1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN THẾ ANH

ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỘNG CƠ KHÔNG
ĐỒNG BỘ 3 PHA ROTOR LỒNG SÓC C
C
h
h
u
u
y
y
ê
ê
n
nn
n
g
g
à

a

:
:

60.52.60

T
T
Ó


T
T
H
H
Ạ
Ạ
C
CS
S
Ĩ
ĨK
K
Ỹ
ỸT
T
H
H
U
U
Ậ


1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Trước ñây, các hệ truyền ñộng ñiện thường sử dụng ñộng cơ
ñiện một chiều. Những năm gần ñây, ñộng cơ một chiều ñược thay
thế dần bởi ñộng cơ không ñồng bộ (ĐCKĐB) ba pha vì những ưu
ñiểm nổi bật của nó như: hiệu suất cao, kết cấu ñơn giản, gọn nhẹ,
giá thành chế tạo và chi phí vận hành thấp, làm việc tin cậy, sử dụng
tốt trong môi trường công nghiệp. Bên cạnh những ưu ñiểm trên, nó
có nhược ñiểm là phức tạp trong ñiều khiển do ñặc tính phi tuyến
mạnh. Như vậy, việc ñiều khiển ñộng ĐCKĐB ba pha là một chiến
lược hết sức cần thiết và quan trọng hiện nay.
Trong hệ thống truyền ñộng ñiện, chất lượng ñiều khiển của
hệ thống vẫn còn bị ảnh hưởng bởi sự thay ñổi biến tham số ñộng cơ
như moment quán tính J, ñiện trở rotor R
r
. Để giải quyết vấn ñề này
trên ta sử dụng bộ ñiều khiển mờ ñể ñiều khiển tốc ñộ ĐCKĐB ba
pha nhằm nâng cao chất lượng ñiều khiển.
2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
+ Nghiên cứu mô hình của ĐCKĐB ba pha rotor lồng sóc.
+ Nghiên cứu nguyên lý, cấu trúc của hệ thống ñiều khiển vô
hướng ĐCKĐB ba pha rotor lồng sóc.
+ Nghiên cứu lý thuyết ñiều khiển mờ và ứng dụng bộ ñiều
khi
ển mờ vào hệ thống ñiều khiển ĐCKĐB ba pha rotor lồng sóc.
+ Tìm hiểu phần mềm Matlab và ứng dụng ñể mô phỏng.
4

3. ĐẶT TÊN ĐỀ TÀI
Căn cứ vào mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu ở trên, người

một lần nữa ñược cân chỉnh ñể hoàn thiện hơn.
6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
a. Ý nghĩa khoa học
+ Sử dụng phương pháp ñiều khiển vô hướng.
+ Ứng dụng lý thuyết ñiều khiển mờ.
b. Giá trị thực tiễn
Góp phần xây dựng vào các giải pháp nhằm nâng cao hiệu
suất sử dụng của các thiết bị ñiện, tạo thêm một hướng mới trong kỹ
thuật ñiều khiển ĐCKĐB mà hiện nay trong lĩnh vực công nghiệp rất
quan tâm.
7. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN
Nội dung chính của ñề tài bao gồm như sau: Ngoài phần mở
ñầu và kết luận, luận văn gồm 3 chương:
CHƯƠNG 1: MÔ TẢ TOÁN HỌC VÀ MÔ HÌNH ĐỘNG
CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTOR LỒNG SÓC.
CHƯƠNG 2: HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN VÔ
HƯỚNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTOR LỒNG
SÓC.
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRONG
H
Ệ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÔ HƯỚNG ĐỘNG CƠ KHÔNG
ĐỒNG BỘ BA PHA ROTOR LỒNG SÓC.
6

CHƯƠNG 1: MÔ TẢ TOÁN HỌC VÀ MÔ HÌNH ĐỘNG
CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTOR LỒNG SÓC

1.1. XÁC ĐỊNH VECTOR KHÔNG GIAN
1.1.1. Biểu diễn vector không gian cho các ñại lượng ba pha
1.1.2. Hệ tọa ñộ cố ñịnh stator

Hình 1.24. Tốc ñộ Rotor

8

CHƯƠNG 2: HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN VÔ
HƯỚNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
ROTOR LỒNG SÓC

2.1. BIẾN TẦN TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐCKĐB BA
PHA
2.1.1. Giới thiệu chung
2.1.2.
Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều)

2.1.3. Biến tần gián tiếp
2.1.3.1. Biến tần gián tiếp dùng chỉnh lưu ñiều khiển
 Mô phỏng ñiều khiển nghịch lưu nuôi ĐCKĐB ba pha theo
nguyên tắc thông thường:

Hình 2.5. Sơ ñồ khối mô phỏng ñiều khiển nghịch lưu nuôi
ĐCKĐB ba pha theo nguyên tắc thông thường 9

• Kết quả mô phỏng:
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
-400
-300
-200

0
100
200
300
400
Time(s)
Amplitude(V)

Hình 2.13
.
Điện áp pha U
a

2.1.3.4. Biến tần ñiều khiển vector
2.2. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÔ HƯỚNG ĐCKĐB BA PHA
2.2.1. Phương pháp ñiều khiển vô hướng
Trị số hiệu dụng sức ñiện ñộng stator là:
E
s
= ω
s
Φ
m
K
w
N
1
/ 2 = 4.44K
w
f

s
/f
s
là hằng số. Đây là nội dung cơ bản
c
ủa luật ñiều khiển ñiện áp - tần số không ñổi.
11

Đặc tính tuyến tính ñiện áp - tần số ñược thực hiện bằng kỹ
thuật ñiều khiển ñiện áp - tần số trong các bộ biến tần. Tuy nhiên ở
vùng tần số thấp, sụt áp trên trở kháng từ lớn nên từ thông khe hở sẽ
giảm, khả năng sinh moment của ñộng cơ sẽ giảm.
Vì vậy trong áp dụng thực tế, tỉ lệ ñiện áp - tần số thường
ñược tăng lên ở vùng tần số thấp ñể bù lại sụt áp trên ñiện trở stator.
Trên hình (2.14) là các ñặc tính ñiện áp - tần số. Dạng ñặc tính tuyến
tính là dạng mang tính lý thuyết, hai ñặc tính khác là ñặc tính sử
dụng trong thực tế. Với dạng ñặc tính phi tuyến, ñiện áp tỉ lệ tần số ở
vùng tần số cao, khi tần số giảm nhỏ, ñiện áp ñược tăng trơn ñều
tương ñối so với lý thuyết. Ở ñặc tính thứ ba, ñiện áp stator ñược
cộng thêm thành phần U
o
ở tần số bằng 0. Trị số U
o
và K ñược chọn
ñể ñiện áp stator có trị số cần thiết ở tần số bằng 0 và trị số ñịnh mức
ở tần số ñịnh mức.
U
s
= U
o

s

ω
r
ω
sl

ω
r

U
DC

2.2.2. Sơ ñồ cấu trúc hệ thống ñiều khiển
Hình 2.17. Sơ ñồ cấu trúc ñiều khiển vô hướng ĐCKĐB ba pha
• Sơ ñồ khối mô phỏng:

Hình 2.18. S
ơ ñồ khối mô phỏng hệ thống ñiều khiển vô hướng
ĐCKĐB ba pha


150
200
Time (s)
Rotor Speed (Rad/s)Toc do dat
Toc do Rotor

Hình 2.22
.
Tốc ñộ Rotor

Với giá trị tốc ñộ ñặt ω
rñthay ñổi:

 ω
rñ
>

ω
ñm
: Chọn ω
rñ
= 162 (Rad/s)
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
60

Udm
Us

Hình 2.25
. Giá trị
ñiện áp U
s
- Nhận xét: Từ kết quả mô phỏng, ta thấy U
s
= U
ñm
= 380.
 ω
rñ
<

ω
ñm
: Chọn ω
rñ
= 142 (Rad/s)
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
40
60
80
100
120
140
160
Time (s)

. Giá trị
ñiện áp U
s
và tần số f
s

- Nhận xét: Từ kết quả mô phỏng, ta có tỉ số U
s
/f
s
= const
const
f
U
f
U
ñm
ñm
s
s
===== 6.7
50
380
5.47
361

 Với giá trị tốc ñộ ñặt ω
rñ
làm việc, các tham số của ñộng cơ sẽ thay ñổi như ñiện trở Rotor R
r

hoặc moment quán tính J sẽ ảnh hưởng ñến chất lượng ñiều khiển. Ví
dụ ta mô phỏng hệ thống với ω
rñ
= ω
ñm
và các thông số J thay ñổi.
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
-50
0
50
100
150
200
Rotor Speed (Rad/s)
Time (s)Toc do dat
Toc do Rotor

Hình 2.29
.
Tốc ñộ Rotor (J =0.004)
- Nhận xét: Ta thu ñược kết quả không tốt như mong muốn.
Như vậy khi moment quán tính J thay ñổi thì các thông số của hệ
thống cũng thay ñổi dẫn ñến ñáp ứng ñầu ra thay ñổi. Nên ta phải
dùng một bộ ñiều khiển có thể chỉnh ñịnh lại các thông số hệ thống


e

HsK
P
HsK
I
y

3.3. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÔ HƯỚNG ĐCKĐB BA PHA
ROTOR LỒNG SÓC DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ
3.3.1. Đặt vấn ñề
Trong hệ thống truyền ñộng ĐCKĐB ba pha, chất lượng
ñiều khiển của hệ thống bị ảnh hưởng bởi sự thay ñổi biến tham số
ñộng cơ như moment quán tính J trong quá trình ñộng cơ làm việc,
dẫn ñến ñáp ứng ñầu ra thay ñổi mà mà bộ ñiều khiển PI chỉ ñược
tính toán cho một chế ñộ làm việc cụ thể của hệ thống, do vậy trong
quá trình vận hành luôn phải chỉnh ñịnh các hệ số này cho phù hợp
với thực tế ñể phát huy tốt hiệu quả của bộ ñiều khiển. Dựa theo
nguyên lý chỉnh ñịnh ñó, ta thiết kế bộ ñiều khiển mờ ở vòng ngoài
ñể chỉnh ñịnh tham số bộ PI ở vòng trong ứng với sự thay ñổi của
moment quán tính J ñể thu ñược kết quả mong muốn.
3.3.2. Cơ sở thiết kế bộ ñiều khiển mờ


I
của bộ
ñiều khiển PI sẽ ñược tự ñộng chỉnh ñịnh theo phương pháp chỉnh
ñịnh mờ. Như vậy bộ chỉnh ñịnh mờ sẽ có hai ñầu vào là e(t), ñạo
hàm của sai lệch de/dt và hai ñầu ra là HsK
P
, và HsK
I
, do ñó có thể
xem nó gồm hai bộ chỉnh ñịnh mờ, mỗi bộ gồm có hai ñầu vào và
một ñầu ra.
3.3.3. Thiết kế bộ ñiều khiển mờ
• Áp dụng mô hình mờ Mamdani
• Xác ñịnh các ñầu vào ra:
+ Mỗi bộ có 2 ñầu vào gồm: Sai lệch e, ñạo hàm sai lệch
de/dt.
+ Mỗi bộ có 1 ñầu ra: Đầu ra bộ 1 là hệ số chỉnh ñịnh của
K
P
. Đầu ra bộ 2 là hệ số chỉnh ñịnh của K
I
.

• Xác ñịnh biến ngôn ngữ:
Nguyên lý chung là số lượng các giá trị ngôn ngữ cho
mỗi biến nên nằm trong khoảng từ 3 ñến 10 giá trị. Nếu số lượng ít
hơn 3 thì quá thô và ít có ý nghĩa vì không thực hiện ñược việc lấy vi
phân. Nếu lớn hơn 10 thì quá mịn con người khó có khả năng cảm
nhận quá chi ly, bao quát hết các trường hợp xảy ra và ảnh hưởng
ñến bộ nhớ, tốc ñộ tính toán. Với yêu cầu của ñiều khiển ổn ñịnh tốc

21 Hình 3.11. Biến ngôn ngữ của HsK
PHình 3.12. Biến ngôn ngữ của HsK
I
• Luật ñiều khiển:
Dựa vào bản chất vật lý, các số liệu vào ra có ñược, kinh
nghiệm ñiều khiển, và dựa vào ñặc tính quá ñộ thường gặp của hệ
thống ñiều khiển dùng PI , ta xác ñịnh các luật ñiều khiển tương ứng.
Khi bắt ñầu khởi ñộng, lúc này cần tín hiệu ñiều khiển lớn ñể tín hiệu
ra tăng nhanh, suy ra K
P
lớn và K
I
lớn , ta có luật: Nếu e(t) lớn và
de/dt là Zero thì K
P
lớn K
I
lớn. Khi sai lệch tiến về Zero, ta muốn tín
hiệu ñiều khiển nhỏ ñể không quá ñiều chỉnh, nghĩa là K
P
nhỏ, K
I

nhỏ, ta có luật: Nếu e(t) là Zero và dω/dt lớn thì K

Z Z S L L U U
NM
Z S S L L L U
NS
Z S S S L L U
ZE
Z Z S L L U U
PS
U L L S S S S
PM
U L L L S S Z
PB
U U L L S Z Z

• Luật hợp thành mờ Sum – Prod.
• Giải mờ theo phương pháp trọng tâm. 23 3.3.4. Sơ ñồ khối ñiều khiển
 Mô phỏng hệ thống ñiều khiển:

Hình 3.14. Sơ ñồ khối mô phỏng hệ thống ñiều khiển ĐCKĐB ba
pha dùng bộ ñiều khiển mờ
• Kết quả mô phỏng:

150
160
170
180
Time (s)
Rotor Speed (Rad/s)n-dat
n-PID
n-Fuzzy

Hình 3.18. Tốc ñộ Rotor với J = 0.005
 Kết luận:
Sử dụng bộ ñiều khiển mờ kết hợp với bộ PI kinh ñiển với
cấu trúc và thông số thích hợp, tốc ñộ ñộng cơ ñược ñiều khiển bám
theo tốc ñộ ñặt rất tốt. Các thông số về chất lượng ñiều chỉnh như sai
lệch tĩnh, ñộ quá ñiều chỉnh, thời gian quá ñộ, số lần dao ñộng của hệ
truyền ñộng ñều tốt hơn rất nhiều so với việc dùng bộ ñiều khiển PI
kinh ñiển. Với kết quả mô phỏng ở trên, nhận thấy rằng với bộ ñiều
khiển mờ như ñã thiết kế thì chất lượng của hệ luôn luôn ñược ñảm
bảo khi tham số moment quán tính J của hệ thay ñổi.
25