Điều khiển tối ưu năng lượng động cơ không đồng ba pha

TỔNG QUAN

Giới thiệu tổng quan

Động cơ điện và hệ thống truyền động động cơ điện (EDMS) tiêu thụ một lượng lớn năng lượng điện, gấp đôi so với các ứng dụng chiếu sáng Chúng chiếm khoảng 43% - 46% tổng điện năng tiêu thụ toàn cầu, góp phần vào sự gia tăng tiêu thụ năng lượng.

Đến năm 2030, nếu không có các biện pháp chính sách sử dụng năng lượng toàn diện và hiệu quả, lượng tiêu thụ năng lượng từ động cơ điện có thể tăng lên 13.360 TWh mỗi năm, dẫn đến phát thải CO2 lên tới 8.570 Mt Hiện tại, khách hàng đang chi tiêu khoảng 565 tỷ USD mỗi năm cho điện năng trong hệ thống EDMS, và con số này có thể tăng gần 900 tỷ USD vào năm 2030.

Việc áp dụng các phương pháp cải tiến trong điều khiển động cơ điện có thể giảm đáng kể nhu cầu năng lượng toàn cầu Tất cả các lĩnh vực đều có thể hưởng lợi từ việc tối ưu hóa tiêu thụ điện năng, góp phần giảm thiểu lượng điện năng tiêu thụ.

Việc tiết kiệm năng lượng từ mỗi động cơ không đồng bộ, dù chỉ một vài phần trăm, có thể tạo ra tổng sản lượng điện tiết kiệm lớn và có ý nghĩa quan trọng Trong bối cảnh hiện nay, tình trạng thiếu năng lượng đang trở thành vấn đề nghiêm trọng cho nhiều quốc gia, khi mà nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường Hơn nữa, các sự cố tại các nhà máy điện hạt nhân đã gây ra những rủi ro lớn đối với sức khỏe con người.

Vấn đề tiết kiệm năng lượng đang trở nên ngày càng quan trọng, dẫn đến sự chú ý đặc biệt đến các giải pháp hiệu quả Đề tài “Điều khiển tối ưu năng lượng động cơ không đồng bộ ba pha” ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu này và thúc đẩy việc sử dụng năng lượng một cách bền vững.

Tổng quan các giải pháp tiết kiệm điện năng cho động cơ KĐB 3 pha

Gần đây, nhờ vào khả năng tính toán nhanh của vi điều khiển, các nhà nghiên cứu đã áp dụng các giải thuật điều khiển mô hình tổn hao cho động cơ Nghiên cứu về điều khiển động cơ không đồng bộ đã xem xét tiềm năng tiết kiệm năng lượng, như trong bài viết “Điều khiển trực tuyến giảm tốn hao trong Động cơ cảm ứng trên cơ sở DSP TMS320LF2812” của Lê Minh Phương và cộng sự, đăng trên tạp chí phát triển KH&CN năm 2013, cùng với nghiên cứu của Nguyễn Thanh Tuấn về các phương pháp tiết kiệm điện năng trong hệ truyền động động cơ KĐB 3 pha vào năm 2014 Phương pháp hiệu chỉnh trực tiếp từ thông tối ưu yêu cầu các thông số thực nghiệm của động cơ phải chính xác.

Công trình “Điều khiển động cơ KĐB ba pha ở chế độ tiết kiệm năng lượng” của tác giả Lê Việt Sô tại trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM năm 2012, phát triển một thuật toán điều khiển tối ưu nhằm tối thiểu hóa các tổn hao trong động cơ dựa trên các thông số thực nghiệm Để đạt được chất lượng điều khiển và hiệu suất cao, việc ước lượng chính xác mô men và từ thông tối ưu ở mọi chế độ hoạt động của động cơ là rất cần thiết.

Mục tiêu và nhiệm vụ

Nghiên cứu phát triển giải thuật và mô hình điều khiển tiết kiệm điện năng cho động cơ không đồng bộ 3 pha, chú trọng đến sự biến đổi của đặc tính năng lượng Các giải thuật này được xây dựng dựa trên nguyên tắc tối ưu hóa từ thông, phù hợp với các tốc độ hoạt động khác nhau và sự thay đổi của tải.

Phạm vi nghiên cứu

 Giải thuật tiết kiệm năng lượng chỉ ứng dụng cho đối tượng chính ở đây là động cơ không đồng bộ 3 pha

Đề tài này tập trung nghiên cứu giải thuật và mô hình điều khiển nhằm tối ưu hóa từ thông rotor, với mục tiêu giảm thiểu tổn hao trong động cơ không đồng bộ ba pha.

 Việc khảo sát giải thuật điều khiển chỉ thực hiện mô phỏng trên phần mềm Matlab.

Phương pháp nghiên cứu

 Thu thập các tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu

 Tìm hiểu lý thuyết về động cơ không đồng bộ

 Tìm hiểu lý thuyết Matlab

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

 Tìm hiểu các vấn đề về tổn hao và các phương pháp điều khiển theo hướng tiết kiệm năng lượng của động cơ không đồng bộ

 Tìm hiểu phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor

 Thiết kế giải thuật và mô hình điều khiển

 Mô phỏng trên phần mềm Matlab

Các bước tiến hành

- Nghiên cứu khả năng tiết kiệm năng lượng các động cơ điện

- Đề xuất phương pháp thiết kế bộ điều khiển động cơ điện có xét đến tiết kiệm năng lượng

- Thiết kế giải thuật điều khiển động cơ xét đến tiết kiệm năng lượng

- Xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm matlab bộ điều khiển động cơ xét đến tiết kiệm năng lượng

- Khảo sát và so sánh kết quả mô phỏng

Điểm mới của đề tài

Ứng dụng FOC (Field Oriented Control) giúp xây dựng các giải thuật và mô hình điều khiển tối ưu từ thông, nhằm tối thiểu hóa tổn hao trong động cơ dựa trên thông số thực nghiệm Quá trình này xem xét các thông số mô men của động cơ xuyên suốt, cho phép xác định nhanh chóng và chính xác giá trị từ thông tối ưu Kết quả là nâng cao chất lượng điều khiển và khả năng tiết kiệm năng lượng hiệu quả hơn.

Giá trị thực tiễn của đề tài

Việc áp dụng các giải thuật và mô hình điều khiển tối ưu có thể giúp tiết kiệm từ 3,7% đến 18,5% năng lượng của động cơ ở nhiều tốc độ và tải khác nhau, so với phương pháp điều khiển FOC truyền thống Đề tài này không chỉ phục vụ cho việc giảng dạy mà còn là tài liệu tham khảo hữu ích cho giảng viên và sinh viên trong lĩnh vực truyền động điện và máy điện.

Bố cục của đề tài

TÌM HIỂU VỀ PHỤ TẢI ĐIỆN VÀ KHẢ NĂNG TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG

Tìm hiểu về tiết kiệm năng lượng trong động cơ và các hệ truyền động cơ không đồng bộ

Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ ngày càng phổ biến và tiêu thụ lượng điện năng lớn Tuy nhiên, một phần đáng kể điện năng này bị tổn hao vô ích trong động cơ, hệ truyền động và thiết bị điều khiển Để giảm thiểu tổn hao này, cần hiểu rõ nguyên nhân và tìm cách can thiệp nhằm tối ưu hóa hiệu suất sử dụng điện năng Dưới đây là các dạng tổn hao thường gặp trong động cơ, hệ truyền động và thiết bị điều khiển.

Công suất điện mà động cơ nhận từ nguồn được chia thành hai thành phần chính: phần sinh ra công có ích để thực hiện quá trình công nghệ và phần tổn hao Phần tổn hao bao gồm tổn thất nhiệt trên điện trở dây quấn stator (Pcu1), tổn thất trên điện trở sắt từ (PFe), tổn thất trên điện trở rotor (Pcu2) và các tổn hao cơ học do ma sát và quạt gió (Pfrict).

Để tiết kiệm năng lượng cho động cơ, cần hiểu rõ mục đích sử dụng và công suất của động cơ Việc xác định nguyên nhân gây tổn hao năng lượng và tìm cách tiết kiệm là rất quan trọng Hình 2.1 minh họa sự phân bố năng lượng trong động cơ không đồng bộ theo các dạng công suất khác nhau, trong khi Hình 2.2 thể hiện các tổn hao trong động cơ này Dữ liệu được thu thập từ thống kê sử dụng năng lượng tại Đan Mạch năm 2000, cho thấy xu hướng này tương đồng với nhiều quốc gia công nghiệp khác.

Hình 2.2 Phân bố nguồn năng lượng sử dụng trong động cơ KĐB với các dạng

Công suất và phụ tải có sự khác biệt rõ rệt Đặc biệt, 67% năng lượng tổn hao trong động cơ xảy ra ở các động cơ có công suất định mức dưới 52kW Điều này cho thấy rằng, để đạt được hiệu quả tiết kiệm năng lượng, cần tập trung nghiên cứu và cải tiến cho các loại động cơ này.

Hình 2.3 Phân bố nguồn năng lượng tổn hao trong động cơ KĐB với các dạng

Công suất và phụ tải khác nhau

 Đối với các hệ truyền động: Động cơ KĐB thường được sử dụng cho các ứng dụng sau:

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

- Hệ thống băng truyền, thiết bị vận tải

- Các thiết bị cơ khí chế biến.

Điều khiển hiệu quả năng lượng của các ứng dụng HVAC

Các nhiệm vụ chính trong lắp đặt hệ thống HVAC bao gồm việc kiểm soát áp suất, lưu lượng, nhiệt độ và mức chất lỏng Phương pháp điều khiển được lựa chọn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như chất lượng điều khiển, chi phí lắp đặt và hiệu suất năng lượng Dưới đây là một so sánh ngắn gọn giữa các phương pháp điều khiển khác nhau.

Điều khiển on/off là phương pháp hiệu quả khi chỉ cần một phần của sản phẩm hoạt động trong thời gian dài Động cơ sẽ được kích hoạt khi thông số điều khiển vượt quá giới hạn cho phép Để giảm số lần khởi động và dừng, có thể tăng kích thước vùng đệm như bể nước và máy bơm Nếu thiết bị hoạt động ở tải định mức khi động cơ bật, điều khiển on/off sẽ mang lại hiệu suất năng lượng tối ưu, nhưng nếu không, hiệu suất năng lượng sẽ bị giảm sút.

Điều khiển từng bước (stepwise) là phương pháp quản lý động cơ lớn bằng cách chia chúng thành các bộ phận nhỏ, mỗi bộ phận được điều khiển on/off Các động cơ sẽ được bật hoặc tắt tùy theo nhu cầu sản xuất, giúp tối ưu hóa hiệu suất năng lượng và duy trì hoạt động gần với tải định mức Mặc dù phương pháp này có ưu điểm là hiệu suất cao, nhưng cũng đi kèm với chi phí lắp đặt tăng và chỉ cho phép điều khiển theo từng bước Tuy nhiên, nó có thể kết hợp với việc thay đổi tốc độ của một trong các động cơ để nâng cao tính linh hoạt trong sản xuất.

Điều khiển quá trình cơ khí được áp dụng trong các ứng dụng yêu cầu điều khiển liên tục các thông số đầu ra, khi mà phương pháp điều khiển on/off và stepwise không đủ hiệu quả Động cơ cảm ứng thường được kết nối trực tiếp với lưới điện, và các thông số đầu ra như áp suất được điều chỉnh bằng các thiết bị cơ khí như van, van tiết lưu hoặc nhánh hồi tiếp Tuy nhiên, nhược điểm lớn của phương pháp này là nó tạo ra những mất mát năng lượng không thể tránh khỏi khi không hoạt động ở công suất tối đa, tương tự như việc điều khiển tốc độ xe hơi bằng cách phanh trong khi vẫn chạy với công suất tối đa.

Điều khiển tốc độ thay đổi là một phương pháp hiệu quả, trong đó động cơ được vận hành bởi bộ chuyển đổi công suất điện tử, tiêu thụ năng lượng tối ưu cho quá trình Kết quả của quá trình này được điều chỉnh thông qua việc thay đổi tốc độ, mặc dù chi phí lắp đặt có thể cao.

Tiết kiệm năng lượng trong các ứng dụng HVAC bằng cách điều khiển biến tốc

và giảm nhiễu âm chẳng hạn từ các quạt

So sánh các chiến lược điều khiển ứng dụng HVAC cho thấy rằng phương pháp điều khiển cơ khí không hiệu quả do mất mát năng lượng lớn khi giảm tải Lựa chọn giữa các phương pháp on/off, stepwise và 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 nên sử dụng phương pháp stepwise và biến tốc, trong khi phương pháp on/off được ưu tiên cho tải cao với chi phí lắp đặt thấp Việc áp dụng các kỹ thuật tốt trong thiết kế hệ thống có thể tiết kiệm năng lượng đáng kể, với on/off và điều khiển từng bước thường là giải pháp tối ưu Tuy nhiên, đối với hệ thống yêu cầu chất lượng điều khiển cao, phương pháp biến tốc là lựa chọn hiệu quả duy nhất Khi thiết kế hệ thống, cần xem xét chi phí vòng đời (LCC), bao gồm tất cả chi phí liên quan đến hệ thống trong suốt thời gian sử dụng, như thu mua, bảo trì, sửa chữa, phí năng lượng và các vấn đề môi trường.

2.3 Tiết kiệm năng lượng trong các ứng dụng HVAC bằng cách điều khiển biến tốc Ưu 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 Điều khiển máy bơm

Bài viết mô tả bốn phiên bản của hệ thống bơm được minh họa trong các hình 2.4 đến 2.7, với hai dạng đầu sử dụng tốc độ không đổi và điều khiển cơ khí, trong khi hai dạng còn lại áp dụng điều khiển biến tốc Hình 2.4 và 2.6 thể hiện máy bơm không có cột áp, còn hình 2.5 và 2.7 là máy bơm có cột áp Dòng chất lỏng được điều chỉnh để tại điểm A, lưu lượng đạt 100% lưu lượng định mức, và tại điểm B, lưu lượng giảm xuống 50% lưu lượng định mức Các hình vẽ thể hiện đường cong lưu lượng – áp suất của đặc tính máy bơm (PC Pump Characteristic) và đặc tính hệ thống (SC – System Characteristic) Điểm hoạt động của máy bơm được xác định bởi giao điểm giữa đường PC và đường SC.

Hình 2.4 Điều khiển cơ khí cho máy bơm không có cột áp

Hình 2.5 Điều khiển cơ khí cho máy bơm có cột áp

Trong hình 2.4 và 2.5, lưu lượng được giảm từ A đến B bằng cách sử dụng van và cản trở trong ống, dẫn đến sự thay đổi đặc tuyến hệ thống từ SC1 sang SC2 Hình 2.6 và 2.7 cho thấy mặc dù đặc tính hệ thống không đổi, nhưng sự thay đổi tốc độ đã làm thay đổi đặc tuyến máy bơm từ PC1 sang PC2, do đó cũng giảm lưu lượng từ A đến B.

Hình 2.6 Điều khiển biến tốc cho máy bơm không cột áp

Hình 2.7 điều khiển biến tốc cho máy bơm có cột áp

Hình 2.8 cho thấy rằng ở mức tải tối đa (điểm A), bộ lái tốc độ hằng mang lại hiệu suất tốt nhất do bộ chuyển đổi công suất điện tử trong bộ lái biến tốc gây ra sự mất mát năng lượng trong động cơ và bộ converter Ngược lại, ở mức tải 50% (điểm B), không có cột áp dẫn đến sự cải thiện đáng kể với phương pháp biến tốc, như so sánh giữa biểu cột 2.4 và 2.6 Hầu hết các mất mát trong bộ lái tốc độ hằng chủ yếu xảy ra tại van Khi có cột áp, sự khác biệt giữa các biểu đồ cột 2.5 và 2.7 không còn rõ rệt, nhưng bộ điều khiển biến tốc vẫn duy trì hiệu suất tốt nhất.

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

Các ứng dụng với khả năng tiết kiệm năng lượng bằng điều khiển tốc độ

Phân tích hệ thống máy bơm cho thấy rằng với tải bậc hai, việc điều khiển biến tốc mà không có bộ điều áp có thể tiết kiệm năng lượng đáng kể so với phương pháp điều khiển cơ khí Trong trường hợp có cột áp, mức tiết kiệm năng lượng sẽ giảm Những kết quả này cũng có thể áp dụng cho các hệ thống thông gió, máy nén khí và tủ lạnh.

Thông gió: Tải là bậc hai và rất thích hợp cho điều khiển tốc độ

Máy bơm không có đầu là một thiết bị tải bậc hai lý tưởng cho việc điều khiển biến tốc độ, điển hình là máy bơm nước nhiệt Trong khi đó, máy bơm có đầu giúp tiết kiệm năng lượng thông qua việc điều chỉnh tốc độ, nhưng mức độ tiết kiệm không đáng kể, như trong trường hợp của máy bơm tàu lặn.

Nén khí: Điều khiển tốc độ của máy nén khí gần giống với máy bơm có đầu và mang lại sự tiết kiệm năng lương lượng tốt

Tủ lạnh: Giống như nén khí

Các kết quả được tóm tắt trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Khả năng tiết kiệm năng lượng bằng điều khiển tốc độ tốc độ cho 4 ứng dụng HVAC

Quá trình Loại Năng lượng tiết kiệm bởi điều khiển tốc độ

Bộ thông gió Ly tâm Rất tốt

Máy bơm Ly tâm có điều áp

Ly tâm không có điều áp

Bộ nén khí Screw, turbo, piston Tốt

Tủ lạnh Screw, turbo, piston Tốt

PHÂN TÍCH CÁC LOẠI TỔN HAO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG ĐCKĐB

Tổn thất trong động cơ không đồng bộ thay đổi được tốc độ

Hình 3.1 mô tả dòng năng lượng di chuyển từ nguồn vào đến tải (như bộ thông gió, máy bơm, ) thông qua các khối, trong đó mỗi khối đều có sự tổn thất năng lượng khi truyền qua.

- Hệ thống cung cấp (Distribution system): đường truyền tải, máy biến thế cung cấp

Bộ chuyển đổi là một thiết bị điện tử công suất có nhiệm vụ điều khiển tần số và điện áp của stator, thường là bộ PWM-VSI kết hợp với bộ chỉnh lưu 3 pha sử dụng diode.

- Động cơ (Motor): động cơ không đdồng bộ rotor lồng sóc

- Bộ phận truyền động (transmission): ví dụ như trục động cơ, bánh răng, dây curoa hoặc băng chuyền

Hình 3.1 Xem xét dòng công suất chảy qua động cơ 3.1.1 Bộ biến tần

Bộ chuyển đổi nguồn áp PWM-VSI với diode chỉnh lưu, như minh họa trong hình 3.2, hiện đang được ứng dụng trong các bộ điều khiển có công suất lên đến hàng trăm kW Trong trường hợp động cơ có bộ thắng gấp hoặc kéo tải tích cực, cần thiết phải sử dụng bộ tiêu tán công suất bằng điện trở ở khâu DC hoặc bộ chỉnh lưu SCR để phát lại công suất về lưới điện, tuy nhiên, các trường hợp này sẽ không được đề cập trong bài viết.

Hình 3.2 Bộ chuyển đổi nguồn áp được điều chế độ rộng xung (PWM-VSI) với

Diode chỉnh lưu là thành phần quan trọng trong các bộ điều khiển tiêu chuẩn, với tổn hao trong converter chủ yếu bao gồm tổn hao do chuyển mạch bán dẫn, tổn hao dẫn điện, nguồn cung cấp cho mạch điều khiển, và tổn hao trên các cuộn lọc Hiệu suất danh định của các bộ chuyển đổi này thường dao động trong khoảng 0.96-0.98, tùy thuộc vào công suất và phương pháp làm mát được sử dụng, có thể là tự nhiên hoặc cưỡng bức.

Tổn hao chuyển mạch có thể được giảm thiểu bằng cách tăng dv/dt của công tắc, tuy nhiên điều này có thể làm tăng EMI, cần được chú ý Giá trị dv/dt cao ở ngõ ra có thể gây ra vấn đề lớn, đặc biệt đối với các motor sử dụng cáp dài Trong một số bộ chuyển đổi, dv/dt ở ngõ ra được hạn chế bởi ba cuộn lọc Mặc dù có thể giảm tổn hao trong cuộn lọc bằng cách tăng tiết diện dây đồng, nhưng điều này sẽ làm tăng chi phí của bộ chuyển đổi Tổn hao ở bộ chỉnh lưu thì không đáng kể.

Tổn hao chuyển mạch bị ảnh hưởng bởi chiến lược điều chế của bộ nghịch lưu Một số chiến lược điều chế cho phép ngõ ra của một chân inverter không chuyển mạch trong 60 độ, trong khi những chiến lược khác với chức năng điều chế rời rạc có thể giảm thiểu tổn hao chuyển mạch Tuy nhiên, việc lựa chọn chiến lược điều chế phụ thuộc vào yêu cầu điều khiển motor tổng quát, vấn đề này sẽ không được bàn luận ở đây.

3.1.2 Động cơ không đồng bộ

Mô hình tổn hao thay thế một pha của động cơ KĐB (Mô hình tổn hao sắt từ song song) [5]:

Hình 3.3 Sơ đồ thay thế của động cơ không đồng bộ ba pha

 Tổn hao đồng stator: là các tổn hao sinh ra do nhiệt trong điện trở dây quấn stator và được tính bởi:

- Is : Dòng điện phía stator

Bỏ qua hiệu ứng bề mặt trên dây quấn stator, điện trở dây quấn stator thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ của dây quấn được tính bởi:

- Rs0 : Điện trở stator tại nhiệt độ T0

- cu : Hệ số nhiệt độ của đồng

 Tổn hao đồng rotor: là các tổn hao sinh ra do nhiệt trong điện trở dây quấn rotor, được tính bởi:

- Ir : Dòng điện phía rotor

Tương tự như stator, điện trở của dây quấn rotor cũng biến đổi theo nhiệt độ, khi bỏ qua hiệu ứng bề mặt Sự thay đổi này có thể được tính toán để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu của rotor trong các ứng dụng điện.

- Rr0 : Điện trở rotor tại nhiệt độ T0

- cu : Hệ số nhiệt độ của đồng (nếu dây quấn rotor bằng nhôm ta thay bằng Al là hệ số nhiệt độ của nhôm)

Tổn hao sắt là các tổn hao phát sinh từ hiện tượng dòng xoáy và từ trễ Nhiều phương pháp đã được đề xuất để tính toán loại tổn hao này Trong bài viết này, chúng tôi giới thiệu công thức tính toán dựa trên từ thông và tần số cơ bản trong động cơ.

- Từ công thức tính tổn hao do dòng xoáy và từ trể được đề xuất bởi Steinmetz:

- Pe : Tổn hao do dòng điện xoáy

- Ph : Tổn hao do từ trể

-  : 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

- f : Tần số cơ bản Áp dụng công thức trên vào tính tổn hao trong stator: γ 2 2 core, s h,s m s e,s m s

- Pcore,s : Tổn hao sắt trong stator

- m : Từ thông khe hở không khí

Tổn hao sắt trong rotor được tính bằng cách thay tần số của stator bằng tần số trượt, sau đó nhân với tỷ số giữa khối lượng sắt của stator và rotor.

- Pcore, r : Tổn hao sắt trong rotor

- ms : Khối lượng sắt stator

- mr : Khối lượng sắt rotor

Như vậy tổng tổn hao do lõi sắt sinh ra trong động cơ sẽ là: core core,s core,r

Gọi Rfe là điện trở đại diện cho tổn hao sắt trên mỗi pha của động cơ và được tính bởi:

Từ phương trình (3.11) ta thấy rằng điện trở R fe luôn thay đổi và phụ thuộc vào từ thông khe hở không khí, tần số của stator và độ trượt s

Tổn hao do ma sát và quạt gió là một hàm phi tuyến phụ thuộc vào tốc độ động cơ, hệ số ma sát và quạt gió, được đề xuất tính toán bởi Abrahamsen.

- Pmech : Tổn hao tổng do ma sát và quạt gió

- dry : Hệ số ma sát khô

- kvent : Hằng số quạt gió

Bảng 3.1 tổng kết các biện pháp giảm tổn hao trong động cơ không đồng bộ với lõi cố định, cho thấy việc tăng tiết diện đồng ở stator và sử dụng lá sắt mỏng hơn giúp giảm tổn thất, mặc dù làm tăng chi phí Tuy nhiên, lựa chọn vật liệu sắt cần cân nhắc giữa tổn hao thấp và độ thẩm từ tốt, vì lõi sắt có tổn hao thấp có thể có độ thẩm từ không cao, dẫn đến tổn thất đồng tăng do dòng từ tăng Đối với motor khởi động trực tiếp, việc giảm điện trở rotor có thể gây tăng dòng khởi động và giảm lực khởi động, nhưng với motor khởi động bằng converter thì không gặp vấn đề này Cải thiện quạt làm mát theo một hướng nhất định có thể chấp nhận trong một số ứng dụng, nhưng không phải là lựa chọn tốt cho motor tiêu chuẩn Việc sử dụng các trụ tốt hơn và giảm tổn thất tải tản gặp nhiều khó khăn do các hiệu ứng bất lợi không thể chấp nhận.

Bảng 3.1 Các hoạt động có thể được thực hiện để làm giảm tổn hao

Tổn hao Thay đổi thiết kế Hiệu quả đối với tổn hao Ảnh hưởng bất lợi Tổn hao dây quấn stator

1 Tăng tiết diện dây quấn trong khe

2 Tăng kích thước khe stator và tiết diện dây quấn

3 Giảm chiều dài mở rộng cuộn

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 lõi: từ trễ và dòng xoáy

1 Thay sắt mỏng với tổn hao thấp hơn

2 Giảm độ dầy của lá sắt

3 Cải thiện tiến trình tôi, mạ sắt

1 Giảm tổn hao từ trễ

2 Giảm tổn hao dòng xoáy

3 Giảm tổn hao dòng xoáy

1 Tăng giá thành và giảm sự phổ biến của vật liệu

2 Tăng giá thành và giảm sự phổ biến của vật liệu

3 Tăng giá thành và việc sử dụng năng lượng Tổn hao dây quấn rotor

1 Tăng mật độ từ thông khe hở

2 tăng kích thước thanh ngang rotor

3 tăng kích thước vòng ring cuối

4 tăng độ dẫn điện của lồng sóc

1 giảm hệ số trượt nên giảm tổn hao dây quấn rotor

2 Giảm tổn hao dây quấn rotor

2 Dòng vào có thể cao hơn và giảm moment xoắn khởi động

2 Tổn hao thông gió và ma sát

1 Tối ưu hóa thiết kế quạt

2 Tối ưu hóa việc chọn trục, giá đỡ

1 Giảm nhiệt độ vận hành

2 Giảm tổn hao do ma sát

1 Có thể làm tăng mức nhiễu Có thể biến thành các quạt định hướng

2 Có thể ảnh hưởng mức nhiễu, hạn chế tốc độ mặc định hoặc mang tải

Tổn hao tải tản 1 Cách ly các thanh rotor

2 Tăng khe hở không khí

1 Giảm dòng giữa các thanh ngang và lá sắt

2 Giảm tổn hao bề mặt tần số cao

3 Giảm tổn hao dây đồng rotor

2 Giảm hệ số công suất

3 Có thể tăng mức nhiễu và ảnh hưởng đường đặc tuyến tốc độ - moment

Tăng thể tích lõi, chẳng hạn như kéo dài stator hoặc lưng sắt stator, giúp nâng cao từ thông của mạch từ, từ đó giảm lượng dây quấn stator và tạo ra nhiều không gian cho dây đồng lớn hơn Ngoài ra, tổn hao họa tần có thể được giảm thiểu thông qua việc thiết kế lại hình dạng khe stator.

3.1.3 Truyền động Đặc tính của các loại truyền động khác nhau được liệt kê trong bảng 3.2 Từ bảng trên, có thể thấy rõ rằng có sự khác nhau về hiệu suất khá lớn giữa các loại truyền động Đặc biệt bánh răng trục vít có hiệu suất rất thấp, hiệu suất của các loại dây đai khác nhau cũng khác nhau rất lớn Có 2 loại dây đai chính: đai đồng bộ có răng và dây đai không đồng bộ như: đai chữ V, đai chữ V có răng và đai phẳng Đai V rẻ và hiệu suất tối đa (phần lớn không cao) chỉ đạt được nếu như đai đúng kích thước, được lắp đặt và bảo dưỡng cẩn thận Hiệu suất cũng phụ thuộc vào tải Nếu đai V có hiệu suất 98% ở tải định mức thì nó chỉ còn 92% ở 25% tải Một ưu điểm là nó có thể chịu được tải quán tính lớn khi motor được khởi động trực tiếp với lưới điện Đai phẳng và đai đồng bộ có hiệu suất cao hơn nhưng đắt tiền Đai đồng bộ không có khả năng chịu tải quán tính lớn, nhưng khi motor được sử dụng với bộ điều khiển tốc độ thì vấn đề này không quan trọng đối với đai đồng bộ

Giải pháp truyền động tốt nhất là kết nối trục trực tiếp, và tốc độ thay đổi giúp nó dễ dàng được chọn hơn là tốc độ cố định

Bảng 3.2 Hiệu quả của các bộ truyền động lái motor

Loại Loại Tổn hao Hiệu suất Ưu điểm Nhược điểm

Hiệu suất giảm và tuổi thọ thấp khi lắp không thẳng hàng Bánh răng

Ma sát giữa các bánh răng, trong các trục, khe hở, khuấy dầu nhờn

90-98% Chú ý: hiệu suất cao cho tốc độ cao và tỉ số truyền bánh răng thấp

55-94% phụ thuộc vào tỉ số truyền

Tỉ số truyền bánh răng cao

Hiệu suất thấp Đai Đai V Uốn cong, trượt, khe hở

90-96% Chịu được sốc tải và kẹt motor, rẻ

Hiệu suất dưới 90% nếu không được bảo dưỡng Đai V có răng

Trượt, khe hở, uốn cong

Tổn hao uốn cong thấp chịu được sốc tải và kẹt motor Đắt hơn đai V từ 20-30%, cần bảo dưỡng Đai phẳng Đai poly-V

96-99% Hiệu suất cao, tốt cho tốc độ cao Đắt Đồng bộ Khe hở, uốn cong

Không chịu được sốc tải trượt, không cần bảo dưỡng và kẹt motor, đắt tiền

Xích Xích Tới 98% Chịu được sốc tải và nhiệt độ cao

3.1.4 Tổn hao lưới với động cơ điều chỉnh tốc độ Đối với motor chạy trực tiếp từ lưới thì dòng điện ngõ vào gần như sin với một thành phần điện kháng và cos(φ) phụ thuộc vào tải Bộ chỉnh lưu diode 3 pha có cos(φ) không đổi gần bằng 1, tuy nhiên dòng ngõ vào có các thành phần họa tần quan trọng Tổn hao trên lưới đối với motor chạy trực tiếp lưới như sau :

2 in in loss,grid line line line line 2 in line

Trong đó : R line : điện trở nối tiếp tương đương của đường dây

I line : trị hiệu dụng của dòng dây

P in : công suất ngõ vào motor

Thành phần hài được đặc trưng bởi thông số độ méo dạng hài tổng (THD):

Trong đó I : trị hiệu dụng của dòng chỉnh lưu

I1 : trị hiệu dụng thành phần hài cơ bản

Nếu áp lưới sin thì các họa tần không tạo ra công suất hữu ích và chỉ gây tổn hao trên lưới Có thể thấy rằng:

Chứng tỏ tổn hao trên lưới gây bởi chỉnh lưu diode là:

2 2 2 in 2 loss,grid line line line line1 line line

THD (Tổng hài số) phụ thuộc chủ yếu vào kích thước cuộn lọc DC và chiều dài của lưới điện; nếu điện cảm lọc thấp, THD sẽ tăng cao Trong các bộ lái thương mại, THD ở dòng ngõ vào thường đạt khoảng 40% tại tải danh định Giả thuyết cho rằng THD thay đổi tuyến tính với công suất ngõ ra của motor, từ 2 ở không tải đến 0.4 ở đầy tải Hình 3.4 so sánh dòng hiệu dụng của motor tiêu chuẩn 2.2kW khi kết nối trực tiếp vào lưới điện và khi qua bộ converter, cho thấy tổn hao do converter gây ra là thấp nhất Để giảm các họa tần, có thể phối hợp các tải 1 pha và 3 pha lại với nhau.

Hình 3.4 Dòng hiệu dụng khi được nối trực tiếp với lưới điện và khi được nối

Tối ưu hóa năng lượng bằng việc giảm từ thông motor

Để tối ưu hóa hiệu suất động cơ, bên cạnh việc cải thiện cấu trúc, cần điều chỉnh năng lượng nhằm giảm thiểu tổn hao Việc áp dụng các quy luật điều khiển điện áp và tần số stator là cần thiết để giảm tổn hao năng lượng trên động cơ tại một moment tải và tốc độ xác định.

Nguyên tắc của điều khiển tối ưu năng lượng được giải thích sau đây tập trung chính vào tổn hao trên motor

Lực điện từ của một động cơ không đồng bộ xấp xỉ: em m r τ = K*I *I

Với moment tải được xác định trước, moment điện từ cần thiết có thể được tính toán từ một tập hợp vô hạn các thông số kết hợp giữa dòng điện từ tích số và dòng rotor.

Nếu dòng stator (Im) lớn và dòng rotor (Ir) nhỏ, tổn thất trên lõi và dây quấn stator sẽ tăng, trong khi tổn thất dây quấn rotor lại giảm Ngược lại, khi Im nhỏ hơn và Ir lớn hơn, tổn thất trên lõi và dây quấn stator sẽ giảm, nhưng tổn thất trên rotor sẽ tăng Tuy nhiên, tổn thất stator cũng sẽ bắt đầu tăng, dẫn đến một tỷ số giữa dòng từ và dòng rotor cần được tối ưu hóa để giảm thiểu tổng tổn thất cho một moment tải nhất định Thông thường, động cơ được thiết kế để hoạt động hiệu quả ở mức tải định mức, nhưng khi không tải, từ thông sẽ dư ra.

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

Hình 3.5 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 motor 2.2kW

Cải thiện hiệu suất motor bằng cách tối thiểu hóa tổn hao trong điều khiển từ thông khe hở không khí không đổi là rất quan trọng, đặc biệt trong các ứng dụng HVAC, nơi motor thường hoạt động ở tải nhẹ trong thời gian dài Hình 3.5 minh họa sự khác biệt giữa hai đường cong trong khu vực non tải, cho thấy rằng HVAC cần tối ưu hóa năng lượng Các dự án HVAC thường được thiết kế để chịu tải cao nhất, như máy bơm nước nóng trung tâm phải đảm bảo sưởi ấm cho ngôi nhà trong những ngày lạnh nhất Do đó, máy bơm thường chỉ hoạt động ở một phần công suất thiết kế trong phần lớn thời gian Hơn nữa, motor thường được thiết kế lớn hơn mức cần thiết vì hai lý do chính.

Tất cả các motor từ một nhà sản xuất đều có công suất không được xác định chính xác mà nằm trong một khoảng cho phép Do đó, nhà thiết kế cần áp dụng một hệ số an toàn cho công suất định mức nhằm đảm bảo các thông số kỹ thuật được ghi trên thân máy.

Khi chọn động cơ điện, kỹ sư cần tính toán công suất cần thiết và chọn giá trị gần nhất lớn hơn giá trị đó, do trên thị trường chỉ có một số công suất nhất định Ví dụ, các động cơ không đồng bộ nhỏ thường có các công suất như 1.1, 1.5, 2.2, 3, 4, 5.5 và 7.5 kW.

Dựa trên các dữ kiện đã nêu, ngay cả khi hệ thống hoạt động ở mức tối đa, động cơ không đồng bộ vẫn có công suất lớn, giúp hệ thống không bao giờ phải sử dụng động cơ ở mức tải tối đa Điều này tạo cơ hội tiết kiệm năng lượng cho động cơ bằng cách điều chỉnh tốc độ trong các ứng dụng HVAC, cho phép thích nghi với lưu lượng tải một cách hiệu quả.

Nhược điểm chính của điều khiển tối ưu năng lượng là sự giảm thông lượng khi không tải, điều này khiến cho động cơ trở nên nhạy cảm với nhiễu từ tải và giảm chất lượng phản ứng động của hệ thống.

Biết chính xác tổn hao của motor giúp xác định điểm tối ưu năng lượng và điều khiển motor theo điểm đó Tuy nhiên, việc này không thực tế do nhiều lý do khác nhau.

Dù điểm làm việc tối ưu năng lượng đã được tính toán chính xác, khả năng giới hạn công suất tính toán trong các bộ lái công nghiệp vẫn khiến việc thực hiện trở nên không khả thi.

Một số loại tổn hao rất khó dự đoán, bao gồm tổn hao tải tản, tổn hao lõi khi thay đổi điểm bão hòa và các họa tần, cũng như tổn hao đồng do sự thay đổi nhiệt độ.

Do hạn chế về giá thành sản phẩm, việc thu thập tất cả các tín hiệu có thể đo được trở nên khó khăn Điều này dẫn đến việc một số tín hiệu nhất định sẽ cần phải được ước lượng.

Điều khiển tối ưu năng lượng của bộ lái VVFF

Bộ converter VVFF (Variable Voltage Fixed Frequency) là một trường hợp đặc biệt trong điều khiển tối ưu hóa năng lượng, với điện áp stator thay đổi theo tần số cố định Tuy nhiên, thành phần họa tần của điện áp stator khác biệt so với điện áp PWM, dẫn đến hiệu suất khác nhau do tổn hao hài bậc cao Vì vậy, bộ converter VVFF được xem xét riêng biệt trong bài viết này.

Nỗ lực đầu tiên để tối ưu hiệu suất của bộ lái động cơ không đồng bộ thông qua điều khiển converter được thực hiện với bộ converter VVFF của Nola vào năm 1977 Việc điều khiển góc kích của converter khởi động mềm, như hình 3.6 cho phiên bản 3 pha, cho phép điều chỉnh điện áp stator và cải thiện hiệu suất của motor Nguyên tắc điều khiển đầu tiên là giữ góc kích của các SCR không đổi, sau đó, nhiều bài báo và phát minh đã đề xuất các chiến lược điều khiển khác nhau cho loại converter này.

Hình 3.6 Động cơ không đồng bộ được điều khiển bằng một bộ converter VVFF

Tất cả các chiến lược điều khiển đều nhằm mục tiêu duy trì một thông số ổn định, như góc kích hay hệ số công suất Nghiên cứu của Rowan và Lipo năm 1983 cho thấy rằng việc tối thiểu hóa hệ số công suất hoặc công suất ngõ vào mang lại hiệu suất tốt nhất Tuy nhiên, bộ converter VVFF gặp phải nhược điểm lớn về tổn hao họa tần, làm cho việc cải tiến hiệu suất vẫn còn là một thách thức Họ cũng so sánh hiệu suất của bộ lái động cơ điều khiển VVFF với động cơ nối trực tiếp vào lưới điện Kết quả cho thấy, ở tải trên 0.9 giá trị định mức, bộ VVFF dẫn điện hoàn toàn, dẫn đến tổn hao trên Thyristor làm giảm hiệu suất 1.5% so với động cơ không điều khiển Ngược lại, ở tải dưới 0.45 định mức, bộ khởi động mềm lại cho hiệu suất tốt hơn Do đó, việc tiết kiệm năng lượng chỉ thực sự hiệu quả trong các ứng dụng mà động cơ hoạt động ở chế độ non tải trong thời gian dài.

Với sự phát triển của các transistor công suất, bộ khởi động mềm đã dần được thay thế bởi bộ PWM-VSI nhằm tiết kiệm năng lượng, tuy nhiên, converter VVFF vẫn được sử dụng cho khởi động mềm Hiện nay, bộ khởi động mềm được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp với nhiều tùy chọn tiết kiệm năng lượng Mặc dù các bộ khởi động mềm hiện đại đã được kiểm tra bởi Blaabjerg vào năm 1995, nhưng không ai sẵn sàng đầu tư nếu chỉ sử dụng chúng cho mục đích tiết kiệm năng lượng Hơn nữa, việc tối ưu năng lượng có thể gây ra vấn đề về độ ổn định và làm tăng hài trên lưới điện, khiến cho việc đáp ứng các tiêu chuẩn IEC-1000 trở nên khó khăn Do đó, bộ khởi động mềm không phải là giải pháp hiệu quả cho việc tiết kiệm năng lượng.

Nhược điểm lớn nhất của khởi động mềm là khả năng thay đổi tốc độ hạn chế, dẫn đến việc mất đi lợi ích tiết kiệm năng lượng trong các ứng dụng HVAC Do đó, cấu trúc converter này sẽ không được xem xét trong luận án.

Điều khiển tối ưu năng lượng của bộ lái VVVF

Cấu trúc VVVF (Điện áp và tần số thay đổi) cơ bản được minh họa trong hình 3.7, trong đó điện áp ngõ ra được điều chế bằng độ rộng xung Hiện nay, bộ nghịch lưu điều chế biên độ xung chủ yếu chỉ được áp dụng trong các trường hợp đặc biệt như tốc độ cao hoặc điện áp thấp, và sẽ không được đề cập thêm trong bài viết này.

Hình 3.7 Bộ PWM-VSI với diode chỉnh lưu trong phần lớn các ASD (bộ lái điều khiển được tốc độ) ngày nay

Hình 3.8 Sơ đồ khối điều khiển cho việc tối ưu hiệu suất của một bộ lái động cơ

Rất nhiều tín hiệu hồi tiếp được sử dụng trong hệ thống điều khiển tối ưu năng lượng của ASD, như thể hiện trong sơ đồ khối điều khiển Trong các bộ lái công nghiệp, chủ yếu chỉ đo điện áp ở khâu DC và dòng của hai hoặc ba pha Tốc độ cũng có thể được đo trong các bộ lái servo, và có thể đo dòng điện ở khâu DC cùng với dòng áp ngõ vào ở bộ chỉnh lưu để xác định công suất ngõ vào Tuy nhiên, việc này có thể làm tăng chi phí, nên thường không được áp dụng trong công nghiệp Một giải pháp khả thi cho các bộ lái là tái tạo dòng 3 pha stator từ dòng DC, như đề xuất của Blaajerg, giúp đo công suất ngõ vào bộ nghịch lưu mà không làm tăng chi phí.

Các phương pháp điều khiển tối ưu năng lượng được phân loại thành ba nhóm chính: điều khiển trạng thái đơn giản, điều khiển theo mô hình và điều khiển tìm kiếm.

Điều khiển trạng thái đơn giản (Simple State Control)

Khi động cơ không đồng bộ hoạt động ở hiệu suất tối ưu, các thông số điện sẽ thay đổi một cách rõ ràng Hai thông số điều khiển quan trọng nhất là hệ số công suất cos(φ) và tần số trượt của rotor.

Sơ đồ điều khiển đơn giản được đề xuất bởi Tomita vào năm 1988 không bao gồm hai thông số quan trọng Ông đã đưa ra phương pháp điều khiển motor ở chế độ vòng hở, xác định điện áp stator là một hàm của dòng điện và tần số stator Phương pháp này cho phép tạo ra tỉ số V/f phụ thuộc vào tải thông qua dòng điện stator, phản ánh moment tải Hệ số K(fs) được sử dụng để bù đắp cho độ sụt áp stator tương đối lớn ở tần số thấp.

Trong đó : K(f s ) : độ lợi phụ thuộc tần số phi tuyến của stator

3.5.1 Điều khiển cos(φ) (hệ số công suất)

Nguyên tắc điều khiển hệ số công suất cos(φ) cho động cơ không đồng bộ sử dụng biến tần được Rosenberg mô tả vào năm 1976, liên quan đến điều khiển tối ưu năng lượng lần đầu tiên qua sáng chế của Earle vào năm 1981 Trước đó, vào năm 1977, Nola đã giới thiệu điều khiển hệ số công suất nhưng chỉ áp dụng cho động cơ một pha điều khiển bởi Thyristor.

Nhiều sáng chế và nghiên cứu đã được công bố về việc tối ưu hóa điều khiển hệ số công suất cos(φ) cho động cơ không đồng bộ, trong đó xác định các phương pháp đo lường và thực thi điều khiển hiệu quả Hình 3.9 minh họa một số phương pháp này Bên cạnh đó, cũng có những đề xuất cụ thể về cách tạo ra giá trị tham khảo cho việc cải thiện hiệu suất năng lượng.

Điều khiển cos(φ) trong bộ lái vô hướng có ưu điểm về tính đơn giản và không cần thông tin về tốc độ rotor Tuy nhiên, nhược điểm của nó là giá trị cos(φ) tham khảo chỉ phù hợp với một loại motor nhất định Đối với một số loại motor, giá trị cos(φ) tham khảo có thể giữ nguyên, trong khi với các loại khác, cần điều chỉnh giá trị này theo các yếu tố như tần số stator hoặc tải Hiện tại, vẫn chưa có tài liệu nào phân tích chi tiết về vấn đề này cho các loại motor và kích thước khác nhau.

3.5.2 Điều khiển tần số trượt stator

Nỗ lực đầu tiên trong việc tính toán tần số trượt tối ưu để tiết kiệm năng lượng được nhóm Jian thực hiện vào năm

Hình 3.10 Ví dụ về điều khiển tần số trượt tối ưu mà giá trị tham khảo được đặt trong bảng tra

Điều khiển dựa vào mô hình

Điều khiển dựa vào mô hình là nguyên tắc mà bộ điều khiển sử dụng các phương trình mô hình hóa động cơ để tối ưu hóa hiệu suất Để đạt được điều này, các thông số của motor cần phải được biết trước Việc thiết kế các bộ lái và converter tương thích có thể thực hiện thông qua các phương pháp đo đạc off-line Nếu không, cần áp dụng thuật toán ước lượng thông số tự động để đảm bảo hiệu quả hoạt động.

3.6.1 Các động cơ vô hướng

Vào năm 1980, Galler đã trình bày mô hình motor để tính toán tần số stator tối ưu và điều khiển tốc độ thông qua điện áp Tần số stator tối ưu được xác định dựa trên mô hình motor trạng thái xác lập, trong đó bỏ qua tổn hao lõi và giả thiết mạch từ là tuyến tính.

Phương pháp được mô tả bởi Kusko và Galler vào năm 1983, với hình 2.11 minh họa cách thực hiện Tổn thất lõi có thể được tích hợp vào mô hình, tuy nhiên, tần số stator tối ưu cần được định lượng theo công thức: s p f `n+a×n+b z (3.16).

Các hệ số a và b cần được tính toán off-line, và đề xuất cuối cùng là sử dụng bảng tra giống như sơ đồ trong hình 3.11 Hạn chế của các biểu thức (3.15) và (3.16) của Kusko và Galler là mô hình không tính đến phần bão hòa của mạch từ, do đó sẽ không đạt được kết quả tốt trong thực tế.

Bose đã đề xuất một phương pháp tối ưu hóa hiệu suất động cơ vô hướng thông qua việc sử dụng mô hình tổn hao, trong đó dòng stator và từ thông khe hở được thu thập để tính toán các loại tổn hao như tổn hao dây đồng và tổn hao lõi Công suất ngõ vào và hiệu suất được xác định thông qua việc đo dòng và áp stator, trong khi từ thông khe hở được điều chỉnh từng bước nhỏ để đạt được hiệu suất tối ưu Tần số trượt được tính toán dựa trên từ thông khe hở và moment tải Mặc dù phương pháp này mang lại kết quả tốt, nhưng yêu cầu đo đạc nhiều thông số phức tạp như tốc độ, dòng stator và điện áp stator Ý tưởng tìm kiếm tổn hao tối thiểu bằng mô hình tổn hao cũng đã được Kusko và Galler đề xuất.

Năm 1992, Pederen và Blaabjerg đã đề xuất một biểu thức điện mô tả dòng điện tối ưu hiệu suất, xác định theo hàm của tham chiếu moment và tốc độ.

Ý tưởng điều khiển motor vòng hở được Yamakawa phát minh vào năm 1994, trong đó công suất đầu vào của động cơ được đo và tính toán dựa trên điện áp stator.

Năm 1996 Kioskeridis và Margaris sử dụng mô hình động cơ trạng thái xác lập để tính toán từ thông khe hở tối ưu:

Trong đó ψ m,opt : từ thông khe hở tối ưu hiệu suất

G s : hằng số của một motor xác định bao gồm cả bão hòa ωm : vận tốc góc của trục

T s : hằng số thời gian của một motor xác định

T ps : hằng số thời gian của một motor xác định

Biểu thức (3.18) được lập luận dựa trên sự tăng của từ thông khe hở theo tải, được thể hiện qua Is Mẫu số chỉ ra rằng tại một tốc độ nhất định, từ thông cần được giảm để hạn chế tổn hao lõi, trong khi tử số mô tả rằng ở một tốc độ khác, từ thông nên tăng lên để giảm tổn hao tải tản do cảm ứng của phần ứng Các hằng số Gs, Ts, và Tps được xác định thông qua ba thí nghiệm.

3.6.2 Bộ lái điều khiển vector hướng trường (Field Oriented Vector Controlled Drives)

Hiển nhiên là sử dụng bộ điều khiển theo mô hình cho bộ lái hướng vectơ trường bởi vì có sẵn thông tin tốt về tốc độ và một vài thông số mô hình cũng đã biết được Chỉ chú ý rằng cần thiết phải có các mô hình bão hòa từ và tổn hao lõi chính xác để đạt được tối thiểu tổn hao thật tốt, và trong hầu hết các bộ lái điều khiển theo vectơ trường thông thường cả tổn thất lõi và bão hòa từ bị bỏ qua

Hình 3.12 minh họa việc điều khiển tối ưu hiệu suất dựa trên mô hình động cơ trong khung tham chiếu hướng trường Các đề xuất chủ yếu dựa vào hàm tổn hao khác biệt với các thông số liên quan từ thông để tìm tổn hao tối thiểu, với moment tải và tốc độ đã cho Có nhiều cách thể hiện kết quả, tùy thuộc vào cách biểu diễn như điện trở tổn hao lõi và sai lệch thực tế, nhưng ý tưởng cơ bản vẫn tương tự Trong một số trường hợp, giá trị tham chiếu từ thông rotor tối ưu được tính trực tiếp như của Takahashi và Noguchi, Islam và Somuah, nhóm Mendes, nhóm Baba, nhóm Matsuse, Chang và Kim Trong khi đó, ở những trường hợp khác, điểm hiệu suất tối ưu được mô tả bởi tỷ số giữa trường từ và moment như nhóm Garcia và nhóm Ashikaga.

Nhóm của Mendes cũng tuyên bố tối thiểu hóa được tổn hao động cơ Tuy nhiên điều này yêu cầu moment tải và tốc độ phải được biết trước Việc này đúng trong một vài ứng dụng, ví dụ như các máy công cụ làm việc trong cùng 1 dây chuyền kín

Nhóm của Fetz đã phát triển một phương pháp tối ưu hóa hiệu suất cho motor điều khiển vector từ thông rotor Họ áp dụng tiêu chuẩn cực đại tỷ số mô men trên dòng điện stator, giúp tính toán các tham số cường độ mô men và cường độ trường tối ưu dựa trên một tham số mô men tải.

Điều khiển tìm kiếm (search control)

Điều khiển tìm kiếm, còn được gọi là điều khiển kiểm tra, điều khiển thích nghi hay tối ưu hóa on-line, là phương pháp tối ưu hóa một thông số thông qua phép thử và sai Nguyên tắc của nó nhằm cực trị hóa các tiêu chuẩn như hiệu suất tối đa, công suất ngõ vào bộ inverter tối thiểu, công suất khâu DC tối thiểu, tổn hao trong motor tối thiểu, tổn hao bộ lái tối thiểu, và dòng stator hoặc dòng điện ở khâu DC tối thiểu.

3.7.1 Điều khiển tìm kiếm truyền thống

Nguyên tắc khởi động động cơ xe điện được Geppert đề xuất lần đầu vào năm 1982, với tỉ số V/Hz định danh và giảm tỉ số này cho đến khi đạt được dòng khâu DC tối thiểu Ý tưởng về bộ lái phổ thông được Kusko và Galler trình bày vào năm 1983, trong khi nhóm Kirschen thực hiện mô phỏng đầu tiên vào năm 1985 Kết quả thực nghiệm được công bố vào năm 1987, cho thấy phương pháp điều khiển vectơ từ thông rotor đã tối thiểu hóa công suất ngõ vào bộ lái và duy trì ngõ ra motor ổn định Hệ thống tương tự cũng được nghiên cứu bởi Chen và Yeh vào năm 1991.

Điều khiển tìm kiếm cho bộ điều khiển theo từ thông rotor mang lại ưu điểm nổi bật là không phụ thuộc vào các thông số của motor, giúp tìm kiếm hiệu suất tối ưu thực sự Tuy nhiên, phương pháp này yêu cầu thời gian hội tụ dài (không dưới 4 giây) và có thể gặp phải các xung nhiễu liên tục trong moment và tốc độ, tùy thuộc vào thiết kế thuật toán Việc điều chỉnh thuật toán tìm kiếm có thể gặp khó khăn để đảm bảo hội tụ chính xác trong mọi tình huống Để tối thiểu hóa công suất, cần bổ sung các cảm biến chính xác, trừ khi dòng stator được tái tạo từ dòng khâu DC, giúp thu thập công suất ở khâu DC một cách dễ dàng.

Nhóm Kirschen đã nghiên cứu về nhiễu loạn và tắt dần moment trong động cơ, nhận thấy rằng gần điểm hiệu suất tối ưu, nhiễu loạn với bước nhảy từ thông trước lớn hơn và tắt dần chậm hơn, nhưng có thể bù đắp bằng cách tăng độ lợi của bộ điều khiển tốc độ thông qua lập trình đơn giản Trong tất cả các chiến lược điều khiển tối ưu năng lượng, một vấn đề với bộ lái điều khiển vectơ từ thông rotor là đáp ứng của động cơ khi từ thông giảm và cần moment lớn đột ngột Khi từ thông thấp và dòng stator bị giới hạn ở ngưỡng danh định, động cơ không thể chuyển tải đủ moment chỉ bằng cách tăng dòng moment xoắn Nếu bộ lái không được chuẩn bị, nó sẽ tăng dòng tạo ra moment xoắn đến giá trị giới hạn mà không tăng dòng trường, dẫn đến việc động cơ không thể phân phối moment theo yêu cầu Một giải pháp đề xuất là thiết lập giới hạn nhân tạo cho dòng moment xoắn cho đến khi giá trị trường đạt danh định, sau đó tiếp tục tăng dòng moment xoắn, điều này chỉ làm giảm đặc tính động của hệ thống một ít so với bộ lái hoạt động với trường liên tục.

Năm 1988, Sul và Park đã đề xuất một phương pháp tìm kiếm cho động cơ máy bơm, giả định rằng đặc tính tải là không đổi Moment tải được chia thành nhiều phần theo đặc tính tốc độ Trong quá trình khởi động, động cơ hoạt động từ trạng thái tĩnh đến tốc độ định mức, sử dụng thuật toán điều khiển tìm kiếm để xác định các tần số trượt tối ưu và lưu trữ chúng Khi hoạt động bình thường, động cơ được điều khiển theo tần số trượt, dựa trên các giá trị tham khảo tối ưu đã lưu Kết quả là sơ đồ điều khiển trở nên đơn giản và nhanh chóng trong điều kiện hoạt động ổn định, nhưng khi đặc tính tải thay đổi, các giá trị tần số tham khảo cần phải được dò tìm lại.

Nhóm Moreira đã giới thiệu vào năm 1989 và 1991 một hệ thống điều khiển tìm kiếm cho bộ lái vô hướng, với phát minh chính là ước lượng thành phần hài bậc 3 của điện áp stator thay vì đo tốc độ Đối với các hệ thống có đặc tính moment-tốc độ cố định, họ đề xuất bỏ qua việc đo hoặc ước lượng tốc độ, mà thay vào đó là ước lượng moment xoắn để chỉ thị công suất ngõ ra của motor Cả hai phương pháp này đều giúp tối thiểu hóa công suất ở khâu DC.

Năm 1990, Kim đã công bố phát minh về việc tối thiểu hóa dòng stator thông qua điều khiển tìm kiếm thay vì tối thiểu hóa công suất ngõ vào Tuy nhiên, ông đã chứng minh rằng không thể điều khiển công suất ngõ ra hay tốc độ, do đó không thể xác nhận tính khả thi của bộ lái được mô tả trong thực tế.

Năm 1996, Kioskeridis và Margaris đã chỉ ra rằng việc tối thiểu hóa dòng stator mang lại nhiều ưu điểm hơn so với việc tối thiểu hóa công suất ngõ vào Kết quả cho thấy hiệu quả thực hiện gần như tương đương, nhưng việc tối thiểu hóa dòng stator dễ dàng quan sát hơn và ít tốn kém hơn về cảm biến Họ cũng tính toán rằng phương pháp này đặc biệt có lợi trong các bộ lái lớn, nơi việc đo công suất ngõ vào trở nên khó khăn.

Nhiều tác giả đã nghiên cứu về việc tối ưu hóa điều khiển tìm kiếm thông qua những thay đổi nhỏ trong thực tế Năm 1991, Famouri và Cathey đã giảm thiểu công suất vào inverter cho một bộ lái vô hướng bằng cách điều chỉnh tần số trượt rotor Tiếp theo, vào năm 1993, Blaabjerg và Pedersen đã tối ưu hóa công suất khâu DC bằng cách điều chỉnh tỉ số V/Hz, như được minh họa trong hình 3.14.

Năm 1995, nhóm Cleland đã đề xuất việc tối ưu hóa hiệu suất tìm kiếm trong bộ lái vô hướng bằng cách thực hiện điều khiển tìm kiếm trong hệ thống điều khiển vòng hở với đặc tính tải đã biết Họ khẳng định rằng có thể điều chỉnh tốc độ mà không cần thông số motor, chỉ bằng cách tăng tần số stator khi giảm điện áp stator Tuy nhiên, đề xuất này chưa được chứng minh thực tế, gây nghi ngờ về khả năng áp dụng của nó.

3.7.2 Điều khiển tìm kiếm dùng Logic mờ và mạng thần kinh nhân tạo

Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc sử dụng logic mờ trong điều khiển tìm kiếm mang lại lợi ích vượt trội so với các phương pháp điều khiển truyền thống, đặc biệt khi hệ thống quá phức tạp hoặc không rõ ràng Điều này đặc biệt hữu ích trong tối ưu hóa năng lượng, nơi mà mô hình hệ thống động cơ không được biết đến Sử dụng điều khiển mờ giúp thuật toán hội tụ nhanh hơn và có khả năng chấp nhận các tín hiệu không chính xác do nhiễu Lần đầu tiên điều khiển mờ được áp dụng cho tối ưu hóa năng lượng bởi nhóm Sousa vào năm 1993 và 1995, với mục tiêu giảm thiểu công suất của bộ lái điều khiển vectơ từ thông rotor Hai nghiên cứu này đã báo cáo thời gian hội tụ là 4 giây Các nghiên cứu khác từ nhóm Cleland năm 1995, Wang và Liaw năm 1997, và Bose cũng đã mô tả ứng dụng của điều khiển tìm kiếm mờ.

Vào năm 1997, nhóm nghiên cứu của Bose đã giới thiệu điều khiển tìm kiếm logic mờ cho bộ lái motor không sử dụng cảm biến, với thời gian hội tụ chỉ 10 giây Đây là lần đầu tiên công nghệ này được thực nghiệm trong hệ thống không cảm biến, và các nhà nghiên cứu đã đề xuất giảm từ thông theo hàm tam giác để hạn chế nhấp nhô moment xoắn Họ cũng áp dụng sơ đồ điều khiển logic mờ để huấn luyện mạng thần kinh cho các tác vụ tiếp theo Trước đó, vào năm 1996 và 1997, nhóm của Choy và Hasan đã sử dụng mạng thần kinh để thực hiện điều khiển tìm kiếm, thiết lập mô hình bộ lái motor và áp dụng các thuật toán điều khiển kinh điển để huấn luyện mạng ở các điểm làm việc khác nhau Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là mất đi ưu điểm của điều khiển tìm kiếm khi cần phải thiết lập mô hình trước, mặc dù họ cũng có thể lựa chọn cách huấn luyện mạng theo thực nghiệm.

Năm 1997, nhóm Moreno-Eguilaz đã so sánh các thuật toán điều khiển tìm kiếm khác nhau và kết luận rằng điều khiển mờ là phương pháp hiệu quả nhất, mang lại độ hội tụ nhanh nhất.

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG ROTOR

Phương pháp điều khiển định hướng trường

Động cơ điện hoạt động như một nguồn mô-men xoắn có thể điều khiển được Để đảm bảo hiệu suất trong hệ truyền động có đặc tính động cao, yêu cầu chính là kiểm soát chính xác giá trị mô-men xoắn tức thời của động cơ, thông qua phương pháp điều khiển vị trí trục rotor.

Moment sinh ra trong động cơ là kết quả của sự tương tác giữa dòng trong cuộn ứng và từ thông trong hệ thống kích từ Để đạt được moment tối đa, từ thông cần được duy trì ở mức tối ưu, giúp giảm thiểu độ bão hòa của mạch từ Khi từ thông giữ giá trị không đổi, moment sẽ tỷ lệ thuận với dòng ứng Trong động cơ không đồng bộ, dòng ứng là dòng rotor, trong khi từ thông được sinh ra bởi dòng stator Dòng rotor không được điều khiển trực tiếp bởi nguồn ngoài, mà là hệ quả của sức điện động cảm ứng từ chuyển động của rotor so với từ trường stator, làm cho dòng stator trở thành nguồn cung cấp từ thông và dòng ứng.

Trong động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc, việc điều khiển mô-men xoắn tối ưu gặp khó khăn do chỉ có dòng stator được điều khiển trực tiếp và không thể bố trí cố định giữa từ thông stator và rotor Để khắc phục điều này, nguyên lý định hướng theo trường (FOC) đã được đề xuất, cho phép điều khiển độc lập từ thông và mô-men xoắn Nguyên lý FOC dựa trên phương pháp phân tách phi tuyến, giúp đơn giản hóa mô hình toán bằng cách điều khiển các biến đã chọn sao cho chúng luôn bằng 0, từ đó loại bỏ một số nhánh trong mô hình tổng quát.

Phương pháp điều khiển định hướng theo trường bao gồm:

- Điều khiển định hướng theo vector từ thông stator (trực tiếp, gián tiếp)

- Điều khiển định hướng theo vector từ thông rotor (trực tiếp, gián tiếp)

- Điều khiển định hướng theo vector từ thông khe hở không khí (trực tiếp, gián tiếp)

Chúng tôi chỉ tập trung vào phương pháp điều khiển "định hướng từ thông rotor" vì nó cho phép điều khiển độc lập từ thông và mô men Trong khi đó, phương pháp điều khiển định hướng từ thông stator và từ thông khe hở không khí không thể điều chỉnh hai thành phần này một cách độc lập.

Trong phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor, mô hình động cơ không đồng bộ được biểu diễn trên hệ trục d-q bởi nó những ưu điểm sau:

- Trong hệ từ thông rotor (d-q), các vector dòng stator  i s f và vector từ thông rotor f ψ  r

, cùng với hệ trục (d-q) quay gần đồng bộ với nhau với tốc độ ω s quanh điểm gốc, do đó các phần tử của vector  i s f

( i sd , i sq ) là các đại lượng một chiều

Hình 4.1 Hệ trục từ thông rotor (dq)

Trong chế độ xác lập, các giá trị giữ ổn định, trong khi trong quá trình quá độ, chúng có khả năng biến đổi theo một thuật toán đã được xác định trước.

Từ phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ : r r r r r r r f f f r m s r r u =0=R i +dψ dt ψ =L i +L i

Trong hệ thống điện, chỉ số r đại diện cho hệ quy chiếu trục rotor, trong khi s biểu thị hệ trục α-β và f cho hệ trục d-q Góc θ là góc lệch giữa hệ trục α-β và d-q, còn rθ là góc lệch giữa trục rotor và trục α Tốc độ góc của từ thông rotor so với stator được ký hiệu là ω, với rω là tốc độ góc của từ thông stator so với stator và sω là tốc độ trượt Các công thức liên quan đến tốc độ góc và sự thay đổi theo thời gian được mô tả qua các phương trình như dθ/dt và ω = ω + ωs.

Kết hợp các phương trình (4.1) (4.2) (4.3) ta được: f f f r m s sl r r r dψ L 1

Hay rd m sd rd sl rq r r rq m sq rq sl rd r r dψ L 1

Trong hệ trục d-q,  rq  0.Suy ra, phương trình từ thông được viết lại như sau: r rd m sd rd r r dψ dψ L 1

Mômen của động cơ được tính như sau: e 3 f s s f

Phương trình từ thông stator và rotor trong hệ d-q: f f f s s s m r f f f r m s r r ψ =L i +L i ψ =L i +L i

Thay phương trình trên vào phương trình tính moment ta được: e m rd sq rq sd m rd sq r r

Các phương trình (4.4) và (4.5) cho thấy rằng từ thông và moment điện từ có thể được điều khiển qua dòng stator Phương pháp mô tả ĐCKĐB ba pha tương tự như động cơ một chiều với kích từ độc lập Tốc độ của ĐCKĐB ba pha có thể điều khiển thông qua hai thành phần dòng điện i_sd và i_sq Trong đó, từ thông rotor được giữ cố định bằng cách giữ thành phần i_sd ổn định, trong khi moment được điều chỉnh thông qua việc thay đổi thành phần i_sq Vector từ thông rotor được chọn làm chuẩn, gắn với hệ trục d-q và quay cùng tốc độ với hệ trục này.

Phương pháp điều khiển định hướng theo véctơ từ thông rotor có 2 phương pháp là:

Có 2 cách để xác định được biên độ và vị trí góc của từ thông rotor được đo hoặc ước lượng Cảm biến Hall có thể được sử dụng để đo từ trường bằng cách đặt các cảm biến này vào trong khe hở không khí của động cơ Tuy nhiên, phương pháp này làm cho giá thành của hệ thống cao, độ tin cậy của hệ truyền động giảm và việc thi công rất khó khăn Phương pháp ước lượng từ thông thì khâu ước lượng từ thông việc tính toán sẽ phức tạp và sai số phụ thuộc rất nhiều vào thông số của động Tuy nhiên phương pháp này thích hợp cho hệ thống có đặc tính động cao

Vị trí rotor có thể dễ dàng đo bằng cảm biến gắn ngoài, phù hợp cho các loại động cơ phổ biến, nhưng chỉ thích hợp cho việc điều khiển trạng thái xác lập Do đó, phương pháp điều khiển gián tiếp sẽ được lựa chọn để nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển trong đề tài này.

Mô hình điều khiển gián

Hình 4.2 Sơ đồ điều khiển gián tiếp

Phương pháp điều khiển gián tiếp được minh họa qua sơ đồ trong Hình 4.3, trong đó vị trí góc của vector từ thông rotor θ r được tính toán dựa trên tốc độ trượt ω sl và tốc độ ω của động cơ Góc của vector từ thông rotor được xác định theo công thức θ r = ∫(ω + ω sl) dt từ 0 đến t.

Từ (3.38d) ta suy ra được vận tốc trược như sau: m sq sl rd sl m sq r r rd

Mặc khác từ công thức 4.4 ta có ψ +s.T ψ =L i rd r rd m sd

Hay rd rd r m sd ψ +T dψ =L i dt

Khi vận hành ở trạng thái xác lập thì ψ =L i rd m sd (4.8)

Thế 4.8 và 4.7 ta được sl sq r sd

Theo công thức 4.9 ta thấy rằng vận tốc trượt  sl phụ thuộc vào thời hằng rotor

Trong quá trình vận hành động cơ, điện trở rotor biến thiên đáng kể do sự thay đổi nhiệt độ Sự biến đổi này phụ thuộc vào tần số và mức độ bão hòa từ của điện kháng rotor.

Khối hiệu chỉnh vận tốc (RW) sẽ thiết lập dòng iqs

* Khối hiệu chỉnh từ thông (R ) sẽ thiết lập thành phần dòng i ψ sd *

Các thành phần dòng i qs* và i ds* cần được chuyển đổi sang hệ tọa độ ba pha, tạo thành các dòng pha i a, i b, i c trước khi thực hiện quá trình điều chế độ rộng xung.

Các khối (1) và (2) thực hiện quy đổi từ hệ (d,q) (a,b,c) và ngược lại như sau: Phép chuyển đổi từ hệ tọa độ (d,q) sang hệ tọa độ ( , )

Phép chuyển đổi từ hệ tọa độ ( , ) sang hệ tọa độ (a,b,c )

XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ THIẾT KẾ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN KĐB BA PHA CÓ XÉT ĐẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRÊN PHẦN MỀM MATLAB

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tiết kiệm năng lượng

Trong chương này, chúng tôi sẽ xây dựng mô hình mô phỏng bộ điều khiển cho động cơ không đồng bộ 3 pha theo phương pháp vectơ, áp dụng thuật toán điều khiển tối ưu năng lượng đã được phân tích trong chương trước Sơ đồ khối mô phỏng hệ thống sẽ được trình bày chi tiết.

Hình 5.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

Trong sơ đồ, hệ trục d-q cố định giúp tách biệt việc điều khiển từ thông và moment xoắn của động cơ Hai thông số này được điều khiển bởi dòng dọc trục và dòng ngang trục stator, tương tự như động cơ DC Động cơ sử dụng bộ nghịch lưu PWM điều khiển theo dòng điện, hoạt động như bộ nguồn dòng sin 3 pha Tốc độ thực của rotor được so sánh với tốc độ yêu cầu, và sai số sẽ được đưa vào bộ điều khiển tốc độ để điều chỉnh moment xoắn Te.

Hình 5.2 Nguyên tắc điều khiển vectơ

Từ hình 5.1 có thể thấy rằng từ thông và moment xoắn có thể lần lượt được điều khiển riêng lẻ bằng dòng ids và iqs

Như trong chương trước, dòng iqs là hàm của moment xoắn như sau:

Trong đó: Lr là điện cảm rotor, Lm là hỗ cảm và ψ r est là từ thông rotor được ước lượng theo công thức sau: m ds r est r r r r ψ = L i

Dòng dọc trục i * ds nhận được trục tiếp từ từ thông tham chiếu ψ r * theo công thức sau:

Trong đó, từ thông tham chiếu ψ r * được điều khiển dựa vào thuật toán tiết kiệm năng lượng

Vị trí của vectơ từ thông rotor dùng trong chuyển đổi hệ trục tọa độ được tính từ tốc độ rotor và tần số trượt như sau: θ = e   ω +ω m sl  dt (5.4)

Trong đó tần số trượt được tính từ dòng i * qs và thông số motor m r * sl qs r est r

Sau đó các dòng tham chiếu i ,i được chuyển đổi thành các dòng điện pha * qs * ds

* * * a b c i , i , i cho bộ điều khiển motor theo dòng điện, chuyển đổi giữa các hệ tọa độ được thực hiện theo công thức (4.10) và (4.11)

Bộ điều khiển tốc độ có vai trò quan trọng trong việc duy trì tốc độ rotor theo giá trị tham chiếu đã được định trước Để thực hiện chức năng này, bộ điều khiển thường áp dụng thuật toán điều khiển PI kinh điển.

Bảng 5.1 Thông số động cơ dùng trong sơ đồ mô phỏng như sau:

Công suất định mức PPHP7300 W Điện áp dây VF0 V

Tốc độ định mức ω6 rad/s

Số pha m=3 Điện trở stator Rs mΩ Điện cảm riêng stator L =0.8mH ls Điện trở rotor R = 2 2 8 m Ω r Điện cảm riêng rotor L =0.8 mH lr

Mô men quán tính J=1.662 Kg

Từ thông rotor tham chiếu ψ =0.96 * r

Sơ đồ mô phỏng của hệ thống điều khiển động cơ:

Hình 5.3 Sơ đồ mô phỏng của hệ thống điều khiển động cơ

Sơ đồ bên phải minh họa cách tính và hiển thị công suất tiêu thụ của hệ thống Các tín hiệu đo điện áp nguồn DC và dòng chỉnh lưu được đưa vào hàm nhân (khối product), sau đó kết quả được chuyển qua hàm mean để tính giá trị công suất trung bình rời rạc (khối discrete mean value).

Hình 5.4 Mô hình khối điều khiển Vector

Sau đây là kết quả mô phỏng với từ thông rotor tham chiếu:  r * =0.96

Hình 5.5 Đồ thị các thành phần U (a), I (b),(c), Tm (d) với từ thông rotor tham chiếu  r * =0.96

Đồ thị từ thông rotor tại tham chiếu  r * =0,96 cho thấy rằng động cơ khởi động ở chế độ không tải Sau 0.9 giây, động cơ bắt đầu ổn định và vào thời điểm t=1.8 giây, tải được đóng vào động cơ với momen tải Tm = 200 Nm.

Điện áp dây Vab ngõ ra từ bộ nghịch lưu cung cấp cho điện áp mạch stator có biên độ 780V, được điều chế theo nguyên lý độ rộng xung (PWM).

Dòng xoay chiều 3 pha được cung cấp cho mạch stator động cơ qua bộ nghịch lưu Trong quá trình khởi động, tại thời điểm t = 0.9s, dòng khởi động đạt giá trị rất lớn khoảng 150-200A Sau đó, trong khoảng thời gian t = 0.9-1.8s, dòng điện giảm xuống mức rất thấp, chỉ còn khoảng 35-50A Khi t = 1.8s, khi đóng tải, dòng điện bắt đầu tăng dần và duy trì giá trị ổn định trong suốt thời gian xác lập.

Hình 5.5c: Đáp ứng tốc độ đảm bảo các tiêu chuẩn ổn định của hệ thống điều khiển tự động

Hình 5.5d: Đáp ứng mômen điện từ cho thấy khi khởi động mômen đạt giá trị cực đại Tmax00 Nm, ở chế độ xác lập không tải (d

, do đó ta thấy đáp ứng mômen dần về 0 Vào thời điểm t=1.8s đóng tải Tm 0Nm, mômen điện từ tăng dần và đạt giá trị 200 Nm ở xác lập

Công suất tiêu thụ của hệ thống cho bởi hình (5.7):

Trong hình 5.7, đồ thị công suất tiêu thụ với từ thông rotor tham chiếu  r * = 0.96 cho thấy trong thời gian khởi động từ 0 đến 0.9 giây, công suất tiêu thụ đạt tối đa P max = 42000 W Khi chuyển sang chế độ xác lập không tải, công suất tiêu thụ giảm dần xuống còn 2000 W Sau đó, khi động cơ được đóng tải, công suất tiêu thụ tăng dần và ổn định ở mức P = 30000 W.

Thiết kế thuật toán điều khiển tối ưu từ thông

Mô hình toán động cơ không đồng bộ thông được xây dựng trên hệ trục dq quay đồng bộ với từ trường: m m r sq e r dω p L

2 2 2 r m sq sd s m s r r m r sd sq r sd

2 2 sq r m s r r m sd sq m r sq sd r 1d

Trong đó: ψ r : từ thông rotor i sd , i sq , u sd , u sq : hình chiếu dòng và điện áp stator trên d, q

Ls, Lr, Lm : điện cảm riêng và cảm ứng của các cuộn dây

Rs, Rr : điện trở của các cuộn dây stator, rotor p : số cặp cực m : số pha của cuộn stator

Tổn hao đồng trong động cơ có dạng:

Trong đó: Is : giá trị hiệu dụng dòng stator

I r ’ : giá trị hiệu dụng dòng rotor quy đổi về stator

Biểu diễn (5.7) thông qua các hình chiếu của dòng điện trên 2 trục d,q ta có:

2 2 2 2 cu sd sq s rd rq r ΔP = m(i +i )R +m(i +i )R (5.8)

Hình chiếu của từ thông móc vòng trên hệ trục dq có dạng: rd r rd m sq r rq r rd m sq ψ = L i +L i = ψ ψ = L i +L i = 0

Suy ra: r m sd m rd rq sq r r ψ - L i L i = ;i = - i

Thay thế i2d, i2q vào (5.8) ta có phương trình tổn hao:

2 2 r m sd m 2 cu sd sq s 2 sq r r r ψ -L i L ΔP = m(i +i )R + m + i R

Tổn hao trong lõi sắt từ có dạng:

Hay trong vùng dao động nhỏ có thể viết:

Như vậy tổng tổn hao có dạng:

2 2 r m sd m 2 r sd sq s 2 sq r core r r r ΔP = ΔP +ΔP ψ -L i L ω ψ

Ta biết rằng trong chế độ tĩnh ta có: e r r sd sq m m r

(5.13) Để tổn hao là cực tiểu: opt

Dựa trên hàm tổn hao năng lượng trong động cơ không đồng bộ, bài viết trình bày phương pháp sử dụng đạo hàm để tìm cực tiểu hàm tổn hao kết hợp với giải thuật điều khiển theo giá trị từ thông tối ưu Qua đó, chúng tôi xây dựng luật điều khiển tối ưu năng lượng cho động cơ không đồng bộ Với các thông số mô hình đã biết, thuật toán điều khiển được phát triển nhằm tối thiểu hóa hàm tổn hao trong khi vẫn đảm bảo ràng buộc về tốc độ của động cơ Luật điều khiển này đã được kiểm chứng qua mô phỏng trên phần mềm Matlab.

Xây dựng và mô phỏng khối điều chế từ thông tối ưu

Thiết kế một hệ thống con với đầu vào là tín hiệu tốc độ rotor hồi tiếp và đầu ra là tín hiệu từ thông tham chiếu, theo công thức đã được xác định.

Hình 5.8 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tiết kiệm năng lượng

Từ thông tối ưu được tính theo công thức (5.15) và được đưa vào bộ "Điều chỉnh từ thông" (bộ PI) để hiệu chỉnh Tín hiệu ngõ ra của bộ PI chính là tín hiệu dòng điện đặt tại trục d (id*).

Trong công thức (5.15), việc tính toán tổn thất lõi thép ΔP core 0 là một thách thức lớn do dữ liệu về tổn thất lõi thép thường không có sẵn Để xác định tổn thất lõi thép ΔP core 0, chúng ta cần áp dụng công thức tính tổn thất lõi thép cho động cơ tiêu chuẩn với các thông số cụ thể.

Bảng 5.2 Thông số động cơ tiêu chuẩn

Công suất định mức P 1  22kw

Số cặp cực P=2 Đện trở rotor đã quy về stator R r 1  0.86  Điện cảm riêng rotor đã quy về stator Llr1 = 1.82mH

Bảng 5.3 Thông số của động cơ đang xét như sau:

Công suất định mức P = 50 HP = 37300 W Điện áp dây V = 460 V

Tốc độ định mức N 80 vòng/phút

Số pha m = 3 Điện trở stator Rs = 87 mΩ Điện cảm riêng stator L = 0.8 mH ls Điện trở rotor (đã quy về stator)

R = 2 2 8 m Ω r Điện cảm riêng rotor L = 0.8 mH lr

Mô men quán tính J=1.662 Kg

Từ thông rotor tham chiếu ψ = 0.96 * r

Ta có các tỷ lệ tương ứng giữa các đại lượng của 2 động cơ: core1 core stk r m stk lr core1 stk1 r1 m1 stk1 lr1 core stk r lr1 stk1 r1 lr

Trong đó: P core ,P core1 lần lượt là tổn thất lõi thép trong động cơ đang xét 37.3 kW và động cơ tiêu chuẩn 22 kW

Kết quả trên cho ta thấy tổn thất lõi thép của động cơ đang xét có

P = 37.3 kWgấp 6.03 lần tổn thất lõi thép của động cơ tiêu chuẩn có công suất

P = 22 kWgần với công suất của động cơ đang xét nhất

Bây giờ ta tính tổn thất lõi thép Pcore1 của động cơ tiêu chuẩn 22 kW theo biểu thức:

Công thức P = 0.02(1+0.69s)ψ.f + 0.234(1+0.69s)ψ.f (W)s mô tả mối quan hệ giữa từ thông khe hở không khí (ψm), tần số stator (fs) và hệ số trượt (s) Động cơ tiêu chuẩn được thí nghiệm ở các chế độ vận tốc khác nhau, từ đó thu thập các thông số cần thiết để tính toán tổn thất theo công thức 5.15 dựa trên các đường đặc tuyến.

Khi n 00 v/p,T = 60 N.m (giữ momen tải ở định mức), tra được các thông m số f = 0.8 sl (tần số trượt), ψ = 0.46 m

Suy ra hệ số trượt: sl s f 0.8 s = = = 0.032 f 25

K 1 , K 2 phụ thuộc các thông số động cơ và không đổi trong các trường hợp

Từ thông rotor tối ưu theo công thức: opt

Khi n= 900 v/p, T = 60 N.m (giữ momen tải ở định mức), ta tra được các thông m số f =0.6 sl (tần số trượt),ψ m =0.5

Suy ra hệ số trượt: sl s f 0.6 s = = = 0.024 f 25

Khi n = 300 v/p, T = 60 N.m (giữ momen tải ở định mức), ta tra được các thông m sốf = 0.46 (tần số trượt), sl ψ m = 0.58

Suy ra hệ số trượt: sl s f 0.46 s = = = 0.0185 f 25

Từ trường hợp 1, 2 và 3 ta có công thức chung để tính từ thông tham chiếu như công thức

Dựa vào công thức 5.12, thiết kế một hệ thống con với đầu vào là tín hiệu tốc độ rotor hồi tiếp và đầu ra là tín hiệu từ thông tham chiếu.

Hình 5.9 Sơ đồ mô phỏng khối điều chế từ thông tối ưu

Hình 5.10 minh họa vị trí của khối điều chế từ thông tối ưu, được xác định theo thuật toán tiết kiệm năng lượng trong mô hình điều khiển Khối này có ngõ vào là tốc độ hồi tiếp và ngõ ra là từ thông tối ưu, thể hiện sự tối ưu hóa trong việc quản lý năng lượng.

Kết quả mô phỏng

5.4.1 Kết quả mô phỏng với từ thông tối ưu

Thiết lập các thông số mô phỏng:

- Tốc độ đặt không đổi 120 rad/s

- Mômen thay đổi từ 0 đến 200 N.m ở t = 1.8s

- Khối từ thông rotor tối ưu chọn K = 0.19

Hình 5.11 Đồ thị các thành phần U, I, ω , Tm của từ thông tối ưu

Hình 5.12 Đồ thị từ thông tối ưu ψ * r opt

Hình 5.13 Đồ thị công suất tiêu thụ của động cơ với từ thông tối ưu

Điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu cung cấp cho mạch stator đạt biên độ 780V, được điều chế theo nguyên lý độ rộng xung (PWM).

Dòng xoay chiều 3 pha cung cấp cho mạch stator động cơ, với dòng điện khởi động ban đầu lớn Sau 0.7 giây, dòng điện giảm xuống mức ổn định trong chế độ không tải Khi đóng tải tại thời điểm t = 1.8 giây, dòng điện tăng dần và duy trì giá trị ổn định Tốc độ động cơ đạt 120 rad/s sau 3.5 giây, đảm bảo tiêu chuẩn ổn định của hệ thống điều khiển tự động Mômen điện từ đạt giá trị cực đại khi khởi động, phản ánh hiệu suất cao của động cơ.

Tmax= 300 N.m , ở chế độ xác lập không tải dω

=0 T = T m dt  , do đó ta thấy đáp ứng mômen dần về 0 Vào thời điểm t = 1,8 s đóng tải Tm = 200 N.m, mômen điện từ tăng dần và đạt giá trị 200 N.m ở xác lập

Trong quá trình khởi động, giá trị từ thông rotor tối ưu ban đầu cao và sau đó giảm dần Khi thời gian t = 1.8 giây, khi có tải vào, từ thông này lại tăng dần và ổn định ở mức ψ * r opt = 1.16 Wb trong suốt thời gian xác lập.

Trong quá trình khởi động, động cơ tiêu thụ công suất tối đa Pmax = 39950 W tại thời điểm t = 0.7 giây Khi chuyển sang chế độ không tải, công suất tiêu thụ giảm dần về 0 Sau đó, khi đóng tải cho động cơ tại t = 1.8 giây, công suất tăng dần và ổn định ở mức trung bình khoảng Pmax = 28500 W.

5.4.2 So sánh công suất tiêu thụ ứng với từ thông tối ưu và từ thông tham chiếu ở các chế độ làm việc khác nhau

5.4.2.1 So sánh công suất tiêu thụ ứng với từ thông tối ưu và các từ thông tham chiếu khác nhau

Thiết lập các thông số mô phỏng:

- Tốc độ đặt không đổi 120 rad/s

- Mômen thay đổi từ 0 đến 200 N.m ở t = 1.8s

- Khối từ thông rotor tối ưu chọn K = 0.19

Hình 5.14 Đồ thị công suất tiêu thụ của từ thông tối ưu và các từ thông tham chiếu khác nhau

Đường cong màu xanh dương thể hiện công suất tiêu thụ khi áp dụng thuật toán tối ưu năng lượng, với giá trị thấp hơn so với các đường cong khác Trong giai đoạn khởi động (t = 0 – 0.7 s), công suất tối đa đạt 39950 W, trong khi ở giai đoạn xác lập, công suất là 28500 W Đường cong màu hồng đại diện cho công suất của từ thông rotor tham chiếu định mức, có giá trị cao hơn đường cong công suất tối ưu với mức P = 41200 W.

Trong giai đoạn quá độ, công suất là P = 30000 W, trong khi ở giai đoạn xác lập, công suất đạt khoảng P = 34000 W và P = 35000 W Đường cong được thể hiện bằng màu xanh lá cây (phir* = 0.7) và màu đỏ (phir* = 0.6) trong giai đoạn quá độ, với Pmin = 27000 W và Pmax = 52000 W.

Phần trăm năng lượng tiết kiệm được giữa khi sử dụng từ thông tối ưu và từ thông tham chiếu phir* = 0,96:

Phần trăm năng lượng tiết kiệm được giữa khi sử dụng từ thông tối ưu và từ thông tham chiếu phir* = 0,7:

Phần trăm năng lượng tiết kiệm được giữa khi sử dụng từ thông tối ưu và từ thông tham chiếu phir* = 0,6:

Thuật toán tối ưu năng lượng, đặc biệt là công thức tính từ thông rotor dựa trên tín hiệu hồi tiếp tốc độ, đã giúp giảm thiểu tổn hao đồng và tổn hao sắt trong động cơ không đồng bộ Điều này dẫn đến việc giảm công suất tiêu thụ cho hệ thống trong chế độ khởi động và xác lập Đặc biệt, khi sử dụng các từ thông tham chiếu nhỏ, năng lượng tiết kiệm được càng lớn.

5.4.2.2 So sánh công suất tiêu thụ ứng với từ thông tối ưu và từ thông tham chiếu ở các tốc độ khác nhau

- Mômen thay đổi từ 0 đến 200 N.m ở t = 1.8 s

Hình 5.15 Đồ thị các thành phần U, I, ω , Tm với từ thông tối ưu ở các tốc độ 100,120,140 rad/s

Hình 5.16 Đồ thị công suất tiêu thụ của từ thông tối ưu và từ thông tham chiếu với các tốc độ khác nhau

Công suất tiêu thụ ứng với từ thông tối ưu và từ thông tham chiếu ở tốc độ 90 rad/s:

Thiết lập thông số mô phỏng:

- Mômen thay đổi từ 0 đến 200N.m ở t = 1.8 s

Hình 5.17 Đồ thị các thành phần U, I,, Tm, với từ thông tối ưu ở tốc độ

Hình 5.18 Đồ thị công suất tiêu thụ của từ thông tối ưu và từ thông tham chiếu với tốc độ 90 rad/s

Phần trăm năng lượng tiết kiệm được:

Công suất tiêu thụ đạt mức tối ưu luôn thấp hơn so với công suất tiêu thụ của từ thông tham chiếu Đặc biệt, công suất tiêu thụ giảm đáng kể khi tốc độ hoạt động thấp hơn mức định mức.

5.4.2.3 So sánh công suất tiêu thụ ứng với từ thông tối ưu và từ thông tham chiếu với các mức tải khác nhau

Thiết lập các thông số mô phỏng:

- Tốc độ đặt không đổi 120 rad/s

- Mômen thay đổi từ 0 đến 180N.m ở t = 1.8s

- Khối từ thông rotor tối ưu chọn K = 0.19

Hình 5.19 Đồ thị các thành phần U, I,, T m , của từ thông tối ưu với môn men tải

Hình 5.20 Đồ thị công suất tiêu thụ của từ thông tối ưu và từ thông tham chiếu với moomen tải T0 N.m

Phần trăm năng lượng tiết kiệm được:

Thiết lập các thông số mô phỏng:

- Tốc độ đặt không đổi 120 rad/s

- Mômen thay đổi từ 0 đến 150 N.m ở t = 1.8s

- Khối từ thông rotor tối ưu chọn K = 0.19

Hình 5.21 Đồ thị các thành phần U, I,, Tm, của từ thông tối ưu với môn men tải

Hình 5.22 Đồ thị công suất tiêu thụ của từ thông tối ưu và từ thông tham chiếu với momen tải T0 N.m

Công suất tiêu thụ giảm đáng kể khi động cơ hoạt động với tải lớn, trong khi đối với tải nhỏ, công suất tiêu thụ tương ứng với từ thông tối ưu và từ thông tham chiếu gần như tương đương nhau.