Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện: Phương pháp điều khiển bền vững động cơ 3 pha không đồng bộ

Những giải pháp này đã đóng góp đáng kể vào việc nâng cao hiệu suất và tính linh hoạt của các hệ thống điều khiển động cơ.. Mong muốn đào sâu nghiên cứu các giải pháp để tăng cườ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN NGUYỄN DUY LỢI

TP Hồ Chí Minh, tháng 10/2024PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG ĐỘNG CƠ 3 PHA KHÔNG ĐỒNG BỘ

"BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGUYỄN DUY LỢI

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 8520201

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGUYỄN NHÂN BỔN

Thành phố Hồ Chí Minh, 10/2024

xviii

" LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 08 năm 2024"

Nguyễn Duy Lợi

xix

LỜI CẢM ƠN

Với thời gian theo học và nghiên cứu chuyên đề Ngành Kỹ Thuật tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM, em đã được Nhà trường và Thầy Cô đào tạo, trang bị rất nhiều kiến thức không chỉ về mặt kỹ thuật điện mà còn trang bị các phương pháp để tự học tập và nghiên cứu Được sự hỗ trợ của Khoa và sự giúp đỡ rất nhiều của Thầy hướng dẫn: TS Nguyễn Nhân Bổn đã giúp em thực hiện xong đề tài Trong quá trình thực hiện còn được Thầy TS Nguyễn Vinh Quan hỗ trợ, chia sẻ một số tài liệu, hướng dẫn về mô hình,…

"Một lần nữa em xin được phép chân thành cảm ơn đến Thầy TS Nguyễn Nhân Bổn, TS Nguyễn Vinh Quan đã định hướng và trao dồi những kiến thức để em có thể tiến hành nghiên cứu và thực hiện được luận văn tốt nghiệp."

"Em cũng xin trân trọng cảm ơn Quý Thầy Cô của trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật TP.HCM, các bạn học viên cùng lớp, người thân đã động viên, tận tình giúp em hoàn thành luận văn."

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 08 năm 2024

Nguyễn Duy Lợi – 2180609

xx

ABSTRACT

The application of some motor control methods has been carried out since the early years of the 20th century and has been increasingly studied and improved Among them, the development of vector control research into practice was introduced in the 70s of the 20th century At the same time, the development of digital technology has contributed significantly to the improvement of motor control methods Therefore, to study this theory, we will study some motor control methods to consider the control method that can meet the requirements of smooth, efficient motor operation, reduce power consumption, etc

The topic: "SUSTAINABLE CONTROL METHOD OF ASYNCHRONOUS PHASE MOTOR" has carried out the following tasks:

3 Research on the control of 33 phase AC motors

- Combining simulation research with control experiments

- Improving the quality before and after control through simulation software

- Studying and applying Matlab to simulate and review operating modes

- Studying applied algorithms for control

- Evaluating their advantages and disadvantages in practice

- Designing and constructing modules in the controller

xxi

TÓM TẮT

Việc áp dụng một số phương pháp điều khiển động cơ được thực hiện từ những năm đầu thế kỷ XX và ngày càng được nghiên cứu và cải thiện Trong đó có sự phát triển của việc nghiên cứu điều khiển vector vào thực tế được đưa vào những năm 70 của thế kỷ XX Song song cùng thời kỳ này có sự phát triển của kỹ thuật số đã góp phần không nhỏ vào việc cải thiện phương pháp điều khiển động cơ Do đó để tìm hiểu lý thuyết này sẽ đi tìm hiểu một số phương pháp điều khiển động cơ để đi đến xem xét phương pháp điều khiển có khả năng đáp ứng được yêu cầu về hoạt động của động cơ trơn tru, hiệu quả, giảm tiêu thu điện năng,…

Đề tài: “PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG ĐỘNG CƠ 3 PHA

KHÔNG ĐỒNG BỘ” đã thực hiện được các công việc sau:

- Nghiên cứu việc điều khiển động cơ 3 pha KĐB

- Kết hợp việc nghiên cứu mô phỏng với thực nghiệm điều khiển

- Cải thiện chất lượng trước và sau điều khiển thông qua phần mềm mô phỏng

- Tìm hiểu và ứng dụng Matlab để mô phỏng và xem xét các chế độ hoạt động

- Nghiên cứu thuật toán ứng dụng để điều khiển

- Đánh giá ưu nhược điểm của chúng trong thực tiễn

- Thiết kế và thi công module trong bộ điều khiển

xxii

MỤC LỤC

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI i

LỜI CAM ĐOAN ii

LỜI CẢM ƠN xix

TÓM TẮT xxv

MỤC LỤC xxii

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT viii

DANH SÁCH CÁC HÌNH ixxvi

DANH SÁCH CÁC BẢNG xxviiii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Lý do lựa chọn luận văn 1

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn 1

1.3 Phần mềm ứng dụng 2

1.4 Điểm mới của luận văn 2

1.5 Ý nghĩa thực tiễn 2

1.6 Bố cục các phần của luận văn 2

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 4

2.1 Tổng Quan về động cơ KĐB 4

2.1.1 Cấu tạo 4

2.1.2 Nguyên lý hoạt động 6

2.2 Sơ đồ động cơ 3 pha KĐB 7

2.3 Hệ quy chiếu quay dq 7

2.4 Khái quát về động cơ 3 pha hệ tọa độ d-q 8

2.5 Mô hình trạng thái động cơ trên hệ tọa độ 9

2.6 Ưu điểm của việc mô tả động cơ KĐB trên hệ tọa độ 11

2.7 Các lỗi thường gặp trong vận hành động cơ KĐB…… …………12

2.7.1 Lỗi về điện 12

2.7.2 Lỗi thanh rotor hoặc vòng cuối bị hỏng 13

2.7.3 Lỗi ổ trục/cong trục 13

2.7.4 Lỗi vận hành và bảo trì không kịp thời 14

2.8 Các cách điều khiển động cơ điện …… …………14

2.9 Các phương pháp khởi động …… …………15

xxiii

2.9.1 Khởi động trực tiếp 15

2.9 2 Khởi động bằng việc thay dổi điện áp 15

CHƯƠNG 3: CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 3 PHA KĐB VÀ KHÁI QUÁT VỀ BỘ NGHỊCH LƯU 17

3.1 Điều khiển động cơ 17

3.2 Điều khiển theo phương pháp PID 17

3.3 Dựa trên mô hình mạch lọc thông thấp 18

3.4 Dựa trên mô hình ước lượng tốc độ 19

3.5 Áp dụng công nghệ mạng nơron 19

3.6 Điều khiển trượt 20

3.7 Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ 3 pha KĐB 21

3.8 Mô hình điều khiển động cơ trong hệ thống d-q 22

3.9 Các bộ nghịch lưu 22

3.9.1 "Bộ nghịch lưu áp cầu 1 pha" 22

3.9.2 "Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng ghép tầng Cascade" 24

3.9.3 "Phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp Cascade" 25

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÀ PHÂN TÍCH MỘT SỐ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 3 PHA KĐB 26

4.1 Phương pháp và mô hình điều khiển động cơ 3 pha KĐB dùng FOC 26

4.1.1 Phương pháp điều khiển tốc độ tựa từ thông FOC 26

4.1.2 Mô hình điều khiển động cơ 3 pha KĐB dùng FOC 27

4.2.1 Bộ nghịch lưu 28

4.2.2 Điều chế độ rộng xung PWM 29

4.2.3 Bộ biến đổi PID 30

4.2.4 Bộ biến đổi tọa độ 31

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ 3 PHA 32

5.1 Mô phỏng bộ nghịch lưu 3 pha trên matlab simulink 32

5.2 Các bước thực hiện trên matlab simulink 32

5.3 Các thông số dùng trong mô phỏng 36

5.4 Tiến hành mô phỏng 37

5.5 Thực nghiệm …42

CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 50

xxiv

6.1 Kết quả 506.2 Hướng phát triển của luận văn 50TÀI LIỆU THAM KHẢO 52Bài báo: Control of Three - phase Asynchronous Motor by Field Oriented Control (FOC) Method, 2023 54

xxv

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

AC "Alternating Current" Dòng điện xoay chiều

APOD "Alternative Phase Opposition

Disposition"

"Bố trí đối lập giai đoạn thay thế"

DC "Direct Current" Dòng điện trực tiếp

FOC "Field Oriented Control" “Điều khiển tựa theo từ thông”

IC "Integrated Circuit" "Mạch tích hợp"

PD "Phase Disposition" “Bố trí giai đoạn”

PID "Proportional Integral

Derivative"

“Đạo hàm Tích phân tỷ lệ”

POD "Phase Opposition Disposition" “Bố trí đối lập giai đoạn”

PWM "Pulse Width Modulation" “Điều chế độ rộng xung”

VFD "Variable frequency drive" “Ổ đĩa tần số thay đổi”

xxvi

DANH SÁCH CÁC HÌNH

2.1: Rotor lồng sóc 5

2.2: Rotor dây quấn 5

2.3: Động cơ KĐB 5

2.4: Mạch tương đương động cơ 3 pha KĐB 6

2.5: Sơ đồ biến đổi theo trục q 7

2.6: Sơ đồ biến đổi theo trục d 7

2.7: Biểu diễn vector không gian i⃗ s trên hệ tọa độ 8

2.8: Mô hình động cơ 3 pha trên hệ d-q 9

2.9: cách điện cuộn dây bị hỏng 12

2.10: Các loại động cơ 14

Hình 3.1: Mô hình theo vòng kín 18

Hình 3.2: Mô hình mạch lọc thông thấp 18

Hình 3.3: Mô hình ước lượng tốc độ động cơ KĐB 1819

Hình 3.4: Mô hình điều khiển dựa trên cơ sở mạng RBF 1919

Hình 3.5: Mạng hàm cơ sở xuyên tâm 20

Hình 3.6: Bộ nghịch lưu áp cầu 1 pha 23

Hình 3.7: Cấu trúc bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng Cascade 24

Hình 3.8: Biểu diễn dạng sóng ngõ ra bộ nghịch lưu dạng Cascade 26

Hình 4.1: Khối mô hình điều khiển động cơ dùng FOC 26

Hình 4.2: Mô hình điều khiển động cơ dùng FOC 28

Hình 4.3: Mô hình bộ nghịch lưu pha A 28

Hình 4.4: Mô hình bộ nghịch lưu 3 pha 29

Hình 4.5: Mô hình điều chế xung PWM 30

Hình 4.7: Mô hình bộ biến đổi tọa độ 31

Hình 5.1: Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu 3 pha trên matlab 32

Hình 5.2: Mô hình các khối động cơ 3 pha 32

Hình 5.3: Chỉnh sửa thông số khối động cơ 3 pha KĐB 3333

Hình 5.4: Chọn khối step 3434

Hình 5.5: Chỉnh sửa thông số khối step 3434

Hình 5.6: Bộ điều khiển PID 3535

Hình 5.7: Dạng sóng ngõ ra inverter 3535

xxvii

Hình 5.8: Dạng sóng ngõ ra IGBT 3636

Hình 5.9: Giá trị tốc độ đặt trong quá trình mô phỏng 37

Hình 5.10: Giá trị moment đặt trong quá trình mô phỏng 37

Hình 5.11: Điện áp pha Van, Điện áp dây Vab và điện áp comonmode Vcm 38

Hình 5.12: Giá trị từ thông Fir, vận tốc, momen và dòng điện 38

Hình 5.13: Điện áp pha khi tốc độ đạt 150 rad/s 39

Hình 5.14: Dòng điện stator khi tốc độ đạt 150 rad/s 39

Hình 5.15: Điện áp pha khi tốc độ đạt 100 rad/s 40

Hình 5.16: Dòng điện stator khi tốc độ đặt là 100 rad/s 40

Hình 5.17: Điện áp pha khi tốc độ đạt 80 rad/s 40

Hình 5.18: Dòng điện stator khi tốc độ đạt 80 rad/s 41

Hình 5.19: Giá trị từ thông Fir, vận tốc, momen, dòng điện khi tăng Rs lên 2 lần 41

Hình 5.20: Cấu trúc điều khiển động cơ 3 pha KĐB 42

Hình 5.21: Mô hình hoàn chỉnh 43

Hình 5.22: Thiết bị Variac (điều chỉnh điện áp đầu ra) 43

Hình 5.23: Máy Oscilloscope (máy hiển thị sóng) 43

Hình 5.24: Bảng mạch Board F28379D 44

Hình 5.25: Động cơ không đồng bộ, thiết bị tạo tải và encoder 44

Hình 5.26: Thực hiện với momen tải 3 (N.m) 45

Hình 5.27: Điện áp pha ở tốc độ đặt 150 rad/s 45

Hình 5.28: Dòng điện khi ở tốc độ đặt 150 rad/s 45

Hình 5.29: Tốc độ động cơ khi tốc độ đặt là 150 rad/s 46

Hình 5.30: Điện áp pha khi ở tốc độ đặt 100 rad/s 46

Hình 5.31: Dòng điện ở tốc độ đặt 100 rad/s 47

Hình 5.32: Tốc độ động cơ khi tốc độ đặt là 100 rad/s 47

Hình 5.33: Điện áp pha khi tốc độ 80 rad/s 48

Hình 5.34: Dòng điện khi tốc độ đặt là 80 rad/s 48

Hình 5.35: Tốc độ động cơ khi tốc độ đặt là 80 rad/s 49

xxviii

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 0.1: Các tham số của động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc……… 36 Bảng 0.2: Tham số mô phỏng trong Matlab – Simulink ……….37

Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Nhân Bổn

HVTH: Nguyễn Duy Lợi 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Lý do lựa chọn luận văn

Với quá trình công nghiệp hóa phát triển cao như ngày nay, động cơ điện không đơn thuần là một thiết bị, mà còn là một mà còn là "yếu tố quan trọng quyết định đến hiệu quả sản xuất" và hoạt động Tuy nhiên, việc sử dụng động cơ điện đi kèm với những thách thức như hao phí năng lượng, hỏng hóc và sửa chữa Ổn định hoạt động

và sử dụng lâu dài thì việc hiểu rõ cách thức hoạt động, các yếu tố tác động đến hiệu suất và các biện pháp khắc phục sự cố cần được quan tâm đúng mức

Động cơ 3 pha KĐB đã được sử dụng ngày càng rộng rãi Việc điều chỉnh và duy trì tốc độ ổn định cho loại động cơ này vẫn còn nhiều thách thức Do đặc tính phi tuyến của các thành phần bên trong động cơ, việc đo trực tiếp các thông số như tốc độ

và từ thông gặp nhiều thách thức Từ đó làm cho việc ước lượng và thay đổi các thông

số trở nên khó khăn hơn Đồng thời, sự phổ biến ngày càng tăng của các mạch điện tử công suất cao cũng đặt ra yêu cầu khắt khe hơn đối với khả năng chịu tải và hiệu suất của hệ thống điều khiển

"Thiết bị điện tử công suất" có giới hạn về chịu đựng điện áp, dòng điện Để vượt qua những giới hạn này và thỏa mãn các ứng dụng công suất lớn, đã áp dụng các cách như kết nối như mắc song song để tăng cường dòng điện hoặc mắc nối tiếp để nâng cao điện áp Những giải pháp này đã đóng góp đáng kể vào việc nâng cao hiệu suất và tính linh hoạt của các hệ thống điều khiển động cơ

Mong muốn đào sâu nghiên cứu các giải pháp để tăng cường hiệu suất và cải thiện độ tin cậy cho hệ thống điều khiển động cơ, do đó đã thực hiện luận văn

“Phương pháp điều khiển bền vững động cơ 3 pha không đồng bộ” Luận văn giúp khám phá các kỹ thuật điều khiển tiên tiến và ứng dụng của chúng trong các hệ thống công nghiệp thực tế

1.2 "Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn"

Tập trung vào việc khảo sát và xem xét các "phương pháp điều khiển" động cơ

3 pha KĐB, đặc biệt là vai trò của bộ nghịch lưu áp đa bậc Thực hiện đào sâu vào việc tìm hiểu các yếu tố tác động đến tốc độ của động cơ và đưa ra các cách thức kỹ thuật để cải thiện hiệu suất điều khiển

Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Nhân Bổn

HVTH: Nguyễn Duy Lợi 2

1.3 Phần mềm ứng dụng

Phần mềm được áp dụng là Matlab, dùng để thực hiện mô phỏng hoạt động của động cơ chi tiết theo các chế độ khác nhau

1.4 Điểm mới của luận văn

Ngày nay điều chỉnh và xử lý các động cơ vẫn còn tồn tại nhiều thách thức, nhất là trong việc đảm bảo ổn định cho việc vận hành và hiệu quả trong môi trường làm việc phức tạp Nghiên cứu này đề nghị một giải pháp mới kết hợp điều khiển dòng điện stato, điều chỉnh điện trở stato và sử dụng bộ nghịch lưu xếp tầng cùng thuật toán giảm điện áp Qua đó, hệ thống điều khiển được nâng cao đáng kể về độ ổn định và hiệu suất, giảm bớt được những hạn chế của các cách làm cũ

1.5 Ý nghĩa thực tiễn

Động cơ điện 3 pha KĐB giữ vai trò quan trọng trong hoạt động các khâu sản xuất Nhằm thực hiện yêu cầu ngày càng khắt khe về hiệu suất và tin cậy, việc tìm hiểu sâu hơn về các động cơ vận hành ra sao là thật sự cần quan tâm Tạo điều kiện hỗ trợ các doanh nghiệp trong việc "cải thiện quy trình sản xuất, giảm chi phí" và tăng cường khả năng cạnh tranh

Để xử lý các yêu cầu thực tiễn trong ngành điện công nghiệp, nghiên cứu này tích hợp "hài hòa giữa lý thuyết và thực hành" Mục tiêu cuois cùng là phát triển các hệ thống để động cơ vận hành tốt, đảm bảo hoạt động bền bỉ, từ đó gia tăng năng suất và giúp sản phẩm có chất lượng ngày càng tốt hơn

1.6 Bố cục các phần của luận văn

Luận văn được cấu trúc thành 6 chương, mỗi chương tập trung vào các phần cụ thể:

Chương 1: Tổng quan

Trình bày mong muốn tìm hiểu, xác định mục tiêu và đưa ra những yêu cầu cần đạt được Việc đào sâu vào việc phân tích và xây dựng bộ nghịch lưu áp đa bậc, đồng thời đưa ra mô hình bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc để điều chỉnh và xử lý để hoạt động tốt hơn cho động cơ

Chương 2: Tổng quan về động cơ điện

Khái quát về "cấu tạo, nguyên lý hoạt động," các lỗi thường xảy ra và các biện pháp được ứng dụng để khắc phục Trọng tâm của chương là tìm hiểu các phương pháp khởi động động cơ, nhằm mục tiêu tạo nền tảng vững chắc về kiến thức cho các phần tiếp theo của luận văn

Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Nhân Bổn

HVTH: Nguyễn Duy Lợi 3

Chương 3: Các giải pháp điều khiển động cơ 3 pha KĐB và khái quát về bộ nghich lưu

Thực hiện các phân tích và nhìn nhận về cách điều khiển động cơ 3 pha trong

hệ tọa độ dq Bao gồm giới thiệu về động cơ 3 pha, điều khiển PID, các điều khiển mà

mô hình mạch lọc thông thấp áp dụng, mô hình ước lượng tốc độ và công nghệ mạng nơron, điều khiển trượt,… Ngoài ra, chương cũng trình bày về cấu tạo và vận hàn của bộ nghịch lưu áp cầu 01 pha và bộ nghịch lưu áp nhiều bậc ghép tầng

Chương 4: Phương pháp điều khiển và phân tích một số mô hình điều khiển động

Chương 5: Mô phỏng hoạt động trên matlab simulink và thực nghiệm

Đưa việc ứng dụng phần mềm MATLAB vào để thiết lập và chạy mô phỏng bộ điều khiển PID cho động cơ 3 pha KĐB Nội dung bao gồm: sơ nét về môi trường mà MATLAB làm việc, thiết lập mô hình động cơ và bộ điều khiển, và cuối cùng là xem xét kết quả chạy mô phỏng để nhìn nhận thấu đáo hiệu quả của hệ thống

Chương 6: Kết quả và hướng phát triển

Phân tích và tổng kết các kết quả mà suốt quá trình tìm hiểu đã đạt được, qua đó đưa ra những xem xét và nhìn nhận về mô hình đã đề xuất Ứng dụng trong việc hướng tới nghiên cứa các phương pháp điều khiển để nhằm đáp ứng mong muốn điều khiển động cơ ngày càng hiệu quả và hoạt động tốt hơn

Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Nhân Bổn

HVTH: Nguyễn Duy Lợi 4

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN

2.1 Tổng quan về động cơ KĐB

2.1.1 Cấu tạo

- Các thành phần chính của động cơ điện KĐB gồm: stator và rotor, và các bộ phận khác như trục, bạc đạn, nắp động cơ Phần stator là phần tĩnh của động cơ, chứa cuộn dây; Phần rotor là phần động

- Phần stator là phần cố định, bao gồm bộ phận sau:

+ Vỏ stator: Là bộ khung bên ngoài của động cơ, thường làm bằng thép để hỗ trợ các phần khác và bảo vệ các cuộn dây bên trong

+ Cuộn dây stator: Gồm ba cuộn dây được đặt trên ba khe của vỏ stator, cách nhau 1200 Khi "dòng điện xoay chiều 3 pha" được cấp vào các cuộn dây này,

nó tạo ra một từ trường quay đồng bộ Cuộn dây này có thể được cấu trúc thành

3 pha độc lập, giúp tạo ra từ trường quay cần thiết để vận hành động cơ

+ Lõi stator: Là phần nằm bên trong vỏ stator, làm từ các lớp tôn thép dày, giúp giảm tổn thất từ và nâng cao hiệu quả từ trường

- Phần rotor: là phần quay của động cơ và có các thành phần chính sau:

+ Lõi rotor: Là bộ phận bên trong stator, làm từ các lớp tôn thép để giảm tổn thất từ và tăng hiệu quả truyền động

+ Cuộn dây rotor: Có thể có hai dạng chính:

• Rotor lồng sóc: Là dạng phổ biến nhất, cuộn dây của rotor được đúc thành các thanh dẫn song song, tạo thành cấu trúc lồng sóc Dạng này đơn giản, bền và yêu cầu bảo trì thấp

• Rotor dây quấn: Được trang bị các cuộn dây quấn quanh lõi rotor, có thể kết nối với các điện trở ngoài qua các vòng chổi Rotor này cho phép điều chỉnh đặc tính của động cơ nhưng yêu cầu bảo trì nhiều hơn

+ Vỏ rotor: Bọc bên ngoài lõi rotor và cuộn dây rotor

+ Trục: Trục là phần nối giữa rotor và các cơ cấu khác của động cơ Trục quay khi rotor quay và truyền động cơ học đến các thiết bị bên ngoài

- Bạc đạn: Đặt ở hai đầu trục rotor, hỗ trợ và giúp trục quay êm ái, giảm ma sát

và mài mòn

- Nắp động cơ: Bao bọc toàn bộ cấu trúc động cơ, có tác dụng bảo vệ và tránh

hư hại cơ học

Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Nhân Bổn

HVTH: Nguyễn Duy Lợi 5

Hình 2.1: Rotor lồng sóc (nguồn internet)

Hình 2.2: Rotor dây quấn (nguồn internet)

Hình 2.3: Động cơ KĐB (nguồn internet)

Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Nhân Bổn

HVTH: Nguyễn Duy Lợi 6

2.1.2 "Nguyên lý hoạt động "

"Nguyên lý hoạt động của động cơ KĐB" dựa vào sự kết hợp giữa từ trường sinh ra bởi stator và cực nam châm trên rotor, từ đó tạo ra một lực quay giúp động cơ vận hành

Khi nguồn điện xoay chiều được cấp vào stator, các cuộn dây được quấn quanh lõi sắt của stator sinh ra một từ trường xoay chiều Từ trường này tương tác với các cực nam châm trên rotor, dẫn đến chuyển động của chúng và sinh ra một lực quay làm rotor chuyển động Rotor quay với tốc độ gần giống với tốc độ từ trường do stator sinh

ra Tuy nhiên, do có sự chậm trễ giữa từ trường của stator và các cực nam châm trên rotor và được gọi là động cơ KĐB

2.2 Sơ đồ động cơ 3 pha KĐB [1]

Hình 2.4: Mạch tương đương động cơ 3 pha KĐB

Phương trình về điện áp:

𝒖𝒔 = 𝑹𝒔𝒊⃗⃗⃗ +𝒔 𝒅𝜳⃗⃗⃗⃗𝒔

𝒖𝒓 = 𝑹𝒓𝒊⃗⃗⃗⃗ +𝒓 𝒅𝜳⃗⃗⃗⃗𝒓

𝒅𝒕 + 𝒋(𝝎𝒔− 𝝎𝒓)𝜳⃗⃗⃗⃗𝒓 (𝟐 2) Phương trình cho từ thông:

𝜳𝒔 = 𝒊⃗⃗⃗𝑳𝒔 𝒔+ 𝒊⃗⃗⃗⃗𝑳𝒓 𝒎 (𝟐 3)

𝜳𝒓 = 𝒊⃗⃗⃗𝑳𝒔 𝒎+ 𝒊⃗⃗⃗⃗𝑳𝒓 𝒓 (𝟐 4)

Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Nhân Bổn

HVTH: Nguyễn Duy Lợi 7

2.3 Hệ quy chiếu quay dq

Để đơn giản hóa việc tính toán và mô phỏng động cơ 3 pha KĐB, chúng ta thường chuyển từ hệ tọa độ 3 pha (a-b-c) sang hệ tọa độ quay dq Quá trình này giúp biến đổi các phương trình động cơ phức tạp thành các phương trình dễ xử lý hơn

Hình 2.5: Sơ đồ biến đổi theo trục q

Hình 2.6: Sơ đồ biến đổi theo trục d

Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Nhân Bổn

HVTH: Nguyễn Duy Lợi 8

𝑻𝒆 =𝟑

𝟐𝒑(𝜳𝒔𝒅𝒊𝒔𝒒− 𝜳𝒔𝒒𝒊𝒔𝒅) (𝟐 9) (𝑻𝒆 − 𝑻𝑳) = 𝑱 (𝒅𝝎𝒎

Hình 2.7: "Biểu diễn vector không gian 𝒊⃗s trên hệ tọa độ."

(bài báo: “Control of Three - phase Asynchronous Motor by Field Oriented Control (FOC) Method” năm 2023)

2.4 Khái quát về động cơ 3 pha trên hệ tọa độ d-q

Phương trình thể hiện động cơ 3 pha trong hệ tọa độ d-q khi bỏ qua các giá trị bậc cao vô cùng bé tương đương như sau:

Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Nhân Bổn

HVTH: Nguyễn Duy Lợi 9

Hình 2.8: Mô hình động cơ 3 pha trên hệ d-q 2.5 Mô hình trạng thái động cơ trên hệ tọa độ

Để có thể tính được dòng điện stator và từ thông rotor ta có hệ phương trình:

Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Nhân Bổn

HVTH: Nguyễn Duy Lợi 10

Ta thực hiện chuyển phương trình (2.18) và (2.19) thành 2 thành phần trục dq:

𝟐

𝟏𝟐

Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Nhân Bổn

HVTH: Nguyễn Duy Lợi 11

𝟐

𝟏𝟐

2.6 Ưu điểm của việc mô tả động cơ KĐB trên hệ tọa độ

Mô tả động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ từ thông rotor (hệ tọa độ dq) mang lại nhiều ưu điểm quan trọng:

- Giảm độ phức tạp của phương trình: Trong hệ tọa độ dq, các đại lượng liên quan đến từ thông và dòng điện trở nên đơn giản hơn vì không còn các thành phần biến thiên theo dạng sin hoặc cos Điều này giúp giảm bớt độ phức tạp của các phương trình mô tả động cơ, hỗ trợ việc phân tích, điều khiển được thuận lợi hơn

- Tách biệt được việc điều khiển từ thông và mômen: Hệ tọa độ dq cho phép tách

biệt việc điều khiển từ thông rotor (thông qua isd) và mô men quay (thông qua isq)

Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Nhân Bổn

HVTH: Nguyễn Duy Lợi 12

Điều này giúp quản lý và điều chỉnh các tham số của động cơ một cách độc lập và hiệu quả hơn

- Tối ưu hóa điều khiển tốc độ: Trong hệ tọa độ dq, việc điều khiển tốc độ động cơ trở nên chính xác hơn nhờ vào khả năng kiểm soát mô men và từ thông riêng biệt Điều này cho phép tối ưu hóa việc điều chỉnh tốc độ và mô men một cách linh hoạt

và hiệu quả

- Đơn giản hóa thiết kế bộ điều khiển: Hệ tọa độ dq giúp đơn giản hóa thiết kế và thực hiện các "thuật toán điều khiển", như FOC (Field-Oriented Control), vì các đại lượng được điều khiển có thể được xử lý trong một không gian hai chiều, thay vì

ba chiều như trong hệ tọa độ abc

- Cải thiện hiệu suất và độ tin cậy: Việc chuyển sang hệ tọa độ dq giúp cải thiện hiệu suất hoạt động của động cơ bằng cách giảm các tổn hao và tối ưu hóa phản ứng của hệ thống Điều này cũng góp phần "nâng cao độ tin cậy và độ chính xác" của hệ thống điều khiển

- Dễ dàng tinh chỉnh và điều chỉnh: Trong hệ tọa độ dq, các tham số có thể được điều chỉnh một cách dễ dàng hơn, vì các biến số không bị ảnh hưởng bởi sự biến đổi theo thời gian của các sóng sin và cos trong hệ tọa độ abc

Tóm lại, việc sử dụng hệ tọa độ từ thông rotor giúp tối ưu hóa việc điều khiển

và phân tích động cơ không đồng bộ, đồng thời nâng cao hiệu suất và độ chính xác của

hệ thống

2.7 Các lỗi thường gặp trong vận hành động cơ KĐB

2.7.1 Lỗi về điện:

Hình 2.9 Cách điện cuộn dây bị hỏng (nguồn internet)

Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Nhân Bổn

HVTH: Nguyễn Duy Lợi 13

Lỗi do cách điện cuộn dây bị hỏng: điện trở cách điện ban đầu thường rất cao, nhưng sau thời gian vận hành do tác động của môi trường, điều kiện vận hành, lão hóa, làm điện trở cách điện giảm xuống thấp dẫn đến rò rỉ hoặc ngắn mạch trong các cuộn dây dẫn đến tăng dòng điện do chạm chập, đặc biệt khi làm việc đang mang tải lớn có khả năng dẫn đến phá hủy dây dẫn cục bộ tại điểm sự cố Lúc này động cơ quá nóng do có dòng điện quá mức so với thiết kế chạy bên trong các cuộn dây mà cuộn dây của động cơ vẫn chịu đựng được vừa hiệu quả và không bị hỏng Trong đó cần lưu ý về lỗi ở cuộn dây stator khi bị chạm chập một số vòng dây trong 1 pha có thể không dẫn đến thay đổi nhiều về dòng điện nên có những trường hợp động cơ vẫn tiếp tục vận hành và khó tìm ra từ các phép đo thông thường, có thể không dẫn đến thay đổi nhiều về dòng điện dây nên các rơ le dòng điện, MCCB… không cắt động cơ ra khỏi vận hành Các động cơ bị tình trạng này thông thường khi làm việc trong thời gian ngắn khó phát hiện hỏng hóc nhưng nếu vẫn tiếp tục vận hành sẽ có thể gây sự cố lan rộng và gây hư hỏng lớn hơn tới động cơ

2.7.2 Lỗi thanh rotor hoặc vòng cuối bị hỏng

Lồng sóc của động cơ cảm ứng bao gồm các thanh rotor và các vòng cuối các thanh bị có thể bị nứt một phần hoặc gãy Các thanh này có thể bị gãy do khởi động thường xuyên ở điện áp khác định mức, ứng suất nhiệt/ ứng suất cơ học do lỗi ổ trục kim loại bị mỏi hoặc cũng có thể do lỗi sản xuất,

Nếu một hoặc nhiều thanh rotor hay vòng cuối bị hỏng, các thanh còn lại phải mang thêm dòng điện dẫn đến hư hỏng lõi rotor do nhiệt độ cao liên tục ở vùng lân cận của các thanh bị hỏng, khi đó nó có thể gây ra dao động mô-men xoắn và tốc độ trong rotor, các dao động này gây ra ăn mòn sớm các ổ trục và các bộ phận dẫn động khác Nếu số lượng các thanh rotor bị hỏng nhiều thì động cơ có khả năng không vận hành được và khiến động cơ bị hư hại nhiều hơn nếu không kịp thời khắc phục

2.7.3 Lỗi ổ trục/cong trục

Ổ trục động cơ là một bộ phận rất quan trọng, ổ trục ảnh hưởng đến máy sẽ vận hành hiệu quả ra sao Nếu ổ trục bị hỏng không chỉ làm động cơ ngưng hoạt động mà đôi khi kéo theo phải dừng sản xuất ở các dây chuyền khác và chi phí khắc phục hậu quả có thể rất cao Phần nhiều các ổ trục trong các cơ sở công nghiệp đều chạy trong điều kiện không lý tưởng do phải vận hành liên tục dẫn đến bị mỏi, các dao động cơ học xung quanh, bị tác động môi trường, vận hành quá tải, … Các điều kiện không

Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Nhân Bổn

HVTH: Nguyễn Duy Lợi 14

thuận lợi này bắt đầu như các khiếm khuyết nhỏ sau đó lan rộng, sau một thời gian các khiếm khuyết này trở nên đáng kể và tạo ra rung động cơ học gây ra âm thanh bất thường Vận hành thời gian dài có thể làm cong trục

2.7.4 Lỗi vận hành và bảo trì không kịp thời

Ngoài các lỗi nêu trên thì động cơ còn bị các lỗi như đấu sai dây gây hỏng cuộn dây Yếu tố quan trọng khác đó là các vị trí ổ trục không được bôi trơn định kỳ hoặc bôi trơn không đúng cách làm tác động tới hiệu suất của ổ trục, tăng sức cản của các mặt tiếp xúc, mài mòn vật liệu, tạo dao động lớn và gây tiếng ồn từ đó dẫn đến tuổi thọ

của ổ trục bị giảm xuống

2.8 Các cách điều khiển động cơ điện

Hình 2.10: Các loại động cơ

- "Các phương pháp điều khiển động cơ" đã nêu bao gồm:

+ "Điều khiển có cảm biến tốc độ": Dùng thiết bị có cảm biến để đo tốc độ quay của động cơ, sau đó điều chỉnh dòng điện hoặc tần số nhằm thu được sự kiểm soát về tốc độ chính xác

+ "Điều khiển không có cảm biến tốc độ": Thay vì dùng cảm biến tốc độ, cách này dùng các thuật toán nhằm ước lượng tốc độ dựa trên các thông số điện từ của động cơ, như dòng điện hoặc điện áp

+ "Điều khiển đại lượng từ thông Stator": Tập trung vào điều chỉnh từ thông trong stator để kiểm soát tốc độ và moment xoắn của động cơ

Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Nhân Bổn

HVTH: Nguyễn Duy Lợi 15

+ "Điều khiển đại lượng từ thông Rotor": Tương tự như điều khiển từ thông stator, nhưng trọng tâm ở đây là kiểm soát từ thông trong rotor để điều chỉnh động cơ

+ "Điều khiển đại lượng từ thông khe hở không khí": Phương pháp này điều chỉnh từ thông trong không gian giữa stator và rotor nhằm để động cơ được tối

ưu về hiệu suất

+ "Điều khiển vòng hở": Không sử dụng các thông số phản hồi từ động cơ để điều chỉnh, do dó thường áp dụng trong những hệ thống ít phức tạp hoặc các ứng dụng không đòi hỏi chính xác cao

Điều khiển theo mỗi phương pháp kèm theo sẽ có những hạn chế cũng như điểm mạnh riêng, phù hợp với các tình huống khác nhau tùy theo đòi hỏi nào cao hơn để so sánh như chi phí, hiệu suất, hay độ phức tạp của hệ thống

2.9 Các phương pháp khởi động

2.9.1 Khởi động trực tiếp

Được áp dụng khi công suất của nguồn cung cấp vượt trội so với công suất của động cơ hoặc khi động cơ được khởi động không mang tải Khi vừa cấp điện, dòng khởi động sẽ rất cao, có thể gấp vài lần dòng ổn định Tuy nhiên, khi tốc độ động cơ lớn dần, dòng khởi động sẽ giảm Khi động cơ đạt đến tốc độ vận hành ổn định, dòng điện cũng trở về mức bình thường

2.9.2 Khởi động bằng việc thay dổi điện áp

Các phương pháp được sử dụng gồm có điện trở, cuộn kháng, biến áp và chuyển đấu nối Y – Δ:

• Kết nối cuộn kháng với mạch điện của stator

• Sử dụng biến áp tự ngẫu

• Chuyển đấu nối Y – Δ: Cách này rất đơn giản, nên thường xuyên được sử dụng Tuy vậy, chuyển đấu nối này chỉ phù hợp cho động cơ khi đang ở trạng thái hoạt động bình thường, trong đó dây quấn stator được đấu nối theo hình tam giác (Δ), và Up sẽ bằng với Ud của lưới điện

- Khi mở máy đấu Y:

𝑈𝑙 = √3𝑈 𝑓𝑌, 𝐼 𝑓𝑌 = 𝐼 𝑑𝑌 (2.40)

𝐼 𝑑𝑌 = 𝐼 𝑓𝑌 = 𝑈𝑙

Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Nhân Bổn

HVTH: Nguyễn Duy Lợi 16

- Khi mở máy đấu ∆:

Với Zf: tổng trở pha; U1: điện áp của lưới điện

Như vậy: dòng điện giảm đi 3 lần, điện áp giảm √3, Mmm giảm 3 lần

Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Nhân Bổn

HVTH: Nguyễn Duy Lợi 17

CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 3

PHA KĐB VÀ KHÁI QUÁT VỀ BỘ NGHỊCH LƯU

3.1 Điều khiển động cơ

Để việc vận hành ổn định động cơ 3 pha KĐB, người ta dùng các phương pháp định hướng từ thông stator và định hướng vector Các cách điều khiển động cơ chính thường dùng:

Điều khiển theo phương pháp PID

Dựa trên mô hình mạch lọc thông thấp

Dựa trên mô hình ước lượng tốc độ

Áp dụng công nghệ mạng nơron,

Các phương pháp điều khiển nhằm đưa động cơ trên trạng thái hoạt động bền vững, có thể trình bày như sau: Điều khiển bền vững là điều khiển sao cho khi có các thông số tác động vào hệ thống với những dạng khác nhau thì bộ điều khiển vẫn đáp ứng được để các cho ra các thông số tương ứng với giá trị đặt mong muốn Mục đích của các phương pháp là nhằm mong muốn điều khiển động cơ đáp ứng được các yêu cầu hoạt động trơn tru, hiệu suất cao, tiết kiệm điện năng, giảm tối đa các tác động của nhiễu,…

3.2 Phương pháp điều khiển PID

Đây là một giải pháp thông dụng trong điều khiển số, với phạm vi ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực công nghiệp Nó nổi bật với việc đáp ứng nhanh chóng, giảm thiểu sai lệch và thời gian quá độ ngắn

Lý thuyết cơ bản của PID:

Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Nhân Bổn

HVTH: Nguyễn Duy Lợi 18

• K I: Hệ số tích phân, điều chỉnh dựa trên tổng sai lệch theo thời gian để loại bỏ sai lệch lâu dài

• K D: Hệ số vi phân, điều chỉnh dựa trên tốc độ thay đổi của sai lệch để giảm thiểu sự dao động

Thành phần vi phân theo phương trình:

Thành phần vi phân của bộ điều khiển có nhiệm vụ làm cho tính ổn định của hệ thống kín được nâng lên Nó đóng vai trò xác định tín hiệu ra dựa trên những thay đổi của sai lệch e(t) theo thời gian và đưa ra giải pháp đáp ứng đúng đắn để cải thiện phù hợp đến hệ thống

Mô hình điều khiển PID:

Hình 3.1: Mô hình bộ điều khiển PID 3.3 Điều khiển dựa trên mô hình mạch lọc thông thấp

Hình 3.2: Mô hình mạch lọc thông thấp

Hàm truyền của bộ lọc thông thấp có dạng:

Hy(s)= 1/(TF.S + 1) (3.4)

Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Nhân Bổn

HVTH: Nguyễn Duy Lợi 19

Trong đó: TF được xem là hằng số theo thời gian; S là biến số Laplace

3.4 Điều khiển dựa trên mô hình ước lượng tốc độ

Mô hình ước lượng tốc độ:

Hình 3.3: Mô hình ước lượng tốc độ động cơ KĐB 3.5 Áp dụng công nghệ mạng nơron

Hình 3.4: Mô hình điều khiển dựa trên cơ sở mạng RBF

Mạng nơron thích hợp để xác định hệ phi tuyến khi các tham số theo thời gian

có sự thay đổi Trong đó mạng xuyên tâm được áp dụng để nhận dạng tốc độ động cơ giúp phản ứng nhanh cho hệ thống “Đây là mạng nơ ron truyền thẳng gồm 3 lớp với một lớp ẩn” (nguồn tham khảo: tạp chí khoa học trường Đại học Cần Thơ, tập 54, số 7A, (2018): 9-19)

Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Nhân Bổn

HVTH: Nguyễn Duy Lợi 20

Hình 3.5: Mạng hàm cơ sở xuyên tâm 3.6 Điều khiển trượt

Tốc độ từ trường với rotor có sự sai khác được gọi là độ trượt s, xác định cơ bản như sau:

• Tốc độ quay của từ trường là ω0 (rad/s) hoặc n0 (vòng/phút)

• Tốc độ quay của rotor là ω (rad/s) hoặc n (vòng/phút)

Theo đó, ta có các mối quan hệ sau: ω nhỏ hơn ωo; n nhỏ hơn n0

Vấn đề phổ biến là khi luật điều khiển trượt có biên độ quá cao, có thể mặt trượt sẽ gặp phải rung động Để xử lý tình trạng đã nêu, kỹ thuật điều khiển trượt thường được kết hợp với hàm trượt theo cấu trúc của bộ điều khiển PID Phương pháp này

Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Nhân Bổn

HVTH: Nguyễn Duy Lợi 21

giúp giảm thiểu rung động do điều khiển trượt có biên độ cao và thường được áp dụng điều khiển các hệ thống phi tuyến

Nhưng điểm yếu của phương pháp này khi xảy ra sự thay đổi nhanh và biên độ lớn, vẫn có thể xuất hiện dao động quanh mặt trượt Thêm vào đó, khi điều khiển đối tượng kết hợp với bộ nghịch lưu, tần số cao của sóng mang từ bộ nghịch lưu có thể gây ra dao động quanh mặt trượt, tác động không tốt đến hiệu quả từ hệ thống điều khiển

Mặt trượt phụ thuộc vào quỹ đạo pha của hệ thống nằm ở dưới hay ở trên mặt trượt Các bước tiến hành thiết kế gồm: Thiết kế một mặt trượt, hướng đối tượng tiến về mặt trượt, xây dựng vòng hồi tiếp để duy trì quỹ đạo của mặt trượt sao cho ổn định trên mặt trượt

3.7 Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ 3 pha KĐB

Tốc độ quay của động cơ KĐB được tính bằng công thức:

𝑝 (3.9) Trong đó:

• n: "tốc độ quay của động cơ"

Ta có:

𝑠′ → 𝑛′ = 𝑛𝑙(1 − 𝑠′) (3.10) Khi moment tải được giữ cố định, việc tăng điện trở phụ rp sẽ làm tăng hệ số trượt tại điểm vận hành, dẫn đến động cơ sẽ giảm tốc độ quay Mặc dù cách thức này gây ra tổn thất năng lượng trong điện trở và làm giảm hiệu suất của động cơ, nhưng nhờ tính đơn giản và khả năng điều chỉnh tốc độ một cách xuyên suốt, nó được dùng phổ biến cho động cơ không có công suất lớn

Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Nhân Bổn

HVTH: Nguyễn Duy Lợi 22

3.8 Mô hình điều khiển động cơ trong hệ thống d-q

Hệ phương trình phi tuyến cuả Stator và rotor của động cơ KĐB trong hệ tọa độ d-q có dưới dạng ma trận:

dt𝜽𝒎= 𝝎𝒓

(𝟑 𝟏𝟓)

Nếu hệ quy chiếu được gắn với vectơ từ thông stato thì góc quay của hệ tọa độ bằng góc quay của vectơ từ thông stato và trục d của hệ tọa độ trùng với vectơ từ thông stato thì có:

3.9 Các bộ nghịch lưu

3.9 1 Bộ nghịch lưu áp cầu 1 pha

Sử dụng cấu trúc mạch cầu mắc song song gồm 04 transistor hoặc MOSFET và

04 diode để ngăn ngừa dòng điện ngược, điều này nhằm tránh hư hỏng thiết bị

Nguồn điện mắc song song với tụ điện Cd để nguồn cấp vào tụ là 01 chiều Tụ này vừa thực hiện duy trì điện áp nguồn vào ổn định, vừa có tác dụng nhận phần công suất phản kháng từ tải

Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Nhân Bổn

HVTH: Nguyễn Duy Lợi 23

Hình 3.6: Bộ nghịch lưu áp cầu 1 pha

Tụ điện có vai trò làm mịn điện áp đầu, thực hiện lưu trữ dưới dạng điện trường Khi được kết nối với nguồn điện, tụ điện giúp làm giảm biến động điện áp bằng cách cung cấp hoặc hấp thụ điện tích để duy trì mức điện áp ổn định

Ở đây: V được cấp từ nguồn acquy, là điện áp 01 chiều và các khóa đóng ngắt S1, S2, S3, S4

Còn Vd là điện áp 01 chiều có nguồn cấp riêng Các khóa S1, S2, S3, S4 dùng để đóng ngắt dòng điện 01chiều tới phụ tải Ngõ ra của "bộ nghịch lưu áp 1 pha" dùng để điều khiển cuộn dây, điện trở

Các khóa trên cùng một nhánh yêu cầu rằng chúng không được ở trạng thái cùng kích đóng hoặc cùng kích ngắt (phải đối nghịch nhau)

Đối với cầu H, quy tắc kích đóng đối nghịch quy định rằng trên cùng một nhánh các công tắc không được cùng đóng Trong một thời điểm cụ thể, chỉ cho phép có hai công tắc hoạt động chéo nhau để điều khiển hướng quay động cơ

Khi điều khiển các khóa, điện áp xoay chiều của bộ nghịch lưu có thể được tạo

ra tại ngõ ra Cụ thể, khi khóa S1 và S3 cùng đóng, điện áp VAB là +VDC Ngược lại, lúc khóa S4 và S2 cùng được đóng, ta có điện áp tại VAB sẽ là -VDC Nếu các cặp khóa S4, S1 và S2, S3 cùng được đóng, thì điện áp tại VAB sẽ bằng 0

Từ cách hoạt động và thiết kế của "bộ nghịch lưu áp cầu 1 pha", có thể phát triển các "bộ nghịch lưu áp" với nhiều bậc khác nhau, như 3 bậc, 5 bậc, …

Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Nhân Bổn

HVTH: Nguyễn Duy Lợi 24

3.9.2 Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng ghép tầng Cascade

Được tạo ra từ việc mắc nối tiếp nhiều "bộ nghịch lưu áp cầu 1 pha" với nhau Trong 01 hệ thống nghịch lưu áp n bậc, sẽ được mắc nối tiếp (n-1)/2 bộ nghịch lưu áp cầu 01 pha trên mỗi nhánh

Thông qua việc kích hoạt các phần tử trong từng "bộ nghịch lưu áp 1 pha", 03 mức điện áp có thể được sinh ra (V, 0, -V) Sự kết hợp của n bộ nghịch lưu áp trên mỗi nhánh pha tải cho phép tạo ra một dãy các mức điện áp âm và dương, từ -nV đến nV, với các bước điện áp giữa các mức này

Cụ thể, đối với "bộ nghịch lưu áp cascade 5 bậc", 1 nhánh pha sẽ chứa 02 bộ nối tiếp nghịch lưu áp cầu 1 pha Các mức điện áp đầu ra của từng "bộ nghịch lưu áp cầu 1 pha" là +V, 0, và -V Vì vậy, điện áp đầu ra 5 bậc sẽ bao gồm các mức: +2V, +V, 0, -V, và - 2V

Hình 3.7: Cấu trúc bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng Cascade (nguồn internet)

Trường hợp 3 pha tải đối xứng đấu dạng sao Y:

Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Nhân Bổn

HVTH: Nguyễn Duy Lợi 25

𝑈𝑡𝑐𝑎 = 𝑈𝑐0− 𝑈𝑎0(𝑉) Tổng điện áp từ các pha đến tâm nguồn DC:

𝑼𝑵𝟎 =𝒖𝒂𝟎− 𝒖𝒃𝟎 − 𝒖𝒄𝟎

Hình 3.8: Biểu diễn dạng sóng ngõ ra bộ nghịch lưu dạng Cascade

3.9.3 "Phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp Cascade"

Các cách "điều khiển bộ nghịch lưu áp cascade" được chia thành một số kỹ thuật phổ biến, mỗi phương pháp có cách tiếp cận riêng để điều chỉnh hoạt động của bộ nghịch lưu Dưới đây là ba phương pháp thường được áp dụng:

- "Phương pháp điều chế độ rộng xung (SinPWM)": Phương pháp này điều chỉnh tần số và biên độ của các xung điều chế để tạo ra sóng dạng sin hoàn chỉnh, nhằm kiểm soát điện áp đầu ra bộ nghịch lưu Nó có thể giúp điện áp được điều chỉnh tối ưu và dễ dàng triển khai trong các ứng dụng công nghiệp

- "Phương pháp điều chế vector không gian (SVM)": SVM là một kỹ thuật hiệu quả trong việc điều khiển bộ nghịch lưu áp, tận dụng việc phân tích không gian vector điện áp để đạt được hiệu suất tối ưu Kỹ thuật này tạo ra các mô hình điều chỉnh điện

áp hiệu quả bằng cách sử dụng ma trận điều khiển để đạt được các mức điện áp mong muốn SVM thường được ưa chuộng vì khả năng tối ưu hóa và giảm thiểu nhiễu trong

hệ thống

- "Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (SFO-PWM)": Đây là một biến thể nâng cao của phương pháp PWM, trong đó độ rộng xung được điều chế cải thiện hơn để cung cấp hiệu suất tốt hơn SFO-PWM có khả năng điều chỉnh phù hợp hơn và thích ứng kịp thời với những thay đổi trong yêu cầu điều khiển, làm tăng cao hiệu quả vận hành của bộ nghịch lưu áp