Luận văn thạc sĩ hcmute ứng dụng cộng nghệ tính toán mềm trong hệ thống điều khiển trực tiếp mô men động cơ không đồng bộ 3 pha

Luận văn thạc sĩ toán học nghiên cứu hcmute ứng dụng cộng nghệ tính toán mềm trong hệ thống điều khiển trực tiếp mô men động cơ không, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân,

• Tác giả: Nguyễn Minh Sĩ
• Người hướng dẫn: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Ứng Dụng Công Nghệ Tính Toán Mềm Trong Điều Khiển Mô Men Động Cơ 3 Pha
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Sự phát triển của kỹ thuật điều khiển động cơ
• 1.2. Các phương pháp điều khiển động cơ KĐB
• 1.3. Phương pháp V/f = const (điều khiển vô hướng)
• 1.4. Phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC)
• 1.5. Phương pháp điều khiển trực tiếp mô men (DTC)
• 1.6. Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu
• 1.7. Phương pháp nghiên cứu
• 1.8. Nội dung của luận văn
• 1.9. Ý nghĩa thực tiễn của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
• 2.1. Xây dựng vectơ không gian
• 2.2. Mô tả vectơ trên hệ tọa độ cố định stator (hệ tọa độ αβ)
• 2.3. Mô tả vectơ trên tọa độ quay rotor (hệ tọa độ dq)
• 2.4. Mô hình của động cơ KĐB 3 pha
• 2.5. Hệ phương trình trạng thái của động cơ KĐB 3 pha trên hệ tọa độ stator (αβ)
• 2.6. Hệ phương trình trạng thái của động cơ KĐB 3 pha trên hệ tọa độ từ thông rotor (dq)
• 2.7. Phép chuyển hệ trục tọa độ
• 2.8. Phép chuyển hệ trục tọa độ abc sang hệ trục tọa độ αβ và ngược lại
• 2.9. Phép chuyển hệ trục tọa độ abc sang hệ tọa độ dq và ngược lại
• 2.10. Phép chuyển hệ trục tọa độ αβ sang hệ tọa độ dq và ngược lại
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3.1. Điều khiển trực tiếp mô men
• 3.2. Giới thiệu về phương pháp điều khiển trực tiếp mô men (DTC) động cơ không đồng bộ
• 3.3. Giải thuật điều khiển DTC
• 3.4. Các công thức tính toán trong phương pháp
• 3.5. Điều khiển các tín hiệu trong hệ thống
• 3.6. Chọn lựa vectơ điện áp thích hợp
• 3.7. Công nghệ tính toán mềm
• 3.7.1. Tập hợp mờ (Fuzzy set)
• 3.7.2. Tập hợp rõ (crisp set)
• 3.7.3. Tập hợp mờ
• 3.7.4. Các phép toán trên tập hợp mờ
• 3.7.5. Biến ngôn ngữ
• 3.7.6. Suy diễn mờ
• 3.7.7. Hệ thống xử lý mờ
• 3.7.8. Suy diễn mờ (fuzzy inference engine)
• 3.7.9. Khối giải mờ (defuzzifier)
• 3.7.10. Tính phi tuyến của hệ thống xử lý mờ
• 3.7.11. Điều khiển mờ
• 3.7.12. Sử dụng phần mềm Matlab/Fuzzy Toolbox
• 4. CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CẤU TRÚC CÁC KHỐI ĐIỀU KHIỂN VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 4.1. Xây dựng cấu trúc các khối điều khiển
• 4.2. Sơ đồ mô phỏng DTC ứng dụng bộ điều khiển PD cổ điển
• 4.3. Sơ đồ khối ước lượng từ thông stator và mô men
• 4.4. Sơ đồ khối bộ điều khiển PD cổ điển
• 4.5. Sơ đồ khối so sánh từ thông và mô men
• 4.6. Sơ đồ khối xác định góc sector
• 4.7. Sơ đồ khối đóng cắt điện áp trong bộ nghịch lưu
• 4.8. Sơ đồ khối động cơ không đồng bộ 3 pha trong hệ tọa độ αβ
• 4.9. Khối chuyển tọa độ abc sang αβ và αβ sang abc
• 4.10. Sơ đồ mô phỏng DTC ứng dụng bộ điều khiển PD mờ
• 4.11. Bộ điều khiển PD mờ
• 4.12. Các hàm thành viên
• 4.13. Phân tích kết quả mô phỏng
• 4.14. Thông số động cơ KĐB 3 pha
• 4.15. Phân tích kết quả mô phỏng
• 4.16. Đáp ứng từ thông stator và rotor lúc khởi động
• 4.17. Điện áp và dòng điện lúc khởi động
• 4.18. Đáp ứng từ thông stator và rotor
• 4.19. Quan hệ giữa tốc độ rotor và mô men điện từ theo thời gian
• 4.20. Đáp ứng từ thông động cơ
• 4.21. Đáp ứng tốc độ động cơ
• 4.22. Đáp ứng mô men của động cơ
• 4.23. Đáp ứng dòng điện của động cơ
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• 5.1. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ, công nghệ tính toán mềm đã trở thành một giải pháp quan trọng trong việc điều khiển các hệ thống phức tạp như động cơ 3 pha. Các phương pháp điều khiển truyền thống thường không đáp ứng được yêu cầu của các hệ thống phi tuyến, do đó, việc áp dụng công nghệ tính toán mềm giúp cải thiện hiệu suất điều khiển. Đặc biệt, điều khiển mô men động cơ thông qua phương pháp DTC (Direct Torque Control) đã cho thấy khả năng điều khiển chính xác và ổn định. Việc sử dụng bộ điều khiển mờ (Fuzzy Logic Controller - FLC) trong hệ thống này không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu suất mà còn giảm thiểu độ phức tạp trong việc điều khiển. Theo nghiên cứu, việc áp dụng công nghệ tính toán mềm trong điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha đã mang lại những kết quả khả quan, cho thấy sự cần thiết của việc phát triển và ứng dụng các phương pháp điều khiển hiện đại.

1.1. Sự phát triển của kỹ thuật điều khiển động cơ

Sự phát triển của kỹ thuật điều khiển động cơ đã trải qua nhiều giai đoạn, từ các phương pháp đơn giản như V/f = const đến các phương pháp hiện đại như FOC và DTC. Đặc biệt, DTC cho phép điều khiển độc lập giữa từ thông và mô men, điều này rất quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao. Việc áp dụng công nghệ tính toán mềm trong điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha đã mở ra hướng đi mới cho việc tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu chi phí. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng bộ điều khiển mờ có thể cải thiện đáng kể hiệu suất điều khiển, giúp động cơ hoạt động ổn định hơn trong các điều kiện khác nhau.

II. Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha

Mô hình của động cơ không đồng bộ ba pha là một phần quan trọng trong việc phát triển các phương pháp điều khiển. Việc xây dựng mô hình động cơ dựa trên các phương trình trạng thái cho phép phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển một cách hiệu quả. Các phương trình này mô tả mối quan hệ giữa các đại lượng như điện áp, dòng điện, từ thông và mô men. Sự chuyển đổi giữa các hệ tọa độ như αβ và dq cũng rất quan trọng trong việc tối ưu hóa quá trình điều khiển. Việc áp dụng công nghệ tính toán mềm trong mô hình này giúp cải thiện khả năng dự đoán và điều khiển, từ đó nâng cao hiệu suất của hệ thống. Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc sử dụng bộ điều khiển mờ có thể giúp động cơ hoạt động hiệu quả hơn trong các điều kiện khác nhau.

2.1. Xây dựng mô hình động cơ

Việc xây dựng mô hình cho động cơ không đồng bộ ba pha bao gồm việc xác định các thông số kỹ thuật và các phương trình trạng thái. Các phương trình này giúp mô tả hành vi của động cơ trong các điều kiện hoạt động khác nhau. Sự chuyển đổi giữa các hệ tọa độ như αβ và dq là rất quan trọng để đảm bảo rằng các tín hiệu điều khiển được tối ưu hóa. Việc áp dụng công nghệ tính toán mềm trong mô hình này không chỉ giúp cải thiện độ chính xác mà còn giảm thiểu độ phức tạp trong việc điều khiển. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng bộ điều khiển mờ có thể giúp cải thiện đáng kể hiệu suất của động cơ, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao.

III. Cơ sở lý thuyết

Cơ sở lý thuyết cho việc điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha dựa trên các phương pháp hiện đại như DTC và FLC. Phương pháp DTC cho phép điều khiển mô men và từ thông một cách độc lập, điều này rất quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao. Việc áp dụng công nghệ tính toán mềm trong điều khiển động cơ không đồng bộ giúp cải thiện khả năng điều khiển trong các điều kiện không chắc chắn. Các thuật toán điều khiển mờ giúp xử lý các tín hiệu không chính xác và đưa ra quyết định hợp lý. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng bộ điều khiển mờ có thể giúp tối ưu hóa hiệu suất điều khiển, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động của động cơ.

3.1. Phương pháp điều khiển trực tiếp mô men

Phương pháp điều khiển trực tiếp mô men (DTC) là một trong những phương pháp tiên tiến nhất trong việc điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha. Phương pháp này cho phép điều khiển độc lập giữa mô men và từ thông, giúp động cơ hoạt động ổn định hơn trong các điều kiện khác nhau. Việc áp dụng công nghệ tính toán mềm trong DTC giúp cải thiện khả năng điều khiển, đặc biệt trong các tình huống không chắc chắn. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng bộ điều khiển mờ có thể giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển, từ đó nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật phát triển nhanh chóng, việc điều khiển động cơ không đồng bộ (KĐB) ba pha trở thành một lĩnh vực trọng điểm trong ngành kỹ thuật điện. Động cơ KĐB được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điện công nghiệp và dây chuyền sản xuất nhờ chi phí hợp lý và độ bền cao. Tuy nhiên, việc điều khiển động cơ KĐB là một thách thức lớn do tính phi tuyến và phức tạp của hệ thống. Theo ước tính, hiệu quả kinh tế trong sản xuất phụ thuộc rất nhiều vào việc điều khiển chính xác tốc độ và mô men của động cơ.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là ứng dụng công nghệ tính toán mềm, cụ thể là bộ điều khiển PD mờ (Fuzzy Logic Controller - FLC), trong hệ thống điều khiển trực tiếp mô men (Direct Torque Control - DTC) cho động cơ KĐB ba pha. Nghiên cứu tập trung xây dựng mô hình toán học động cơ, thiết kế bộ điều khiển và mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink nhằm nâng cao hiệu suất điều khiển, đảm bảo độ chính xác và ổn định mô men trong quá trình vận hành.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm phân tích lý thuyết, xây dựng mô hình động cơ KĐB ba pha, thiết kế bộ điều khiển DTC với bộ điều khiển PD cổ điển và PD mờ, thực hiện mô phỏng và đánh giá kết quả. Thời gian nghiên cứu tập trung trong giai đoạn từ năm 2010 đến 2014 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp điều khiển động cơ KĐB hiệu quả, góp phần nâng cao hiệu suất sử dụng thiết bị điện trong công nghiệp, đồng thời là tài liệu tham khảo quý giá cho sinh viên, kỹ sư và các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điều khiển động cơ và công nghệ tính toán mềm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính:

1. Phương pháp điều khiển trực tiếp mô men (DTC): Đây là phương pháp điều khiển động cơ KĐB ba pha hiện đại, cho phép điều khiển độc lập từ thông và mô men điện từ. DTC sử dụng các biến điều khiển là điện áp và tần số, không cần bộ hồi tiếp tốc độ, giảm sự phụ thuộc vào tham số động cơ. Phương pháp này dựa trên việc tính toán mô men điện từ tức thời từ biên độ vectơ từ thông stator và dòng stator, đồng thời sử dụng bộ nghịch lưu áp ba pha để điều khiển điện áp cung cấp cho động cơ.

2. Công nghệ tính toán mềm (Fuzzy Logic Controller - FLC): Bộ điều khiển mờ PD được ứng dụng nhằm xử lý các tín hiệu điều khiển trong điều kiện không chính xác và không chắc chắn. FLC dựa trên tập hợp mờ, biến ngôn ngữ và suy diễn mờ để đưa ra quyết định điều khiển hợp lý, giúp cải thiện hiệu suất và độ ổn định của hệ thống điều khiển DTC.

Các khái niệm chính bao gồm: vectơ không gian dòng điện và điện áp trong hệ tọa độ αβ và dq, mô hình toán học động cơ KĐB ba pha, hệ phương trình trạng thái, phép chuyển đổi hệ tọa độ abc sang αβ và dq, mô men điện từ, góc γ giữa vectơ từ thông stator và rotor, và các vectơ điện áp điều khiển trong bộ nghịch lưu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các tài liệu chuyên ngành, sách giáo khoa, các công trình nghiên cứu khoa học trong và ngoài nước, cùng với các báo cáo kỹ thuật liên quan đến điều khiển động cơ KĐB và công nghệ tính toán mềm.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Khảo sát và phân tích lý thuyết: Tổng hợp kiến thức về điều khiển trực tiếp mô men, công nghệ tính toán mềm và mô hình toán học động cơ KĐB ba pha.
• Mô hình hóa và mô phỏng: Xây dựng mô hình động cơ KĐB ba pha và hệ thống điều khiển DTC với bộ điều khiển PD cổ điển và PD mờ trên phần mềm Matlab Simulink của công ty MathWorks.
• Phân tích kết quả mô phỏng: Đánh giá hiệu quả điều khiển dựa trên các thông số như đáp ứng từ thông stator và rotor, điện áp, dòng điện, tốc độ và mô men động cơ.

Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình động cơ KĐB ba pha với các tham số kỹ thuật được xác định cụ thể trong luận văn. Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng trên máy tính nhằm kiểm tra và so sánh hiệu quả của các bộ điều khiển. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 5/2010 đến tháng 4/2014, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả điều khiển mô men và từ thông: Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển PD mờ trong hệ thống DTC giúp điều khiển mô men và từ thông động cơ KĐB ba pha đạt độ chính xác cao hơn so với bộ điều khiển PD cổ điển. Đáp ứng từ thông stator và rotor lúc khởi động ổn định trong khoảng thời gian ngắn, giảm dao động mô men xuống dưới 5% so với phương pháp truyền thống.

2. Đáp ứng tốc độ và mô men: Tốc độ rotor và mô men điện từ theo thời gian được điều khiển ổn định, với sai số tốc độ dưới 2% và mô men ổn định trong phạm vi ±3% khi sử dụng bộ điều khiển PD mờ. So sánh với bộ điều khiển PD cổ điển, sai số này giảm khoảng 30%.

3. Đáp ứng dòng điện và điện áp: Dòng điện và điện áp lúc khởi động và trong quá trình vận hành được duy trì ổn định, giảm hiện tượng quá dòng và dao động điện áp nhờ khả năng điều chỉnh linh hoạt của bộ điều khiển mờ. Dòng khởi động giảm khoảng 15% so với điều khiển truyền thống, giúp bảo vệ thiết bị và nâng cao tuổi thọ động cơ.

4. Khả năng mô phỏng và ứng dụng phần mềm Matlab Simulink: Việc sử dụng Matlab Simulink cho phép mô phỏng chính xác các thành phần của hệ thống điều khiển, từ mô hình động cơ đến bộ điều khiển DTC với FLC. Các biểu đồ đáp ứng từ thông, mô men, tốc độ và dòng điện được trình bày rõ ràng, minh họa hiệu quả của phương pháp điều khiển.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện hiệu suất điều khiển là do bộ điều khiển PD mờ có khả năng xử lý các tín hiệu không chính xác và phi tuyến trong hệ thống động cơ KĐB, giúp giảm sai số và dao động mô men. So với các nghiên cứu trước đây chỉ sử dụng bộ điều khiển PD cổ điển, việc ứng dụng công nghệ tính toán mềm đã nâng cao đáng kể độ ổn định và độ chính xác.

Kết quả phù hợp với các báo cáo ngành về hiệu quả của điều khiển mờ trong các hệ thống điều khiển phức tạp, đồng thời khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng FLC trong điều khiển động cơ KĐB ba pha. Việc mô phỏng trên Matlab Simulink cũng cho thấy phần mềm này là công cụ hữu ích để phát triển và thử nghiệm các thuật toán điều khiển thông minh.

Tuy nhiên, luận văn cũng chỉ ra giới hạn khi chưa áp dụng mạng nơron nhân tạo để ước lượng tốc độ động cơ, đây là hướng phát triển tiềm năng cho các nghiên cứu tiếp theo nhằm nâng cao hơn nữa hiệu quả điều khiển.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai bộ điều khiển PD mờ trong các hệ thống thực tế: Khuyến nghị các nhà máy và cơ sở sản xuất áp dụng bộ điều khiển PD mờ trong hệ thống DTC để nâng cao hiệu suất điều khiển động cơ KĐB, giảm tiêu hao năng lượng và tăng tuổi thọ thiết bị. Thời gian thực hiện trong vòng 12 tháng, do phòng kỹ thuật và đội ngũ bảo trì phối hợp thực hiện.

2. Phát triển thêm thuật toán mạng nơron nhân tạo (ANN): Đề xuất nghiên cứu và tích hợp mạng nơron nhân tạo để ước lượng tốc độ động cơ, nhằm cải thiện độ chính xác và khả năng thích ứng của hệ thống điều khiển. Thời gian nghiên cứu và thử nghiệm dự kiến 18 tháng, do nhóm nghiên cứu tại các trường đại học kỹ thuật đảm nhiệm.

3. Đào tạo và nâng cao năng lực cho kỹ sư vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về công nghệ tính toán mềm và điều khiển trực tiếp mô men cho đội ngũ kỹ sư vận hành và bảo trì nhằm đảm bảo vận hành hiệu quả hệ thống. Thời gian đào tạo 6 tháng, do các trung tâm đào tạo kỹ thuật phối hợp với nhà sản xuất thiết bị thực hiện.

4. Ứng dụng phần mềm mô phỏng Matlab Simulink trong thiết kế và thử nghiệm: Khuyến khích sử dụng Matlab Simulink như một công cụ chuẩn trong thiết kế, mô phỏng và đánh giá các hệ thống điều khiển động cơ nhằm giảm thiểu rủi ro và chi phí thử nghiệm thực tế. Thời gian áp dụng liên tục, do các phòng nghiên cứu và phát triển công nghệ đảm nhận.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên ngành kỹ thuật điện và điều khiển tự động: Luận văn cung cấp kiến thức nền tảng và ứng dụng thực tiễn về điều khiển động cơ KĐB, giúp sinh viên hiểu rõ các phương pháp điều khiển hiện đại và công nghệ tính toán mềm.

2. Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống điện công nghiệp: Các kỹ sư có thể áp dụng các giải pháp điều khiển DTC kết hợp FLC để nâng cao hiệu quả vận hành, giảm thiểu sự cố và tối ưu hóa chi phí bảo trì.

3. Nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ điều khiển thông minh: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá cho các nghiên cứu phát triển thuật toán điều khiển mới, đặc biệt trong lĩnh vực điều khiển mờ và mạng nơron nhân tạo.

4. Các doanh nghiệp sản xuất và cung cấp thiết bị điện: Tham khảo để cải tiến sản phẩm biến tần, bộ điều khiển động cơ, nâng cao tính cạnh tranh và đáp ứng yêu cầu kỹ thuật ngày càng cao của thị trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Điều khiển trực tiếp mô men (DTC) là gì và có ưu điểm gì?
   DTC là phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ cho phép điều khiển độc lập mô men và từ thông, không cần bộ hồi tiếp tốc độ. Ưu điểm gồm đáp ứng nhanh, độ chính xác cao và giảm phụ thuộc vào tham số động cơ.

2. Bộ điều khiển PD mờ (FLC) khác gì so với bộ điều khiển PD cổ điển?
   FLC xử lý tín hiệu không chính xác và phi tuyến tốt hơn, giúp giảm sai số và dao động trong điều khiển, trong khi PD cổ điển chỉ phù hợp với hệ thống tuyến tính và chính xác.

3. Tại sao sử dụng Matlab Simulink trong nghiên cứu này?
   Matlab Simulink cung cấp môi trường mô phỏng trực quan, hỗ trợ xây dựng mô hình động cơ và hệ thống điều khiển phức tạp, giúp đánh giá hiệu quả thuật toán trước khi ứng dụng thực tế.

4. Giới hạn của nghiên cứu là gì?
   Luận văn chưa áp dụng mạng nơron nhân tạo để ước lượng tốc độ động cơ, điều này có thể cải thiện hơn nữa hiệu quả điều khiển trong các nghiên cứu tiếp theo.

5. Ứng dụng thực tế của công nghệ tính toán mềm trong điều khiển động cơ?
   Công nghệ tính toán mềm giúp điều khiển động cơ trong môi trường có nhiễu, không chính xác, tăng độ ổn định và hiệu suất, được ứng dụng trong các nhà máy sản xuất, hệ thống giao thông và năng lượng xanh.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học động cơ không đồng bộ ba pha và hệ thống điều khiển trực tiếp mô men kết hợp bộ điều khiển PD mờ.
• Kết quả mô phỏng trên Matlab Simulink cho thấy bộ điều khiển PD mờ nâng cao hiệu suất điều khiển, giảm sai số và dao động mô men so với bộ điều khiển PD cổ điển.
• Nghiên cứu khẳng định tính khả thi và hiệu quả của công nghệ tính toán mềm trong điều khiển động cơ KĐB, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị điện trong công nghiệp.
• Giới hạn nghiên cứu là chưa áp dụng mạng nơron nhân tạo, đây là hướng phát triển tiềm năng cho các nghiên cứu tiếp theo.
• Đề xuất triển khai ứng dụng thực tế, phát triển thuật toán mới và đào tạo kỹ sư để nâng cao năng lực vận hành hệ thống điều khiển động cơ.

Để tiếp tục phát triển, các nhà nghiên cứu và kỹ sư nên tập trung vào tích hợp mạng nơron nhân tạo và mở rộng ứng dụng công nghệ tính toán mềm trong các hệ thống điều khiển phức tạp. Hành động ngay hôm nay để nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống động cơ công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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).