nghiên cứu thiết kế mô phỏng giải thuật điều khiển động cơ cảm ứng không sử dụng cảm biến dựa trên bộ quan sát back stepping

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG *** </b>

<b> NGUYỄN MINH QUANG </b>

<b>NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÔ PHỎNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ CẢM ỨNG KHÔNG SỬ DỤNG CẢM BIẾN DỰA TRÊN </b>

<b>BỘ QUAN SÁT BACK - STEPPING </b>

<b>LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN </b>

<b>Đồng Nai – Năm 2024 </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG *** </b>

<b> NGUYỄN MINH QUANG </b>

<b>NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÔ PHỎNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ CẢM ỨNG KHÔNG SỬ DỤNG CẢM BIẾN DỰA TRÊN </b>

<b>BỘ QUAN SÁT BACK - STEPPING </b>

<b>CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN MÃ SỐ: 8520201 </b>

<b>LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN </b>

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

<b> PGS.TS. NGUYỄN VŨ QUỲNH </b>

<b>Đồng Nai – Năm 2024</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<b>Học viên xin bày tỏ lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới thầy PGS.TS. Nguyễn Vũ Quỳnh, người đã tận hình hướng dẫn trong suốt thời gian học viên bắt </b>

đầu thực hiện cho đến khi hoàn thành được luận văn này.

Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý Thầy, Cô Khoa sau đại học Trường Đại học Lạc Hồng đã tạo điều kiện để học viên học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn của mình.

Sau cùng học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình, đồng nghiệp, bạn bè đã tạo mọi điều kiện tốt nhất, cũng như việc trao cho học viên niềm tin và nỗ lực cố gắng để hồn thành luận văn cũng như khóa học của bản thân học

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

Tôi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của học viên.

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và học viên cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng mình.

Đồng Nai, ngày tháng năm 2024

<i>(Ký và ghi rõ họ tên) </i>

Học viên

<b>Nguyễn Minh Quang </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

Động cơ cảm ứng là một trong những động cơ được sử dụng rộng rãi nhất trong các ứng dụng công nghiệp và dân dụng do có hiệu suất cao, chi phí thấp và u cầu bảo trì ít. Việc điều khiển điều chỉnh từ thông và mômen như trong truyền thống MP DTC có nhược điểm là cần có cảm biến tốc độ, sự thay đổi sai số của cảm biến trong quá trình vận hành gây ra sự suy giảm hiệu suất của động cơ cảm ứng. Mục đích của luận văn này là nghiên cứu thiết kế điều khiển điện áp dự đoán mới (PVC) cho động cơ cảm ứng (IM) mà không cần sử dụng cảm biến tốc độ. Điều khiển điện áp dự đoán mới đề xuất, được xây dựng bằng cách sử dụng ngun tắc điều khiển dự đốn mơ hình, trong đó điện áp stato được điều khiển trực tiếp thay vì điều chỉnh từ thơng và mơmen như trong truyền thống MP DTC. Ưu điểm của điều khiển điện áp dự đoán mới PVC được đề xuất so với sơ đồ điều chỉnh từ thông và mômen như trong truyền thống MP DTC thường được sử dụng làm giảm thời gian tính tốn, các gợn sóng giảm và động năng nhanh. Để nhận ra hoạt động không cần cảm biến của động cơ cảm ứng IM, nhờ một bộ quan sát mới được thiết kế để ước tính tốc độ, từ thơng roto, dòng điện stato và điện trở của stato và roto. Thiết kế điều khiển điện áp dự đoán mới được xây dựng dựa trên lý thuyết Backstepping. Thuyết Backstepping sẽ kiểm tra tính hợp lệ của thiết bị không cảm biến được đề xuất. Kỹ thuật điều khiển điện áp dự đoán mới PVC được thực hiện dưới hình thức so sánh giữa quy trình điều khiển điện áp dự đoán mới PVC và điều chỉnh từ thông – Mômen truyền thống MP DTC. Các bài kiểm tra được hoàn thành bằng cách sử dụng phần mềm Matlab/Simulink. Kết quả mô phỏng cho thấy động lực học của động cơ cảm ứng IM là nâng cao hiệu quả khi áp dụng một điều khiển điện áp dự đoán mới PVC được đề xuất so với hiệu suất điều chỉnh từ thông và mômen truyền thống MP DTC. Bộ quan sát Backstepping (BSO) cũng đã chứng minh khả năng ước tính các biến được chỉ định đối với các tốc độ vận hành khác nhau và cả sự thay đổi của các thông số.

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

1.1.2 Mục tiêu và giới hạn đề tài ... 2

1.1.3 Phương pháp nghiên cứu ... 2

1.1.4 Nội dung Luận văn ... 3

1.2 Giới thiệu động cơ cảm ứng ... 4

1.2.1 Khái niệm chung về động cơ cảm ứng ... 4

1.2.2 Cấu tạo động cơ cảm ứng ... 4

1.2.3 Nguyên lý làm việc của động cơ cảm ứng ba pha ... 6

1.2.4 Ứng dụng của động cơ cảm ứng ba pha ... 17

1.2.5 Động cơ cảm ứng một pha ... 17

1.3 Các phương pháp điều khiển động cơ cảm ứng ... 21

1.3.1 Phương pháp điều khiển DTC cho động cơ cảm ứng ... 24

1.3.2 Phương pháp điều khiển dự đốn mơ hình ... 37

1.3.3 Phương pháp điều khiển không sử dụng cảm biến... 51

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

2.1 Mạch điện tương đương thay thế của động cơ cảm ứng IM... 58

2.2 Đề xuất cách tiếp cận phương pháp PVC ... 59

2.2.1 Thiết kế bộ điều chỉnh từ thông stato ... 60

2.2.2 Thiết kế bộ điều chỉnh mômen xoắn ... 61

CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG ... 66

3.1 Bộ quan sát Backstepping observer (BSO) ... 66

3.2 Thiết kế bộ quan sát BSO ... 67

3.3 Hồn thiện bố trí hệ thống ... 71

CHƯƠNG 4. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ... 75

4.1 Kết quả mô phỏng ... 75

4.1.1 Hiệu suất của phương pháp MP DTC với bộ quan sát BSO ... 75

4.1.2 Hiệu suất của phương pháp PVC với bộ quan sát BSO ... 84

4.2 Kết quả mơ phỏng bằng thuật tốn Fourier ... 95

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

<b>VIẾT TẮT TIẾNG ANH TIẾNG VIỆT </b>

BSO Back-stepping observer Bộ quan sát bước lùi

DTC Direct torque control Điều khiển trực tiếp mômen FCS Finite control set Bộ điều khiển hữu hạn FOC Field Oriented Control Điều khiển hướng trường

LQG ^{Linear-quadratic Gaussian} Điều khiển Gaussian tuyến tính-bậc hai

LQR Linear-quadratic regulator Bộ điều chỉnh tuyến tính-bậc hai MP DTC ^{Model Predictive Direct}

Torque Control

Mơ hình điều khiển mơ mem trực tiếp dự đoán

MPC Model predictive control Mơ hình điều khiển dự đốn MPF Model predictive flux Mơ hình thơng lượng dự đốn MRA Model Reference Adaptive Mơ hình thích ứng tham chiếu MRAO ^{Model reference adapting}

observer

Mơ hình quan sát thích nghi hàm chuẩn

PC Predictive control Phương pháp điều khiển dự đoán PCC Predictive current control Điều khiển dịng điện dự đốn

PI Proportional Integral Bộ điều khiển dòng

PVC Predictive voltage control Điều khiển điện áp dự đoán PWM Pulse-width modulation Bộ điều chế độ rộng xung

SVM Space vector modulation Điều chế vectơ không gian

VSI Voltage source inverter Điều khiển biến tần nguồn điện áp

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

Bảng 4.1 Mơ phỏng Phổ dịng theo cách tiếp cận MP DTC và PVC. ... 95 Bảng 4.2 Số lần chuyển mạch cho cả hai kỹ thuật điều khiển ... 97 Bảng phụ lục 1.1 Các thông số của động cơ IM.

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

Hình 1.1 Động cơ cảm ứng trong điều hịa khơng khí [36]. ... 1

Hình 1.2 Lá thép kỹ thuật điện rẽ quạt ... 5

Hình 1.3 Dây quấn roto kiểu lồng sóc ... 6

Hình 1.4 Đồ thị vectơr khi roto đứng yên của động cơ cảm ứng ... 12

Hình 1.5 Mơ hình mạch điện thay thế của động cơ cảm ứng khi ngắn mạch ... 12

Hình 1.6 Giản đồ năng lượng của động cơ ... 16

Hình 1. 7 Đồ thị véctơ của động cơ cảm ứng... 16

Hình 1.8 Động cơ cảm ứng một pha ... 18

Hình 1. 9 Nguyên lý làm việc của động cơ cảm ứng một pha ... 19

Hình 1.10 Đặc tính M của động cơ cảm ứng ... 20

Hình 1.11 Đồ thị thay đổi của mơ mem ... 21

Hình 1. 12 Khung tham chiếu trục dq0 ... 26

Hình 1. 13 Hình sơ đồ biểu diễn biến ba pha tần hai cấp ... 29

Hình 1. 14 Hình Vectơ điện áp trên mặt phẳng dq ... 29

Hình 1. 15 Hình sơ đồ biểu diễn biến ba pha tần ba cấp... 30

Hình 1. 16 Hình các vectơ điện áp trên mặt phẳng dq ... 31

Hình 1. 17 Sơ đồ cơ bản của DTC cổ điển ... 33

Hình 1. 18 Nguyên lý DTC. ... 34

Hình 1. 19 Mơ hình nghịch lưu hai cấp điện áp ... 37

Hình 1. 20 Hệ thống có đầu vào 𝑢, đầu ra 𝑦. ... 39

Hình 1. 21 Vịng điều khiển cơ bản MPC ... 46

Hình 4.2: Mơmen xoắn của MP DTC (Nm). ... 77

Hình 4.3: Từ thơng stato của MP DTC (Vs). ... 77

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

Hình 4.5: Thành phần β của dòng điện stato đối với MP DTC (A) ... 78

Hình 4. 6: Thành phần α của từ thông roto đối với MP DTC (Vs). ... 79

Hình 4. 7: Thành phần β của từ thơng roto đối với MP DTC (Vs). ... 79

Hình 4. 8: Sự thay đổi điện trở của stato đối với MP DTC (Ω). ... 80

Hình 4. 9: Sự thay đổi điện trở của roto đối với MP DTC (Ω). ... 80

Hình 4. 10: Vị trí roto đối với MP DTC (Rad). ... 81

Hình 4. 11: Sai số ước tính vị trí rơto đối với MP DTC (Rad). ... 81

Hình 4. 12: Sự thay đổi mơmen xoắn đối với MP DTC (Nm)... 82

Hình 4. 13: Sự thay đổi từ thông stato đối với MP DTC (Vs). ... 82

Hình 4. 14: Các giá trị của hàm chi phí cho MP DTC. ... 83

Hình 4. 15: Chỉ số điện áp đã chọn cho MP DTC. ... 83

Hình 4. 16: Tốc độ rơto đối với PVC (RPM). ... 85

Hình 4. 17: Mơmen xoắn đối với PVC (Nm). ... 85

Hình 4. 18: Từ thơng stato đối với PVC (Vs). ... 86

Hình 4. 19: Thành phần α của dịng điện stato dưới PVC (A). ... 86

Hình 4. 20: Thành phần β của dòng điện stato dưới PVC (A). ... 87

Hình 4. 21: Thành phần α của từ thơng roto dưới PVC (Vs) ... 87

Hình 4. 22: Thành phần β của từ thơng roto dưới PVC (Vs) ... 88

Hình 4. 23: Sự thay đổi giá trị điện trở của stato dưới PVC (Ω). ... 88

Hình 4. 24: Sự thay đổi giá trị điện trở của roto dưới PVC (Ω). ... 89

Hình 4. 25: Vị trí rơto đối với PVC (Rad). ... 89

Hình 4. 26: Sai số ước tính vị trí rơto trong PVC (Rad). ... 90

Hình 4. 27: Sự thay đổi mơmen xoắn đối với PVC (Nm). ... 90

Hình 4. 28: Sự thay đổi từ thông dưới PVC (Vs). ... 91

Hình 4. 29: Các giá trị của hàm chi phí trong PVC. ... 91

Hình 4. 30: Chỉ số điện áp đã chọn dưới PVC. ... 92

Hình 4. 31: Mơmen xoắn theo hai phương pháp (Nm). ... 93

Hình 4. 32: Từ thơng cho hai cách tiếp cận (Vs). ... 93

Hình 4. 33: Quỹ đạo từ thông cho hai bộ điều khiển. ... 94

Hình 4. 34: Dịng điện thành phần α cho MP DTC (A). ... 96

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

Hình 4. 36: Dòng điện thành phần β đối với MP DTC (A). ... 97

Hình 4. 37: Dịng điện thành phần α cho PVC (A). ... 98

Hình 4. 38: Phổ dịng thành phần α đối với PVC. ... 98

Hình 4. 39: Dòng điện thành phần β đối với PVC (A). ... 99

Hình 4. 40: Phổ thành phần β cho MP DTC. ... 99

Hình 4. 41: Phổ thành phần β của PVC. ... 100

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

Biểu đồ hình 1.21 Vịng điều khiển cơ bản MPC ... 46

Biểu đồ hình 1.22 Quy trình thiết kế MPC ... 47

Biểu đồ hình 3.1 Đầu vào / Đầu ra của BSO đề xuất. ... 66

Biểu đồ hình 3.2 Phương pháp tiếp cận PVC ... 72

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

<b>CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN </b>

<b>1.1 Giới thiệu đề tài nghiên cứu 1.1.1 Đặt vấn đề </b>

Động cơ cảm ứng hay còn được gọi là động cơ không đồng bộ, với những phát triển tiên tiến và hiện đại của động cơ cảm ứng kết hợp với công nghệ bán dẫn trong kỹ thuật điều khiển, vi điều khiển hiệu năng cao với chi phí thấp đã tạo ra động cơ cảm ứng hoạt động tương đối chắc chắn và hiệu quả khi làm việc. Động cơ cảm ứng có ưu điểm nổi bật là nhỏ gọn và không nhạy cảm với môi trường, động cơ cảm ứng có ưu điểm nổi bật là làm việc trong thời gian dài mà khơng u cầu bảo trì định kỳ như động cơ chổi than. Động cơ cảm ứng được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực sản xuất, thương mại và đời sống hàng ngày cụ thể như hình 1.1.

Hình 1.1 Động cơ cảm ứng trong điều hịa khơng khí [36].

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

Trong các động cơ cảm ứng, việc điều khiển điều chỉnh từ thông và mômem như truyền thống MP DTC có nhược điểm phải đáp ứng được yêu cầu điều kiện hoạt động và có nhiều tham số biến thiên theo thời gian, hoặc phương pháp điều khiển cần có cảm biến tốc độ cũng có nhược điểm như: thêm chi phí, cấu hình hệ thống và giảm độ tin cậy. Trong những thời gian gần đây kỹ thuật điều khiển dự đoán (PC), điều khiển dịng điện dự đốn (PCC) và kỹ thuật điều khiển từ thơng dự đốn đã thay thế kỹ thuật điều khiển hướng trường (FOC) cổ điển, nhưng kỹ thuật này cũng làm tăng thêm thời gian tính tốn. Để giải quyết một số khiếm khuyết trong kỹ thuật điều khiển truyền thống MP DTC và để đảm bảo hiệu suất cao của bộ ước lượng tốc độ, việc nghiên cứu một thiết bị mới khơng có cảm biến bằng cách tiếp cận điều khiển điện áp dự đoán (PVC) được tác giả thực hiện. Những lợi thế của điều khiển này là sự đơn giản, đáp ứng nhanh chóng các thay đổi, các gợn sóng giảm và thời gian tính tốn ngắn cho động cơ cảm ứng.

<b>1.1.2 Mục tiêu và giới hạn đề tài </b>

Mục tiêu của luận văn này là sử dụng nguyên tắt điều khiển dự đốn mơ hình (PVC), trong đó giá trị điện áp stato được điều khiển trực tiếp. Kỹ thuật điều khiển điện áp dự đoán PVC được thực hiện đánh giá hiệu quả trên mô phỏng bằng MATLAB.

Giới hạn nghiên cứu của đề tài là chỉ thực hiện trên mơ hình mơ phỏng MATLAB.

<b>1.1.3 Phương pháp nghiên cứu </b>

Trong quá trình thực hiện luận văn học viên đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu như sau :

- Tham khảo tài liệu: tham khảo các cơng trình nghiên cứu trong và ngồi nước, từ cơ sở lý thuyết mơ hình hóa động cơ cảm ứng cho đến nghiên cứu thiết kế mô hình tốn học của động cơ IM.

- Nghiên cứu một loại điều khiển điện áp dự đoán PVC mới cho động cơ IM, đồng thời so sánh tính tương quan giữa các thơng số của kỹ thuật điều khiển MP DTC trong luận văn đối với động cơ IM.

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

- Nghiên cứu bộ quan sát Back-stepping observer (BSO) dùng để ước tính các tham số tốc độ, từ thơng roto, dòng điện stato, điện trở stato và điện trở roto.

- Từ kết quả mơ phỏng mơ hình PVC, MP DTC bằng MATLAB/SIMULINK từ đó phân tích, so sánh, đánh giá và kết luận.

- PVC đề xuất được thiết kế và giải thích chi tiết.

- PVC có ưu điểm là đơn giản, mạnh mẽ và phản hồi động nhanh so với truyền thống bộ điều khiển dự đoán như cách tiếp cận MP DTC.

<b>1.1.4 Nội dung Luận văn </b>

Các phần còn lại của luận văn: - Chương 1: Tổng quan

Chương này trình bày về nguyên lý hoạt động cũng như cấu tạo của động cơ cảm ứng IM và các kỹ thuật điều khiển động cơ cảm ứng IM.

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết mơ hình hóa động cơ cảm ứng.

Chương này trình bày thiết kế mơ hình toán học của động cơ cảm ứng sử dụng phương pháp điều khiển dự đoán mới.

- Chương 3: Xây dựng mơ hình

Chương này là trình bày về việc xây dựng thuật tốn mơ hình hóa sử dụng cho bộ quan sát Backstepping observer (BSO). Sử dụng MATLAB/SIMULINK để mơ phỏng phân tích kết quả thu được.

- Chương 4: Đánh giá kết quả.

Chương này phân tích kết quả thu được từ đó so sánh đánh giá kết quả mô phỏng. - Chương 5: Kết luận.

Chương này kết luận những thành tựu đạt được từ kỹ thuật điều khiển mới PVC và đưa ra những định hướng phát triển tiếp theo.

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

<b>1.2 Giới thiệu động cơ cảm ứng </b>

<b>1.2.1 Khái niệm chung về động cơ cảm ứng </b>

Động cơ cảm ứng là loại động cơ điện xoay chiều khơng đồng bộ có cấu tạo và vận hành đơn giản, làm việc độ tin cậy cao, ít phải chăm sóc bảo dưỡng, là loại động cơ có dải cơng suất rộng và động cơ cảm ứng có chi phí sản xuất thấp so với những loại động cơ có cùng cơng suất khác, Động cơ cảm ứng ba pha được sử dụng rộng rãi ngày càng nhiều với các mục đích khác nhau nhất là trong truyền động cơng nghiệp ứng dụng có tốc độ thay đổi trong ngành kinh tế sản xuất, thương mại dịch vụ và cả sinh hoạt gia đình vv…

Việc truyền năng lượng từ stato sang rơto của động cơ cảm ứng diễn ra hồn tồn bằng cảm ứng điện từ, với sự hỗ trợ liên kết từ thơng của cả hai. Trong đó thành phần stato tạo thành sơ cấp và rôto được ngắn mạch tạo thành thứ cấp quay. Rôto không nhận điện năng bằng dẫn điện mà bằng cảm ứng, tức là cuộn dây stato được coi như cuộn sơ cấp đứng n, cịn cuộn rơto được coi như cuộn thứ cấp quy tự do.

<b>1.2.2 Cấu tạo động cơ cảm ứng </b>

Giống như các máy điện quay khác, động cơ điện cảm ứng gồm các bộ phận sau.

<b>1.2.2.1 Phần tĩnh hay phần stato </b>

Stato của động cơ cảm ứng giống như stato của động cơ đồng bộ hoặc máy phát điện. Nó được tạo thành từ một số tấm dập, được xẻ rãnh để nhận các cuộn dây quấn. Stator mang cuộn dây ba pha và được cấp điện từ nguồn ba pha. Nó được quấn theo một số cực xác định, số cực chính xác được xác định theo yêu cầu về tốc độ. Số cực càng lớn thì tốc độ càng nhỏ và ngược lại. Lõi thép stato sẽ được thể hiện trong hình 2.1, khi cuộn dây stato được cấp dịng điện ba pha, tạo ra từ thơng có cường độ khơng đổi nhưng quay với tốc độ đồng bộ. Từ thông quay này tạo ra lực điện động trong rôto bằng cảm ứng lẫn nhau.

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

Cấu tạo của stato động cơ cảm ứng bao gồm: Khung stato, lõi thép stato, cuộn dây stato và vịng bi, ngồi ra cịn có nắp cuối cũng được làm bằng gang. Trong đó cuộn dây stato động cơ cảm ứng tương tự như cuộn dây stato của máy đồng bộ. Khung stato được làm bằng gang và có nhiệm vụ giữ lõi stato, còn lõi stato được tạo thành từ tấm thép mỏng được ghép với nhau, lõi stato có các khe để cung cấp điện xoay chiều phân phối ba pha của ba cn dây trong đó. Đối với cuộn dây stato bao gồm dây đồng cách điện, các cuộn dây chính là cuộn dây phân phối ba pha được kết nối theo kết đấu sao hoặc đấu tam giác. Tùy vào mỗi ứng dụng cụ thể mà các cuộn dây stato được thiết kế cho số cực mong muốn theo yêu cầu, số cực lớn thì tốc độ nhỏ hơn. Khe hở khơng khí giữa stato và rơto phải càng nhỏ càng tốt, nó làm giảm từ thơng rị rỉ giữa stato và rơto, cũng như cải thiện hệ số công suất hoạt động của động cơ cảm ứng.

Hình 1.2 Lá thép kỹ thuật điện rẽ quạt

<b>1.2.2.2 Phần quay roto </b>

Rôto động cơ cảm ứng là một lõi nhiều lớp, có các khe thường gồm hai loại, rơto lồng sóc và rôto dây quấn. Nhưng gần 90% động cơ cảm ứng là loại lồng sóc, vì loại rơto này có cấu trúc đơn giản và chắc chắn nhất. Rơto bao gồm một lõi nhiều lớp hình trụ có các rãnh song song để mang các dây dẫn rôto. Các thanh dẫn đồng hoặc nhôm

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

được nối ngắn mạch hai vòng cuối chắc chắn, do đó tạo cho chúng có một cấu tạo đẹp mắt với cấu trúc vỏ sóc như hình 1.3. Các khe rôto được đặt lệch để đảm bảo động cơ cảm ứng hoạt động trơn tru và yên tĩnh.

Hình 1.3 Dây quấn roto kiểu lồng sóc

Đối với loại động cơ cảm ứng có rơto dây quấn, cuộn dây rôto cũng là cuộn dây phân bố ba pha, các cuộn dây rơto thường được nối hình sao. Ba đầu cuối của cuộn dây hình sao được nối với ba vòng trượt, các vòng trượt nằm trên trục nhưng được cách điện với trục, ba vịng trượt cho phép kết nối bên ngồi bằng chổi than. Một ưu điểm của loại động cơ cảm ứng có rơto dây quấn là cho phép điều khiển tốc độ động cơ và khả năng kiểm soát mômem xoắn lúc khởi động.

<b>1.2.3 Nguyên lý làm việc của động cơ cảm ứng ba pha </b>

Khi cấp nguồn điện xoay chiều ba pha cho cuộn dây ba pha của động cơ cảm ứng, một từ trường quay sẽ được thiết lập trong không gian. Từ trường quay này sẽ tạo ra lực điện động trong rôto bằng cảm ứng điện từ và tạo ra mô mem xoắn dẫn đến quay động cơ. Động cơ cảm ứng hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Khi cuộn dây stato được cấp dòng điện xoay chiều ba pha, một từ trường quay được tạo ra giữa stato và rôto. Từ trường quay cắt các cuộn dây rôto để tạo ra suất điện động cảm ứng và dịng điện trong mạch rơto. Dịng điện trong dây dẫn rơto buộc rơto quay dưới tác dụng của từ trường quay. Đối với động cơ cảm ứng ba pha, các cuộn dây U, V, W có cấu trúc ba pha

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

hoàn toàn giống nhau được đặt trong lõi stato. Mỗi pha của cuộn dây có góc điện khác nhau 120º về mặt không gian và cuộn dây ba pha được cấp nguồn điện xoay chiều ba pha đối xứng. Vì chúng được cung cấp riêng biệt bằng nguồn điện xoay chiều ba pha nên từ trường tổng hợp được tạo ra giữa stato và rôto sẽ quay dọc theo vòng tròn bên trong của stato, được gọi là từ trường quay. Từ trường quay được tạo ra sẽ quay theo chiều kim đồng hồ trong khơng gian. Nếu tự ý chuyển đổi trình tự pha hiện tại của hai cuộn dây pha của động cơ, chẳng hạn như U, W, V, thì thực tế đã chứng minh rằng từ trường quay được tạo ra sẽ quay theo hướng ngược lại. Tóm lại, hướng của từ trường quay phụ thuộc vào trình tự pha của nguồn điện xoay chiều ba pha trong cuộn dây. Chỉ cần thay đổi trình tự pha của động cơ một cách tùy ý thì hướng của từ trường quay có thể thay đổi được.

<b>1.2.3.1 Động cơ cảm ứng làm việc khi roto đứng yên </b>

Khi động cơ hoạt động bình thường, tốc độ động cơ lúc này khác không, nhưng khi động cơ được mở máy có thể coi nó nằm trong trường hợp này.

Trên dây quấn stato cung cấp một điện áp và tần số lần lượt U<small>1</small>, f<small>1</small>, khi đó có một dòng điện điện I<small>1, </small>chạy trong cuộn dây stato cùng tần số f<small>1. </small>Và một dòng điện I<small>2</small>, chạy trong dây quấn lồng sóc với tần số f<small>2</small>. Dòng điện I<small>1</small> và I<small>2</small> trên các cuộn dây quấn stato và rôto sẽ sinh ra sức từ động F<small>1</small>, F<small>2</small> được tính như sau:

- F<small>1</small>, F<small>2</small> là sức từ động trên dây quấn stato và rôto.

<i>- k<small>dq1</small>, k<small>dq2</small></i> là hệ số dây quấn của stato và roto.

<i>- m<small>1</small>, m<small>2</small></i> là số pha của stato và roto.

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

- I<small>1</small>, I<small>2</small> là dòng điện trong các dây quấn của stato và roto.

<i>- w<small>1</small>, w<small>2</small></i> là số vòng dây nối tiếp trên cùng một pha.

<i>- p là số đôi cực. </i>

Từ đó tổng sức từ động trong khe hở F<small>0</small> được viết bởi phương trình

𝐹̇₁+ 𝐹̇₂ = 𝐹̇₀<i> (1.3) </i>

Hay Ḟ₁ = Ḟ₀+ (−Ḟ₂) (1.4) Dòng điện trên dây quấn stato İ₁ gồm İ₀ và −𝐼<small>′</small>̇₂_:

Dòng điện İ₀ sẽ tạo nên sức từ động 𝐹̇₀:

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

Như vậy tỷ số biến đổi dòng điện 𝑘_𝑖 được tính như sau:

Sức từ động F<small>0</small> sinh ra tư thông Ф trong khe hở quét qua dây quấn stato và rơto và cảm ứng tại đó hai suất điện động 𝐸₁, 𝐸₂ được tính phương trình sau:

{^𝐸¹ ^{= 4,44𝑓}¹^𝑤¹^𝑘^𝑑𝑞1^Ф

𝐸₂ = 4,44𝑓₂𝑤₂𝑘_𝑑𝑞2Ф<i>^(1.11)</i> Ta xét khi f<small>1</small> = f<small>2</small> trong trường hợp rơto đứng n, ta có tỷ số biến đổi điện áp được tính như sau:

Mặt khác suất điện động tản Ė_σ1 = −jİ₁x₁, được sinh ra trong dây quân stato, trong đó điện kháng tản của cuộn dây quấn stato là x<small>1</small>. Như vậy điện áp rơi İ₁r₁ trên điện trở r<small>1</small> của dây quấn stato được viết bằng phương trình sau:

𝑈̇₁ = −(𝐸̇₁+ 𝐸̇_𝜎1) + 𝐼̇₁𝑟₁ = −𝐸̇₁+ 𝐼̇₁(𝑟₁+ 𝑗𝑥₁) = −𝐸̇₁+ 𝐼̇₁𝑍₁ (1.14) Với: Z<small>1</small> = r<small>1</small> + jx<small>1</small>

Trong đó:

Z<small>1</small> là tổng điện trở dây quấn stato, r<small>1</small> là điện trở dây quấn stato, x<small>1</small> là điện kháng tản của cuộn dây stato

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

Ta xét suất điện động của dây quấn lồng sóc rơto tương tự như dây quấn stato, ta có phương trình về suất điện động trong mạch điện roto như sau:

0 = −𝐸̇₂+ 𝐼̇₂(𝑟₂+ 𝑗𝑥₂) = −𝐸̇₂+ 𝐼̇₂𝑍₂ (1.15) Với - Z<small>2</small> = r<small>2</small> + jx<small>2</small>, vì dây quấn rơto được ngắn mạch nên tổng suất điện động bằng khơng.

Trong đó:

- Z<small>2</small> là tổng điện trở dây quấn roto.

- x<small>2</small> là điện kháng tản trên dây quấn lồng sóc roto. - r<small>2</small> là điện trở roto.

Ta có:

−𝐸̇₁ = 𝐼̇₀𝑍_𝑚 = 𝐼̇₀(𝑟_𝑚+ 𝑗𝑥_𝑚<i>) (1.16) </i>

Trong đó:

- r_m là điện trở từ hóa đặc trưng cho tổn hao sắt. - İ₀ là dịng điện từ hóa sinh ra sức điện động Ḟ₀.

- x_m là điện kháng từ hóa biểu thị sự hỗ cảm giữa stato và roto.

Mối quan hệ quy đổi giữa điện kháng rôto và điện trở sang phía stato được áp dụng bởi tổn hao khơng đổi và góc pha giữa I<small>2</small>, E<small>2</small> là khơng đổi:

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

Với: k là hệ số quy đổi tổng trở.

Điện kháng x<small>2</small> cũng được biến đổi như sau:

Khi động cơ cảm ứng hoạt động trong tình trạng ngắn mạch thì các phương trình được quy đổi sang stato được viết như sau:

Đối với dây quấn rôto thường ngắn mạch, vậy ta xét khi rơto đứng n mà để có thể hạn chế dịng điện İ₁ và İ₂ trong dây quấn rơto và stato tới giá trị định mức của máy thì phương pháp đơn giản nhất là giảm điện áp ngắn mạch đặt vào, và giảm từ 15% đến 25% U<small>đm</small>, khi đó suất điện động Ė₁ giảm xuống rất nhiều, trong biểu thức (1.11) ta có từ thơng chính của động cơ cũng giảm xuống rất bé hay sức từ động Ḟ₀ rất bé so với Ḟ₁và Ḟ₂ vì vậy trong biểu thức (1.3) và (1.4) giá trị Ḟ₀ rất bé có thể bỏ qua.

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

Nếu điện áp dây quấn stato U̇₁ bằng điện áp định mức U̇_đm thì dịng điện mở máy là İ₁. Các giá trị dòng điện và điện áp được thể hiện trên đồ thị véctơ của động cơ cảm ứng hình 1.4 và mơ hình mạch điện thay thế như hình 1.5.

Hình 1.4 Đồ thị vectơr khi roto đứng yên

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

Trong đó:

𝑠 = ^𝑛¹^{− 𝑛} 𝑛₁ 

s là hệ số trượt. Thường khi động cơ cảm ứng ở tải định mức thì s = 0,002 đến 0,005. Giá trị suất điện động trên dây quấn rơto được tính tốn như sau:

𝐸_2𝑠 = 4,44𝑓₂𝑤₂𝑘_𝑑𝑞2Ф = 4,44𝑠𝑓₁𝑤₂𝑘_𝑑𝑞2Ф = 𝑠𝐸₂ (1.25) Vì điện kháng x = ωL = 2πfL với L là tự cảm của cuộn dây, nên giá trị điện kháng dây quấn rơto cũng được tính:

<small>s</small> = E₂<small>′</small> . vì từ trường và dịng điện stato I₂<small>′</small> đều khơng đổi. Từ phương trình (1.28) ta thấy, khi E_2s^′ tăng 1/s lần, muốn giữa I₂^′ khơng đổi thì r₂^′ và x_2s^′ phải tăng 1/s lần và có giá trị r₂^′.¹

<small>𝑠</small> và E_2s^′ .¹ <small>s</small> =^sE<small>2</small>^′

<small>s</small> = 𝑥₂^′. Như vậy sau khi quy đổi sang tần số f<small>1 </small>phương trình điện áp mạch điện của roto quay có dạng:

Đó là mối liên quan của f<small>1</small>, f<small>2 </small>về hiện tượng vật lý giữa phương trình (1.28), (1.29). Với điện trở giả tưởng là ^1−𝑠

<small>𝑠</small> 𝑟₂^′, thì cơng suất cơ bằng 𝑚₁𝐼′₂².^1−𝑠

<small>𝑠</small> 𝑟₂^′. Cơng suất cơ phụ

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

thuộc vào tốc độ n hoặc hệ số trượt s. Khi n = 0, s = 1, điện trở giả tưởng ^1−𝑠

<small>𝑠</small> 𝑟₂^′ = 0: cơng suất cơ khơng cịn và phương trình (1.29) trở về phương trình (1.18).

Do suất điện động staro và roto quay cùng với tốc độ góc ω<small>1</small> nên phương trình cân bằng về suất điện động vẫn được viết:

<b>b. Chế độ làm việc của động cơ cảm ứng </b>

Công suất của động cơ được lấy từ lưới điện bằng:

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

Công suất tổn hao đồng trong roto như sau:

</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">

Hình 1.6 Giản đồ năng lượng của động cơ Hình 1. 7 Đồ thị véctơ của động cơ cảm ứng Đồ thị véctơ của động cơ cảm ứng có thể được vẽ lại theo phương trình (1.31)

</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">

Do trong động cơ cảm ứng khe hở lớn nên dịng điện từ hóa I<small>0</small> cũng lớn. Do Q<small>m</small>

cũng lớn nên hệ số công suất cosφ của máy thấp. Hệ số công suất trong động cơ cảm ứng cosφ<small>đm</small> = 0.7 đến 0,95, nếu động cơ làm việc không tải cosφ rất thấp, thường cosφ<small>0</small>

= 0.1 đến 0.15.

<b>1.2.4 Ứng dụng của động cơ cảm ứng ba pha </b>

Động cơ điện cảm ứng là loại động cơ điện hoạt động hiệu quả và bền bỉ. Do cấu trúc chắc chắn, chi phí rẻ, vận hành đơn giản và bảo trì dễ dàng, làm việc tương đối chắc chắn, hoạt động với hiệu suất cao, có giá thành thấp. Là loại động cơ cảm ứng được dùng rộng rãi trong các ngành sản xuất với cơng suất lớn từ vài chục đến vài nghìn kilôoat. Trong sản xuất công nghiệp thường dùng động cơ cảm ứng làm nguồn động lực cho các loại máy cán thép hoặc động lực cho các máy mài, máy tiện, máy phay và máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp vv… Trong hầm mỏ dùng làm máy tời hay quạt gió. Đối với ngành nông nghiệp dùng để làm máy gia công nông sản phẩm hay máy bơm. Đối với đời sống sinh hoạt hàng ngày, động cơ cảm ứng cũng dần dần trở thành một vị trí quan trọng như quạt gió, tủ lạnh, điều hịa khơng khí vv… Tóm lại theo sự phát triển của nền sản xuất điện khí hóa, tự động hóa và sinh hoạt hàng ngày, phạm vi ứng dụng của động cơ cảm ứng ngày càng rộng rãi.

<b>1.2.5 Động cơ cảm ứng một pha </b>

Động cơ cảm ứng một pha có nghĩa là với dịng điện xoay thơng thường có ưu điểm rõ ràng thì chúng chỉ cần hai đường dây thay vì ba hay bốm đường dây để cung cấp dòng điện cho chúng. Động cơ cảm ứng một pha là động cơ được sử dụng thường nhiều nhất trong thương mại và sinh hoạt hàng ngày như máy bơm, máy khoan, tủ lạnh, máy nén, máy giặt vv... Từ khi động cơ cảm ứng nhiều pha đạt đến giai đoạn thành công trên thực tế thì điều hiển nhiên là động cơ một pha có thể được chế tạo trên các đường dây tương tự. Ngồi ra, động cơ một pha cịn đáng tin cậy, giá thành rẻ, kết cấu đơn giản và dễ sửa chữa. Cấu tạo của động cơ cảm ứng một pha gồm hai phần chính: Stator đứng yên và rôto quay, stator của động cơ một pha có lõi sắt nhiều lớp có các rãnh, roto thường là lồng sóc như hình 1.8.

</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31">

Hình 1.8 Động cơ cảm ứng một pha

<b>1.2.5.1 Nguyên lý làm việc của động cơ cảm ứng </b>

Dịng điện xoay chiều chạy vào dây quấn stato khơng tạo ra từ trường quay. Do sự biến thiên của dòng điện, chiều và trị số từ trường thay đổi, nhưng phương của từ trường cố định trong không gian. Từ trường này gọi là từ trường đập mạch.

Vì khơng phải là từ trường quay, nên khi ta cấp điện vào dây quấn stato, động cơ không tự quay được. Để cho động cơ làm việc được, trước hết ta phải quay roto của động cơ theo một chiều nào đó, roto sẽ tiếp tục quay theo chiều ấy và động cơ làm việc.

Để giải thích rõ hiện tượng xảy ra trong động cơ cảm ứng một pha, ta phân tích từ trường đập mạch thành hai từ trường quay, quay ngược nhiều nhau cùng tần số quay n<small>1</small>, biên độ bằng một nửa biên độ từ trường đập mạch.

Khi dây quấn làm việc nối với điện áp một pha thì dòng điện trong dây quấn sẽ sinh ra từ trường đập mạch Ф. Từ trường này có thể phân thành hai từ trường quay ngược chiều nhau Ф<small>A</small> và Ф<small>B</small> có tốc độ bằng nhau và biên độ bằng một nửa từ trường đập mạch hình 1.9a.

</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32">

Hình 1. 9 Nguyên lý làm việc của động cơ cảm ứng một pha

Như vậy có thể xem động cơ cảm ứng một pha tương đương như một động cơ điện ba pha mà dây quấn stato gồm hai phần giống nhau mắc nối tiếp và tạo thành các từ trường quay theo những chiều ngược nhau hình 1.9b. Tác dụng của các từ trường quay thuận nghịch đó với dịng điện ở roto do chúng sinh ra tạo thành hai mô men ngược nhau M<small>A</small> và M<small>B</small>. Khi động cơ đứng n s = 1 thì hai mơmem đó bằng nhau và ngược chiều nhau, do đó mơmem quay tổng bằng không.

Nếu ta quay roto của động cơ điện theo một chiều nào đó với tốc độ n thì tần số của suất điện động, dịng điện cảm ứng ở roto từ trường quay thuận Ф<small>A</small> sinh ra sẽ là: ở đây (2 – s ) chính là hệ số trượt của roto đối với từ trường Ф<small>B. </small>

Như vậy, khi 0 < s < 1 đối với từ trường Ф<small>A </small>máy làm việc ở chế độ động cơ điện, còn đối với từ trường Ф<small>B</small>, do hệ số trượt của roto đối với từ trường đó bằng 2– s >1 nên máy làm việc ở chế độ hãm. Ngược lại, khi 1 < s < 2 tức là khi roto quay theo chiều của

</div><span class="text_page_counter">Trang 33</span><div class="page_container" data-page="33">

từ trường dây quân B thì hệ số trượt đối với từ trường này sẽ là 0< 2– s <1 lúc đó đối với từ trường Ф<small>B</small>, máy làm việc động cơ, còn đối với từ trường Ф<small>A</small> thì ở chế độ hãm.

Cho rằng các mơ mem có trị số dương khi chúng tác dụng theo chiều quay của từ trường Ф<small>A</small>, ta sẽ được các đường cong mô mem M<small>A </small>và M<small>B</small> của các dây quân A, B và mô mem tổng theo hình 1.10.

Hình 1.10 Đặc tính M của động cơ cảm ứng

Từ ý nghĩa vật lý và hình 1.10 ta thấy rằng đường đặc tính mơmem của động cơ cảm ứng một pha có tính chất đối xứng, cho nên động cơ có thể quay bất cứ chiều nào. Chiều quay thực tế của động cơ cảm ứng một pha chủ yếu phụ thuộc vào chiều quay của bộ phận mở máy.

Cũng như hình 1.10 ta thấy năng lực quá tải của động cơ cảm ứng một pha nhỏ hơn động cơ điện ba pha, đồng thời khác với động cơ điện ba pha.

Mômem cực đại M<small>max</small> của động cơ điện cảm ứng một pha phụ thuộc vào điện trở 𝑟₂^′. Đấy là vì khi 𝑟₂<small>′</small> tăng, mặc dầu M<small>Amax</small> do từ trường thuận sinh ra không đổi nhưng hệ số trượt s<small>Am</small> ứng với M<small>Amax </small>tăng lên, đồng thời ở chế độ trượt đó M<small>B</small> do từ trường nghịch

</div><span class="text_page_counter">Trang 34</span><div class="page_container" data-page="34">

sinh ra cũng tăng lên nên mômem cực đại của động cơ nhỏ đi. Mômem cực đại thay đổi theo 𝑟₂^′ được biểu thị trên hình 1.11

Hình 1.11 Đồ thị thay đổi của mô mem

<b>1.2.5.2 Ứng dụng của động cơ cảm ứng một pha </b>

Động cơ cảm ứng một pha thường được sử dụng rộng rãi trong các dụng cụ thiết bị sinh hoạt và công nghiệp, công suất từ vài oát đến vài trăm oát như máy bơm, tủ lạnh, điều hịa khơng khí, quạt gió và các dụng cụ cầm tay … và nối vào lưới điện xoay chiều một pha [37].

<b>1.3 Các phương pháp điều khiển động cơ cảm ứng </b>

Gần đây, phương pháp điều khiển dự đoán (PC) được giới thiệu như một phương pháp điều khiển hiệu quả cho truyền động động cơ cảm ứng (IM), ví dụ như phương pháp điều khiển dịng điện dự đốn (PCC), phương pháp điều khiển từ thơng dự đốn (MPFC), phương pháp điều khiển mơmem xoắn dự đốn (MPTC) được trình bày trong tài liệu [1] - [7]. Phương pháp điều khiển dự đoán PC được phân loại dựa trên biểu thức của hàm chi phí. Trong tài liệu [1], [2], mơ hình phương pháp điều khiển mơ mem xoắn

</div><span class="text_page_counter">Trang 35</span><div class="page_container" data-page="35">

trực tiếp MP DTC đã được xem xét, trong đó sử dụng phương trình tối thiểu hóa bao gồm sai số mơmen xoắn và từ thông, sử dụng giá trị trọng số để kiểm duyệt ảnh hưởng của hai biến. Trong tài liệu [4], [7], điều khiển dịng điện dự đốn (PCC) được nghiên cứu, trong đó lỗi tham số bao gồm hai phần tương tự của thành phần dòng điện stato alfa-beta (α-β) hoặc dòng điện stato trong hệ quy chiếu d, q. Trong tài liệu [5], [6], các tác giả đề xuất một hàm chi phí bao gồm các biến trạng thái dịng điện stato, từ thơng stato, và trong đó giá trị trọng số cho từ thông stato đã được bỏ qua, điều này giúp đơn giản hóa hàm chi phí và giảm thời gian tính tốn của bộ điều khiển. Hạn chế của cấu trúc liên kết này là ước tính chính xác của các biến trạng thái dòng điện stato, từ thông stato phải được đảm bảo cho tất cả các trường hợp hoạt động và để đáp ứng nhu cầu này, các bộ quan sát thành phần biến trạng thái dịng điện stato, từ thơng stato thích ứng phải được kết hợp để tăng thêm thời gian tính tốn. Phương pháp điều khiển dự đoán đã thay thế hoạt động của các phương pháp điều khiển DTC và FOC cổ điển trong tài liệu [3] - [9]. Ví dụ: độ phức tạp của hệ thống được giảm bớt thông qua việc loại bỏ các bảng tra cứu và bộ điều chỉnh độ trễ được sử dụng trong DTC và loại bỏ bộ điều khiển dòng PI được sử dụng trong phương pháp điểu khiển FOC. Hơn nữa, các gợn sóng trong các tín hiệu được kiểm soát được triệt tiêu hiệu quả khi sử dụng MP DTC so với DTC và FOC. Tuy nhiên, động cơ cảm ứng IM được cải thiện thông qua việc áp dụng phương pháp điều khiển dự đoán với các hình thức khác nhau của nó, nhưng hệ thống kiểm sốt vẫn cịn một số thiếu sót cần phải tránh. Ví dụ; trong cách tiếp cận phương pháp điều khiển PCC, hàm chi phí phụ thuộc vào dịng điện ước tính tại thời điểm tức thời (K + 1) Ts, và do đó nó phụ thuộc trực tiếp vào độ chính xác của độ chắc chắn dịng điện, có thể bị ảnh hưởng bởi tiếng ồn như trong tài liệu [2], [11 ] - [13]. Hơn nữa, bản thân mơ hình dự đốn phụ thuộc vào các thông số của động cơ cảm ứng, có thể được thay đổi theo một số sai lệch nhất định (tức là ước tính từ thơng và tốc độ ở tần số thấp).

Trong phương pháp điểu khiển MP DTC cho động cơ cảm ứng được chú trọng quan tâm với tất cả các ứng dụng của động cơ IM, vì khi động cơ IM hoạt động gặp sự cố mất pha và hoạt động sau sự cố với khả năng chịu lỗi của động cơ IM là mối quan

</div><span class="text_page_counter">Trang 36</span><div class="page_container" data-page="36">

tâm chính vì lý do kinh tế và an tồn. Sử dụng giá trị trọng số trong hàm chi phí để giảm thiểu lỗi, giảm gợn mô mem xoắn của động cơ cảm ứng, vì vậy cần có sự lựa chọn chính xác của giá trị này, do đó u cầu sử dụng quy trình tối ưu hóa trực tuyến để tăng thêm thời gian tính tốn [10] - [15]. Hơn nữa, các gợn sóng vẫn hiện diện trong các biến được kiểm soát; tuy nhiên tỷ lệ phần trăm của nó thấp hơn so với DTC cổ điển. Điều này có thể được đề cập đến nhiều lý do; một trong số đó là sự lựa chọn sai giá trị trọng số. Hơn nữa, lý do được đề cập đến việc triển khai điện áp cho tổng khoảng thời gian lấy mẫu, không phải là một hành động kiểm sốt chính xác, vì nó có thể xảy ra và cần phải cập nhật vectơ điện áp trong chính khoảng thời gian lấy mẫu đó, điều này sẽ dẫn đến tăng từ thơng và sai lệch mơmen xoắn và do đó các gợn sóng tăng trở lại. Các nghiên cứu khác đã liên quan đến việc hạn chế các gợn sóng trong MP DTC thông qua việc kết hợp các công cụ ước lượng từ thông trong hệ thống [16], [17], đã cải thiện ước lượng từ thông và mô-men xoắn, nhưng mặt khác, đã thêm một sự chậm trễ trong phản hồi và tăng độ phức tạp của hệ thống. Các nghiên cứu khác nhau đã được đưa ra để tránh sử dụng giá trị trọng số bằng cách sử dụng một hàm chi phí tương tự các kỹ thuật như trong tài liệu [5], [18]. Hiệu suất đã được cải thiện đáng kể sử dụng các kỹ thuật này; tuy nhiên, các hàm chi phí trong những nghiên cứu sử dụng các biến phụ thuộc tham số như từ thông [5], [6], làm cho bộ điều khiển rất nhạy cảm với các tham số biến đổi. Trong phương pháp điều khiển từ thơng dự đốn mơ hình (MPF), lỗi từ thơng được sử dụng làm hàm chi phí cần được giảm thiểu. Thách thức chính trong các kỹ thuật này là đảm bảo ước tính chính xác từ thông stato, vốn dĩ phụ thuộc vào tham số hệ thống. Hơn nữa, các điều kiện hàm chi phí vẫn cần thiết để được tính tốn và dự đốn có nghĩa là gánh nặng tính tốn vẫn chưa được giảm thiểu hồn tồn ngay cả khi nó thấp hơn trọng số tính tốn của MP DTC.

Để nâng cao độ tin cậy và mạnh mẽ của bộ điều khiển, các phương pháp ước tính tốc độ khác nhau đã được đề xuất trong tài liệu [20] - [24]. Trong đó sử dụng cơng cụ ước tính Luenberger, mở rộng mạng nơ-ron, bộ lọc Kalman mở rộng và cả sai số bình phương nhỏ nhất. Sự thiếu sót chính của các bộ quan sát như vậy là tính phức tạp của hệ thống địi hỏi nhu cầu tính tốn cao mà khơng thể được cung cấp bởi tất cả các bộ vi xử

</div><span class="text_page_counter">Trang 37</span><div class="page_container" data-page="37">

lý. Mơ hình quan sát thích nghi hàm chuẩn (MRAO) được sử dụng rộng rãi cho mục đích ước lượng như trong tài liệu [22] - [25]. Tuy nhiên, MRAO bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi các thông số, đặc biệt là hoạt động ở tần số thấp đòi hỏi yếu tố quyết định chính xác của mơ hình động cơ ở mọi điều kiện hoạt động. Một bộ quan sát Luenberger giảm thiểu xác định đã được đề xuất trong [28], đã phân tích và kiểm tra phản ứng của bộ quan sát đối với các tham số không khớp, nhưng mặt khác, nó đã bỏ qua việc kiểm tra tính mạnh mẽ của hệ thống so với độ chính xác của phép đo.

Để giải quyết một số khiếm khuyết của phương pháp MP DTC trong truyền thống và để đảm bảo hiệu suất mạnh mẽ từ tốc độ cơng cụ ước tính, cơng việc hiện tại giới thiệu một thiết bị mới khơng có cảm biến cách tiếp cận kỹ thuật điều khiển điện áp dự đoán (PVC). Những lợi thế của kỹ thuật được đề xuất là sự đơn giản, đáp ứng nhanh chóng cho sự thay đổi, các gợn sóng giảm và thời gian tính tốn thấp. Những giá trị này có được thơng qua việc sử dụng một phương trình hàm lỗi đơn giản với các thuật ngữ cùng loại (điện áp stato d-q). Hơn nữa, các biến được sử dụng trong hàm này không được ước tính, một trong đó được sử dụng nâng cao tính mạnh mẽ của hệ thống. Hơn nữa, với tư cách là điện áp stato là các biến gần nhất được áp dụng cho IM; điều này góp phần tăng tốc độ phản hồi động của IM.

Để đảm bảo độ tin cậy của hệ thống cao và giảm chi phí, một bộ quan sát Back-stepping observer (BSO) mạnh mẽ được sử dụng để quan sát dịng điện stato, từ thơng roto, tốc độ roto và điện trở của stato và roto. Cấu trúc của bộ quan sát rất đơn giản so với các kỹ thuật khác. BSO cung cấp ước tính chính xác của các biến khác nhau theo cách xếp tầng, góp phần đáng kể trong việc hạn chế sai số ước lượng. BSO đã được sử dụng với các máy điện xoay chiều khác nhau như một sơ đồ điều khiển [26] - [30], nhưng nó khơng được sử dụng như một bộ quan sát.

<b>1.3.1 Phương pháp điều khiển DTC cho động cơ cảm ứng </b>

Trong những thập kỷ qua, sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị bán dẫn công suất đã dẫn đến việc sử dụng ngày càng nhiều các bộ điều khiển động cơ cảm ứng, tốc độ động cơ có thể điều chỉnh được tùy vào ứng dụng cụ thể. Trong các hệ thống điều

</div><span class="text_page_counter">Trang 38</span><div class="page_container" data-page="38">

khiển này, bộ biến tần DC-AC được sử dụng để điều khiển động cơ cảm ứng dưới dạng nguồn điện áp hoặc dòng điện ba pha tần số thay đổi. Một trong những phương pháp khác được sử dụng để điều khiển mômen xoắn và tốc độ của động cơ cảm ứng trong các hệ thống là điều khiển mômen xoắn trực tiếp (DTC), được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1985 bởi Takahashi và Noguchi [39,40,46] và ngày nay là một tiêu chuẩn công nghiệp được thiết lập và ứng dụng rộng rãi cho động cơ cảm ứng.

Nguyên lý làm việc cơ bản của DTC là sử dụng động lực học từ thông stator nhanh của động cơ và điều khiển trực tiếp vectơ từ thông stator sao cho tạo ra mômen xoắn mong muốn. Điều này đạt được bằng cách chọn tổ hợp chuyển mạch biến tần để điều khiển vectơ từ thông stato đến vị trí mong muốn bằng cách cấp trực tiếp điện áp thích hợp vào cuộn dây động cơ. Lựa chọn này thường được thực hiện với thời gian lấy mẫu Ts = 25 µs bằng cách sử dụng bảng chuyển mạch được thiết kế sẵn để giải quyết một số mục tiêu điều khiển khác nhau. Những điều này chủ yếu liên quan đến hoạt động của động cơ cảm ứng, cụ thể hơn là từ thông stato và mômen điện từ cần được giữ trong giới hạn được xác định xung quanh tham chiếu của chúng. Trong các ứng dụng công suất cao, nơi sử dụng bộ biến tần ba cấp có thyristor tắt cổng (GTO), mục tiêu điều khiển được mở rộng sang bộ biến tần. Trong trường hợp như vậy, chúng cũng bao gồm việc giảm thiểu tần số chuyển mạch trung bình và cân bằng điện thế điểm trung tính của biến tần quanh mức 0.

Phương pháp điều khiển DTC có một số lợi ích liên quan đến hiệu suất và việc triển khai. Phản ứng mơmen xoắn động đạt được nhanh chóng và chính xác trong tồn bộ phạm vi hoạt động của máy. Ngồi ra, cách tiếp cận tích hợp cho vấn đề điều khiển của cả biến tần và động cơ của máy thực hiện đơn giản. Mặt khác DTC có một số nhược điểm đáng kể, chẳng hạn như sự hiện diện của dòng điện cao và gợn sóng mơmen xoắn, thực tế là tần số chuyển mạch trung bình khơng thể điều khiển trực tiếp và khó điều khiển mơmen xoắn và từ thông ở tần số thấp. Với sự cân bằng giữa tần số chuyển mạch và gợn sóng mơmen xoắn và từ thông, thường tồn tại trong DTC, sự cải thiện có thể được chuyển thành việc giảm tần số chuyển mạch biến tần trung bình cho cùng một mơmen xoắn và

</div><span class="text_page_counter">Trang 39</span><div class="page_container" data-page="39">

gợn sóng từ thơng. Nói chung, khó khăn chính phát sinh trong q trình thiết kế bộ điều khiển, thực tế là bộ điều khiển DTC cấu thành một hệ thống lai, tức là một hệ thống kết hợp cả động lực học liên tục và động học rời rạc, đặc biệt là các biến điều khiển có giá trị rời rạc. Ngoài ra, các ràng buộc về trạng thái, đầu vào và đầu ra hiện đang gây ra nhiều phức tạp hơn cho thiết kế bộ điều khiển, vì các vấn đề tốn học cơ bản về bản chất là phức tạp và khó giải quyết.

Để đơn giản hóa mơ hình hóa bộ điều khiển DTC, thông thường phải chuyển đổi tất cả các biến từ hệ thống ba pha (abc) sang khung tham chiếu dq0 trực giao với trực tiếp (d), cầu phương (q) và số 0, trục có thể đứng yên hoặc quay.

Hình 1. 12 Khung tham chiếu trục dq0

Tất cả các cuộn dây được coi là tiêu thụ năng lượng. Khi đó điện áp đặt vào đầu cực bằng tổng điện áp rơi trong cuộn dây. Công suất trong cuộn dây là dương do đó, điện áp và dịng điện cùng chiều. Các phương trình điện áp được viết theo định luật Kirchhoff

</div><span class="text_page_counter">Trang 40</span><div class="page_container" data-page="40">

2 và định luật Faraday cho mỗi cuộn dây. Phương trình ba biến cơ bản của cuộn dây, dịng điện, điện áp và từ thông được liên kết với nhau như sau:

Trong đó các điện áp đầu cực là u<small>a, </small>u<small>b</small>, u<small>c</small>, các điện trở R<small>a</small>, R<small>b</small>, R<small>c</small>, i<small>a</small>, i<small>b</small>, i<small>c</small> là dòng điện và ψ<small>a</small>, ψ<small>b</small>, ψ<small>c</small>, là từ thông liên kết của ba cuộn dây.

Pha a sẽ được phân tích một cách cụ thể đối với các biến u<small>a, </small>i<small>a, </small>ψ<small>a. </small>Từ thông ψ<small>a </small>

được viết bằng biểu thức:

</div>