Nghiên cứu các phương pháp tiết kiệm điện năng trong hệ truyền động động cơ kđb 3 pha

5 2.2 Những tiềm năng tiết kiệm năng lượng trong động cơ không đồng bộ và hệ truyền động khi sử dụng các phương pháp điều khiển thích hợp .... Vì vậy, trong nội dung của đề tài, ngoài ng

Trang tựa

Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i

Lời cam đoan ii

ωảm tạ iii

Mở đầu iv,v Mục lục vi

Danh sách các chữ viết tắt ix,x,xi,xii,xii Danh sách các hình xiv,xv,xvi,xvii Danh sách các bảng xviii

CHƯƠNGă1:ăT NGăQUANă 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Lịch sử phát triển năng lượng gió 1

1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ 2

1.4 Phạm vi nghiên cứu 2

1.5 Phương pháp nghiên cứu 2

1.6 ωác bước tiến hành 3

1.7 Điểm mới của đề tài 3

1.8 Giá trị thực tiễn của luận văn 3

CHƯƠNGă2:ăCƠăS ăLụăTHUY T 5

2.1 Tìm hiểu về tiết kiệm năng lượng trong động cơ và các hệ truyền động: 5

2.2 Những tiềm năng tiết kiệm năng lượng trong động cơ không đồng bộ và hệ truyền động khi sử dụng các phương pháp điều khiển thích hợp 10

CHƯƠNGă3: MÔăHÌNHăTOÁNăH CăC AăĐ NGăCƠ KHÔNG Đ NGăB 12 3.1 Giới thiệu các hệ tọa độ sử dụng trong các phương trình toán học của động cơ không đồng bộ 12

3.2 Giới thiệu các hệ tọa độ sử dụng trong các phương trình toán học của động cơ không đồng bộ 13

3.3 Phương trình toán học của động cơ không đồng bộ 16

3.4 Các phương trình chuyển đổi hệ quy chiếu – Park 23

3.4.1Các phương trình chuyển đổi hệ tọa độ Aψω sang hệ tọa độ α 23

3.4.2 Các phương trình chuyển đổi hệ tọa độ Aψω sang hệ tọa độ dq 23

3.4.3 Các phương trình chuyển từ hệ tọa độ dq sang hệ tọa độ α 24

γ.5 Thành lập mô hình động cơ KĐψ bằng phần mềm Matlap-Simulink 24

γ.5.1 Mô phỏng mô hình động cơ KĐψ lý tưởng (hệ tọa độ α- ) 24

3.5.2 Mô phỏng mô hình động cơ không đồng bộ có xem xét ảnh hưởng của tổn hao sắt từ và bảo hòa từ (trên hệ tọa độ dq) 28

γ.5.γ Mô phỏng động cơ không đồng bộ có xem xét ảnh hưởng tổn hao sắt từ và bưo hòa từ 30

γ.6 Kết luận 31

CHƯƠNGă 4: MÔă HÌNHă T Nă HAOă VÀ KH Oă SÁTă Đ Că TệNHă NĔNGă L Ư NGăĐ NGăCƠ KHÔNGăĐ NGăB ă3ăPHA 32

4.1 Mô hình tổn hao trong động cơ KĐψ và trong bộ biến biến đổi 32

4.1.1Mô hình tổn hao thay thế một pha của động cơ KĐψ 32

4.1.β Mô hình tổn hao trong bộ biến đổi 35

4.2 Các phương pháp điều khiển tiết kiệm năng lượng 41

4.2.1 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor _Field Orientated ωontrol (FOC) 41

4.2.1.1 Các phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor 42

4.β.1.β ωhuyển đổi giữa các hệ tọa độ 44

4.2.1.3 ớc lượng từ thông và moment 44

4.β.1.4 Mô hình khối điều khiển động cơ bằng phương pháp FOC: 45

4.β.β Điều khiển động cơ không đồng bộ theo thuật toán tối ưu tổn hao theo phương pháp định hướng từ thông rotor (Loss minimization algorithms LMA + FOC) 46

4.2.2.1 Phân tích mô hình tổn hao trong động cơ: 47

4.3.1 Cơ sở lý thuyết ứng dụng giải thuật điều khiển tối ưu công suất trong động cơ52

4.3.2 Khảo sát đặc tính của động cơ với các phương pháp điều khiển khác nhau 57

CHƯƠNGă5ă: CÁCăGI IăTHU TăĐI UăKHI NăT IăƯU 60

5.1 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor Field Orientated ωontrol (FOω) 60

5.β ωác giải thuật điều khiển tối ưu công suất động cơ không đồng bộ γ pha 63

5.2.1 Giải thuât 1 65

5.β.β Giải thuật β 74

5.2.3 Giải thuật γ 83

CHƯƠNGă6 : ĐÁNHăGIÁăHI UăQU ăKINHăT ăC AăCÁCăGI IăTHU T 93

6.1 So sánh giải thuật 1 với FOω 96

6.2 So sánh giải thuật β với FOω 98

6.3 So sánh giải thuật γ với FOω 100

6.4 ng dụng cho tải bơm 102

6.5 Nhận xét và kết luận 103

CHƯƠNGă7: K TăLU NăVÀăHƯ NGăPHÁTăTRI NăC AăĐ ăTÀI 104

7.1 Kết luận 104

7.2 Hướng phát triển của đề tài 104

TÀIăLI UăTHAMăKH Oă 105

Chữăviếtătắt Gi iăthíchăchữăviếtătắt

KĐB không đồng bộ

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) Transistor có cực điều khiển cách ly FOC (Field Orientated Control) phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotorLoss minimization algorithms_LMA điều khiển động cơ theo thuật toán tối ưu

. tọa độ d-q hệ tọa độ

P công suất động cơ

T e mômen điện từ

R Fe điện trở sắt

i Fe dòng điện sắt

T s hằng số thời gian stator

T r hằng số thời gian rotor

P cu,s tổn hao đồng stato

Rso Điện trở stator tại nhiệt độ

Rro Điện trở stator tại nhiệt độ Hệ số nhiệt độ của đồng

P fe tổn hao sắt

Pe tổn hao do dòng điện xoáy

P h Tổn hao do từ trể Hệ số phụ thuộc vào vật liệu từ hóa

K h Hệ số từ trể phụ thuộc vào vật liệu và hình dáng của động cơ

K e Hệ số dòng điện xoáy phụ thuộc vào vật liệu và hình dáng của động cơ

P core,s tổn hao sắt trong stator

P core,r tổn hao sắt trong rotor

P core tổng tổn hao sắt

s Độ trượt

m s Khối lượng sắt stator

m r Khối lượng sắt rotor Tổn hao tổng do ma sát và quạt gió Hệ số ma sát khô Hằng số quạt gió

.công suất đầu ra của bộ chỉnh lưu diode điện áp chuyển tiếp của diode điện áp liên kết với thành phần dc (dc-link voltage)

Tổn hao do dc-link choke tổng điện trở Dω trong dc-link chokes công suất đầu ra của bộ chỉnh lưu điện trở dc của cuộn cảm kháng đầu ra Tổn hao do bộ biến tần

, , hằng số đặc trưng của transistor trong tổn hao truyền dẫn , , hằng số đặc trưng của diode trong tổn hao truyền dẫn; , điện áp transistor và diode ở trạng thái đóng , dòng thuận của transistor và diode Tổn hao công suất tức thời của transistor và diode E(sw,on,T) ; E(sw,off,T) tổn hao năng lượng khi transistor đóng và tắt tổn hao năng lượng khi diode tắt ; hằng số đặt trưng cho tổn hao khi transistor đóng ; hằng số đặt trưng cho tổn hao khi transistor tắt A(sw,D) ; B(sw,D) hằng số đặt trưng cho tổn hao khi diode tắt P(sw,on,T); P(sw,off,T) tổn hao công suất ở trạng thái đóng và tắt của 1 transistor P(sw,D) tổn hao công suất ở trạng thái tắt của 1 diode fsw tần số chuyển mạch E(con,n) tổn hao truyền dẫn trong chu kỳ

Dn chu trình hoạt động của transistor ở chu kỳ chuyển mạch n chu trình hoạt động của transistor ở chu kỳ chuyển mạch n+1 tổn hao năng lượng ở một nhánh trong suốt chu kỳ tổng tổn hao công suất ở bộ biến tầnR’r Điện trở quy đổi của rotor L’s điện kháng quy đổi của stator

Pcu,r là tổn hao đồng rotor

Ptotal tổng tổn hao trong động cơ

Imr-opt dòng từ hóa tối ưu để tổn hao trên động cơ

K Gọi là hệ số tổn hao

HÌNH TRANG

Hình1: Phân bố lượng điện năng tiêu thụ cho các thiết bị năm 2003 tại Mỹ iv

Hình 2.1 : Giản đồ tổn hao năng lượng trong động cơ KĐB 5

Hình 2.2: Phân bố nguồn năng lượng sử dụng trong động cơ KĐB với các dạng Công suất và phụ tải khác nhau 6

Hình 2.3: Phân bố nguồn năng lượng tổn hao trong động cơ KĐB với các dạng Công suất và phụ tải khác nhau 6

Hình 2.4: Cấu tạo cơ bản của một hệ truyền động sử dụng động cơ KĐB 7

Hình 2.5: Hệ thống bơm không sử bộ điều khiển cơ, tốc độ động cơ không đổi, không có á p suất 8

Hình 2.6: Hệ thống bơm không sử bộ điều khiển cơ, tốc độ động cơ không đổi, có á p suất 8

Hình 2.7: Hệ thống bơm có điều khiển tốc độ, không có áp suất 9

Hình2.8: Hệ thống bơm có điều khiển tốc độ, có áp suất 9

Hình 2.9: Sự liên hệ về phân bố công suất giữa các thiết bị trong hệ thống bơm trong hình 1.5 đến 1.8 và hiệu suất của bơm và động cơ 10

Hình 3.1: Động cơ KĐB ba pha 12

Hình 3.2: Tiết diện mặt cắt ngang bố trí dây quấn đối xứng của động cơ 13

Hình 3.3: S ơ đồ thay thế tương đương động cơ không đồng bộ lý tưởng 17

Hình 3.4: S ơ đồ tương đương động cơ có xem xét tổn hao sắt từ và bão hòa từ 20

Hình 3.5: S ơ đồ mô phỏng dạng phương trình động cơ KĐB ba pha lý tưởng 27

Hình 3.6: S ơ đồ mô phỏng dạng khối động cơ KĐB ba pha lý tưởng 27

Hình 3.7: Sơ đồ mô phỏng động cơ KĐB ba pha có xem xét ảnh hưởng tổn hao sắt từ và bão hòa từ 30

Hình 4.1: S ơ đồ thay thế của động cơ không đồng bộ ba pha 32

Hình 4.2: Mô hình bộ Converter 35

Hình 4.5: Tổn hao tổng trong bộ Inverter dựa trên qúa trình đóng ngắt 40

Hình 4.6: S ơ đồ điều khiển trực tiếp từ thông rotor 43

Hình 4.7: S ơ đồ điều khiển gián tiếp từ thông rotor 44

Hình 4.8: S ơ đồ khối cơ bản của phương pháp FOC 46

Hình 4.9: Giản đồ vector mạch tương động cơ. 47

Hình 4.10: S ơ vector không gian và góc từ trường rotor 47

Hình 4.11: Mạch tương đương của động cơ bao gồm tổn hao trên điện trở sắt từ 48

Hình 4.12: Mạch tương đương ổn định tỉnh của động cơ: (a) trục d, (b) trục q 49

Hình 4.13 : Mô hình điều khiển tối ưu động cơ KĐB bằng giải thuật LMA+FOC.52 Hình 4.14: Dòng điện stator theo thành phần isd 54

Hình 4.15: Tổn hao đồng theo thành phần isd 54

Hình 4.16: Tổn hao đồng và lõi sắt theo thành phần isd 54

Hình 4.17: Tổng tổn hao theo thành phần isd 54

Hình 4.18: Hiệu suất của động cơ theo thành phần isd khi tải thay đổi 55

Hình 4.19: Tổng tổn hao của động cơ theo thành phần isd khi tốc độ thay đổi (M=0.5Mdm) 56

Hình 4.20: Hiệu suất của động cơ theo thành phần isd khi tốc độ thay đổi (M=0.5Mdm) 56

Hình 4.21: Điều khiển theo phương pháp FOC, V/f khi tải thay đổi, tốc độ là định mức 58

Hình 4.22:. Điều khiển theo phương pháp FOC, V/f khi tải không đổi và tốc độ thay đổi 59

Hình 5.1: Phép chuyển trục abc-αβ-dq 60

Hình 5.2: S ơ đồ điều khiển gián tiếp từ thông rotor 62

Hình 5.3: L ưu đồ Giải thuật 1 67

Hình 5.4: Mô hình điều khiển theo giải thuật1 69

Hình 5.5: Động cơ không tải, tốc độ thay đổi 70

Hình 5.8: Tải thay đổi (0-1)Mdm, tốc độ 500v/p 71

Hình 5.9: Tải thay đổi (0-1)Mdm, tốc độ 1000v/p 72

Hình 5.10: Tải thay đổi (0-1)Mdm, tốc độ 1395v/p 73

Hình 5.11: Mạch tương đương của động cơ bao gồm tổn hao trên điện trở sắt từ74 Hình 5.12: S ơ đồ tương đương động cơ theo trục-d và trục q 75

Hình 5.13: L ưu đồ Giải thuật 2 77

Hình 5.14: Mô hình điều khiển theo giải thuật 2 78

Hình 5.15: Động cơ không tải, tốc độ thay đổi 78

Hình 5.16: Khi động cơ mang tải bằng ½ định mức, tốc độ thay đổi 79

Hình 5.17: Khi động cơ mang tải định mức, tốc độ thay đổi 79

Hình 5.18: Tải thay đổi (0-1)Mdm, tốc độ500v/p 80

Hình 5.19: Tải thay đổi (0-1)Mdm, tốc độ 1000v/p 81

Hình 5.20: Tải thay đổi (0-1)Mdm, tốc độ 1395v/p 82

Hình 5.21: L ưu đồ Giải thuật 3 86

Hình 5.22: Mô hình điều khiển theo giải thuật 3 87

Hình 5.23: Động cơ không tải, tốc độ thay đổi 88

Hình 5.24 : Khi động cơ mang tải bằng ½ định mức, tốc độ thay đổi 88

Hình 5.25 : Khi động cơ mang tải định mức, tốc độ thay đổi 88

Hình 5.26 : Tải thay đổi (0-1)Mdm, tốc độ 500v/p 89

Hình 5.27 : Tải thay đổi (0-1)Mdm, tốc độ 1000v/p 90

Hình 5.28 : Tải thay đổi (0-1)Mdm, tốc độ 1395v/p 91

Hình 6.1 : Tổn hao công suất và hiệu suất của các giải thuật khi tải thay đổi và tốc độ là 500v/p 93

Hình 6.2 : Tổn hao công suất và hiệu suất của các giải thuật khi tải thay đổi và tốc độ là 500v/p 94

Hình 6.3: Tổn hao công suất và hiệu suất của các giải thuật khi tải thay đổi và tốc độ là 1395v/p 95

Hình 6.5: Hiệu quả kinh tế tính theo công thức (6.2) 96

Hình 6.6 : Hiệu quả kinh tế tính theo công thức (6.1) 97

Hình 6.7: Hiệu quả kinh tế tính theo công thức (6.2) 97

Hình 6.8 : Hiệu quả kinh tế tính theo công thức (6.1) 97

Hình 6.9 : Hiệu quả kinh tế tính theo công thức (6.2) 97

Hình 6.10 : Hiệu quả kinh tế tính theo công thức (6.1) 98

Hình 6.11 : Hiệu quả kinh tế tính theo công thức (6.2) 98

Hình 6.12 : Hiệu quả kinh tế tính theo công thức (6.1) 99

Hình 6.13 : Hiệu quả kinh tế tính theo công thức (6.2) 99

Hình 6.14 : Hiệu quả kinh tế tính theo công thức (6.1) 99

Hình 6.15 : Hiệu quả kinh tế tính theo công thức (6.2) 99

Hình 6.16 : Hiệu quả kinh tế tính theo công thức (6.1) 100

Hình 6.17 : Hiệu quả kinh tế tính theo công thức (6.2) 100

Hình 6.18 : Hiệu quả kinh tế tính theo công thức (6.1) 100

Hình 6.19 : Hiệu quả kinh tế tính theo công thức (6.2) 100

Hình 6.20 : Hiệu quả kinh tế tính theo công thức (6.1) 101

Hình 6.21: Hiệu quả kinh tế tính theo công thức (6.2) 101

Hình 6.22 : So sánh tổn hao công suất cho 3 mô hình điều khiển 102

Hình 6.23 : So sánh sự thay đổi tổn hao công suất khi tải thay đổi 102

B NGă TRANG

c ơ khi thí nghiệm với các dạng tải khác nhau 11

Bảng 4.1: Thông số của động cơ 53 Bảng 5.1: Điểm làm việc tối ưu của động cơ khi tốc độ là 500v/p và tải thay

CHƯƠNGă1

T NGăQUAN 1.1 Đ tăvấnăđ

Tiết kiệm năng lượng nói chung và tiết kiệm điện năng nói riêng đang là mối quan tâm đặc biệt của xư hội, đặc biệt trong bối cảnh hiện nay của Việt Nam khi

mà nền công nghiệp đang trên đà phát triển mạnh cũng như thực trạng thiếu nguồn phát

Động cơ không đồng bộ chiếm tỷ trọng rất lớn trong công nghiệp (75%-80%), trong đó phần lớn động cơ công suất từ 0.75-75 kW là đa phần ωác động cơ này thường không được trang bị thiết bị điều khiển nên rất lưng phí điện năng Việc

áp dụng các phương pháp điều khiển tiết kiệm điện năng cho các động cơ không đồng bộ là rất cấp thiết và có thể đem lại nguồn lợi lớn về mặt kinh tế

1.2 Lịchăsửăphátătri năv ătiếtăki măđi nănĕngăchoăđ ngăc ă(KĐB)ă3ăpha

Ý tưởng nghiên cứu các giải thuật giảm tổn hao công suất đư xuất hiện từ những năm 198γ với các phương pháp điều khiển đơn giản dễ thực hiện như điều khiển theo hệ số công suất Phương pháp điều khiển này mặc dù đơn giản trong thực hiện, nhưng lại khó khăn trong việc xác định hệ số công suất yêu cầu vì mỗi động cơ giá trị này khác nhau

Với sự phát triển trong lĩnh vực điều khiển các bộ biến đổi công suất, một số phương pháp hiện đại hơn liên quan đến điều khiển tần số được đề xuất vào những năm 1996-β000 như phương pháp điều khiển tần số trượt phương pháp hiệu chỉnh trực tiếp từ thông tối ưu thông qua các thông số thực nghiệm Hiệu suất của các hệ truyền động được nâng cao nhưng thực hiện hệ thống điều khiển khá khó khăn do hệ số trong các biểu thức tính từ thông được xác định bằng thực nghiệm

Trong thời gian sau, nhờ khả năng và tốc độ tính toán nhanh của vi điều khiển, các nhà nghiên cứu đư triển khai các giải thuật điều khiển theo mô hình tổn hao của động cơ chỉ trong trường hợp có tính đến tổn hao trong lõi sắt từ ωác mô hình tổn hao này được xây dựng dựa trên thông số của động cơ, như điện trở,

điện kháng của stator và của rotor, tổn hao…Lợi ích kinh tế đem lại khá cao so với các phương pháp điều khiển truyền thống Tuy nhiên, chất lượng điều khiển dựa theo phương pháp này bị ảnh hưởng nhiều nếu thông số của động cơ không chính xác hoặc thay đổi liên tục

- Phương pháp điều khiển theo hệ số công suất có thể thực hiện đơn giản, nhưng mỗi động cơ có hệ số công suất khác nhau, nên không thể tổng hợp mô hình thống nhất Ngoài ra, người điều khiển phải có kiến thức nhất định về động cơ

và lợi ích kinh tế đem lại không lớn đặc biệt đối với các động cơ loại nhỏ

- Với phương pháp hiệu chỉnh trực tiếp từ thông tối ưu từ các biểu thức đòi hỏi phải có thông số thực nghiệm động cơ chính xác đồng thời phải ước lượng chính xác mô men và tốc độ động cơ mới có thể đạt chất lượng điều khiển cũng như hiệu suất cao

- Điều khiển theo phương pháp tìm kiếm điểm cực trị không phụ thuộc vào

thông số của động cơ, nhưng khả năng đáp ứng của hệ thống chậm vì vậy không thể áp dụng đạt hiệu quả cao cho các loại tải khác nhau

- Điều khiển từ thông động cơ sẽ ảnh hưởng nhiều đến thông số cũng như đặc tính của động cơ và vì vậy có thể gây ra tổn hao công suất trong lõi sắt cũng như tổn hao phụ do hiện tượng sóng hài dòng điện gây ra ωần phải có các giải thuật điều khiển tối ưu tìm từ thông hay dòng điện từ hóa để giảm thiểu các tổn hao này

1.7 Đi măm iăc aăđ ătƠi

Đư có nhiều phương pháp điều khiển động cơ tiết kiệm năng lượng đư được đề xuất như điều khiển theo cos Ф , điều khiển theo tần số trượt, điều khiển theo

mô hình tổn hao, điều khiển theo từ thông tối ưu Tuy nhiên mỗi phương pháp điều khiển đều có những ưu và nhược điểm Vì vậy, trong nội dung của đề tài, ngoài nghiên cứu ứng dụng FOω để điều khiển động cơ không đồng bộ tiết kiệm

năng lượng, người viết còn đưa ra một số phương pháp điều khiển tiết kiệm khác nhau như: phương pháp điều khiển theo thuật toán tối ưu (Loss minimization algorithms_LMA) qua đó so sánh về hiệu suất, về đáp ứng moment, về đáp ứng tốc độ để tìm ra phương pháp điều khiển tối ưu nhất

1.8 Giáătrịăthựcăti năc aălu năvĕn

- Sử dụng các giải thuật điều khiển tối ưu đề xuất, có thể giảm tổn hao đến 10% công suất định mức của động cơ so với phương pháp điều khiển hiện đại

FOC

- Sử dụng các giải thuật điều khiển tối ưu đề xuất, có thể giảm tổn hao đến 98% so với tổn hao trong phương pháp điều khiển hiện đại FOω

CHƯƠNGă2

CƠăS ăLụăTHUY T 2.1 Tìmăhi uăv ătiếtăki mănĕngăl ngătrongăđ ngăc ăvƠăcácăh ătruy năđ ng:

Như đư giới thiệu, đi cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ ngày càng được ứng dụng rộng rưi và tiêu thụ một lượng điện năng vô cùng lớn.Trong đó, khảng γ0% lượng điện năng này bị tổn hao vô ích trong động cơ, trong hệ truyền động và các thiết bị điều khiển.để giảm thiểu được các tổn hao vô ích này, chúng ta phải có được hiểu biết về chúng và tìm cách can thiệp sao cho lượng điện năng tổn hao là nhỏ nhất nhưng vẫn đạt được hiệu qủa mong muốn

Sau đây là các dạng tổn hao xảy ra trong động cơ, trong hệ truyền động và các thiết bị điều khiển

 Đ iăv iăđ ngăc :

ωông suất điện mà động cơ nhận từ nguồn được chia làm hai thành phần: một phần sinh ra công có ích để thực hiện qúa trình công nghệ (kéo các hệ truyền động), phần còn lại là tổn hao dưới dạng nhiệt trên điện trở dây quấn stator (Pcu1), tổn hao trên điện trở sắt từ (PFe), tổn hao trên điện trở rotor (Pcu2)và các tổn hao cơ

do ma sát và quạt gió (Pfrict)

Để tiết kiệm được năng lượng của động cơ, chúng ta phải tìm hiểu về mục đích sử dụng của động cơ, công suất sử dụng Tìm ra những nguyên nhân gây nên tổn hao và tìm cách tiết kiệm nó.Hình β.1 cho thấy việc phân bố năng

lượng trong động cơ không đồng bộ ứng với các dạng công suất khác nhau,hình 2.2 các tổn hao trong động cơ không đồng bộ.ωác dữ liệu được lấy dựa trên các

số liệu thống kê về việc sử dụng năng lượng tại Đan Mạch năm β000 , xu hướng sử dụng này phù hợp với hầu hết các nước công nghiệp

dạng Công suất và phụ tải khác nhau

Quan trọng hơn, việc phân bố tổn hao năng lượng trong động cơ trên (hình 2.γ) 67% năng lượng tổn hao được gây ra bởi động cơ có công suất định mức dưới 5βkW.Từ đây ta thấy rằng, để tiết kiệm năng lượng hiệu quả thì nên nghiên cứu tiết kiệm cho các loại động cơ có công suất định mức dưới 5βkW

dạng Công suất và phụ tải khác nhau

 Đ iăv iăcácăh ătruy năđ ng:

Động cơ KĐψ thường được sử dụng cho các ứng dụng sau:

-Hệ thống máy bơm, máy nén khí, thông gió, máy lạnh

-Hệ thống băng truyền, thiết bị vận tải

-ωác thiết bị cơ khí chế biến

Hình 2.4 cho chúng ta thấy cấu tạo cơ bản của một hệ truyền động sử dụng động cơ KĐψ

Để thấy rõ được khả năng tiết kiệm năng lượng trong hệ truyền động, ta xem xét một dạng tải điển hình (máy bơm) và khả năng tiết kiệm năng lượng bằng các phương phương pháp điều khiển khác nhau

ψốn kiểu của hệ thống máy bơm được mô tả từ hình β.5 -2.8 Hai hình đầu

là điều khiển cơ và tốc độ cố định.Hai hình sau sử dụng bộ điều chỉnh tốc độ

hình β.5 và β.7 máy bơm không có áp suất trong đường ống, hình 1.6 và 1.8 máy bơm có có áp suất trong đường ống

Một thiết bị điều khiển điều khiển dòng chảy sao lưu lượng dòng chảy ở điểm A là 100% lưu lượng định mức, lưu lượng dòng chảy ở điểm ψ được điều khiển ở 50% lưu lượng dòng chảy định mức Từ đường cong đặc tính vẽ được theo

áp lực và lưu lượng dòng chảy của hệ thống bơm (Pω) và hệ thống ống dẫn (Sω) ωác điểm làm việc của máy bơm được xác định bởi giao điểm của hai đường cong

PC và SC

Hình 2 5: Hệ thống bơm không sử bộ điều khiển cơ, tốc độ

động cơ không đổi, không có áp suất

động cơ không đổi, có áp suất

Trong hệ truyền động bơm tốc độ cố định ở hình β.5 và β.6, lưu lượng được làm giảm từ A sang ψ bằng việc sử dụng van để làm giảm lưu lượng trong ống, lúc này đường đặc tính làm việc của hệ thống thay đổi từ Sω1 sang SC2 Trong hình 2.7 và 2.8 do không thay đổi lưu lượng nên đường đặc tính làm việc của hệ thống không thay đổi, nhưng thay đổi tốc độ của động cơ Lúc này đường đặc tính bơm sẽ thay đổi từ Pω1 sang PC2, do đó dẫn đến sự thay đổi lưu lượng

từ A sang ψ

Hình 2.7 Hệ thống bơm có điều khiển tốc độ, không có áp suất

Hình 2.9 cho thấy tại điểm đầy tải (điểm A), khi tốc độ động cơ không đổi thì hiệu suất bơm là tốt hơn, bởi vì nếu so sánh với phương pháp điều khiển thay đổi tốc độ động cơ thì sẽ tăng thêm phần tổn hao gây nên bởi bộ biến đổi công suất và tổn hao trong trong động cơ

Trường hợp bơm làm việc ở 50% lưu lượng định mức (điểm ψ) thì ngược lại.Trong trường hợp không có áp suất, có sự cải thiện đáng kể về tổn hao khi động cơ có điều khiển tốc độ so với trường hợp không điều khiển tốc độ So sánh đồ thị β.5 và β.7 trong phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đổi, hầu hết các tổn hao đều xảy ra tại van Trong trường hợp có áp suất, so sánh biểu

đồ β.6 và β.8, sự khác biệt về hiệu suất không rõ ràng Tuy vậy, trong trường hợp này sử dụng phương pháp điều khiển thay đổi tốc độ động cơ thì hiệu suất bơm vẫn tốt hơn

bơm trong hình 2.5 đến 2.8 và hiệu suất của bơm và động cơ

2 2.ăăNhữngăti mănĕngătiếtăki mănĕngăl ngătrongăđ ngăc ăkhôngăđ ngăb ăvƠă

h ătruy năđ ngăkhiăsửăd ngăcácăph ngăphápăđi uăkhi năthíchăh p

Đối với hệ thống bơm ta thấy rõ ràng rằng, khi một máy bơm làm việc có áp suất, thì sử dụng phương pháp điều khiển thay đổi tốc độ động cơ sẽ tiết kiệm được một lượng điện năng đáng kể so với trường hợp không có điều khiển tốc độ Từ đây

ta có thể mở rộng cho các dạng tải khác nhau như quạt thông gió, máy nén khí và

máy lạnh ta cũng tiết kiệm được một lượng điện năng đáng kể khi sử dụng phương pháp điều khiển thay đổi tốc độ của động cơ, với kết quả thu được ở bảng β.1 sau

Bảng 2.1 Kết quả về tiết kiệm năng lượng bằng phương pháp thay đổi tốc độ

động cơ khi thí nghiệm với các dạng tải khác nhau

Tiếtăki mănĕngă

l ngăăkhiăđi uă chỉnhăt căđ

Máy bơm Ly tâm không có bộ điều khiển

Ly tâm có bộ điều khiển

Rất tốt Tốt

2 3ăKếtălu n:

Như đư phân tích ở trên, ta thấy rằng đối với động cơ không đồng bộ và các

hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ có thể tiết kiệm được một lượng điện năng không nhỏ thông qua các phương pháp điều khiển chúng.Từ đây, mở ra hướng để nghiên cứu các phương pháp sử dụng năng lượng một cách hiệu quả trong động cơ và hệ truyền động thông qua mô hình, nguyên lý làm việc và các phương pháp điều khiển

Nhằm tìm hiểu về động cơ không đồng bộ và các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ theo hướng tiết kiệm năng lượng, trong nội dung các chương tiếp theo sẽ tập trung nghiên cứu về các phương pháp điều khiển tiết kiệm năng lượng như: điều khiển động cơ theo thuật toán tối ưu (Loss minimization algorithms_LMA), điều khiển động cơ theo theo mô hình sử dụng FOω

CHƯƠNGă3

MÔăHÌNHăTOÁNăH CăC AăĐ NGăCƠă

KHÔNGăĐ NGăB

3 1ăNguyênălỦălƠmăvi căc aăđ ngăc ăkhôngăđ ngăb :

Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ dưa trên hai định luật

căn bản, định luật cảm ứng điện từ (do nhà bác học Micheal Faraday tìm ra) và định luật tạo ra lực điện từ (do nhà bác học Bio-Savar tìm ra), những định luật

này chính là nguồn gốc được ứng dụng để phát minh ra động cơ không đồng bộ ngày nay

Khi bộ dây quấn stator được cung cấp nguồn điện xoay chiều, nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ có sức điện động cảm ứng và dòng điện bên dây quấn rotor Dòng điện ba pha đối xứng chạy trong bộ dây quấn ba pha stator sẽ tạo ra

từ trường quay với tốc độ đồng bộ n60f P Sự tương tác giữa từ trường stator

và dòng điện rotor tạo ra moment làm quay rotor.Tuy nhiên, tốc độ của rotor luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường quay, chính sự không đồng bộ này tạo nên tên gọi của động cơ không đồng bộ

3 2ăăGi iăthi uăcácăh ăt aăđ ăsửăd ngătrongăcácăph ngătrìnhătoánăh căc aăđ ngă

c ăkhôngăđ ngăb :

Nhằm giúp cho việc điều khiển, tính toán thông số, mô phỏng được dễ dàng,

mô hình toán của máy điện được biểu diễn trong hệ quy chiếu γ pha và sau đó chuyển sang các hệ quy chiếu (α, ) hay hệ quy chiếu quay (d,q) như hình 3.2

 H ăt aăđ ăvectorăkhôngăgianăabc:

Với hệ tọa độ này người xem ba cuộn dây của động cơ không đồng bộ bố trí trên ba trục abc trong không gian và lệch pha nhau 1 góc 1200 Trong hệ tọa độ này các đại lượng như điện áp, dòng điện, từ thông vv của động cơ không đồng bộ được biểu diễn dưới dạng vector:

-Giả sử viết cho đại lượng dòng điện stator , , :

Từ công thức tính dòng điện Stator:

Khi biểu diễn dưới dạng vector:

= k(

đây: , và hệ số k=

Viết tương tự cho các đại lượng khác trên tọa độ abc

 H ăt aăđ ăphẳngăα- :

Hệ tọa độ này gồm hai trục và lệch nhau góc trong không gian

Hệ trục này đứng yên trong không gian

Trục được chọn trùng với trục a trong hệ tọa độ abc

Khi đó các đại lượng viết trên hệ tọa độ abc được chuyển qua hệ tọa độ α- như sau

Giả sử viết cho đại lượng dòng điện stator isα,is :

sb s

sc

i i

i i

i

a b

Viết tương tự cho các đại lượng khác trên tọa độ α-

 H ăt aăđ ăquay d-q :

Hệ trục tọa độ này gồm hai trục d-q lệch pha nhau góc và quay trong không gian với tốc độ bằng với tốc độ của từ thông rotor Do đó hệ tọa độ này được xem như đứng yên so với rotor

Giả sử tại thời điểm bất kỳ trục d của hệ tọa độ d-q lệch với trục α của hệ tọa

độ α- một góc θ, ta có phép chuyển đổi giữa hai hệ tọa độ này như như sau:

Viết cho đại lượng dòng điện stator isd,isq :

-ωhuyển đổi giữa hệ tọa độ sang hệ tọa độ d-q:

Quá trình mô hình hóa toán học của máy điện xoay chiều cũng phụ thuộc

vào một số giả thiết về điều kiện lý tưởng cụ thể:

- ωác cuộn dây quấn stator ở các pha được giả định hoàn toàn giống nhau, được bố trí đối xứng nhau 1β00

trong không gian

- ψỏ qua tổn hao sắt từ, dòng xoáy và bưo hòa từ (nếu mô hình lý tưởng)

- Dòng từ hóa và từ trường phân bố hình sin trong khe hở không khí

- ωác giá trị điện trở và điện kháng xem như không đổi trong suốt quá trình vận hành

3 3.1ăMôăhìnhăđ ngăc ălỦăt ngă:

Sơ đồ thay thế tương đương động cơ KĐψ lý tưởng thể hiện như hình γ.3:

 Trênăh ăt aăđ ăc ăđịnhăstatoră(h ăt aăđ ăαβ)

Phương trình tổng quát điện áp stator và rotor:

s a s s s

dt

d i R

r a

r r

dt

d i

R y (  )y

Phương trình từ thông:

m r s s

-

r r m s

i d L i R

)(

r s m r

dt

i d L dt

i d L i

ωhiếu (γ.5) và (γ.6) lên hệ tọa độ α được các phương trình điện áp stator và rotor:

 Phương trình điện áp stator:

dt

di L dt

di L i R

m s s s s s

a a

a

dt

di L dt

di L i R

 Phương trình điện áp rotor:

r r r r r r s m s

dt

di L i R i L dt

dt

di L i R i L dt

s L ia L ia

a

r m s s

s L ib L ib

b

s m r r

r L ia L ia

a

s m r r

J T

(3.12) Suy ra phương trình vận tốc rotor:

J

P T i L i L i i L i L i P dt

d

L r m s s s r m s s

a a a

b



(3.13)

 Trênăt aăđ ăquayărotoră(h ăt aăđ ădq)

Phương trình tổng quát điện áp stator và rotor:

s a s s s

dt

d i R

r a

r r

dt

d i

dt

di L dt

di L i R

 s ds m dr

a qr m qs s qs s

dt

di L dt

di L i R

Phương trình điện áp rotor:

ds m dr r dr

dt

di L dt

di L i

dt

di L dt

di L i

ds L i L i

y

qr m qs s

qs L i L i

y

ds m dr r

dr L i L i

qs m qr r

qr L i L i

yPhương trình moment điện từ:

32

J

P T i

i i i PL dt

d

L ds qr qs dr



(3.23)

3.3.2 Môăhìnhăđ ngăc ăxemăxétăt năhaoăsắtătừăvƠăbƣoăhòaătừ

Sơ đồ thay thế tương đương của động cơ khi xem xét tổn hao sắt từ và bão hòa từ thể hiện như hình γ.4:

 Trênăt aăđ ăc ăđịnhăstatoră(h ăt aăđ ăαβ)

ωác phương trình tổng quát:

Phương trình điện áp stator:

a m s

s s s

dt

d dt

i d L i R

Phương trình điện áp rotor:

 a   r r m

m r

r r

dt

d dt

i d L i

m R i j dt

-

RF

iFe

Fe r Fe s Fe

L

R i R i R dt

di L i R

s s s s

a a

 a a

di L i R

r r

dt

d dt

di L i

r r

dt

d dt

di L i

Fe r Fe s Fe m

L

R i R i R dt

d

a a

Fe r Fe s Fe m

L

R i R i R dt

d

b b

m m r r r

m m s s s

m m s s s

i L i L

i L i L

i L i L

i L i L

b b

 b

a a

 a

b b

 b

a a

 a

yyyy

Phương trình moment điện từ:

J

P T T dt

J

P T i

i P dt

d

L m r m

3

 Trênăh ăt aăđ ăquayărotoră(h ăt aăđ ădq)

Thực hiện chiếu các phương trình (3.24), (3.25) và (3.30) lên trục dq được các phương trình mô tả động cơ ở tọa độ này:

Phương trình điện áp stator:

qm a qs s a dm ds

s ds s

dt

d dt

di L i R

dm a ds s a qm qs

s qs s

dt

d dt

di L i R

Phương trình điện áp rotor:

dm dr

r dr

dt

d dt

di L i

r qr

dt

d dt

di L i

Fe dr Fe ds Fe dm

L

R i R i R dt

d

y

y



dm a qm m

Fe qr Fe qs Fe qm

L

R i R i R dt

d

y

y

qm m qr r qr

dm m dr r dr

qm m qs s qs

dm m ds s ds

i L i L

i L i L

i L i L

i L i L

J

P T T dt

J

P T i

i P dt

d

L qm dr qm

3.4 Cácăph ngătrìnhăchuy năđ iăh ăquyăchiếuăậ Park:

3.4.1 Cácăph ngătrìnhăchuy năđ iăh ăt aăđ ăABCăsangăh ăt aăđ ăαβ

Việc mô phỏng động cơ với hai giá trị điện áp trên tọa độ α là uα và u , do

đó điện áp pha A, pha ψ và pha ω được chuyển sang hệ tọa độ α theo công thức sau:

ωông thức chuyển từ hệ tọa độ Aψω sang hệ tọa độ α :

.

3.4.2 Cácăph ngătrìnhăchuy năđ iăh ăt aăđ ăABCăsangăh ăt aăđ ădq

Công thức chuyển từ hệ tọa độ Aψω sang hệ tọa độ dq:

3.4.3 Cácăph ngătrìnhăchuy nătừăh ăt aăđ ădqăsangăh ăt aăđ ăαβ

ωông thức chuyển từ hệ tọa độ α sang hệ tọa độ dq:

s s s s

s s s s

ωông thức chuyển từ hệ tọa độ dq sang hệ tọa độ α :

s qs s ds

s qs s ds

3.5 ăThƠnhăl pămôăhìnhăđ ngăc ăKĐBăbằngăphầnăm măMatlap-Simulink:

Từ các phương trình của động cơ không đồng bộ lý tưởng và động cơ có tính đến tổn hao sắt từ và bảo hòa từ đư nêu ở mục trên Để phục vụ khảo sát, nghiên cứu các tổn hao ta mô hình hóa động cơ trên phần mềm Matlap-Simulink

ωó nhiều phương pháp để mô hình hóa động cơ, dưới dây giới thiệu một số

mô hình động cơ không đồng bộ sử dụng trong mô phỏng, khảo sát của luận văn

3 5.1ăMôăph ngămôăhìnhăđ ngăc ăKĐBălỦăt ngă(h ăt aăđ ă ):

Từ các phương trình tổng quát điện áp, từ thông stator và rotor (3.1) đến (3.4) và các phương trình (3.7) đến (3.1γ) của động cơ viết trong hệ tọa độ

ta biến đổi về dạng:

r m

Thay (3.69) vào (3.67) và (3.68) ta được các phương trình dòng điện và từ thông trong động cơ không đồng bộ:

 Ph ngătrìnhămomentăăc aăđ ngăc :

Từ phương trình cơ bản tính moment của động cơ:

 Ph ngătrìnhăchuy năđ ngăc aăđ ngăc :

Từ phương trình chuyển động của động cơ (γ.12), ta có:

Hình 3 5: Sơ đồ mô phỏng dạng phương trình động cơ KĐB ba pha lý tưởng