Ứng dụng logic mờ để góp phần nâng cao chất lượng khi khởi động động cơ đồng bộ công suất lớn

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

NGUYỄN THỊ THƠM

ỨNG DỤNG LOGIC MỜ ĐỂ GÓP PHẦN NÂNG CAO

CHẤT LƯỢNG KHI KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ

CÔNG SUẤT LỚN

Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 8520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Thái Nguyên - 2020

ii

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

NGUYỄN THỊ THƠM

ỨNG DỤNG LOGIC MỜ ĐỂ GÓP PHẦN NÂNG CAO

CHẤT LƯỢNG KHI KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ

CÔNG SUẤT LỚN

Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 8520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1. PGS.TS. Nguyễn Hữu Công 2. TS. Vũ Ngọc Kiên

Thái Nguyên - 2020

iii

MỤC LỤC

MỤC LỤC ............................................................................................................... i

LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ................................................. vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG........................................................... vii

MỞ ĐẦU .................................................................................................................1

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN MỜ ..........................4

1.1. LOGIC MỜ.......................................................................................................4

1.1.1. Tổng quan về logic mờ.........................................................................................4

1.1.2. Khái niệm về tập mờ ............................................................................................7

1.1.3. Các phép toán trên tập mờ....................................................................................9

1.2. BIẾN NGÔN NGỮ VÀ GIÁ TRỊ CỦA BIẾN NGÔN NGỮ........................11

1.3. LUẬT HỢP THÀNH MỜ ..............................................................................13

1.3.1. Mệnh đề hợp thành.............................................................................................13

1.3.2. Luật hợp thành mờ..............................................................................................13

1.4. GIẢI MỜ.........................................................................................................16

1.4.1. Khái niệm giải mờ ..............................................................................................16

1.4.2 Các phương pháp giải mờ....................................................................................16

1.5. ĐIỀU KHIỂN MỜ.........................................................................................20

1.5.1. Nguyên lý điều khiển mờ ...................................................................................20

1.5.2. Các bước thiết kế bộ điều khiển mờ...................................................................21

1.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ...............................................................................23

Chương 2. MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ CÔNG SUẤT LỚN ..24

2.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ....................................................24

2.1.1. Tổng quan...........................................................................................................24

2.1.2. Điều khiển kích từ động cơ đồng bộ ..................................................................27

2.2. MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ ....................................................28

2.2.1. Sơ đồ mạch điện thay thế và đồ thị véc tơ..........................................................28

2.2.2. Công suất của động cơ đồng bộ..........................................................................31

iv

2.2.3. Sự ảnh hưởng của tải đối với dòng điện phần ứng, góc công suất và hệ số công

suất................................................................................................................................32

2.2.4. Sự ảnh hưởng của nguồn kích từ đến hiệu suất làm việc ...................................33

2.2.5. Họ đường cong V của động cơ đồng bộ.............................................................34

2.3. MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TRÊN HỆ TỌA ĐỘ VÉC TƠ

KHÔNG GIAN......................................................................................................36

2.3.1. Phương trình điện áp, từ thông và mô men của động cơ đồng bộ......................36

2.3.2 Phương trình liên hệ điện áp và từ thông trong các biến tham chiếu ..................44

2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ...............................................................................45

Chương 3: ỨNG DỤNG LOGIC MỜ XÂY DỰNG THUẬT TOÁN “BẮT” ĐỒNG

BỘ CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ CÔNG SUẤT LỚN ............................................46

3.1. ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC ..........46

3.1.1. Một số nghiên cứu ngoài nước ...........................................................................46

3.1.2. Một số nghiên cứu trong nước............................................................................51

3.2. GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ BẰNG

BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ ..........................................................................................54

3.2.1. Xây dựng cấu trúc điều khiển.............................................................................54

3.2.3 Kết quả mô phỏng ...............................................................................................61

3.3. THỬ NGHIỆM THUẬT TOÁN TRÊN MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM.........65

3.3.1. Giới thiệu mô hình thực nghiệm.........................................................................65

3.3.2. Kết quả thực nghiệm ..........................................................................................68

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................70

TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................71

v

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dựa trên sự hướng

dẫn của tập thể các nhà khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Kết quả

nghiên cứu là trung thực.

Thái Nguyên, ngày 31 tháng 10 năm 2020

Học viên

Nguyễn Thị Thơm

vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

STT VIẾT TẮT ĐẦY ĐỦ Ý NGHĨA

1. N North Cực bắc

2. S South Cực nam

3. PF Power factor Hệ số công suất

4. SCR Semiconductor Controlled

Rectifier

Bộ điều khiển chỉnh lưu bán

dẫn

5. FB Feedback Phản hồi

6. REF Reference Tham chiếu

7. SM Synchronous Machine Máy điện đồng bộ

8. PWM Pulse-width modulation Điều chế độ rộng xung

9. A/D Analog to Digital Chuyển đổi tương tự sang số

10. D/A Digital to Analog Chuyển đổi số sang tương tự

11. V/f Voltage/frequency Tỉ số điện áp/ tần số

12. PMSM Permanent Magnet

Synchronous Motor

Động cơ đồng bộ kích thích

nam châm vĩnh cửu

13. MISO Multi Input and Multi

Output

Nhiều đầu vào, một đầu ra

14. SISO Single Input and Single

Output

Một đầu vào, một đầu ra

15. NEG Negative Âm

16. POS Positive Dương

17. BAKT Biến áp kích từ

18. CL1 Bộ chỉnh lưu 1

19. CL2 Bộ chỉnh lưu 2

20. HMI Human Machine Interface Màn hình giao tiếp người và

máy

21. SCADA Supervisory control and

data acquisition

Điều khiển giám sát và thu

thập dữ liệu

22. SCR Silicon controlled rectifier Bộ chỉnh lưu bán dẫn

23. HSC High speed counter Đọc xung tốc độ cao

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG

Hình 1.1. Hàm phụ thuộc µA(x)của tập kinh điển A ......................................................... 7

Hình 1.2. Hàm phụ thuộc µB(x) của tập mờ B...................................................................... 8

Hình 1.3. Độ cao, miền xác định, miền tin cậy của tập mờ.................................................. 8

Hình 1.4. Các dạng hàm liên thuộc của tập mờ..................................................................... 9

Hình 1.5. Hợp của hai tập mờ có cùng cơ sở theo qui tắc Max (a); theo Lukasiewwiez (b)…

……………………………………………………………………………………... .......... 10

Hình 1.6. Giao của hai tập mờ có cùng cơ sở...................................................................... 11

Hình 1.7. Bủ của tập mờ ...................................................................................................... 11

Hình 1.8. Mờ hoá biến “Tốc độ” ......................................................................................... 12

Hình 1.9. a) Hàm liên thuộc nóng(x) và thấp(y); b) B’(y) theo quy tắc Min; c) B’(y)

theo quy tắc Prod.......................................................................................................... 14

Hình 1.10. Giải mờ bằng phương pháp cực đại.................................................................. 17

Hình 1.11. Giải mờ bằng điểm trọng tâm ............................................................................ 17

Hình 1.12. Tập mờ có hàm liên thuộc hình thang ............................................................... 18

Hình 1.13. Xác định giá trị rõ y’ cho bộ điều khiển với nguyên tắc MAX_MIN ............... 19

Hình 1.14. Giải mờ theo phương pháp độ cao..................................................................... 20

Hình 1.15. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mờ ................................................................... 20

Hình 2.1. Các thành phần cấu tạo của Động cơ đồng bộ công suất lớn .............................. 24

Hình 2.2. Stator của Động cơ đồng bộ................................................................................. 24

Hình 2.3. Rotor cực lồi ........................................................................................................ 25

Hình 2.4. Rotor cực ẩn......................................................................................................... 25

Hình 2.5. Hệ thống chổi than, vành trượt ............................................................................ 26

Hình 2.6. Sự tương tác giữa từ trường quay và từ trường không đổi làm cho

chúng đạt được tốc độ đồng bộ .................................................................................... 28

Hình 2.7. Sự hình thành từ trường quay trong máy điện 3 pha ........................................... 29

Hình 2.8. Sự tương tác giữa từ trường Stator và từ trường Rotor ....................................... 30

Hình 2.9. Sơ đồ mạch điện thay thế một pha....................................................................... 31

Hình 2.10. Đồ thị véc tơ dòng – áp của động cơ đồng bộ ................................................... 31

viii

Hình 2.11. Sơ đồ mạch điện thay thế và đồ thị véc tơ của động cơ đồng bộ khi bỏ qua điện

trở phần ứng.................................................................................................................. 32

Hình 2.12. Đồ thị véc tơ của động cơ đồng bộ khi tải thay đổi........................................... 33

Hình 2.13. Sự ảnh hưởng của nguồn kích từ đến hiệu suất làm việc................................... 34

Hình 2.14. Họ đường cong V của động cơ đồng bộ ............................................................ 35

Hình 2.15 Máy điện đồng bộ hai cực, ba pha, nối sai, cực lồi [1]....................................... 37

Hình 3.1. Điều khiển kích từ động cơ đồng bộ có chổi than………………………...........46

Hình 3.2. Rotor của động cơ chổi than loại cực lồi ............................................................. 47

Hình 3.3. Điều khiển kích từ động cơ đồng bộ không chổi than......................................... 47

Hình 3.4. Rotor của động cơ không chổi than loại cực lồi .................................................. 47

Hình 3.5. Phương pháp “bắt” đồng bộ bằng cách đo tốc độ hoặc tần số Rotor................... 48

Hình 3.6. Rotor vào chế độ đồng bộ khi dòng Stator là tối thiểu ........................................ 48

Hình 3.7. Sơ đồ cấu trúc điều khiển kích từ và ổn định hệ số Cos [23]............................ 49

Hình 3.8. Cấu trúc điều khiển và kết quả mô phỏng [24].................................................... 49

Hình 3.9. Cấu trúc điều khiển và kết quả mô phỏng [25].................................................... 50

Hình 3.10. Sơ đồ khối điều khiển kích từ của GE Multilin Inc ......................................... 51

Hình 3.11. Sơ đồ nguyên lý của máy phát điện 3 pha ......................................................... 51

Hình 3.12. Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu có điều khiển bơm dòng DC cho Rotor động cơ

đồng bộ đến 3000kW.................................................................................................... 52

Hình 3.13. Sơ đồ chức năng khối điều khiển pha xung...................................................... 53

Hình 3.14. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kích từ của công ty CP cơ điện tử ASO........ 54

Hình 3.15. Cuộn lồng sóc được thêm vào Rotor, giúp động cơ khởi động như một động cơ

không đồng bộ rotor lồng sóc....................................................................................... 55

Hình 3.16. Sơ đồ cấu trúc điều khiển................................................................................... 56

Hình 3.17. Mô hình mô phỏng trên Matlab Simulink ......................................................... 57

Hình 3.18. Thư viện máy điện đồng bộ trong Simulink .................................................... 57

Hình 3.19. Các khối chức năng bên trong mô hình mô phỏng máy điện đồng bộ .............. 58

Hình 3.20. Khối tổng hợp tín hiệu cơ khí ........................................................................... 58

Hình 3.21. Khối tổng hợp các tín hiệu điện......................................................................... 59

Hình 3.22. Khối tổng hợp các tín hiệu đo lường ................................................................ 59

Hình 3.23. Các hàm liên thuộc dòng điện If ........................................................................ 60

Hình 3.24. Các hàm liên thuộc của đạo hàm dòng điện If .................................................. 60