ỨNG DỤNG LOGIC MỜ ĐỂ GÓP PHẦN NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG KHI KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ CÔNG SUẤT LỚN

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG NGUYỄN THỊ THƠM ỨNG DỤNG LOGIC MỜ ĐỂ GÓP PHẦN NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG KHI KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ CÔNG SUẤT LỚN Ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 8520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Thái Nguyên - 2020 ii ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG NGUYỄN THỊ THƠM ỨNG DỤNG LOGIC MỜ ĐỂ GÓP PHẦN NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG KHI KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ CÔNG SUẤT LỚN Ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 8520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Nguyễn Hữu Công Thái Nguyên - 2020 TS Vũ Ngọc Kiên iii MỤC LỤC MỤC LỤC i LỜI CAM ĐOAN v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG vii MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN MỜ 1.1 LOGIC MỜ .4 1.1.1 Tổng quan logic mờ 1.1.2 Khái niệm tập mờ 1.1.3 Các phép toán tập mờ 1.2 BIẾN NGÔN NGỮ VÀ GIÁ TRỊ CỦA BIẾN NGÔN NGỮ 11 1.3 LUẬT HỢP THÀNH MỜ 13 1.3.1 Mệnh đề hợp thành 13 1.3.2 Luật hợp thành mờ 13 1.4 GIẢI MỜ .16 1.4.1 Khái niệm giải mờ 16 1.4.2 Các phương pháp giải mờ 16 1.5 ĐIỀU KHIỂN MỜ 20 1.5.1 Nguyên lý điều khiển mờ 20 1.5.2 Các bước thiết kế điều khiển mờ 21 1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG .23 Chương MƠ HÌNH TỐN HỌC ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ CƠNG SUẤT LỚN 24 2.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 24 2.1.1 Tổng quan 24 2.1.2 Điều khiển kích từ động đồng 27 2.2 MƠ HÌNH TỐN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 28 2.2.1 Sơ đồ mạch điện thay đồ thị véc tơ 28 2.2.2 Công suất động đồng 31 iv 2.2.3 Sự ảnh hưởng tải dòng điện phần ứng, góc cơng suất hệ số cơng suất 32 2.2.4 Sự ảnh hưởng nguồn kích từ đến hiệu suất làm việc 33 2.2.5 Họ đường cong V động đồng 34 2.3 MƠ HÌNH TỐN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TRÊN HỆ TỌA ĐỘ VÉC TƠ KHÔNG GIAN 36 2.3.1 Phương trình điện áp, từ thơng mô men động đồng 36 2.3.2 Phương trình liên hệ điện áp từ thông biến tham chiếu 44 2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG .45 Chương 3: ỨNG DỤNG LOGIC MỜ XÂY DỰNG THUẬT TOÁN “BẮT” ĐỒNG BỘ CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ CÔNG SUẤT LỚN 46 3.1 ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƯỚC 46 3.1.1 Một số nghiên cứu ngồi nước 46 3.1.2 Một số nghiên cứu nước 51 3.2 GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ 54 3.2.1 Xây dựng cấu trúc điều khiển 54 3.2.3 Kết mô 61 3.3 THỬ NGHIỆM THUẬT TỐN TRÊN MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM 65 3.3.1 Giới thiệu mơ hình thực nghiệm 65 3.3.2 Kết thực nghiệm 68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 v LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi dựa hướng dẫn tập thể nhà khoa học tài liệu tham khảo trích dẫn Kết nghiên cứu trung thực Thái Nguyên, ngày 31 tháng 10 năm 2020 Học viên Nguyễn Thị Thơm vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT STT VIẾT TẮT ĐẦY ĐỦ Ý NGHĨA N North Cực bắc S South Cực nam PF Power factor Hệ số công suất SCR Semiconductor Controlled Rectifier Bộ điều khiển chỉnh lưu bán dẫn FB Feedback Phản hồi REF Reference Tham chiếu SM Synchronous Machine Máy điện đồng PWM Pulse-width modulation Điều chế độ rộng xung A/D Analog to Digital Chuyển đổi tương tự sang số 10 D/A Digital to Analog Chuyển đổi số sang tương tự 11 V/f Voltage/frequency Tỉ số điện áp/ tần số 12 PMSM Permanent Magnet Synchronous Motor Động đồng kích thích nam châm vĩnh cửu 13 MISO Multi Input and Multi Output Nhiều đầu vào, đầu 14 SISO Single Input and Single Output Một đầu vào, đầu 15 NEG Negative Âm 16 POS Positive Dương 17 BAKT Biến áp kích từ 18 CL1 Bộ chỉnh lưu 19 CL2 Bộ chỉnh lưu 20 HMI Human Machine Interface Màn hình giao tiếp người máy 21 SCADA Supervisory control and data acquisition Điều khiển giám sát thu thập liệu 22 SCR Silicon controlled rectifier Bộ chỉnh lưu bán dẫn 23 HSC High speed counter Đọc xung tốc độ cao vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG Hình 1.1 Hàm phụ thuộc µA(x)của tập kinh điển A Hình 1.2 Hàm phụ thuộc µB(x) tập mờ B Hình 1.3 Độ cao, miền xác định, miền tin cậy tập mờ Hình 1.4 Các dạng hàm liên thuộc tập mờ Hình 1.5 Hợp hai tập mờ có sở theo qui tắc Max (a); theo Lukasiewwiez (b)… …………………………………………………………………………………… 10 Hình 1.6 Giao hai tập mờ có sở 11 Hình 1.7 Bủ tập mờ 11 Hình 1.8 Mờ hố biến “Tốc độ” 12 Hình 1.9 a) Hàm liên thuộc nóng(x) thấp(y); b) B’(y) theo quy tắc Min; c) B’(y) theo quy tắc Prod 14 Hình 1.10 Giải mờ phương pháp cực đại 17 Hình 1.11 Giải mờ điểm trọng tâm 17 Hình 1.12 Tập mờ có hàm liên thuộc hình thang 18 Hình 1.13 Xác định giá trị rõ y’ cho điều khiển với nguyên tắc MAX_MIN 19 Hình 1.14 Giải mờ theo phương pháp độ cao 20 Hình 1.15 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mờ 20 Hình 2.1 Các thành phần cấu tạo Động đồng cơng suất lớn 24 Hình 2.2 Stator Động đồng 24 Hình 2.3 Rotor cực lồi 25 Hình 2.4 Rotor cực ẩn 25 Hình 2.5 Hệ thống chổi than, vành trượt 26 Hình 2.6 Sự tương tác từ trường quay từ trường không đổi làm cho chúng đạt tốc độ đồng 28 Hình 2.7 Sự hình thành từ trường quay máy điện pha 29 Hình 2.8 Sự tương tác từ trường Stator từ trường Rotor 30 Hình 2.9 Sơ đồ mạch điện thay pha 31 Hình 2.10 Đồ thị véc tơ dòng – áp động đồng 31 viii Hình 2.11 Sơ đồ mạch điện thay đồ thị véc tơ động đồng bỏ qua điện trở phần ứng 32 Hình 2.12 Đồ thị véc tơ động đồng tải thay đổi 33 Hình 2.13 Sự ảnh hưởng nguồn kích từ đến hiệu suất làm việc 34 Hình 2.14 Họ đường cong V động đồng 35 Hình 2.15 Máy điện đồng hai cực, ba pha, nối sai, cực lồi [1] 37 Hình 3.1 Điều khiển kích từ động đồng có chổi than……………………… 46 Hình 3.2 Rotor động chổi than loại cực lồi 47 Hình 3.3 Điều khiển kích từ động đồng khơng chổi than 47 Hình 3.4 Rotor động không chổi than loại cực lồi 47 Hình 3.5 Phương pháp “bắt” đồng cách đo tốc độ tần số Rotor 48 Hình 3.6 Rotor vào chế độ đồng dòng Stator tối thiểu 48 Hình 3.7 Sơ đồ cấu trúc điều khiển kích từ ổn định hệ số Cos [23] 49 Hình 3.8 Cấu trúc điều khiển kết mô [24] 49 Hình 3.9 Cấu trúc điều khiển kết mô [25] 50 Hình 3.10 Sơ đồ khối điều khiển kích từ GE Multilin Inc 51 Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý máy phát điện pha 51 Hình 3.12 Sơ đồ ngun lý chỉnh lưu có điều khiển bơm dịng DC cho Rotor động đồng đến 3000kW 52 Hình 3.13 Sơ đồ chức khối điều khiển pha xung 53 Hình 3.14 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kích từ công ty CP điện tử ASO 54 Hình 3.15 Cuộn lồng sóc thêm vào Rotor, giúp động khởi động động không đồng rotor lồng sóc 55 Hình 3.16 Sơ đồ cấu trúc điều khiển 56 Hình 3.17 Mơ hình mơ Matlab Simulink 57 Hình 3.18 Thư viện máy điện đồng Simulink 57 Hình 3.19 Các khối chức bên mơ hình mơ máy điện đồng 58 Hình 3.20 Khối tổng hợp tín hiệu khí 58 Hình 3.21 Khối tổng hợp tín hiệu điện 59 Hình 3.22 Khối tổng hợp tín hiệu đo lường 59 Hình 3.23 Các hàm liên thuộc dịng điện If 60 Hình 3.24 Các hàm liên thuộc đạo hàm dòng điện If 60 ix Hình 3.25 Hàm liên thuộc đầu 60 Hình 3.26 Kết mơ q trình “Bắt” đồng khởi động không dùng điều khiển mờ 62 Hình 3.27 Kết phóng đại thời điểm “Bắt” đồng khởi động không dùng điều khiển mờ 63 Hình 3.28 Kết mơ q trình “Bắt” đồng khởi động có sử dụng điều khiển mờ 64 Hình 3.29 Động đồng 500kW 66 Hình 3.30 Sơ đồ khối chức mơ hình thực nghiệm động đồng 500kW 67 Hình 3.31 Tủ điều khiển kích từ động đồng 500kW 68 Hình 3.32 Đặc tính tốc độ khởi động 69 MỞ ĐẦU I Đặt vấn đề Tại Việt Nam, số lượng động đồng công suất lớn sử dụng nhiều công nghiệp với ưu điểm vượt trội so với động khơng đồng có cơng suất, xong tồn nhược điểm: Vì Rotor có cuộn kích từ mạch điện liên quan mạch khởi động, mạch diệt từ, mạch góp điện , Đặc biệt việc khởi động điều khiển động đồng phức tạp so với động không đồng phải xác định xác thời điểm để bơm dịng kích từ vào Rotor Khi bắt đầu khởi động, người ta khơng đưa dịng chiều vào cuộn kích từ Rotor, Nếu tồn dịng kích từ bơm vào Rotor suốt trình khởi động động khơng thể tăng tốc lên được, đồng thời thành phần dao động có giá trị lớn mômen tần số trượt tạo cuộn từ trường gây hại động Việc bơm dịng chiều vào cuộn Rotor thường trì hỗn Rotor động đạt tới vận tốc tự vào chế độ đồng mà không xảy tượng trượt Theo kinh nghiệm, thời điểm đề bơm dịng kích từ thường xác định tốc độ đạt xấp xỉ từ 90% tốc độ định mức [[1], [2], [4], đo tần số Rotor khoảng 2,5 đến Hz [19], [20], [21] dòng khởi động khoảng đến 2,5 lần dòng định mức động [22], [23] Việc xác định xác thời điểm bơm dịng kích từ vào Rotor (được gọi thời điểm “bắt” đồng bộ) phải đảm bảo tiêu chí tốc độ động cơ, hịa hợp biên độ pha dịng kích từ bơm vào với dịng cảm ứng hình thành Rotor trình khởi động Nếu việc “bắt” kích từ khơng xác gây xung đột điện làm dòng Stator dâng cao, đồng thời có dao động mơ men làm giảm tuổi thọ động kết cấu khí Các nghiên cứu lý thuyết điều khiển công bố vấn đề điều khiển kích từ cho loại động đồng công suất lớn chưa nhiều Chủ yếu sản phẩm thương mại, sử dụng lý thuyết điều khiển kinh điển lựa chọn thời điểm “bắt” đồng theo kinh nghiệm, bỏ qua xung đột điện chấp nhận dao động mô men khởi động (mặc dù nhỏ) Ngày nay, mà khoa học công nghệ phát triển, việc ứng dụng lý thuyết điều khiển đại vào thực tiễn cần thiết nhằm nâng cao chất lượng điều khiển Một lý thuyết điều khiển đại nghiên cứu ứng dụng phổ biến lý thuyết điều khiển mờ Điều ... ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG NGUYỄN THỊ THƠM ỨNG DỤNG LOGIC MỜ ĐỂ GÓP PHẦN NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG KHI KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ CÔNG SUẤT LỚN Ngành: Kỹ thuật điều khi? ??n tự động hóa... thống điều khi? ??n kích từ công ty cổ phần điện tử ASO 3.2 GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ BẰNG BỘ ĐIỀU KHI? ??N MỜ 3.2.1 Xây dựng cấu trúc điều khi? ??n Tại động tự khởi động? Như trình... ĐỒNG BỘ CÔNG SUẤT LỚN 2.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 2.1.1 Tổng quan Động đồng công suất lớn (hình 2.1) chủ yếu ứng dụng nhà máy điện, trạm bơm, máy nén khí cao áp ngành cơng nghiệp hố chất Về