CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ðỀ TÀI 1.1 ðặt vấn ñề ðộng cơ không ñồng bộ xoay chiều (AC asynchronous motor) hay ñộng cơ cảm ứng (induction motor) là thiết bị sử dụng nguồn ñiện ba pha nhằm chuyển ñổi ñiện năng thành cơ năng, ñược sử dụng nhiều trong công nghiệp, ñặc biệt là ñộng cơ rotor lồng sóc, vì các ưu ñiểm như: cấu tạo ñơn giản, chắc chắn, vận hành tin cậy, ít bảo trì, sữa chữa, giá thành hạ… Tuy nhiên, việc ñiều khiển ñộng cơ không ñồng bộ là một vấn ñề khó khăn và phức tạp, nhất là ñối với hệ truyền ñộng cần thay ñổi tốc ñộ vì ñộng cơ không ñồng bộ là một hệ phi tuyến. Trước ñây, ñộng cơ một chiều ñược sử dụng phổ biến trong các hệ thống truyền ñộng vì các ưu ñiểm như: dễ ñiều chỉnh tốc ñộ, mô-men khởi ñộng lớn. Tuy nhiên ñộng cơ một chiều cũng có một số khuyết ñiểm: cấu tạo phức tạp, phát sinh tia lửa ñiện tại chổi than và cổ góp, khó khăn trong việc bảo trì, sữa chữa… Ngày nay cùng với sự phát triển của các thiết bị ñiện tử công suất và các bộ vi xử lý thì việc ñiều khiển ñộng cơ không ñồng bộ trở nên dễ dàng hơn. Vì vậy các hệ truyền ñộng hiện nay chủ yếu sử dụng ñộng cơ không ñồng bộ làm cơ cấu chấp hành.
Tùy theo các ứng dụng cụ thể, việc ñiều khiển ñộng cơ không ñồng bộ có thể ñược chia thành hai cấp 1.1 ðiều khiển cấp thấp: không cần ñộ chính xác cao, gồm một số phương pháp như thay ñổi cách ñấu bộ dây quấn ñộng cơ (ñể thay ñổi số cực từ) hoặc thêm bớt một vài phần tử nào ñó (như ñiện trở, ñiện kháng) vào mạch rotor ñể thay ñổi ñường ñặc tính cơ của ñộng cơ hoặc thay ñổi nguồn cung cấp (thay ñổi áp) ở mức ñộ ñơn giản.2 ðiều khiển cấp cao: ñáp ứng các truyền ñộng cần ñộ chính xác cao. Trong việc ñiều khiển ñộng cơ cần ñộ chính xác cao, ta có ba cách tiếp cận: 2 1.1 ðiều khiển ñộng cơ bằng cách thay ñổi tần số nguồn cấp Người thiết kế, chế tạo sử dụng các phương pháp ñiều khiển từ cổ ñiển (phương pháp ñiều khiển vô hướng V/f = const) ñến hiện ñại (phương pháp ñiều khiển vector không gian - space vector control) ñể thay ñổi tần số nguồn cấp nhằm ñạt mục ñích ñiều khiển mong muốn. Kỹ thuật ñiều khiển vector không gian ñược sử dụng ñể ñiều khiển ñộng cơ, có hai phương pháp chính: + ðiều khiển ñịnh hướng trường (Field Oriented Control) bao gồm: phương pháp ñiều khiển vectơ trực tiếp (Direct Vector Control) và phương pháp ñiều khiển vectơ gián tiếp (Indirect Vector Control). + ðiều khiển trực tiếp mô-men ñộng cơ: DSC (Direct Self Control) và DTC (Direct Torque Control).
Các phương pháp ñiều khiển ñộng cơ bằng cách thay ñổi tần số nguồn cấp ñược tóm tắt trong hình 1.1 Các phương pháp ñiều khiển thay ñổi tần số 1.2 ðiều khiển bằng cách tác ñộng lên mô hình toán học của ñộng cơ Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của lý thuyết ñiều khiển tự ñộng, kỹ thuật ñiều khiển ñộng cơ không ñồng bộ cũng thay ñổi nhanh chóng. Trong lý thuyết ñiều khiển hiện ñại, ñộng cơ không ñồng bộ ba pha ñược xem là một ñối 3 tượng phi tuyến (vì mô hình toán học của ñộng cơ không ñồng bộ ñược mô tả bằng các phương trình vi phân bậc cao). ðể ñiều khiển ñộng cơ một cách chính xác, ta phải áp dụng các phương pháp ñiều khiển phi tuyến như: ñiều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa (feedback linearization control), ñiều khiển trượt (sliding mode control- SMC), ñiều khiển thụ ñộng (passive control), ñiều khiển thích nghi (adaptive control)…ñể tác ñộng lên mô hình toán học của ñộng cơ.3 Cách tiếp cận không sử dụng mô hình toán học của ñộng cơ ðây là cách tiếp cận dựa trên các phương pháp của trí tuệ nhân tạo (artificial intelligence) như mạng nơron (neuron netwotk) hoặc logic mờ (fuzzy logic) ñể thực hiện một hoặc vài khâu nào ñó trong quá trình ñiều khiển ñộng cơ (ñược gọi là ñiều khiển thông minh). Cách tiếp cận này không sử dụng mô hình toán học của ñộng cơ vì người thiết kế sẽ sử dụng kiến thức và kinh nghiệm có sẵn (của chuyên gia) ñể huấn luyện các khâu ñiều khiển.
Ưu ñiểm của phương pháp này là không sử dụng mô hình toán học của ñộng cơ mà chỉ cần tri thức và kinh nghiệm của chuyên gia ñể huấn luyện luật ñiều khiển mà không cần biết cấu trúc bên trong của khâu ñiều khiển, chỉ cần biết tín hiệu vào- ra (I/O) nên phương pháp này phù hợp với các khâu ñiều khiển phức tạp, không thể phân tích cấu trúc ñiều khiển (qui tắc “hộp ñen”). Kết hợp tính ưu việt của các phương pháp ñiều khiển khác nhau, luận văn này trình bày kỹ thuật “ðiều khiển ñộng cơ không ñồng bộ theo phương pháp FIELD ORIENTED CONTROL (FOC) sử dụng bộ ñiều khiển mờ” (áp dụng cách tiếp cận mô hình toán của ñộng cơ) kết hợp huấn luyện mạng nơron ñể thực thi khâu ước lượng từ thông rotor của ñộng cơ.2 Mục tiêu ñề tài Xây dựng và mô phỏng bộ ñiều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa cho ñối tượng ñiều khiển là ñộng cơ không ñồng bộ ba pha. Xây dựng và mô phỏng bộ ñiều khiển mờ ñiều khiển ñộng cơ không ñồng bộ 3 pha theo phương pháp FOC. 4 Sử dụng mạng nơron ước lượng từ thông rotor 1.3 Phạm vi nghiên cứu Do giới hạn về thời gian và ñiều kiện nghiên cứu nên ñề tài chỉ giới hạn trong các vấn ñề sau: Xây dựng mô hình toán học ñộng cơ không ñồng bộ ba pha.
Nghiên cứu, xây dựng giải thuật ñiều khiển tuyến tính hóa dựa trên mô hình toán học của ñộng cơ và mô phỏng phương pháp ñiều khiển tuyến tính hóa và mô phỏng trên Matlab. Nghiên cứu ñiều khiển ñộng cơ không ñồng bộ ba pha dựa trên phương pháp FOC và bộ ñiều khiển mờ FOC và mô phỏng trên Matlab.4 Nội dung thực hiện Chương 1: Tổng quan về ñề tài Chương 2: Mô hình toán học ñộng cơ không ñồng bộ 3 pha và các phương pháp ñiều khiển Chương 3: Phương pháp ñiều khiển ñịnh hướng từ thông (Field Oriented Control - FOC ) Chương 4 : ðiều khiển tuyến tính hóa ñộng cơ không ñồng bộ 3 pha Chương 5: Sử dụng bộ ñiều khiển mờ ñiều khiển ñộng cơ không ñồng bộ 3 pha theo phương pháp FOC Chương 6: Sử dụng mạng nơron ước lượng từ thông rotor Chương 7: Mô phỏng tổng hợp các bộ ñiều khiển tuyến tính hóa , PID, mờ PID và so sánh kết quả của các bộ ñiều khiển trên cùng 1 trục tọa ñộ (từ ñó ñưa ra kết luận và hướng phát triển cho ñề tài). 5 CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH ðỘNG CƠ KHÔNG ðỒNG BỘ 3 PHA VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ðIỀU KHIỂN 2. Giới thiệu khái quát về ñộng cơ xoay chiều không ñồng bộ 3 pha 2.
Cấu tạo ðộng cơ không ñồng bộ ba pha có cấu tạo gồm hai phần: phần tĩnh (stator) và phần quay (rotor). Stator gồm các bộ phận: lõi thép, dây quấn và vỏ máy. Lõi thép stator có dạng hình vành khăn, ñược ghép bằng các lá thép kỹ thuật ñiện có hình dạng như hình 2.1, mặt trong của lõi thép có các rãnh ñể ñặt dây quấn Hình 2.1 Lõi thép stator Rãnh có các dạng : rãnh kín, là rãnh không có miệng ; rãnh hở, là rãnh có miệng và ñáy bằng nhau; rãnh nửa hở, là rãnh có miệng bằng ½ ñáy; rãnh nửa kín, là rãnh có miệng nhỏ hơn ñáy. Có 2 dạng rãnh nửa kín phổ biến là rãnh hình thang và rãnh quả lê (hình 2.2 Rãnh ở mặt trong stator 6 Dây quấn stator thường là dây ñồng có tiết diện tròn hoặc chữ nhật và ñược bọc cách ñiện.
Dây quấn ñược ñặt trong các rãnh của lõi thép stator. Dây quấn stator của ñộng cơ không ñồng bộ 3 pha gồm ba cuộn dây giống nhau, có vị trí lệch nhau góc không gian 120o ñiện như hình 2.3 Dây quấn stator Vỏ máy có chức năng bảo vệ máy và làm giá lắp các bộ phận khác của máy. Vỏ máy có thể làm bẳng thép ñúc, hoặc nhôm (hình 2. Vỏ gồm thân và hai nắp.
Thân vỏ ñể chứa lõi thép. Mặt ngoài thân có các gờ tản nhiệt, có các lỗ ñể lắp vòng treo, bảng ñấu dây và ñế máy. Hai nắp của thân dùng ñể che phần ñầu nối của dây quấn và là giá chứa hai ổ trục của rotor.4 Vỏ máy và các phụ kiện 2. Rotor Gồm có các bộ phận: lõi thép, trục và dây quấn.
7 Lõi thép rotor ñược ghép bằng các lá thép kỹ thuật ñiện có dạng như hình 2. Mặt ngoài có các rãnh ñể ñặt dây quấn rotor; ở giữa có lỗ ñể lắp trục rotor.5 Lõi thép rotor Trục rotor làm bằng thép, trục thường ñược cố ñịnh với lõi thép theo kiểu then hoa. Dây quấn của ñộng cơ không ñồng bộ có 2 kiểu: kiểu rotor lồng sóc và kiểu rotor quấn dây. Rotor lồng sóc (rotor ngắn mạch): trong mỗi rãnh của lõi thép rotor ñặt một thanh dẫn bằng ñồng hoặc nhôm, ñầu các thanh dẫn nối vào hai vành bằng ñồng hoặc nhôm gọi là hai vành ngắn mạch.
Hệ thống các thanh dẫn và hai vành ngắn mạch như hình 2. Các thanh dẫn rotor lồng sóc thường ñược bố trí nghiêng một bước rãnh nhằm giảm ảnh hưởng của moment phụ (hiện diện ở tốc ñộ dưới tốc ñộ ñồng bộ) cũng như giảm thiểu tiếng ồn và rung ñộng khi ñộng cơ làm việc.6 Rotor lồng sóc Rotor quấn dây: trong các rãnh của lõi thép rotor ñặt dây quấn ba pha giống như dây quấn stator. Dây quấn này thường nối sao, ba ñầu dây ra của dây quấn nối với ba vành bằng ñồng (gọi là vành trượt) gắn cố ñịnh trên trục rotor (hình 2. Các vành trượt ñược cách ñiện với trục rotor.
Tỳ trên ba vành trượt là ba chổi than 8 gắn cố ñịnh trên giá như hình 2. Ba chổi than nối với ba biến trở dùng ñể mở máy và ñiều chỉnh tốc ñộ ñộng cơ (hình 2. Rotor 3 vành trượt Trục rotor Chổi than 3 cuộn dây rotor Biến trở Hình 2.7 Rotor dây quấn và ñiều khiển ñộng cơ rotor dây quấn bằng biến trở 2. Khe hở không khí Là khoảng hở giữa rotor và stator.
Ở ñộng cơ không ñồng bộ, khe hở này rất nhỏ (từ 0,2 ñến 1mm) trong máy cỡ nhỏ và vừa. Mô hình hoàn chỉnh của ñộng cơ không ñồng bộ rotor lồng sóc như hình 2.8 Mô hình vật lí của ñộng cơ không ñồng bộ 3 pha rotor lồng sóc • So sánh ñộng cơ không ñồng bộ 3 pha rotor lồng sóc và rotor dây quấn: 9 – ðộng cơ rotor lồng sóc có cấu tạo bền chắc, nên rất phổ biến.