Hội nghị khoa học toàn quốc về cơ khí - điện - Tự động hóa

Nội dung text: Hội nghị khoa học toàn quốc về cơ khí - điện - Tự động hóa

1. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA CƠ – ĐIỆN HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐIỆN - TỰ ĐỘNG HĨA National Conference on Mechanical, Electrical, Automation Engineering (MEAE2021) CÁC CHỦ ĐỀ CHÍNH CỦA HỘI NGHỊ ➢ Kỹ thuật Cơ khí, Cơ khí động lực; ➢ Kỹ thuật Điện, Điện t ử, Điện cơng nghiệp; ➢ Năng lượng, Năng lượng tái tạo; ➢ Tự động hĩa, Robot, Cơ điện tử; ➢ Cơng nghệ thơng tin và trí tuệ nhân tạo; ➢ và những tiến bộ kỹ thuật trong các lĩnh vực kể trên. i
2. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) BAN TỔ CHỨC 1. GS.TS. Trần Thanh Hải, Trường ĐH Mỏ - Địa chất, Trưởng ban 2. GS.TS. Bùi Xuân Nam, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Phĩ Trưởng ban 3. PGS.TS. Triệu Hùng Trường, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Phĩ Trưởng ban 4. PGS.TS Khổng Cao Phong, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Phĩ Trưởng ban 5. TS. Ngơ Thanh Tuấn, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Phĩ Trưởng ban 6. PGS.TS Nguyễn Đức Khốt, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Ủy viên 7. PGS.TS Nguyễn Văn Xơ, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Ủy viên 8. PGS.TS Đỗ Như Ý, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Ủy viên 9. TS. Nguyễn Thạc Khánh, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Ủy viên 10. ThS Hà Văn Thủy, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Ủy viên 11. PGS.TS Đào Huy Du, Trường ĐH CN Thái Nguyên, Ủy viên 12. PGS.TS Trần Thế Văn, Trường ĐH SPKT Hưng Yên, Ủy viên 13. TS. Đồn Yên Thế, Trường ĐH Thủy Lợi, Ủy viên 14. TS. Đỗ Trung Hiếu, Viên cơ khí năng lượng và Mỏ, Ủy viên 15. TS. Lưu Hồng Việt, Cơng ty Cognex Việt Nam, Ủy viên 16. Ơng Đỗ Mạnh Cường, Ban Khoa học cơng nghệ Mỏ KCM – Vinacomin, Ủy viên 17. Ơng Nguyễn Vũ Cường, Tổng cơng ty thiết bị điện – Đơng Anh, Ủy viên 18. Ơng Nguyễn Xuân Huy, Cơng ty TNHH Cơ khí chính xác, Dịch vụ & Thương mại Việt Nam, Ủy viên 19. Ơng Nguyễn Đình Thống, Viện KHCN Mỏ, Ủy viên 20. Ơng Nguyễn Hải Long, Cơng ty CP cơ khí Mạo Khê-Vinacomin, Ủy viên 21. Ơng Lê Văn Minh, Cơng ty than Vàng Danh – Vinacomin, Ủy viên 22. Ơng Phạm Xuân Phi, Cơng ty CP Cơng nghiệp ơ tơ Vinacomin, Ủy viên 23. Ơng Nguyễn Văn Sơn, Cơng ty than Hà Lầm – Vinacomin, Ủy viên 24. Ơng Phạm Anh Tuấn, Cơng ty CP Cơ khí Hịn Gai –Vinacomin, Ủy viên 25. Ơng Trần Hữu Phúc, Trường Đại học Cơng nghiệp Quảng Ninh, Ủy viên 26. Ơng Đào Viết Tuấn, Ban Cơ điện – Vận tải-TKV, Ủy viên ii
3. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) BAN KHOA HỌC 1. PGS.TS. Khổng Cao Phong, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Trưởng ban 2. TS. Ngơ Thanh Tuấn, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Phĩ Trưởng ban 3. TS Trần Đức Huân, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Phĩ Trưởng ban 4. PGS.TS Đỗ Ngọc Anh, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Phĩ Trưởng ban 5. PGS.TS Nguyễn Đức Khốt, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Ủy viên 6. PGS.TS. Kim Ngọc Linh, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Ủy viên 7. PGS.TS. Phạm Trung Sơn, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Ủy viên 8. PGS.TS. Đinh Văn Thắng, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Ủy viên 9. PGS.TS. Nguyễn Văn Xơ, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Ủy viên 10. PGS.TS. Đỗ Như Ý, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Ủy viên 11. TS. Nguyễn Thạc Khánh, Trường ĐH Mỏ-Địa chất, Ủy viên 12. PGS.TS Trần Thế Văn, Trường ĐH SPKT Hưng Yên, Ủy viên 13. TS. Đồn Yên Thế, Trường ĐH Thủy Lợi, Ủy viên 14. PGS.TS Đào Huy Du, Trường ĐH CN Thái Nguyên, Ủy viên 15. TS. Đỗ Trung Hiếu, Viện cơ khí năng lượng và Mỏ, Ủy viên 16. TS. Hà Văn Tuấn, Tập đồn KYUSHU, Ủy viên 17. TS Ngơ Mạnh Tiến, Viện Vật lý – Viện Hàn Lâm và Khoa học Việt Nam, Ủy viên 18. TS. Phạm Ngọc Minh, Viện cơng nghệ thơng tin-Viện Hàn Lâm và Khoa học VN, Ủy viên 19. Ơng Trương Hồng Thanh, Cơng ty Ứng dụng giải pháp cơng nghệ ASTEC, Ủy viên iii
4. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) BAN THƯ KÝ 1. TS. Ngơ Thanh Tuấn, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Trưởng ban 2. TS. Trần Đức Huân, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Phĩ Trưởng ban 3. TS. Hồ Việt Bun, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Ủy viên 4. TS. Đặng Văn Chí, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Ủy viên 5. TS. Nguyễn Đăng Tấn, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Ủy viên 6. TS. Lê Xuân Thành, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Ủy viên 7. ThS. Kim Cẩm Ánh, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Ủy viên 8. ThS. Trần Viết Linh, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Ủy viên 9. ThS. Nguyễn Tiến Sỹ, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Ủy viên 10. ThS. Phạm Thị Thủy, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Ủy viên 11. ThS. Nguyễn Thanh Tùng, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Ủy viên BAN BIÊN TẬP 1. TS. Ngơ Thanh Tuấn, Trường Đại học Mỏ-Địa chất, Trưởng ban 2. TS. Nguyễn Viết Nghĩa, Trường Đại học Mỏ-Địa chất, Phĩ Trưởng ban 3. TS. Trần Đức Huân, Trường Đại học Mỏ-Địa chất, Phĩ Trưởng ban 4. PGS.TS. Nguyễn Đức Khốt, Trường Đại học Mỏ-Địa chất, Ủy viên 5. PGS.TS. Nguyễn Văn Xơ, Trường Đại học Mỏ-Địa chất, Ủy viên 6. PGS.TS. Đỗ Như Ý, Trường Đại học Mỏ-Địa chất, Ủy viên 7. TS. Nguyễn Thạc Khánh, Trường Đại học Mỏ-Địa chất, Ủy viên iv
5. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) LỜI NĨI ĐẦU Ngày nay, cách mạng cơng nghiệp 4.0 đang là xu thế phát triển của nền cơng nghiệp, nền cơng nghiệp hiện đại này, vừa tạo ra cơ hội và cũng chính là thách thức cho sự phát triển của cơng nghiệp Việt Nam. Với mục đích nhằm giới thiệu những tiến bộ kỹ thuật trong các lĩnh vực liên quan đến sự đào tạo và phát triển của Nhà trường, trường Đại học Mỏ - Địa chất, Khoa Cơ – Điện tổ chức Hội nghị khoa học tồn quốc về Cơ khí, Điện và Tự động hĩa (National Conference on Mechanical, Electrical, Automation Engineering – MEAE2021). Hội nghị là nơi giao lưu, kết nối các nhà khoa học, các doanh nghiệp, các cá nhân đang hoạt động trong lĩnh vực nĩi trên, để cùng nhau thảo luận, trao đổi học thuật và chia sẻ kinh nghiệp nhằm thúc đẩy sự phát triển của các lĩnh vực về Cơ khí, Điện và Tự động hĩa, nhằm phục vụ cho sự nghiệp xây dựng và phát triển đất nước. Trọng tâm của hội nghị đề cập đến “Chuyển đổi số trong lĩnh vực Cơ – Điện” – “Digital Transformation in Electro-Mechanics” với các chủ đề như: ✓ Kỹ thuật Cơ khí, Cơ khí động lực; ✓ Kỹ thuật Điện, Điện tử, Điện cơng nghiệp; ✓ Năng lượng, Năng lượng tái tạo; ✓ Tự động hĩa, Robot, Cơ điện tử; ✓ Cơng nghệ thơng tin và trí tuệ nhân tạo; ✓ và những tiến bộ kỹ thuật trong các lĩnh vực kể trên. Ban tổ chức tin rằng, Tuyển tập các cơng trình khoa học tham gia Hội nghị lần này sẽ gĩp phần đĩng gĩp cĩ chất lượng nhằm thúc đẩy cho sự phát triển chung cho nền cơng nghiệp ngày nay. Thay mặt Ban tổ chức, tơi chân thành cảm ơn đến Đảng ủy, Hội đồng trường, Ban Giám hiệu Trường Đại học Mỏ - Địa chất và các đơn vị liên quan đã đồng hành, tạo mọi điều kiện thuật lợi cho việc Hội nghị được tổ chức thành cơng tốt đẹp. Đặc biệt, trân trọng cảm ơn đến các tác giả các bài báo khoa học, các phản biện, các nhà khoa học, các cơ quan đồng nghiệp, các doanh nghiệp tài trợ đã cĩ đĩng gĩp quan trọng vì sự thành cơng chung của Hội nghị MEAE2021. TM. BAN TỔ CHỨC PGS.TS Khổng Cao Phong v
6. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) MỤC LỤC Numerical simulation method application in the design of a line-start permanent magnet synchronous motor 2 Do Nhu Y, Ngo Thanh Tuan, Ngo Xuan Cuong, Le Anh Tuan Tính dịng điện rị trong các mạngđiện mỏ hầm lị cĩ sử dụng các bộ biến đổi bán dẫn ở chế độ quá trình quá độ 7 Kim Ngọc Linh, Nguyễn Thạc Khánh, Nguyễn Trường Giang, Kim Thị Cẩm Ánh Identification of Two-Mass Mechanical Systems by Using Fourier Interpolation 14 Thanh Loan Pham Đánh giá mức độ tiết kiệm vật liệu và hình dạng hợp lý ở một số chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh 20 Phạm Tuấn Long Các phương pháp xử lý tín hiệu đo lường trước và sau bộ biến đổi ADC 24 Nguyễn Tiến Sỹ, Kim Thị Cẩm Ánh, Hà Thị Chúc Xây dựng bộ đo cơng suất ứng dụng cho các bài thí nghiệm, thực hành mạch điện xoay chiều của phịng thí nghiệm Kỹ thuật điện – Điện tử trường Đại học Mỏ - Địa chất 29 Nguyễn Trường Giang Tác động của mạng 5G đối với sự phát triển của tự động hĩa và số hĩa cơng nghiệp 34 Tống Ngọc Anh Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thơng số hai tầng cánh đến hệ số cơng suất của tuabin giĩ trục ngang chong chĩng kép 41 Đồn Kim Bình, Bùi Minh Hồng, Nguyễn Văn Tuệ, Nguyễn Sơn Tùng i
7. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) Nghiên cứu áp dụng cơng nghệ vịi phun khí – lỏng dành cho động cơ đốt trong 47 Nguyễn Sơn Tùng, Nguyễn Thanh Tuấn Đánh giá dung sai cơng suất của các tấm pin quang điện thương mại trong điều kiện vận hành thực tế 54 Ngơ Xuân Cường, Đỗ Như Ý , Nguyễn Thị Hồng Chiến lược thích ứng cơng nghiệp dầu khí trong xu hướng chuyển dịch năng lượng và đề xuất định hướng phát triển ngành dầu khí việt nam 59 Nguyễn Trung Khương Xác định các tham số mơ phỏng và xây dựng phịng thí nghiệm ảo cho máy biến áp ba pha 69 Ngơ Xuân Cường Method of determination of PI controller parameter for DFIG wind generator 78 Nguyen Cong Cuong, Trinh Trong Chuong, Nguyen Anh Nghia Bảo vệ chống chạm đất một pha chọn lọc ứng dụng ic số logic 88 Đinh Văn Thắng Hybrid FUZZY-PID controller for electric shovel EKG-8И hoisting motor 91 Hong Quan Luu, Cao Phong Khong Research on designing a detectable circuit of the earth- fault phase in order to enhance power supply reliability of the 6kV grid of open-pit mines, Quang Ninh area 100 Tran Quoc Hoan, Nguyen Anh Nghia, Ho Viet Bun Numerical Analysis of the Ground Vibration Isolation of Shock Wave Propagation under Blasting in NuiBeo mine, Quang Ninh 105 Dao Hieu, Dang Van Chi ii
8. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) Development of a data acquisition system for Geography accident warning, Environment monitoring and Agroforestry decision-making assistant purpose 112 Thanh Loan Pham, Quang Duy Do Nguyen Trang bị điện khí nén cho cửa giĩ trong khai thác mỏ hầm lị 118 Đỗ Như Ý, Ngơ Thanh Tuấn Tạo hình biên dạng rotor cho cặp rotor bơm thùy 123 Nguyễn Thanh Tùng, Phạm Đức Thiên, Trần Thế Văn, Nguyễn Hồng Phong Nghiên cứu, thiết kế mạch tăng áp DC/DC trong bộ nghịch lưu hịa lưới của hệ thống pin mặt trời 129 Nguyễn Đức Minh, Đỗ Như Ý, Trịnh Trọng Chưởng Phương pháp gia cơng bánh răng cơn răng thẳng bằng kỹ thuật CAD/CAM/CNC 136 Trần Đức Huân, Nguyễn Thanh Tùng, Lê Thanh Tâm, Nguyễn Văn Minh, Nguyễn Văn Toại Nghiên cứu xây dựng phương trình xác định đường kính và vận tốc quay của đĩa chia liệu máy nghiền ly tâm va đập trục đứng 141 Nguyễn Khắc Lĩnh, Nguyễn Văn Xơ, Nguyễn Đăng Tấn, Lê Thị Hồng Thắng Bàn về cơ chế bảo mật trong mạng IoT 148 Cung Quang Khang Control of Permanent Magnet Synchronous Motor for Traction Application of Electric Vehicles 153 Nguyễn Chí Dũng, Uơng Quang Tuyến A comparison study between the Craig - Bampton model reduction method and traditional finite element method for analyzing the dynamic behavior of vibrating structures. 160 Kieu Duc Thinh, Trinh Minh Hoang, Nguyen The Hoang iii
9. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) Nghiên cứu, tính tốn dịng chảy thủy lực qua van phân phối điều khiển cột chống mỏ hầm lị 167 Nguyễn Đăng Tấn, Nguyễn Khắc Lĩnh, Lê Thị Hồng Thắng, Nguyễn Văn Xơ Ứng dụng bộ lọc Kalman để xử lý tín hiệu từ cảm biến độ ẩm soil moisture 173 Đặng Văn Chí Thiết kế bộ điều khiển PID tự chỉnh mờ để ổn định mức nước bao hơi – Cơng ty cổ phần nhiệt điện Quảng Ninh 179 Đặng Văn Chí, Nguyễn An Đơng, Nguyễn Đình Thống, Uơng Quang Tuyến Phương pháp xây dựng bộ điều khiển pid số trong cơng nghiệp 186 Nguyễn Đức Khốt, Phạm Minh Hải Decision support system for small hydropower systems 193 Thuy HA VAN, Tuan HA NGOC, Khoat NGUYEN DUC Kalman Filter and MPU6050 Sensor in Positioning Issue for one-axis Solar Tracking System 200 Dao Hieu, Khong Cao Phong Nghiên cứu số về khả năng cách nhiệt của buồng cứu sinh mỏ cĩ kết cấu ốc xít nhơm xốp 207 Trần Ngọc Minh, Trần Đức Huân, Nguyễn Quốc Việt Đẩy mạnh hoạt động nghiên cứu thiết kế, chế tạo các thiết bị điện phịng nổ phục vụ khai thác than hầm lị 214 TS. Đỗ Trung Hiếu, ThS. Phạm Văn Hiếu Kết quả ứng dụng các giải pháp tự động hĩa của Viện Cơ khí năng lượng và Mỏ - Vinacomin phục vụ đề án Tin học hĩa – Tự động hĩa của tập đồn TKV 218 ThS. Phạm Văn Hiếu iv
10. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) Kết quả thực hiện nhiệm vụ đổi mới và hiện đại hĩa cơng nghệ trong ngành cơng nghiệp khai khống giai đoạn 2010-2020 định hướng đến năm 2025 của Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ - Vinacomin 225 TS. Đỗ Trung Hiếu, TS. Lê Thùy Dương Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến mịn gối trượt dẫn hướng máy khấu than trong khai thác than hầm lị vùng Quảng Ninh 228 NCS. Lê Văn Lợi, GS.TS. XuPing, GS.TS. YuYingHua=2, TS. ShenJiaXing Mơ hình điều khiển số một quá trình sản xuất 237 Đinh Văn Thắng Using hydrostatic drive system for low opreation pressure gas meter calibrator 244 Son Tung Nguyen, Kim Binh Doan, Thuy Pham Thi Design, make and install a test-rig for testing 660V/1140V earth leakage protective device 253 Nguyen Thac Khanh, Kim Ngoc Linh, Nguyen Truong Giang, Bui Minh Dinh v
11. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) Numerical simulation method application in the design of a line-start permanent magnet synchronous motor Do Nhu Y1, Ngo Thanh Tuan1, Ngo Xuan Cuong*,2, Le Anh Tuan3 1 Department of Electrical and Electronic Engineering, Faculty of Mechanical and Electrical Engineering, University of Mining and Geology 2 School of Engineering and Technology, Hue University 3 Faculty of Electrical Engineering, Hanoi University of Industry ARTICLE INFO ABSTRACT Article history: th Saving energy is quickly becoming an unavoidable issue for countries all Received 15 Jun 2021 over the world. One of the most important requirements for sustainable Accepted 16th Aug 2021 development is the efficient and economical use of energy. The Available online 19th Dec 2021 electromechanical conversion stage consumes the most power of any Keywords: stage of electricity use, accounting for more than 70 percent of total synchronous motors, power consumption. High-performance motors, such as synchronous motors with permanent-magnet squirrel-cage rotors (PMSM), are permanent-magnet, ANSYS becoming increasingly popular and used to reduce power consumption Maxwell software for electromechanical conversion. Because of the complicated structure of the PMSM, designing by an analytical method with low accuracy reduces motor efficiency, so it is critical to research, design, and innovate technology to improve engine performance. The article's content discusses the use of numerical simulation methods in the design of PMSM, replacing the traditional analytical method and thus improving the efficiency of motor design. Copyright © 2021 Hanoi University of Mining and Geology. All rights reserved. 1. Introduction Efficiency, IE4-Super Premium Efficiency, and IE5-Ultra Premium Efficiency. Induction motors Nowadays, energy saving is becoming an (IM) are widely used in the market today, but important issue for countries all over the world. increasing their efficiency to IE3 or IE4 according Economical and efficient energy use is one of the to IEC60034-30 is extremely difficult [3-2]. A line- most important requirements for sustainable start permanent-magnet synchronous motor development in order to deal with the risk of (LSPMSM) is an energy-saving alternative to the depletion of fossil fuel sources and the harmful IM motor [3-5]. effects of pollution on the environment. The The rotor losses of the IM account for about electric motor consumes the most electricity of 20% of the total losses, the LSPMSM have no rotor any electrical appliance, accounting for roughly losses [5-6]. Also the loss on the LSPMSM is 70% of total grid power [1]. greatly reduced due to the reduction of the The IEC60034-30 standard divides motor motor's magnetizing current. Therefore, LSPMSM efficiency into five categories: IE1-Standard has high efficiency reaching IE3, which can go up Efficiency, IE2-High Efficiency, IE3-Premium 2
12. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) to super high efficiency IE4 with power from where: 휇0 - magnetic permeability in a 0.55kW to 7.5kW [6-7]. classical vacuum; 휇 - the relative permeability of To ensure the high performance of the the medium. LSPMSM, the calculation and design of the motor In the electromagnetic field, ⃗ is calculated plays a very important role [7-8]. With traditional through the magnetic potential : electrical machine design tools using analytic ⃗ = ∇ × (3) formulas with many coefficients of experience, Substituting (2) and (3) into (1), we get the making the motor error large, many parameters following equation: selected are not optimal leading to reduced 1 ∇ × ( ∇ × ) = 퐽 (4) motor efficiency. To overcome the limitations of 휇0휇 the analytical method, this paper presents a finite Equation (4) has the general form of element method (FEM) combined with numerical Poisson's equation, can be interpreted in the simulation on ANSYS Maxwell software to analytical model corresponding to the coordinate calculate the electromagnetic analysis in LSPMSM, system Oxyz as follows: thereby optimizing the magnetic circuit design of 1 휕2 휕2 휕2 ( 2 + 2 + 2 ) + 퐽 = 0 (5) the motor. This is a modern new method with 휇0휇 휕 휕 휕 high accuracy, which helps to determine the Solve (5), find , then based on (2) and (3) to magnetic field distribution in space and is calculate the magnetic flux density B and the applicable to all structures of magnetic circuits magnetic field strength H as follows: and even in the mode of magnetic circuits 휕 휕 ⃗ = 푖 + 푗 + ⃗ = ( − ) 푖 + saturated with magnetic circuits [8]. 휕 휕 휕 휕 휕 휕 The content of the article presents the use of ( − ) 푗 + ( − ) ⃗ (6) 휕 휕 휕 휕 numerical simulation method using FEM in The voltage applied to the coil terminals and calculating and designing LSPMSM motors. The the DC resistance of the coil, the current density research results lead to a useful solution in can be determined from the equations: calculating and optimizing the design parameters 푖 푈 푈 = 푅 푖 + 퐿 ; = (7) of the motor in order to reduce design errors, 푡 푅 thereby improving the performance of the where: U - voltage applied to the coil terminals; LSPMSM. Rdc - DC resistance of the coil; L- coil inductance; 2. Stationary magnetic field with FEM Idc - current in the coil; Sdq - coil cross-section. FEM is a technique for solving equation (5) to Magnetic field distribution in the magnetic determine the magnetic potential , then circuit and the space around the electromagnetic calculate the magnetic flux density ⃗ and device is the solution of the Poisson equation ⃗⃗ written for the electromagnetic field of the electric magnetic field strength according to formulas motor model. This model is based on the Maxwell- (3) and (2), thereby determining the magnetic Ampere law. According to the Maxwell - Faraday field distribution in space with high accuracy. equation written for the case of an electric motor From there, it will be of great help to the designer at steady state as follows [8]: and operator in adjusting the parameters of the electromagnetic mechanism of the machine, to ∇ × ⃗⃗ = 퐽 (1) optimize the distribution of the magnetic field in where: 퐽 - current density flowing in an space to improve the operating efficiency of the electromagnet coil, A/m2; ⃗⃗ - magnetic field machine. FEM consists of 4 basic steps as follows: strength, H/m. - Discrete the analytical domain into elements. Magnetic field strength ⃗⃗ is related to the Elements are linked together to form a mesh. magnetic flux density ⃗ as the expression: - Choose the membership function and approximate the solution on each element. ⃗ = 휇0휇 ⃗⃗ (2) 3
13. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) - Concatenate all elements in the analytical Result of circuit parameter design from stator domain to obtain the system matrix. steel foil and motor rotor Pn = 15kW; nn = 3000 - Solve the system matrix by iterative method. (rpm), Un = 660/1140 (V) type 2P shown in To calculate according to FEM requires the Figure 2 and Figure 3. support of digital computers and software programs written on the mathematical foundation of FEM. 3. Optimization of LSPMSM design using FEM numerical simulation method The LSPMSM is a hybrid motor with three- phase windings distributed in the stator tracks (similar to an IM), the rotor of the motor uses a squirrel cage and is fitted with a permanent Figure 2. Dimensions of stator magnet, shown in Figure 1 [10]. Figure 1. LSPMSM LSPMSM can be started directly without using controller, after starting the motor will work at Figure 3. Dimensions of the rotor synchronous speed with high torque, low inertia. Depending on the arrangement of the permanent In order to have the optimal design of the magnets on the rotor, there will be different rotor permanent magnets on the rotor circuit, different configurations. layout options are offered, then analysis and The motor selected for design simulation is a selection of the optimal design options are 3-phase type and has typical specifications: available. For LSPMSM Pn = 15kW type 2P Nominal power Pn = 15kW; nn = 3000 (rpm); Un permanent magnets placed on two symmetrical = 660/1140 (V), type 2P. In order to perform the sides, offering two layout options as follows: simulation of the optimal design of the LSPMSM, - Option 1: U-shaped permanent magnets is perform the calculation of the initial motor arranged from three segments forming; parameters with the calculation results given in - Option 2: permanent magnets in the shape of Table 1. a horseshoe (C-shaped) are arranged Simulation results of electromagnetic field Table 1. Calculation results of motor parameters distribution, conductor current and LSPMSM Pn = 15kW speed response of the two options are shown in Figures 4, 5 and 6. 4
14. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) a) b) Figure 4. Electromagnetic field distribution in the magnetic circuit of the LSPMSM a- Structure of U-shaped permanent magnets; b- Structure of C-shaped permanent magnets a) b) Figure 5. Current on the stator winding of the LSPMSM a- Structure of U-shaped permanent magnets; b- Structure of C-shaped permanent magnets a) b) Figure 6. Speed response of LSPMSM a- Structure of U-shaped permanent magnets; b- Structure of C-shaped permanent magnets Numerical simulation results by FEM show time, the current on the winding is nonlinear, that both layout options allow the motor to start causing the starting torque to vibrate, speed automatically. However, the U-shaped layout plan response is slower the motor vibrates more has a strong distribution of electromagnetic fields during starting. Thus, the C-shaped permanent in the motor, making the starting time long. At that magnets arrangement on the rotor of LSPMSM 5
15. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) gives better results in terms of electromagnetic 4. Michael J. Melfi Stephen D. Umans Judith E. and mechanical parameters of the motor than the Atem (2014). Viability of highlyefficient multi- U-shaped permanent magnets arrangement, it horsepower line-start permanent-magnet have better performance and working motors. Petroleum and Chemical Industry characteristics. Technical Conference, Record of Conference 4. Conclusion Papers Industry Applications Society 60th Annual IEEE, pp. 1-10. The application of modern numerical 5. A. Hassanpour Isfahani, S. Vaez-Zadeh, M. A. simulation methods to the calculation and design Rahman (2011) Evaluation of Synchronization of electrical equipment in general as well as Capability in Line Start Permanent Magnet LSPMSM helps designers to quickly calculate Synchronous Motors. Electric Machines & Drives parameters with small errors, optimize the design Conference (IEMDC), 2011 IEEE International, pp. plan. These modern design tools lead to faster, 1346 – 1350. more accurate, and less error-prone design 6. Aliabad, A.D., Mirsalim, M. and Ershad, N.F. results, enhancing the design and manufacturing (2010) Line-Start Permanent-Magnet Motors capabilities of electrical machines. In addition, it is Significant Improvements in Starting Torque, possible to survey the electromechanical Synchronization, and SteadyState Performance, parameters and investigate the electromagnetic Magnetics, IEEE Transactions on, Volume:46, characteristics inside the motor. This will help the Issue:12, pp. 4066 – 4072. designer be able to come up with options to 7. Optimal Rotor Design of Line Start change the design parameters to improve the Permanent Magnet Synchronous Motor by electromagnetic field distribution in the motor Genetic Algorithm. optimally to improve the quality of the designed 8. Đỗ Như Ý, Ứng dụng phương pháp phần tử motor. hữu hạn trong thiết kế chế tạo máy tuyển từ tại các nhà máy tuyển than, Khoa học cơng nghệ mỏ, Acknowledgments 2020. This work was supported by a grant from the 9. Rong-Jie Wang, Jean-Pierre Els and Albert Scientific Research Project under the CNKK Sorgdrager (2014) A study of rotor topologies of program code: 012.2021.CNKK.QG. line start PM motors for cooling fan applications. Proceedings of the 22nd South African References Universities Power Engineering Conference, 2014, pp. 1-6. 1. TSKH Nguyễn Văn Bình (2020). Định hướng 10. Vera Elistratova, Optimal design of line- chiến lượng phát triển năng lượng Quốc gia của start permanent magnet synchronous motors of Việt Nam đến năm 2030 tầm nhìn 2045. NXB Đại high effciency. Electric power. Ecole Centrale de học kinh tế Quốc dân. Lille, 2015. 2. IEC 60034-30-1 standard on efficiency 11. A. H. Isfahani, S. V. Zadeh, 2009. Line Start classes for low voltage AC motors. Permanent Magnet Synchronous Motors: 3. Lê Anh Tuấn, Phạm Văn Cường, Nguyễn Thị Challenges and Opportunities. ScienceDirect, Minh Hiền, Vũ Thị Kim Nhị (2019). Nghiên cứu Energy, Vol. 34, Iss. 11, November 2009, pp. 1755- ảnh hưởng của nhiệt độn đến kahr năng khởi động 1763. của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp. Journal of science & technology, số 55. P.16-19. 6
16. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) Tính dịng điện rị trong các mạngđiện mỏ hầm lị cĩ sử dụng các bộ biến đổi bán dẫn ở chế độ quá trình quá độ Kim Ngọc Linh1, *, Nguyễn Thạc Khánh1, Nguyễn Trường Giang1, Kim Thị Cẩm Ánh1 1 Khoa Cơ Điện, Trường Đại học Mỏ - Địa chất THƠNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT Quá trình: Mạng điện cĩ sử dụng các bộ biến đổi bán dẫn (mạng hỗn hợp) ngày càng Nhận bài 15/6/2021 được sử dụng nhiều trong các mỏ hầm lị vùng Quảng Ninh. Để cĩ thể lựa Chấp nhận 17/8/2021 chọn được những giải pháp hạn chế hiệu quả dịng điện rị trong các mạng Đăng online 20/12/2021 điện này cần phải biết được đặc điểm của dịng rị phát sinh trong đĩ. Bài Từ khĩa: báo trình bày kết quả xây dựng các biểu thức tính dịng điện rị trong các Dịng điện rị; mạng điện mạng điện mỏ hỗn hợp ở chế độ quá trình quá độ. Với kết quả nhận được, lần đầu tiên quy luật biên thiên của dịng điện rị khi cĩ rị một pha từ phần mỏ; biến đổi bán dẫn; quá mạch xoay chiều tần số cơng nghiệp và rị ở phần mạch một chiều của một trình quá độ, sơ đồ tương mạng điện mỏ hỗn hợp được mơ tả ở dạng giải tích. Các biểu thức này cĩ đương. tính tổng quát vì cho phép tính được dịng điện rị ở cả chế độ xác lập và chế độ quá trình quá độ. Kết quả nghiên cứu này cịn cĩ thể áp dụng để tính tốn dịng điện rị trong các mạng điện đơn và hỗn hợp khơng nối đất khác (mạng AC IT, DC IT và AC/DC IT). Copyright © 2021 Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Tất cả các quyền được bảo đảm. 1. Mở đầu trong các mạng điện mỏ hỗn hợp ở chế độ quá trình quá độ cịn ít được quan tâm và cho đến nay Trong các tài liệu (Kim Ngọc Linh, 2018; Kim vẫn chưa cĩ kết quả nào được cơng bố. Bài báo này Ngọc Linh và nnk, 2020), đã trình bày các kết quả trình bày kết quả nghiên cứu của chúng tơi về tính nghiên cứu tính dịng điện rị trong các mạng điện dịng điện rị ở phần mạch xoay chiều tần số cơng mỏ cĩ chứa các bộ biến đổi (mạng điện mỏ hỗn nghiệp và phần mạch một chiều của một mạng hợp). Các biểu thức xây dựng được cho phép tính điện mỏ hỗn hợp ở chế độ quá trình quá độ. tốn dịng điện rị khi phát sinh rị ở phần mạng trước biến tần, phần mạng sau biến tần và phần 2. Kết quả nghiên cứu mạch điện một chiều của một mạng điện mỏ hỗn Với giả thiết mạng cĩ thơng số tập trung, bỏ hợp ở chế độ xác lập. Thực tế, trong nhiều trường qua trở kháng của biến áp và cáp và khơng tính hợp cần phải biết rõ tính chất quá trình quá độ của đến trở kháng cách điện giữa các pha của mạng, sơ dịng điện rị, ví dụ như khi cần chọn thời gian trễ đồ tương đương về phương diện an tồn điện giật của rơle bảo vệ rị, tính điện lượng qua người để cho mạng điện mỏ hầm lị cĩ sử dụng các bộ biến xác định điều kiện an tồn điện giật của mạng v.v đổi bán dẫn (mạng hỗn hợp) như hình 1 Mặc dù vậy, vấn đề nghiên cứu tính dịng điện rị (Petrichencơ A.A., 2017; Kim Ngọc Linh, 2019). 7
17. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) MTBT A / MSBT A + MMC TẢI / B CHỈNH BIẾN B MỘT TẦN LƯU − C CHIỀU C/ BAKV RA RB RC R + R − R Af RBf RCf C C CA CB CC + − CAf CBf C ĐC1 Cf ĐC2 Hình 1. Sơ đồ tương đương về phương diện an tồn điện giật của mạng điện mỏ hỗn hợp 2.1 Tính dịng điện rị khi cĩ rị ở phần mạch Trong sơ đồ hình 1 ký hiệu R , R , R , C , C , A B C A B xoay chiều tần số cơng nghiệp CC là điện trở cách điện và điện dung các pha so với đất của phần mạng xoay chiều trước biến tần Với giả thiết phần mạch chỉnh lưu được mắc (MTBT); RAf, RBf, RCf, CAf, CBf, CCf là điện trở cách trực tiếp khơng qua biến áp và bỏ qua ảnh hưởng điện và điện dung các pha so với đất của phần do trở kháng cách điện của phần mạng sau biến mạng xoay chiều sau biến tần (MSBT); R+, R-, C+, tần, sơ đồ tính tốn dịng điện rị khi chạm vào một C- là điện trở cách điện và điện dung giữa cực pha phần mạch điện xoay chiều tần số cơng nghiệp dương (+) và cực âm (-) so với đất của phần mạng (MTBT) của mạng điện mỏ hỗn hợp như hình 2 một chiều (MMC). (Kim Ngọc Linh, 2020). MMC + Uf A MTBT B U0 C − RA RB RC irị R+ R− Rrị ĐC1 CA CB CC C C irị1 irị2 + − irị2+ irị2− Hình 2. Sơ đồ tính dịng điện rị khi cĩ rị một pha phần mạch điện xoay chiều Trong sơ đồ hình 2 ký hiệu Rrị là điện trở rị; • Tính dịng điện rị xoay chiều irị1: Uf là điện áp pha cuộn thứ cấp của máy biến áp khu vực; U0 là trị số trung bình của điện áp chỉnh Sơ đồ tương đương để tính dịng điện rị irị1 lưu cầu ba pha ( U0 2,34Uf ). như hình 3. Khi cĩ rị một pha, dịng irị qua điện trở rị Rrị sẽ gồm hai thành phần: Thành phần dịng xoay chiều irị1 gây bởi điện trở và điện dung cách điện của phần mạch xoay chiều MTBT và thành phần dịng một chiều irị2 cĩ trị số tùy thuộc vào sự mất đối xứng điện trở cách điện của phần mạch điện một chiều MMC. 8
18. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) U / 2 Uf 0 Rtđ Ctđ Utđ irị2− R C R− irị2− C− Rrị R C Rrị i rị1 b) R rị a) Hình 4. Sơ đồ tương đương tính dịng rị irị2- Hình 3. Sơ đồ tương đương tính dịng rị irị1 Từ sơ đồ hình hình 4a suy ra cĩ Trong sơ đồ hình 3 ký hiệu R là điện trở UC (+0) = UC (−0) = U0R / 2(R + R − ) cách điện tương đương so với đất của phần Vậy dịng điện rị tại thời điểm t=0: mạch xoay chiều MTBT (R=RA//RB//RC), C là iro 2− (0) = UC (+0) / R rị = U0R / 2R rị (R + R − ) điện dung tương đương của MTBT so với đất Áp dụng phương pháp nguồn tương đương cĩ (C=C +C +C ). A B C sơ đồ tính dịng điện rị i như hình 4b. Giả thiết điện áp pha cuộn thứ cấp của rị2- Trong sơ đồ cĩ Utđ = U0R / 2(R + R − ) ; biến áp cĩ dạng u = 2U sin(t + ) suy ra: f f R = (R // R ) = RR /(R + R ) ; Trị số dịng điện rị ở thời điểm t=0: tđ − − − Ctđ = (C // C− ) = C + C− . 2U sin  i (0) = f Từ sơ đồ hình 4b tính được thành phần xác lập ro1 R ro của dịng điện rị: Thành phần xác lập của dịng điện rị: U U R / 2(R + R ) i = tđ = 0 − = R 2 + X2 roxl2− C R tđ + R rị RR − /(R + R − ) + R rị iroxl1 = 2Uf sin(t +  − ) R 2R 2 + X2 (R + R )2 U R ro C ro = 0 − R2X 2(RR − + RR rị + R −R rị) với = arctg C , X =1/ C 2 2 C Thành phần tự do của dịng điện rị: R Rro + XC (R + Rro) i = A exp(pt ) = A exp(−t /  ) , Thành phần tự do của dịng điện rị: rotd 2− 2 2 2− RR R (C + C ) irotd1 = Aexp(−t / ) − rị − với 2− = với  = R C = RR C /(R + R ) RR− + RRrị + R −R rị tđ rị rị Xếp chồng kết quả và thay sơ kiện cuối cùng cĩ Xếp chồng kết quả và thay sơ kiện cuối cùng tính được thành phần xoay chiều của dịng điện rị được dịng rị quá trình quá độ iro2-: irị1 cĩ dạng: U0R RR− iro2− = 1+ exp(−t / 2− ) 2 2 2(RR− + RRrị + R −R rị) (R + R − )R rị R + XC iro = 2Uf sin(t +  − )+ 1 2 2 2 2 (2) R R ro + XC (R + R ro) Một cách tương tự tính đươc thành phần iro2+ của 2 2 sin  R + XC + 2Uf − sin( − ) exp(−t / ) dịng điện rị một chiều: R 2 2 2 2 ro R R ro + XC (R + R ro) U0R RR+ iro2+ = 1+ exp(−t / 2+ ) (1) 2(RR+ + RRrị + R +R rị) (R + R + )R rị • Tính dịng điện rị một chiều iro2: (3) Dịng điện rị irị2 gồm hai thành phần. Thành RR R (C + C ) với  = + rị + phần irị2- do sơ đồ ba van cực tính âm so với đất 2+ RR + RR + R R gây ra và thành phần i do sơ đồ ba van cực + rị + rị rị2+ Từ (2) và (3) suy ra dịng rị một chiều tính dương so với đất gây ra. Sơ đồ tương đương iro2 = iro2− − iro2+ bằng: để tính thành phần irị2- của dịng rị một chiều nêu trên hình 4a. 9
19. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) U0R RR − Từ các biểu thức (1) và (4) tính được dịng rị iro2 = 1+ exp(−t / 2− ) − 2(RR − + RR rị + R −R rị) (R + R − )R rị tổng bằng: U0R RR + − 1+ exp(−t / 2+ 2(RR + + RR rị + R +R rị) (R + R + )R rị (4) 2 2 2 2 R + XC sin  R + XC iro = 2Uf sin(t +  − )+ 2Uf − sin( − ) exp(−t / ) + 2 2 2 2 R 2 2 2 2 R R ro + XC (R + R ro) ro R R ro + XC (R + R ro) U0R RR − U0R RR + + 1+ exp(−t / 2− ) − 1+ exp(−t / 2+ (5) 2(RR − + RR rị + R −R rị) (R + R − )R rị 2(RR + + RR rị + R +R rị) (R + R + )R rị 2.2 Tính dịng điện rị phần mạch một chiều được mắc trực tiếp khơng qua biến áp và bỏ qua ảnh hưởng do trở kháng cách điện của phần a. Tính dịng điện rị khi bị rị dây âm mạng sau biến tần, sơ đồ tính tốn dịng điện rị Xét trường hợp mạng điện mỏ hỗn hợp cĩ khi chạm vào dây âm phần mạch điện một chiều chứa phụ tải một chiều (hoặc mạng khơng cĩ của mạng điện mỏ hỗn hợp như hình 5 (Kim phụ tải một chiều nhưng phần chỉnh lưu và phần Ngọc Linh, 2019). nghịch lưu trong bộ biến tần cĩ khoảng cách đáng kể), với giả thiết phần mạch chỉnh lưu MMC + Uf A MTBT B U0 C − RA RB RC R+ R− ĐC1 i CA CB CC rị− C+ C− Rrị Hình 5. Sơ đồ tính tốn dịng điện rị quá trình quá độ khi chạm vào dây âm Dịng điện rị iro- gồm thành phần dịng iro-1 do a) nguồn điện áp cực tính âm của nguồn một chiều Hình 6. Sơ đồ tính iro-1 khi chạm vào dây âm so với đất gây ra và thành phần dịng i do sơ ro-2 Từ sơ đồ hình 6a suy ra theo luật đĩng mở tụ đồ ba van (cực tính âm) so với đất gây ra (thành điện cĩ UC− (+0) = UC− (−0) = U0R − /(R + + R − ) phần iro-2 chỉ tồn tại khi kể đến điện trở và điện dung cách điện của phần mạng trước biến tần). Vậy dịng điện rị tại thời điểm t=0: iro −1(0) = UC− (+0) / R rị = U0R − / R rị (R + + R − ) Từ sơ đồ hình 5, cĩ sơ đồ tương đương để Áp dụng phương pháp nguồn tương đương cĩ tính thành phần dịng điện rị i như hình 6a. ro-1 sơ đồ tính tốn dịng rị i như hình 6b. Trong ro-1 đĩ Utđ = U0R − /(R + + R − ) ; R tđ = R +R − /(R + + R − ) ; U 0 Rtđ Ctđ = C+ + C− Ctđ i Utđ ro−1 Từ sơ đồ hình 6b tính được thành phần xác lập i R ro−1 rị của dịng điện rị: R C R+ C+ − − Rrị b) 10
20. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) U U R /(R + R ) i (0) = U (+0) / R = U R / 2R (R + R ) i = tđ = 0 − + − = ro −2 C− rị 0 − rị − roxl−1 R + R R R /(R + R ) + R Áp dụng phương pháp nguồn tương đương cĩ tđ rị + − + − rị U R sơ đồ tính tốn dịng điện rị iro-2 tương tự như = 0 − hình 6b, trong đĩ Utđ = U0R − / 2(R + R − ) ; R +R − + R +R ro + R −R rị Thành phần tự do của dịng điện rị: R tđ = RR − /(R + R − ) ; Ctđ = C + C− . irotd −1 = A1 exp(pt ) = A1 exp(−t / −1) , Tính thành phần xác lập của dịng điện rị từ sơ R R R (C + C ) đồ tương đương: với  = + − rị + − −1 Utđ U0R − / 2(R + R − ) R+R− + R+Rrị + R −Rrị i = = = roxl−2 R + R RR /(R + R ) + R Xếp chồng kết quả và thay sơ kiện cuối cùng cĩ tđ rị − − rị U R kết quả dịng rị quá trình quá độ: = 0 − U R R R 2(RR− + RRrị + R −R rị) 0 − + − iro−1 = 1+ exp(−t / −1) R +R − + R +R rị + R −R rị (R + + R − )R rị Thành phần tự do của dịng điện rị: (6) irotd −2 = A2 exp(pt ) = A2 exp(−t / −2 ) , Sơ đồ tương đương để tính thành phần dịng RR−Rrị(C + C− ) với −2 = điện rị iro-2 do sơ đồ ba van cực tính âm so với RR− + RRrị + R−Rrị đất tạo nên (thành phần dịng điện rị khi tính Xếp chồng kết quả và thay sơ kiện cuối cùng cĩ đến điện trở và điện dung cách điện của phần kết quả dịng rị quá trình quá độ: mạng trước biến tần) như hình 7. U R RR i = 0 − 1+ − exp(−t /  ) U0 / 2 ro−2 −2 2(RR − + RR rị + R −R rị) (R + R − )R rị (6) iro−2 Vậy dịng rị tổng khi chạm vào dây âm bằng R C R C iro − = iro −1 + iro −2 : − − Rrị U0R − R +R − iro− = 1+ exp(−t / −1) + R +R − + R +R rị + R −R rị (R + + R − )R rị Hình 7. Sơ đồ tính iro-2 khi chạm vào dây âm U0R − RR − + 1+ exp(−t / −2 ) Trong sơ đồ hình 7 cĩ R và C là điện trở cách 2(RR− + RRrị + R −R rị) (R + R − )R rị điện và điện dung tổng của phần mạng trước (7) biến tần so với đất (R=R //R //R , A B C b. Tính dịng điện rị khi bị rị dây dương C=CA//CB//CC). Từ sơ đồ hình 7 suy ra cĩ Sơ đồ tính tốn dịng điện rị khi chạm vào dây UC− (+0) = UC− (−0) = U0R − / 2(R + R − ) dương phần mạch điện một chiều của mạng Vậy dịng điện rị tại thời điểm t=0: điện mỏ hỗn hợp như hình 8. MMC + Uf A MTBT B U0 C − RA RB RC R+ R− ĐC1 i CA CB CC rị+ C+ C− Rrị Hình 8. Sơ đồ tính tốn dịng điện rị quá trình quá độ khi chạm vào dây dương 11
21. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) Dịng điện rị iro+ cũng gồm thành phần dịng + Biểu thức (5) cho thấy rằng, nếu phần mạch điện rị iro+1 do nguồn điện áp cực tính dương điện một chiều trong mạng điện mỏ hỗn hợp cĩ của nguồn một chiều so với đất gây ra và thành điện trở cách điện đối xứng (R+=R-) thì điện trở và phần dịng điện rị iro+2 do sơ đồ ba van cực tính điện dung cách điện của phần mạch một chiều dương so với đất gây ra (thành phần iro+2 cũng khơng ảnh hưởng đến dịng điện rị trong phần chỉ tồn tại khi kể đến điện trở và điện dung cách mạch xoay chiều tần số cơng nghiệp. Vì vậy, nên điện của phần mạng trước biến tần). lựa chọn thiết bị sao cho phần mạch một chiều Tính tốn tương tự cĩ kết quả (Kim Ngọc Linh, cĩ chiều dài ngắn nhất để dễ đạt được điều kiện 2019): R+=R-. U0R + R +R − iro+1 = 1+ exp(−t / +1) + Từ (1) suy ra với điện dung giới hạn cho R R + R R + R R (R + R )R + − + rị − rị + − rị phép của mạng điện mỏ là Cmax=1uF/pha, khi cĩ rị (8) một pha phần mạch điện xoay chiều tần số cơng R R R (C + C ) với  = + − rị + − nghiệp của mạng điện mỏ hỗn hợp qua điện trở 1 +1 R R + R R + R R + − + rị − rị k , thời gian quá trình quá độ của thành phần dịng điện rị xoay chiều khơng vượt quá 3ms. U0R + RR + iro+2 = 1+ exp(−t / +2 ) 2(RR + + RR rị + R +R rị) (R + R + )R rị 4. Kết luận (9) Từ những kết qủa trình bày trên đây cĩ thể RR+Rrị(C + C+ ) rút ra được kết luận sau: với +2 = RR+ + RRrị + R+Rrị Với các biểu thức (5), (7) và (10), quy luật Xếp chồng kết quả cĩ iro + = iro +1 + iro +2 : biên thiên của dịng điện rị khi cĩ rị một pha từ phần mạch điện xoay chiều tần số cơng nghiệp và U0R + R +R − iro+ = 1+ exp(−t / +1) + R R + R R + R R (R + R )R rị ở phần mạch một chiều của một mạng điện mỏ + − + rị − rị + − rị hỗn hợp được mơ tả ở dạng giải tích. Các biểu thức U0R + RR+ + 1+ exp(−t / +2 ) này cĩ tính tổng quát vì cho phép tính được dịng 2(RR + RR + R R ) (R + R )R + rị + rị + rị điện rị ở cả chế độ xác lập và chế độ quá trình quá (10) độ. 3. Thảo luận Kết quả nghiên cứu trên cĩ thể áp dụng để + Từ các biểu thức (5), (7) và (10), khi cho tính tốn dịng điện rị trong các mạng điện đơn và t → ta cĩ các biểu thức tính dịng điện rị hỗn hợp khơng nối đất khác (mạng AC IT, DC IT và trong phần mạch điện xoay chiều tần số cơng AC/DC IT). nghiệp và phần mạch một chiều của mạng điện Tài liệu tham khảo mỏ hỗn hợp ở chế độ xác lập. Kết quả này trùng với các biểu thức tính dịng điện rị xác lập đã Kim Ngọc Linh, 2018. Nghiên cứu xác định dịng được trình bày trong các tài liệu (Petrichencơ điện rị trong mạng điện mỏ hầm lị cĩ sử dụng A.A., 2017; Kim Ngọc Linh, 2018). các bộ biến đổi. Tạp chí Cơng nghiệp Mỏ, số 3- 2018, trang 15-19. + Từ (1) và (4) suy ra khi cĩ rị một pha ở phần mạch xoay chiều tần số cơng nghiệp, dịng Kim Ngọc Linh, 2019. Tính dịng điện rị trong điện rị gồm hai thành phần: Thành phần dịng phần mạch điện một chiều của các mạng điện rị xoay chiều cĩ trị số chỉ phụ thuộc vào điện trở mỏ hỗn hợp ở chế độ quá trình quá độ. Tạp chí và điện dung cách điện của phần mạch xoay Cơng nghiệp mỏ, 6/2019, trang 74-77. chiều trước biến tần và thành phần dịng rị một Kim Ngọc Linh, Nguyễn Trường Giang, Kim Thị chiều cĩ trị số tùy thuộc vào sự mất đối xứng Cẩm Ánh, 2020. Tính dịng điện rị trong các điện trở cách điện của phần mạch điện một mạng điện mỏ hầm lị cĩ sử dụng các bộ biến chiều. đổi bán dẫn. Kỷ yếu tĩm tắt hội nghị tồn quốc 12
22. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) Khoa học trái đất và tài nguyên với phát triển Petrichencơ A.A., 2017. Các phương pháp và bền vững, ERSD 2020, tháng 11-2020, tr. 320. phương tiện hạn chế dịng điện rị xuống đất trong các hệ thống cung cấp điện mỏ quặng sắt. Kim Ngọc Linh 2020. Tính dịng điện rị trong Luận án Tiến sỹ, Krivơi, 2017, 197 trang (bản phần mạch điện xoay chiều của các mạng điện tiếng Nga) mỏ hỗn hợp ở chế độ quá trình quá độ. Tạp chí Cơng nghiệp Mỏ, số 6-2020, tr. 59-62. ABSTRACT Calculation of leakage currents in underground mine power networks using semiconductor converters in transient mode Underground mine power networks using semiconductor converters (combined power networks) are increasingly used in Quang Ninh region. In order to choose effective solutions to limit leakage currents in these power networks, it is necessary to know the characteristics of such leakage currents. This paper presents the results of the leakage current calculation in the combined mine power networks under transient mode. For the first time, variation laws of the leakage currents from single phase of industrial frequency AC circuit part and DC circuit part in the combined power network are shown in analytical forms. These expressions are general because they allow to be determined the leakage current in both steady-state and transient modes. These results can also be applied to calculate leakage currents in other ungrounded power networks (AC IT, DC IT and AC/DC IT networks). Keywords: leakage current, combined power network, semiconductor converter, transient mode, equivalent circuit. 13
23. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) Identification of Two-Mass Mechanical Systems by Using Fourier Interpolation Thanh Loan Pham 1, * 1 Hanoi University of Mining and Geology (HUMG), Vietnam, thanhloanbkhn@gmail.com. ARTICLE INFO ABSTRACT Process: This paper deals with the identification of two-mass mechanical systems by Received 15/02/2021 using torque excitation and Fourier interpolation. A rich harmonic pseudo Accepted 16/3/2021 random binary signal (PRBS) is used as torque excitation signals. The Published 29/6/2021 spectrum of the reference torque and of the load speed are obtained by Key words: adopting the fast Fourier transform in order to define the transfer function Identification, mechanical from the torque to the speed. The mechanical parameters of the two-mass systems are then identified from the transfer function systems, Fourier transform Copyright © 2021 Hanoi University of Mining and Geology. All rights reserved. 1. Introduction can be classified into offline and online methods [4]. Frequency domain, time domain, numerical High performance ac drives are used or observer based methods can be adopted for extensively in different applications, such as both the two categories of identification methods machine tools [1], molding machines [2] and [5]. industrial robots [3] due to their high power This paper focuses on the estimation of density and flexible control algorithm. Such the mechanical parameters of a two-mass drives often consist of several moving parts, mechanical system by using Fourier which are coupled by gear boxes, long shaft or interpolation and torque excitation. The belts, resulting in mechanical resonances. To proposed method belongs to the frequency ensure high performance of a mechatronics domain based methods, where the main idea is system characterized by mechanical resonances, the use of a pseudo random binary signal (PRBS) the information pertaining mechanical as a torque excitation signal. The transfer parameters have to be known. Unfortunately, it is function from the machine speed to the reference not always available in the datasheets of the torque is calculated from the spectrum of the m mechanical components or the calculation of the speed and the reference torque. The mechanical mechanical parameters can be cumbersome. parameters are then identified according to the Therefore, automatic parameters identification resonant and anti-resonant frequency of the in the start-up of the drive or during the drive obtained transfer function. It should be noted operation is crucial for allowing model-based that the proposed methods can be conducted automatic tuning algorithms of the controllers offline without the use of any additional sensors. installed in the drive Furthermore, the algorithm behind the proposed In terms of mechanical parameter method can be easily configured to the drive identification, there are a number of approaches software. that were already presented in books and This paper is organized as follows. The literature. Generally, the available approaches modeling of a two-mass system is presented in 14
24. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) section 2, followed by the parameter identification method. In section 4, simulation results will be given to verify the effectiveness of the proposed method. Section 5 dedicates to some conclusions of the research work. 2. Modeling of a two-mass system Figure 1. Model of a two-mass mechanical The model of a two-mass mechanical system system is depicted in Figure 1. The model is composed of load side and motor side moments of inertia, where 2 denoted by 퐽퐿 and 퐽 , respectively. The finite (푠) = 퐽퐿 ∙ 푠 + ( 푆 + 퐿) ∙ 푠 + 퐾푆 stiffness and the damping of the coupling 퐿(푠) = ( 푆 + ) ∙ 푠 + 퐾푆 between the load and the motor are 퐾푆 and 푆. 3 2 The friction is modeled as viscous damping both (푠) = 퐽퐿퐽 ∙ 푠 + (퐽 푆 + 퐽퐿 푆 + 퐽퐿 + 퐽 퐿) ∙ 푠 on the motor side and on the load side, denoted + (퐽 퐾푆 + 퐽퐿퐾푆 + 푆 + 푆 퐿 + 퐿) ∙ 푠 + 퐾푠 ∙ ( + 퐿) by and 퐿, respectively. The differential equations of the two-mass mechanical system are given as It is important to mention that the set of mechanical parameters under identification 퐽 ∙ 휃 ̈ = − 퐿 − ∙ 휃 ̇ process includes {퐽 , 퐾 , , , }. 퐽 is always { 퐽 ∙ 휃̈ = − − ∙ 휃̇ (1) 퐿 푆 푆 퐿 퐿 퐿 푆 퐿 퐿 퐿 available in the datasheet of the driving machine. 푆 = 퐾푆 ∙ (휃 − 휃퐿) + 푆 ∙ (휃 ̇ − 휃퐿̇ ) However in most cases, we can assume that = 0, 퐿 = 0 and 푆 = 0. Under this assumption, the where the angular position of the motor and the anti-resonance frequency and resonance load are denoted by 휃 and 휃퐿, respectively. The frequency are angular velocity of the motor and the load are given as 휔 = 휃 ̇ and 휔 = 휃̇ . The motor 퐾 퐾 ∙ (퐽 + 퐽 ) 퐿 퐿 푆 푆 퐿 (4) electromagnetic torque, the load torque and the 휔 푒푠 = √ , 휔 푒푠 = √ 퐽퐿 퐽 퐽퐿 shaft torque are denoted by , 퐿, 푆, respectively. respectively [6]. From (1), the open loop transfer function from the motor torque (푠) to the speed 휔 (푠) is 3. Identification method (푠) a. The idea of the proposed method (푠) = (2) (푠) This section dedicates to the proposed identification method that is associated with a and from the load torque 퐿(푠) to the speed PRBS functioned as the torque excitation signal 휔 (푠) is and the Fourier interpolation for obtaining the spectrum of the reference torque and of the (푠) (푠) = 퐿 (3) machine speed. 퐿 (푠) Equation (2) can be rewritten as: 휔 (푠) (푠) = (5) (푠) 15
25. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) If the mechanical parameters of the two-mass system are as given in Table 1, then the transfer function (푠) can be defined whose Bode plot is shown in Figure 2. Table 1. Datasheet value of a two-mass mechanical system [6] if we assume = 0, 퐿 = 0 and 푆 = 0, then the anti-resonant and resonant frequencies of the two-mass Figure 3. Identification topology As already mentioned in the previous section that Parameter Value Parameter Value mechanical system are given in (4). The anti- 2 resonant and resonant frequencies can also be 퐽 ( ∙ ) 0.005 푺 (푵 /풓 풅) 0.22 2 observed clearly in Figure 2. 퐽퐿 ( ∙ ) 0.038 푴 (푵 /풓 풅) 0 It is observed that the two remaining 퐾푆 ( / ) 1100 푳 (푵 /풓 풅) 0 mechanical parameters to be considered 퐽 and 퐿 Figure 3 shows the topology of the 퐾푆 can be identified if the information of the anti- resonant and resonant frequencies are available. identification procedure that is conducted in the The identification process is now changed to the closed speed control loop for ignoring the effects calculation of the anti-resonant and resonant of friction. The procedure for designing the speed frequencies. This can be done by calculating the controller can be found in [7]. b. Pseudo Random Binary Signal (PRBS) frequency response of (푠). For attaining the frequency response of It is well known that PRSB is among the best (푠) in a wide frequency range, the spectrum of candidates of signals that ensures rich harmonics the reference torque (푠) has to be rich in over a wide frequencies range. It can also easily harmonics at all frequencies under generated by a digital processor. Figure 4 depicts consideration. The reference torque is therefore the generation of the PRBS by using a shift not only the output of the speed controller but register. In each sample cycle time 푡 of the PRBS, also augmented with a PRBS that will be a new most significant bit is generated from the introduced in the next subsection. XOR gate. Figure 4. PRBS generation by utilizing a shift register The PRBS is dependent on the length 푛 of the shift register and on which bits to be fed back. Figure 2. Magnitude of (푠) corresponding Figure 5 depicts the elements of the shift register to mechanical data given in Table 1 16
26. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) −1 that are able to be fed back depending on the 2 length of the shift register. = ∑ ∙ (푖 ∙ ∆휏) ∙ sin ( ∙ 푖 ∙ ∆휏) 푖=0 with ∆휏 = 2 / , is the number of samples per period. The coefficient corresponding to the 푡ℎ harmonic of (휏) is defined by: 2 2 = √ + (8) From (8), the magnitude of (푠) with respect to ( ) is defined as the ratio of the 푡ℎ coefficient of 휔 (휏) and (휏). 4. Simulation results Figure 5. Possible combination of the shift register elements for feeding back with regard to To verify the effectiveness of the proposed the length of the shift register. method, a two-mass system with the key parameters given in Table 1 is taken into account. Since after the sampling time 푡, the elements of the register are shifted one step to the right, the The simulation model whose topology is depicted resulting PRBS is deterministic and periodic. The in Figure 3 is carried out in Matlab/Simulink environment. As aforementioned, the PRBS is period of the PRBS is given by generated by a 17-bit shift register. The sampling 푛 = (2 − 1) ∙ 푡 (6) of the signal is set to 4 kHz and the feed-back bit is defined by Figure 5. Because of the deterministic phenomenon, the Error! Reference source not found. and PRBS is different from the white noise. The Error! Reference source not found. show the spectral content of the PRBS depends on the electromagnetic torque and the velocity of the length of the shift register and on the sampling machine, shaft and load, respectively. According time. In this paper, a PRBS is generated by a 17- to the speed controller designed based on the bit shift register. state-space model as presented in [7], the speed c. Fourier interpolation in both the machine side and the load side tracks the reference speed regardless of the change of As the control system works in the discrete time- the load torque. domain, the discrete Fourier representation of Figure 6 demonstrates the frequency any arbitrary signal (휏) will be considered. response of (푠). It is observed that the datasheet curve is fitted to the estimation curve, −1 0 meaning that the estimation of the frequency (휏) = + ∑ ∙ cos( ∙ 휏) 2 response of (푠) is precise. The anti-resonant =1 −1 (7) and resonant frequencies are 푒푠 = 27 and = 79 that can be seen clearly in Figure 6. + ∑ ∙ sin ( ∙ 휏) 푒푠 It is deduced from (4) that: =1 2 휔 푒푠 퐽퐿 = 퐽 ∙ ( 2 − 1) (9) −1 2 휔 푒푠 Where = ∑푖=0 ∙ 2 퐾푠 = 퐽퐿 ∙ 휔 푒푠 (10) (푖 ∙ ∆휏) ∙ cos ( ∙ 푖 ∙ ∆휏) 17
27. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) By substituting 푒푠 = 27 and 푒푠 = It is worth noting that the change in the form 2 79 and 퐽 = 0.005 ∙ into (9) and (10), of the PRBS affects the precision of the 2 we obtain 퐽퐿 = 0.038 ∙ and 퐾푆 = identification method. As it is shown in Figure 7, 1093 ( / ) that are absolutely coincidental the frequency response of (푠) contains more with those given in Table 1. noise when using a 10-bit PRBS signal than that According to [8], the value of 푆 can be corresponding to a 17-bit PRBS signal. It can be approximated as concluded that the selection of the excitation signal is an important task in the identification 퐾푠 = (11) process. 푆 2 ∙ ∙ 푄 푒푠 5. Conclusions The identification method proposed in this paper was able to estimate precisely the mechanical parameters of a two-mass mechanical system. The three most significant important parameters, including the moment of the load inertia 퐽퐿, the stiffness 퐾푠 and the damping coefficient 푆 of the coupling, are identified via the frequency response of the transfer function from the machine velocity to the electromagnetic torque. The proposed method can be carried out offline in the start-up of the mechatronics system. References Figure 6. The magnitude of (푠) with 17-bit PRBS [1] C. Hu, B. Yao, and Q. Wang, “Coordinated Adaptive Robust Contouring Controller Design for an Industrial Biaxial Precision Gantry,” IEEEASME Trans. Mechatron., vol. 15, no. 5, pp. 728–735, Oct. 2010, doi: 10.1109/TMECH.2009.2032292. [2] K. Ohishi and R. Furusawa, “Actuators for Motion Control: Fine Actuator Force Control for Electric Injection Molding Machines,” IEEE Ind. Electron. Mag., vol. 6, no. 1, pp. 4–13, Mar. 2012, doi: 10.1109/MIE.2012.2182831. [3] M. Ưstring, S. Gunnarsson, and M. Norrlưf, “Closed-loop identification of an industrial robot containing flexibilities,” Control Eng. Pract., vol. 11, no. 3, pp. 291–300, Mar. 2003, doi: 10.1016/S0967-0661(02)00114-4. Figure 7. The magnitude of (푠) with 10-bit [4] M. S. Rafaq and J. Jung, “A Comprehensive PRBS Review of State-of-the-Art Parameter Estimation Techniques for Permanent Magnet 18
28. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) Synchronous Motors in Wide Speed Range,” International Power Electronics Conference IEEE Trans. Ind. Inform., vol. 16, no. 7, pp. (IPEC-Hiroshima 2014 - ECCE ASIA), May 4747–4758, Jul. 2020, doi: 2014, pp. 2489–2496, doi: 10.1109/TII.2019.2944413. 10.1109/IPEC.2014.6869939. [5] “System Identification: Theory for the User: [7] S. E. Saarakkala and M. Hinkkanen, “State- Ljung, Lennart: 9780136566953: space speed control of two-mass mechanical Amazon.com: Books.” systems: Analytical tuning and experimental evaluation,” in 2013 IEEE Energy Conversion Identification-Theory-User- Congress and Exposition, Sep. 2013, pp. 3762– 2nd/dp/0136566952 (accessed May 07, 3769, doi: 10.1109/ECCE.2013.6647199. 2021). [8] A. Frei, A. Grgic, W. Heil, and A. Luzi, “Design Of [6] S. E. Saarakkala and M. Hinkkanen, Pump Shaft Trains Having Variable-Speed “Identification of two-mass mechanical Electric Motors,” 1986, doi: systems using torque excitation: Design and 10.21423/R1VH7V. experimental evaluation,” in 2014 19
29. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) Đánh giá mức độ tiết kiệm vật liệu và hình dạng hợp lý ở một số chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh Phạm Tuấn Long1 1 Khoa:Cơ – Điện, Trường: Đại học Mỏ - Địa chất, Việt Nam, phamtuanlong@humg.edu.vn THƠNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT Quá trình: Nhận bài 15/6/2021 Mục đích nghiên cứu của bài báo tập trung vào một số chi tiết máy cĩ dạng Chấp nhận 17/8/2021 thanh chịu tải tĩnh trong cơ khí nhằm đưa ra những giải pháp tính tốn, Đăng online 20/12/2021 những phân tích, nhận định về hình dạng chịu lực hợp lý đồng thời cĩ thể tiết kiệm tối đa vật liệu sử dụng để gia cơng chi tiết. Từ khĩa: Vật liệu, tiết kiệm, hình dạng, cơ khí © 2021 Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Tất cả các quyền được bảo đảm. 1. Mở đầu Trong tất cả các lĩnh vực hoạt động, sản xuất của xã hội nĩi chung và ngành cơ khí, chế tạo máy Trục vào nĩi riêng, vấn đề tính tốn làm sao tiết kiệm nguyên vật liệu khi chế tạo các chi tiết, bộ phận máy luơn được quan tâm hàng đầu. Động cơ Bài báo này tập trung vào một khía cạnh rất nhỏ của vấn đề tiết kiệm vật liệu khi dựa trên việc tính tốn độ bền để đề cập đến vấn đề tiết kiệm vật liệu và hình dạng hợp lý của chi tiết máy dạng Bánh răng trục chịu tải trọng tĩnh. Áp dụng cho một số chi tiết máy dạng trục cụ thể. Đai Bánh đai 2. Nội dung của bài báo 2.1. Tiết kiệm vật liệu Hình 1. Sơ đồ hộp giảm tốc Ta xét 2 trường hợp như sau: Giả sử trục cĩ D = 30 mm, a = 200 mm, Trường hợp 1: [] = 200 Mpa. Tải trọng tác dụng lên trục cĩ giá Xét sơ đồ hộp giảm tốc bánh răng trụ 1 cấp trị: T = 60000 Nmm, Fr1 = 1000 N, Fr2 = 500 N, như hình 1 (Nguyễn Trọng Hiệp, 2002; Nguyễn Ft = 1200 N. Hãy kiểm tra bền cho trục Hữu Lộc, 2000 ) Sơ đồ tính của trục thể hiện như hình 2 (Đặng Trên trục vào của hộp giảm tốc cĩ lắp bánh Việt Cương, Nguyễn Nhật Thăng, Nhữ Phương răng và bánh đai Mai, 2003) 20
30. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) Fr2 Fr1 Ø30 Ø22 T T z D x a a a Hình 4. Trục ở các đường kính khác nhau y Ft Ở trường hợp này, mức độ tiết kiệm vật liệu cĩ Hình 2. Sơ đồ tính của trục chịu uốn và xoắn thể xác định bằng biểu thức: 200000 퐹1−퐹2 500N 1000N  = . 100(%) (1) 50000 퐹 Mx Nmm 1 A B C 200 200 200 250N 1750N 120000 Trong đĩ: F1, F2 – Diện tích mặt cắt 2 trục 600N 600N My Nmm A B C (mm);  - mức độ tiết kiệm vật liệu (%) 200 200 200 1200N 60000 2 2 60000Nmm 60000Nmm 60000 30 22 T Nmm 퐹1 = ; 퐹2 = →  = 200 200 200 4 4 302−222 Hình 3. Các biểu đồ mơ men . 100 = 46.22% 302 +) Vị trí nguy hiểm là tại mặt cắt B và C Như vậy: Nếu thiết kế trục với D = 22 mm sẽ tiết kiệm được 46.22% vật liệu. 2 2 2 +) Ta cĩ 푡đ = √ + + Trường hợp 2 +) Tại mặt cắt B: Mx = 50000 Nmm; My = 120000 Nmm; T = 60000 Nmm Xét tại mặt cắt nguy hiểm của 1 trục chịu xoắn thuần túy. Mơ men T = 20000 Nmm, D = 20 mm, 2 2 2 푡đ = √ + + = [] = 100 Mpa. √500002 + 1200002 + 600002 = 20000 Nmm 143178,2 +) Tại mặt cắt C: Mx = 200000 Nmm; My = 0 x Nmm; T = 60000 Nmm O 2 2 2 max 푡đ = √ + + = √2000002 + 600002 = 208806,1 y 20 +) Điều kiện bền cho các mặt cắt: σmax = M tđ ≤ [σ]. Ta sẽ kiểm tra bền cho mặt cắt Hình 5. Ứng suất trên mặt cắt trục 0,1 D3 208806,1 σ = = 77,33 Mpa < 200 Mpa max 0,1 303 Trường hợp này, trên mặt cắt ngang xuất hiện Kết luận: Trục đảm bảo độ bền ứng suất tiếp phân bố như trên hình 5. Càng xa Từ kết luận trên nhận thấy hồn tồn cĩ thể trọng tâm mặt cắt, ứng suất càng lớn. Do đĩ, ứng thiết kế ra 1 trục cĩ đường kính nhỏ hơn 30 mm suất tại các điểm trên chu vi mặt cắt cĩ giá trị lớn mà vẫn đảm bảo bền nhất. Nếu trục đã cho cĩ đường kính D chưa biết, với (Bùi Trọng Lựu, Nguyễn Văn Vượng, 2003) các tải trọng tác dụng lên trên trục khơng thay đổi. Ứng suất tiếp lớn nhất trên mặt cắt Theo điều kiện bền tại mặt cắt C: 휏 = (2) 푊 208806,1 3 208806,1 Trong đĩ: T- Mơmen xoắn (Nmm) , Wp – σmax = 3 ≤ 200 → D ≥ √ ≈ 0,1 D 0,1 200 Mơmen chống uốn mm3 22 mm 20000 휏 = = = 12,5 ≤ 100 đảm 푊 0,2.203 bảo điều kiện bền. 21
31. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) Từ sự phân bố ứng suất trên hình 5 ta nhận P thấy càng xa trọng tâm mặt cắt, ứng suất càng lớn (vật liệu làm việc càng nhiều). Càng gần trọng A B tâm, ứng suất càng nhỏ (vật liệu làm việc càng ít). l/2 C l/2 Vì mặt cắt thừa bền, ta hồn tồn cĩ thể bỏ bớt phần vật liệu ít làm việc bằng cách khoét rỗng mặt P P cắt bằng 1 vịng trịn đường kính d. 2 2 Lúc này ta cĩ mặt cắt cĩ dạng hình trịn rỗng (hình 6) Mx Pl 4 Hình 7. Trục chịu uốn Từ điều kiện bền của trục 푃푙 19 휎 = = 3 ≤ [] (3) 푊 4.0,1 20 Trong đĩ: M - Mơmen uốn (Nmm), P - lực (N), x Hình 6. Mặt cắt sau khi khoét rỗng l – chiều dài (mm) , Wx – Mơmen chống uốn (mm3), D – Đường kính trục (mm), []- ứng suất Cơng thức kiểm tra bền lúc này: cho phép (MPa) 휏 = ≤ 100 thay D và T vào 4 0,2 3(1−( ) Từ (3) Ta cĩ: 3 푃푙 cơng thức ta giải ra được d 19,2 lấy d = 19 mm. √ (4) 0,4.[] Mức độ tiết kiệm vật liệu: (Vũ Đình Lai, 2002) Từ đĩ ta lấy kết quả tính D ở (4) áp dụng cho 2 tồn trục 퐹2 19  = . 100(%) = 2 . 100 = 90,25% 퐹1 20 Chi phí để chế tạo trục rỗng thường cao nên Hình 8. Hình dạng của trục với D đã tính trục đặc được sử dụng phổ biến hơn Tuy nhiên trong trường hợp trục cĩ yêu cầu Trục cĩ hình dạng như vậy chưa hợp lý khắt khe về mặt khối lượng, cĩ thể khoét rỗng để Để hợp lý hơn ta tính max một mặt cắt bất kỳ cĩ được mặt cắt ngang như hình 6. 푃 휎 = = 3 = [] 2.2. Hình dạng hợp lý 푊 4.0,1 3 푃 → = √ (5) Ta xét trục chịu uốn mặt cắt trịn đường kính 0,4.[] D như hình 7 Như vậy theo điều kiện bền của ứng suất pháp, (Đặng Việt Cương, Nguyễn Nhật Thăng, Nhữ hình dạng hợp lý của trục như hình 9 Phương Mai, 2003) Hình 9. Hình dạng hợp lý theo tính tốn Theo điều kiện bền của ứng suất tiếp: 22
32. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) 4 푄 Lý thuyết này cĩ thể áp dụng cho một số kết 휏 = (6) 3 퐹 cấu thực tế. 3. Kết luận Trong đĩ: Qy = P/2 –Lực cắt(N), F – Diện tích mặt cắt ngang hình trịn (mm2) • Bài báo đã đưa ra được một số trường hợp 4 Qy 4 P 4 [] 16P để minh họa cho việc tiết kiệm vật liệu và hình τmax = = 2 = → Dz = √ = 3 F 3 2 πDz 2 3 [] dạng hợp lý của trục dựa trên điều kiện bền của Do chi tiết. Như vậy, đường kính nhỏ nhất của trục phải • Người học cĩ thể tham khảo để hiểu sâu hơn bằng Do những kiến thức liên quan về tính tốn bền đối Độ dài đoạn trục cĩ đường kính Do tính từ 2 với chi tiết chịu lực phức tạp và chịu xoắn thuần đầu trục túy. Pz0 8P 1,6Dz 1,6 16P • Trong thời gian tới, tác giả sẽ hướng tới việc 3 = 2 → zo = = √ 0,2Do 3 D0 3π 3π 3 [] nghiên cứu khả năng tiết kiệm vật liệu và hình Như vậy, hình dạng trục sau khi tính tốn sẽ dạng hợp lý của trục dựa trên các tiêu chí khác như hình 10 như độ cứng, độ ổn định zo Tài liệu tham khảo Đặng Việt Cương, Nguyễn Nhật Thăng, Nhữ Phương Mai, (2003). Sức bền vật liệu, tập 1, Hình 10. Hình dạng trục tính theo ứng suất tiếp nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 30 trang. Để đơn giản cho việc chế tạo trục, người ta cĩ thể chế tạo trục bậc như hình 11 Vũ Đình Lai, (2002). Sức bền vật liệu, nhà xuất bản Giao thơng vận tải, Hà Nội, 20 trang. Bùi Trọng Lựu, Nguyễn Văn Vượng, (2003). Bài tập sức bền vật liệu, nhà xuất bản Giáo dục, Hà Hình 11. Hình dạng trục phù hợp nội, 10 trang 2.3. Nội dung và kết quả đạt được Nguyễn Trọng Hiệp, (2002). Chi tiết máy tập 1. Dựa trên lý thuyết về độ bền của chi tiết máy Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội, 40 trang đưa ra những trường hợp chưa thực sự hợp lý trên phương diện hình dạng và tiết kiệm vật liệu. Nguyễn Hữu Lộc, (2000). Cơ sở thiết kế máy. Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội, 25 trang. 23
33. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) Các phương pháp xử lý tín hiệu đo lường trước và sau bộ biến đổi ADC Nguyễn Tiến Sỹ1, *, Kim Thị Cẩm Ánh2, Hà Thị Chúc3 1,2,3 Khoa Cơ điện, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Việt Nam, nguyentiensi@humg.edu.vn THƠNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT Quá trình: Trong đo lường, vấn đề lớn gặp phải là xử lý giảm nhiễu, nâng cao độ chính Nhận bài 15/6/2021 xác tín hiệu đo từ các loại cảm biến trước khi vào bộ biến đổi tương tự sang Chấp nhận 17/8/2021 số của vi xử lý. Can nhiễu dẫn tới sai số giữa giá trị đo được và giá trị thực. Đăng online 20/12/2021 Nghiên cứu trình bày so sánh, đánh giá và đề xuất giải pháp giảm nhiễu cho Từ khĩa: tín hiệu điện áp từ cảm biến; đồng thời đưa ra một số phương pháp xử lý Biến đổi tương tự sang số, tín hiệu số sau khi biến đổi ADC. Kết quả được kiểm chứng trên hệ thống được thiết kế gồm cảm biến ánh sáng và module được nhúng thuật tốn xử bộ lọc Kalman, cảm biến, lý tín hiệu đã đề xuất, module cĩ nhiệm vụ thu thập và biến đổi dữ liệu thu lọc nhiễu được từ cảm biến ánh sáng sang dữ liệu số và hiển thị. Phương pháp xử lý tín hiệu được áp dụng trong các thiết bị đo lường, bộ thu thập dữ liệu, quan trắc thơng số mơi trường nhằm giảm nhiễu, nâng cao độ chính xác của thiết bị. © 202 Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Tất cả các quyền được bảo đảm. 1. Mở đầu 1/ Khuếch đại tín hiệu làm tăng mức điện áp phù hợp với khoảng làm việc của bộ ADC, đồng Bộ biến đổi ADC hay bộ chuyển đổi tín hiệu thời làm tăng độ phân giải và độ nhạy của phép tương tự sang tín hiệu số là một mạch chuyển đổi đo giá trị điện áp liên tục (analog) sang giá trị chuỗi 2/ Suy hao làm giảm mức điện áp so với nhị phân (digital) mà thiết bị kỹ thuật số cĩ thể khoảng của bộ ADC. Thường gặp trong trường hiểu được sau đĩ được sử dụng để xử lý, tính hợp đo điện áp lớn hơn 10V tốn. Mạch ADC cĩ thể là vi mạch như dịng 3/ Lọc triệt tiêu tín hiệu nhiễu khơng mong ADC08xx hoặc được nhúng vào vi điều khiển như muốn trong một khoảng tần số nhất định PIC, AVR, STM, TI. Sơ đồ nguyên lý chung của bộ 4/ Cách ly khi tín hiệu điện áp nằm ngồi biến đổi ADC được thể hiện như hình 1. khoảng số hố cĩ thể gây hại cho hệ thống đo Tín hiệu Analog thường là tín hiệu điện áp đầu 5/ Tuyến tính hố khi tín hiệu điện áp ngõ ra ra từ cảm biến như cảm biến nhiệt độ PT100, từ cảm biến khơng quan hệ tuyến tính với đại LM35; cảm biến ánh sáng; độ ẩm; áp suất, lượng vật lý cần đo Nhược điểm của tín hiệu Analog là dễ bị tác động Trong báo cáo này, tác giả tập trung vào giới bởi tín hiệu nhiễu như nhiễu nhiệt, nhiễu điện từ thiệu một số phương pháp xử lý giảm nhiễu với từ nguồn, nhiễu từ dây tín hiệu song hành, tín hiệu Analog (trước bộ ADC) và xử lý số tín Tín hiệu đo lường cảm biến được chuẩn hố hiệu (sau bộ ADC) bao gồm các bước phổ biến như sau (NI, 2016) 24
34. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) Opamp cho đầu vào Vin cĩ trở kháng rất lớn, dịng Nhiễu 1 1 1 1 tải tín hiệu nhỏ, tín hiệu ít suy hao; đồng thời đầu Mạch ADC 0 0 0 0 ra tín hiệu cĩ trở kháng rất nhỏ, Vout giữ nguyên Biên độ Biên đặc tính của tín hiệu, trong khi cơng suất tín hiệu Thời gian tăng lên, khiến suy hao nhỏ. Tín hiệu tương tự Tín hiệu số +VEE A Input B Hình 1. Sơ đồ bộ biến đổi ADC Trở kháng cao + Trở kháng thấp (High - (Low 2. Xử lý giảm nhiễu tín hiệu Analog Impedance) Impedance) -VEE Trong đo lường, tín hiệu Analog cĩ các dạng như 4-20mA, 0-20mA, 0-5V, 0-10V. Tuỳ theo ứng dụng và thiết bị cơng nghiệp mà sử dụng loại tín hiệu Analog tương tứng. Ví dụ cảm biến áp suất, nhiệt độ thường sử dụng tín hiệu dạng 4-20mA hoặc 0-10V. Hình 3. Bộ đệm cho tín hiệu Analog và hình ảnh mạch thực tế VB = VA; Ku = 1 (1) Chống nhiễu nâng cao cho tín hiệu Analog cĩ thể sử dụng mạch Analog Front-End (AFE) hay mạch xử lý tín hiệu nhỏ (tiền xử lý). Tín hiệu được đưa vào mạch khuếch đại nhiều tầng với hệ số Tín hiệu Analog khuếch đại bằng tích hệ số khuếch đại từng tầng, Tín hiệu Analog + Nhiễu sau đĩ qua mạch lọc LPF, BPF, HPF để loại các tín hiệu ở ngồi dải mong muốn (Anna Richelli, Tín hiệu Nhiễu 2016). Hình 2. Tín hiệu 4-20mA khi bị nhiễu Hình 2 mơ tả tín hiệu Analog là tín hiệu đầu vào của hệ thống đo nên khi xảy ra nhiễu; nếu khơng xử lý kịp thời cĩ thể dẫn đến sự tác động khơng chính xác của cơ cấu chấp hành đầu ra, gây (a) (b) hậu quả nghiêm trọng về người và thiết bị. Hình 4. Một số bộ cách ly-lọc nhiễu K109S (a) và Cĩ rất nhiều phương pháp để xử lý tín hiệu OMX333UNI (b) Analog. Trường hợp tín hiệu Analog bị can nhiễu nhẹ làm suy giảm tín hiệu ví dụ từ 4-20mA xuống Trong thực tế, trường hợp tín hiệu bị nhiễu cịn 3.95mA-19.5mA thì cĩ thể xử lý tạm thời quá nặng, cách đơn giản và kinh tế là dùng bộ cách bằng phần mềm. ly chống nhiễu, ví dụ như bộ K109S của Seneca hoặc bộ OMX333UNI của hãng Orbit Merret. Để chống nhiễu cho tín hiệu Analog dùng IC khuếch đại thuật tốn (Henri Sino, 2011). Hình 3 Đường tín hiệu Analog trong thiết kế mạch in là mạch khuếch đại lặp lại (bộ đệm) với hệ số cần được thiết kế chống nhiễu bằng một số khuếch đại của mạch bằng 1 giúp giữ nguyên đặc phương pháp như: tính của tín hiệu, đồng thời lợi dụng ưu điểm của 1/ Phối hợp trở kháng trên đường truyền 25
35. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) 2/ Đường tín hiệu Analog ngắn nhất cĩ thể Bước 1: Thiết lập biến RMS, V1, V2; 3/ Tạo các via nối GND dọc theo đường Analog Bước 2: Thực hiện vịng lặp với biến count 4/ Tạo các tấm chắn điện từ chạy từ 0 đến n (n là số vịng lặp, luỹ thừa của 2) Như vậy, bằng các biện pháp giảm nhiễu tín Bước 3: Đọc giá trị số sau khi biến đổi ADC và hiệu Analog đã kể trên, tín hiệu tương tự được tính tổng các giá trị đọc được loại bỏ nhiễu trước khi vào bộ biến đổi ADC để ADC = read_adc(); thực hiện chuyển đổi thành tín hiệu số. V1 = V1+ADC*ADC; 3. Xử lý tín hiệu số sau bộ biến đổi ADC V2 = V2+ADC; Giá trị số trả về sau khi biến đổi ADC phụ thuộc Bước 4: Tính trung bình bình phương vào độ phân giải bộ ADC. Ví dụ ADC 12-bit thì giá RMS = sqrt(V1/n-(V2/n)*(V2/n); trị đọc về nằm trong khoảng từ 0 đến 4095. Giá trị RMS = RMS*Vref/n; ADC sẽ cố định khi điện áp tham chiếu (Vref) của bộ ADC là ổn định. Do vậy trước khi xử lý ADC, cần ổn định nguồn Vref bằng cách sử dụng các IC ổn áp tạo điện áp chuẩn. Các phương pháp xử lý tín hiệu số được đề xuất bao gồm phương pháp trung bình bình phương, phương pháp lọc Kalman. (a) 3.1. Phương pháp lấy trung bình các mẫu Đây là phương pháp đơn giản nhất để ổn định giá trị đo được sau khi biến đổi ADC. Thuật tốn được trình bày như sau: Bước 1: Thiết lập biến sum = 0; (b) Bước 2: Thực hiện vịng lặp với biến count Hình 5. Tín hiệu từ bộ biến đổi ADC (a) và sau khi chạy từ 0 đến n (n là số vịng lặp, luỹ thừa của 2) qua bộ lọc trung bình các mẫu (b) Bước 3: Đọc giá trị số sau khi biến đổi ADC và tính tổng các giá trị đọc được 3.3. Phương pháp sử dụng bộ lọc Kalman sum +=read_adc(); Phương pháp này được đề xuất năm 1960 bởi Bước 4: Tính trung bình kết quả thu được nhà khoa học Kalman (Kalman và nnk, 1960). Bộ sum/=n; lọc Kalman là thuật tốn ước lượng giá trị chưa biết chính xác hơn so với chỉ sử dụng một phép 3.2. Phương pháp trung bình bình phương đo duy nhất. Trong báo cáo, tác giả sử dụng mơ hình đo cường độ ánh sáng quang trở LDR và kết Đây là phương pháp tính trung bình bình nối với bộ ADC 12-bit của vi điều khiển ESP32 đã phương các mẫu sau quá trình lấy mẫu theo cơng được nhúng thuật tốn bộ lọc Kalman. Sơ đồ khối thức (2). Phương pháp này đặc biệt hiệu quả kết nối các thành phần trong mơ hình được thể trong tìm giá trị rms (giá trị hiệu dụng) của tín hiện trong hình 6. Khi cường độ ánh sáng thay hiệu. Hình 5 mơ tả tín hiệu ADC với tần số lấy mẫu đổi, quang trở cho giá trị điện áp thay đổi tuyến 100kHz, sử dụng 100 mẫu (n =100) để tính trung tính. Giá trị điện áp được đưa vào bộ ADC của bình bình phương theo cơng thức (2) ESP32 để lấy mẫu và ước lượng giá trị dùng bộ lọc 1 = √∑( 2) − (∑ )2 (2) Kalman. 푠 푛 26
36. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) Kết luận Cảm biến ánh Bộ ADC của vi Báo cáo đã phân tích các giải pháp xử lý giảm sáng quang trở điều khiển nhiễu tín hiệu bao gồm tín hiệu Analog trước bộ LDR ESP32 Kết quả đồ thị ADC (tín hiệu Analog từ các loại cảm biến) và giải pháp xử lý tín hiệu số sau bộ ADC. Đây là các giải pháp thường được áp dụng trong các mạch đo lường trong cơng nghiệp. Hình 6. Sơ đồ khối kết nối thiết bị Đồng thời báo cáo cũng đưa ra một mơ hình Các phương trình bộ lọc Kalman cĩ dạng như đo điện áp đầu ra từ cảm biến quang trở và ước phương trình (3) (Greg Welch và nnk, 2001) lượng giá trị số tương ứng sử dụng bộ lọc Kalman đơn giản. Kết quả tín hiệu được xử lý lọc nhiễu ̂ = 퐾 . 푍 + (1 − 퐾 ). ̂ (3) −1 khá mịn và cĩ phương sai nhỏ. Trong đĩ: ̂ là giá trị ước lượng hiện tại Lời cảm ơn K k là hệ số Kalman Tác giả xin chân thành cám ơn các cán bộ của bộ mơn Kỹ thuật điện – Điện tử, Khoa Cơ điện, Đại ̂ −1là giá trị ước lượng tại thời điểm trước học Mỏ - Địa chất đã đĩng gĩp về mặt chuyên Z là giá trị đo được k mơn, hỗ trợ về trang thiết bị thí nghiệm, giúp tác k là số lần lặp giả hồn thiện báo cáo. Độ chênh lệch giữa giá trị đo được và giá trị thực được gọi là sai số e. Khi giá trị mong muốn Tài liệu tham khảo thay đổi cần cĩ sự thoả hiệp giữa tốc độ bám đuổi National Instruments, (2016). Engineer’s Guide của giá trị ước lượng với giá trị thực và độ dao to Accurate Sensor Measurements – White động của giá trị ước lượng. Dữ liệu sau khi được Paper. xử lý bằng bộ lọc Kalman sẽ cĩ độ trễ so với dữ liệu chưa được xử lý. Tuy nhiên với tần số xung Henri Sino (2011). Electromagnetic Interference nhịp của ESP32 lên tới 240MHz, thời gian hồn (EMI) Filtering Reduces Errors in Precision thành mỗi lần lấy mẫu tín hiệu điện áp của cảm Analog Applications. Analog Dialogue 45-01. biến quang trở chỉ khoảng 5us (ESP32 Series Datasheet) Anna Richelli (2016). EMI susceptibility Issue in Analog Front-End for Sensor Applications. Journal of Sensors. Greg Welch, Gary Bishop (2001). An Introduction Hình 7. Tín hiệu từ bộ biến đổi ADC (màu xanh) và to the Kalman Filter. University of North sau khi qua bộ lọc Kalman (màu vàng) Carolina at Chapel Hill Department of Áp dụng thuật tốn của bộ lọc Kalman cho kết Computer Science. quả tín hiệu số sau khi lọc được thể hiện như đồ Trịnh Tuấn Dương, Nguyễn Ngọc Linh (2019). thị hình 7. Tín hiệu sau lọc nhiễu cĩ thể đánh giá Ứng dụng bộ lọc Kalman trong việc xử lý tín là khá mịn và ổn định hơn nhiều so với giá trị thơ hiệu thu được từ cảm biến đo nồng độ bụi sau bộ biến đổi ADC. Tín hiệu này tiếp tục được Sharp GP2Y1010AU0F. Tạp chí khoa học cơng xử lý đến khâu hiển thị hoặc tác động đến cơ cấu nghệ, Trường ĐH Cơng nghệ, ĐH Quốc gia Hà chấp hành. Nội, E-ISSN 2615-9619. 27
37. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) ESP32 Series Datasheet (topic 4.1.2), the ADC Anna Richelli (2016). EMI susceptibility Issue in characteristics shows the maximum sampling Analog Front-End for Sensor Applications. rates. Journal of Sensors M. S. Grewal, A. P. Andrews, (2001). Kalman Filtering – Theory and Practice Using MATLAB. Wiley. 28
38. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) Xây dựng bộ đo cơng suất ứng dụng cho các bài thí nghiệm, thực hành mạch điện xoay chiều của phịng thí nghiệm Kỹ thuật điện – Điện tử trường Đại học Mỏ - Địa chất Nguyễn Trường Giang1 1 Khoa Cơ – Điện, Trường Đại học Mỏ - Địa chất THƠNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT Quá trình: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu việc xây dựng bộ đo cơng suất ứng Nhận bài 15/6/2021 dụng cho các bài thí nghiệmthực hành mạch điện xoay chiều. Nội dung Chấp nhận 17/8/2021 chính của bài báo là xây dựng bộ đo cơng suất ứng dụng cho các bài thí Đăng online 20/12/2021 nghiệm, thực hành theo dõi kết quả và cài đặt trực tiếp trên thiết bị. Số Từ khĩa: liệu đo được hiển thị và lưu trữ theo thời gian thực trên thiết bị và các Bộ đo cơng suất; ứng thiết bị khác như smartphone, máy tính bảng, cĩ kết nối 4G, wifi. Các kết quả thực nghiệm đo đối với các bài thí nghiệm, thực hành mạch điện xoay dụng theo dõi cơng suất. chiều cho kết quả tốt, chứng tỏ khả năng sẵn sàng thay thế cho các thiết bị đo cơng suất cũ, hỏng. © 2021 Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Tất cả các quyền được bảo đảm. 1. Mở đầu Uno, tương thích với chương trình Arduino IDE. Module này được tích hợp WiFi nên dễ dàng thực Hiện nay hầu hết các đồng hồ đo cơng suất tác hiện các ứng dụng thu thập dữ liệu và điều khiển dụng trong các bài thí nghiệm thực hành đều là thiết bị thơng qua WiFi. Hình 1 là hình ảnh và sơ đồng hồ cơ, thời gian được trang bị đã lâu nên nhu đồ chân, hình 2 là sơ đồ nguyên lý module cầu cải tiến và thay thế bằng các đồng hồ kỹ thuật WeMosD1 mini. số với tinh năng vượt trội và độ chính xác cao là cần thiết. Áp dụng những cơng nghệ tiên tiến, sử dụng các module đo cơng suất chuyên dụng kết hợp với bộ vi xử lý ESP8266 tác giả đã chế tạo bộ đồng hồ đo cơng suất, đo dịng điện và điện áp, phù hợp với các bài thí nghiệm, thực hành đo các thơng số trong mạch điện xoay chiều. 2. Thiết bị phần cứng và kết quả nghiên cứu chế tạo 2.1. Thiết bị phần cứng 2.1.1. Module vi điều khiển WeMos D1mini Module WeMos D1 mini là board được phát Hình 1. Hình ảnh và sơ đồ chân module WeMosD1 triển dựa trên module ESP8266-12E và phát mini triển theo tiêu chuẩn của board mạch Arduino 29
39. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) Hình 4. Sơ đồ khối module PZEM004T 2.1.3. Màn hình cảm ứng (LCD TFT 2.4 SPI ILI9341 TOUCH) Màn hình LCD TFT cảm ứng điện trở 2,4 inch ILI9341 giao tiếp SPI. Hình 5 và hình 6 là hình ảnh Hình 2. Sơ đồ nguyên lý module WeMosD1 mini và sơ đồ chânmàn hình cảm ứng LCD TFT ILI9341. 2.1.2. Module đo lường PZEM004T Hình 3 là hình ảnh và hình 4 mơ tả sơ đồ khối module PZEM004T. Module cĩ các chức năng sau: Đo các thơng số (điện áp, dịng điện, cơng suất tác dụng và năng lượng). Báo động quá tải, quá điện áp. Giao tiếp nối tiếp (giao tiếp TTL), sử dụng chức a năng này để giao tiếp với các thiết bị đầu cuối thơng qua các chân đọc và thiết lập thơng số. b a) Mặt trước; b) Mặt sau Hình 5. Hình ảnh màn hình cảm ứng LCD TFT ILI9341 Hình 3. Hình ảnh module PZEM-004T 30
40. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) cần nguồn 5VDC cho các module LCD, vi điều khiển. Vì vậy tác giả chỉ sử dụng 01 đầu vào nguồn AC và chuyển sang 5VDC thơng qua module nguồn HLK-PM01 cấp cho các module trong mạch. Hình ảnh module nguồn HLK-PM01 được mơ tả trên hình 7. Hình 7. Hình ảnh module nguồn HLK-PM01 Hình 6. Sơ đồ chân màn hình cảm ứng LCD TFT 2.4 SPI ILI9341 TOUCH 2.2. Thiết kế, chế tạo bộ đo cơng suất Định dạng hiển thị: 2.2.1. Thiết kế sơ đồ khối Cơng suất: phạm vi đo 0÷22kW Sơ đồ khối của thiết bị bao gồm các khối như hình 8. Trong khoảng 0÷1kW, định dạng hiển thị 000÷999.9; Trong khoảng 1÷22kW định dạng hiển thị 1.000 ÷22.00. Điện năng: khoảng đo 0÷9999kWh Trong khoảng 0 ÷ 10kWh, định dạng hiển thị 0.000 ÷ 9.999; Trong khoảng 10 ÷ 100kWh, định dạng hiển thị 10.00 ÷ 99.99; Trong khoảng 100 ÷ 1000kWh, định dạng hiển thị 100.0 ÷ 999.9; Hình 8. Sơ đồ khối của bộ đo cơng suất Trong khoảng 1000 ÷ 9999kWh, định dạng hiển thị 1000 ÷ 9999. Chức năng các khối: Điện áp: phạm vi đo : 80 ÷ 260VAC Khối nguồn: nguồn điện xoay chiều 220VAC được dùng để cấp cho đầu vào và nguồn xoay Định dạng hiển thị là 110.0 ÷220.0 chiều trên module PZEM004T. Nguồn 5VDC được Dịng điện: phạm vi đo: 0÷ 100A chuyển đổi từ nguồn xoay chiều thơng qua module nguồn HLK- PM01 cĩ chức năng cấp Định dạng hiển thị: 00.00 ÷ 99.99 nguồn để tồn mạch hoạt động. 2.1.4. Module nguồn chuyển đổi AC – DC Khối đo điện năng sử dụng module Bộ đo cơng suất cần sử dụng nguồn AC cho các PZEM004T. thiết bị cần giám sát được hoạt động đồng thời 31
41. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) Khối xử lý trung tâm: sử dụng module vi điều khiển WeMos D1 mini kết nối với các thiết bị ngoại vi và giao tiếp với server thơng qua WiFi. Để đo dữ liệu thu thập được từ module PZEM004T thơng qua ứng dụng trên smartphone hoặc máy tính, tác giả sử dụng giao thức MQTT theo mơ hình Publish/Subscribe. Khối hiển thị: sử dụng màn hình cảm ứng LCD TFT 2.4 SPI ILI9341để dễ dàng theo dõi các thơng số điện đo được và cài đặt các tham số cho thiết bị Hình 10. Giao diện lập trình và biên dịch trên 2.2.2. Kết nối chân linh kiện Arduino IDE Linh kiện các khối được kết nối theo sơ đồ chân 3. Kết quả đạt được hình 9. Từ các phân tích về thiết kế, tác giả đã chế tạo thành cơng bộ đo cơng suất, với màn hình LCD TFT màu 2.4 inch cĩ cảm ứng và giao diện trực quan. Ngồi ra, bộ đo cơng suất cĩ ứng dụng hỗ trợ theo dõi trên smartphone và hỗ trợ kết nối với ứng dụng bên thứ 3 như Home Assistant. Các chức năng chính của bộ đo cơng suất: Hiển thị kết quả đo điện áp, tần số, dịng điện, cơng suất, số điện hằng ngày, hằng tháng, tổng số điện đã sử dụng. Lưu kết quả đo (số điện) trên thiết bị, kể cả khi mất kết nối internet. Hỗ trợ ứng dụng hiển thị trên smartphone . Hỗ trợ kết nối với Home Assistant. Cĩ giao thức kết nối MQTT. Kết quả đo tương đương với các thiết bị đo chuyên dụng (đã được kiểm định) trong phịng Hình 9. Sơ đồ kết nối chân linh kiện thí nghiệm. 2.2.3. Phần mềm lập trình cho vi điều khiển Tác giả đã sử dụng phần mềm Arduino IDE để xây dựng, biên dịch và nạp chương trình điều khiển cho bộ đo cơng suất. 32
42. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) Hình 12. Hình ảnh đấu nối bộ đo cơng suất trong bài thí nghiệm mạch điện và kết quả đo được 4. Kết luận Trong bài báo tác giả đã tổng kết lại quá trình nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ đo cơng suất. Dựa trên các phần mềm mã nguồn mở, tác giả đã tạo ra giao diện riêng để thực hiện việc cài đặt và kết nối thiết bị. Các kết quả thực nghiệm đo đối với các bài thí nghiệm, thực hành mạch điện xoay chiều cho kết quả tương đương với thiết bị đo chuẩn của phịng Hình 11. Hình ảnh bộ đo cơng suất sau khi hồn thí nghiệm. thiện Tài liệu tham khảo [1] ard-and-program-an-esp-01-circuit-with-the- arduino-ide/. [2] 33
43. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) Tác động của mạng 5G đối với sự phát triển của tự động hĩa và số hĩa cơng nghiệp Tống Ngọc Anh 1, * 1 Khoa Cơ – Điện, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Việt Nam, tongngocanh@humg.edu.vn; THƠNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT Quá trình: Ngành cơng nghiệp di động đang phát triển vượt bậc và đã cĩ những bước Nhận bài 17/6/2021 chuẩn bị trong việc triển khai mạng di động thế hệ thứ 5 (5G). Sự xuất hiện Chấp nhận 18/8/2021 của mạng 5G với các đặc tính tốc độ nhanh, độ trễ thấp, tính tin cậy cao, thực Đăng online 20/12/2021 sự như một động lực thúc đẩy đáng kể cho các ngành cơng nghiệp IoT Từ khĩa: (Internet of Things), trí tuệ nhân tạo (AI – Artificial Intelligent), xe tự hành, 5G, mạng di động 5G, thực tế ảo, blockchain và các ứng dụng tự động hĩa thơng minh khác. Sự ra đời ấy khơng chỉ đơn giản là một bước tiến của mạng di động thế hệ tiếp Internet of Things (IoT), theo, mà nĩ cịn mở ra một chân trời mới cho mọi ngành cơng nghệ. Bài báo Wifi 6, Internet cơng này sẽ đưa ra các phân tích, đánh giá về các thế hệ mạng di động và nhấn nghiệp - Industrial mạnh những tác động quan trọng của mạng 5G tới sự phát triển của tự động Internet of Things (IIoT) hĩa thơng minh và số hĩa trong các ngành cơng nghiệp. © 2021 Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Tất cả các quyền được bảo đảm. 1. Đặt vấn đề dạng thoại (voice) trong phạm vi nhỏ, thì thế hệ mạng di động thứ hai (2G) cho phép chúng ta cĩ Sự phát triển của các thế hệ mạng di động 1G, thể kết nối tồn cầu với nhau thơng qua hình thức 2G, 3G, 4G đã kéo theo những bước tiến vượt bậc thoại (voice) và nhắn tin văn bản (text sms). 3G trong các ngành khoa học kỹ thuật nĩi chung, cung cấp thêm khả năng truyền tải dữ liệu tốc độ cũng như ngành cơng nghiệp nĩi riêng. Trung cao (high-speed data) từ mạng truy nhập bình khoảng 10 năm kể từ khi mạng di động thế Internet. 4G mang lại sự khác biệt khá lớn về tốc hệ đầu tiên (1G – first generation) ra đời năm độ truyền tải dữ liệu này, đồng thời bắt đầu cung 1981, đánh dấu một thế hệ mạng di động mới, cấp các nền tảng trực tuyến và dịch vụ Internet được đặt tên lần lượt là 1G, 2G, 3G, 4G và 5G tốc độ cho đại chúng. Riêng mạng 5G, đang được (Pathak 2013; Mishra 2018). Bài báo này tập biết đến như một thế hệ mạng di động mạnh mẽ trung phân tích các đặc điểm của mạng di động 5G nhất, trang bị khả năng truyền nhận dữ liệu vơ và những tác động của mạng 5G lên các ngành: hạn (Pathak 2013; GSMA 2017; Mishra 2018). IoT, cơng nghệ oto, cơng nghiệp sản xuất, y tế chăm sĩc sức khỏe, thành phố thơng minh và một Tốc độ dữ liệu của các thế hệ mạng di động số ngành khác. cũng từng bước được nâng cao. Mạng di động thế 2. Lịch sử phát triển của các thế hệ mạng di hệ thứ 5, là bước tiến tiếp theo của mạng di động động 4G, được kỳ vọng mang tới tốc độ từ 1 – 10 Gbps cho người sử dụng đầu cuối (Bhalla 2010; Mishra Nếu như thế hệ mạng di động đầu tiên (1G) chỉ 2018). cho phép người dùng trao đổi thơng tin dưới 34
44. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) cho dải tần từ 3.6 – 4 GHz, dải này cho phép mạng 5G phủ sĩng được khoảng cách tầm trung. Trong cơng nghệ mmWave, người ta tập trung sử dụng nhiều các trạm tế bào cĩ kích thước nhỏ (small cells), thay vì việc sử dụng song hành trạm phát cĩ cơng suất lớn và small cells như mạng 4G. Vị trí đặt small cells sẽ được thiết kế để lắp trên các cột đèn hoặc các tịa nhà, khi đĩ, sĩng mmWave cĩ thể dễ dàng truyền mà ít chịu sự ảnh hưởng của thời tiết hoặc các chướng ngại vật vật lý (Liu and Jiang 2016; De Matos and Gondim 2016; Hossain 2013). Hình 1. Lịch sử phát triển các thế hệ mạng di động 5G 2019 10 Gbps 4G 2011 100 Mbps 3G 1998 Voice, SMS, Internet, Cloud, 2 Mbps Streaming 2G Nền tảng IP 1990s Mạng di động băng rộng tốc độ cao 1G 64 Kbps Voice, SMS, Internet, Độ tin cậy cao Hình 3. Phổ tần số sử dụng trong mạng 5G 1984 Cloud, Streaming Độ trễ thấp 2.4 Kbps Voice, SMS, Internet Nền tảng IP (Robert Triggs, Online) Mạng di động băng Mạng di động băng rộng rộng độ tin cậy cao Voice, SMS 3.3. Kỹ thuật định tuyến (Beamforming) Nền tảng Digital Voice Nền tảng Kỹ thuật beamforming trong mạng 5G cho Analog phép các bộ định tuyến (router) truyền tín hiệu Hình 2. Tốc độ dữ liệu các thế hệ mạng di động tới các thiết bị sử dụng nhanh hơn, mạnh hơn 3. Các đặc tính của mạng di động 5G với độ tin cậy cao hơn so với mạng vơ tuyến thơng thường, cho phép khắc phục các giới hạn 3.1. Tiêu chuẩn mạng về cự ly truyền dẫn khi sử dụng phổ dạng sĩng Mạng 5G hiện nay cĩ 2 tiêu chuẩn: một là ở tần số cao. dạng mạng liên kết NSA (Non-standalone). 3.4. Kỹ thuật đa ăng ten (Massive MIMO) Dạng này dựa cĩ cấu trúc nền tảng vẫn dựa trên Kỹ thuật Massive MIMO cho phép sử dụng nền tảng của mạng di động 4G. Hai là mạng nhiều ăng ten phát và nhiều ăng ten thu tại cùng dạng độc lập SA (Standalone). Đối với dạng SA, một thời điểm trên cùng một trạm thu phát mạng lõi lúc này đã được thay đổi hồn tồn, sĩng để phục vụ nhiều người sử dụng. Kỹ thuật được trang bị các cơng nghệ phân chia hoạch này sẽ tận dụng triệt để hiệu năng sử dụng tần định mạng và mã hĩa sĩng mang con. Kiến trúc số tại một trạm. Thơng thường, nĩ được kết mạng 5G theo chuẩn SA được tối ưu hĩa về giá hợp cùng kỹ thuật beamforming ở trên. thành mà vẫn cải thiện được chất lượng sử Bên cạnh đĩ, mạng di động thế hệ thứ 5 cung dụng dịch vụ (Cero et al. 2017; Saha et al. cấp khả năng hỗ trợ giao tiếp giữa máy – máy 2016). được cải thiện, giảm mức độ tiêu thụ cơng suất 3.2. Kỹ thuật trải phổ và độ trễ thấp hơn so với mạng 4G. Mạng 5G sử Mạng 5G sử dụng cơng nghệ mmWave cho dụng băng tần siêu rộng UWB (Ultra Wide các dải tần số cao (trên 17GHz), và sử dụng các Band) với độ rộng băng tần cao hơn mà vẫn sử sĩng mang cho các phổ tín hiệu 3 - 6 GHz (sub- dụng năng lượng tiêu thụ thấp hơn. Băng thơng 6), băng tần dưới 1GHz (300-800 MHz) và dải của mạng 5G cĩ thể đặt tới 4000 Mbps, nhanh tần của mạng 4G. Ở Việt Nam, hiện đang nghiên gấp 100 lần so với mạng di động 4G ngày nay. cứu sử dụng dải dưới 6GHz (Sub-6), áp dụng Mạng 5G cũng cĩ thể cung cấp tới hàng trăm tỷ 35
45. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) các kết nối, giao tiếp máy trong phạm vi rộng - Giao tiếp máy và máy (Machine to Machine với băng thơng di động cực cao. Ngồi ra, mạng – Massive IOT): thích hợp cho các ngành di động 5G cĩ độ trễ cực thấp (1ms), tiết kiệm mua sắm, bán lẻ và sản xuất năng lượng tới 90%, độ tin cậy rất cao 99.9%, - Độ trễ thấp, độ tin cậy cao: thích hợp cho tốc độ truyền dữ liệu lên tới 10 Gbps, cho phép truyền dữ liệu với dung lượng lên tới 10 Tb các ngành sản xuất xe tự hành, y tế và thành (Barreto et al. 2016; Hu 2016; Saha et al. 2016; phố thơng minh (smart cities). Cero et al. 2017). 4.1. Tác động của mạng 5G đối với IOT 4. Những tác động của mạng 5G Khái niệm về IOT đã được ứng dụng từ năm 2015, với nền tảng cấu trúc bao gồm: các cảm Hiện nay, các ngành cơng nghiệp sản xuất biến khơng dây (wireless sensors), hệ thống đang từng bước được nâng cao với mục đích thu thập dữ liệu (DAS – Data Acquisition tăng doanh thu bằng cách thay đổi trong các System), chuyển vùng Internet (Internet quá trình phục vụ khách hàng, tăng cung và cầu, Gateway), Dịch vụ quản lý dữ liệu, trung tâm dữ cạnh tranh trực tiếp với đối thủ, giảm các chi liệu và điện tốn đám mây. Hệ thống IOT ngày phí sản xuất bằng cách tăng năng suất lao động, nay đang dần phải đối mặt với sự tăng lên của giảm rủi ro đi cùng với tăng cường an ninh, an các Nodes mạng cũng như các vấn đề bảo mật. tồn và bảo mật. Để thực hiện điều đĩ, các Đối với mạng 4G, vấn đề truyền dữ liệu dung ngành cơng nghiệp này phải tiến tới các quy lượng thấp cĩ thể áp dụng được cho nhiều trình về số hĩa với các yêu cầu như sau Nodes nhiều cảm biến. Tuy nhiên khi yêu cầu (Ericsson, 2017): của người sử dụng tăng lên, địi hỏi truyền hình Hệ thống dây chuyền sản xuất phải được - ảnh và video, mạng 4G sẽ đứng trước thử thách trang bị khả năng kết nối tức thời, linh hoạt, khơng hề nhỏ. Mạng 5G sẽ giải quyết được vấn siêu đáng tin cậy cho hàng triệu thiết bị đề này, mạng 5G sẽ cung cấp các điều kiện cần - Giá thành thiết bị phải rẻ, cĩ thời lượng pin thiết và khả năng kết nối linh hoạt cho các thiết kéo dài bị đầu cuối, bao gồm tốc độ truy cập lớn, thơng - Cĩ khả năng theo dõi, vận hành, bảo dưỡng lượng cao, độ tin cậy tốt, độ trễ thấp, sẽ cải tồn trình quá trình sản xuất từ xa thiện hồn tồn phạm vi và ứng dụng của IOT - Cĩ thể sử dụng thực tế ảo/ thực tế tăng ngày nay như thành phố thơng minh, camera an cường ninh thơng minh, bộ điều nhiệt thơng minh, - Đặc biệt, cĩ thể sử dụng trí tuệ nhân tạo để thiết bị nhà bếp thơng minh tăng cường trong nhiều quá trình, thậm chí là cả doanh nghiệp Những đặc trưng của mạng 5G sẽ là cơng nghệ chính để số hĩa các ngành cơng nghiệp bởi nĩ cĩ khả năng cung cấp băng thơng rộng tốc độ cao, đáng tin cậy cũng như đảm bảo về tính bảo mật. Bên cạnh đĩ, mạng 5G sẽ cung cấp nền tảng để thúc đẩy số hĩa và tự động hĩa của cơng nghiệp 4.0 bao gồm: - Truyền thơng băng rộng: thích hợp cho các ngành cơng nghiệp truyền thơng và giải trí, Hình 4. Kiến trúc phân tầng trong IOT (Opentechdinary, 2015) Internet Chính vì vậy, mạng di động thế hệ mới này chắc chắn cĩ thể đáp ứng được với sự tăng lên 36
46. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) của các trạm cảm biến trong tương lai (Li et al. phổ (Liu and Jiang 2016; De Matos and Gondim 2018), thơng qua các tiêu chí sau: 2016; Hossain 2013) 4.2. Tác động của mạng 5G đối với ngành Tốc độ dữ liệu: là yếu tố quan trọng đối với các cơng nghệ ơtơ hệ thống truyền thơng khơng dây, cụ thể, mạng Theo một nghiên cứu năm 2017 của 5G cĩ thể hỗ trợ tốc độ dữ liệu lớn nhất là 10 Qualcomm, vào năm 2035, mạng 5G sẽ mang lại Gbps và nhỏ nhất là 100 Mbps (5G Forum tổng sản lượng kinh tế hơn 2,4 nghìn tỷ USD 2016). trong lĩnh vực ơ tơ, bao gồm cả chuỗi cung ứng Các ứng dụng IOT lưu động: hiện nay, nhiều và khách hàng của nĩ. Tác động kinh tế 5G trong thiết bị IOT cĩ sự chuyển động tương đối giữa lĩnh vực này sẽ chiếm khoảng 20% tổng tác máy phát và máy thu, những yêu cầu này đang động kinh tế 5G tồn cầu vào năm 2035 là vấn đề thách thức đối với mạng 4G. Tuy (Condon 2017). Theo Diễn đàn Kinh tế Thế giới, nhiên, với mạng 5G, số lượng trạm di động cĩ quá trình chuyển đổi kỹ thuật số của ngành kích thước nhỏ lớn sẽ khắc phục được điều này. cơng nghiệp ơ tơ sẽ tạo ra 67 tỷ đơ la giá trị Trễ truyền dẫn: mạng 5G với những cải tiến trong giai đoạn 2015–2025. Ngồi ra, sự đáng kể về cơng nghệ lõi theo chuẩn ALL IP, cho chuyển đổi này sẽ tạo ra 3,1 nghìn tỷ đơ la lợi phép độ trễ giảm tới mức tối thiểu (xấp xỉ 0) ích xã hội bao gồm cải tiến phương tiện tự hành (Saha et al. 2016; Hu 2016; Ford et al. 2017) và hệ sinh thái doanh nghiệp vận tải trong cùng Mật độ kết nối: số lượng thuê bao/ thiết bị truy thời kỳ (Diễn đàn Kinh tế Thế giới 2015). Các cập trong một đơn vị diện tích là khơng giới hạn nhà sản xuất ơ tơ đang chạy đua để cải tiến cơng trong mạng 5G (Amaral et al. 2016; NGMN nghệ cung cấp năng lượng cho ơ tơ tự hành Alliance 2017). (Smart Cars). Smart Cars tiêu tốn nhiều băng Độ tin cậy trong mạng 5G: đánh giá tỉ lệ mất gĩi thơng, yêu cầu phản hồi nhanh hơn từ mạng và khi thực hiện ở lớp vật lý. Trong mạng 5G, độ kết nối mạng liên tục. 5G hỗ trợ băng thơng cao tin cậy đạt 99,999% (Ford et al. 2017; hơn và độ trễ thấp hơn, cho phép Smart Cars Rappaport et al. 2014; Ge et al. 2016; Elayoubi hoạt động hiệu quả. Cơng nghệ 5G đồng thời et al. 2016) cũng thu thập chính các dữ liệu từ xe tự hành. Độ chính xác về vị trí: trong mạng 5G, độ chính Cơng nghệ này giúp lái xe thơng minh an tồn xác khi thực hiện định vị theo trạm phát sĩng hơn và hiệu quả hơn. Như vậy, mạng 5G sẽ giúp đạt mức nhỏ hơn 1m (Elayoubi et al. 2016) kích hoạt các dịch vụ đi xe tự hành trong đơ thị Độ phủ sĩng: mạng 5G cung cấp khả năng kết và hầu hết người sử dụng. Ngồi ra, mạng 5G cĩ nối mọi lúc, mọi nơi mà vẫn đảm bảo tốc độ dữ thể cung cấp nhiều dịch vụ cho các nhà sản xuất, liệu ở mức 1Gbps dựa theo nhu cầu của người bao gồm thơng tin điều hướng, thơng tin giao sử dụng. Đối với các trạm IOT, yêu cầu về mức thơng, tính phí điện tử, cảnh báo nguy hiểm, phủ sĩng của trạm phải đạt trên 99,999% và chỉ cảnh báo va chạm, cập nhật thời tiết và các dịch cĩ mạng 5G mới cĩ khả năng đáp ứng này vụ an ninh mạng để giám sát các phương tiện (NGMN Alliance 2017) xâm nhập. Hiệu năng sử dụng phổ: được định nghĩa là 4.3. Tác động của mạng 5G đối với ngành thơng lượng của tất cả người dùng trên một cơng nghiệp sản xuất trạm phủ sĩng hoặc một vùng địa lý (cách khác Các cơng ty sản xuất trên khắp thế giới đang được gọi là: thơng lượng truy cập mạng trên chịu áp lực cạnh tranh gay gắt do vịng đời sản một Hz băng thơng), thơng lượng này được quy phẩm và kinh doanh ngắn hơn. Tỷ suất lợi chuẩn trong IEEE là 30bps/Hz cho đường tải nhuận đang bị siết chặt hơn bao giờ hết. Để xuống và 15bps/Hz cho đường tải lên (Liu and cạnh tranh trên tồn cầu, các cơng ty sản xuất Jiang 2016). Mạng 5G cho phép tăng thơng bắt buộc phải nâng cao hiệu quả và giảm chi phí lượng này lên tới 3 – 5 lần hiệu năng sử dụng thơng qua các cơng nghệ đổi mới quy trình mới 37
47. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) như robot, tự động hĩa nhà kho, nhà máy thơng khiển một robot phẫu thuật theo thời gian thực minh và trợ giúp điều chỉnh linh hoạt. Mạng 5G thơng qua mạng 5G (China Daily 2019). và IoT sẽ đĩng những vai trị quan trọng trong 4.4. Tác động của mạng 5G đối với smart việc nâng cao và tạo điều kiện cho những tiến cities bộ sản xuất này. 5G sẽ mang đến nhiều cơ hội Truyền tải điện đang là lĩnh vực được áp về việc thực hiện xây dựng một nhà máy thơng dụng IOT, tại đây, các cơng ty điện lực cĩ thể sử minh, cĩ thể tận dụng các cơng nghệ như tự dụng truyền tải điện thơng minh để tăng hiệu động hĩa, trí thơng minh nhân tạo và thực tế ảo quả trong việc giám sát, quản lý cũng như chủ để xử lý sự cố. 5G là một cơng nghệ quan trọng động trong việc bảo trì và ứng phĩ khi cĩ sự cố cho số hĩa ngành cơng nghiệp giúp tăng cường điện, đồng thời, người sử dụng cũng cĩ thể trực trực tiếp kết nối, chất lượng, tốc độ, độ trễ và tiếp theo dõi điện năng tiêu thụ của hộ gia đình băng thơng. 5G cĩ thể giúp khắc phục các vấn thơng qua các thiết bị di động. Với đặc trưng về đề khĩ khăn, bao gồm các vấn đề liên quan đến băng thơng, tốc độ dữ liệu, tính real-time, độ tin kết nối như khơng đủ băng thơng, tốc độ và c độ cậy, tính bảo mật, mạng 5G thực sự cĩ vai trị trễ. 5G cũng sẽ cải thiện khả năng kết nối cho rất quan trọng trong việc đĩng gĩp vào sự phát một mạng lưới cảm biến lớn để bảo trì, dự đốn triển của một thành phố thơng minh tích hợp tình trạng hoạt động cho các máy mĩc, robot cơng nghệ thơng tin và truyền thơng với các trong nhà máy. Mạng 5G sẽ cho phép tính linh lĩnh vực như: trường học, bệnh viện, giao thơng, hoạt cao hơn, chi phí thấp hơn và thời gian thực cung cấp và truyền tải điện, quản lý chất thải, hiện ngắn hơn cho các thay đổi và thay đổi bố thực thi pháp luật cũng như nhiều lĩnh vực trí mặt bằng nhà máy. Các mạng, dịch vụ và khả khác. năng kết nối 5G cĩ tiềm năng chuyển đổi mơ hình sản xuất, kinh doanh và bán hàng theo Bên cạnh đĩ, khơng thể phủ nhận rằng mạng những cách cĩ lợi cho sản xuất. 5G cũng cĩ những tác động đáng kể tới các 4.4. Tác động của mạng 5G đối với ngành y ngành khác, trong đĩ cĩ Việt Nam, theo chiều tế và chăm sĩc sức khỏe hướng khơng cĩ lợi. Ví dụ như đối với ngành Hiện nay, đứng trước đại dịch Covid-19 đang truyền hình, do phổ tần số sub-6 của 5G nằm gia tăng, yêu cầu về chăm sĩc và điều trị sức cùng dải tần với các trạm thu vệ tinh băng tần khỏe từ xa đang là vấn đề khá cấp thiết khi mà C, nên tín hiệu truyền hình ngày nay đang bị can các bác sĩ, nhân viên y tế gặp khĩ khăn trong nhiễu, dẫn đến tình trạng mất sĩng xảy ra việc di chuyển tới hiện trường. Các dịch vụ và thường xuyên (hình 5). Điều này sẽ khiến cho mạng 5G sẽ cung cấp các ưu điểm của nền tảng số lượng lớn thuê bao của các khách hàng y tế di động như tính di động và kết nối ưu việt truyền thống bị giảm, ảnh hưởng trực tiếp tới để bác sĩ và y tá cĩ thể theo dõi bệnh nhân mọi doanh thu của các đơn vị kinh doanh dịch vụ lúc, mọi nơi. Cơng nghệ 5G đồng thời cho phép truyền hình trả tiền. bệnh nhân sử dụng thiết bị cảm biến nhỏ, gắn trên cơ thể để truyền các thơng tin về triệu chứng bệnh (nếu cĩ) và tình trạng sức khỏe của họ. Mạng 5G với tốc độ nhanh hơn và nhiều băng thơng hơn cĩ thể giúp các bác sĩ cĩ quyền truy cập vào thơng tin của bệnh nhân để theo dõi và chẩn đốn từ xa. Ví dụ như vào tháng 4 năm 2019, một bác sĩ phẫu thuật thần kinh Trung Quốc đã phẫu thuật thành cơng cho một bệnh nhân mắc bệnh Parkinson bằng cách điều 38