I. Điều khiển Động Cơ Không Đồng Bộ 3 Pha
Chương này tập trung vào điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha, một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong kỹ thuật điện. Động cơ không đồng bộ 3 pha được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và đời sống nhờ ưu điểm về độ bền, chi phí thấp và dễ bảo trì. Tuy nhiên, điều khiển động cơ này lại phức tạp do tính phi tuyến của hệ thống. Nghiên cứu tập trung vào việc khắc phục những hạn chế của các phương pháp điều khiển truyền thống như phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor, vốn phụ thuộc nhiều vào các tham số động cơ và khó đảm bảo tính bền vững. Động cơ cảm ứng 3 pha được mô hình hóa dựa trên hệ tọa độ abc và được chuyển đổi sang hệ tọa độ dq để thuận tiện cho việc phân tích và thiết kế bộ điều khiển. Các phương trình toán học mô tả hoạt động của động cơ, bao gồm phương trình cân bằng điện áp và phương trình cơ điện, được trình bày chi tiết. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ 3 pha đóng vai trò nền tảng cho việc thiết kế và phân tích hiệu quả của các thuật toán điều khiển.
1.1. Các Nghiên Cứu Liên Quan
Nhiều phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha đã được nghiên cứu, bao gồm điều khiển vector, điều khiển thang độ, điều khiển PID, và điều khiển chế độ trượt (SMC). Tuy nhiên, các phương pháp truyền thống như sử dụng nghịch lưu 2 bậc tạo ra sóng hài đáng kể, ảnh hưởng đến tuổi thọ động cơ. Phương pháp trượt được xem là một giải pháp hiệu quả nhưng cần giải quyết vấn đề dao động quanh mặt trượt (chattering). Nghiên cứu hiện nay hướng đến việc sử dụng nghịch lưu đa bậc ghép tầng để giảm sóng hài và nâng cao chất lượng nghịch lưu. Tuy nhiên, việc thiết kế bộ điều khiển trượt cho nghịch lưu đa bậc ghép tầng và tải động cơ thay đổi vẫn còn nhiều thách thức. Bài báo này đề xuất một phương pháp mới để giải quyết những vấn đề này, tập trung vào việc cải thiện hiệu quả và độ bền của hệ thống điều khiển động cơ. Điều khiển vector và điều khiển mô men cũng được xem xét để so sánh hiệu quả.
1.2. Mô Hình Động Cơ Và Hệ Thống Điều Khiển
Mô hình động cơ không đồng bộ 3 pha được xây dựng dựa trên hệ tọa độ dq, giúp đơn giản hóa việc phân tích và thiết kế bộ điều khiển. Các tham số động cơ như điện trở, điện cảm, mô men quán tính được xác định và sử dụng trong mô hình. Hệ thống điều khiển bao gồm bộ biến đổi tần số (inverter), thường là nghịch lưu đa bậc ghép tầng 7 bậc trong nghiên cứu này, để điều khiển điện áp cấp cho động cơ. Cảm biến tốc độ, ví dụ như encoder hoặc resolver, cung cấp thông tin phản hồi về tốc độ động cơ. PWM (Pulse Width Modulation) được sử dụng để điều khiển tín hiệu điện áp đầu ra của bộ biến đổi tần số. Cấu trúc hệ thống điều khiển được mô tả chi tiết, bao gồm các khối chức năng chính như bộ điều khiển từ thông, bộ điều khiển tốc độ và bộ điều khiển mô men. Việc lựa chọn các thuật toán điều khiển và cấu trúc hệ thống phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống.
II. Phương Pháp Trượt Trong Điều Khiển Động Cơ
Phần này tập trung vào phương pháp trượt (Sliding Mode Control - SMC), một kỹ thuật điều khiển phi tuyến mạnh mẽ được ứng dụng để điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha. Phương pháp trượt dựa trên việc thiết kế một mặt trượt trong không gian trạng thái, đảm bảo hệ thống hội tụ về điểm hoạt động mong muốn. Kiểm soát trượt được thực hiện bằng cách sử dụng một luật điều khiển không liên tục, đưa trạng thái hệ thống về mặt trượt và duy trì trạng thái đó. Tuy nhiên, luật điều khiển không liên tục có thể gây ra hiện tượng dao động quanh mặt trượt (chattering). Để khắc phục vấn đề này, nghiên cứu sử dụng hàm hyperbolic tangent thay thế cho hàm signum trong luật điều khiển. Thuật toán điều khiển trượt được thiết kế độc lập cho ba biến điều khiển: từ thông, tốc độ và mô men. Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha được thực hiện thông qua việc điều khiển mô men điện từ.
2.1. Thiết Kế Bộ Điều Khiển Trượt
Thiết kế bộ điều khiển trượt bao gồm việc định nghĩa mặt trượt, thiết kế luật điều khiển để đưa trạng thái hệ thống về mặt trượt và duy trì trạng thái đó. Luật điều khiển được thiết kế dựa trên nguyên lý ổn định Lyapunov, đảm bảo sự hội tụ của hệ thống. Hàm hyperbolic tangent được sử dụng để giảm thiểu hiện tượng chattering. Giải thuật giảm số lần chuyển mạch được tích hợp để giảm sự hao phí năng lượng trong quá trình điều khiển. Bộ điều khiển từ thông, bộ điều khiển tốc độ, và bộ điều khiển mô men được thiết kế riêng biệt nhưng phối hợp hoạt động nhịp nhàng để điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha. MATLAB/Simulink được sử dụng để mô phỏng và kiểm tra hiệu quả của bộ điều khiển.
2.2. Điều Chế Sóng Mang Và Giảm Chuyển Mạch
Điều chế sóng mang (PWM) là một kỹ thuật quan trọng trong việc điều khiển nghịch lưu. Nghiên cứu sử dụng điều chế sóng mang thích ứng theo tốc độ để tối ưu hóa hiệu suất điều khiển. Giải thuật giảm số lần chuyển mạch giúp giảm thiểu hiện tượng chattering và giảm tổn thất năng lượng. Việc lựa chọn tần số sóng mang phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng điều khiển và giảm sóng hài. Phương pháp điều chế sóng mang được mô tả chi tiết, bao gồm các thông số thiết kế và phương pháp điều khiển. Hiệu quả của các thuật toán điều khiển và kỹ thuật điều chế sóng mang được đánh giá thông qua các chỉ tiêu như tổng điều hòa hài (THD), đáp ứng động và ổn định của hệ thống. PLC (Programmable Logic Controller) có thể được sử dụng để triển khai thuật toán điều khiển.
III. Kết Quả Và Phân Tích
Chương này trình bày kết quả mô phỏng và thí nghiệm của hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha sử dụng phương pháp trượt. Kết quả được phân tích và so sánh với các phương pháp điều khiển truyền thống. Các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả bao gồm đáp ứng động, độ ổn định, sóng hài dòng điện, và hiệu suất năng lượng. Kết quả thí nghiệm trên động cơ 1hp với nguồn điện áp DC 75V cho thấy hiệu quả của phương pháp được đề xuất. Phân tích kết quả giúp đánh giá ưu điểm và hạn chế của phương pháp, cũng như đề xuất các hướng phát triển trong tương lai.
3.1. Mô Phỏng Và Thí Nghiệm
Mô phỏng trên MATLAB/Simulink được sử dụng để kiểm tra và tối ưu hóa thuật toán điều khiển. Thí nghiệm trên hệ thống thực tế sử dụng kit DSP F28335 và nghịch lưu 7 bậc giúp xác nhận hiệu quả của phương pháp đề xuất. Kết quả mô phỏng và kết quả thí nghiệm được trình bày dưới dạng đồ thị và bảng biểu, cho thấy sự so sánh giữa phương pháp đề xuất và các phương pháp truyền thống. Phân tích kết quả tập trung vào các chỉ tiêu như đáp ứng tốc độ, mô men, dòng điện, và tổng hài hòa dòng điện (THD). Việc so sánh giúp đánh giá hiệu quả của phương pháp điều khiển trượt trong việc cải thiện các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống điều khiển động cơ.
3.2. Đánh Giá Hiệu Quả Và Hướng Phát Triển
Hiệu quả của phương pháp điều khiển trượt được đánh giá dựa trên các chỉ tiêu kỹ thuật như đáp ứng động, độ ổn định, giảm sóng hài, và giảm tổn thất năng lượng. So sánh với các phương pháp điều khiển truyền thống cho thấy sự vượt trội của phương pháp đề xuất. Ứng dụng thực tiễn của phương pháp này bao gồm điều khiển động cơ trong các hệ thống công nghiệp và tự động hóa. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc nghiên cứu và cải tiến thuật toán điều khiển, ứng dụng cho các loại động cơ khác, và tích hợp với các hệ thống điều khiển thông minh. An toàn hệ thống điều khiển cũng là một yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng. Quản lý năng lượng động cơ có thể được tối ưu hóa bằng cách kết hợp với các kỹ thuật điều khiển khác.
