BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN THANH TUẤN

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP TIẾT KIỆM
ĐIỆN NĂNG TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG
ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA
S

K

C

0

0

3

9

5

9

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

S KC 0 0 4 2 5 0


NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN
Hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2014


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: Nguyễn Thanh Tuấn
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 26 – 03 – 1976
Nơi sinh:Mỹ Tho, Tiền Giang
Quê quán: Đồng Tháp
Dân tộc: Kinh
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Ấp Đồng, Bình Đức, Trung An,Tiền Giang
Điện thoại cơ quan: (073) 3.851588
Điện thoại nhà riêng:
Fax:
E-mail: [email protected]
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học phổ thông:
Hệ đào tạo: chính quy
Thời gian đào tạo từ 9/1994 đến 4/1997
Nơi học (trường, thành phố): Trường THPT Nguyễn Đình Chiểu, Mỹ Tho,
Tiền Giang .
2. Đại học:
Hệ đào tạo: chính quy
Thời gian đào tạo từ 09/1997 đến 3/2003.
Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM.


Tp. Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 02 năm 2014

Nguyễn Thanh Tuấn

ii


LỜI CẢM TẠ
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và tốt đẹp nhất đến:
Thầy Lê Minh Phương, người đã tận tâm, nhiệt tình hướng dẫn và cung cấp
tài liệu cho em trong suốt thời gian làm luận văn.
Quý Thầy Cô khoa Điện – Điện tử đã tận tình chỉ bảo và truyền thụ cho em
những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian 2 năm theo học tại
Trường.
Cuối cùng xin chân thành cảm ơn Cha, Mẹ và các anh chị học viên đã ủng hộ
em hoàn thành luận văn này.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 02 năm 2014

Nguyễn Thanh Tuấn

iii


MỞ ĐẦU
Động cơ không đồng bộ (KĐB) là thiết bị biến đổi cơ năng thành điện năng để phục
vụ các mục đích của con người, động cơ không đồng bộ (KĐB) ngày càng được sử
dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và dân dụng. Nó ngày càng có ưu thế
hơn so với các loại động cơ khác (động cơ đồng bộ, động cơ một chiều ….) do:


v


MỤC LỤC
TRANG
Trang tựa
Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân ............................................................................................................ i
Lời cam đoan .............................................................................................................. ii
Cảm 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
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .................................................................................... 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 Các bước tiến hành ................................................................................................ 3
1.7 Điểm mới của đề tài .............................................................................................. 3
1.8 Giá trị thực tiễn của luận văn ................................................................................ 3
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................ 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
CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 12

4.2.1.1. Các phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor ............................. 42
4.2.1.2. Chuyển đổi giữa các hệ tọa độ .................................................................... 44
4.2.1.3. Ước lượng từ thông và moment .................................................................. 44
4.2.1.4. Mô hình khối điều khiển động cơ bằng phương pháp FOC: ...................... 45
4.2.2 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

vii


4.2.2.2 Mô hình điều khiển động cơ bằng phương pháp LMA+ FOC ..................... 52
4.3 Khảo sát đặc tính năng lượng động cơ không đồng bộ 3 pha ............................. 52
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
CHƯƠNG 5 : CÁC GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU .............................. 60
5.1 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor Field Orientated Control (FOC).
.................................................................................................................................. 60
5.2 Các giải thuật điều khiển tối ưu công suất động cơ không đồng bộ 3 pha ......... 63
5.2.1 Giải thuât 1 ....................................................................................................... 65
5.2.2 Giải thuật 2 ....................................................................................................... 74
5.2.3 Giải thuật 3 ....................................................................................................... 83
CHƯƠNG 6 : ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ CỦA CÁC GIẢI THUẬT .. 93
6.1 So sánh giải thuật 1 với FOC .............................................................................. 96
6.2 So sánh giải thuật 2 với FOC .............................................................................. 98
6.3 So sánh giải thuật 3 với FOC ............................................................................ 100
6.4 Ứng dụng cho tải bơm....................................................................................... 102
6.5 Nhận xét và kết luận ......................................................................................... 103
CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .......... 104
7.1 Kết luận ............................................................................................................. 104

is .......................................................................................................dòng điện stator
ids ..............................................................................................điện áp stator trục d
iqs ..............................................................................................điện áp stator trục q
ir ........................................................................................................ dòng điện rotor
idr ................................................................................................ điện áp rotor trục d
iqr ............................................................................................... điện áp rotor trục q
wa ............................................................................................................ tốc độ gốc
 ................................................................................................ từ thông móc vòng

 m ................................................................................... từ thông khe hở không khí

ix


 r ....................................................................................................... từ thông rotor
 s ...................................................................................................... từ thông stator

 dm ............................................................................................... từ thông định mức
 dr ............................................................................................ từ thông rotor trục d

 qr ............................................................................................ từ thông rotor trục q

  r ............................................................................................ từ thông rotor trục α
  r ............................................................................................ từ thông rotor trục β
 ds ........................................................................................... từ thông stator trục d
 qs ........................................................................................... từ thông stator trục q

  s ........................................................................................... từ thông stator trục α
  s ........................................................................................... từ thông stator trục β


s ........................................................................................... tốc độ từ thông stator

Pcu,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
Pfe............................................................................................................. tổn hao sắt
Pe .................................................................................... tổn hao do dòng điện xoáy
Ph .................................................................................................. Tổn hao do từ trể
γ ....................................................................... Hệ số phụ thuộc vào vật liệu từ hóa
Kh ........................... Hệ số từ trể phụ thuộc vào vật liệu và hình dáng của động cơ.
Ke .......... Hệ số dòng điện xoáy phụ thuộc vào vật liệu và hình dáng của động cơ.
Pcore,s ..................................................................................... tổn hao sắt trong stator
Pcore,r ...................................................................................... tổn hao sắt trong rotor
Pcore .................................................................................................. tổng tổn hao sắt
s ................................................................................................................... Độ trượt
ms ............................................................................................ Khối lượng sắt stator
mr ............................................................................................. Khối lượng sắt rotor
................................................................ Tổn hao tổng do ma sát và quạt gió
................................................................................................ Hệ số ma sát khô
.......................................................................................... Hằng số quạt gió

xi


η ........................................................... Hiệu suất của động cơ điện không đồng bộ
Ploss,rect............................................................ Tổn hao truyền dẫn của bộ chỉnh lưu
.....................................................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)


;

........................... 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 tần
R’r ....................................................................................Điện trở quy đổi của rotor
L’s .............................................................................. điện kháng quy đổi của stator

xii


L’m ...................................................................................điện kháng từ hóa quy đổi
Pcu,s ......................................................................................... là tổn hao đồng 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

xiii


DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 4.3: Đặc tuyến làm việc của diodes và IGBT ............................................. 38
Hình 4.4: : Tổn hao do đóng ngắt của diodes và IGBT . ................................... 39
Hình 4.5: Tổn hao tổng trong bộ Inverter dựa trên qúa trình đóng ngắt ......... 40
Hình 4.6: Sơ đồ điều khiển trực tiếp từ thông rotor ............................................ 43
Hình 4.7: Sơ đồ điều khiển gián tiếp từ thông rotor ........................................... 44
Hình 4.8: Sơ đồ khối cơ bản của phương pháp FOC .......................................... 46
Hình 4.9: Giản đồ vector mạch tương động cơ................................................... 47
Hình 4.10: Sơ 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: Sơ đồ điều khiển gián tiếp từ thông rotor. .......................................... 62
Hình 5.3: Lưu 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 6.3: Tổn hao công suất và hiệu suất của các giải thuật khi tải thay đổi và tốc
độ là 1395v/p ........................................................................................................ 95

xvi


Hình 6.4 : Hiệu quả kinh tế tính theo công thức (6.1) ........................................ 96
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

xvii




TỔNG QUAN
1.1 Đặt vấn đề
Tiết kiệm năng lượng nói chung và tiết kiệm điện năng nói riêng đang là mối
quan tâm đặc biệt của xã 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. Các động cơ này
thường không được trang bị thiết bị điều khiển nên rất lãng 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 Lịch sử phát triển về tiết kiệm điện năng cho động cơ (KĐB) 3 pha
Ý tưởng nghiên cứu các giải thuật giảm tổn hao công suất đã xuất hiện từ những
năm 1983 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 1996-2000 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 đã 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 . Các mô
hình tổn hao này được xây dựng dựa trên thông số của động cơ, như điện trở,


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

2


Luận văn thạc sĩ

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. Cần phải có các giải thuật
điều khiển tối ưu tìm từ thông hay dòng điện từ hóa để giảm thiểu các tổn hao
này.
1.6 Các bƣớc tiến hành
-

Xây dụng mối quan hệ giữa các thông số trong mô hình động cơ (KĐB) 3

pha.
-

Tìm hiểu các phương pháp để tối ưu sao cho có thể tiết kiệm điện năng trong

truyền tải động cơ (KĐB) 3 pha .
-


-

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 FOC.

4