Chương I: TONG QUAN 1. Y nghĩa, tam quan trong của việc nghiên cứu luận văn Được sử dụng ngày càng rộng rãi trong và ngoài nước, động co IM được coi như là sức kéo của cả nền công nghiệp (vi dụ như động cơ kéo cho dây chuyên, băng truyền công nghiệp, động cơ cắt cho các loại máy phay CNC đa trục. động co IM ngày càng thu hút được nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực tự động hóa và điều khiến chuyển động. Một phan la do động co này có cau trúc khá đơn giản, dãy tốc độ chậm, giá thành chế tạo thấp (tính trên từng KW), do vậy giảm thiểu chi phí bảo trì trong suốt vòng đời sử dụng.
Theo khảo sat, thi 65% năng lượng điện được sử dụng cho động cơ điện. Trong lĩnh vực công nghiệp nói riêng, 76% được sử dụng bởi động cơ, và trên 90% là động co IM. Động cơ IM được đánh giá là có tính hiệu quả cao về tốc độ và kha năng kéo tải. Tuy nhiên nếu tải nhẹ, ton hao sắt từ tăng, làm giảm hiệu suất đáng kể, vi dụ đối với động cơ có công suất 500Hp được kiểm soát công suất phù hợp, sẽ tiết kiệm được $7000 ở mức giá điện là $0.
Do do, ta thay việc nâng cao hiệu suât động cơ là vần đê cân được nghiên cứu. Tuy nhiên động cơ IM là đối tượng phi tuyến, có nhiều thông số thay đổi trong quá trình hoạt động (điện trở stator va rotor thay đôi bởi nhiệt sinh ra trong động co, ma sát nhớt, mômen quán tinh và đặc biệt là tải thay d6i.thi phương pháp điều khiến trực tiếp momen (DTC) ra đời trễ nhất, có ưu điểm hon so với phương pháp điều khiến định hướng trường (FOC) là ít lệ thuộc vào thông số điện của động cơ, ngoại trừ giá trị điện trở stator, do đó dé cải thiện chat lượng điều khiến thì giá tri điện trở stator cần được xác định chính xác trong quá trình điều khién[6]. Với những phương pháp điều khiên toc độ được kê trên, dé toc độ được dam bảo chăc chac chính xác và ôn định, thì yêu câu có cảm biên toc độ cho việc điêu khiên vòng kín. Tuy nhiên sử dung cảm biên toc độ có một vài bat lợi vê chi phí, tín ôn định, kha năng chong nhiêu, và ảnh hưởng đên ket cau cơ khí hệ thông.
Việc ước lượng toc độ Luận văn thạc sĩ kỹ thuật HV: Nguyễn Tan Nó động cơ không cần cảm biến tốc độ đã được quan tâm nghiên cứu trong nhiều năm gần đây. Nhưng bởi vì động co mô hình IM có nhiều biến, cộng với có nhiều phương pháp điều khiển khác nhau, nên việc ước lượng tốc độ rotor và từ thông không dùng cảm biến van là một van dé cần được nghiên cứu[7][9]. Và những phương pháp điều khiến khác đã dần hoàn thiện và mang lại hiệu quả. Việc điều khiến tốc độ động cơ không dùng cảm biến tốc độ đã được nghiên cứu ngày càng phố biến hiện nay với mục đích lam giảm chỉ phí, và tránh được những khó khăn trong việc lắp cảm biến tốc độ lên trên động cơ, vì hầu hết phần cơ khí của động cơ không đồng bộ không hỗ trợ cho việc lắp đặt cảm biến tốc độ.
Điều khiến tốc độ động cơ IM được ứng dụng trong công nghiệp đòi hỏi độ chính xác cao như: băng tải trong dây chuyển đóng gói sản phẩm, máy cắt các phôi vật liệu không đồng chất. Ngoài ra việc ứng dụng xPC target điều khiến thời gian thực cho tốc độ động cơ IM có thể ứng dụng trong giáo dục, giúp mô phỏng, kiểm tra, phân tích, so sánh các lý thuyết điều khiến một cách thuận lợi và nhanh chong[10][12][18][19][20].Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 2.1 Ngoài nước Xuất phát từ sự phát hiện ra nguyên lý từ trường xoay của nhà vật lý người Pháp Francois Arago năm 1824, qua hàng trăm năm tôn tại nhưng động cơ IM vẫn được sử dụng rộng rãi trong thực tế vì: giá thành rẽ, 6n định, tính kinh tế cao. Tuy nhiên bởi được sử dụng rộng rãi với nhiều mục đích khác nhau, với những yêu cầu khác nhau về môi trường, tốc độ, điện áp.Nên có nhiều phương pháp điều khiến ra đời nhằm đáp ứng những yêu cau đó. Có nhiều phương pháp điều khiến động cơ, đơn giản nhất là sử dụng phương pháp điều khiến vô hướng, phương pháp này điều khiến tỉ số giữa điện áp và tần số không đối, từ đó thay đối tốc độ động cơ IM, phương pháp này điều khiến đơn giản, được ứng dụng cho các nhu cầu không cần độ chính xác cao như: bơm, quạt.
[2][13][15] Nhiều hãng sản xuất như: Siemens, Mishubishi, ABB, Hitachi, Omron, TOSHIBA, Panasonic, Powtrant. Da ché tao thanh công bộ điều khiến tốc độ động cơ và được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hiện nay[3]. Luận văn thạc sĩ kỹ thuật HV: Nguyễn Tan Nó Hình 1.3: Biến tan Powtrant[ 13] Hình 1.4: Biến tan Toshibal 14] Tháng 04/1998, trong báo cáo “Giải pháp xử lý tín hiệu số” của Zhenyu Yu and David Figoli mang số hiệu: SPRA284A, thuộc công ty Texas Instrument, đã dé cập việc ứng dụng chip DSP dé điều khiến tốc độ động cơ IM sử dụng phương pháp V/F, báo cáo phân tích cu thé phương pháp điều khiến V/F, khảo sát quang phố va dòng điện ở từng tốc độ và tan số khác nhau: F=25Hz, F=55Hz, F=30Hz57, F=60Hz. Năm 2004, 2005 công ty Microchip công bố dòng chíp dùng điều khiến tốc độ động cơ IM su dụng phương pháp V/F control là PIC16F7X7, PIC18F4431, dsPIC30F ở hai bang báo cáo mang kí hiệu: AN900, AN984.
Kết quả báo cáo cho thay bộ điều khiến ứng dụng điều khiến tốc độ động cơ cho máy bom, tốc độ giảm tới 20% và tiết kiệm được 50% năng lượng. Tháng 07/2013, trong biên bản báo cáo mang số hiệu SPRABQS8 cua Bilal Akin and Nishant Garg, thuộc công ty Texas Instrument, đã để cập việc ứng dụng IC TMS320F2803x trong phương pháp điều khiến V/F. Single-Phase ———» ^ li AC Input ——_—y T ww Rectifier | | Voltage Current Attenuator|Comparator ® fo) 2) `". AN2i¢ 5 -_ HOut1 —*|IGBTH1 peed Se AN1 RB4}— L2» HIN1 SD PWM1 6 HOut2|+}—? IGBTH2 3.
Pháse Fwd/Rev ——ö “e— Nl % > ae HOut3|—*|IGBTH3 hứa XỆ —* LOut1 F—*|IGBTL1 Motor Run/Stop—o co— LOut2 |—»|IGBTL2 IGBT -Phase PIC16F7X7 Optoisolators Drivers LOut3 [—*|IGBTL3 Inverter 2224 Status/Fault Indicators Hình 1.5: So đồ điều khiển IM bằng phương pháp V/F trong nghiên cứu AN900[ 17] 3 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật HV: Nguyễn Tan Nó Do đòi hỏi việc điều khiến kỹ thuật cao cho động cơ động cơ IM, năm 1971 Blaschke’s đã tìm ra phương pháp điều khiến tốc độ động co dựa vào việc điều khiến tách biệt từ thông và mômen được gọi là phương pháp điều khiến tựa trường (FOC), và từ đó đã có nhiều công việc nghiên cứu nhằm cải thiện động học và giảm thiểu tính phức tạp của phương pháp này. Trong báo cáo luận văn tiến sĩ mang tên “adaptive sliding mode observer and loss minimization for sensorless filed orientation control of induction machine” năm 2005 của Jingchuan Li, thuộc khoa điện và may tinh, dai hoc bang Ohio (The Ohio state University), tac giả đã dé cập phương pháp điều khiến tốc độ động co IM, có héi tiếp tốc độ rotor không dùng cảm biến, khi tốc độ được ước lượng từ bộ điều khiến trượt kết hợp với bộ điều khiến thích nghi. Mô phỏng được thực hiện trên Matlab Simulink, và phân cứng thực tế được điều khiển băng TMS320F2812 DSP.6: Mô hình điều khiển trong nghiên cứu của Jingchuan Li[42] Tháng 03 năm 2013, Doan Phuc Thinh, Nguyen Tan Tien, Sang Kwun Jeong, Sea June Oh, va Sang Bong Kim thuộc trường đại học quốc gia Pukyong, Busan, Han quốc, thiết kế bộ điều khiến tốc độ động cơ IM sử dụng bộ điều khiến trượt dé quan sát tốc độ rotor, điều khiến dựa trên DSP TMS320F28355. [9] Kết quả cho thời gian đáp ứng khoảng 0.7(s), dòng điện stator không dao động đột ngột giống như chưa áp dụng luật điều khiến.
Lil | h7” li ee foe Hình 1.7: Mô hình điều khiển động cơ IM của nhóm nghiên cứu ở Pukyong[9] 4 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật HV: Nguyễn Tan Nó Thông sỐ động cơ IM: momen quán tính 0. điện trở Stator 0.01(Ohm), điện tro Rotor 0.01(Ohm), độ tự cam Stator 3.I(Ohm), độ tự cảm rotor 3.1(Ohm), độ tự cảm tương hỗ 3. Những phương pháp để ước lượng được tốc độ rotor, điện trở rotor của động cơ IM cho việc điều khiển đã được thực hiện trong phương pháp điều khiến tựa trường đã được nghiên cứu như: - Dựa trên sự thay đối từ thông (Magnetic - saliency): phương pháp dựa trên sự thay đối từ thông gặp khó khăn trong khi động cơ hoạt động với vận tốc thấp. Những cách tiếp cận dựa trên các phản ứng động cơ cho phép kiểm tra tương đối tín hiệu tần số cao, mà việc nghiên cứu sự thay đổi từ của động cơ do độ bão hòa hoặc mô hình.
Chúng cần phải có dụng cụ đo có độ chính xác cao, phần cứng và phan mềm điều khiến phức tạp đối vơi việc điều khiển véctơ tiêu chuẩn. Khi hoạt động với tần số cao, phương pháp này là nguyên nhân gây ra các hiện tượng như: mômen dao động, rung, nhiễu. Hơn nữa, đặc tính này thấp không có phản hồi phù hợp, nhưng nếu tăng cường hệ thong đòi hỏi phải thiết kế máy phù hợp, do đó không thể áp dụng cho một động cơ khác phù hợp|42]. - Ước lượng tốc độ và từ thông dựa vào mô hình dòng điện và điện áp: Việc ước lượng từ thông dựa vào mô hình điện áp gặp nhiều van dé khi hoạt động trong miễn có tần số thấp, bởi vì tín hiệu nhiễu của điện áp đo được rất thấp, và rơi áp trên điện trở stator nhiều hơn.
Mô hình điện áp cũng có thé cảm ứng được từ thông. Việc xem xét từ thông dựa vào mô hình dòng điện cho kết quả kha thi hơn khi hoạt động với tốc độ thấp. Ngoài ra, độ chính xác của nó không bị ảnh hưởng bởi sự rò ri điện cảm trong mọi điều kiện hoạt động. Tuy nhiên nó không làm việc tốt ở tốc độ cao, bởi vì điện trở rotor thay đối.
Do đó, dé đạt được đáp ứng tốt, thì nên điều khiến quan sát mô hình dòng điện ở tốc độ thấp, và quan sát mô hình điện áp ở tốc độ cao|42]. - Phương pháp thích nghi dựa trên mô hình tham khảo: Là phương pháp ước lượng từ thông dựa trên mô hình tham khảo của hệ thong, va su dung cac chién luge thich nghi khác. Ước lượng dựa trên sự so sánh giữa ngõ ra của hai giá trị ước lượng, va sai số ngõ ra được sử dụng dé điều khiến mô hình cho phù hợp tốc độ ước lượng. Phương pháp này yêu câu tích hợp hai mô hình.