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 Trên toàn cầu, EDMS chiếm khoảng 43% - 46% tổng điện năng tiêu thụ, góp phần làm tăng mức tiêu thụ năng lượng.
Nếu không có các biện pháp chính sách sử dụng năng lượng toàn diện và hiệu quả, lượng khí thải CO2 dự kiến sẽ đạt 8570 triệu tấn vào năm 2030, trong khi tiêu thụ năng lượng từ động cơ điện có thể tăng lên 13360 TWh mỗi năm Hiện tại, khách hàng chi tiêu khoảng 565 tỷ USD mỗi năm cho điện năng trong hệ thống quản lý năng lượng điện (EDMS), con số này có thể tăng lên gần 900 tỷ USD vào năm 2030.
Việc cải tiến các phương pháp điều khiển động cơ có thể giúp giảm đáng kể nhu cầu năng lượng động cơ điện toàn cầu Tất cả các thống kê trong các lĩnh vực đều cho thấy tiềm năng lớn trong việc tiết kiệm năng lượng, từ đó thúc đẩy hiệu quả sử dụng điện năng.
Nếu mỗi động cơ không đồng bộ tiết kiệm được một vài phần trăm năng lượng tiêu thụ, tổng sản lượng điện tiết kiệm sẽ rất lớn và có ý nghĩa quan trọng Điều này càng trở nên cần thiết trong bối cảnh hiện nay khi tình trạng thiếu năng lượng đang diễn ra.
Năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường, trở thành mối lo ngại lớn cho các quốc gia trên toàn thế giới Bên cạnh đó, sự cố tại các nhà máy điện nguyên tử cũng tiềm ẩn nguy cơ ảnh hưởng đến sức khỏe con người.
Vấn đề tiết kiệm năng lượng đang ngày càng nhận được sự chú ý lớn, vì nhiều lý do quan trọng Điều này cũng thể hiện rõ mục đích và tầm quan trọng của đề tài luận văn “Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha có xét đến tiết kiệm năng lượng”.
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 theo mô hình tổn hao cho động cơ Nghiên cứu về điều khiển động cơ không đồng bộ đã chú trọng đến việc 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, cũng như “Nghiên cứu các phương pháp tiết kiệm điện năng trong hệ truyền động động cơ KĐB 3 pha” của Nguyễn Thanh Tuấn 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 từ trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM vào năm 2012, phát triển một thuật toán điều khiển tối ưu nhằm giảm thiểu tổn hao năng lượng trong động cơ Để đạt được hiệu suất cao và chất lượng điều khiển tốt, cần xác định chính xác mô men và từ thông tối ưu dựa trên các thông số thực nghiệm của động cơ ở mọi chế độ hoạt động.
Mục tiêu và nhiệm vụ
Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển các giải thuật và mô hình điều khiển tiết kiệm điện năng cho động cơ không đồng bộ 3 pha, với việc xem xét sự biến đổi trong đặc tính năng lượng của động cơ Các giải thuật được xây dựng dựa trên nguyên lý điều khiển từ thông tối ưu, nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng.
3 các tốc độ 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 vào nghiên cứu các giải thuật và mô hình điều khiển nhằm tối ưu hóa từ thông rotor, với mục tiêu giảm thiểu tổn hao năng lượng 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
Đánh giá, so sánh kết quả
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 thuật toán và mô hình điều khiển tối ưu từ thông, nhằm giảm thiểu tổn hao trong động cơ dựa trên các thông số thực nghiệm Quá trình này xem xét các thông số mô men của động cơ xuyên suốt trong quá trình vận hành, đồng thời xác định nhanh chóng và chính xác giá trị từ thông tối ưu Điều này không chỉ nâng cao chất lượng điều khiển mà còn cải thiện khả năng tiết kiệm năng lượng cho động cơ.
Giá trị thực tiễn của luận văn
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 cho động cơ ở nhiều tốc độ và tải khác nhau, so với phương pháp điều khiển FOC truyền thống.
Bố cục của luận văn
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Tổn hao và các phương pháp điều khiển tiết kiệm năng lượng trong động cơ không đồng bộ ba pha
Chương 4: Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor và hướng nghiên cứu
Chương 5: Xây dựng mô hình và thiết kế thuật toán điều khiển động cơ điện không đồng bộ ba pha có xét đến tiết kiệm năng lượng
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tìm hiểu về tiết kiệm năng lượng trong động cơ và các hệ truyền động cơ không đồng bộ
Hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ ngày càng phổ biến và tiêu thụ lượng điện năng lớn, trong đó có nhiều tổn hao vô ích Để giảm thiểu tổn hao này, cần hiểu rõ nguyên nhân và tìm cách can thiệp hiệu quả, nhằm giảm thiểu điện năng tiêu thụ nhưng vẫn đảm bảo hiệu suất hoạt động Dưới đây là các dạng tổn hao xảy ra 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: một phần được sử dụng để sinh ra công có ích cho quá trình công nghệ, như kéo các hệ truyền động, và phần còn lại là tổn hao năng lượng Tổn hao này bao gồm nhiệt năng trên điện trở dây quấn stator (Pcu1), tổn hao trên điện trở sắt từ (PFe), tổn hao trên điện trở rotor (Pcu2), cùng với các tổn hao cơ học do ma sát và quạt gió (Pfrict).
Để tiết kiệm năng lượng trong động cơ KĐB, cần hiểu rõ mục đích và công suất sử dụng của động cơ Việc xác định nguyên nhân gây tổn hao năng lượng là cần thiết để tìm ra các biện pháp tiết kiệm hiệu quả Hình 2.1 minh họa sự phân bố năng lượng trong động cơ, giúp chúng ta nắm bắt tình hình tổn hao và cải thiện hiệu suất hoạt động.
Bài viết đề cập đến 6 động cơ không đồng bộ tương ứng với các dạng công suất khác nhau, cùng với hình 2.2 minh họa 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 sử dụng năng lượng này cũng phù hợp với đa số các 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 của động cơ có sự khác biệt rõ rệt Đặc biệt, 67% năng lượng tổn hao trong động cơ xảy ra ở các loại có công suất định mức dưới 52kW Do đó, để tiết kiệm năng lượng một cách hiệu quả, cần tập trung nghiên cứu các giải pháp tiết kiệm cho động cơ có công suất 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
Trong lắp đặt hệ thống HVAC, các nhiệm vụ chính bao gồm điều khiển 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 Bài viết sẽ trình bày một sự so sánh 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 khởi động 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 được bật, điều khiển on/off sẽ mang lại hiệu suất năng lượng tối ưu, ngược lại, hiệu suất sẽ giảm nếu không đạt tải định mức.
Điều khiển từng bước (stepwise) là phương pháp quản lý động cơ lớn bằng cách chia chúng thành các bộ phận nhỏ, sử dụng điều khiển on/off cho từng bộ phận Mỗi động cơ sẽ được bật hoặc tắt tùy theo nhu cầu sản xuất, giúp các động cơ hoạt động gần với tải định mức và tối ưu hóa hiệu suất năng lượng Mặc dù phương pháp này có ưu điểm về hiệu suất, nhưng nhược điểm là chi phí lắp đặt cao 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.
Điều khiển quá trình cơ khí là phương pháp được áp dụng trong các ứng dụng yêu cầu điều khiển liên tục các thông số đầu ra, khi các phương pháp điều khiển on/off và stepwise không đủ hiệu quả Động cơ cảm ứng được kết nối trực tiếp với lưới điện, cho phép điều khiển các thông số đầu ra như áp suất thông qua các thiết bị cơ khí như van, van tiết lưu hoặc các nhánh hồi tiếp.
Phương pháp điều khiển cơ khí có 8 điểm chính, trong đó một vấn đề quan trọng là gây ra mất mát năng lượng không thể tránh khỏi khi không hoạt động ở mức tải tối đa Nói một cách đơn giản, điều này tương tự như việc vận hành một chiếc xe hơi với công suất tối đa nhưng lại điều chỉnh tốc độ bằng cách sử dụng phanh.
Điều khiển tốc độ thay đổi sử dụng động cơ với bộ chuyển đổi công suất điện tử, giúp tiêu thụ năng lượng tối ưu cho quá trình Việc điều khiển này chỉ cần thay đổi tốc độ, mặc dù chi phí lắp đặt cao Tuy nhiên, điều khiển biến tốc được ưa chuộng nhờ vào chất lượng điều khiển tốt, khả năng tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu tiếng ồn, đặc biệt từ các quạt.
Khi so sánh các chiến lược điều khiển ứng dụng HVAC, có thể thấy rằng phương pháp điều khiển cơ khí không hiệu quả do mất mát năng lượng lớn trong trường hợp 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 phù hợp với phương pháp stepwise và biến tốc, trong khi phương pháp on/off được ưu tiên khi tải cao và chi phí lắp đặt thấp Việc áp dụng kỹ thuật tốt trong thiết kế hệ thống có thể tiết kiệm năng lượng đáng kể, với phương pháp on/off và điều khiển từng bước thường mang lại giải pháp tối ưu Tuy nhiên, trong các hệ thống yêu cầu chất lượng điều khiển cao, phương pháp biến tốc là lựa chọn duy nhất hiệu quả về năng lượng 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 hoạt động, như thu mua, bảo trì, sửa chữa, phí năng lượng và các vấn đề môi trường.
Tiết kiệm năng lượng trong các ứng dụng HVAC bằng cách điều khiển biến tốc
Việc sử dụng điều khiển biến tốc thay vì điều khiển cơ khí trong các ứng dụng HVAC mang lại nhiều lợi ích, đặc biệt khi xem xét một máy bơm làm ví dụ Phân tích này cho thấy điều khiển biến tốc có khả năng tiết kiệm năng lượng hiệu quả hơn trong nhiều ứng dụng, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống Do đó, việc áp dụng công nghệ điều khiển biến tốc là lựa chọn thông minh để giảm tiêu thụ năng lượng trong ngành HVAC.
Bài viết mô tả bốn phiên bản của hệ thống bơm, được thể hiện qua các hình 2.4 đến 2.7 Hai phiên bản đầu có tốc độ không đổi và điều khiển cơ khí, trong khi hai phiên bản sau sử dụng điều khiển biến tốc Hình 2.4 và 2.6 minh họa máy bơm không có cột áp, còn hình 2.5 và 2.7 thể hiện 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 cũng thể hiện đường cong lưu lượng - áp suất của đặc tính máy bơm (PC Pump Characteristic) và đặc tính của 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
Như hình 2.4 và 2.5 cho thấy, lưu lượng được giảm từ A đến B bằng cách sử dụng van và cản trở trong ống, làm thay đổi đặc tuyến hệ thống từ SC1 sang SC2 Trong khi đó, hình 2.6 và 2.7 minh họa rằng mặc dù đặc tính hệ thống không đổi, sự thay đổi tốc độ đã làm thay đổi đặc tuyến máy bơm từ PC1 sang PC2, dẫn đến việc 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 ở mức tải tối đa (điểm A), bộ lái tốc độ hằng đạt hiệu suất tốt nhất do bộ chuyển đổi công suất điện tử trong bộ lái biến tốc gây ra mất mát thêm trong động cơ và bộ converter Ngược lại, ở mức tải 50% (điểm B), không có cột áp, phương pháp biến tốc cho thấy sự cải thiện đáng kể (so sánh biểu cột 2.4 và 2.6), trong khi hầu hết các mất mát trong bộ lái tốc độ hằng chủ yếu tiêu tán tại van Khi có cột áp, sự khác biệt giữa các phương pháp không rõ rệt như vậy (so sánh biểu đồ cột 2.5 và 2.7), 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, đối với các loại tải bậc hai, việc sử dụng 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 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 loại tải bậc hai, lý tưởng cho việc điều khiển biến tốc độ, điển hình là máy bơm nước nhiệt Ngược lại, máy bơm có đầu giúp tiết kiệm năng lượng thông qua việc điều chỉnh tốc độ, tuy nhiên hiệu quả không cao, ví dụ như 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
Kết luận
Động cơ không đồng bộ và hệ truyền động sử dụng loại động cơ này có tiềm năng lớn trong việc tiết kiệm điện năng thông qua các phương pháp điều khiển hiệu quả Nghiên cứu các phương pháp sử dụng năng lượng một cách hiệu quả trong động cơ và hệ truyền động sẽ được thúc đẩy nhờ vào mô hình, nguyên lý làm việc và các phương pháp điều khiển hiện đại.
Bài viết này nhằm nghiên cứu động cơ không đồng bộ và các phương pháp điều khiển của nó theo hướng tiết kiệm năng lượng Các chương tiếp theo sẽ tập trung vào việc phân tích các phương pháp điều khiển hiệu quả nhằm tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng.
TỔN HAO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG ĐC KĐB
Tổn thất trong động cơ không đồng bộ thay đổi được tốc độ
Hình 3.1 minh họa dòng năng lượng chảy qua động cơ từ nguồn vào đến tải như bộ thông gió và máy bơm, trong đó mỗi khối đều có sự tổn thất khi truyền năng lượng Các khối này đóng vai trò quan trọng trong quá trình truyền tải năng lượng.
- 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 chức năng điều khiển tần số và điện áp của stator Một ví dụ điển hình của bộ chuyển đổi này là bộ PWM-VSI, được trang bị 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 được điều chế độ rộng xung (PWM-VSI) với diode chỉnh lưu, như minh họa trong hình 3.2, hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong các bộ điều khiển có công suất lên đến hàng trăm kW Đối với động cơ có bộ thắng gấp hoặc khi kéo tải tích cực, cần thiết phải có bộ tiêu tán công suất bằng điện trở ở khâu DC hoặc sử dụng 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, giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống 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 thường dao động trong khoảng 0.96-0.98, tùy thuộc vào công suất và phương pháp làm mát, 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, nhưng điều này có thể làm tăng EMI Giá trị dv/dt lớn ở ngõ ra gây ra vấn đề, đặc biệt với các motor kết nối qua cáp dài Trong một số bộ chuyển đổi, dv/dt ở ngõ ra được giới hạn 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 thường không đáng kể.
Tổn hao chuyển mạch của bộ nghịch lưu bị ảnh hưởng bởi chiến lược điều chế, trong đó có thể sử dụng chiến lược cho phép ngõ ra của một chân inverter không chuyển mạch trong 60 độ Ngoài ra, có các chiến lược điều chế rời rạc giúp 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, mà bài viết này không đề cập đến.
3.1.2 Động cơ không đồng bộ
Mô hình tổn hao thay thế một pha của động cơ KĐB:
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 chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ, và có thể được tính toán bằng cách bỏ qua hiệu ứng bề mặt trên dây quấn.
- 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 trong động cơ Nhiều phương pháp đã được đề xuất để tính toán loại tổn hao này, trong đó có công thức tính dựa trên từ thông và tần số cơ bản.
- 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 tương tự như trong stator, nhưng cần thay thế tần số của stator bằng tần số trượt Đồng thời, cần nhân với tỷ số giữa khối lượng sắt của stator và khối lượng sắt của 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 Rfe 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, việc 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 kém Đối với motor khởi động trực tiếp, việc giảm điện trở rotor có thể dẫn đến tăng dòng khởi động và giảm lực khởi động, nhưng điều này không ảnh hưởng khi khởi động bằng converter Cải thiện quạt làm mát theo một hướng duy nhất có thể chấp nhận trong một số ứng dụng, nhưng không phải cho motor tiêu chuẩn Việc sử dụng các trụ tốt hơn và giảm tổn thất tải tản gặp 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
Bằng cách tăng thể tích lõi, như mở rộng chiều dài stator hoặc lưng sắt stator, từ thông của mạch từ sẽ được cải thiện Điều này cho phép giảm số lượng dây quấn stator và tạo ra nhiều khoảng trống 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
23 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
Iline : trị hiệu dụng của dòng dây
Pin : công suất ngõ vào motor
Thành phần hài được đặc trưng bởi thông số độ méo dạng hài tổng (THD):
I Trong đó I : trị hiệu dụng của dòng chỉnh lưu
Sử dụng lưới sin có thể dẫn đến việc các họa tần không tạo ra công suất hữu ích, mà chỉ gây ra tổn hao năng lượng trên lưới Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc tối ưu hóa các thành phần hài cơ bản trong hệ thống điện.
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
Tối ưu hóa năng lượng bằng việc giảm từ thông motor
Để tối ưu hóa hiệu suất động cơ, ngoài 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 ở 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
Dòng rotor là yếu tố quan trọng trong việc tạo ra moment điện từ cần thiết Với một moment tải đã được xác định, moment điện từ có thể được tính toán từ vô số kết hợp giữa dòng điện từ tích số và dòng rotor.
Nếu dòng stator (Im) lớn và dòng rotor (Ir) nhỏ, tổn thất ở lõi và dây quấn stator sẽ cao, trong khi tổn thất ở dây quấn rotor lại thấp Ngược lại, khi Im nhỏ hơn và Ir lớn hơn, tổn thất trên lõi và dây quấn stator sẽ giảm, nhưng tổn thất ở rotor sẽ tăng Tuy nhiên, tổn thất stator cũng sẽ bắt đầu tăng, dẫn đến việc cần một tỉ số tối ưu giữa dòng từ và dòng rotor để giảm tổng tổn thất cho một moment tải nhất định Thông thường, động cơ được thiết kế để hoạt động hiệu quả nhất ở mức tải định mức, nhưng khi không tải, từ thông sẽ dư thừa.
Im lớn và Ir nhỏ Tổng tổn hao có thể được giảm thiểu bằng cách giảm Im và tăng Ir
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
Việc tối ưu hóa hiệu suất motor trong ứng dụng HVAC bằng cách giảm thiểu tổn hao so với việc điều khiển từ thông khe hở không khí không đổi là rất quan trọng, đặc biệt trong khu vực non tải Các hệ thống HVAC thường hoạt động ở tải nhẹ trong thời gian dài, do đó việc kiểm soát năng lượng trở nên cần thiết Thiết kế các dự án HVAC thường tính đến tình huống tải cao nhất, như máy bơm nước nóng cần đảm bảo cung cấp nhiệt cho ngôi nhà trong những ngày lạnh nhất Điều này dẫn đến việc máy bơm thường chỉ hoạt động ở một phần công suất thiết kế, và motor thường được thiết kế lớn hơn mức cần thiết để đáp ứng nhu cầu này.
Tất cả các động cơ của một nhà sản xuất đều nằm trong một khoảng công suất cho phép, do đó, các nhà thiết kế cần áp dụng hệ số an toàn cho công suất định mức nhằm đảm bảo các thông số kỹ thuật được ghi trên thân máy.
Khi lựa chọn motor cho dự án, kỹ sư cần tính toán công suất cần thiết và chọn giá trị công suất gần nhất lớn hơn giá trị tính toán, do thị trường chỉ cung cấp một số công suất nhất định Chẳng hạn, các động cơ không đồng bộ có các công suất nhỏ như 1.1, 1.5, 2.2, 3, 4, 5.5 và 7.5 kW.
Hệ thống động cơ không đồng bộ có khả năng hoạt động hiệu quả ngay cả khi tải đầy, cho phép tiết kiệm năng lượng trong các ứng dụng HVAC Việc điều chỉnh tốc độ động cơ phù hợp với tải giúp tối ưu hóa hiệu suất sử dụng, giảm thiểu tình trạng sử dụng motor ở mức tải tối đa.
Nhược điểm chính của điều khiển tối ưu năng lượng là việc giảm thông lượng khi không tải, điều này khiến cho động cơ trở nên nhạy cảm với các nhiễu từ tải và làm giảm chất lượng đáp 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, nhưng điều này không khả thi vì nhiều lý do khác nhau.
Dù điểm làm việc tối ưu năng lượng đã được tính toán chính xác, nhưng 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 tổn hao rất khó dự đoán, như tổn hao tải tản, tổn hao lõi khi thay đổi điểm bão hòa và các họa tần, cũng như tổn hao đồng do biến động nhiệt độ.
Do giới hạn về giá thành sản phẩm, việc thu thập toàn bộ các tín hiệu đo được trở nên khó khăn, dẫn đến việc một số tín hiệu phải được ước lượng, từ đó gây ra sai sót Cụ thể, các tín hiệu như điện áp ngõ ra của converter và dòng điện DC thường rất khó đo chính xác.
Điều khiển tối ưu năng lượng của bộ lái VVFF
Bộ converter VVFF (Variable Voltage Fixed Frequency) là một trường hợp đặc biệt của điều khiển tối ưu hóa năng lượng, trong đó điện áp stator thay đổi với 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 Do đó, bộ converter VVFF được xem xét riêng biệt trong phần này.
Nỗ lực đầu tiên để tối ưu hiệu suất của bộ lái động cơ không đồng bộ thông qua việc điều khiển converter đã được thực hiện với bộ converter VVFF của Nola vào năm 1977 Việc điều khiển góc kích của converter khởi động mềm cho phép điều chỉnh điện áp stator cơ bản, từ đó nâng cao hiệu suất của motor Nguyên tắc điều khiển đầu tiên là duy trì 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 duy trì một thông số ổn định, như góc kích, hệ số công suất, dòng stator hoặc công suất ngõ vào Nghiên cứu của Rowan và Lipo vào năm 1983 cho thấy việc tối thiểu hóa hệ số công suất hoặc công suất ngõ vào mang lại hiệu suất tối ưu Tuy nhiên, bộ converter VVFF gặp nhược điểm lớn với tổn hao họa tần, làm cho việc cải tiến hiệu suất vẫn là một thách thức Nghiên cứu của họ cũng chỉ ra rằng ở tải trên 0.9, bộ VVFF dẫn điện hoàn toàn, dẫn đến tổn hao trên Thyristor làm giảm hiệu suất 1.5% so với motor không điều khiển Ngược lại, ở tải dưới 0.45 định mức, bộ khởi động mềm có hiệu suất tốt hơn motor không điều khiển, cho thấy tiết kiệm năng lượng chỉ khả thi khi motor hoạt động non tải trong thời gian dài.
Với sự phát triển của transistor công suất, bộ khởi động mềm đã được thay thế bằng 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 ngành công nghiệp và thường có tùy chọn tiết kiệm năng lượng Các bộ khởi động mềm hiện đại đã được kiểm tra bởi Blaabjerg vào năm 1995, nhưng kết quả cho thấy sẽ không có ai đầu tư vào chúng nếu chỉ sử dụng cho mục đích khởi động mềm.
Việc tiết kiệm năng lượng là rất quan trọng, nhưng tối ưu hóa năng lượng có thể gây ra vấn đề về độ ổn định và làm tăng hài trên lưới điện, khiến việc đáp ứng các tiêu chuẩn IEC-1000 mới 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 giảm hiệu quả 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) được minh họa trong hình 3.7, với điện áp ngõ ra được điều chế bằng độ rộng xung Hiện nay, bộ nghịch lưu điều chế biên độ xung chủ yếu được áp dụng trong các ứng dụng đặc biệt như tốc độ cao hoặc điện áp thấp, và không được đề cập 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
Nhiều tín hiệu hồi tiếp được cung cấp trong hệ thống điều khiển của ASD tối ưu năng lượng, như thể hiện trong sơ đồ khối điều khiển Trong các bộ lái công nghiệp, thường 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 làm tăng chi phí, nên không phổ biến trong công nghiệp Một giải pháp khả thi cho các bộ lái là tái tạo dòng 3 pha stator từ dòng DC, theo đề xuất của Blaajerg, giúp đo công suất ngõ vào bộ nghịch lưu mà không làm tăng giá thành.
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, trong đó điện áp stator được xác định là hàm của dòng điện và tần số stator theo biểu thức (3.14) 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 khá lớn ở tần số thấp.
Trong đó : K(fs) : 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) của động cơ không đồng bộ sử dụng biến tần được Rosenberg mô tả vào năm 1976 Đến năm 1981, Earle đã liên hệ nguyên tắc này với việc tối ưu hóa năng lượng lần đầu tiên Trước đó, vào năm 1977, Nola đã giới thiệu điều khiển hệ số công suất nhưng chỉ áp dụng cho động cơ một pha thông qua các Thyristor.
Nhiều sáng chế và bài báo đã nghiên cứu về việc tối ưu hóa điều khiển cos(φ) năng lượng cho động cơ không đồng bộ, nhấn mạnh các phương pháp đo lường và thực thi điều khiển, như minh họa trong hình 3.9 Ngoài ra, còn có những đề xuất cụ thể về cách tạo ra giá trị tham khảo cho việc này.
Hình 3.9 Ví dụ về điều khiển cos() trong một bộ lái vô hướng
Điều khiển cos(φ) có ưu điểm là đơn giản và không cần thông tin về tốc độ rotor, nhưng nhược điểm 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 cố định, trong khi đối với các loại khác, cần điều chỉnh theo hàm nhất định, chẳng hạn như hàm của tần số stator hoặc tải Hiện nay, vẫn chưa có tài liệu nào phân tích chi tiết về vấn đề này đối với các loại motor và kích thước khác nhau.
3.5.2 Điều khiển tần số trượt stator
Nỗ lực đầu tiên tính toán tần số trượt tối ưu để tiết kiệm năng lượng được nhóm Jian thực hiện vào năm 1983 cho bộ lái tần số không đổi, đồng thời thảo luận về ảnh hưởng của bão hòa lên các giá trị tham khảo Nhóm Stanton cũng đề xuất sử dụng tham chiếu tần số trượt không đổi ở vùng moment thấp, tuy nhiên, tổn hao lõi vẫn ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển tần số trượt không đổi Cùng năm, nhóm Park đã đề xuất điều khiển độ trượt không đổi trong bộ lái nghịch lưu nguồn dòng, và nhóm Kim cũng thực hiện tương tự vào năm 1984 Đến năm 1984, Park và Sul đã giới thiệu một chiến lược điều khiển tối ưu năng lượng, trong đó các tần số trượt rotor tối ưu được lập bảng dựa trên đo đạc off-line của bộ lái động cơ, cho thấy rằng các giá trị tần số trượt tối ưu chỉ phụ thuộc vào tốc độ của motor.
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 trong đó bộ điều khiển sử dụng các phương trình mô hình hóa động cơ và tổn thất của nó để tính toán hiệu suất tối ưu Để áp dụng phương pháp này, thông số của motor cần được biết trước Các bộ lái cùng với motor và converter được thiết kế để hoạt động đồng bộ có thể được hiện thực hóa thông qua các phương pháp đo đạc off-line Nếu không, cần sử dụng thuật toán ước lượng thông số tự động để đảm bảo hiệu quả điều khiển.
3.6.1 Các động cơ vô hướng
Galler đã giới thiệu vào năm 1980 mô hình motor để tính toán tần số stator tối ưu và điều khiển tốc độ bằng 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 định mạch từ tuyến tính.
Trong đó n : tốc độ zp : số cặp cực
L r: điện cảm rotor được mô tả bởi Kusko và Galler năm 1983, với phương pháp thực hiện như hình 2.11 Tổn thất lõi có thể được đưa 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 ngoại tuyến Đề xuất cuối cùng là sử dụng bảng tra tương tự như sơ đồ trong hình 3.11, nhằm khắc phục hạn chế của các biểu thức (3.15).
Mô hình 34 và (3.16) của Kusko và Galler không tính đến phần bão hòa của mạch từ, dẫn đến việc không thể đạt được kết quả tốt trong thực tế.
Bose đã phát triển một phương pháp tối ưu hóa hiệu suất động cơ vô hướng thông qua việc sử dụng mô hình tổn hao Phương pháp này bao gồm việc thu thập dòng stator và từ thông khe hở để tính toán các loại tổn hao như tổn hao dây đồng và tổn hao lõi, đồng thời đưa bão hòa vào các tính toán Hiệu suất được xác định bằng cách đo dòng và áp stator, từ đó tính toán công suất ngõ vào Từ thông khe hở được điều chỉnh từng bước nhỏ nhằm đạt hiệu suất tối ưu, trong khi tần số trượt được tính toán dựa trên từ thông khe hở và moment tải Mặc dù phương pháp này cho kết quả tốt, nhưng nó đòi hỏi sự phức tạp trong việc đo đạc các thông số như tốc độ, từ thông khe hở, dòng và điện áp stator Ý tưởng về việc tìm kiếm tổn hao nhỏ nhất thông qua mô hình tổn hao cũng đã được đề xuất bởi Kusko và Galler.
Năm 1992, Pederen và Blaabjerg đã đề xuất một biểu thức mô tả điện, trong đó dòng điện tối ưu được xác định theo hàm của tham chiếu moment và tốc độ.
Ý tưởng điều khiển motor vòng hở do Yamakawa phát minh vào năm 1994, trong đó công suất đầu vào của động cơ được đo và tính toán để xác định 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
Gs : hằng số của một motor xác định bao gồm cả bão hòa ω : vận tốc góc của trục m
T : hằng số thời gian của một motor xác định s
Hằng số thời gian của motor, được ký hiệu là Tps, xác định sự thay đổi của từ thông khe hở khi tải tăng Biểu thức (3.18) chỉ ra rằng từ thông cần giảm ở một tốc độ nhất định để hạn chế tổn hao lõi, trong khi ở tốc độ khác, từ thông phải 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 khác nhau.
3.6.2 Bộ lái điều khiển vector hướng trường (Field Oriented Vector Controlled Drives)
Sử dụng bộ điều khiển theo mô hình cho bộ lái hướng vectơ trường là lựa chọn hợp lý nhờ vào thông tin chính xác về tốc độ và một số thông số mô hình đã được xác định Tuy nhiên, cần lưu ý rằng việc có các mô hình bão hòa từ và tổn hao lõi chính xác là cần thiết để giảm thiểu tổn hao một cách hiệu quả Trong nhiều bộ lái điều khiển theo vectơ trường thông thường, cả tổn thất lõi và bão hòa từ thường bị bỏ qua, điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể.
Hình 3.12 Ví dụ về điều khiển tối ưu hiệu suất dựa trên mô hình động cơ được thực hiện trong khung tham chiếu hướng trường
Đa phần các đề nghị về tổn hao dựa trên các thông số từ thông nhằm tìm tổn hao tối thiểu cho một moment tải và tốc độ cố định Kết quả có thể được thể hiện theo nhiều cách khác nhau, tùy thuộc vào cách biểu diễn như giữa điện trở tổn hao lõi và sai lệch thực tế, nhưng ý tưởng cơ bản vẫn giống nhau 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 các trường hợp khác, điểm hiệu suất tối ưu được mô tả qua tỉ số giữa trường từ và moment, như trong nghiên cứu của nhóm Garcia và nhóm Ashikaga.
Nhóm của Mendes đã công bố rằng họ có thể tối thiểu hóa tổn hao động cơ, tuy nhiên điều này cần biết trước moment tải và tốc độ Điều này chỉ áp dụng đúng trong một số ứng dụng cụ thể, chẳng hạn như các máy công cụ hoạt động trong cùng một 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 bằng cách sử dụng tiêu chuẩn cực đại tỷ số moment trên dòng điện stator Phương pháp này cho phép tính toán các tham số cường độ moment và cường độ trường tối ưu dựa trên một tham số moment 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 chính của điều khiển này là cực trị hóa các tiêu chuẩn như: tối đa hóa hiệu suất, tối thiểu hóa công suất đầu vào của bộ inverter, giảm thiểu công suất ở khâu DC, giảm thiểu tổn hao trong motor, tối thiểu tổn hao bộ lái, và giảm dòng stator hoặc dòng điện ở khâu DC.
3.7.1 Điều khiển tìm kiếm truyền thống
Nguyên tắc đầu tiên được Geppert công bố vào năm 1982 liên quan đến động cơ xe điện, đề xuất khởi động motor với tỉ số V/Hz định mức Sau khi đạt được moment yêu cầu không thay đổi, tỉ số V/Hz sẽ được giảm dần cho đến khi tìm được mức dòng khâu DC tối thiểu.
Ý tưởng về bộ lái phổ thông được Kusko và Galler đề xuất lần đầu vào năm 1983, với mô phỏng đầu tiên do nhóm Kirschen thực hiện vào năm 1985 Kết quả thực nghiệm đã được báo cáo vào năm 1987, trong đó họ áp dụng điều khiển tìm kiếm với sơ đồ điều khiển vectơ từ thông rotor, nhằm tối thiểu hóa công suất ngõ vào bộ lái và duy trì ngõ ra motor ổn định bằng cách điều chỉnh tốc độ, giả định rằng đặc tính tải không đổi Năm 1991, một hệ thống tương tự cũng đã được nghiên cứu bởi Chen và Yeh.
Điều khiển tìm kiếm cho bộ điều khiển theo từ thông rotor mang lại ưu điểm lớn là không phụ thuộc vào các thông số của motor, giúp đạt hiệu suất tối ưu Tuy nhiên, phương pháp này yêu cầu thời gian hội tụ dài, không dưới 4 giây, và có thể gây ra xung nhiễu liên tục trong moment và tốc độ, tùy thuộc vào thiết kế thuật toán Việc điều chỉnh thuật toán tìm kiếm để đảm bảo hội tụ chính xác trong mọi trường hợp có thể gặp khó khăn Để tối thiểu hóa công suất, cần bổ sung cảm biến chính xác, trừ khi dòng stator được tái tạo từ dòng khâu DC, giúp dễ dàng thu thập công suất ở khâu DC.
Nhóm Kirschen nghiên cứu về nhiễu loạn và tắt dần moment trong động cơ, phát hiện rằng gần điểm hiệu suất tối ưu, nhiễu loạn với bước nhảy từ thông trước sẽ lớn hơn và tắt dần chậm hơn Tuy nhiên, điều này có thể được bù đắp bằng cách tăng độ lợi của bộ điều khiển tốc độ thông qua lập trình độ lợi đơn giản Trong tất cả các chiến lược điều khiển tối ưu năng lượng, một thách thức đối với các bộ lái điều khiển vectơ từ thông rotor là khả năng đáp ứng của động cơ khi từ thông giảm và yêu cầu moment lớn đột ngột.
Khi từ thông thấp và dòng stator bị giới hạn ở mức dòng danh định, động cơ không thể truyền tải đầy đủ mô men xoắn chỉ bằng cách tăng dòng mô men xoắn Nếu bộ lái không được chuẩn bị trước, nó sẽ tăng dòng tạo ra mô men xoắn đến giá trị giới hạn mà không tăng dòng trường, dẫn đến việc động cơ không thể phân phối mô men xoắn theo yêu cầu Đề xuất là thiết lập một giới hạn nhân tạo cho dòng mô men xoắn cho đến khi giá trị trường đạt danh định, sau đó mới tiếp tục tăng dòng mô men xoắn Điều này chỉ làm giảm đặc tính động của hệ thống một chút 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 thiết rằng đặc tính tải là không đổi Moment tải theo đặc tính tốc độ được chia thành nhiều phần, và trong quá trình khởi động, động cơ hoạt động từ zero đến tốc độ định mức Mỗi phần của đường tải sử dụng thuật toán điều khiển tìm kiếm để xác định các tần số trượt tối ưu và lưu trữ chúng vào bộ nhớ Trong điều kiện hoạt động bình thường, động cơ được điều khiển theo tần số trượt, sử dụng các tần số tối ưu làm giá trị tham khảo Kết quả là sơ đồ điều khiển trở nên đơn giản và nhanh chóng trong hoạt động bình thường, tuy nhiên, khi đặc tính tải thay đổi, các giá trị tần số tham khảo cần được dò tìm lại.
Nhóm Moreira đã công bố vào năm 1989 và 1991 các 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 nghị không đo hay ước lượng tốc độ mà thay vào đó ước lượng moment xoắn để chỉ thị công suất ngõ ra motor, giúp tối thiểu hóa công suất ở khâu DC trong cả hai trường hợp.
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 đầu vào Tuy nhiên, ông đã chứng minh rằng không thể điều khiển công suất đầu ra hoặc 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 chứng minh rằng việc tối thiểu hóa dòng stator mang lại nhiều ưu điểm hơn so với việc tối ưu hóa công suất đầu vào, với kết quả gần như tương đương.
Việc tối thiểu hóa dòng stator trong các bộ lái lớn giúp giảm thiểu số lượng cảm biến cần thiết, mang lại sự tiện lợi hơn trong quá trình đo lường Theo các nghiên cứu, điều này đặc biệt có lợi khi khó khăn trong việc đo công suất ngõ vào tối thiểu.
Nhiều tác giả đã nghiên cứu điều khiển tìm kiếm với những điều chỉnh nhỏ trong thực tế Năm 1991, Famouri và Cathey đã tối thiểu hóa công suất của inverter cho bộ lái vô hướng bằng cách điều chỉnh tần số trượt rotor Đến năm 1993, Blaabjerg và Pedersen tiếp tục tối thiểu hóa công suất khâu DC thông qua việc điều chỉnh tỉ số V/Hz, như được minh họa trong hình 3.14.
Năm 1995, nhóm Cleland đã đề xuất tối ưu hóa hiệu suất tìm kiếm trong bộ lái điều khiển vòng hở với đặc tính tải biết trước Họ khẳng định rằng có thể điều chỉnh tốc độ mà không cần biết các thông số của motor, thông qua việc tăng tần số stator khi giảm điện áp stator Tuy nhiên, đề xuất này chưa được chứng minh thực tế, điều này khiến tính khả thi của nó trở nên nghi ngờ.
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 nhiều lợi ích vượt trội so với các phương pháp điều khiển kinh điển, đặc biệt khi hệ thống quá phức tạp hoặc không rõ ràng Điều này khiến cho thuật toán điều khiển mờ trở thành lựa chọn lý tưởng cho việc tối ưu hóa năng lượng, nhất là trong các tình huống mà mô hình hệ thống motor không được biết đến Việc áp dụng điều khiển mờ không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn tăng cường khả năng thích ứng với các biến đổi trong môi trường.
Điều khiển mờ đã được giới thiệu lần đầu tiên với điều khiển tối ưu năng lượng nhóm Sousa vào năm 1993 và 1995, nhằm tối thiểu hóa công suất khâu DC của bộ lái điều khiển vectơ từ thông rotor Họ đã phát triển một đường thuận trục q để giảm thiểu nhấp nhô moment xoắn khi dòng trường nhảy bậc, với thời gian hội tụ được công bố là 4 giây Ngoài ra, điều khiển tìm kiếm mờ cũng đã được mô tả bởi nhóm Cleland vào năm 1995, cùng với các nghiên cứu của Wang và Liaw năm 1997, và Bose.
