Nghiên cứu, ứng dụng biến tần đa mức trong hệ thống máy phát điện sức gió nam châm vĩnh cửu

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LƯƠNG TRỌNG KHẢI

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG
BIẾN TẦN ĐA MỨC TRONG
HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ
NAM CHÂM VĨNH CỬU

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Đà Nẵng – Năm 2017


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LƯƠNG TRỌNG KHẢI

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG
BIẾN TẦN ĐA MỨC TRONG
HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ
NAM CHÂM VĨNH CỬU

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 60520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đoàn Quang Vinh

Đà Nẵng – Năm 2017


i

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.

Đà Nẵng, ngày 25 tháng 12 năm 2017
Tác giả luận án

LƯƠNG TRỌNG KHẢI


ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN
NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BIẾN TẦN ĐA MỨC TRONG HỆ THỐNG
MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NAM CHÂM VĨNH CỬU

Học viên: Lương Trọng Khải. Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa.
Mã số: 60520216

Khóa:33.TĐH(PFIEV)

Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắt – Hiện nay việc sử dụng nguồn năng lượng sạch đang được đầu tư phát triển và
nghiên cứu sử dụng hợp lý để đạt được lợi ích kinh tế tốt nhất. Bên cạnh đó bộ biến tần đa
mức với nhiều ưu điểm hơn so với biến tần hai mức đã được nghiên cứu và xem như là sự
lựa chọn tốt nhất cho các ứng dụng truyền động trung áp. Do đó việc kết hợp biến tần đa
mức với máy phát điện gió là một nghiên cứu mang nhiều ý nghĩa thực tiễn và đáp ứng nhu
cầu năng lượng sạch kết hợp với năng suất và lợi ích kinh tế cao. Luận văn khái quát
nguyên lý hoạt động của tuabin gió kết hợp nam châm vĩnh cửu và được điều khiển bởi
biến tần đa mức dùng phương pháp điều chế vector không gian. Tác giả đã đưa ra kết quả
đạt được trong quá trình nghiên cứu và đưa ra hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài.
Từ khóa – biến tần đa mức, máy phát điện nam châm vĩnh cửu, PMSM, SVPWM, turbin
gió.

RESEARCH AND APPLICATION OF MULTI-LEVEL INVERTER IN
WIND GENERATOR SYSTEM COMBINED PERMANENT MAGNET
Abstract – Currently the use of clean energy sources are being developed and research use
rationality to achieve best economic interests. Besides the multi-level inverter with more
advantages than two inverters have been studied and seen as the best choice for highvoltage transmission applications. So the multi-level inverter combined with the wind
generator is a study carried many meanings and practices of clean energy needs combined
with productivity and economic benefits. The essay the essential principle of operation of
wind turbines combined permanent magnet and is controlled by a multi level inverter using
space vector modulation method. The author has given the results achieved in the process
of researching and giving direction to the next study of the subject.
Key words – multi-level inverter, generators permanent magnet, PMSM, SVPWM, wind
generator.


iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... I
TÓM TẮT LUẬN VĂN .......................................................................................... II
MỤC LỤC ............................................................................................................... III
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT......................................... V
DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................... VI
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..............................................................VII
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
1.

Lý do chọn đề tài .................................................................................................1

2.

Mục tiêu nghiên cứu............................................................................................1

3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................2

4.

Phương pháp nghiên cứu.....................................................................................2

5.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.............................................................................3

6.

Tổng quan các nghiên cứu về máy phát điện gió ................................................4

7.

Cấu trúc luận văn ................................................................................................5

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH TURBIN GIÓ VÀ MÁY PHÁT
ĐIỆN NAM CHÂM VĨNH CỬU .............................................................................6
1.1.

Năng lượng và sự chuyển đổi năng lượng gió trong turbin gió ......................6

1.2.

Máy phát điện xoay chiều ba pha nam châm vĩnh cửu ...................................9

1.4.

Mô phỏng máy điện nam châm vĩnh cửu làm việc với turnbin gió ..............19

CHƯƠNG 2 – CẤU TRÚC BỘ BIẾN TẦN ĐA MỨC DÙNG TRONG
TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ..........................................................................................23
1.3.

Cấu trúc bộ biến tần đa mức .........................................................................23

1.4.

Phương pháp điều chế cho bộ nghịch lưu áp đa mức ...................................38

CHƯƠNG 3 – HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NAM CHÂM VĨNH CỬU

LÀM VIỆC VỚI BIẾN TẦN ĐA MỨC ................................................................62
1.5.

Tổng quan về hệ thống ..................................................................................62

1.6.

Mô hình hệ thống ..........................................................................................63

1.7.

Kết quả mô phỏng .........................................................................................64


iv

CHƯƠNG 4 – ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP ĐẦU RA HỆ THỐNG MÁY
PHÁT ĐIỆN NAM CHÂM VĨNH CỬU VÀ BIẾN TẦN ĐA MỨC. .................66
1.8.

Mô hình hệ thống ..........................................................................................66

1.9.

Kết quả mô phỏng của hệ thống qua điều khiển ...........................................69

1.10.

Hệ thống làm việc với tải ..............................................................................71

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................73
1.

Kết luận .............................................................................................................73

2.

Hướng phát triển của đề tài ...............................................................................74

DANH MỤC TÀI KIỆU THAM KHẢO ..............................................................75
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN .........................................................76
PHỤ LỤC .................................................................................................................77


v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
PMSM

Permanent Magnet Synchronous Machine
(Máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu)

PID

Proportional Integral Derivative
(Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ)

BJT

Bipolar junction transistor

(Tranzito lưỡng cực nối)

IGBT

Insulated Gate Bipolar Transistor
(Transistor có cực điều khiển cách ly)

CBPWM

Carrier Based Pulse Width Modulation
(Phương pháp điều chế độ rộng xung dùng sóng mang)

SVPWM

Space Vector Pulse Width Modulation
(Phương pháp điều chế vectơ không gian)

NPC

Neutral Point Clamped

FLC

Flying Capacitor

CHB

Cascade H-Bridge

vi

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1-1. Giá trị điển hình Z0 và

theo từng loại địa hình

Bảng 2-1. Bảng trạng thái chuyển mạch (pha A) của bộ nghịch lưu 3L-NPC

7
26

Bảng 2-2. Quá trình dẫn dòng của các khóa trong pha A của bộ nghịch lưu 3L-NPC
28
Bảng 2-3. Bảng trạng thái chuyển mạch (pha A) của 3L-FLC

30

Bảng 2-4. Quá trình dẫn dòng của các khóa trong pha A của bộ nghịch lưu 3L-NPC
32
Bảng 2-5. Bảng trạng thái chuyển mạch (pha A) của 5L-CHB

34

Bảng 2-6. Các vectơ tương ứng với các trạng thái của khóa bán dẫn

41

Bảng 2-7. Vị trí các tam giác tương ứng với tổ hợp các vectơ cơ bản

42

Bảng 2-8. Thời gian tác dụng đối với vectơ

43

Bảng 2-9. Trình tự và thời gian tác động đối với

trong vùng I
thuộc tam giác I-3a

49

Bảng 2-10. Trình tự chuyển mạch của các khóa bán dẫn trong vùng I

50

Bảng 2-11. Trình tự chuyển mạch của các khóa bán dẫn trong vùng II

50

Bảng 2-12. Trình tự chuyển mạch của các khóa bán dẫn trong vùng III

51

Bảng 2-13. Trình tự chuyển mạch của các khóa bán dẫn trong vùng IV

51

Bảng 2-14. Trình tự chuyển mạch của các khóa bán dẫn trong vùng V

52

Bảng 2-15. Trình tự chuyển mạch của các khóa bán dẫn trong vùng VI

52

Bảng 2-16. Bảng tính toán thời gian tác động

57

Bảng 2-17. Bảng trạng thái đóng-ngắt của các van bán dẫn

59

Bảng 4-1. Bảng thông số PID theo phương pháp Ziegler – Nichols

67


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1-1. Mặt cắt của một động cơ đồng bộ PM

9

Hình 1-2. Mô hình đơn giản của máy điện đồng bộ ba pha rotor cực ẩn

10

Hình 1-3. Mô hình máy điện đồng bộ có dây quấn đệm

11

Hình 1-4. Hệ toạ độ đồng bộ dq và đứng yên

17

Hình 1-5. Sơ đồ khối turbin gió

19

Hình 1-6. Các thông số của khối turbin gió

19

Hình 1-7. Sơ đồ khối máy phát điện nam châm vĩnh cửu

20

Hình 1-8. Các thông số của máy phát điện nam châm vĩnh cửu

20

Hình 1-9. Điện áp dây máy phát điện với vận tốc gió v =10 m/s.

21

Hình 1-10. Điện áp dây máy phát điện với vận tốc gió v =5 m/s.

21

Hình 1-11. Điện áp đâu ra với vận tốc gió biến thiên từ 5m/s đến 10m/s

22

Hình 2-1. Bộ nghịch lưu điôt kẹp 3 mức

25

Hình 2-2. Trạng thái, điện áp điều khiển các chuyển mạch và điện áp ra

26

Hình 2-3. Bộ nghịch lưu dạng flying capacitor 3 mức

29

Hình 2-4. Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang trạng thái P với dòng điện tải
iA > 0

30

Hình 2-5. Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang trạng thái P với dòng điện tải
iA < 0

31

Hình 2-6. Bộ nghịch lưu 5 mức kiểu cầu H nối tầng

33

Hình 2-7. Quá trình chuyển mạch từ trạng thái 1→4→7→14→16 với dòng điện tải
iA > 0

35


viii

Hình 2-8. Quá trình chuyển mạch từ trạng thái 1→4→7→14→16 với dòng điện tải
iA < 0

36

Hình 2-9. Bộ nghịch lưu áp 3 mức NPC

39

Hình 2-10. Vectơ không gian điện áp của bộ nghịch lưu 3 mức NPC

41

Hình 2-11. Vectơ điện áp ở vùng I (sector I)

42

Hình 2-12. Ảnh hưởng đến Vz tương ứng với trạng thái vectơ

[PPP]

44

Hình 2-13. Ảnh hưởng của Vz tương ứng với trạng thái vectơ

45

Hình 2-14. Ảnh hưởng của Vz tương ứng với trạng thái vectơ

45

Hình 2-15. Ảnh hưởng của Vz tương ứng với trạng thái vectơ

46

Hình 2-16. Trường hợp

47

thuộc tam giác thứ tư của vùng I (I-4)

Hình 2-17. Mẫu xung của vectơ điện áp trung bình
Hình 2-18. Trường hợp

thuộc vùng I-4

thuộc tam giác thứ 3a của vùng I (I-3a)

48

49

Hình 2-19. Khối thuật toán Space Vector Modulation

53

Hình 2-20. Sơ đồ khối tạo điện áp 3 pha

54

Hình 2-21. Số thứ tự các tam giác

56

Hình 2-22. Tính toán các thời điểm chuyên mạch

57

Hình 2-23. Xung điều khiển pha A

59

Hình 2-24. Xung điều khiển pha B

59

Hình 2-25. Xung điều khiển pha C

60

Hình 2-26. Điện áp pha sau bộ nghịch lưu

60

Hình 2-27. Điện áp dây sau bộ nghịch lưu

61


ix

Hình 3-1. Tổng quan mô hình hệ thống chưa qua điều khiển

63

Hình 3-2. Điện áp sau bộ chỉnh lưu khi vận tốc gió biến thiên từ 5m/s đến 10m/s
(chưa có bộ điều khiển)

64

Hình 3-3. Điện áp pha khi chưa có bộ điều khiển

65

Hình 4-1. Mô hình tổng quan hệ thống đã qua điều khiển.

66

Hình 4-2. Mô hình bộ điều khiển PID

67

Hình 4-3. Thông số bộ điều khiển PID.

68

Hình 4-4. Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu sau khi được điều khiển.

69

Hình 4-5. Điện áp pha đầu ra của bộ nghịch lưu.

69

Hình 4-6. Điện áp dây đầu ra của bộ nghịch lưu

70

Hình 4-7. Mô hình hệ thống làm việc với tải RL

71

Hình 4-8. Dòng điện làm việc với tải R = 500Ω; L = 0,001H

71

Hình 4-9. Dòng điện làm việc với tải R = 1000Ω; L = 0,001H

72

Hình 4-10. Dòng điện làm việc với tải R = 1000Ω; L = 1H

72


1

MỞ ĐẦU
1.

Lý do chọn đề tài
Để giảm bớt tình trạng phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch, con người đã

tiến hành khai thác thêm nguồn năng lượng mới như: năng lượng hạt nhân và các
nguồn năng lượng tái tạo. Hiện nay nguồn năng lượng tái tạo như gió, mặt trời đang
được đầu tư nhiên cứu vì nguồn năng lượng này gần như không gây ô nhiễm đến
môi trường và có trữ lượng vô hạn. Đây cũng là vấn đề để giải quyết nguồn năng
lượng sắp cạn kiệt trong tương lai.
Tuy nhiên nguồn năng lượng tái tạo thường không tập trung, nó phụ thuộc
rất nhiều vào kỹ thuật mới. Do đó giá thành sản xuất ra được 1KW rất cao. Theo xu
hướng phát triển của thế giới, các ngành kỹ thuật cao đã phát triển và ứng dụng
ngày càng nhiều hơn thì giá thành để sản xuất ra 1KW sẽ giảm đến một lúc nào đó
giá thành để sản xuất năng lượng tái tạo sẽ giảm ngang bằng với năng lượng hóa
thạch và có xu hướng thấp hơn trong trong tương lai.
Gần đây, bộ biến tần đa mức đã được nghiên cứu và xem như là sự lựa chọn
tốt nhất cho các ứng dụng truyền động trung áp. Ưu điểm chính của bộ biến tần đa
mức là điện áp đặt lên các linh kiện giảm xuống nên công suất của bộ nghịch lưu
tăng lên, đồng thời công suất tổn hao do quá trình đóng cắt linh kiện cũng giảm theo.
Với cùng tần số đóng cắt, các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp ra nhỏ hơn
so với trường hợp biến tần hai mức nên chất lượng điện áp ra tốt hơn.

Do đó việc kết hợp biến tần đa mức với máy phát điện gió là một nghiên cứu
mang nhiều ý nghĩa thực tiễn và đáp ứng nhu cầu năng lượng sạch kết hợp với năng
suất và lợi ích kinh tế cao.

2.

Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu bộ biến tần đa mức dùng để ổn định tần số

đầu ra của máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu. Từ đó tạo ra một nguồn cung cấp
năng lượng sạch, dồi dào có tính ổn định và hiệu quả kinh tế cao.


2

3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• Đối tượng nghiên cứu, khảo sát:
- Turbin gió.
- Máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu.
- Biến tần đa mức sử dụng bộ nghịch lưu áp đa mức diode kẹp.
- Sử dụng kết hợp biến tần đa mức với máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu.
• Phạm vi nghiên cứu:
- Do hạn chế về mặt thời gian nên trong luận văn chỉ tập trung vào việc

nghiên cứu ổn định tần số của đầu ra máy phát điện gió khi gắn trực tiếp biến tần đa
mức.
- Đồng thời tập trung vào phân tích bộ nghịch lưu áp đa mức, quá trình
chuyển mạnh cũng như phương pháp điều chế.

4.

Phương pháp nghiên cứu
• Khảo sát, phân tích tổng hợp.
• Mô phỏng trên máy tính.
• Đánh giá kết quả dưa trên mô phỏng.


3

5.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
 Ý nghĩa khoa học:
• Việc dùng biến tần đa mức giúp khắc phục được những nhược điểm còn tồn

tại của bộ biến tần sủ dụng bộ nghịch lưu áp hai mức như là:
- Sự chuyển mạch tần số cao làm giảm định mức, tuổi thọ thiết bị đóng ngắt
cũng như tổn thất công suất lớn.
- Tần số đóng ngắt nằm trong khoảng băng thông 10-30KHz tạo ra nhiễu
điện từ trường lên thiết bị truyền thông và thiết bị điện tử khác
• Thông qua việc dùng biến tần đa mức kết hợp với máy phát điện gió sẽ tạo
ổn định được tần số của điện áp đầu ra cho máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu.
 Ý nghĩa thực tiễn:
• Sử dụng kỹ thuật trong máy phát điện gió sử dụng nam châm vĩnh cửu mạng
lại lợi ích kinh tế lớn, dễ bảo dưỡng và lắp đặt (thông qua việc loại bỏ hộp số).
• Ứng dụng quan trọng nhất của máy phát điện gió điện là cung cấp điện cho
các vùng hải đảo, vùng xa mà lưới điện quốc gia không thể cung cấp được.

4

6.

Tổng quan các nghiên cứu về máy phát điện gió

Trước đây đã có nhiều nghiên cứu về máy phát điện gió và biến tần đa mức nhưng
là các nghiên cứu độc lập với nhau. Chưa có nghiên cứu về sự kết hợp giữ máy phát
điện gió và biến tần đa mức. Các nghiên cứu đó điển hình như:
 Năm 2002, T. Nakamura, S. Morimoto, M. Sanada, Y. Takeda [2.6], đã giới
thiệu một chiến lược điều khiển tối ưu cho máy phát điện đồng bộ nam châm
vĩnh cửu nội trong hệ thống phát điện gió.
 Năm 2003, S. Morimoto, H. Nakayama, M. Sanada and Y. Takeda [2.7], đã đề
xuất để sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu nội cho hệ thống
phát điện gió tốc độ biến đổi.
 Năm 2006, S. Morimoto, H. Kato, M. Sanada and Y. Takeda [2.7], tiếp tục đề
xuất một chiến lược điều khiển cực đại công suất phát của một hệ thống phát
điện gió với máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu nội.
 Năm 2007, I. Kawabe, S. Morimoto and M. Sanada [2.9], đã nghiên cứu máy
phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong với chiến lược điều khiển cực
đại công suất phát của hệ thống phát điện gió.
 Năm 2007, W. Qiao, L. Qu và R. G. Harley [2.10], đã thực hiện các nghiên
cứu cho máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong để cực đại công
suất phát và cực tiểu các tổn thất.

Ngoài ra còn khá nhiều các nghiên cứu về biến tần đa mức và phương pháp điều chế
biến tần đa mức được giới thiệu trong phần tài liệu tham khảo.

5

7.

Cấu trúc luận văn
 Mở đầu
 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH TURBIN GIÓ VÀ MÁY PHÁT
ĐIỆN NAM CHÂM VĨNH CỬU.
Giới thiệu tổng quan về turbin gió và máy phát điện nam châm vĩnh cửu.
 Chương 2: CẤU TRÚC BỘ BIẾN TẦN ĐA MỨC DÙNG TRONG
TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐA MỨC.
Giới thiệu cấu trúc bộ biến tần đa mức và phương pháp điều chế Vector
không gian.
 Chương 3: HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NAM CHÂM VĨNH CỬU
LÀM VIỆC VỚI BIẾN TẦN ĐA MỨC.
Kết nối mát phát điện gió nam châm vĩnh cửu và biến tần đa mức để điều
khiển tần số của điện áp đầu ra.
 Chương 4: ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP ĐẦU RA HỆ THỐNG MÁY
PHÁT ĐIỆN NAM CHÂM VĨNH CỬU VÀ BIẾN TẦN ĐA MỨC.
Điều khiển ổn định biên độ điện áp đầu ra của hệ thống thông qua việc dùng
bộ PID để điều khiển biên độ điện áp một chiều sau bộ chỉnh lưu.
 Kết luận và kiến nghị
 Tài liệu tham khảo


6

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH TURBIN GIÓ
VÀ MÁY PHÁT ĐIỆN NAM CHÂM VĨNH CỬU
1.1. Năng lượng và sự chuyển đổi năng lượng gió trong turbin

gió
1.1.1 Mật độ phân bố gió
Gió là sự di chuyển của khối không khí trong khí quyển, chủ yếu bắt nguồn
do khác nhau về nhiệt độ giữa các vùng của trái đất. Hàm mật độ xác suất thong
thường nhất để mô tả tốc độ gió là hàm phân bố Weibull, được biểu diễn bởi công
thức:
(

)=

(0.1)

Trong đó k và C là hệ số hình dạng và hệ số tỷ lệ tương ứng. Hệ số này được
điều chỉnh để phù hợp với dữ liệu gió tại vị trí thích hợp.
Hàm xác suất phân bố Weibull cho thấy tốc độ gió trung bình hiếm khí xảy
ra ở mức gió thường xuyên hơn. Xác suất phân bố lớn nhất xảy ra tương ứng với
vận tốc gió 5,5m/s trong khi tốc độ gió trung bình 7m/s.
Tốc độ gió trung bình cũng là một hàm theo chiều cao. Mô hình toán được
đưa ra là một luật Prandtl logagrithmic, được mô tả bởi phương trình:
( )
(

)

=

(0.2)

Trong đó z là chiều cao mặt đất và zref là chiều cao tham khảo ( thường là
10m) và z0 là chiều cao do bề mặt địa hình, các giá trị tiêu biểu của thông số này

theo địa hình được liêt kê trong bảng 1-1. Một công thức thực nghiệm khác mô tả
ảnh hưởng của tốc độ gió đến địa hình và tuân thủ theo hàm mũ như sau:
( )=

(

)

Trong đó, thông số Z0 phụ thuộc vào bề mặt địa hình và giá trị
các loại đại hình khác nhau thể hiện cột cuối trong bảng 1-1.

(0.3)
tương ứng


7

Loại bề mặt

Z0 (mm)

Bái cát

0.2~0.3

0.1

Vùng cỏ thấp

1 đến 10

0.13

Vùng cỏ cao

40 đến 100

0.19

Vùng ngoại ô

1000 đến 2000 0.32

Bảng 0-1. Giá trị điển hình Z0 và

theo từng loại địa hình

Sự tin cậy của công thức Weibull phụ thuộc vào ước lượng chính xác thong
số k và C. Để tính toán chính xác k và C, dữ liệu gió phải thu thập tương đối đầy đủ.
Trong nhiều trường hợp những thông tin như vậy không có sẵn. Dưới tình huống
như vậy, một trường hợp đơn giản hóa mô hình Weibull được đưa ra, xấp xỉ
K bằng 2 và C  2V /  với V là vận tốc gió trung bình, thế vào (1.1) ta được hàm
mật độ xác suất gọi là Rayleigh:
(

)=

exp

(0.4)

Thể hiện mật độ xác suất tốc độ gió của phân bố Rayleigh, tương ứng tốc độ
gió trung bình là 5,4m/s và 8,2m/s.

1.1.2 Năng lượng gió
Động năng gió trong một đơn vị thể tích Ek = (1/2).r.v2, trong đó r (kg/m3)
là mật độ không khí. Công suất gió xuyên qua khu vực diện tích A với tốc độ gió
trung bình v là:
= rA

(0.5)

Năng lượng gió được tính trong khoảng thời gian Tp thường là một năm:
= rA ∫

dt

(0.6)


8

1.1.3 Sự chuyển đổi năng lượng gió
Năng lượng thực tế (hay công suất cơ) lấy được từ gió Pr bởi cánh quạt
tuabin chính bằng sự khác nhau giữa động năng tích trữ trong gió ở phía trước cánh
quạt có vận tốc  và động năng của gió đằng sau cánh quạt có vận tốc d
= rA

[ ]

(0.7)

Trong đó
- A: Diện tích cánh quạt gió (m2)
- Cp được gọi là hiệu suất của cánh quạt tuabin (hay còn gọi ngắn gọn hơn là
hiệu suất rotor), được tính:
( , )=

+

(0.8)

Mà Các giá trị của hệ số C1 đến C6 là: C1 = 0.5176, C2 = 116, C3 = 0.4, C4 =
5, C5 = 21, C6 = 0.0068.
Và

=
=

(0.9)
.

(0.10)

.

: Vận tốc của rotor (v/p)
R: Bán kính cánh quạt (m)
v: Vận tốc gió (m/s)
: Góc quay cánh (độ)

Hệ số công suất cực đại Cp max = 16/27 = 59,3%
Giá trị lý thuyết Crmax chỉ ra rằng tuabin không thể lấy nhiều hơn 59,3% năng
lượng từ gió.
Ta rút ra nhận xét, nếu như rotor quay quá chậm thì gió sẽ dễ dàng đi xuyên
qua mà không tác động nhiều lên cánh quạt. Ngược lại, nếu rotor quay quá nhanh
thì cánh quạt sẽ giống như một bức tường chắn và vận tốc gió phía sau cánh quạt
gần như bằng không, hệ quả là hiệu suất gần bằng không. Momen turbin gió được
tính theo công thức sau:
=

= rA

(N/m)

(0.11)


9

1.2. Máy phát điện xoay chiều ba pha nam châm vĩnh cửu
1.2.1. Cấu tạo
Máy điện nam châm vĩnh cửu (PMSM) là một máy điện có một Stator 3 pha
cổ điển giống như một động cơ không đồng bộ, Rotor có các nam châm vĩnh cửu
được lắp đặt trên bề mặt.

Hình 0-1. Mặt cắt của một động cơ đồng bộ PM
Đặc biệt, PMSM là tương đương với một động cơ không đồng bộ, ở đó có từ
trường khe hở không khí được tạo bởi một nam châm vĩnh cửu, vì vậy từ trường
Rotor là không đổi. Các động cơ đồng bộ PM đưa ra một số thuận lợi trong thiết kế
các hệ thống điều khiển chuyển động hiện đại. Sử dụng của một nam châm vĩnh cửu

để phát ra đường từ thông khe hở không khí thực chất làm cho nó có khả năng thiết
kế các động cơ PM hiệu quả cao.


10

1.2.2. Mô hình máy điện nam châm vĩnh cửu
1.2.2.1. Mô hình đơn giản của máy điện đồng bộ ba pha

Hình 0-2. Mô hình đơn giản của máy điện đồng bộ ba pha rotor cực ẩn
 Các phương trình cơ bản
 Hệ phương trình cân bằng áp trong hệ toạ độ pha:
=

Stator:
Rotor:

=

+
+

(0.12)
(0.13)

Với:
: điện áp ngoài đặt vào mạch kích từ
: điện trở của dây quấn kích từ
: điện trở của dây quấn stator
= diag [rs rs rs)

(0.14)


11

 Xét máy điện đồng bộ có dây quấn đệm

Hình 0-3. Mô hình máy điện đồng bộ có dây quấn đệm
Trong đó:
: dòng thanh do từ trước dọc trục d cảm ứng ra.
: dòng thanh do từ trường ngang trục q cảm ứng ra.
: dòng chạy trong cuộn dây kích từ.
: dòng chạy trong cuộn dây ngang trục.
: dòng chạy trong cuộn dây ngang trục
Phương trình điện áp trong hệ toạ độ pha:
=

+

=

+

=

+

=

+

(0.15)

Trong đó:
,

,

: lần lượt là điện áp của các cuộn dây pha a, b, c.

, ,
,

: lần lượt là dòng diện của các cuộn dây pha a, b, c.
,

: lần lượt là từ thông của các cuộn dây pha a, b, c.

: từ thông móc vòng của cuộn dây kích từ.
Phương trình từ thông:
=

+

+

+

(0.16)

12

=

+

+

+

(0.17)

=

+

+

+

(0.18)

=

+

+

+

(0.19)

Với:
,

,

lần lượt là từ cảm của các cuộn dây pha a, b, c.

là từ cảm của cuộn dây kích từ.
,

,

,

,

,

,

,

lần lượt là hỗ cảm của các cuộn dây pha a,b,c qua cuộn dây kích

,

,

lần lượt là hỗ cảm của cuộn dây kích từ qua các cuộn dây pha a,

lần lượt là hỗ cảm giữa các pha.

từ.

b, c.
Phương trình từ cảm và hỗ cảm của động cơ:
=

+

cos 2

=

+

cos 2(

120 )

(0.21)

=

+

cos 2(

120 )

(0.22)

=

+

(0.20)

(0.23)

=

=

cos 2(

120 )

(0.24)

=

=

cos 2(

120 )

(0.25)

=

=

cos 2(

360 )

(0.26)

=

=

cos

=

=

cos(

120 )

(0.28)

=

=

cos( + 120 )

(0.29)

(0.27)

=

(0.30)

=

(0.31)


13

Trong đó:
= (

, ) là góc hợp bởi dây quấn stator và dây quấn rotor (góc giữa pha a

và trục d).
=

=

là tốc độ góc của động cơ.

là điện kháng từ hoá dọc trục d.
là điện kháng từ hoá ngang trục q.
Từ trường của dây quấn kích từ:
=

+

=

+

+

,

[ cos +

cos(

120 ) +

cos( + 120 )

+

,

(0.32)

Từ trường của dây quấn nệm dọc trục:
=

+

,

=

,

+

,

+

,

+

,

+

,

+

,

(0.33)

,

,

=

,

=

,

cos

,

=

,

=

,

cos(

120 )

(0.35)

,

=

,

=

,

cos( + 120 )

(0.36)

(0.34)

Nếu trục d là trục cực từ của dây quấn kích từ f và dây quấn kq, trục q là trục cực từ
của dây quấn kq thì ta có từ cảm và hỗ cảm giữa các pha dây quấn là:
,

=

. .

(0.37)

,

=

. .

(0.38)

=

,

(0.39)

,

=

. .

(0.40)

,

=

. .

(0.41)

,

,

. .

=

. .

=

.

(0.42)
,

=

.

,

(0.43)


14

1.2.2.2. Mô hình toán học của máy điện kích thích nam châm vĩnh cửu

Đặc tính động của động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu được mô tả bởi
hệ phương trình:

Với:

( )=

( )+

( )

( )=

( )+

( )

( )=

( )+

( )

( ),

( ),

( ),

( ),

( ),

(0.44)
(0.45)
(0.46)

( ) là điện áp trên 3 dây pha stator
( ) là dòng điện trên 3 dây pha stator

( ),

( ) là từ thông móc vòng 3 cuộn dây stator

là điện trở dây quấn stator
Nếu dùng cách biểu diễn vectơ thì:
( )=

( )+

( )

+

( )

(0.47)

Suy ra
=

+

(0.48)

Trong đó:
( )=

( )+

( )=

( )

( )+

( )

( )

+
+

là vector dòng stator
( )

là vector từ thông stator

Số “s” ở trên chỉ hệ quy chiếu stator
Nếu quan sát trên hệ tọa độ rotor (d-q) – có trục d trùng với trục từ thông vĩnh cửu

thì trở thành:
=

+

+

(0.49)

Số “f” ở trên chỉ hệ quy chiếu rotor
Vectơ từ thông stator

gồm có 2 thành phần : một thành phần do dòng stator tự

cảm ứng trong các cuộn dây stator, một thành phần do từ thông rotor

cảm ứng

sang.
=

+

(0.50)