Nguyên tắc điều khiển cos() của các động cơ không đồng bộ dùng biến tần được Rosenberg mô tả vào năm 1976 và được liên hệ với điều khiển tối ưu năng lượng lần đầu tiên bởi sáng chế của Earle vào năm 1981. Điều khiển hệ số công suất đã được Nola giới thiệu trước đó vào năm 1977 nhưng chỉ cho động cơ 1 pha lái bởi các Thyristor.
Một số lượng lớn các sáng chế và các bài báo về việc điều khiển cos() tối ưu năng lượng cho động cơ không đồng bộ: khẳng định cách thức để đo cos() hoặc thực thi điều khiển, ví dụ trên hình 3.8. Cũng có những đề nghị đặc biệt về cách thức tạo ra giá trị tham khảo.
Hình 3.8 Ví dụ về điều khiển cos() trong một bộ lái vô hướng
Điều khiển cos() có ưu điểm là đơn giản và không đòi hỏi thông tin về tốc độ rotor. Nhưng nó có nhược điểm là giá trị cos() tham khảo chỉ hợp lý cho một loại động cơ nhất định. Đối với vài loại động cơ thì chấp nhận được giá trị cos() tham khảo không đổi và đối với một số khác thì có thể bắt buộc phải thay đổi giá trị tham khảo theo một hàm nào đó ví dụ như hàm của tần số stator hay tải, Andersen và Pedersen. Phân tích chi tiết về vấn đề này đối với các loại động cơ khác nhau và các động cơ có kích thước khác nhau vẫn chưa có tài liệu nào báo cáo.
3.5.2 Điều khiển tần số trƣợt stator
Nỗ lực đầu tiên tính toán tần số trượt tối ưu tiết kiệm năng lượng được nhóm Jian hoàn thành năm 1983 cho một bộ lái tần số không đổi. Họ cũng tranh luận về ảnh hưởng của bão hòa lên các giá trị tham khảo. Với giả thuyết mạch từ tuyến tính, năm 1983 nhóm Stanton đề nghị sử dụng một tham chiếu tần số trượt không đổi ở vùng moment thấp (thông lượng thấp). Tuy nhiên, ngay cả khi mạch từ là tuyến tính thì sự có mặt của tổn hao lõi cũng làm giảm chất lượng việc điều khiển tần số trượt không đổi. Trong cùng năm, nhóm của Park đã đề nghị thực hiện điều khiển độ trượt không đổi trong bộ lái nghịch lưu nguồn dòng, nhóm Kim cũng làm tương tự năm 1984. Năm 1984 Park và Sul giới thiệu một chiến lược điều khiển tối ưu năng lượng trong đó các tần só trượt rotor tối ưu được đặt trong một bảng tra, hình 3.9. Các giá trị dựa trên việc đo đạc off-line của bộ lái động cơ và đối với một động cơ cho trước, các giá trị tần số trượt tối ưu được tạo ra chỉ phụ thuộc vào tốc độ.
Hình 3.9 ví dụ về điều khiển tần số trượt tối ưu mà giá trị tham khảo được đặt trong bảng tra
3.6 Điều khiển dựa vào mô hình
Điều khiển dựa vào mô hình là một nguyên tắc trong đó bộ điều khiển chứa các phương trình mô hình hóa được động cơ hoặc là tổn thất của động cơ, và sử dụng các phương trình để tính toán điểm tối ưu hiệu suất. Thông số của động cơ phải được biết trước. Một loạt các bộ lái với các động cơ và converter xác định được thiết kế để làm việc với nhau có thể được hiện thực bằng các phương pháp đo đạc off-line. Nếu không thì thuật toán ước lượng thông số tự động phải được sử dụng.
3.6.1 Các động cơ vô hƣớng
Galler đã giới thiệu năm 1980 việc sử dụng mô hình động cơ để tính toán tần số stator tối ưu và điều khiển tốc độ bằng điện áp. Tần số stator tối ưu được tính toán dựa trên mô hình động cơ trạng thái xác lập bỏ qua tổn hao lõi và giả thiết mạch từ tuyến tính: 2 2 2 60 1 2 ( ) s r s p s m r r m R R n f z z R L L R L (3.3) Trong đó n : tốc độ p z : số cặp cực s R : điện trở stator r R : điện trở rotor
m L : điện cảm mạch từ s L : điện cảm stator r L : điện cảm rotor
Phương pháp trên cũng được mô tả bởi Kusko và Galler năm 1983 và được đề nghị thực hiện như trong hình 2.14. Tổn thất lõi có thể được đưa vào mô hình nhưng khi đó tần số stator tối ưu phải được định lượng như sau:
60 s p n f a n b z (3.4)
Các hệ số a và b phải được tính toán off-line. Đề xuất cuối cùng là chỉ cần sử dụng bảng tra tương tự như sơ đồ trong hình 3.10. hạn chế của các biểu thức (3.3) và (3.4) của Kusko và Galler là mô hình không bao gồm phần bão hòa của mạch từ, như vậy sẽ không thể đạt được kết quả tốt trong thực tế.
Hình 3.10 Ví dụ về việc thực thi điều khiển dựa theo mô hình trong động cơ vô hướng
Bose khẳng định trong một sáng chế về ý tưởng để tối ưu hiệu suất bằng việc sử dụng mô hình tổn hao. Dòng stator và từ thông khe hở không khí được thu thập và dùng để tính toán tổn hao mô hình, bao gồm tổn hao dây đồng của hài cơ bản và các họa tần, các tổn hao lõi và đưa bão hòa vào tính toán. Bằng việc đo dòng và áp stator, công suất ngõ vào và vì thế hiệu suất cũng được tính toán. Từ thông khe hở được thay đổi từng bước nhỏ cho đến khi tìm được hiệu suất tối ưu. Tần số trượt được tính toán từ từ thông khe hở và moment tải. Thực hiện theo đề nghị trên sẽ cho
kết quả tốt tuy nhiên nó rất phức tạp vì phải đo đạc các thông số tốc độ, từ thông khe hở, dòng stator và điện áp stator. Ý tưởng về việc tìm kiếm tổn hao nhỏ nhất bằng cách sử dụng mô hình tổn hao cũng được đề nghị bởi Kusko và Galler năm 1983.
Pederen và Blaabjerg năm 1992 đã đề nghị 1 biểu thức mô tả bằng điện trong đó tham chiếu dòng điện từ tối ưu hiệu suất xác đinh theo hàm của tham chiếu moment và tốc độ.
Một ý tưởng do Yamakawa phát minh năm 1994 về việc điều khiển động cơ vòng hở. Công suất ngõ vào động cơ được đo đạc và tính toán điện áp stator như sau:
3 ,
s motor in s
V K P f (3.5)
Năm 1996 Kioskeridis và Margaris sử dụng mô hình động cơ trạng thái xác lập để tính toán từ thông khe hở tối ưu:
2 2 , 2 2 1 1 m s m opt s s m ps T I G T (3.6)
Trong đó m opt, : từ thông khe hở tối ưu hiệu suất
s
I : dòng stator
s
G : hằng số của một động cơ xác định bao gồm cả bão hòa
m
: vận tốc góc của trục
s
T : hằng số thời gian của một động cơ xác định
ps
T : hằng số thời gian của một động cơ xác định
Biểu thức (3.6) được lập luận như sau: từ thông khe hở tăng theo tải, thể hiện qua Is. Mẫu số thể hiện rằng ở trên một tốc độ nhất định từ thông phải được giảm để giới hạn tổn hao lõi, và tử số mô tả là ở một tốc độ khác từ thông nên tăng lên để
giảm tổn hao tải tản do cảm ứng của phần ứng. Các hằng số Gs, Ts, Tps được xác định qua 3 thí nghiệm.
3.6.2 Bộ lái điều khiển vector hƣớng trƣờng (Field Oriented Vector Controlled Drives)
Hiển nhiên là sử dụng bộ điều khiển theo mô hình cho bộ lái hướng vectơ trường bởi vì có sẵn thông tin tốt về tốc độ và một vài thông số mô hình cũng đã biết được. Chỉ chú ý rằng cần thiết phải có các mô hình bão hòa từ và tổn hao lõi chính xác để đạt được tối thiểu tổn hao thật tốt, và trong hầu hết các bộ lái điều khiển theo vectơ trường thông thường cả tổn thất lõi và bão hòa từ bị bỏ qua.
Hình 3.11 Ví dụ về điều khiển tối ưu hiệu suất dựa trên mô hình động cơ được thực hiện trong khung tham chiếu hướng từ trường
Đa phần các đề nghị dựa trên hàm tổn hao khác biệt với các thông số liên quan đến từ thông để tìm tổn hao tối thiểu, với một moment tải và tốc độ cho trước. Có nhiều cách khác nhau để thể hiện kết quả. Điều này phụ thuộc vào sự khác nhau trong cách biểu diễn ví dụ như giữa điện trở tổn hao lõi và sai lệch trong thực tế, nhưng về cơ bản thì ý tưởng giống nhau. Trong vài trường hợp giá trị tham chiếu từ thông rotor tối ưu được tính trực tiếp như của Takahashi và Noguchi, Islam và Somuah, nhóm Mendes, nhóm Baba, nhóm Matsuse, Chang và Kim. Trong các trường hợp khác điểm hiệu suất tối ưu được diễn tả bởi tỉ số giữa trường từ và moment như nhóm Garcia, nhóm Ashikaga
Nhóm của Mendes cũng tuyên bố tối thiểu hóa được tổn hao động. Tuy nhiên điều này yêu cầu moment tải và tốc độ phải được biết trước. Việc này đúng trong một vài ứng dụng, ví dụ như các máy công cụ làm việc trong cùng 1 dây chuyền kín.
Nhóm của Fetz đã thiết lập được một phương pháp khác để tối ưu hiệu suất của một động cơ được điều khiển vector từ thông rotor. Họ sử dụng tiêu chuẩn cực đại tỉ số moment trên dòng điện stator. Điều này cho phép tính toán được các tham số cường độ moment và cường độ trường tối ưu từ một tham số moment tải.
3.7 Điều khiển tìm kiếm (search control)
Điều khiển tìm kiếm còn được các tác giả khác gọi là điều khiển kiểm tra (testing control), điều khiển thích nghi hay tối ưu hóa on-line. Dù tên gọi nào thì nguyên tắc điều khiển của nó là cực trị hóa một thông số có nghĩa bằng phép thử và sai. Tiêu chuản có thể là cực đại hóa hiệu suất, cực tiểu hóa công suất ngõ vào bộ inverter, cực tiểu hóa công suất khâu DC, cực tiểu tổn hao trong động cơ, cực tiểu tổn hao bộ lái, cực tiểu dòng stator hoặc dòng điện ở khâu DC.
3.7.1 Điều khiển tìm kiếm truyền thống
Nguyên tắc được đề cập đầu tiên trong một công bố của Geppert năm 1982 cho một động cơ xe điện. Đề xuất đưa ra là khởi động động cơ với một tỉ số V/Hz danh định, và khi đạt được moment yêu cầu không thay đổi thì giảm tỉ số V/Hz cho đến khi tìm được cực tiểu dòng khâu DC.
Đối với một bộ lái phổ thông thì ý tưởng được Kusko và Galler đề cập đầu tiên vào năm 1983. Nhóm của Kirschen thực hiện mô phỏng đầu tiên vào năm 1985. Các kết quả thực nghiệm được báo cáo vào năm 1987. Họ đã thực hiện điều khiển tìm kiếm với một sơ đồ điều khiển vectơ từ thông rotor, và đã tối thiểu công suất ngõ vào bộ lái, duy trì ngõ ra động cơ không đổi bằng cách điều khiển tốc độ với giả thiết đặc tính tải không đổi như trong hình 3.12. Một hệ thống tương tự cũng được nghiên cứu bởi Chen và Yeh năm 1991.
Hình 3.12 thực thi điều khiển tìm kiếm cho bộ điều khiển theo từ thông rotor Ưu điểm chính của điều khiển tìm kiếm là nó không phụ thuộc vào các thông số của động cơ như các chiến thuật điều khiển khác mà vẫn tìm được hiệu suất tối ưu thật sự. Mặc khác, nó cần thời gian hội tụ dài để đạt được hiệu suất tối ưu (không dưới 4s) và có thể xuất hiện các xung nhiễu liên tục trong moment và tốc độ phụ thuộc vào cách thức thiết kế giải thuật. Thuật toán tìm kiếm có thể khó điều chỉnh để đảm bảo hội tụ chính xác trong mọi trường hợp. Nếu tối thiểu công suất thì cần thêm các cảm biến chính xác trừ khi dòng stator được tái tạo từ dòng khâu DC nhờ vậy mà công suất ở khâu DC có thể dễ dàng thu thập được.
Nhóm Kirschen thảo về nhiễu loạn và tắt dần moment trong động cơ. Họ thấy rằng ở gần điểm hiệu suất tối ưu các nhiễu loạn với một bước nhảy từ thông cho trước sẽ lớn hơn và tắt dần chậm hơn, nhưng điều này có thể được bù bằng cách tăng độ lợi của bộ điều khiển tốc độ nhờ vào việc lập trình độ lợi khá đơn giản.
Không chỉ trong điều khiển tìm kiếm mà trong tất cả các chiến lược điều khiển tối ưu năng lượng, một vấn đề đối với các bộ lái điều khiển vectơ từ thông rotor là đáp ứng của động cơ khi từ thông được giảm thiểu và yêu cầu moment lớn đột ngột. Khi từ thông thấp và dòng stator bị giới hạn ở ngưỡng dòng danh định, động cơ không thể chuyển tải đầy đủ moment chỉ bằng cách tăng dòng moment xoắn. Nếu bộ lái không được chuẩn bị trước, nó sẽ ứng xử bằng cách tăng dòng tạo ra moment xoắn cho tới giá trị giới hạn, nhưng dòng trường thì không tăng cho nên động cơ không thể phân phối moment xoắn theo yêu cầu. Một đề nghị là thiết lập một giới hạn nhân tạo cho dòng moment xoắn cho tới khi giá trị trường đạt tới danh định, sau
đó tiếp tục tăng dòng moment xoắn. Điều này chỉ làm giảm đặc tính động của hệ thống một ít so với bộ lái hoạt động với trường liên tục.
Năm 1988 Sul và Park đề nghị một loại được tìm kiếm cho động cơ máy bơm. Giả thiết rằng đặc tính tải không đổi. Moment tải đối với đặc tính tốc độ được chia thành nhiều phần. Trong suốt quá trình khởi động, động cơ hoạt động theo đường tải từ zero đến tốc độ định mức, và trong mỗi phần của đường tải sử dụng một thuật toán điều khiển tìm kiếm để tìm ra các tần số trượt tối ưu năng lượng và lưu vào bộ nhớ. Khi hoạt động bình thường thì động cơ được điều khiển theo tần số trượt sử dụng các tần số trượt tối ưu làm giá trị tham khảo. kết quả là sơ đồ điều khiển rất đơn giản và rất nhanh khi hoạt động bình thường, tuy nhiên khi đặc tính tải thay đổi thì các giá trị tần số tham khảo phải được dò tìm lại.
Nhóm Moreira đã công bố vào năm 1989 và 1991 điều khiển tìm kiếm cho một bộ lái vô hướng. Phát minh chính là thay vì đo tốc độ, nó sẽ được ước lượng thành phần hài bậc 3 của điện áp stator. Thêm vào đó, đối với các hệ thống mà đặc tính moment- tốc độ có tính cố định, họ đề nghị bỏ qua việc đo hay ước lượng tốc độ và thay vào đó là việc ước lượng moment xoắn và sử dụng để chỉ thị công suất ngõ ra động cơ. Trong cả hai trường hợp đã tối thiểu hóa được công suất ở khâu DC.
Năm 1990 Kim đã công bố phát minh cho việc tối thiểu hóa dòng stator bằng điều khiển tìm kiếm thay vì tối thiểu hóa công suất ngõ vào. Nhưng ông đã chứng minh không thể điều khiển công suất ngõ ra hay tốc độ, vì thế không thể khẳng định được bộ lái đã mô tả sẽ làm việc được trong thực tế.
Năm 1996 Kioskeridis và Margaris đưa tài liệu dẫn chứng về ưu điểm của việc tối thiểu hóa dòng stator thay vì công suất ngõ vào. Kết quả hầu như giống với hiệu quả thực hiện, tối thiểu hóa dòng stator dễ thấy hơn nhiều so với công suất cho nên ít tốn các cảm biến hơn. Bằng cách tính toán họ nói rằng điều này đặc biệt có ưu điểm trong các bộ lái lớn hơn, khi mà rất khó để đo được tối thiểu công suất ngõ vào.
Nhiều tác giả đã thực hiện điều khiển tìm kiếm với những thay đổi nhỏ trong thực tế. Năm 1991 Famouri và Cathey đã tối thiểu hóa công suất vào inverter cho một bộ lái vô hướng bằng việc điều chỉnh tần số trượt rotor. Năm 1993 Blaabjerg và Pedersen tối thiểu hóa công suất khâu DC bằng cách điều chỉnh tỉ số V/Hz như trong hình 3.13
Hình 3.13 Ví dụ về việc thực hiện tối ưu hiệu suất tìm kiếm trong một bộ lái vô hướng
Năm 1995 nhóm Cleland đã đề nghị thực hiện điều khiển tìm kiếm trong một bộ lái điều khiển vòng hở với đặc tính tải biết trước. Họ khẳng định có thể điều chỉnh tốc độ mà không cần biết các thông số động cơ, bằng việc tăng tần số stator mỗi khi