Với hai mươi năm qua hội nhập và phát triển, Việt Nam đã đạt được những thành tựu đáng kể trong công cuộc đổi mới trên mọi ngành nghề đào tạo và phát triển. Một trong những ngành được chú trọng đầu tiên là điều khiển tự động hóa trong công nghiệp, nó là nền tảng để kéo theo các lĩnh vực khác đi nhanh hơn, hỗ trợ và cải tiến .

Các đề tài nghiên cứu, áp dụng trong thực tế

Hiện nay chung tay góp sức các phòng thí nghiệm, nơi gặp gỡ giao lưu của các thầy cô nghiên cứu trong viện điện đại học bách khoa hà nội và các sinh viên là thực sự cần thiết. Nó là tiền đề cơ sở nghiên cứu đầu đàn của cả nước trong lĩnh vực điều khiển hệ thống tự động hóa trong công nghiệp.

Hiểu được tầm quan trọng này, các đơn vị doanh nghiệp đã tài trợ cho sinh viên viện điện đại học bách khoa hà nội, những bộ dụng cụ thí nghiệm, và các thiết bị điện với mục đích tạo điều kiện cho sinh viên thực tế hơn trong giờ thực hành qua đó có cơ hội tiếp cận được những cái mới, sau này ra trường có thể bắt tay ngay vào làm việc và ứng dụng .

Những bộ kít thiết bị điện được tài trợ

Nhóm bộ kít card 8 bit, được trang bị được chia làm hai loại dang, dạng cắm trên rãnh máy tính PC (isa) và dạng độc lập. Sử dụng vi điều khiển 8 bit, SAB80C573 của siemens tương thích với họ 8051 nhưng được tăng cường về ngoại vi và khối tính toán số học, thiết kế bộ nhớ linh hoạt cho sinh viên, 64kB ram hay 32kB. chưa trên hệ điều hành OS, thêm eprom 2Kb sử dụng đường bus i2C. Có đầy đủ ngoại vi cho các bạn sử dụng 12 kênh ADC( analog to digital conveter ) 8bit on chip và hai cổng timer độ phân giải 16 bit. 4 đường điều chế độ rộng xung PWM. Cổng truyền thông nối tiếp COM1 và com2  cộng thêm cổng ghép nối sợi quang, nguồn cấp 5vdc.

Ứng dụng điện tự công suất lớn trong thực tế

Biến đổi điện năng, sử dụng mạch bán dẫn công suất lớn vào thực tế là một lối chưa được các nhà khoa học ở việt nam áp dụng nhiều, mặc dù bán dẫn công suất lớn đã thâm nhập vào hầu hết các lĩnh vực của công nghệ điều khiển tự động, nhưng làm sao để chế ngự được thiết bị biến đổi điện năng hoàn thiện chính là tiền đề cho sự thành công của lĩnh vực này. Khi mục tiêu của ngành tự động hóa là cải tiến sản xuất, nâng cao năng xuất, chất lượng của sản phẩm, giảm tối đa sự can thiệp vận hành thủ công của con người.

Khái quát yêu cầu đặt ra cho van bán dẫn

Van biến đổi quen thuộc đối với các kỹ sư điều khiển tự động như Thyristor, GTO( Gate -Turn-off, Thyristor) IGCT ( Integrated Gate Commutated thyristor) Mct (mos controlled Thyristor) IGBT (insulated gate bipolar transistor ), bjt (bipolar juncition transistor), mosfet (mos field effect transistor) , Vậy đâu là ranh giới của phạm vi công suất lớn, các bạn sẽ xem dưới đây.

  • Ở cấp điện hạ thế, điện áp từ 690v đến 1.2kv dòng lên đến 5000 A công suất tới 6MVA
  • Cấp trung thế mức điện áp từ 2.3/3.3/4.16/6.9kV dòng điện 3000A, và công suất tới 20MVA

Vậy để các thiết bị, van bán dẫn sử dụng an toàn trên cấp điện áp ứng với dòng như trên thì các tiêu chuẩn chúng ta cần quan tân là :

  • Van bán dẫn phải có điện áp ngược đủ lớn, và khả năng chịu dòng khóa van (turn off current) và quá dòng dẫn, chú ý tới điện áp cách điện bề mặt đủ lớn, tổn hao đóng ngắn và tổn hao dẫn bé, van đóng ngắn và diode ngược phải cấy chung một module, kể đến là tốc độ đóng ngắn nhanh, và dễ dàng lắp đặt, lưu ý nữa là đặc tính thoát nhiệt tốt, độ tin cậy cao, có chế độ tự bảo vệ, dễ điều khiển và giá cả phải hợp lý dễ mua.

Sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật cho ra đời những sản phẩm linh kiện bán dẫn trong những thập kỷ vừa qua. Trong thế kỷ thứ 20 van bán dẫn (thyristor, transistor )  chịu với các dòng lên đến hàng ngàn amper, điện áp hàng chục ngàn kV là điều dường như không thể tại thời điểm đó. Ngày nay khi các công trình nghiên cứu mở ra những phát minh mới thì những thiết bị bán dẫn công suất lớn điều khiển đã có trên thị trường và áp dụng vào trong bài toán, tích hợp trong các hệ thống giải quyết những bài toán đặt ra nhanh nhất có thể.

Cấu trúc bên trong module IGBT 3.3kV/1200A, van đó được cấu tạo từ 24 phiến chip IGBT mắc song song với dòng qua mỗi phiến là 50A, bên trong van đã có diode tốc độ cao mắc song song và ngược chiều với IGBT bao gồm 12 phiến, và được ghép nối phiên diode và igbt bởi 900 đường nối.

Một khó khăn đặc biệt là  việc thiết kế các tầng công suất, điều khiển cực Gate là khi ngắt van, trong thời gian ngắt dòng qua cực Gate có thể đạt tới giá trị chính bằng dòng qua van, nghĩa là thậm trí dòng điện có thể lên đến 1200 A. Nếu công suất điều khiển van IGBT có hệ 1 thì IGCT  là 8 và GTO thậm chí 40, module IGCT gồm Thyristor ép trên. Trong bài báo cao TS Dittrich giới thiệu chi tiết về ba mảng  lý thú cấu trúc mạch, phương pháp điều khiển van, biến tần và cấu trúc điều chỉnh, có thể nói rằng cấu trúc mạch nghịch lưu kiểu 2,3,5 hoặc n mức.

Và tùy theo số mức đã chọn của phía nghịch lưu sẽ dẫn đến cấu trúc của mạch khác nhau của phần chỉnh lưu phía ghép với lưu điện mục đích đảm bảo công suất ra của thiết bị và khả năng hoàn nguyên năng lượng trở lại lưới.Trên cơ sở mạch cấu trúc nghịch lưu đã chọn, ta sẽ quyết địn phương pháp điều khiển van thích hợp, đó là phương pháp điều chế vector không gian tùy theo mức, phương pháp điều khiển theo nhịp hay băm xung điện áp, tất cả được gọi với cái tên điều chế tần số.

Một điều khó nhất đối với kỹ sư điều khiển phát triển sản phẩm là xây dựng thuật toán cấu trúc điều khiển điều chỉnh cho các ứng dụng cụ thể, tiến sĩ Dittrich đã cho người dùng thấy được khả năng linh hoạt trong sử dụng vi điều khiển trong áp dụng vào kỹ thuật. Một điều lưu ý nữa là trong các cấu trúc đó việc chế ngự tách bạch hai thành phần công suất hữu công và vô công cho cả hai phía chỉnh lưu có hoàn công về lưới và phía nghịch lưu, công cụ mạnh mẽ để thực hiện ý tưởng đó là khâu điều chỉnh dòng kiểu vector ở mạch vòng trong cùng, việc trình bày ba mảng trên sẽ vượt quá khuôn khổ cho phép, phần tiếp theo sẽ chỉ giới thiệu  một vài ứng dụng thông qua các hình ảnh cụ thể, khi nói đến truyền động sử dụng động cơ động bộ (SM) ba pha công suất lớn ta thường nghĩ đến kích thích ngoài, tức là đến loại có cực lồi, động cơ (đặt dưới hầm) và thang treo lộ thiên trên sườn núi, đó là hệ thống truyền động sm 690 v/600kw  duy nhất  trên thế giới có kích thích vĩnh cửu và không cần hộp số.

Một ví dụ điển hình nữa là các máy phát điện chạy sức gió với công suất 200kW -850kW dùng van IGBT và lưới điện áp 690V. Hiện nay người ta dùng máy điện đồng bộ (Sm, kích thích nam châm vĩnh cửu) hoặc có thể dùng máy điện dị bộ nguồn kép DFIM hay còn gọi là máy điện dị bộ rotor ruột cuốn làm máy phát. Các thuật toán hiện đại được áp dụng, các máy phát có khả năng điều chỉnh chính xác hệ số công suất cos phi, và nâng cao hơn có thể đưa về 1 đồng thời cách li hoàn toàn quá trình đó với quá trình điều khiển momen quay, điều này được hiểu là có thể làm chủ được hai thành phần vô công và hữu công của công suất phát ra, nhờ thuật toán và cấu trúc cơ khí điều khiển thông minh máy phát tận dụng tốt hơn năng lượng gió do giải hệ số trượt lên tơi +/- 40% trong đó có sự đóng góp của kỹ thuật điều khiển của vi điều khiển và IGBT tốc độ cao tần số băm xung điện áp là 2,5kHz.

Và xin nói thêm rằng các thuật toán điều chỉnh DFIM trong máy phát chạy sức gió có thể vận dụng tốt trong thủy điện .

Logic mờ trong điều khiển động cơ dị bộ Rotor lồng sóc nuôi bởi nghịch lưu nguồn áp

Đề tài này khá phức tạp liên quan đến kỹ thuật chuyên môn nhiều hơn. Logic mờ( Fuzzy Logic)  được coi như là một công cụ mạnh mẽ để thực hiện điều chỉnh động cơ đối tượng áp dụng phi tuyến, hay các đối tượng không có mô hình, trong lĩnh vực truyền động điện xoay chiều ba pha, phương pháp logic mờ không thể tối ưu được phương pháp nguyên lý điều khiển vector. Tuy vậy, một số trường hợp khâu DC mờ đạt được những kết quả hơn mong đợi trong khoa học và thực tiễn. Ví dụ điển hình là sử dụng mờ để số hóa phương pháp tự chỉnh (Direct – self – control) của Gs Depenbrock ( đức) , nó được áp dụng để sử dụng cho các hệ truyền động công suất lớn với van dẫn công suất có tốc độ đóng cắt chậm (GTO Gate – Turn – OFF – Thyristor) . Tong bài này tôi chia làm hai phần chính là: Phương pháp DSc cho phép tự điều chỉnh từ thông và momen quay ứng với mô hình động cơ có sẵn, trong đó khâu DC mờ cho momen và từ thông stator, khâu giải mờ  là khâu điều chế phi tuyến bề rộng xung.

Sơ lược về nguyên lý Dc mờ trong điều khiển:

Nói đến một khâu DC chỉnh mờ ta phải nhắc đến ba thành phần cơ bản là + khâu mờ hóa (Fuzzyfication)  tiếp theo là khâu hợp thành (Fuzzy Rule Inference ) và cuối cùng là khâu giải mờ (Defuzzyfication). Khâu DC mờ trong một vòng DC , các tín hiệu sai lệch, nó là biến thể của vector e hiện thị một cách rõ nét được đưa  ra khâu mờ hóa, mục đích cuối cùng là chuyển thành các biến ngôn ngữ với những nhận định có tính ước lệ thường được gọi là các tập mờ (Fuzzy Set) . Qua đây ta thấy rằng hàm thuộc của e trong tập A với E là tập của sai lệc DC e, miền của hàm thuộc tập con của tập số thực, có giới hạn trên, sau khi đã chuẩn hóa và giới hạn dưới là 0. Đây là lý luận logic kinh điển mà trong đề tài nghiên cứu trước đây, giới hạn thuộc một biến duy nhất chỉ có thể là “Yes” Or ” No”. Với định nghĩa này, logic mờ, mức thuộc của biến có thể nằm trong vùng giới hạn từ 0 đến 1, nên nhiệm vụ của khâu mờ hóa là giao diện đầu vào là xác định mức độ thuộc đối, với các tập mờ dưới dạng hàm số của các giá trị vào rõ nét. hàm này có thể nhiều dạng hình học khác nhau, trong bài viết này chúng ta chỉ nghiên cứu sử dụng dạng hình tam giác.

Luật điều khiển thiết bị hợp thành, thể hiện hiểu biết của khâu DC phản ánh kinh nghiệm của người xây dựng lên thuật toán và được tóm tắt như sau. IF ( điều kiện A) and/or (điều kiện B) Then (kết luận C). Ở đây chúng ta thấy rằng, các kết luận do điều kiện A đưa ra chỉ mang tính ước lệ, của các biến ngôn ngữ, và có nhiệm vụ miêu tả tập mờ, và các thiết bị hợp thành có nhiệm vụ thực hiện các luật điều khiển đó. Toán tử logic and được thực hiện bởi phép nhân đại số, và bởi toán tử Min của logic mờ, phép Or được thực hiện bởi toán tử Max của logic mờ. Và trong một bài toán nếu nhiều luật điều khiển đều đưa ra kết quả như nhau thì chúng ta sẽ gom lại với nhau qua toán tử Max, và tiếp theo các tập mờ của các kết luận được nhân với mức thỏa mãn H là phép hợp thành Max Prod.

Và cuối cùng, tín hiệu do khâu hợp thành đưa ra phải set đến và biến thành tín hiệu điều khiển như điện áp stator tác động lên đối tượng, đây được coi như nhiệm vụ của khâu giải mờ, và là giao diện của khâu đầu ra DC mờ, trên cơ sở kết quả phép Max Prod, khâu giải mờ có nhiệm vụ tìm tọa độ trục hoành của trọng tâm center of gravity phần diện tích do khâu hợp thành tìm ra. Và tọa độ trục hoành đó là giá trị chính xác mà tính hiệu điều khiển phải thực hiện.

Bên cạnh phương pháp giải mờ Center of Gravity, chúng ta còn biết đến phương pháp Height Method hoặc Area method với mục đích cuối cùng là giảm khối lượng tính toán trước khi cài đặt, tuy nhiên tôi muốn nhấn mạnh rằng ở đề tài nghiên cứu này tôi không đi sâu vào chi tiết lĩnh vực nâng cao, về lý thuyết điều khiển DC mờ.

Phần 2a: Khâu ĐC mờ trên cơ sở phương pháp DSC

Nguyên lý DSC kết hợp với phần nguyên lý DC mờ ta có thể xây dựng được cấu trúc hệ thống điều khiển ĐCĐB. Ta có thể thấy rằng, các biến vào của khâu ĐC mờ sai lệc ĐC của từ thông Stator và moment quay M với giá trị thực do khâu quan sát cung cấp tính từ us, is, n qua đó khâu mờ hóa biến các đại lượng rõ đó thành các giá trị ngôn ngữ xác định bởi các tập mờ X và mức phụ thuộc Y, sau đó chúng được tổng hợp thành để xử lý, và đưa ra kết luận dưới dạnh biểu ngữ, với vector điện áp Vn và mức thỏa mãn Hn. Từ cơ sở này chúng ta có thể suy ra khâu giải mờ tính thời gian đóng ngắt TN của ba nhánh van nghịch lưu cho từng chu kỳ xung đo trên máy, và toàn bộ mặt phẳng vector thuộc hệ tọa độ an pha bê được chia làm sáu sector ứng với mỗi sector là 60 độ , khâu nhận dạng sector có nhiệm vụ xác định sector hiên tại và phục vụ tính trang thái đóng ngắt thực sự sa, sb sc được xác đinh từ biến ngôn ngữ Vn.

Và phải nói đến khâu hợp thành được thiết kế và chuẩn hóa sao cho vector từ thông stator được dẫn dắt theo quỹ đạo hình tròn phía thấp dải danh định hoặc theo quỹ đạo hình lục giác chính là phía cao của giải tốc danh định.

Mờ hóa module từ thông và momen quay trong hệ thống

Những sai lệch Đc của module từ thông và momen quay được mo tả bằng biến ngôn ngữ với kích thước bằng 4 tập mờ big và small có kèm theo dấu + và – , để cấu trúc của khâu dc không trở nên quá phức tạp và khối lượng tính toán không quá lớn ta dùng ta giới hạn số lượng 4 tập cho mỗi biến và cấu thành hàm thuộc U bởi hàm theo công thức tuyến tính, Và ta thấy rằng tại mỗi thời điểm chỉ tối đa 2 tập mờ ở trạng thái tích cực và số lượng luật điều khiển cần xử lý ít, nhờ đó khối lượng tính toán có thể ở mức chấp nhận được.

Luật điều khiển ĐK

Luật điều khiển Đk mô tả phản ứng cần có của vector từ thông Stator ứng với cặp giá trị cụ thể của hai biến vào và được diễn dải như sau, chiều tiến được hiểu là chiều quay hiện tại của vector từ thông và phép and và ngược lại nếu chọn phép and mức thuộc của biến vào nào có giá trị bé nhất sẽ quyết định kết quả. Và chúng tối test thực nghiệm cho thấy phép and cho ra đặc tính truyền đạt tĩnh của từ thông và momen tốt hơn.

Được tóm lại là tất cả các luật Đk có kết luận giống nhau sẽ được kết hợp với nhau nhờ toán tử Max, và được thông qua dựa trên 1 trong 7 vector điện áp chuẩn nghịch lưu, và sự ảnh hưởng của nó trực tiếp đến vector từ thông trong phạm vi của sector đang xét, vậy tác dụng cần có của việc lựa chọn vector điện áp đặt lên ĐCDB ví dụ như tăng module từ thông theo chiều tiến. Nếu vector U đang nằm trong sector 1 vậy kết luận về ảnh hưởng của các vector điện áp được khái quát như sau.

Chương 4 Một vài suy nghĩa về những điều bất cập trong đào tạo nhân lực ngành điện điều khiển tự động hóa

Cùng với sự phát triển chung của xã hội, các ngành nghề phải chạy theo kịp tốc độ phát triển và làm tiền đề cho các lĩnh vực sau. Ngành điều khiển tự động cũng không ngoại lệ, nhân lực chất lượng cao của ngành nghề này còn thiếu và yếu, đơn cử như ở bậc đào tạo đại học, ví dụ cụ thể là đại học bách khoa hà nội. Chương trình giảng dạy vẫn chưa đáp ứng kịp được nhu cầu của thị trường đổi mới từng ngày, và việc đào tạo phải gắn liền với nhu cầu của xã hội.

Điều 1 Vấn đề bất cập trong thời gian đào tạo

Thực sự đây là vấn đề nan giải và gây nguồn thất thoát lớn lãng phí trong kinh tế quốc dân, trong khi các nước phát triển người ta chỉ cần thời gian đào tạo tới bậc thạc sĩ là 5 năm và thêm 3 năm nữa là thành tiến sĩ kỹ thuật. Và tôi muốn nhắn thêm rằng, tại các nước phát triển như nước đức ( Cộng hòa liên bang đức) luôn tồn tại hai phương thức đào tạo kinh điển và cách tân nhằm mục đích thu hút sinh viên nước ngoài về du học với thời gian là như nhau nhưng có định hướng rõ ràng là lấy học vị Dipl Ing của university hoặc lấy  ME. Chúng ta nhìn lại ở việt nam phải mất 7 năm để có được một bằng về thạc sỹ, và hơn 10 năm để có một bằng về tiến sĩ, vậy trung bình chúng ta phải mất thêm hai năm để có một tấm bằng như nước ngoài, vậy nguyên do là từ đâu.

Vậy chúng ta có thể thấy rằng, đất nước ta đang phải rất tiếc kiệm để phát triển nhưng lại rất lãng phí về đào tạo nhân lực và con người, thời gian đào tạo quá dài và lâu khiến chậm trễ nguồn nhân lực trình độ cao cho các doanh nghiệp. Trong vài năm gần đây với sự hội nhập và phát triển chung, các công ty vốn nước ngoài FDI đã đầu tư vào việt nam khá nhiều, như  tập đoàn Samsung là điển hình, họ rất thiếu thống nguồn nhân lực trẻ có trình độ chuyên môn cao và sâu, cũng như khả năng ngoại ngữ.

Nói một cách cụ thể là trong khi ở các nước phương Tây, tấm bằng B.Sc/ B.E là điều kiện cần và đủ để được nhập học lên M.Sc/M.E , thì tại Việt Nam tấm bằng KS là điều kiện cần nhưng chưa đủ để được học lên thạc sỹ, các thí sinh phải trải qua một quy trình thi tuyển gay gắt để past qua.Nghĩa là chúng ta chỉ đào tạo hạn chế số lượng cán bộ kỹ thuật có bằng thạc sỹ . Xét về đội ngũ khoa học kỹ thuật đầu đàn, bên nước mình phải mất 10 năm để đào tạo một tiến sỹ, hiện tại tất cả các trường kỹ thuật không riêng gì đại học bách khoa hà nội, kể cả các viện nghiên cứu và các cơ sở công nghiệp hiện đại đang thiếu trầm trọng nguồn nhân lực chất lượng cao, vậy mà chúng ta vẫn đủng đỉnh trong việc đào tạo nguồn nhân lực đó.

Vậy hướng giải quyết vấn đề này là gì: Về phía các nhà hoạch định chính sách chung ta phải phá bỏ những rào cản và luật lệ không đáng có, cần kịp thời đưa ra những chính sách quy định linh hoạt cho các trường tự chủ để làm sao thời gian đào tạo phù hợp với lợi ích chung của xã hội và nền kinh tế quốc dân, và xem việc này thực sự nghiêm túc. Còn về phía những người hoạch định chính sách, có nghĩa là chúng ta, những người thầy đang hoạt động trực tiếp về đào tạo nguồn nhân lực, phải làm sao cải tiến phương pháp giảng dạy, gắn liền với thực tế và rút ngắn thời gian đào tạo, đồng thời đảm bảo và nâng cao chất lượng giảng dạy.

Vấn đề tổ chức giảng dạy và xây dựng đội ngũ giản dạy trong lĩnh vực điện tự động hóa

Đội ngũ giảng viên là vấn đề then chốt quyết định chất lượng đào tạo nguồn nhân lực, Phương thức giản dạy cũng nhiều vấn đề phải cải tổ, nghĩa là người học có quyền đòi hỏi ở chúng ta có hệ thống bài giảng chất lượng cao, về nội dụng lẫn phương pháp sư phạm, nghĩa là bắt buộc chúng ta phải đào tạo nguồn nhân lực với chất lượng cao nhất. Vậy mà thực tế cho thấy, phương thức giảng dạy ở việt nam lại không phải như vậy, với cùng một môn có nhiều thầy cô dạy ở các ca kíp khác nhau, khác nhau về chuyên môn kinh nghiệm sư phạm, trình độ và cách ra đề thi. Trong khi đó ở các nước phát triển giáo trình bài giàng và bài kiểm tra do người có thầm quyền, trình độ chuyên môn cao nhất ra đề. Vậy tại sao nếu chúng ta không sáng tạo được, thì hãy tham khảo họ và  tiếp thu những tiến bộ của họ để áp dụng cho mình.

Xây dựng đội ngũ giảng dạy: Theo thường lệ, đội ngũ giảng viên thường được bổ xung chủ yếu theo cách giữ những sinh viên tốt nghiệp có kết quả xuất sắc ở lại trường tiếp tục đào tạo cả về chuyên môn lẫn học vị, và phương pháo giảng dạy.Tuy nhiên chúng ta nhận thấy rằng có một nhược điểm rất lớn suốt thời gian dài công tác giảng dạy của các giảng viên thiếu tính thực nghiệm trong môi trường công nghiệp.

Vấn đề phương pháp và nội dụng giảng dạy

Với thế kỷ 21 này sự bùng nổ của công nghệ thông tin, qua rồi cái thời thầy cô đọc bài, viết phấn lên bảng cho sinh viên chép, sinh viên các trường đại học hấp thụ kiến thức như trong trường phổ thông, không có khả năng chủ động tìm hiểu và phân tích tổng hợp vấn đề. Hiệu suất giảng dậy và truyền đạt thấp ,mà khối lượng kiến thức truyền đạt ít, thầy cô cũng chỉ đếm số giờ giảng trên lớp chứ không update kiến thức mới và sâu rộng.

Về nội dung giảng dậy cũng cần được nhìn nhận lại mọi vấn đề, phải cài tiến thường xuyên, lược bỏ những môn đã  không còn phù hợp với xung hướng bây giờ. Khoa học công nghệ tính đổi mới theo từng ngày, chúng ta cũng không cần phải nhất thiết biết các cơ bản, từ thấp cho đến cao.