Luận án Tiến sĩ về Mạng và Hệ thống Điều khiển Động cơ Ba Pha Không Đồng Bộ

Động cơ ba pha không đồng bộ, đặc biệt là động cơ rotor lồng sóc, là một trong những loại động cơ phổ biến nhất trong công nghiệp hiện nay. Với cấu trúc đơn giản và chi phí sản xuất thấp, động cơ này được ưa chuộng nhờ vào khả năng hoạt động ổn định và độ tin cậy cao. Tuy nhiên, do tính phi tuyến của mô hình động cơ, các tham số như điện trở stator và rotor không được xác định trước một cách chính xác và thường thay đổi theo điều kiện làm việc. Điều này tạo ra nhiều thách thức trong việc kiểm soát tốc độ động cơ, đặc biệt khi có sự hiện diện của nhiễu và các yếu tố bất định khác. Việc áp dụng các phương pháp điều khiển thích nghi là cần thiết để nâng cao độ bền vững cho hệ thống. Các phương pháp điều khiển phổ biến bao gồm điều khiển PID, điều khiển trượt (SMC), và điều khiển bằng mạng nơ-ron (ANN), mỗi phương pháp có những ưu nhược điểm riêng. Điều khiển PID yêu cầu các tham số chính xác để tối ưu hóa hiệu suất, trong khi điều khiển trượt giúp tăng cường tính ổn định ngay cả khi có nhiễu.

Hệ thống điều khiển động cơ ba pha không đồng bộ thường sử dụng các phương pháp điều khiển khác nhau để đạt được hiệu suất tối ưu. Điều khiển định hướng vector từ thông là một trong những phương pháp hiệu quả nhất, cho phép điều khiển độc lập từ thông và mô-men. Có hai loại chính của phương pháp này là định hướng vector từ thông rotor (RFOC) và định hướng vector từ thông stator (SFOC). Trong đó, SFOC có ưu điểm là yêu cầu ít tham số hơn, giúp đơn giản hóa quá trình thiết kế bộ điều khiển. Luận án này trình bày một phương pháp mới để thiết kế bộ điều khiển thích nghi bền vững cho động cơ ba pha không đồng bộ, dựa trên nguyên lý SFOC kết hợp với biến tần cascade bảy bậc. Điều này không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu các thành phần hài bậc cao trong dòng điện và điện áp tải.

Một trong những thách thức lớn trong việc sử dụng biến tần đa bậc là sự xuất hiện của điện áp common-mode (CM), gây ra các hiệu ứng không mong muốn và giảm tuổi thọ động cơ. Để giải quyết vấn đề này, luận án đề xuất ba phương pháp điều chế mới nhằm giảm điện áp CM cho biến tần đa bậc: điều chế pha (PM), điều chế dịch chuyển pha (PSK), và điều chế tần số (FM). Các phương pháp này không chỉ giúp giảm thiểu điện áp CM mà còn cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống điều khiển. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc áp dụng các phương pháp này đã mang lại những cải thiện đáng kể trong hiệu suất và độ ổn định của hệ thống, đặc biệt trong các điều kiện tải khác nhau.

Luận án cũng trình bày các phương pháp điều khiển thích nghi và bền vững cho động cơ ba pha không đồng bộ, sử dụng mô hình nội. Việc áp dụng mô hình nội giúp cải thiện tính chính xác trong việc điều khiển và nhận dạng tốc độ động cơ, đồng thời tăng cường khả năng ổn định của hệ thống khi có nhiễu. Ba phương pháp điều khiển trượt mới được đề xuất, bao gồm điều khiển trượt trên cơ sở mạng xuyên tâm, điều khiển trượt trên cơ sở mạch lọc thông thấp, và điều khiển trượt với mô hình ước lượng vận tốc. Những phương pháp này không chỉ giúp giảm dao động quanh mặt trượt mà còn cải thiện khả năng nhận dạng và ổn định hệ thống trong các điều kiện hoạt động khác nhau.

Các kết quả thực nghiệm được thu thập từ card DSP 320F28335 cho thấy rằng hệ thống điều khiển đã hoạt động ổn định và hiệu quả khi áp dụng các phương pháp điều khiển đề xuất. Kết quả mô phỏng trên matlab/simulink cho thấy rằng tốc độ động cơ có thể bám theo giá trị đặt từ 3 rad/s đến 150 rad/s, và hệ thống vẫn duy trì tính bền vững khi tăng điện trở stator và rotor lên đến 1.5 lần cùng với sự hiện diện của nhiễu. Những kết quả này chứng minh rằng các phương pháp điều khiển thích nghi và bền vững không chỉ lý thuyết mà còn có giá trị thực tiễn cao trong ứng dụng công nghiệp.