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

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

TịMăT T

Tìm hiểu tổng quan về các phụ t iă đi n thông dụng thu c nhóm HVAC (Heating, Ventilation and Air-Condition) và chứngă minhăđ c kh nĕngătiết ki m nĕngăl ng bằngăcáchăđiều khiển biến t c

Trình bày v năđề về tổn hao và các ph ơngăphápăđiều khiển tiết ki mănĕngă

l ng củaăđ ngăcơăkhôngăđ ng b là kết qu tổng h p các nghiên cứu khác nhau trên thế gi iăđể đ aăraăcáiănhìnătổng quan toàn di n về lƿnhăvực nghiên cứu

Xây dựng gi i thu tăđiều khiển tiết ki mănĕngăl ngămàăđ iăt ng chính là

đ ngăcơăkhôngăđ ng b 3 pha Dựa trên cơăsở ph ơngăpháp điều khiển đ nhăh ngă

tr ngărotor giánătiếpă(Indirect Field Oriented Control)ăkếtăh păv iăvi cătìmăraăgiáătr ătừăthôngărotorăt iă uămụcăđíchăđểăgi măcácătổnăhaoătrongăđ ngăcơă tiếtăki măđ cănĕngăl ng

Thựcăhi nămôăphỏngăgi iăthu tătiếtăki mănĕngăl ngătrênăphầnămềm Matlab

Nh năxét cácăthànhăphầnăchínhăcủaăđ ngăcơănh :ăđi năáp,ădòngăđi n,ăt căđ ,ămômen, từăthôngăvàăcôngăsu tătiêuăthụ.ăSo sánh cácăkếtăqu ămôăphỏngăkhiăsửădụngăgi iăthu tătừăthôngărotorăt iă uăv iătừăthôngărotorăthamăchiếuă đ nhămứcăđểătínhăđ căl ngănĕngăl ngătiếtăki măđ c.ăVàăthựcăhi nămôăphỏngălầnăl tăv iătừăthôngărotor tham chiếu,ăt căđ ăđặt rotor,ămômenăt iăkhácănhauăđểăkiểmăchứng kh ănĕngătiếtăki mănĕngă

l ng

Đềă tài cũngă đ aă raă h ngă khácă nhằmă tiếtă ki mă nĕngă l ngă trongă đ ngă cơăkhôngăđ ngăb 3ăphaălàăđiềuăchếătừăthôngărotorătừăsựăcânăbằngăhaiăthànhăphầnătổnăhaoăcôngăsu tăphụăthu cătừăthôngăvàăphụăthu cămômen đi nătừ.ăSoăsánhăkếtăqu ămôăphỏngăv iăgi iăthu tătừăthôngărotorăt iă uăđểăkiểmăchứngăkh ănĕngătiếtăki mănĕngă

l ngăcủaăhaiăgi iăthu t

ABSTRACT

Learn an overview of the common electricity loads of group HVAC (Heating, Ventilation and Air-Condition) and demonstrate the potential energy saving by the variable speed control

Presenting loss problems and some control methods of energy saving of asynchronous motor was the collective results of different studies around the world

to offer a comprehensive overview of research areas

Building energy saving control algorithm whose main object is three phase asynchronous motors Based on the basis of the Indirect Field Oriented Control method combined with finding the optimal rotor flux value aims to reduce the motor loss to energy saving

Implementation of energy saving algorithm simulation on Matlab software Reviews the main components of the motor such as voltage, current, speed, torque, flux and consumed power Comparison of simulation results when using optimal rotor flux algorithms with reference rotor flux to calculate the energy savings amount And perform simulations in turn with reference rotor flux, rotor set speed, different load torque to verify the potential energy saving

Threads also give different direction to energy saving in three phase asynchronous motor is the rotor flux modulation from the balance of the two power loss components depend rotor flux and depend electromagnetic torque Comparison

of simulation results with the optimal rotor flux algorithm to verify the ability of the two energy saving algorithm

M CăL C

Quyếtăđ nhăgiaoăđề tài

Chươngă2ăT NGăQUANăV ăPH ăT IăĐI NăVÀăKH ăNĔNGăTI TăKI Mă

2.1ăTh ngăkêăvềăsửădụngăcácăđ ngăcơăkhôngăđ ngăb 6 2.2ăĐiềuăkhiểnăhi uăqu ănĕngăl ngăcủaăcácăứngădụngăHVAC 9 2.3ăTiếtăki mănĕngăl ngătrongăcácăứngădụngăHVACăbằng điềuăkhiểnăbiến

2.4ăCácăứngădụngăv iăkh ănĕngătiếtăki mănĕngăl ngăbằngăđiềuăkhiểnăt căđ 14 Chươngă3ăV NăĐ ăT NăHAOăVÀăCÁCăPH NGăPHÁPăĐI UăKHI NăT Iă

3.1ăTổnăhaoătrongăh ăth ng đ ngăcơăkhôngăđ ngăb thayăđổi t căđ 16

3.1.3ăTổnăhaoăl iăv iăh ăth ngăthayăđổi t căđ 20 3.2ăT iă uăhóaănĕngăl ngăbằngăvi căgi mătừăthôngămotor 21

3.5ăĐiềuăkhiểnătr ngătháiăđơnăgi nă(SimpleăStateăControl) 27

3.7.2ăĐiềuăkhiểnătìmăkiếmădùng Logicăm ăvàăm ngăthầnăkinhănhânăt o 35

4.1ăNguyênălýăđiềuăkhiểnăđ nhăh ngătựaătheoătr ng 39

Chươngă5ăTHI TăK ăGI IăTHU T,ăMÔăPH NGăVÀăK TăQU ăC AăH ă

TH NGăĐI UăKHI NăĐ NGăC ăKHÔNGăĐ NGăB ă ăCH ăĐ ăTI Tă

5.2 Xâyădựngăvàămôăphỏngăh ăth ngăđiềuăkhiểnă 54

5.3.2 Kếtăqu ămôăphỏngăv iătừăthôngărotorăt iă u 65 5.3.3 Soăsánhăkếtăqu ămôăphỏngătừăthôngărotorăt iă uăv iătừăthôngărotorăthamăchiếuă

6.4.2 Soăsánhăkếtăqu ămôăphỏngă2ăgi iăthu tătiếtăki mănĕngăl ngă(GTTKNL)ă

6.4.3.2ăTr ngăh pă2 90

DANHăSÁCHăCÁCăCH ăVI TăT T,ăKệăHI U

CÁCăT ăVI TăT T

GTTKNL Gi iăthu tătiếtăki mănĕngăl ng

HVAC Heating, Ventilation, Air-Condition

PWM-VSI Pulse Width Modulated Voltage Source Inverter

ASDs Adjustable Speed Drives

IRFOC Indirect Field Oriented Control

Hình 2.3: Tổnăth tănĕngăl ngăcủaăđ ngăcơăkhôngăđ ngăb trongăcácăứngădụngă

HVACă(khôngăthu cădânădụng)ăởăĐanăM chătrongă1ănĕm 9

Hình 2.8: Phânăb ăcôngăsu tăt ơngăđ iăcủaăcácăh ăth ngăbơmătừăhìnhă2.4ăđếnă2.7.ă

Hi uăsu tăcủaăđ ngăcơăvàămáyăbơmăđ căviết bênăd iăcácăc t 14

Hình 3.2: B ăPWM-VSIăv iăBCL diode đ căsửădụngătrongăcácăb ăđiềuăkhiểnă 17

Hình 3.3: Dòng dây hi uădụngăĐCKĐBă2.2ăkW khiăđ căn iătrựcătiếpătừăl i và khi

Hình 3.4: Đ ngăcongăhi uăsu tăđ ngăcơăt i t căđ ăđ nhămứcăđ ngăcơă2.2ăkWăv iătừăthôngăkheăhởăkhôngăkhíăkhôngăđổiăvàăv iăhi uăsu t t iă uă 22

Hình 3.5: ĐCKĐBăđ căđiềuăkhiểnăbằngăm tăb ăconverter VVFFă(KĐM) 24

Hình 3.6: B ăPWM-VSI v iăBCL diodeătrongăphầnăl năcácăb ăláiăđiềuăkhiểnăđ că

t căđ ă(ASDs - Adjustable Speed Drives) ngày nay 26

Hình 3.7: Sơăđ ăkh iăđiềuăkhiểnăchoăvi căt iă uăhi uăsu tăđ ngăcơ.ă 26

Hình 3.8: Víădụăvềăđiềuăkhiểnăcos( )ătrongăm tăb ăláiăvôăh ng 28

Hình 3.9: Víădụăvềăđiềuăkhiểnătầnăs ătr tăt iă uămàăgiáătr ăthamăkh oăđ căđặtă

Hình 3.10: Víădụăđiểnăhình điềuăkhiển theoămôăhìnhătrongăđ ngăcơăvôăh ng 30

Hình 3.11: Víădụăvềăđiềuăkhiểnăt iă uăhi uăsu tădựaătrênămôăhìnhăđ ngăcơ đ căthựcă

hi nătheoătrụcăthamăchiếuăđ nhăh ngătựaătheoătr ng 32

Hình 3.12: Thực hi n điềuăkhiểnătìmăkiếmăchoăb ălái theoătừăthôngărotor 33

Hình 3.13: Víădụ vi căthựcăhi năt iă uăhi uăsu tătìmăkiếmătrongăm tăb ăláiăvôăh ng

Hình 4.3: Sơăđ ăđiềuăkhiểnăđ nhăh ngătừăthôngărotorăgiánătiếp 45

Hình 5.4: Sơăđ ămô phỏngăkh iăđiềuăkhiểnăvectoră(Vector Control block) 62

Hình 5.5: Sơăđ ămô phỏngăkh iătừăthôngăt iă uă(optimal flux) 62

Hình 5.10: Sơăđ ămôăphỏngăkh iătínhătoánăgócătừăthôngăr 63

Hình 5.11: Sơăđ ămôăphỏngăkh iăchuyểnăđổiătrụcăabcăsangătrụcădq 64

Hình 5.12: Sơăđ ămôăphỏngăkh iăchuyểnăđổiătrụcădqăsangătrụcăabc 64

Hình 5.14: Đ ăth ăcôngăsu tătiêuăthụăTTRTU v iăKălầnăl tă0.24,ă0.29,ă0.38ăởăđo nă

Hình 5.15: Đ ăth ăcácăthànhăphầnăU,ăI, , T e, r,ăPăcủaăđ ngăcơ 66

Hình 5.17: Đ ăth ădòngăđi năxoayăchiềuă3ăphaăngõăraăb ăngh chăl u củaăTTRTUăvà

Hình 5.18: Đ ăth ăt căđ ărotor củaăđ ngăcơăcủaăTTRTUăvà TTRTCĐM 69

Hình 5.19: Đ ăth ămômenăđi nătừăcủaăđ ngăcơăcủaăTTRTUăvà TTRTCĐM 69

Hình 5.23: Đ ăth ăCSTTăcủaăTTRTU và TTRTCĐMăv iăr  0.96(W )b 72

Hình 5.24: Đ ăth ăCSTTăcủaăTTRTUăvà TTRTCăv iăr  0.8(W )b 72

Hình 5.25: Đ ăth ăCSTTăcủaăTTRTUăvà TTRTCăv iăr  0.7(W )b 73

Hình 5.26: Đ ăth ăCSTTăcủaăTTRTUăvà TTRTCĐMăv iă  120(rad s/ ) 74

Hình 5.27: Đ ăth ăCSTTăcủaăTTRTUăvà TTRTCĐMăv iă  100(rad s/ ) 74

Hình 5.28: Đ ăth ăCSTTăcủaăTTRTUăvà TTRTCĐMăv iă  80(rad s/ ) 75

Hình 5.29: Đ ăth ăCSTTăcủaăTTRTUăvà TTRTCĐMăv iăTm100 N m 76

Hình 5.31: Đ ăth ăCSTTăcủaăTTRTUăvà TTRTCĐMăv iăTm200 N m 77

Hình 6.1: Sơăđ ăkh iăcânăbằngă2ăthànhăphầnătổnăhaoăcôngăsu t 80

Hình 6.4: Đ ăth ăcânăbằngă2ăthànhăphầnătổnăhaoătổnăhaoăcôngăsu t 83

Hình 6.5: Đ ăth ăcácăthànhăphầnăU,ăI, , T e, r,ăPăcủaăđ ngăcơ 84

Hình 6.7: Đ ăth ădòngăđi năxoayăchiềuă3ăphaăngõăraăBNL củaă2ăGTTKNL 86

DANHăSÁCHăCÁCăB NG

B NG

Bảngă2.1: Kh ănĕngătiếtăki mănĕngăl ngăbằngăđiềuăkhiểnăt căđ ăchoă4ăứngădụngă

Bảngă3.1: Cácăho tăđ ngăcóăthểăđ căthựcăhi năđểălàmăgi mătổnăhao 18

Bảngă3.2ă căl ngăcủaăcácăph ơngăphápăđiềuăkhiểnăTKNLăchoăb ăláiăĐCKĐB 38

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 55.6% tổng năng lượng điện, trong đó các động cơ không đồng bộ chiếm 96% [6, tr.1] Điều này chứng tỏ rằng khoảng 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 không đồng bộ 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 không đồng bộ 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

LVTN Chươngă1:ăT ngăquană

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 “Đi uăkhi năđ ngăcơăkhôngăđ ngăb ba pha ăch ăđ ă

ti tăkiệmănĕngălư ng” 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

1.2ăCácănghiênăc uătrongăvàăngoàiănư c

1.2.1ăCácănghiênăc uătrongănư c

1 TS Nguyễn Phùng Quang, Truyền Động Điện Thông minh, Nhà xuất bản

khoa học và kỹ thuật, Hà Nội 2002

2 Đặng Thanh Lưu, Điều Khiển Động Cơ Không Đồng Bộ Ba Pha Trên Cơ

Sở DSP TMS320F2812 Tiết Kiệm Điện Năng , Đồ án tốt nghiệp, 7/2011

1.2.2ăCácănghiênăc uăngoàiănư c

1 Mehdi Dhaoui, Lassaad Sbita, A New Method for Losses Minimization in

March 2010, pp 93-99

2 Cui Naxin, Zhang Chenghui, Zhao Min, Optimal Efficiency Control of

College of Control Science and Engineering, Shandong University, pp 414-419

3 M Nasir Uddin, Sang Woo Nam, New Online Loss-Minimization-Based

March 2008, pp 927-933

4 Feng-Chieh Lin, Sheng-Ming Yang, On-line Tuning of an

and Engineering, Vol 6, No 2, 2003, pp 103-110

5 Jingchuan Li, Longya Xu, Zheng Zhang, A New Efficiency Optimization

LVTN Chươngă1:ăT ngăquană

6 Kheldoun Aissa, Khodja Djalal Eddine, Vector Control Using Series

Academy of Science, Engineering and Technology 52 2009, pp 142-148

7 S Grouni1, R Ibtiouen, M Kidouche1, O Touhami, Novel Loss

International Journal of Systems Control, Vol.1, Iss.4, August 2010, pp 163-169

8 Fleming Abrahamsen, Energy Optimal Control of Induction Drives, Aalborg University, February 2000

1.3 M căđíchănghiênăc u

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

1.4 Nhiệmăv ănghiênăc uăvàăgi iăhạnăc aăđ ătài

1.4 1ăNhiệmăv ăc aăđ ătài

1 Nghiên cứu đối tượng là các động cơ không đồng bộ hoạt động ở các chế

độ tiết kiệm năng lượng

2 Đề xuất phương pháp thiết kế bộ điều khiển động cơ không đồng bộ ở chế độ tiết kiệm năng lượng

3 Thiết kế giải thuật điều khiển động cơ không đồng bộ ở chế độ tiết kiệm năng lượng

4 Xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm bộ điều khiển động cơ không đồng bộ ở chế độ tiết kiệm năng lượng

5 Đánh giá và so sánh kết quả mô phỏng

LVTN Chươngă1:ăT ngăquană 1.4 2ăGi iăhạnăc aăđ ătài

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

là động cơ không đồng bộ

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

1.5 Phươngăphápănghiênăc u

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 pha

3 Tìm hiểu lý thuyết Matlab

4 Tìm hiểu lý thuyết về điều khiển trượt

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

6 Tìm hiểu các vấn đề về tổn hao và các phương pháp điều khiển theo hướng tối ưu năng lượng của động cơ không đồng bộ

7 Tìm hiểu nguyên lý định hướng tựa theo trường

8 Thiết kế giải thuật điều khiển

9 Mô phỏng trên phần mềm Matlab

10 Đánh giá và so sánh kết quả mô phỏng

LVTN Chươngă1:ăT ngăquană 1.6 Giáătr ăth cătiễnăc aăđ ătài

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

2 ng dụng thiết kế chi tiết thiết bị điều khiển động cơ điện ở chế độ tiết

kiệm năng lượng

3 Tài liệu và kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để phục vụ các nghiên cứu ở mức độ cao hơn

1.7 B ăc c c aălu năvĕn

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

Chương 3: Vấn đề về tổn hao và tổng quan các phương pháp điều khiển tối ưu

năng lượng cho động cơ không đồng bộ

Chương 4: Nguyên lý điều khiển định hướng tựa theo trường và hướng

nghiên cứu

Chươngă5: Thiết kế giải thuật, mô phỏng và kết quả của hệ thống điều khiển

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

Chương 6: Phương án khác tiết kiệm năng lượng cho động cơ không đồng bộ Chương 7: Kết luận

LVTN Chươngă2:ăT ngăquan v ăph ătảiăđiệnăvàăkhảănĕngăTKNL

Chươngă2

T NGăQUAN V ăPH ăT IăĐI NăVÀăKH ăNĔNGă

2.1 Th ng kê v s d ngăcácăđ ngăcơăkhôngăđ ng b (ĐCKĐB)

Ngoài sự hiểu biết các ứng dụng đặc biệt thích hợp với điều khiến biến tốc, cũng cần đánh giá mức độ phổ biến của các ứng dụng này, ở đó dãi công suất động cơ mà

họ chủ yếu sử dụng Những hiểu biết này sẽ được dùng để định hướng nghiên cứu vào lĩnh vực có khả năng cao nhất cho TKNL

Những hiểu biết này có được qua sự phân tích dựa trên các dữ liệu thống kê 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 Trong 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 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 ĐCKĐB cũng đã được thực hiện ở các quốc gia khác chẳng hạn ở Mỹ và Thụy Điển

LVTN Chươngă2:ăT ngăquan v ăph ătảiăđiệnăvàăkhảănĕngăTKNL

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

1988-1992 Hình 2.1 minh họa sự tiêu thụ điện năng được chia theo các ứng dụng ở Đan Mạch Biết rằng các động cơ điện được dùng cho cả các loại quạt, máy nén khí, máy bơm, tủ lạnh và 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 sưởi ấm, quạt gió, điều hòa (HVAC – Heating, Ventilation, Air-Condition) liên quan đến các bộ thông gió, bộ nén khí, các máy bơm và các tủ lạnh Không phải tất cả các động cơ điện đều là ĐCKĐB Một lượng nhỏ năng lượng được tiêu thụ bởi các loại động cơ khác, bao gồm các động cơ đồng bộ, các động cơ

1 chiều (DC – Direct Curent) và các động cơ bước Dựa trên số liệu bán động cơ tại

Mỹ năm 1989 được ước tính trong, 96% các động cơ công suất hàng ngựa là ĐCKĐB Dù con số này có thể hơi khác tại Châu Âu, có thể chắc chắn rằng một lượng rất lớn công suất truyền động động cơ là dành cho ĐCKĐB Có thể kết luận rằng các ĐCKĐB chiếm 53% (0.556x0.96=0.53) tổng điện năng tiêu thụ

Chúng ta cũng khảo sát xem điện năng được tiêu thụ trong khoảng công suất nào Trong phần phân tích này, 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

LVTN Chươngă2:ăT ngăquan v ăph ătảiăđiệnăvàăkhảănĕngăTKNL

xuống khi khoảng công suất tăng lên, năng lượng tiêu thụ của ba ứng dụng kia lại tiến đến cực đại ở khoảng 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 lớn hơn (>1000KW)

Hình 2.2: Tiêu thụ năng lượng ở động cơ không đồng bộ 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

LVTN Chươngă2:ăT ngăquan v ăph ătảiăđiệnăvàăkhảănĕngăTKNL

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

Năng lượng sử dụng bên ngoài Đan Mạch chưa được khảo sát Đề án SAVE của

EU mang tên “Cái nhìn xuyên suốt về các động cơ 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 lái 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 không đồng bộ trong các ứng

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

2.2 Đi u khi n hiệu quả nĕngălư ng c a các ng d ng 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 (PPĐK) nào được xác định bởi một số yếu tố, bao gồm chất lượng điều khiển, chi phí lắp đặt

LVTN Chươngă2:ăT ngăquan v ăph ătảiăđiệnăvàăkhảănĕngăTKNL

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 tốt, nhưng nếu ngược lại thì hiệu

suất năng lượng sẽ giảm

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

cơ sẽ được bật hay tắt tùy theo nhu cầu sản xuất u điểm của PPĐK 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 chỉ có

khả năng điều khiển theo từng bước Tuy nhiên, nó có thể kết hợp với sự thay đổi tốc độ trên một trong các động cơ

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

của điều khiển on/off và điều khiển stepwise không đáp ứng được Động cơ không đồng bộ 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 PPĐK này là điều khiển cơ khí sẽ tạo 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

(converter) điện tử công suất 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 TKNL và giảm nhiễu âm chẳng hạn từ các quạt

LVTN Chươngă2:ăT ngăquan v ăph ătảiăđiệnăvàăkhảănĕngăTKNL

Từ sự so sánh đơn giản giữa các chiến lược điều khiển ứng dụng HVAC, có thể kết luận trên quan điểm TKNL rằng điều khiển quá trình cơ khí không thể được

chấp nhận vì mất mát năng lượng quá lớn trong trường hợp giảm tải Sự lựa chọn

giữa các điều khiển on/off, điều khiển stepwise và điều khiển biến tốc phụ thuộc vào mức tải và chất lượng điều khiển yêu cầu Các hệ thống cần sản xuất lượng nhỏ trong thời gian dài thì thích hợp với các điều khiển stepwise và điều khiển biến tốc Ngược lại, khi lượng tải yêu cầu cao và chất lượng điều khiển on/off có thể chấp

nhận được, điều khiển 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 các kỹ thuật tốt được áp dụng trong quá trình thiết kế toàn hệ thống, và trong nhiều trường hợp các điều khiển on/off và điểu khiển stepwise cung cấp giải pháp tốt nhất Tuy nhiên, không nghi ngờ gì nữa, trong các hệ thống yêu cầu chất lượng điều khiển tốt, điều khiển biến tốc trở thành giải pháp thay thế duy nhất có hiệu quả về năng lượng cho 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

thống 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 Ti t ki ệmănĕngălư ng trong các ng d ng HVAC bằng đi u khi n bi n t c

u 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 điều khiển biến tốc có khả năng tiết kiệm nhiều năng lượng nhất

Đi u khi nămáyăbơm

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 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

LVTN Chươngă2:ăT ngăquan v ăph ătảiăđiệnăvàăkhảănĕngăTKNL

lượng định mức Các hình vẽ thể hiện đường cong lưu lượng – áp suất của cả đặc tính máy bơm (PC – Pump Characteristic) và hệ thống ống, tức là đặc tính của hệ

thống (SC – System Characteristic) Điểm hoạt động của máy bơm được định nghĩa

bởi 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 từ PC1 sang

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

LVTN Chươngă2:ăT ngăquan v ăph ătảiăđiệnăvàăkhảănĕngăTKNL

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 (converter) công suất điện tử trong bộ lái biến tốc gây mất mát thêm trong động cơ và trong bộ converter mức tải 50% (điểm B), tình huống ngược lại xảy ra 50% tải không có đầu ống, 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

LVTN Chươngă2:ăT ngăquan v ăph ătảiăđiệnăvàăkhảănĕngăTKNL

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 ng d ng v i kh ả nĕngăti t kiệmănĕngălư ng bằngăđi u khi n t căđ

Sự phân tích hệ thống máy bơm trên đây cho thấy rõ: với các loại tải bậc hai (trong trường hợp lý tưởng, trong mômen tải tăng theo bình phương tốc độ, trong

thực tế sự gia tăng này nhỏ hơn bình phương), khi máy bơm không có đầu, điều khiển biến tốc sẽ cho phép TKNL đáng kể ở tải bộ phận so với điều khiển cơ khí Trong trường hợp có đầu ống, mức TKNL sẽ nhỏ hơn Các kết quả lúc này có thể

mở rộng cho các máy thông gió, máy nén khí, và các tủ lạnh

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 TKNL bằng cách điều khiển tốc độ, nhưng không nhiều, một ví

dụ là máy bơm tàu lặn

mang lại sự TKNL tốt

LVTN Chươngă2:ăT ngăquan v ăph ătảiăđiệnăvàăkhảănĕngăTKNL

Các kết quả được tóm tắt trong bảng 2.1

B ảng 2.1: Khả năng tiết kiệm năng lượng bằng điều khiển tốc độ cho 4 ứng

Tăng nhẹ khi tốc độ tăng

Tốt

Tủ lạnh Bu lông, tuabin,

pittông

Tăng nhẹ khi tốc độ tăng

Tốt

LVTN Chươngă3: Vấnăđ ăt năhaoăvà t ngăquanăcác PPĐK TUNL

Chươngă3

V NăĐ ăT NăHAOăVÀăT NGăQUANăCÁC

3.1ăT năhao trong hệăth ng đ ngăcơăkhôngăđ ngăb ăthayăđ i t căđ ă

Hình 3.1 trình bày dòng năng lượng chảy qua động cơ điện từ trạm đến tải (bộ thông gió, máy bơm,…) thông qua các khối, trong mỗi khối có sự tổn hao do vận chuyển năng lượng qua chúng Các khối bao gồm:

 Hệ thống phân phối (distribution system): đường dây truyền tải, máy biến thế cung cấp và đường dây cung cấp

 Bộ converter: bộ phận điện tử công suất điều khiển tần số và điện áp stator động cơ, điển hình là chuyển đổi nguồn áp được điều chế độ rộng xung (PWM-VSI – Pulse Width Modulated Voltage Source Inverter) với bộ chỉnh lưu (BCL) diode 3 pha

 Động cơ (motor): ĐCKĐB rotor lồng sóc

 Bộ phận truyền (transmission): ví dụ như trục động cơ, hộp số, đai truyền hoặc dây xích

Hình 3.1: Xem xét dòng công suất chảy qua hệ thống động cơ

LVTN Chươngă3: Vấnăđ ăt năhaoăvà t ngăquanăcác PPĐK TUNL 3.1.1 B ăbi nătần

Cấu trúc bộ PWM-VSI với BCL diode như hình 3.2 ngày nay được sử dụng trong các bộ lái tiêu chuẩn đến hàng trăm kW Nếu bộ lái hãm nhanh hoặc kéo tải nặng, nó cần tiêu tán công suất trong điện trở nguồn DC hoặc sử dụng BCL Thyristor để có thể phát lại công suất về lưới điện

Hình 3.2: Bộ PWM-VSI với BCL diode được sử dụng trong các bộ điều khiển Tổn hao trong bộ converter bao gồm chủ yếu: tổn hao trong chuyển mạch linh kiện bán dẫn và tổn hao dẫn điện, nguồn cung cấp cho mạch điện tử điều khiển, và tổn hao dẫn điện cuộn lọc

Tổn hao chuyển mạch có thể giảm thiểu bằng cách tăng tốc độ đóng ngắt dv/dt Tuy nhiên tốc độ dv/dt ngõ ra cao sẽ khó thực hiện đặc biệt đối với các động cơ được cấp với cáp dài Trong một số bộ converter, tốc độ dv/dt trên các cực động cơ

bị giới hạn bởi 3 cuộn lọc ngõ ra Tổn hao đồng trong cuộn lọc có thể giảm bằng cách tăng tiết diện dây, nhưng như thế sẽ làm tăng giá thành của converter Tổn hao

ở BCL không đáng kể

3.1.2 Đ ngăcơăkhôngăđ ngăb

Bảng 3.1 tổng kết các thực hiện để làm giảm tổn hao trong ĐCKĐB với thể tích lõi từ không đổi Dường như không có vấn đề gì khi tăng tiết diện đồng ở stator và

sử dụng lá thép cán mỏng hơn với tổn hao thấp hơn và quy trình được cải thiện mặc

dù làm tăng giá thành Tuy nhiên việc lựa chọn lá thép cũng là một sự cân đối giữa

LVTN Chươngă3: Vấnăđ ăt năhaoăvà t ngăquanăcác PPĐK TUNL

theo đó tiết kiệm được tổn hao lõi từ lại dẫn đến tổn hao đồng stator vì tăng dòng kích từ

Đối với động cơ khởi động trực tiếp sẽ gặp vấn đề khi giảm điện trở rotor vì tăng dòng khởi động và mômen khởi động bị giảm, nhưng nếu động cơ được khởi động bằng một bộ converter thì sẽ không sao Để cải thiện cách duy nhất là sử dụng quạt làm mát động cơ tuy nhiên chỉ thích hợp cho 1 vài ứng dụng và không thích hợp cho động cơ tiêu chuẩn Bạc đạn tốt có lẽ thích hợp hơn Việc giảm tổn hao phụ là không cần thiết vì chỉ là thành phần ảnh hưởng phụ

Bảngă3.1: Các hoạt động có thể được thực hiện để làm giảm tổn hao

2 Tăng kích thước khe

stator và tiết diện dây

quấn

3 Giảm chiều dài cuộn

dây

1 Giảm điện trở stator

2 Giảm điện trở stator

3 Giảm điện trở stator

1 Tăng giá thành và khó thực hiện

2 Tăng giá thành và khó thực hiện

3 Khả năng tăng dòng khởi động, khó thực hiện Tổn hao

3 Giảm tổn hao dòng xoáy

1 Tăng giá thành và giảm vật liệu dự trữ

2 Tăng giá thành và vật liệu dự trữ

3 Tăng giá thành và việc

sử dụng năng lượng

LVTN Chươngă3: Vấnăđ ăt năhaoăvà t ngăquanăcác PPĐK TUNL

2 Giảm tổn hao đồng rotor

3 Giống số 2

4 Giống số 2

1 Tăng dòng khởi động

2 Dòng khởi động có thể cao hơn và giảm mômen khởi động

1 Thiết kế quạt tối ưu

2 Tối ưu hóa việc chọn

trục, giá đỡ

1 Giảm nhiệt độ hoạt động

2 Giảm tổn hao

do ma sát

1 Có thể làm tăng mức nhiễu

2 Có thể ảnh hưởng mức nhiễu, hạn chế tốc độ hoặc khả năng mang tải Tổn hao

2 Giảm tổn hao

bề mặt tần số cao

3 Giảm tổn hao dây đồng rotor

1 Tăng giá thành

2 Giảm hệ số công suất

3 Có thể tăng mức nhiễu

và ảnh hưởng đường đặc tuyến tốc độ - moment Nếu có thể tăng thể tích lõi, ví dụ như tăng chiều dài rảnh stator hoặc sắt từ bề

LVTN Chươngă3: Vấnăđ ăt năhaoăvà t ngăquanăcác PPĐK TUNL 3.1.3 T năhaoălư iăv iăhệăth ngăthayăđ i t căđ

Khi động cơ chạy trực tiếp từ lưới dòng điện vào là gần hình sin với thành phần phản kháng và cos phụ thuộc vào tải Tuy nhiên, BCL diode 3 pha có cos( ) hằng gần bằng 1, dòng vào có thêm thành phần họa tần Tổn hao sinh ra trên lưới đối với động cơ chạy trực tiếp từ lưới như sau :

1 1

I I THD

I





Trong đó: I : trị hiệu dụng của dòng vào bộ chỉnh lưu

I1 : trị hiệu dụng dòng vào bộ chỉnh lưu thành phần cơ bản Nếu áp lưới là sin, dòng họa tần không mang năng lượng và chỉ sinh ra tổn hao trên lưới Có thể trình bày:

LVTN Chươngă3: Vấnăđ ăt năhaoăvà t ngăquanăcác PPĐK TUNL

THD phụ thuộc chủ yếu vào độ lớn điện cảm bộ lọc nguồn DC và chiều dài của lưới điện Nếu điện cảm bộ lọc thấp thì THD càng cao Trong các bộ lái thương mại THD của dòng vào cỡ 40% là phổ biến tại tải danh định Giả thuyết THD thay đổi tuyến tính với công suất ra động cơ từ 0.2 không tải tới 0.4 tại tải định mức Hình 3.3 trình bày so sánh dòng dây hiệu dụng của động cơ tiêu chuẩn 2.2kW khi được nối trực tiếp từ lưới và khi được nối thông qua một bộ biến tần, điều này chứng tỏ rằng bộ converter có tổn hao thấp nhất trên lưới điện Có thể giảm các họa tần bằng cách phối hợp các tải 1 pha và 3 pha lại với nhau

Hình 3.3: Dòng dây hiệu dụng ĐCKĐB 2.2 kW khi được nối trực tiếp từ lưới và

khi động cơ được cấp thông qua bộ converter

3.2ăT iăưuăhóaănĕngălư ngăbằngăviệcăgiảmăt ăthôngăđ ngăcơ

Ngoài việc cải thiện bộ lái bằng cách thay đổi cấu trúc, tổn hao có thể giảm bởi điều khiển TUNL, trong đó áp dụng một số luật điều khiển điện áp và tần số stator

để tối thiểu tổn hao động cơ ở một mômen tải và tốc độ cho trước Nguyên tắc của điều khiển TUNL được giải thích sau đây tập trung chính vào tổn hao trên động cơ Mômen điện từ của một ĐCKĐB xấp xỉ:

LVTN Chươngă3: Vấnăđ ăt năhaoăvà t ngăquanăcác PPĐK TUNL

m

I : dòng từ

r

I : dòng rotor Với mômen tải cho trước, mômen điện từ yêu cầu đạt được là 1 số vô định với

sự kết hợp giữa dòng từ và dòng rotor sinh ra mômen

Nếu I m lớn và I r nhỏ thì tổn hao lõi và tổn hao đồng stator sẽ lớn và tổn hao đồng rotor nhỏ Ngược lại nếu I mnhỏ và I r lớn thì tổn hao lõi và tổn hao đồng stator ban đầu giảm và tổn hao đồng rotor tăng, nhưng ngay sau đó thì tổn hao đồng stator lại tăng lên Vì vậy với một mômen tải cho trước sẽ có một tỉ số giữa dòng từ

và dòng rotor làm tối thiểu tổng tổn hao Động cơ thông được thiết kế hoạt động tối

ưu gần tải định mức Nhưng ở tải nhẹ thì từ thông sẽ dư ra tương ứng với I m lớn và

r

I nhỏ Tổng tổn hao có thể được giảm thiểu bằng cách giảm I m và tăng I r

Hình 3.4: Đường cong hiệu suất động cơ tại tốc độ định mức động cơ 2.2 kW với từ thông khe hở không khí không đổi và với hiệu suất tối ưu

Việc cải thiện hiệu suất động cơ bằng cách tối thiểu tổn hao so với việc điều khiển từ thông khe hở không khí hằng được minh họa trên hình 3.4 Ta thấy rằng sự khác nhau giữa hiệu suất TUNL và hiệu suất từ thông khe hở không khí không đổi

là lớn nhất trong vùng tải nhẹ

LVTN Chươngă3: Vấnăđ ăt năhaoăvà t ngăquanăcác PPĐK TUNL

Điều khiển TUNL rất quan trọng cho HVAC 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 tuần hoàn nước nóng trung tâm phải đảm bảo ngôi nhà được ấm vào những ngày lạnh nhất trong năm Nghĩa là hầu hết trong năm động cơ và máy bơm chỉ hoạt động ở một phần của công suất định mức Hơn nữa, các động cơ dùng thường lớn so với nhu cầu sử dụng, được giải thích bởi 2 lý do sau:

 Tất cả các động cơ từ nhà sản xuất động cơ không được xác định chính xác

mà nằm trong một khoảng cho phép Vì thế nhà thiết kế động cơ 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 gần nhất lớn hơn giá trị tính toán được Ví dụ các ĐCKĐB công suất bé chỉ có các giá trị như 1.1, 1.5, 2.2, 3, 4, 5.5 và 7.5kW

Nhược điểm chính của điều khiển TUNL là việc giảm từ thông tại tải nhẹ làm cho bộ lái động cơ nhạy 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 hoạt động TUNL và điều khiển động cơ bám theo điểm đó, tuy nhiên có vài lý do làm điều này không thể thực hiện được trong thực tế:

 Mặc dù điểm hoạt động TUNL có thể tính toán chính xác, nhưng do giới hạn khả năng tính toán của bộ lái công nghiệp làm điều này không thể thực hiện

 Tổn hao rất khó dự đoán, bao gồm tổn hao phụ, tổn hao lõi gây ra do thay đổi điểm bão hòa và các thành phần họa tần và tổn hao đồng do thay đổi

LVTN Chươngă3: Vấnăđ ăt năhaoăvà t ngăquanăcác PPĐK TUNL

 Do bị giới hạn về giá thành sản phẩm cho nên không thể thu thập được hết các tín hiệu có thể đo được Điều này làm một số đại lượng phải ước lượng, nguyên nhân gây ra sai số Và một số đại lượng như điện áp ngõ ra bộ converter và dòng nguồn DC rất khó để có thể đo một cách chính xác

3.3ăĐi uăkhi năt iăưu nĕngălư ng b ălái VVFF

Việc sử dụng bộ converter điện áp thay đổi tần số cố định (VVFF – Variable Voltage Fixed Frequency) hay còn gọi là bộ khởi động mềm (soft-stater), về nguyên

lý là một trường hợp riêng của điều khiển TUNL Giống như tên gọi, điện áp stator thay đổi và tần số stator cố định Nhưng thành phần họa tần của điện áp stator khác nhiều so với điện áp điều chế độ rộng xung (PWM – Pulse Width Modulation) nguyên nhân do tổn hao thành phần họa tần

Nỗ lực đầu tiên để tối ưu hiệu suất hệ thống ĐCKĐB bằng cách điều khiển bộ converter thật sự khả thi với việc sử dụng bộ converter VVFF của Nola năm 1977 Bằng cách điều khiển góc kích điện áp stator của bộ converter VVFF (xem hình 3.5) và vì thế có thể điều khiển được hiệu suất của động cơ Nguyên tắc điều khiển đầu tiên là giữ góc kích của các Thyristor không đổi

Hình 3.5: ĐCKĐB được điều khiển bằng một bộ converter VVFF (soft-starter) Tất cả các chiến lược điều khiển đều dựa trên việc chọn một thông số thay đổi và giữ nó không đổi hoặc cực tiểu nó Có thể là góc kích không đổi, cực tiểu hoặc giữ nguyên góc hệ số công suất, cực tiểu dòng stator hoặc cực tiểu công suất ngõ vào

So sánh của Rowan và Lipo năm 1983 cho thấy cực tiểu hệ số công suất hoặc cực tiểu công suất ngõ vào sẽ cho hiệu suất tốt nhất Nhược điểm của bộ converter

LVTN Chươngă3: Vấnăđ ăt năhaoăvà t ngăquanăcác PPĐK TUNL

VVFF là tổn hao họa tần hệ thống là rất lớn và để cải thiện điều này trong thực tế là rất khó

Rowan và Lipo phát hiện ra hiệu suất còn bao gồm tổn hao thành phần họa tần và

đã thực hiện so sánh thành phần họa tần khi động cơ điều khiển VVFF với động cơ được nối trực tiếp từ lưới tải trên 0.9 pu (per unit) bộ converter VVFF dẫn hoàn toàn vì thế tổn hao dẫn điện trên Thyristor làm giảm hiệu suất động cơ khi điều khiển bằng VVFF 1.5% so với động cơ nối trực tiếp lưới tải dưới 0.45 pu hiệu suất động cơ khi điều khiển bằng VVFF tốt hơn so với động cơ nối trực tiếp lưới Kết luận là đối với tải trên 0.45 pu thì việc cải thiện hiệu suất âm, vì thế năng lượng tiết kiệm chỉ đạt được trong các ứng dụng mà động cơ hoạt động tải nhẹ trong khoảng thời gian đủ lớn

Khi các transistor công suất phát triển thì bộ khởi động mềm (KĐM) được thay thế bởi bộ PWM-VSI cho mục đích TUNL nhưng bộ converter VVFF vẫn được sử dụng như là bộ KĐM Ngày nay bộ KĐM được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp

và chúng cũng là lựa chọn để TKNL Các bộ KĐM hiện đại đã được thí nghiệm gần đây bởi Blaabjerg năm 1995, nhưng kết quả là sẽ không ai đầu tư nếu chỉ sử dụng

bộ KĐM cho mục đích TKNL Hơn nữa, với việc TUNL, độ ổn định có thể xảy ra

và thành phần họa tần dòng lưới tăng lên làm cho nó khó đáp ứng được các tiêu chuẩn mới IEC-1000 Kết quả là bộ KĐM không phải là giải pháp tốt cho việc giải quyết bài toán tối ưu hiệu suất năng lượng

Nhược điểm chính của KĐM là không thể cung cấp khả năng thay đổi tốc độ lớn, khi đó nguồn gốc của việc TKNL trong các ứng dụng HVAC không còn

3.4ăĐi uăkhi năt iăưu nĕngălư ng b ăláiăVVVF

Cấu trúc bộ điện áp thay đổi và tần số thay đổi (VVVF - Vaiable Voltage Variable Frequency ) cơ bản cho trên hình 3.6 Điện áp ngõ ra là điện áp điều chế