I. Tổng Quan Về Điều Khiển Động Cơ Không Đồng Bộ Rotor Lồng Sóc
Động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc (KĐB-RTLS) nổi bật với kết cấu cơ khí bền vững và giá thành hợp lý. Sự phát triển của kỹ thuật điện tử và các phương pháp điều khiển hiện đại đã biến động cơ không đồng bộ thành một phần không thể thiếu trong các hệ truyền động. Tuy nhiên, KĐB-RTLS là đối tượng phi tuyến phức tạp, gây khó khăn trong việc điều khiển. Tính phi tuyến thể hiện ở cả cấu trúc mô hình và tham số mô hình của động cơ. Các nghiên cứu tập trung vào mô hình hóa các yếu tố phi tuyến để có mô hình chính xác, từ đó nâng cao chất lượng điều khiển động cơ.
Luận văn này trình bày tổng quan các yếu tố tạo nên đặc điểm phi tuyến tham số của mô hình động cơ đã được công bố. Nó đi sâu vào xây dựng mô hình động cơ KĐB-RTLS, chỉ ra các đặc điểm phi tuyến trong mô hình. Một đặc điểm nổi bật là hiện tượng bão hòa từ, trong đó quan hệ giữa dòng điện từ hóa và từ thông là phi tuyến, làm cho điện cảm trở thành hàm phi tuyến của từ thông. “Việc nghiên cứu thiết kế điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc bằng bộ điều khiển tựa theo thụ động (Passivity based) nhằm đánh giá khả năng ứng dụng của phương pháp này cho hệ thống” (Đặng Thị Huyền Trang, 2017).
1.1. Ưu điểm vượt trội của động cơ rotor lồng sóc 3 pha
Động cơ KĐB-RTLS được ưa chuộng nhờ vào độ bền cơ học và chi phí thấp. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các hệ truyền động. Tuy nhiên, tính phi tuyến của động cơ không đồng bộ đòi hỏi các phương pháp điều khiển phức tạp. Sự phát triển của các thuật toán điều khiển hiện đại đã giúp khắc phục những hạn chế này. Ngày nay, KĐB-RTLS là một lựa chọn kinh tế và hiệu quả cho nhiều ứng dụng công nghiệp.
1.2. Thách thức điều khiển do tính chất phi tuyến động cơ
Tính phi tuyến của động cơ KĐB-RTLS là một thách thức lớn trong điều khiển. Đặc điểm này xuất phát từ cả cấu trúc mô hình và các tham số của động cơ. Để đạt được hiệu suất điều khiển cao, cần có các mô hình chính xác và thuật toán điều khiển tiên tiến. Nhiều nghiên cứu đã tập trung vào việc giải quyết vấn đề phi tuyến này.
II. Xác Định Vấn Đề Bão Hòa Từ Trong Động Cơ Không Đồng Bộ 3 Pha
Hiện tượng bão hòa từ trong mạch từ của động cơ là một yếu tố quan trọng tạo nên tính phi tuyến của tham số mô hình. Mối quan hệ giữa dòng điện từ hóa và từ thông là phi tuyến. Do đó, điện cảm là hàm phi tuyến của từ thông móc vòng qua mạch từ. Trong thực tế, người ta thường xấp xỉ quan hệ này bằng mô hình đường từ hóa trung bình, chia thành vùng tuyến tính và vùng bão hòa.
Trong vùng tuyến tính, quan hệ là tuyến tính và điện cảm là hằng số. Khi dòng từ hóa vượt ra khỏi vùng tuyến tính, từ thông tăng chậm. Nếu vẫn coi điện cảm là hằng số trong vùng bão hòa, sẽ gây ra sai số. “Để thấy được tính phi tuyến của tham số mô hình động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc, ta xuất phát từ hiện tượng bão hòa từ trong mạch từ của động cơ” (Đặng Thị Huyền Trang, 2017).
2.1. Ảnh hưởng của bão hòa từ lên điện cảm động cơ
Hiện tượng bão hòa từ ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị điện cảm của động cơ. Khi mạch từ bão hòa, điện cảm không còn là hằng số mà trở thành hàm phi tuyến của từ thông. Điều này gây khó khăn trong việc điều khiển chính xác. Để giảm thiểu sai số, cần phải xem xét ảnh hưởng của bão hòa từ trong mô hình động cơ.
2.2. Mô hình hóa đường cong từ hóa trong động cơ điện
Đường cong từ hóa mô tả mối quan hệ giữa dòng điện từ hóa và từ thông. Để thuận tiện cho việc cài đặt thuật toán, đường cong này có thể được mô tả bằng hàm xấp xỉ (hàm mũ, hàm logarithm) hoặc tra bảng từ kết quả thí nghiệm. Việc mô hình hóa chính xác đường cong từ hóa là rất quan trọng để điều khiển động cơ hiệu quả.
2.3. Phân loại bão hòa từ thông chính và từ thông tản
Trong động cơ dị bộ, bão hòa từ chia thành hai loại: bão hòa từ thông chính và bão hòa từ thông tản. Thường chỉ tập trung vào bão hòa từ thông chính. Từ thông tản phụ thuộc chủ yếu vào kết cấu cơ học và ít phụ thuộc vào dòng điện. Việc bỏ qua bão hòa từ thông tản thường không ảnh hưởng lớn đến kết quả.
III. Phân Tích Hiệu Ứng Dãn Dòng Ảnh Hưởng Nhiệt Độ Lên Động Cơ
Hiệu ứng dãn dòng là hiện tượng dòng điện tập trung trên bề mặt dây dẫn, làm tăng điện trở. Ảnh hưởng rõ rệt ở mạch điện tần số cao và tiết diện dây lớn. Đối với KĐB-RTLS, có thể bỏ qua hiệu ứng dãn dòng bên phía stator. Nhưng ở mạch rotor, hiệu ứng này khó bỏ qua do kích thước rotor lớn và tiết diện thanh dẫn lớn.
Ngoài ra, nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến điện trở của dây dẫn. Sự thay đổi điện trở này làm cho mô hình sai lệch. Để đảm bảo chất lượng điều khiển, cần xét đến ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự thay đổi điện trở dây dẫn. “Đối với động cơ KĐB-RTLS thì với tiết diện dây nhỏ và có thể bù bằng cơ cấu thích hợp, hiệu ứng dãn dòng có thể được bỏ quả bên phía mạch stator.” (Đặng Thị Huyền Trang, 2017).
3.1. Tác động của hiệu ứng dãn dòng lên điện trở rotor
Hiệu ứng dãn dòng làm tăng điện trở rotor, đặc biệt khi hệ số trượt lớn (ví dụ, khi khởi động). Hiệu ứng này có thể được tận dụng để tăng mô-men khi khởi động. Trong hệ điều khiển T4R, việc áp đặt dòng nhanh có thể khống chế giới hạn của hệ số trượt.
3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến điện trở và hiệu suất động cơ
Nhiệt độ ảnh hưởng đến điện trở dây dẫn, làm sai lệch mô hình. Cần xét đến ảnh hưởng của nhiệt độ để đảm bảo chất lượng điều khiển. Độ chính xác của điện trở rotor rất quan trọng. Trong hệ truyền động chất lượng cao, việc nhận dạng điện trở rotor on-line là cần thiết.
3.3. Công thức tính toán điện trở theo nhiệt độ động cơ
Điện trở thay đổi theo nhiệt độ. Công thức Rt = R20 (1 + αΔt) mô tả sự phụ thuộc này. Rt là điện trở tại nhiệt độ t°C, R20 là điện trở tại 20°C, α là hệ số nhiệt (α = 0.0043 1/°C), và Δt là độ chênh lệch nhiệt độ so với 20°C.
IV. Xây Dựng Mô Hình Toán Học Động Cơ KĐB RTLS Ba Pha Chi Tiết
Mô hình toán học mô tả động cơ KĐB-RTLS bằng các phương trình trên hệ thống cuộn dây stator và rotor. Các phương trình điện áp, từ thông và chuyển động được sử dụng. Biểu diễn các đại lượng ba pha (dòng điện, điện áp, từ thông) dưới dạng vector không gian. Sử dụng hệ tọa độ αβ để mô tả các đại lượng điện của động cơ.
Trên hệ tọa độ dq, các đại lượng điện được biểu diễn, làm cơ sở cho phương pháp điều khiển T4R. Việc biểu diễn tường minh quan hệ giữa dòng và từ thông trên hệ tọa độ cụ thể cần thực hiện phép biến đổi tọa độ. “Với cách biểu diễn vector không gian như trên, thì các đại lượng dòng điện, điện áp ba pha của động cơ có thể được mô tả bởi một vector hai chiều trên bất kỳ một hệ tọa độ vuông góc nào” (Đặng Thị Huyền Trang, 2017).
4.1. Biểu diễn vector không gian của dòng điện điện áp và từ thông
Các đại lượng ba pha (dòng điện, điện áp, từ thông) được biểu diễn dưới dạng vector không gian. Điều này cho phép mô tả chúng bằng một vector hai chiều trên hệ tọa độ vuông góc. Vector dòng stator được xây dựng từ ba dòng pha.
4.2. Mô tả hệ tọa độ αβ và dq trong phân tích động cơ
Hệ tọa độ αβ được sử dụng để biểu diễn các đại lượng điện trên cuộn dây stator và rotor. Hệ tọa độ dq là hệ quay đồng bộ với vector từ thông rotor. Việc biểu diễn trên hệ tọa độ dq là cơ sở cho phương pháp điều khiển T4R.
4.3. Phương trình điện áp từ thông và chuyển động của động cơ
Mô hình toán học bao gồm các phương trình điện áp stator và rotor, phương trình từ thông (mối quan hệ giữa dòng và từ thông), và phương trình chuyển động (mô-men của động cơ và tải). Các phương trình này mô tả động học của động cơ KĐB-RTLS.
V. Thiết Kế Bộ Điều Khiển Phi Tuyến Cho Động Cơ Không Đồng Bộ
Việc chọn hệ tọa độ để mô tả động cơ là rất quan trọng, quyết định đến chất lượng của bộ điều khiển. Phương pháp điều khiển tựa theo thụ động (Passivity-Based Control) cho phép thiết kế bộ điều khiển trên bất kỳ hệ tọa độ nào. Tuy nhiên, để giảm công việc tính toán và tăng sự bền vững về mặt số học, mô tả động cơ trên hệ tọa độ cố định αβ stator là tốt nhất.
Mô tả động cơ trên hệ tọa độ quay với vận tốc góc ωk bất kỳ so với hệ tọa độ cố định stator. Áp dụng công thức chuyển đổi hệ tọa độ để thu được phương trình điện áp trên hệ tọa độ quay ωk bất kỳ. “Mặc dù với phương pháp điều khiển tựa theo thụ động thì về lý thuyết có thể thiết kế bộ điều khiển trên bất cứ hệ tọa độ nào, bởi vì đặc tính năng lượng của động cơ là không đổi khi thay đổi hệ tọa độ.” (Đặng Thị Huyền Trang, 2017).
5.1. Lựa chọn hệ tọa độ tối ưu cho thiết kế bộ điều khiển
Hệ tọa độ cố định αβ stator là lựa chọn tốt nhất để thiết kế bộ điều khiển, giảm công việc tính toán và tăng tính bền vững. Phương pháp điều khiển phi tuyến cho phép thiết kế trên bất kỳ hệ tọa độ nào, nhưng αβ là lựa chọn hiệu quả hơn.
5.2. Phương pháp điều khiển tựa theo thụ động Passivity Based Control
Passivity-Based Control (PBC) là một phương pháp điều khiển phi tuyến dựa trên đặc tính năng lượng của hệ thống. PBC có thể được áp dụng để điều khiển động cơ KĐB-RTLS, đảm bảo tính ổn định và hiệu suất cao.
5.3. Phương trình điện áp trên hệ tọa độ quay bất kỳ
Phương trình điện áp trên hệ tọa độ quay bất kỳ (ωk) thu được bằng cách áp dụng công thức chuyển đổi hệ tọa độ. Điều này cho phép mô tả động cơ trên các hệ tọa độ khác nhau, tùy thuộc vào yêu cầu của bài toán điều khiển.
VI. Mô Phỏng Đánh Giá Chất Lượng Điều Khiển Động Cơ KĐB RTLS
Mô hình trạng thái liên tục của động cơ KĐB-RTLS được biểu diễn trên hệ tọa độ cố định stator và hệ tọa độ từ thông rotor. Trên hệ tọa độ cố định αβ stator, rotor quay với vận tốc góc ω. Phương trình điện áp có dạng tương ứng. Biến đổi hệ phương trình để thu được hệ phương trình điện áp tường minh. Cuối cùng, có phương trình mômen.
Trên hệ tọa độ từ thông rotor, phương trình có dạng khác. Sơ đồ khối của động cơ KĐB-RTLS trên hệ tọa độ dq được xây dựng. Đặc điểm phi tuyến của động cơ KĐB-RTLS thể hiện ở các điểm khác nhau. “Với mỗi phương pháp thiết kế bộ điều khiển thì việc chọn hệ toạ độ để mô tả động cơ là rất quan trọng, quyết định đến chất lượng của bộ điều khiển” (Đặng Thị Huyền Trang, 2017).
6.1. Mô hình trạng thái liên tục trên hệ tọa độ cố định stator
Mô hình trạng thái liên tục trên hệ tọa độ cố định stator (αβ) giúp đơn giản hóa các phương trình điều khiển. Rotor quay với vận tốc góc ω so với hệ tọa độ này. Các phương trình điện áp, từ thông và mô-men được biểu diễn rõ ràng.
6.2. Mô hình trạng thái liên tục trên hệ tọa độ từ thông rotor
Mô hình trạng thái liên tục trên hệ tọa độ từ thông rotor (dq) thường được sử dụng trong điều khiển vector. Các phương trình được viết trên hệ tọa độ này phức tạp hơn, nhưng cung cấp thông tin chi tiết về từ thông rotor.
6.3. Sơ đồ khối động cơ KĐB RTLS trên hệ tọa độ dq
Sơ đồ khối của động cơ KĐB-RTLS trên hệ tọa độ dq mô tả mối quan hệ giữa các đại lượng điện và cơ. Sơ đồ này giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc và hoạt động của động cơ.
