nghiên cứu các phương pháp tiết kiệm điện năng trong hệ truyền động động cơ kđb 3 pha
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (6.12 MB, 141 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN THANH TUẤN
NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP TIẾT KIỆM
ĐIỆN NĂNG TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG
ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA
S
K
C
0
0
3
9
5
9
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202
S KC 0 0 4 2 5 0
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN THANH TUẤN
NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP
TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG
ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN THANH TUẤN
NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP
TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG
ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN
Hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2014
LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: Nguyễn Thanh Tuấn
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 26 – 03 – 1976
Nơi sinh:Mỹ Tho, Tiền Giang
Quê quán: Đồng Tháp
Dân tộc: Kinh
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Ấp Đồng, Bình Đức, Trung An,Tiền Giang
Điện thoại cơ quan: (073) 3.851588
Điện thoại nhà riêng:
Fax:
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học phổ thông:
Hệ đào tạo: chính quy
Thời gian đào tạo từ 9/1994 đến 4/1997
Nơi học (trường, thành phố): Trường THPT Nguyễn Đình Chiểu, Mỹ Tho,
Tiền Giang .
2. Đại học:
Hệ đào tạo: chính quy
Thời gian đào tạo từ 09/1997 đến 3/2003.
Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM.
Ngành học: Điện khí hóa & cung cấp điện.
3. Sau đại học:
Hệ đào tạo: chính quy
Thời gian đào tạo từ 08/2011 đến nay.
Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM.
Ngành học: Kỹ Thuật Điện.
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian
2003
2003 - nay
Nơi công tác
Công việc đảm nhiệm
C.Ty CP Mỹ Tường
Khoa Điện – Điện tử,
Trường Cao Đẳng Nghề Tiền Giang
i
Bảo trì & vận hành điện
Giáo viên
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của 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.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 02 năm 2014
Nguyễn Thanh Tuấn
ii
LỜI CẢM TẠ
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và tốt đẹp nhất đến:
Thầy Lê Minh Phương, người đã tận tâm, nhiệt tình hướng dẫn và cung cấp
tài liệu cho em trong suốt thời gian làm luận văn.
Quý Thầy Cô khoa Điện – Điện tử đã tận tình chỉ bảo và truyền thụ cho em
những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian 2 năm theo học tại
Trường.
Cuối cùng xin chân thành cảm ơn Cha, Mẹ và các anh chị học viên đã ủng hộ
em hoàn thành luận văn này.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 02 năm 2014
Nguyễn Thanh Tuấn
iii
MỞ ĐẦU
Động cơ không đồng bộ (KĐB) là thiết bị biến đổi cơ năng thành điện năng để phục
vụ các mục đích của con người, động cơ không đồng bộ (KĐB) ngày càng được sử
dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và dân dụng. Nó ngày càng có ưu thế
hơn so với các loại động cơ khác (động cơ đồng bộ, động cơ một chiều ….) do:
-Không đòi hỏi bảo trì thường xuyên;
-Có thể làm việc trong các môi trường đòi hỏi độ an toàn cao;
-Kích thước nhỏ gọn so với các động cơ khác có cùng công suất;
-Có thể điều khiển ở tốc độ cao với các công nghệ biến đổi công suất;
-Giá thành thấp so với các dạng động cơ khác cùng công suất;
-Không gây ô nhiễm môi trường;
Tuy nhiên, để vận hành các động cơ này một lượng điện năng không nhỏ đã
được tiêu thụ.Theo một số các nghiên cứu, 53% điện năng trên thế giới được tiêu
thụ bởi các động cơ không đồng bộ .
Một thống kê ở Mỹ vào năm 2003, cho thấy lượng điện năng tiêu thụ bởi
động cơ không đồng bộ là 69% con số này lớn hơn con số trung bình của thế giới đã
nêu trên rất nhiều.
Hình 1: Phân bố lượng điện năng tiêu thụ cho các thiết bị
năm 2003 tại Mỹ
Nếu mỗi động cơ không đồng bộ vận hành tiết kiệm được 2%-3% nguồn
năng lượng tiêu thụ thì tổng sản lượng điện tiết kiệm được sẽ vô cùng lớn và rất có
iv
ý nghĩa.Nhất là trong điều kiện hiện nay tình trạng thiếu nguồn cung đang là vấn đề
đáng lo ngại đối với các quốc gia trên thế giới, nguồn năng lượng hóa thạch làm ra
điện ngày càng cạn kiệt và gây ra ô nhiễm môi trường. Nguồn điện từ các nhà máy
điện nguyên tử cũng đã xảy ra những sự cố đáng tiếc gây nguy hiểm đến sức khỏe
con người.
Vì các lý do trên, trong khi chưa tìm ra được nguồn năng lượng thay thế ưu
việt, tiết kiệm năng lượng ngày càng được con người quan tâm nhiều hơn. Đó cũng
chính là mục đích và sự cần thiết của đề tài luận văn “Nghiên cứu các phương pháp
tiết kiệm năng lượng điều khiển hệ truyền động động cơ không đồng bộ ba pha”.
v
MỤC LỤC
TRANG
Trang tựa
Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân ............................................................................................................ i
Lời cam đoan .............................................................................................................. ii
Cảm tạ ....................................................................................................................... iii
Mở đầu ................................................................................................................... iv,v
Mục lục ...................................................................................................................... vi
Danh sách các chữ viết tắt ........................................................................ix,x,xi,xii,xii
Danh sách các hình ................................................................................ xiv,xv,xvi,xvii
Danh sách các bảng ............................................................................................... xviii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .................................................................................... 1
1.1 Đặt vấn đề ............................................................................................................. 1
1.2 Lịch sử phát triển năng lượng gió ......................................................................... 1
1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ ............................................................................................ 2
1.4 Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................... 2
1.5 Phương pháp nghiên cứu....................................................................................... 2
1.6 Các bước tiến hành ................................................................................................ 3
1.7 Điểm mới của đề tài .............................................................................................. 3
1.8 Giá trị thực tiễn của luận văn ................................................................................ 3
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................ 5
2.1 Tìm hiểu về tiết kiệm năng lượng trong động cơ và các hệ truyền động: ............ 5
2.2 Những tiềm năng tiết kiệm năng lượng trong động cơ không đồng bộ và hệ
truyền động khi sử dụng các phương pháp điều khiển thích hợp ............................. 10
CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 12
3.1 Giới thiệu các hệ tọa độ sử dụng trong các phương trình toán học của động cơ
không đồng bộ ........................................................................................................... 12
3.2 Giới thiệu các hệ tọa độ sử dụng trong các phương trình toán học của động cơ
không đồng bộ ........................................................................................................... 13
3.3 Phương trình toán học của động cơ không đồng bộ ........................................... 16
vi
3.3.1 Mô hình động cơ lý tưởng ................................................................................ 17
3.3.2 Mô hình động cơ xem xét tổn hao sắt từ và bão hòa từ ................................. 19
3.4 Các phương trình chuyển đổi hệ quy chiếu – Park ........................................... 23
3.4.1Các phương trình chuyển đổi hệ tọa độ ABC sang hệ tọa độ αβ ..................... 23
3.4.2 Các phương trình chuyển đổi hệ tọa độ ABC sang hệ tọa độ dq ................... 23
3.4.3 Các phương trình chuyển từ hệ tọa độ dq sang hệ tọa độ αβ .......................... 24
3.5. Thành lập mô hình động cơ KĐB bằng phần mềm Matlap-Simulink .............. 24
3.5.1 Mô phỏng mô hình động cơ KĐB lý tưởng (hệ tọa độ α-β) ........................... 24
3.5.2 Mô phỏng mô hình động cơ không đồng bộ có xem xét ảnh hưởng của tổn hao
sắt từ và bảo hòa từ (trên hệ tọa độ dq) .................................................................... 28
3.5.3 .Mô phỏng động cơ không đồng bộ có xem xét ảnh hưởng tổn hao sắt từ và
bão hòa từ ............................................................................................................... 30
3.6. Kết luận ............................................................................................................ 31
CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH TỔN HAO VÀ KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH NĂNG
LƯỢNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA ............................................... 32
4.1 Mô hình tổn hao trong động cơ KĐB và trong bộ biến biến đổi ....................... 32
4.1.1Mô hình tổn hao thay thế một pha của động cơ KĐB ...................................... 32
4.1.2 Mô hình tổn hao trong bộ biến đổi ................................................................... 35
4.2 Các phương pháp điều khiển tiết kiệm năng lượng ............................................ 41
4.2.1 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor _Field Orientated Control
(FOC). ....................................................................................................................... 41
4.2.1.1. Các phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor ............................. 42
4.2.1.2. Chuyển đổi giữa các hệ tọa độ .................................................................... 44
4.2.1.3. Ước lượng từ thông và moment .................................................................. 44
4.2.1.4. Mô hình khối điều khiển động cơ bằng phương pháp FOC: ...................... 45
4.2.2 Điều khiển động cơ không đồng bộ theo thuật toán tối ưu tổn hao theo phương
pháp định hướng từ thông rotor (Loss minimization algorithms LMA + FOC) ...... 46
4.2.2.1 Phân tích mô hình tổn hao trong động cơ: ................................................... 47
vii
4.2.2.2 Mô hình điều khiển động cơ bằng phương pháp LMA+ FOC ..................... 52
4.3 Khảo sát đặc tính năng lượng động cơ không đồng bộ 3 pha ............................. 52
4.3.1 Cơ sở lý thuyết ứng dụng giải thuật điều khiển tối ưu công suất trong động cơ52
4.3.2 Khảo sát đặc tính của động cơ với các phương pháp điều khiển khác nhau ... 57
CHƯƠNG 5 : CÁC GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU .............................. 60
5.1 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor Field Orientated Control (FOC).
.................................................................................................................................. 60
5.2 Các giải thuật điều khiển tối ưu công suất động cơ không đồng bộ 3 pha ......... 63
5.2.1 Giải thuât 1 ....................................................................................................... 65
5.2.2 Giải thuật 2 ....................................................................................................... 74
5.2.3 Giải thuật 3 ....................................................................................................... 83
CHƯƠNG 6 : ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ CỦA CÁC GIẢI THUẬT .. 93
6.1 So sánh giải thuật 1 với FOC .............................................................................. 96
6.2 So sánh giải thuật 2 với FOC .............................................................................. 98
6.3 So sánh giải thuật 3 với FOC ............................................................................ 100
6.4 Ứng dụng cho tải bơm....................................................................................... 102
6.5 Nhận xét và kết luận ......................................................................................... 103
CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .......... 104
7.1 Kết luận ............................................................................................................. 104
7.2 Hướng phát triển của đề tài ............................................................................... 104
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 105
viii
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt ........................................................................ Giải thích chữ viết tắt
KĐB ................................................................................................. không đồng bộ
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) .... Transistor có cực điều khiển cách ly
FOC (Field Orientated Control) ... phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor
Loss minimization algorithms_LMA . điều khiển động cơ theo thuật toán tối ưu.
n ........................................................................................................tốc độ đồng bộ
f ....................................................................................................................... tần số
fαs ................................................................................................ tần số stator trục α
fβs ................................................................................................ tần số stator trục β
fds ................................................................................................ tần số stator trục d
fqs ................................................................................................ tần số stator trục q
p ............................................................................................................... số đôi cực
,
,
......................................................................... đại lượng dòng điện stator
. .............................................................................................................tọa độ
d-q............................................................................................................... hệ tọa độ
Rs ........................................................................................................ điện trở stator
Rr ....................................................................................................... điện trở stator
Rd ........................................................................................................ điện trở trục d
Rq ........................................................................................................ điện trở trục q
is .......................................................................................................dòng điện stator
ids ..............................................................................................điện áp stator trục d
iqs ..............................................................................................điện áp stator trục q
ir ........................................................................................................ dòng điện rotor
idr ................................................................................................ điện áp rotor trục d
iqr ............................................................................................... điện áp rotor trục q
wa ............................................................................................................ tốc độ gốc
................................................................................................ từ thông móc vòng
m ................................................................................... từ thông khe hở không khí
ix
r ....................................................................................................... từ thông rotor
s ...................................................................................................... từ thông stator
dm ............................................................................................... từ thông định mức
dr ............................................................................................ từ thông rotor trục d
qr ............................................................................................ từ thông rotor trục q
r ............................................................................................ từ thông rotor trục α
r ............................................................................................ từ thông rotor trục β
ds ........................................................................................... từ thông stator trục d
qs ........................................................................................... từ thông stator trục q
s ........................................................................................... từ thông stator trục α
s ........................................................................................... từ thông stator trục β
j .................................................................................................... mật độ dòng điện
Ls...................................................................................................... cuộn cảm stator
Lαs .......................................................................................... cuộn cảm stator trục α
Lβs .......................................................................................... cuộn cảm stator trục β
Lr ...................................................................................................... cuộn cảm rotor
Lαr ........................................................................................... cuộn cảm rotor trục α
Lβr ........................................................................................... cuộn cảm rotor trục β
Lm ................................................................................. cuộn cảm khe hở không khí
us ......................................................................................................... điện áp stator
uds ..............................................................................................điện áp stator trục d
uqs ..............................................................................................điện áp stator trục q
uαs ............................................................................................ điện áp stator trục α
uβs ..............................................................................................điện áp stator trục β
ur .......................................................................................................... điện áp rotor
udr ............................................................................................... điện áp rotor trục d
uqr ............................................................................................... điện áp rotor trục q
x
uαs ............................................................................................ điện áp stator trục α
uβs ..............................................................................................điện áp stator trục β
P .................................................................................................. công suất động cơ
Te ...................................................................................................... mômen điện từ
RFe .......................................................................................................... điện trở sắt
iFe ....................................................................................................... dòng điện sắt.
Ts.......................................................................................... hằng số thời gian stator
Tr .......................................................................................... hằng số thời gian rotor
.................................................................................................... hệ số từ tản tổng
db .................................................................................................... tốc độ đồng bộ
s ........................................................................................... tốc độ từ thông stator
Pcu,s ............................................................................................. tổn hao đồng stato
Rso .............................................................................. Điện trở stator tại nhiệt độ
Rro .............................................................................. Điện trở stator tại nhiệt độ
...................................................................................Hệ số nhiệt độ của đồng
Pfe............................................................................................................. tổn hao sắt
Pe .................................................................................... tổn hao do dòng điện xoáy
Ph .................................................................................................. Tổn hao do từ trể
γ ....................................................................... Hệ số phụ thuộc vào vật liệu từ hóa
Kh ........................... Hệ số từ trể phụ thuộc vào vật liệu và hình dáng của động cơ.
Ke .......... Hệ số dòng điện xoáy phụ thuộc vào vật liệu và hình dáng của động cơ.
Pcore,s ..................................................................................... tổn hao sắt trong stator
Pcore,r ...................................................................................... tổn hao sắt trong rotor
Pcore .................................................................................................. tổng tổn hao sắt
s ................................................................................................................... Độ trượt
ms ............................................................................................ Khối lượng sắt stator
mr ............................................................................................. Khối lượng sắt rotor
................................................................ Tổn hao tổng do ma sát và quạt gió
................................................................................................ Hệ số ma sát khô
.......................................................................................... Hằng số quạt gió
xi
η ........................................................... Hiệu suất của động cơ điện không đồng bộ
Ploss,rect............................................................ Tổn hao truyền dẫn của bộ chỉnh lưu
.....................................................công suất đầu ra của bộ chỉnh lưu diode
...............................................................................điện áp chuyển tiếp của diode
.......................................... điện áp liên kết với thành phần dc (dc-link voltage)
................................................................... Tổn hao do dc-link choke
.................................................... tổng điện trở DC trong dc-link chokes
................................................................... công suất đầu ra của bộ chỉnh lưu
.................................................. điện trở dc của cuộn cảm kháng đầu ra
..................................................................................... Tổn hao do bộ biến tần
,
,
............ hằng số đặc trưng của transistor trong tổn hao truyền dẫn
,
,
................... hằng số đặc trưng của diode trong tổn hao truyền dẫn;
,
,
.......................................... điện áp transistor và diode ở trạng thái đóng
................................................................... dòng thuận của transistor và diode
.......................................... Tổn hao công suất tức thời của transistor và diode
E(sw,on,T) ; E(sw,off,T) .................. tổn hao năng lượng khi transistor đóng và tắt
..................................................................... tổn hao năng lượng khi diode tắt
;
....................... hằng số đặt trưng cho tổn hao khi transistor đóng
;
........................... hằng số đặt trưng cho tổn hao khi transistor tắt
A(sw,D) ; B(sw,D) .............................. hằng số đặt trưng cho tổn hao khi diode tắt
P(sw,on,T); P(sw,off,T) tổn hao công suất ở trạng thái đóng và tắt của 1 transistor
P(sw,D)............................................. tổn hao công suất ở trạng thái tắt của 1 diode
fsw ............................................................................................. tần số chuyển mạch
E(con,n) .......................................................... tổn hao truyền dẫn trong chu kỳ
Dn ............................... chu trình hoạt động của transistor ở chu kỳ chuyển mạch n
....................... chu trình hoạt động của transistor ở chu kỳ chuyển mạch n+1
................................. tổn hao năng lượng ở một nhánh trong suốt chu kỳ
............................................................ tổng tổn hao công suất ở bộ biến tần
R’r ....................................................................................Điện trở quy đổi của rotor
L’s .............................................................................. điện kháng quy đổi của stator
xii
L’m ...................................................................................điện kháng từ hóa quy đổi
Pcu,s ......................................................................................... là tổn hao đồng stator
Pcu,r .......................................................................................... là tổn hao đồng rotor
Ptotal ................................................................................ tổng tổn hao trong động cơ
Imr-opt ..................................................... dòng từ hóa tối ưu để tổn hao trên động cơ
K ............................................................................................... Gọi là hệ số tổn hao
xiii
DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH ............................................................................................................. TRANG
Hình1: Phân bố lượng điện năng tiêu thụ cho các thiết bị năm 2003 tại Mỹ .......iv
Hình 2.1 : Giản đồ tổn hao năng lượng trong động cơ KĐB . ............................. 5
Hình 2.2: Phân bố nguồn năng lượng sử dụng trong động cơ KĐB với các dạng
Công suất và phụ tải khác nhau . .......................................................................... 6
Hình 2.3: . Phân bố nguồn năng lượng tổn hao trong động cơ KĐB với các dạng
Công suất và phụ tải khác nhau ............................................................................ 6
Hình 2.4: Cấu tạo cơ bản của một hệ truyền động sử dụng động cơ KĐB .......... 7
Hình 2.5: Hệ thống bơm không sử bộ điều khiển cơ, tốc độ động cơ không đổi,
không có áp suất..................................................................................................... 8
Hình 2.6: Hệ thống bơm không sử bộ điều khiển cơ, tốc độ động cơ không đổi, có
áp suất .................................................................................................................... 8
Hình 2.7: Hệ thống bơm có điều khiển tốc độ, không có áp suất ......................... 9
Hình2.8: Hệ thống bơm có điều khiển tốc độ, có áp suất ..................................... 9
Hình 2.9: Sự liên hệ về phân bố công suất giữa các thiết bị trong hệ thống bơm
trong hình 1.5 đến 1.8 và hiệu suất của bơm và động cơ. ................................... 10
Hình 3.1: Động cơ KĐB ba pha . ........................................................................ 12
Hình 3.2: Tiết diện mặt cắt ngang bố trí dây quấn đối xứng của động cơ. ........ 13
Hình 3.3: Sơ đồ thay thế tương đương động cơ không đồng bộ lý tưởng. .......... 17
Hình 3.4: Sơ đồ tương đương động cơ có xem xét tổn hao sắt từ và bão hòa từ..20
Hình 3.5: Sơ đồ mô phỏng dạng phương trình động cơ KĐB ba pha lý tưởng. . 27
Hình 3.6: Sơ đồ mô phỏng dạng khối động cơ KĐB ba pha lý tưởng. ............... 27
Hình 3.7: Sơ đồ mô phỏng động cơ KĐB ba pha có xem xét ảnh hưởng tổn hao sắt
từ và bão hòa từ. .................................................................................................. 30
Hình 4.1: Sơ đồ thay thế của động cơ không đồng bộ ba pha ............................ 32
Hình 4.2: Mô hình bộ Converter ....................................................................... 35
xiv
Hình 4.3: Đặc tuyến làm việc của diodes và IGBT ............................................. 38
Hình 4.4: : Tổn hao do đóng ngắt của diodes và IGBT . ................................... 39
Hình 4.5: Tổn hao tổng trong bộ Inverter dựa trên qúa trình đóng ngắt ......... 40
Hình 4.6: Sơ đồ điều khiển trực tiếp từ thông rotor ............................................ 43
Hình 4.7: Sơ đồ điều khiển gián tiếp từ thông rotor ........................................... 44
Hình 4.8: Sơ đồ khối cơ bản của phương pháp FOC .......................................... 46
Hình 4.9: Giản đồ vector mạch tương động cơ................................................... 47
Hình 4.10: Sơ vector không gian và góc từ trường rotor . ................................. 47
Hình 4.11:Mạch tương đương của động cơ bao gồm tổn hao trên điện trở sắt từ..48
Hình 4.12: Mạch tương đương ổn định tỉnh của động cơ: (a) trục d, (b) trục q...49
Hình 4.13 : Mô hình điều khiển tối ưu động cơ KĐB bằng giải thuật LMA+FOC.52
Hình 4.14: Dòng điện stator theo thành phần isd ............................................... 54
Hình 4.15: Tổn hao đồng theo thành phần isd .................................................... 54
Hình 4.16: Tổn hao đồng và lõi sắt theo thành phần isd .................................... 54
Hình 4.17: Tổng tổn hao theo thành phần isd ..................................................... 54
Hình 4.18: Hiệu suất của động cơ theo thành phần isd khi tải thay đổi ............. 55
Hình 4.19: Tổng tổn hao của động cơ theo thành phần isd khi tốc độ thay đổi
(M=0.5Mdm) ....................................................................................................... 56
Hình 4.20: Hiệu suất của động cơ theo thành phần isd khi tốc độ thay đổi
(M=0.5Mdm). ....................................................................................................... 56
Hình 4.21: Điều khiển theo phương pháp FOC, V/f khi tải thay đổi, tốc độ là định
mức. ...................................................................................................................... 58
Hình 4.22:. Điều khiển theo phương pháp FOC, V/f khi tải không đổi và tốc độ thay
đổi ......................................................................................................................... 59
Hình 5.1: Phép chuyển trục abc-αβ-dq. .............................................................. 60
Hình 5.2: Sơ đồ điều khiển gián tiếp từ thông rotor. .......................................... 62
Hình 5.3: Lưu đồ Giải thuật 1. ............................................................................ 67
Hình 5.4: Mô hình điều khiển theo giải thuật1. .................................................. 69
Hình 5.5: Động cơ không tải, tốc độ thay đổi. .................................................... 70
xv
Hình 5.6: Khi động cơ mang tải bằng ½ định mức tốc độ thay đổi. ................... 70
Hình 5.7: Khi động cơ mang tải định mức, tốc độ thay đổi ................................ 70
Hình 5.8: Tải thay đổi (0-1)Mdm, tốc độ 500v/p. ............................................... 71
Hình 5.9: Tải thay đổi (0-1)Mdm, tốc độ 1000v/p. ............................................. 72
Hình 5.10: Tải thay đổi (0-1)Mdm, tốc độ 1395v/p. ........................................... 73
Hình 5.11: Mạch tương đương của động cơ bao gồm tổn hao trên điện trở sắt từ74
Hình 5.12: Sơ đồ tương đương động cơ theo trục-d và trục q ............................ 75
Hình 5.13: Lưu đồ Giải thuật 2 ........................................................................... 77
Hình 5.14: Mô hình điều khiển theo giải thuật 2 ................................................ 78
Hình 5.15: Động cơ không tải, tốc độ thay đổi .................................................. 78
Hình 5.16: Khi động cơ mang tải bằng ½ định mức, tốc độ thay đổi. ................ 79
Hình 5.17: Khi động cơ mang tải định mức, tốc độ thay đổi. ............................. 79
Hình 5.18: Tải thay đổi (0-1)Mdm, tốc độ500v/p ............................................... 80
Hình 5.19: Tải thay đổi (0-1)Mdm, tốc độ 1000v/p. ........................................... 81
Hình 5.20: Tải thay đổi (0-1)Mdm, tốc độ 1395v/p ........................................... 82
Hình 5.21: Lưu đồ Giải thuật 3 ........................................................................... 86
Hình 5.22: Mô hình điều khiển theo giải thuật 3 ................................................ 87
Hình 5.23: Động cơ không tải, tốc độ thay đổi .................................................. 88
Hình 5.24 : Khi động cơ mang tải bằng ½ định mức, tốc độ thay đổi ............... 88
Hình 5.25 : Khi động cơ mang tải định mức, tốc độ thay đổi ............................ 88
Hình 5.26 : Tải thay đổi (0-1)Mdm, tốc độ 500v/p ............................................. 89
Hình 5.27 : Tải thay đổi (0-1)Mdm, tốc độ 1000v/p ......................................... 90
Hình 5.28 : Tải thay đổi (0-1)Mdm, tốc độ 1395v/p .......................................... 91
Hình 6.1 : Tổn hao công suất và hiệu suất của các giải thuật khi tải thay đổi và tốc
độ là 500v/p .......................................................................................................... 93
Hình 6.2 : Tổn hao công suất và hiệu suất của các giải thuật khi tải thay đổi và tốc
độ là 500v/p .......................................................................................................... 94
Hình 6.3: Tổn hao công suất và hiệu suất của các giải thuật khi tải thay đổi và tốc
độ là 1395v/p ........................................................................................................ 95
xvi
Hình 6.4 : Hiệu quả kinh tế tính theo công thức (6.1) ........................................ 96
Hình 6.5: Hiệu quả kinh tế tính theo công thức (6.2) ......................................... 96
Hình 6.6 :Hiệu quả kinh tế tính theo công thức (6.1) ......................................... 97
Hình 6.7: Hiệu quả kinh tế tính theo công thức (6.2) ......................................... 97
Hình 6.8 :Hiệu quả kinh tế tính theo công thức (6.1) ......................................... 97
Hình 6.9 : Hiệu quả kinh tế tính theo công thức (6.2) ........................................ 97
Hình 6.10 : Hiệu quả kinh tế tính theo công thức (6.1) ...................................... 98
Hình 6.11 : Hiệu quả kinh tế tính theo công thức (6.2) ...................................... 98
Hình 6.12 : Hiệu quả kinh tế tính theo công thức (6.1) ...................................... 99
Hình 6.13 : Hiệu quả kinh tế tính theo công thức (6.2) ...................................... 99
Hình 6.14 : Hiệu quả kinh tế tính theo công thức (6.1) ...................................... 99
Hình 6.15 : Hiệu quả kinh tế tính theo công thức (6.2) ...................................... 99
Hình 6.16 : Hiệu quả kinh tế tính theo công thức (6.1) .................................... 100
Hình 6.17 : Hiệu quả kinh tế tính theo công thức (6.2) .................................... 100
Hình 6.18 : Hiệu quả kinh tế tính theo công thức (6.1) .................................... 100
Hình 6.19 : Hiệu quả kinh tế tính theo công thức (6.2) .................................... 100
Hình 6.20 : Hiệu quả kinh tế tính theo công thức (6.1) .................................... 101
Hình 6.21: Hiệu quả kinh tế tính theo công thức (6.2) ..................................... 101
Hình 6.22 : So sánh tổn hao công suất cho 3 mô hình điều khiển .................... 102
Hình 6.23 : So sánh sự thay đổi tổn hao công suất khi tải thay đổi.................. 102
xvii
DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG ....................................................................................................... TRANG
Bảng 2.1: Kết quả về tiết kiệm năng lượng bằng phương pháp thay đổi tốc độ động
cơ khi thí nghiệm với các dạng tải khác nhau . .................................................. 11
Bảng 4.1: Thông số của động cơ. ........................................................................ 53
Bảng 5.1: Điểm làm việc tối ưu của động cơ khi tốc độ là 500v/p và tải thay
đổi.. ....................................................................................................................... 71
Bảng 5.2: Điểm làm việc tối ưu của động cơ khi tốc độ là 1000v/p và tải thay
đổi.. ....................................................................................................................... 72
Bảng 5.3 : Điểm làm việc tối ưu của động cơ khi tốc độ là 1395v/p và tải thay
đổi. ....................................................................................................................... 74
Bảng 5.4 : Điểm làm việc tối ưu của động cơ khi tốc độ là 500v/p và tải thay
đổi. ........................................................................................................................ 80
Bảng 5.5 : Điểm làm việc tối ưu của động cơ khi tốc độ là 1000v/p và tải thay
đổi. ........................................................................................................................ 81
Bảng 5.6 : Điểm làm việc tối ưu của động cơ khi tốc độ là 1395v/p và tải thay
đổi. ........................................................................................................................ 82
Bảng 5.7 : Điểm làm việc tối ưu của động cơ khi tốc độ là 500 v/p và tải thay
đổi ........................................................................................................................ 89
Bảng 5.8 : Điểm làm việc tối ưu của động cơ khi tốc độ là 1000 v/p và tải thay
đổi. ....................................................................................................................... 90
Bảng 5.9 : Điểm làm việc tối ưu của động cơ khi tốc độ là 1395v/p và tải thay
đổi ......................................................................................................................... 91
xviii
Luận văn thạc sĩ
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1 Đặt vấn đề
Tiết kiệm năng lượng nói chung và tiết kiệm điện năng nói riêng đang là mối
quan tâm đặc biệt của xã hội, đặc biệt trong bối cảnh hiện nay của Việt Nam khi
mà nền công nghiệp đang trên đà phát triển mạnh cũng như thực trạng thiếu
nguồn phát.
Động cơ không đồng bộ chiếm tỷ trọng rất lớn trong công nghiệp (75%-80%),
trong đó phần lớn động cơ công suất từ 0.75-75 kW là đa phần. Các động cơ này
thường không được trang bị thiết bị điều khiển nên rất lãng phí điện năng. Việc
áp dụng các phương pháp điều khiển tiết kiệm điện năng cho các động cơ không
đồng bộ là rất cấp thiết và có thể đem lại nguồn lợi lớn về mặt kinh tế.
1.2 Lịch sử phát triển về tiết kiệm điện năng cho động cơ (KĐB) 3 pha
Ý tưởng nghiên cứu các giải thuật giảm tổn hao công suất đã xuất hiện từ những
năm 1983 với các phương pháp điều khiển đơn giản dễ thực hiện như điều khiển
theo hệ số công suất . Phương pháp điều khiển này mặc dù đơn giản trong thực
hiện, nhưng lại khó khăn trong việc xác định hệ số công suất yêu cầu vì mỗi
động cơ giá trị này khác nhau.
Với sự phát triển trong lĩnh vực điều khiển các bộ biến đổi công suất, một số
phương pháp hiện đại hơn liên quan đến điều khiển tần số được đề xuất vào
những năm 1996-2000 như phương pháp điều khiển tần số trượt phương pháp
hiệu chỉnh trực tiếp từ thông tối ưu thông qua các thông số thực nghiệm. Hiệu
suất của các hệ truyền động được nâng cao nhưng thực hiện hệ thống điều khiển
khá khó khăn do hệ số trong các biểu thức tính từ thông được xác định bằng
thực nghiệm.
Trong thời gian sau, nhờ khả năng và tốc độ tính toán nhanh của vi điều khiển,
các nhà nghiên cứu đã triển khai các giải thuật điều khiển theo mô hình tổn hao
của động cơ chỉ trong trường hợp có tính đến tổn hao trong lõi sắt từ . Các mô
hình tổn hao này được xây dựng dựa trên thông số của động cơ, như điện trở,
1
Luận văn thạc sĩ
điện kháng của stator và của rotor, tổn hao…Lợi ích kinh tế đem lại khá cao so
với các phương pháp điều khiển truyền thống. Tuy nhiên, chất lượng điều khiển
dựa theo phương pháp này bị ảnh hưởng nhiều nếu thông số của động cơ không
chính xác hoặc thay đổi liên tục.
1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ
- Nghiên cứu xây dựng giải thuật điều khiển tiết kiệm điện năng cho động cơ
không đồng bộ 3 pha có tính đến sự thay đổi của đặc tính năng lượng của động
cơ phụ thuộc vào tần số của điện áp stator. Các giải thuật này dựa trên cơ sở
điều khiển từ thông tối ưu phù hợp với các giá trị khác nhau của tải.
- Nghiên cứu xây dựng mô hình điều khiển tiết kiệm điện năng cho động cơ
không đồng bộ 3 pha.
1.4 Phạm vi nghiên cứu
Hướng nghiên cứu mới dựa trên nguyên tắc tìm kiếm cực trị tổn hao công suất hoặc
công suất tiêu thụ được đề xuất để khắc phục nhược điểm của phương pháp dựa trên
mô hình động cơ . Tuy nhiên, phương pháp này phức tạp và khó thực hiện trong
điều kiện cảm biến không chính xác.
1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu
Nhiều phương pháp và giải thuật điều khiển tiết kiệm năng lượng cho động cơ
không đồng bộ 3 pha được nghiên cứu và đề xuất, tuy nhiên chúng có một số
nhược điểm sau:
- Phương pháp điều khiển theo hệ số công suất có thể thực hiện đơn giản, nhưng
mỗi động cơ có hệ số công suất khác nhau, nên không thể tổng hợp mô hình
thống nhất. Ngoài ra, người điều khiển phải có kiến thức nhất định về động cơ
và lợi ích kinh tế đem lại không lớn đặc biệt đối với các động cơ loại nhỏ.
- Với phương pháp hiệu chỉnh trực tiếp từ thông tối ưu từ các biểu thức đòi hỏi
phải có thông số thực nghiệm động cơ chính xác đồng thời phải ước lượng chính
xác mô men và tốc độ động cơ mới có thể đạt chất lượng điều khiển cũng như
hiệu suất cao.
- Điều khiển theo phương pháp tìm kiếm điểm cực trị không phụ thuộc vào
2
Luận văn thạc sĩ
thông số của động cơ, nhưng khả năng đáp ứng của hệ thống chậm vì vậy không
thể áp dụng đạt hiệu quả cao cho các loại tải khác nhau.
- Điều khiển từ thông động cơ sẽ ảnh hưởng nhiều đến thông số cũng như đặc
tính của động cơ và vì vậy có thể gây ra tổn hao công suất trong lõi sắt cũng như
tổn hao phụ do hiện tượng sóng hài dòng điện gây ra. Cần phải có các giải thuật
điều khiển tối ưu tìm từ thông hay dòng điện từ hóa để giảm thiểu các tổn hao
này.
1.6 Các bƣớc tiến hành
-
Xây dụng mối quan hệ giữa các thông số trong mô hình động cơ (KĐB) 3
pha.
-
Tìm hiểu các phương pháp để tối ưu sao cho có thể tiết kiệm điện năng trong
truyền tải động cơ (KĐB) 3 pha .
-
Thiết kế và xây dưng các mô hình mô phỏng tiết kiệm điện năng trong truyền
tải động cơ (KĐB) 3 pha trên matlab.
-
Đưa ra các nhận xét
1.7 Điểm mới của đề tài
Đã có nhiều phương pháp điều khiển động cơ tiết kiệm năng lượng đã được đề
xuất như điều khiển theo cos Ф , điều khiển theo tần số trượt, điều khiển theo
mô hình tổn hao, điều khiển theo từ thông tối ưu. Tuy nhiên mỗi phương pháp
điều khiển đều có những ưu và nhược điểm. Vì vậy, trong nội dung của đề tài,
ngoài nghiên cứu ứng dụng FOC để điều khiển động cơ không đồng bộ tiết kiệm
năng lượng, người viết còn đưa ra một số phương pháp điều khiển tiết kiệm
khác nhau như: phương pháp điều khiển theo thuật toán tối ưu (Loss
minimization algorithms_LMA) qua đó so sánh về hiệu suất, về đáp ứng
moment, về đáp ứng tốc độ để tìm ra phương pháp điều khiển tối ưu nhất
1.8 Giá trị thực tiễn của luận văn
-
Sử dụng các giải thuật điều khiển tối ưu đề xuất, có thể giảm tổn hao đến
10% công suất định mức của động cơ so với phương pháp điều khiển hiện đại
3
Luận văn thạc sĩ
FOC.
-
Sử dụng các giải thuật điều khiển tối ưu đề xuất, có thể giảm tổn hao đến
98% so với tổn hao trong phương pháp điều khiển hiện đại FOC.
4
