(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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN MINH SĨ ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ TÍNH TỐN MỀM TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MƠ MEN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA S K C 0 9 NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60 52 50 S KC 0 2 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2014 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN MINH SĨ ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ TÍNH TỐN MỀM TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔ MEN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60 52 50 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2014 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN MINH SĨ ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ TÍNH TỐN MỀM TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MƠ MEN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60 52 50 HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS DƢƠNG HỒI NGHĨA Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2014 Luan van LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Nguyễn Minh Sĩ Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 07/06/1980 Nơi sinh: Đồng Tháp Quê quán: Châu Thành, Đồng Tháp Dân tộc: Kinh Địa liên lạc: Số 02, Đƣờng Trần Phú, P 3, TP Sa Đéc, Đồng Tháp Điện thoại quan: 0673.866 362 Điện thoại: 0939.469.959 Fax: 0673.866 364 E-mail: ng.minhsi@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Cao đẳng: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/1998 đến 02/2002 Nơi học: Trƣờng Cao Đẳng Sƣ Phạm Kỹ Thuật Vĩnh Long, Tỉnh Vĩnh Long Ngành học: Kỹ Thuật Điện Đại học: Hệ đào tạo: Hoàn chỉnh ĐHTC Thời gian đào tạo từ 10/2005 đến 10/2007 Nơi học: Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Ngành học: Điện Khí Hóa – Cung Cấp Điện Thạc sĩ: Hệ đào tạo: Chính quy tập trung Thời gian đào tạo từ 05/2010 đến 05/2012 Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Đại học SPKT TP Hồ Chí Minh Ngành học: Thiết bị, mạng Nhà máy điện Tên luận văn: “Ứng dụng công nghệ tính tốn mềm hệ thống điều khiển trực tiếp mô men động không đồng ba pha” Ngày & nơi bảo vệ luận văn: / /2014 Tại Trƣờng Đại học SPKT TP Hồ Chí Minh Ngƣời hƣớng dẫn: PGS.TS Dƣơng Hồi Nghĩa Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ): Tiếng Anh - cấp độ B1 i Luan van Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật đƣợc thức cấp; số bằng, ngày & nơi cấp: - Cử nhân cao đẳng: Kỹ Thuật Điện, Số hiệu bằng: 69402, Ngày cấp: 28/02/2002 Nơi cấp: Trƣờng Cao Đẳng Sƣ Phạm Kỹ Thuật Vĩnh Long - Bằng Kỹ Sƣ Điện Khí Hóa – Cung Cấp Điện, Số hiệu bằng: 0084071, Ngày cấp: 23/11/2007 Nơi cấp: Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM III QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Trƣờng Cao đẳng Nghề Đồng Tháp Giảng viên Thời gian Từ 09/2007 đến XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN CỬ ĐI HỌC (Ký tên, đóng dấu) Ngày 03 tháng 03 năm 2014 Ngƣời khai ký tên ii Luan van LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2014 (Ký tên ghi rõ họ tên) Nguyễn Minh Sĩ iii Luan van LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập nghiên cứu trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh, tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp cao học Để có đƣợc thành này, nhận đƣợc nhiều hỗ trợ giúp đỡ tận tình từ quý thầy/cô, đơn vị chủ quản Chân thành cảm ơn quý thầy/cô Khoa điện – Điện tử trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh trƣờng Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh tận tình truyền đạt kiến thức cho tơi suốt khóa học trƣờng Tơi xin trân trọng biết ơn chân thành đến PGS.TS Dƣơng Hoài Nghĩa, ngƣời tận tình trực tiếp hƣớng dẫn tơi thực hồn thành luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến đồng nghiệp, bạn bè giúp đỡ nhiều, tạo cho niềm tin cố gắng nỗ lực để hoàn thành luận văn Cảm ơn ban lãnh đạo Trƣờng Cao Đẳng Nghề Đồng Tháp tạo điều kiện tốt cho tơi hồn thành khóa học Xin chân thành cảm ơn gia đình ngƣời thân yêu tạo điều kiện, động viên, giúp đỡ chỗ dựa vững giúp tơi an tâm học tập vƣợt qua khó khăn thời gian qua Xin chân thành cảm ơn! Tp Hồ Chí Minh, tháng… năm 2014 Học viên Nguyễn Minh Sĩ iv Luan van TÓM TẮT Cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật giới phát triển nhanh, đạt đến yêu cầu kỹ thuật Đa số thiết bị hệ thống điện công nghiệp, dây chuyền sản xuất nhà máy đƣợc ứng dụng điều khiển động không đồng (KĐB) với chi phí hợp lý độ bền cấu trúc Tuy nhiên, việc điều khiển động KĐB vấn đề khó khăn, phức tạp động KĐB hệ phi tuyến, cần thuật toán điều khiển chặt chẽ Cơ sở điều khiển máy điện KĐB ba pha đại phƣơng pháp điều khiển vec tơ phát triển phổ biến năm qua Trong phƣơng pháp điều khiển trực tiếp mơ men (DTC – Direct Torque control) có khả điều khiển độc lập từ thông mô men, đƣợc sử dụng để điều khiển động làm việc hệ thống yêu cầu xác tốc độ ổn định mô men Tác giả ứng dụng phƣơng pháp điều khiển trực tiếp mô men (DTC) để điều khiển động KĐB ba pha, có ứng dụng điều khiển mờ (Fuzzy Logic Controller – FLC) tỉ lệ vi phân PD Kết cho thấy phù hợp với yêu cầu phân tích Tuy nhiên giới hạn luận văn chƣa ứng dụng mạng nơron để ƣớc lƣợng tốc độ động Các kết đƣợc khảo sát phân tích cụ thể việc mô dùng phần mềm Matlab Simulink công ty MathWorks Từ kết phân tích ta dùng FLC để điều khiển động KĐB đạt hiệu suất cao v Luan van ABSTRACT The scientific and technical revolution in the world is developing very fast, always reach the new engineering requirements Most of the devices in the power system industry, the production lines in factories are controlled from the induction asynchronous motor with affordable and reliable structure However, asynchronous motor control is a difficult and complex problem, because the asynchronous motor is a nonlinear system, and requires a strict control algorithms Base asynchronous machine control three-phase modern is vector method control which has grown very popular in recent years In that method, Direct Torque Control (DTC) is able to be capable of independent flux motor and moment motor, and are used to control the engine while working in the system precising speed and torque stability The author applies the methods of Direct Torque Control (DTC) to control asynchronous motors control three-phase, which has application of Fuzzy Logic Controller (FLC) Proportional Derivative (PD) The results showed that conformity with the requirements analysis However, the limit of the thesis is not applied neural networks to estimate the motor speed The results will be examined and detailed analysis by simulation using Matlab Simulink software MathWorks company From analysis results we can use FLC to control asynchronous motor for achieving the highest performance vi Luan van MỤC LỤC TRANG TRANG TỰA QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN iii LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT v ABSTRACT vi MỤC LỤC vii DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT xi DANH SÁCH BẢNG xiv DANH SÁCH CÁC HÌNH .xv Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Sự phát triển kỹ thuật điều khiển động 1.3 Các phƣơng pháp điều khiển động KĐB .3 1.3.1 Phƣơng pháp V/f = const (điều khiển vô hƣớng) .3 1.3.2 Phƣơng pháp điều khiển định hƣớng trƣờng (FOC) 1.3.3 Phƣơng pháp điều khiển trực tiếp mô men (DTC) .4 1.4 Nhiệm vụ phạm vi nghiên cứu .5 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu 1.6 Nội dung luận văn 1.7 Ý nghĩa thực tiễn luận văn Chƣơng 2: MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 2.1 Khái quát 2.2 Xây dựng vec tơ không gian vii Luan van Chƣơng Xây dựng cấu trúc khối điều khiển phân tích kết mơ Hình 4.9: Sơ đồ nghịch lƣu PWM 4.1.1.6 Sơ đồ khối động không đồng pha hệ tọa độ αβ Hình 4.10: Sơ đồ khối động không đồng pha hệ tọa độ αβ HVTH: Nguyễn Minh Sĩ 62 Luan van GVHD: PGS TS Dương Hoài Nghĩa Chƣơng Xây dựng cấu trúc khối điều khiển phân tích kết mơ 4.1.1.7 Khối chuyển tọa độ abc sang αβ αβ sang abc Phép chuyển hệ trục tọa độ abc sang hệ tọa độ αβ Hình 4.11: Khối chuyển tọa độ abc sang αβ Phép chuyển hệ trục tọa độ αβ sang hệ trục tọa độ abc Hình 4.12: Khối chuyển tọa độ từ αβ sang abc 4.1.2 Sơ đồ mô DTC ứng dụng điều khiển PD mờ Hình 4.13: Sơ đồ mơ DTC ứng dụng điều khiển PD mờ HVTH: Nguyễn Minh Sĩ 63 Luan van GVHD: PGS TS Dương Hoài Nghĩa Chƣơng Xây dựng cấu trúc khối điều khiển phân tích kết mơ 4.1.2.1 Bộ điều khiển PD mờ Hình 4.14: Bộ điều khiển PD mờ 4.1.2.2 Các hàm thành viên (a) Hàm thành viên ngõ vào E1 E2 (b) Hàm thành viên ngõ U1 U2 Hình 4.15: Các hàm thành viên điều khiển PD mờ HVTH: Nguyễn Minh Sĩ 64 Luan van GVHD: PGS TS Dương Hoài Nghĩa Chƣơng Xây dựng cấu trúc khối điều khiển phân tích kết mơ Trong đó, Nb: Negative big, Nm: Negative medium, Ns: Negative small Pb: Positive big, Pm: Positive medium, Ps: Positive, Z: Zero 4.1.2.3 Luật mờ * Luật mờ Kp: If (E1 is Nb) then (U1 is Nb) (1) If (E1 is Nm) then (U1 is Nm) (1) If (E1 is Ns) then (U1 is Ns) (1) If (E1 is Z) then (U1 is Z) (1) If (E1 is Ps) then (U1 is Ps) (1) If (E1 is Pm) then (U1 is Pm) (1) If (E1 is Pb) then (U1 is Pb) (1) * Luật mờ Kd: If (E2 is Nb) then (U2 is Nb) (1) If (E2 is Nm) then (U2 is Nm) (1) If (E2 is Ns) then (U2 is Ns) (1) If (E2 is Z) then (U2 is Z) (1) If (E2 is Ps) then (U2 is Ps) (1) If (E2 is Pm) then (U2 is Pm) (1) If (E2 is Pb) then (U2 is Pb) (1) HVTH: Nguyễn Minh Sĩ 65 Luan van GVHD: PGS TS Dương Hoài Nghĩa Chƣơng Xây dựng cấu trúc khối điều khiển phân tích kết mô (a) Luật mờ Kp (b) Luật mờ Kd Hình 4.16: Luật mờ điều khiển PD mờ HVTH: Nguyễn Minh Sĩ 66 Luan van GVHD: PGS TS Dương Hoài Nghĩa Chƣơng Xây dựng cấu trúc khối điều khiển phân tích kết mơ 4.2 Phân tích kết mơ 4.2.1 Thông số động KĐB pha Bảng 4.16: Thông số động KĐB pha Ký hiệu Giá trị Đơn vị Công suất P Hp Tần số f 50 Hz Điện trở stator Rs 1.177  Điện trở rotor Rr 1.382  Điện cảm stator Ls 0.119 H Điện cảm rotor Lr 0.118 H Hỗ cảm Lm 0.113 H Mơmen qn tính Jm 0.00126 Kg.m2 Mơmen tải TL 3.5 Nm Số đôi cực p Tên thông số 4.2.2 Phân tích kết mơ 4.2.2.1 Đáp ứng từ thông stator rotor lúc khởi động (a) Bộ điều khiển PD cổ điển (b) Bộ điều khiển PD mờ Hình 4.17: Đáp ứng từ thơng stator lúc khởi động HVTH: Nguyễn Minh Sĩ 67 Luan van GVHD: PGS TS Dương Hoài Nghĩa Chƣơng Xây dựng cấu trúc khối điều khiển phân tích kết mô (a) Bộ điều khiển PD cổ điển (b) Bộ điều khiển PD mờ Hình 4.18: Đáp ứng từ thơng rotor lúc khởi động 4.2.2.2 Điện áp dịng điện lúc khởi động (a) Bộ điều khiển PD cổ điển (b) Bộ điều khiển PD mờ Hình 4.19: Điện áp lúc khởi động HVTH: Nguyễn Minh Sĩ 68 Luan van GVHD: PGS TS Dương Hoài Nghĩa Chƣơng Xây dựng cấu trúc khối điều khiển phân tích kết mô (a) Bộ điều khiển PD cổ điển (b) Bộ điều khiển PD mờ Hình 4.20: Dịng điện lúc khởi động 4.2.2.3 Đáp ứng từ thông stator rotor (a) Bộ điều khiển PD cổ điển (b) Bộ điều khiển PD mờ Hình 4.21: Đáp ứng từ thông stator HVTH: Nguyễn Minh Sĩ 69 Luan van GVHD: PGS TS Dương Hoài Nghĩa Chƣơng Xây dựng cấu trúc khối điều khiển phân tích kết mô (a) Bộ điều khiển PD cổ điển (b) Bộ điều khiển PD mờ Hình 4.22: Đáp ứng từ thông rotor 4.2.2.4 Quan hệ tốc độ rotor mô men điện từ theo thời gian (a) Bộ điều khiển PD cổ điển (b) Bộ điều khiển PD mờ Hình 4.23: Quan hệ tốc độ rotor mơ men điện từ theo thời gian HVTH: Nguyễn Minh Sĩ 70 Luan van GVHD: PGS TS Dương Hoài Nghĩa Chƣơng Xây dựng cấu trúc khối điều khiển phân tích kết mơ 4.2.2.5 Đáp ứng từ thông động (a) Bộ điều khiển PD cổ điển (b) Bộ điều khiển PD mờ Hình 4.24: Đáp ứng từ thơng động Từ hình 4.24, ta thấy từ thông động sử dụng điều khiển PD mờ bám theo giá trị đặt nhanh từ thông động sử dụng điều khiển PD cổ điển Từ thông động bám theo giá trị đặt với thời gian đáp ứng khoảng 0,1s 4.2.2.6 Đáp ứng tốc độ động (a) Bộ điều khiển PD cổ điển (b) Bộ điều khiển PD mờ Hình 4.25: Đáp ứng tốc độ động Từ hình 4.25, ta thấy tốc độ động sử dụng điều khiển PD mờ tốc độ sử dụng điều khiển PD cổ điển Tốc độ động bám theo giá trị đặt với thời gian đáp ứng khoảng 0,1s HVTH: Nguyễn Minh Sĩ 71 Luan van GVHD: PGS TS Dương Hoài Nghĩa Chƣơng Xây dựng cấu trúc khối điều khiển phân tích kết mô 4.2.2.7 Đáp ứng mô men động (a) Bộ điều khiển PD thông thƣờng (b) Bộ điều khiển PD mờ Hình 4.26: Đáp ứng mơ men động Từ hình 4.26, ta thấy mơ men động sử dụng điều khiển PD mờ mô men sử dụng điều khiển PD cổ điển Mô men động bám theo giá trị đặt với thời gian đáp ứng khoảng 0,1s 4.2.2.8 Đáp ứng dòng điện động (a) Bộ điều khiển PD cổ điển (b) Bộ điều khiển PD mờ Hình 4.27: Đáp ứng dịng điện động Từ hình 4.27, ta thấy dịng khởi động động sử dụng điều khiển PD mờ giảm so với dòng khởi động sử dụng điều khiển PD cổ điển HVTH: Nguyễn Minh Sĩ 72 Luan van GVHD: PGS TS Dương Hoài Nghĩa Chƣơng Xây dựng cấu trúc khối điều khiển phân tích kết mô Nhận xét: - Hệ thống điều khiển đạt chất lƣợng cao sử dụng điều khiển PD mờ - Từ thông bám theo giá trị đặt với thời gian đáp ứng khoảng 0,1s - Sự thay đổi tốc độ nhƣ tăng tốc hay giảm tốc hầu nhƣ không ảnh hƣởng đến từ thông rotor HVTH: Nguyễn Minh Sĩ 73 Luan van GVHD: PGS TS Dương Hoài Nghĩa Chƣơng Kết luận hƣớng phát triển đề tài Chƣơng 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 5.1 Kết luận Đề tài thực điều khiển PD mờ kết cho thấy: - Sự khác biệt từ thông dùng điều khiển PD cổ điển với từ thông dùng điều khiển PD mờ không đáng kể - Mômen tốc độ động bám theo giá trị đặt - Sử dụng dùng điều khiển PD điều khiển DTC cho ta dòng khởi động giảm - Sự thay đổi tốc độ nhƣ mô men hầu nhƣ không ảnh hƣởng đến từ thông rotor - Kết mô cho thấy phạm vi ứng dụng truyền động điều khiển động thực tế, điều khiển xác tốc độ động theo giá trị đặt 5.2 Hƣớng phát triển đề tài Quá trình thực đề tài nội dung sau nghiên cứu phát triển - Ƣớc lƣợng tốc độ dùng mạng nơron - PD mờ kết hợp với nơron - Chỉnh định thông số PD dùng lý thuyết bầy đàn PSO (Particle Swarm Optimization) - Triển khai thực nghiệm HVTH: Nguyễn Minh Sĩ 74 Luan van GVHD: PGS TS Dương Hoài Nghĩa Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] Nguyễn Phùng Quang, “Điều khiển tự động truyền động xoay chiều ba pha”, nhà xuất Giáo dục năm 1996 [2] Trần Công Binh, giảng “Hệ thống điều khiển số, điều khiển máy điện”, Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh [3] TS Huỳnh Thái Hoàng, giảng “Hệ thống điều khiển thông minh”, Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh [4] Nguyễn Phùng Quang,“Matlab  Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động”, nhà xuất Khoa học Kỹ thuật năm 2004 [5] Nguyễn Thị Phƣơng Hà, “Lý thuyết điều khiển đại”, nhà xuất Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh năm 2007 [6] TS Nguyễn Nhƣ Hiền – TS Lại Khắc Lãi, “ Hệ mờ  nơron kỹ thuật điều khiển”, nhà xuất Khoa học tự nhiên công nghệ Hà Nội năm 2007 [7] Nguyễn Phùng Quang – Andreas Dittrich, “Truyền động điện thông minh”, nhà xuất Khoa học Kỹ thuật năm 2004 TIẾNG ANH [8] Arias Pujol, Antoni , “ improvements in direct torque control of induction motors”, Departament D‟enginyeria Electrònica 2000 [9] Mihai Comanessu, M.S, “ Flux and speed estimation techniques allfor sensorless control of induction motor”, The Ohio State University 2005 HVTH: Nguyễn Minh Sĩ 75 Luan van GVHD: PGS TS Dương Hoài Nghĩa Luan van ... pháp điều khiển trực tiếp mô men để điều khiển động KĐB, cung cấp kiến thức cách thức tiếp cận lý thuyết điều khiển trực tiếp mơ men Ứng dụng cơng nghệ tính tốn mềm điều khiển trực tiếp mơ men. .. thơng mô men, đƣợc sử dụng để điều khiển động làm việc hệ thống yêu cầu xác tốc độ ổn định mô men Tác giả ứng dụng phƣơng pháp điều khiển trực tiếp mô men (DTC) để điều khiển động KĐB ba pha, có ứng. .. PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN MINH SĨ ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ TÍNH TỐN MỀM TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔ MEN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60 52 50 HƢỚNG DẪN