Tổng quan luận án

Động cơ đồng bộ (ĐCĐB) công suất lớn từ hàng trăm đến hàng nghìn kilowatt được ứng dụng rộng rãi trong các trạm bơm đầu mối, hệ thống máy nén khí áp lực cao, máy nghiền và các nhà máy điện nhờ hai ưu điểm nổi bật: hiệu suất năng lượng cao khi có thể vận hành ở hệ số công suất $\cos\varphi \approx 1$ (hoặc hoạt động ở chế độ bù công suất phản kháng cho lưới điện) và tốc độ quay giữ nguyên không đổi theo tải trọng. Tuy nhiên, do rotor được trang bị cuộn dây kích từ và các mạch phụ trợ (mạch dập từ, mạch điều chỉnh kích từ, mạch khởi động lồng sóc), việc điều khiển ĐCĐB phức tạp hơn nhiều so với động cơ không đồng bộ trong cả hai giai đoạn: khởi động và vận hành xác lập.

Theo tác giả Dương Quốc Hưng, quá trình khởi động động cơ đồng bộ phải trải qua giai đoạn khởi động không đồng bộ nhờ cuộn lồng sóc trên bề mặt rotor, sau đó cần xác định chính xác thời điểm đóng nguồn một chiều (DC) vào cuộn kích từ rotor để kéo động cơ vào đồng bộ (thao tác "bắt" đồng bộ). Nếu cấp kích từ sớm khi quán tính cơ học còn lớn và sức điện động tự cảm rotor chưa giảm, động cơ sẽ bị rung giật cơ khí dữ dội, dòng stator tăng vọt và bắt buộc phải áp dụng biện pháp cưỡng kích từ 2 đến 2,5 lần dòng định mức gây lãng phí điện năng. Ngược lại, nếu đóng kích từ muộn, quá trình khởi động kéo dài sẽ làm phát nóng và hư hỏng cuộn dây lồng sóc (vốn chỉ được thiết kế cho chế độ làm việc ngắn hạn). Các giải pháp truyền thống chỉ căn cứ vào một ngưỡng đo duy nhất trong một dải biến thiên rộng như tốc độ rotor đạt (95 – 98)%, tần số rotor đạt (3 – 5) Hz, hoặc dòng stator giảm còn (2 – 2,5)$I_{đm}$, hoàn toàn phụ thuộc vào kinh nghiệm vận hành. Mặt khác, trong chế độ làm việc xác lập, việc điều chỉnh dòng kích từ để ổn định $\cos\varphi$ khi xuất hiện dao động tải và sụt áp lưới chủ yếu sử dụng các bộ điều khiển kinh điển (PID hoặc bộ điều khiển mờ FLC) với bộ tham số cài đặt thủ công hoặc thử sai, chưa được tối ưu hóa bằng thuật toán định lượng.

Luận án tiến sĩ kỹ thuật mang tên: "Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng quá trình khởi động và làm việc của động cơ đồng bộ công suất lớn" được thực hiện từ năm 2014 đến năm 2022 tại Viện Nghiên cứu Điện tử - Tin học - Tự động hóa, dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Hữu Công. Nghiên cứu gắn liền với đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ mã số B2018 - TNA - 058: "Nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển tối ưu để điều khiển kích từ động cơ đồng bộ công suất lớn".

Luận án xác định các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể như sau:

  1. Đề xuất giải pháp xác định chính xác thời điểm đưa nguồn kích từ DC vào cuộn dây rotor khi khởi động thông qua việc kết hợp đồng thời nhiều tham số đo lường, giúp quá trình vào đồng bộ trơn tru, giảm chấn động cơ khí, hạn chế dòng dội stator và tiết kiệm điện năng.
  2. Ứng dụng thuật toán tối ưu bầy đàn (Particle Swarm Optimization - PSO) để thiết kế tự động bộ điều khiển PID và bộ điều khiển lai PID – FLC Sugeno cho hệ thống kích từ nhằm ổn định hệ số công suất $\cos\varphi$ theo giá trị đặt, gián tiếp ổn định mô-men điện từ khi có biến động phụ tải hoặc điện áp nguồn cấp.
  3. Chế tạo mô hình thực nghiệm và kiểm chứng thuật toán điều khiển trên hệ thống kích từ động cơ đồng bộ công suất 500 kW tại trạm bơm để khẳng định khả năng ứng dụng thực tế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Động cơ đồng bộ cực lồi kích từ điện công suất lớn và hệ thống thiết bị điều khiển kích từ tương ứng.
  • Phạm vi nghiên cứu: Các giải pháp nâng cao chất lượng khởi động ("bắt" đồng bộ) và thuật toán điều khiển kích từ ổn định chế độ làm việc của động cơ có xét đến ảnh hưởng của nhiễu phụ tải và dao động điện áp nguồn lưới.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu trong luận án được phân chia theo hai bài toán cốt lõi: xác định thời điểm "bắt" đồng bộ khi khởi động và điều khiển dòng kích từ ổn định hệ số công suất $\cos\varphi$ khi vận hành.

Về phương pháp xác định thời điểm "bắt" đồng bộ:

  • Nhóm phương pháp đo tốc độ hoặc tần số rotor: Các công trình [1], [2], [4], [72], [73], [76] đưa dòng kích từ vào khi tốc độ đạt khoảng 95 – 98% tốc độ đồng bộ ($s \le 0{,}05$), hoặc các tài liệu [6], [20], [75], [76] đo tần số dòng điện cảm ứng rotor trong dải 3 – 5 Hz. Ưu điểm là mạch đo đơn giản, chi phí thấp; tuy nhiên, việc chọn thời điểm trong một khoảng giá trị rộng mang tính kinh nghiệm, thời điểm đóng kích từ có thể rơi vào lúc từ trường cảm ứng rotor đang suy yếu hoặc đảo chiều, buộc hệ thống phải duy trì dòng cưỡng kích từ 2 đến 2,5 lần dòng định mức gây rung giật cơ khí và tiêu tốn năng lượng.
  • Nhóm phương pháp sử dụng biến tần hoặc động cơ phụ: Nghiên cứu của các tác giả [21], [51] sử dụng biến tần trung thế phía stator kết hợp đo tốc độ để khởi động động cơ đồng bộ công suất lớn từ điện áp lưới trung thế 6 kV. Phương pháp này giảm biên độ và tần số dòng khởi động nhưng chi phí đầu tư biến tần trung thế rất đắt đỏ. Nghiên cứu [3] sử dụng một động cơ phụ kéo trục động cơ đồng bộ lên gần tốc độ đồng bộ trước khi đóng kích từ, gây phức tạp về mặt liên kết cơ khí.
  • Nhóm phương pháp đo dòng điện stator: Các nghiên cứu [12], [33] xác định thời điểm đóng kích từ khi giá trị trung bình của dòng điện stator giảm về ngưỡng an toàn từ 2 đến 2,5 lần dòng định mức ($I_s \approx 2 - 2{,}5 I_{đm}$). Đây cũng là phương pháp thực nghiệm, không phát hiện được vị trí góc từ trường rotor cực đại.
  • Phương pháp xác định góc vị trí rotor: Báo cáo kỹ thuật của Bill Horvath [14] chỉ ra thời điểm tối ưu để cấp nguồn kích từ là khi tốc độ rotor gần đạt đồng bộ và góc lệch pha từ trường rotor đạt khoảng $-45^\circ$, tương ứng thời điểm từ thông cảm ứng đạt cực đại. Tuy nhiên, công trình này sử dụng công tắc từ cơ khí để đo vị trí, phát sinh độ trễ tiếp điểm cơ và chưa kết hợp với điều kiện giám sát dòng điện stator an toàn.

Về phương pháp điều khiển kích từ ở chế độ làm việc:

  • Điều khiển kích từ bằng PID truyền thống: Bill Horvath [12] đề xuất sơ đồ điều khiển kích từ bám hệ số công suất đặt (PF) cho động cơ đồng bộ có chổi than, sử dụng bộ PID chỉnh định bằng thực nghiệm, tồn tại sai lệch tĩnh ở chế độ xác lập khoảng 5%. Nhóm tác giả Sittipong Pengpraderm, Kreangsuk Kraikitrat, Somporn Ruangsinchaiwanich [8] áp dụng bộ điều khiển PI chỉnh định thông số theo công thức Ziegler-Nichols kết hợp thử sai (Trial and Error), điều biến độ rộng xung PWM nguồn kích từ trên mô hình động cơ công suất nhỏ tải nhẹ. Maamoon F. Al-Kababji và Ahmed Nasser B. Al-Sammak [43] dùng bộ PID Ziegler-Nichols cho thấy hệ thống dao động khá mạnh trong giai đoạn quá độ. Csaba Szabó, Maria Imecs, Ioan Iov Incze [13] áp dụng điều khiển V/f phía stator kết hợp điều chỉnh kích từ rotor, hệ thống có dao động lớn về dòng stator và $\cos\varphi$ khi mới vào đồng bộ và chưa tính đến nhiễu phụ tải.
  • Điều khiển kích từ bằng logic mờ (FLC): Arş. Altaş [44] thiết kế bộ điều khiển mờ với 2 đầu vào là sai lệch ($e$) và đạo hàm sai lệch ($de/dt$) của hệ số công suất, đáp ứng tốt hơn bộ PI khi tăng tải đột ngột nhưng thời gian tác động còn chậm. Nhóm tác giả Ahmet Gani, Ö. Fatih Keçecioğlu, Hakan Açıkgöz, Ceyhun Yıldız, Mustafa Şekkeli [45] sử dụng bộ điều khiển mờ 2 đầu vào là sai lệch hệ số công suất và công suất phản kháng, hệ thống ổn định khi tải cố định nhưng chưa kiểm chứng đáp ứng khi thay đổi lượng đặt hoặc có nhiễu phụ tải lớn. Cả hai nghiên cứu đều xây dựng bảng luật mờ và hàm liên thuộc dựa trên phán đoán chuyên gia, thiếu công cụ tối ưu hóa toán học.
  • Tình hình nghiên cứu và ứng dụng trong nước: Các nghiên cứu trong nước tập trung vào động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSM [64] – [68] hoặc kích từ máy phát điện đồng bộ [69] – [71], [74] dùng PID hoặc điều khiển trượt thích nghi. Về thiết bị kích từ động cơ đồng bộ công suất lớn, báo cáo [73] giới thiệu tủ kích từ tĩnh 6 Thyristor cho động cơ đến 3000 kW với điều kiện bắt đồng bộ $s \le 0{,}05$, linh kiện nhập từ Trung Quốc và Pháp; Công ty cổ phần Cơ điện tử ASO [75] chế tạo hệ thống kích từ đo tần số rotor 3 – 5 Hz thông qua rơle cơ khí ở mạch dập từ và dùng bộ PI chỉnh định thủ công.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án lựa chọn giải quyết:

  1. Thiếu một giải pháp kỹ thuật có khả năng phối hợp đồng thời ba điều kiện vật lý: tốc độ rotor đạt ngưỡng cho phép, từ trường cảm ứng rotor đạt cực đại (xác định chính xác thông qua mạch điện tử bán dẫn không tiếp điểm) và dòng điện stator đã suy giảm về ngưỡng an toàn.
  2. Các tham số của bộ điều khiển kích từ (PID hoặc FLC) trong các nghiên cứu trước đây chưa được tính toán tối ưu hóa tự động bằng thuật toán trí tuệ bầy đàn để cân bằng giữa độ quá điều chỉnh và thời gian xác lập dưới tác động của nhiễu tải.
  3. Nhu cầu cấp bách về việc làm chủ công nghệ thiết kế, chế tạo mạch phần cứng vi điều khiển và tích hợp tủ kích từ tĩnh công suất lớn trong nước với chi phí thấp hơn thiết bị ngoại nhập.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên lý thuyết tổng quát về máy điện đồng bộ cực lồi và các phương pháp điều khiển tự động hiện đại, kết hợp mô hình hóa giải tích, mô phỏng số và thực nghiệm công nghiệp.

Khung lý thuyết toán học của động cơ đồng bộ cực lồi: Mô hình toán học được thiết lập trên hai hệ tọa độ:

  1. Hệ tọa độ cố định stator ($\alpha - \beta$): Biểu diễn quan hệ điện áp, từ thông móc vòng 3 pha stator và các cuộn dây rotor ($u_{sa}, u_{sb}, u_{sc}, u_f, u_D, u_Q$). Do khe hở không khí không đều (cực lồi), điện cảm biến thiên theo góc quay rotor $\theta_r$, gây hiện tượng xen kênh phức tạp.
  2. Hệ tọa độ tựa từ thông rotor quay ($d - q$): Khắc phục sự phụ thuộc góc quay bằng phép biến đổi Park. Các phương trình điện áp stator và rotor trên trục dọc ($d$) và trục ngang ($q$) được xác định như sau:

$$\begin{aligned} u_d &= r_s i_d + \frac{d\psi_{sd}}{dt} - \omega_r \psi_{sq} \ u_q &= r_s i_q + \frac{d\psi_{sq}}{dt} + \omega_r \psi_{sd} \ u_f &= r_f i_f + \frac{d\psi_f}{dt} \ u_D &= r_D i_D + \frac{d\psi_D}{dt} = 0 \ u_Q &= r_Q i_Q + \frac{d\psi_Q}{dt} = 0 \end{aligned}$$

Quan hệ từ thông móc vòng và dòng điện: $$\begin{aligned} \psi_{sd} &= L_{md} (i_f + i_d + i_D) + i_d L_s = L_{sd} i_d + L_{md}(i_f + i_D) \ \psi_{sq} &= L_{mq} (i_q + i_Q) + i_q L_s = L_{sq} i_q + L_{mq} i_Q \end{aligned}$$

Mô-men điện từ toàn phần của động cơ đồng bộ cực lồi ở chế độ xác lập: Bỏ qua điện trở stator $r_s$, phương trình mô-men điện từ theo góc tải $\theta$ được dẫn xuất thành hai thành phần riêng biệt:

$$T_e = \frac{3 p_r}{2 \omega} \left[ \frac{U_s E_q}{X_{sd}} \sin\theta + U_s^2 \frac{X_{sd} - X_{sq}}{2 X_{sd} X_{sq}} \sin(2\theta) \right] = T_1(\theta) + T_2(\theta)$$

Trong đó:

  • $T_1(\theta) = \frac{3 p_r}{2 \omega} \frac{U_s E_q}{X_{sd}} \sin\theta$: Thành phần mô-men đồng bộ chính, tỷ lệ thuận với điện áp stator $U_s$ và sức điện động kích từ $E_q = \omega L_{md} I_f$.
  • $T_2(\theta) = \frac{3 p_r}{2 \omega} U_s^2 \frac{X_{sd} - X_{sq}}{2 X_{sd} X_{sq}} \sin(2\theta)$: Thành phần mô-men từ trở do cấu trúc cực lồi ($X_{sd} \ne X_{sq}$), tỷ lệ thuận với $U_s^2$ và độc lập với nguồn kích từ.

Mô-men không đồng bộ trong giai đoạn khởi động: Khi rotor chưa đạt tốc độ đồng bộ ($\omega_r < \omega_s$), cuộn kích từ được nối tắt qua điện trở dập từ $R_d$. Mô-men mở máy phụ thuộc trực tiếp vào điện trở tổng mạch rotor quy đổi $R'_r$:

$$T_{e_kđ} = \frac{3 U_{ph}^2 \frac{R'_r}{s}}{\omega_s \left[ \left( R_s + \frac{R'r}{s} \right)^2 + X{nm}^2 \right]}$$

Để triệt tiêu sức điện động cảm ứng điện áp cao bảo vệ cuộn kích từ và tối ưu hóa mô-men cực lồi khởi động, điện trở dập từ $R_d$ được tác giả tính toán lựa chọn trong khoảng $R_d = (6 - 10) R_f$.

Phương pháp nghiên cứu thực hiện:

  • Phương pháp lý thuyết và mô phỏng: Thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả động cơ trên phần mềm Matlab/Simulink; xây dựng thuật toán tối ưu bầy đàn (PSO) viết bằng ngôn ngữ M-File với hàm mục tiêu sai số tích phân tuyệt đối (IAE - Integral Absolute Error) để tìm bộ thông số tối ưu ($K_p, K_i, K_d$) cho bộ điều khiển PID và các trọng số hàm thuộc của bộ điều khiển mờ lai PID - FLC kiểu Sugeno.
  • Phương pháp thực nghiệm: Thiết kế mạch in (PCB) module bắt đồng bộ sử dụng chip vi điều khiển PIC lập trình bằng ngôn ngữ C; kết nối tủ điều khiển kích từ tĩnh gồm cầu chỉnh lưu 6 Thyristor, biến áp kích từ, điện trở dập từ, bộ điều khiển khả trình PLC và giao diện HMI/SCADA với động cơ đồng bộ cực lồi 500 kW thực tế tại trạm bơm nước.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan về điều khiển kích từ động cơ đồng bộ công suất lớn

Chương I trình bày cấu tạo chi tiết và nguyên lý hoạt động của động cơ đồng bộ công suất lớn, gồm ba bộ phận chính: Stator (nối lưới trung thế 6 kV), Rotor (cực lồi hoặc cực ẩn mang cuộn kích từ DC và thanh dẫn lồng sóc khởi động) và Hệ thống chổi than - vành trượt (than graphit tiếp xúc vành trượt đồng thau). Tác giả làm rõ vai trò quyết định của hệ thống kích từ trong hai giai đoạn:

Giai đoạn Hiện tượng vật lý và rủi ro kỹ thuật Yêu cầu đối với hệ thống kích từ
Khởi động Rotor khởi động dị bộ nhờ cuộn lồng sóc; đóng kích từ sớm gây mô-men ngược, dòng stator tăng vọt, va đập cơ khí lớn; đóng muộn làm cháy cuộn lồng sóc ngắn hạn. Đo đạc chính xác thời điểm rotor gần đạt tốc độ đồng bộ và từ trường cảm ứng cực đại để cấp nguồn DC ("bắt" đồng bộ trơn tru).
Làm việc Biến động phụ tải trục cơ hoặc sụt áp lưới làm trôi góc tải $\theta$, có nguy cơ dẫn tới trượt cực, mất đồng bộ và mất ổn định hệ thống. Tự động điều chỉnh dòng kích từ rotor $I_f$ để bám sát hệ số công suất $\cos\varphi$ đặt, ổn định mô-men điện từ và hỗ trợ bù lưới.

Chương I tổng hợp, đánh giá các công trình trong và ngoài nước (như các nghiên cứu [1]–[8], [12]–[14], [21], [43]–[45], [51], [64]–[76]), khẳng định hai khoảng trống then chốt: các giải pháp bắt đồng bộ hiện hành dùng ngưỡng tham số đơn lẻ còn phụ thuộc kinh nghiệm; các bộ điều khiển $\cos\varphi$ (PID, FLC) chưa được chỉnh định tối ưu bằng thuật toán toán học.

Chương II: Mô tả toán học và đánh giá các thông số ảnh hưởng đến chế độ khởi động và làm việc của động cơ đồng bộ công suất lớn

Chương II tập trung xây dựng cơ sở toán học trên hệ trục tọa độ $d-q$, phân tích sơ đồ thay thế trục dọc (hình 2.3), sơ đồ thay thế trục ngang (hình 2.4) và đồ thị véc-tơ năng lượng của máy điện cực lồi.

Phân tích quá trình quá độ khởi động chỉ ra:

  • Dòng điện cảm ứng trong cuộn kích từ $i_{FD}$ ngược pha $180^\circ$ so với dòng stator $i_s$, trong khi từ thông cảm ứng rotor $\psi$ vượt trước $90^\circ$ so với $i_{FD}$.
  • Khi động cơ tăng tốc gần đạt tốc độ đồng bộ, tần số trượt giảm dần về 0. Thời điểm từ thông cảm ứng rotor đạt giá trị cực đại tương ứng với thời điểm dòng điện $i_{FD}$ đi qua điểm 0 theo chiều từ giá trị âm sang dương (hình 2.8 và 2.9 trong văn bản), tương ứng góc lệch rotor đạt khoảng $-45^\circ$.
  • Nếu tách điện trở dập từ và đóng nguồn kích từ DC đúng thời điểm này, từ thông cực đại sẽ bị "mắc kẹt" (trapped flux), từ trường stator sẽ bắt chặt từ trường rotor với mô-men gia tốc lớn nhất mà không cần dòng cưỡng kích quá lớn.
  • Khảo sát ảnh hưởng của điện trở dập từ $R_d$ (hình 2.11) chứng minh: $R_d$ càng lớn thì mô-men cực lồi khởi động càng tăng, nhưng bị giới hạn bởi độ an toàn cách điện của cuộn kích từ rotor; giá trị hợp lý là $R_d = (6 - 10) R_f$.

Phân tích chế độ làm việc xác lập chỉ ra:

  • Biểu thức công suất tác dụng: $P = \frac{U_s E_q}{X_{sd}} \sin\theta + U_s^2 \frac{X_{sd} - X_{sq}}{2 X_{sd} X_{sq}} \sin(2\theta)$.
  • Việc đo trực tiếp góc tải $\theta$ trong điều kiện vận hành công nghiệp rất khó khăn và phức tạp. Qua đồ thị véc-tơ (hình 2.6 và công thức 2.36), tác giả chứng minh mối quan hệ biến thiên tỷ lệ giữa góc tải $\theta$ và hệ số công suất $\cos\varphi$. Do đó, việc đo lường và điều khiển dòng kích từ để ổn định $\cos\varphi$ tại giá trị đặt là phương pháp gián tiếp chuẩn xác để giữ vững góc tải $\theta$ và mô-men $T_e$, ngăn chặn hiện tượng trượt cực khi xảy ra dao động tải hoặc sụt áp nguồn.

Chương III: Giải pháp nâng cao chất lượng quá trình khởi động và làm việc của động cơ đồng bộ công suất lớn

Chương III đề xuất chi tiết hai giải pháp kỹ thuật:

  1. Giải pháp nâng cao chất lượng "bắt" đồng bộ khi khởi động: Thời điểm cấp nguồn kích từ DC được khóa liên động thông qua điều kiện hội tụ đồng thời của 3 thông số đo lường:
  • Tốc độ quay của động cơ: $\omega_r \ge 95% \omega_0$ (xác định qua cảm biến tốc độ HSC/encoder).
  • Từ trường cảm ứng rotor đạt cực đại: Gián tiếp xác định khi dòng điện cảm ứng rotor $i_{FD}$ đi qua điểm 0 từ âm sang dương ($\frac{di_{FD}}{dt} > 0$ và $i_{FD} = 0$).
  • Dòng điện khởi động phía stator: Đã suy giảm về ngưỡng an toàn ($I_s \le 2 I_{đm}$).

Tác giả hiện thực hóa giải pháp bằng hai phương án:

  • Phương án phần cứng: Thiết kế module mạch điện tử chuyên dụng dùng vi điều khiển PIC (sơ đồ nguyên lý hình 3.4, sơ đồ mạch in PCB hình 3.7). Mạch chuyển đổi dòng điện cảm ứng thành các xung CT1, CT2 để vi điều khiển nhận diện thời điểm qua 0 và xuất lệnh kích mở Thyristor cấp nguồn DC đồng thời ngắt Thyristor dập từ T7.
  • Phương án thuật toán mờ (FLC): Xây dựng bộ điều khiển logic mờ trên Matlab/Simulink (hình 3.11 đến 3.16) với 3 tín hiệu đầu vào (tốc độ $\omega_r$, dòng kích từ $i_f$, đạo hàm dòng $\frac{di_f}{dt}$) để xuất tín hiệu logic đóng kích từ. Kết quả mô phỏng (hình 3.27 – 3.30) khẳng định: phương pháp đề xuất loại bỏ hoàn toàn dao động mô-men và dòng stator so với phương pháp chỉ đo tốc độ truyền thống ở các mức 50% tải và 100% tải.
  1. Ứng dụng thuật toán tối ưu bầy đàn (PSO) thiết kế bộ điều khiển kích từ: Tác giả ứng dụng PSO (hình 3.33, 3.34) với mục tiêu tối thiểu hóa chỉ số sai số tích phân tuyệt đối:

$$J = \text{IAE} = \int_{0}^{t} |e(t)| , dt = \int_{0}^{t} |\cos\varphi_{\text{đặt}} - \cos\varphi(t)| , dt$$

Thuật toán PSO được áp dụng cho hai cấu trúc:

  • Bộ điều khiển PID-PSO: Tối ưu trực tiếp 3 thông số $K_p, K_i, K_d$.
  • Bộ điều khiển lai PID – FLC Sugeno tối ưu bằng PSO: Tối ưu đồng thời hệ số tiền xử lý của PID và vùng tham số hàm liên thuộc của bộ mờ Sugeno (bảng 3.3, 3.4).

Kết quả mô phỏng so sánh trên Matlab/Simulink (hình 3.40 – 3.43) khi thay đổi giá trị đặt $\cos\varphi$ từ 0,85 đến 0,95 và khi tải đột biến tăng 30% tại thời điểm $t = 3{,}5$ s cho thấy: Bộ điều khiển lai PID – FLC (thiết kế bằng PSO) cho chất lượng đáp ứng tốt nhất về độ quá điều chỉnh và thời gian phục hồi; tiếp theo là bộ điều khiển PID (thiết kế bằng PSO); kém nhất là bộ điều khiển PI truyền thống (thiết kế theo Ziegler-Nichols kết hợp thử sai).

Chương IV: Xây dựng mô hình thực nghiệm hệ thống điều khiển kích từ động cơ đồng bộ công suất 500kW

Chương IV trình bày việc chế tạo, lắp đặt và kiểm chứng hệ thống điều khiển kích từ trên động cơ đồng bộ cực lồi 500 kW tại trạm bơm nước. Hệ thống phần cứng bao gồm:

  • Tủ máy biến áp kích từ và khối điện trở dập từ $R_d$.
  • Tủ điều khiển kích từ chính chứa cầu chỉnh lưu 6 Thyristor điều khiển pha xung, bộ điều khiển lập trình PLC, màn hình vận hành HMI, hệ thống giám sát SCADA và module điện tử "bắt" đồng bộ dùng vi điều khiển PIC.
  • Mạch lực và bảo vệ: Tích hợp đầy đủ bảo vệ quá dòng stator/rotor, quá áp, bảo vệ ngắn mạch cuộn kích từ và lỗi mạch dập từ (khi Thyristor T7 không mở).

Kết quả thực nghiệm được ghi nhận qua các đồ thị dạng sóng (hình 4.7 đến 4.14):

  1. Quá trình khởi động và "bắt" đồng bộ: Tại thời điểm tần số rotor đạt dải đồng bộ và tín hiệu dòng $i_{FD}$ qua 0, module PIC phát xung mở cầu Thyristor thành công. Động cơ hòa nhập vào chế độ đồng bộ êm thuận, dòng stator không xuất hiện xung đột biến dòng, tốc độ tăng đều đặn tới tốc độ định mức.

Bảng so sánh các giải pháp "bắt" đồng bộ trong luận án (Bảng 4.1):

Tiêu chí so sánh Phương pháp đo tốc độ hoặc tần số rotor truyền thống Giải pháp đề xuất của luận án (Đa tham số, Module PIC)
Nguyên lý nhận diện Đo đơn lẻ tốc độ (95–98%) hoặc tần số (3–5 Hz) Kết hợp 3 điều kiện: $\omega \ge 95% \omega_0$, $i_{FD}$ qua 0 ($\psi_{\max}$), $I_s \le 2 I_{đm}$
Độ trễ tác động Có độ trễ cơ học lớn (nếu dùng rơle/công tắc từ) Tác động tức thời bằng mạch bán dẫn và vi xử lý số
Dòng cưỡng kích khi vào ĐB Phải cưỡng kích lớn (2 – 2,5 lần dòng định mức) Không cần cưỡng kích lớn do tận dụng đỉnh từ thông cảm ứng
Hiện tượng rung giật cơ khí Rung giật cơ khí mạnh, dòng stator dội ngược Quá trình êm thuận, tốc độ tăng đều, bảo toàn kết cấu cơ khí
  1. Quá trình điều khiển $\cos\varphi$ ở chế độ làm việc: Do giới hạn cấu hình của PLC tại hiện trường chưa hỗ trợ thực thi trực tiếp thuật toán mờ lai PID - FLC trực tuyến, tác giả sử dụng thuật toán PSO chạy mô phỏng offline để xác định bộ tham số PID tối ưu, sau đó nạp trực tiếp thông số vào PLC. Kết quả đo thực nghiệm (hình 4.13 so với hình 4.14) khẳng định:
  • Bộ điều khiển PI chỉnh định theo Ziegler-Nichols kết hợp thử sai: Hệ số công suất $\cos\varphi$ dao động kéo dài quanh điểm làm việc, thời gian xác lập chậm.
  • Bộ điều khiển PID tối ưu bằng PSO: Hệ số công suất $\cos\varphi$ bám sát giá trị đặt một cách nhanh chóng, triệt tiêu dao động ở chế độ xác lập và thích nghi tốt khi áp lực bơm biến động.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học:

  1. Xác lập cơ sở khoa học và xây dựng thuật toán điều khiển đóng kích từ khởi động động cơ đồng bộ cực lồi dựa trên sự kết hợp đồng thời của 3 điều kiện vật lý: tốc độ rotor $\omega_r \ge 95% \omega_0$, từ thông cảm ứng rotor đạt cực trị (xác định gián tiếp qua thời điểm dòng điện cảm ứng $i_{FD}$ đổi chiều từ âm sang dương) và biên độ dòng điện stator đã suy giảm về ngưỡng an toàn ($I_s \le 2 I_{đm}$). Giải pháp này khắc phục triệt để nhược điểm phụ thuộc vào phán đoán kinh nghiệm của các giải pháp đo dải thông số đơn lẻ trước đây.
  2. Ứng dụng thành công thuật toán tiến hóa tối ưu bầy đàn (PSO) vào bài toán tổng hợp tham số tối ưu cho bộ điều khiển PID và hệ mờ lai PID – FLC Sugeno trong hệ thống kích từ động cơ đồng bộ, giải quyết bài toán đa biến phi tuyến nhằm ổn định hệ số công suất $\cos\varphi$ theo tiêu chuẩn tích phân sai số tuyệt đối IAE nhỏ nhất.

Các đóng góp mới về mặt thực tiễn và công nghệ:

  1. Thiết kế và chế tạo thành công phần cứng module điện tử "bắt" đồng bộ sử dụng vi điều khiển PIC với thuật toán lập trình bằng ngôn ngữ C, cho phép xử lý tín hiệu xung tốc độ cao và phát lệnh kích mở bán dẫn chuẩn xác, không dùng tiếp điểm cơ khí.
  2. Xây dựng hoàn chỉnh mô hình thực nghiệm hệ thống kích từ tĩnh công suất 500 kW tích hợp đồng bộ giữa cầu chỉnh lưu Thyristor, biến áp kích từ, điện trở dập từ, PLC, giao diện HMI và SCADA, đã được thử nghiệm và nghiệm thu thành công tại một trạm bơm công nghiệp thực tế.
  3. Cung cấp bộ cơ sở dữ liệu thiết kế, sơ đồ nguyên lý mạch in và chương trình điều khiển hoàn chỉnh, tạo tiền đề để các đơn vị chế tạo cơ điện tử trong nước (như Công ty cổ phần Cơ điện tử ASO) làm chủ công nghệ sản xuất các hệ thống kích từ tĩnh chất lượng tương đương hàng nhập khẩu với giá thành cạnh tranh.

Kiến nghị của luận án:

  • Tiếp tục hoàn thiện thiết kế công nghiệp để tích hợp module "bắt" đồng bộ thành sản phẩm thương mại tiêu chuẩn hóa.
  • Kiến nghị các nhà máy công nghiệp có sử dụng động cơ đồng bộ công suất lớn từng bước thay thế các rơle dập từ/kích từ cơ khí cũ bằng các module bán dẫn điện tử số để nâng cao tuổi thọ máy điện và tiết kiệm điện năng tiêu thụ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

  • Do năng lực tính toán và cấu hình phần cứng của bộ điều khiển khả trình PLC trong mô hình thực nghiệm 500 kW tại trạm bơm chưa cho phép biên dịch và xử lý trực tiếp thuật toán logic mờ lai (PID – FLC Sugeno) trong thời gian thực, tác giả mới chỉ thực nghiệm được bộ điều khiển PID với tham số tối ưu hóa từ thuật toán PSO (tính toán offline trên Matlab rồi nạp thông số vào PLC). Bộ điều khiển lai PID – FLC Sugeno mới dừng lại ở kết quả kiểm chứng mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink.
  • Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện trên đối tượng tải trạm bơm (đặc tính tải bơm quạt); chưa có điều kiện thử nghiệm thực tế trên các dạng phụ tải va đập mạnh và liên tục như máy cán thép hay máy nghiền quặng công suất nhiều megawatt.

Hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo:

  1. Nâng cấp bộ vi xử lý trung tâm của tủ điều khiển (sử dụng các bộ điều khiển công nghiệp tốc độ cao hoặc DSP/FPGA chuyên dụng) để cài đặt và vận hành trực tuyến bộ điều khiển lai PID – FLC Sugeno tối ưu bằng PSO trên mô hình thực tế.
  2. Mở rộng thử nghiệm giải pháp bắt đồng bộ đa tham số và bộ điều khiển kích từ tối ưu trên các dải công suất lớn hơn từ 1000 kW đến 3000 kW trong các ngành công nghiệp nặng khác.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo giá trị cho các đối tượng chuyên môn sau:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Điện: Có thể tham khảo phương pháp mô tả toán học máy điện cực lồi trên hệ tọa độ $d-q$, kỹ thuật dẫn xuất phương trình mô-men điện từ ở chế độ quá độ và xác lập (Chương II), cùng quy trình ứng dụng thuật toán PSO để tối ưu hóa bộ điều khiển mờ lai Sugeno (Chương III và Phụ lục 2).
  • Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống điện tại các nhà máy, trạm bơm, xí nghiệp công nghiệp: Có thể ứng dụng trực tiếp thiết kế mạch nguyên lý (SCH), mạch in (PCB) của module bắt đồng bộ (Chương III, Phụ lục 3), mã nguồn lập trình vi điều khiển PIC bằng ngôn ngữ C (Phụ lục 1) và sơ đồ đấu nối mạch lực tủ kích từ tĩnh Thyristor (Chương IV, Phụ lục 4) để cải tạo, nâng cấp các hệ thống kích từ động cơ đồng bộ đang vận hành.
  • Các doanh nghiệp chế tạo thiết bị điện - tự động hóa trong nước: Sử dụng toàn bộ giải pháp công nghệ và kết quả thực nghiệm 500 kW làm tài liệu kỹ thuật nền tảng để phát triển các dòng sản phẩm tủ kích từ tĩnh nội địa hóa.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao không thể đóng nguồn kích từ một chiều (DC) vào cuộn dây rotor ngay từ lúc bắt đầu khởi động động cơ đồng bộ? Khi động cơ đứng yên, nếu cấp điện DC vào rotor, rotor sẽ trở thành nam châm điện có cực tính cố định. Khi đóng điện stator, từ trường quay stator lập tức quay với tốc độ đồng bộ rất cao quét qua rotor. Do quán tính cơ học của rotor rất lớn, rotor chưa kịp dịch chuyển thì từ trường stator đã đổi chiều cực tính sau nửa chu kỳ, tạo ra lực hút và đẩy luân phiên triệt tiêu lẫn nhau. Kết quả là mô-men mở máy trung bình bằng 0, động cơ không thể quay được mà còn bị rung giật mạnh gây hư hại kết cấu cơ khí. Do đó, động cơ phải khởi động không đồng bộ nhờ cuộn lồng sóc trước khi được đóng kích từ DC.

  2. Luận án xác định thời điểm từ trường cảm ứng rotor đạt giá trị cực đại bằng phương pháp kỹ thuật nào? Luận án không sử dụng cảm biến cơ khí tiếp điểm (vốn có độ trễ lớn) mà áp dụng nguyên lý điện từ giải tích: dòng điện cảm ứng trong cuộn kích từ $i_{FD}$ lệch pha $90^\circ$ so với từ thông cảm ứng $\psi$. Khi tốc độ rotor gần đạt đồng bộ, từ thông cảm ứng đạt cực đại chính là thời điểm đạo hàm từ thông bằng 0, tương ứng với lúc dòng điện cảm ứng $i_{FD}$ đi qua điểm 0 theo chiều từ âm sang dương ($\frac{di_{FD}}{dt} > 0$). Tác giả thiết kế mạch điện tử vi xử lý PIC nhận dạng điểm qua 0 này của dòng điện để xuất xung kích mở nguồn DC chính xác tại đỉnh từ thông.

  3. Vai trò của điện trở dập từ $R_d$ là gì và được lựa chọn với giá trị bao nhiêu? Điện trở dập từ $R_d$ có hai vai trò then chốt: thứ nhất, dập tắt và phân tán sức điện động tự cảm rất lớn xuất hiện trong cuộn kích từ lúc khởi động nhằm bảo vệ cách điện của cuộn dây và thiết bị bán dẫn; thứ hai, việc mắc điện trở $R_d$ làm tăng điện trở tương đương của mạch rotor, từ đó làm tăng mô-men cực lồi khởi động giúp động cơ vượt qua các điểm cản tốc độ. Luận án chỉ ra giá trị điện trở dập từ tối ưu cần chọn bằng 6 đến 10 lần điện trở thuần của cuộn dây kích từ ($R_d = (6 - 10) R_f$).

  4. Tiêu chí nào được thuật toán PSO sử dụng để tối ưu hóa bộ điều khiển kích từ và thứ tự chất lượng giữa các bộ điều khiển ra sao? Thuật toán PSO sử dụng hàm mục tiêu tối thiểu hóa tích phân sai số tuyệt đối IAE ($J = \int |e(t)| dt$) giữa hệ số công suất thực tế $\cos\varphi$ và lượng đặt $\cos\varphi_{\text{đặt}}$. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm xếp hạng chất lượng điều khiển theo thứ tự từ cao xuống thấp: tốt nhất là bộ điều khiển lai PID – FLC Sugeno tối ưu bằng PSO (thời gian quá độ ngắn nhất, độ quá điều chỉnh nhỏ nhất khi có biến động tải 30%), thứ hai là bộ điều khiển PID tối ưu bằng PSO, và thấp nhất là bộ điều khiển PI truyền thống chỉnh định theo phương pháp Ziegler-Nichols kết hợp thử sai.

  5. Vì sao mô hình thực nghiệm 500 kW tại trạm bơm chưa áp dụng trực tiếp bộ điều khiển lai PID – FLC Sugeno? Do cấu hình phần cứng của bộ điều khiển PLC công nghiệp được lắp đặt trên tủ điều khiển tại trạm bơm chưa hỗ trợ khối hàm xử lý tính toán số học mờ phức tạp trong chu kỳ quét thời gian thực (real-time loop). Để đảm bảo tính an toàn và ổn định tuyệt đối cho trạm bơm đang vận hành công nghiệp, tác giả đã áp dụng giải pháp chạy thuật toán PSO để tối ưu hóa tham số bộ điều khiển PID offline trên máy tính, sau đó nạp trực tiếp bộ tham số tối ưu này vào PLC của hệ thống thực nghiệm.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Dương Quốc Hưng đã giải quyết trọn vẹn hai bài toán kỹ thuật trọng yếu trong điều khiển động cơ đồng bộ cực lồi công suất lớn: xác định thời điểm "bắt" đồng bộ tối ưu bằng phương pháp đo đa tham số và tối ưu hóa bộ điều khiển kích từ ổn định hệ số công suất $\cos\varphi$ bằng thuật toán bầy đàn PSO. Các giải pháp lý thuyết được chuyển hóa thành công thành sản phẩm phần cứng module điện tử vi điều khiển PIC và hệ thống tủ kích từ tĩnh công nghiệp, được kiểm chứng đạt kết quả tốt trên động cơ 500 kW tại trạm bơm thực tế. Công trình đóng góp cơ sở khoa học tin cậy và dữ liệu công nghệ thực tiễn phục vụ định hướng nội địa hóa thiết bị điều khiển máy điện công suất lớn tại Việt Nam.