Luận án tiến sĩ kỹ thuật điện: Giải pháp cải thiện đặc tính động cơ từ trở - Phí Hoàng Nhã (ĐH Bách Khoa HN)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHÍ HOÀNG NHÃ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CẢI THIỆN ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ Ngành: Kỹ thuật Điện Mã số: 9520201 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Phạm Hùng Phi 2. Đào Quang Thủy Hà Nội - 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được tác giả khác công bố. Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Tập thể hướng dẫn Nghiên cứu sinh Phạm Hùng Phi Đào Quang Thủy Phí Hoàng Nhã i LỜI CẢM ƠN Trong quá trình làm luận án, tôi đã nhận được nhiều góp ý về chuyên môn cũng như sự ủng hộ giúp đỡ của tập thể cán bộ hướng dẫn, của các nhà khoa học, của các bạn đồng nghiệp.

Tôi xin gửi tới họ lời cảm ơn sâu sắc. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến hai thầy hướng dẫn là TS Phạm Hùng Phi và TS Đào Quang Thủy đã trực tiếp bằng tâm huyết hướng dẫn tôi trong suốt thời gian qua. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, tập thể Bộ môn Thiết bị điện- điện tử, Viện Điện, đặc biệt là TS Phùng Anh Tuấn - trưởng bộ môn TBĐ-ĐT luôn động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện đề tài luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các cộng sự, các đồng nghiệp tôi tại Khoa Điện trường Đại học Công nghiệp Hà Nội nơi tôi công tác đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi được yên tâm học tập, nghiên cứu.

Cuối cùng là cảm ơn sự ủng hộ, động viên, khích lệ của gia đình thân yêu tôi để tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập. Nghiên cứu sinh Phí Hoàng Nhã ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT.v DANH MỤC CÁC BẢNG.vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ.viii MỞ ĐẦU. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ. Giới thiệu về động cơ từ trở.

Cấu trúc động cơ. Nguyên lý hoạt động. Ưu điểm, hạn chế của động cơ .2 Phương trình toán học của động cơ .1 Phương trình điện áp .2 Phương trình mô men .3 Phương trình cơ. Các giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở.

Giải pháp thay đổi cấu trúc động cơ. Giải pháp điều khiển động cơ. Kết luận chương 1. PHƯƠNG TRÌNH ĐẶC TÍNH TỪ THÔNG CỦA ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA HỖ CẢM VÀ BÃO HÒA MẠCH TỪ.1 Tổng quan về phương trình đặc tính từ thông .2 Các phương pháp xác định đặc tính từ thông .3 Đánh giá các công trình liên quan về phương trình đặc tính từ thông .2 Phương trình đặc tính từ thông có xét đến ảnh hưởng của hỗ cảm và bão hòa mạch từ .2 Đánh giá ảnh hưởng của hỗ cảm giữa các pha trong động cơ từ trở 24 2.3 Phương trình đặc tính từ thông và mô men động cơ từ trở có xét đến ảnh hưởng của hỗ cảm và bão hòa mạch từ .3 Mô hình thuận của động cơ từ trở .2 Cấu trúc mạng nơ ron của mô hình thuận .3 Thuật toán lan truyền ngược huấn luyện mạng .4 Mô hình nghịch của động cơ từ trở .2 Cấu trúc mạng nơ ron của mô hình dòng điện nghịch .3 Thuật toán lan truyền ngược huấn luyện mạng cho mô hình dòng điện nghịch .4 Mô hình từ thông nghịch đảo.5 Mô phỏng kiểm chứng mô hình thuận và nghịch của động cơ từ trở .1 Kiểm chứng mô hình thuận .2 Kiểm chứng mô hình dòng điện nghịch .3 Kiểm chứng mô hình từ thông nghịch đảo .6 Kết luận chương 2.

ĐIỀU KHIỂN BACKSTEPPING CHO ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ ĐƯỢC PHÁT TRIỂN THEO MÔ HÌNH KẾT HỢP PHI TUYẾN .1 Mô hình động học của động cơ từ trở.2 Mô hình kết hợp phi tuyến của động cơ từ trở .2 Thiết kế bộ điều khiển Backstepping cho động cơ từ trở theo mô hình kết hợp phi tuyến .1 Cơ sở kỹ thuật điều khiển Backstepping .2 Bộ điều khiển Backstepping cho động cơ từ trở.3 Cấu trúc hệ thống điều khiển .3 Kết quả mô phỏng kiểm chứng .1 Trường hợp tốc độ đặt thay đổi .2 Trường hợp tải thay đổi .4 Kết luận chương 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BACKSTEPPING KẾT HỢP BỘ QUAN SÁT TRẠNG THÁI PHI TUYẾN, BỘ ƯỚC LƯỢNG BẰNG MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO .1 Bộ điều khiển Backstepping cho động cơ từ trở kết hợp bộ quan sát trạng thái .2 Bộ quan sát trạng thái phi tuyến .3 Cấu trúc hệ thống điều khiển .4 Kết quả mô phỏng kiểm chứng .2 Bộ điều khiển Backstepping kết hợp bộ ước lượng từ thông bằng mạng nơ ron nhân tạo .2 Bộ ước lượng từ thông bằng mạng nơ ron nhân tạo .3 Cấu trúc hệ thống điều khiển .4 Kết quả mô phỏng kiểm chứng .3 Đánh giá ảnh hưởng sai lệch đặc tính từ thông quan sát và đặc tính từ thông ước lượng đến chất lượng hệ thống điều khiển.2 Trường hợp giảm tải .3 Trường hợp tăng tải .4 Kết luận chương 4. 77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.78 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN.79 TÀI LIỆU THAM KHẢO.86 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu/Viết tắt Ý nghĩa Chữ viết tắt SRM Động cơ từ trở (Switched Reluctance Motor) NCVC Nam châm vĩnh cửu TDF Hàm phân bổ mô men (Torque Distribution Function) RT-LAB Phòng thí nghiệm thời gian thực (Real-Time Laboratory) FPGA Thiết bị lập trình cấu trúc mảng logic (Field Programmable Gate Array) TSF Hàm chia sẻ mô men (Torque Sharing Function) CMAC Bộ điều khiển ghép nối mô hình tiểu não (Cerebellum Model Articulation Controller) ANN Mạng nơ ron nhân tạo (Artificial Neural Network) PID Bộ điều khiển tỷ lệ-tích phân-vi phân PI Bộ điều khiển tỷ lệ-tích phân APC Điều khiển vị trí rotor (Angular Position Control) CCC Điều khiển dòng điện (Current Chopping Control) CVC Điều khiển điện áp (Voltage Chopping Control) PWM Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation) SMC Bộ điều khiển trượt (Sliding Mode Controller) Bộ điều khiển thông minh dựa trên trí tuệ nhân tạo BELBIC (Brain Emotional Learning Based Intelligent Controller) FLC Bộ điều khiển logic mờ (Fuzzy Logic Controller) ANFIS Hệ thống mạng nơ ron thích nghi mờ (Adaptive Neuro Fuzzy Inference System) CSM Phương pháp chia sẻ dòng điện (Current Sharing Method) FSM Phương pháp chia sẻ từ thông (Flux Sharing Method) SMLA Thuật toán học thích nghi trượt (Sliding Method Learning Adaline) DITC Điều khiển mô men trực tiếp (Direct Instaneous Torque Control) FEM Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method) Backstepping-quan Bộ điều khiển Backstepping kết hợp bộ quan sát sát trạng thái Backstepping-nơ Bộ điều khiển Backstepping kết hợp bộ ước lượng từ ron thông bằng mạng nơ ron nhân tạo Ký hiệu ij Dòng điện pha j v ia Dòng điện pha a ib Dòng điện pha b ic Dòng điện pha c T Mô men ’ W Đối năng lượng từ trường Tj Mô men pha j Te Mô men tổng Ta Mô men pha a Tb Mô men pha b Tc Mô men pha c Tl Mô men tải J Mô men quán tính B Hằng số ma sát TM Mô men hỗ cảm Tripple Mô men đập mạch c1 , c2 Hệ số điều khiển Bs Cảm ứng từ bão hòa của lõi thép DC Động cơ một chiều AC Động cơ xoay chiều M Hỗ cảm Ký hiệu chữ La tinh ^ Từ thông xấp xỉ ѱ Từ thông móc vòng ^ Dòng điện xấp xỉ i ^ Mô men xấp xỉ T ^ Vị trí rotor xấp xỉ θ Vị trí rotor ^ Tốc độ xấp xỉ Φ Từ thông ωd Tốc độ đặt αi Tín hiệu điều khiển ảo ω, ωm Tốc độ động cơ βr Góc cực rotor βs Góc cực stator Nr Số cực rotor R Điện trở cuộn dây stator vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Giá trị sai số với dòng 1A .2 Giá trị sai số với dòng 5A .3 Giá trị sai số với dòng 9A .1 Thông số mô hình SRM, thông số bộ điều khiển và bộ quan sát .2 Chất lượng điều khiển của Backstepping và Backstepping-quan sát .3 Chất lượng điều khiển giữa Backstepping và Backstepping-nơ ron.4 Chất lượng điều khiển giữa Backstepping và Backstepping-nơ ron khi tốc độ đặt thay đổi .5 Thông số chất lượng hệ thống điều khiển của Backatepping, Backstepping-nơ ron và Backstepping-quan sát với tải giảm .6 Thông số chất lượng hệ thống điều khiển của Backstepping, Backstepping-nơ ron và Backstepping-quan sát với tải tăng. 75 vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Cấu trúc động cơ từ trở 8/6 (nguồn [12]) .2 Biểu đồ phác họa năng lượng từ trường .3 Một vài cấu trúc rotor (nguồn [17-20]) .4 Cực rotor khoét rỗng (nguồn [21]) .5 Cấu trúc stator nhiều răng (nguồn [22-24]) .6 Thiết kế thay đổi mỏm cực stator (nguồn [25]) và thiết kế vòng đệm gông stator (nguồn [26]) .7 Cấu trúc stator mới và đường từ thông trên cấu trúc (nguồn [27]) .8 Cấu trúc rotor và stator theo (nguồn [28]) .9 Cấu trúc răng stator và rotor theo (nguồn [29]).10 Bề mặt cực rotor (nguồn [32]) .11 Cấu trúc cực stator theo (nguồn [34]).12 Cấu trúc bộ điều khiển mờ cho SRM (nguồn [35]) .13 Hệ thống điều khiển góc đóng/mở (nguồn [39]) .14 Cấu trúc hệ thống điều khiển (nguồn [42]) .15 Cấu trúc hệ thống sử dụng bộ điều khiển trượt (nguồn [43]) .16 Cấu trúc hệ thống điều khiển sử dụng bộ BELBIC (nguồn [44]) .17 Hệ thống điều khiển theo phương pháp chia sẻ dòng điện và từ thông (nguồn [9]) .18 Điều khiển tốc độ SRM kết hợp ước lượng mô men (nguồn [46]) .19 Một số cấu hình bộ Converter cho drive của SRM (nguồn [56]).1 Cấu trúc tổng quát của hệ truyền động động cơ từ trở .2 Giá trị độ tự cảm của pha a và hỗ cảm giữa các pha với pha a (nguồn [13]) .3 Cấu trúc mạng nơ ron của mô hình thuận .4 Quá trình huấn luyện mạng .5 Lưu đồ thuật toán huấn luyện mạng nơ ron .6 Cấu trúc mạng nơ ron của mô hình dòng điện nghịch .7 Cấu trúc của mô hình từ thông nghịch đảo .8 Đường đặc tính từ thông nhận dạng trường hợp chưa xét đến ảnh hưởng của hỗ cảm .9 Đường đặc tính từ thông nhận dạng trường hợp xét đến ảnh hưởng của hỗ cảm.10 Đồ thị sai lệch giữa đặc tính từ thông thực nghiệm và đặc tính từ thông nhận dạng với dòng 1A .11 Đồ thị sai lệch giữa đặc tính từ thông thực nghiệm và đặc tính từ thông nhận dạng với dòng 5A .12 Đồ thị sai lệch giữa đặc tính từ thông thực nghiệm và đặc tính từ thông nhận dạng với dòng 9A .13 Đường đặc tính từ thông nhận dạng theo mô hình thuận .14 Đồ thị sai số đường đặc tính từ thông nhận dạng so với đường thực tế .