Điều khiển động cơ không đồng bộ ở chế độ tiết kiệm năng lượng

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM


Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Nguyễn Thanh Phƣơng
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)


Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP. HCM
ngày 28 tháng 09 năm 2013

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. Chủ tịch : TS. Ngô Cao Cường
2. Phản biện 1: TS. Nguyễn Hùng
3. Phản biện 2: TS. Võ Hoàng Duy
4. Uỷ viên : TS. Huỳnh Châu Duy
5. Uỷ viên,thƣ ký : TS. Huỳnh Quang Minh

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn sau khi luận văn đã được
sửa chữa (nếu có): ………………………………………………………………………
……………………………………

Chủ tịch hội đồng đánh giá LV


TS. Ngô Cao Cƣờng

TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH
CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

TP. HCM, ngày 10 Tháng 01 năm 2013.
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Ngô Đình Khôi Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 15/03/1968 Nơi sinh: Đồng Nai
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: 1141830012

I-TÊN ĐỀ TÀI:
Điều khiển động cơ không đồng bộ ở chế độ tiết kiệm năng lượng
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Nghiên cứu đối tượng là các động cơ điện hoạt động ở các chế độ tiết kiệm năng
lượng
- Đề xuất phương pháp thiết kế bộ điều khiển động cơ điện ở chế độ tiết kiệm năng
lượng
- Thiết kế giải thuật điều khiển động cơ điện ở chế độ tiết kiệm năng lượng
- Xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm bộ điều khiển động cơ điện ở chế độ
tiết kiệm năng lượng.
- Khảo sát và so sánh kết quả mô phỏng
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10/01/2013
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/06/2013
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Nguyễn Thanh Phương
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã
được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn
(Ký và ghi rõ họ tên)


Ngô Đình Khôi

LỜI CÁM ƠN
Để hoàn thành cuốn luận văn này, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất
đối với TS Nguyễn Thanh Phương, người thầy đã hết lòng, tận tâm, nhiệt tình hướng
dẫn và cung cấp cho tôi những tài liệu vô cùng quý giá trong quá trình thực hiện luận
văn.
Xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy cô giáo đã giảng dạy, truyền đạt tri thức
giúp tôi học tập và nghiên cứu trong quá trình học cao học tại trường Đại Học Kỹ
Thuật Công Nghệ TP.HCM.
Xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng quản lý khoa học - Đào tạo sau
đại học và khoa Điện – Điện tử Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP.HCM đã
giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và làm luận văn cao học
tại trường.
Xin chân thành cảm ơn các anh, chị học viên cao học lớp 11SMĐ1 đã đóng góp
ý kiến cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn này.
TP.Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2013
NGƯỜI THỰC HIỆN


Ngô Đình Khôi

TÓM TẮT
Luận văn trình bày về phương pháp điều khiển giảm tổn thất của động cơ
không đồng bộ 3 pha. Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu về phương thức điều
khiển động cơ sao cho giảm tối thiểu tổn thất sắt từ cho động cơ không đồng bộ ba
pha.
Tìm hiểu tổng quan về các phụ tải điện thông dụng thuộc nhóm HVAC ( Heating,
Ventilation and Air-Condition ) và chứng minh được khả năng tiết kiệm năng lượng
bằng cách điều khiển tốc độ.
Trình bày vấn đề về tổn hao và các phương pháp điều khiển tiết kiệm năng
lượng của động cơ không bộ là kết quả tổng hợp các nghiên cứu khác nhau trên thế
giới để đưa ra cái nhìn tổng quan toàn diện về lĩnh vực nghiên cứu.
Xây dựng giải thuật điều khiển tiết kiệm năng lượng mà đối tượng chính là
động cơ không đồng bộ. Dựa trên nền tảng cơ bản của phương điều khiển định
hướng trường rotor gián tiếp (Indirect Field Oriented Control ) kết hợp với việc tìm
ra giá trị từ thông rotor tối ưu mục đích để giảm các tổn hao trong động cơ tiết kiệm
được năng lượng
Thực hiện mô phỏng giải thuật tiết kiệm năng lượng trên phần mềm Matlab.
Nhận xét các thành phần chính của động cơ như: điện áp, dòng điện, tốc độ,
mômen, từ thông và công suất tiêu thụ . So sánh các kết quả khi sử dụng giải thuật
từ thông rotor tối ưu với từ thông rotor tham chiếu để tính được lượng năng lượng
tiết kiệm được. Và thực hiện mô phỏng lần lượt với từ thông tham chiếu, tốc độ đặt,
mômen tải khác nhau để thấy được khả năng tiết kiệm là khác nhau.

ABSTRACT
This thesis present a reduce loss control method for induction motor. The
goals of this thesis is study a control methology how to reduce to minimum the iron
loss of the induction motor.
Learn an overview of the electricity load of group common HVAC (Heating,
Ventilation and Air-Condition) and proven ability to save energy by controlling the
speed.
Presenting problems loss and some control methods of saving energy of
asynchronous motor was the collective results of different studies around the world
to provide a comprehensive overview of research areas.
Building control algorithms of saving energy which is the basic object
asynchronously. Based on the fundamentals of the Indirect Field Oriented Control
method with finding the value of optimal rotor flux goal to reduce the loss of engine
power saving
Perform algorithms simulation of saving energy on Matlab software.
Reviews the major components of the engine such as voltage, current, speed,
torque, flux and power consumption. Comparison of results when using algorithms
optimized rotor magnetic flux with reference rotor flux for calculating the amount
of energy savings. Performance simulation and in turn with reference flux, the
speed set, different load torque to realize its potential for savings is different.









MỤC LỤC

Lời cam đoan…… .i
Lời cảm ơn .ii
Tóm tắt……. iii
Abstract .iv
Mục lục ……………………………………………………………………………v
Danh mục các từ viết tắt………………………………………………………… viii
Danh mục các bảng……………………………………………………………… ix
Danh mục biểu đồ hình ảnh……………………………………………………… x

Chƣơng 1: Tổng quan 1
1.1 Giới thiệu tổng quan 1
1.2 Mục đích nghiên cứu 2
1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài 2
1.4 Phương pháp nghiên cứu 3
1.5 Giá trị thực tiễn của đề tài 3
1.6 Bố cục của luận văn 3

Chƣơng 2: Tổng quan về phụ tải điện năng và khả năng tiết kiệm năng
lƣợng 5
2.1 Thống kê về sử dụng các động cơ cảm ứng 5
2.2 Điều khiển hiệu quả năng lượng của các ứng dụng HVAC 8
2.3 Tiết kiệm năng lượng trong các ứng dụng HVAC bằng cách điều khiển biến
tốc 10
2.4 Các ứng dụng với khả năng tiết kiệm năng lượng bằng điều khiển tốc độ 13

Chƣơng 3: Vấn đề tổn hao và các phƣơng pháp điều khiển tối ƣu năng lƣợng
trong DCKĐB 15
3.1 Tổn thất trong động cơ không đồng bộ thay đổi được tốc độ 15

3.1.1 Bộ biến tần 14
3.1.2 Động cơ không đồng bộ 17
3.1.3 Truyền động 19
3.1.4 Tổn hao lưới với động cơ điều chỉnh tốc độ 21
3.2 Tối ưu hóa năng lượng bằng việc giảm từ thông động cơ 23
3.3 Điều khiển tối ưu năng lượng của bộ lái VVFF 25
3.4 Điều khiển tối ưu năng lượng của bộ lái VVVF 27
3.5 Điều khiển trạng thái đơn giản 29
3.5.1 Điều khiển cos (

) (hệ số công suất) 30
3.5.2 Điều khiển tần số trượt stator 30
3.6 Điều khiển dựa vô hình 31
3.6.1 Các động cơ vô hướng 31
3.6.2 Bộ lái điều khiển vector hướng trường (Field Oriented Vector Controlled
Drives) 34
3.7 Điều khiển tìm kiếm (search conttrol) 35
3.7.1 Điều khiển tìm kiếm truyền thống 35
3.7.2 Điều khiển tìm kiếm dùng Logic mờ và mạng thần kinh nhân tạo 38
3.8 Kết Luận 40

Chƣơng 4: Phƣơng pháp điều khiển định hƣớng trƣờng ( Field Oriented
Cotrol – FOC) và hƣớng nghiên cứu 42
4.1 Phương pháp điều khiển định hướng trường 42
4.2 Kết luận và hướng nghiên cứu …………….48

Chƣơng 5: Phƣơng pháp thiết kế, mô phỏng và kết quả của hệ thống điều
khiển động cơ điện ở chế độ tiết kiệm năng lƣợng 50
5.1 Phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển động cơ điện ở chế độ tiết kiệm năng

lượng 50
5.1.1 Xây dựng thuật toán 50



5.1.2 Kết luận 55
5.2 Mô phỏng hệ thống điều khiển động cơ điện ở chế độ tiết kiệm năng lượng 55
5.1.2 Xây dựng và mô phỏng khối điều chế từ thông tối ưu 55
5.2.2 Xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển tiết kiệm năng lương 61
5.3 Kết quả 66
5.3.1 Xác định từ thông rotor tối ưu (TTRTU) 66
5.3.2 Kết quả mô phỏng 67
5.3.3 So sánh kết quả từ thông rotor tối ưu (TTRTU) với từ thông rotor tham
chiếu định mức (TTRTTCĐM) 69
5.3.3.1 Điện áp 69
5.3.3.2 Dòng điện 69
5.3.3.3 Tốc độ 70
5.3.3.4 Momen 70
5.3.3.5 Từ thông 71
5.3.3.6 Công suất tiêu thụ (CSTT) 71
5.3.4 Xét các đồ thị công suất tiêu thụ khi động cơ hoạt động ở các chế độ
TTRTTC khác nhau 72
5.3.5 Xét các đồ thị công suất tiêu thụ khi động cơ hoạt động ở các tốc độ đặt khác
nhau 74
5.3.6 Xét các đồ thị công suất tiêu thụ khi động cơ hoạt động ở các momen đặt
khác nhau 76
5.4 Kết luận 78

Chƣơng 6: Kết luận .79
6.1 Kết luận ……….…………………………………………………….…… 79

6.2 Các vấn đề đã thực hiện 79
6.3 Các vấn đề còn tồn tại 79
6.2 Hướng phát triển đề tài 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………… 81



DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

HVAC Heating, Ventilation and Air-Condition
CSTT Công Suất Tiêu Thụ
ĐCKĐB Động Cơ Không Đồng Bộ
PPĐK Phương Pháp Điều Khiển
TTRTU Từ Thông Rotor Tối Ưu
TTRTCĐM Từ Thông RotorTham Chiếu Định Mức

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Khả năng tiết kiệm năng lượng bằng điều khiển tốc độ cho 4 ứng dụng
HVAC……………………………………………………….…………………… 14
Bảng 3.1. Các hoạt động có thể được thực hiện để làm giảm tổn hao …………….17
Bảng 3.2. Hiệu quả của các bộ truyền động lái motor…………………………… 20
Bảng 3.3: Ước lượng của các phương pháp điều khiển tối ưu năng lượng cho bộ lái
động cơ không đồng bộ………………………………………………… 41
Bảng 5.1: Thông số động cơ tiêu chuẩn ………………………………………… 56
Bảng 5.2: Thông số của động cơ đang xét như sau:…………… ……………… 56
Bảng 5.3. Thông số động cơ dùng trong sơ đồ mô phỏng…………………………64

DANH MỤC BIỂU ĐỒ, HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Sự tiêu thụ điện năng được chia theo các ứng dụng ở Đan mạch từ năm
1988 –1992……………………… ………………………………………… ….6
Hình 2.2: Tiêu thụ năng lượng ở động cơ cảm ứng trong các ứng dụng thông gó,
bơm, nén khí và lạnh ttrong 1 năm ở Đan Mạch ( ngoài dân dụng )…………… 7
Hình 2.3: Tổn thất năng lượng của động cơ cảm ứng ttrong các ứng dụng HVAC (
không thuộc dân dụng ) ở Đan Mạch trong 1 năm………………………….………8
Hình 2.4: Điều khiển cơ khí cho máy bơm không có đầu…………………………11
Hình 2.5: Điều khiển cơ khí cho máy bơm có đầu ……… …………………… 11
Hình 2.6: Điều khiển biến tốc cho máy bơm không có đầu .…………………… 12
Hình 2.7: Điều khiển biến tốc cho máy bơm có đầu ……………….…………….12
Hình 2.8: Phân bố công suất tương đối của các hệ thống bơm từ hình 2.4 đến 2.7.13
Hình 3.1: Xem xét dòng công suất chảy qua động cơ…… ………………………15
Hình 3.2: Bộ chuyển đổi nguồn áp được điều chế độ rộng xung với diod chỉnh lưu
được sử dụng phổ biến trong các bộ điều khiển tiêu chuẩn …………………… 16
Hình 3.3: Dòng hiệu dụng khi được nối trực tiếp với lưới điện và khi được nối
thông qua một bộ converter ………………………………………………………22
Hình 3.4: Đường cong hiệu suất ở tốc độ định mức với từ thông khe hở không khí
không đổi và với hiệu suất được tối ưu của một động cơ 2.2KW…………….….24
Hình 3.5: Động cơ không đồng bộ được điều khiển bằng một bộ converter VVFF (
khởi động mềm )……………….…………………………………………… 26
Hình 3.6: Bộ PWM-VSI với diod chỉnh lưu trong phần lớn các ASD ( bộ lái được
điều khiển tốc độ ) ngày nay……………………………………………………27
Hình 3.7: Sơ đồ khối điều khiển cho việc tối ưu hiệu suất của một bộ lái động cơ 28
Hình 3.8: Ví dụ về bộ điều khiển cos (

) trong một bộ lái vô hướng…. ……… 30
Hình 3.9. Ví dụ về điều khiển tần số trượt tối ưu mà giá ttri5 tham khảo được đặt
trong bảng tra ………………………………………… 31

Hình 3.10. Ví dụ về việc thực thi điều khiển dựa theo mô hình trong động cơ vô
hướng ……………………………………………………… 32



Hình 3.11. Ví dụ về điều khiển tối ưu hiệu suất dựa trên mô hình trong động cơ
được thực hiện trong khung tham chiếu hướng trường…………… 34
Hình 3.12. Thực thi điều khiển tìm kiếm cho bộ điều khiển theo từ thông rotor 36
Hình 3.13. Ví dụ về điều khiển tối ưu hiệu suất tìm kiếm ttrong một bộ lái vô
hướng……………………………………………………… 38
Hình 3.14. Điều khiển mờ tối ưu năng lượng được thự hiện với điều khiển motor
hướng trường……………………………………………………… 39
Hình 4.1. Sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển định hướng trường 43
Hình 4.2. Hệ trục từ thông rotor……………………………………………………46
Hình 4.3: Sơ đồ điều khiển gián tiếp………………………………… 47
Hình 5 .1: Sơ đồ mô phỏng khối điều chế từ thông tối ưu …………….………… 60
Hình 5.2: Cho thấy vị trí khối điều chế từ thông tối ưu theo thuật toán tối ưu năng
lượng ( màu xanh tối )…………………………………………………………… 60
Hình5.3: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển………………….………………………61
Hình 5.4: Nguyên tắc điều khiển vec tơ……………………………………………62
Hình 5.5: Sơ đồ mô phỏng của hệ thống điều khiển động cơ…………………… 65
Hình 5.6: Đồ thị công suất tiêu thụ TTRTU với K = 0.13, K = 0.145, K =
0.19……………………………………………………………………………… 66
Hình 5.7: Đồ thị các thành phần U, I,

, T
m
,
r


, P của động cơ …………………67
Hình 5.8 : Đồ thị điện áp dây Vab của TTRTU và TTRTCĐM …………… 69
Hình 5.9 : Đồ thị dòng điện xoay chiều 3 pha ngõ ra bộ nghịch lưu của TTRTU và
TTRTCĐM……………………………………………………………………… 69
Hình 5.10: Đồ thị tốc độ của động cơ của TTRTU và TTRTCĐM …………….70
Hình 5.11: Đồ thị mômen của động cơ của TTRTU và TTRTCĐM …………… 70
Hình 5.12. Đồ thị TTRTU và TTRTCĐM của động cơ ………………………… 71
Hình 5.13. Đồ thị CSTT của TTRTU và TTRTCĐM…………………………… 71
Hình 5.14. Đồ thị hiệu CSTT của TTRTU và TTRTCĐM ……………………… 72
Hình 5.15. Đồ thị CSTT của TTRTU và TTRTCĐM với
0.8(W )
r
b



………… 73



Hình 5.16. Đồ thị CSTT của TTRTU và TTRTCĐM với
0.7(W )
r
b



………… 73
Hình 5.17. Đồ thị CSTT của TTRTU và TTRTCĐM với
0.6(W )

r
b



………… 74
Hình 5.18. Đồ thị CSTT của TTRTU và TTRTCĐM với
110( / )rad s



……….75
Hình 5.19. Đồ thị CSTT của TTRTU và TTRTCĐM với
100( / )rad s



……….75
Hình 5.20. Đồ thị CSTT của TTRTU và TTRTCĐM với
90( / )rad s



……… 76
Hình 5.21. Đồ thị CSTT của TTRTU và TTRTCĐM với
T 100 .
m
Nm



……….… 77
Hình 5.22. Đồ thị CSTT của TTRTU và TTRTCĐM với
T 150 .
m
Nm


………… 77
Hình 5.23. Đồ thị CSTT của TTRTU và TTRTCĐM với
T 190 .
m
Nm


………… 78

1



Chƣơng 1
TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu tổng quan
Hiện nay, điện năng chiếm tỉ lệ rất lớn trong nguồn năng lượng tiêu thụ của
con người. Ðiện năng con người sử dụng đều được hình thành từ những dạng năng
lượng khác. Cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp trên thế giới, điện
năng tiêu thụ càng nhiều, gây cạn kiệt nguồn tài nguyên thiên nhiên. Các nguồn
năng lượng mới và cách chuyển đổi những nguồn năng lượng đó thành điện năng đã
và đang được nghiên cứu, phát triển (năng lượng nguyên tử, năng lượng gió, năng
lượng mặt trời, sản xuất điện năng trực tiếp từ nước )
Bên cạnh với sự phát triển những nguồn năng lượng mới, yêu cầu cấp thiết
về tiết kiệm điện năng được đặt ra. Các nhà khoa học đã và đang nghiên cứu để đưa
ra những giải pháp tiết kiệm điện năng tốt nhất: cách sử dụng điện năng, các thiết bị
điện hiệu suất cao, các giải thuật điều khiển thiết bị giảm tổn hao…
Bài toán về tiết kiệm năng lượng luôn được đặt ra trong tất cả các hệ thống
sản xuất và luôn là ưu tiên hàng đầu. Trong thực tế, các động cơ điện tiêu thụ
khoảng 56% tổng năng lượng điện, trong đó, các động cơ cảm ứng chiếm 96%.
Điều này chứng tỏ rằng khoản 53% tổng điện năng được tiêu thụ bởi các động cơ
không đồng bộ. Do vậy vấn đề tiết kiệm năng lượng cho động cơ là rất quan trọng.
Việc áp dụng các công nghệ tiên tiến mới, các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho
phép các động cơ có thể tiết kiệm điện khoảng 20% tổng khối lượng điện năng tiêu
thụ.
Gần đây trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về giải thuật điều khiển giảm

tổn hao cho động cơ không đồng bộ đem lại hiệu quả cao. Với sự phổ biến được sử
dụng rộng rãi của động cơ không đồng bộ, kết hợp với tính năng tiết kiệm điện năng




2



hứa hẹn sẽ làm nên bước phát triển mới trong lĩnh vực tiết kiệm năng lượng bảo vệ
môi trường, đem lại hiệu quả kinh tế cao cho các ngành công nghiệp.
Chính vì vậy, đề tài “ Điều khiển động cơ không đồng bộ ở chế độ tiết kiệm
năng lượng “ với mục đích cực tiểu hóa tổn thất công suất trong cơ đồng nghĩa với
việc tiết kiệm được năng lượng với hy vọng là sẽ đáp ứng được những vấn đề cấp
thiết của thời đại
1.2 Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu và ứng dụng các phương pháp điều khiển tối ưu theo hướng tiết
kiệm năng lượng ứng dụng trong điều khiển động cơ không đồng bộ. Đề tài tập
trung giải quyết vấn đề giảm tổn thất năng lượng trong các thiết bị điện trong đó
động cơ không đồng bộ là đối tượng được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và
dân dụng.
1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài
1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài
1. Nghiên cứu đối tượng là các động cơ điện hoạt động ở các chế độ tiết
kiệm năng lượng
2. Đề xuất phương pháp thiết kế bộ điều khiển động cơ điện ở chế độ tiết
kiệm năng lượng
3. Thiết kế giải thuật điều khiển động cơ điện ở chế độ tiết kiệm năng lượng
4. Xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm bộ điều khiển động cơ điện ở

chế độ tiết kiệm năng lượng.
5. Khảo sát và so sánh kết quả mô phỏng
1.3.2 Giới hạn của đề tài
1. Giải thuật tiết kiệm năng lượng chỉ ứng dụng cho đối tượng chính ở đây là
động cơ không đồng bộ 3 pha




3



2. Các nhà khoa học trên thế giới đã đưa ra nhiều giải thuật điều khiển theo
hướng tiết kiệm năng lượng khác nhau. Trong đề tài chỉ tập trung vào nghiên cứu
giải thuật tối ưu hóa từ thông rotor mục đích để giảm tổn hao
3. Việc khảo sát giải thuật điều khiển chỉ thực hiện mô phỏng trên phần mềm
Matlab.
1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu
1. Thu thập tất cả các tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu.
2. Tìm hiểu lý thuyết về động cơ không đồng bộ
3. Tìm hiểu lý thuyết Matlab
4. Tìm hiểu về phụ tải điện HVAC và khả năng tiết kiệm
5. Tìm hiểu các vấn đề về tổn hao và các phương pháp điều khiển theo
hướng tiết kiệm năng lượng của động cơ không đồng bộ
6. Tìm hiểu phương pháp định hướng trường
7. Thiết kế giải thuật điều khiển
8. Mô phỏng trên phần mềm Matlab
9. Đánh giá, so sánh kết quả.
1.5 Giá trị thực tiễn của đề tài

1. Ứng dụng xây dựng mô hình vật lý và khảo sát hoạt động của bộ điều khiển
2. Ứng dụng thiết kế chi tiết thiết bị điều khiển động cơ điện ở chế độ tiết kiệm
năng lượng
3. Tài liệu và kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để phục vụ các nghiên
cứu ở mức độ cao hơn.
1.6 Bố cục của luận văn
Chƣơng 1: Tổng quan
Chƣơng 2: Tổng quan phụ tải điện và khả năng tiết kiệm năng lượng





4



Chƣơng 3: Vấn đề về tổn hao và các phương pháp điều khiển tối ưu năng
lượng trong ĐCKĐB .
Chƣơng 4: Phương pháp điều khiển định hướng trường và hướng nghiên cứu

Chƣơng 5: Phương pháp thiết kế, mô phỏng và kết quả của hệ thống điều
khiển động cơ điện ở chế độ tiết kiệm năng lượng
Chƣơng 6: Kết luận

5



Chƣơng 2
TỔNG QUAN VỀ PHỤ TẢI ĐIỆN VÀ KHẢ NĂNG
TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG

2.1 Thống kê về sử dụng các động cơ cảm ứng
Ngoài sự hiểu biết ứng dụng nào đặc biệt thích hợp với điều khiẻn bến tốc, cũng
cần biết mức độ phổ biến của các ứng dụng này, và chúng được sử dụng chủ yếu
trong khoảng công suất nào. Kiến thức này sẽ được dùng để định hướng nghiên cứu
vào lĩnh vực có khả năng tiết kiệm năng lượng cao nhất.
Nhứng kiến thức này có được qua sự phân tích dựa trên các dữ liệu thống kê về
sự sử dụng các động cơ điện ở Đan Mạch. Dữ liệu được thu thập bởi các cố vấn

năng lượng trong khoảng thời gian 1988-1992 trong 1200 trường hợp. 1200 trường
hợp này chiếm tổng năng lượng tiêu thụ là 900GWh, tương đương 750MWh/trường
hợp.
Tất nhiên, có thể bàn đến việc tập dữ liệu có đủ lớn để cho một kết quả đáng tin
cậy hay không, nhưng điều đó còn xa so với mục tiêu của đề tài này. Chúng ta chỉ
cần lưu ý rằng khi phân tích dữ liệu có những yếu tố ngẫu nhiên trong dữ liệu. Tuy
nhiên, có thể dự đoán rằng có khả năng rút ra những kết luận chung từ các dữ liệu.
Các khảo sát về sự sử dụng các động cơ cảm ứng cũng đã được thực hiện ở các
quốc gia khác, hẳng hạn ở Mỹ và Thụy Điển, nhưng chúng không được đề cập ở
đây.




6




Hình 2.1 Sự tiêu thụ điện năng được chia theo các ứng dụng ở Đan Mạch từ năm
1988-1992
Hình 2.1 minh họa sự tiêu thụ điện năng được chia theo các ứng dụng ơ Đan
Mạch. Biết rằng các động cơ điện được dùng cho cả các loại quạt, máy nén khí,
máy bơm, tủ lạnh lẫn cho sản xuất, biểu đồ tròn ở trên cho thấy khoảng 55.6% năng
lượng điện tiêu thụ bởi các động cơ điện, và 35.8% tổng điện năng được dùng trong
các ứng dụng HVAC, gồm các bộ thông gió, bộ nén khí, các máy bơm và các tủ
lạnh.
Không phải tất cả các động cơ điện đều là hoạt động cơ cảm ứng. Một lượng
nhỏ năng lượng được tiêu thụ bởi các loại động cơ khác, bao gồm các động cơ đồng
bộ, các động cơ DC và các động cơ bước. Dựa trên số liệu bán động cơ tại Mỹ năm

1989 được ước tính trong, 96% các động cơ sông suất hàng ngựa là động cơ cảm
ứng. Dù con số này có thể hơi khác lạ tại Châu Âu, có thẻ chắc chắn rằng một lượng
rất lớn công suất lái động cơ là dành cho động cơ cảm ứng. Có thẻ kết luận rằng các
động cơ cảm ứng chiếm 53% (0.556x0.96=0.53) tổng điện năng tiêu thụ.
Chúng ta cúng khảo sát xem điện năng được tiêu thụ trong khoảng công suất
nào. Trong phần phân tích nà, tiêu điểm được đặt vào 4 ứng dụng HVAC: các máy
thông gió, các máy bơm, các bộ nén khí, và các tủ lạnh. Ta lưu ý đến tổng năng
lượng mất mát trong mỗi năm trên hình 2.2. Ở công suất thấp, các bộ thông gió và
thiết bị lạnh là các ứng dụng chiếm ưu thế, nhưng ở mức công suất cao, sự khác biệt
trở nên nhỏ hơn. Đáng chú ý là trong khi lượng tiêu thụ bởi sự thông gió giảm




7



xuống khi khoảng công suất tăng lên, năng lượng tiêu thụ của ba ứng dụng kia lại
tiến đến cực đại ở khoản công suất trung bình. Tổng năng lượng mất mát hàng năm,
trên hình 2.3, hơi giảm với cả 4 ứng dụng khi tăng khoảng công suất, phản ánh thực
tế là ở tầm công suất càng cao thì hiệu suất năng lượng càng cao. Tổng tổn hao
trong khoảng trên 53KW không đáng kể khi so với các tổn hao ở công suất thấp.
Các khoảng công suất được chia thành các mức nhỏ (<10KW), trung bình (10-
1000KW), và lướn hơn (>1000KW).

Hình 2.2 tiêu thụ năng lượng ở động cơ cảm ứng trong các ứng dụng thông
gió, bơm, nén khí và lạnh trong 1 năm ở Đan Mạch (ngoài dân dụng)
Kết luận đầu tiên có thể rút ra từ việc sử dụng năng lượng ở Đan Mạch là: bởi vì
tổn hao ở tầm trên 53KW là nhỏ nên chúng ta không cần quan tâm đến việc giảm

mất mát của động cơ trong khoảng công suất này. Do hầu hết tổn hao tập trung
trong khoảng công suất từ 0-9KW nên đây là khoảng công suất đáng quan tâm nhất,
nhưng khoảng công suất trung bình cũng không thể được xem nhẹ. Các ứng dụng
thông gió và lạnh là các ứng dụng đáng quan tâm nhất, thông gió chủ yếu ở mức
công suất thấp và ứng dụng lạnh ở mức công suất trung bình. Các máy nén khí và




8



máy bơm không quan trọng ở tầm công suất , nhưng trở nên đáng lưu tâm ở tầm
công suất trung bình.
Sự sử dụng năng lưởng bên ngoài Đan Mạch chưa được khảo sát. Đề án SAVE
của EU mang tên “Cái nhìn xuyên suốt về các động cư và bộ lái sử dụng năng
lượng hiệu quả” khảo sát sự sử dụng năng lượng trong các ứng dụng HVAC ở Châu
Âu, và kết quả được công bố trong năm 2000. Có lẽ sự chia sẻ các bộ điều khiển
công suất trung bình và cao quan trọng hơn Châu Âu nói chung so với chỉ ở Đan
Mạch.

Hình 2.3 tổn thất năng lượng của động cơ cảm ứng trong các ứng dụng
HVAC (không thuộc dân dụng) ở Đan Mạch trong 1 năm.
2.2 Điều khiển hiệu quả năng lƣợng của các ứng dụng HVAC
Các nhiệm vụ tiêu biểu trong việc lắp đặt HVAC là điều khiển áp suất, lưu
lượng, nhiệt độ và mức chất lỏng, và việc lựa chọn phương pháp điều khiển nào
được xác định bởi một số yếu tố, bao gồm chất lượng điều khiển, chi phí lắp đặt và
hiệu suất năng lượng. Một sự so sánh nhỏ giữa các phương pháp điều khiển được
trình bày ngay sau đây.

9



- Điều khiển on/off: Được sử dụng khi chỉ có một phần trong toàn bộ sản phẩm
là cần thiết trong một thời gian dài. Động cơ được bật khi thông số điều khiển vượt
quá mức giới hạn trên. Số lần khởi động và dừng, ảnh hưởng đến sự lắp đặt cơ khí,
có thể giảm đi bằng cách tăng kích thước vùng đệm, ví dụ như một bể nước và máy
bơm. Nếu thiết bị hoạt động ở tải định mức khi động cơ được bật, điều khiển on/off
sẽ cho hiệu suất năng lượng, nhưng nếu ngược lại thì hiệu suất năng lượng sẽ giảm.
- Điều khiển từng bước (stepwise): một hệ thống điều khiênr động cơ lớn được
chia thành các bộ phận nhỏ, mỗi bộ phận sử dụng điều khiển on/off. Mỗi động cơ sẽ
được bậ hay tắt tùy theo nhu cầu sản xuất. Ưu điểm của phương pháp này là các
động cơ tiến trình hoạt động gần với tải định mức và với hiệu suất năng lượng tốt ở
mọi thời điểm. Nhược điểm của nó là sự gia tăng chi phí lắp đặt và chỉcó khả năng
điều khiển theo từng bước. Tuy nhiên, nó có thể kết hợp với sự thay đỏi tốc độ trên
một trong các động cơ.
- Điều khiển quá trình cơ khí: được sử dụng trong những ứng dụng mà các thông
số đầu ra của quá trình được điều khiển một cách liên tục và chất lượng của các
phương pháp điều khiển on/off và stepwise không đáp ứng được. Động cơ cảm ứng
được kết nối trực tiếp với lưới điện. Thông số đầu ra (ví dụ áp suất) được điều khiển
bằng cơ khí, chẳng hạn bằng các van, van tiết lưu hay một nhánh hồi tiếp. Nhược
điểm chính của phương pháp này là phương pháp này là điều khiển cơ khí sẽ tọa ra
thêm những mất mát năng lượng không thể tránh khỏi khi không cần đầy tải. Nói
một cách đơn giản, điều này giống như là chạy một chiếc xe hơi với công suất tối đa
và điều khiển tốc độ bằng thắng xe.

- Điều khiển tôc độ thay đổi: Động cơ được nuôi bởi một bộ chuyển đổi công
suất điện tử chỉ tiêu thụ năng lượng đủ dùng cho quá trình. Kết quả của quá trình
được điều khiển chỉ bằng cách thay đổi tốc độ. Dù chi phí lắp đặt cao. Điều khiển
biến tốc có thể được chọn vì chất lượng điều khiển, khả năng tiết kiệm năng lượng
và giảm nhiễu âm chẳng hạn từ các quạt.
Từ sự so sánh đơn giản giản giữa các chiến lược điều khiển ứng dụng HVAC, có
thể kết luận trên quan điểm tiết kiệm năng lượng rằng phương pháp điều khiển cơ




10



khí không thể được chấp nhận vì mất mát năng lượng quá lớn trong trường hợp
giảm tải. Sự lựa chọn giữa các phương pháp on/off, stepwise và phương pháp biến
tốc phụ thuộc vào mức tải và chất lượng điều khiểnyêu cầu. Các hệ thống cần sản
xuất lượng nhỏ trong thời gian dài thì thích hợp với các phương pháp stepwisư và
phương pháp biến tốc. Ngược lại, khi lượng tải yêu cầu cao và chất lượng điều
khiển on/off có thể chấp nhận được, phương pháp on/off được ưu tiên hơn vì chi phí
lắp đặt rẻ. Có thể tiết kiệm một lượng lớn năng lượng trong các ứng dụng HVAC
nếu cac skỹ thuật tốt đước áp dụng trong qua trình thiết kế toàn hệ thống, và trong
nhiều trường hợp các phương pháp điều khiển on/off và điểu khiển từng bước cung
cấp giải pháp tốt nhất. Tuy nhiên, không nghi ngờ gì nữa, trong các hệ thống yêu
cầu chất lượng điều khiển tốt, phương pháp điều khiển biến tốc trở thành giải pháp
thay thế duy nhất có hiệu quả về năng lượng cho phương pháp điều khiển cơ khí.
Nói chung, nên chú ý rằng khi thiết kế hệ thống, ta phải xem xét yếu tố chi phí
vòng đời (LCC – Life Cycle Costs). Nó bao gồm tất cả các chi phí liên quan đến hệ
thốn cài đặt trong suốt thời gian sống, cụ thể là thu mua, bảo trì, sửa chữa, phí năng

lượng, các vấn đề về môi trường.
2.3 Tiết kiệm năng lƣợng trong các ứng dụng HVAC bằng cách điều khiển biến
tốc.
Ưu điểm của việc sử dụng điều khiển biến tốc thay cho điều khiển cơ khí trong
các ứng dụng HVAC được phân tích cụ thể hơn, lấy một máy bơm làm ví dụ. Từ đó
có thể kết luận trong các ứng dụng nào thì đièu khiển biến tốc có khả năng tiết kiệm
nhiều năng lượng nhất.
Điều khiển máy bơm
Bốn phiên bản của một hệ thống bơm được minh họa trên hình 2.4 – 2.7. Hai
dạng đầu có tốc độ không đổi và điều khiển theo phương pháp cơ khí, hai dạng sau
sử dụng điều khiển biến tốc. Trên hình 2.4 và 2.6, máy bơm không có đầu còn trên
hình 2.5 và 2.7, máy bơm có đầu. Dòng chất lỏng được điều khiển sao cho tại điểm
làm việc A, lưu lượng bằng 100% lưu lượng định mức và tại điểm B, lưu lượng
bằng 50% lưu lượng định mức. Các hình vẽ thể hiện đường cong lưu lượng – áp




11



suất của cả đặc tính máy bơm (PC Pump Characteristic) và hẹ thống ống, tức là đặc
tính của hệ thống (SC – System Characteristic). Điểm hoạt động của máy bơm được
định nghĩa bới giao điểm của đường PC và đường SC.

Hình 2.4 Điều khiển cơ khí cho máy bơm không có đầu

Hình 2.5 Điều khiển cơ khí cho máy bơm có đầu
Như ta thấy trên hình 2.4 và 2.5, với bộ lái tốc độ hằng, lưu lượng được giảm

từ A đến B bằng cách dùng van để thêm và sự cản trở trong ống để đặc tuyến hệ
thống thay đổi từ SC
1
đến SC
2
. Trong hình 2.6 và 2.7, đặc tính hệ thống không
đổi, nhưng sự thay đổi tốc độ làm cho đặc tuyến máy bơm thay đổi tư PC
1
sang
PC
2
, do đó làm giảm lưu lượng từ A đến B.