Đặt vấn đề Động cơ không đồng bộ so với các loại động cơ khác có cấu tạo và vận hành đơn giản, cạnh tranh về giá thành so với loại động cơ khác , làm việc tin cậy nên đƣợc sử dụng nhiều trong sản xuất và đời sống. Tuy nhiên việc điều khi ển hoạt động của động cơ không đồng bộ là tƣơng đối khó do đặc tí nh phi tuyến của động cơ. Ngày nay cùng với sƣ̣ phát triển của thiết bị điện tƣ̉ công suất và các bộ vi xử lý thì việc điều khiển ĐC KĐB trở nên dễ dàng hơn. Đặc biệt là các hệ thống xử lý tín hiệu số đã cho phép thực hiện các giải thuật phức tạp để điều khiển động cơ không đồng bộ.
Nhiều giải thuật điều khiển động cơ không đồng bộ đã đƣợc nghiên cƣ́u và ƣ́ng dụng rộng rãi trong lĩ n h vƣ̣c truyền động điện nhƣ phƣơng pháp momen trƣ̣c tiếp , phƣơng pháp điều khiển phi tuyến , phƣơng pháp đị nh hƣớng trƣờng , phƣơng pháp điều khiển vector không gian ,…Trong đó, phƣơng pháp sƣ̉ dụng mạng neural, fuzzy logic kết hợp với các phƣơng pháp điều khiển thông thƣờng đang là một hƣớng nghiên cƣ́u đầy tiềm năng trong điều khiển máy điện không đồng bộ. Với mong muốn tì m hiểu sâu về lĩ nh vƣ̣c truyền động điện xoay chiều. Chính vì vậy đề tài “ Điều khiển động cơ KĐB 3 pha theo phƣơng pháp DTC dùng bộ điều khiển PI mờ lai” đƣợc thực hiện.2 Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, phƣơng pháp DTC cũng là một lựa chọn mới trong các kỹ thuật điều khiển ĐC KĐB với những ƣu điểm sau: - Đơn giản, không cần đến các khối chuyển đổi tƣơng quan. - Tính linh hoạt cao - Khả năng điều khiển bền bỉ và chính xác 2 - Không cần phải sử dụng các cảm biến đo từ thông trực tiếp - Không phụ thuộc nhiều vào thông số động cơ - Khả năng bám tốc độ đặt cao, ngay cả khi tải thay đổi Ƣu điểm của phƣơng pháp DTC so với phƣơng pháp V/F - Tốc độ động cơ bám tốt do momen điện từ của động cơ đƣợc điều khiển trực tiếp - Đáp ứng tốc độ vẫn đảm bảo trong các điều kiện tải thay đổi hoặc thông số động cơ thay đổi trong quá trình làm việc.
- Cho đáp ứng nhanh, chất lƣợng truyền động tốt, hiệu suất cao. - Từ thông của động cơ luôn đƣợc giữ tối ƣu Ƣu điểm của phƣơng pháp DTC so với phƣơng pháp FOC - Ít phụ thuộc vào thông số động cơ - Không cần phải sử dụng các khối chuyển đổi tƣơng quan - Cho đáp ứng momen nhanh hơn Tuy nhiên, trong hƣớng nghiên cứu đề tài này kết hợp phƣơng pháp DTC với bộ điều khiển PI mờ lai nhằm cải thiện chất lƣợng hệ thống khi hoạt động tốc độ thấp cũng nhƣ thay đổi momen yêu cầu.2 MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.1 Mục tiêu của đề tài Đề tài này tập trung nghiên cứu bộ điều khiển PI mờ lai điều khiển động cơ KĐB 3 pha theo phƣơng pháp DTC nhằm cho thấy sự thích nghi tốt của bộ điều khiển mờ lai trong điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ. Việc thiết kế sẽ đƣợc mô phỏng trên Matlab/simulink.2 Nội dung nghiên cứu - Các phƣơng pháp điều khiển động cơ KĐB 3 pha. - Đặc tính của máy điện không đồng bộ.
- Xây dựng mô hình máy điện động cơ KĐB. - Xây dựng phƣơng pháp điều khiển trực tiếp momen động cơ KĐB. - Xây dựng bộ điều khiển PI điều khiển tốc độ động cơ KĐB theo phƣơng pháp DTC. - Xây dựng bộ điều khiển PI mờ lai điều khiển tốc độ động cơ KĐB theo phƣơng pháp DTC.3 Phƣơng pháp nghiên cứu - Phƣơng pháp tham khảo tài liệu: Bằng cách thu thập thông tin từ các tài liệu, bài báo liên quan, và truy cập mạng internet.
- Phƣơng pháp quan sát: Khảo sát một số mô hình mô phỏng thực tế đang có từ các luận văn trƣớc và các bài báo trên mạng internet, từ đó mô phỏng lại bằng phần mềm Matlab/simulink để so sánh với kết quả đã có nhằm rút ra những kinh nghiệm trong việc mô phỏng. - Phƣơng pháp mô phỏng: Phần nghiên cứu đƣợc kiểm chứng bằng việc thực hiện mô phỏng và đánh giá trên phần mềm Matlab/simulink.3 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu tổng quan về phƣơng pháp điều khiển DTC - Kỹ thuật DTC điều khiển ĐC KĐB 3 pha đƣợc đƣa ra đầu tiên bởi Takahashi vào 1986 và đƣợc xem nhƣ là giải thuật điều khiển động cơ cho đáp ứng momen nhanh và hiệu suất điều khiển cao. Kỹ thuật này cho phép điều khiển độc lập và cùng lúc từ thông động cơ và momen điện từ. 4 - Nếu từ thông stator đƣợc chọn là giá trị tham chiếu, giá trị ƣớc lƣợng của từ thông và momen đƣợc tính toán chỉ dựa vào dòng điện và điện áp stator.
Nhƣ vậy điện trở stator là thông số động cơ duy nhất cần đến. Đây chính là yếu tố tạo nên tính ƣu việt cho kỹ thuật DTC. Những năm gần đây, các giải pháp đƣợc đề nghị cho các hệ thống điều khiển trực tiếp momen đƣợc cải tiến nhƣ sau: - Sử dụng các bảng đóng cắt cải tiến. - Sử dụng các bộ so sánh trễ hoặc không có trễ, hai ba bậc.
- Ứng dụng các sơ đồ DTC với tần số đóng ngắt không đổi, vận hành với kỹ thuật PWM hoặc điều chế véctơ không gian. - Ứng dụng kỹ thuật điều khiển mờ hoặc mạng nơron mờ. - Sử dụng các bộ ƣớc tính từ thông phức tạp để cải tiến đặc tính ở vận tốc thấp.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu Tình hình nghiên cứu trên thế giới Trong thập kỷ qua, có rất nhiều cải tiến trong sơ đồ điều khiển trực tiếp momen cổ điển (Takahashi & Noguchi, 1986) đã đƣợc thực hiện bởi: Romeral L. Novel Direct Torque Control (DTC) Scheme With Fuzzy Adaptive Torque-Ripple Reduction, IEEE Trans.
A scheme of fuzzy direct torque control for induction machine, IEEE Proceedings of the Fourth International Conference on Machine Learning and Cybernetics, Guangzhou, 18-21 Aug. Sensorless Direct Torque Control of Induction Motor based on Hybrid Space Vector Pulsewidth Modulation to Reduce Ripples and Switching Losses – A Variable Structure Controller Approach, IEEE Power India Conference. 5 Các mục tiêu của những cải tiến là nhằm để cải thiện việc khởi động của động cơ, các hoạt động trong điều kiện quá tải và trong miền tốc độ thấp. Các thay đổi cũng nhằm mục đích để giảm momen và dòng điện hài, giảm mức độ tiếng ồn và để tránh biến điệu tần số bằng cách sử dụng các phƣơng pháp chuyển mạch với tần số đóng cắt không đổi.
Những nhƣợc điểm cơ bản của sơ đồ DTC sử dụng các bộ điều khiển trễ chuyển đổi tần số là xuất hiện dòng và momen gọn sóng. Sự chuyển động của vector từ thông stator trong quá trình thay đổi vòng quay các thanh dẫn tạo các sƣờn dao động đáng kể của momen điện từ. Một vấn đề khác là việc thực hiện các bộ điều khiển trễ đòi hỏi một tần số lấy mẫu cao. Khi một bộ điều khiển trễ đƣợc thực hiện bằng cách sử dụng một bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số (DSP) hoạt động hoàn toàn khác với bộ tƣơng tự.
Trong bộ tƣơng tự, hoạt động các giá trị của momen điện từ và độ lớn từ thông stator đƣợc giới hạn trong giải trễ mong muốn. Điều đó có nghĩa, biến tần có thể thay đổi trạng thái mỗi lần độ lớn từ thông hoặc momen đi qua một giới hạn nhất định. Nói cách khác, việc thực hiện kỹ thuật số sử dụng thời gian mẫu cụ thể mà trên đó momen và từ thông đƣợc kiểm tra nằm trong giới hạn mong muốn. Điều đó có nghĩa là momen và từ thông có thể vƣợt ra khỏi giới hạn mong muốn rất thƣờng xuyên cho đến khi thời gian lấy mẫu kế tiếp.
Đối với lý do này, gợn song momen và từ thông không mong muốn xuất hiện. Nhiều nhà nghiên cứu đƣợc định hƣớng kết hợp các nguyên tắc của DTC với một phƣơng pháp tần số đóng cắt không đổi để điều khiển bộ biến tần bằng cách sử dụng điều chế vector không gian. Điều này đòi hỏi tính toán trong các sơ đồ điều khiển vector điện áp tham chiếu mà cần phải có điều chế trong đầu ra bộ biến tần. Vì vậy, điều khiển trực tiếp momen với phƣơng pháp điều chế không gian vector (DTC-SVM) đƣợc áp dụng 6 Koutsogiannis Z.
Direct Torque Control using Space Vector Modulation and dynamic performance of the drive via a Fuzzy logic controller for speed regulation, in: proceedings of EPE. Ngoài ra, DTC-SVM có thể đƣợc áp dụng bằng cách sử dụng điều khiển momen vòng kín để giảm gợn sóng momen. Rất nhiều bài báo nói về điều khiển tốc độ của truyền động điện, trong đó sử dụng các chiến lƣợc khác nhau dựa trên trí tuệ nhân tạo nhƣ mạng lƣới thần kinh nhân tạo và bộ điều khiển logic mờ đã trình bày. Đối với các bộ điều khiển tốc độ PI mờ có khả năng loại bỏ nhiễu và bền vững đƣợc chứng minh: Gadoue S.
Artificial intelligence-based speed control of DTC induction motor drives-A comparative study, J. Electric Power Syst. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc Những năm gần đây, hƣớng nghiên cứu điện tử công suất ứng dụng điều khiển tốc độ động cơ KĐB, trong đó kết hợp phƣơng pháp DTC và biến tần ma trận đang đƣợc nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm. Có nhiều nhiều công trình công bố những kết quả nghiên cứu về lý thuyết cũng nhƣ thực nghiệm.
Một số công trình đáng chú ý do nhóm tác giả trong nƣớc nhƣ: Direct torque control for matrix converter fed three-phase induction motor using an artificial neural network model. Phan Quốc Dũng, Lê Minh Phương, Nguyễn Hoàng Vũ. Direct torque control for matrix converter fed induction motor drive using fuzzy logic controller.Nguyễn Phương Duy, Huỳnh Trung Nam, Huỳnh Thái Hoàng, Nguyễn Văn Nhờ. Direct torque control of induction motor drive fed by three-level NPC inverter with common mode voltage elimination.Phan Thành Minh, Nguyễn Văn Nhờ Tuy nhiên, các nghiên cứu trên hầu hết chỉ dừng ở mức đƣa ra giải thuật hoặc mô phỏng với Matlab/Simulink.
Rất ít nghiên cứu đề cập đến kết quả thực nghiệm. 7 Đề tài này luận văn này sẽ đƣa ra các giải thuật của bộ điều khiển PI mờ lai cho vòng hồi tiếp tốc độ ứng dụng vào phƣơng pháp điều khiển trực tiếp momen động cơ KĐB 3 pha. Tất cả lý thuyết, kết quả mô phỏng sẽ đƣợc trình bày trong phần sau.