Sử dụng phương pháp IRFOC điều khiển tiết kiệm năng lượng động cơ không đồng bộ ba pha

Luận văn nghiên cứu tập trung ứng dụng giảm tổn hao sắt từ cho động cơ không đồng bộ 3 pha Rotor lồng sóc dựa trên phương pháp điều khiển định hướng từ thông Rotor gián tiếp không dùng c

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÂM ĐÌNH THỊNH CƯỜNG

SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP IRFOC ĐIỀU KHIỂN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

Mã số: 60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 1 năm 2016

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG TP.HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Trịnh Hoàng Hơn

Cán bộ chấm, nhận xét 1:

Cán bộ chấm, nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Hoạc Bách Khoa - ĐHQN TP HCM, ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1

2

3

4

5

Xác nhận của chủ tịch hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được chỉnh sửa (nếu có)

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN - ĐỆN TỬ CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC sĩ

Họ tên học viên: Lâm Đình Thịnh Cường MSHV: 13181100

Ngày, tháng, năm sinh: 15/11/1984 Nơi sinh: Tiền giang

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Mã số: 60520202

I TÊN ĐỀ TÀI: SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP IRFOC ĐIỀU KHIỂN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Xây dựng mô hình động cơ không đồng bộ 3 pha lý tưởng và mô hình có xét tổn hao sắt từ Xây dựng mô hình phương pháp điều khiển IRFOC, mô hình ước lượng vận tốc Xây dựng mô hình công suất tổn hao bao gồm tổn hao sắt và tổn hao đồng, giải bài toán tối ưu công suất tổn hao, từ đó xây dựng giải thuật tìm giá trị từ thông tối ưu để tối thiểu tổn hao Mô phỏng phương pháp điều khiển tiết kiệm năng lượng dựa trên phương pháp định hướng từ thông rotor gián tiếp có và không dùng cảm biến Kết luận phương pháp điều khiển được trình bày ở trên, kiến nghị những nghiên cứu tiếp theo II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Trịnh Hoàng Hơn

Tp HCM, ngày tháng năm 20

TRƯỞNG KHOA:

ii

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin được gửi những lời cảm ơn chân thành nhất đến TS Trịnh Hoàng Hơn, người thầy đã tận tình hướng dẫn, động viên, tạo điều kiện tốt nhất và cung cấp cho tôi nhiều tài liệu quý giá giúp tôi hoàn tất cuốn luận văn này

Đồng thời tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô khoa Điện - Điện Tử đã nhiệt tình truyền đạt kiến thức và kinh nghiệm trong suốt thời gian tôi học tại trường

Bên cạnh đó tôi xin cảm ơn những người sau đây đã nhiệt tình giúp đỡ, cung cấp đầy đủ những tài liệu liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu của luận văn này: Ths Nguyễn Minh Nhật, TS Nguyễn Ngọc Tú

Cuối cùng tôi muốn nói lời cảm ơn đến gia đình bao gồm: cha, mẹ, vợ và hai con,

họ là chỗ dựa tinh thần vững chắc giúp tôi có đủ kiên nhẫn, nghị lực để vượt qua những khó khăn để hoàn tất cuốn luận văn này

3

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

ĐỀ TÀI: SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP IRFOC ĐIỀU KHIỂN TIẾT KIỆM

NĂNG LƯỢNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

Luận văn trình bày việc sử dụng phương pháp IRFOC để điều khiển tiết kiệm năng lượng cho động cơ không đồng bộ ba pha Để thực hiện điều này các mô hình và giải thuật lần lượt được tác giả nghiên cứu và ứng dụng Đầu tiên để tạo cơ sở cho việc nghiên cứu, phương pháp điều khiển vòng kín không cảm biến dùng mô hình MRAS (Model Reference Adaptive System - mô hình điều khiển tham chiếu thích nghi) được nghiên cứu và ứng dụng vào kỹ thuật IRFOC (Indirect Rotor Field Oriented Control- điều khiển gián tiếp từ thông Rotor) để điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha Tiếp theo, nhằm giảm tổn hao tổng, chủ yếu là tổn hao sắt và tổn hao đồng, mô hình công suất tổn hao (LMC - Loss Model-based Controller) dạng Simplified và phương pháp IRFOC được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng cho cả hai trường hợp: điều khiển dùng cảm biến và không dùng cảm biến Tất cả các kết quả mô phỏng đều thực hiện trên phần mềm Simulink của Matlab

Kết quả cho thấy, hệ thống đưa ra đáp ứng mọi giá trị tốc độ trong vùng vận hành bình thường của động cơ Giá trị từ thông thay đổi theo tải, khi tải tăng hay giảm thì đáp ứng của từ thông cũng tăng giảm tỉ lệ, từ đó tổn hao sắt cũng thay đổi theo Mặt khác đáp ứng của điện áp cũng tự động đặt vào động cơ một cách tương ứng phù hợp làm hạn chế tổn hao đồng

Tác giả mong muốn ứng dụng giải thuật điều khiển tiết kiệm năng lượng vào lĩnh vực công nghiệp dân dụng như chế biến thức ăn gia súc, thủy sản, sản xuất cao su, v.v

Vì vậy, một số tiêu chí điều khiển không yêu cầu quá cao như: thời gian đáp ứng hệ thống; hoặc khảo sát vùng vận tốc lớn hơn hay nhỏ hơn nhiều so với đại lượng định mức Tuy nhiên, nhằm đánh giá mức độ bền vững của hệ thống, giải thuật nghiên cứu cũng được thực hiện trong trường hợp tốc độ động cơ vượt quá định mức 20%; trường hợp tốc độ và moment thay đổi; trường hợp tốc độ không đổi nhưng moment thay đổi, hay moment thay đổi tốc độ không đổi Hầu hết các kết quả nhận được rất khả quan và

có triễn vọng ứng dụng vào thực tế

4

ABSTRACT USING IRFOC FOR LOSS MINIMIZING CONTROL OF THREE PHASE

The results shown that, the system responds to referent signals with any regular value-speed of motor Rotor flux value varies corresponding to the decrease or increase

of torque of load; so the iron loss is decrease when the motor’s load is decrease In parallel, the motor’s voltage is adaptively changed to limit the copper loss

The studied loss minimizing control method is expected to apply for civil industrial such as animal feed processing, seafood processing, rubber production, etc So several criteria of responded signals are not tightly mentioned, for example responded time of system, or the case of very high speed (weakening flux) However, to consider the reliable characteristic of the system, the studied method is as well performed with the case of 120% rated value of speed Furthermore, the case of speed and torque are changed; or speed is changed but the torque is constant or opposite case All archived results are highly potential for real applications

V

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên: LÂM ĐÌNH THỊNH CƯỜNG, là học viên lớp Cao Học chuyên ngành Kỹ Thuật Điện, khóa 2013, Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học Quốc Gia TP HCM Tôi xin cam đoan rằng đây là luận văn chính tôi tự thực hiện Các số liệu trong luận văn này hoàn toàn trung thực, các thông tin tài liệu trích dẫn trong luận văn này được ghi rõ nguồn gốc Tôi xin chịu trách nhiệm hoàn toàn về kết quả nghiên cứu trong luận văn của mình

Học viên

Lâm Đình Thịnh Cường

vi

GIẢI THÍCH CHỮ VIẾT TẮT, KỶ HIỆU

Superscripts - phần viết bên trên:

f trong hệ quy chiếu quay tổng quát

s trong hệ quy chiếu đứng yên stator

e trong hệ quy chiếu quay đồng bộ và hệ quy chiếu từ thông rotor Subscripts - phần viết bên duới:

XX x(đầu tiên) là trục tọa độ chiếu xuống, x(thứ hai) là thành phần cần chiếu

a, b, c trục a, b, c của các pha, cuộn dây

a, p trục a, p trong hệ quy chiếu đứng yên stator

d, q trục d, q trong hệ quy chiếu quay

max giá trị lớn nhất

min giá trị nhỏ nhất

rated giá trị định mức

limit giới hạn

s các đại luợng của stator

r các đại luợng của rotor

m các đại luợng của nhánh từ hóa

Các ký hiệu (chính):

IM induction motor - động cơ không đồng bộ

FOC Field Oriented Controls - điều khiển định hướng trường

SFOC Stator Field Oriented Control - điều khiển định hướng từ thông Stator

RFOC Rotor Field Oriented Control - điều khiển định hướng từ thông Rotor IRFOC Indirect Rotor Field Oriented Control - điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp

LMC Loss Minimizing-based Controller - điều khiển tối thiểu tổn hao

vii

sc Search Control - điều khiển tìm kiếm

MRAS Model Reference Adaptive System - hệ thống mô hình tham chiếu thích nghi

ơ hệ sô từ thông rò

f<Zs điện kháng tản (rò) phía stator

hr điện kháng tản (rò) phía rotor

hn cảm kháng hỗ cảm

h cảm kháng stator

cảm kháng rotor

R SĨ Rr 5 Pm điện trở stator, rotor, điện trở sắt từ

Is> h’ h dòng điện stator, rotor, nhánh từ hóa, điện trở sắt từ

V V V V S’ v r’

v m điện áp stator, rotor, nhánh từ hóa

R s , R r điện trở stator, rotor

Ts thời hằng điện stator

T r thời hằng điện rotor

đại luợng từ thông liên kết stator

đại luợng từ thông liên kết rotor

ĩ '

s vector từ thông liên kết stator

'w r vector từ thông liên kết rotor

u m vận tốc quay cơ của trục rotor

úì r vận tốc quay điện của trục rotor

íú e vận tốc quay đồng bộ

U s lip vận tốc quay trượt

W s xW r tích có hướng của hai vector H's, vPr

T e ,T L moment điện từ, moment tải

u n vận tốc quay đồng bộ định mức

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 4

1.1 TÔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 5

1.1.1 Phương pháp điều khiển giảm công suất tổn hao dựa trên mô hình công suất tổn hao LMC (Loss-Model_Based Controller) 5

1.1.2 Phương pháp điều khiển giảm công suất tổn hao dựa trên phương pháp dò tìm cực tiểu giá trị công suất đầu vào (SC) 7

1.1.3 Các phương pháp điều khiển không dùng cảm biến [21] 8

1.2 PHẠM VI NGHIÊN cứu CỦA LUẬN VĂN 9

1.3 SẢN PHẨM CỦA LUẬN VĂN 10

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA (IM) BANG PHƯƠNG PHÁP IRFOC 10

2.1.1 Phép chuyển trục từ (abc)«-> (a|3) [24] 10

2.1.2 Phép chuyển trục từ (a|3)<-> (dq) [24] 12

2.1.3 Các hệ phương trình cơ bản động cơ không đồng bộ 3 pha trên hệ quy chiếu [24] 13

2.1.4 Mô hình trạng thái động cơ trên hệ tọa độ a|3 15

2.1.5 Mô hình trạng thái động cơ trên hệ tọa độ dq tổng quát: [24] 17

2.1.6 Mô hình trạng thái IM trên hệ quy chiếu dq đồng bộ : [24] 20

2.2 CÁC PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA CÓ TỔN HAO SẮT TỪ: [25] 22

2.3 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIẾN ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG (FOC) [27] 26

2.3.1 Các phương pháp ước lượng từ thông: [27 ] 2.3.2 Ước lượng vận tốc: [21] 2.3.3 Các phương trình trạng thái của IM trên hệ tọa độ từ thông Rotor: 33

2.3.4 Mô hình điều khiển IM dựa trên phương pháp định hướng từ thông Rotor gián tiếp (IRFOC), hồi tiếp dòng: [24] 37

26

28

2

2.3.5 Mô hình điều khiển IM dựa trên phương pháp định hướng từ thông

Rotor gián tiếp (IRFOC), hồi tiếp dòng không dùng cảm biến tốc

độ: [21] 41

3.1 TỔN HAO SẮT TỪ [29] 42

3.2 MÔ HÌNH CÔNG SUẤT TÔN HAO TRÊN HỆ QUY CHIẾU dq ĐỒNG Bộ: 43

3.2.1 Mô hình IM trong hệ quy chiếu dq đồng bộ: [30] 43

3.2.2 Mô hình gần đúng (Simplified) của IM trong hệ quy chiếu quay dq: 44

3.3 TÍNH TOÁN TÔN HAO DỰA TRÊN MÔ HÌNH GẦN ĐÚNG CỦA IM TRÊN HỆ QUY CHIẾU TỪ THÔNG ROTOR: 46

3.4 BÀI TOÁN TỐI ƯU CÔNG SUẤT TÔN HAO [30] 48

3.4.1 Các điều kiện ràng buộc : 48

3.4.2 Điều kiện cực tiểu 51

3.4.3 Điểm cực tiểu nằm trong vùng giao nhau các tập {Ui} n { Uy} n { Ud}:

52

3.4.4 Điểm cực tiểu nằm trên đường tròn giới hạn dòng điện 53

3.4.5 Điểm cực tiểu nằm trên đường ellipse giới hạn điện áp: 54

3.4.6 Điểm cực tiểu nằm trên đường thẳng i dn 55

3.4.7 Tối ưu công suất tổn hao khi vận tốc không đổi, Moment thay đổi 55

3.5 MÔ HÌNH ĐIỀU KHIÊN TỐI ƯU CÔNG SUẤT TỔN HAO ĐỘNG CƠ IM DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP IRFOC [4] 59

CHUÔNG 4: CÁC KHỐI MÔ PHỎNG TRONG MATLAB SIMULINK 61

4.1 ĐIỀU KHIÊN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP IRFOC 62

4.1.1 Xây dựng mô hình mô phỏng IM 3 pha lý tưởng trên matlab simulink

62

4.1.2 Xây dựng mô hình mô phỏng IM 3 pha có xét tổn hao sắt từ trên matlab simulink: 68

4.1.3 Xây dựng mô hình mô phỏng và kết quả mô phỏng IM 3 pha lý tưởng dựa trên phương pháp IRFOC 77

3

4.1.4 Xây dựng mô hình mô phỏng và kết quả mô phỏng IM 3pha lý tưởng

dựa trên phương pháp IRFOC không dùng cảm biến tốc độ: 93 4.2 ĐIỀU KHIÊN TIẾT KỆM NĂNG LƯỢNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA LÝ TƯỞNG DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP IRFOC CÓ VÀ KHÔNG DÙNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ: 99 4.2.1 Mô hình bộ điều khiển tiết kiệm điện dựa trên IRFOC và mô hình công

suất tổn hao, có cảm biến tốc độ: 100 4.2.2 Mô hình bộ điều khiển tiết kiệm điện dựa trên IRFOC và mô hình công

suất tổn hao, không cảm biến tốc độ (sensorless): 107 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 114 5.1 KẾT LUẬN 114 5.2 KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 115

4

CHƯƠNG 1: TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Tiết kiệm năng lượng nói chung và tiết kiệm điện nói riêng đang là mối quan tâm đặc biệt của xã hội, đặc biệt trong bối cảnh hiện nay của Việt Nam đang đẩy mạnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa, cũng như thực trạng thiếu nguồn phát Bên cạnh đó, hầu hết các nhà máy điện hiện tại sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch, các khí do các nhà máy này thải ra gây ô nhiễm môi trường và góp phần làm biến đổi khí hậu hay tăng tốc độ nóng dần của vỏ trái đất

Các loại phụ tải động cơ điện nói chung đang chiếm trên 40% tổng phụ tải điện trên toàn thế giới, và trên 69% trong công nghiệp Động cơ không đồng bộ 3 pha Rotor lồng sóc là loại phổ biến nhất trong loại tải này Trong điều kiện vận hành trực tiếp với lưới điện, khi hoạt động ở các thông số định mức (vận tốc định mức, mô men định mức) điều có hiệu suất cao, tuy nhiên khi vận hành ở các điều kiện dưới định mức, thì hiệu suất động cơ giảm nhiều Điều này gây lãng phí điện năng và tăng đáng kể chi phí chi trả cho việc tiêu thụ điện năng

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

Đối với các hệ thống điều khiển tự động đòi hỏi về độ chính xác cao, hay những thiết bị công nghệ thì việc tiết kiệm năng lượng không được xem xét là yếu tố hàng đầu Tuy nhiên trong thực tế còn rất nhiều hệ thống công nghiệp có thể áp dụng phương pháp điều khiển tiết kiệm năng lượng đạt hiệu quả cao mà không ảnh hưởng đến sai số yêu cầu của hệ thống, chẳng hạn như: hệ thống HVAC, hệ thống thông gió, hệ thống bơm

Để giảm thiểu giá thành cũng như thu gọn kích thướt của động cơ không đồng

bộ khi cần điều khiển chính xác vận tốc, phương pháp điều khiển không dùng cảm biến vận tốc được sử dụng Lúc này vận tốc được ước lượng nhờ vào các phương trình trạng thái động cơ cũng như các định lý, thuật toán hiện đại

Luận văn nghiên cứu tập trung ứng dụng giảm tổn hao sắt từ cho động cơ không đồng bộ 3 pha Rotor lồng sóc dựa trên phương pháp điều khiển định hướng từ thông Rotor gián tiếp không dùng cảm biến tốc độ và điều khiển on-line

1.1 TÔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

Trong luận văn này sẽ đề cặp đến tổng quan về tình hình nghiên cứu điều khiển giảm công suất tổn hao (tương đương điều tiển tiết kiệm năng lượng hay tối ưu hiệu

5

suất) trên IM (Induction Motor - động cơ không đồng bộ) và tổng quan về phương pháp điều khiển không dùng cảm biến tốc độ Trong phương pháp điều khiển giảm công suất tổn hao trên IM được chia thành 2 hướng nghiên cứu: hướng 1 là điều khiển tiết kiệm năng lượng dựa trên mô hình công suất tổn hao, hướng 2 là không sử dụng mô hình tổn hao mà đo công suất đầu vào và tìm ra từ thông tối ưu sao cho công suất đầu vào nhỏ nhất mà vẫn đáp ứng được vận tốc, moment

Các phương pháp điều khiển giảm công suất tổn hao sắp trình bày sau đây dùng cho động cơ không đồng bộ 3 pha Rotor lồng sóc

1.1.1 Phương pháp điều khiển giảm công suất tổn hao dựa trên mô hình

công suất tổn hao LMC (LOSS-Model_Based Controller)

Phương pháp điều khiển tiết kiệm năng lượng xuất hiện từ những năm cuối thập niên 80 của thế kỷ 20

Ban đầu điều khiển tiết kiệm năng lượng dựa trên phương pháp điều khiển vô hướng và mô hình công suất tổn hao [1], [2], Ý tưởng của phương pháp này là tìm ra giá trị từ thông tối ưu (tương đương điều chỉnh tỉ số điện áp và tần số hay vận tốc gốc điện) tại điểm làm việc của motor ( vận tốc và moment ) để đạt được công suất tổn hao tổng nhỏ nhất

Tiếp theo đó là phương pháp tối ưu hệ số trượt từ đó tối thiểu công suất tổn hao được áp dụng cho biến tần nguồn dòng Trong phương pháp này, ban đầu vận tốc trượt được tìm kiếm bằng phương pháp thử và sai thông qua mô hình tổn hao và kết quả giải được được lưu vào bộ nhớ vi xử lý Sau đó động cơ vận hành tại điều kiện tối ưu bằng cách lấy các giá trị hệ số trượt tối ưu theo bảng cho trước [3]

Với các phụ tải bơm ly tâm phương pháp điều khiển tiết kiệm năng lượng khá đơn giản nhưng đạt hiệu quả cao dựa trên điều khiển tần số và đặt tính hoạt động của động cơ (theo định luật Affinity) [4],

Những năm trở lại đây, việc áp dụng các thuật toán hiện đại vào phương pháp điều khiển vô hướng, tối ưu công suất tổn hao dựa trên kỹ thuật tìm kiếm: khắc phục nhược điểm phụ thuộc vào thông số động cơ của phương pháp LMC, tác giả sử dụng thuật toán GA (Genetic Artificial - thuật toán di truyền) để tìm các thông số động cơ nhằm tránh lỗi trên mô hình công suất tổn hao, sau đó tối ưu điện áp, tần số để tiết kiệm năng lượng [5] Hay sử dụng mạng Neural thay cho mô hình công suất tổn hao LMC

6

trong việc tìm từ thông tối ưu từ đó tối thiểu công suất tổn hao [6]

Từ những năm 90s trở về đây, khi các bộ vi xử lý tốc độ cao ra đời thì các bộ điều khiển có hướng (FOC, DTC) xuất hiện và bắt đầu trở thành xu hướng mới của các

bộ AC Drives (bộ điều khiển động cơ AC) Phương pháp điều khiển tiết kiệm năng lượng chủ yếu tập trung vào các phương pháp FOC

Trong phương pháp định hướng trường FOC, có thể điều khiển riêng biệt 2 thành phần từ thông và moment như trong điều khiển động cơ DC Mà tổn hao sắt từ phụ thuộc vào giá trị từ thông, từ đó nhiều tác giả đề xuất phương pháp điều khiển giảm tổn hao bằng cách tối ưu từ thông (tương đương tối ưu dòng điện i ds ) để giảm tổn hao sắt từ Công suất tổn hao tối thiểu đạt được khi thành phần tổn hao trên trục d bằng với thành phần tổn hao trên trục q [7]

Các mô hình đơn giản hay gần đúng được nhiều tác giả trình bày và cho giá trị công suất tổn hao tương đương hoặc nhỏ hơn mô hình đúng [8] nhưng phương trình tính toán đơn giản hơn: mô hình tổn hao không có cảm kháng rò Rotor [9], mô hình simplified nhánh điện trở từ hóa được nối với nguồn áp độc lập [10], mô hình Simplified

sẽ được trình bày và nghiên cứu trong luận văn này

Ngoài ra các thuật toán hiện đại cũng được nhiều tác giả trong và ngoài nước nghiên cứu áp dụng vào FOC và LMC, trong đó tiêu biểu với các nghiên cứu sau: giải thuật GA được sử dụng vào mục đích nhận biết thời hằng điện của Rotor từ sai số của giá trị hoạt động của dòng điện Stator và giá trị đặt, từ đó giúp điều chỉnh online giá trị vận tốc trượt để tối thiểu tổn hao[ll], ứng dụng mạng Neuron vào mô hình LMC để tìm

ra giá trị từ thông tối ưu từ đó giảm công suất tổn hao, bên cạnh đó tác giả tìm ra công thức thực nghiệm của giá trị điện trở sắt từ theo tần số và từ thông để đưa vào mô hình LMC từ đó làm tăng độ chính xác cho mô hình [12],

Nhìn chung, phương pháp pháp điều khiển tiết kiệm năng lượng dựa trên mô hình tổn hao (LMC) đã được chứng minh bằng lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm cho hiệu quả cao đối với các động cơ không đồng bộ 3 vận hành trong điều kiện non tải (P<0.5Prated) Bên cạnh các ưu điểm, phương pháp này cũng tồn tại một số khuyết điểm mang tính bản chất của mô hình công suất tổn hao Sau đây là ưu, khuyết điểm của phương pháp:

• Vu điểm: điều khiển trực tiếp các giá trị tổn hao từ mô hình LMC cho nên

7

thời gian đáp ứng nhanh (thích hợp cho các phương pháp điều khiển on-line)

• Khuyết điểm: nhạy cảm với các thay đổi giá trị thông số động cơ trong khi

trong thực tế các giá trị thông số này thay đổi theo thời gian và theo điều kiện hoạt động của động cơ, việc tính toán phức tạp khi xét đến các điều kiện nhiệt độ thay đổi hay bảo hòa mạch từ

1.1.2 Phương pháp điều khiển giảm công suất tổn hao dựa trên phương

pháp dò tìm cực tiểu giá trị công suất đầu vào (SC)

Phương pháp Search Control (SC) không điều khiển online động cơ mà chỉ điều khiển trong các khoảng thời gian cố định

Ban đầu, phương pháp này được áp dụng trong điều khiển vô hướng, để giảm công suất đầu vào, các giá trị dòng Stator [13], giá trị điện áp Stator [14], giá trị từ thông

và dòng điện Stator [15] được điều chỉnh sao cho công suất cực tiểu mà vẫn đáp ứng điều kiện hoạt động cho trước của motor

Trong các phương pháp điều khiển vector, phương pháp định hướng trường kết hợp phương pháp Search Control (SC) và các thuật toán hiện đại cũng được nhiều tác giả nghiên cứu tiêu biểu như sau: sử dụng Fuzzy Logic controller để phân tích các dữ liệu đầu vào (công suất, vận tốc và sai số vận tốc) để tìm ra giá trị công suất cực tiểu từ các giá trị i ds và i qs , sau đó các giá trị này được đưa vào bộ bù moment để giảm độ dao động của moment điện từ [16], sử dụng Fuzzy Logic controller ) để tìm ra giá trị công suất cực tiểu và điều khiển trong giai đoạn quá độ lẫn xác lập [17]

Nhìn chung, phương pháp pháp điều khiển tiết kiệm năng lượng dựa trên phương pháp tìm kiếm (SC) cho hiệu quả cao đối với các động cơ không đồng bộ 3 vận hành trong trong cả khi động cơ non tải và đầy tải hay trong quá độ lẫn xác lập Bên cạnh các

ưu điểm, phương pháp này cũng tồn tại một số khuyết điểm Sau đây là ưu, khuyết điểm của phương pháp:

• Vu điểm: Không nhạy cảm với sự thay của thông số motor do ảnh hưởng của

thay đổi nhiệt độ và bão hòa mạch từ Không cần biết rõ các tổn hao của động

cơ

• Khuyết điểm: Do dòng điện qua cuộn dây Stator thay đổi liên tục nên xuất

hiện dao động trên moment điện từ Thời gian để kết quả hội tụ cho giải thuật tìm kiếm lâu nên không thể điều khiển on-line

8

Để kết hợp ưu điểm và loại bỏ các khuyết của 2 phương pháp LMC và sc, phương pháp kết hợp giữa LMC và sc được nhiều tác giả nghiên cứu, kết quả giá trị công suất tổn hao giảm tương đương nhưng các thông số động cơ chỉ cần nhận biết đại khái [18], [19] Ngoài ra có tác giả sử dụng mô hình công suất tổn hao (LMC) để tìm từ thông tối

ưu trong giai đoạn quá độ và phương pháp sc dựa trên Fuzzy Logic Technique trong giai đoạn xác lập để tối ưu công suất tổn hao [20] giúp tối ưu công suất tổn hao trong quá độ lẫn xác lặp

Ngoài các phương pháp kể trên còn có các phương khác để giảm công suất tổn hao (tương đương điều tiển tiết kiệm năng lượng hay tối ưu hiệu suất) IM, chẳng hạn như: giảm tổn hao trên các bộ drive bằng các bộ lọc sóng hài, tối ưu giải thuật đóng cắt,

sử dựng biến tần bậc 3, giảm stray loss.v.v

1.1.3 Các phương pháp điều khiển không dùng cảm biến [21]

Trong những năm gần đây, song song với các nghiên cứu tối ưu hiệu suất động

cơ, việc điều khiển động cơ không dùng cảm biến tốc độ (sensorless) phát triển mạnh

mẽ vì các ưu điểm về kinh tế (giảm giá thành) cũng như kỹ thuật (tối giản kích thướt động cơ)

Ban đầu vận tốc được ước lượng thông qua việc tính toán vận tốc trượt của động

cơ thông qua giá trị điện áp và dòng điện Stator , giá trị vận tốc ước lượng được chỉ sử dụng cho trạng thái xác lập và các trường hợp đáp ứng chậm (low- performance) Do đó phương pháp này chỉ ứng dụng vào điều khiển vô hướng mà chủ yếu là điều khiển v/f

Sau đó để có thể ứng dụng điều khiển sensorless vào các phương pháp điều khiển vector hay đáp ứng nhanh (high-performance) vận tốc được ước lượng từ vận tốc trượt, góc từ thông và từ thông liên kết Phương pháp này còn được gọi là phương pháp ước lượng vòng hở, tuy ước lượng vận tốc nhanh nhưng khá nhạy cảm với thông số động cơ

và trong vùng vận tốc thấp độ chính xác giảm đáng kể

Mô hình ước lượng vòng kín được trình bày đầu tiên vào năm 1989 [22] được gọi là MRAS (Model Reference Adaptive System) ứng dụng định lý trạng thái siêu tĩnh Popov’s kết quả vận tốc ước lượng nhanh hội tụ và đúng với giá trị vận tốc thực tế của Rotor Tuy nhiên khi vận tốc thấp (l-3hz) giá trị vận tốc ước lượng không chính xác do ảnh hưởng của khâu tích phân, hay khi động cơ hoạt động ở tần số gần bằng 0 ở thời gian đủ dài thì việc ước lượng vận tốc sẽ mất đi [23]

9

Để cải thiện độ bền vững cho mô hình ước lượng vòng kín khi thông số động cơ không đúng, các mô hình quan sát được đưa vào: Kalman Filter, Non-linear Observer, Sliding Mode Observer

1.2 PHẠM VI NGHIÊN cứu CỦA LUẬN VĂN

V Nhận xét: theo những phân tích như trên và mục tiêu nghiên cứu mà luận văn

này chủ yếu tập trung vào các vấn đề sau đây:

Xây dựng 2 mô hình IM: mô hình 1 là mô hình trạng thái lý tưởng và mô hình 2

là mô hình có xét tổn hao sắt từ Mô phỏng hoạt động của hai mô hình trong trạng thái nối lưới trực tiếp

Xây dựng mô hình và mô phỏng phương pháp điều khiển định hướng từ thông Rotor gián tiếp, có xét đến động cơ hoạt động trong vùng từ trường yếu

Xây dựng mô hình ước lượng vận tốc vòng kín (MRAS) Mô phỏng phương pháp điều khiển định hướng từ thông Rotor gián tiếp không dùng cảm biến, có xét đến động cơ hoạt động trong vùng từ trường yếu

Xây dựng mô hình công suất tổn hao dạng Simplified, giải bài toán tối ưu công suất tổn hao, từ đó xây dựng giải thuật tìm giá trị từ thông tối ưu Mô phỏng phương pháp điều khiển tiết kiệm năng lượng dựa trên phương pháp định hướng từ thông Rotor gián tiếp có và không dùng cảm biến, có xét đến động cơ hoạt động trong vùng từ trường yếu

10

s Mối quan tâm chính: trong luận văn này tập trung nghiên cứu điều khiển

không dùng cảm biến và tiết kiệm năng lượng cho IM trong điều kiện vận hành non tải, vận tốc hoạt động từ 0.5—>1.2 lần vận tốc định mức

1.3 SẢN PHẨM CỦA LUẬN VĂN

CHƯƠNG 2: XÂY DựNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG cơ KHÔNG

ĐỒNG Bộ (IM) 3 PHA BÀNG PHƯƠNG PHÁP IRFOC

2.1 CÁC PHƯƠNG TRÌNH cơ BẢN CỦA ĐỘNG cơ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA

LÝ TƯỞNG

Đặc tính động của động cơ không đồng bộ 3 pha được mô tả bởi hệ phương trình vi phân Các phương trình cho động cơ khi được xây dựng thường được lý tưởng hóa kết cấu dây quấn và mạch từ với các giả thuyết sau:

• Các dây quấn Stator có thông số như nhau và được bố trí đối xứng trong không gian

• Bỏ qua các tổn hao sắt từ và sự bảo hòa của mạch từ

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

• Các giá trị điện trở và điện kháng xem như không đổi

2.1.1 Phép chuyển trục từ (abc)«-> (aP) [24]

a Phép chuyển trục từ (abc)-> (aP)

Hệ phương trình điện áp trên 3 cuộn dây Stator:

I saơ) +

(2.2)

Hình 2.1: biểu đồ vector phương trình (2.3) tại t=0s

Khái quát hóa phép chuyển trục từ (abc)-> (a|3) như sau:

Pas = Psa pps = ( F sb - Fsc)

b Phép chuyển trục từ (a|3) -> (abc)

(2.5a) (2.5b)

Hệ phương trình điện áp trên 3 dây quấn Stator:

(2.21Í)

(2.22a)

(2.22b)

(2.22c)

15

db) r N-VJ _

2.1.4 Mô hình trạng thái động cơ trên hệ tọa độ <X0

Mô hình hóa động cơ từ hệ phương trình (2.21a), (2.21b), (2.22a)-> (2.22d);

Hình 2.3b: mô hình tương đương IM chiếu trên trục a

Hình 2.3c: mô hình tương đương IM chiếu trên trục p

Từ các phương trình (2.21c),(2.21d) :

Hav " “ _1“_ H- Vo ■ u/r -1“_ "ujvụ>

J dt ƠL S K Ơ T S ơT r J s ơT r Lm r J ơL m r ^r

Chiếu hệ phương trình (2.24a), (2.24b) xuống trục a0:

s Hệ phương trình (2.26) là hệ phương trình vi phân của động cơ không đồng bộ

lý tưởng và được sử dụng Ương mô phỏng

2.1.5 Mô hình trạng thái động cơ trên hệ tọa độ dq tổng quát: [24]

tt = á

(2.31a) Thế phương trình (2.3 lb) vào phương trình (2.27b);

V

_ s

dt

19

ỹ/ = R r ĩ' f

Đặt: A= (ư da - Oì r Khi đó ơì da , A có giá trị tùy thuộc vào hệ quy chiếu dq tổng quát:

• dq tổng quát = dq Rotor (hay a0 Rotor) =^> (ù da = (ù r , A=o

• dq tổng quát = dq Stator (hay a0 Stator) =^> (ù da = 0 , A= - (ù r

• dq tổng quát = dq từ thông (hay dq synchronous)^ (ù da = (ù e , A= (ứ e - úi r =íứ s iip (Giả

sử 3 vector từ thông Stator, Rotor, từ hóa trùng nhau và quay cùng vận tốc đồng

bộ)

HWda-tWr

Hình 2.5a: mô hình tương đương IM trong hệ tọa độ dq tong quát

Hình 2.5b: mô hình tương đương IM chiếu xuống trục d tống quát

20

Hình 2.5c: mô hình tương đương IM chiếu xuống trục q tổng quát

2.1.6 Mô hình trạng thái IM trên hệ quy chiếu dq đồng bộ (ú) da = ú) e ): [24]

Hệ phương trình vi phân IM trên hệ quy chiếu dq đồng bộ:

(2.33Í)

(2.34a)

(2.34b)

21

■*

Hình 2.6c: mô hình tương đương IM chiếu xuống trục q đồng bộ Từ các

phương trình (2.34e), (2.34g) và (2.34c) thế i đr theo ỉp đr , i ds :

—^Ipdr ~ b-m Ids ~ I'r dt ~ Trffiig ìpqr

Hình 2.6a: mô hình tương đương IM trong hệ tọa độ dq đồng bộ

Hình 2.6b: mô hình tương đương IM chiếu xuống trục d đồng bộ

• Mô hình 1: điện trở sắt từ song song với thành phần điện kháng mạch từ (X m )

Trong đó thành phần điện trở sắt từ song song thay đổi và phụ thuộc giá trị điện

áp và tần số nguồn cấp Giá trị của thành phần điện trở sắt từ song song có thể được xác định bằng phương pháp thực nghiệm và chỉ phụ thuộc vào tần số (í) nguồn cấp [26 ], tuy nhiên công thức thực nghiệm này chỉ đúng với với trường hợp động cơ công suất 4kW mà tác giả khảo sát Để có công thức thực nghiệm chung, giá trị điện trở sắt từ song song được xác định từ giá trị điện trở sắt từ định mức (tại tần số, từ thông định mức) và có

công thức như sau: [12]

• Mô hình 2: điện trở sắt từ nối tiếp với thành phần điện kháng mạch từ (X m ) Trong

đó thành phần điện trở sắt từ nối tiếp được biến đổi tương đương từ thành phần điện trở sắt từ song song Do đó mô hình 2 là mô hình tương đương

• Trong luận văn này mô hình 1 được nghiên cứu và mô phỏng (hình 2.7)

Hình 2.7b: mô hình tương đương IM có tổn hao sắt từ chiếu lên trục a

Hỉnh 2.7c: mồ hỉnh tương đương IM cố tồn hao sắt từ chiếu lên trục ft

(2.37a) (2.37b) (2.37c) (2.37d)

Tương tự thế phương trình (2.37b) vào (2.35d);

Thế phương trình (2.38a) vào (2.35e):

(2.37g) (2.37h) (2.37Í)

dt dips

(2.39g) (2.39h)

(2.40a) (2.40b) (2.40c) (2.40d) (2.40e)

(2.40Í) (2.40g)

+ LpPlPs l am 4" P3KIS

26

(2.40h)

27

■S Hệ phương trình (2.40) là hệ phương trình vi phân của động cơ không đồng bộ có tổn hao sắt từ và được sử dụng trong mô phỏng

2.3 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIÊN ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG (FOC) [27]

Trong máy điện AC, moment được tính toán bằng tích có hướng 2 vector: từ thông (Stator, Rotor, từ hóa) và vector dòng điện (Stator, Rotor, từ hóa) Do đó Moment đạt giá trị cực đại khi 2 vector trên vuông góc với nhau Trong lĩnh vực điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha bằng các phương pháp vector hiện tại có 2 trường phái chính: thứ nhất là phương pháp điều chỉnh từ thông (FOC), thứ hai là phương pháp điều khiển trực tiếp moment (DTC) Thời gian gần đây xuất hiện nhiều đề tài nghiên cứu về phương pháp điều khiển vector dựa trên kỹ thuật Sliding Mode

Trong hệ quy chiếu quay dq, vai trò của 2 thành phần dòng điện I sd , I sq có thể được xác định riêng biệt: I sd điều khiển giá trị từ thông, I sq điều khiển giá trị Moment

Trong phương pháp định hướng trường (FOC), được chia thành 3 phương pháp : (1) Phương pháp định hướng từ thông Stator (SFOC), (2) Phương pháp định hướng từ thông Rotor (RFOC) Cả 2 phương pháp (FOC) trên đều cần có giá trị từ thông (biên

độ, góc) hồi tiếp điều khiển Giá trị này có thể thu được bằng nhiều cách: (i) đo trực tiếp (cảm biến Hall, cuộn dây cảm nhận từ thông ), (ii) ước lượng từ các giá trị (biên độ, góc) của các thông số điện áp, dòng điện trên cuộn dây Stator và vận tốc góc của động

cơ, (iii) biên độ từ thông được ước lượng giống như (ii) nhưng góc từ thông ước lượng vận tốc trượt ừ) sỉip Phương pháp (i), (ii) được gọi là phương pháp điều khiển trực tiếp từ thông, phương pháp (iii) được gọi là phương pháp điều khiển gián tiếp từ thông

2.3.1 Các phương pháp ước lượng từ thông: [27 ]

a Ước lượng từ thông từ dòng, áp hồi tiếp:

Theo phương trình điện áp phía Stator:

ữs = R ĩ ị + —

s s s dt

28

Phương pháp ước lượng này cho kết quả tốt ở tốc độ thấp, tuy nhiên ở vùng tốc độ cao thì kết quả độ chính xác của cảm biến vận tốc

c Ước lượng từ thông từ dòng, áp và vận tốc hồi tiếp:

Phương pháp này sử dụng kết hợp cả hai mô hình ước lượng trên và hoạt động dựa trên nguyên lý sau: trong vùng vận tốc thấp thì sử dụng mô hình ước lượng từ thông từ dòng, vận tốc hồi tiếp, trong vùng vận tốc cao thì sử dụng mô hình ước lượng từ thông từ dòng,

áp hồi tiếp Phương pháp này cho tốt cả trong vùng vận tốc thấp và vận tốc cao Tuy nhiên tại nơi chuyển tiếp giữa vùng vận tốc thấp và vận tốc cao thì độ chính xác của mô hình này kém hơn so với 2 mô hình trước đó

■■■

(2.42a) (2.42b) (2.42c) Phương pháp ước lượng này cho kết quả tốt ở tốc độ cao, nhưng ở tốc độ thấp có độ chính xác thấp

b Ước lượng từ thông từ dòng và vận tốc hồi tiếp:

Theo phương trình 2.24a:

(2.43) (2.44a) (2.44b)

29

k^Par ^Par_cm)^-p Kj j (ipar *Par_cm) dtJ dt + ỉỊj arvm (2.4Sà) (jper-fy

r_cm )Kp — Kj

r_cm ) dt} dt + ự>írrm (2.45b) (2-45c) Ar/

2.3.2 ước lượng vận tốc: [21]

Trong những năm trở lại đây, các nhà khoa học tập trung nghiên cứu không ngừng nghỉ về đề tài điều khiển IM không dùng cảm biến vì những ưu điểm vượt trội của phương pháp điều khiển này (như đã trình bày trong chương 1) Nhìn chung các nghiên cứu tập trung vào các phương pháp điều khiển v/f và điều khiển vector Phương pháp điều khiển từ thông không đổi không cảm biến vận tốc (V/f sensorless) cho đáp ứng chậm, sai số lớn (3-5%) nhưng lại bền vững cao, chi phí rẻ và thích hợp với điều khiển động cơ công suất nhỏ và các phụ tải riêng biệt (quạt gió, bơm) Trong khi đó, các phương pháp điều khiển vector sonsorless cho đáp ứng nhanh, chính xác cao (sai số

<0.5%), các bộ điều khiển vòng hở nhạy cảm với các thông số động cơ, các bộ vòng kín bền vững với các thay đổi của thông số động cơ Tuy nhiên trong vùng vận tốc điều khiển úì e ~ 0, mô hình không ước lượng được vận tốc, do đó phải sử dụng bộ lọc tần số thấp với T=T r (thời hằng Rotor) Bên cạnh đó, khi vận tốc điều khiển bằng không trong thời gian đủ lớn thì bộ điều khiển sẽ báo lỗi

Trong luận văn này, tập trung nghiên cứu điều khiển vector sensorless, trong đó chủ yếu

là mô hình điều khiển vòng hở và mô hình điều khiển vòng kín Trong mô hình

J Mô hình 1 : vận tốc được tính từ từ thông liên kết ỉp r , mà ỉp r được ước lượng từ

ti s , và được ước lượng từ các giá trị dòng và áp Stator hồi t

LÚC này các giá trị: ỉp ar , ĩị)p r được tính theo công thức (2.47)

Thế các phương trình (2.47), (2.49), (2.50) vào phương trình (2.48) ) chúng ta được phương trình ước lượng từ vận tốc vòng hở của mô hình 2

Hình 2.10: mô hình ước lượng vận tốc vòng hở (mô hình 2)

Nhận xét: Phương pháp ước lượng vận tốc vòng hở ở trên có độ chính xác khá

cao nhưng lại phụ thuộc vào thông số động cơ, trong đó quan trọng nhất là các

thông số sau: R s , L s , L' s , T r Đặt biệt trong vùng vận tốc thấp độ chính xác của

vận tốc ước lượng phụ thuộc rất lớn vào điện trở Stator R s

b Ước lượng vận tốc vòng kín

Mô hình tham chiếu thích nghỉ (MRAS):

(2.49) (2.50)