Tổng quan nghiên cứu

Động cơ không đồng bộ ba pha hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và đời sống nhờ các ưu điểm như cấu tạo đơn giản, độ bền cao, vận hành tin cậy, chi phí bảo trì thấp và hiệu suất làm việc cao. Theo ước tính, động cơ không đồng bộ chiếm tỷ lệ lớn trong tổng số động cơ điện sử dụng trong công nghiệp, đặc biệt trong các hệ thống truyền động tự động. Tuy nhiên, việc điều khiển động cơ không đồng bộ vẫn là một thách thức lớn do đặc tính phi tuyến và phức tạp của nó. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích, mô phỏng và xây dựng mô hình thực nghiệm các phương pháp điều khiển Field Oriented Control (FOC) và Direct Torque Control (DTC) cho động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng biến tần đa bậc dạng nghịch lưu chứa diode kẹp (NPC).

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc, sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng và xây dựng mô hình thực nghiệm biến tần đa bậc ba pha dạng NPC. Thời gian nghiên cứu chủ yếu trong giai đoạn 2014-2016 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh và các cơ sở thực nghiệm liên quan. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao hiệu quả điều khiển, tăng độ chính xác và ổn định của động cơ trong các ứng dụng công nghiệp, góp phần phát triển công nghệ điều khiển động cơ điện hiện đại tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính trong điều khiển động cơ không đồng bộ:

  1. Lý thuyết điều khiển định hướng từ trường (Field Oriented Control - FOC): Phương pháp này điều khiển dòng điện stator theo hệ tọa độ quay đồng bộ với từ thông rotor, giúp tách biệt điều khiển từ thông và moment, từ đó đạt được điều khiển chính xác và đáp ứng nhanh. Các khái niệm chính bao gồm vector không gian, chuyển đổi tọa độ αβ-dq, mô hình động cơ trên hệ tọa độ từ thông rotor, và các khối chức năng như khối RFOC, khối mạch kích, khối nghịch lưu ba pha ba bậc NPC.

  2. Lý thuyết điều khiển trực tiếp moment (Direct Torque Control - DTC): Phương pháp này điều khiển moment và từ thông trực tiếp thông qua việc lựa chọn trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu dựa trên các bộ so sánh moment và từ thông. Các khái niệm chính bao gồm ước lượng từ thông stator, bộ so sánh moment, bộ xác định góc sector, và bộ đóng cắt điện áp trong bộ nghịch lưu.

Ngoài ra, luận văn còn nghiên cứu về biến tần đa bậc dạng NPC với cấu trúc mạch nguồn ba pha ba bậc, kỹ thuật điều chế độ rộng xung (SPWM, MSPWM) và điều khiển vector không gian nhằm giảm tổn hao và tăng hiệu suất điều khiển.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các tài liệu chuyên ngành, các nghiên cứu trước đây về điều khiển động cơ không đồng bộ, biến tần đa bậc và các thuật toán điều khiển FOC, DTC. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp, phân tích các mô hình toán học động cơ không đồng bộ ba pha, biến tần đa bậc và các thuật toán điều khiển FOC, DTC.

  • Mô phỏng trên Matlab/Simulink: Xây dựng mô hình động cơ và biến tần đa bậc, mô phỏng các thuật toán điều khiển FOC và DTC để đánh giá hiệu quả điều khiển qua các tham số từ thông, moment và tốc độ.

  • Xây dựng mô hình thực nghiệm: Thiết kế mạch nguồn ba pha dạng NPC ba bậc, sử dụng kit vi xử lý DSP TMS320F28335 để thực hiện điều khiển, đo đạc và kiểm chứng kết quả mô phỏng.

Cỡ mẫu nghiên cứu là một mô hình động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc với các tham số kỹ thuật cụ thể được xác định trong mô phỏng. Phương pháp chọn mẫu là mô hình đại diện cho động cơ phổ biến trong công nghiệp. Phân tích dữ liệu dựa trên so sánh các đặc tính động cơ như từ thông, moment và tốc độ giữa hai phương pháp điều khiển FOC và DTC. Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 2 năm, từ việc nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng đến xây dựng và thử nghiệm mô hình thực nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả điều khiển từ thông: Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp FOC với biến tần đa bậc NPC đạt được đáp ứng từ thông ổn định và chính xác, với đường đặc tuyến từ thông gần như trùng khớp với giá trị mong muốn (đường thẳng màu xanh). Đáp ứng từ thông đạt ổn định trong khoảng thời gian ngắn, thể hiện qua biểu đồ mô phỏng.

  2. Đáp ứng moment quay: Phương pháp FOC cho moment quay ổn định, đáp ứng nhanh và chính xác với moment mong muốn. So với DTC, FOC có độ nhấp nhô moment thấp hơn, giảm rung động cơ và tăng tuổi thọ thiết bị.

  3. Tốc độ động cơ: Cả hai phương pháp FOC và DTC đều điều khiển tốc độ động cơ hiệu quả, tuy nhiên FOC thể hiện khả năng điều chỉnh tốc độ mượt mà hơn, giảm thiểu dao động và tăng độ chính xác trong điều khiển tốc độ.

  4. So sánh tổn hao và hiệu suất: Biến tần đa bậc NPC giúp giảm tổn hao điện áp trên linh kiện, giảm dv/dt và tần số đóng ngắt, từ đó tăng hiệu suất điều khiển và giảm nhiệt độ hoạt động của thiết bị. Phương pháp MSPWM cải thiện phạm vi điều khiển tuyến tính lên đến 0.907 so với SPWM chỉ đạt 0.785, giúp tăng hiệu quả điều khiển.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các kết quả trên xuất phát từ việc FOC tách biệt điều khiển từ thông và moment, cho phép điều chỉnh chính xác từng thành phần dòng điện stator trên hệ tọa độ dq. Điều này giúp giảm sai số và tăng độ ổn định trong quá trình vận hành. DTC mặc dù có ưu điểm về tốc độ đáp ứng nhanh nhưng dễ gây ra dao động moment và từ thông lớn hơn do điều khiển trực tiếp dựa trên bộ so sánh.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả mô phỏng và thực nghiệm của luận văn phù hợp với xu hướng phát triển điều khiển động cơ không đồng bộ hiện đại, đồng thời nâng cao hiệu quả nhờ ứng dụng biến tần đa bậc NPC và kỹ thuật điều chế MSPWM. Việc xây dựng mô hình thực nghiệm với kit DSP TMS320F28335 cũng chứng minh tính khả thi và ứng dụng thực tế của phương pháp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đáp ứng từ thông, moment và tốc độ theo thời gian, bảng so sánh các tham số kỹ thuật giữa FOC và DTC, cũng như biểu đồ sóng điện áp và dòng điện trên tải động cơ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai rộng rãi phương pháp FOC với biến tần đa bậc NPC: Động cơ không đồng bộ trong các hệ thống công nghiệp nên áp dụng phương pháp này để nâng cao hiệu suất và độ ổn định, giảm tổn hao năng lượng. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm, chủ thể là các doanh nghiệp sản xuất và nhà máy công nghiệp.

  2. Nâng cấp hệ thống điều khiển bằng DSP hiện đại: Sử dụng các bộ vi xử lý như TMS320F28335 để thực hiện thuật toán điều khiển phức tạp, tăng khả năng xử lý và giảm độ trễ trong điều khiển. Chủ thể là các đơn vị nghiên cứu và phát triển thiết bị điện.

  3. Đào tạo kỹ thuật viên và kỹ sư vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về điều khiển FOC, DTC và biến tần đa bậc nhằm nâng cao năng lực vận hành và bảo trì hệ thống. Thời gian đào tạo 6-12 tháng, chủ thể là các trung tâm đào tạo kỹ thuật và các trường đại học.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng điều khiển đa bậc cho các loại động cơ khác: Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục phát triển các thuật toán điều khiển cho động cơ đồng bộ, động cơ servo nhằm đa dạng hóa ứng dụng và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng. Chủ thể là các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên gia điều khiển tự động: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về các thuật toán điều khiển FOC và DTC, giúp họ áp dụng hiệu quả trong thiết kế và vận hành hệ thống truyền động.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Tài liệu chi tiết về mô hình toán học, phương pháp mô phỏng và xây dựng mô hình thực nghiệm là nguồn tham khảo quý giá cho các đề tài nghiên cứu và luận văn.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện và biến tần: Các công ty có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến sản phẩm, nâng cao chất lượng và hiệu suất thiết bị.

  4. Trung tâm đào tạo và giảng dạy kỹ thuật: Luận văn là tài liệu tham khảo hữu ích để xây dựng giáo trình, bài giảng về điều khiển động cơ điện và biến tần đa bậc.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp FOC và DTC khác nhau như thế nào?
    FOC điều khiển dòng điện stator theo hệ tọa độ quay đồng bộ với rotor, tách biệt điều khiển từ thông và moment, giúp điều khiển chính xác và mượt mà. DTC điều khiển moment và từ thông trực tiếp qua bộ so sánh, đáp ứng nhanh nhưng dễ gây dao động moment.

  2. Biến tần đa bậc NPC có ưu điểm gì so với biến tần hai bậc?
    Biến tần đa bậc NPC giảm tổn hao điện áp trên linh kiện, giảm dv/dt và tần số đóng ngắt, từ đó tăng hiệu suất, giảm nhiệt độ và kéo dài tuổi thọ thiết bị.

  3. Tại sao sử dụng kỹ thuật MSPWM thay vì SPWM?
    MSPWM mở rộng phạm vi điều khiển tuyến tính lên đến 0.907 so với 0.785 của SPWM, giúp giảm sóng hài và tăng hiệu quả điều khiển điện áp tải.

  4. Mô hình thực nghiệm sử dụng thiết bị gì?
    Mô hình thực nghiệm sử dụng kit vi xử lý DSP TMS320F28335, mạch nguồn ba pha ba bậc dạng NPC và các cảm biến dòng, áp để đo đạc và điều khiển.

  5. Ứng dụng thực tế của nghiên cứu này là gì?
    Nghiên cứu giúp nâng cao hiệu quả điều khiển động cơ không đồng bộ trong các hệ thống truyền động công nghiệp, robot, máy móc tự động, góp phần tiết kiệm năng lượng và tăng độ bền thiết bị.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học và mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc bằng phương pháp FOC và DTC với biến tần đa bậc NPC.
  • Phương pháp FOC cho hiệu quả điều khiển vượt trội về độ ổn định từ thông, moment và tốc độ so với DTC.
  • Mô hình thực nghiệm với kit DSP TMS320F28335 chứng minh tính khả thi và ứng dụng thực tế của phương pháp điều khiển đề xuất.
  • Kỹ thuật điều chế MSPWM mở rộng phạm vi điều khiển tuyến tính và giảm sóng hài, nâng cao hiệu suất hệ thống.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng rộng rãi, đào tạo nhân lực và nghiên cứu mở rộng nhằm phát triển công nghệ điều khiển động cơ điện hiện đại tại Việt Nam.

Tiếp theo, cần tiến hành thử nghiệm thực tế trên các hệ thống công nghiệp quy mô lớn và phát triển các thuật toán điều khiển thích nghi nhằm nâng cao tính linh hoạt và hiệu quả. Mời các nhà nghiên cứu, kỹ sư và doanh nghiệp quan tâm liên hệ để hợp tác phát triển ứng dụng công nghệ này.