CHƯƠNG 1: MÔ HÌNH TOÁN CỦA SPIM VÀ CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VECTOR KHÔNG GIAN HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHÔNG CẢM BIẾN SPIM
1.1 Giới thiệu tổng quan
Hệ thống truyền động nhiều pha sở hữu nhiều ưu điểm hơn so với hệ truyền động ba pha truyền thống, đặc biệt là trong các ứng dụng đòi hỏi công suất lớn, độ tin cậy cao như trong các ngành công nghiệp ô tô, xe điện, xe điện lai, trong hệ thống đẩy tàu thủy, hàng không vũ trụ, quân sự và hạt nhân. Đối với các ứng dụng công
suất lớn, các thiết bị bán dẫn với tần số đóng cắt cao, công suất lớn rất đắt tiền hoặc không có sẵn trên thị trường. Trong những trường hợp này, việc sử dụng động cơ nhiều pha để giảm dòng trên mỗi pha và mỗi chân biến tần nguồn áp được đề xuất.
Những lợi thế tiềm năng khác của các hệ truyền động nhiều pha so với các hệ thống ba pha thông thường là: Giảm xung mô men, tổn hao hài rotor, hài dòng DC và tăng độ tin cậy của hệ thống tổng thể. Trong trường hợp mất một hay nhiều pha, hệ thống vẫn có thể hoạt động ở mức công suất thấp hơn vì mỗi nhóm ba pha có thể được thực hiện độc lập với nhau, điều này là rất quan trọng đối với các hệ truyền động đòi hỏi độ tin cậy cao. Trong số các loại động cơ sử dụng trong các hệ truyền động nhiều pha khác nhau, một trong những giải pháp được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi nhất đó là động cơ không đồng bộ sáu pha hay còn được gọi là động cơ không đồng bộ ba pha kép có hai bộ dây được đặt lệch nhau 30 độ điện với các trung tính cách ly, như trong Hình 1.1
β
bs br Bs
c s
As π/6
ar
a s α
cr Cs
Hình 1.1: Phân bố các cuộn dây trong SPIM bất đối xứng Dẫn giải những ký hiệu trong Hình 1.1:
as, bs, cs; As, Bs, Cs: Biểu diễn hai bộ dây stator đặt lệch nhau 300 điện của SPIM.
ar, br, cr: Biểu diễn bộ dây rotor của SPIM.
Đối với bất cứ hệ truyền động nào việc xây dựng mô hình toán chính xác là hết sức cần thiết. Trong chương này sẽ trình bày mô hình toán của động cơ không đồng bộ sáu pha được xây dựng dựa trên phân rã không gian vector [17] để phù hợp với các kỹ thuật điều khiển được đề xuất và phát triển trong luận án. Chi tiết về các kỹ thuật điều khiển vector của hệ truyền động SPIM và các phương pháp ước lượng tốc độ và tham số của SPIM, những vấn đề còn tồn tại cũng được trình bày.
Như chúng ta đều biết, các hệ truyền động SPIM có thể được phân loại phụ thuộc vào chất lượng điều khiển của các hệ truyền động. Điều khiển vô hướng thường được sử dụng cho các hệ truyền động yêu cầu chất lượng điều khiển thấp. Trong đó, điều khiển kiểm soát thành phần tần số, điện áp hoặc dòng điện trong các hệ truyền động. Với giải pháp điều khiển này, độ lớn của điện áp stator được điều chỉnh tỷ lệ với tần số stator để giữ dòng stator không đổi [63]. Kỹ thuật điều khiển vô hướng V/f cung cấp chất lượng ở chế độ quá độ thấp do đó được sử dụng trong các ứng dụng không đòi hỏi độ chính xác cao. Ngược lại, trong các hệ truyền động SPIM yêu cầu chất lượng điều khiển cao kỹ thuật điều khiển tựa theo vector từ thông rotor FOC hoặc kiểm soát trực tiếp mô men DTC thường được sử dụng. Trong các kỹ thuật điều khiển này, các giá trị tức thời của mô men và từ thông của động cơ được điều khiển
ở các trạng thái xác lập và ngay cả trong các điều kiện hoạt động quá độ. Việc áp dụng các kỹ thuật điều khiển vector cho phép SPIM được điều khiển tương tự như một động cơ DC kích từ độc lập. Do đó có thể kiểm soát độc lập từ thông và mô men trong SPIM đáp ứng yêu cầu của một hệ thống truyền động yêu cầu chất lượng điều khiển cao. Bên cạnh đó, với sự phát triển nhanh chóng của các bộ biến đổi điện tử công suất, các bộ xử lý tín hiệu số và bộ vi điều khiển DSP, DSC,…cho phép các chiến lược điều khiển này được ứng dụng ngày càng phổ biến.
Trong các chiến lược điều khiển vô hướng hay điều khiển vector dựa trên phương pháp FOC hay DTC truyền thống với kỹ thuật điều khiển PID được sử dụng rộng rãi trong trong công nghiệp do cấu trúc đơn giản, dễ thực hiện của nó. Bộ điều khiển cổ điển này có thể cung cấp chất lượng điều khiển thỏa đáng trên một phạm vi tốc độ hoạt động tương đối rộng. Tuy nhiên, kỹ thuật điều khiển PID có nhược điểm lớn là thường yêu cầu một mô hình toán và các thông số chính xác của đối tượng được điều khiển. Do đó, với cấu trúc phi tuyến của SPIM, sự thay đổi liên tục của tải và các thông số động cơ trong quá trình hoạt động, các hệ số cố định của bộ điều khiển PID tuyến tính không thể cung cấp chất lượng thỏa đáng trong những hệ truyền động chất lượng cao [63]. Để khắc phục những nhược điểm này và cải thiện chất lượng của các hệ truyền động SPIM, ngày nay các bộ điều khiển PID dần được thay thế bằng các bộ điều khiển phi tuyến, điều khiển AI như FL, BS, SM, PCH [35-53].v.v…Tuy nhiên, trên thực tế việc ứng dụng các phương pháp điều khiển phi tuyến, điều khiển AI độc lập chưa khắc phục triệt để các hạn chế của các hệ truyền
động. Vì vậy, việc đòi hỏi một hệ thống điều khiển bền vững, ổn định, luôn duy trì chất lượng điều khiển mong muốn vừa là một thách thức vừa là động lực để các nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu và đưa ra các giải pháp cải tiến tối ưu hơn nữa các bộ điều khiển cho các hệ truyền động SPIM.