Xây dựng Đặc tuyến của máy Điện không Đồng bộ rotor 3 pha lồng sóc cho Ứng dụng máy phát Điện gió

Máy phát điện đồng bộ Synchronous Generator Máy phát điện không đồng bộ AsynchronousGenerator Máy phát điện biến tần Doubly-Fed Induction Generator - DFIG Máy phát đồng bộ nam châmvĩnh c

Bộ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHÓ HÒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KÉT ĐÈ TÀI KHOA HỌC

KÉT QUẢ THựC HIỆN ĐÈ TÀI

Tên đề tài: XÂY DỤNG đặc tuyến củamáy điện không ĐỎNG Bộ ROTOR 3 PHA LỎNG SÓC CHO ỨNG DỤNG MÁY PHÁT

ĐIỆN GIÓ

Mã số đề tài: 23.1CNDSV07

Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Ngân Hà

Đơn vị thực hiện: Khoa Công nghệ Điện, Trường Đại học Công nghiệp

LỜI CÁM ƠN

Sau thời gian học tập và rèn luyện tại Trường Đại học Công Nghiệp TP.HCM, bằng sự biết

ơn và kính trọng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám hiệu, các phòng, khoa thuộc Trường Đại học Công Nghiệp TP.HCM đã nhiệt tình hướng dẫn, giảng dạy và tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện đề tại nghiên cứu khoa học này

Đặc biệt, em xin bài tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy Phạm Công Duy là người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đề tài

Tuy nhiên, do năng lực bản thân còn hạn chế dẫn đến đề tài nghiên cứu khoa học không thể tránh khỏi những thiếu sót Kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô để bài nghiên cứu của em hoàn thiện hơn

Em xin trân trọng cảm ơn!

PHAN I THONG TIN CHUNG

I Thong tin t6ng quat

1.1 Ten d@ tai: Xay d\Illg d�c tuy@n cua may di�n khong d6ng b9 rotor 3 pha 16ng s6c cho

ung d\lilg may phat di�n gi6

1.2 Mi stl:

1.3 Danh sach chti tri, thanh vien tham gia th\fC hi�n d@ tai

H9va ten

Vai tro th\fC hi�n d@ tai

(h9c ham, h9c vi)

1 Nguy�n Ngan Ha IUH Chu nhi�m d� tai

2 Nguy�n Van Minh Ti@n IUH Thanh vien chinh

3 Ph�m Cong Duy IUH Thanh vien chinh

1.4 Don vi chti tri:

1.5 Thoi gian th\l'c hi�n:

1.5.1 Theo hqp d6ng: tu 07 thang 11 nam 2023 d@n 07 thang 11 nam 2024

1.5.2 Gia h� (n@u c6): khong

1.5.3 Th\IC hi�n th\IC t@: : tu 07 thang 11 nam 2023 d@n 07 thang 11 nam 2024

1.6 Nhirng thay d6i so voi thuy�t minh ban diu (n@u c6): khong

1.7 T6ng kinh phi dU'Q'C phe duy�t cu.ad@ tai

II K�t qua nghien cU'U

1 Djt vin d@

May di�n dugc ung dl)ng ph6 bi@n trong th\fc t@ va dugc v� hanh v6i hai ch@ d9 d6 la tieu th\l nang lugng �o ra CCY g9i la d9ng CCY, ngugc l�i quay trl)c phat ra nang lugng di�n g9i la may phat

Ben c� d6, nang lugng gi6 cun la ngu6n nang lugng tai �o ck thi@t Ngucri ta thuong dung may

di� d6ng b9 vao cac turbine gi6 Tuy v�y lu6ng gi6 l�i khong dugc d6ng d�u 6 cac thcri diSm khac

nhau ma may di� d6ng b9 khong thS dap ung nhu c!u vi n6 chi sir d\lilg 6 t6c d9 khong d6i Vi v�y, ngucri ta da thay d6i bfulg may di� khong d6ng b9 dS ung d\lilg vao turbine gi6 nhfun khilc ph\lc cac h� ch@ cua may di�n d6ng bQ D6i vm l\Ia ch9n sir d\lilg may di� khong d6ng b9 ba pha

rotor lồng sóc có thể dễ dàng tích hợp vào lưới điện và nó có thể dùng ở các nơi có lưới điện yếu hoặc không có lưới điện, cung cấp nguồn điện ổn định Ngoài ra, nó còn có thể điều chỉnh tốc độ quay của rotor phù họp với tốc độ gió giúp tối ưu hóa hiệu suất và có chi phí vận hành thấp cùng với độ bền cao Mặc khác, với chế tạo đơn giản và đặt biệt cho ứng dụng năng lượng gió đạt được nền kinh tế xanh bền vững với môi trường.

Có rất nhiều loại máy điện với những đặc trưng và khả năng ứng dụng khác nhau trong năng lượng gió Tuy nhiên, ta cần hiểu rõ từng loại và ứng dụng của chúng để lựa chọn và tối ưu hóa khả năng khi sử dụng Điều này được chỉ rõ ở Bảng 1

Máy phát điện đồng bộ (Synchronous Generator)

Máy phát điện không đồng bộ (AsynchronousGenerator)

Máy phát điện biến tần (Doubly-Fed Induction Generator - DFIG)

Máy phát đồng bộ nam châmvĩnh cửu (PMSG)

Máy phát đồng bộ kích từ (EESG)

Rotor lồng sóc (SCIG)

Rotor dây quấn

(WRIG)

hoạt động nam châm dòng điện dựa trên sự trường quay tốc độ rotor

vĩnh cửu để kích từ để khác biệt trong stator thông quatạo từ

trường trong rotor

tạo từ trường trong rotor

giữa tốc độ rotor và tốc

độ từ trường quay của stator

và cảm ứng điện từ trong rotor

Điều chỉnh tốc độ quay của rotor

biến tần,

hệ thống điều chỉnh đơn giản, điều chỉnh cao, chocung cấp từ trường chi phí thấp, tốc độ tốt phép điềuđiện riêng linh hoạt, có dễ bảo trì và hơn SCIG, chỉnh tốc độcho rotor

Hiệu suất

thể điềuchỉnh công

vận hành có thể kiểm

soát công

và công suất linh hoạt,

Bảng 1 Máy điện ứng dụng trong năng lượng chuyển đổi gió

cao, không yêu cầu bảo dưỡng rotor

Có thể hoạt động ở tốc

độ thấp

suất phản kháng tốt

suất phản kháng

không yêu cầu hệ thống bù công suất phản kháng lớn

Nhược điểm Chi phí cao

do sử dụng nam châm vĩnh cửu, phức tạp trong sản xuất

Yêu cầu hệ thống cung cấp và điều chỉnh dòng kích từ, phức tạp và chi phí cao

Hiệu suất không cao bằng các loại máy phát điện khác, yêu cầu hệ thống bù công suất phản kháng

Phức tạp hơn SCIG, chi phí cao hơn và yêu cầu bảo dưỡng nhiều hơn

Phức tạp và chi phí cao, yêu cầu hệ thống điều kliiển và biến tần phức tạp

được sử dụng trong các tuabin gió quy mô lớn và hệ thống ngoài khơi

Sử dụng trong các tuabin gió lớn, nơi yêu cầu hiệu suất cao và khả năng điều chỉnh linh hoạt

Thường được sử dụng trong các hệ thống tuabin gió quy mô nhỏ

và trung bình

Sử dụng trong các hệ thống tuabin gió yêu cầu điều chỉnh tốc độ linh hoạt

Thường được sử dụng trong các hệ thống tuabin gió quy mô lớn,

cả trên bờ

và ngoài khơi

Đặc biệt, máy điện không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc và máy phát điện gió có mối liên hệ chặt chẽ trong ứng dụng năng lượng tái tạo Khi turbine gió quay, rotor của động cơ không đồng bộ ba pha sẽ quay vói tốc độ khác với tốc độ của từ trường quay trong stator (tạo ra do gió thổi), điều này tạo ra dòng điện cảm ứng trong cuộn dây stator, biến năng lượng cơ học thành điện năng Vậy nên người ta đã ưu tiên lựa chọn máy điện klìông đồng bộ 3 pha lồng sóc

Để vận hành và điều khiển máy phát này đặt tính phải được xem xét, hiện tại, nhiều công trình công bố chỉ nhấn mạnh vào đặc tính của động cơ điện Bài báo đề xuất xây dựng đặc tính của máy điện không đồng bộ rotor 3 pha lồng sóc cho ứng dụng máy phát điện gió dựa vào mạch điện tương đương và matlab/simulink Giải pháp hữu ích cho sinh viên nghiên cứu năng lượng gió, ngoài ra giải pháp này còn mở rộng cho ứng dụng điều khiển máy phát/động

cơ trong hệ thống ô tô điện

1.1 Tình hình nghiên cứu quốc tế

Nhóm tác giả [1] trình bày về các loại máy phát điện gió, bộ điện tử công suất và các phương pháp điều khiển máy phát điện gió Nhóm tác giả [2] phân tích khởi động của máy phát điện gió Nhóm tác giả [3] mô phỏng thời gian thực máy phát điện gió

1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Nhóm nghiên cứu không tìm thấy công trình trong nước giống như đề tài nghiên cứu

1.3 Đánh giá kết quả các công trình nghiên cứu đã công bố (ưu, khuyết, những tồn tại )

Nhóm nghiên cứu [2] [3] chưa có thảo luận về đặc tuyến của máy điện cho ứng dụng máy phát điện gió

1.4 Tính cấp thiết tiến hành nghiên cứu

Năng lượng gió đạt được nền kinh tế xanh bền vững với môi trường, các công trình công bố chỉ nhấn mạnh vào đặc tuyến của động cơ điện Đe tài đề xuất xây dựng đặc tuyến của máy điện không đồng bộ rotor 3 pha lồng sóc cho ứng dụng máy phát điện gió dựa vào bản chất vật lý của máy điện và MATLAB/Simulink Giải pháp hữu ích cho sinh viên nghiên cứu năng lượng gió, ngoài ra giải pháp này còn mở rộng cho ứng dụng điều khiển máy phát/động cơ trong hệ thống ô tô điện

ứng dụng trong hệ thống máy phát gió:

Hiệu suất cao hơn trong môi trường gió biến đổi: Thiết kế giúp tăng khả năng chuyển đối năng lượng cơ học từ cánh quạt thành năng lượng điện Điều này đặc biệt quan trọng khi tốc độ gió thay đổi, đảm bảo hệ thống luôn vận hành ở hiệu suất tối ưu

Khả năng tự bảo vệ trước các dao động tải: Nhờ cấu trúc phức hợp, hệ thống có thể hấp thụ các dao động cơ học mà không ảnh hưởng lớn đến dòng điện ra

Giảm tốn thất và tăng độ bền: Máy phát gió thường hoạt động liên tục trong điều kiện khắc nghiệt Máy điện không đồng bộ rotor 3 pha lồng sóc có khả năng giảm tổn thất điện từ và ma sát cơ học, làm tăng tuổi thọ hệ thống.

Tích họp dễ dàng với công nghệ hiện đại: Loại máy này tương thích tốt với các hệ thống điều khiển điện tử công suất (biến tần, bộ chỉnh lưu), giúp tối ưu hóa việc phát điện trong điều kiện thay đổi

Ưu điểm vượt trội khi ứng dụng trong thực tế:

Hiệu quả cao và chi phí vận hành thấp: Do máy không yêu cầu bảo trì phức tạp và có khả năng làm việc lâu dài mà không cần thay thế thường xuyên

Thích nghi tốt với điều kiện thực tế: Máy điện không đồng bộ rotor 3 pha lồng sóc được thiết kế để hoạt động hiệu quả trong môi trường khắc nghiệt như nhiệt độ cao, độ ẩm lớn, hoặc các điều kiện gió bat on

Tiết kiệm năng lượng: Nhờ cấu trúc tối ưu hóa, tổn thất năng lượng trong quá trình vận hành được giảm thiểu

Tài liệu tham khảo

[1] Bin Wu, Yongqiang Lang, Navid Zargari, Samir Kouro, “Power Conversion and Control

of Wind Energy Systems”, Wiley-IEEE Press, 2011

[2] Venkata Yaramasu, Bin Wu, Model Predictive Control of Wind Energy Conversion Systems, Wiley-IEEE Press, December 2016

[3] By M Godoy Simões, Felix A Farret, “Modeling and Analysis with Induction Generators”, 3rd Edition, CRC, 2021

[4] D.A Gorski, “Analysis of squirrel-cage induction generator start-up supported by reactive power compensator”, COMPEL - The international journal for computation and mathematics

in electrical and electronic engineering, Vol 3 9, No 2, pp 265-278, May 2020

[5] Hao Fu, Peng Li, Xiaopeng Fu, Jinyue Yan, Zhiying Wang, Kun Wang, Jianzhong Wu, and Chengshan Wang, “Compact Real-time Simulator with Spatial-temporal Parallel Design for Large-scale Wind Farms”, CSEE Journal of Power and Energy Systems, Vol, 9, No 1,

pp 50 - 65, January 2023

[6] IEEE 112-2017 standard, IEEE Standard Test Procedure for Polyphase Induction Motors and Generators, February 2018.

[7] Lluis Monjo, Hengameh Kojooyan-Jafari, Felipe Córcoles, Squirrel-Cage Induction Motor Parameter Estimation Using a Variable Frequency Test, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol 30, No 2, June 2O15.pp 550 - 557

3 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Nhóm nghiên cứu dựa vào mạch điện tương đương, sau đó thực hiện các thí nghiệm không tải và thí nghiệm khóa rotor đế xác định thông số của máy điện Sau đó tính toán, phân tích các thông số Cuối cùng ta tìm đặc tính của máy điện thông qua thông số được tính toán

Mạch điện tương đương 1 pha của máy điện (động cơ hay máy phát) không đồng bộ rotor 3 pha lồng sóc được chỉ ra trong Hình 1 Mạch điện này được mô hình dưới dạng 3 cuộn dây quấn trên lõi thép tượng trưng cho dây quấn stator, rotor và lõi thép sắt tù'

Hình 1: Mô hình mạch điện tương đương.

Hình 2: Thí nghiệm không tải và khóa rotor.

4.1.1 Thí nghiệm không tải

Mục đích của thí nghiệm này để xác định điện trở tổn hao sắt từ và điện kháng từ hóa của lõi thép Kết quả của thí nghiệm này đạt được ở Bảng 2

Điện kháng lõi thép:

(8)Điện trở lõi thép:

Bảng 2: Kết quả đo thí nghiệm không tải.

Đại lượng đo

4.1.2 Thí nghiệm khóa rotor

Mục đích của thí nghiệm này đế xác định điện trở của dây quấn stator và rotor Ket quả của thí nghiệm này đạt đuợc ở Bảng 3

Điện trở tương đương của dây quấn stator và rotor:

(10)

SC

Điện trở của dây quấn stator và rotor:

(11)Điện kháng tương đương của dây quấn stator và rotor:

5 Xây dựng phần mềm

5.1 Phần mềm tính toán

Một đoạn chưong trình dựa vào phưong trình (8)-(l 3), và dữ hệu đo của Bảng 2 và Bảng 3 sẽ tìm thông

số của mạch điện tương đương Ket quả của chương trình này được liệt kê tại Bảng 4

Đại lượng đo

điện áp cao nhất (220V), động cơ tạo

ra moment giá trị lớn nhất và tốc độ

rotor cao nhất Khi giảm điện áp,

moment cực đại giảm và tốc độ rotor

điện áp 220V, moment bắt đầu từ giá

trị dương và tăng lên đến giá trị cực

đại, sau đó giảm xuống và trở thành

âm khi tốc độ rotor tiếp tục tăng

(phanh ngược)

Ở mức điện áp thấp hơn (150V và

100V), đặc tính moment cũng thay

đổi tương tự nhưng giá trị moment

cực đại thấp hơn và xuất hiện ở tốc độ

rotor thấp hơn

Động cơ hoạt động ở trạng thái không

tải khi mà các đường cong moment đều

giao nhau tại một điểm gần tốc độ định

mức của động cơ (bằng 0)

Ket luận hình (a): Hiệu suất của động

cơ phụ thuộc nhiều vào điện áp cung

cấp (Khi điện áp cung cấp giảm, tốc độ

định mức và moment cực đại của động

cơ cũng giảm)

khi độ trượt tiếp tục tăng hoặc giảm

Ở mức điện áp cao nhất (220V), động cơ tạo ra moment cực đại lớn nhất và độ trượt tại đó cũng cao hơn so với các mức điện áp thấp hơn Khi điện áp giảm (150V và 100V), moment cực đại cũng giảm và độ trượt tại đó cũng nhỏ hơn

Ta thấy, 3 đường cong giao nhau tại 1 điếm (s=0), nghĩa là động cơ đang làm việc ở chế độ không tải_rotor quay đồng

bộ với từ trường quay của stator, và moment bằng 0 (hình (a) ở chế độ không tải)

Khi độ trượt âm (trục quay của rotor ngược chiều với từ trường quay của stator), đây là chế độ phát động (máy hoạt động như máy phát điện)

Ket luận hình (b): Hiệu suất của động

cơ giảm khi điện áp cung cấp giảm (Khi điện áp cung cấp giảm, moment cực đại giảm và độ trượt tương ứng với moment cực đại cũng giảm)

(c) Đặt tính vận tốc và dòng điện stator (d) Đặt tính độ trượt và dòng điện stator

Nhận xét:

Tại một tốc độ nhất định, dòng điện

pha stator đạt giá trị cực tiểu và sau đó

tăng lên khi tốc độ tiếp tục tăng hoặc

giảm (Khi tốc độ rotor thay đổi, dòng

điện pha stator cũng thay đổi)

100V), dòng điện pha stator cũng giảm

và giá trị cực tiểu cũng thay đổi tương

Dòng điện stato tăng theo độ trượt dương (vùng chuyển động), cho thấy sự truyền tải điện năng tăng lên và dòng điện tương ứng khi máy hoạt động

Cả 3 đường cong đều có dòng điện pha

stator đạt giá trị cực tiểu tại tốc độ rotor

mức 1500rpm

Kết luận hình (c): Khi điện áp giảm,

có thể làm giảm tổn thất nhưng nó cũng

làm giảm công suất động cơ Khi điện

áp tăng, dòng điện pha stator tăng dẫn

đến tổn thất điện năng cũng tăng

Dòng điện stato tương đối cao, nghĩa là công suất phản kháng cao hơn và tổn thất có thể cao hơn khi máy hoạt động

Kết luận hình (d): Dòng điện pha stato

tỷ lệ thuận với điện áp đặt vào Điện áp tăng dẫn đến dòng điện stato tăng và cho cùng một độ trượt

Hình dạng của các đường cong phần

lớn vẫn nhất quán nhau (giống hệt

nhau) mặc dù điện áp thay đổi

Ở tốc độ rotor thấp, hệ số công suất

dương và tăng lên, sau đó giảm mạnh

ở tốc độ trung gian (khoảng 1500rpm),

nghĩa là máy có thể đang chuyển sang

chế độ phanh tái tạo hoặc chế độ tạo,

Nhận xét:

Tương tự hình (e), hình dạng của các đường cong phần lớn vẫn nhất quán nhau (giống hệt nhau) mặc dù điện áp thay đổi Chúng bắt đầu từ các giá trị âm của độ trượt, giảm đến mức tối thiểu và sau đó tăng lên từ từ, vượt qua 0 và đạt mức tối đa trước khi giảm trở lại

Hình 3 Đặc tính đáp ứng

và nó được tăng trở lại phía giá trị

dương khi rotor ở tốc độ cao)

Ket luận hình (e): Hệ số công suất

không phụ thuộc quá nhiều vào điện áp

(do tính nhất quán của 3 đường cong)

Máy hoạt động hiệu quả ở tốc độ rotor

thấp và cao

Đường cong chuyển từ trượt âm (chế độ tái tạo) sang trượt dương (chế độ động cơ)

Hệ số công suất bắt đầu âm, nghĩa là động cơ đang hoạt động ở vùng phát điện

Khi độ trượt bằng 0, hệ số công suất vượt quá 0, nghĩa là không có sự trao đổi công suất thực tế (hoạt động công suất phản kháng)

Hệ số công suất tăng lên và đạt đến đỉnh, cho thấy động cơ hoạt động hiệu quả nhất trước khi nó bị giảm trở lại

Ket luận hình (f): Hệ số công suất không phụ thuộc quá nhiều vào điện áp (do tính nhất quán của 3 đường cong) Máy hoạt động hiệu quả như một động

cơ khi trượt dương và như một máy phát điện khi trượt âm (hệ số công suất đạt đỉnh ở trượt dương và trượt âm)