Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng quá trình khởi động và làm việc của động cơ đồng bộ công suất lớn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:181

Thêm vào BST

Báo xấu

9
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng quá trình khởi động và làm việc của động cơ đồng bộ công suất lớn" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về điều khiển kích từ động cơ đồng bộ công suất lớn; Mô tả toán học và đánh giá các thông số ảnh hưởng đến chế độ khởi động và làm việc của động cơ đồng bộ công suất lớn; Giải pháp nâng cao chất lượng quá trình khởi động và làm việc của động cơ đồng bộ công suất lớn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng quá trình khởi động và làm việc của động cơ đồng bộ công suất lớn

VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA DƯƠNG QUỐC HƯNG NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG QUÁ TRÌNH KHỞI ĐỘNG VÀ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ CÔNG SUẤT LỚN – 2022
VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA DƯƠNG QUỐC HƯNG NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG QUÁ TRÌNH KHỞI ĐỘNG VÀ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ CÔNG SUẤT LỚN 1. PGS.TS. guyễn ữu ông 2. PGS.TS. guyễn ăn iễn - 2022
I Lu n n Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng quá trình khởi động và làm việc của động cơ đồng bộ công suất lớn” bắt đầu đ th hi n từ năm 2014 t i Vi n nghi n u i n t Tin h T đ ng h i s h ng n PGS. TS. Nguyễn Hữu Công và PGS. TS. Nguyễn Văn Liễn. Nghi n u sinh xin m đo n đây là ông trình nghi n u mình, ùng v i s hỗ tr về kinh phí B gi o ụ và ào t o thông qu đề tài nghi n u kho h ấp B t n đề tài: Nghi n u xây ng b điều khiển tối u để điều khiển kí h từ đ ng ơ đồng b ông suất l n” mã số đề tài B2018 - TNA – 058. C kết quả nghiên uđ trình bày trong lu n n là trung th kh h qu n và h từng bảo v ở bất kỳ h vị nào. Nghi n u sinh xin m đo n rằng m i s giúp đỡ ho vi th hi n lu n n đã đ m ơn thông tin trí h n trong lu n n này đều đ hỉ rõ nguồn gố . Hà N i ngày 05 tháng 05 năm 2022 T giả lu n n Dương Quốc Hưng i
I Tr ti n Nghi n u sinh xin g i l i ảm ơn đến hai thầy h ng n là PGS. TS. Nguyễn Hữu Công và PGS. TS. Nguyễn Văn Liễn. C thầy đã h ng n huy n môn giúp đỡ đ ng vi n và khí h l nghi n u sinh trong suốt qu trình th hi n lu n n tiến sĩ từ năm 2014 đến n y. Nghi n u sinh xin bày t l i ảm ơn t i TS. Nguyễn Thế Truy n. Thầy đã đ ng vi n khí h l và đ ng g p nhiều ý kiến quý b u ho nghi n u sinh trong suốt th i gi n th hi n nghi n u t i Vi n nghi n u i nt Tin h T đ ng h . Nghi n u sinh xin ảm ơn t i nhà kho h và nb nhân vi n đ ng ông t t i Vi n nghi n u i nt Tin h T đ ng h . ặ bi t ph ng Hành hính t ng h p Vi n đã t o những điều ki n tốt nhất ho nghi n u sinh trong qu trình nghi n u. Nghi n u sinh bày t l i ảm ơn t i b n Gi m đố Công ty phần ơ đi n t ASO ùng n b kỹ thu t ông ty đã hỗ tr về m y m tr ng thiết bị và nhân l phối h p ùng nghi n u sinh xây ng mô hình th nghi m và th nghi m thu t to n điều khiển. Nghi n u sinh ũng xin đ ảm ơn t i b n Gi m hi u tr ng ih kỹ thu t ông nghi p ùng thầy ô gi o trong kho i n tr ng đã t o điều ki n về th i gi n và ông vi ho nghi n u sinh trong qu trình nghi n u. Xin hân thành ảm ơn Hà N i ngày 05 tháng 05 năm 2022 T giả lu n n Dương Quốc Hưng ii
Danh mục c c u c ữ viết tắ ếng n .................................................... vi D n ục c c ồ ị n ............................................................................. viii D n ục c c ng u......................................................................................... xiii n u .............................................................................................................. 1 ương I ng u n u khi n kích từ ộng cơ ồng bộ công suất lớn .......... 8 1.1. T ng quan ............................................................................................................. 8 1.2. nh gi m t số nghiên c u trong và ngoài n c ................................................ 12 1.2.1. M t số nghiên c u ngoài n c ..................................................................... 12 1.2.2. M t số nghiên c u/ ng dụng trong n c ...................................................... 18 1.3. nh gi chung ................................................................................................... 21 Kết lu n h ơng 1...................................................................................................... 22 ương II ô toán học n g c c ông số n ư ng ến chế ộ kh i ộng và làm vi c củ ộng cơ ồng bộ công suất lớn ............................................. 23 2.1. C ph ơng trình to n đ ng ơ đồng b ....................................................... 23 2.1.1. C ph ơng trình trong h t đ cố định stator ........................................... 23 2.1.2. C ph ơng trình trong h t đ cố quay rotor ........................................... 25 2.2. Sơ đồ m h đi n thay thế và đồ thị vé tơ ........................................................... 27 2.2.1. Sơ đồ m h đi n thay thế ............................................................................. 27 2.2.2. ồ thị vé tơ ................................................................................................ 28 2.3. Mô men đi n từ c đ ng ơ đồng b c c lồi ...................................................... 30 2.3.1. Biểu th c xá định mô men.......................................................................... 30 2.3.2. Giá trị mô men khi khởi đ ng không đồng b .............................................. 31 2.3.3. Giá trị mô men khi làm vi c ......................................................................... 32 2.4. Các thông số ảnh h ởng đến chế đ khởi đ ng và làm vi c c đ ng ơ ............. 33 2.4.1. Các thông số ảnh h ởng đến chế đ khởi đ ng. ........................................... 33 2.4.2. Các thông số ảnh h ởng đến chế đ làm vi c ............................................... 37 2.4.2.1. Đặt vấn đề ......................................................................................... 37 iii
2.4.2.2. Mối quan hệ giữa nguồn kích từ, góc tải và hệ số công suất đối với công suất của động cơ..................................................................................... 37 2.4.2.3. Sự ảnh hưởng của tải đối với dòng điện phần ứng, góc tải và hệ số công suất của động cơ..................................................................................... 38 2.4.2.4. Sự ảnh hưởng của nguồn kích từ đối với chế độ làm việc của động cơ.... ........................................................................................................................ 39 2.4.2.5. Sự ảnh hưởng của điện áp nguồn đối với chế độ làm việc của động cơ... ........................................................................................................................ 40 2.4.2.6. Kết luận về vai trò của việc điều khiển hệ số công suất cos trong hệ thống điều khiển kích từ động cơ đồng bộ công suất lớn ................................. 42 Kết lu n h ơng 2...................................................................................................... 42 ương III G i pháp nâng cao chấ lượng quá trình kh ộng và làm vi c của ộng cơ ồng bộ công suất lớn ................................................................................ 44 3.1. Giải pháp nâng cao chất l ng bắt” đồng b khi khởi đ ng ............................... 44 3.1.1. Xây d ng giải pháp ...................................................................................... 44 3.1.2. Th c hi n giải pháp ..................................................................................... 45 3.1.2.1. Thực hiện giải pháp “bắt” đồng bộ bằng mạch điện tử ...................... 45 3.1.2.2. Thực hiện giải pháp “bắt” đồng bộ bằng logic mờ ............................. 55 3.2. Giải pháp nâng cao chất l ng h điều khiển kích từ ở chế đ làm vi c .............. 66 3.2.1. Cấu trúc h thống điều khiển kích từ đ ng ơ đồng b ................................. 66 3.2.2. Ứng dụng thu t toán tối u bầy đàn (P rti le Sw rm Optimiz tion PSO) để thiết kế b điều khiển cho h thống kích từ ................................................................ 67 3.2.2.1. Giới thiệu thuật toán tối ưu bầy đàn PSO ........................................... 67 3.2.2.2. Ứng dụng thuật toán tối ưu PSO để thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống kích từ ................................................................................................... 70 3.2.2.3. Ứng dụng thuật toán tối ưu PSO để thiết kế bộ điều khiển lai PID và FLC – Sugeno cho hệ thống điều khiển kích từ................................................ 73 3.2.3. Kết quả mô ph ng điều khiển kích từ ở chế đ làm vi c .............................. 76 Kết lu n h ơng 3...................................................................................................... 80 iv
ương IV ô n ực nghi u khi n kích từ ộng cơ ồng bộ công suất 500kW ...................................................................................................................... 81 4.1. Gi i thi u mô hình th c nghi m .......................................................................... 81 4.1.1. T ng quan về mô hình th c nghi m ............................................................. 81 4.1.2. Các khối ch năng trong mô hình th c nghi m .......................................... 82 4.1.3. Nguyên lý làm vi c c a mô hình th c nghi m.............................................. 84 4.1.4. Các bảo v chính c a h thống kích từ trong mô hình th c nghi m ............. 84 4.1.5. Hình ảnh mô hình th c nghi m .................................................................... 85 4.2. Kết quả th c nghi m ........................................................................................... 87 4.2.1. Kết quả th c nghi m quá trình khởi đ ng và bắt” đồng b ......................... 87 4.2.2. Kết quả th c nghi m điều khiển cos ở chế đ làm vi c .............................. 93 Kết lu n h ơng 4...................................................................................................... 94 Kết luận luận án....................................................................................................... 96 D n ục c c công n ọc củ cg l n u n ến luận n .................. 98 Tài li u tham kh o ................................................................................................... 99 Các phụ lục ............................................................................................................ 108 Phụ lụ 1: Ch ơng trình l p trình ho Vi điều khiển PIC bằng ngôn ngữ C cho Mo ul bắt” đồng b ............................................................................................... 108 Phụ lụ 2: C h ơng trình l p trình M-File tr n M tl b để th c hi n thu t toán tối u PSO và h ơng trình t o hàm ch năng ho mô ph ng ............................... 115 Phụ lụ 3: C sơ đồ nguyên lý, hình ảnh Board m h đi n t và các các bảng thông số kỹ thu t c a m t số modul trong mô hình th c nghi m ....................................... 121 Phụ lục 4: Các bản vẽ đấu nối đi n trong mô hình th c nghi m ........................... 133 v
DANH M C CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT TIẾNG VIỆT VÀ TIẾNG ANH u guy n n ếng n g ếng C B ng ơ đồng b CK B ng ơ không đồng b CL Chỉnh l u KT Kí h từ BA KT Biến p kí h từ B B Bắt đồng b DT D p từ PSO Particle Swarm Optimization Tối u h bầy đàn IAE Integral Absolute Error Gi trị tuy t đối s il h N North C bắ S South C n m SCR Semiconductor Controlled Chỉnh l u b n n điều khiển Rectifier đ FB Feedback Phản hồi REF Reference Tham hiếu SM Synchronous Machine M y đi n đồng b PWM Pulse-width modulation iều hế đ r ng xung A/D Analog to Digital Chuyển đ i t ơng t s ng số D/A Digital to Analog Chuyển đ i số s ng t ơng t V/f Voltage/frequency Tỉ số đi n p/ tần số PMSM Permanent Magnet Synchronous ng ơ đồng b kí h thí h n m Motor hâm vĩnh u Pu Per unit ơn vị t ơng đối vi
SI International system of units H đo l ng quố tế PF Power factor H số ông suất AC/DC AC to DC converter B huyển đ i nguồn xo y hiều s ng m t hiều MISO Multi Input and Single Output Nhiều đầu vào m t đầu r NEG Negative Âm POS Positive D ơng HMI Human Machine Interface Màn hình gi o tiếp ng i và m y SCADA Supervisory control and data iều khiển gi m s t và thu th p acquisition ữ li u HSC High speed counter xung tố đ o PID Proportional Integral Derivative B điều khiển tỉ l tí h phân đ o hàm PLC Programable Logic Controller B điều khiển l p trình đ SCH Schematic Sơ đồ nguy n lý PCB Printed Circuit Board Bảng m h in DC Direct Current i n m t hiều AC Alternating Current i n xo y hiều FLC Fuzzy Logic Controller B điều khiển logi m vii
DANH M Á Ồ THỊ VÀ HÌNH VẼ Số hi u hình Tên hình v Trang v Các thành phần cấu tạo của Động cơ đồng bộ công suất Hình 1.1 8 lớn Hình 1.2 Stator của động cơ đồng bộ 9 Hình 1.3 Rotor cực lồi 9 Hình 1.4 Rotor cực ẩn 9 Hình 1.5 Hệ thống chổi than, vành trượt 10 Hình 1.6 Các thanh lồng sóc của động cơ đồng bộ 10 Phương pháp “bắt” đồng bộ bằng cách đo tốc độ hoặc tần Hình 1.7 12 số rotor Sơ đồ cấu trúc khởi động động cơ đồng bộ công suất lớn Hình 1.8 13 của [21] Sơ đồ cấu trúc và đặc tính tần số khi khởi động động cơ Hình 1.9 13 đồng bộ công suất lớn của [51] Sơ đồ cấu trúc điều khiển kích từ và ổn định hệ số Cos Hình 1.10 14 [12] Hình 1.11 Cấu trúc điều khiển và kết quả mô phỏng [8] 15 Hình 1.12 Cấu trúc điều khiển và kết quả mô phỏng [43] 15 Hình 1.13a. Cấu trúc điều khiển động cơ đồng bộ [13] Hình 1.13 16 Hình 1.13b. Kết quả mô phỏng [13] Hình 1.14 Sơ đồ khối điều khiển kích từ của [14] 17 Hình 1.15 Cấu trúc điều khiển mờ hệ kích từ động cơ đồng bộ [44] 17 Hình 1.16 Kết quả mô phỏng điều khiển mờ hệ kích từ động cơ đồng 17 bộ [44] Hình 1.17a. Sơ đồ mô phỏng sử dụng bộ điều khiển mờ [45] Hình 1.17 18 Hình 1.17b. Đáp ứng về dòng điện và tốc độ [45] Hình 1.17c. Đáp ứng hệ số công suất cos [45] Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu có điều khiển cấp nguồn DC Hình 1.18 19 cho rotor động cơ đồng bộ đến 3000kW [73] Hình 1.19 Sơ đồ chức năng khối điều khiển pha xung [73] 19 viii
Hình 1.20 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kích từ của [75] 20 Sơ đồ dây quấn động cơ đồng bộ cực lồi trong hệ tọa độ Hình 2.1 23 stator [26] Hai trục của động cơ đồng bộ cực lồi trong hệ tọa độ tựa Hình 2.2 25 vào rotor [26] Sơ đồ thay thế trục dọc của động cơ đồng bộ imd = id + iD Hình 2.3 28 + if [26] Sơ đồ thay thế trục ngang của động cơ đồng bộ imq = iq + Hình 2.4 28 iQ [26] Hình 2.5 Đồ thị véc tơ đầy đủ của động cơ đồng bộ [26] 28 Đồ thị véc tơ động cơ đồng bộ ở chế độ xác lập khi bỏ qua Hình 2.6 30 điện trở dây quấn stator [26] Đặc tính mô men – góc tải của động cơ đồng bộ cực lồi Hình 2.7 33 [26] Sự biến đổi về dòng điện và từ trường rotor khi động cơ Hình 2.8 34 gần đạt tốc độ đồng bộ [14] Hình 2.9 Sự dịch chuyển của góc rotor [14] 34 Thời điểm tối ưu cấp nguồn kích từ DC để “bắt” đồng bộ Hình 2.10 35 trong chế độ khởi động [14] Mối quan hệ giữa mô men và tốc độ khi khởi động [14]: a) Khởi động với mô men lớn; b) Khởi động với mô men Hình 2.11 36 trung bình; c) Ảnh hưởng của điện trở dập từ tới độ lớn của mô men cực lồi Hình 2.12 Họ đặc tính V khi tải thay đổi [7] 38 Đồ thị véc tơ của động cơ đồng bộ khi nguồn stator, nguồn Hình 2.13 39 kích từ không đổi, tải thay đổi từ P1  P2 (P2 > P1) [7] Sự ảnh hưởng của nguồn kích từ đến hiệu suất làm việc Hình 2.14 40 [7] Sự phản ứng của hệ số công suất động cơ đối với sự thay 41 Hình 2.15 đổi của điện áp lưới [14] Sơ đồ khối “bắt” đồng bộ với modul bắt đồng bộ được Hình 3.1 45 thiết kế bằng mạch điện tử Hình 3.2 Các thành phần của modul dập từ 46 Hình 3.3 Các tín hiệu vào/ra của modul bắt đồng bộ 46 Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý (SCH) của modul “bắt” đồng bộ 48 Sơ đồ nguyên lý và giản đồ tạo xung trên đầu ra CT2 và Hình 3.5 49 CT1 để gián tiếp xác định thời điểm từ trường cảm ứng đạt ix
cực đại: a) Sơ đồ nguyên lý; b) Giản đồ tạo xung điện áp ra trên CT2 và CT1 Hình 3.6a Lưu đồ chương trình chính 50 Hình 3.6b Lưu đồ chương trình con xác định điểm “bắt” đồng bộ 51 Lưu đồ chương trình con dừng máy và chương trình còn Hình 3.6c 52 xử lý lỗi mạch dập từ (Khi Thyristor T7 không mở) Sơ đồ mạch in (PCB) và hình ảnh 3D của modul “bắt” Hình 3.7 52 đồng bộ Mô phỏng các tín hiệu vào/ra của modul bắt đồng bộ khi Hình 3.8 bắt đầu có lệnh khởi động từ bộ điều khiển trung tâm (Bộ 53 PLC) Kết quả mô phỏng khi tốc độ gần đạt đồng bộ, cho phép Hình 3.9 54 xác định thời điểm từ trường cảm ứng rotor đạt cực đại Kết quả mô phỏng khi đã đủ các điều kiện để “bắt” đồng Hình 3.10 54 bộ Sơ đồ cấu trúc sử dụng logic mờ “bắt” đồng bộ khi khởi Hình 3.11 56 động động cơ đồng bộ Hình 3.12 Tín hiệu vào/ra của điều khiển mờ bắt ĐB 56 Hình 3.13 Các hàm liên thuộc tốc độ rotor 56 Hình 3.14 Các hàm liên thuộc dòng điện If 56 Hình 3.15 Các hàm liên thuộc của đạo hàm dòng điện If 56 Hình 3.16 Hàm liên thuộc đầu ra 56 Hình 3.17 Sơ đồ mô phỏng “bắt” đồng bộ chế độ khởi động động cơ 58 đồng bộ cực lồi công sất lớn trên Matlab Simulink Hình 3.18 Khối máy điện đồng bộ trong Matlab Simulink 58 Hình 3.19 Các khối chức năng của mô hình mô phỏng máy điện đồng 59 bộ Hình 3.20 Các khối chức năng bên trong khối biến đổi các tín hiệu 60 điện năng (Electrical model) Hình 3.21 Khối “abc2dq” 60 Hình 3.22 Khối “dq2abc” 60 Hình 3.23 Khối “Current and mutual fluxes” 61 Hình 3.24 Khối “PQ” 61 Hình 3.25 Khối tính toán chuyển đổi góc tải và biểu thức của nó 62 Hình 3.26 Khối tổng hợp tín hiệu cơ năng 62 Hình 3.27 Khởi động bằng phương pháp đo tốc độ và không dùng 63 x
logic mờ, thời điểm cấp kích từ là 85% tốc độ động bộ với 50% tải Khởi động bằng phương pháp tốc độ và không dùng logic Hình 3.28 mờ, thời điểm đóng kích từ là 93% tốc độ động bộ với 64 100% tải Hình 3.29 Ứng dụng logic mờ để xác định thời điểm “bắt” đồng bộ, 65 với 50% tải Ứng dụng logic mờ để xác định thời điểm “bắt” đồng bộ, Hình 3.30 65 với 100% tải Hình 3.31 Sơ đồ khối điều khiển kích từ cho động cơ đồng bộ 66 Đồ thị véc tơ dòng điện và điện áp phía stator: a) Đồ thị véc tơ điện áp stator; b) Trường hợp dòng điện và điện áp Hình 3.32 67 cùng pha; c) Dòng điện chậm sau điện áp; d) Dòng điện vượt trước điện áp Hình 3.33 Một điểm tối ưu bằng PSO 68 Hình 3.34 Lưu đồ thực hiện tối ưu theo PSO 69 Sơ đồ thiết kế bộ điều khiển PID bằng thuật toán tối ưu Hình 3.35 70 PSO Sơ đồ mô phỏng trên Matlab – Simulink khi sử dụng bộ Hình 3.36 72 điều khiển PID Hình 3.37 Sơ đồ tối ưu bộ điều khiển FLC 74 Các hàm thuộc của FLC và vùng giá trị chạy tối ưu bằng Hình 3.38 75 PSO Sơ đồ mô phỏng trên Matlab – Simulink khi sử dụng bộ Hình 3.39 76 điều khiển lai PID – FLC Sugeno Đáp ứng cos của động cơ và sự thay đổi của nguồn kích Hình 3.40 78 từ khi giá trị cosđ = 0,85  0,95 Đáp ứng cos của động cơ, khi tải tăng lên 30% (tại thời Hình 3.41 78 điểm 2.5s) và giá trị cosđ = 0,95 Đặc tính hội tụ tham số tối ưu của bộ điều khiển PID Hình 3.42 79 bằng thuật toán PSO Đặc tính hội tụ tham số tối ưu của bộ điều khiển lai PID - Hình 3.43 79 FLC bằng thuật toán PSO xi
Hình ảnh của động cơ đồng bộ 500kW trong mô hình thực Hình 4.1 81 nghiệm Hình 4.2 Chức năng các khối điều khiển hệ thống kích từ 82 Hình 4.3 Bản vẽ động lực của hệ thống kích từ động cơ đồng bộ 85 Hình ảnh mặt trước và mặt sau của tủ máy biến áp kích từ, Hình 4.4 86 điện trở dập từ Hình 4.5 Hình ảnh mặt trước tủ điều khiển kích từ 87 Hình 4.6 Mô hình thực nghiệm 87 Dòng điện, điện áp stator, cos của hệ thống khi bắt đầu Hình 4.7 88 khởi động Hình 4.8 Dòng điện, điện áp, cos của hệ thống khi “bắt” đồng bộ 88 Hình 4.9 Kết thúc quá trình khởi động để vào chế độ làm việc 89 Hình 4.10 Đồ thị tốc độ của động cơ 89 Hình 4.11 Dạng sóng điện áp sau chỉnh lưu 90 Hình 4.12 Tần Số Rotor lúc“bắt” đồng bộ 90 Đáp ứng thực nghiệm của hệ số công suất Cos khi sử Hình 4.13 dụng bộ điều khiển PI với phương pháp Ziegler-Nichols 93 kết hợp thử sai số Đáp ứng thực nghiệm của hệ số công suất Cos khi sử Hình 4.14 dụng bộ điều khiển PID với thuật toán PSO tối ưu hóa 94 tham số bộ điều khiển xii
D H Á B G BIỂU Số hi u b ng Tên b ng Trang Bảng 3.1 Các tín hiệu vào/ra của modul bắt đồng bộ 46 Bảng 3.2 Số liệu mô phỏng cho động cơ đồng bộ cực lồi trong hệ pu 62 khi “bắt” đồng bộ Bảng 3.3 Ký hiệu nhãn ngôn ngữ cho các tập mờ 73 Bảng 3.4 Hệ luật điều khiển của FLC-sugeno 74 Bảng 3.5 Số liệu mô phỏng cho động cơ đồng bộ cực lồi trong hệ SI 75 Bảng 4.1 So sánh các giải pháp “bắt” đồng bộ 89 xiii
Ph n u 1. lự c ọn ng ơ đồng b công suất l n ch yếu đ c ng dụng trong nhà m y đi n, các tr m bơm m y nén khí o p…trong các nhà máy, xí nghi p công nghi p. Theo các tài li u tham khảo [1 - 7], có thể t ng h p ra m t số u và nh c điểm c a nó so v i đ ng ơ không đồng b có cùng công suất: Ưu điểm: o Có hi u suất o hơn khả năng ho t đ ng ở Cos  1 điều này cho phép nâng cao h số công suất Cos c l i đi n nhà máy và giảm kí h th c, tr ng l ng bản thân đ ng ơ, do có dòng đi n stator nh hơn. o Bằng vi điều chỉnh dòng kích từ phía rotor đ ng ơ đồng b có thể điều chỉnh đ c h số công suất Cos o đ có thể làm vi c ở chế đ đ ng ơ hoặc chế đ máy bù công suất phản kháng khi cần bù công suất phản kháng cho các phụ tải gồm nhiều đ ng ơ không đồng b . o Tố đ quay c đ ng ơ đồng b là không đ i và ít phụ thu vào o đ ng tải trên trục c a rotor trong m t gi i h n ho phép nào đ . Nhược điểm: o Vì rotor có cu n kích từ và các m h đi n li n qu n nh m ch khởi đ ng, m ch điều chỉnh kích từ, m ch d p từ..., n n đ ng ơ đồng b luôn cần m t thiết bị kích từ đi kèm o đ vi điều khiển nó ph c t p hơn nhiều so v i đ ng ơ không đồng b cả trong gi i đo n khởi đ ng và khi làm vi c. ể hỗ tr vi c khởi đ ng, mặt ngoài c rotor đ ng ơ đồng b công suất l n đ c chế t o thêm cu n khởi đ ng d ng lồng sóc. Khi bắt đầu khởi đ ng, dòng kích từ không đ đ vào cu n dây rotor, m t đi n trở d p từ đ c mắc vào cu n dây này để d p s đi n đ ng t cảm đồng th i hỗ tr vi tăng mô men khởi đ ng ho đ ng ơ đ ng ơ đ c khởi đ ng nh m t đ ng ơ không đồng b rotor lồng sóc [1]. Dòng đi n khởi đ ng tăng m nh (5  7)Iđm gây sụt áp l n và t n thất đi n năng. Khi đ ng ơ gần đ t tố đ đồng b , đi n trở d p từ đ c lo i ra và nguồn kích từ đ đ vào cu n dây rotor để nó trở thành n m hâm đi n, lúc này từ tr ng c st tor bắt” 1
đ c từ tr ng c a rotor và cuốn đ ng ơ vào hế đ đồng b . Ở gi i đo n này, nhi m vụ c a b điều khiển kích từ là phải x định đ c chính xác th i điểm để cấp nguồn kích từ DC vào cu n dây c a rotor (Th i điểm này g i là bắt” đồng b hoặ vào đồng b ), giúp ho đ ng ơ khởi đ ng an toàn và tiết ki m đi n năng. + Nếu vi vào đồng b đ c th c hi n s m lú này qu n tính ơ l n gây rung gi t các kết cấu ơ khí đồng th i s đi n đ ng t cảm trong rotor v n có giá trị l n, sẽ gây h i ho đ ng ơ. Nguồn kích từ đ vào rotor ũng phải có giá trị rất l n để t o từ tr ng đ m nh (vi c này g i là ng kích), gây t n thất đi n năng và s tăng dòng trở l i ở phía stator. + Nếu vi vào đ ng b th c hi n mu n, quá trình khởi đ ng kéo dài, gây h i cho cu n khởi đ ng, bởi lẽ cu n ây này đ c chế t o để làm vi c ở chế đ ngắn h n, đồng th i gây lãng phí đi n năng. Trong chế đ làm vi c, thiết bị kích từ phải điều chỉnh dòng kích từ sao cho n định đ c h số công suất Cos ở giá trị đặt, để n định đ c chế đ làm vi c c a đ ng ơ khi có s th y đ i c a tải hoặ o đ ng c đi n p l i giúp ho đ ng ơ làm vi c n toàn và đem l i hi u suất làm vi c cao. Do v y, đ ng ơ đồng b luôn có yêu cầu chi phí v n hành o hơn so v i đ ng ơ không đồng b . Trong những năm qu vấn đề x định th i điểm vào đồng b ở chế đ khởi đ ng đã m t số nghiên c u đề c p đến v i các giải pháp đo tố đ rotor [1], [2], [4], [72], [73], [76] v i tố đ (95 – 98)%, hoặ đo tần số c ng đi n cảm ng rotor [6], [20], [75], [76] v i tần số khoảng (3- 5)Hz, hoặ đo ng đi n stator [12], [33] v i ng đi n giảm còn khoảng (2 – 2.5)Iđm là các th i điểm phù h p để vào đồng b . Các giải ph p này ơ bản đã đ p ng đ c điều ki n vào đồng b , tuy nhiên còn phụ thu c nhiều vào kinh nghi m. Các thông số đo l ng để x định th i điểm vào đồng b v n nằm trong m t giải giá trị mà h x định đ c chính xác th i điểm phù h p, nên b điều khiển v n phải th c hi n vi c ng kích v i giá trị l n từ 2 – 2.5 lần dòng kích từ định m c khi vào đồng b , vi c này gây ra s rung gi t khi khởi đ ng và tiêu tốn đi n năng. Trong chế đ làm vi c, vi c điều khiển h số công suất Cos đ c th c hi n ở phía kích từ nhằm n định chế đ làm vi ho đ ng ơ đã đ đề c p đến trong các nghiên c u [8], [12], [14], [18], [19], [23], [25], [43 – 45], [73], [74]. H thống điều 2
khiển kích từ ch yếu s dụng các b điều khiển PID hoặ điều khiển m v i ph ơng pháp chỉnh định bằng kinh nghi m hoặc th c nghi m là ph biến o đ kết quả thiết kế h th c s tối u. ề tài này tiếp tục nghiên c u, đề xuất thêm giải pháp nhằm nâng cao chất l ng điều khiển kích từ ho đ ng ơ đồng b công suất l n, cả ở chế đ khởi đ ng và chế đ làm vi c, nhằm khai thác tối đ u điểm và h n chế đến m c tối thiểu những nh điểm c a lo i đ ng ơ này. 2. ục c củ luận n  ề xuất thêm giải pháp x định chính xác th i điểm để đ nguồn kích từ DC vào cu n dây rotor c đ ng khi khởi đ ng. iều này giúp cho quá trình khởi đ ng diễn r trơn tru tố đ tăng ần đều, giảm s rung đ ng về ơ khí và s tăng ng trở l i ở phía stator tăng tu i th c a đ ng ơ và tiết ki m đi n năng.  Ứng dụng thu t toán tối u để thiết kế b điều khiển nhằm t đ ng điều chỉnh dòng kích từ n định giá trị Cos theo l ng đặt, từ đ gi n tiếp n định đ c mô men và chế đ làm vi c c đ ng ơ khi có nhiễu phụ tải hoặc nhiễu đi n áp nguồn xảy ra. Kết quả nghiên c u đ c th nghi m trên mô hình th c nghi m v i đ ng ơ đồng b công suất l n nhằm khẳng định tính th c tiễn. 3. ố ượng p ạ ng n cứu  ối t ng nghiên c u: ng ơ đồng b c c lồi kích từ đi n có công suất l n và b điều khiển kích từ cho nó.  Ph m vi nghiên c u: Nghiên c u nâng cao chất l ng khởi đ ng và điều khiển đ ng ơ đồng b công suất l n tinh đến nhiễu phụ tải. 4. ương p p ng n cứu  Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên c u các lý lu n ơ bản và hi n đ i về điều khiển để có thể t ng h p đ c thu t to n điều khiển. Nghiên c u các m ch kỹ thu t đi n t và vi x lý. Xây d ng đ c mô hình mô ph ng để đ nh gi tính đúng đắn về lý thuyết c a thu t toán.  Thực nghiệm: Xây d ng đ c mô hình th c nghi m h thống điều khiển kích từ ho đ ng ơ đồng b công suất l n. Cài đặt thu t toán và th nghi m để khẳng định tính th c tiễn. 3
n ớ ọc công ng  ề xuất giải pháp nâng cao chất l ng vào đồng b khi khởi đ ng: ol ng các tham số để x định th i điểm từ tr ng cảm ng trong rotor đ t c đ i và dòng đi n khởi đ ng stator giảm đến m ho phép khi đ ng ơ gần đ t tố đ đồng b . Sau đ xây d ng thu t toán phù h p để x định chính xác th i điểm điểm vào đồng b . Tiếp theo, s dụng các m h đi n t và vi điều khiển hoặc lý thuyết logic m để th c hi n giải pháp.  Ứng dụng thu t toán tối u bầy đàn đàn (P rti le Sw rm Optimiz tion - PSO) để thiết kế bộ u khi n PID hoặc bộ u khi n lai PID – FLC cho h thống kích từ ở chế đ làm vi c nhằm điều khiển h số công suất Cos theo l ng đặt, từ đ gián tiếp n định đ c mô men và chế đ làm vi c c đ ng ơ khi nhiễu phụ tải hoặc nhiễu đi n áp nguồn xảy ra. Th nghi m giải pháp vào mô hình th c nghi m h thống kích từ ho đ ng ơ đồng b công suất 500kW t i m t tr m bơm để khẳng định tính th c tiễn. 6. ng k ọc ực n  B sung thêm giải ph p để nâng cao chất l ng khởi đ ng cho đ ng ơ đồng b công suất l n đồng th i ng dụng tốt thu t toán tối u PSO vào vi c thiết kế b điều khiển cho h thống kích từ đ ng ơ đồng b công suất l n. Mô hình th c nghi m đ c xây d ng nhằm ng dụng kết quả nghiên c u vào th c tiễn.  Kết quả nghiên c u cung cấp th m ơ sở dữ li u cần thiết để các nhà sản xuất thiết bị kích từ có thể phát triển sản phẩm m ng th ơng hi u Vi t có chất l ng t ơng đ ơng hàng nh p ngo i nh ng gi thành h đồng th i làm ch đ c công ngh và thiết bị. V i mụ đí h tính m i về kho h ông ngh trên lu n n sẽ đ ấu trú gồm các n i ung hính nh s u: ương I: ng u n u khi n kích từ ộng cơ ồng bộ công suất lớn Ch ơng này trình bày t ng quan về cấu t o, nguyên lý làm vi c c a đ ng ơ đồng b công suất l n đồng th i nêu vai trò c a b điều khiển kích từ ở chế đ khởi đ ng và làm vi c. Cuối h ơng nghi n u sinh đã phân tí h, đánh giá và t ng h p m t số nghiên c u, ng dụng trong và ngoài n c về lĩnh v điều khiển kích cho đ ng ơ đồng b công suất l n d a trên 2 vấn đề: 4
+ Vấn đề x định th i điểm cấp nguồn kích từ đề vào đồng b khi khởi đ ng, + Vấn đề điều khiển dòng kích từ để bù nhiễu tải và xác l p h số công suất osφ. Từ đ thấy rằng, vi c tiếp tục nghiên c u để đề xuất thêm giải pháp nhằm nâng cao chất l ng b điều khiển kích từ ho đ ng ơ đồng b công suất l n là vi c mang tính cấp thiết. ương II: Mô t toán học n g c c ông số n ư ng ến chế ộ kh i ộng và làm vi c củ ộng cơ ồng bộ công suất lớn Ch ơng này nghi n u sinh d n r ph ơng trình to n đ ng ơ đồng b trên h t đ t a vào từ thông rotor (h t đ dq) và vẽ r đồ thị vé tơ sẽ làm ơ sở để nghiên c u quá trình khởi đ ng và làm vi c c đ ng ơ. V i những tài li u tham khảo đ c, n i ung h ơng này NCS hỉ ra 2 vấn đề: + Ở chế đ khởi đ ng: Th c hi n bắt đồng b khi tố đ gần đ t đồng b , từ tr ng cảm ng trong rotor đ t c đ i. + Ở chế đ làm vi c: Vi đo và n định góc tải  sẽ n định đ c chế đ làm vi c c đ ng ơ khi nhiễu phụ tải hoặ đi n áp nguồn. Tuy nhiên vi đo g  là khá ph c t p. Qua các biểu th c toán h và đồ thị vé tơ NCS đã thấy rằng, khi có nhiễu xảy ra góc  th y đ i và h số công suất cos ũng th y đ i tuyến tính theo. Do đ thể đo và n định h số công suất cos ở m t giá trị phù h p có thể gián tiếp n định đ c chế đ làm vi ho đ ng ơ. M t số nghiên c u đã th c hi n ph ơng ph p này nh ng b điều khiển ch yếu đ c thiết kế bằng kinh nghi m c a chuyên gia, mà h thu t toán tối u. Từ các phân tích ở h ơng 2 NCS đã ơ sở để định h ng cho giải pháp th c hi n ở h ơng 3 nhằm nâng cao chất l ng b điều khiển kích từ ho đ ng ơ đồng b kích từ công suất l n. ương III: Gi i pháp nâng cao chấ lượng quá trình kh ộng và làm vi c của ộng cơ ồng bộ công suất lớn V i phân tích ở h ơng 2. Nghi n u sinh đề xuất giải ph p để nâng cao chất l ng b điều khiển kích từ ho đ ng ơ đồng b , cụ thể:  Chế ộ kh ộng: X định chính xác th i điểm vào đồng b , bằng vi đo l ng nhiều tham số, th mãn điều ki n: 5