Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng quá trình khởi động và làm việc của động cơ đồng bộ công suất lớn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:31

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng quá trình khởi động và làm việc của động cơ đồng bộ công suất lớn" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về điều khiển kích từ động cơ đồng bộ công suất lớn; Mô tả toán học và đánh giá các thông số ảnh hưởng đến chế độ khởi động và làm việc của động cơ đồng bộ công suất lớn; Giải pháp nâng cao chất lượng quá trình khởi động và làm việc của động cơ đồng bộ công suất lớn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng quá trình khởi động và làm việc của động cơ đồng bộ công suất lớn

VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA DƯƠNG QUỐC HƯNG NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG QUÁ TRÌNH KHỞI ĐỘNG VÀ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ CÔNG SUẤT LỚN CHUYÊN TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội – Năm 2022
ông trình được hoàn thành tại Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa gười hướng dẫn 1. PGS.TS. Nguyễn Hữu Công gười hướng dẫn 2: PGS. TS. Nguyễn ăn Liễn Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: hư viện Viện iện tử, Tin học, Tự động hóa
Phần mở đầu đ t Động cơ đồng bộ công suất lớn chủ yếu được ứng dụng trong các nhà máy điện, các trạm bơm, các máy nén khí cao áp …. Chúng có nhiều ưu điểm như: Hiệu suất cao, tốc độ quay ổn định và ít phụ thuộc vào dao động của tải, có thể điều chỉnh được hệ số công suất Cos. Tuy nhiên, chúng cần một thiết bị kích từ đi kèm, do đó việc điều khiển phức tạp hơn nhiều so với động cơ không đồng bộ cả trong giai đoạn khởi động và khi làm việc. Giai đoạn khởi động: Khi bắt đầu khởi động, dòng kích từ không được đưa vào cuộn dây kích từ rotor. Cuộn dây này được nối với một điện trở dập từ để dập sức điện động tự cảm và hỗ trợ việc tăng mô men khởi động cho động cơ, động cơ được khởi động như một động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc. Dòng điện khởi động tăng mạnh (5  7)Iđm gây sụt áp lớn. Khi động cơ gần đạt tốc độ đồng bộ, điện trở dập từ được loại ra và nguồn kích từ được đưa vào cuộn dây rotor để nó trở thành nam châm điện, lúc này từ trường của stator “bắt” được từ trường của rotor và cuốn động cơ vào chế độ đồng bộ. Ở giai đoạn này, nhiệm vụ của bộ điều khiển kích từ là phải xác định được chính xác thời điểm để cấp nguồn kích từ DC vào cuộn dây của rotor (Thời điểm này gọi là “bắt” đồng bộ hoặc vào đồng bộ), giúp cho động cơ khởi động an toàn và tiết kiệm điện năng. Trong chế độ làm việc: Thiết bị kích từ phải điều chỉnh dòng kích từ sao cho ổn định được hệ số công suất Cos ở giá trị đặt, từ đó ổn định được chế độ làm việc của động cơ khi có sự thay đổi của tải hoặc dao động của điện áp lưới, giúp cho động cơ làm việc an toàn và đem lại hiệu suất làm việc cao. Đã có một số nghiên cứu đề cập đến với các giải pháp đo tốc độ rotor với tốc độ (95 – 98)%, hoặc đo tần số của dòng điện cảm ứng rotor khoảng (3- 5)Hz, hoặc đo dòng điện stator với dòng điện khoảng (2 – 2.5)Iđm. Đó được coi là những thời điểm phù hợp để vào đồng bộ. Các giải pháp này cơ bản đã đáp ứng được điều kiện vào đồng bộ, tuy nhiên còn phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm. Các thông số đo lường để xác định thời điểm vào đồng bộ vẫn nằm trong một miền giá trị mà chưa xác định được chính xác thời điểm, nên bộ điều khiển vẫn phải thực hiện việc cường kích dòng kích từ với giá trị lớn từ 2 – 2.5 lần dòng kích từ định mức khi vào đồng bộ. Việc này gây ra sự rung giật khi khởi động và tiêu tốn điện năng. Trong chế độ làm việc, bộ điều khiển được sử dụng chủ yếu là bộ điều khiển PID hoặc điều khiển mờ với phương pháp chỉnh định bằng kinh nghiệm hoặc thực nghiệm là phổ biến, do đó kết quả thiết kế chưa thực sự tối ưu. Đề tài này tiếp tục nghiên cứu, đề xuất thêm giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển kích từ cho động cơ đồng bộ công suất lớn, cả ở chế độ khởi động và chế độ làm việc, nhằm khai thác tối đa ưu điểm và hạn chế đến mức tối thiểu những nhược điểm của loại động cơ này. đ u  Đề xuất thêm giải pháp xác định chính xác thời điểm để đưa nguồn kích từ DC vào cuộn dây kích từ rotor của động cơ khi khởi động. Điều này giúp cho quá trình -1-
khởi động diễn ra trơn tru, tốc độ tăng dần đều, giảm sự rung động về cơ khí và sự tăng ở phía stator, tăng tuổi thọ của động cơ và tiết kiệm điện năng.  Ứng dụng thuật toán tối ưu để thiết kế bộ điều khiển nhằm tự động điều chỉnh dòng kích từ ổn định giá trị Cos theo lượng đặt, từ đó gián tiếp ổn định được mô men và chế độ làm việc của động cơ khi có nhiễu phụ tải hoặc nhiễu điện áp nguồn xảy ra. Kết quả nghiên cứu được thử nghiệm trên mô hình thực nghiệm với động cơ đồng bộ công suất lớn nhằm khẳng định tính thực tiễn. t v v u  Đối tượng nghiên cứu: Động cơ đồng bộ cực lồi kích từ điện có công suất lớn và bộ điều khiển kích từ cho nó.  Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu nâng cao chất lượng khởi động và điều khiển động cơ đồng bộ CS lớn, có tinh đến nhiễu phụ tải hoặc nhiễu điện áp nguồn. 4. P ơ u  Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu các lý luận cơ bản và hiện đại về điều khiển để có thể tổng hợp được thuật toán điều khiển. Nghiên cứu các mạch kỹ thuật điện tử và vi xử lý. Xây dựng được mô hình mô phỏng để đánh giá tính đúng đắn của lý thuyết của thuật toán.  Thực nghiệm: Xây dựng được mô hình thực nghiệm hệ thống điều khiển kích từ cho động cơ đồng bộ công suất lớn. Cài đặt thuật toán và thử nghiệm để khẳng định tính thực tiễn. 5 v t t  h c: Bổ sung thêm giải pháp để nâng cao chất lượng khởi động cho động cơ đồng bộ công suất lớn, đồng thời ứng dụng tốt thuật toán tối ưu PSO vào việc thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống kích từ động cơ đồng bộ công suất lớn. Mô hình thực nghiệm được xây dựng hằm gắn kết giữa lý thuyết về điều khiển truyền động hiện đại với thực tế ứng dụng trong sản xuất công nghiệp.  t c ti n: Kết quả nghiên cứu cung cấp thêm cơ sở dữ liệu cần thiết để các nhà sản xuất thiết bị kích từ có thể phát triển sản phẩm mang thương hiệu Việt có chất lượng tương đương hàng nhập ngoại, nhưng giá thành hạ, đồng thời làm chủ được công nghệ và thiết bị. 6. B c c c a lu n án: Bố cục của Luận án gồm 4 chương:  Chương I: Tổng quan về điều khiển kích từ động cơ đồng bộ công suất lớn  Chương II: Mô tả toán học và đánh giá các thông số ảnh hưởng đến chế độ khởi động và làm việc của động cơ đồng bộ công suất lớn  Chương III: Giải pháp nâng cao chất lượng quá trình khởi động và làm việc của động cơ đồng bộ công suất lớn  Chương IV: Xây dựng mô hình thực nghiệm hệ điều khiển kích từ động cơ đồng bộ công suất 500kW -2-
C ơ . u v đ u khiển kích từ độ ơ đồng bộ công suất lớn 1.1. T ng quan Vấn đề điều khiển động cơ đồng bộ cống suất lớn sẽ được thực hiện ở 2 giai đoạn: + Giai đoạn khởi động: Liên quan đến việc xác định chính xác thời điểm vào đồng bộ, là thời điểm đưa dòng kích từ DC vào cuộn dây rotor của động cơ. Việc này giúp cho động cơ khởi động nhanh và êm, giá trị dòng kích từ không phải cường kích quá lớn, nâng cao tuổi thọ thiết bị kích từ và động cơ, tiết kiệm năng lượng. + Giai đoạn làm việc: Liên quan đến việc tự động điều chỉnh dòng kích từ để ổn định giá trị Cos theo lượng đặt, từ đó gián tiếp ổn định được mô men và chế độ làm việc của động cơ khi có nhiễu phụ tải hoặc nhiễu điện áp nguồn xảy ra. ột s nghiên c u tr v ớc 1.2.1. Một s nghiên c u ớc Các phương pháp đo lường để bắt đồng bộ khi khởi động động cơ đồng bộ kích từ điện công suất lớn: o Đo tốc độ của động cơ o Đo tần số dòng điện cảm ứng trong rotor o Gián tiếp đo góc rotor. o Đo dòng điện stator khi khởi động Các phương pháp điều khiển hệ số công suất cos trong chế độ làm việc của động cơ đồng bộ kích từ điện công suất lớn: o Phương pháp sử dụng bộ điều khiển kinh điển PID, chủ yếu được thiết kế bằng phương pháp thực nghiệm o Phương pháp sử dụng bộ điều khiển mờ: Được thiết kế bằng kinh nghiệm của chuyên gia. 1.2.2. Một s nghiên c u/ ng d tr ớc Tại việt Nam, các hệ thống điều khiển kích từ cho động cơ cực lồi công suất lớn chủ yếu được nhập ngoại từ nước ngoài và được lắp đặt sử dụng, các nghiên cứu và chế tạo chưa nhiều. Quá trình “bắt” đồng bộ được thực hiện bằng việc đo tốc độ đạt từ (95 – 98)% tốc độ đồng bộ tần số dòng điện rotor khi nằm trong khoảng từ 3 – 5Hz. Điều khiển kích từ để ổn định hệ số công suất Cos được thực hiện nhờ bộ điều khiển PID, việc xác định các tham số bộ điều khiển được thực hiện theo kinh nghiệm của người vận hành. u Các kết quả nghiên cứu đã cho thấy vẫn còn tồn tại một số vấn đề sau: Vấ đ ở chế độ khở động: Khi khởi động, đo tốc độ (95 – 98)% tốc độ đồng bộ, hoặc đo tần số fr = 3 – 5Hz, hoặc đo hệ số trượt s  0.05; hoặc đo dòng điện stator Is  (2 – 2.5)Iđm hoặc đo gián tiếp góc rotor qua dòng điện cảm ứng rotor bằng thiết bị cảm ứng từ là những thời điểm thích hợp để đưa dòng kích từ vào. Các phương pháp này đơn giản, tuy nhiên giá trị đo được nằm trong một miền giá trị lớn nên không xác định được đúng thời điểm từ trường đạt cực đại, do đó, khi vào đồng bộ phải cường kích dòng kích từ với một giá khá lớn (2 – 2.5) lần dòng kích từ định mức, gây rung -3-
giật và gây lãng phí năng lượng, ảnh hưởng tuổi thọ của thiết bị kích từ và tuổi thọ của động cơ (1). • Vấn đề ở chế độ làm việc: Với bộ điều khiển PID được thiết kế bằng thực nghiệm, hệ thống cho đáp ứng nhanh, nhưng vẫn xảy ra dao động ở mức độ nhất định. Giải pháp sử dụng bộ điều khiển mờ cũng được sử dụng để nâng cao chất lượng của hệ điều khiển kích từ. Tuy nhiên, việc thiết kế bộ điều khiển mờ vẫn chủ yếu thực hiện bằng kinh nghiệm của chuyên gia mà chưa có giải pháp thiết kế tối ưu các thông số của bộ điều khiển mờ bằng thuật toán cụ thể (2). Trong nghiên cứu này, nghiên cứu sinh tiếp tục nghiên cứu giải pháp nhằm nâng cao chất lượng quá trình khởi động và làm việc của động cơ đồng bộ công suất lớn để giải quyết tốt hơn hai vấn đề tồn tại trên. ết u ơ Trình bày tổng quan về động cơ đồng bộ công suất lớn, phân tích vai trò của bộ điều khiển kích tử ở chế độ khởi động và làm việc. Phân tích, đánh giá và tổng hợp một số nghiên cứu, ứng dụng trong và ngoài nước về lĩnh vực điều khiển kích cho động cơ đồng bộ công suất lớn, từ đó chỉ ra hai vấn đề tồn tại cần giải quyết: + Vấn đề xác định chính xác thời điểm để “bắt” đồng bộ khi khởi động, + Vấn đề điều khiển dòng kích từ để bù nhiễu tải và xác lập hệ số công suất cosφ. Có thể thấy rằng, việc tiếp tục nghiên cứu để đề xuất thêm giải pháp nhằm nâng cao chất lượng quá trình khởi động và làm việc của động cơ đồng bộ công suất lớn là việc mang tính cấp thiết. C ơ Mô tả toán h v đ t ô s ả ở đến chế độ khở động và làm việc c độ ơ đồng bộ công suất lớn C ơ trì t độ ơ đồng bộ Mục đích của việc dẫn ra các phương trình toán của động cơ là cơ sở để vẽ ra sơ đồ mạch điện thay thế và đồ thị véc tơ, từ đó nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến quá trình khởi động và làm việc của động cơ C ơ trì tr ệ t độ c định stator  s   u s   rs 0 0 0 0  is     u     (2.2)  s   s  0 rs 0 0 0  is  d  f    u f   0 0 rf 0 0  i f  . dt         D   u D  0 0 0 rD 0  i D     u  0 0 0 0 rQ  i Q   Q  Q  Trong đó: sα; sβ; usα; usβ; isα; isβ: Lần lượt là từ thông, điện áp, dòng điện của stator được biểu diễn trong hệ tọa độ αβ. C ơ trì tr ệ t độ quay rotor dsd (2.6) u ri  d s d   , r sq dt dsq u q  rsiq   r sd . dt (2.7) Trong đó: ud; uq (V): Lần lượt là điện áp stator theo phương dọc d và phương ngang q, -4-
id; iq (A): Lần lượt là dòng điện stator theo phương dọc d và phương ngang q, sd; sq (A.Vòng): Lần lượt là từ thông tổng stator theo phương dọc d và phương ngang q, r (Rad/s): Vận tốc góc của từ trường rotor. Các phương trình điện áp của các cuộn dây rotor cũng được mô tả trong hệ tọa độ rotor như sau: d u f  rf if  f , (2.8) dt d D u D  rDi D   0, (2.9) dt d Q u Q  rQiQ   0, (2.10) dt Sơ đồ m đ ện thay thế và đồ thị vé tơ Sơ đồ m đ ện thay thế uf Rs L s Rs Ls Lk  id iq RD Rf RQ ud uq Lmd Lmq LD Lf  LQ id+iD+if iq+iQ iD if iQ .sq .sd Hình 2.3. Sơ đồ thay thế trục dọc Hình 2.4. Sơ đồ thay thế trục của động cơ đồng bộ imd = id + iD ngang của động cơ đồng bộ imq = + if iq + iQ ồ thị vé tơ q q jI sXs Eq=jLmdIf  Uq jI sXs j LsdId Uq Us Eq=jLmdIf Us   Iq  Is Iq  Is r r Ud Id d Ud Id d a) Dòng điện vượt trước điện áp b) Dòng điện chậm sau điện áp Hình 2.6. Đồ thị véctơ ĐC ĐB ở chế độ xác lập khi bỏ qua điện trở dây quấn stator -5-
ô e đ ện từ c độ ơ đồng bộ c c lồi 2.3.1. Biểu th x định mô men 3 t e  pr [Lmdif iq  idiq (Lmd  Lmq )  (Lmdi Diq  LmdiQid )] (2.25) 2 Từ phương trình 2.25 ta thấy: Số hạng thứ nhất là mô men đồng bộ do tương tác giữa từ trường kích thích và dòng điện stator trục ngang q gây ra. Số hạng thứ hai là mô men từ trở do “sự lồi” gây ra. Số hạng thứ 3 là mô men cản dịu (mô men lồng sóc) chỉ xuất hiện trong chế độ khởi động không đồng bộ. 2.3.2. Mô men khi khở độ ô đồng bộ mô men khi khởi động không đồng bộ gồm có 2 thành phần: 3 t e _ kđ  pr [idiq (Lmd  Lmq )  (Lmdi Di q  Lmdi Qi d )] (2.26) 2 Trong đó:  3  t e _ kđ1  2 p r i d i q (L md  L mq )  t 3 e _ kđ 2  p r (L md i Di q  L md i Qi d )  2 (2.27) Thành phần thứ nhất (te_kđ1) là mô men từ trở hay mô men cực lồi; Thành phần thứ hai (te_kđ2) là mô men lồng sóc được các thanh lồng sóc được bố trí ở mặt ngoài của rotor tạo ra. Sự kết hợp giữa mô men lồng sóc và mô men cực lồi tạo ra mô men tổng được trình bày như hình 2.7. a) Khởi động với mô men lớn; b) Khởi động với mô men trung bình; c) Ảnh hưởng của điện trở dập từ tới độ lớn của mô men cực lồi Hình 2.7. Mối quan hệ giữa mô men và tốc độ khi khởi động [14]: -6-
2.3.3. Giá trị mô men khi làm việc 3p U E (X  Xsq ) (2.34) Te  r [ s q .sin   Us2 sd .sin 2] 2 Xsd Xsd Xsq Biểu thức 2.34 cho thấy: Trong chế độ xác lập, mô men điện từ của động cơ đồng bộ cực lồi có hai thành phần. Phần thứ nhất là mô men đồng bộ chính, phụ thuộc vào nguồn điện xoay chiều stator và nguồn điện kích từ, UsEq. Thành phần thứ 2 là mô men từ trở chỉ phụ thuộc vào điện áp stator, Us2. 2.4. Các thông s ả ở đến chế độ khở động và làm việc c động ơ 2.4.1. Các thông s ả ở đến chế độ khởi động Nếu gọi is là dòng điện stator và irD là dòng điện cảm ứng trục D trong cuộn kích từ rotor, dòng điện này ngược pha 1800 so với dòng stator và từ thông cảm ứng trong rotor sẽ vượt trước 900 độ so với irD. Thời điểm phù hợp nhất để vào kích từ là khi động cơ đã gần đạt tốc độ đồng bộ và từ thông cảm ứng () đạt giá trị tối đa (Hình 2.11). Hình 2.11. Thời điểm tối ưu cấp nguồn kích từ DC để “bắt” đồng bộ trong chế độ khởi động Lúc này điện trở dập từ được tách ra, từ thông cực đại được duy trì, nguồn kích từ được đưa vào. Việc xác định đúng thời điểm để “bẫy” từ thông cực đại khi vào đồng bộ sẽ giúp động cơ khởi động trơn tru, giá trị nguồn kích từ không cần phải cường kích quá lớn. Giúp tăng tuổi thọ của động cơ và tiết kiệm năng lượng. Kết lu n: Ở tốc độ thấp, hệ số trượt lớn nên từ trường của rotor chưa thể bắt kịp từ trường của stator, nguồn kích từ DC chưa được cấp vào cuộn dây kích từ rotor. Mô men khởi động của động cơ bao gồm mô men cực lồi và mô men lồng sóc (biểu thức 2.26, 2.27 và hình 2.7). Khi tốc độ gần đạt tốc độ đồng bộ, lúc này hệ số trượt đã giảm, độ trượt tốc độ giữa stator và rotor còn rất nhỏ. Đây là điều kiện thuận lợi thứ nhất để “bắt” đồng bộ. Theo định luật cảm ứng điện từ, dòng điện cảm ứng trong rotor sẽ sinh ra từ thông . Đây là từ thông biến thiên và tạo ra mômen quay của động cơ. Tại thời điểm từ thông đạt cực đại, tức là mô men khởi động bộ sản sinh trong động cơ cũng đạt cực đại lúc này giá trị dòng kích từ đưa vào của rotor không cần phải cường kích ở mực độ quá lớn, do đó sẽ tiết kiệm được năng lượng, đây là điều kiện thuận lợi tiếp theo. Việc xác định thời điểm từ thông đạt cực đại sẽ được nghiên cứu sinh đo gián tiếp qua dòng điện cảm ứng trong rotor. Ngoài ra, đo thêm dòng điện Stator khi khởi động để đảm bảo đã giảm đến -7-
mức an toàn khi vào đồng bộ (Is  2Iđm). 2.4.2. Các thông s ả ở đến chế độ làm việc 2.4.2.1. Đặt vấn đề Sau khi khởi động xong, động cơ sẽ đi vào chế độ làm việc, động cơ có thể chịu sự ảnh hưởng của nhiễu như: Sự thay đổi đột ngột của tải trên trục động cơ, sự thay đổi của điện áp cấp cho stator…Các nguyên nhân trên có thể gây ra hiện tượng mất đồng bộ (Cực từ của rotor bị trượt khỏi cực từ của stator), hoặc sự thay đổi của giá trị nguồn kích từ cũng có thể làm thay đổi chế độ vận hành của động cơ. Một trong những thông số để đánh giá chế độ làm việc của động cơ đó là góc tải  và lệch pha giữa dòng điện với điện áp . Các vấn đề ảnh hưởng sẽ được trình bày tại các mục dưới đây. 2.4.2.2. Mối quan hệ giữa nguồn kích từ, góc tải và hệ số công suất đối với công suất của động cơ 2.4.2.3. Sự ảnh hưởng của tải đối với dòng điện phần ứng, góc tải và hệ số công suất của động cơ 2.4.2.4. Sự ảnh hưởng của nguồn kích từ đối với chế độ làm việc của động cơ 2.4.2.5. Sự ảnh hưởng của điện áp nguồn đối với chế độ làm việc của động cơ 2.4.2.6. Kết luận về vai trò của việc điều khiển hệ số công suất cos trong hệ thống điều khiển kích từ động cơ đồng bộ công suất lớn Trong mục 2.4.2, Các biểu thức và các đồ thị véc tơ đã được dẫn và vẽ ra để chứng minh: Khi góc tải thay đổi, động cơ có nguy cơ mất đồng bộ. Tuy nhiên góc tải  thay đổi thì cos cũng thay đổi tỉ lệ thuận theo. Do đó thay cho việc ổn định góc tải để ổn định chế độ làm việc cho động cơ khi có sự tăng đột ngột của tải hoặc sự sụt áp lưới, ta có thể thực hiện việc ổn định cos. Việc đo và điều khiển cos là đơn giản hơn rất nhiều so với phương pháp đo góc tải . Kết lu ơ Chương này, nghiên cứu sinh dẫn ra các phương trình toán động cơ đồng bộ trên hệ tọa độ tựa vào từ thông rotor (hệ tọa độ dq) và vẽ ra đồ thị véc tơ sẽ làm cơ sở để nghiên cứu quá trình khởi động và làm việc của động cơ. Với những tài liệu tham khảo được, nội dung chương này, NCS chỉ ra 2 vấn đề: + Ở chế độ khởi động: Thực hiện bắt đồng bộ khi tốc độ gần đạt đồng bộ, từ trường cảm ứng trong rotor đạt cực đại. + Ở chế độ làm việc: Việc đo và ổn định góc tải  sẽ ổn định được chế độ làm việc của động cơ khi có nhiễu phụ tải hoặc điện áp nguồn. Tuy nhiên việc đo góc  là khá phức tạp. Qua các biểu thức toán học và đồ thị véc tơ, NCS đã thấy rằng, khi có nhiễu xảy ra góc  thay đổi và hệ số công suất cos cũng thay đổi tuyến tính theo. Do đó có thể đo và ổn định hệ số công suất cos ở một giá trị phù hợp có thể gián tiếp ổn định được chế độ làm việc cho động cơ. Một số nghiên cứu đã thực hiện phương pháp này, nhưng bộ điều khiển chủ yếu được thiết kế bằng kinh nghiệm của chuyên gia, mà chưa có thuật toán tối ưu. Từ các phân tích ở chương 2, NCS đã có cơ sở để định hướng cho giải pháp thực hiện ở chương 3 nhằm nâng cao chất lượng bộ điều khiển kích từ cho động cơ đồng bộ kích từ công suất lớn. -8-
C ơ Giải pháp nâng cao chất ng quá trình khở động và làm việc c độ ơ đồng bộ công suất lớn 3.1. Giải pháp nâng cao chất “bắt” đồng bộ khi khở động 3.1.1. Xây d ng giải pháp Căn cứu vào việc phân tích và kết luận tại mục 2.4.1 của chương 2. Trong nghiên cứu này, nghiên cứu sinh đã sử dụng giải pháp gián tiếp xác định thời điểm đạt cực đại của từ trường cảm ứng trong rotor để xác định chính xác thời điểm “bắt” đồng bộ, bằng việc đo lường nhiều tham số: - Tốc độ động cơ (n), - Dòng điện cảm ứng trong rotor (ifD), - Dòng điện stator (is). Với điều kiện cụ thể để “bắt” đồng bộ như sau: - Điều kiện 1: Đo tốc độ (n) đảm bảo đạt từ 95% tốc độ đồng bộ, thì xác định tiếp điều kiện 2, - Điều kiện 2: Xác định thời điểm từ trường cảm ứng trong rotor đạt cực đại, tương ứng với thời điểm dòng điện cảm ứng trong rotor đi qua điểm 0 theo chiều âm sang dương. Khi điều kiện 2 thỏa mãn thì xác định tiếp điều kiện 3. - Điều kiện 3: Dòng điện stator giảm đến mức cho phép để vào đồng bộ an toàn (Is < 2.Iđm). Với giải pháp đề xuất, nghiên cứu sinh đưa ra 2 phương án để thực hiện.  Thực hiện giải pháp “bắt” đồng bộ bằng mạch điện tử,  Thực hiện giải pháp “bắt” đồng bộ bằng logic mờ 3.1.2. Th c hiện giải pháp 3.1.2.1. Thực hiện giải pháp “bắt” đồng bộ bằng mạch điện tử Sơ đồ khối khởi động động cơ đồng bộ được trình bày như hình 3.1. Nguån kÝch tõ 380Vac M¸y biÕn Bé chØnh l-u ¸p kÝch tõ cÇu Thyristor M¸y c¾t Modul Q1 dËp tõ (T7, D7, KM3) u®b A §ång bé L-íi trung §éng c¬ U®k hãa vµ thÕ 6KVac B ®ång bé Rdt t¹o xung C Uc® §iÒu khiÓn Is dËp tõ chuÈn hãa TÝn hiÖu ifD tÝn hiÖu Modul dßng ®iÖn B¾t §B TÝn hiÖu tèc ®é n TÝn hiÖu Is Bé ®iÒu khiÓn trung t©m Hình 3.1. Sơ đồ khối “bắt” đồng bộ được thiết kế bằng mạch điện tử -9-
Modul bắt đồng bộ được nghiên cứu sinh thiết kế dựa trên các mạch điện tử và vi xử lý nhằm mục đích xác định thời điểm chính xác để “bắt” đồng bộ (hình 3.4). Trong đó gồm các khối: 1) Khối nguồn, 2) Khối đầu vào HSC để đọc tốc độ động cơ, 3) Khối đầu vào số DI, 4) Khối xác định các thời điểm chuyển trạng thái âm, dương của dòng điện xoay chiều cảm ứng trong cuộn rotor nhằm xác định thời điểm từ trường cảm ứng đạt cực đại, 5) Khối đầu ra số DO, 6) Khối hiển thị và cài đặt các tham số khởi động, 7) Khối vi điều khiển, 8) Khối đầu ra tương tự để báo tốc độ của động cơ. Tín hiệu 0 – 10V tương ứng với tốc độ 0 – nđb. Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý (SCH) của modul “bắt” đồng bộ - 10 -
Việc xác định các nửa chu kỳ dương và âm của dòng cảm ứng trong cuộn dây rotor khi tốc độ gần đạt đồng bộ được thực hiện bằng khối linh kiện điện tử bao gồm các IC khuếch đại thuật toán để tạo các xung điện ở đầu ra CT2 và CT1. ifD t1 t2 t3 t4 t UCT2 Hình 3.5. sơ đồ nguyên lý và giản đồ tạo xung trên đầu ra CT2 và t1 t2 t3 t4 t CT1 để gián tiếp xác định thời UCT1 điểm từ trường cảm ứng đạt cực đại. t1 t2 t3 t4 t Thông qua xung CT2, ta sẽ xác định được thời điểm dòng từ trường đi qua điểm 0 theo chiều dương (hình 3.5), từ đó gián tiếp xác định được thời điểm từ trường đạt cực đại. Thuật toán “bắt” đồng bộ được thiết kế dựa trên các điều kiện đã được trình bày tại mục 3.1.1 của chương 3. Mạch điện tử như hình 3.9. Hình 3.9. Sơ đồ mạch in (PCB) và hình ảnh 3D của modul “bắt” đồng bộ - 11 -
(1) Tốc độ đạt giá trị cài đặt để cho phép (1) Tín hiệu báo dòng điện stator đã giảm kiểm tra các điều kiện tiếp theo đến mức cho phép để “bắt” đồng bộ (2) Xung báo thời điểm dòng điện ifD = 0 (2) Tín hiệu báo đã cắt điện trở dập từ để và đạo hàm dương “bẫy” từ trường cực đại “bắt” đồng bộ (3) Báo từ trường cảm ứng đạt cực đại Hình 3.10. Kết quả mô phỏng khi đã đủ Hình 3.9. Kết quả mô phỏng khi tốc độ các điều kiện để “bắt” đồng bộ gần đạt đồng bộ, cho phép xác định thời điểm từ trường cảm ứng rotor đạt cực đại Từ phương án đề xuất, nghiên cứu sinh đã thiết kế mạch, lập trình và mô phỏng. Sau khi mô phỏng cho thấy:  Bằng việc sử dụng các linh kiện điện tử bán dẫn phi tiếp điểm và vi xử lý có tốc độ cao nên thời gian đo rất nhanh, giảm độ trễ so với các phương pháp dùng các công tắc cảm ứng từ hoặc đo tần số dòng điện rotor.  các tín hiệu xoay chiều của dòng điện cảm ứng trong rotor được chuẩn hóa thành các xung điện. Sườn lên của xung báo các thời điểm dòng điện chuyển từ âm sang dương qua điểm 0 tương ứng với từ trường cảm ứng trong rotor đạt cực đại, đồng thời cũng báo xem Thyristor dập từ đã mở để đưa điện trở dập từ vào hay chưa? Trong quá trình khởi động, nếu không xuất hiện những xung này, có nghĩa là mạch dập từ bị lỗi, cần phải dừng hệ thống và nối tắt điện trở dập từ bằng một contactor Bypass (KM3) nhằm giải phóng sức điện động tự cảm có giá trị lớn trong cuộn dây rotor.  Thông qua các tín hiệu giả để mô phỏng, kết quả mô phỏng hoàn toàn đúng theo thuật toán đã được thiết kế. Việc kiểm chứng giải pháp đề xuất sẽ được nghiên cứu sinh tiếp tục thực hiện trên mô hình thực nghiệm với động cơ đồng bộ 500kW tại chương 4 và đã được nghiên cứu sinh công bố trong công trình [CT4]. 3.1.2.2. Thực hiện giải pháp “bắt” đồng bộ bằng logic mờ a. Thiết kế thu t toán Ngoài phương án sử dụng mạch điện tử và vi điều khiển để thực hiện giải pháp “bắt” đồng bộ, nghiên cứu sinh đề xuất thêm phương án sử dụng lý thuyết logic mờ được áp dụng cho mạch kích từ sao cho chọn đúng thời điểm đưa nguồn kích từ vào cuộn rotor theo đúng cực để tăng khả năng bẫy từ thông tại thời điểm nó đạt cực đại. Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống kích từ được thể hiện như trong hình 3.11. - 12 -
Hình 3.11. Sơ đồ cấu trúc sử dụng logic mờ “bắt” đồng bộ khi khởi động động cơ đồng bộ Lý thuyết logic mờ được áp dụng để tối ưu hóa quá trình khởi động và được xây dựng theo cấu trúc MISO với 3 tín hiệu đầu vào: Tốc độ rotor [(n)], Dòng điện rotor [If (pu)]; Đạo hàm của dòng rotor [DIf (pu)]; Tín hiệu đầu ra xác định thời điểm mà nguồn kích thích DC được đưa vào cho cuộn dây rotor. Tín hiệu này sẽ gửi đến bộ điều khiển trung tâm để cấp nguồn DC cho cuộn dây rotor. Các hàm liên thuộc vào/ra lựa chọn dạng tam giác. Luật được triển khai theo MAX-MIN. Giải mờ theo phương pháp độ cao, đầu ra của khối logic mờ có cho qua một khâu so sánh để đảm bảo tín hiệu đầu ra của giải mờ lớn hơn 0.9 (Trong hệ pu) mới cho phép mạch chốt làm việc để ra lệnh cấp kích từ. Luật hợp thành Madani của bộ điều khiển mờ được xây dựng dựa trên điều kiện khi tốc độ đạt giá trị lớn và dòng điện cảm ứng có giá trị nhỏ, đồng thời đạo hàm của nó có giá trị dương. Việc xây dựng 3 đầu vào như trên được giải thích như sau: Tốc độ rotor (n) là điều kiện cần để “bắt” đồng bộ. Tốc độ rotor phải đảm bảo lớn hơn 95% tốc độ đồng bộ mới cho phép dò góc pha của dòng rotor. Khi góc pha dòng qua điểm 0 theo chiều dương (Đạo hàm dương) cũng là lúc từ thông đạt cực đại là điều kiện cần thiết để đưa kích từ vào vào rotor. b. Mô phỏng thu t t “bắt” đồng bộ trên matlab simulink dùng logic mờ Sơ đồ mô phỏng trên phần mềm Matlab simulink được trình bày như hình 3.16. - 13 -
Mechanical load In1 -0.5 Out1 In2 Subsystem Source Three-Phase Breaker m Pm Vf source A A a aA A 1 N B B b bB B Vf (pu) [S] Q Vf_ C C c cC C Synchronous Machine -K- R !Q C A B pu Fundamental R_Discharger Latch 5 kW Apply f ield v oltage Scope In1 Out1 du/dt Fuzzy Logic Controller Derivative Hình 3.16. Sơ đồ mô phỏng “bắt” đồng bộ chế độ khởi động động cơ đồng bộ cực lồi công sất lớn trên Matlab Simulink c. Kết quả mô phỏ “bắt” đồng bộ bằng logic mờ Continuous pow ergui Thờ đ ểm vào Thờ đ ểm vào đồng bộ đồng bộ Hình 3.29. Khởi động không dùng Hình 3.30. Ứng dụng logic mờ để xác logic mờ, thời điểm đóng kích từ là định thời điểm “bắt” đồng bộ, với 95% tốc độ động bộ với 100% tải 100% tải Việc mô phỏng dùng lý thuyết logic mờ được so sánh với phương pháp đo tốc độ (hình 3.29 và 3.30). Kết quả cho thấy, thời điểm đóng nguồn kích từ vào rotor là chậm hơn so với trường hợp không sử dụng thuật toán điều khiển mờ (do độ trễ của thuật toán). Tuy nhiên nguồn kích từ không bị ngược pha so với sức điện động cảm - 14 -
ứng của rotor, do đó không gây ra hiện tượng xung đột, dòng phía stator không bị dao động, mô men điện từ của động cơ cũng ít bị dao động hơn. Như vậy, việc đề xuất việc ứng dụng logic mờ với ý tưởng tăng số lượng thông tin đầu vào để xác định gián tiếp thời điểm từ trường cực đại, qua việc đo dòng cảm ứng trong rotor và đạo hàm của nó và đo khi tốc độ của rotor gần đạt giá trị đồng bộ, để B¾t ®Çu lựa chọn thời điểm “bắt” đồng bộ đã cho thấy: Quá trình khởi động được thực hiện một cách trơn tru hơn, không xảy ra sự xung đột về dòng điện và mô men kể cả khi động cơ mang tải để Khëi t¹o - KÝch th-íc quÇn thÓ khởi động. Phương pháp ứng dụng logic mờ để - Träng sè qu¸n tÝnh xác định thời điểm “bắt” đồng bộ đã được - HÖ sè gia tèc - Sè lÇn lÆp nghiên cứu sinh nghiên cứu và báo cáo kết quả tại hội thảo quốc tế có chỉ số Scopus [CT3]. 3.2. Giải pháp nâng cao chất ng hệ đ u Khëi t¹o c¸c c¸ thÓ khiển kích từ ở chế độ làm việc víi vÞ trÝ vµ vËn tèc 3.2.1. Cấu trúc hệ th đ u khiển ngÉu nhiªn kích từ độ ơ đồng bộ Hình 3.30 trình bày về cấu trúc điều khiển kích từ động cơ đồng bộ để ổn định hệ số TÝnh hµm thÝch nghi công suất ở chế độ làm việc. a b L-íi trung C¸c t¶i c kh¸c TÝnh Pbest vµ Gbest thÕ 6kV V CËp nhËt vÞ trÝ, vËn tèc, Pbest vµ Gbest A cña c¸c c¸ thÓ Cos §éng c¬ ®ång bé Kh«ng KiÓm tra tháa Cos®Æt m·n ®iÒu kiÖn dõng? Bé ®iÒu khiÓn Cã ChØnh l-u Nguån chØnh l-u Thyristor KÕt thóc Hình 3.31. Sơ đồ khối điều khiển kích từ cho động cơ đồng bộ Hình 3.34. Lưu đồ thực hiện tối ưu theo PSO 3.2.2. Ứng d ng thu t toán t u bầy đ (P rt e Sw r O t z t - PSO) để thiết kế bộ đ u khiển cho hệ th ng kích từ. 3.2.2.1. Giới thiệu thuật toán tối ưu bầy đàn PSO Mặc dù Ziegler-Nichols là phương pháp thực nghiệm được sử dụng khá nhiều khi - 15 -
mà người thiết kế khó xác định mô hình đối tượng, đặc biệt là trong lĩnh vực điều khiển động cơ điện. Tuy nhiên đối với một số hệ thống việc hiệu chỉnh bộ điều khiển PID bằng phương pháp này đòi hỏi một quá trình thực nghiệm khá mất thời gian do ảnh hưởng của nhiễu và sai số của các thiết bị lên tín hiệu đo dẫn đến việc hiệu chỉnh thông số của bộ điều khiển PID khó đạt được giá trị như mong muốn. Một cách khác để chỉnh định các hệ số KP, KI và KD của bộ điều khiển đó là sử dụng các thuật toán tối ưu. Một thuật toán tối ưu khá hiệu quả mà các nhà nghiên cứu thường sử dụng đó là PSO. Trong Toolbox của Matlab, hàm particleswarm() đã được hỗ trợ cho tối ưu theo thuật toán PSO. Trong nghiên cứu này nghiên cứu sinh sử dụng hàm particleswarm() và thực hiện theo thuật toán trên hình 3.34. Trong nghiên cứu này, nghiên cứu sinh sẽ ứng dụng thuật toán PSO để thiết kế bộ điều khiển PID và bộ điều khiển lai FID – FLC trong hệ thống chỉnh lưu điều khiển kích từ của động cơ đồng bộ. 3.2.2.2. Ứng dụng thuật toán tối ưu PSO để thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống kích từ Bộ điều khiển PID với sơ đồ cấu trúc trong hệ điều khiển kích từ được xác định như trong hình 3.35. a b L-íi trung C¸c t¶i c kh¸c thÕ 6kV PSO KP; KI; KD; KN V A Cos® e u®k Cos Bé ®iÒu khiÓn PID §èi t-îng (-) Cos §éng c¬ ®ång bé Cos®Æt Bé ®iÒu khiÓn ChØnh l-u Nguån chØnh l-u Thyristor Hình 3.35. Sơ đồ thiết kế bộ điều khiển PID bằng thuật toán tối ưu PSO Hàm truyền của bộ điều khiển PID được viết như 3.11. 1 KN WPID  Kp  KI  KD (3.11) s 1 1 KN s Trong đó:  Kp; Ki; Kd: Lần lượt là các hệ số khuếch đại, tích phân và vi phân,  KN: Hệ số lọc của bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID cho hệ thống kích từ động cơ đồng bộ, ban đầu được thiết kế theo phương pháp Ziegler-Nichols. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển kích từ sử dụng bộ điều khiển PID, trên phần mềm Matlab – Simulink được trình bày như hình 3.36. - 16 -
Hình 3.35. Sơ đồ mô phỏng trên Matlab – Simulink khi sử dụng bộ điều khiển PID Tiếp sau đó, sử dụng thuật toán điều khiển tối ưu bầy đàn PSO để tối ưu tham số bộ điều khiển với những cá thể là các tham số Kp; Ki; Kd; KN của bộ điều khiển PID. Miền giá trị khởi tạo để cho thuật toán PSO thực hiện, được lấy quanh giá trị tham số đã tìm được bằng phương pháp Ziegler-Nichols ở trên. Hàm mục tiêu được lựa chọn theo tiêu chuẩn tổng trị tuyệt đối của sai lệch điều khiển có giá trị nhỏ nhất như biểu thức 3.12. n IAE   e(k)  min k 1 (3.12) Trong đó: ( ) là mẫu dữ liệu sai lệch tại chu kỳ mô phỏng thứ , là tổng số lần lặp của một lần chạy thuật toán. 3.2.2.3. Ứng dụng thuật toán tối ưu PSO để thiết kế bộ điều khiển lai PID và FLC – Sugeno cho hệ thống điều khiển kích từ Trong nghiên cứu này, nghiên cứu sinh kế thừa khả năng điều khiển mạnh mẽ, thực tế của bộ điều khiển PID, đồng thời tận dụng tính tư duy logic thông minh của bộ điều khiển mờ để kết hợp lại tạo thành một bộ điều khiển lai PID – FLC Sugeno, sau đó áp dụng thuật toán tối ưu PSO để tối ưu bộ điều khiển nhằm điều khiển dòng kích từ bám giá trị hệ số công suất đặt cho động cơ đồng bộ công suất lớn. Một cấu trúc mờ lai dạng cascade được biểu diễn trong hình 3.36 để áp dụng cho hệ thống điều khiển kích từ, ở đó phần bù tín hiệu điều chỉnh u cho bộ điều khiển PID được lấy từ đầu ra của bộ điều khiển mờ. Bộ điều khiển mờ nhằm mục tiêu đưa ra giá trị u để bù cho tín hiệu điều khiển u của bộ điều khiển PID, dựa vào sai lệch và đạo hàm của sai lệch theo thời gian. Trong bộ điều khiển lai PID – FLC Sugeno, các tham số của PID được có được từ việc tối ưu bằng PSO tại mục 3.2.2.2. Bộ điều khiển FLC - Sugeno được thiết kế gồm 2 biến đầu vào là sai lệch “e”, và đạo hàm sai lệch “ce” biến điều khiển đầu ra là u. Miền biến thiên của các đầu vào/ra này đều được xác định trong miền chuẩn đối xứng là [-1, 1]. Khi “lắp” bộ điều khiển vào hệ thống, miền biến thiên thực sẽ được hiệu chỉnh về miền chuẩn đối xứng bằng các hệ số Ke, Kce và Ku. - 17 -
a b a, b, c1; c2; Ke; Kce; Ku L-íi trung C¸c t¶i PSO c kh¸c thÕ 6kV ce de/dt Bé ®iÒu khiÓn mê V e A (+) u Cos® u®k Cos Bé ®iÒu khiÓn PID §èi t-îng (-) Cos §éng c¬ ®ång bé Cos®Æt Bé ®iÒu khiÓn ChØnh l-u Nguån chØnh l-u Thyristor Hình 3.36. Sơ đồ tối ưu bộ điều khiển FLC Các tập mờ được lựa chọn thiết kế với tên được ký hiệu và diễn giải như bảng 3.3. Bảng 3.3. Ký hiệu nhãn ngôn ngữ cho các tập mờ NB N NS ZE PS P PB Negative Negative Negative Zero Positive Positive Positive Big Small Small Big Để điều chỉnh hình dạng tập mờ hướng tới tối ưu cho bộ điều khiển, trong nghiên cứu này, một số ràng buộc được đưa vào để hạn chế số biến cần tối ưu như sau:  Giả thiết các tập mờ được phân hoạch là đối xứng trên miền [-1, 1]. Điều đó có nghĩa là tập mờ ZE có dạng tam giác cân.  Tập mờ của hàm thuộc NB là đối xứng với tập mờ PB qua giá trị 0. Tương tự ta có các cập tập mờ đối xứng qua điểm 0 khác là (N, P), (NS, PS). Để xây dựng nên các tập mờ có tính đối xứng, ta chỉ cần điều chỉnh giá trị các điểm a (đối với biến e), b (đối với biến ce) và c1, c2 (đối với biến u) như trên hình 3.37. Với miền tìm kiếm cho các biến được xác định trong khoảng: a, b[0.25, 0.75]; c1[0.25, 0.45]; c2[0.45, 0.75]. và chúng được biểu diễn bằng các đường đậm như các hình dưới đây. a) Các hàm liên thuộc đầu biến vào"e" b) Các hàm liên thuộc biến đầu vào "ce" - 18 -