Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Điều khiển động cơ không đồng bộ ở chế độ tiết kiệm năng lượng

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Nguyễn Thanh Phƣơng

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP. HCM

ngày 28 tháng 09 năm 2013

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1. Chủ tịch : TS. Ngô Cao Cường

2. Phản biện 1: TS. Nguyễn Hùng

3. Phản biện 2: TS. Võ Hoàng Duy

4. Uỷ viên : TS. Huỳnh Châu Duy

5. Uỷ viên,thƣ ký : TS. Huỳnh Quang Minh

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn sau khi luận văn đã được

sửa chữa (nếu có): ………………………………………………………………………

……………………………………......................................................................................

..................................................................................................................................................

Chủ tịch hội đồng đánh giá LV

TS. Ngô Cao Cƣờng

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

TP. HCM, ngày 10 Tháng 01 năm 2013.

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Ngô Đình Khôi Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 15/03/1968 Nơi sinh: Đồng Nai

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: 1141830012

I-TÊN ĐỀ TÀI:

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

- Nghiên cứu đối tượng là các động cơ điện hoạt động ở các chế độ tiết kiệm năng

lượng

- Đề xuất phương pháp thiết kế bộ điều khiển động cơ điện ở chế độ tiết kiệm năng

lượng

- Thiết kế giải thuật điều khiển động cơ điện ở chế độ tiết kiệm năng lượng

- Xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm bộ điều khiển động cơ điện ở chế độ

tiết kiệm năng lượng.

- Khảo sát và so sánh kết quả mô phỏng

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10/01/2013

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/06/2013

V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Nguyễn Thanh Phương

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết

quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ

công trình nào khác.

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã

được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.

Học viên thực hiện Luận văn

(Ký và ghi rõ họ tên)

Ngô Đình Khôi

LỜI CÁM ƠN

Để hoàn thành cuốn luận văn này, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất

đối với TS Nguyễn Thanh Phương, người thầy đã hết lòng, tận tâm, nhiệt tình hướng

dẫn và cung cấp cho tôi những tài liệu vô cùng quý giá trong quá trình thực hiện luận

văn.

Xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy cô giáo đã giảng dạy, truyền đạt tri thức

giúp tôi học tập và nghiên cứu trong quá trình học cao học tại trường Đại Học Kỹ

Thuật Công Nghệ TP.HCM.

Xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng quản lý khoa học - Đào tạo sau

đại học và khoa Điện – Điện tử Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP.HCM đã

giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và làm luận văn cao học

tại trường.

Xin chân thành cảm ơn các anh, chị học viên cao học lớp 11SMĐ1 đã đóng góp

ý kiến cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn này.

TP.Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2013

NGƯỜI THỰC HIỆN

Ngô Đình Khôi

TÓM TẮT

Luận văn trình bày về phương pháp điều khiển giảm tổn thất của động cơ

không đồng bộ 3 pha. Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu về phương thức điều

khiển động cơ sao cho giảm tối thiểu tổn thất sắt từ cho động cơ không đồng bộ ba

pha.

Tìm hiểu tổng quan về các phụ tải điện thông dụng thuộc nhóm HVAC ( Heating,

Ventilation and Air-Condition ) và chứng minh được khả năng tiết kiệm năng lượng

bằng cách điều khiển tốc độ.

Trình bày vấn đề về tổn hao và các phương pháp điều khiển tiết kiệm năng

lượng của động cơ không bộ là kết quả tổng hợp các nghiên cứu khác nhau trên thế

giới để đưa ra cái nhìn tổng quan toàn diện về lĩnh vực nghiên cứu.

Xây dựng giải thuật điều khiển tiết kiệm năng lượng mà đối tượng chính là

động cơ không đồng bộ. Dựa trên nền tảng cơ bản của phương điều khiển định

hướng trường rotor gián tiếp (Indirect Field Oriented Control ) kết hợp với việc tìm

ra giá trị từ thông rotor tối ưu mục đích để giảm các tổn hao trong động cơ tiết kiệm

được năng lượng

Thực hiện mô phỏng giải thuật tiết kiệm năng lượng trên phần mềm Matlab.

Nhận xét các thành phần chính của động cơ như: điện áp, dòng điện, tốc độ,

mômen, từ thông và công suất tiêu thụ . So sánh các kết quả khi sử dụng giải thuật

từ thông rotor tối ưu với từ thông rotor tham chiếu để tính được lượng năng lượng

tiết kiệm được. Và thực hiện mô phỏng lần lượt với từ thông tham chiếu, tốc độ đặt,

mômen tải khác nhau để thấy được khả năng tiết kiệm là khác nhau.

ABSTRACT

This thesis present a reduce loss control method for induction motor. The

goals of this thesis is study a control methology how to reduce to minimum the iron

loss of the induction motor.

Learn an overview of the electricity load of group common HVAC (Heating,

Ventilation and Air-Condition) and proven ability to save energy by controlling the

speed.

Presenting problems loss and some control methods of saving energy of

asynchronous motor was the collective results of different studies around the world

to provide a comprehensive overview of research areas.

Building control algorithms of saving energy which is the basic object

asynchronously. Based on the fundamentals of the Indirect Field Oriented Control

method with finding the value of optimal rotor flux goal to reduce the loss of engine

power saving

Perform algorithms simulation of saving energy on Matlab software.

Reviews the major components of the engine such as voltage, current, speed,

torque, flux and power consumption. Comparison of results when using algorithms

optimized rotor magnetic flux with reference rotor flux for calculating the amount

of energy savings. Performance simulation and in turn with reference flux, the

speed set, different load torque to realize its potential for savings is different.

MỤC LỤC

Lời cam đoan…… ................................................................................................ .i

Lời cảm ơn ........................................................................................................... .ii

Tóm tắt……. ........................................................................................................ iii

Abstract ................................................................................................................ .iv

Mục lục ……………………………………………………………………………v

Danh mục các từ viết tắt…………………………………………………………..viii

Danh mục các bảng………………………………………………………………..ix

Danh mục biểu đồ hình ảnh………………………………………………………..x

Chƣơng 1: Tổng quan .......................................................................................... 1

1.1 Giới thiệu tổng quan ....................................................................................... 1

1.2 Mục đích nghiên cứu ...................................................................................... 2

1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài ................................................... 2

1.4 Phương pháp nghiên cứu ................................................................................. 3

1.5 Giá trị thực tiễn của đề tài................................................................................ 3

1.6 Bố cục của luận văn ......................................................................................... 3

Chƣơng 2: Tổng quan về phụ tải điện năng và khả năng tiết kiệm năng

lƣợng ...................................................................................................................... 5

2.1 Thống kê về sử dụng các động cơ cảm ứng ..................................................... 5

2.2 Điều khiển hiệu quả năng lượng của các ứng dụng HVAC ............................. 8

2.3 Tiết kiệm năng lượng trong các ứng dụng HVAC bằng cách điều khiển biến

tốc ......................................................................................................................... 10

2.4 Các ứng dụng với khả năng tiết kiệm năng lượng bằng điều khiển tốc độ .... 13

Chƣơng 3: Vấn đề tổn hao và các phƣơng pháp điều khiển tối ƣu năng lƣợng

trong DCKĐB ..................................................................................................... 15

3.1 Tổn thất trong động cơ không đồng bộ thay đổi được tốc độ ........................ 15

3.1.1 Bộ biến tần .............................................................................................. 14

3.1.2 Động cơ không đồng bộ ......................................................................... 17

3.1.3 Truyền động ............................................................................................ 19

3.1.4 Tổn hao lưới với động cơ điều chỉnh tốc độ ........................................... 21

3.2 Tối ưu hóa năng lượng bằng việc giảm từ thông động cơ ............................ 23

3.3 Điều khiển tối ưu năng lượng của bộ lái VVFF ............................................. 25

3.4 Điều khiển tối ưu năng lượng của bộ lái VVVF ............................................ 27

3.5 Điều khiển trạng thái đơn giản ....................................................................... 29

3.5.1 Điều khiển cos ( ) (hệ số công suất) ...................................................... 30

3.5.2 Điều khiển tần số trượt stator ................................................................... 30

3.6 Điều khiển dựa vô hình ................................................................................. 31

3.6.1 Các động cơ vô hướng ............................................................................. 31

3.6.2 Bộ lái điều khiển vector hướng trường (Field Oriented Vector Controlled

Drives) .................................................................................................................. 34

3.7 Điều khiển tìm kiếm (search conttrol) ........................................................... 35

3.7.1 Điều khiển tìm kiếm truyền thống ........................................................... 35

3.7.2 Điều khiển tìm kiếm dùng Logic mờ và mạng thần kinh nhân tạo .......... 38

3.8 Kết Luận ......................................................................................................... 40

Chƣơng 4: Phƣơng pháp điều khiển định hƣớng trƣờng ( Field Oriented

Cotrol – FOC) và hƣớng nghiên cứu ................................................................ 42

4.1 Phương pháp điều khiển định hướng trường ................................................. 42

4.2 Kết luận và hướng nghiên cứu .................................................. …………….48

Chƣơng 5: Phƣơng pháp thiết kế, mô phỏng và kết quả của hệ thống điều

khiển động cơ điện ở chế độ tiết kiệm năng lƣợng .......................................... 50

5.1 Phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển động cơ điện ở chế độ tiết kiệm năng

lượng .................................................................................................................... 50

5.1.1 Xây dựng thuật toán ................................................................................. 50

5.1.2 Kết luận .................................................................................................... 55

5.2 Mô phỏng hệ thống điều khiển động cơ điện ở chế độ tiết kiệm năng lượng 55

5.1.2 Xây dựng và mô phỏng khối điều chế từ thông tối ưu............................. 55

5.2.2 Xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển tiết kiệm năng lương ... 61

5.3 Kết quả ........................................................................................................... 66

5.3.1 Xác định từ thông rotor tối ưu (TTRTU) ................................................. 66

5.3.2 Kết quả mô phỏng .................................................................................... 67

5.3.3 So sánh kết quả từ thông rotor tối ưu (TTRTU) với từ thông rotor tham

chiếu định mức (TTRTTCĐM) ............................................................................ 69

5.3.3.1 Điện áp ................................................................................................ 69

5.3.3.2 Dòng điện ............................................................................................ 69

5.3.3.3 Tốc độ .................................................................................................. 70

5.3.3.4 Momen ................................................................................................ 70

5.3.3.5 Từ thông .............................................................................................. 71

5.3.3.6 Công suất tiêu thụ (CSTT) .................................................................. 71

5.3.4 Xét các đồ thị công suất tiêu thụ khi động cơ hoạt động ở các chế độ

TTRTTC khác nhau ............................................................................................. 72

5.3.5 Xét các đồ thị công suất tiêu thụ khi động cơ hoạt động ở các tốc độ đặt khác

nhau ...................................................................................................................... 74

5.3.6 Xét các đồ thị công suất tiêu thụ khi động cơ hoạt động ở các momen đặt

khác nhau.............................................................................................................. 76

5.4 Kết luận .......................................................................................................... 78

Chƣơng 6: Kết luận ........................................................................................... .79

6.1 Kết luận ……….…………………………………………………….…… 79

6.2 Các vấn đề đã thực hiện ................................................................................. 79

6.3 Các vấn đề còn tồn tại .................................................................................... 79

6.2 Hướng phát triển đề tài .................................................................................. 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………...81

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

HVAC Heating, Ventilation and Air-Condition

CSTT Công Suất Tiêu Thụ

ĐCKĐB Động Cơ Không Đồng Bộ

TTRTU Từ Thông Rotor Tối Ưu

TTRTCĐM Từ Thông RotorTham Chiếu Định Mức

PPĐK Phương Pháp Điều Khiển

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Khả năng tiết kiệm năng lượng bằng điều khiển tốc độ cho 4 ứng dụng

HVAC……………………………………………………….……………………..14

Bảng 3.1. Các hoạt động có thể được thực hiện để làm giảm tổn hao …………….17

Bảng 3.2. Hiệu quả của các bộ truyền động lái motor……………………………..20

Bảng 3.3: Ước lượng của các phương pháp điều khiển tối ưu năng lượng cho bộ lái

động cơ không đồng bộ………………………………………………….....41

Bảng 5.1: Thông số động cơ tiêu chuẩn …………………………………………..56

Bảng 5.2: Thông số của động cơ đang xét như sau:……………..………………...56

Bảng 5.3. Thông số động cơ dùng trong sơ đồ mô phỏng…………………………64

DANH MỤC BIỂU ĐỒ, HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Sự tiêu thụ điện năng được chia theo các ứng dụng ở Đan mạch từ năm

1988 –1992………………………......…………………………………………...….6

Hình 2.2: Tiêu thụ năng lượng ở động cơ cảm ứng trong các ứng dụng thông gó,

bơm, nén khí và lạnh ttrong 1 năm ở Đan Mạch ( ngoài dân dụng )……………......7

Hình 2.3: Tổn thất năng lượng của động cơ cảm ứng ttrong các ứng dụng HVAC (

không thuộc dân dụng ) ở Đan Mạch trong 1 năm………………………….………8

Hình 2.4: Điều khiển cơ khí cho máy bơm không có đầu…………………………11

Hình 2.5: Điều khiển cơ khí cho máy bơm có đầu ………..……………………....11

Hình 2.6: Điều khiển biến tốc cho máy bơm không có đầu .……………………...12

Hình 2.7: Điều khiển biến tốc cho máy bơm có đầu ……………….…………….12

Hình 2.8: Phân bố công suất tương đối của các hệ thống bơm từ hình 2.4 đến 2.7.13

Hình 3.1: Xem xét dòng công suất chảy qua động cơ……..………………………15

Hình 3.2: Bộ chuyển đổi nguồn áp được điều chế độ rộng xung với diod chỉnh lưu

được sử dụng phổ biến trong các bộ điều khiển tiêu chuẩn...……………………...16

Hình 3.3: Dòng hiệu dụng khi được nối trực tiếp với lưới điện và khi được nối

thông qua một bộ converter ………………………………………………………22

Hình 3.4: Đường cong hiệu suất ở tốc độ định mức với từ thông khe hở không khí

không đổi và với hiệu suất được tối ưu của một động cơ 2.2KW…………….….24

Hình 3.5: Động cơ không đồng bộ được điều khiển bằng một bộ converter VVFF (

khởi động mềm )……………….……………………………………………...26

Hình 3.6: Bộ PWM-VSI với diod chỉnh lưu trong phần lớn các ASD ( bộ lái được

điều khiển tốc độ ) ngày nay……………………………………………………27

Hình 3.7: Sơ đồ khối điều khiển cho việc tối ưu hiệu suất của một bộ lái động cơ 28

Hình 3.8: Ví dụ về bộ điều khiển cos ( ) trong một bộ lái vô hướng…. ………..30

Hình 3.9. Ví dụ về điều khiển tần số trượt tối ưu mà giá ttri5 tham khảo được đặt

trong bảng tra …………………………………………...................................31

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

hướng ………………………………………………………..............................32

Hình 3.11. Ví dụ về điều khiển tối ưu hiệu suất dựa trên mô hình trong động cơ

được thực hiện trong khung tham chiếu hướng trường……………...................34

Hình 3.12. Thực thi điều khiển tìm kiếm cho bộ điều khiển theo từ thông rotor.....36

Hình 3.13. Ví dụ về điều khiển tối ưu hiệu suất tìm kiếm ttrong một bộ lái vô

hướng………………………………………………………...............................38

Hình 3.14. Điều khiển mờ tối ưu năng lượng được thự hiện với điều khiển motor

hướng trường………………………………………………………...................39

Hình 4.1. Sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển định hướng trường...................43

Hình 4.2. Hệ trục từ thông rotor……………………………………………………46

Hình 4.3: Sơ đồ điều khiển gián tiếp…………………………………....................47

Hình 5 .1: Sơ đồ mô phỏng khối điều chế từ thông tối ưu …………….…………..60

Hình 5.2: Cho thấy vị trí khối điều chế từ thông tối ưu theo thuật toán tối ưu năng

lượng ( màu xanh tối )……………………………………………………………..60

Hình5.3: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển………………….………………………61

Hình 5.4: Nguyên tắc điều khiển vec tơ……………………………………………62

Hình 5.5: Sơ đồ mô phỏng của hệ thống điều khiển động cơ……………………...65

Hình 5.6: Đồ thị công suất tiêu thụ TTRTU với K = 0.13, K = 0.145, K =

0.19………………………………………………………………………………..66

Hình 5.7: Đồ thị các thành phần U, I, , P của động cơ …………………67 , Tm,

Hình 5.8 : Đồ thị điện áp dây Vab của TTRTU và TTRTCĐM ……………...69

Hình 5.9 : Đồ thị dòng điện xoay chiều 3 pha ngõ ra bộ nghịch lưu của TTRTU và

TTRTCĐM………………………………………………………………………...69

Hình 5.10: Đồ thị tốc độ của động cơ của TTRTU và TTRTCĐM ...…………….70

Hình 5.11: Đồ thị mômen của động cơ của TTRTU và TTRTCĐM ……………..70

Hình 5.12. Đồ thị TTRTU và TTRTCĐM của động cơ …………………………..71

Hình 5.13. Đồ thị CSTT của TTRTU và TTRTCĐM……………………………..71

Hình 5.14. Đồ thị hiệu CSTT của TTRTU và TTRTCĐM ………………………..72

Hình 5.15. Đồ thị CSTT của TTRTU và TTRTCĐM với …………..73

Hình 5.16. Đồ thị CSTT của TTRTU và TTRTCĐM với …………..73

Hình 5.17. Đồ thị CSTT của TTRTU và TTRTCĐM với …………..74

Hình 5.18. Đồ thị CSTT của TTRTU và TTRTCĐM với ……….75

Hình 5.19. Đồ thị CSTT của TTRTU và TTRTCĐM với ……….75

Hình 5.20. Đồ thị CSTT của TTRTU và TTRTCĐM với ………..76

Hình 5.21. Đồ thị CSTT của TTRTU và TTRTCĐM với ……….…..77

Hình 5.22. Đồ thị CSTT của TTRTU và TTRTCĐM với …………..77

Hình 5.23. Đồ thị CSTT của TTRTU và TTRTCĐM với …………..78

Chƣơng 1

TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu tổng quan

Hiện nay, điện năng chiếm tỉ lệ rất lớn trong nguồn năng lượng tiêu thụ của

con người. Ðiện năng con người sử dụng đều được hình thành từ những dạng năng

lượng khác. Cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp trên thế giới, điện

năng tiêu thụ càng nhiều, gây cạn kiệt nguồn tài nguyên thiên nhiên. Các nguồn

năng lượng mới và cách chuyển đổi những nguồn năng lượng đó thành điện năng đã

và đang được nghiên cứu, phát triển (năng lượng nguyên tử, năng lượng gió, năng

lượng mặt trời, sản xuất điện năng trực tiếp từ nước..)

Bên cạnh với sự phát triển những nguồn năng lượng mới, yêu cầu cấp thiết

về tiết kiệm điện năng được đặt ra. Các nhà khoa học đã và đang nghiên cứu để đưa

ra những giải pháp tiết kiệm điện năng tốt nhất: cách sử dụng điện năng, các thiết bị

điện hiệu suất cao, các giải thuật điều khiển thiết bị giảm tổn hao…

Bài toán về tiết kiệm năng lượng luôn được đặt ra trong tất cả các hệ thống

sản xuất và luôn là ưu tiên hàng đầu. Trong thực tế, các động cơ điện tiêu thụ

khoảng 56% tổng năng lượng điện, trong đó, các động cơ cảm ứng chiếm 96%.

Điều này chứng tỏ rằng khoản 53% tổng điện năng được tiêu thụ bởi các động cơ

không đồng bộ. Do vậy vấn đề tiết kiệm năng lượng cho động cơ là rất quan trọng.

Việc áp dụng các công nghệ tiên tiến mới, các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho

phép các động cơ có thể tiết kiệm điện khoảng 20% tổng khối lượng điện năng tiêu

thụ.

Gần đây trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về giải thuật điều khiển giảm

tổn hao cho động cơ không đồng bộ đem lại hiệu quả cao. Với sự phổ biến được sử

dụng rộng rãi của động cơ không đồng bộ, kết hợp với tính năng tiết kiệm điện năng

1

hứa hẹn sẽ làm nên bước phát triển mới trong lĩnh vực tiết kiệm năng lượng bảo vệ

môi trường, đem lại hiệu quả kinh tế cao cho các ngành công nghiệp.

Chính vì vậy, đề tài “ Điều khiển động cơ không đồng bộ ở chế độ tiết kiệm

năng lượng “ với mục đích cực tiểu hóa tổn thất công suất trong cơ đồng nghĩa với

việc tiết kiệm được năng lượng với hy vọng là sẽ đáp ứng được những vấn đề cấp

thiết của thời đại

1.2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu và ứng dụng các phương pháp điều khiển tối ưu theo hướng tiết

kiệm năng lượng ứng dụng trong điều khiển động cơ không đồng bộ. Đề tài tập

trung giải quyết vấn đề giảm tổn thất năng lượng trong các thiết bị điện trong đó

động cơ không đồng bộ là đối tượng được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và

dân dụng.

1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài

1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài

1. Nghiên cứu đối tượng là các động cơ điện hoạt động ở các chế độ tiết

kiệm năng lượng

2. Đề xuất phương pháp thiết kế bộ điều khiển động cơ điện ở chế độ tiết

kiệm năng lượng

3. Thiết kế giải thuật điều khiển động cơ điện ở chế độ tiết kiệm năng lượng

4. Xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm bộ điều khiển động cơ điện ở

chế độ tiết kiệm năng lượng.

5. Khảo sát và so sánh kết quả mô phỏng

1.3.2 Giới hạn của đề tài

1. Giải thuật tiết kiệm năng lượng chỉ ứng dụng cho đối tượng chính ở đây là

động cơ không đồng bộ 3 pha

2

2. Các nhà khoa học trên thế giới đã đưa ra nhiều giải thuật điều khiển theo

hướng tiết kiệm năng lượng khác nhau. Trong đề tài chỉ tập trung vào nghiên cứu

giải thuật tối ưu hóa từ thông rotor mục đích để giảm tổn hao

3. Việc khảo sát giải thuật điều khiển chỉ thực hiện mô phỏng trên phần mềm

Matlab.

1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu

1. Thu thập tất cả các tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu.

2. Tìm hiểu lý thuyết về động cơ không đồng bộ

3. Tìm hiểu lý thuyết Matlab

4. Tìm hiểu về phụ tải điện HVAC và khả năng tiết kiệm

5. Tìm hiểu các vấn đề về tổn hao và các phương pháp điều khiển theo

hướng tiết kiệm năng lượng của động cơ không đồng bộ

6. Tìm hiểu phương pháp định hướng trường

7. Thiết kế giải thuật điều khiển

8. Mô phỏng trên phần mềm Matlab

9. Đánh giá, so sánh kết quả.

1. Ứng dụng xây dựng mô hình vật lý và khảo sát hoạt động của bộ điều khiển

2. Ứng dụng thiết kế chi tiết thiết bị điều khiển động cơ điện ở chế độ tiết kiệm

năng lượng

1.5 Giá trị thực tiễn của đề tài

3. Tài liệu và kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để phục vụ các nghiên

cứu ở mức độ cao hơn.

1.6 Bố cục của luận văn

Chƣơng 1: Tổng quan

Chƣơng 2: Tổng quan phụ tải điện và khả năng tiết kiệm năng lượng

3

Chƣơng 3: Vấn đề về tổn hao và các phương pháp điều khiển tối ưu năng

lượng trong ĐCKĐB .

Chƣơng 4: Phương pháp điều khiển định hướng trường và hướng nghiên cứu

Chƣơng 5: Phương pháp thiết kế, mô phỏng và kết quả của hệ thống điều

khiển động cơ điện ở chế độ tiết kiệm năng lượng

Chƣơng 6: Kết luận

4

Chƣơng 2

TỔNG QUAN VỀ PHỤ TẢI ĐIỆN VÀ KHẢ NĂNG

TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG

2.1 Thống kê về sử dụng các động cơ cảm ứng

Ngoài sự hiểu biết ứng dụng nào đặc biệt thích hợp với điều khiẻn bến tốc, cũng

cần biết mức độ phổ biến của các ứng dụng này, và chúng được sử dụng chủ yếu

trong khoảng công suất nào. Kiến thức này sẽ được dùng để định hướng nghiên cứu

vào lĩnh vực có khả năng tiết kiệm năng lượng cao nhất.

Nhứng kiến thức này có được qua sự phân tích dựa trên các dữ liệu thống kê về

sự sử dụng các động cơ điện ở Đan Mạch. Dữ liệu được thu thập bởi các cố vấn

năng lượng trong khoảng thời gian 1988-1992 trong 1200 trường hợp. 1200 trường

hợp này chiếm tổng năng lượng tiêu thụ là 900GWh, tương đương 750MWh/trường

hợp.

Tất nhiên, có thể bàn đến việc tập dữ liệu có đủ lớn để cho một kết quả đáng tin

cậy hay không, nhưng điều đó còn xa so với mục tiêu của đề tài này. Chúng ta chỉ

cần lưu ý rằng khi phân tích dữ liệu có những yếu tố ngẫu nhiên trong dữ liệu. Tuy

nhiên, có thể dự đoán rằng có khả năng rút ra những kết luận chung từ các dữ liệu.

Các khảo sát về sự sử dụng các động cơ cảm ứng cũng đã được thực hiện ở các

quốc gia khác, hẳng hạn ở Mỹ và Thụy Điển, nhưng chúng không được đề cập ở

đây.

5

Hình 2.1 Sự tiêu thụ điện năng được chia theo các ứng dụng ở Đan Mạch từ năm

1988-1992

Hình 2.1 minh họa sự tiêu thụ điện năng được chia theo các ứng dụng ơ Đan

Mạch. Biết rằng các động cơ điện được dùng cho cả các loại quạt, máy nén khí,

máy bơm, tủ lạnh lẫn cho sản xuất, biểu đồ tròn ở trên cho thấy khoảng 55.6% năng

lượng điện tiêu thụ bởi các động cơ điện, và 35.8% tổng điện năng được dùng trong

các ứng dụng HVAC, gồm các bộ thông gió, bộ nén khí, các máy bơm và các tủ

lạnh.

Không phải tất cả các động cơ điện đều là hoạt động cơ cảm ứng. Một lượng

nhỏ năng lượng được tiêu thụ bởi các loại động cơ khác, bao gồm các động cơ đồng

bộ, các động cơ DC và các động cơ bước. Dựa trên số liệu bán động cơ tại Mỹ năm

1989 được ước tính trong, 96% các động cơ sông suất hàng ngựa là động cơ cảm

ứng. Dù con số này có thể hơi khác lạ tại Châu Âu, có thẻ chắc chắn rằng một lượng

rất lớn công suất lái động cơ là dành cho động cơ cảm ứng. Có thẻ kết luận rằng các

động cơ cảm ứng chiếm 53% (0.556x0.96=0.53) tổng điện năng tiêu thụ.

Chúng ta cúng khảo sát xem điện năng được tiêu thụ trong khoảng công suất

nào. Trong phần phân tích nà, tiêu điểm được đặt vào 4 ứng dụng HVAC: các máy

thông gió, các máy bơm, các bộ nén khí, và các tủ lạnh. Ta lưu ý đến tổng năng

lượng mất mát trong mỗi năm trên hình 2.2. Ở công suất thấp, các bộ thông gió và

thiết bị lạnh là các ứng dụng chiếm ưu thế, nhưng ở mức công suất cao, sự khác biệt

trở nên nhỏ hơn. Đáng chú ý là trong khi lượng tiêu thụ bởi sự thông gió giảm

6

xuống khi khoảng công suất tăng lên, năng lượng tiêu thụ của ba ứng dụng kia lại

tiến đến cực đại ở khoản công suất trung bình. Tổng năng lượng mất mát hàng năm,

trên hình 2.3, hơi giảm với cả 4 ứng dụng khi tăng khoảng công suất, phản ánh thực

tế là ở tầm công suất càng cao thì hiệu suất năng lượng càng cao. Tổng tổn hao

trong khoảng trên 53KW không đáng kể khi so với các tổn hao ở công suất thấp.

Các khoảng công suất được chia thành các mức nhỏ (<10KW), trung bình (10-

1000KW), và lướn hơn (>1000KW).

Hình 2.2 tiêu thụ năng lượng ở động cơ cảm ứng trong các ứng dụng thông

gió, bơm, nén khí và lạnh trong 1 năm ở Đan Mạch (ngoài dân dụng)

Kết luận đầu tiên có thể rút ra từ việc sử dụng năng lượng ở Đan Mạch là: bởi vì

tổn hao ở tầm trên 53KW là nhỏ nên chúng ta không cần quan tâm đến việc giảm

mất mát của động cơ trong khoảng công suất này. Do hầu hết tổn hao tập trung

trong khoảng công suất từ 0-9KW nên đây là khoảng công suất đáng quan tâm nhất,

nhưng khoảng công suất trung bình cũng không thể được xem nhẹ. Các ứng dụng

thông gió và lạnh là các ứng dụng đáng quan tâm nhất, thông gió chủ yếu ở mức

công suất thấp và ứng dụng lạnh ở mức công suất trung bình. Các máy nén khí và

7

máy bơm không quan trọng ở tầm công suất , nhưng trở nên đáng lưu tâm ở tầm

công suất trung bình.

Sự sử dụng năng lưởng bên ngoài Đan Mạch chưa được khảo sát. Đề án SAVE

của EU mang tên “Cái nhìn xuyên suốt về các động cư và bộ lái sử dụng năng

lượng hiệu quả” khảo sát sự sử dụng năng lượng trong các ứng dụng HVAC ở Châu

Âu, và kết quả được công bố trong năm 2000. Có lẽ sự chia sẻ các bộ điều khiển

công suất trung bình và cao quan trọng hơn Châu Âu nói chung so với chỉ ở Đan

Mạch.

Hình 2.3 tổn thất năng lượng của động cơ cảm ứng trong các ứng dụng

HVAC (không thuộc dân dụng) ở Đan Mạch trong 1 năm.

2.2 Điều khiển hiệu quả năng lƣợng của các ứng dụng HVAC

Các nhiệm vụ tiêu biểu trong việc lắp đặt HVAC là điều khiển áp suất, lưu

lượng, nhiệt độ và mức chất lỏng, và việc lựa chọn phương pháp điều khiển nào

được xác định bởi một số yếu tố, bao gồm chất lượng điều khiển, chi phí lắp đặt và

hiệu suất năng lượng. Một sự so sánh nhỏ giữa các phương pháp điều khiển được

trình bày ngay sau đây.

8

- Điều khiển on/off: Được sử dụng khi chỉ có một phần trong toàn bộ sản phẩm

là cần thiết trong một thời gian dài. Động cơ được bật khi thông số điều khiển vượt

quá mức giới hạn trên. Số lần khởi động và dừng, ảnh hưởng đến sự lắp đặt cơ khí,

có thể giảm đi bằng cách tăng kích thước vùng đệm, ví dụ như một bể nước và máy

bơm. Nếu thiết bị hoạt động ở tải định mức khi động cơ được bật, điều khiển on/off

sẽ cho hiệu suất năng lượng, nhưng nếu ngược lại thì hiệu suất năng lượng sẽ giảm.

- Điều khiển từng bước (stepwise): một hệ thống điều khiênr động cơ lớn được

chia thành các bộ phận nhỏ, mỗi bộ phận sử dụng điều khiển on/off. Mỗi động cơ sẽ

được bậ hay tắt tùy theo nhu cầu sản xuất. Ưu điểm của phương pháp này là các

động cơ tiến trình hoạt động gần với tải định mức và với hiệu suất năng lượng tốt ở

mọi thời điểm. Nhược điểm của nó là sự gia tăng chi phí lắp đặt và chỉcó khả năng

điều khiển theo từng bước. Tuy nhiên, nó có thể kết hợp với sự thay đỏi tốc độ trên

một trong các động cơ.

- Điều khiển quá trình cơ khí: được sử dụng trong những ứng dụng mà các thông

số đầu ra của quá trình được điều khiển một cách liên tục và chất lượng của các

phương pháp điều khiển on/off và stepwise không đáp ứng được. Động cơ cảm ứng

được kết nối trực tiếp với lưới điện. Thông số đầu ra (ví dụ áp suất) được điều khiển

bằng cơ khí, chẳng hạn bằng các van, van tiết lưu hay một nhánh hồi tiếp. Nhược

điểm chính của phương pháp này là phương pháp này là điều khiển cơ khí sẽ tọa ra

thêm những mất mát năng lượng không thể tránh khỏi khi không cần đầy tải. Nói

một cách đơn giản, điều này giống như là chạy một chiếc xe hơi với công suất tối đa

và điều khiển tốc độ bằng thắng xe.

- Điều khiển tôc độ thay đổi: Động cơ được nuôi bởi một bộ chuyển đổi công

suất điện tử chỉ tiêu thụ năng lượng đủ dùng cho quá trình. Kết quả của quá trình

được điều khiển chỉ bằng cách thay đổi tốc độ. Dù chi phí lắp đặt cao. Điều khiển

biến tốc có thể được chọn vì chất lượng điều khiển, khả năng tiết kiệm năng lượng

và giảm nhiễu âm chẳng hạn từ các quạt.

Từ sự so sánh đơn giản giản giữa các chiến lược điều khiển ứng dụng HVAC, có

thể kết luận trên quan điểm tiết kiệm năng lượng rằng phương pháp điều khiển cơ

9

khí không thể được chấp nhận vì mất mát năng lượng quá lớn trong trường hợp

giảm tải. Sự lựa chọn giữa các phương pháp on/off, stepwise và phương pháp biến

tốc phụ thuộc vào mức tải và chất lượng điều khiểnyêu cầu. Các hệ thống cần sản

xuất lượng nhỏ trong thời gian dài thì thích hợp với các phương pháp stepwisư và

phương pháp biến tốc. Ngược lại, khi lượng tải yêu cầu cao và chất lượng điều

khiển on/off có thể chấp nhận được, phương pháp on/off được ưu tiên hơn vì chi phí

lắp đặt rẻ. Có thể tiết kiệm một lượng lớn năng lượng trong các ứng dụng HVAC

nếu cac skỹ thuật tốt đước áp dụng trong qua trình thiết kế toàn hệ thống, và trong

nhiều trường hợp các phương pháp điều khiển on/off và điểu khiển từng bước cung

cấp giải pháp tốt nhất. Tuy nhiên, không nghi ngờ gì nữa, trong các hệ thống yêu

cầu chất lượng điều khiển tốt, phương pháp điều khiển biến tốc trở thành giải pháp

thay thế duy nhất có hiệu quả về năng lượng cho phương pháp điều khiển cơ khí.

Nói chung, nên chú ý rằng khi thiết kế hệ thống, ta phải xem xét yếu tố chi phí

vòng đời (LCC – Life Cycle Costs). Nó bao gồm tất cả các chi phí liên quan đến hệ

thốn cài đặt trong suốt thời gian sống, cụ thể là thu mua, bảo trì, sửa chữa, phí năng

lượng, các vấn đề về môi trường.

2.3 Tiết kiệm năng lƣợng trong các ứng dụng HVAC bằng cách điều khiển biến

tốc.

Ưu điểm của việc sử dụng điều khiển biến tốc thay cho điều khiển cơ khí trong

các ứng dụng HVAC được phân tích cụ thể hơn, lấy một máy bơm làm ví dụ. Từ đó

có thể kết luận trong các ứng dụng nào thì đièu khiển biến tốc có khả năng tiết kiệm

nhiều năng lượng nhất.

Điều khiển máy bơm

Bốn phiên bản của một hệ thống bơm được minh họa trên hình 2.4 – 2.7. Hai

dạng đầu có tốc độ không đổi và điều khiển theo phương pháp cơ khí, hai dạng sau

sử dụng điều khiển biến tốc. Trên hình 2.4 và 2.6, máy bơm không có đầu còn trên

hình 2.5 và 2.7, máy bơm có đầu. Dòng chất lỏng được điều khiển sao cho tại điểm

làm việc A, lưu lượng bằng 100% lưu lượng định mức và tại điểm B, lưu lượng

bằng 50% lưu lượng định mức. Các hình vẽ thể hiện đường cong lưu lượng – áp

10

suất của cả đặc tính máy bơm (PC Pump Characteristic) và hẹ thống ống, tức là đặc

tính của hệ thống (SC – System Characteristic). Điểm hoạt động của máy bơm được

định nghĩa bới giao điểm của đường PC và đường SC.

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

Hình 2.5 Điều khiển cơ khí cho máy bơm có đầu

Như ta thấy trên hình 2.4 và 2.5, với bộ lái tốc độ hằng, lưu lượng được giảm

từ A đến B bằng cách dùng van để thêm và sự cản trở trong ống để đặc tuyến hệ

thống thay đổi từ SC1 đến SC2. Trong hình 2.6 và 2.7, đặc tính hệ thống không

đổi, nhưng sự thay đổi tốc độ làm cho đặc tuyến máy bơm thay đổi tư PC1 sang

PC2, do đó làm giảm lưu lượng từ A đến B.

11

Hình 2.6 điều khiển biến tốc cho máy bơm không đầu

Hình 2.7 điều khiển biến tốc cho máy bơm có đầu

Hình 2.8 cho thấy ở mức đầy tải (điểm A), bộ lái tốc độ hằng cho hiệu suất

tốt nhất vì bộ chuyển đổi công suất điện tử trong bộ lái biến tốc gây mất mát

thêm trong động cơ và trong bộ converter. Ở mức tải 50% (điểm B), tình huống

ngược lại xảy ra. Ở 50% tải không có đầu óng, có một sự cải thiện đáng kể với

phương pháp biến tốc (so sánh biểu cột 2.4 và 2.6). Hầu hết các mất mát trong

bộ lái tốc độ hằng đều tiêu tán tại van. Trong trường hợp có đầu ống, so sánh

biểu đồ cột 2.5 và 2.7, sự khác biệt không rõ rệt như vậy, nhưng bộ lái biến tốc

vẫn cho hiệu suất tốt nhất.

12

Hình 2.8 phân bố công suất tương đối của các hệ thống bơm từ hình 2.4 đến 2.7.

Hiệu suất của động cơ và máy bơm được viết bên dưới các cột

2.4 Các ứng dụng với khả năng tiết kiệm năng lƣợng bằng điều khiển tốc độ

Sự phân tích hệ thống máy bơm trên đây cho thấy rõ: với các loại tải bậc hai

(trong trường hợp lý tưởng, trong moment tải đăng theo bình phương tốc độ, trong

thực tế sựu gia tăng này nhỏ hơn bình phương), khi máy bơm không có đầu, điều

khiển biến tốc sẽ cho phép tiết kiệm năng lượng đáng kể ở tải bộ phận so với

phương pháp điều khiển cơ khí. Trong trường hợp có đầu óng, mức tiết kiệm năng

lượng sẽ nhỏ hơn. Các kết quả lúc này có thể mở rộng cho các máy thông gió, máy

nén khí, và các tủ lạnh.

Thông gió: Tải là bậc hai và rất thích hợp cho điều khiển tốc độ.

Máy bơm: Một máy bơm không có đầu là một tải bậc hai và rất thích hợp cho

điều khiển biến tốc độ, một ví dụ cụ thể là máy bơm nước nhiệt. Một máy bơm

có đầu cho phép tiết kiệm năng lượng bằng cách điều khiển tốc độ, nhưng không

nhiều, một ví dụ là máy bơm tàu lặn.

13

Nén khí: Điều khiển tốc độ của máy nén khí gần giống với máy bơm có đầu và

mang lại sự tiết kiệm năng lượng tốt.

Tủ lạnh: Giống như nén khí.

Các kết quả được tóm tắ trong bảng 2.1

Bảng 2.1. Khả năng tiết kiệm năng lượng bằng điều khiển tốc độ cho 4 ứng

dụng HVAC

Quá trình Loại Moment, giả sử quy Năng lượng

trình lý tưởng tiết kiệm bởi

điều khiển tốc

độ

Bộ thông gió Lý tâm Rất tốt

Rất tốt Máy bơm Ly tâm không

có đầu

Ly tâm không Tốt

có đầu

Bộ nén khí Screw, turbo, Tăng nhẹ khi tốc độ Tốt

piston tăng

Tủ lạnh Screw, turbo, Tăng nhẹ khi tốc độ Tốt

piston tăng

14

Chƣơng 3

VẤN ĐỀ TỔN HAO VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP

ĐIỀU KHIỂN (PPĐK) TỐI ƢU NĂNG LƢỢNG

TRONG ĐCKĐB

3.1 Tổn thất trong động cơ không đồng bộ thay đổi đƣợc tốc độ

Hình 3.1 trình bày dòng năng lượng chảy qua động cơ từ nguồn vào đến tải (bộ

thông gió, máy bơm,…) thông qua các khối, trong mỗi khối có sự tổn thất do việc

truyền năng lượng qua chúng. Các khối bao gồm:

- Hệ thống cung cấp: đường truyền, máy biến thế cung cấp và đường dây cung

cấp.

- Converter: bộ phận điện tử công suất điều khiển tần số và điện áp của stator,

điển hình là một bộ PWM-VSI có bộ chỉnh lưu 3 pha dùng diode.

- Động cơ: động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc

- Bộ phận truyền: ví dụ như trục động cơ, bánh răng, dây curoa hoặc băng

chuyền.

Hình 3.1 Xem xét dòng công suất chảy qua động cơ

3.1.1 Bộ biến tần

Cấu trúc bộ chuyển đổi nguồn áp được điều chế độ rộng xung (PWM-VSI) với

diode chỉnh lưu được vẽ như trên hình 3.2 ngày nay được sử dụng trong các bộ điều

khiển tiêu chuẩn đến hàng trăm kW. Nếu động cơ có bộ thắng gấp hoặc kéo một tải

15

tích cực, cần có bộ tiêu tán công suất bằng điện trở ở khâu DC hoặc sử dụng bộ

chỉnh lư SCR để có thể phát lại công suất về lưới điện, tuy nhiên các trường hợp

này sẽ không được đề cập.

Hình 3.2 Bộ chuyển đổi nguồn áp được điều chế độ rộng xung (PWM-VSI) với

diode chỉnh lưu được sử dụng phổ biến trong các bộ điều khiển tiêu chuân

Tổn hao trong converter bao gồm chủ yếu: tổn hao trong chuyển mạch bán dẫn

và tổn hao dẫn điện, nguồn cung cấp cho mạch điện điều khiển, và tổn hao trên các

cuộn lọc. Hiệu suất danh định điển hình trong khoảng 0.96-0.98, phụ thuộc vào

công suất và phương pháp làm mát (tự nhiên hay cưỡng bức).

Tổn hao chuyển mạch có thể giảm thiểu bằng cách tăng tăng cường thông số

dv/dt của công tắc chuyển mạch, tuy nhiên EMI sẽ phải được quan tâm hơn (làm

tăng EMI). Giá trị dv/dt lớn ở ngõ ra sẽ là một vấn đề lớn, đặc biệt là đối với các

động cơ được cấp điện qua một đoạn cáp dài. Trong một số converter, dv/dt ở ngõ

ra bị giới hạn bởi 3 cuộn lọc. Có thể giảm tổn hao trong cuộn lọc bằng cách tăng tiết

diện dây đồng, nhưng như thế sẽ làm tăng giá thành của converter. Tổn hao ở bộ

chỉnh lưu không đáng kể.

Tổn hao chuyển mạch cũng bị ảnh hưởng bởi chiến lược điều chế của bộ nghịch

lưu. Có thể áp dụng chiến lược điều chế trong đó ngõ ra của 1 chân inverter không

chuyển mạch trong 60 độ, và có những chiến lược với chức năng điều chế rời rạc

mà làm giảm thiểu tổn hao chuyển mạch. Tuy nhiên việc lực chọn chiến lược điều

chế phụ thuộc vào yêu cầu của việc điều khiển động cơ tổng quát, ở đây cũng không

bàn đến vấn đề này.

16

3.1.2 Động cơ không đồng bộ

Bảng 3.1 tổng kết các hoạt động có thể được thực hiện để làm giảm tổn hao trong

một động cơ không đồng bộ với kích thước lõi cố định. Có vẻ không có vấn đề gì

khi tăng tiết diện đồng ở stator và sử dụng lá sắt mỏng hơn với tổn thất nhỏ hơn và

quy trình được cải thiện mặc dù làm tăng giá thành. Tuy nhiên việc lựa chọn sắt

cũng là một sự cân đối giữa tổn hao thấp và độ thẩm từ tốt. Lõi sắt có tổn hao rất

thất có thể có độ từ thẩm thấp, trong khi giảm được tổn thất lõi lại dẫn đến tăng tổn

thất đồng ở stator do dòng từ bị tăng.

Đối với động cơ khởi động trực tiếp sẽ có vấn đề nếu giảm điện trở rotor do việc

tăng dòng khởi động và lực khởi động bị giảm, nhưng nếu động cơ được khởi động

bằng một converter thì sẽ không sao. Việc cải thiện quạt làm mát (theo một hướng

duy nhất) cho động cơ chấp nhận được trong một số ứng dụng và có thể không phải

là một ý kiến hay cho một động cơ tiêu chuẩn. Có thể dùng các trụ tốt hơn. Các ý đồ

để giảm tổn thất tải tản không phải dễ thực hiện do các hiệu ứng bất lợi không thể

chấp nhận được.

Bảng 3.1 Các hoạt động có thể được thực hiện để làm giảm tổn hao

Tổn hao Thay đổi thiết kế Hiệu quả đối với Ảnh hưởng bất lợi

tổn hao

Tổn hao dây quấn 1. Tăng tiết diện dây 1. Giảm điện trở 1. Tăng giá thành

stator quấn trong khe stator và khó thực hiện

2. Tăng kích thước 2. Giảm điện trở 2. Tăng giá thành

khe stator và tiết stator và khó thực hiện

diện dây quấn 3. Giảm điện trở 3. Khả năng tăng

3. Giảm chiều dài stator dòng khởi động,

mở rộng cuộn khó thực hiện

17

Tổn hao lõi: từ trễ 1. Thay sắt mỏng 1. Giảm tổn hao từ 1. Tăng giá thành

và dòng xoáy với tổn hao thấp hơn trễ và giảm sự phổ

2. Giảm độ dầy của 2. Giảm tổn hao biến của vật liệu

lá sắt dòng xoáy 2. Tăng giá thành

3. Cải thiện tiến 3. Giảm tổn hao và giảm sự phổ

trình tôi, mạ sắt dòng xoáy biến của vật liệu

3. Tăng giá thành

và việc sử dụng

năng lượng

Tổn hao dây quấn 1. Tăng mật độ từ 1. giảm hệ số trượt 1. Tăng dòng vào

rotor thông khe hở nên giảm tổn hao

2. tăng kích thước dây quấn rotor 2. Dòng vào có thể

thanh ngang rotor 2. Giảm tổn hao dây cao hơn và giảm

3. tăng kích thước quấn rotor moment xoắn khởi

vòng ring cuối 3. giống mục 2 động

4. tăng độ dẫn điện 4. Giống mục 2 3. Giống như mục 2

của lồng sóc 4. Giống như mục 2

Tổn hao thông gió 1. Tối ưu hóa thiết 1. Giảm nhiệt độ 1. Có thể làm tăng

và ma sát kế quạt vận hành mức nhiễu. Có thể

2. Tối ưu hóa việc 2. Giảm tổn hao do biến thành các quạt

chọn trục, giá đỡ ma sát định hướng

2. Có thể ảnh hưởng

mức nhiễu, hạn chế

tốc độ mặc định

hoặc mang tải

18

Tổn hao tải tản 1. Cách ly các thanh 1. Giảm dòng giữa 1. Tăng giá thành

rotor các thanh ngang và 2. Giảm hệ số công

2. Tăng khe hở lá sắt suất

không khí 2. Giảm tổn hao bề 3. Có thể tăng mức

3. Khử độ lệch rotor mặt tần số cao nhiễu và ảnh hưởng

3. Giảm tổn hao dây đường đặc tuyến

đồng rotor tốc độ - moment

Nếu có thể tăng thể tích lõi, ví dụ như tăng chiều dài stator hoặc lưng sắt stator,

từ thông của mạch từ có thể được tăng lên. Như vậy có thể giảm dây quấn stator, có

nhiều khoảng trống cho dây đồng to hơn. Tổn hao họa tần có thể được giảm bằng

cách thiết kế lại hình dạng khe stator.

3.1.3 Truyền động

Đặc tính của các loại truyền động khác nhau được liệt kê trong bảng 3.2. Từ bảng

trên, có thể thấy rõ rằng có sự khác nhau về hiệu suất khá lớn giữa các loại truyền

động. Đặc biệt bánh răng trục vít có hiệu suất rất thấp, hiệu suất của các loại dây đai

khác nhau cũng khác nhau rất lớn. Có 2 loại dây đai chính: đai đồng bộ có răng và

dây đai không đồng bộ như: đai chữ V, đai chữ V có răng và đai phẳng. Đai V rẻ và

hiệu suất tối đa (phần lớn không cao) chỉ đạt được nếu như đai đúng kích thước,

được lắp đặt và bảo dưỡng cẩn thận. Hiệu suất cũng phụ thuộc vào tải. Nếu đai V có

hiệu suất 98% ở tải định mức thì nó chỉ còn 92% ở 25% tải. Một ưu điểm là nó có

thể chịu được tải quán tính lớn khi động cơ được khởi động trực tiếp với lưới điện.

Đai phẳng và đai đồng bộ có hiệu suất cao hơn nhưng đắt tiền. Đai đồng bộ không

có khả năng chịu tải quán tính lớn, nhưng khi động cơ được sử dụng với bộ điều

khiển tốc độ thì vấn đề này không quan trọng đối với đai đồng bộ.

Giải pháp truyền động tốt nhất là kết nối trục trực tiếp, và tốc độ thay đổi giúp nó

dễ dàng được chọn hơn là tốc độ cố định.

19

Bảng 3.2 Hiệu quả của các bộ truyền động lái động cơ

Loại Loại Tổn hao Hiệu suất Ưu điểm Nhược điểm

Kết nối Kết nối trực Thấp 99-100% Hiệu suất Hiệu suất

trực tiếp tiếp cao giảm và tuổi

thọ thấp khi

lắp không

thẳng hàng

Bánh Xoắn ốc Ma sát giữa 90-98% Chú ý: hiệu suất cao cho tốc

răng (song song) các bánh độ cao và tỉ số truyền bánh

Xiên (góc răng, trong răng thấp

thẳng) các trục,

khe hở, Trục vít 55-94% phụ Tỉ số truyền Hiệu suất

khuấy dầu (góc thẳng) thuộc vào tỉ bánh răng thấp

nhờn số truyền cao

Đai Đai V Uốn cong, 90-96% Chịu được Hiệu suất

trượt, khe sốc tải và dưới 90% nếu

hở kẹt động cơ, không được

rẻ bảo dưỡng

Đai V có Trượt, khe Tốt hơn đai Tổn hao Đắt hơn đai V

răng hở, uốn V từ 1 - 3% uốn cong từ 20-30%,

cong thấp. chịu cần bảo

được sốc tải dưỡng

và kẹt động

cơ

Đai phẳng Trượt, uốn 96-99% Hiệu suất Đắt

cao, tốt cho Đai poly-V cong

tốc độ cao

Đồng bộ Khe hở, uốn 96-99% Hiệu suất Không chịu

cong cao, không được sốc tải

20

trượt, và kẹt động

không cần cơ, đắt tiền

bảo dưỡng

Xích Xích Tới 98% Chịu được Cần bảo

sốc tải và dưỡng

nhiệt độ cao

3.1.4 Tổn hao lƣới với động cơ điều chỉnh tốc độ

Đối với động cơ chạy trực tiếp từ lưới thì dòng điện ngõ vào gần như sin với một

thành phần điện kháng và cos( ) phụ thuộc vào tải. Bộ chỉnh lưu diode 3 pha có

cos( ) không đổi gần bằng 1, tuy nhiên dòng ngõ vào có các thành phần họa tần

quan trọng. Tổn hao trên lưới đối với động cơ chạy trực tiếp lưới như sau :

(3.1)

: điện trở nối tiếp tương đương của đường dây

Trong đó :

: trị hiệu dụng của dòng dây.

: điện áp dây.

: góc lệch pha

: công suất ngõ vào động cơ.

Thành phần hài được đặc trưng bởi thông số độ méo dạng hài tổng (THD):

Trong đó I : trị hiệu dụng của dòng chỉnh lưu

I1 : trị hiệu dụng thành phần hài cơ bản

21

Nếu áp lưới sin thì các họa tần không tạo ra công suất hữu ích và chỉ gây tổn hao

trên lưới. Có thể thấy rằng:

Chứng tỏ tổn hao trên lưới gây bởi chỉnh lưu diode là:

THD phụ thuộc chủ yếu vào kích thước cuộn lọc DC và chiều dài của lưới điện.

nếu điện cảm lọc thấp thì THD càng cao. Trong các bộ lái thương mại THD ở dòng

ngõ vào cỡ 40% phổ biến ở tải danh định. Giả thuyết THD thay đổi tuyến tính với

công suất ngõ ra động cơ từ 2 ở không tải tới 0.4 ở đầy tải. Hình 3.3 cho thấy so

sánh dòng hiệu dụng của một động cơ tiêu chuẩn 2.2kW khi được nối trực tiếp vào

lưới điện và khi được nối thông qua một bộ converter, và nó minh chứng rằng tổn

hao do converter gây ra trên lưới là thấp nhất. Có thể giảm các họa tần bằng cách

phối hợp các tải 1 pha và 3 pha lại với nhau.

Hình 3.3 Dòng hiệu dụng khi được nối trực tiếp với lưới điện và khi được nối

thông qua một bộ converter

22

3.2 Tối ƣu hóa năng lƣợng bằng việc giảm từ thông động cơ

Ngoài việc cải thiện động cơ bằng cách thay đổi cấu trúc, có thể điều khiển tối ưu

năng lượng để giảm tổn hao, trong đó áp dụng một số luật điều khiển điện áp và tần

số stator để tối thiểu tổn hao trên động cơ ở một moment tải và tốc độ cho trước.

Nguyên tắc của điều khiển tối ưu năng lượng được giải thích sau đây tập trung

chính vào tổn hao trên động cơ.

Lực điện từ của một động cơ không đồng bộ xấp xỉ:

Trong đó K : hằng số

Im : dòng từ (stator)

Ir : dòng rotor

Với moment tải cho trước, moment điện từ cần thiết có thể có được từ một tập

vô hạn các thông số kết hợp giữa dòng điện từ tích số với dòng rotor.

Nếu Im lớn và Ir nhỏ thì tổn thất lõi và dây quấn stator sẽ lớn và tổn tổn thất dây

quấn rotor nhỏ. Ngược lại nếu Im nhỏ hơn và Ir lớn hơn thì tổn hao trên lõi và dây

quấn stator giảm và tổn hao rotor tăng, nhưng khi đó thì tổn hao stator cũng sẽ bắt

đầu tăng, vì thế với một moment tải cho trước sẽ có một tỉ số giữa dòng từ và dòng

rotor làm tối thiểu tổng tổn hao. Thông thường động cơ được thiết kế để hoạt động

tối ưu ở xung quanh tải định mức. Nhưng ở non tải thì từ thông sẽ dư ra, tương ứng

với Im lớn và Ir nhỏ. Tổng tổn hao có thể được giảm thiểu bằng cách giảm Im và tăng

Ir.

23

Hình 3.4 đường cong hiệu suất ở tốc độ định mức với từ thông khe hở không khí

không đổi và với hiệu suất được tối ưu của một động cơ 2.2kW

Việc cải thiện hiệu suất động cơ bằng cách tối thiểu hóa tổn hao so với việc điều

khiển từ thông khe hở không khí không đổi được minh họa trên hình 3.4. Nhận thấy

rằng sự khác nhau giữa 2 đường cong trên là ở khu vực non tải.HVAC quan tâm

đến điều khiển tối ưu năng lượng bởi vì động cơ trong các ứng dụng HVAC hoạt

động ở tải nhẹ trong khoảng thời gian dài có xác suất rất cao. Các dự án ứng dụng

HVAC thường được thiết kế chịu được các tình huống tải cao nhất. Ví dụ một máy

bơm nước nóng làm nóng trung tâm phải đảm bảo ngôi nhà được ấm vào những

ngày lạnh nhất trong năm. Nghĩa là hầu hết trong năm máy bơm chỉ hoạt động ở

một phần của công suất thiết kế. Hơn nữa, thông thường động cơ được thiết lớn hơn

cần thiết trong một ứng dụng với 2 lý do như sau:

 Tất cả các động cơ của một nhà sản xuất không được xác định chính

xác mà nằm trong một khoảng cho phép. Vì thế nhà thiết kế sẽ phải sử dụng

một hệ số an toàn cho công suất định mức để đảm bảo thông số kỹ thuật đã

được ghi trên thân máy

 Bởi vì động cơ bán trên thị trường chỉ có một số các công suất nhất

định, người kỹ sư thực hiện tính toán công suất cho động cơ phải chọn giá trị

24

gần nhất lớn hơn giá trị tính toán được. Ví dụ các động cơ không đồng bộ công

suất bé chỉ có các giá trị như 1.1, 1.5, 2.2, 3, 4, 5.5 và 7.5kW

Với những dữ kiện trên, kế quả là ngay cả khi hệ thống hoạt động đầy tải thì

động cơ không đồng bộ vẫn lớn để cho hệ thống không bao giờ sử dụng động cơ ở

đầy tải của nó. Kết quả là có khả năng cho việc tiết kiệm năng lượng trong động cơ

thay đổi tốc độ ở các ứng dụng HVAC bằng cách thích nghi thông lượng động cơ

với tải.

Nhược điểm lớn nhất của điều khiển tối ưu năng lượng là việc giảm thông lượng

khi non tải sẽ làm cho động cơ nhạy cảm với các nhiễu của tải và làm giảm chất

lượng đáp ứng động của hệ thống.

Nếu biết được chính xác tổn hao động cơ thì có thể tính toán điểm tối ưu năng

lượng và điều khiển động cơ bám theo điểm đó, tuy nhiên điều này không thực tế

bởi nhiều lý do:

 Ngay cả khi điểm làm việc tối ưu năng lượng được tính toán chính xác thì

khả năng giới hạn công suất tính toán trong các bộ lái công nghiệp sẽ làm cho nó

không thể thực hiện được.

 Một số tổn hao rất khó để dự báo, bao gồm tổn hao tải tản, tổn hao lõi khi

thay đổi điểm bão hòa và các họa tần, và tổn hao đồng do thay đổi nhiệt độ.

 Do bị giới hạn về giá thành sản phẩm cho nên không thể thu thập được hết

các tín hiệu có thể đo được. Nghĩa là một số nhất định sẽ phải được ước lượng, lẽ

dĩ nhiên điều này sẽ dẫn đến sai sót. Và một số loại tín hiệu, ví dụ như điện áp

ngõ ra converter và dòng điện DC, rất khó để có thể đo một cách chính xác.

3.3 Điều khiển tối ƣu năng lƣợng của bộ lái VVFF

Việc sử dụng một bộ converter VVFF (Variable Voltage Fixed Frequency, điện

áp thay đổi tần số cố định) về nguyên tắc chỉ là một trường hợp đặc biệt của điều

khiển tối ưu hóa năng lượng. Giống như tên gọi, điện áp stator thay đổi với tần số

cố định. Nhưng thành phần họa tần của điện áp stator khác rất nhiều so với điện áp

25

PWM nên nhận được một hiệu suất khác biệt do tổn hao hài bậc cao. Đó là lý do mà

bộ converter VVFF được xem xét riêng biệt trong phần này.

Nỗ lực đầu tiên để tối ưu hiệu suất của một bộ lái động cơ không đồng bộ bằng

cách điều khiển converter thật sự khả thi với việc sử dụng bộ converter VVFF của

Nola năm 1977. Cho thấy với việc điều khiển góc kích của một converter khởi động

mềm, như được cho trong hình 3.5 đối với phiên bản 3 pha, điện áp stator cơ bản và

vì thế hiệu suất của động cơ có thể điều khiển được. Nguyên tắc điều khiển đầu tiên

là giữ góc kích của các SCR không đổi. Kế tiếp, một loạt các bài báo và phát minh

đề nghị các chiến lược điều khiển khác nhau cho cùng một loại converter.

Hình 3.5 động cơ không đồng bộ được điều khiển bằng một bộ converter VVFF

(khởi động mềm)

Tất cả các chiến lược điều khiển đều dựa trên nỗ lực chọn lựa một thông số thay

đổi và duy trì nó không đổi hoặc tối thiểu. Có thể là góc kích không đổi, tối thiểu

hoặc giữ nguyên góc hệ số công suất, tối thiểu dòng stator hoặc công suất ngõ vào.

Rowan và Lipo đã làm phép so sánh năm 1983 và chỉ ra rằng tối thiểu hệ số công

suất hoặc công suất ngõ vào sẽ cho hiệu suất tốt nhất. Nhược điểm của bộ converter

VVFF là tổn hao họa tần rất lớn cho nên cải tiến thực sự còn là một dấu chấm hỏi.

Rowan và Lipo nghiên cứu hiệu suất của bộ lái động cơ được điều khiển VVFF

bao gồm cả tổn hao họa tần và so sánh với một động cơ được nối trực tiếp với lưới

điện. Ở tải trên 0.9 giá trị định mức bộ VVFF dẫn điện hoàn toàn vì thế tổn hao dẫn

điện trên Thyristor làm giảm hiệu suất của bộ điều khiển 1.5% so với động cơ

26

không được điều khiển. Ở tải dưới 0.45 định mức bộ khởi động mềm tốt hơn là

động cơ không được điều khiển. Kết quả là đối với tải dưới 0.45 danh định thì việc

cải thiện hiệu suất âm, vì thế tiết kiệm năng lượng chỉ đạt được trong các ứng dụng

mà động cơ hoạt động non tải trong khoảng thời gian đủ lớn.

Khi các transistor công suất phát triển thì bộ khởi động mềm được thay thế bởi

bộ PWM-VSI cho mục đích tiết kiệm năng lượng nhưng converter VVFF vẫn được

sử dụng cho việc khởi động mềm. Ngày nay bộ khởi động mềm được sử dụng rộng

rãi trong công nghiệp và đa phần đều có tùy chọn tiết kiệm năng lượng. Các bộ khởi

động mềm hiện đại đã được kiểm tra gần đây bởi Blaabjerg năm 1995, nhưng kết

quả là sẽ không ai đầu tư cho nó nếu chỉ sử dụng bộ khởi động mềm cho mục đích

tiết kiệm năng lượng. Thêm vào đó, với việc tối ưu năng lượng, độ ổn định có thể

có vấn đề và các hài trên lưới điện tăng lên làm cho nó khó đáp ứng được các tiêu

chuẩn IEC-1000 mới. Kết quả là bộ khởi động mềm không phải là giải pháp tốt cho

việc giải quyết bài toán tiết kiệm năng lượng.

Nhược điểm chính của khởi động mềm là không thể cung cấp khả năng thay đổi

tốc độ lớn, khi đó cái gốc của việc tiết kiệm năng lượng trong các ứng dụng HVAC

không còn. Cấu trúc converter này sẽ không được quan tâm trong luận án.

3.4 Điều khiển tối ƣu năng lƣợng của bộ lái VVVF

Cấu trúc VVVF (Vaiable Voltage Variable Frequency – điện áp và tần số thay

đổi) cơ bản cho trên hình 3.6. Điện áp ngõ ra được điều chế độ rộng xung. Ngày nay

bộ nghịch lưu điều chế biên độ xung chỉ được sử dụng trong các ứng dụng đặc biệt

như tốc độ cao hoặc điện áp thấp, và cũng không được đề cập ở đây.

Hình 3.6 Bộ PWM-VSI với diode chỉnh lưu trong phần lớn các ASD (bộ lái điều

khiển được tốc độ) ngày nay

27

Hình 3.7 sơ đồ khối điều khiển cho việc tối ưu hiệu suất của một bộ lái động cơ.

Rất nhiều tín hiệu hồi tiếp được đưa ra

Hình 3.7 đưa ra sơ đồ khối điều khiển của một ASD điều khiển tối ưu năng

lượng. Đưa ra rất nhiều tín hiệu đo lường được hồi tiếp về nhưng trong phần lớn các

bộ lái công nghiệp chỉ có điện áp ở khâu DC và dòng của hai hoặc 3 pha được đo.

Tốc độ cũng có thể được đo trong các bộ lái servo. Sơ đồ chỉ ra rằng cũng có thể đo

dòng điện ở khâu DC và dòng áp ngõ vào ở bộ chỉnh lưu. Mục đích của việc làm

này là đo công suất ngõ vào của bộ lái. Tuy nhiên điều này sẽ làm tăng giá thành

nên không bao giờ được thực hiện trong công nghiệp. Một giải pháp cho các bộ lái

sau này có thể tái tạo lại dòng 3 pha stator từ việc đo đạc dòng DC do Blaajerg đề

xuất. Cách này có thể đo công suất ngõ vào bộ nghịch lưu mà không làm tăng giá

thành.

Các phương pháp điều khiển tối ưu năng lượng được chia thành 3 nhóm như sau:

điều khiển trạng thái đơn giản, điều khiển theo mô hình và điều khiển tìm kiếm.

28

3.5 Điều khiển trạng thái đơn giản (Simple State Control)

Khi động cơ không đồng bộ hoạt dộng ở hiệu suất tối ưu y như rằng các thông số

điện thay đổi theo một cách đơn giản. thông số điều khiển rõ ràng nhất là cos( ) và

tần số trượt rotor.

Một sơ đồ điều khiển đơn giản không bao gồm 2 thông số trên được đề nghị bởi

Tomita năm 1988. Ông đề nghị điều khiển động cơ ở chế độ vòng hở và xác định

điện áp stator là một hàm của dòng điện và tần số stator theo biểu thức (3.2). đây là

cách đơn giản để tạo ra tỉ số V/f phụ thuộc vào tải bằng cách dùng dòng điện stator

để nói lên moment tải. Hệ số K(fs) bù cho độ sụt áp stator tương đối lớn ở tần số

thấp.

(3.2)

Trong đó : K(fs) : độ lợi phụ thuộc tần số phi tuyến của stator.

3.5.1 Điều khiển cos( ) (hệ số công suất)

Nguyên tắc điều khiển cos( ) của các động cơ không đồng bộ dùng biến tần

được Rosenberg mô tả vào năm 1976 và được liên hệ với điều khiển tối ưu năng

lượng lần đầu tiên bởi sáng chế của Earle vào năm 1981. Điều khiển hệ số công suất

đã được Nola giới thiệu trước đó vào năm 1977 nhưng chỉ cho động cơ 1 pha lái bởi

các Thyristor.

Một số lượng lớn các sáng chế và các bài báo về việc điều khiển cos( ) tối ưu

năng lượng cho động cơ không đồng bộ: khẳng định cách thức để đo cos( ) hoặc

thực thi điều khiển, ví dụ trên hình 3.8. Cũng có những đề nghị đặc biệt về cách

thức tạo ra giá trị tham khảo.

29

Hình 3.8 Ví dụ về điều khiển cos( ) trong một bộ lái vô hướng

Điều khiển cos( ) có ưu điểm là đơn giản và không đòi hỏi thông tin về tốc độ

rotor. Nhưng nó có nhược điểm là giá trị cos( ) tham khảo chỉ hợp lý cho một loại

động cơ nhất định. Đối với vài loại động cơ thì chấp nhận được giá trị cos( ) tham

khảo không đổi và đối với một số khác thì có thể bắt buộc phải thay đổi giá trị tham

khảo theo một hàm nào đó ví dụ như hàm của tần số stator hay tải, Andersen và

Pedersen. Phân tích chi tiết về vấn đề này đối với các loại động cơ khác nhau và các

động cơ có kích thước khác nhau vẫn chưa có tài liệu nào báo cáo.

3.5.2 Điều khiển tần số trƣợt stator

Nỗ lực đầu tiên tính toán tần số trượt tối ưu tiết kiệm năng lượng được nhóm

Jian hoàn thành năm 1983 cho một bộ lái tần số không đổi. Họ cũng tranh luận về

ảnh hưởng của bão hòa lên các giá trị tham khảo. Với giả thuyết mạch từ tuyến tính,

năm 1983 nhóm Stanton đề nghị sử dụng một tham chiếu tần số trượt không đổi ở

vùng moment thấp (thông lượng thấp). Tuy nhiên, ngay cả khi mạch từ là tuyến tính

thì sự có mặt của tổn hao lõi cũng làm giảm chất lượng việc điều khiển tần số trượt

không đổi. Trong cùng năm, nhóm của Park đã đề nghị thực hiện điều khiển độ

trượt không đổi trong bộ lái nghịch lưu nguồn dòng, nhóm Kim cũng làm tương tự

năm 1984. Năm 1984 Park và Sul giới thiệu một chiến lược điều khiển tối ưu năng

lượng trong đó các tần só trượt rotor tối ưu được đặt trong một bảng tra, hình 3.9.

Các giá trị dựa trên việc đo đạc off-line của bộ lái động cơ và đối với một động cơ

cho trước, các giá trị tần số trượt tối ưu được tạo ra chỉ phụ thuộc vào tốc độ.

30

Hình 3.9 ví dụ về điều khiển tần số trượt tối ưu mà giá trị tham khảo được đặt

trong bảng tra

3.6 Điều khiển dựa vào mô hình

Điều khiển dựa vào mô hình là một nguyên tắc trong đó bộ điều khiển chứa các

phương trình mô hình hóa được động cơ hoặc là tổn thất của động cơ, và sử dụng

các phương trình để tính toán điểm tối ưu hiệu suất. Thông số của động cơ phải

được biết trước. Một loạt các bộ lái với các động cơ và converter xác định được

thiết kế để làm việc với nhau có thể được hiện thực bằng các phương pháp đo đạc

off-line. Nếu không thì thuật toán ước lượng thông số tự động phải được sử dụng.

3.6.1 Các động cơ vô hƣớng

Galler đã giới thiệu năm 1980 việc sử dụng mô hình động cơ để tính toán tần số

stator tối ưu và điều khiển tốc độ bằng điện áp. Tần số stator tối ưu được tính toán

dựa trên mô hình động cơ trạng thái xác lập bỏ qua tổn hao lõi và giả thiết mạch từ

tuyến tính:

(3.3)

Trong đó n : tốc độ

: số cặp cực

: điện trở stator

: điện trở rotor

31

: điện cảm mạch từ

: điện cảm stator

: điện cảm rotor

Phương pháp trên cũng được mô tả bởi Kusko và Galler năm 1983 và được đề

nghị thực hiện như trong hình 2.14. Tổn thất lõi có thể được đưa vào mô hình

nhưng khi đó tần số stator tối ưu phải được định lượng như sau:

(3.4)

Các hệ số a và b phải được tính toán off-line. Đề xuất cuối cùng là chỉ cần sử

dụng bảng tra tương tự như sơ đồ trong hình 3.10. hạn chế của các biểu thức (3.3)

và (3.4) của Kusko và Galler là mô hình không bao gồm phần bão hòa của mạch từ,

như vậy sẽ không thể đạt được kết quả tốt trong thực tế.

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

hướng

Bose khẳng định trong một sáng chế về ý tưởng để tối ưu hiệu suất bằng việc sử

dụng mô hình tổn hao. Dòng stator và từ thông khe hở không khí được thu thập và

dùng để tính toán tổn hao mô hình, bao gồm tổn hao dây đồng của hài cơ bản và các

họa tần, các tổn hao lõi và đưa bão hòa vào tính toán. Bằng việc đo dòng và áp

stator, công suất ngõ vào và vì thế hiệu suất cũng được tính toán. Từ thông khe hở

được thay đổi từng bước nhỏ cho đến khi tìm được hiệu suất tối ưu. Tần số trượt

được tính toán từ từ thông khe hở và moment tải. Thực hiện theo đề nghị trên sẽ cho

32

kết quả tốt tuy nhiên nó rất phức tạp vì phải đo đạc các thông số tốc độ, từ thông

khe hở, dòng stator và điện áp stator. Ý tưởng về việc tìm kiếm tổn hao nhỏ nhất

bằng cách sử dụng mô hình tổn hao cũng được đề nghị bởi Kusko và Galler năm

1983.

Pederen và Blaabjerg năm 1992 đã đề nghị 1 biểu thức mô tả bằng điện trong đó

tham chiếu dòng điện từ tối ưu hiệu suất xác đinh theo hàm của tham chiếu moment

và tốc độ.

Một ý tưởng do Yamakawa phát minh năm 1994 về việc điều khiển động cơ

vòng hở. Công suất ngõ vào động cơ được đo đạc và tính toán điện áp stator như

sau:

(3.5)

Năm 1996 Kioskeridis và Margaris sử dụng mô hình động cơ trạng thái xác lập

để tính toán từ thông khe hở tối ưu:

(3.6)

Trong đó : từ thông khe hở tối ưu hiệu suất

: dòng stator

: hằng số của một động cơ xác định bao gồm cả bão hòa

: vận tốc góc của trục

: hằng số thời gian của một động cơ xác định

: hằng số thời gian của một động cơ xác định

Biểu thức (3.6) được lập luận như sau: từ thông khe hở tăng theo tải, thể hiện

qua Is. Mẫu số thể hiện rằng ở trên một tốc độ nhất định từ thông phải được giảm để

giới hạn tổn hao lõi, và tử số mô tả là ở một tốc độ khác từ thông nên tăng lên để

33

giảm tổn hao tải tản do cảm ứng của phần ứng. Các hằng số Gs, Ts, Tps được xác

định qua 3 thí nghiệm.

3.6.2 Bộ lái điều khiển vector hƣớng trƣờng (Field Oriented Vector Controlled

Drives)

Hiển nhiên là sử dụng bộ điều khiển theo mô hình cho bộ lái hướng vectơ

trường bởi vì có sẵn thông tin tốt về tốc độ và một vài thông số mô hình cũng đã

biết được. Chỉ chú ý rằng cần thiết phải có các mô hình bão hòa từ và tổn hao lõi

chính xác để đạt được tối thiểu tổn hao thật tốt, và trong hầu hết các bộ lái điều

khiển theo vectơ trường thông thường cả tổn thất lõi và bão hòa từ bị bỏ qua.

Hình 3.11 Ví dụ về điều khiển tối ưu hiệu suất dựa trên mô hình động cơ được

thực hiện trong khung tham chiếu hướng từ trường

Đa phần các đề nghị dựa trên hàm tổn hao khác biệt với các thông số liên quan

đến từ thông để tìm tổn hao tối thiểu, với một moment tải và tốc độ cho trước. Có

nhiều cách khác nhau để thể hiện kết quả. Điều này phụ thuộc vào sự khác nhau

trong cách biểu diễn ví dụ như giữa điện trở tổn hao lõi và sai lệch trong thực tế,

nhưng về cơ bản thì ý tưởng giống nhau. Trong vài trường hợp giá trị tham chiếu từ

thông rotor tối ưu được tính trực tiếp như của Takahashi và Noguchi, Islam và

Somuah, nhóm Mendes, nhóm Baba, nhóm Matsuse, Chang và Kim. Trong các

trường hợp khác điểm hiệu suất tối ưu được diễn tả bởi tỉ số giữa trường từ và

moment như nhóm Garcia, nhóm Ashikaga

34

Nhóm của Mendes cũng tuyên bố tối thiểu hóa được tổn hao động. Tuy nhiên

điều này yêu cầu moment tải và tốc độ phải được biết trước. Việc này đúng trong

một vài ứng dụng, ví dụ như các máy công cụ làm việc trong cùng 1 dây chuyền

kín.

Nhóm của Fetz đã thiết lập được một phương pháp khác để tối ưu hiệu suất của

một động cơ được điều khiển vector từ thông rotor. Họ sử dụng tiêu chuẩn cực đại tỉ

số moment trên dòng điện stator. Điều này cho phép tính toán được các tham số

cường độ moment và cường độ trường tối ưu từ một tham số moment tải.

3.7 Điều khiển tìm kiếm (search control)

Điều khiển tìm kiếm còn được các tác giả khác gọi là điều khiển kiểm tra (testing

control), điều khiển thích nghi hay tối ưu hóa on-line. Dù tên gọi nào thì nguyên tắc

điều khiển của nó là cực trị hóa một thông số có nghĩa bằng phép thử và sai. Tiêu

chuản có thể là cực đại hóa hiệu suất, cực tiểu hóa công suất ngõ vào bộ inverter,

cực tiểu hóa công suất khâu DC, cực tiểu tổn hao trong động cơ, cực tiểu tổn hao bộ

lái, cực tiểu dòng stator hoặc dòng điện ở khâu DC.

3.7.1 Điều khiển tìm kiếm truyền thống

Nguyên tắc được đề cập đầu tiên trong một công bố của Geppert năm 1982 cho

một động cơ xe điện. Đề xuất đưa ra là khởi động động cơ với một tỉ số V/Hz danh

định, và khi đạt được moment yêu cầu không thay đổi thì giảm tỉ số V/Hz cho đến

khi tìm được cực tiểu dòng khâu DC.

Đối với một bộ lái phổ thông thì ý tưởng được Kusko và Galler đề cập đầu tiên

vào năm 1983. Nhóm của Kirschen thực hiện mô phỏng đầu tiên vào năm 1985.

Các kết quả thực nghiệm được báo cáo vào năm 1987. Họ đã thực hiện điều khiển

tìm kiếm với một sơ đồ điều khiển vectơ từ thông rotor, và đã tối thiểu công suất

ngõ vào bộ lái, duy trì ngõ ra động cơ không đổi bằng cách điều khiển tốc độ với

giả thiết đặc tính tải không đổi như trong hình 3.12. Một hệ thống tương tự cũng

được nghiên cứu bởi Chen và Yeh năm 1991.

35

Hình 3.12 thực thi điều khiển tìm kiếm cho bộ điều khiển theo từ thông rotor

Ưu điểm chính của điều khiển tìm kiếm là nó không phụ thuộc vào các thông số

của động cơ như các chiến thuật điều khiển khác mà vẫn tìm được hiệu suất tối ưu

thật sự. Mặc khác, nó cần thời gian hội tụ dài để đạt được hiệu suất tối ưu (không

dưới 4s) và có thể xuất hiện các xung nhiễu liên tục trong moment và tốc độ phụ

thuộc vào cách thức thiết kế giải thuật. Thuật toán tìm kiếm có thể khó điều chỉnh

để đảm bảo hội tụ chính xác trong mọi trường hợp. Nếu tối thiểu công suất thì cần

thêm các cảm biến chính xác trừ khi dòng stator được tái tạo từ dòng khâu DC nhờ

vậy mà công suất ở khâu DC có thể dễ dàng thu thập được.

Nhóm Kirschen thảo về nhiễu loạn và tắt dần moment trong động cơ. Họ thấy

rằng ở gần điểm hiệu suất tối ưu các nhiễu loạn với một bước nhảy từ thông cho

trước sẽ lớn hơn và tắt dần chậm hơn, nhưng điều này có thể được bù bằng cách

tăng độ lợi của bộ điều khiển tốc độ nhờ vào việc lập trình độ lợi khá đơn giản.

Không chỉ trong điều khiển tìm kiếm mà trong tất cả các chiến lược điều khiển

tối ưu năng lượng, một vấn đề đối với các bộ lái điều khiển vectơ từ thông rotor là

đáp ứng của động cơ khi từ thông được giảm thiểu và yêu cầu moment lớn đột ngột.

Khi từ thông thấp và dòng stator bị giới hạn ở ngưỡng dòng danh định, động cơ

không thể chuyển tải đầy đủ moment chỉ bằng cách tăng dòng moment xoắn. Nếu

bộ lái không được chuẩn bị trước, nó sẽ ứng xử bằng cách tăng dòng tạo ra moment

xoắn cho tới giá trị giới hạn, nhưng dòng trường thì không tăng cho nên động cơ

không thể phân phối moment xoắn theo yêu cầu. Một đề nghị là thiết lập một giới

hạn nhân tạo cho dòng moment xoắn cho tới khi giá trị trường đạt tới danh định, sau

36

đó tiếp tục tăng dòng moment xoắn. Điều này chỉ làm giảm đặc tính động của hệ

thống một ít so với bộ lái hoạt động với trường liên tục.

Năm 1988 Sul và Park đề nghị một loại được tìm kiếm cho động cơ máy bơm.

Giả thiết rằng đặc tính tải không đổi. Moment tải đối với đặc tính tốc độ được chia

thành nhiều phần. Trong suốt quá trình khởi động, động cơ hoạt động theo đường

tải từ zero đến tốc độ định mức, và trong mỗi phần của đường tải sử dụng một thuật

toán điều khiển tìm kiếm để tìm ra các tần số trượt tối ưu năng lượng và lưu vào bộ

nhớ. Khi hoạt động bình thường thì động cơ được điều khiển theo tần số trượt sử

dụng các tần số trượt tối ưu làm giá trị tham khảo. kết quả là sơ đồ điều khiển rất

đơn giản và rất nhanh khi hoạt động bình thường, tuy nhiên khi đặc tính tải thay đổi

thì các giá trị tần số tham khảo phải được dò tìm lại.

Nhóm Moreira đã công bố vào năm 1989 và 1991 điều khiển tìm kiếm cho một

bộ lái vô hướng. Phát minh chính là thay vì đo tốc độ, nó sẽ được ước lượng thành

phần hài bậc 3 của điện áp stator. Thêm vào đó, đối với các hệ thống mà đặc tính

moment- tốc độ có tính cố định, họ đề nghị bỏ qua việc đo hay ước lượng tốc độ và

thay vào đó là việc ước lượng moment xoắn và sử dụng để chỉ thị công suất ngõ ra

động cơ. Trong cả hai trường hợp đã tối thiểu hóa được công suất ở khâu DC.

Năm 1990 Kim đã công bố phát minh cho việc tối thiểu hóa dòng stator bằng

điều khiển tìm kiếm thay vì tối thiểu hóa công suất ngõ vào. Nhưng ông đã chứng

minh không thể điều khiển công suất ngõ ra hay tốc độ, vì thế không thể khẳng định

được bộ lái đã mô tả sẽ làm việc được trong thực tế.

Năm 1996 Kioskeridis và Margaris đưa tài liệu dẫn chứng về ưu điểm của việc

tối thiểu hóa dòng stator thay vì công suất ngõ vào. Kết quả hầu như giống với hiệu

quả thực hiện, tối thiểu hóa dòng stator dễ thấy hơn nhiều so với công suất cho nên

ít tốn các cảm biến hơn. Bằng cách tính toán họ nói rằng điều này đặc biệt có ưu

điểm trong các bộ lái lớn hơn, khi mà rất khó để đo được tối thiểu công suất ngõ

vào.

37

Nhiều tác giả đã thực hiện điều khiển tìm kiếm với những thay đổi nhỏ trong

thực tế. Năm 1991 Famouri và Cathey đã tối thiểu hóa công suất vào inverter cho

một bộ lái vô hướng bằng việc điều chỉnh tần số trượt rotor. Năm 1993 Blaabjerg và

Pedersen tối thiểu hóa công suất khâu DC bằng cách điều chỉnh tỉ số V/Hz như

trong hình 3.13

Hình 3.13 Ví dụ về việc thực hiện tối ưu hiệu suất tìm kiếm trong một bộ lái vô

hướng

Năm 1995 nhóm Cleland đã đề nghị thực hiện điều khiển tìm kiếm trong một bộ

lái điều khiển vòng hở với đặc tính tải biết trước. Họ khẳng định có thể điều chỉnh

tốc độ mà không cần biết các thông số động cơ, bằng việc tăng tần số stator mỗi khi

giảm điện áp stator. Tuy nhiên, họ chưa bao giờ chứng minh điều này trong thực tế,

nên rất đáng nghi là nó có thể làm việc được.

3.7.2 Điều khiển tìm kiếm dùng Logic mờ và mạng thần kinh nhân tạo

Các nghiên cứu gần đây nhất về điều khiển tìm kiếm đã sử dụng logic mờ làm

thuật toán tối ưu hóa. Các thuật toán điều khiển mờ có ưu điểm so với các phương

pháp điều khiển kinh điển khi không biết rõ hệ thống hoặc nó quá phức tạp để mô

hình hóa. Vì thế nó ứng dụng tốt cho điều khiển tìm kiếm tối ưu năng lượng nơi mà

thuật toán được áp dụng không biết mô hình hệ thống động cơ. Ưu điểm chính của

việc sử dụng điều khiển mờ thay cho các thuật toán điều khiển tìm kiếm kinh điển

là nó làm cho thuật toán hội tụ nhanh hơn và có thể chấp nhận các tín hiệu không

chính xác do nhiễu gây ra. Mức độ tin cậy của phát biểu sau đáng nghi ngờ.

38

Điều khiển mờ được giới thiệu lần đầu tiên với điều khiển tối ưu năng lượng

nhóm Sousa năm 1993 và năm 1995, trong đó họ tối thiểu công suất khâu DC của

một bộ lái điều khiển vectơ từ thông rotor như trong hình 3.14. Họ cũng giới thiệu

một đường thuận trục q để lấp vào nhấp nhô moment xoắn khi dòng trường nhảy

bậc. Hai bài báo trên đã công bố thời gian hội tụ là 4s. Điều khiển tìm kiếm mờ

cũng được mô tả bởi nhóm Cleland năm 1995, Wang và Liaw năm 1997, và Bose.

Hình 3.14 Điều khiển mờ tối ưu năng lượng được thực hiện với điều khiển động

cơ hướng từ trường

Năm 1997 nhóm của Bose đã giới thiệu điều khiển tìm kiếm logic mờ được hiện

thực trong một bộ lái động cơ điều khiển theo từ thông stator không dùng cảm biến,

và họ báo cáo thời gian hội tụ là 10s. Năm 1997 Bose và Patel cũng mô tả như vậy.

Đó là lần đầu tiên điều khiển tìm kiếm được thực nghiệm trong một bộ lái không có

cảm biến. Họ cũng đề nghị giảm từ thông theo hàm tam giá thay vì hàm nấc để

39

giảm nhấp nhô moment xoắn. Hơn nữa, họ còn sử dụng sơ đồ điều khiển logic mờ

để huấn luyện một mạng thần kinh sử dụng cho công việc thực hiện sau cùng.

Năm 1996 nhóm của Choy và năm 1997 nhóm của Hasan cũng sử dụng một

mạng thần kinh để thực thi điều khiển tìm kiếm. Cả hai nhóm thiết lập một mô hình

của bộ lái động cơ và sử dụng các thuật toán điều khiển tìm kiếm kinh điển để huấn

luyện mạng thần kinh ở các điểm làm việc khác nhau. Sau đó thì điều khiển tìm

kiếm sẽ được mạng thần kinh thực hiện độc lập. Phương pháp này trông có vẻ khá

vụng về, bởi vì nếu trước tiên họ phải thiết lập một mô hình để huấn luyện mạng thì

họ đã đánh mất đi ưu điểm của điều khiển tìm kiếm đó là nó có thể làm việc mà

không cần biết mô hình của động cơ. Dĩ nhiên, họ có thể chọn cách huấn luyện

mạng theo thực nghiệm.

Năm 1997 nhóm Moreno-Eguilaz đã tiến hành so sánh các thuật toán điều khiển

tìm kiếm khác nhau. Họ kết luận là điều khiển mờ là tốt nhất và cho độ hội tụ nhanh

nhất.

3.8 Kết luận

Phần trên đã trình bày tổng quan về tổn hao trong điều khiển động cơ thay đổi

được tốc độ và cũng đã giải thích vắn tắt cách giảm thiểu tổn hao của động cơ bằng

việc cải tiến cấu tạo và bảo dưỡng bộ converter, động cơ và đường truyền. Phân tích

về điều khiển tối ưu năng lượng cho động cơ điện đã xem xét bộ lái tần số cố định –

điện áp thay đổi (VVFF) cũng như bộ lái tần số thay đổi – điện áp thay đổi (VVVF)

trên cơ sở của PWM-VSI.

Như đã phân tích, bộ lái VVFF chỉ có thể tiết kiệm năng lượng ở tải rất thấp, và

nói chung nó không thích hợp cho việc tối ưu năng lượng ở các động cơ điện vài

ngựa trở lên. Và vì không thể thay đổi tốc độ trong khoảng rộng, nó cũng không

được dùng trong các ứng dụng HVAC. Các chiến lược điều khiển cho bộ lái VVVF

được chia thành 3 nhóm như trong bảng 3.3

40

Bảng 3.3 Ước lượng của các phương pháp điều khiển tối ưu năng lượng cho bộ

lái động cơ không đồng bộ

Phƣơng pháp điều Trạng thái đơn Dựa vào mô hình Tìm kiếm khiển

Động cơ xác định thông Có Có Không số

Cảm biến được thông Có Có Không số

Khả năng chính xác Trung bình Trung bình Cao

Khả năng hội tụ Nhanh Nhanh Chậm (4-10s)

Trung bình/phức Độ phức tạp Đơn giản Trung bình tạp

Tần số trượt: có Có (không cần nếu Đo hoặc xác định tốc độ Thỉnh thoảng biết được moment tải) Cos( ): không

Nhược điểm lớn nhất của điều khiển trạng thái đơn giản và điều khiển theo mô

hình là nó cần phải biết được các thông số của động cơ. Nhưng có ưu điểm là

nhanh, và điều khiển trạng thái đơn giản có thể thực hiện rất rẻ, đặc biệt là điều

khiển hệ số công suất không yêu cầu tín hiệu cảm biến tốc độ. Nhược điểm chính

của điều khiển tìm kiếm là yêu cầu phải có tín hiệu cảm biến tốc độ và thời gian hội

tụ lâu nhưng có ưu điểm là không đòi hỏi thông số của động cơ.

41

Chương 4

PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƢỚNG TỪ TRƢỜNG ( FIELD ORIENTED CONTROL - FOC ) VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU

4.1 Phƣơng pháp điều khiển định hƣớng trƣờng

Tổng quát, một động cơ điện tương tự như một nguồn moment điều khiển được.

Yêu cầu điều khiển chính xã giá trị moment tức thời của động cơ được đặt ra trong

hệ truyền động có đặc tính động cao và sử dụng phương pháp điều khiển vị trí trục

rotor.

Moment sinh ra trong động cơ là kết quả tương tác giữa dòng trong cuộn ứng và

từ thông sinh ra trong hệ thống kích từ của động cơ. Từ thông phải được giữ tối ưu

nhằm đảm bảo moment sinh ra tối đa và giảm tối thiểu độ bão hòa của mạch từ. Với

từ thông có giá trị không đổi, moment sẽ tỉ lệ thuận với dòng ứng. Trong động cơ

không đồng bộ, dòng ứng là dòng rotor và từ thông được sinh ra bởi dòng stator.

Tuy nhiên, dòng rotor không được trực tiếp điều khiển bởi nguồn ngoài mà là hệ

quả do sức điện động cảm ứng sinh ra do kết quả chuyển động của rotor so với từ

trường stator. Do đó, dòng stator là nguồn của từ thông và dòng ứng.

Trong động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc, chỉ có dòng stator được điều khiển

trực tiếp, do đó việc điều khiển moment tối ưu khó thực hiện vì không thể bố trí cố

định về mặt vật lý giữa từ thông stator và rotor được và phương trình moment là phi

tuyến.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học đã đưa ra nguyên lý định hướng theo

trường (FOC). Nguyên lý này xác định điều kiện để điều khiển độc lập từ thông và

moment, nó dựa trên phương pháp phân tách phi tuyến được sử dụng trong điều

khiển các hệ thống phi tuyến. Bản chất của phương pháp này là điều khiển các biến

đã chọn sao cho chúng luôn bằng 0. Điều này làm cho mô hình toán trở nên đơn

giản hơn rất nhiều vì có thể loại bỏ một số nhánh trong mô hình tổng quát.

42

Phương pháp điều khiển định hướng theo trường bao gồm:

- Điều khiển định hướng theo vector từ thông stator (trực tiếp, gián tiếp)

- Điều khiển định hướng theo vector từ thông rotor (trực tiếp, gián tiếp)

- Điều khiển định hướng theo vector từ thông khe hở không khí (trực tiếp,

gián tiếp)

Hệ thống định hướng trường (từ thông) tổng quát được cho như trong hình bên

dưới, tạo ra các tín hiệu điện áp đặt ở ngõ ra , , dựa trên tín hiệu đặt ở ngõ

vào là từ thông rotor và mômen (tốc độ ). Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ cung

cấp điện áp theo điện áp đặt.

Hình 4.1 Sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển định hướng từ trường

Ta chỉ đề cập đến phương pháp điều khiển “định hướng từ thông rotor” do

nó có thể điều khiển độc lập từ thông và moment. Còn phương pháp điều khiển định

hướng từ thông stator và từ thông khe hở không khí không thể điều khiển độc lập

hai thành phần này.

Trong phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor, mô hình động cơ

không đồng bộ được biểu diễn trên hệ trục d-q bởi nó những ưu điểm sau:

43

- Trong hệ từ thông rotor (d-q), các vector dòng stator

và vector từ thông rotor

, cùng với hệ trục (d-q) quay gần đồng bộ với nhau với tốc độ quanh điểm

gốc, do đó các phần tử của vector ( isd, isq) là các đại lượng một chiều.

- Trong chế độ xác lập, các giá trị này gần như không đổi; trong quá trình

quá độ, các giá trị này có thể biến thiên theo một thuật toán đã được định trước.

Từ phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ :

(4.1)

r (chỉ số trên): hệ quy chiếu trục rotor

s (chỉ số phía trên) : hệ trục α-β

f (chỉ số phía trên) : hệ trục d-q

: góc lệch giữa hệ trục α-β và d-q

: góc lệch giữa trục rotor và trục α

(4.2) Với

Với

: tốc độ góc của từ thông rotor so với stator (rad/s)

: tốc độ góc của từ thông stator so với stator (rad/s)

: tốc độ trượt (rad/s)

(4.3)

44

Kết hợp các phương trình (4.1) (4.2) (4.3) ta được:

Hay

Trong hệ trục d-q, .Suy ra, phương trình từ thông được viết lại như sau:

Mômen của động cơ được tính như sau:

Phương trình từ thông stator và rotor trong hệ d-q:

Thay phương trình trên vào phương trình tính moment ta được:

( s: toán tử laplace) (4.4)

(4.5)

Từ các phương trình (4.4) và (4.5) cho thấy có thể điều khiển từ thông và

moment điện từ thông qua dòng stator. Khi đó, phương pháp mô tả ĐCKĐB ba pha

giống như động cơ một chiều kích từ độc lập. Ta cũng có thể điều khiển tốc độ

ĐCKĐB ba pha thông qua điều khiển hai phần tử của dòng điện là isd và isq . Từ

thông rotor được giữ bằng hằng số bằng cách giữ cố định thành phần isd và moment

được thay đổi thông qua thay đổi thành phần isq. Trong phương pháp này, vector từ

45

thông rotor được chọn làm chuẩn, được gắn với hệ trục d-q và quay cùng tốc độ với

hệ trục này.

Hình 4.2 Hệ trục từ thông rotor

Phương pháp điều khiển định hướng theo véc tơ từ thông rotor có 2 phương

pháp là:

Có 2 cách để xác định được biên độ và vị trí góc của từ thông rotor được

1. Điều khiển trực tiếp :

đo hoặc ước lượng. Cảm biến Hall có thể được sử dụng để đo từ trường bằng

cách đặt các cảm biến này vào trong khe hở không khí của động cơ. Tuy

nhiên, phương pháp này làm cho giá thành của hệ thống cao, độ tin cậy của

hệ truyền động giảm và việc thi công rất khó khăn. Phương pháp ước lượng

từ thông thì khâu ước lượng từ thông việc tính toán sẽ phức tạp và sai số phụ

thuộc rất nhiều vào thông số của động. Tuy nhiên phương pháp này thích

hợp cho hệ thống có đặc tính động cao

2. Điều khiển gián tiếp :

Vị trí rotor có thể đo được dễ dàng bằng một cảm biến gắn ngoài có thể

sử dụng cho các loại động cơ thường gặp, chỉ thích hợp cho điều khiển trạng

thái xác lập

Với những lý do trên, phương pháp điều khiển gián tiếp sẽ được chọn để khảo

sát và sử dụng để thiết kế hệ thống điều khiển trong đề tài

46

Mô hình điều khiển gián tiếp

Hình 4.3 Sơ đồ điều khiển gián tiếp

Hình 4.3 là sơ đồ của phương pháp điều khiển gián tiếp, vị trí góc của vector từ

thông rotor được tính dựa trên tốc độ trượt và thông tin về tốc độ của

động cơ . Góc của vector từ thông rotor được xác định theo công thức sau.

(4.6)

Ta suy ra được vận tốc trược như sau:

(4.7)

Mặc khác từ công thức 4.4 ta có

Hay

Khi vận hành ở trạng thái xác lập thì

47

(4.8)

Thế 4.8 và 4.7 ta được

Theo công thức 4.9 ta thấy rằng vận tốc trượt

phụ thuộc vào thời hằng rotor Tr,

mà Tr biến thiên đáng kể trong quá trình vận hành động cơ, do sự thay đổi điện trở rotor

theo nhiệt độ. Sự thay đổi này phụ thuộc vào tần số và mức bão hòa từ của điện kháng

rotor.

(4.9)

4.2 Kết luận và hƣớng nghiên cứu

Phương pháp điều khiển định hướng theo véc tơ từ thông rotor cho kết quả tốt

về việc phân tách một cách tự động điều khiển mômen và từ thông. Vì vậy việc điều

khiển sẽ dễ dàng hơn giống nguyên lý điều khiển động cơ một chiều. Với việc điều

điều khiển tối ưu mômen đồng nghĩa với việc giảm tiêu thụ dòng và cũng đồng

nghĩa giảm các tổn hao điện trở và do đó thiết bị sẽ có hiệu suất sử dụng tốt. Vậy

ngay bản thân phương pháp này đã chứa đựng khả năng tiết kiệm năng lượng tiêu

thụ.

Nhưng ta cũng có thể chủ động tác động vào phương pháp này thêm một hướng

điều khiển có thể tiết kiệm năng lượng tiêu thụ như sau:

Ta thấy trong phương pháp điều khiển định hướng theo véc tơ từ thông rotor, tốc

độ động cơ được điều khiển bám theo vị trí của véc tơ từ thông rotor.Khi đó mômen

sinh ra là tối ưu, nhưng về độ lớn từ thông rotor yêu cầu(phir*) ta chỉ mới ước tính

chưa có mục đích rõ ràng. Vậy ta có thể tính toán được giá trị từ thông này với mục

đích giảm các tổn hao trong động cơ được không? Đó là một câu hỏi lớn và cũng là

mục tiêu chính của đề tài này. Mục đích của việc tác động này là xây dựng một hàm

tổn thất công suất trong các cuộn dây stator và rotor của động cơ theo biến là từ

thông rotor: . Bằng cách tính đạo hàm cực tiểu của ta có thể tìm ra

giá trị từ thông tối ưu . Nếu điều khiển tốc độ động cơ bám theo độ lớn của từ

48

thông này thì tổn thất của động cơ sẽ nhỏ nhất và khả năng tiết kiệm năng lượng có

thể thực hiện được.

49

Chƣơng 5

PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ KẾT

QUẢ CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN

Ở CHẾ ĐỘ TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG

5.1 Phƣơng pháp thiết kế hệ thống điều khiển động cơ điện ở chế độ tiết kiệm

năng lƣợng

5.1.1 Xây dựng thuật toán

Mô hình toán động cơ không đồng bộ thông thường được xây dựng trên cơ sở hệ

trục cố định , hoặc trên hệ trục xy quay đồng bộ với từ trường. Để thuận tiện cho

việc thiết kế giải thuật điều khiển chúng ta sử dụng mô hình trên hệ trục tọa độ xy.

Mô hình này có dạng:

(5.1)

Trong đó: : từ thông móc vòng rotor.

:hình chiếu dòng và điện áp stator trên x,y. i1x, i1y, u1x, u1y

: điện cảm riêng và cảm ứng của các cuộn dây. L1, L2, L12

:điện trở của các cuộn dây. R1, R2

p :số cặp cực

50

m :số lượng pha của cuộn stator

Tổn hao đồng trong động cơ có dạng:

(5.2)

’ : giá trị hiệu dụng dòng rotor quy đổi về stator

Trong đó: I1 : giá trị hiệu dụng dòng stator

I2

Biểu diễn (2) thông qua các hình chiếu của dòng điện trên 2 trục x,y ta có:

(5.3)

Hình chiếu của từ thông móc vòng trên hệ xy có dạng:

(5.4)

Suy ra:

Thay thế i2x, i2y vào (3) ta có phương trình tổn hao:

(5.5)

Tổn hao trong lõi sắt từ có dạng:

Hay trong vùng dao động như có thể viết:

(5.6)

Như vậy tổng tổn hao có dạng:

51

(5.7)

Vấn đề đặt ra là xác định sao cho . Lưu ý rằng trong các hệ thống

điều khiển được coi như là M biến được điều khiển

Ta biết rằng trong chế độ tĩnh ta có:

Suy ra (7) có dạng:

(5.8)

Trong đó:

Đặt các biến trạng thái:

Và tín hiệu điều khiển:

Các tham số:

52

Từ đó ta có hệ phương trình mô tả động cơ không đồng bộ như sao:

(5.9)

Xét các mặt trượt đảm bảo điều kiện:

Tín hiệu điều khiển u1, u2 thỏa mãn hệ phương trình sau:

Hay

Hay

Hay

53

Đặt mặt trượt có dạng:

Suy ra hệ phương trình:

Như vậy:

Thay thế và từ (9) ta có:

54

5.1.2 Kết luận

Trên cơ sở của hàm tổn hao năng lượng trong động cơ không đồng bộ, sử dụng

phương pháp đạo hàm tìm cực tiểu của hàm tổn hao kết hợp giải thuật điều khiển

bám theo giá trị từ thông tối ưu ta xây dựng được luật điều khiển tối ưu năng lượng

trong động cơ không đồng bộ. Với một bộ thông số biết trước của mô hình động cơ,

ta dễ dàng đưa ra được thuật toán điều khiển nhằm tối thiểu hóa hàm tổn hao trong

điều kiện ràng buộc tốc độ của động cơ theo yêu cầu ban đầu. Luật điều khiển này

được kiểm chứng bằng mô phỏng dựa trên phần mềm Matlab

Tuy nhiên, thuật toán trên chỉ tối ưu khi biết trước được mô hình của đối tượng

cần điều khiển. Nếu mô hình động cơ không được biết trước, có thể sử dụng

phương pháp nhận dạng thông số mô hình hoặc sử dụng phương pháp điều khiển

tìm kiếm (điều khiển thích nghi) để đưa luật điều khiển hội tụ về thông số điều

khiển tối ưu năng lượng.

5.2 Mô phỏng hệ thống điều khiển động cơ điện ở chế độ tiết kiệm năng lƣợng

5.2.1 Xây dựng và mô phỏng khối điều chế từ thông tối ƣu

Điểm chính của luận văn là trên cơ sở công thức từ thông rotor đã tìm ra ở 5.1,

thiết kế một hệ thống con với ngõ vào là tín hiệu tốc độ rotor hồi tiếp, ngõ ra làtín

hiệu từ thông tham chiếu theo công thức:

Trong đó :

Trong công thức trên, khó khăn nhất là tính vì đại lượng tổn thất lõi thép

thường không có sẵn. Để tính được tổn thất lõi thép , ta dựa vào công thức tính

tổn thất lõi thép áp dụng cho động cơ tiêu chuẩn có thông số như sau:

55

Bảng 5.1 Thông số động cơ tiêu chuẩn

(điện trở rotor đã quy về

stator)

(điện cảm riêng của rotor đã

quy về stator)

n = 1470 v/p

Số cặp cực

Bảng 5.2 Thông số của động cơ đang xét như sau:

Công suất định mức Điện trở stator Tốc độ định mức rotor

Điện cảm riêng stator

Hay

Điện trở rotor (đã quy về Từ thông rotor tham chiếu Điện áp dây

stator)

Điện cảm riêng rotor

Tần số lưới cung cấp Hổ cảm Mô men quán tính

(tần số dòng điện stator)

Sức từ động Số pha Số cặp cực

56

Theo tài liệu hướng dẫn ta có các tỷ lệ tương ứng giữa các đại lượng của 2 động

cơ:

Trong đó: lần lượt là tổn thất lõi thép trong động cơ đang xét

37,3KW và động cơ tiêu chuẩn 22KW.

 Kết quả trên cho ta thấy tổn thất lõi thép của động cơ đang xét có

gấp 6.03 lần tổn thất lõi thép của động cơ tiêu chuẩn có công

suất gần với công suất của động cơ đang xét nhất.

Bây giờ ta tính tổn thất lõi thép của động cơ tiêu chuẩn 22KW theo biểu

thức:

(5.10)

Trong đó : : từ thông khe hở không khí

: tần số stator(tần số từ trường quay stator)

: hệ số trượt

Động cơ tiêu chuẩn lần lượt tiến hành thí nghiệm ở các chế độ vận tốc khác

nhau, với mỗi trường hợp căn cứ vào các đường đặc tuyến ta thu được các thông số

cần thiết cho việc tính toán tổn thất theo công thức 5.1

Trƣờng hợp 1:

Khi (giữ momen tải ở định mức), ta tra được các thông

số (tần số trượt), . Ta tính được tần số stator:

suy ra hệ số trượt: .

57

Suy ra . Trở lại các công thức tính từ thông rotor tối ưu:

Ở đây: , : Hệ số phụ thuộc vào vật liệu làm lõi thép, thường

chọn .

K1, K2 phụ thuộc các thông số động cơ và không đổi trong các trường hợp

Bây giờ ta sẵn sàng để tính từ thông rotor tối ưu theo công thức:

Biểu thức cuối cùng là công thức tính từ thông rotor tối ưu tổng quát cho các chế

độ thí nghiệm động cơ, trong trường hợp trên .

Từ đây việc tính toán cho các trường hợp khác các chế độ động cơ trở nên đơn

giản hơn, ta tính cho trường hợp tiếp theo

Trƣờng hợp 2

Khi (giữ momen tải ở định mức), ta tra được các thông số

58

(tần số trượt), . Ta tính được tần số stator:

suy ra hệ số trượt:

suy ra . Trở lại các công thức tính từ thông rotor tối ưu:

Trƣờng hợp 3:

Khi (giữ momen tải ở định mức), ta tra được các thông

số (tần số trượt), . Ta tính được tần số stator:

suy ra hệ số trượt: .

. Trở lại các công thức tính từ thông rotor tối ưu: Suy ra

59

Hình 5.1 Sơ đồ mô phỏng khối điều chế từ thông tối ưu

Hình 5.2 Cho thấy vị trí của khối điều chế từ thông tối ưu theo thuật toán tối

ưu năng lượng ( màu xanh tối)

Ngõ vào: tốc độ hồi tiếp, Ngõ ra : từ thông tối ưu.

60

5.2.2 Xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển tiết kiệm năng lƣợng

Trong chương này sẽ thực hiện việc mô phỏng bộ lái điều khiển theo phương

pháp vectơ cho động cơ không đồng bộ 3 pha bằng thuật toán điều khiển tối ưu

năng lượng như trong chương trước đã phân tích. Sơ đồ khối mô phỏng hệ thống có

dạng

Hình 5.3 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

Trong sơ đồ trên, một hệ trục d-q cố định với vectơ từ thông không gian của

rotor để tách ly việc điều khiển từ thông và moment xoắn của động cơ. Hai thông số

này có thể được điều khiển lần lượt bởi dòng dọc trục và dòng ngang trục stator,

giống như trường hợp đối với động cơ DC.

61

Động cơ được điều khiển bằng một bộ nghịch lưu PWM điều khiển theo dòng

điện, hoạt động giống như một bộ nguồn dòng sin 3 pha. Tốc độ thực của rotor

được so sánh với tốc độ yêu cầu, sai số sẽ được đưa vào bộ điều khiển tốc độ để tạo

ra lệnh làm thay đổi moment xoắn Te.

Hình 5.4 Nguyên tắc điều khiển vectơ

Từ hình 5.4 có thể thấy rằng từ thông và moment xoắn có thể lần lượt được điều

khiển riêng lẻ bằng dòng ids và iqs.

Như trong chương trước, dòng iqs là hàm của moment xoắn như sau:

là từ thông rotor được Trong đó: Lr là điện cảm rotor, Lm là hỗ cảm và

ước lượng theo công thức sau:

Dòng dọc trục nhận được trục tiếp từ từ thông tham chiếu theo công

thức sau:

62

Trong đó, từ thông tham chiếu được tính từ tốc độ rotor và các thông số

motor theo công thức đã được chứng minh trong chương trước:

Trong đó

Vị trí của vectơ từ thông rotor dùng trong chuyển đổi hệ trục tọa độ được tính từ

tốc độ rotor và tần số trượt như sau:

Trong đó tần số trượt được tính từ dòng và thông số motor

Sau đó các dòng tham chiếu được chuyển đổi thành các dòng điện pha

cho bộ điều khiển motor theo dòng điện.

Vai trò của bộ điều khiển tốc độ là để giữ cho tốc độ rotor bám theo một giá trị

tham chiếu định trước, bộ điều khiển tốc độ có thể sử dụng một thuật toán điều

khiển PI kinh điển.

63

Bảng 5.3 Thông số động cơ dùng trong sơ đồ mô phỏng như sau:

Công suất định mức Điện trở stator Tốc độ định mức rotor

n=1780vòng/phút

Điện cảm riêng stator Hay

Điện trở rotor (đã quy về Từ thông rotor tham Điện áp dây

stator) chiếu

Điện cảm riêng rotor

Tần số lưới cung cấp Hổ cảm Mô men quán tính

(tần số dòng điện stator)

Sức từ động Số pha Số cặp cực

64

Hình 5.5 Sơ đồ mô phỏng của hệ thống điều khiển động cơ

65

5.3 Kết quả

5.3.1 Xác định từ thông rotor tối ƣu ( TTRTU)

Thiết lập các thông số mô phỏng:

- Tốc độ đặt không đổi 120 rad/s

- Mômen thay đổi từ 0 đến 200N.m ở t = 1.8s

- Khối từ thông rotor tối ưu thay đổi lần lượt K = 0.13, K = 0.145, K = 0.19

Hình 5.6 Đồ thị công suất tiêu thụ TTRTU với K = 0.13, K = 0.145, K = 0.19

Nhận xét: Với K = 0.13 thì đường công suất tiêu thụ nằm thấp nhất hình 5.6

tương ứng với từ thông rotor nhận được là tối ưu nhất nhận. Vì vậy sẽ thiết lập K =

0.13 xuyên suốt trong các kết quả mô phỏng tiếp theo.

66

Điện

áp

(V)

Dòng

điện

(A)

Tốc độ

(rad/s)

Mômen

(N.m)

Từ

Thông

(Wb)

Công

suất

(W)

5.3.2 Kết quả mô phỏng

Hình 5.7 Đồ thị các thành phần U, I, , P của động cơ , Tm,

67

Nhận xét:

- Điện áp dây Vab ngõ ra bộ nghịch lưu cung cấp cho điện áp mạch stator có

biên độ 780V, điện áp này được điều chế theo nguyên lý độ rộng xung (PWM).

- Dòng xoay chiều 3 pha, ngõ ra bộ nghịch lưu cung cấp cho mạch stator động

cơ. Dòng điện ban đầu lớn vì đây là dòng khởi động của động cơ sau 0.7s thì dòng

giảm xuống hoạt động ở chế độ không tải xác lập. Đến thời điểm t = 1.8s đóng tải

thì dòng tăng dần và giữ giá trị ổn định trong suốt thời gian xác lập.

- Đáp ứng tốc độ đã bám hoàn toàn theo tốc độ đặt là 120rad/s sau 3.5s và đảm

bảo các tiêu chuẩn ổn định của hệ thống điều khiển tự động.

- Đáp ứng mômen điện từ cho thấy khi khởi động mômen đạt giá trị cực

đại , ở chế độ xác lập không tải , do đó ta thấy

đáp ứng mômen dần về 0. Vào thời điểm đóng tải , mômen điện

từ tăng dần và đạt giá trị 200Nm ở xác lập.

- Trong thời gian khởi động từ thông rotor tối ưu đạt giá trị lớn sau đó giảm

xuống, đến thời điểm t = 0.1.8s đóng tải vào thì tăng dần và đạt giá trị

ổn định trong suốt thời gian xác lập

- Trong thời gian khởi động cơ tiêu thụ công suất cực đại tại

t=0.7s. Khi đi vào chế độ xác lập không tải , công suất tiêu thụ giảm dần về 0 và khi

đóng tải cho động cơ tại t=1.8s công suất tăng dần và đạt giá trị ổn định

68

5.3.3 So sánh kết quả từ thông rotor tối ƣu (TTRTU) với từ thông rotor tham

chiếu định mức (TTRTCĐM)

5.3.3.1 Điện áp

Hình 5.8 Đồ thị điện áp dây Vab của TTRTU và TTRTCĐM

Điện áp dây Vab của 2 chế độ TTRTU và TTRTCĐM lệch pha nhau và có biên

độ là 780(V)

5.3.3.2 Dòng điện

Hình 5.9 Đồ thị dòng điện xoay chiều 3 pha ngõ ra bộ nghịch lưu của TTRTU và

TTRTCĐM

69

Dòng điện ở chế độ từ thông tối ưu tiêu thụ ít hơn so với chế độ từ thông tham

chiếu cả thời gian khởi động và xác lập, đoạn xác lập không tải thì tiêu thụ bằng

nhau.

5.3.3.3 Tốc độ

Hình 5.10 Đồ thị tốc độ của động cơ của TTRTU và TTRTCĐM

Đáp ứng tốc độ cả hai chế độ là như nhau đều bám theo tốc độ đặt 120rad/s sau

thời gian 3.5s

5.3.3.4 Momen

Hình 5.11 Đồ thị mômen của động cơ của TTRTU và TTRTCĐM

Mômen ở chế độ TTRTU đạt được lớn hơn và quá trình dao động cũng nhiều

hơn sơ với momen ở chế độ TTRTCĐM

70

5.3.3.5 Từ thông

Hình 5.12 Đồ thị TTRTU và TTRTCĐM của động cơ

TTRTU thì sau 3s đi vào trạng thái xác lập đạt được , còn

TTRTCĐM là giá trị hằng số mọi thời điểm

5.3.3.6 Công suất tiêu thụ (CSTT)

Hình 5.13 Đồ thị CSTT của TTRTU và TTRTCĐM

Công suất tiêu thụ của TTRTU tiêu thụ ít hơn công suất tiêu thụ của

TTRTCĐM cả thời gian khởi động và xác lập. Để thấy rõ hơn ta lấy đồ thị công

suất tiêu thụ của TTRTU trừ cho đồ thị công suất tiêu thụ TTRTCĐM

71

Hình 5.14 Đồ thị hiệu CSTT của TTRTU và TTRTCĐM

Vì chế độ hoạt động xác lập là chế độ hoạt động lâu dài của động cơ nên ta chỉ

xét và tính phần trăm năng lượng tiết kiệm được ở đoạn xác lập. Từ hình 6.7 ta tính

được phần trăm năng lượng tiết kiệm được:

Nhận xét : Sau khi tính ra được ta thấy chỉ tiết kiệm được 3.3% năng lượng công

suất, năng lượng tiết kiệm được cũng tương đối ít tuy nhiên khi tải có công suất lớn

và hoạt động trong thời gian dài thì việc tiết kiệm năng lượng cũng tương đối đáng

kể. Ngoài ra khi động cơ hoạt động ở các chế độ từ thông rotor tham chiếu

(TTRTC) khác với định mức và các tốc độ đặt khác nhau thì việc tiết kiệm năng

lượng sẽ tăng lên so với TTRTU

5.3.4 Xét các đồ thị công suất tiêu thụ khi động cơ hoạt động ở các chế độ

TTRTC khác nhau

Thiết lập các thông số mô phỏng:

- Tốc độ đặt không đổi 120 rad/s

- Mômen thay đổi từ 0 đến 200N.m ở t = 1.8s

- Lần lượt thay đổi TTRTC và so sánh với TTRTU

72

 Khi

Hình 5.15 Đồ thị CSTT của TTRTU và TTRTCĐM với

Phần trăm năng lượng tiết kiệm được:

 Khi

Hình 5.16 Đồ thị CSTT của TTRTU và TTRTCĐM với

Phần trăm năng lượng tiết kiệm được:

73

 Khi

Hình 5.17 Đồ thị CSTT của TTRTU và TTRTCĐM với

Phần trăm năng lượng tiết kiệm được:

Nhận xét : Theo số liệu tính toán được thì khả năng tiết kiệm càng lớn khi động

cơ hoạt động với TTRTC càng nhỏ ( so với TTRTCĐM ) và so sánh với TTRTU

5.3.5 Xét các đồ thị công suất tiêu thụ khi động cơ hoạt động ở các tốc độ đặt

khác nhau

Thiết lập các thông số mô phỏng :

- Mômen thay đổi từ 0 đến 200N.m ở t = 1.8s

- Từ thông lúc này là TTRTU và TTRTCĐM

- Lần lượt thay đổi tốc độ đặt khác nhau

74

 Khi

Hình 5.18 Đồ thị CSTT của TTRTU và TTRTCĐM với

Phần trăm năng lượng tiết kiệm được:

 Khi

Hình 5.19 Đồ thị CSTT của TTRTU và TTRTCĐM với

Phần trăm năng lượng tiết kiệm được:

75

 Khi

Hình 5.20 Đồ thị CSTT của TTRTU và TTRTCĐM với

Phần trăm năng lượng tiết kiệm được:

Nhận xét : Theo số liệu tính toán được thì khả năng tiết kiệm năng lượng càng

lớn khi động cơ hoạt động với tốc độ càng nhỏ với việc so sánh TTRTU với

TTRTCĐM

5.3.6 Xét các đồ thị công suất tiêu thụ khi động cơ hoạt động ở các mômen đặt

khác nhau

Thiết lập các thông số mô phỏng :

- Tốc độ đặt không đổi 120 rad/s

- Từ thông lúc này là TTRTU và TTRTCĐM

- Lần lượt thay đổi mômen đặt khác nhau

76

 Khi

Hình 5.21 Đồ thị CSTT của TTRTU và TTRTCĐM với

Phần trăm năng lượng tiết kiệm được:

Khi 

Hình 5.22 Đồ thị CSTT của TTRTU và TTRTCĐM với

Phần trăm năng lượng tiết kiệm được:

77

Khi 

Hình 5.23 Đồ thị CSTT của TTRTU và TTRTCĐM với

Phần trăm năng lượng tiết kiệm được:

Nhận xét : Theo số liệu tính toán được thì khả năng tiết kiệm năng lượng càng

lớn khi động cơ hoạt động với mômen tải càng lớn với việc so sánh TTRTU với

TTRTCĐM

5.4 Kết luận

Từ kết quả mô phỏng thấy rằng ở trạng thái xác lập, phương pháp điều khiển tối

ưu năng lượng đã đạt được kết quả phù hợp với lý thuyết. Như vậy với việc điều

khiển từ thông như thuật toán ban đầu đã giới thiệu, thì công suất tiêu thụ trên động

cơ là nhỏ nhất. Một nhược điểm của phương pháp này là chưa chứng minh được

tính tối ưu năng lượng trong giai đoạn quá độ và khởi động của hệ thống. Mặc dù

vậy, thuật toán vẫn có một ý nghĩa quan trọng vì trong thực tế thời gian khởi động

và quá độ là rất nhỏ so với thời gian xác lập, cho nên công suất tiêu tán trong giai

đoạn này là không đáng kể.

78

Chƣơng 6

KẾT LUẬN

6.1 Kết luận

Đề tài đã giải quyết được vấn đề cơ bản của lý thuyết là tìm kiếm một giải

thuật điều khiển tối ưu nhằm tiết kiệm năng lượng trong điều khiển ĐCKĐB. Bằng

các kết quả mô phỏng dựa trên mô hình mô phỏng điều khiển động cơ KĐB theo

phương pháp định hướng tựa từ thông rotor với từ thông tối ưu đã phần nào chứng

minh được tính hiệu quả của thuật toán.

6.2 Các vấn đề đã thực hiện

1.Tìm hiểu tổng quan về phụ tải điện HVAC và khả năng tiết kiệm của

chúng

2. Trình bày các vấn đề về tổn hao và các phương pháp điều khiển theo

hướng tiết kiệm năng lượng

3. Xây dựng giải thuật điều khiển ĐCKĐB tiết kiệm năng lượng

4. Thực hiện mô phỏng giải thuật trên phần mềm Matlab

5.Nhận xét và đánh giá kết quả mô phỏng

6. So sánh kết quả của giải thuật tiết kiệm với từ thông rotor tối ưu với từ

thông tham chiếu. Nhận xét và đánh giá kết quả

6.3 Các vấn đề còn tồn đọng

1. Chưa mô phỏng khâu điều khiển trượt tốc độ và từ thông đã thiết kế trong

chương 5

2. Chưa mô phỏng các giải thuật điều khiển giảm tổn hao đã giới thiệu trong

chương 3

3. Chưa thí nghiệm giải thuật đã mô phỏng trong đề tài trên mô hình

79

6.4 Hƣớng phát triển

1. Thực nghiệm giải thuật điều khiển tiết kiệm năng lượng trong đề tài trên

mô hình thật. Nhận xét, so sánh và đánh giá kết quả so với lý thuyết đã mô phỏng.

Trên cơ sỏ đó có thể ứng dụng chế tạo thiết bị điều khiển động cơ điện ở chế độ tiết

kiệm năng lượng

2. Thực hiện mô phỏng khâu điều khiển trượt tốc độ và từ thông thay cho

khâu PI truyền thống. Nhận xét, so sánh và đánh giá kết quả

3. Thực hiện mô phỏng các giải thuật điều khiển tiết kiệm năng lượng. Nhận

xét và so sánh kết quả để đưa phương án tiết kiệm tốt nhất và cuối cùng thực

nghiệm trên mô hình

80

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab và Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động,

NXB Khoa học và Kỹ thuật

2. TS. Phan Quốc Dũng, Ths. Tô Hữu Phúc, Truyền Động Điện, NXB Đại học Quốc gia

Tp. HCM

3. TS. Nguyễn Phùng Quang(2002), Truyền Động Điện Thông minh, NXB Khoa học và

Kỹ thuật.

4. Fleming Abrahamsen. Energy Optimal Control of Induction Drives, Aalborg University,

Feb- 2000.

81