Đặt vấn đề Trong khoa học kỹ thuật, các hệ thống phức tạp trên thực tế thƣờng không thể mô tả đầy đủ và chính xác bởi các phƣơng trình toán học truyền thống. Kết quả là những cách tiếp cận kinh điển dựa trên kỹ thuật phân tích và các phƣơng trình toán học nhanh chóng tỏ ra không còn phù hợp. Vì thế công nghệ tính toán mềm chính là một giải pháp. Đặc điểm của công nghệ tính toán mềm là: - Tính toán mềm căn cứ trên đặc điểm, hành vi của con ngƣời và tự nhiên để đƣa ra quyết định hợp lý trong điều kiện không chính xác và không chắc chắn.
- Các thành phần của tính toán mềm có sự bổ sung hỗ trợ lẫn nhau. - Tính toán mềm là một hƣớng nghiên cứu mở, bất kỳ một kỹ thuật mới nào đƣợc tạo ra từ việc bắt chƣớc trí thông minh của con ngƣời đều có thể trở thành một phần mới của tính toán mềm. Công nghệ tính toán mềm bao gồm: - Bộ điều khiển PD mờ. Ngày nay khoa học kỹ thuật trên thế giới đang phát triển rất nhanh, luôn đạt đến những yêu cầu kỹ thuật mới.
Đa số các thiết bị trong hệ thống điện công nghiệp, các dây chuyền sản xuất trong nhà máy đƣợc điều khiển từ động cơ cảm ứng KĐB với các chi phí hợp lý và độ bền cấu trúc. Hiệu quả kinh tế trong sản xuất phụ thuộc vào việc sử dụng hợp lý các thiết bị điện trong sản xuất. Điều khiển phải đạt hiệu suất tối ƣu nhất. Hầu hết các động cơ điện KĐB đều đƣợc cung cấp nguồn từ lƣới điện xoay chiều 3 pha.
Các hệ thống cần điều khiển tốc độ động cơ theo yêu cầu chính xác, mô men ổn định, chúng phải đƣợc cung cấp nguồn thông qua bộ biến tần để điều khiển động cơ. Ngày nay biến tần là thiết bị có vai trò rất quan trọng trong điều khiển động cơ KĐB, đƣợc ứng dụng đa dạng trong các lĩnh vực điện công nghiệp và dân dụng nhƣ: Nhà máy sản xuất, hệ thống cấp thoát nƣớc, hệ thống giao thông vận tải, hệ thống năng lƣợng xanh, và các ngành phục vụ cho máy công cụ. HVTH: Nguyễn Minh Sĩ 1 GVHD: PGS. TS Dương Hoài Nghĩa Chƣơng 1 Tổng quan Cơ sở điều khiển máy điện KĐB 3 pha hiện đại là phƣơng pháp điều khiển vec tơ đã phát triển rất phổ biến trong những năm qua.
Phƣơng diện động lực học truyền động, việc điều chỉnh tốc độ quay động cơ dùng động cơ KĐB ba pha rotor ngắn mạch đƣợc nuôi bằng biến tần nguồn áp hoặc nguồn dòng. Phƣơng pháp điều khiển đã đƣợc đề xuất chia thành hai loại: Điều khiển trực tiếp và gián tiếp. Tuy nhiên, cả hai phƣơng pháp đòi hỏi các kiến thức về thông số máy. Phƣơng pháp điều khiển động cơ KĐB 3 pha theo trực tiếp mô men đƣợc áp dụng vào thực tế, cho phép điều khiển chính xác mô men và tốc độ động cơ.
Ngày nay động cơ KBĐ đƣợc sử dụng trong nhà máy, sử dụng cho các dây chuyền sản xuất thay thế các động cơ một chiều. Sự phát triển của kỹ thuật điều khiển động cơ Sự xuất hiện động cơ điện một chiều đã giải quyết đƣợc các bài toán về truyền động. Khi cần thay đổi tốc độ và mô men thì đƣợc điều khiển dễ dàng nhờ cấu trúc đơn giản của mạch kích từ và mạch phần ứng làm cho việc điều khiển từ thông và mô men dễ dàng và độc lập.1: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập Ta xét hai phƣơng trình sau Mm = k1ψmi m (1.2) Mm : Mô men của động cơ Ψm : Từ thông của động cơ im : dòng phần ứng ik : dòng kích từ HVTH: Nguyễn Minh Sĩ 2 GVHD: PGS. TS Dương Hoài Nghĩa Chƣơng 1 Tổng quan k1, k2 : hằng số động cơ Tuy nhiên nhƣợc điểm của máy điện một chiều là: kích thƣớc lớn, do kết cấu cổ góp - chổi than nên trong quá trình vận hành sinh ra tia lửa điện.
Động cơ KĐB không cần cấu trúc cổ góp – chổi than, điều này cho phép làm việc trong môi trƣờng cháy nổ. Mặt khác, động cơ KĐB có trọng lƣợng nhẹ và gọn hơn so với động cơ DC. Cấu trúc rotor lồng sóc chắc chắn nên có thể vận hành ở tốc độ cao. Trƣớc khi xuất hiện các linh kiện điện tử công suất thì việc thay đổi tốc độ có thể đƣợc thực hiện bằng cách sửa đổi số đôi cực bằng cách tăng số lƣợng dây quấn pha stator nhƣng việc này cũng hạn chế do tăng giá thành hoặc thay đổi điện áp nguồn và chỉ áp dụng dãy tốc độ không cần sự liên tục.
Cùng với những ƣu điểm của động cơ KĐB và với sự phát triển của công nghệ bán dẫn. Điện tử công suất tiền thân của các kỹ thuật điều khiển động cơ KĐB 3 pha từ đơn giản nhƣ điều khiển V/f (Voltage/frequency), đến các kỹ thuật điều khiển hiện đại nhƣ điều khiển định hƣớng trƣờng (FOC – Field oriented control), điều khiển trực tiếp mô men (DTC – Direct Torque control) hay các điều khiển thông minh. Tất cả những phƣơng pháp điều khiển đó nhằm mục đích tìm ra một phƣơng pháp điều khiển tốc độ động cơ đơn giản nhất. Các phƣơng pháp điều khiển động cơ KĐB 1.
Phƣơng pháp V/f = const (điều khiển vô hƣớng) Biên độ điện áp stator đƣợc điều chỉnh tỉ lệ với tần số nhằm duy trì từ thông không thay đổi. Phƣơng pháp này thay đổi từ trƣờng quay của stator bằng cách thay đổi tần số nguồn điện cung cấp, mô men đƣợc cải thiện phụ thuộc vào sự khác biệt giữa từ trƣờng quay và tốc độ rotor. Điều khiển vô hƣớng có các đặc điểm sau: - Biến điều khiển là điện áp và tần số. - Sử dụng bộ điều chế độ rộng xung.
- Thông thƣờng điều khiển ở dạng vòng hở. - Từ thông đƣợc giữ không đổi bằng cách giữ V/f = const. Ƣu điểm: HVTH: Nguyễn Minh Sĩ 3 GVHD: PGS. TS Dương Hoài Nghĩa Chƣơng 1 Tổng quan - Đơn giản, không cần hồi tiếp.
Nhƣợc điểm: - Không điều khiển tối ƣu đƣợc mô men. - Không điều khiển đƣợc trực tiếp mô men và từ thông Stator. - Độ chính xác không cao. Phƣơng pháp điều khiển định hƣớng trƣờng (FOC) Điều khiển định hƣớng trƣờng (FOC) đạt đƣợc việc thay đổi mô men và từ thông dẫn đến việc điều khiển đƣợc từ thông và mô men tƣơng tự nhƣ động cơ DC kích từ độc lập.
Điều khiển định hƣớng trƣờng FOC có các đặc điểm sau: - Định hƣớng đƣợc từ thông, tối ƣu đƣợc mô men. - Điều khiển vòng kín, mô men đƣợc điều khiển gián tiếp. Ƣu điểm: - Điều khiển chính xác vận tốc. - Đáp ứng mô men nhanh.
- Nguyên lý điều khiển tƣơng tự động cơ DC. Nhƣợc điểm: - Phải có hồi tiếp từ thông trong giải thuật điều khiển. - Quá trình điều khiển phải chuyển đổi hệ quy chiếu liên tục. - Cần phải điều chế độ rộng xung, phụ thuộc vào bộ điều khiển dòng hay áp và thông số đầy đủ của động cơ.
Phƣơng pháp điều khiển trực tiếp mô men (DTC) Điều khiển trực tiếp mô men có các đặc điểm sau: - Điều khiển độc lập giữa mô men và từ thông. Ƣu điểm: - Định hƣớng đƣợc từ thông do đó tối ƣu đƣợc mô men. - Điều khiển trực tiếp mô men và từ thông. HVTH: Nguyễn Minh Sĩ 4 GVHD: PGS.
TS Dương Hoài Nghĩa Chƣơng 1 Tổng quan - Không cần bộ hồi tiếp tốc độ, mô men, từ thông 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). - Ít phụ thuộc vào tham số của động cơ. Nhƣợc điểm: - Dòng khởi động không tốt.
- Sự suy giảm kích từ và dao động của từ thông ở vùng vận tốc thấp và mô men ở vùng vận tốc cao. Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu Tìm hiểu lý thuyết về công nghệ tính toán mềm (bộ điều khiển PD mờ), điều khiển trực tiếp mô men, phƣơng pháp ƣớc lƣợng từ thông. Xây dựng mô hình động cơ KĐB 3 pha, DTC với bộ điều khiển PD cổ điển, DTC với bộ điều khiển PD mờ. Mô phỏng và phân tích kết quả bằng phần mềm Matlab Simulink 1.
Phƣơng pháp nghiên cứu Tham khảo tài liệu: Sách trong nƣớc và nƣớc ngoài, các công trình nghiên cứu khoa học đã đƣợc công bố, báo và tạp trí khoa học trên internet. Khảo sát, phân tích tổng hợp, mô hình hóa và mô phỏng các phần tử trên máy tính dùng chƣơng trình Matlab Simulink. Đánh giá kết quả dựa trên kết quả mô phỏng. Nội dung của luận văn Nội dung thực hiện luận văn gồm 5 chƣơng Chƣơng 1: Tổng quan.
Chƣơng 2: Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha. Chƣơng 3: Cơ sở lý thuyết. Chƣơng 4: Xây dựng cấu trúc các khối điều khiển và phân tích kết quả mô phỏng. Chƣơng 5: Kết luận và hƣớng phát triển đề tài.
HVTH: Nguyễn Minh Sĩ 5 GVHD: PGS. TS Dương Hoài Nghĩa Chƣơng 1 Tổng quan 1. Ý nghĩa thực tiễn của luận văn Đề tài là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, kỹ sƣ về lĩnh vực điều khiển máy điện, quan tâm đến phƣơng pháp điều khiển trực tiếp mô men để điều khiển động cơ KĐB, cung cấp những kiến thức về cách thức tiếp cận lý thuyết điều khiển trực tiếp mô men. Ứng dụng công nghệ tính toán mềm trong điều khiển trực tiếp mô men để điều khiển động cơ KĐB.
Xây dựng các mô hình động cơ điện, thiết kế các thành phần của bộ điều khiển và mô hình hóa bằng các công cụ trong Simulink và Control System Toolbox dùng phần mềm Matlab của công ty MathWorks. Các đọc giả, sinh viên và kỹ sƣ có quan tâm sẽ phát triển thêm các kiến thức về kỹ thuật điều khiển động cơ và các thuật toán điều khiển về lĩnh vực điều khiển thông minh nhƣ: Logic mờ để làm thực nghiệm điều khiển động cơ KĐB đạt hiệu suất tối ƣu nhất. HVTH: Nguyễn Minh Sĩ 6 GVHD: PGS. TS Dương Hoài Nghĩa Chƣơng 2 Mô hình động cơ không đồng bộ 3 pha Chƣơng 2: MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA Xây dựng một mô hình toán động cơ KĐB 3 pha đòi hỏi phải mô tả chính xác mô hình toán và thể hiện rõ đặc tính thời gian của đối tƣợng điều khiển, tức là các tham số của động cơ sẽ thay đổi theo các điều kiện vận hành nhƣ nhiệt độ, chế độ tải, tần số.
Trong chƣơng này ta sẽ đƣa ra một số nội dung cơ bản để xây dựng các vec tơ trên hệ trục tọa độ cố định stator (hệ tọa độ αβ) và trên tọa độ quay rotor (hệ tọa độ dq). Từ đó ta xây dựng các mô hình toán của động cơ KĐB.