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

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 toán, các

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG ***

NGUYỄN MINH QUANG

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Đồng Nai – Năm 2024

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG ***

NGUYỄN MINH QUANG

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

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN MÃ SỐ: 8520201

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS NGUYỄN VŨ QUỲNH

Đồng Nai – Năm 2024

Học viên xin bày tỏ lòng 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

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 hoàn thành luận văn cũng như khóa học của bản thân học

Tôi cam đoan đây là công 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 công trình nghiên cứu của riêng mình

Đồng Nai, ngày tháng năm 2024

(Ký và ghi rõ họ tên)

Học viên

Nguyễn Minh Quang

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 yêu 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 nguyên tắc điều khiển dự đoán mô hình, trong đó điện áp stato được điều khiển trực tiếp thay vì điều chỉnh từ thông và mômen 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 toán, 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 thông 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

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 đoán mô hình 37

1.3.3 Phương pháp điều khiển không sử dụng cảm biến 51

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 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG 66

3.1 Bộ quan sát Backstepping observer (BSO) 66

3.2 Thiết kế bộ quan sát BSO 67

3.3 Hoàn 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 mô phỏng bằng thuật toán Fourier 95

VIẾT TẮT TIẾNG ANH TIẾNG VIỆT

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

Mô hình điều khiển mô mem trực tiếp dự đoán

MPC Model predictive control Mô hình điều khiển dự đoán MPF Model predictive flux Mô hình thông lượng dự đoán MRA Model Reference Adaptive Mô hình thích ứng tham chiếu MRAO Model reference adapting

observer

Mô hình quan sát thích nghi hàm chuẩn

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

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

Bảng 4.1 Mô phỏng Phổ dòng 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

Hình 1.1 Động cơ cảm ứng trong điều hòa không 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 Mô 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 mô 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 Mô hình nghịch lưu hai cấp điện áp 37

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

Hình 1 21 Vòng điều khiển cơ bản MPC 46

Hình 4.2: Mômen xoắn của MP DTC (Nm) 77

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

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 thông 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 rôto đối với MP DTC (Rad) 81

Hình 4 12: Sự thay đổi mômen 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 rôto đối với PVC (RPM) 85

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

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

Hình 4 19: Thành phần α của dòng 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 thông roto dưới PVC (Vs) 87

Hình 4 22: Thành phần β của từ thông 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 rôto đối với PVC (Rad) 89

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

Hình 4 27: Sự thay đổi mômen 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: Mômen xoắn theo hai phương pháp (Nm) 93

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

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

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

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

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

Hình 4 38: Phổ dòng 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

Biểu đồ hình 1.21 Vòng 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

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu đề tài nghiên cứu 1.1.1 Đặt vấn đề

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 không yêu 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 hòa không khí [36]

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 dòng điện dự đoán (PCC) và kỹ thuật điều khiển từ thông dự đoán đã thay thế kỹ thuật điều khiển hướng trường (FOC) cổ điển, nhưng kỹ thuật này cũng làm tăng thêm thời gian tính toán 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 không 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 toán ngắn cho động cơ cảm ứng

1.1.2 Mục tiêu và giới hạn đề tài

Mục tiêu của luận văn này là sử dụng nguyên tắt điều khiển dự đoán mô 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 mô hình mô phỏng MATLAB

1.1.3 Phương pháp nghiên cứu

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 công trình nghiên cứu trong và ngoài nước, từ cơ sở lý thuyết mô hình hóa động cơ cảm ứng cho đến nghiên cứu thiết kế mô hình toán 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 thông số của kỹ thuật điều khiển MP DTC trong luận văn đối với động cơ IM

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

- Từ kết quả mô phỏng mô 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

1.1.4 Nội dung Luận văn

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 mô hình hóa động cơ cảm ứng

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

- Chương 3: Xây dựng mô hình

Chương này là trình bày về việc xây dựng thuật toán mô hình hóa sử dụng cho bộ quan sát Backstepping observer (BSO) Sử dụng MATLAB/SIMULINK để mô 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

1.2 Giới thiệu động cơ cảm ứng

1.2.1 Khái niệm chung về động cơ cảm ứng

Động cơ cảm ứng là loại động cơ điện xoay chiều không 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 công suất rộng và động cơ cảm ứng có chi phí sản xuất thấp so với những loại động cơ có cùng công 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 công 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 rôto của động cơ cảm ứng diễn ra hoàn toàn bằng cảm ứng điện từ, với sự hỗ trợ liên kết từ thông 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 yên, còn cuộn rôto được coi như cuộn thứ cấp quy tự do

1.2.2 Cấu tạo động cơ cảm ứng

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

1.2.2.1 Phần tĩnh hay phần stato

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 dòng điện ba pha, tạo ra từ thông có cường độ không đổi nhưng quay với tốc độ đồng bộ Từ thông quay này tạo ra lực điện động trong rôto bằng cảm ứng lẫn nhau

Cấu tạo của stato động cơ cảm ứng bao gồm: Khung stato, lõi thép stato, cuộn dây stato và vòng bi, ngoài ra còn 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 cuôn 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 không khí giữa stato và rôto phải càng nhỏ càng tốt, nó làm giảm từ thông rò rỉ giữa stato và rôto, 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

1.2.2.2 Phần quay roto

Rôto động cơ cảm ứng là một lõi nhiều lớp, có các khe thường gồm hai loại, rôto lồng sóc và rôto dây quấn Nhưng gần 90% động cơ cảm ứng là loại lồng sóc, vì loại rôto này có cấu trúc đơn giản và chắc chắn nhất Rôto 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

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 rôto dây quấn, cuộn dây rôto cũng là cuộn dây phân bố ba pha, các cuộn dây rôto 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 vòng trượt cho phép kết nối bên ngoài bằng chổi than Một ưu điểm của loại động cơ cảm ứng có rôto dây quấn là cho phép điều khiển tốc độ động cơ và khả năng kiểm soát mômem xoắn lúc khởi động

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

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 dòng điện trong mạch rôto Dòng điện trong dây dẫn rôto buộc rôto 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

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 không 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

1.2.3.1 Động cơ cảm ứng làm việc khi roto đứng yên

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 U1, f1, khi đó có một dòng điện điện I1, chạy trong cuộn dây stato cùng tần số f1 Và một dòng điện I2, chạy trong dây quấn lồng sóc với tần số f2 Dòng điện I1 và I2 trên các cuộn dây quấn stato và rôto sẽ sinh ra sức từ động F1, F2 được tính như sau:

- F1, F2 là sức từ động trên dây quấn stato và rôto

- kdq1, kdq2 là hệ số dây quấn của stato và roto

- m1, m2 là số pha của stato và roto

- I1, I2 là dòng điện trong các dây quấn của stato và roto

- w1, w2 là số vòng dây nối tiếp trên cùng một pha

- p là số đôi cực

Từ đó tổng sức từ động trong khe hở F0 được viết bởi phương trình

𝐹̇1+ 𝐹̇2 = 𝐹̇0 (1.3)

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

Dòng điện İ0 sẽ tạo nên sức từ động 𝐹̇0:

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

Sức từ động F0 sinh ra tư thông Ф trong khe hở quét qua dây quấn stato và rôto và cảm ứng tại đó hai suất điện động 𝐸1, 𝐸2 được tính phương trình sau:

{𝐸1 = 4,44𝑓1𝑤1𝑘𝑑𝑞1Ф

𝐸2 = 4,44𝑓2𝑤2𝑘𝑑𝑞2Ф (1.11) Ta xét khi f1 = f2 trong trường hợp rôto đứng yên, ta có tỷ số biến đổi điện áp được tính như sau:

Mặt khác suất điện động tản Ėσ1 = −jİ1x1, được sinh ra trong dây quân stato, trong đó điện kháng tản của cuộn dây quấn stato là x1 Như vậy điện áp rơi İ1r1 trên điện trở r1 của dây quấn stato được viết bằng phương trình sau:

𝑈̇1 = −(𝐸̇1+ 𝐸̇𝜎1) + 𝐼̇1𝑟1 = −𝐸̇1+ 𝐼̇1(𝑟1+ 𝑗𝑥1) = −𝐸̇1+ 𝐼̇1𝑍1 (1.14) Với: Z1 = r1 + jx1

Trong đó:

Z1 là tổng điện trở dây quấn stato, r1 là điện trở dây quấn stato, x1 là điện kháng tản của cuộn dây stato

Ta xét suất điện động của dây quấn lồng sóc rôto 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 - Z2 = r2 + jx2, vì dây quấn rôto được ngắn mạch nên tổng suất điện động bằng không

Trong đó:

- Z2 là tổng điện trở dây quấn roto

- x2 là điện kháng tản trên dây quấn lồng sóc roto - r2 là điện trở roto

Ta có:

−𝐸̇1 = 𝐼̇0𝑍𝑚 = 𝐼̇0(𝑟𝑚+ 𝑗𝑥𝑚) (1.16)

Trong đó:

- rm là điện trở từ hóa đặc trưng cho tổn hao sắt - İ0 là dòng điện từ hóa sinh ra sức điện động Ḟ0

- xm 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 không đổi và góc pha giữa I2, E2 là không đổi:

Với: k là hệ số quy đổi tổng trở

Điện kháng x2 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 rôto đứng yên mà để có thể hạn chế dòng điện İ1 và İ2 trong dây quấn rôto 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% Uđm, khi đó suất điện động Ė1 giảm xuống rất nhiều, trong biểu thức (1.11) ta có từ thông chính của động cơ cũng giảm xuống rất bé hay sức từ động Ḟ0 rất bé so với Ḟ1 và Ḟ2 vì vậy trong biểu thức (1.3) và (1.4) giá trị Ḟ0 rất bé có thể bỏ qua

Nếu điện áp dây quấn stato U̇1 bằng điện áp định mức U̇đm thì dòng 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 mô hình mạch điện thay thế như hình 1.5

Hình 1.4 Đồ thị vectơr khi roto đứng yên

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 rôto được tính toán như sau:

𝐸2𝑠 = 4,44𝑓2𝑤2𝑘𝑑𝑞2Ф = 4,44𝑠𝑓1𝑤2𝑘𝑑𝑞2Ф = 𝑠𝐸2 (1.25) Vì điện kháng x = ωL = 2πfL với L là tự cảm của cuộn dây, nên giá trị điện kháng dây quấn rôto cũng được tính:

s = E2′ vì từ trường và dòng điện stato I2′ đều không đổi Từ phương trình (1.28) ta thấy, khi E2s′ tăng 1/s lần, muốn giữa I2′ không đổi thì r2′ và x2s′ phải tăng 1/s lần và có giá trị r2′.1

𝑠 và E2s′ 1 s =sE2′

s = 𝑥2′ Như vậy sau khi quy đổi sang tần số f1 phương trình điện áp mạch điện của roto quay có dạng:

Đó là mối liên quan của f1, f2 về hiện tượng vật lý giữa phương trình (1.28), (1.29) Với điện trở giả tưởng là 1−𝑠

𝑠 𝑟2′, thì công suất cơ bằng 𝑚1𝐼′22.1−𝑠

𝑠 𝑟2′ Công suất cơ phụ

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

𝑠 𝑟2′ = 0: công suất cơ không còn và phương trình (1.29) trở về phương trình (1.18)

Do suất điện động staro và roto quay cùng với tốc độ góc ω1 nên phương trình cân bằng về suất điện động vẫn được viết:

b Chế độ làm việc của động cơ cảm ứng

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

Công suất tổn hao đồng trong roto như sau:

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)

Do trong động cơ cảm ứng khe hở lớn nên dòng điện từ hóa I0 cũng lớn Do Qm

cũng lớn nên hệ số công suất cosφ của máy thấp Hệ số công suất trong động cơ cảm ứng cosφđm = 0.7 đến 0,95, nếu động cơ làm việc không tải cosφ rất thấp, thường cosφ0

= 0.1 đến 0.15

1.2.4 Ứng dụng của động cơ cảm ứng ba pha

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 công 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 hòa không 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

1.2.5 Động cơ cảm ứng một pha

Động cơ cảm ứng một pha có nghĩa là với dòng điện xoay thông 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 Ngoài ra, động cơ một pha còn 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

Hình 1.8 Động cơ cảm ứng một pha

1.2.5.1 Nguyên lý làm việc của động cơ cảm ứng

Dòng điện xoay chiều chạy vào dây quấn stato không 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 không 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 n1, 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 ФA và ФB có tốc độ bằng nhau và biên độ bằng một nửa từ trường đập mạch hình 1.9a

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 dòng điện ở roto do chúng sinh ra tạo thành hai mô men ngược nhau MA và MB Khi động cơ đứng yên s = 1 thì hai mômem đó bằng nhau và ngược chiều nhau, do đó mômem 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, dòng điện cảm ứng ở roto từ trường quay thuận ФA sinh ra sẽ là: ở đây (2 – s ) chính là hệ số trượt của roto đối với từ trường ФB

Như vậy, khi 0 < s < 1 đối với từ trường ФA máy làm việc ở chế độ động cơ điện, còn đối với từ trường ФB, 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

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 ФB, máy làm việc động cơ, còn đối với từ trường ФA thì ở chế độ hãm

Cho rằng các mô mem có trị số dương khi chúng tác dụng theo chiều quay của từ trường ФA, ta sẽ được các đường cong mô mem MA và MB 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 mômem 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 Mmax của động cơ điện cảm ứng một pha phụ thuộc vào điện trở 𝑟2′ Đấy là vì khi 𝑟2′ tăng, mặc dầu MAmax do từ trường thuận sinh ra không đổi nhưng hệ số trượt sAm ứng với MAmax tăng lên, đồng thời ở chế độ trượt đó MB do từ trường nghịch

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

1.2.5.2 Ứng dụng của động cơ cảm ứng một pha

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 hòa không khí, quạt gió và các dụng cụ cầm tay … và nối vào lưới điện xoay chiều một pha [37]

1.3 Các phương pháp điều khiển động cơ cảm ứng

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 dòng điện dự đoán (PCC), phương pháp điều khiển từ thông dự đoán (MPFC), phương pháp điều khiển mômem xoắn dự đoán (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], mô hình phương pháp điều khiển mô mem xoắn

trực tiếp MP DTC đã được xem xét, trong đó sử dụng phương trình tối thiểu hóa bao gồm sai số mômen 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 dòng điện dự đoán (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 dòng điện stato, từ thông 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 toán 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 dòng điện stato, từ thông stato thích ứng phải được kết hợp để tăng thêm thời gian tính toán 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 soát vẫn còn một số thiếu sót cần phải tránh Ví dụ; trong cách tiếp cận phương pháp điều khiển PCC, hàm chi phí phụ thuộc vào dòng 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 dòng điện, có thể bị ảnh hưởng bởi tiếng ồn như trong tài liệu [2], [11 ] - [13] Hơn nữa, bản thân mô hình dự đoán 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 thông 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

tâm chính vì lý do kinh tế và an toàn 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 yêu cầu sử dụng quy trình tối ưu hóa trực tuyến để tăng thêm thời gian tính toán [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 soát 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 thông và sai lệch mômen 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 thông dự đoán mô hình (MPF), lỗi từ thông 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 toán và dự đoán có nghĩa là gánh nặng tính toán vẫn chưa được giảm thiểu hoàn toàn ngay cả khi nó thấp hơn trọng số tính toán 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 công 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 đòi hỏi nhu cầu tính toán cao mà không thể được cung cấp bởi tất cả các bộ vi xử

lý Mô 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 mô 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 công cụ ước tính, công việc hiện tại giới thiệu một thiết bị mới không 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 toán thấp Những giá trị này có được thông 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 dòng điện stato, từ thông 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 không được sử dụng như một bộ quan sát

1.3.1 Phương pháp điều khiển DTC cho động cơ cảm ứng

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

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 mômen xoắn động đạt được nhanh chóng và chính xác trong toàn bộ phạm vi hoạt động của máy Ngoài 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 mômen xoắn, thực tế là tần số chuyển mạch trung bình không thể điều khiển trực tiếp và khó điều khiển mômen xoắn và từ thông ở tần số thấp Với sự cân bằng giữa tần số chuyển mạch và gợn sóng mômen 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 mômen xoắn và

gợn sóng từ thông Nói chung, khó khăn chính phát sinh trong quá 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 toán học cơ bản về bản chất là phức tạp và khó giải quyết

Để đơn giản hóa mô 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 dòng điện cùng chiều Các phương trình điện áp được viết theo định luật Kirchhoff

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

Trong đó các điện áp đầu cực là ua, ub, uc, các điện trở Ra, Rb, Rc, ia, ib, ic là dòng điện và ψa, ψb, ψc, là từ thông liên kết của ba cuộn dây

Pha a sẽ được phân tích một cách cụ thể đối với các biến ua, ia, ψa Từ thông ψa

được viết bằng biểu thức: