Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ trong các lĩnh vực công nghệ chế tạo, công nghệ vật liệu mới, công nghệ bán dẫn, công nghệ thông tin, vi xử lý,…là sự lớn mạnh của các ngành công nghiệp với vai trò khai thác và cung cấp các sản phẩm, dịch vụ có chất lượng tốt nhất tới người tiêu dùng. Để đáp ứng được yêu cầu phát triển ngày một cao hơn của xã hội nói chung và của nhà sản xuất nói riêng đòi hỏi khoa học và công nghệ phải luôn đi trước một bước. Cho đến nay, lĩnh vực điều khiển tự động các hệ truyền động động cơ không đồng bộ luôn là một trong những lĩnh vực nhận được sự quan tâm nghiên cứu lớn từ các nhà khoa học nhằm cải tiến hơn nữa chất lượng của các hệ truyền động. Đặc biệt, trong điều kiện hiện nay khi các thiết bị phần cứng hỗ trợ cho điều khiển ngày càng được nâng cao về nhiều mặt như: dung lượng bộ nhớ, tốc độ xử lý, số lượng cổng giao tiếp vào/ra,…thì yêu cầu thiết kế các hệ thống điều khiển tối ưu hóa, nâng cao chất lượng của các hệ truyền động xoay chiều ngày càng được yêu cầu ở mức độ cao hơn.
Trong vài thập kỷ qua, để đáp ứng những yêu cầu ngày càng cao trong các hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ AC như: cải thiện hiệu suất điều khiển, hiệu quả sử dụng năng lượng, vận hành an toàn, gia tăng khả năng chịu sự cố của hệ thống,…các nhà khoa học đã nghiên cứu để kiểm soát động cơ AC từ nhiều hướng tiếp cận khác nhau. Trong đó, có hai hướng tiếp cận chính thường được tập trung nghiên cứu nhiều nhất đó là: Cách tiếp cận thứ nhất là từ phần cứng như linh kiện bán dẫn, cấu trúc biến tần (biến tần đa bậc) và gia tăng số pha của động cơ (động cơ nhiều pha). Cách tiếp cận thứ hai là phát triển các kỹ thuật điều khiển. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ vi xử lý và nền tảng điều khiển kỹ thuật số DSP, DSC,…các thiết bị này có tốc độ xử lí và khả năng tính toán ngày càng cao đã góp phần quan trọng cho phép các nhà khoa học có thể phát triển những giải thuật điều khiển phức tạp nhưng mang lại chất lượng điều khiển tốt hơn, tin cậy hơn trong các hệ truyền động sử dụng động cơ AC.
Trong hướng tiếp cận thứ nhất, động cơ nhiều pha đã được tập trung nghiên cứu và phát triển trong những thập kỷ gần đây do những ưu điểm vượt trội so với động cơ ba pha truyền thống như [1-2]: Stress dòng của các thiết bị bán dẫn giảm tỷ
lệ với số pha (Giả thiết điện áp và công suất của hệ truyền động ba pha và nhiều pha là như nhau), gợn mô men giảm, hài dòng rotor nhỏ hơn, các thành phần hài dòng DC cho các hệ truyền động được cung cấp bởi biến tần nguồn áp giảm. Ngoài ra động cơ nhiều pha còn có những lợi thế khác như: cải thiện đặc tính nhiễu [3], giảm tổn thất đồng stator dẫn đến hiệu suất được cải thiện [4]. Hệ truyền động nhiều pha có độ tin cậy cao hơn trên tổng thể toàn bộ hệ thống vì hệ truyền động cơ nhiều pha có thể hoạt động với cấu trúc cuộn dây không đối xứng trong trường hợp mất nguồn cung cấp cho một hoặc nhiều chân biến tần/hoặc các pha máy [5, 6]. Trong những trường hợp sự cố mất pha, động cơ nhiều pha vẫn cung cấp mô men đáng kể để vận hành ổn định hệ thống, điều mà động cơ ba pha không thể đáp ứng được.
Ngày nay, các hệ truyền động động cơ không đồng bộ nhiều pha nhận được sự quan tâm đáng kể trong các ngành công nghiệp. Đặc biệt là trong các ngành công nghiệp như ô tô, xe điện, xe điện lai, hàng không vũ trụ, quân sự, hạt nhân,…nơi mà động cơ công suất lớn, vận hành ổn định và tin cậy được yêu cầu [7-9]. Động cơ nhiều pha cũng ngày càng chiếm ưu thế và dần thay thế cho các động cơ ba pha trong các hệ truyền động AC truyền thống cho những ứng dụng công suất nhỏ đòi hỏi độ tin cậy, an toàn và khả năng chịu sự cố cao.
Trong số các động cơ nhiều pha đã được tập trung nghiên cứu, động cơ không đồng bộ sáu pha (SPIM) là một trong những loại động cơ nhiều pha phổ biến nhất. SPIM còn được gọi là động cơ không đồng bộ ba pha kép. Có hai cách phân bố cuộn dây chủ yếu được sử dụng đối với loại động cơ này là: kiểu phân bố đối xứng (hai bộ dây ba pha được đặt lệch nhau 60 độ điện) và kiểu phân bố bất đối xứng (hai bộ dây ba pha được đặt lệch nhau 30 độ điện). Trong đó, SPIM có cách phân bố cuộn dây bất đối xứng với các điểm trung tính bị cô lập được ứng dụng rộng rãi hơn [10]. Bố trí lệch 30 độ điện giữa hai bộ dây stator giúp SPIM loại bỏ thành phần xung hài mô men bậc sáu cũng như làm giảm đáng kể tổn thất rotor do phân bố này làm giảm các thành phần hài dòng rotor [1]. Để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ nhiều pha, một số giải pháp đã được đề xuất. Trong đó, giải pháp được nghiên cứu rộng rãi nhất là biến tần nguồn áp sáu pha. Loại động cơ này chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi công suất lớn hay những ứng dụng yêu cầu cao về an toàn, khả năng chịu sự cố cao.
Trong những năm qua, nhiều công trình khoa học nghiên cứu về các hệ truyền động động cơ nhiều pha đã được công bố tập trung vào các lĩnh vực như: Xây dựng mô hình toán cho động cơ nhiều pha [10-12], cải tiến các thiết kế của động cơ nhiều pha [13-15], phân tích các trạng thái làm việc khi hoạt động với biến tần nguồn áp VSI [15]
và phát triển các kỹ thuật vector không gian cho biến tần nhiều pha [16 - 20]. Các nghiên cứu ứng dụng thực tế của động cơ nhiều pha cũng được công bố trong thời gian gần đây như: Điều khiển vector hệ truyền động SPIM công suất 850kW, được sử dụng trong nhà máy nhựa được trình bày trong [21], vận hành động cơ sáu pha 570 kW với hai bộ biến tần ba pha song song được điều khiển độc lập dựa trên kỹ thuật điều chế sóng mang được phân tích và báo cáo trong [22], các ứng dụng thực của hệ truyền động kéo công suất lớn cho đầu máy Adtranz sử dụng SPIM, FS E464, phát triển cho đường sắt Italy được trình bày trong [23-24]. Ứng dụng trong lĩnh vực xe điện cũng là một trong những ứng dụng khả thi được hưởng lợi từ việc chia tách dòng, vì trong nhiều trường hợp biến tần sử dụng nguồn điện áp DC thấp (được cung cấp bởi pin) không thể đáp ứng mô men và dòng lớn khi sử dụng động cơ ba pha truyền thống. Giải pháp sử dụng động cơ nhiều pha cho phép giảm dòng điện trên mỗi pha mà không yêu cầu gia tăng điện áp pha tương ứng, vì vậy phát triển loại động cơ này cho hệ EV đang nhận được rất nhiều sự quan tâm [9], [25].
Đối với bất cứ hệ truyền động nào việc mô hình hóa chính xác đối tượng điều khiển là hết sức cần thiết để nghiên cứu, mô phỏng và phát triển thực nghiệm hệ thống điều khiển cho một hệ truyền động hoàn chỉnh. Mô hình động cơ không đồng bộ sáu pha có thể được xây dựng theo một trong hai cách sau: Thứ nhất, cách tiếp cận theo [10-11], động cơ có thể được biểu diễn bằng hai cặp cuộn dây (d,q) đại diện cho hai bộ dây ba pha. Thứ hai, dựa trên phân rã không gian vector [17], động cơ được đại diện với hai cặp cuộn dây stator được biểu diễn trên khung tham chiếu cố định. Trong khi khung tham chiếu con thứ nhất (αβ) diễn ra quá trình chuyển đổi năng lượng điện cơ thì khung tham chiếu thứ hai (xy) không có quá trình chuyển đổi năng lượng nào được diễn ra. Trong khi khung tham chiếu (αβ) đại diện cho các thành phần hài 12n+1 (n= 1, 2, 3, y) thì khung tham chiếu con (xy) đại diện cho thành phần hài 6n ± 1 (n = 1, 3, 5, ...) chỉ tạo ra tổn thất và bị giới hạn bởi giá trị điện trở. Do đó, chúng cần được kiểm soát càng nhỏ càng tốt [16-17]. Ở cả hai tiếp cận thành phần thứ tự không được bỏ qua, vì các điểm trung tính của hai cuộn dây ba pha được cách ly. Trong luận án
này, mô hình động cơ được xây dựng dựa trên cách tiếp cận thứ 2, phân rã không gian vector, vì phương pháp điều khiển được xây dựng trong luận án dựa trên khung tham chiếu quay.
Với hướng tiếp cận thứ hai khi nghiên cứu phát triển các kỹ thuật điều khiển hệ truyền động SPIM có một số vấn đề tồn tại:
Vấn đề thứ nhất gặp phải liên quan đến dòng không cân bằng giữa hai bộ dây ba pha. Trong điều kiện nguồn cung cấp cho động cơ chỉ có thành phần điện áp cơ bản hình sin lý tưởng, động cơ đối xứng hoàn hảo thì không gian con (xy) không được kích hoạt. Tuy nhiên, nếu có bất kỳ sự bất đối xứng nào xuất hiện giữa hai bộ dây stator ba pha hoặc hai nguồn cung cấp ba pha, khi đó nguồn cung cấp hình sin của động cơ sẽ tạo ra không chỉ dòng điện stator trong không gian con (αβ) mà còn xuất hiện dòng điện stator tần số cơ bản trong không gian con (xy). Đã có nhiều nghiên cứu đề cập đến vấn đề dòng không cân bằng giữa các bộ dây ba pha, trong [26] vấn đề mất đối xứng giữa các bộ dây trong động cơ 9 pha đã được thảo luận chi tiết. Tương tự, vấn đề này cũng đã được nghiên cứu cho SPIM trong [27], trong đó đã chỉ ra rằng sự bất đối xứng hệ thống có thể tạo ra sự khác biệt tương đối lớn giữa các biên độ và sự dịch pha của hai bộ dòng điện stator ba pha. Vấn đề này cũng đã được giải quyết khá hiệu quả trong [28].
Khi thực hiện các kỹ thuật PWM như kỹ thuật điều chế vector không gian (SVPWM), kỹ thuật điều chế sóng mang (CPWM) cho biến tần trong hệ truyền động SPIM phát sinh một số vấn đề:
+ Kỹ thuật điều chế vector không gian PWM tạo ra thành phần hài điện áp bậc thấp khi điều khiển SPIM. Với SVPWM truyền thống, nếu chỉ có hai vector tích cực lân cận được sử dụng [16], điện áp đầu ra biến tần chứa thành phần hài 6n+1(n=
1, 3, 5, y), các hài này tồn tại trong không gian con (xy). Trở kháng trong các thành phần hài này là trở kháng rò stator, những thứ tự sóng hài điện áp thấp này làm gia tăng đáng kể sóng hài dòng stator bậc thấp. Điều quan trọng cần lưu ý là vấn đề của sóng hài bậc thấp trong không gian con (xy) chỉ có thể được giảm bằng cách áp dụng một sơ đồ vector không gian phức tạp hơn so với đề xuất trong [16] với việc sử dụng bốn vectơ khác không để tổng hợp điện áp tham chiếu [17 -19].
+ Ngoài ra, các phương pháp điều chế PWM gây ra xung điện áp common mode cao trong hệ thống truyền động động cơ nhiều pha. Hệ quả của tác dụng điện
áp common mode này, dòng nhiễu điện từ (EMI), cũng như dòng điện phóng và xả điện tích xuất hiện làm ăn mòn theo thời gian các bề mặt ổ bi của động cơ, làm cho việc ứng dụng biến tần áp không hoàn toàn thỏa mãn nhu cầu chất lượng cao của các hệ truyền động điện thực tế, đặc biệt khi điện thế nguồn một chiều lớn [29-31].
Mục tiêu của điều khiển điện áp bộ biến tần là triệt tiêu ảnh hưởng bất lợi gây ra bởi điện áp common mode, tức giảm điện áp common mode thấp nhất hoặc triệt tiêu chúng bằng zero. Một số giải pháp thực tế sử dụng cuộn kháng lọc dòng common mode mắc nối tiếp ở ngõ ra bộ nghịch lưu hoặc sử dụng mạch phần cứng điều khiển bù điện áp common mode đều gây tốn kém [32-33]. Do đó, các giải pháp đơn giản hơn sử dụng kỹ thuật PWM giảm điện áp common mode và các thành phần sóng hài dòng stator bậc thấp ngày càng được tập trung nghiên cứu để nâng cao hơn nữa chất lượng của các hệ truyền động SPIM.
Liên quan đến lĩnh vực điều khiển chính xác tốc độ trong các hệ truyền động sáu pha, điều khiển vector với các bộ điều khiển dòng trong khung tham chiếu đồng bộ (dq) là cách tiếp cận khá phổ biến trong các nghiên cứu và ứng dụng thực tế hiện có. Chiến lược điều khiển dòng trong [11], [34] sử dụng hai hoặc bốn bộ điều khiển dòng PI để tạo ra các điện áp stator tham chiếu cho hai cuộn dây ba pha của SPIM.
Ưu điểm chính của chiến lược điều khiển này là sai số ở trạng thái ổn định thấp.
Tuy nhiên, chất lượng hệ truyền động phụ thuộc nhiều vào tham số và ghép nối phi tuyến của máy, do đó khó có thể cung cấp chất lượng điều khiển thỏa đáng trong những hệ truyền động yêu cầu chất lượng cao. Đặc biệt, khi điều khiển ở vùng tần số thấp các vấn đề về độ nhạy tham số và ghép nối phi tuyến thể hiện rõ rệt hơn và làm chất lượng hệ truyền động không thể đáp ứng được. Vì vậy, điều khiển phi tuyến và các kỹ thuật điều khiển thông minh được nghiên cứu và phát triển trong thời gian gần đây như: Điều khiển tuyến tính hóa hồi tiếp [35-36], điều khiển mô hình trượt [37-39], điều khiển BS [40-42], điều khiển logic mờ [43-44] và điều khiển mạng nơ ron [45-47], điều khiển dự báo [48], điều khiển thụ động [49], điều khiển Hamiltonia [50-53],… nhằm khắc phục những vấn đề này.
Mặt khác, trong các hệ truyền động SPIM đòi hỏi chất lượng điều khiển cao, việc hạn chế và giảm số lượng cảm biến nhận được sự chú ý rất lớn từ các nhà khoa học trên thế giới trong vài thập kỷ qua [54-62]. Việc sử dụng các cảm biến bên cạnh nhược điểm làm tăng chi phí, kích thước và trọng lượng của hệ nó còn làm giảm độ
tin cậy, tính chính xác và tốc độ đáp ứng của hệ thống điều khiển do sai số đo, nhiễu, điều kiện môi trường làm việc và chất lượng của các cảm biến. Trong một số trường hợp, việc thi công lắp đặt cảm biến, đặc biệt là cảm biến tốc độ gặp nhiều khó khăn và không thể thực hiện được. Theo dõi và cập nhật các công bố trong lĩnh vực này cho thấy sự tập trung rất lớn các nghiên cứu, sự gia tăng cả về số lượng và chất lượng các công trình được công bố trong lĩnh vực điều khiển không cảm biến cho thấy tính thời sự, hiệu quả và xu hướng thay thế tất yếu cũng như sự phát triển bền vững của các hệ truyền động điều khiển vector không cảm biến tốc độ.
Với mong muốn nghiên cứu và đưa ra những giải pháp điều khiển nhằm khắc phục những thiếu sót, hạn chế của các hệ truyền động AC truyền thống, đặc biệt mong muốn cải tiến chất lượng của hệ thống điều khiển tự động trong các hệ truyền động điện xoay chiều sáu pha không cảm biến ở phạm vi vận hành tốc độ thấp-vùng hạn chế trong điều khiển và ước lượng tốc độ để nâng cao ứng dụng thực tế của hệ truyền động sáu pha. Vấn đề điều khiển ổn định, nâng cao chất lượng điều khiển của SPIM bằng cách giữ nguyên các yếu tố phi tuyến để điều khiển chính xác, bám theo các mục tiêu cho trước với sai số cực tiểu là một yêu cầu được đặt ra. Với mục đích này, tác giả đã lựa chọn và nghiên cứu với đề tài: “ Điều khiển thích nghi hệ truyền động Động cơ không đồng bộ sáu pha”.
Đối tượng nghiên cứu trong luận án này là động cơ không đồng bộ sáu pha rotor lồng sóc bất đối xứng với hai bộ dây ba pha đặt lệch nhau 300 điện, trung tính cách ly.
Các kỹ thuật điều khiển phi tuyến, điều khiển thông minh, kỹ thuật ước lượng tốc độ, kỹ thuật điều chế độ rộng xung và giải thuật giảm điện áp common mode.