CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Nguyễn Thanh Phƣơng
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP. HCM
ngày 28 tháng 09 năm 2013
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. Chủ tịch : TS. Ngô Cao Cường
2. Phản biện 1: TS. Nguyễn Hùng
3. Phản biện 2: TS. Võ Hoàng Duy
4. Uỷ viên : TS. Huỳnh Châu Duy
5. Uỷ viên,thƣ ký : TS. Huỳnh Quang Minh
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn sau khi luận văn đã được
sửa chữa (nếu có): ………………………………………………………………………
……………………………………
Chủ tịch hội đồng đánh giá LV TS. Ngô Cao Cƣờng
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã
được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn
(Ký và ghi rõ họ tên) Ngô Đình Khôi
TÓM TẮT
Luận văn trình bày về phương pháp điều khiển giảm tổn thất của động cơ
không đồng bộ 3 pha. Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu về phương thức điều
khiển động cơ sao cho giảm tối thiểu tổn thất sắt từ cho động cơ không đồng bộ ba
pha.
Tìm hiểu tổng quan về các phụ tải điện thông dụng thuộc nhóm HVAC ( Heating,
Ventilation and Air-Condition ) và chứng minh được khả năng tiết kiệm năng lượng
bằng cách điều khiển tốc độ.
Trình bày vấn đề về tổn hao và các phương pháp điều khiển tiết kiệm năng
lượng của động cơ không bộ là kết quả tổng hợp các nghiên cứu khác nhau trên thế
giới để đưa ra cái nhìn tổng quan toàn diện về lĩnh vực nghiên cứu.
Xây dựng giải thuật điều khiển tiết kiệm năng lượng mà đối tượng chính là
động cơ không đồng bộ. Dựa trên nền tảng cơ bản của phương điều khiển định
hướng trường rotor gián tiếp (Indirect Field Oriented Control ) kết hợp với việc tìm
ra giá trị từ thông rotor tối ưu mục đích để giảm các tổn hao trong động cơ tiết kiệm
được năng lượng
Thực hiện mô phỏng giải thuật tiết kiệm năng lượng trên phần mềm Matlab.
Nhận xét các thành phần chính của động cơ như: điện áp, dòng điện, tốc độ,
mômen, từ thông và công suất tiêu thụ . So sánh các kết quả khi sử dụng giải thuật
từ thông rotor tối ưu với từ thông rotor tham chiếu để tính được lượng năng lượng
tiết kiệm được. Và thực hiện mô phỏng lần lượt với từ thông tham chiếu, tốc độ đặt,
mômen tải khác nhau để thấy được khả năng tiết kiệm là khác nhau.
Lời cam đoan…… .i
Lời cảm ơn .ii
Tóm tắt……. iii
Abstract .iv
Mục lục ……………………………………………………………………………v
Danh mục các từ viết tắt………………………………………………………… viii
Danh mục các bảng……………………………………………………………… ix
Danh mục biểu đồ hình ảnh……………………………………………………… x
Chƣơng 1: Tổng quan 1
1.1 Giới thiệu tổng quan 1
1.2 Mục đích nghiên cứu 2
1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài 2
1.4 Phương pháp nghiên cứu 3
1.5 Giá trị thực tiễn của đề tài 3
1.6 Bố cục của luận văn 3
Chƣơng 2: Tổng quan về phụ tải điện năng và khả năng tiết kiệm năng
lƣợng 5
2.1 Thống kê về sử dụng các động cơ cảm ứng 5
2.2 Điều khiển hiệu quả năng lượng của các ứng dụng HVAC 8
2.3 Tiết kiệm năng lượng trong các ứng dụng HVAC bằng cách điều khiển biến
tốc 10
2.4 Các ứng dụng với khả năng tiết kiệm năng lượng bằng điều khiển tốc độ 13
Chƣơng 3: Vấn đề tổn hao và các phƣơng pháp điều khiển tối ƣu năng lƣợng
trong DCKĐB 15
3.1 Tổn thất trong động cơ không đồng bộ thay đổi được tốc độ 15
lượng 50
5.1.1 Xây dựng thuật toán 50
5.1.2 Kết luận 55
5.2 Mô phỏng hệ thống điều khiển động cơ điện ở chế độ tiết kiệm năng lượng 55
5.1.2 Xây dựng và mô phỏng khối điều chế từ thông tối ưu 55
5.2.2 Xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển tiết kiệm năng lương 61
5.3 Kết quả 66
5.3.1 Xác định từ thông rotor tối ưu (TTRTU) 66
5.3.2 Kết quả mô phỏng 67
5.3.3 So sánh kết quả từ thông rotor tối ưu (TTRTU) với từ thông rotor tham
chiếu định mức (TTRTTCĐM) 69
5.3.3.1 Điện áp 69
5.3.3.2 Dòng điện 69
5.3.3.3 Tốc độ 70
5.3.3.4 Momen 70
5.3.3.5 Từ thông 71
5.3.3.6 Công suất tiêu thụ (CSTT) 71
5.3.4 Xét các đồ thị công suất tiêu thụ khi động cơ hoạt động ở các chế độ
TTRTTC khác nhau 72
5.3.5 Xét các đồ thị công suất tiêu thụ khi động cơ hoạt động ở các tốc độ đặt khác
nhau 74
5.3.6 Xét các đồ thị công suất tiêu thụ khi động cơ hoạt động ở các momen đặt
khác nhau 76
5.4 Kết luận 78
Chƣơng 6: Kết luận .79
6.1 Kết luận ……….…………………………………………………….…… 79
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Khả năng tiết kiệm năng lượng bằng điều khiển tốc độ cho 4 ứng dụng
HVAC……………………………………………………….…………………… 14
Bảng 3.1. Các hoạt động có thể được thực hiện để làm giảm tổn hao …………….17
Bảng 3.2. Hiệu quả của các bộ truyền động lái motor…………………………… 20
Bảng 3.3: Ước lượng của các phương pháp điều khiển tối ưu năng lượng cho bộ lái
động cơ không đồng bộ………………………………………………… 41
Bảng 5.1: Thông số động cơ tiêu chuẩn ………………………………………… 56
Bảng 5.2: Thông số của động cơ đang xét như sau:…………… ……………… 56
Bảng 5.3. Thông số động cơ dùng trong sơ đồ mô phỏng…………………………64
DANH MỤC BIỂU ĐỒ, HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Sự tiêu thụ điện năng được chia theo các ứng dụng ở Đan mạch từ năm
1988 –1992……………………… ………………………………………… ….6
Hình 2.2: Tiêu thụ năng lượng ở động cơ cảm ứng trong các ứng dụng thông gó,
bơm, nén khí và lạnh ttrong 1 năm ở Đan Mạch ( ngoài dân dụng )…………… 7
Hình 2.3: Tổn thất năng lượng của động cơ cảm ứng ttrong các ứng dụng HVAC (
không thuộc dân dụng ) ở Đan Mạch trong 1 năm………………………….………8
Hình 2.4: Điều khiển cơ khí cho máy bơm không có đầu…………………………11
Hình 2.5: Điều khiển cơ khí cho máy bơm có đầu ……… …………………… 11
Hình 2.6: Điều khiển biến tốc cho máy bơm không có đầu .…………………… 12
Hình 2.7: Điều khiển biến tốc cho máy bơm có đầu ……………….…………….12
Hình 2.8: Phân bố công suất tương đối của các hệ thống bơm từ hình 2.4 đến 2.7.13
Hình 3.1: Xem xét dòng công suất chảy qua động cơ…… ………………………15
Hình 3.2: Bộ chuyển đổi nguồn áp được điều chế độ rộng xung với diod chỉnh lưu
được sử dụng phổ biến trong các bộ điều khiển tiêu chuẩn …………………… 16
Hình 3.3: Dòng hiệu dụng khi được nối trực tiếp với lưới điện và khi được nối
thông qua một bộ converter ………………………………………………………22
Hình 3.4: Đường cong hiệu suất ở tốc độ định mức với từ thông khe hở không khí
không đổi và với hiệu suất được tối ưu của một động cơ 2.2KW…………….….24
Hình 3.5: Động cơ không đồng bộ được điều khiển bằng một bộ converter VVFF (
khởi động mềm )……………….…………………………………………… 26
Hình 3.6: Bộ PWM-VSI với diod chỉnh lưu trong phần lớn các ASD ( bộ lái được
điều khiển tốc độ ) ngày nay……………………………………………………27
Hình 3.7: Sơ đồ khối điều khiển cho việc tối ưu hiệu suất của một bộ lái động cơ 28
Hình 3.8: Ví dụ về bộ điều khiển cos (
) trong một bộ lái vô hướng…. ……… 30
Hình 3.9. Ví dụ về điều khiển tần số trượt tối ưu mà giá ttri5 tham khảo được đặt
trong bảng tra ………………………………………… 31
, P của động cơ …………………67
Hình 5.8 : Đồ thị điện áp dây Vab của TTRTU và TTRTCĐM …………… 69
Hình 5.9 : Đồ thị dòng điện xoay chiều 3 pha ngõ ra bộ nghịch lưu của TTRTU và
TTRTCĐM……………………………………………………………………… 69
Hình 5.10: Đồ thị tốc độ của động cơ của TTRTU và TTRTCĐM …………….70
Hình 5.11: Đồ thị mômen của động cơ của TTRTU và TTRTCĐM …………… 70
Hình 5.12. Đồ thị TTRTU và TTRTCĐM của động cơ ………………………… 71
Hình 5.13. Đồ thị CSTT của TTRTU và TTRTCĐM…………………………… 71
Hình 5.14. Đồ thị hiệu CSTT của TTRTU và TTRTCĐM ……………………… 72
Hình 5.15. Đồ thị CSTT của TTRTU và TTRTCĐM với
0.8(W )
r
b
………… 73
Hình 5.16. Đồ thị CSTT của TTRTU và TTRTCĐM với
0.7(W )
r
b
………… 73
Hình 5.17. Đồ thị CSTT của TTRTU và TTRTCĐM với
0.6(W )
……….… 77
Hình 5.22. Đồ thị CSTT của TTRTU và TTRTCĐM với
T 150 .
m
Nm
………… 77
Hình 5.23. Đồ thị CSTT của TTRTU và TTRTCĐM với
T 190 .
m
Nm
………… 78
tổn hao cho động cơ không đồng bộ đem lại hiệu quả cao. Với sự phổ biến được sử
dụng rộng rãi của động cơ không đồng bộ, kết hợp với tính năng tiết kiệm điện năng
2
hứa hẹn sẽ làm nên bước phát triển mới trong lĩnh vực tiết kiệm năng lượng bảo vệ
môi trường, đem lại hiệu quả kinh tế cao cho các ngành công nghiệp.
Chính vì vậy, đề tài “ Điều khiển động cơ không đồng bộ ở chế độ tiết kiệm
năng lượng “ với mục đích cực tiểu hóa tổn thất công suất trong cơ đồng nghĩa với
việc tiết kiệm được năng lượng với hy vọng là sẽ đáp ứng được những vấn đề cấp
thiết của thời đại
1.2 Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu và ứng dụng các phương pháp điều khiển tối ưu theo hướng tiết
kiệm năng lượng ứng dụng trong điều khiển động cơ không đồng bộ. Đề tài tập
trung giải quyết vấn đề giảm tổn thất năng lượng trong các thiết bị điện trong đó
động cơ không đồng bộ là đối tượng được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và
dân dụng.
1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài
1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài
1. Nghiên cứu đối tượng là các động cơ điện hoạt động ở các chế độ tiết
kiệm năng lượng
2. Đề xuất phương pháp thiết kế bộ điều khiển động cơ điện ở chế độ tiết
kiệm năng lượng
3. Thiết kế giải thuật điều khiển động cơ điện ở chế độ tiết kiệm năng lượng
4. Xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm bộ điều khiển động cơ điện ở
1. Ứng dụng xây dựng mô hình vật lý và khảo sát hoạt động của bộ điều khiển
2. Ứng dụng thiết kế chi tiết thiết bị điều khiển động cơ điện ở chế độ tiết kiệm
năng lượng
3. Tài liệu và kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để phục vụ các nghiên
cứu ở mức độ cao hơn.
1.6 Bố cục của luận văn
Chƣơng 1: Tổng quan
Chƣơng 2: Tổng quan phụ tải điện và khả năng tiết kiệm năng lượng 4
Chƣơng 3: Vấn đề về tổn hao và các phương pháp điều khiển tối ưu năng
lượng trong ĐCKĐB .
Chƣơng 4: Phương pháp điều khiển định hướng trường và hướng nghiên cứu
Chƣơng 5: Phương pháp thiết kế, mô phỏng và kết quả của hệ thống điều
khiển động cơ điện ở chế độ tiết kiệm năng lượng
Chƣơng 6: Kết luận
năng lượng trong khoảng thời gian 1988-1992 trong 1200 trường hợp. 1200 trường
hợp này chiếm tổng năng lượng tiêu thụ là 900GWh, tương đương 750MWh/trường
hợp.
Tất nhiên, có thể bàn đến việc tập dữ liệu có đủ lớn để cho một kết quả đáng tin
cậy hay không, nhưng điều đó còn xa so với mục tiêu của đề tài này. Chúng ta chỉ
cần lưu ý rằng khi phân tích dữ liệu có những yếu tố ngẫu nhiên trong dữ liệu. Tuy
nhiên, có thể dự đoán rằng có khả năng rút ra những kết luận chung từ các dữ liệu.
Các khảo sát về sự sử dụng các động cơ cảm ứng cũng đã được thực hiện ở các
quốc gia khác, hẳng hạn ở Mỹ và Thụy Điển, nhưng chúng không được đề cập ở
đây.
6
Hình 2.1 Sự tiêu thụ điện năng được chia theo các ứng dụng ở Đan Mạch từ năm
1988-1992
Hình 2.1 minh họa sự tiêu thụ điện năng được chia theo các ứng dụng ơ Đan
Mạch. Biết rằng các động cơ điện được dùng cho cả các loại quạt, máy nén khí,
máy bơm, tủ lạnh lẫn cho sản xuất, biểu đồ tròn ở trên cho thấy khoảng 55.6% năng
lượng điện tiêu thụ bởi các động cơ điện, và 35.8% tổng điện năng được dùng trong
các ứng dụng HVAC, gồm các bộ thông gió, bộ nén khí, các máy bơm và các tủ
lạnh.
Không phải tất cả các động cơ điện đều là hoạt động cơ cảm ứng. Một lượng
nhỏ năng lượng được tiêu thụ bởi các loại động cơ khác, bao gồm các động cơ đồng
bộ, các động cơ DC và các động cơ bước. Dựa trên số liệu bán động cơ tại Mỹ năm
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
8
máy bơm không quan trọng ở tầm công suất , nhưng trở nên đáng lưu tâm ở tầm
công suất trung bình.
Sự sử dụng năng lưởng bên ngoài Đan Mạch chưa được khảo sát. Đề án SAVE
của EU mang tên “Cái nhìn xuyên suốt về các động cư và bộ lái sử dụng năng
lượng hiệu quả” khảo sát sự sử dụng năng lượng trong các ứng dụng HVAC ở Châu
Âu, và kết quả được công bố trong năm 2000. Có lẽ sự chia sẻ các bộ điều khiển
công suất trung bình và cao quan trọng hơn Châu Âu nói chung so với chỉ ở Đan
Mạch.
Hình 2.3 tổn thất năng lượng của động cơ cảm ứng trong các ứng dụng
HVAC (không thuộc dân dụng) ở Đan Mạch trong 1 năm.
2.2 Điều khiển hiệu quả năng lƣợng của các ứng dụng HVAC
Các nhiệm vụ tiêu biểu trong việc lắp đặt HVAC là điều khiển áp suất, lưu
lượng, nhiệt độ và mức chất lỏng, và việc lựa chọn phương pháp điều khiển nào
được xác định bởi một số yếu tố, bao gồm chất lượng điều khiển, chi phí lắp đặt và
hiệu suất năng lượng. Một sự so sánh nhỏ giữa các phương pháp điều khiển được
trình bày ngay sau đây.
- Điều khiển tôc độ thay đổi: Động cơ được nuôi bởi một bộ chuyển đổi công
suất điện tử chỉ tiêu thụ năng lượng đủ dùng cho quá trình. Kết quả của quá trình
được điều khiển chỉ bằng cách thay đổi tốc độ. Dù chi phí lắp đặt cao. Điều khiển
biến tốc có thể được chọn vì chất lượng điều khiển, khả năng tiết kiệm năng lượng
và giảm nhiễu âm chẳng hạn từ các quạt.
Từ sự so sánh đơn giản giản giữa các chiến lược điều khiển ứng dụng HVAC, có
thể kết luận trên quan điểm tiết kiệm năng lượng rằng phương pháp điều khiển cơ
10
khí không thể được chấp nhận vì mất mát năng lượng quá lớn trong trường hợp
giảm tải. Sự lựa chọn giữa các phương pháp on/off, stepwise và phương pháp biến
tốc phụ thuộc vào mức tải và chất lượng điều khiểnyêu cầu. Các hệ thống cần sản
xuất lượng nhỏ trong thời gian dài thì thích hợp với các phương pháp stepwisư và
phương pháp biến tốc. Ngược lại, khi lượng tải yêu cầu cao và chất lượng điều
khiển on/off có thể chấp nhận được, phương pháp on/off được ưu tiên hơn vì chi phí
lắp đặt rẻ. Có thể tiết kiệm một lượng lớn năng lượng trong các ứng dụng HVAC
nếu cac skỹ thuật tốt đước áp dụng trong qua trình thiết kế toàn hệ thống, và trong
nhiều trường hợp các phương pháp điều khiển on/off và điểu khiển từng bước cung
cấp giải pháp tốt nhất. Tuy nhiên, không nghi ngờ gì nữa, trong các hệ thống yêu
cầu chất lượng điều khiển tốt, phương pháp điều khiển biến tốc trở thành giải pháp
thay thế duy nhất có hiệu quả về năng lượng cho phương pháp điều khiển cơ khí.
Nói chung, nên chú ý rằng khi thiết kế hệ thống, ta phải xem xét yếu tố chi phí
vòng đời (LCC – Life Cycle Costs). Nó bao gồm tất cả các chi phí liên quan đến hệ
thốn cài đặt trong suốt thời gian sống, cụ thể là thu mua, bảo trì, sửa chữa, phí năng
từ A đến B bằng cách dùng van để thêm và sự cản trở trong ống để đặc tuyến hệ
thống thay đổi từ SC
1
đến SC
2
. Trong hình 2.6 và 2.7, đặc tính hệ thống không
đổi, nhưng sự thay đổi tốc độ làm cho đặc tuyến máy bơm thay đổi tư PC
1
sang
PC
2
, do đó làm giảm lưu lượng từ A đến B.
Copyright: Tài liệu đại học ©