Nghiên Cứu Và Thực Nghiệm Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ Ba Pha Sử Dụng Bộ Biến Đổi Ma Trận

Chuyên khảo phân tích Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường nghiên cứu và thực nghiệm điều khiển tốc độ động cơ không, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu

• Tác giả: Nguyễn Khánh Từ Tâm
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Xuân Bắc
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện - Điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu và thực nghiệm điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha bằng bộ biến đổi ma trận
• Loại tài liệu: báo cáo đề tài khoa học cấp trường
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu đề tài

Động cơ không đồng bộ ba pha (ĐCKĐB) là một trong những thiết bị quan trọng trong công nghiệp hiện đại. Việc điều khiển tốc độ động cơ này luôn là thách thức lớn do tính phức tạp của mô hình toán học. Bộ biến đổi ma trận được đề xuất như một giải pháp hiệu quả để cải thiện chất lượng điều khiển. Đề tài này tập trung vào nghiên cứu và thực nghiệm các phương pháp điều khiển tốc độ ĐCKĐB sử dụng bộ biến đổi ma trận, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

1.1. Đặt vấn đề

Động cơ không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp như máy bơm, quạt, và máy tiện. Tuy nhiên, việc điều khiển tốc độ của chúng gặp nhiều khó khăn do tính phi tuyến và phức tạp của mô hình. Các phương pháp điều khiển truyền thống như FOC và DTC đã được áp dụng nhưng vẫn còn nhiều hạn chế. Đề tài này đề xuất sử dụng bộ biến đổi ma trận để cải thiện chất lượng điều khiển, đặc biệt là trong việc giảm thiểu sóng hài và tăng hiệu suất.

1.2. Nhiệm vụ và mục tiêu

Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu và thực nghiệm các phương pháp điều khiển tốc độ ĐCKĐB sử dụng bộ biến đổi ma trận. Cụ thể, đề tài tập trung vào việc phát triển các thuật toán điều khiển như điều khiển trượt và DTC, đồng thời thực nghiệm trên hệ thống thực để đánh giá hiệu quả. Kết quả mong đợi là tạo ra một hệ thống điều khiển có độ chính xác cao, ổn định và tiết kiệm năng lượng.

II. Bộ biến tần ma trận trực tiếp

Bộ biến đổi ma trận là một công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực biến đổi điện năng, cho phép chuyển đổi điện áp đầu vào thành điện áp đầu ra với tần số và biên độ linh hoạt. Khác với các bộ nghịch lưu truyền thống, bộ biến đổi ma trận không cần sử dụng tụ DC-Link, giúp giảm thiểu kích thước và chi phí hệ thống. Đề tài này tập trung vào việc ứng dụng bộ biến đổi ma trận trong hệ thống điều khiển động cơ, đặc biệt là ĐCKĐB ba pha.

2.1. Tổng quan về các bộ nghịch lưu

Các bộ nghịch lưu truyền thống như VSI và CSI đã được sử dụng rộng rãi trong việc điều khiển động cơ. Tuy nhiên, chúng có những hạn chế như sóng hài cao và hiệu suất thấp. Bộ biến đổi ma trận ra đời như một giải pháp thay thế, với khả năng tạo ra điện áp đầu ra chất lượng cao và hoạt động trong cả bốn góc phần tư. Điều này làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng điều khiển động cơ hiện đại.

2.2. Phương pháp chuyển mạch

Một trong những yếu tố quan trọng trong việc thiết kế bộ biến đổi ma trận là phương pháp chuyển mạch. Các phương pháp như PWM và SVM được sử dụng để điều khiển các công tắc bán dẫn, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu tổn hao. Đề tài này nghiên cứu các phương pháp chuyển mạch hiệu quả, đảm bảo chất lượng điện áp đầu ra và tăng tuổi thọ của hệ thống.

III. Ứng dụng thuật toán điều khiển

Đề tài này tập trung vào việc ứng dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến như điều khiển trượt và DTC trong việc điều khiển tốc độ ĐCKĐB. Các thuật toán này được thiết kế để tăng độ chính xác và ổn định của hệ thống, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu và thay đổi tham số động cơ.

3.1. Điều khiển trượt

Điều khiển trượt là một phương pháp điều khiển phi tuyến, được áp dụng rộng rãi trong việc điều khiển động cơ. Phương pháp này có khả năng chống nhiễu và thích nghi với sự thay đổi tham số động cơ. Đề tài này nghiên cứu việc áp dụng điều khiển trượt trong việc điều khiển tốc độ ĐCKĐB, với mục tiêu giảm thiểu hiện tượng chattering và tăng chất lượng mô-men quay.

3.2. Điều khiển DTC

Điều khiển trực tiếp mô-men (DTC) là một phương pháp điều khiển kinh điển, được sử dụng rộng rãi trong việc điều khiển động cơ không đồng bộ. Phương pháp này cho phép điều khiển mô-men và từ thông một cách trực tiếp, mà không cần sử dụng bộ điều khiển vòng kín phức tạp. Đề tài này thực nghiệm phương pháp DTC trên hệ thống sử dụng bộ biến đổi ma trận, nhằm đánh giá hiệu quả và so sánh với các phương pháp khác.

IV. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Đề tài đã tiến hành mô phỏng và thực nghiệm các phương pháp điều khiển trên hệ thống sử dụng bộ biến đổi ma trận. Kết quả cho thấy, các phương pháp điều khiển như điều khiển trượt và DTC đều mang lại hiệu quả cao trong việc điều khiển tốc độ ĐCKĐB. Các chỉ tiêu như thời gian xác lập, độ vọt lố và sai số xác lập đều được cải thiện đáng kể.

4.1. Kết quả mô phỏng

Các kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab cho thấy, điều khiển trượt và DTC đều đạt được chất lượng điều khiển cao, với độ chính xác và ổn định tốt. Đặc biệt, việc sử dụng bộ biến đổi ma trận giúp giảm thiểu sóng hài và tăng hiệu suất hệ thống.

4.2. Kết quả thực nghiệm

Các kết quả thực nghiệm trên hệ thống sử dụng bộ biến đổi ma trận và card điều khiển DSP kết hợp FPGA đã chứng minh tính khả thi của các phương pháp điều khiển. Các chỉ tiêu như thời gian xác lập, độ vọt lố và sai số xác lập đều được cải thiện, đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng công nghiệp.

V. Kết luận và hướng phát triển

Đề tài đã đạt được những kết quả quan trọng trong việc nghiên cứu và thực nghiệm các phương pháp điều khiển tốc độ ĐCKĐB sử dụng bộ biến đổi ma trận. Các phương pháp như điều khiển trượt và DTC đều mang lại hiệu quả cao, với độ chính xác và ổn định tốt. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều hướng phát triển cần được nghiên cứu thêm, như tối ưu hóa thuật toán điều khiển và mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác.

5.1. Kết luận

Đề tài đã chứng minh tính khả thi của việc sử dụng bộ biến đổi ma trận trong việc điều khiển tốc độ ĐCKĐB. Các phương pháp điều khiển như điều khiển trượt và DTC đều mang lại hiệu quả cao, với độ chính xác và ổn định tốt. Kết quả thực nghiệm đã tạo tiền đề cho các nghiên cứu chuyên sâu hơn trong tương lai.

5.2. Hướng phát triển

Trong tương lai, đề tài có thể được mở rộng bằng cách nghiên cứu các thuật toán điều khiển tiên tiến hơn, như điều khiển thích nghi và điều khiển mờ. Ngoài ra, việc ứng dụng bộ biến đổi ma trận trong các lĩnh vực khác như năng lượng tái tạo cũng là một hướng nghiên cứu đầy tiềm năng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 : Giới thiệu đề tài torque control of induction machines using space vector modulation,” IEEE Trans. Blaabjerg, “A modified direct torque control for induction motor sensorless drive,” IEEE Trans. Multivariable CGPC based internal model control: application to induction motor control, IEEE ICIT’04 p.4 Kết quả đạt được của đề tài Sau khi thực hiện đề tài NCKH này, tác giả cùng nhóm nghiên cứu đã đạt được những kết quả như sau : • 01 Bài báo khoa học tại hội nghị quốc tế ASAC 2011. Nguyen Xuan Bac, Duong Hoai Nghia, Nguyen Van Nho, Phan Quoc Dzung.

Simulation of Induction Motor Control with SMC approach fed by Matrix Converter. • Mô hình bộ biến tần ma trận trực tiếp 3x3, điều khiển ĐCKĐB sử dụng card DSP 28335 và FPGA Spartan 3E. • Chương trình mô phỏng và thực nghiệm điều khiển trượt và điều khiển DTC tốc độ động cơ không đồng bộ. Điểm mới của đề tài này là tiến hành điều khiển tốc độ ĐCKĐB với nguồn nuôi là bộ biến tần ma trận trực tiếp.

Do thời gian có hạn nên đề tài còn nhiều hạn chế về việc thử nghiệm trên hệ thực, đồng thời đưa ra những đánh giá xác thực hơn dựa trên các kết quả thực nghiệm này. Đề tài dừng lại ở kết quả thực nghiệm điều khiển tốc độ ĐCKĐB với giải thuật DTC và các kết quả mô phỏng điều khiển tốc độ ĐCKĐB với giải thuật DTC và điều khiển trượt (SMC). Trang 9 Chương 2: Bộ biến tần ma trận trực tiếp CHƯƠG 2 BỘ BIẾN TẦN MA TRẬN TRỰC TIẾP 2.1 Tổng quan về các bộ nghịch lưu Ngày nay, cùng với các bước tiến có ý nghĩa trong công nghệ biến đổi công suất hiện đại, nền công nghiệp đang đòi hỏi một sự thay thế thích hợp cho các bộ biến đổi công suất với các bộ nghịch lưu điện áp truyền thống.Nhiều mô hình chuyển đổi công suất hiện đại và các phương pháp điều khiển khác nhau được đưa ra, trong đó bộ biến đổi ma trận là một trong những giải pháp linh hoạt, tin cậy và thu hút rất nhiều sự quan tâm nghiên cứu của điện tử công suất. Đến nay, bộ biến đổi ma trận đã có cấu tạo và các phương pháp điều khiển tương đối hoàn chỉnh.

Việc sử dụng bộ biến đổi ma trận đã được ứng dụng vào thực tế một cách rộng rãi và hứa hẹn sẽ trở thành một mô hình hoàn thiện theo đà phát triển của công nghệ. Bộ biến đổi ma trận là một bộ chuyển đổi AC-AC có khả năng chuyển đổi dạng sóng điện áp ngõ vào thành điện áp ngõ ra thay đổi với tần số ngõ ra không hạn chế trong những giới hạn yêu cầu bởi tần số đóng ngắt. Hệ thống ba pha của bộ biến đổi ma trận gồm 9 công tắc hai chiều được phân bố theo ma trận 3x3 như hình 2. Việc phân bố các công tắc 2 chiều như vậy để các pha ngõ vào có thể được kết nối với các pha ngõ trong bất kì khoảng thời gian đóng ngắt nào.

Các công tắc được điều khiển sao cho điện áp ngõ ra trung bình có dạng sóng sin với biên độ và tần số mong muốn.1: Mô hình đơn giản hóa của MC Trang 10 Chương 2: Bộ biến tần ma trận trực tiếp Việc phát triển một mô hình thực tế của bộ biến đổi ma trận bắt đầu từ công trình của Venturini và Alesina vào năm 1980. Họ đã trình bày mạch công suất của bộ biến đổi như một ma trận của các công tắc 2 chiều và đặt tên là “ matrix converter”. Một trong những đóng góp chính của Venturini và Alesina là việc phát triển một sự phân tích toán học chặt chẽ để biểu diễn hoạt động ở tần số thấp của bộ biến đổi, đưa ra quan niệm về “ma trận điều biến tần số thấp”. Trong phương pháp điều biến của họ, được biết đến như là một phương pháp hàm chuyển đổi trực tiếp, các điện áp ngõ ra mong muốn có được từ phép nhân của ma trận điều biến với các điện áp ngõ vào.

Một phương pháp điều khiển khác dựa trên ý tưởng “ liên kết dc ảo” được giới thiệu bởi Rodriguez vào năm 1983. Trong phương pháp này việc đóng ngắt được sắp xếp sao cho mỗi đường ra được chuyển đổi giữa các đường ngõ vào dương nhất và âm nhất sử dụng kĩ thuật điều biến PWM vốn được sử dụng trong các bộ biến đổi nguồn áp chuNn. Khái niệm này còn được biết đến như là một phương pháp hàm “chuyển đổi gián tiếp”. Vào năm 1985-1986, Ziogas et al đã xuất bản 2 bài báo để mở rộng ý tưởng liên kết dc ảo của Rodriguez kèm theo một giải thích toán học chặt chẽ.

Vào năm 1983 Braun và năm 1985 Kastner và Rodriguez đã đề cập đến việc sử dụng vector không gian vào việc nghiên cứu và điều khiển bộ biến đổi ma trận. Bằng thực nghiệm Kastner và Rodriguez đã cho thấy bộ biến đổi ma trận với 9 công tắc điện có thể được sử dụng một cách hiệu quả trong việc điều khiển vectơ của một động cơ không đồng bộ với chất lượng của dòng điện ngõ ra và ngõ vào cao. N ăm 1989, một số bài báo được xuất bản đã vận dụng nguyên tắc của điều biến vector không gian để điều khiển bộ biến đổi ma trận cùng với các vấn đề về điều biến. Các phương pháp điều biến dựa trên phương pháp Veturini được xem như “các phương pháp trực tiếp”.

Trong khi các phương pháp dựa trên liên kết dc ảo được biết đến như “các phương pháp gián tiếp”. N gày nay, việc nghiên cứu chủ yếu tập trung vào các khía cạnh kĩ thuật và hoạt động như: vấn đề thực thi một cách tin cậy của các phương pháp chuyển mạch, các vấn đề bảo vệ, hoạt động của bộ biến đổi ma trận trong điều kiện điện áp ngõ vào bất thường, thiết kế bộ lọc… Đối với các biến tần thông dụng, cấu tạo có thể được chia thành 2 bộ phận riêng biệt sau: Bộ nghịch lưu (inverters): được dùng để chuyển đổi điện áp (dòng điện) DC ra điện áp (dòng điện) AC. Trang 11 Chương 2: Bộ biến tần ma trận trực tiếp Bộ chỉnh lưu (Rectifiers): được dùng để chuyển đổi điện áp hay dòng điện AC ( thường từ nguồn cấp điện lưới tần số 50 hoặc 60 hz) thành điện áp hay dòng điện DC. Bộ chỉnh lưu và nghịch lưu thường được kết hợp để tạo ra bộ chuyển đổi gián tiếp AC-AC như hình 1.2 bên dưới: Hình 2.2: Sơ đồ của một bộ chuyển đổi AC-AC thông dụng.

Đối với các biến tần kiểu này, ngoài hai bộ phận chỉnh lưu và nghịch lưu còn yêu cầu bắt buộc phải có tụ điện đủ lớn để tích lũy năng lượng. Các tụ điện loại này trong công nghiệp thường cồng kềnh, đắt tiền, có tính dung nạp thấp đối với nhiệt độ cao và tuổi thọ tương đối ngắn. Bộ biến đổi ma trận có thể được xem là “ giải pháp toàn silic” của vấn đề chuyển đổi công suất AC-AC. So với mô hình Chỉnh lưu/nghịch lưu thông thường, bộ biến đổi ma trận có nhiều ưu điểm.

Cấu trúc của nó không đòi hỏi bộ lưu trữ năng lượng bằng liên kết DC. Điều này loại trừ được các nhược điểm do tụ điện gây ra, do đó một hệ thống chuyển đổi gọn nhẹ và hiệu quả có thể được thiết kế. Bằng cách điều khiển các thiết bị đóng ngắt một cách hợp lí, điện áp ngõ ra và dòng điện ngõ vào là sin với các sóng hài chỉ tương đương hoặc cao hơn tần số đóng ngắt của các thiết bị bán dẫn. Với việc giảm giá thành của các sản phNm bán dẫn trong những năm gần đây bộ biến đổi ma trận đã trở thành một sự thay thế hấp dẫn cho các bộ chuyển đổi đấu lưng (back to back converter).

N hững giải pháp hiệu quả và cải tiến cho bộ biến đổi ma trận sẽ đNy mạnh quá trình thương mại hóa của bộ chuyển đổi này trong các ứng dụng như các thiết bị động cơ liền máy, Trang 12 Chương 2: Bộ biến tần ma trận trực tiếp hàng không vũ trụ và các ứng dụng thủy lực nơi mật độ công suất, không gian và khối lượng đóng vai trò chính. Quan điểm này được củng cố hơn bởi khả năng bộ biến đổi ma trận có thể trở thành một mô hình chuyển đổi lí tưởng khi sử dụng kỉ thuật tương lai như các linh kiện cacbit silic chịu nhiệt cao bởi chúng có thể làm việc trong môi trường có khoảng biến đổi nhiệt độ rộng. Hơn nữa, sự vắng mặt của các tụ điện hóa lớn góp phần giải quyết vấn đề của các thiết bị điện làm việc trong các điều kiện môi trường khác nhau.2 Bộ biến tần ma trận trực tiếp 2.1 Cấu trúc bộ biến tần ma trận trực tiếp Hệ thống ba pha của bộ biến đổi ma trận gồm 9 công tắc hai chiều được phân bố theo ma trận 3x3 như hình 2. Việc phân bố các công tắc 2 chiều như vậy để các pha ngõ vào (A, B,C) có thể được kết nối với các pha ngõ ra (a, b, c) trong bất kì khoảng thời gian đóng ngắt nào.

Các công tắc được điều khiển sao cho điện áp ngõ ra trung bình có dạng sóng sin với biên độ và tần số mong muốn.3: Mô hình đơn giản hóa của bộ biến đổi ma trận Trong suốt quá trình đóng ngắt các công tắc, 2 qui luật cơ bản quan trọng nhất cần tuân theo là: - Các pha ngõ vào không được ngắn mạch - Vì bản chất cảm điện của tải, các pha ngõ ra không được hở mạch Trang 13 Chương 2: Bộ biến tần ma trận trực tiếp Do đó, nếu chức năng đóng ngắt của một công tắc trên hình 2.1 được định nghĩa: (t) = ,K ,j .1) Thì các ràng buột có thể được biểu diễn bởi: =1 , j .2) Bộ biến đổi ma trận có 9 công tắc hai chiều với (512) trạng thái đóng ngắt có thể. Tuy nhiên với ràng buột ở đẳng thức (2.2), các công tắc của bộ biến đổi ma trận chỉ có 27 kết hợp cho phép. Các kết này có thể được phân thành ba nhóm: -N hóm thứ nhất gồm sáu kết hợp mà mỗi pha ngõ ra được kết nối với pha ngõ vào khác nhau. - N hóm thứ hai, gồm 18 kết hợp có 1 áp dây ngõ ra bằng 0.

- Ở nhóm 3, có 3 kết hợp mà các áp dây ngõ ra đều bằng 0. Trang 14 Chương 2: Bộ biến tần ma trận trực tiếp Bảng 2.1: Các kết hợp đóng ngắt của bộ biến đổi công suất Các điện áp ngõ ra và các điện áp nguồn trong hình 2.1 có thể được biểu diễn bởi các vectơ : = , = (2.3) Trang 15 Chương 2: Bộ biến tần ma trận trực tiếp Mối liên hệ giữa các điện áp này được biễu biễn: = .