1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
NGUYỄN THỊ TRUNG TÍN
ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG
ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU 3 PHA DÙNG
MẠNG NƠRON THÍCH NGHI
Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số : 60.52.60
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Đà Nẵng - Năm 2011
2
Công trình ñược hoàn thành tại
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN ĐỨC THÀNH
Phản biện 1: …………………………………….
Phản biện 2: …………………………………….
Luận văn sẽ ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 10
tháng 9 năm 2011
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm Thông tin – Học liệu, Đại học Đà Nẵng
- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng
3
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của ñề tài
Hiện nay trong các hệ truyền ñộng của các dây truyền sản
xuất hiện ñại, ñộng cơ xoay chiều ba pha không ñồng bộ (KĐB) rotor
lồng sóc ñang ñược sử dụng rộng rãi bởi có nhiều ưu ñiểm như cấu
tạo ñơn giản, dễ chế tạo, giá thành rẻ, vận hành tin cậy và an toàn.
Với sự phát triển của lý thuyết ñiều khiển và các ngành có liên quan
làm cho ñộng cơ KĐB ñang chiếm dần ưu thế trong các hệ truyền
ñộng.
2. Mục ñích nghiên cứu
- Tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt ñộng và mô hình toán
học của ñộng cơ không ñồng bộ rotor lồng sóc.
- Tìm hiểu các phương pháp ñiều khiển tốc ñộ ñộng cơ KĐB
ba pha rotor lồng sóc.
- Tìm hiều cấu trúc của hệ truyền ñộng ñiện xoay chiều 3 pha
ñiều khiển trực tiếp moment (DTC).
- Tìm hiểu lý thuyết về bộ biến tần ma trận và ứng dụng bộ
biến tần ma trận cùng phương pháp DTC trong ñiều khiển ñộng cơ
KĐB.
- Tổng hợp và mô phỏng ñược bộ ñiều khiển ñộng cơ KĐB
xoay chiều ba pha không dùng cảm biến tốc ñộ
- Trình bày kết quả so sánh giữa bộ PI thông thường và bộ ñiều
khiển dùng mạng nơron thích nghi nhằm cho thấy sự thích nghi tốt
của bộ ñiều khiển tốc ñộ dùng mạng nơron thích nghi trong các ñiều
kiện thông số thay ñổi.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Động cơ xoay chiều ba pha KĐB có
roto lồng sóc.
4
Phạm vi nghiên cứu: Điều khiển tốc ñộ ñộng cơ KĐB có roto
lồng sóc.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết, xử lý thông tin.
- Mô phỏng giải thuật ñiều khiển ñộng cơ bằng phần mềm
Matlab/Simulik.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài luận văn
Đề tài mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao bởi lẽ:
- Đáp ứng nhu cầu ñiều khiển truyền ñộng ñiện ngày một cao.
- Sử dụng phương pháp ñiều khiển “thông minh”.
6. Cấu trúc luận văn
Trong luận văn này, với nội dung nghiên cứu ñã ñược nêu ở
trên, tác giả bố cục luận văn thành 4 chương như sau:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Biến tần ma trận và vấn ñề chuyển mạch
Chương 3: Phương pháp DTC cho biến tần ma trận
Chương 4: Thuật toán ñiều khiển vận tốc ñộng cơ KĐB xoay
chiều ba pha dùng mạng nơron thích nghi
5
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn ñề
1.2. Tổng quan về ñộng cơ không ñồng bộ ba pha
1.2.1. Giới thiệu
1.2.2. Cấu tạo
1.2.3. Nguyên lý hoạt ñộng
1.3. Các phương trình cơ bản của ĐCKĐB
1.4. Các phương pháp ñiều khiển tốc ñộ ñộng cơ KĐB
1.4.1. Điều khiển vô hướng ĐCKĐB (scalar)
1.4.2. Phương pháp ñịnh hướng trường(FOC)
1.4.3. Phương pháp ñiều khiển trực tiếp moment (DTC)
+ Ưu ñiểm của phương pháp DTC so với phương pháp FOC:
o Ít phụ thuộc vào thông số ñộng cơ.
o Không cần phải sử dụng các khối chuyển ñổi tương quan.
o Cho ñáp ứng momen nhanh hơn.
1.4.4. Giới thiệu bộ biến tần ma trận
Việc sử dụng biến tần ma trận có nhiều ưu ñiểm như:
o Biến tần ma trận có khả năng chuyển ñổi ñiện áp xoay chiều
có tần số và biên ñộ cố ñịnh ở ngõ vào thành ñiện áp xoay chiều có
tần số và biên ñộ thay ñổi.
o Cho phép tải hoạt ñộng trong cả 4 góc phần tư mặt phẳng V-
A của tải (four-quadrant operation).
o Không cần sử dụng nhiều tụ ñiện như trong bộ biến ñổi DC-
link.
o Ngăn chặn ñặc tính nguồn ngõ vào và làm tăng mật ñộ công
suất ở ngõ ra.
o Tạo ra luồng công suất hai chiều bất chấp số pha của ngõ vào
6
và ngõ ra, cho phép nâng cao hiệu suất hoạt ñộng lên nhiều lần so với
các bộ ñiều khiển AC thông thường.
o Bằng cách sử dụng các phương pháp ñiều biên thích hợp,
biến tần ma trận có thể tạo nhiều dạng sóng ngõ ra bất chấp các loại
tải và nguồn ngõ vào.
o Giảm khối lượng ñáng kể so với các bộ biến ñổi ña tầng.
o Tuổi thọ cao.
1.5. Những kỹ thuật ñiều khiển tiên tiến hiện nay
1.6. Kết luận chương 1
Hiện nay, các phương pháp trên ñã ñược ứng dụng rộng rãi
trong lĩnh vực ñiều khiển truyền ñộng ñộng cơ KĐB. Tuy nhiên, bên
cạnh những ưu ñiểm, các phương pháp vẫn tồn tại những khuyết
ñiểm:
- Điều khiển vô hướng chỉ dùng cho truyền ñộng ñặc tính thấp.
- Điều khiển DTC: tần số ñóng ngắt linh kiện thay ñổi khi
không sử dụng các giải thuật nâng cao, yêu cầu tốc ñộ tính toán và
tần số lấy mẫu cao, xảy ra hiện tượng ñập mạch do momen có sự dao
ñộng khi ñiều khiển ở tốc ñộ thấp.
- Điều khiển tựa theo từ thông vẫn gặp một số hạn chế: nhạy
với sự thay ñổi thông số của ñộng cơ như hằng số thời gian rotor và
ño lường từ thông không chính xác tại tốc ñộ thấp. Do ñó, hiệu suất
giảm và bộ ñiều khiển phổ biến như PID thì không thể duy trì yêu
cầu ñiều khiển dưới những ñiều kiện thay ñổi.
Do ñó, ñể khắc phục những nhược ñiểm trên, việc kết hợp ñiều
khiển trí tuệ nhân tạo với kỹ thuật ñiều khiển kinh ñiển ñã ra ñời góp
phần không nhỏ trong việc phát triển lĩnh vực ñiều khiển truyền ñộng
ñiện xoay chiều 3 pha.
7
CHƯƠNG 2
BIẾN TẦN MA TRẬN VÀ VẤN ĐỀ CHUYỂN MẠCH
2.1. Tổng quan về biến tần ma trận
2.1.1. Nguyên lý ñiều khiển bộ biến tần ma trận
Hình 2.1. Sơ ñồ nguyên lý biến tần ma trận 3x3
2.1.2. Các giải thuật ñiều chế phổ biến
2.1.2.1. Giải thuật ñiều chế sóng mang Venturini
2.1.2.2. Giải thuật
ñiều chế vô hướng (Roy)
2.1.2.3. Gi
ả
i thu
ậ
t
ñ
i
ề
u ch
ế
vector không gian (VTKG
)
2.1.2.4.
Gi
ả
i thu
ậ
t
ñ
i
ề
u ch
ế
gián ti
ế
p
2.2. Vấn ñề chuyển mạch trong biến tần ma trận
2.2.1. Các hiện tượng không mong muốn trong quá trình chuyển
mạch
2.2.2. Giải thuật chuyển mạch 4 bước
Tổng quát hóa, ta có thể xây dựng giải thuật chuyển mạch 4
bước như sau:
o
B
ướ
c 1
: Ngắt IGBT ñang ở trạng thái không dẫn dòng trong
cặp IGBT chuẩn bị chuyển sang trạng thái ngắt.
o
B
ướ
c 2
: Đóng IGBT sẽ ở trạng thái dẫn dòng trong cặp
Nguồn 3 pha
ngõ vào
Khóa 2
chiều
8
IGBT chuẩn bị chuyển sang trạng thái ñóng.
o
B
ướ
c 3
: Ngắt IGBT ñang ở trạng thái dẫn dòng trong cặp
IGBT chuẩn bị chuyển sang trạng thái ngắt.
o
B
ướ
c 4
: Đóng IGBT sẽ ở trạng thái không dẫn dòng trong
cặp IGBT chuẩn bị chuyển sang trạng thái ñóng.
Giải thuật chuyển mạch 4 bước hiện nay có thể thực hiện dễ
dàng trên các kit FPGA.
2.3. Kết luận chương 2
Hiện nay, biến tần ma trận ñang trong quá trình nghiên cứu
hoàn thiện và trong tương lai sẽ thay thế các bộ biến tần truyền
thống. Việc sử dụng biến tần ma trận có nhiều ưu ñiểm như ñã ñược
trình bày ở chương 1.
Cùng với ñó, phương pháp DTC cũng là 1 lựa chọn mới trong
các kỹ thuật ñiều khiển ĐCKĐB với những ưu ñiểm chính như:
o Đơn giản, không cần ñến các khối chuyển ñổi tương quan.
o Tính linh hoạt cao.
o Khả năng ñiều khiển bền bỉ và chính xác.
o Không cần phải sử dụng các cảm biến ño từ thông trực tiếp.
o Không phụ thuộc nhiều vào thông số của ñộng cơ.
o Khả năng bám tốc ñộ ñặt cao, ngay cả khi tải thay ñổi.
Tuy nhiên, trước ñây phương pháp DTC thường chỉ áp dụng
cho các bộ biến tần truyền thống ñể ñiểu khiển ñộng cơ. Việc ứng
dụng phương pháp DTC và biến tần ma trận có thể kết hợp tất cả
những ưu ñiểm ở trên, cho ta ñáp ứng tốt của hệ thống trong những
ñiều kiện thông số bên ngoải thay ñổi, kết cấu nhỏ gọn và có ñược
hiệu suất tối ña.
9
CHƯƠNG 3
PHƯƠNG PHÁP DTC CHO BIẾN TẦN MA TRẬN
3.1. Tổng quan về phương pháp DTC
Ưu ñiểm chính của phương pháp DTC là:
o Đơn giản, không cần ñến các khối chuyển ñổi phối hợp.
o Tính linh hoạt cao.
o Khả năng ñiều khiển bền bỉ và chính xác.
o Không cần sử dụng cảm biến ño từ thông trực tiếp.
Tuy nhiên, phương pháp DTC cũng có một vài hạn chế như:
khó khăn trong việc kiểm soát từ thông và momen ở tốc ñộ rất nhỏ
của ñộng cơ, dòng ñiện lớn và sự nhấp nhô của momen gây ra hiện
tượng thất thoát ñiện năng lớn và tiếng ồn khi ñộng cơ hoạt ñộng, tần
số ñóng ngắt hay thay ñổi.
3.2. Cấu hình DTC thông thường (Conventional DTC)
Hình 3.2. Mô hình phương pháp DTC cơ bản
3.2.1 Biến tần nguồn áp ba pha (VSI)
3.2.2. Điều khiển từ thông trực tiếp
3.2.3. Điều khiển momen trực tiếp
3.2.4. Lựa chọn trạng thái ñóng ngắt cho khóa
Chọn
Vector
ñiện áp
VSI
Ước lượng
từ thông
và mômem
10
3.3. Mô hình ước lượng từ thông stator
3.3.1. Ước lượng theo ñiện áp
Hình 3.13. Sơ ñồ cấu trúc phương pháp ước lượng theo thuật toán
của Hu và Wu
Hình 3.14. Mô phỏng phương pháp ước lượng từ thông của Wu và
Hu
3.3.2. Ước lượng theo dòng ñiện
3.4. Mô hình ước lượng moment ñiện từ
Giá trị ước lượng momen ñiện từ ñược xác ñịnh theo công thức:
)(
2
3
αββα
ψψ
TTTTe
iipT
∧∧
−=
(3.19)
3.5. So sánh có tạo trễ (Hysteresis Controller)
3.5.1. Tần số ñóng ngắt
3.5.2. Độ gợn momen (torque ripple)
x
Ts
G
y
+
=
1
Ts
G
y
+
=
1
y
z