Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng quá trình khởi động và làm việc của động cơ đồng bộ công suất lớn" do nghiên cứu sinh Dương Quốc Hưng thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Hữu Công tại Viện Nghiên cứu Điện tử - Tin học - Tự động hóa (hoàn thành ngày 03 tháng 08 năm 2022). Công trình nhận được sự hỗ trợ kinh phí từ Bộ Giáo dục và Đào tạo thông qua 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").

Động cơ đồng bộ (ĐCĐB) công suất lớn được sử dụng phổ biến trong công nghiệp để kéo các hệ truyền động tải nặng như máy nghiền, trạm bơm nước, máy nén khí cao áp nhờ ưu điểm hiệu suất cao, khả năng làm việc với hệ số công suất $\cos\varphi \approx 1$ hoặc chế độ bù công suất phản kháng cho lưới điện, và tốc độ quay giữ nguyên không phụ thuộc vào tải trục. Tuy nhiên, cấu tạo rotor có cuộn dây kích từ và các mạch phụ trợ (mạch dập từ, mạch điều chỉnh kích từ, mạch khởi động) khiến việc điều khiển ĐCĐB phức tạp hơn nhiều so với động cơ không đồng bộ.

Theo tác giả, quá trình vận hành ĐCĐB công suất lớn đối mặt với hai vấn đề kỹ thuật trọng tâm:

  1. Giai đoạn khởi động không đồng bộ và thời điểm "bắt" đồng bộ: Động cơ khởi động nhờ các thanh lồng sóc trên bề mặt rotor, dòng điện mở máy lớn gấp 5 đến 7 lần dòng định mức ($I_s = 5 \div 7 I_{đm}$). Cuộn kích từ rotor phải nối với điện trở dập từ ($R_{dt}$) để triệt tiêu sức điện động tự cảm cao áp. Khi tốc độ rotor tiệm cận tốc độ đồng bộ, việc đóng nguồn kích từ một chiều (DC) vào rotor phải diễn ra tại thời điểm tối ưu. Nếu đóng kích từ quá sớm, quán tính cơ lớn gây rung giật cơ khí, sức điện động cảm ứng còn lớn gây hại cuộn dây, đồng thời hệ thống phải thực hiện "cưỡng kích" với dòng kích từ bằng 2 đến 2,5 lần định mức gây sụt áp và tổn thất điện năng. Nếu đóng quá muộn, quá trình khởi động kéo dài làm quá nhiệt cuộn lồng sóc (vốn chỉ thiết kế làm việc ngắn hạn). Các giải pháp thực tế hiện hành chủ yếu dựa trên đo một tham số đơn lẻ theo dải kinh nghiệm (tốc độ đạt 95–98%, tần số dòng cảm ứng rotor $3 \div 5\text{ Hz}$, hoặc dòng stator giảm về $2 \div 2,5 I_{đm}$), chưa xác định được thời điểm chính xác khi từ trường rotor đạt cực đại.
  2. Giai đoạn làm việc xác lập và ổn định hệ số công suất $\cos\varphi$: Động cơ chịu tác động thường xuyên từ các nhiễu biến động tải cơ khí và sụt áp lưới điện trung thế (6kV). Việc đo trực tiếp góc tải $\delta$ trên trục quay để điều khiển góc tải là phức tạp; do đó giải pháp gián tiếp là điều chỉnh dòng kích từ rotor để ổn định $\cos\varphi$. Các bộ điều khiển kích từ công nghiệp hiện hữu (PID, Logic mờ) chủ yếu được thiết lập tham số theo kinh nghiệm hoặc phương pháp thử - sai (Trial and Error), dẫn đến dao động quá độ lớn và thời gian xác lập kéo dài.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án:

  • Mục tiêu 1: Đề xuất giải pháp xác định chính xác thời điểm cấp nguồn kích từ DC vào cuộn dây rotor khi khởi động dựa trên việc kết hợp đa tham số (tốc độ rotor, dòng điện cảm ứng rotor để gián tiếp bắt thời điểm từ trường cảm ứng cực đại, và dòng điện stator đã giảm về ngưỡng an toàn), giúp động cơ vào đồng bộ êm thuận, giảm xung dòng stator và rung giật cơ khí.
  • Mục tiêu 2: Ứng dụng thuật toán tối ưu bầy đàn (Particle Swarm Optimization - PSO) để thiết kế tự động và tối ưu hóa tham số cho bộ điều khiển kích từ (PID và bộ điều khiển lai PID - FLC Sugeno), ổn định hệ số công suất $\cos\varphi$ bám theo giá trị đặt, gián tiếp ổn định mô-men và chế độ làm việc khi có nhiễu phụ tải hoặc sụt áp lưới.
  • Mục tiêu 3: Xây dựng mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh hệ thống điều khiển kích từ cho động cơ đồng bộ công suất 500kW tại trạm bơm để kiểm chứng các giải pháp và thuật toán đề xuất trong điều kiện công nghiệp 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 đi kèm.
  • Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu chất lượng quá trình khởi động không đồng bộ, quá trình đóng kích từ "bắt" đồng bộ và chế độ điều khiển ổn định hệ số công suất $\cos\varphi$ khi có biến động tải và điện áp nguồn; kiểm chứng thực nghiệm trên động cơ đồng bộ 500kW tại trạm bơm nước phối hợp với Công ty Cổ phần Cơ điện tử ASO.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng hợp và phân loại các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến hai bài toán chính:

Hướng nghiên cứu Tác giả, công trình trích dẫn trong văn bản Phương pháp và giải pháp tiếp cận Hạn chế ghi nhận trong văn bản
Khởi động và "bắt" đồng bộ (Quốc tế) Tài liệu [1], [2], [4], [72], [73], [76]; [6], [20], [75], [76]; [12], [33] Đo tốc độ rotor ($95 \div 98%\omega_s$), đo tần số rotor ($2 \div 4\text{ Hz}$ hoặc $3 \div 5\text{ Hz}$), hoặc đo dòng stator ($I_s \le 2 \div 2,5 I_{đm}$). Các thông số nằm trong dải giá trị rộng, phụ thuộc kinh nghiệm vận hành; vẫn phải cưỡng kích ($2 \div 2,5 I_{kt_đm}$), gây rung giật cơ và tổn hao.
Khởi động bằng biến tần/động cơ phụ Công trình [21], [51]; [3] Dùng biến tần trung thế stator kết hợp đo tốc độ; hoặc dùng động cơ phụ kéo ĐCĐB lên gần tốc độ đồng bộ. Chi phí đầu tư biến tần trung thế hoặc động cơ phụ rất cao, chỉ phục vụ cho quá trình khởi động ngắn hạn.
Xác định góc rotor để vào đồng bộ Báo cáo kỹ thuật [14] Xác định góc rotor tiệm cận $-45^\circ$ khi tốc độ đạt gần đồng bộ bằng công tắc từ tiếp điểm cơ khí. Tiếp điểm cơ khí có độ trễ cơ học làm thời điểm đóng kích từ bị chậm khi từ trường đã suy yếu; chưa kết hợp kiểm tra dòng an toàn stator.
Điều khiển kích từ ổn định $\cos\varphi$ (Quốc tế) Bill Horvath [12]; Sittipong Pengpraderm và cs [8]; Maamoon F. Al-Kababji và cs [43]; Csaba Szabó và cs [13] Sử dụng bộ điều khiển PID/PI chỉnh định bằng Ziegler-Nichols kết hợp thử sai (Trial & Error) điều khiển PWM kích từ; điều khiển V/f stator kết hợp kích từ. Quá trình chỉnh định mang tính thủ công; đáp ứng quá độ có dao động mạnh; sai lệch tĩnh ở chế độ xác lập còn khoảng 5% so với giá trị đặt.
Ứng dụng Logic mờ điều khiển kích từ Arş. Altaş [44]; Ahmet Gani, Ö. Fatih Keçecioğlu và cs [45] Sử dụng bộ điều khiển mờ (FLC) với các biến đầu vào: sai lệch và đạo hàm sai lệch $\cos\varphi$, hoặc sai lệch $\cos\varphi$ và công suất phản kháng $Q$. Chất lượng điều khiển cải thiện khi phụ tải tăng chậm nhưng thời gian đáp ứng tăng, gây trễ xác lập; chưa tối ưu hàm liên thuộc bằng thuật toán.
Nghiên cứu và ứng dụng trong nước Các nghiên cứu [64]–[68] (PMSM); [69]–[71], [74] (máy phát đồng bộ); Báo cáo [73]; Công ty CP Cơ điện tử ASO [75] Kích từ tĩnh dùng cầu chỉnh lưu 6 Thyristor; bắt đồng bộ dựa trên đo tần số rotor ($3 \div 5\text{ Hz}$) bằng công tắc từ cơ khí; điều khiển PI theo kinh nghiệm chuyên gia. Thiết bị đa phần nhập ngoại hoặc lắp ráp từ module ngoại nhập; việc chuyển mạch cơ khí gây trễ; thiếu thuật toán tối ưu hóa thông số điều khiển.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết:

  1. Khắc phục sự phụ thuộc vào dải đo kinh nghiệm của các phương pháp đơn tham số bằng cách xây dựng thuật toán và module mạch điện tử đo - xử lý đồng thời 3 điều kiện: tốc độ rotor $\ge 95%$, đạo hàm/điểm qua không của dòng cảm ứng cuộn kích từ rotor ($i_{rD}$) để bắt đúng đỉnh cực đại từ trường cảm ứng, và dòng điện stator $I_s \le 2 I_{đm}$.
  2. Thay thế phương pháp chỉnh định thủ công (Ziegler-Nichols, Trial and Error) bằng thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (PSO) để tìm bộ thông số tối ưu toàn cục cho bộ điều khiển PID và bộ điều khiển lai PID - FLC Sugeno trong hệ thống kích từ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình toán học

Luận án sử dụng hệ phương trình Park-Gorev mô tả động cơ đồng bộ cực lồi trên hệ tọa độ tựa từ thông rotor ($d-q$). Dây quấn 3 pha stator ($A, B, C$) được chuyển đổi sang hệ tọa độ cố định 2 pha ($\alpha - \beta$) và quy đổi sang hệ tọa độ quay ($d-q$) gắn với rotor quay với vận tốc góc $\omega_r$:

  • Hệ phương trình điện áp stator trục $d-q$: $$\begin{aligned} u_d &= r_s i_d + \frac{d\psi_{sd}}{dt} - \omega_r \psi_{sq} \ u_q &= r_s i_q + \frac{d\psi_{sq}}{dt} + \omega_r \psi_{sd} \end{aligned}$$

  • Hệ phương trình điện áp cuộn kích từ và cuộn lồng sóc: $$\begin{aligned} u_f &= r_f i_f + \frac{d\psi_f}{dt} \ u_D &= 0 = r_D i_D + \frac{d\psi_D}{dt} \ u_Q &= 0 = r_Q i_Q + \frac{d\psi_Q}{dt} \end{aligned}$$

  • Quan hệ từ thông móc vòng và dòng điện: $$\begin{aligned} \psi_{sd} &= L_{md}(i_f + i_d + i_D) + i_d L_s \ \psi_{sq} &= L_{mq}(i_q + i_Q) + i_q L_s \ \psi_f &= L_{md}(i_d + i_D + i_f) + (i_f - i_D)L_k + i_f L_f \ \psi_D &= L_{md}(i_d + i_D + i_f) + (i_f - i_D)L_k + i_D L_D \ \psi_Q &= L_{mq}(i_q + i_Q) + i_Q L_Q \end{aligned}$$

  • Mô-men điện từ tổng của động cơ đồng bộ cực lồi: $$T_e = \frac{3}{2} p_r (\psi_{sd} i_q - \psi_{sq} i_d)$$ Ở chế độ xác lập (bỏ qua điện trở $r_s$), biểu thức mô-men điện từ phân tích thành hai thành phần: $$T_e(\delta) = \frac{3 p_r}{2 \omega} \left[ \frac{U_s E_q}{X_{sd}} \sin\delta + U_s^2 \frac{X_{sd} - X_{sq}}{2 X_{sd} X_{sq}} \sin 2\delta \right]$$ Trong đó:

  • Thành phần thứ nhất $T_1(\delta) = \frac{3 p_r U_s E_q}{2 \omega X_{sd}} \sin\delta$ là mô-men đồng bộ chính, phụ thuộc vào nguồn kích từ qua sức điện động $E_q = j X_{md} I_f$.

  • Thành phần thứ hai $T_2(2\delta) = \frac{3 p_r U_s^2 (X_{sd} - X_{sq})}{4 \omega X_{sd} X_{sq}} \sin 2\delta$ là mô-men từ trở do tính bất đối xứng cực lồi ($X_{sd} \ne X_{sq}$).

Khi khởi động không đồng bộ ($u_f = 0$, cuộn kích từ nối điện trở dập từ $R_{dt}$), mô-men gồm mô-men từ trở và mô-men do cuộn lồng sóc sinh ra: $$T_{e_kđ} = \frac{3}{2} p_r \left[ i_d i_q (L_{md} - L_{mq}) + (L_{md} i_D i_q - L_{mq} i_Q i_d) \right]$$

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp đồng bộ ba phương pháp:

  1. Nghiên cứu lý thuyết và giải thuật điều khiển: Phân tích giải tích hệ phương trình vi phân phi tuyến; ứng dụng giải thuật tối ưu hóa bầy đàn (PSO) với hàm mục tiêu tích phân trị tuyệt đối sai lệch (Integral Absolute Error - IAE): $$J_{\text{IAE}} = \int_{0}^{\infty} |e(t)|, dt = \int_{0}^{\infty} |\cos\varphi_{đặt} - \cos\varphi(t)|, dt$$ để tối ưu hóa các thông số $K_p, K_i, K_d$ của bộ điều khiển PID và tập mờ/hệ luật của FLC-Sugeno.
  2. Mô phỏng số trên phần mềm Matlab/Simulink: Xây dựng mô hình máy điện đồng bộ chi tiết gồm các khối biến đổi tọa độ (abc2dq, dq2abc), khối tính toán từ thông (Current and mutual fluxes), khối công suất (PQ), khối góc tải và khối cơ học; kiểm tra thuật toán tối ưu PSO offline bằng M-File.
  3. Thực nghiệm phần cứng: Thiết kế board mạch vi điều khiển PIC (lập trình C) cho module bắt đồng bộ; tích hợp PLC trung tâm và bộ chỉnh lưu Thyristor điều khiển hệ thống kích từ thực tế trên động cơ 500kW tại trạm bơm.

Nội dung chính theo từng chương

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

Chương I phân tích toàn diện cấu tạo ĐCĐB công suất lớn gồm 3 bộ phận chính: Stator (lõi thép và dây quấn 3 pha nối lưới trung thế thường là 6kV), Rotor (rotor cực lồi quấn tập trung hoặc cực ẩn quấn phân bố, kèm các thanh lồng sóc trên mặt cực từ), và hệ thống chổi than - vành trượt (chổi than graphit tì lên vành trượt đồng thau/đồng để cấp dòng DC).

Chương điểm luận chi tiết vai trò của việc điều khiển kích từ ở hai giai đoạn:

  • Giai đoạn khởi động: Phải đóng cuộn kích từ vào điện trở dập từ $R_{dt}$ (thường chọn $R_{dt} = (6 \div 10) R_f$) nhằm vừa triệt tiêu điện áp tự cảm cao, vừa tăng mô-men khởi động cực lồi. Luận án phân tích hạn chế của các phương pháp bắt đồng bộ truyền thống đo tốc độ, đo tần số dòng rotor hoặc đo dòng stator, chỉ ra rằng việc đóng kích từ trong một dải thông số rộng thiếu chính xác đòi hỏi phải cưỡng kích lớn ($2 \div 2,5 I_{kt_đm}$), gây xung lực giật cơ khí và tiêu hao điện năng.
  • Giai đoạn làm việc: Điều chỉnh dòng kích từ rotor để ổn định hệ số công suất $\cos\varphi$ tại giá trị đặt nhằm gián tiếp giữ ổn định mô-men khi có dao động tải hoặc sụt áp lưới. Luận án đánh giá các công trình điều khiển PID kinh điển, phương pháp Ziegler-Nichols, Trial & Error và Logic mờ, rút ra kết luận về sự thiếu vắng các giải pháp thiết kế tham số kích từ tối ưu bằng thuật toán tự động.

Chương II: Mô hình 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 thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả ĐCĐB cực lồi trên hệ tọa độ $d-q$, xây dựng sơ đồ thay thế trục dọc ($i_{md} = i_d + i_D + i_f$), trục ngang ($i_{mq} = i_q + i_Q$) và đồ thị véc-tơ không gian ở chế độ xác lập.

Chương làm rõ các quy luật vật lý then chốt:

  1. Điều kiện vào đồng bộ tối ưu: Khi tốc độ rotor tiệm cận đồng bộ ($\omega_r \ge 95%\omega_s$), độ trượt $s$ nhỏ, dòng cảm ứng rotor $i_{rD}$ và dòng stator $i_s$ lệch pha $180^\circ$. Thời điểm từ thông cảm ứng trong rotor đạt cực đại ứng với lúc dòng điện cảm ứng rotor $i_{rD}$ đi qua điểm 0 từ âm sang dương (ứng với góc vị trí rotor vượt quá $-45^\circ$). Nếu ngắt điện trở $R_{dt}$ và cấp nguồn kích từ DC đúng thời điểm này, từ trường cực đại sẽ bị "mắc kẹt" và khóa chặt với từ trường quay stator mà không cần cưỡng kích dòng lớn.
  2. Mối quan hệ $\cos\varphi$ và góc tải $\delta$: Từ biểu thức công suất điện từ $P_e = \frac{3}{2} U_s I_s \cos\varphi = \frac{3 U_s E_q}{2 X_{sd}} \sin\delta$, tác giả chứng minh khi có nhiễu tải hoặc điện áp, góc tải $\delta$ thay đổi dẫn đến $\cos\varphi$ biến thiên tương ứng. Do việc đo góc $\delta$ trực tiếp đòi hỏi cảm biến vị trí phức tạp và kém tin cậy trong môi trường công nghiệp, việc ổn định $\cos\varphi$ thông qua điều chỉnh dòng kích từ $I_f$ là giải pháp gián tiếp chính xác để ổn định chế độ làm việc của động cơ.

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 trình bày hai nhóm giải pháp kỹ thuật do tác giả đề xuất:

1. Giải pháp nâng cao chất lượng "bắt" đồng bộ khi khởi động

Tác giả đề xuất thuật toán kết hợp đa điều kiện:

  • Tốc độ động cơ $\omega_r \ge 95% \omega_s$.
  • Đo dòng cảm ứng trong cuộn kích từ rotor để xác định chính xác thời điểm từ trường cảm ứng đạt cực đại (qua mạch tạo xung phát hiện điểm dòng $i_{rD}$ qua 0 và $d i_f/dt$).
  • Dòng điện khởi động phía stator đã suy giảm về ngưỡng an toàn ($I_s \le 2 I_{đm}$).

Giải pháp được hiện thực hóa qua hai phương án:

  • Mạch điện tử và vi điều khiển: Thiết kế module bắt đồng bộ sử dụng vi điều khiển PIC (lập trình C), có chức năng tạo xung CT1, CT2 xác định điểm từ trường cực đại, điều khiển đóng cắt Thyristor T7 của mạch dập từ và kích hoạt mạch cầu chỉnh lưu cấp nguồn DC.
  • Bộ điều khiển Logic mờ (FLC): Xây dựng FLC bắt đồng bộ với 3 đầu vào: Tốc độ rotor ($\omega_r$), dòng kích từ ($I_f$), đạo hàm dòng kích từ ($d I_f/dt$) và 1 đầu ra điều khiển thời điểm cấp kích từ.

Mô phỏng trên Matlab/Simulink cho động cơ cực lồi (hệ đơn vị tương đối pu và hệ SI) tại các mức tải 50% và 100% cho thấy giải pháp đề xuất giúp động cơ hòa đồng bộ êm, loại bỏ hoàn toàn các dao động giật mô-men và quá dòng stator so với phương pháp chỉ đo tốc độ ở 85% hay 95%.

2. Giải pháp điều khiển kích từ bằng thuật toán tối ưu bầy đàn PSO ở chế độ làm việc

Tác giả ứng dụng giải thuật PSO để tối ưu hóa hàm mục tiêu sai số tích phân IAE nhằm tìm bộ thông số:

  • Bộ điều khiển PID: Tối ưu bộ ba thông số ($K_p, K_i, K_d$).
  • Bộ điều khiển lai PID – FLC Sugeno: Tối ưu các trọng số hàm liên thuộc và hệ luật mờ kết hợp PID.

Kết quả mô phỏng so sánh chất lượng đáp ứng hệ số công suất $\cos\varphi$ khi thay đổi giá trị đặt ($\cos\varphi_{đặt} = 0{,}85 \to 0{,}95$) và khi có nhiễu phụ tải tăng đột ngột 30% tại thời điểm $t = 1{,}5\text{ s}$:

Cấu trúc bộ điều khiển Phương pháp thiết kế Đánh giá đáp ứng quá độ $\cos\varphi$
Bộ điều khiển PI Ziegler-Nichols kết hợp Thử sai (Trial & Error) Có dao động lớn ở trạng thái quá độ, thời gian xác lập dài nhất.
Bộ điều khiển PID Tối ưu hóa bầy đàn (PSO) Giảm đáng kể biên độ dao động, thời gian hội tụ nhanh hơn PI kinh điển.
Bộ điều khiển lai PID - FLC Sugeno Tối ưu hóa bầy đàn (PSO) Cho chất lượng tốt nhất: đáp ứng trơn tru, không vọt lố, bám sát $\cos\varphi_{đặt}$ khi tải tăng 30%.

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

Chương IV trình bày việc triển khai toàn bộ kết quả nghiên cứu vào hệ thống phần cứng thực tế điều khiển động cơ đồng bộ 500kW tại trạm bơm nước.

Cấu hình phần cứng và phần mềm hệ thống thực nghiệm:

  • Mạch lực: Máy biến áp kích từ (BA KT), bộ chỉnh lưu cầu 3 pha gồm 6 Thyristor công suất, khối điện trở dập từ $R_{dt}$.
  • Khối điều khiển: Module bắt đồng bộ chuyên dụng dùng vi điều khiển PIC tốc độ cao; bộ điều khiển lập trình PLC trung tâm tích hợp các thuật toán điều khiển kích từ.
  • Phần mềm giám sát: Giao diện HMI/SCADA thu thập, hiển thị thời gian thực các thông số dòng/áp stator, dòng/áp kích từ rotor, hệ số công suất $\cos\varphi$, cảnh báo sự cố và lưu trữ đồ thị đặc tính.

Kết quả thực nghiệm trên động cơ 500kW:

  1. Quá trình khởi động và bắt đồng bộ: Module bắt đồng bộ xác định chính xác thời điểm từ trường cảm ứng rotor đạt cực đại khi tốc độ đạt trên 95% và dòng stator đã giảm. Động cơ hòa đồng bộ êm thuận, không xảy ra hiện tượng rung giật khớp nối cơ khí và không cần cưỡng bức dòng kích từ lớn.
  2. Chế độ làm việc và ổn định $\cos\varphi$: Do giới hạn phần cứng của thiết bị công nghiệp tại trạm bơm chưa hỗ trợ trực tiếp nạp cấu trúc lai mờ PID - FLC, tác giả đã nạp bộ thông số tối ưu của bộ điều khiển PID được thiết kế bởi thuật toán PSO (tính toán offline) vào PLC.
Tình huống thực nghiệm trên động cơ 500kW Bộ điều khiển PI (Ziegler-Nichols + Trial & Error) Bộ điều khiển PID (Thiết kế bằng PSO)
Thay đổi giá trị đặt $\cos\varphi$ Hệ thống dao động kéo dài, thời gian đạt trạng thái xác lập chậm. Đáp ứng nhanh, bám sát đường đặt $\cos\varphi$, sai lệch tĩnh triệt tiêu nhanh chóng.
Sụt áp lưới do các động cơ khác trong trạm bơm khởi động $\cos\varphi$ bị sụt sâu, dao động mạnh trước khi phục hồi. Dòng kích từ được tự động điều chỉnh bù kịp thời, giữ ổn định $\cos\varphi$ và ngăn ngừa mất đồng bộ.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Xây dựng hoàn chỉnh cơ sở khoa học và tiêu chí đa tham số xác định thời điểm cấp nguồn kích từ tối ưu khi khởi động động cơ đồng bộ cực lồi: kết hợp đồng thời điều kiện tốc độ rotor ($\ge 95% \omega_s$), cực đại từ trường cảm ứng rotor (thông qua điểm qua 0 của dòng cảm ứng $i_{rD}$) và dòng stator đã giảm về ngưỡng an toàn ($I_s \le 2 I_{đm}$).
  2. Ứng dụng thành công thuật toán tối ưu bầy đàn (PSO) dựa trên chỉ tiêu sai số tích phân IAE để giải bài toán tối ưu hóa tham số bộ điều khiển kích từ (PID và PID - FLC Sugeno), khắc phục tính chủ quan và thiếu tối ưu của các phương pháp thử sai và kinh nghiệm chuyên gia truyền thống.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và ứng dụng

  1. Thiết kế, chế tạo thành công module phần cứng bắt đồng bộ sử dụng vi điều khiển PIC với thuật toán lập trình C chuyên dụng, có khả năng tích hợp linh hoạt vào các tủ điều khiển kích từ công nghiệp.
  2. Xây dựng và thử nghiệm thành công hệ thống điều khiển kích từ hoàn chỉnh trên động cơ đồng bộ 500kW thực tế tại trạm bơm, chứng minh tính khả thi, độ tin cậy và hiệu quả trong việc giảm dòng mở máy, chống rung giật cơ khí và ổn định $\cos\varphi$ khi lưới điện sụt áp.
  3. Cung cấp bộ cơ sở dữ liệu thiết kế, sơ đồ nguyên lý mạch in (PCB), lưu đồ thuật toán và mã nguồn chương trình (Matlab M-File, PIC C, PLC) phục vụ các đơn vị trong nước nghiên cứu, làm chủ công nghệ chế tạo thiết bị kích từ mang thương hiệu Việt Nam thay thế hàng nhập ngoại.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế ghi nhận trong văn bản: Cấu trúc điều khiển lai PID - FLC Sugeno tối ưu bằng PSO cho kết quả mô phỏng vượt trội nhưng chưa được thử nghiệm trực tiếp trên phần cứng thực tế 500kW do hạn chế về tài nguyên xử lý và tính năng của nền tảng PLC công nghiệp sẵn có tại hiện trường; thực nghiệm hiện trường mới dừng lại ở việc áp dụng bộ thông số PID tối ưu bằng PSO.
  • Hướng nghiên cứu phát triển tiếp: Nâng cấp năng lực phần cứng nhúng (DSP hoặc PLC cấu hình cao) để nạp và thực thi trực tiếp thuật toán lai mờ PID - FLC Sugeno thời gian thực trên động cơ công suất lớn; mở rộng nghiên cứu thuật toán thích nghi trực tuyến tham số kích từ khi các thông số điện cảm máy điện bị bão hòa mạch từ trong quá trình vận hành lâu dài.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao đối với:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật Điều khiển - Tự động hóa, Kỹ thuật Điện: Tham khảo Chương II về mô hình toán học giải tích ĐCĐB cực lồi trên hệ tọa độ $d-q$, Chương III và Phụ lục 2 về phương pháp lập trình thuật toán PSO tối ưu hóa hệ mờ lai trên Matlab/Simulink.
  • Kỹ sư R&D tại các doanh nghiệp chế tạo thiết bị điện - tự động hóa: Tham khảo sơ đồ nguyên lý mạch điện tử (SCH), mạch in (PCB), lưu đồ thuật toán và mã nguồn C cho vi điều khiển PIC tại Chương III, Chương IV, Phụ lục 1 và Phụ lục 3 để ứng dụng chế tạo module bắt đồng bộ cho tủ kích từ tĩnh 6-Thyristor.
  • Kỹ sư vận hành hệ thống điện tại các nhà máy xi măng, hóa chất, mỏ quặng và trạm bơm tiêu thoát nước: Tham khảo cấu hình điều khiển PLC, giao thức giám sát HMI/SCADA và quy trình chỉnh định tham số kích từ tối ưu nhằm nâng cao tuổi thọ động cơ và cải thiện hệ số công suất của toàn nhà máy.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao phương pháp bắt đồng bộ kết hợp đa tham số của luận án lại ưu việt hơn phương pháp đo tốc độ hoặc tần số đơn lẻ truyền thống?
Trả lời: Các phương pháp truyền thống chỉ đo một đại lượng (như tốc độ đạt $95 \div 98%$ hoặc tần số $3 \div 5\text{ Hz}$) nằm trong một khoảng rộng, không xác định được trạng thái tức thời của từ trường rotor. Nếu đóng kích từ khi từ trường cảm ứng đã qua đỉnh và suy yếu hoặc đổi chiều, động cơ sẽ bị giật cơ khí và bắt buộc phải cưỡng bức dòng kích từ lớn ($2 \div 2{,}5 I_{đm}$). Giải pháp của luận án kiểm tra đồng thời tốc độ $\ge 95%$, dòng stator an toàn và bắt đúng thời điểm từ trường cảm ứng đạt cực đại (qua điểm qua 0 của dòng cảm ứng cuộn kích từ), giúp động cơ vào đồng bộ nhẹ nhàng, tiết kiệm điện và triệt tiêu rung giật.

2. Điện trở dập từ ($R_{dt}$) có vai trò gì trong quá trình khởi động và giá trị của nó được chọn như thế nào?
Trả lời: Trong giai đoạn khởi động không đồng bộ, điện trở dập từ được nối tắt với cuộn kích từ rotor để tiêu tán sức điện động tự cảm rất lớn, bảo vệ cách điện cuộn dây và các phần tử bán dẫn trong mạch kích từ. Đồng thời, $R_{dt}$ giúp tăng cường mô-men cực lồi khi tốc độ gần đạt đồng bộ. Theo tính toán trong luận án, giá trị điện trở dập từ thường được chọn bằng $6 \div 10$ lần điện trở một chiều của cuộn dây kích từ rotor ($R_f$).

3. Thuật toán tối ưu bầy đàn (PSO) được sử dụng để giải quyết bài toán nào trong hệ thống điều khiển kích từ?
Trả lời: Luận án sử dụng PSO để tự động dò tìm bộ thông số tối ưu toàn cục ($K_p, K_i, K_d$) của bộ điều khiển PID và tối ưu hóa hệ luật/hàm liên thuộc của bộ điều khiển mờ lai PID - FLC Sugeno. Hàm mục tiêu được tối thiểu hóa là tích phân trị tuyệt đối sai lệch (IAE) giữa giá trị đặt $\cos\varphi_{đặt}$ và giá trị phản hồi $\cos\varphi(t)$, thay thế hoàn toàn phương pháp thử sai thủ công và chỉnh định Ziegler-Nichols truyền thống.

4. Vì sao hệ thống điều khiển kích từ chọn ổn định hệ số công suất $\cos\varphi$ thay vì đo và ổn định trực tiếp góc tải $\delta$?
Trả lời: Từ mô hình toán học và đồ thị véc-tơ của ĐCĐB cực lồi, khi có nhiễu phụ tải hoặc dao động điện áp nguồn, góc tải $\delta$ và hệ số công suất $\cos\varphi$ biến thiên đồng biến chặt chẽ với nhau. Việc đo trực tiếp góc tải $\delta$ trên trục động cơ đòi hỏi cảm biến góc quay có độ chính xác cao và rất phức tạp khi lắp đặt trong môi trường công nghiệp; trong khi đó, đo lường dòng điện và điện áp stator để tính toán $\cos\varphi$ đơn giản, tin cậy và cho phép gián tiếp ổn định góc tải cũng như mô-men làm việc của động cơ.

5. Kết quả thử nghiệm trên động cơ thực tế 500kW đã chứng minh được những chỉ tiêu kỹ thuật nào?
Trả lời: Thực nghiệm tại trạm bơm chứng minh module bắt đồng bộ chuyên dụng điều khiển hòa đồng bộ chính xác, loại bỏ xung dòng đột biến và rung cơ khí khi khởi động. Ở chế độ làm việc xác lập, bộ điều khiển PID tối ưu bằng PSO cài đặt trên PLC giúp hệ thống bám sát giá trị đặt $\cos\varphi$ khi thay đổi thông số đặt và tự động tăng cường dòng kích từ để giữ vững chế độ làm việc của động cơ khi xuất hiện sụt áp lưới do các động cơ khác trong trạm bơm khởi động.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Dương Quốc Hưng đã giải quyết trọn vẹn hai bài toán kỹ thuật cốt lõi trong điều khiển động cơ đồng bộ cực lồi công suất lớn: xác định thời điểm bắt đồng bộ tối ưu bằng tiêu chí 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 đóng góp lý thuyết được hiện thực hóa thành công thông qua việc chế tạo module phần cứng vi điều khiển PIC và lập trình PLC điều khiển hệ thống kích từ thực tế trên động cơ 500kW tại trạm bơm nước. Kết quả nghiên cứu là tài liệu khoa học và công nghệ có giá trị ứng dụng thực tiễn cao, hỗ trợ tích cực cho việc làm chủ công nghệ và chế tạo thiết bị kích từ tĩnh tại Việt Nam.