I. Tổng Quan Về Phân Chia Tải Động Cơ AC Nối Cứng Trục
Trong bối cảnh công nghiệp hóa hiện đại hóa, việc ứng dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật vào điều khiển hệ thống, từ động cơ công suất nhỏ đến lớn, đang được quan tâm đặc biệt. Cùng với sự hỗ trợ của máy tính và trí tuệ nhân tạo, các hệ thống điều khiển ngày càng hoàn thiện hơn, phục vụ nhiều chức năng hơn và khả năng tự động hóa ngày càng cao. Đối với những hệ thống đang được sử dụng, yêu cầu đặt ra là khả năng nắm bắt và cải tiến công nghệ. Đề tài "Phân chia tải cho 02 động cơ xoay chiều làm việc song song nối cứng trục" đưa ra giải pháp thay vì sử dụng một động cơ công suất lớn. Các động cơ được chọn có cùng tốc độ và công suất định mức, nối cứng trục. Ưu điểm là tính khả thi trong thiết kế, chế tạo, và vận hành động cơ cũng như bộ biến đổi đi kèm. Phương pháp nghiên cứu bao gồm nghiên cứu lý thuyết, xây dựng mô hình toán, nghiên cứu hệ thống điều khiển thích nghi MRAS, và kiểm chứng bằng Matlab/Simulink.
1.1. Yêu Cầu Truyền Động Thực Tế cho Động Cơ Nối Cứng
Trong thực tế sản xuất, nhiều dây chuyền có công suất rất lớn, lên đến hàng nghìn KW. Việc sử dụng một động cơ truyền động công suất lớn gặp nhiều khó khăn: chế tạo, sửa chữa, lắp đặt, và vận hành phức tạp. Việc vận chuyển và lắp đặt cũng gặp trở ngại do trọng lượng và kích thước. Vận hành động cơ công suất lớn đồng nghĩa với việc sử dụng thiết bị biến đổi công suất lớn (bộ chỉnh lưu điều khiển cho động cơ DC, bộ nghịch lưu cho động cơ AC). Việc chế tạo động cơ công suất lớn và bộ biến đổi tương xứng rất phức tạp và tốn kém.
1.2. Giải Pháp Truyền Thống và Hạn Chế Về Phân Chia Tải
Để đáp ứng yêu cầu truyền động công suất lớn, thường sử dụng hai hoặc nhiều động cơ. Với hai động cơ, để cân bằng tải, cần đáp ứng các yêu cầu: đồng bộ hóa tốc độ, tỷ lệ không đổi trong cả chế độ tĩnh và động; khả năng điều chỉnh tốc độ trong một vùng nhất định (thường là 2:1 đến 6:1); độ chính xác điều chỉnh cao để đảm bảo chất lượng sản phẩm; và khả năng điều chỉnh tốc độ và lực kéo để giữ sức căng không đổi. Để hai động cơ làm việc khi nối cứng trục, đặc tính tĩnh phải hoàn toàn giống nhau để giữ lực kéo không đổi. Tuy nhiên, việc chọn hai động cơ có đặc tính cơ hoàn toàn giống nhau là khó khăn.
II. Phương Pháp Phân Chia Tải Cho Hai Động Cơ Giải Pháp Mới
Giải pháp đề xuất trong nghiên cứu này được phát triển dựa trên giải pháp truyền thống nhưng có sự thay đổi. Giữ nguyên cấu trúc điều khiển hai mạch vòng, bộ điều khiển PID mạch vòng tốc độ bên ngoài chung cho cả hai động cơ với thông số cố định. Hai bộ điều khiển PID mạch vòng dòng điện bên trong riêng cho hai động cơ, bộ điều khiển dòng điện động cơ 1 với thông số cố định, tín hiệu ra của bộ điều khiển này là tín hiệu mẫu. Thông số bộ điều khiển dòng của động cơ thứ hai được hiệu chỉnh dựa trên sai lệch về dòng điện giữa hai động cơ.
2.1. Ưu Điểm Của Phương Pháp Phân Chia Tải Đề Xuất
Với cấu trúc này, trong quá trình vận hành, dòng điện động cơ thứ nhất được xem là dòng mẫu, dòng động cơ thứ hai luôn bám dòng động cơ 1 với sai số nhỏ nhất. Có nghĩa dòng phần ứng của cả hai động cơ luôn bằng nhau – điều mà chúng ta mong đợi. Giải pháp đề xuất có tính khả thi cao trong việc thiết kế, chế tạo động cơ cũng như bộ biến đổi đi kèm có công suất nhỏ hơn. Quá trình vận chuyển, lắp ráp, vận hành dễ dàng hơn. Việc lựa chọn tổ nối dây của máy biến áp lực một cách hợp lý cho phép giảm thiểu ảnh hưởng của thành phần sóng hài bậc 3 do bộ biến đổi tạo ra đối với lưới điện.
2.2. Nhược Điểm Của Giải Pháp Điều Khiển Truyền Thống
Trong thực tế, việc chọn 2 động cơ có đặc tính cơ như nhau là rất khó. Khi phụ tải thay đổi, lực kéo của 2 động cơ này không thể tự cân bằng như nhau được, vì vậy chúng ta phải thiết kế một hệ tự động truyền động để tự động điều chỉnh lực căng giữa 2 động cơ khi phụ tải thay đổi. Một trong các thiết kế đã áp dụng đó là sử dụng cấu trúc với 02 mạch vòng điều khiển, mạch vòng tốc độ chung bên ngoài, mạch vòng dòng điện kép bên trong. Sự sai khác về dòng điện của hai động cơ được hiệu chỉnh bằng cách thay đổi thông số của các bộ điều khiển dòng.
III. Mô Hình Toán Học Động Cơ Xoay Chiều Cho Phân Chia Tải
Để điều khiển và phân tích hệ thống phân chia tải, cần xây dựng mô hình toán học chính xác của động cơ xoay chiều. Máy điện đồng bộ là loại máy điện mà tốc độ quay của roto bằng tốc độ quay của từ trường quay trong máy. Ngày nay nguồn năng lượng điện được sử dụng trên thế giới chủ yếu là năng lượng điện xoay chiều thì máy phát điện đồng bộ là nguồn chính để phát ra năng lượng đó. Máy đồng bộ cũng có tính chất thuận nghịch. Tức là có thể làm việc như một máy phát hoặc như một động cơ. Ngoài ra nó còn có thể dùng làm nguồn công suất kháng gọi là máy bù đồng bộ.
3.1. Cấu Tạo Và Nguyên Lý Hoạt Động Của Máy Điện Đồng Bộ
Cấu tạo của máy điện đồng bộ gồm 2 phần chính: phần quay (roto) và phần tĩnh (stato). Stato gồm vỏ, lõi và dây quấn. Vỏ làm bằng thép đúc, bảo vệ mạch từ. Lõi stato làm bằng các lá thép kỹ thuật điện ghép lại, có rãnh để đặt cuộn dây stato. Dây quấn được quấn thành các mô bin đặt trong rãnh lõi thép. Roto có 2 loại: cực lồi và cực ẩn. Dây quấn được quấn xung quanh cực từ. Loại máy này tốc...
3.2. Mô Hình Toán Mô Tả Động Học Động Cơ Đồng Bộ 3 Pha
Mô hình toán học động cơ đồng bộ 3 pha là cơ sở quan trọng để thiết kế và điều khiển hệ thống phân chia tải. Cần xem xét các phương trình điện áp, dòng điện, và momen. Việc biến đổi hệ tọa độ (ví dụ, từ hệ tọa độ abc sang dq) giúp đơn giản hóa các phương trình và thuận tiện cho việc thiết kế bộ điều khiển. Mô hình toán học cần thể hiện rõ mối quan hệ giữa các đại lượng điện và cơ, cũng như ảnh hưởng của các thông số động cơ đến hiệu suất và ổn định của hệ thống.
IV. Điều Khiển Thích Nghi MRAS Trong Phân Chia Tải Động Cơ AC
Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS) là một phương pháp hiệu quả để điều khiển hệ thống có thông số thay đổi hoặc không chắc chắn, rất phù hợp cho bài toán phân chia tải khi tải trọng có thể thay đổi. MRAS sử dụng một mô hình mẫu để định nghĩa đáp ứng mong muốn của hệ thống. Bộ điều khiển thích nghi sẽ điều chỉnh các tham số của nó để hệ thống thực tế bám sát đáp ứng của mô hình mẫu.
4.1. Thiết Kế Bộ Điều Khiển Thích Nghi Dựa Trên Luật MIT
Luật MIT là một phương pháp đơn giản và trực quan để thiết kế bộ điều khiển thích nghi. Luật MIT dựa trên việc giảm thiểu sai số giữa đầu ra của hệ thống thực tế và đầu ra của mô hình mẫu. Bộ điều khiển sẽ điều chỉnh các tham số của nó theo hướng giảm sai số này. Tuy nhiên, luật MIT có thể không đảm bảo tính ổn định của hệ thống nếu không được thiết kế cẩn thận.
4.2. Thiết Kế Bộ Điều Khiển Thích Nghi Sử Dụng Phương Pháp Lyapunov
Phương pháp Lyapunov là một phương pháp mạnh mẽ để chứng minh tính ổn định của hệ thống điều khiển. Trong thiết kế bộ điều khiển thích nghi, phương pháp Lyapunov được sử dụng để đảm bảo rằng sai số giữa đầu ra của hệ thống thực tế và đầu ra của mô hình mẫu sẽ hội tụ về 0. Bộ điều khiển sẽ điều chỉnh các tham số của nó sao cho hàm Lyapunov giảm dần theo thời gian, đảm bảo tính ổn định của hệ thống.
4.3. Xác Định Tham Số Cho Bộ Điều Khiển Tối Ưu
Việc tìm các tham số tốt nhất của bộ điều khiển thích nghi là rất quan trọng. Bởi nó ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển, độ ổn định của hệ thống. Các kỹ thuật tối ưu hóa, thử nghiệm để tìm các tham số phù hợp. Việc này giúp hệ thống bám sát mô hình mẫu một cách nhanh chóng nhất và chính xác nhất.
V. Mô Phỏng và Kết Quả Phân Chia Tải Trên Matlab Simulink
Để kiểm chứng hiệu quả của phương pháp điều khiển thích nghi MRAS, cần thực hiện mô phỏng trên Matlab/Simulink. Mô hình mô phỏng bao gồm mô hình động cơ xoay chiều, bộ điều khiển thích nghi, và tải trọng. Kết quả mô phỏng sẽ cho thấy khả năng phân chia tải đều giữa hai động cơ, khả năng bám sát đáp ứng của mô hình mẫu, và tính ổn định của hệ thống khi tải trọng thay đổi.
5.1. Xây Dựng Mô Hình Đối Tượng Trên Matlab Simulink
Mô hình đối tượng trên Matlab/Simulink bao gồm hai động cơ xoay chiều nối cứng trục, tải trọng, và các bộ biến đổi. Mô hình cần thể hiện chính xác các đặc tính của động cơ và tải trọng. Các khối Simulink như Simscape Electrical có thể được sử dụng để xây dựng mô hình một cách dễ dàng và hiệu quả.
5.2. Phân Tích Kết Quả Mô Phỏng và Đánh Giá Hiệu Năng
Kết quả mô phỏng cần được phân tích kỹ lưỡng để đánh giá hiệu năng của hệ thống. Các chỉ số quan trọng bao gồm sai số phân chia tải, thời gian quá độ, độ quá điều chỉnh, và độ ổn định. Nếu hiệu năng không đạt yêu cầu, cần điều chỉnh lại các tham số của bộ điều khiển và thực hiện mô phỏng lại.
VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Về Phân Chia Tải Động Cơ AC
Nghiên cứu về phân chia tải cho động cơ xoay chiều làm việc song song nối cứng trục đã đưa ra một giải pháp hiệu quả dựa trên điều khiển thích nghi MRAS. Giải pháp này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền động công suất lớn, giúp nâng cao hiệu suất, độ tin cậy, và tuổi thọ của hệ thống. Hướng phát triển tiếp theo có thể tập trung vào việc nghiên cứu các phương pháp điều khiển thích nghi tiên tiến hơn, hoặc tích hợp các thuật toán tối ưu hóa để tự động điều chỉnh các tham số của bộ điều khiển.
6.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu và Đóng Góp Mới
Nghiên cứu này đã trình bày một phương pháp điều khiển thích nghi MRAS hiệu quả để phân chia tải cho hai động cơ xoay chiều nối cứng trục. Phương pháp này giúp đảm bảo rằng hai động cơ chia sẻ tải trọng một cách đồng đều, ngay cả khi tải trọng thay đổi hoặc thông số động cơ không chắc chắn. Đóng góp mới của nghiên cứu này là việc áp dụng MRAS vào bài toán phân chia tải và chứng minh tính hiệu quả của phương pháp thông qua mô phỏng.
6.2. Đề Xuất Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo và Ứng Dụng Thực Tế
Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc nghiên cứu các phương pháp điều khiển thích nghi tiên tiến hơn, chẳng hạn như điều khiển thích nghi dựa trên mạng nơ-ron hoặc logic mờ. Ngoài ra, cần nghiên cứu kỹ hơn về ảnh hưởng của các yếu tố khác như độ cứng của trục nối, sai số đo lường, và nhiễu đến hiệu năng của hệ thống. Ứng dụng thực tế của nghiên cứu này có thể là trong các hệ thống truyền động công suất lớn, chẳng hạn như trong các nhà máy sản xuất thép, xi măng, hoặc giấy.
