Luận văn thạc sĩ về điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha tại HCMUTE

• Tác giả: Chu Văn Đức
• Người hướng dẫn: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Thiết Bị Mạng Và Nhà Máy Điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Điều Khiển Động Cơ Không Đồng Bộ 3 Pha Tại HCMUTE
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. Sự phát triển của kỹ thuật điều khiển động cơ
• 1.2. Các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ
• 1.3. Phương pháp V/f = const (điều khiển vô hướng)
• 1.4. Phương pháp điều khiển mômen trực tiếp (DTC)
• 1.5. Phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC)
• 1.6. Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu
• 1.7. Phương pháp nghiên cứu
• 1.8. Nội dung của luận văn
• 1.9. Ý nghĩa thực tiễn của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
• 2.1. Đại cương về động cơ không đồng bộ ba pha
• 2.2. Xây dựng vectơ không gian
• 2.2.1. Mô tả vector trên hệ tọa độ cố định stator (hệ tọa độ αβ)
• 2.2.2. Mô tả vector trên hệ tọa độ quay rotor (hệ tọa độ dq)
• 2.3. Mô hình của động cơ không đồng bộ ba pha
• 2.4. Hệ phương trình trạng thái của động cơ KĐB ba pha trên hệ tọa độ stator (αβ)
• 2.5. Hệ phương trình trạng thái của động cơ KĐB ba pha trên hệ tọa độ từ thông rotor (dq)
• 2.6. Phép chuyển hệ trục tọa độ
• 2.6.1. Phép chuyển hệ trục tọa độ abc sang hệ tọa độ αβ và ngược lại
• 2.6.2. Phép chuyển hệ trục tọa độ abc sang hệ tọa độ dq và ngược lại
• 2.6.3. Phép chuyển hệ trục tọa độ αβ sang hệ tọa độ dq và ngược lại
• 3. CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG
• 3.1. Đại cương về phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC)
• 3.2. Nguyên lý điều khiển định hướng trường
• 3.3. Phương pháp điều khiển định hướng trường
• 3.4. Phương pháp điều khiển trực tiếp
• 3.5. Phương pháp điều khiển gián tiếp
• 3.6. Một số phương pháp ước lượng từ thông rotor
• 3.6.1. Ước lượng từ thông rotor từ dòng và áp hồi tiếp
• 3.6.2. Ước lượng từ thông rotor từ dòng và tốc độ hồi tiếp
• 3.6.3. Ước lượng từ thông rotor từ dòng, áp và tốc độ hồi tiếp
• 4. CHƯƠNG 4: CÔNG NGHỆ TÍNH TOÁN MỀM
• 4.1. Mạng nơron nhân tạo (ANN)
• 4.2. Nơron sinh học
• 4.3. Mô hình nơron nhân tạo
• 4.4. Mạng nơron nhân tạo
• 4.5. Kiến trúc mạng nơron
• 4.6. Huấn luyện mạng nơron nhân tạo
• 4.7. Luật học có giám sát
• 4.8. Luật học không có giám sát
• 4.9. Luật học tăng cường
• 4.10. Giải thuật lan truyền ngược
• 4.11. Chuẩn bị dữ liệu cho giải thuật lan truyền ngược
• 4.12. Chọn lựa số nút ẩn, lớp ẩn
• 4.13. Giải thuật huấn luyện
• 4.14. Ưu điểm của mạng nơron
• 4.15. Phạm vi ứng dụng
• 5. CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG CẤU TRÚC CÁC KHỐI ĐIỀU KHIỂN
• 5.1. Sơ đồ mô phỏng FOC cổ điển
• 5.2. Khối mạng tính dòng (MTi)
• 5.3. Khối điều chỉnh dòng isd và isq
• 5.4. Khối mạng tính áp (MTu)
• 5.5. Khối chuyển tọa độ áp (CTDu)
• 5.6. Khối động cơ không đồng bộ ba pha
• 5.7. Khối chuyển tọa độ dòng điện (CTDi)
• 5.8. Khối ước lượng từ thông rotor
• 5.9. Sơ đồ mô phỏng FOC với bộ điều khiển PID
• 5.10. Sơ đồ mô phỏng FOC với ước lượng từ thông rotor dùng mạng nơron
• 6. CHƯƠNG 6: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 6.1. Thông số của động cơ KĐB ba pha
• 6.2. So sánh kết quả mô phỏng FOC và FOC với ước lượng từ thông dùng mạng nơron
• 6.3. Thông số bộ điều khiển PID
• 6.4. Huấn luyện mạng nơron ước lượng từ thông
• 6.5. Động cơ hoạt động có tải không đổi
• 6.6. Động cơ hoạt động có tải thay đổi, tốc độ thay đổi, đảo chiều quay
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• 7.1. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về động cơ không đồng bộ 3 pha

Động cơ không đồng bộ 3 pha là một trong những thiết bị quan trọng trong hệ thống điện công nghiệp. Chúng được sử dụng rộng rãi nhờ vào tính năng hoạt động ổn định và độ bền cao. Động cơ này hoạt động dựa trên nguyên lý từ trường quay, tạo ra mô men xoắn cần thiết để thực hiện công việc. Việc điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha đòi hỏi các phương pháp hiện đại nhằm đảm bảo hiệu suất và độ chính xác cao. Các phương pháp điều khiển như điều khiển định hướng trường (FOC) đã được phát triển để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của động cơ. Theo nghiên cứu, việc áp dụng các công nghệ điều khiển tiên tiến giúp cải thiện đáng kể hiệu suất và độ tin cậy của động cơ.

1.1. Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ 3 pha hoạt động dựa trên nguyên lý từ trường quay do dòng điện 3 pha tạo ra. Khi dòng điện chạy qua các cuộn dây stator, nó tạo ra một từ trường quay, từ đó kích thích rotor quay theo. Đặc điểm nổi bật của động cơ này là không cần sử dụng bộ phận chổi than, giúp giảm thiểu ma sát và hao mòn. Điều này làm cho động cơ không đồng bộ 3 pha có tuổi thọ cao hơn và ít bảo trì hơn so với động cơ một chiều. Hơn nữa, động cơ này có khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, điều này làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng công nghiệp.

II. Phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ

Việc điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha có thể được thực hiện thông qua nhiều phương pháp khác nhau. Trong đó, phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC) là một trong những phương pháp tiên tiến nhất. FOC cho phép điều khiển độc lập từ thông và mô men, giúp động cơ hoạt động hiệu quả hơn trong các điều kiện tải khác nhau. Ngoài ra, phương pháp điều khiển trực tiếp mô men (DTC) cũng được áp dụng rộng rãi, mang lại khả năng điều khiển chính xác và nhanh chóng. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng các phương pháp này không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu tiêu thụ năng lượng.

2.1. Điều khiển định hướng trường FOC

Phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC) là một kỹ thuật điều khiển hiện đại, cho phép điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha một cách chính xác. FOC hoạt động bằng cách tách biệt các thành phần từ thông và mô men, từ đó điều chỉnh chúng một cách độc lập. Điều này giúp động cơ duy trì tốc độ ổn định và mô men chính xác trong suốt quá trình hoạt động. Nghiên cứu cho thấy rằng FOC có thể cải thiện hiệu suất động cơ lên đến 20% so với các phương pháp điều khiển truyền thống. Hơn nữa, FOC cũng giúp giảm thiểu độ rung và tiếng ồn trong quá trình hoạt động của động cơ.

III. Ứng dụng công nghệ điều khiển trong động cơ không đồng bộ

Công nghệ điều khiển hiện đại đã mở ra nhiều cơ hội ứng dụng cho động cơ không đồng bộ 3 pha trong các lĩnh vực khác nhau. Từ sản xuất công nghiệp đến hệ thống cấp nước, động cơ không đồng bộ 3 pha được sử dụng để tối ưu hóa quy trình sản xuất và tiết kiệm năng lượng. Việc áp dụng các công nghệ như mạng nơron nhân tạo trong điều khiển động cơ không đồng bộ cũng đang được nghiên cứu và phát triển. Những ứng dụng này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn tạo ra các giải pháp bền vững cho ngành công nghiệp.

3.1. Ứng dụng trong sản xuất công nghiệp

Trong sản xuất công nghiệp, động cơ không đồng bộ 3 pha được sử dụng để điều khiển các máy móc và thiết bị. Việc áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm thiểu thời gian dừng máy và tiết kiệm năng lượng. Các nhà máy hiện đại đang chuyển sang sử dụng động cơ không đồng bộ 3 pha với các bộ biến tần để điều khiển tốc độ và mô men một cách chính xác. Điều này không chỉ nâng cao hiệu suất sản xuất mà còn giảm thiểu chi phí vận hành.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật phát triển nhanh chóng, việc điều khiển động cơ không đồng bộ (KĐB) ba pha trở thành một vấn đề quan trọng trong ngành điện công nghiệp và tự động hóa. Theo ước tính, động cơ KĐB chiếm tỷ lệ lớn trong các thiết bị truyền động công nghiệp nhờ chi phí hợp lý và độ bền cao. Tuy nhiên, điều khiển động cơ KĐB là một thách thức do tính phi tuyến và phức tạp của hệ thống. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là ứng dụng phương pháp điều khiển định hướng trường (Field Oriented Control - FOC) kết hợp với mạng nơron nhân tạo để ước lượng từ thông rotor, nhằm nâng cao hiệu suất điều khiển động cơ KĐB ba pha.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào động cơ KĐB ba pha rotor lồng sóc, được mô phỏng và phân tích trong môi trường Matlab Simulink của công ty MathWorks, với dữ liệu thực nghiệm và mô hình toán học chi tiết. Nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc cải thiện độ chính xác điều khiển tốc độ và mô men, đồng thời mở rộng ứng dụng công nghệ tính toán mềm trong lĩnh vực điều khiển động cơ điện. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển các thuật toán điều khiển thông minh, hỗ trợ các ngành công nghiệp sản xuất, năng lượng và giao thông vận tải.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính:

1. Mô hình toán động cơ không đồng bộ ba pha: Động cơ gồm stator và rotor, với các vector dòng điện và điện áp được biểu diễn trên hệ tọa độ αβ (cố định stator) và dq (quay rotor). Hệ phương trình trạng thái mô tả động cơ được xây dựng dựa trên các tham số điện trở, điện cảm, từ thông và mô men, cho phép mô phỏng chính xác đặc tính động học và điện của động cơ.

2. Phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC): FOC cho phép điều khiển độc lập từ thông và mô men bằng cách phân tích dòng điện stator thành hai thành phần isd (tạo từ thông) và isq (tạo mô men) trên hệ tọa độ dq gắn với rotor. Phương pháp này mô phỏng nguyên lý điều khiển tương tự động cơ một chiều kích từ độc lập, giúp đạt được điều khiển chính xác tốc độ và mô men.

Ngoài ra, mạng nơron nhân tạo (Artificial Neural Networks - ANN) được ứng dụng để ước lượng từ thông rotor, giúp cải thiện độ chính xác và hiệu quả điều khiển. Mạng nơron được huấn luyện bằng giải thuật lan truyền ngược (backpropagation) với dữ liệu thu thập từ mô phỏng và thực nghiệm.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm các thông số kỹ thuật của động cơ KĐB ba pha rotor lồng sóc, dữ liệu mô phỏng từ phần mềm Matlab Simulink và các kết quả huấn luyện mạng nơron. Cỡ mẫu dữ liệu huấn luyện mạng nơron được thu thập trong các điều kiện tải không đổi và tải thay đổi, với tốc độ và chiều quay đa dạng nhằm đảm bảo tính tổng quát của mô hình.

Phương pháp phân tích bao gồm xây dựng mô hình toán học động cơ trên hệ tọa độ αβ và dq, thiết kế bộ điều khiển FOC với bộ điều khiển PID truyền thống và bộ điều khiển kết hợp mạng nơron để ước lượng từ thông rotor. Quá trình nghiên cứu được thực hiện theo timeline gồm: khảo sát tài liệu, xây dựng mô hình, thiết kế bộ điều khiển, huấn luyện mạng nơron, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả điều khiển FOC truyền thống: Mô phỏng cho thấy phương pháp FOC với bộ điều khiển PID đạt được độ chính xác tốc độ khoảng 95%, mô men ổn định trong điều kiện tải không đổi. Tuy nhiên, khi tải thay đổi hoặc đảo chiều quay, độ ổn định giảm khoảng 10%.

2. Ứng dụng mạng nơron trong ước lượng từ thông rotor: Mạng nơron nhân tạo được huấn luyện thành công với sai số ước lượng từ thông dưới 3%, giúp cải thiện độ chính xác điều khiển. Khi kết hợp mạng nơron với FOC, độ chính xác tốc độ tăng lên khoảng 98%, mô men ổn định hơn 15% so với phương pháp truyền thống.

3. Phản ứng động khi tải thay đổi và đảo chiều quay: Hệ thống điều khiển FOC kết hợp mạng nơron duy trì được mô men ổn định và tốc độ đáp ứng nhanh hơn 20% so với FOC truyền thống, giảm hiện tượng nhấp nhô mô men và dao động tốc độ.

4. Khả năng mô phỏng và thực nghiệm: Kết quả mô phỏng trên Matlab Simulink phù hợp với các kết quả thực tế tại một số địa phương, chứng minh tính khả thi và ứng dụng rộng rãi của phương pháp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cải thiện hiệu suất điều khiển khi sử dụng mạng nơron là do khả năng nhận dạng phi tuyến và ước lượng chính xác từ thông rotor trong điều kiện biến đổi tải và tốc độ. So với các nghiên cứu trước đây chỉ sử dụng bộ điều khiển PID, việc tích hợp mạng nơron giúp giảm sai số ước lượng và tăng độ ổn định hệ thống. Biểu đồ dạng sóng đáp ứng mô men và tốc độ cho thấy rõ sự mượt mà và ít dao động hơn khi sử dụng mạng nơron.

Tuy nhiên, giới hạn của nghiên cứu là chưa áp dụng mạng nơron để ước lượng tốc độ động cơ, điều này mở ra hướng phát triển tiếp theo. Ngoài ra, việc huấn luyện mạng nơron phụ thuộc vào chất lượng và đa dạng dữ liệu, do đó cần mở rộng bộ dữ liệu thực nghiệm để nâng cao độ tin cậy.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai ứng dụng mạng nơron trong ước lượng tốc độ động cơ: Nghiên cứu tiếp tục phát triển mô hình mạng nơron để ước lượng tốc độ, nhằm nâng cao hiệu suất điều khiển toàn diện. Thời gian thực hiện dự kiến trong 12 tháng, do nhóm nghiên cứu chuyên ngành điện và tự động hóa đảm nhiệm.

2. Tối ưu hóa bộ điều khiển PID kết hợp mạng nơron: Áp dụng các thuật toán tối ưu như thuật toán di truyền để điều chỉnh tham số PID, giảm thiểu sai số và tăng độ ổn định. Mục tiêu giảm sai số điều khiển dưới 2% trong vòng 6 tháng.

3. Mở rộng mô hình mô phỏng với các điều kiện vận hành thực tế đa dạng: Bao gồm các chế độ tải thay đổi nhanh, môi trường nhiệt độ khác nhau để đánh giá tính bền vững của hệ thống điều khiển. Thời gian thực hiện 9 tháng, phối hợp với các nhà máy sản xuất.

4. Phát triển phần mềm điều khiển tích hợp cho biến tần công nghiệp: Thiết kế giao diện và thuật toán điều khiển tích hợp mạng nơron để ứng dụng trực tiếp trong các biến tần điều khiển động cơ KĐB. Dự kiến hoàn thành trong 18 tháng, hợp tác với các công ty điện tử công suất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành điện – điện tử: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình toán động cơ KĐB, phương pháp điều khiển FOC và ứng dụng mạng nơron, hỗ trợ học tập và nghiên cứu nâng cao.

2. Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống truyền động công nghiệp: Tài liệu giúp hiểu rõ các thuật toán điều khiển hiện đại, áp dụng trong thiết kế biến tần và hệ thống điều khiển động cơ, nâng cao hiệu suất và độ ổn định.

3. Chuyên gia phát triển phần mềm điều khiển tự động: Cung cấp cơ sở lý thuyết và mô hình mô phỏng chi tiết để phát triển các giải pháp điều khiển thông minh tích hợp mạng nơron nhân tạo.

4. Doanh nghiệp sản xuất và bảo trì thiết bị điện công nghiệp: Tham khảo để cải tiến quy trình vận hành, bảo trì và nâng cấp hệ thống truyền động, giảm thiểu sự cố và tăng tuổi thọ thiết bị.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC) là gì?
   FOC là kỹ thuật điều khiển động cơ KĐB cho phép điều khiển độc lập từ thông và mô men bằng cách phân tích dòng điện stator thành hai thành phần trên hệ tọa độ dq. Ví dụ, FOC giúp điều khiển tốc độ và mô men chính xác như động cơ một chiều kích từ độc lập.

2. Tại sao cần sử dụng mạng nơron trong điều khiển động cơ?
   Mạng nơron có khả năng nhận dạng phi tuyến và ước lượng chính xác các đại lượng khó đo trực tiếp như từ thông rotor, giúp cải thiện hiệu suất điều khiển trong điều kiện tải và tốc độ biến đổi. Ví dụ, mạng nơron giảm sai số ước lượng từ thông xuống dưới 3%.

3. Phương pháp huấn luyện mạng nơron được sử dụng như thế nào?
   Mạng nơron được huấn luyện bằng giải thuật lan truyền ngược (backpropagation) với dữ liệu thu thập từ mô phỏng và thực nghiệm, đảm bảo mô hình phù hợp với đặc tính động cơ. Ví dụ, dữ liệu huấn luyện bao gồm các trường hợp tải không đổi và thay đổi.

4. Ưu điểm của FOC kết hợp mạng nơron so với FOC truyền thống?
   Kết hợp mạng nơron giúp tăng độ chính xác điều khiển tốc độ lên khoảng 3%, giảm dao động mô men và tăng độ ổn định khi tải thay đổi hoặc đảo chiều quay. Ví dụ, mô phỏng cho thấy tốc độ đáp ứng nhanh hơn 20%.

5. Giới hạn của nghiên cứu và hướng phát triển tiếp theo?
   Nghiên cứu chưa áp dụng mạng nơron để ước lượng tốc độ động cơ, đây là hướng phát triển tiếp theo nhằm nâng cao hiệu suất điều khiển toàn diện. Ngoài ra, cần mở rộng dữ liệu huấn luyện để tăng độ tin cậy mô hình.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán động cơ KĐB ba pha và thiết kế bộ điều khiển FOC kết hợp mạng nơron để ước lượng từ thông rotor.
• Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp mới cải thiện đáng kể độ chính xác và ổn định điều khiển so với phương pháp truyền thống.
• Ứng dụng mạng nơron giúp giảm sai số ước lượng từ thông dưới 3%, tăng hiệu suất điều khiển trong các điều kiện tải và tốc độ biến đổi.
• Giới hạn hiện tại là chưa áp dụng mạng nơron để ước lượng tốc độ động cơ, mở ra hướng nghiên cứu tiếp theo.
• Đề xuất phát triển các giải pháp tối ưu hóa bộ điều khiển, mở rộng mô hình mô phỏng và ứng dụng thực tế trong biến tần công nghiệp.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và kỹ sư áp dụng phương pháp điều khiển FOC kết hợp mạng nơron trong thiết kế và vận hành hệ thống truyền động để nâng cao hiệu quả và độ tin cậy.