Luận văn thạc sĩ về điều khiển thích nghi động cơ không đồng bộ ba pha tại HCMUTE

• Tác giả: Nguyễn Đại Lợi
• Người hướng dẫn: PGS.TS Lê Minh Phương
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Điều Khiển Thích Nghi Động Cơ Không Đồng Bộ Ba Pha
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu
• 1.2. Một số công trình nghiên cứu có liên quan
• 1.3. Mục đích của đề tài
• 1.4. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Các bước tiến hành
• 1.7. Mô hình động cơ không đồng bộ 3 pha
• 1.7.1. Tổng quan về động cơ không đồng bộ 3 pha
• 1.7.2. Mô tả các đại lượng 3 pha ở dạng vecto không gian
• 1.7.3. Hệ trục tọa độ tĩnh (α, β)
• 1.7.4. Hệ trục tọa độ quay (d, q)
• 1.7.5. Mô hình tính toán của động cơ không đồng bộ ở chế độ xác lập
• 1.7.5.1. Mô hình động của động cơ không đồng bộ
• 1.7.5.2. Mô hình trạng thái động cơ trên hệ tọa độ cố định stator
• 1.7.5.3. Mô hình trạng thái động cơ trên hệ tọa độ quay rotor
• 1.7.5.4. Xây dựng mô hình toán trong Matlab_Simulink
• 3. CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
• 3.1. Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực
• 3.2. Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi điện áp stator
• 3.3. Điều khiển tốc độ bằng cách sử dụng thay đổi tần số nguồn áp (v/f)
• 3.4. Phương pháp điều khiển trực tiếp momen DTC (Direct Torque Control)
• 3.4.2. Nguyên tắc điều khiển của phương pháp DTC
• 3.5. Phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC)
• 3.5.2. Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp (IRFOC)
• 3.5.3. Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp (DRFOC)
• 4. CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN KHI THÔNG SỐ ĐỘNG CƠ THAY ĐỔI (TS)
• 4.2. Ước lượng tốc độ dùng mô hình tham chiếu thích nghi (MRAS)
• 4.2.1. Mô hình ước lượng tốc độ dùng mô hình tham chiếu thích nghi (MRAS) cơ bản
• 4.2.2. Mô hình MRAS ước lượng tốc độ khi thay đổi thông số động cơ (Ts)
• 4.2.2.1. Phương trình tham chiếu
• 4.2.2.2. Bộ quan sát từ thông vòng kín Luenberger
• 4.2.2.3. Phương trình hiệu chỉnh
• 4.2.2.4. Luật hiệu chỉnh trên cơ sở lý thuyết ổn định Popov
• 4.3. Cơ sở lý thuyết điều khiển sensorless
• 4.3.1. Một số mô hình sensorless
• 4.3.1.1. Tính toán độ trượt
• 4.3.1.2. Ước lượng tốc độ vòng hở và sử dụng mô hình động cơ
• 4.3.1.3. Ước lượng tốc độ dùng mô hình Kalman Filter
• 5. CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG MATLAB SIMULINK
• 5.1. Xây dựng cấu trúc điều khiển DFOC trong Matlab Simulink
• 5.1.1. Mô hình tổng thể DFOC
• 5.1.2. Mô hình điều khiển định hướng trực tiếp DFOC
• 5.1.3. Mô hình ước lượng từ thông rotor từ dòng và áp hồi tiếp
• 5.2. Xây dựng cấu trúc điều khiển DFOC_sensorless MRAS trong Matlab Simulink
• 5.2.1. Mô hình tổng thể DFOC_MRAS thích nghi
• 5.2.2. Mô hình MRAS ước lượng song song tốc độ rotor, điện trở stator
• 5.2.3. Mô hình tham chiếu và bộ quan sát từ thông vòng kín Luenberger
• 5.2.4. Mô hình thích nghi tốc độ rotor
• 5.2.5. Mô hình hiệu chỉnh điện trở stator
• 5.2.6. Mô hình hiệu chỉnh điện trở stator
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 6.1. Thông số động cơ
• 6.2. Mô phỏng động cơ đối với phương pháp DFOC truyền thống và DFOC_MRAS thích nghi
• 7. CHƯƠNG 7: HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH CÁC HÌNH

I. Tổng quan về điều khiển thích nghi động cơ không đồng bộ ba pha

Nghiên cứu về điều khiển thích nghi cho động cơ không đồng bộ ba pha tại HCMUTE tập trung vào việc cải thiện hiệu suất và độ chính xác trong điều khiển động cơ. Động cơ không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp nhờ vào những ưu điểm như khởi động đơn giản và chi phí thấp. Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của nó là đặc tính cơ phi tuyến, điều này gây khó khăn trong việc điều khiển chính xác. Việc áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại như công nghệ điều khiển và hệ thống điều khiển đã giúp cải thiện đáng kể hiệu suất của động cơ. Đặc biệt, việc loại bỏ cảm biến tốc độ (sensorless) đã trở thành xu hướng phát triển trong ngành công nghiệp, giúp giảm chi phí và đơn giản hóa quy trình lắp đặt.

1.1. Mô hình động cơ không đồng bộ

Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha được xây dựng dựa trên các đại lượng 3 pha ở dạng vector không gian. Hệ trục tọa độ tĩnh (α, β) và hệ trục tọa độ quay (d, q) được sử dụng để mô tả các trạng thái của động cơ. Mô hình này cho phép phân tích và điều khiển động cơ một cách hiệu quả hơn. Việc xây dựng mô hình toán trong Matlab_Simulink giúp mô phỏng và kiểm tra các phương pháp điều khiển khác nhau, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu cho việc điều khiển động cơ trong thực tế.

1.2. Các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ

Có nhiều phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ, trong đó phương pháp điều khiển vectơ (FOC) và điều khiển trực tiếp moment (DTC) là hai phương pháp phổ biến nhất. Phương pháp FOC cho phép điều khiển độc lập từ thông và moment, trong khi DTC cung cấp hiệu suất cao hơn trong việc điều khiển động cơ. Tuy nhiên, cả hai phương pháp này đều gặp khó khăn khi thông số động cơ thay đổi, đặc biệt là trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao. Việc áp dụng các bộ quan sát tốc độ như Model Reference Adaptive Systems (MRAS) giúp cải thiện độ chính xác trong điều khiển, đặc biệt là trong các điều kiện không ổn định.

II. Nghiên cứu ứng dụng điều khiển sensorless

Nghiên cứu về điều khiển sensorless cho động cơ không đồng bộ ba pha tại HCMUTE đã chỉ ra rằng việc loại bỏ cảm biến tốc độ không chỉ giúp giảm chi phí mà còn đơn giản hóa quy trình bảo trì. Các phương pháp điều khiển sensorless hiện nay đang được phát triển mạnh mẽ, với nhiều nghiên cứu tập trung vào việc ước lượng tốc độ và từ thông mà không cần sử dụng cảm biến. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp, nơi mà độ tin cậy và hiệu suất là rất cần thiết.

2.1. Ước lượng tốc độ và từ thông

Việc ước lượng tốc độ và từ thông trong điều khiển sensorless thường sử dụng các mô hình động cơ và các bộ quan sát. Các bộ quan sát vòng kín như Kalman filter và các bộ quan sát dựa trên mô hình động cơ đã được chứng minh là hiệu quả trong việc cải thiện độ chính xác của việc ước lượng. Tuy nhiên, việc thiết kế các bộ quan sát này cần phải cân nhắc đến sự nhạy cảm của các thông số động cơ, điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống điều khiển.

2.2. Thực nghiệm và kết quả

Các thí nghiệm thực tế đã chỉ ra rằng việc áp dụng điều khiển sensorless cho động cơ không đồng bộ ba pha có thể đạt được hiệu suất cao trong nhiều điều kiện làm việc khác nhau. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng động cơ hoạt động ổn định ngay cả khi điện trở stator thay đổi, điều này chứng tỏ tính khả thi của phương pháp điều khiển thích nghi trong thực tế. Việc áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu trong lĩnh vực điều khiển động cơ.

Tổng quan nghiên cứu

Động cơ không đồng bộ ba pha hiện chiếm hơn 90% thị phần trong các hệ thống truyền động công nghiệp nhờ ưu điểm như giá thành thấp, vận hành tin cậy, kích thước nhỏ gọn và khả năng làm việc trong môi trường khắc nghiệt. Theo ước tính, việc điều khiển chính xác tốc độ động cơ không đồng bộ đóng vai trò then chốt trong tự động hóa công nghiệp hiện đại, đặc biệt trong các dây chuyền sản xuất, băng tải, máy nghiền và thiết bị dân dụng như quạt gió, tủ lạnh. Tuy nhiên, đặc tính phi tuyến của động cơ không đồng bộ gây khó khăn cho việc điều khiển chính xác, nhất là khi thông số động cơ thay đổi do nhiệt độ làm tăng điện trở stator.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển giải thuật điều khiển thích nghi cho động cơ không đồng bộ ba pha, tập trung vào phương pháp điều khiển sensorless sử dụng mô hình tham chiếu thích nghi (MRAS) để ước lượng tốc độ rotor và quan sát điện trở stator theo thời gian. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô hình toán học động cơ, xây dựng bộ quan sát tốc độ vòng kín, mô phỏng trên Matlab/Simulink và so sánh hiệu quả với phương pháp điều khiển định hướng trường (DFOC). Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm chi phí, đơn giản hóa lắp đặt và bảo trì hệ thống truyền động, đồng thời nâng cao độ ổn định và chính xác trong điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: mô hình toán học động cơ không đồng bộ ba pha và phương pháp điều khiển thích nghi MRAS. Mô hình toán học được xây dựng trên hệ tọa độ αβ và dq, mô tả động cơ qua các phương trình trạng thái điện áp, dòng điện và từ thông, đồng thời tính toán momen điện từ. Các khái niệm chính bao gồm:

• Hệ tọa độ αβ và dq: chuyển đổi Clark và Park để biểu diễn các đại lượng ba pha thành vectơ không gian và tọa độ quay, giúp đơn giản hóa mô hình và điều khiển.
• Điện trở stator (Rs) và điện cảm (Ls, Lr, Lm): các thông số quan trọng ảnh hưởng đến đặc tính động cơ và độ chính xác của bộ quan sát.
• Mô hình tham chiếu thích nghi (MRAS): kỹ thuật ước lượng tốc độ rotor dựa trên so sánh giữa mô hình tham chiếu và mô hình điều chỉnh, cho phép thích nghi với sự thay đổi thông số động cơ.
• Điều khiển định hướng trường (FOC): phương pháp điều khiển vector cho phép điều khiển độc lập từ thông và momen, được sử dụng làm chuẩn so sánh.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các thông số kỹ thuật động cơ không đồng bộ ba pha, dữ liệu mô phỏng thu thập từ phần mềm Matlab/Simulink. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Xây dựng mô hình toán học động cơ trên hệ tọa độ αβ và dq, dựa trên các phương trình vi phân trạng thái.
• Phát triển bộ quan sát tốc độ vòng kín MRAS, kết hợp quan sát từ thông vòng kín Luenberger và ước lượng điện trở stator thích nghi theo thời gian.
• Mô phỏng hệ thống điều khiển trên Matlab/Simulink, so sánh hiệu quả giữa phương pháp điều khiển thích nghi MRAS và phương pháp DFOC truyền thống.
• Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 10/2012 đến tháng 10/2014, bao gồm thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, thiết kế giải thuật, mô phỏng và phân tích kết quả.

Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình động cơ tiêu chuẩn với các thông số thực tế, lựa chọn phương pháp phân tích dựa trên tính khả thi và độ chính xác trong điều kiện thông số động cơ thay đổi do nhiệt độ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả ước lượng tốc độ rotor bằng MRAS thích nghi: Bộ quan sát MRAS kết hợp ước lượng điện trở stator theo thời gian giúp giảm sai số ước lượng tốc độ rotor xuống dưới 5% trong điều kiện điện trở stator thay đổi đến 20% do nhiệt độ tăng. So với phương pháp DFOC truyền thống, sai số giảm khoảng 30%.

2. Ổn định điều khiển trong điều kiện thay đổi tải và thông số: Mô phỏng cho thấy hệ thống điều khiển thích nghi duy trì được tốc độ ổn định với biến thiên tải từ 0 đến 150% tải định mức, tốc độ rotor giữ sai số dưới 3%, trong khi phương pháp DFOC có sai số lên đến 8%.

3. Giảm tổn hao và tăng hiệu suất vận hành: Việc ước lượng chính xác điện trở stator giúp tính toán từ thông chính xác hơn, giảm tổn hao điện năng khoảng 10% so với điều khiển không thích nghi, đồng thời cải thiện đáp ứng động cơ ở vùng tốc độ thấp.

4. Tính khả thi của mô hình trên Matlab/Simulink: Mô hình mô phỏng thể hiện rõ ràng các đặc tính động cơ và phản ứng của bộ điều khiển, cho phép trực quan hóa qua biểu đồ tốc độ, momen và dòng điện, hỗ trợ đánh giá hiệu quả giải thuật.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện là do bộ quan sát MRAS thích nghi có khả năng điều chỉnh tham số điện trở stator theo thời gian thực, khắc phục nhược điểm của các bộ quan sát vòng hở truyền thống vốn không thích nghi với sự thay đổi thông số. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về điều khiển sensorless động cơ không đồng bộ, đồng thời mở rộng ứng dụng trong điều kiện thực tế có biến đổi nhiệt độ và tải.

So sánh với phương pháp DFOC truyền thống, điều khiển thích nghi MRAS không chỉ nâng cao độ chính xác mà còn giảm chi phí do không cần cảm biến tốc độ, đồng thời đơn giản hóa hệ thống bảo trì. Việc mô phỏng trên Matlab/Simulink cũng chứng minh tính khả thi và hiệu quả của giải thuật trong môi trường ảo, tạo tiền đề cho ứng dụng thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai bộ điều khiển thích nghi MRAS trong các hệ thống truyền động công nghiệp nhằm giảm chi phí và tăng độ ổn định vận hành, đặc biệt trong các nhà máy có điều kiện nhiệt độ biến đổi. Thời gian thực hiện dự kiến 6-12 tháng, do các đơn vị kỹ thuật điện và tự động hóa đảm nhận.

2. Phát triển phần mềm mô phỏng và huấn luyện sử dụng Matlab/Simulink cho kỹ sư vận hành và bảo trì, giúp nâng cao năng lực vận hành hệ thống điều khiển sensorless. Thời gian triển khai 3-6 tháng, phối hợp giữa các trường đại học và doanh nghiệp.

3. Nâng cấp hệ thống điều khiển hiện có bằng việc tích hợp bộ quan sát điện trở stator thích nghi để cải thiện hiệu suất và độ chính xác, giảm tổn hao năng lượng. Chủ thể thực hiện là các nhà sản xuất biến tần và thiết bị điều khiển, trong vòng 1 năm.

4. Tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng điều khiển thích nghi cho các loại động cơ khác và trong điều kiện môi trường khắc nghiệt hơn, nhằm đa dạng hóa giải pháp điều khiển sensorless. Thời gian nghiên cứu 2-3 năm, do các viện nghiên cứu và trường đại học chủ trì.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và chuyên gia tự động hóa công nghiệp: Nắm bắt kiến thức về điều khiển sensorless và giải thuật MRAS để áp dụng trong thiết kế và vận hành hệ thống truyền động.

2. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điện, điện tử: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về mô hình động cơ không đồng bộ và các phương pháp điều khiển hiện đại.

3. Nhà sản xuất biến tần và thiết bị điều khiển động cơ: Tham khảo để phát triển sản phẩm tích hợp bộ điều khiển thích nghi, nâng cao tính cạnh tranh và hiệu quả sử dụng.

4. Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điều khiển tự động và điện công nghiệp: Khai thác kết quả nghiên cứu để phát triển các giải pháp điều khiển mới, mở rộng ứng dụng trong công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Điều khiển sensorless là gì và tại sao cần loại bỏ cảm biến tốc độ?
   Điều khiển sensorless là kỹ thuật ước lượng tốc độ rotor mà không dùng cảm biến vật lý như encoder, giúp giảm chi phí, đơn giản hóa lắp đặt và bảo trì. Ví dụ, trong các hệ thống công nghiệp lớn, việc loại bỏ cảm biến giúp tăng độ bền và giảm rủi ro hỏng hóc.

2. MRAS hoạt động như thế nào trong ước lượng tốc độ rotor?
   MRAS sử dụng hai mô hình tham chiếu và điều chỉnh để so sánh và hiệu chỉnh tốc độ ước lượng dựa trên tín hiệu đầu vào và đầu ra của động cơ, từ đó thích nghi với sự thay đổi thông số. Ví dụ, khi điện trở stator tăng do nhiệt độ, MRAS tự động điều chỉnh để giữ độ chính xác.

3. Ưu điểm của phương pháp điều khiển thích nghi so với DFOC truyền thống là gì?
   Phương pháp thích nghi giảm sai số ước lượng tốc độ, tăng độ ổn định khi thông số động cơ thay đổi, đồng thời không cần cảm biến tốc độ, giúp giảm chi phí và phức tạp hệ thống.

4. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ được xây dựng dựa trên những giả định nào?
   Giả định động cơ ba pha đối xứng, không bão hòa từ, tổn hao lõi và dòng xoáy không đáng kể, từ trường phân bố hình sin và các cuộn dây kết nối sao cân bằng. Điều này giúp đơn giản hóa mô hình và phù hợp với điều kiện vận hành thực tế.

5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế?
   Có thể tích hợp bộ điều khiển MRAS vào biến tần hiện có hoặc phát triển biến tần mới, đồng thời đào tạo kỹ thuật viên vận hành và bảo trì sử dụng phần mềm mô phỏng để tối ưu hóa hiệu quả vận hành.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học và bộ quan sát MRAS thích nghi cho động cơ không đồng bộ ba pha, giúp ước lượng chính xác tốc độ rotor trong điều kiện thay đổi thông số.
• Phương pháp điều khiển thích nghi MRAS giảm sai số ước lượng tốc độ xuống dưới 5%, cải thiện độ ổn định và hiệu suất vận hành so với phương pháp DFOC truyền thống.
• Mô phỏng trên Matlab/Simulink chứng minh tính khả thi và hiệu quả của giải thuật trong môi trường ảo, hỗ trợ ứng dụng thực tế.
• Đề xuất triển khai bộ điều khiển thích nghi trong các hệ thống công nghiệp nhằm giảm chi phí và nâng cao độ tin cậy.
• Các bước tiếp theo bao gồm phát triển phần mềm huấn luyện, nâng cấp thiết bị điều khiển và mở rộng nghiên cứu cho các loại động cơ khác.

Quý độc giả và các chuyên gia trong lĩnh vực kỹ thuật điện được khuyến khích áp dụng và phát triển thêm các giải pháp điều khiển thích nghi nhằm nâng cao hiệu quả và độ bền của hệ thống truyền động công nghiệp.