Điều khiển động cơ không đồng bộ ở chế độ tiết kiệm năng lượng

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Nguyễn Thanh Phƣơng (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP. HCM ngày 28 tháng 09 năm 2013 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1. Chủ tịch : TS. Ngô Cao Cường 2. Phản biện 1: TS. Nguyễn Hùng 3. Phản biện 2: TS. Võ Hoàng Duy 4. Uỷ viên : TS. Huỳnh Châu Duy 5. Uỷ viên,thƣ ký : TS. Huỳnh Quang Minh Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có): ……………………………………………………………………… …………………………………… Chủ tịch hội đồng đánh giá LV TS. Ngô Cao Cƣờng TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM PHÒNG QLKH – ĐTSĐH CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc TP. HCM, ngày 10 Tháng 01 năm 2013. NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Ngô Đình Khôi Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 15/03/1968 Nơi sinh: Đồng Nai Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: 1141830012 I-TÊN ĐỀ TÀI: Điều khiển động cơ không đồng bộ ở chế độ tiết kiệm năng lượng II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu đối tượng là các động cơ điện hoạt động ở các chế độ tiết kiệm năng lượng - Đề xuất phương pháp thiết kế bộ điều khiển động cơ điện ở chế độ tiết kiệm năng lượng - Thiết kế giải thuật điều khiển động cơ điện ở chế độ tiết kiệm năng lượng - Xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm bộ điều khiển động cơ điện ở chế độ tiết kiệm năng lượng. - Khảo sát và so sánh kết quả mô phỏng III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10/01/2013 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/06/2013 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Nguyễn Thanh Phương CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc. Học viên thực hiện Luận văn (Ký và ghi rõ họ tên) Ngô Đình Khôi LỜI CÁM ƠN Để hoàn thành cuốn luận văn này, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đối với TS Nguyễn Thanh Phương, người thầy đã hết lòng, tận tâm, nhiệt tình hướng dẫn và cung cấp cho tôi những tài liệu vô cùng quý giá trong quá trình thực hiện luận văn. Xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy cô giáo đã giảng dạy, truyền đạt tri thức giúp tôi học tập và nghiên cứu trong quá trình học cao học tại trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP.HCM. Xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng quản lý khoa học - Đào tạo sau đại học và khoa Điện – Điện tử Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP.HCM đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và làm luận văn cao học tại trường. Xin chân thành cảm ơn các anh, chị học viên cao học lớp 11SMĐ1 đã đóng góp ý kiến cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn này. TP.Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2013 NGƯỜI THỰC HIỆN Ngô Đình Khôi TÓM TẮT Luận văn trình bày về phương pháp điều khiển giảm tổn thất của động cơ không đồng bộ 3 pha. Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu về phương thức điều khiển động cơ sao cho giảm tối thiểu tổn thất sắt từ cho động cơ không đồng bộ ba pha. Tìm hiểu tổng quan về các phụ tải điện thông dụng thuộc nhóm HVAC ( Heating, Ventilation and Air-Condition ) và chứng minh được khả năng tiết kiệm năng lượng bằng cách điều khiển tốc độ. Trình bày vấn đề về tổn hao và các phương pháp điều khiển tiết kiệm năng lượng của động cơ không bộ là kết quả tổng hợp các nghiên cứu khác nhau trên thế giới để đưa ra cái nhìn tổng quan toàn diện về lĩnh vực nghiên cứu. Xây dựng giải thuật điều khiển tiết kiệm năng lượng mà đối tượng chính là động cơ không đồng bộ. Dựa trên nền tảng cơ bản của phương điều khiển định hướng trường rotor gián tiếp (Indirect Field Oriented Control ) kết hợp với việc tìm ra giá trị từ thông rotor tối ưu mục đích để giảm các tổn hao trong động cơ tiết kiệm được năng lượng Thực hiện mô phỏng giải thuật tiết kiệm năng lượng trên phần mềm Matlab. Nhận xét các thành phần chính của động cơ như: điện áp, dòng điện, tốc độ, mômen, từ thông và công suất tiêu thụ . So sánh các kết quả khi sử dụng giải thuật từ thông rotor tối ưu với từ thông rotor tham chiếu để tính được lượng năng lượng tiết kiệm được. Và thực hiện mô phỏng lần lượt với từ thông tham chiếu, tốc độ đặt, mômen tải khác nhau để thấy được khả năng tiết kiệm là khác nhau. ABSTRACT This thesis present a reduce loss control method for induction motor. The goals of this thesis is study a control methology how to reduce to minimum the iron loss of the induction motor. Learn an overview of the electricity load of group common HVAC (Heating, Ventilation and Air-Condition) and proven ability to save energy by controlling the speed. Presenting problems loss and some control methods of saving energy of asynchronous motor was the collective results of different studies around the world to provide a comprehensive overview of research areas. Building control algorithms of saving energy which is the basic object asynchronously. Based on the fundamentals of the Indirect Field Oriented Control method with finding the value of optimal rotor flux goal to reduce the loss of engine power saving Perform algorithms simulation of saving energy on Matlab software. Reviews the major components of the engine such as voltage, current, speed, torque, flux and power consumption. Comparison of results when using algorithms optimized rotor magnetic flux with reference rotor flux for calculating the amount of energy savings. Performance simulation and in turn with reference flux, the speed set, different load torque to realize its potential for savings is different. MỤC LỤC Lời cam đoan…… .i Lời cảm ơn .ii Tóm tắt……. iii Abstract .iv Mục lục ……………………………………………………………………………v Danh mục các từ viết tắt………………………………………………………… viii Danh mục các bảng……………………………………………………………… ix Danh mục biểu đồ hình ảnh……………………………………………………… x Chƣơng 1: Tổng quan 1 1.1 Giới thiệu tổng quan 1 1.2 Mục đích nghiên cứu 2 1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài 2 1.4 Phương pháp nghiên cứu 3 1.5 Giá trị thực tiễn của đề tài 3 1.6 Bố cục của luận văn 3 Chƣơng 2: Tổng quan về phụ tải điện năng và khả năng tiết kiệm năng lƣợng 5 2.1 Thống kê về sử dụng các động cơ cảm ứng 5 2.2 Điều khiển hiệu quả năng lượng của các ứng dụng HVAC 8 2.3 Tiết kiệm năng lượng trong các ứng dụng HVAC bằng cách điều khiển biến tốc 10 2.4 Các ứng dụng với khả năng tiết kiệm năng lượng bằng điều khiển tốc độ 13 Chƣơng 3: Vấn đề tổn hao và các phƣơng pháp điều khiển tối ƣu năng lƣợng trong DCKĐB 15 3.1 Tổn thất trong động cơ không đồng bộ thay đổi được tốc độ 15 3.1.1 Bộ biến tần 14 3.1.2 Động cơ không đồng bộ 17 3.1.3 Truyền động 19 3.1.4 Tổn hao lưới với động cơ điều chỉnh tốc độ 21 3.2 Tối ưu hóa năng lượng bằng việc giảm từ thông động cơ 23 3.3 Điều khiển tối ưu năng lượng của bộ lái VVFF 25 3.4 Điều khiển tối ưu năng lượng của bộ lái VVVF 27 3.5 Điều khiển trạng thái đơn giản 29 3.5.1 Điều khiển cos (  ) (hệ số công suất) 30 3.5.2 Điều khiển tần số trượt stator 30 3.6 Điều khiển dựa vô hình 31 3.6.1 Các động cơ vô hướng 31 3.6.2 Bộ lái điều khiển vector hướng trường (Field Oriented Vector Controlled Drives) 34 3.7 Điều khiển tìm kiếm (search conttrol) 35 3.7.1 Điều khiển tìm kiếm truyền thống 35 3.7.2 Điều khiển tìm kiếm dùng Logic mờ và mạng thần kinh nhân tạo 38 3.8 Kết Luận 40 Chƣơng 4: Phƣơng pháp điều khiển định hƣớng trƣờng ( Field Oriented Cotrol – FOC) và hƣớng nghiên cứu 42 4.1 Phương pháp điều khiển định hướng trường 42 4.2 Kết luận và hướng nghiên cứu …………….48 Chƣơng 5: Phƣơng pháp thiết kế, mô phỏng và kết quả của hệ thống điều khiển động cơ điện ở chế độ tiết kiệm năng lƣợng 50 5.1 Phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển động cơ điện ở chế độ tiết kiệm năng lượng 50 5.1.1 Xây dựng thuật toán 50 5.1.2 Kết luận 55 5.2 Mô phỏng hệ thống điều khiển động cơ điện ở chế độ tiết kiệm năng lượng 55 5.1.2 Xây dựng và mô phỏng khối điều chế từ thông tối ưu 55 5.2.2 Xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển tiết kiệm năng lương 61 5.3 Kết quả 66 5.3.1 Xác định từ thông rotor tối ưu (TTRTU) 66 5.3.2 Kết quả mô phỏng 67 5.3.3 So sánh kết quả từ thông rotor tối ưu (TTRTU) với từ thông rotor tham chiếu định mức (TTRTTCĐM) 69 5.3.3.1 Điện áp 69 5.3.3.2 Dòng điện 69 5.3.3.3 Tốc độ 70 5.3.3.4 Momen 70 5.3.3.5 Từ thông 71 5.3.3.6 Công suất tiêu thụ (CSTT) 71 5.3.4 Xét các đồ thị công suất tiêu thụ khi động cơ hoạt động ở các chế độ TTRTTC khác nhau 72 5.3.5 Xét các đồ thị công suất tiêu thụ khi động cơ hoạt động ở các tốc độ đặt khác nhau 74 5.3.6 Xét các đồ thị công suất tiêu thụ khi động cơ hoạt động ở các momen đặt khác nhau 76 5.4 Kết luận 78 Chƣơng 6: Kết luận .79 6.1 Kết luận ……….…………………………………………………….…… 79 6.2 Các vấn đề đã thực hiện 79 6.3 Các vấn đề còn tồn tại 79 6.2 Hướng phát triển đề tài 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………… 81 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT HVAC Heating, Ventilation and Air-Condition CSTT Công Suất Tiêu Thụ ĐCKĐB Động Cơ Không Đồng Bộ PPĐK Phương Pháp Điều Khiển TTRTU Từ Thông Rotor Tối Ưu TTRTCĐM Từ Thông RotorTham Chiếu Định Mức [...]... hoạt động ở các chế độ tiết kiệm năng lượng 2 Đề xuất phương pháp thiết kế bộ điều khiển động cơ điện ở chế độ tiết kiệm năng lượng 3 Thiết kế giải thuật điều khiển động cơ điện ở chế độ tiết kiệm năng lượng 4 Xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm bộ điều khiển động cơ điện ở chế độ tiết kiệm năng lượng 5 Khảo sát và so sánh kết quả mô phỏng 1.3.2 Giới hạn của đề tài 1 Giải thuật tiết kiệm năng lượng. .. ứng dụng HVAC, gồm các bộ thông gió, bộ nén khí, các máy bơm và các tủ lạnh Không phải tất cả các động cơ điện đều là hoạt động cơ cảm ứng Một lượng nhỏ năng lượng được tiêu thụ bởi các loại động cơ khác, bao gồm các động cơ đồng bộ, các động cơ DC và các động cơ bước Dựa trên số liệu bán động cơ tại Mỹ năm 1989 được ước tính trong, 96% các động cơ sông suất hàng ngựa là động cơ cảm ứng Dù con số này... ưu của một động cơ 2.2KW…………….….24 Hình 3.5: Động cơ không đồng bộ được điều khiển bằng một bộ converter VVFF ( khởi động mềm )……………….…………………………………………… 26 Hình 3.6: Bộ PWM-VSI với diod chỉnh lưu trong phần lớn các ASD ( bộ lái được điều khiển tốc độ ) ngày nay……………………………………………………27 Hình 3.7: Sơ đồ khối điều khiển cho việc tối ưu hiệu suất của một bộ lái động cơ 28 Hình 3.8: Ví dụ về bộ điều khiển cos... hoạt động của bộ điều khiển 2 Ứng dụng thiết kế chi tiết thiết bị điều khiển động cơ điện ở chế độ tiết kiệm năng lượng 3 Tài liệu và kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để phục vụ các nghiên cứu ở mức độ cao hơn 1.6 Bố cục của luận văn Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng 2: Tổng quan phụ tải điện và khả năng tiết kiệm năng lượng 3 Chƣơng 3: Vấn đề về tổn hao và các phương pháp điều khiển tối ưu năng lượng. .. tiên tiến mới, các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho phép các động cơ có thể tiết kiệm điện khoảng 20% tổng khối lượng điện năng tiêu thụ Gần đây trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về giải thuật điều khiển giảm tổn hao cho động cơ không đồng bộ đem lại hiệu quả cao Với sự phổ biến được sử dụng rộng rãi của động cơ không đồng bộ, kết hợp với tính năng tiết kiệm điện năng 1 hứa hẹn sẽ làm nên bước... 2.1: Khả năng tiết kiệm năng lượng bằng điều khiển tốc độ cho 4 ứng dụng HVAC……………………………………………………….…………………… 14 Bảng 3.1 Các hoạt động có thể được thực hiện để làm giảm tổn hao …………….17 Bảng 3.2 Hiệu quả của các bộ truyền động lái motor…………………………… 20 Bảng 3.3: Ước lượng của các phương pháp điều khiển tối ưu năng lượng cho bộ lái động cơ không đồng bộ ……………………………………………… 41 Bảng 5.1: Thông số động cơ tiêu... giảm tổn hao… Bài toán về tiết kiệm năng lượng luôn được đặt ra trong tất cả các hệ thống sản xuất và luôn là ưu tiên hàng đầu Trong thực tế, các động cơ điện tiêu thụ khoảng 56% tổng năng lượng điện, trong đó, các động cơ cảm ứng chiếm 96% Điều này chứng tỏ rằng khoản 53% tổng điện năng được tiêu thụ bởi các động cơ không đồng bộ Do vậy vấn đề tiết kiệm năng lượng cho động cơ là rất quan trọng Việc... inverter không chuyển mạch trong 60 độ, và có những chiến lược với chức năng điều chế rời rạc mà làm giảm thiểu tổn hao chuyển mạch Tuy nhiên việc lực chọn chiến lược điều chế phụ thuộc vào yêu cầu của việc điều khiển động cơ tổng quát, ở đây cũng không bàn đến vấn đề này 16 3.1.2 Động cơ không đồng bộ Bảng 3.1 tổng kết các hoạt động có thể được thực hiện để làm giảm tổn hao trong một động cơ không đồng bộ. .. một bộ PWM-VSI có bộ chỉnh lưu 3 pha dùng diode - Động cơ: động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc - Bộ phận truyền: 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 Cấu trúc bộ chuyển đổi nguồn áp được điều chế độ rộng xung (PWM-VSI) với diode chỉnh lưu được vẽ như trên hình 3.2 ngày nay được sử dụng trong các bộ điều khiển. .. pháp điều khiển tối ưu theo hướng tiết kiệm năng lượng ứng dụng trong điều khiển động cơ không đồng bộ Đề tài tập trung giải quyết vấn đề giảm tổn thất năng lượng trong các thiết bị điện trong đó động cơ không đồng bộ là đối tượng được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng 1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài 1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài 1 Nghiên cứu đối tượng là các động cơ điện . các động cơ điện hoạt động ở các chế độ tiết kiệm năng lượng 2. Đề xuất phương pháp thiết kế bộ điều khiển động cơ điện ở chế độ tiết kiệm năng lượng 3. Thiết kế giải thuật điều khiển động cơ. kế bộ điều khiển động cơ điện ở chế độ tiết kiệm năng lượng - Thiết kế giải thuật điều khiển động cơ điện ở chế độ tiết kiệm năng lượng - Xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm bộ điều khiển. ĐỀ TÀI: Điều khiển động cơ không đồng bộ ở chế độ tiết kiệm năng lượng II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu đối tượng là các động cơ điện hoạt động ở các chế độ tiết kiệm năng lượng -