Luận văn thạc sĩ điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ bằng định hướng từ thông rotor trực tiếp, ứng dụng mô hình ước lượng tốc độ rotor hiệu quả.

• Tác giả: Phạm Thanh Tiến
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Xuân Hoàng Việt
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung

Luận văn nghiên cứu về điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp, sử dụng mô hình ước lượng tốc độ rotor. Động cơ không đồng bộ, đặc biệt là loại rotor lồng sóc, được ưa chuộng nhờ vào giá thành thấp và hiệu suất cao. Nguyên lý điều khiển định hướng từ thông cho phép điều khiển độc lập từ thông và moment, từ đó tối ưu hóa hiệu suất hoạt động. Nghiên cứu này không chỉ tổng quan các phương pháp điều khiển mà còn đi sâu vào các kỹ thuật mô phỏng và ứng dụng thực tiễn của chúng trong các hệ thống truyền động điện hiện đại.

1.1 Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu và phát triển các kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ. Nhiệm vụ bao gồm tổng quan các nghiên cứu liên quan, nghiên cứu lý thuyết về các kỹ thuật điều khiển, và mô phỏng kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor. Việc nghiên cứu này nhằm cung cấp cái nhìn sâu sắc về các phương pháp điều khiển hiện có và khả năng ứng dụng của chúng trong thực tế.

1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận văn là động cơ không đồng bộ, với phạm vi tập trung vào các kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor. Nghiên cứu sẽ xem xét các mô hình toán học, các phương pháp điều khiển hiện tại và ứng dụng của chúng trong các hệ thống truyền động điện. Điều này giúp xác định rõ ràng các vấn đề cần giải quyết và hướng đi cho các nghiên cứu tiếp theo.

II. Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ

Chương này trình bày các khái niệm cơ bản về động cơ không đồng bộ và các phương pháp điều khiển liên quan. Các phương pháp như V/f, định hướng từ trường FOC, và điều khiển trực tiếp moment DTC được phân tích chi tiết. Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ lý tưởng cũng được giới thiệu, bao gồm các phương trình mô tả động cơ và phương pháp ước lượng từ thông rotor. Việc hiểu rõ các phương pháp này là rất quan trọng để áp dụng vào thực tiễn và phát triển các kỹ thuật điều khiển hiệu quả hơn.

2.1 Các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ

Các phương pháp điều khiển như V/f và FOC đã được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp. Phương pháp V/f cho phép điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số và điện áp. Trong khi đó, FOC giúp điều khiển độc lập từ thông và moment, mang lại hiệu suất cao hơn. Chương này cũng đề cập đến các thách thức trong việc áp dụng các phương pháp này và cách khắc phục chúng thông qua các mô hình toán học và mô phỏng.

2.2 Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ

Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ lý tưởng được xây dựng dựa trên các phương trình vector không gian. Các phương trình này giúp mô tả hành vi của động cơ trong các điều kiện khác nhau. Việc sử dụng mô hình này trong các nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn là rất quan trọng, vì nó cung cấp cơ sở để phát triển các phương pháp điều khiển hiệu quả và chính xác hơn.

III. Điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp

Chương này tập trung vào kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp. Kỹ thuật này cho phép điều khiển động cơ một cách chính xác và hiệu quả, nhờ vào việc ước lượng tốc độ rotor. Các mô hình và phương pháp điều khiển được trình bày chi tiết, cùng với các ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp. Việc áp dụng phương pháp này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí bảo trì và vận hành.

3.1 Kỹ thuật điều khiển RFOC

Kỹ thuật điều khiển RFOC (Rotor Field Oriented Control) cho phép điều khiển độc lập từ thông và moment của động cơ. Phương pháp này sử dụng các cảm biến để ước lượng tốc độ rotor và từ thông, từ đó điều chỉnh các thông số điều khiển một cách chính xác. Việc áp dụng RFOC trong các hệ thống truyền động điện đã chứng minh được hiệu quả cao trong việc cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của động cơ.

3.2 Mô hình ước lượng tốc độ rotor

Mô hình ước lượng tốc độ rotor là một phần quan trọng trong việc điều khiển động cơ không đồng bộ. Mô hình này sử dụng các thông số như dòng điện và điện áp để ước lượng tốc độ rotor mà không cần cảm biến tốc độ. Điều này giúp giảm thiểu chi phí và tăng tính linh hoạt trong thiết kế hệ thống điều khiển. Các phương pháp ước lượng tốc độ rotor được phân tích và so sánh để tìm ra phương pháp tối ưu nhất cho ứng dụng thực tế.

IV. Mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ

Chương này trình bày các kết quả mô phỏng kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp. Các mô phỏng được thực hiện bằng phần mềm Simulink/Matlab, cho phép kiểm tra và đánh giá hiệu suất của các phương pháp điều khiển đã nghiên cứu. Kết quả mô phỏng cho thấy sự cải thiện rõ rệt về hiệu suất và độ chính xác của động cơ khi áp dụng các kỹ thuật điều khiển hiện đại.

4.1 Các thông số mô phỏng

Các thông số mô phỏng được thiết lập dựa trên các đặc tính kỹ thuật của động cơ không đồng bộ. Việc lựa chọn thông số phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác của mô phỏng. Các thông số này bao gồm điện áp, dòng điện, tốc độ và moment của động cơ. Kết quả mô phỏng sẽ được phân tích để đánh giá hiệu suất của các phương pháp điều khiển đã nghiên cứu.

4.2 Kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc áp dụng phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp mang lại hiệu suất cao hơn so với các phương pháp truyền thống. Các thông số như tốc độ, moment và từ thông đều đạt được giá trị mong muốn trong các điều kiện hoạt động khác nhau. Điều này chứng tỏ rằng phương pháp này có thể được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền động điện hiện đại.

V. Kết luận và hướng phát triển tương lai

Luận văn đã trình bày một cách chi tiết về điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp. Các kết quả nghiên cứu và mô phỏng cho thấy rằng phương pháp này có tiềm năng lớn trong việc cải thiện hiệu suất của động cơ. Hướng phát triển tương lai có thể bao gồm việc áp dụng các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và học máy để tối ưu hóa các phương pháp điều khiển hiện tại.

5.1 Hướng phát triển tương lai

Hướng phát triển tương lai của nghiên cứu này có thể tập trung vào việc tích hợp các công nghệ mới vào hệ thống điều khiển động cơ. Việc áp dụng trí tuệ nhân tạo và học máy có thể giúp tối ưu hóa các thông số điều khiển một cách tự động, từ đó nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Ngoài ra, nghiên cứu cũng có thể mở rộng sang các loại động cơ khác và các ứng dụng công nghiệp khác nhau.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Giới thiệu chung 1. Giới thiệu Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ bán dẫn và kỹ thuật vi điều khiển, các hệ thống truyền động điện đã đạt được những bước tiến nhảy vọt. Các đáp ứng điều khiển đạt được độ chính xác cao, cả trong chế độ động và tĩnh. Trong các hệ thống truyền động điện, động cơ không đồng bộ được sử dụng phổ biến với các nguyên lý điều khiển định hướng từ thông rotor mà cũng đang được áp dụng rộng rãi.

Đặc biệt là động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc, có giá thành thấp, hiệu suất cao, ít bảo trì. Trong tương lai, động cơ này có thể sẽ dần thay thế động cơ một chiều trong các ứng dụng cần thay đổi vận tốc của truyền động. Nguyên lý điều khiển định hướng từ thông sẽ xác định điều kiện để điều khiển độc lập từ thông và moment, đồng thời có thể điều khiển được moment tối ưu. Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của luận văn Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của luận văn bao gồm: + Tổng quan các nghiên cứu liên quan đến điều khiển động cơ không đồng bộ; + Nghiên cứu cơ sở lý thuyết các kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ; + Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng rotor; + Nghiên cứu và mô hình kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng rotor; 2 + Nghiên cứu và mô phỏng kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng rotor.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn + Đối tượng nghiên cứu của luận văn là động cơ không đồng bộ. + Phạm vi nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp. Tổng quan các nghiên cứu liên quan Tác giả Nguyễn Đức Trí đã nghiên cứu điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp RFOC/SFOC mà được kết hợp với kỹ thuật logic mờ trong Luận văn Thạc sĩ, “Điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp RFOC/SFOC và fuzzy logic”, tại Trường Đại học Bách Khoa Tp. Tác giả đã tập trung thực hiện mô hình hóa động cơ không đồng bộ lý tưởng.

Trên cơ sở đó, tác giả đã thực hiện mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ sử dụng kỹ thuật FOC và logic mờ bằng phần mềm Simulink/Matlab. Tác giả Hồ Viết Phát đã thực hiện điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp RFOC có tính đến bù tổn hao sắt từ trong Luận văn tốt nghiệp, tại Trường Đại học Bách Khoa Tp. Tác giả đã thực hiện mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ lý tưởng và động cơ có tính đến tôn hao sắt từ. Tác giả Hồ Thiện Lợi đã thực hiện điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp FOC trên cơ sở dsPACE 1104 trong Luận văn tốt nghiệp, tại Trường Đại học Bách Khoa Tp.

Tác giả đã tìm hiểu card dsPACE 1104 và tiến hành thực nghiệm điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp RFOC gián tiếp. Gopakumar đã thực hiện mô phỏng và thực nghiệm điều khiển động cơ không đồng bộ sử dụng card xử lý tín hiệu số TM320F2812 DSP trong công bố, “A 3 vector control for IM drives using current error space phasor based hysteresis controller without speed sensor” [4]. Kỹ thuật điều khiển chính được sử dụng trong nghiên cứu này là kỹ thuật điều khiển sai số dòng điện và đặc biệt, kỹ thuật điều khiển này không sử dụng cảm biến tốc độ. Các tác giả đã thực hiện ước lượng vận tốc rotor dựa trên các giá trị áp và dòng điện stator của động cơ.

Ganguli đã thực hiện điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp FOC, trong đó các giá trị của từ thông stator và tốc độ rotor được ước lượng trong công bố khoa học, “A simple DSP based speed sensorleess field oriented control of induction motor” [5]. Tác giả đã thực hiện mô phỏng và thực nghiệm bằng việc sử dụng card xử lý tín hiệu số DSP TMS320F2407. Kết quả tốc độ hồi tiếp và tốc độ ước lượng được so sánh với các đánh giá độ chính xác là cao. Ngoài ra, nghiên cứu cũng cho thấy được mối quan hệ giữa từ thông rotor và điện trở stator; giữa tốc độ trượt và điện trở rotor.

Pietrzak-David đã thực hiện các nghiên cứu để điều khiển hai hoặc nhiều động cơ không đồng bộ bằng phương pháp điều khiển hướng từ rotor trung bình (Mean rotor field oriented control, MRFOC) trong công bố khoa học, “Electromechanical multi-machine system for railway: modelling, analysis and control” [6]. Bố cục dự kiến của luận văn Luận văn nghiên cứu các vấn đề liên quan đến điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor bao gồm các nội dung cụ thể như sau: + Chương 1: Giới thiệu chung Chương này giới thiệu chức năng và phạm vi sử dụng của động cơ không đồng bộ trong các hệ thống truyền động điện của các hệ thống công nghiệp. Bên cạnh đó, chương này cũng trình bày tổng quan các kết quả nghiên cứu của các tác giả khác liên quan đến nội dung của luận văn trong thời gian gần đây của điều khiển động cơ không đồng bộ. 4 + Chương 2: Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ Chương này trình bày cơ sở lý thuyết về mô hình toán học của động cơ không đồng bộ, cũng như các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ như phương pháp điều khiển V/f, phương pháp điều khiển định hướng từ trường FOC và phương pháp điều khiển trực tiếp moment DTC.

+ Chương 3: Điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor Chương này trình bày kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor. + Chương 4: Mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor Chương này trình bày các mô phỏng và kết quả đạt được tương ứng với các kịch bản khác nhau như: - Động cơ chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa; - Động cơ chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước; - Động cơ chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức; - Động cơ chạy không tải với vận tốc bằng 1/2 vận tốc định mức rồi đổi chiều + Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai. 5 Chương 2 Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ 2. Giới thiệu động cơ không đồng bộ Ngày nay, động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB), đặc biệt là động cơ rotor lồng sóc được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp.

Loại động cơ này có nhiều ưu điểm hơn động cơ DC như không yêu cầu bảo trì thường xuyên, độ tin cậy cao, khối lượng và quán tính nhỏ hơn, giá thành rẻ hơn và khả năng làm việc hiệu quả hơn đặc biệt trong môi trường độc hại. Do đó, ĐCKĐB được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hơn so với tất cả các loại động cơ khác. Tuy nhiên, phần lớn ĐCKĐB được sử dụng trong các ứng dụng với tốc độ không đổi, do phương pháp điều khiển tốc độ ĐCKĐB thường có hiệu suất kém. Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ bán dẫn công suất cao và kỹ thuật vi xử lý, những bộ phận điều khiển ĐCKĐB đã được chế tạo với đáp ứng cao hơn và giá thành rẻ hơn các bộ điều khiển DC trong nhiều ứng dụng.

Dự kiến trong tương lai gần, ĐCKĐB sẽ được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ. Các phương pháp điều khiển ĐCKĐB có thể được liệt kê như sau. Các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ 2. Phương pháp điều khiển V/f (điều khiển vô hướng) Tốc độ đồng bộ của ĐCKĐB tỷ lệ trực tiếp với tần số nguồn cung cấp.

Do đó, khi thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ, tốc độ đồng bộ và tương ứng là tốc độ của động cơ sẽ thay đổi. * Các đặc trưng của kỹ thuật điều khiển: + Biến điều khiển là biến điện áp và tần số; + Sử dụng bộ điều chế độ rộng xung; + Thông thường, điều khiển dạng vòng hở; + Từ thông được giữ không đổi bằng cách giữ V/f = hằng số. 6 * Ưu điểm của kỹ thuật điều khiển: + Đơn giản và không cần hồi tiếp; + Chi phí thấp. * Nhược điểm của kỹ thuật điều khiển: + Không điều khiển tối ưu được moment; + Không điều khiển trực tiếp được moment và từ thông; + Độ chính xác không cao; + Đáp ứng chậm.

Phương pháp định hướng từ trường FOC * Các đặc trưng của kỹ thuật điều khiển: + Định hướng được từ thông nên tối ưu được moment; + Điều khiển vòng kín; + Moment được điều khiển gián tiếp. * Ưu điểm của kỹ thuật điều khiển: + Đáp ứng moment nhanh; + Điều khiển chính xác vận tốc; + Đảm bảo moment ở vận tốc bằng 0; + Tương tự như điều khiển DC. * Nhược điểm của kỹ thuật điều khiển: + Phải có hồi tiếp tốc độ trong giải thuật điều khiển; + Chuyển đổi hệ quy chiếu liên tục; + Cần phải điều khiển độ rông xung, phụ thuộc vào bộ điều khiển dòng và tham số động cơ. Phương pháp điều khiển trực tiếp moment DTC * Các đặc trưng của kỹ thuật điều khiển: 7 + Điều khiển độc lập giữa moment và từ thông.

* Ưu điểm của kỹ thuật điều khiển: + Định hướng được từ thông do đó tối ưu được moment; + Điều khiển trực tiếp moment và từ thông; + Không cần hồi tiếp tốc độ, moment, từ thông được lấy trực tiếp từ hệ quan sát; + Không cần các bộ điều khiển dòng điện, các bộ điều chế độ rộng xung, khâu chuyển hệ tọa độ (biến đổi Park); + Tính động cao; + Thời gian tính toán nhanh; + Ít phụ thuộc tham số động cơ. * Nhược điểm của kỹ thuật điều khiển: + Khởi động không tốt. + Sự suy giảm kích từ và dao động của từ thông ở vùng vận tốc thấp và moment ở vùng vận tốc cao. Tần số đóng cắt bộ nghịch lưu biến đổi theo điểm làm việc của động cơ.

Mô hình động của động cơ không đồng bộ lý tưởng 2.