Đặt vấn đề Năm 1889, Dolivo-Dobrovolsky phát minh ra động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc và năm 1900 đưa vào sử dụng trong công nghiệp [11]. Đây là động cơ mang nhiều ưu điểm: khởi động dễ dàng, giá thành thấp, vận hành êm, chi phí vận hành và bảo trì thấp, …. Bên cạnh đó lại có nhược điểm khó điều chỉnh tốc độ, đặc tính mở máy không tốt, tính phi tuyến mạnh, … Nhờ sự phát triển của linh kiện bán dẫn và kỹ thuật điều khiển trong thời gian gần đây, động cơ không đồng bộ được khai thác các ưu điểm, đưa lên vị trí hàng đầu về số lượng sử dụng trong công nghiệp và đời sống [1] [2] [3] [4].1: Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc Trang 6 Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ Thay đổi 𝑈𝑠 Thay đổi p Thay đổi f Bộ điều MBA Bộ điều chỉnh Dùng máy Dùng chỉnh xung tự ngẫu Thyristor phát điện van Trực tiếp Gián tiếp Nguồn dòng Nguồn áp Điều khiển vector không gian Điều khiển tần Điều khiển vô hướng số trượt Điều khiển Tựa hướng Tự chỉnh Điều khiển vector từ thông tự nhiên trực tiếp moment trực tiếp Từ thông Rotor Từ thông Stator Từ thông khe hở không khí Trực tiếp Gián tiếp Kalman Luenberger Mô hình Hình 1.2: Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc. Trang 7 Về cơ bản kỹ thuật điều khiển đóng cắt mạch công suất bằng van bán dẫn nguồn áp trong bộ nghịch lưu cho động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc theo phương pháp điều khiển tần số có ba loại: điều khiển vô hướng, điều khiển tần số trượt và điều khiển vector không gian.
Trong ba phương pháp điều khiển này thì điều khiển vector không gian được sử dụng trong những trường hợp đòi hỏi yêu cầu chất lượng cao. Trong nhiều tài liệu công bố, các nguyên lý điều khiển vector khác (hình 1.2), nổi bật như tựa hướng trường tự nhiên, tự chỉnh trực tiếp và điều khiển momen trực tiếp nhưng phương pháp điều khiển tựa theo từ thông (FOC: Field Oriented Control) là đạt được tỷ trọng đáng kể trong các sản phẩm thương mại [1].2 Tổng quan về nguyên lý RFOC Phương pháp tựa theo từ thông rotor (RFOC: Rotor Flux Oriented Control) cùng các khái niệm tựa theo từ thông stator (SFO: Stator Flux Oriented), tựa hướng trường tự nhiên (NFO: Natural Field Orientation), tự chỉnh trực tiếp (DSC: Direct Seft-Control) hoặc điều khiển momen trực tiếp (DTC: Direct Torque Control) là các phương pháp thuộc lớp các phương pháp điều khiển vector. Tuy nhiên bên cạnh DTC được cài đặt trên thiết bị họ ACS của tập đoàn ABB với tỷ trọng thị trường nhỏ, thì duy nhất phương pháp RFOC đã minh chứng được tính khả thi trong thực tiễn kỹ thuật và đạt được tỷ trọng đáng kể trong các thiết bị thương mại [1]. Phương pháp RFOC thay thế vector điện áp ba pha thành một vector quay trong không gian, cho phép điều khiển độc lập từ thông và momen, được phát triển từ năm 1968 bởi Darmstadt's K.
Hasse nghiên cứu về điều khiển vector từ thông trực tiếp và Siemens' F. Blaschke nghiên cứu về điều khiển vector từ thông gián tiếp và được Braunschweig's Werner Leonhard thương mại hóa vào đầu những năm 1980 [12] [13]. Trong đó, phương pháp điều khiển từ thông gián tiếp thường được sử dụng do không sử dụng cảm biến từ thông nên giảm kích thước động cơ, giá thành giảm, giảm tiêu thụ điện năng, hiệu suất tốt hơn, … [14]. Phương pháp RFOC thiết lập hệ tọa độ mới dq dựa trên mặt cắt ngang động cơ không đồng bộ biểu diễn các đại lượng dòng, áp và từ thông dưới dạng các vector phức; với trục thực d trùng với trục của vector từ thông rotor như hình Trang 8 1.
Từ thông là đại lượng biến thiên chậm nên có thể coi là hằng trong phạm vi chu kỳ trích mẫu của vòng điều khiển dòng làm cho quan hệ giữa dòng stator, từ thông rotor và momen quay thành quan hệ tuyến tính.3: Biễu diễn trên hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor [1]. Lúc này trên hệ tọa độ , hai thành phần dòng stator: - Dòng stator trên trục d là và từ thông rotor có quan hệ quán tính bậc nhất với hằng số thời gian. Nếu thành công trong việc áp đặt nhanh và chính dòng , có thể coi là đại lượng điều khiển từ thông, giống như dòng kích từ của động cơ một chiều kích từ độc lập [1]: ( ) (1.1) - Nếu = const, momen có thể được điều khiển thông qua , tương ứng với dòng phần ứng của động cơ một chiều kích từ độc lập [1]: (1.2) Trong đó: : Hình chiếu của vector từ thông rotor trên trục. , : Hình chiếu của vector dòng điện stator trên hai trục và.
, : Điện cảm rotor, hỗ cảm giữa stator và rotor. : Momen quay của động cơ. Trang 9 s: Toán tử Laplace. : Hằng số thời gian rotor.
: Số đôi cực của động cơ. Cấu trúc phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor có dạng: sin𝜗𝑠 cos𝜗𝑠 sin𝜗𝑠 cos𝜗𝑠 𝑖𝑠𝑑 𝑖𝑠𝛼 𝑖𝑠𝑢 𝑖𝑠𝑢 𝑖𝑠 𝑖𝑠𝑑 Mô hình 𝑑𝑞 𝑢𝑣𝑤 𝑖𝑠𝑣 𝑖𝑠𝑣 động cơ trên hệ 𝑖𝑠𝑞 𝑖𝑠𝛽 𝑖𝑠𝑤 𝑖𝑠𝑤 𝑖𝑠 𝑑𝑞 𝑖𝑠𝑞 𝑢𝑣𝑤 dq Biến đổi ngược Biến đổi thuận Biến tần Hình 1.4: Cấu trúc phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor. Từ ý tưởng trên, việc điều khiển thành công hai thành phần dòng “bảo đảm nhanh, chính xác và không tương tác” (giữa quá trình từ hóa và quá trình tạo momen quay, bảo đảm tách kênh giữa hai trục d và q) [1] trở thành yêu cầu then chốt khi thiết kế vòng điều khiển trong cùng của hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha. Theo [1] cấu trúc điều khiển tựa theo từ thông rotor kinh điển của một hệ truyền động dùng động cơ không đồng bộ nuôi bởi nghịch lưu nguồn áp như hình 1.5: khối nghịch lưu (1): bao gồm hệ thống các van bán dẫn đóng ngắt theo các tín hiệu điều khiển là thời gian đóng ngắt tu, tv, tw; khâu điều chế vector không gian (2): chuyển các điện áp us, us sang thời gian đóng ngắt van tu, tv, tw; các khâu chuyển tọa độ (3): isu, isv, isw chuyển thành is, is trên hệ tọa độ , khâu (4) và (5): chuyển các đại lượng từ hệ tọa độ sang hệ tọa độ và ngược lại; khâu điều chỉnh dòng RI (6): đặt nhanh 2 thành phần dòng isd và isq điều khiển từ thông rotor và momen quay; khâu điều chỉnh từ thông (7): điều chỉnh từ thông cải thiện đặc tính truyền đạt do khâu trễ bậc nhất; khâu suy giảm từ thông (8): tính toán giá trị đặt từ thông Trang 10 dựa trên ; khâu mô hình từ thông (9): tính toán giá trị thực của từ thông rotor và góc pha ̂ dựa trên các đại lượng đo được isd, isq và ; khâu điều chỉnh tốc độ (10): tính toán giá trị đặt của dòng từ sai lệch giữa giá trị đặt và giá trị thực .5: Cấu trúc điều khiển tựa theo từ thông rotor kinh điển của hệ truyền động điện không đồng bộ xoay chiều ba pha [1].3 Mô hình động cơ không đồng bộ 1.1 Mô hình trạng thái liên tục Mô hình động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ [1]: (1.3) { với là vector điện áp stator trên hệ tọa độ ; là vector dòng stator, rotor trên hệ tọa độ ; , là vector từ thông stator, rotor trên hệ tọa độ.
Đưa dòng rotor và từ thông stator trên hệ tọa độ dq ra khỏi hệ phương trình (1.3) và thu được [1]: Trang 11 ( ) ( ) (1.4) ( ) { ( ) Trong đó, là dòng điện stator trong hệ tọa độ dq; là vận tốc góc cơ, mạch stator; là momen tải; , lần lượt là từ thông rotor trong hệ tọa độ dq và , là hệ số từ tản toàn phần, là hằng số thời gian rotor. Momen của động cơ: ( ) (1.5) Từ công thức (1.5) kết hợp lại thành mô hình liên tục của động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ như hình 1. mw us usd 1 𝑇 isd 1 𝛹𝑟𝑑 𝐿𝑚 - 𝑧𝑝 Ls 1+𝑠T 1+𝑠Tr 𝑧𝑝 𝑠𝐽 𝐿𝑟 mM 1 Tr 𝑇𝑟 1- e-j𝜗s r us usq - - : 1 T s Ls 1+sT isq 𝜗𝑠 𝑠 Hình 1.6: Mô hình liên tục của động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc trên hệ tọa độ [15].4) được viết dưới dạng mô hình trạng thái [1]: (1.6) Trang 12 Với vector trạng thái [ ] , vector đầu vào [ ] , ma trận hệ thống , ma trận đầu vào và ma trận tương tác phi tuyến có dạng: ( ) ( ) ; [ ] [ ] [ ] Như vậy mô hình trạng thái (1.6) với ma trận chứa biến vào thể hiện rõ đặc điểm song tuyến (bilinear). N s 𝑑𝐱 𝑓 𝐱𝑓 𝑑𝑡 Bf 𝑓 𝐮𝑠 Af Hình 1.7: Mô hình trạng thái của động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc trên hệ tọa độ dq [15].2 Đặc điểm phi tuyến của mô hình trên hệ tọa độ dq Đặc điểm phi tuyến của mô hình động cơ không đồng bộ: Cấu trúc phi tuyến: trong ma trận hệ thống xuất hiệu tín hiệu.
Tham số phi tuyến: điện cảm phụ thuộc mạnh vào từ thông rotor, … Trang 13 Ngoài ra còn có đặc điểm phi tuyến rác do: cấu trúc mạch từ không liên tục, hiệu ứng bề mặt làm cho điện trở thành đại lượng phi tuyến (phụ thuộc vào tần số), dòng điện Foucault, … 1.4 Khái quát các phương pháp điều khiển hệ truyền động không đồng bộ Các phương pháp điều khiển cho động cơ không đồng bộ bao gồm nhóm các phương pháp điều khiển tuyến tính và nhóm các phương pháp điều khiển phi tuyến.1 Phương pháp điều khiển tuyến tính Trong phương pháp điều khiển tuyến tính điển hình là PI và Dead-beat.1 Phương pháp PI Hình 1.8: Giải pháp sử dụng các bộ PI kèm theo PWM analog để điều khiển độc lập ba dòng pha [1]. Đây là giải pháp điều khiển được sử dụng rất rộng rãi với các ưu điểm: Thiết kế đơn giản, ít phụ thuộc vào tham số động cơ. Khả năng cách ly đảm bảo. Nhược điểm của phương pháp là thời gian đáp ứng phụ thuộc vào hằng số thời gian điện cảm tản phía stator đòi hỏi áp đặt không trễ dòng stator của vòng điều khiển tốc độ quay rất khó thỏa mãn.2 Phương pháp Dead-beat Dead-beat là phương pháp điều khiển tuyến tính sử dụng bộ điều khiển vector dòng stator có tốc độ đáp ứng tức thời (Dead-beat response) - thiết kế dành riêng cho hệ thống gián đoạn thuộc nhóm điều khiển có tốc độ đáp ứng hữu hạn (Dead-beat design).