tựa phẳng với khâu tạo quỹ đạo đặt............................... 74
Hình 4.4. Bộ điều khiển truyền thẳng (tính toán dòng điện đặt)..................................... 83
Hình 4.5. Cấu trúc điều khiển tựa phẳng cho hệ đối xứng............................................... 86
Hình 4.6. Quỹ đạo đặt z j1 , zj 2 và z**j1 ,z**j2........................................................................ 87
Hình 4.7. Quỹ đạo đặt, quỹ đạo thực khi chưa có khâu bù sai lệch mô hình...............87
Hình 4.8. Khâu bù sai lệch mô hình....................................................................................... 88
Hình 4.9. Cấu trúc điều khiển phẳng có bù sai lệch mô hình cho ổ từ góc u...............88
Hình 4.10. Vị trí (a), điện áp (b), dòng điện (c), của ổ từ điều khiển phẳng................89
Hình 4.11. Vị trí (a), điện áp (b), dòng điện (c), của ổ từ điều khiển phẳng................. 90
Hình 4.12. Vị trí (a), điện áp (b), dòng điện (c), của ổ từ điều khiển phẳng................91
Hình 4.13. Vị trí (a), dòng điện (b), của ổ từ....................................................................... 93
Hình 4.14. Vị trí các góc (a) khi có lực nhiễu cân bằng tác động (b)............................ 94
Hình 4.15.Cấu trúc hệ điều khiển tựa phẳng với khâu bù nhiễu feedforward.............94
Hình 4.16. Khâu bù nhiễu feedforward................................................................................. 95
Hình 4.17. Vị trí (a) và lực nhiễu tác động (b) khi hệ có bù feedforward.....................95
Hình 4.18. Vị trí các góc u, v, w của bánh đà khi có nhiễu không đối xứng.................96

Hình 4.19. Khâu bù sai lệch mô hình và tính toán dòng điện cho trục z....................... 97
Hình 4.20. Khâu bù và tính toán dòng điện đặt cho chuyển động

x........................... 98

Hình 4.21. Cấu trúc điều khiển phẳng hệ ổ từ chủ động trong hệ z, x , y.......................98
Hình 4.22. Vị trí zu , z v , zw (a); z, x , y (b) khi nhiễu tác động lên bánh đà (c) trong
một quá trình hoạt động của hệ truyền động động cơ – bánh đà.................................... 99
Hình 5.1. Cấu hình hệ thí nghiệm......................................................................................... 101
Hình 5.2. Cấu hình kênh vào đo vị trí cho dS-1104.......................................................... 102
xi


Hình 5.3. Cấu hình kênh ra đặt dòng điện cho dS-1104................................................. 104
Hình 5.4. Cấu hình hệ truyền động động cơ để nạp (quay) và xả (hãm) cho bánh đà.
104
Hình 5.5. Biến tấn và trở xả để nạp và xả cho bánh đà.................................................. 105
Hình 5.6. Giao diện điều khiển tuyến tính theo u, v, w.................................................... 106
Hình 5.7. Phần nhập vị trí đặt, hiển thị vị trí thực và sai lệch vị trí mỗi góc.............107
Hình 5.8. Phần nhập các thông số bộ PID điều chỉnh vị trí.......................................... 107
Hình 5.9. Phần hiển thị các giá trị ra của của bộ điều khiển vị trí và của từng thành
phần (P, I, D) của bộ điều chỉnh........................................................................................... 107
Hình 5.10. Phần đặt dòng từ hóa I0 và hiển thị dòng điện đặt...................................... 107
Hình 5.11. Giao diện điều khiển tuyến tính theo z, θx, θy............................................... 108
Hình 5.12. Phần giao diện nhập vị trí, góc đặt, hiển thị vị trí và góc thực khi điều
khiển theo z, θx, θy................................................................................................................... 109
Hình 5.13. Phần nhập các thông số bộ điều chỉnh vị trí................................................. 109
Hình 5.14. Phần hiển thị các giá trị ra của của bộ điều khiển z, θx, θy và giá trị
chuyển đổi sang u, v, w............................................................................................................ 109
Hình 5.15. Phần đặt dòng từ hóa I0 và hiển thị dòng điện đặt...................................... 109

Hình 5.16. Vị trí và góc nghiêng khi nâng tĩnh theo u, v, w........................................... 110
Hình 5.17. Vị trí và góc nghiêng khi nâng tĩnh theo z, θx, θy.......................................... 111
Hình 5.18. Vị trí và góc nghiêng khi quay ở 1350 v/phút............................................... 113
Hình 5.19. Vị trí và góc nghiêng tại thời điểm hãm bánh đà dùng (xả)......................115
Hình 5.20. Giao diện thử nghiệm thuật toán tạo quỹ đạo đặt....................................... 116
Hình 5.21. Thử nghiệm tạo quỹ đạo đặt vị trí trên ControlDesk................................... 117
Hình 5.22. Thử nghiệm tạo quỹ đạo đặt dòng điện trên ControlDesk......................... 117
Hình 5.23. Tín hiệu ra đặt dòng điện thực của dS1104................................................... 118
Hình 5.24. Sai lệch tín hiệu ra đặt dòng điện thực do giới hạn tốc độ tính toán của
dS1104......................................................................................................................................... 118
Hình 6.1. HÌnh dạng bánh đà mô hình................................................................................ 129
Hình 6.2. Thiết kế chi tiết bánh đà....................................................................................... 131
xii


Hình 6.3. Thiết kế trục bánh đà............................................................................................. 131
Hình 6.4. Tính chọn kích thước mạch từ............................................................................. 133
Hình 6.5. Kích thước mạch từ nam châm........................................................................... 134
Hình 6.6. Thiết kế cụm nam châm........................................................................................ 134
Hình 6.7. Bố trí lắp ổ từ và ghép nối bánh đà – động cơ/máy phát............................. 137
Hình 6.8. Thiết kế khung vỏ ngoài........................................................................................ 138
Hình 6.9. Thiết kế nắp trên và nắp dưới.............................................................................. 138
Hình 6.10. Thiết kế cơ cấu lắp cảm biến............................................................................. 139
Hình 6.11. Cụm nắp dưới đã lắp ráp................................................................................... 140
Hình 6.12. Cụm nắp trên đã lắp ráp.................................................................................... 140
Hình 6.13. Hệ ổ từ - bánh đà – đông cơ đã lắp ráp......................................................... 141
Hình 6.14. Lắp đặt khung vỏ và cảm biến.......................................................................... 141
Hình 6.15. Sơ đồ nguyên lý ghép nối IR2110 cho mạch lực........................................... 143
Hình 6.16. Cảm biến đo dòng Hall và cách kết nối......................................................... 144
Hình 6.17. Mạch công suất với đo dòng dùng LA25P..................................................... 144

Hình 6.18. Sơ đồ mạch lực bộ biến đổi............................................................................... 145
Hình 6.19. Mạch lực bộ băm xung đã lắp ráp................................................................... 146
Hình 6.20. Mạch vòng dòng điện điều khiển các nam châm điện................................ 148
Hình 6.21. Mạch điều khiển dòng điện............................................................................... 149
Hình 6.22. Mạch điều khiển đã lắp ráp............................................................................... 150
Hình 6.23. Đáp ứng bộ điều khiển dòng điện.................................................................... 151

xiii


DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1. Thông số mô hình thực nghiệm …………………………………………….42

xiv


Mở đầu

MỞ ĐẦU

i.

Tính cấp thiết của việc nghiên cứu nghiên cứu hệ truyền động động
cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.
Hệ truyền động động cơ – bánh đà (TĐ ĐC-BĐ) là hệ mà trong đó ngoài động

cơ thì có thêm bánh đà. Trong hệ này bánh đà cũng đóng vai trò là một thành phần
của nguồn động lực, có vai trò hỗ trợ cho động cơ. Trong các hệ thống có bánh đà
thông thường thì bánh đà nối với động cơ qua cơ cấu truyền giảm tốc, ví dụ như trong

các cơ cấu truyền động trục cán, máy nghiền, truyền động cho các phương tiện hạng
nặng như đường sắt, đường thủy.
Tuy nhiên, một hướng ứng dụng mới và đang rất được quan tâm nghiên cứu của
hệ TĐ ĐC-BĐ là trong hệ thống lưu trữ năng lượng bằng bánh đà (FESS - flywheel
energy storage system). Trong hệ này, năng lượng được tích lũy bằng động năng của
bánh đà, động cơ truyền động cho bánh đà quay lên tốc độ rất cao khi nạp năng
lượng. Năng lượng sau đó có phát ra dưới dạng cơ năng khi bánh đà truyền chuyển
động quay cho phụ tải cơ. Nếu phụ tải cơ của bánh đà là máy phát điện thì FESS có
thể cung cấp điện năng cho hệ thống. FESS đã được ứng dụng trong các lĩnh vực
công nghệ cao, thiết bị đặc biệt và bắt đầu được nghiên cứu để ứng dụng rộng rãi hơn
trong các máy móc, thiết bị phục vụ đời sống. Một số lĩnh vực trong đó ứng dụng
FESS hiệu quả như là:
- Làm nguồn dự phòng tác động nhanh, ví dụ UPS bảo vệ cho các hệ thống dữ
liệu khi mất điện lưới. FES có thể cung cấp công suất tới megawatt để đảm bảo
khả năng đáp ứng nhanh của lưới điện tại một khu vực.
- Dùng để truyền động cho bơm làm mát thanh nhiên liệu trong lò phản ứng nhà
máy điện hạt nhân khi mất điện. FES có thể truyền động trực tiếp cho bơm hoặc
phát điện.
- Cung cấp công suất đỉnh cho lưới điện và là một phần quan trọng trong hệ thống
quản lý phân phối năng lượng trong các hệ thống dùng nguồn năng lượng tái tạo
(năng lượng gió hay năng lượng mặt trời).

xv


Mở đầu

- Ứng dụng trong các cơ cấu phục hồi năng lượng (KERS) trên các ô tô lai giúp
tăng hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu.
- Có thể dùng làm thiết bị nạp và cấp năng lượng cho các xe bus chạy điện trong

thành phố mà không cần dùng pin hay acquy là các thiết bị rất không thân thiện
với môi trường.
Theo nguyên lý cơ học, động năng tích trữ trong bánh đà tỷ lệ bậc hai với tốc độ
quay, tỷ lệ bậc hai với bán kính bánh đà (bậc 4 nếu dạng hình trụ dài), và tỷ lệ với
khối lượng. Các yếu tố bán kính và khối lượng là các thông số cấu tạo, về cơ bản để
tăng các thông số đó cũng đồng nghĩa với việc phải tăng kích thước thiết bị, dùng vật
liệu có trọng lượng riêng lớn do đó tăng giá thành hệ thống. Khía cạnh khác, khi kích
thước lớn, khối lượng lớn sẽ ảnh hưởng đến khả năng làm việc ổn định, bền bỉ của hệ
thống. Trong khi đó, việc tăng tốc độ mang lại đạt hiệu quả tích trữ năng lượng cao
hơn nhiều và cho phép hệ có kích thước nhỏ nhưng khả năng lưu trữ năng lượng lớn,
tức là mật độ năng lượng, mật độ công suất cao.
Do vậy, trong thực tế truyền động bánh đà thường được thiết kế để làm việc ở
vùng tốc độ rất cao (10.000 – 60.000 vòng/phút).
Thông thường, bánh đà gồm cả bánh đà tốc độ cao có thể dùng ổ đỡ cơ khí.
Dùng ổ đỡ cơ khí cho phép hệ thống có cấu tạo đơn giản nhưng đòi hỏi công nghệ,
chất lượng gia công, và vật liệu đặc biệt, mặc dù vậy vẫn không đảm bảo hoạt động
được ở tốc độ cao với thời gian dài, đặc biệt với tốc độ rất cao như nêu trên. Sử dụng
ổ đỡ cơ gây hạn chế rất nhiều cho hệ do các vấn đề:
- Ma sát lớn, đây là nguyên nhân chính gây tổn hao năng lượng của bánh đà. Ma
sát trong hệ TĐ BĐ-ĐC gồm ma sát của ổ đỡ cơ khí, mặc dù ổ đỡ cơ khí có cấu
tạo và chất lượng cao vẫn là kiểu ổ cơ, tiếp xúc cơ khí nên vẫn gây tổn thất. Ma
sát gây tổn thất chính cho bánh đà là ma sát với không khí khi bánh đà quay tốc
độ cao. Để loại trừ ma sát này, hệ truyền động bánh đà được đặt trong buồng
chân không hoặc áp suất thấp.
- Ổ đỡ cơ khí, phải bảo dưỡng, thay thế thường xuyên do tuổi thọ ngắn. Điều này
gần như không thể cho phép thực hiện đối với hệ bánh đà phải làm việc liên tục,
ví dụ như trong các hệ thống cấp nguồn không gián đoạn UPS.
xvi

Mở đầu

Do vậy, các hệ truyền động động cơ - bánh đà cần dùng một giải pháp khác làm
ổ đỡ để nâng cao chất lượng, đó là dùng các cơ cấu nâng bằng từ trường (ổ từ). Cơ
cấu ổ từ khắc phục hoàn toàn các hạn chế của ổ bi cơ sẽ không có tiếp xúc cơ, do vậy
không có ma sát và không cần bảo dưỡng, bôi trơn.
Với việc dùng ổ đỡ từ để nâng bánh đà đã loại bỏ được ma sát, hao mòn và bảo
dưỡng, qua đó cho phép phát huy tối đa tính năng để trở thành một thiết bị lưu trữ và
cung cấp năng lượng tiên tiến và thân thiện với môi trường. Chúng góp phần mạnh
mẽ trong việc phát triển các thiết bị lưu trữ và cung cấp điện năng từ các nguồn năng
lượng tái tạo hoặc thay thế cho acquy trong nhiều lĩnh vực qua đó giúp giảm bớt việc
sử dụng một sản phẩm độc hại trong sản xuất, sử dụng và đặc biệt khi sau khi loại bỏ.
Cơ cấu nâng bằng từ trường có thể dùng nam châm vĩnh cửu, vật liệu siêu dẫn
hay nam châm điện từ. Trong đó:
- Nam châm vĩnh cửu đơn giản nhưng không đảm bảo hệ thống ổn định do không
điều khiển được. Nam châm vĩnh cửu thường dùng kết hợp với nam châm điện
trong đó nam châm vĩnh cửu tạo phần lực nâng chủ đạo còn nam châm điện
dùng điều khiển với vai trò “trợ lực”. Tuy nhiên hệ này có nhược điểm là chế
tạo lắp ráp rất phức tạp và cần chế tạo nam châm vĩnh cửu phù hợp với bánh đà
- Dùng công nghệ vật liệu siêu dẫn thì khó ứng dụng trong điều kiện bên ngoài
phòng thí nghiệm vì quá phức tạp.
- Trong khi đó, nam châm điện từ đã được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều
lĩnh vực. Ổ đỡ từ dùng nam châm điện cho phép bánh đà làm việc ổn định trong
nhiều điều kiện khác nhau và linh hoạt. Cơ cấu nâng bằng từ trường sử dụng
nguyên lý nâng không tiêp xúc bằng lực từ. Hệ thống nâng không tiếp xúc dùng
lực từ đã được nghiên cứu ứng dụng trong các lĩnh vực như thiết bị chống rung,
máy điện quay, tàu cao tốc đệm từ MAGLEV (Magnetic levitation train) ...
Khi hệ TĐ ĐC-BĐ dùng ổ từ chủ động, chuyển động quay của bánh đà và hoạt
động nâng hoặc giữ vị trí bánh đà của ổ từ tác động lẫn nhau và tác động lớn đến đến
chất lượng truyền động của hệ truyền động cũng như tính năng hoạt động chung của

hệ thống. Việc điều khiển ổ từ một cách phù hợp sẽ nâng cao chất lượng và tính năng
vận hành của hệ TĐ ĐC-BĐ.
xvii


Mở đầu

ii. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu a.
Đối tượng nghiên cứu:
Một hệ TĐ ĐC-BĐ có tích hợp ổ từ bao gồm cơ cấu bánh đà kết nối với động
cơ (máy phát) và cơ cấu ổ từ để nâng bánh đà hoặc cả phần quay gồm bánh đà - rotor.
Hệ TĐ ĐC-BĐ có tích hợp ổ từ là hệ chưa có sản phẩm thương mại sản xuất loạt và
chuẩn hóa như các hệ truyền động truyền thống khác. Do vậy, hiện nay đang có nhiều
hướng có thể nghiên cứu, phát triển về hệ này bao gồm:
- Nghiên cứu, thiết kế bánh đà: gồm hình dạng, kích thước, vật liệu chế tạo và lắp
đặt bành đà.
- Nghiên cứu, thiết kế ổ từ: gồm hình dạng, kích thước, vật liệu chế tạo và lắp đặt
ổ từ.
- Nghiên cứu điều khiển hệ bánh đà - ổ từ: gồm điều khiển cơ cấu nam châm điện
của ổ từ, điều khiển hệ bánh đà ổ từ …
Khác với hệ dùng ổ đỡ cơ khi mà cơ cấu quay có thể hoạt động bất kỳ lúc nào
thì đối với hệ có tích hợp ổ từ, cơ cấu quay chỉ có thể bắt đầu làm việc sau khi ổ từ đã
di chuyển và ổn định phần quay ở vị trí cân bằng (giữa ổ từ). Đồng thời trong quá
trình hoạt động của hệ, chuyển động quay của động cơ – bánh đà cũng tương tác với
cơ cấu ổ từ và ảnh hưởng lẫn nhau. Do vậy, việc điều khiển ổ từ không chỉ điều khiển
ổn định vị trí cân bằng (vị trí làm việc) khi có các tác động nhiễu do chuyển động
quay của động cơ – bánh đà gây ra mà còn phải hoạt động phù hợp với các trạng thái
vận hành của cả hệ truyền động theo công nghệ.
Do vậy, đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ điều khiển ổ từ chủ động tích
hợp trong hệ truyền động động cơ – bánh đà.

b. Phạm vi nghiên cứu:
Với hệ TĐ ĐC-BĐ có tích hợp ổ từ, đối tượng chủ đạo cần điều khiển là ổ từ
với phần tử tạo lực nâng là nam châm điện- đây là một phần tử điện từ điển hình. Hệ
TĐ ĐC-BĐ quay với tốc độ rất cao nên dễ mất ổn định khi nạp hoặc xả, bộ điều
khiển ổ đỡ từ đóng vai trò quan trọng trong việc giữ ổn định bánh đà.

xviii


Mở đầu

Cơ cấu chấp hành điện từ của ổ đỡ từ là các nam châm điện, mỗi cuộn dây của
nam châm điện được cung cấp năng lượng bởi một bộ biến đổi công suất và mỗi cụm
nam châm điện có thể coi là một hệ điện từ có điều khiển. Vì vậy với đối tượng đã đề
xuất, phạm vi nghiên cứu của luận án là:
Nghiên cứu thiết kế điều khiển cho ổ từ chủ động tích hợp trong hệ truyền động
động cơ - bánh đà.

iii. Phương pháp nghiên cứu.
Phương pháp nghiên cứu:
- Xây dựng mô hình của hệ truyền động động cơ - bánh đà có tích hợp ổ từ, kiểm
chứng mô hình bằng kết hợp mô phỏng và thực nghiệm.
- Nghiên cứu, thiết kế điều khiển cho ổ từ chủ động trong hệ truyền động động cơ
- bánh đà theo các phương pháp điều khiển đã đề xuất, mô phỏng và thực
nghiệm để đánh giá và hiệu chỉnh.
- Thử nghiệm phương pháp điều khiển đã thiết kế trên mô hình thực nghiệm và
đánh giá kết quả, từ đó đưa ra các hiệu chỉnh cần thiết và kết luận.
iv.

Mục tiêu và dự kiến kết quả đạt được

a. Mục tiêu của luận án:
Nghiên cứu thiết kế điều khiển phi tuyến cho ổ từ chủ động trong truyền động

động cơ - bánh đà để nâng cao chất lượng của hệ.
b. Dự kiến kết quả đạt được:
- Xây dựng được mô hình điều khiển ổ từ chủ động trong hệ truyền động động cơ
- bánh đà có tích hợp ổ từ.
- Thiết kế thành công điều khiển phi tuyến cho ổ từ chủ động trong hệ truyền
động động cơ – bánh đà.
v.

Đóng góp mới của luận án:
- Đề xuất cấu trúc hệ ổ từ mới cho hệ truyền động động cơ-bánh đà, với ba ổ từ
kép đặt lệch nhau 1200 thay cho một ổ từ kép dạng vành khăn. Cấu trúc mới có
ưu điểm: Dễ chế tạo và khi thiết kế điều khiển ba bậc tự do sẽ tạo nên sự ổn
định bánh đà khi quay, không bị nghiêng lật, chao đảo.

xix


Mở đầu

- Xây dựng động lực học tổng quát của hệ ổ từ chủ động trong truyền động động
cơ - bánh đà ở các chế độ vận hành. Đề xuất mô hình động lực học hệ ổ từ theo
hai hệ tọa độ: Tọa độ u , v, w và tọa độ z, x , y thuận lợi cho việc xây dựng mô
hình điều khiển và thiết kế điều khiển.
- Ứng dụng thành công điều khiển phi tuyến theo phương pháp tựa phẳng cho hệ
ổ từ chủ động của truyền động động cơ - bánh đà, góp phần nâng cao được chất
lượng điều khiển.
vi.

Nội dung luận án
Nội dung của luận án được trình bày trong 5 chương và một phụ lục gồm các

vấn đề nghiên cứu:
Chương1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà có tích hợp ổ từ.
Nội dung trình bày tóm tắt nguyên lý cấu tạo của ổ từ. Tóm lược các công trình
nghiên cứu về điều khiển hệ truyền động bánh đà có tích hợp ổ từ. Đề xuất mô hình
nghiên cứu hệ truyền động bánh đà có tích hợp ổ từ với ba cụm ổ từ và mô hình điều
khiển ổ từ ba bậc tự do
Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học của hệ truyền động động cơ- bánh đà có
tích hợp ổ từ chủ động.
Từ mô hình ổ từ đề xuất trong chương 1, nội dung chương 2 đi xây đựng động
lực học của hệ trong các chế độ làm việc: nâng đến vị trí cân bằng, nạp năng lượng,
giữ ổn định và phóng năng lượng. Mô hình động lực học của hệ truyền động cơ bánh đà nâng bằng ổ từ được xây dựng là hệ đa kênh và phi tuyến. Đề xuất mô hình
động lực học hệ ổ từ theo hai hệ tọa độ: Tọa độ u , v, w và tọa độ z, x , y thuận lợi cho
việc xây dựng mô hình điều khiển và thiết kế điều khiển.
Chương 3 Thiết kế điều khiển tuyến tính cho hệ ổ từ chủ động của truyền động động
cơ – bánh đà.
Xuất phát từ mô hình điều khiển hệ ổ từ trong chương 2, nội dung chương 3
xây dựng mô hình tuyến tính hóa lân cận điểm làm việc cân bằng, từ đó thiết kế điều
khiển tuyến tính cho hệ. Kết quả thu được cho thấy ưu nhược điểm và giới hạn áp
xx


Mở đầu

dụng của phương pháp thiết kế này. Đồng thời cũng chỉ ra sự cần thiết phải áp dụng
điều khiển phi tuyến cho hệ.
Chương 4 Thiết kế điều khiển phi tuyến cho hệ ổ từ chủ động của truyền động

động cơ – bánh đà.
Luận án lựa chọn áp dụng điều khiển phi tuyến theo phương pháp tựa phẳng
cho điều khiển hệ ổ từ của hệ truyền động động cơ-bánh đà. Kết quả thu được là hệ
điều khiển đáp ứng đầy đủ yêu cầu đề ra trong các chế độ làm việc, mở ra khả năng
triển khai ứng dụng vào thực tiễn.
Chương 5: Thử nghiệm hệ điều khiển ổ từ chủ động trong mô hình truyền động
động cơ - bánh đà.
Để kiểm chứng kết quả nghiên cứu xây dựng mô hình và thiết kế điều khiển
phi tuyến cho hệ ổ từ của truyền động động cơ - ổ từ, phần phụ lục (PL) đã trình bày
vấn đề thiết kế mô hình hệ truyền động động cơ – bánh đà có tích hợp ổ từ. Mô hình
được chế tạo và lắp đặt tại phòng thí nghiệm. Kết quả thực nghiệm thu được đã minh
chứng tính đúng đắn của mô hình điều khiển và thiết kế điều khiển.

xxi


Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.

1. CHƯƠNG 1
KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ - BÁNH ĐÀ
TÍCH HỢP Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG

Như đã giới thiệu trong phần mở đầu, các hệ TĐ ĐC-BĐ trong thực tế hiện nay
có thể chia thành hai nhóm. Nhóm tốc độ thấp với động cơ thông thường hoạt động
ở tốc độ 3000 vòng/phút trở xuống. Trong nhóm này bánh đà có vai trò trợ lực, giảm
chấn cho động cơ và thường nối với động cơ qua hộp giảm tốc. Điển hình là trong
các máy gia công có xung lực lớn như máy dập, máy cán, trong các hệ truyền động
công suất rất lớn, … Do chạy với tốc độ thấp, cơ cấu nặng nề nên các hệ này phù hợp
với cơ cấu ổ đỡ cơ thông thường.
Nhóm thứ hai là nhóm tốc độ cao và có một điểm đáng lưu ý là hầu như ứng

dụng trong các thiết tích lũy năng lượng dạng động năng do đặc điểm động năng tỷ
lệ bậc hai với tốc độ. Trong hệ này thì động cơ đóng vai trò chuyển đổi năng lượng
vào/ra cho bánh đà. Với tốc độ cao và rất cao nên việc sử dụng các cơ cấu chuyển đổi
tốc độ là rất hạn chế, thường rotor động cơ được nối trực tiếp với bánh đà (dùng khớp
nối linh hoạt, nối cứng trục, hoặc bánh đà kiêm luôn rotor) và chạy cùng tốc độ với
bánh đà. Với các đặc điểm về tốc độ và một số yêu cầu khác liên quan, hầu hết các hệ
TĐ ĐC-BĐ không dùng ổ đỡ cơ mà dùng ổ đỡ không tiếp xúc hay còn gọi là ổ từ.
Nhóm này đang rất được quan tâm nghiên cứu và cũng là đối tượng nghiên cứu
của luận án. Vì vậy luận án sẽ khái quát các vấn đề về ứng dụng, cấu tạo và điều
khiển của hệ TĐ ĐC-BĐ có tích hợp ổ từ.
1.1. Lịch sử phát triển hệ tích lũy năng lượng dùng bánh đà
Nguồn gốc và việc sử dụng công nghệ bánh đà để lưu trữ năng lượng cơ học đã
bắt đầu từ cách đây 100 năm và đã được phát triển trong suốt Cách mạng công
nghiệp. Bánh đà cơ khí thuần túy đã được sử dụng như một bộ giảm chấn để làm cho
máy móc chạy mềm mại hơn, ví dụ như trong các máy nghiền, các máy gia công kim
loại có tải dạng xung kích, hỗ trợ pitton trong các thiết bị như động cơ đốt trong [1].

1


Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.

Vào năm 1917, Stoloda đã có những nghiên cứu về hình dạng rotor của bánh đà
và ứng suất quay [2]. Các mốc quan trọng tiếp theo là trong thời kỳ những năm 1960
và 1970 khi NASA tài trợ cho các chương trình đề xuất dùng bánh đà lưu giữ năng
lượng làm nguồn cung cấp chính cho các thiết bị trong sứ mệnh không gian. Thập kỷ
tiếp theo đã chứng minh rằng tính năng của bánh đà "pin cơ học" đã vượt qua các loại
pin hóa học để có thể dùng cho nhiều ứng dụng [3] [4].
Tới những năm 1970, vấn đề lưu trữ năng lượng bằng bánh đà đã được đề xuất
cho các lọai xe điện và phục hồi năng lượng [5] [6]. Thập kỷ 1980, việc áp dụng các

thiết bị điện tử bán dẫn, hệ thống ổ đỡ từ và máy phát điện động cơ mật độ cao làm
cho công nghệ tích lũy năng lượng bằng bánh đà trở nên có thể áp dụng rộng rãi [7].
Thiết bị lưu trữ năng lượng động năng bao gồm một bánh đà nối với một máy
điện có thể chạy ở chế độ động cơ hoặc máy phát. Khi nạp năng lượng, điện năng
được dùng để tăng tốc cho bánh đà, tức là biến năng lượng điện thành năng lượng cơ
của bánh đà. Trong quá trình hệ thống hoạt động thì năng lượng của bánh đà được
huy động để thiết bị hoạt động ví dụ như xe điện. Khi đó năng lượng cơ năng qua bộ
biến đổi chuyển thành năng lượng điện. Một số hệ thống xe bus chạy điện dùng bánh
đà để tích năng lượng khi dừng ở trạm và cấp năng lượng để xe chạy từ trạm này tới
trạm khác (không dùng acquy), các trạm có thể cách nhau tới 6km [8] [9].
Bánh đà có nhiều ưu điểm để làm thiết bị lưu trữ năng lượng [10] [11] với:
-

Mật độ công suất cao.

-

Mật độ năng lượng cao.

-

Không suy giảm dung lượng, tuổi thọ không phụ thuộc tốc độ xả và số lần
xả như hệ thống lưu trữ bằng pin.

-

Có thể giữ cân bằng rất tốt cả khi nặng tải hoặc nhẹ tải, trong khi đó các hệ
thống dùng pin rất khó làm việc ổn định với tải thay đổi.

-

Không phải bảo dưỡng định kỳ.

-

Thời gian xạc ngắn.

-

Vật liệu chế tạo không độc hại, quá trình hoạt động không ảnh hưởng tới
môi trường.

Các thiết kế rotor bánh đà hiện nay có mật độ năng lượng có thể sử dụng từ 45
đến 90 Whrs/kg [12]. Bánh đà có thể xả năng lượng đến bằng không nhiều lần mà
2


Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.

không ảnh hưởng gì đến chất lượng, không giống như sự lão hóa của các loại pin hóa
học. Hơn nữa, hiệu suất chuyển đổi cho phép xả sâu tới 95% (depth of discharge DOD) và hơn nữa. Cũng theo [2], tổ chức USFS (hệ thống bánh đà Mỹ) đã thực hiện
thử nghiệm hệ thống bánh đà theo chu trình nạp và xả sâu tới 90% với số chu trình
lên tới 50.000 lần mà tính năng vẫn không bị suy giảm, bánh đà hoạt động với tốc độ
60.000 vòng/phút, tương ứng với tốc độ ngoài vành là 1km/s. Tương tự, đại học
Austin ở Texas đã thử nghiệm một bánh đà bằng vật liệu tổng hợp hoạt động với tốc
độ khoảng 48.000 vòng/phút với hơn 90.000 chu kỳ nạp-xả mà tính năng cũng không
suy giảm [10].

Hình 1.1. Bánh đà đã được thử nghiệm bởi USFS.

Hình 1.2. Hệ bánh đà do hãng Pillar (Đức) chế tạo.
3