TRUONG DAI HOC CONG NGHE TP HCM 101441 HUTECH University TRÀN VIỆT HÙNG
Trang 2Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Mã
i
Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Dai học Công nghệ TP HCM
ngay2A thang 3 năm-¿945
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) TT Họ và tên Chức danh Hội đồng 1 | TS Nguyễn Hùng Chủ tịch
2 | TS V6 Dinh Ting Phản biện 1
3 | TS Võ Hoàng Duy Phản biện 2
4 | TS Đặng Xuân Kiên Ủy viên
5 | TS Duong Thanh Long Uy vién, Thu ky
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có)
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
oe
Trang 3
TP HCM, ngaydo thang.A nam 20.48
NHIEM VU LUAN VAN THAC SI
Họ tên học viên: TRAN VIET HUNG Gidi tinh: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 04/03/1977 Nơi sinh: Hà Nội
Chuyên ngành:Kỹ thuật điện MSHV:1341830014
I- Tén dé tai:
NGHIEN CUU THIET KE HE THONG DIEU KHIEN MAY NEN LANH TIET KIEM DIEN NANG
II- Nhiệm vu va nội dung:
- _ Nghiên cứu tổng quan về tính toán lý thuyết cho hệ thống lạnh và động cơ
không đồng bộ, trên cơ sở đó điều khiển tốc độ máy nén để tiết kiệm điện
năng
- Mô phỏng hệ thống lạnh và phương pháp điều khiển định hướng từ thông FOC cho động cơ máy nén trên Matlab-Simulink
- - Đánh giá chỉ số hiệu quả năng lượng: giá trị vận hành non tải của hệ thống
lạnh có điều chỉnh tốc độ tương ứng với năng suất lạnh
- _ Đánh giá tiết kiệm điện năng của động cơ khi điều chỉnh tốc độ động cơ của
máy nén theo phụ tải lạnh IH- Ngày giao nhiệm vụ: 18/8/2014
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 20/1/2015
V- Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)
ee
Trang 4Tôi 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
Trang 5LOI CAM ON
Trước hết, tôi xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Công nghệ Tp.HCM,
Phòng Đào tạo Sau Đại học và Quý Thầy Cô trong Khoa Cơ-Điện-Điện tử đã tạo điều
kiện thuận lợi và góp nhiều ý kiến quý báu giúp tơi hồn thành chương trình Thạc sĩ 2013 — 2015 và luận văn này
Đặc biệt, tôi xin bay tỏ lòng biết ơn chân thành đến PGS.TS LẺ MINH PHƯƠNG đã hết lòng hướng dẫn, giúp đỡ, tin tưởng và tạo mọi điều kiện thuận lợi
cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Công nghiệp Tp.HCM, các bạn đồng nghiệp trong Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình
làm luận văn
Tôi cũng xin cảm ơn đến Thư viện Trung tâm ĐHQG Tp.HCM, Thư viện trường ĐH Công nghệ Tp.HCM đã tạo điều kiện giúp tôi tiếp cận với các nguồn tài
liệu, sách, báo, tạp chí khoa học
Tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã ủng hộ và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài Đây cũng là nguồn động viên tinh thần quý báu nhất giúp tôi thêm tự tin và nỗ lực trong học tập và nghiên cứu
Trang 6TOM TAT
Hệ thống làm lạnh và điều hòa không khí được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, tòa nhà, trung tâm thương mại, khách sạn Quá
trình vận hành những hệ thống này tiêu thụ rất nhiều điện năng, có thể chiếm đến 50-
70% tổng lượng điện tiêu thụ của toàn doanh nghiệp, trong đó điện năng tiêu thụ của máy nén lạnh chiếm khoảng 75% tổng điện năng tiêu thụ của toàn bộ hệ thống lạnh
Các hệ thống và thiết bị lạnh thường được thiết kế để có thể hoạt động khi điều kiện
môi trường bên ngoài là khó khăn nhất với suất phụ tải lớn nhất nên phần lớn thời gian các hệ thống lạnh làm trong ở điều kiện vận hành non tải Chọn phương pháp
điều chỉnh năng suất lạnh nào là tùy thuộc vào tính chất của đối tượng làm lạnh, độ
chính xác nhiệt độ cần duy trì trong buồng lạnh, kiểu loại máy nén, phương pháp truyền động, đặc điểm cầu tạo máy nén Khi điều chỉnh năng suất lạnh, có thể giảm số lần khởi động xuống đáng kể, giảm hao mòn cho các cơ cấu truyền động Động cơ cũng làm việc ở chế độ thuận lợi hơn nên khả năng kéo dài tuổi thọ động cơ lớn hơn
Biến tần cho phép điều khiển máy nén lạnh hoạt động ở điểm làm việc tối ưu tương
ứng với điều kiện vận hành và phụ tải thực Do vậy hệ thống lạnh luôn hoạt động với
hiệu suất cao tiết kiệm năng lượng
Đề tài luận văn “NGHIÊN CỨU THIẾT KÉ HỆ THÓNG ĐIÊU KHIEN MAY
NÉN LẠNH TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG” mục đích để đánh giá mức sử dụng điện
năng của động cơ máy nén lạnh Luận văn đã đạt được các kết quả sau:
- _ Nghiên cứu tổng quan về tính toán lý thuyết cho hệ thống lạnh và động cơ
Trang 7- Đánh giá chỉ số hiệu quả năng lượng: giá trị vận hành non tải của hệ thống
lạnh có điều chỉnh tốc độ tương ứng với năng suất lạnh IPLV¡ = 5,642 thấp
hơn so với khi không điều chỉnh năng suất lạnh IPLV› = 6,5381 Do đó khi
điều chính tốc độ của máy nén sẽ tiết kiệm được 13,7% điện năng so với không điều chỉnh 0 a (rpm) da TC m (kg/s) | COP | PIC | IPLV 100 | 1400 | 10 3091 | 006443 | 5,642 | 0.1772 | 0,0564 75 | 1050 | 7,5 2318 | 0004832 | 5,642 | 0.1772 | 2,3696 50 | 700 5 1,546 | 0,03222 | 5,642 | 0,1772 | 2,5389 25 | 350 | 245 0723 | 001611 | 5,642 | 0,1772 | 0,677
- - Đánh giá tiết kiệm điện năng của động cơ: điện năng tiết kiệm được trong một
năm khi điều chỉnh tốc độ động cơ của máy nén theo phụ tải lạnh so với
phương pháp điều khiển ON-OFE là 26% Mô tả Đơn vị Giá trị % có tải % 50
Số giờ vận hành l1 năm giờ 8000
Điện năng tiêu thụ trong 1 giờ kWh 15,784
Điện năng khi điều chỉnh ƠN-OFF kWh 7,892
Điện năng khi thay đối tốc độ kWh 5,846
Điện năng tiết kiệm kWh 2,046
Giá điện bình quân đồng 1509
Số tiên khi vận hành ON-OFF đông 95 272 224
Số tiền khi vận hành khi điều chỉnh tốc độ | đông 70 568 530
Số tiên tiết kiệm trong 1 năm đồng 24 703 694
% tiết kiệm % 26
Kết quả nghiên cứu đã đạt được các thông số cơ bản của một hệ thống lạnh trong điều
kiện vận hành ổn định, có thể sử dụng để đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số vận
Trang 8Cooling and air conditioning systems are widely used in the industries of food processing, buildings, commercial centers, hotels, The operation of these systems consume a lot of power, can account for 50-70% of the total power consumption of the entire enterprise, in which the power consumption of refrigeration compressor account for about 75% of the total power consumption of the entire refrigeration system The refrigeration systems and equipments is usually designed enough to operate when the environmental outside conditions are hardest with the largest load capacity, so in most of the time, the system operates in lack of load operating conditions The selected method to adjust refrigerating capacity will depend on the properties of the object cooling, the accuracy of maintained temperature in the cold chamber, the type of compressors, the drive methods, the structure characteristics of
compressors, When the refrigerating capacity is adjusted, it can reduce the number
of starts significantly, reduce erosion of the actuators The motor also works in a more
convenience mode, so the life of motor is longer The inverter permits to control the refrigeration compressor to operate at optimal operating point corresponding to the operating conditions and load reals Therefore, refrigeration system always operates with high efficiency and energy saving
The purpose of the thesis "RESEARCH, DESIGN THE CONTROL SYSTEM
ON POWER SAVINGS FOR REFRIGERATION COMPRESSOR" is to evaluate
the power using level of the motor of refrigeration compressor This thesis has achieved the following results:
— Researched the overview theoretical calculations for refrigeration systems and induction motors, thereby controlled the compressor speed to save power — Simulated the refrigeration system and FOC control method for compressor motor in Matlab-Simulink 42 | “Spesd> <Torque> 6 «Rotor Fiux> 10 B «Power» = <tabor Refrigeration kí FOC AC MOTOR Scope
— Evaluated the energy efficiency index: when the refrigeration system is adjusted the speed corresponding to the refrigerating capacity, the Integrated
Trang 9adjusted, IPLV2 = 6.5381 Therefore, adjusting the speed of the compressor saves energy by 13.7% compared with no adjustment 9 le 4 rpm) da) ‘KW) m (kg/s) | COP | PIC | IPLV 100 | 1400 | 10 3091 | 0.06443 | 5.642 | 0.1772 | 0.0564 75 | 1050 | 7.5 2.318 | 0.04832 | 5.642 | 0.1772 | 2.3696 50 | 700 5 1546 | 0.03222 | 5.642 | 0.1772 | 2.5389 25 | 350 | 2.5 0773 | 001611 | 5.642 | 0.1772 | 0.677
~ Evaluated the power saving efficiency of motor: when the speed of the compressor motor is adjusted corresponding to the refrigerating capacity, the power saving in a year is higher than 26% in comparison with the ON-OFF control method Description Unit Value % Load % 50
Operating hours per a year hour 8000
Power used in a hour kWh 15,784
Power when adjusting ON-OFF kWh 7,892
Power when changing speed kWh 5,846
Power savings kWh 2,046
The average power price VND 1509
The amount of ON-OFF operation VND 95 272 224
The amount of the adjusting speed operation | VND 70 568 530
The amount of power saving in a year VND 24 703 694
% Saving % 26
Trang 10
MUC LUC
Chuong Twa đề Trang
Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Tom tat iii Abstract V Mục lục vii Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt X Danh mục các bảng xill Danh mục các biểu đồ, đồ thi, sơ đồ, hình ảnh xiv Giới thiệu I 1 Téng quan 3 1.1 Dat van dé [6], [7] 3 1.2 Phương pháp điều chỉnh năng suất lạnh máy nén [6], [7], [12] 3 1.2.1 Đóng ngắt máy nén: ON-OFF 4 1.2.2 Tiết lưu hơi hút 5 1.2.3 Xả hơi nén về phía hút 6
1.2.4 Vơ hiệu hố xy-lanh 7
1.2.5 Thay đổi vòng quay trục khủy của máy nén 7 1.2.6 Biến tần 8 1.2.6.1 Khái quát chung về biến tần § 1.2.6.2 Các kiểu biến tần 9 — Oo 1.3 Kết luận
2 Mơ hình hố máy điện không đồng bộ 11
2.1 Mơ hình tốn học của máy điện không đồng bộ[3], [4], [L0] [11]11
2.2 Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ
trong hệ qđ0 tùy ý [3], [10] HH
2.2.1 Phương trình điện áp qd0 l4
2.2.2 Quan hệ từ thông móc vòng qd0 15
2.2.3 Phuong trinh mé men qdO 17
2.2.4 Phương trình từ thông và điện kháng theo thời gian
trong hệ toạ độ tuỳ ý 18
2.3 Hệ tọa độ dq0 đứng yên và hệ tọa độ dq0 quay đồng bộ [3], [10] 19
2.3.1 Các phương trình của máy điện không đồng bộ
Trang 112.3.2 Các phương trình của máy điện không đồng bộ
trong hệ toạ độ quay đồng bộ
2.4 Mô hình máy điện không đồng bộ trong chế độ xác lập [3], [10]
Cơ sở lý thuyết kỹ thuật lạnh
3.1 Chu trình lạnh và sơ đồ nguyên ly [8], [9]
3.2 Tính toán chu trình [8], [9]
3.3 Môi chất lạnh [8], [9], [13]
3.3.1 Yêu cầu đối với môi chất lạnh
3.3.2 Một số loại môi chất lạnh thường sử dụng 3.3.3 Lựa chọn môi chất lạnh 3.4 Các thiết bị chính trong hệ thống lạnh 8], [9], [13] 3.4.1 Máy nén 3.4.2 Thiết bị bay hơi 3.4.3 Thiết bị ngưng tụ 3.4.4 Thiết bị tiết lưu
Mô phóng điều khiến từ thông FOC
4.1 Các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ [4], [5]
4.2 Mô phỏng động cơ không đồng bộ [4], [5] 4.2.1 Phương trình tổng quát của động cơ 4.2.2 Phương trình điện áp 4.2.3 Phương trình từ thông 4.2.4 Phương trình momen 4.2.5 Mô phóng bằng Matlab Simulink 4.2.6 Kết quả mô phỏng
4.3 Mô phỏng điều khiển định hướng theo vector tử thông rotor [4], [5], [11]
4.3.1 Thuật toán điều khiển định hướng từ thông (FOC)
4.3.2 Khối chuyển đổi điện áp từ trục tọa độ dq sang of
4.3.3 Khối chuyển đổi đòng điện từ trục tọa độ ABC sang
4.3.4 Khối chuyên đổi dòng điện từ trục tọa độ œ sang dq
4.3.5 Khâu điều chỉnh từ thông
4.3.6 Khâu giới hạn dòng điện
Trang 12Mô 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 phóng hệ thống lạnh Cơ sở mô phỏng hệ thống lạnh
Khối mô phỏng môi chất lạnh [1], [2] Khối mô phỏng máy nén [12]
Khối mô phỏng thiết bị ngưng tụ
Khối mô phỏng thiết bị bay hơi
Khối mô phỏng thiết bị tiết lưu
Kết quả mô phỏng
Đánh giá tiết kiệm năng lượng [14]
5,8.1 COP và ý nghĩa cua COP trong tiết kiệm năng lượng
5.8.2 PIC và cách tính % tiết kiệm điện năng
5.8.3 IPLV và ý nghĩa của IPLV trong tiết kiệm năng lượng
5.8.4 Kết quả tính toán theo chỉ số hiệu quả năng lượng
5.8.5 Đánh giá tiết kiệm điện năng của động cơ Kết luận và hướng phát triển đề tài
6.1 6.2 Tài
Kết luận
Trang 13DANH MUC CAC KY HIEU VA CHU VIET TAT
Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị
i Dong dién A
Entanpi kJ/kg
J Momen quán tính cơ kg.m?
Công nén riêng kJ/kg
Lm Hỗ cảm giữa stator va rotor H
L Dién cam rotor H
Ls Dién cam stator H
Lor Điện kháng tản của cuộn dây rotor đã qui đổi về stator H
Los Điện kháng tản của cuộn dây stator H m, G Lưu lượng kg/s Ne Công nén hữu ich kW Ni Công nén chỉ thị kW Ns Céng nén doan nhiét kW Công suất tác dụng WwW P Số đôi cực của động cơ Qo Năng suất lạnh kW
qo Nang suat lanh riéng kJ/kg
Qk Năng suất giải nhiệt của thiết bị ngưng tụ kW
tk Năng suất giải nhiệt riêng của thiết bị ngưng tụ kJ/kg
Rr Điện trở rotor đã qui đổi vé stator Q
Rs Điện trở cuộn day pha cua stator Q
S Entropy kl/kg
To Nhiệt độ bay hơi K
Te Momen dién tir N.m
Tk Nhiét d6 ngung tu K
TL Momen tai N.m
T: Hằng số thời gian rotor
Ts Hằng số thời gian stator
u Dién ap Vv
v Thể tích riêng m/kg
Vụ Thể tích hút thực tế m3⁄s
Trang 14e, COP Hệ số hiệu quả năng lượng
8 Góc của trục rotor (cuộn day pha A) trong hé toa d6 of rad
0; Góc của trục d (hệ toạ độ quay bất kỳ) so với truc rotor rad
0; Góc của trục d (hệ toạ độ quay bat ky) trong hé toa d6 aB rad
x Hé sé nap
A, W Từ thông Wb
Tỷ số nén
6 Hệ số từ tản tổng
Ụ góc pha giữa điện áp so với dòng điện rad
@r Géc cia tir thong rotor trong hé toa d6 of rad
Or Góc của từ thông rotor udc lugng trong hé toa dé af rad
Os Géc cua tir thong stator trong hé toa dé af rad
@ Tốc độ góc của rotor so với stator rad/s
(ba Tốc độ góc của một hệ toạ độ bat ky rad/s
@r Tốc độ góc của từ thông rotor so với stator rad/s
Os Tốc độ góc của tir thong stator so với stator rad/s
sl Tốc độ góc của từ thông rofor so với rotor (tốc độ trượt) rad/s
Các ký hiệu chân
a, b,c Đại lugng ba pha cua stator
A,B,C Đại lượng ba pha của rotor, lưới
d,q Phần tử thuộc hệ tọa độ dq
wal Đại lượng của mach rotor
§ Đại lượng của mạch stator
a, B Phần tử thuộc hệ tọa độ œB
Các ký hiệu đỉnh
* Giá trị đặt
€ Giá trị ước lượng
f Đại lượng quan sát trên hệ qui chiếu từ thông rotor (hệ tọa độ dq)
r Đại lượng quan sát trên hệ toa d6 rotor véi trục thực là trục của rotor
§ Đại lượng quan sát trên hệ qui chiếu stator (hệ tọa độ 0P)
Chữ viết tắt
ARI Air Conditioning and Refrigeration Institute
COP Coefficient Of Performance
Trang 15DHKK FOC IPLV IGBT IGV KDB MOP VFD VRV VSD VSI VVVFD EMF
Điều hòa không khi Field Oriented Control Integrated Part Load Value Insulated Gate Bipolar Transistor Inlet Guide Vane
Không đồng bộ
Max Operating Pressure Variable Frequency Drive Variable Refrigerant Volume Variable Speed Drive
Voltage Source Inverter
Trang 16DANH MUC CAC BANG
Bang Trang
Bang 1.1 Dac diém cấu tạo và phương pháp điều chỉnh năng suất lạnh 4
Bảng 3.1 Hệ số truyền nhiệt k và mật độ dòng nhiệt các dàn lạnh 36
Bảng 3.2 Giới hạn mật độ dong nhiét, W/m? 37
Bảng 3.3 Hệ số A 38
Bảng 3.4 Điểm MOP (áp suất làm việc tối đa) 43
Bang 3.5 Tên thất áp suất Apa ở hiệu nhiệt Ah giữa dàn bay hơi và bình chứa 44
Bảng 3.6 Hệ số hiệu chỉnh năng suất lạnh 45
Bảng 5.1 Kết quả mô phỏng hệ thống lạnh 70
Bảng 5.2 Kết quả tính toán từ phụ lục 70
Bảng 5.3 Kết quả mô phỏng trên Matlab-Simulink 7]
Bảng 5.4 Kết quả đánh giá khi nhiệt độ bay hơi to=6°C 73
Bảng 5.5 Kết quả đánh giá khi tốc độ n=1400 rpm 74
Bảng 5.6 Kết quả đánh giá khi điều chỉnh tốc độ động cơ máy nén 76
Trang 17DANH MỤC CÁC BIEU BO, DO THI, SO DO, HINH ANH
Hinh Tén hinh Trang
Hình 1.1 Xả hơi nén về đường hút, phun lỏng qua rơle nhiệt độ T,
van điện từ ĐT và van tiết lưu tay TLT 6
Hình 1.2 Xả hơi ngược trong đầu xilanh 7
Hình 1.3 Phương pháp nâng van hút 7
Hình 1.4 Sơ đồ minh họa một hệ thống điều tốc độ động cơ với biến tần 9
Hinh 1.5 Sơ đồ mạch của biến tần nguồn áp điều chế độ rộng xung 10
Hình 2.1 Mô hình máy điện không đồng bộ 11
Hình 2.2 Vector không gian trong hệ trục tọa độ 13
Hình 2.3 Sơ đồ mạch thay thế tương đương trong hệ tọa độ qd0 17
Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh một cấp 24
Hình 3.2 Biểu diễn chu trình lạnh một cấp trên đồ thị T—s và lgp-i 25
Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý máy lạnh ôtô 29
Hình 3.4 Máy nén piston 30
Hình 3.5 Máy nén trục vít 3]
Hình 3.6 Máy nén xoắn ốc 31
Hinh 3.7 Binh bay hoi Freon 33
Hình 3.8 Dàn lạnh đối lưu cưỡng bức 34
Hình 3.9 Dàn lạnh trong các kho lạnh 35
Hinh 3.10 Bình ngưng Freon 4I
Hình 3.11 Cấu tạo của van T2 và TE5 của Danfoss 43
Hình 3.12 Cấu tạo van tiết lưu nhiệt kiểu TE 12/20 và TE 55 của Danfoss 44
Hình 3.13 Van tiết lưu nhiệt pilot kiểu PHT85 của Danfoss 46
Hình 3.14 Van tiết lưu điện tử kiểu RTC của Englehof 47
Hình 4.1 Mô phỏng động cơ không đồng bộ trên Matlab-Simulink 50
Hình 4.2 Khối mô phỏng động cơ 51
Hình 4.3 Khối mô phỏng dòng điện alpha 52
Hình 4.4 Khối mô phỏng dòng điện beta 52
Hình 4.5 Khối mô phỏng từ thông alpha 52
Hình 4.6 Khối mô phỏng từ thông beta 53
Hình 4.7 Khối mô phỏng tốc độ, tải, từ thong rotor 53
Hình 4.8 Khối mô phỏng chuyển đổi tọa độ øB sang ABC 34
Trang 18Hinh 4.10 Cấu trúc cơ bản của phương pháp FOC Hình 4.11 Khối mô phỏng cấu trúc FOC hiện đại
Hình 4.12 Khối mô phỏng chuyển đổi tọa độ dq sang af Hình 4.13 Khối mô phỏng chuyển đổi tọa độ abc sang of Hình 4.14 Khối mô phỏng chuyển đổi tọa dé af sang dq
Hình 4.15 Khối mô phỏng khâu điều chỉnh từ thông Hình 4.16 Khối mô phỏng khâu điều chỉnh dòng điện
Hình 4.17 Khối mô phỏng ước lượng từ thông và góc quay
Hình 4.18 Khối mô phỏng ước lượng tốc độ
Hình 4.19 Tín hiệu từ thông và tốc độ của động cơ KĐB bằng phương pháp FOC có ước lượng từ thông — tốc độ
Hình 4.20 Tín hiệu moment xoắn và dòng điện tải của động cơ KĐB bằng
phương pháp FOC có ước lượng từ thông — tốc độ
Hình 4.21 Tín hiệu moment, từ thông, tốc độ và dòng điện của động cơ KĐB
bằng phương pháp FOC ước lượng từ thông — tốc độ
Hình 4.22 Tín hiệu moment, từ thông, tốc độ và dòng điện của động cơ KĐB
bằng phương pháp FOC hồi tiếp tốc độ Hình 5.1 Chu trình lạnh 1 cấp
Hình 5.2 Khối mô phỏng môi chất lạnh
Hình 5.3 Biểu diễn quá trình nén lý thuyết và thực tế trên đồ thị lợp - ¡
Hình 5.4 Khối mô phỏng máy nén
Hình 5.5 Khối mô phỏng thiết bị ngưng tụ
Hình 5.6 Khối mô phỏng thiết bị bay hơi
Hình 5.7 Khối mô phỏng thiết bị tiết lưu
Hình 5.8 Sơ đồ khối mô phỏng hệ thống lạnh trên Matlab-Simulink
Hình 5.9 Đặc tính đánh giá khi nhiệt độ bay hơi to=6°C
Hinh 5.10 Đặc tính đánh giá khi tốc độ n=1400 rpm
Hình 5.11 Quan hệ giữa công suất và tốc độ theo nhiệt độ và năng suất lạnh
Hình 5.12 Quan hệ giữa đòng điện và moment theo nhiệt độ và năng suất lạnh
Trang 19GIỚI THIỆU 1 Tính cấp thiết của đề tài
Hệ thống lạnh đều có máy nén, bơm và quạt, phần lớn thời gian các hệ thống lạnh
hoạt động trong ở điều kiện vận hành non tải Trong đó động cơ máy nén chiếm
khoảng 70% điện năng tiêu thụ của hệ thống lạnh [13], do đó điều chỉnh năng suất
lạnh nhằm mục đích vận hành một cách tối ưu và kinh tế, duy trì nhiệt độ yêu cầu
trong buồng lạnh không đổi ở các điều kiện vận hành thay đổi Điều chỉnh năng suất
lạnh máy nén có những phương pháp thay đổi vòng quay trục khủy của máy nén sẽ
giảm được các tổn thất, trong khi phương pháp điều chỉnh lưu lượng môi chất qua van có hiệu suất thấp do tổn thất cao Việc xây dựng một bộ điều khiển động cơ máy nén là vấn đề cấp bách để giảm chỉ phí điện năng của một hệ thống lạnh
2 Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu là điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ của máy nén thông qua đó
điều chỉnh được năng suất lạnh tương ứng với phụ tải Tuy nhiên, trên thực tế có rất
nhiều đối tượng điều khiển khác nhau, với các yêu cầu và đặc tính phức tạp khác nhau
Do đó cần phải tiến hành nghiên cứu, tìm ra các phương pháp điều khiển cụ thể cho
từng đối tượng Mục đích cuối cùng là tìm kiếm các bộ điều khiển cho các hệ truyền
động điện ngày càng đạt được chất lượng điều chỉnh cao, mức chỉ phí thấp, và hiệu
quả đạt được là cao nhất, đáp ứng các yêu cầu tự động hoá trong hệ thống lạnh
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là động cơ không đồng bộ của máy nén
Phạm vi nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha của máy nén bằng phương pháp điều khiển định hướng từ thông FOC 4 Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện nghiên cứu để tài khoa học này, thì cần phải kết hợp hai phương
pháp sau:
- _ Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu các vấn đề về mô hình động
cơ không đồng bộ, các phương pháp điều khiển kinh điền và hiện đại
Trang 205 Ý nghĩa khoa học của đề tài
Kết quả nghiên cứu của dé tai sẽ góp phần hoàn thiện một phương pháp điều chỉnh năng suất lạnh cho các hệ thống lạnh có phụ tải biến thiên Qua đó sẽ tiết kiệm
điện năng tiêu thụ cho một hệ thống lạnh
Tạo các phần mềm mô phỏng hệ thống lạnh để phục vụ nghiên cứu và giảng dạy
6 Kết cầu luận văn
Chương l Tổng quan về tự động hóa máy nén lạnh Chương 2 Mô hình hóa máy điện đồng bộ
Chương 3 Cơ sở lý thuyết kỹ thuật lạnh
Chương 4 Mô phỏng điều khiển định hướng từ thong FOC Chương 5 Mô phỏng hệ thống lạnh
Chương 6 Đánh giá năng lượng
Trang 21Chuong 1
TONG QUAN VE TU DONG HOA MAY NEN LANH
1.1 Đặt vấn đề [6], [7]
Hệ thống làm lạnh và điều hòa không khí được sử dụng rộng rãi trong các ngành
công nghiệp chế biến thực phẩm, tòa nhà, trung tâm thương mại, khách sạn Trong
quá trình vận hành những hệ thống này tiêu thụ rất nhiều điện năng, có thể chiếm đến
50-70% tổng lượng điện tiêu thụ của toàn doanh nghiệp [13 |
Tổng quát, hệ thống lạnh đều có máy nén, bơm và quạt Máy nén, bơm và quạt chủ
yếu được thiết kế và lắp ráp với động cơ không đồng bộ Tốc độ của động cơ không
đồng bộ quyết định đặc tính làm việc của bơm, quạt và máy nén trong hệ thống và thiết
bị lạnh Đặc tính làm việc của hệ thống và thiết bị lạnh được điều khiển qua việc điều
khiển tốc độ các động cơ bơm, quạt và máy nén
Các hệ thống và thiết bị lạnh thường được thiết kế để có thẻ hoạt động khi điều kiện mơi trường bên ngồi là khó khăn nhất với suất phụ tải lớn nhất nên phần lớn thời
gian các hệ thống lạnh làm trong ở điều kiện vận hành non tải Do vậy nếu các bơm,
quạt hay máy nén không được điều chỉnh thích hợp thì hệ thống và thiết bị lạnh sẽ không
hoạt động ở điểm làm việc tối ưu và hiệu suất làm việc của hệ thống và thiết bị lạnh sẽ
không cao dẫn tới hao phí điện năng
Trong đó điện năng tiêu thụ của máy nén lạnh chiếm khoảng 75% tổng điện năng
tiêu thụ của toàn bộ hệ thống lạnh do đó máy nén giữ vai trò quyết định đối với:
— Năng suất lạnh
— Suất tiêu hao điện năng
— Tuổi thọ
—_ Độ tin cậy và an toàn của hệ thống
Chính vì vậy, tự động hóa máy nén lạnh đóng vai trò quan trọng nhất đối với việc tự động hóa hệ thống lạnh Tự động hóa máy nén lạnh bao gồm:
— Điều chỉnh tự động năng suất lạnh
— Điều khiển điện động cơ máy nén và bảo vệ động cơ máy nén,
— Bảo vệ động cơ máy nén khỏi các chế độ làm việc nguy hiểm như áp suất đầu đây
quá cao, áp suất hút quá thấp,hiệu áp suất dầu quá tháp, nhiệt độ đầu đây quá cao, nhiệt độ dầu quá cao, mức đầu trong cácte quá cao hoặc quá thấp, thiếu nước làm
mát đầu xilanh, nhiệt độ nước làm mát đầu xilanh quá cao
— Báo hiệu chế độ dừng, làm việc cũng như báo hiệu và báo động các chệ độ làm
việc bình thường, nguy hiểm cũng như sự cố
1.2 Phương pháp điều chỉnh năng suất lạnh máy nén [6], [7], [12]
Trang 22— Đóng ngắt máy nén “ƠN - OFF”
— Tiết lưu hơi hút
— Bypass tự động hay xả hơi nóng ở đường đây quay trở lại đường hút theo nhánh phụ
— _ Vô hiệu hóa từng xilanh hoặc từng cụm xilanh trên một máy nén nhiều xilanh — Thay đổi vòng quay trục khủy của máy nén
Bảng 1.1 Đặc điểm cấu tạo và phương pháp điều chỉnh năng suất lạnh [6J A Ca
Van Nguyên tắc Ti Ấp Công tổn
Cỡ máy nén công | điều chỉnh | Tác động | điều hao TT tác | năng suấtlạnh chỉnh : Động cơ | 2 Vi tri ` 1 Ì Máv nén cỡ nhỏ | Lá Đóng -ngắt truyền ON Công nén cỡ ru - as 4a đy nền cự nho Lê ON - OFF ˆ y khởi động động OFF Ton thất 2 Máy nén đến 20 Lá Tiết lưu đường Đường Vô cấp ma sat, kW hút ông hút tôn thật tiết lưu
DU uy Tiết lưu từ Toàn bộ
Máy nén đên 20 ` „sa ok - ,
3 kW La đường hit vé | Bypass V6 cap | công suat
đường đây dư
Như sô | Tôn thật
oe ak xilanh ma sát,
May nén dén 70] _ , Thông khoang 2 z
4 La 4 Bypass hoặc tôn that kW hút và đây ` 1 „ từng hiệu áp xilanh van Máy nén đến 70 ông xả |Như số 5 Lá Xa Ma sat kW , _ ngược xilanh asa Như sô tt án Tế ` , xilanh „ 6 | Máy nén lớn Vòng | Xả ngược Van hút cum Ma sat ụ xilanh 1.2.1 Đóng ngắt máy nén: ON-OFF
Phương pháp đóng ngắt máy nén kiểu điều chỉnh hai vị trí ON-OFF thường sử dụng cho các hệ thống lạnh nhỏ và rất nhỏ, động cơ máy nén thường nhỏ hơn 20 kW Ứng dụng đặc biệt rộng rãi cho các tủ lạnh gia đình, thương nghiệp, buồng lạnh lắp
phép, các loại máy điều hòa nhiệt độ phòng
Trang 23Nhược điểm: có tổn thất do khởi động động cơ nhiều lần; chỉ sử dụng cho các loại máy nén nhỏ Độ dao động sai số lớn, không áp dụng cho các yêu cầu chính xác
cao
Đối với hệ thống lạnh điều chỉnh năng suất lạnh băng cách đóng ngắt máy nén người ta thường quan tâm đến hệ số thời gian làm việc b Hệ số thời gian làm việc là tỷ số giữa thời gian làm việc trên thời gian toàn bộ chu trình
b=— — ñy T?y (1.1)
Trong đó:
7, - thời gian làm việc của 1 chu kỳ r„ - thời gian của 1 chu kỳ
1.2.2 Tiết lưu hơi hút
Năng suất lạnh của máy nén được tính theo biểu thức:
OQ, =mgy = Ag, kW (1.2) 1 Trong đó: m - lưu lượng môi chất qua máy nén kg/s A-hé sé cấp vụ - thể tích hút lí thuyết của máy nén d - đường kính pittông, m s - khoang chạy piiftông, m z - số xilanh n - tốc độ vòng quay trục khuỷu, vg/s
qo - năng suất lạnh riêng khối lượng, kJ/kg
vị - thể tích riêng hơi hút về máy nén (trạng thái 1), mỶ/kg
Để điều chinh năng suất lạnh có thé thay déi vi va A Khi tiết lưu hơi hút vị tăng
lên, A giảm nên m giảm và Qo giảm
Ở vị trí 100% năng suất lạnh, hiệu áp suất Apn là tổn thất áp suất ngay trong dàn bay hơi Khi điều chỉnh áp suất hút p› xuống, năng suất lạnh giảm tương ứng Thí dụ, khi mở hoàn toàn van ổn áp năng suất lạnh đạt 100% Khi điều chỉnh áp suất hút trên van ổn áp xuống pni, áp suất sôi giảm xuống poi và năng suất lạnh giảm xuống còn 75% khi điều chỉng pn xuống pua, áp suất sôi po giảm xuống pu và năng suất lạnh còn 50%
Ưu điểm: đơn giản, dễ thực hiện, dễ lắp đặt vận hành bảo dưỡng sửa chữa
Nhược điểm: tổn thất tiết lưu lớn, hệ số lạnh giảm Phương pháp điều chỉnh năng suất lạnh này thường gắn liền với quá trình điều chỉnh áp suất bay hơi, gây ra tôn thất áp suất ngay trên vít điều chỉnh làm cho áp suất hút giảm xuống Nếu chấp nhận tác
Trang 241.2.3 Xã hơi nén về phía hút
- Xả hơi nén vê đường húi theo bypass
Xã hơi nén về đường hút bypass là xả hơi nóng thừa ở đường đây theo bypass vé đường hút qua van điều chỉnh áp suất lắp đặt trên bypass Bypass là một đường ống thông giữa đầu đây và đầu hút của máy nén, trên đó bố trí một van ôn áp duy trì áp suất
bay hơi theo yêu cầu Khi năng suất lạnh yêu cầu giảm, áp suất bay hơi giảm, van ổn áp
sẽ mở tương ứng xả hơi nóng từ đường đây trở lại đường hút Hơi nóng hoà trộn với hơi lạnh ra từ dàn bay hơi đi vào máy nén Như vậy lưu lượng môi chất thực chất đi vào đàn ngưng tụ và dàn bay hơi giảm, năng suất lạnh giảm Khi van OP (van én ap) đóng hoàn toàn là lúc máy lạnh đặt năng suất cao nhất Van OP mở càng to, năng suất lạnh càng nhỏ
Ưu điểm: Đơn giản
Nhược điểm: do hòa trộn với hơi nóng nên nhiệt độ hơi hút vào máy nén cao làm cho nhiệt độ cuối tầm nén cao làm cho dầu bị lão hoá nhanh, các chỉ tiết máy nén dễ
mài mòn, biến dạng, gãy hỏng Cần phải khống chế nhiệt độ đầu đây xuống dưới 140C
do đó củng phải hạn chế hơi nóng xả về đường hút và do đó phương pháp này cũng chỉ được hạn chế ứng dụng Phương pháp này không sử dụng cho môi chat NH3 va R22 cing
như môi chất có nhiệt độ cuối tầm nén cao Để bảo vệ nhiệt độ đầu đây không quá cao
người ta bố trí phun lỏng trực tiếp vào đường hút
Hình 1.1 Xả hơi nén về đường hút, phun lỏng qua rơle nhiệt độ T, van điện từ DT va
van tiết lưu tay TLT - Xâ ngược trong đầu xilanh
Phương pháp xả ngược trong đầu xilanh cũng giống như xả hơi nén về đường hút theo bypass nhưng quá trình xả hơi được tiến hành ngay trong đầu xilanh không cần có
van ổn áp và chỉ thực hiện cho từng xilanh hoặc từng cụm xilanh bằng cách mở thông
Trang 25máy nén 4 xilanh chia làm 2 cụm thì chỉ có thể điều chình năng suất lạnh theo bậc 0 -
50 - 100%, máy nén 8 xilanh chia lam 4 cụm thì có thể điều chỉnh 0 ~ 25 - 75 - 100%
Cuộn dây điện từ
Buởng nén
Hình 1.2 Xả hơi ngược trong dau xilanh
1.2.4 Vơ hiệu hố xy-lanh
Sử dụng phổ biến cho máy nén piston — semi-xylanh
Nguyên lý: mở cưỡng bức van hút, hơi môi chất trả về carte trong hành trình nén cua piston
Mức điều chỉnh năng suất lạnh phụ thuộc vào số cặp xilanh của máy nén
Hình 1.3 Phương pháp nâng van hut 1.2.5 Thay đổi vòng quay trục khủy của máy nén
- _ Thay đổi vòng quay trục khuỷu qua đai truyền
Đối với các loại máy nén hở công nghiệp, có thể bế trí các cặp bánh đai khác
nhau với các tỷ số truyền động khác nhau để thay đổi năng suất lạnh của máy nén về
Trang 26Năng suất lạnh điều chỉnh Qoác bằng năng suất lạnh đầy tải Qo nhân với tý số tốc
độ trước và sau khi điều chỉnh:
Orde = Dole q 3)
n
Ưu điểm: đơn giản
Nhược điểm: chỉ sử dụng cho máy nén hở truyền động đai Bộ phận thay đỗi tốc độ cồng kẻnh, tháo lắp phức tạp
- _ Thay đổi vòng quay trục khuỷu bằng động cơ
Nếu sử dụng động cơ Dahlander cho máy nén, có thể thay đổi được tốc độ vòng quay máy nén theo hai cấp 0-50-100% hoặc ba cấp 0-25-50-100% nang suất lạnh
- Thay đôi tốc độ vô cấp qua biến tần
Điều chỉnh chính xác và kịp thời năng suất lạnh và các thiết bị kèm theo vừa đúng phụ tải yêu cầu là biện pháp tiết kiệm năng lượng tối ưu Chỉ có phương pháp thay đôi
tốc độ qua máy biến tần mới đáp ứng được yêu cầu trên Cùng một lúc có thể thay đổi
tốc độ vô cấp máy nén lạnh, quạt dàn lạnh, dàn ngưng hoặc bơm nước giải nhiệt, bơm
nước lạnh các loại Khả năng tiết kiệm năng lượng cao hơn hắn so với các phương pháp khác nhưng nhược điểm của phương pháp này là giá rất đắt
Hiện nay, nhiều hãng nổi tiếng trên thế giới về lạnh và điều hòa không khí đã nghiên cứu và áp dụng hệ điều khiển tốc độ VSD (Variable Speed Drive) bằng máy biến tần cho các hệ thống lạnh và ĐHKK như hãng Daikin (Nhật) sử dụng cho hệ thống ĐHKK kiểu VRV (Variable Refrigerant Volume) hoặc hãng Danfoss (Đan Mạch) cho cả hệ thống lạnh và ĐHKK Sử dụng bộ biến tần (Frequency Converters) có thé loại bỏ được toàn bộ các bộ điều khiển truyền thống như khởi động động cơ Y/A, khởi động mềm, điều khiển đóng mở clapê gió (damper) hay gọi chung là điều khiển đóng mở dầu vào IGV (Inlet Guide Vane) Hiệu quả tiết kiệm năng lượng cũng hơn hẳn
1.2.6 Biến tần [13]
1.2.6.1 Khái quát chung về biến tần
Biến tần (Inverter) hay bộ biến đổi tần số (Variable Frequency Drive, VFD) là
Trang 27Công suất điện "
tần số lưới Công suất điện
tần sô biên đổi Biên tân 1540 nam — ôl >| Chuyên đổi céng suat ——-—Ễ——— Y
Động cơ xoay chiêu
Công suất cơ Chuyên đổi công suât Bảng điêu khiến
Hình 1.4 Sơ đồ minh họa một hệ thống điều tốc độ động cơ với biến tan
Biến tần mới được sản xuất, thương mại và ứng dụng rộng rãi trong khoảng lŠ năm gần đây chủ yếu là chủ yếu là do tiễn bộ trong lĩnh vực bán dẫn công suất với thế
hệ thứ 2 và thứ 3 của IGBT (ïinsulated gate bipolar transistor) Thế hệ thứ 2 và thứ 3 của IGBT vượt trội hơn hẳn thế hệ thứ nhất được ra đời vào những năm 1980 và đầu thập kỷ 1990 về tốc độ chuyển mạch và khả năng chịu đựng quá tải
1.2.6.2 Các kiếu biến tần
Biến tần được phân họ dựa trên nguyên lý chuyển đổi công suất điện vào với tần
số lưới thành công suất điện ra với tần số phù hợp theo yêu cầu cấp cho tải Ta có hai
họ biến tần sau:
- Biến tần gián tiếp: Điện lưới xoay chiều được chuyển thành điện một chiều qua phân chỉnh lưu trên thanh cái một chiều sau đó điện một chiều này lại được chuyển thành điện xoay chiều cấp cho tải qua nghịch lưu
- Biến tần trực tiếp: Điện lưới xoay chiều được trực tiếp biến đổi thành điện xoay
chiều tần số khác để cấp cho tải (không cần qua khâu trung gian là điện một chiều) a Bién tan gián tiếp
* Bién tan nguon dp (VSI)
- Biến tần nguồn áp điều chế độ rộng xung (VS-PWM-J): Điện áp trên thanh cái
một chiều là không đổi, điện áp xoay chiều đầu ra được thay đổi bằng cách thay đổi thời
gian đóng/ cắt các khóa chuyền mạch ở bộ nghịch lưu
- Biến tần nguồn áp điều chế biên độ (CS-PWM-D: Thời gian đóng cắt của các
khóa chuyên mạch của bộ nghịch lưu là không đổi, điện áp xoay chiều đầu ra được thay
đổi bằng cách thay đổi điện áp trên thanh cái một chiều thông qua việc thay đổi thời
Trang 28CHỈNHIƯU Thanhcimộtchiều «= NGHỊCHLƯU TẢI af | t} @ EASE eae: Điều khiến Điều khiến — Vb
Hình 1.5 Sơ đồ mạch của biến tân nguồn áp điều chế độ rộng xung
* Biến tan nguon dong (CSI)
Các khóa bán dẫn trong phần nghịch lưu được nối với một nguồn đòng Nguồn dòng này được thực hiện qua mạch vòng điều khiển đòng và các cuộn cảm mắc nối tiếp
với thanh cái điện áp một chiều Do dòng cấp cho tải là không đổi nên điện áp đầu ra của biến tần không phụ thuộc vào biến tần mà phụ thuộc vào tải
b Biến tần trực tiếp
Biến tần trực tiếp gồm hai loại sau:
- Biến tân Cyclo: Dùng các bộ chuyên mạch hai chiều được làm từ các thyristor
điều khiển đóng mở theo góc pha và hoán đổi giữa các pha của nguồn để tạo ra điện áp xoay chiều tần số thấp cấp cho mỗi pha của tải
- Biến tân ma trận: Dùng các chuyển mạch hai chiều tần số đóng cắt cao bằng IGBT để tạo nên ma trận chuyển mạch giữa ba pha vào của nguồn vào ba pha ra cấp cho
tải Tần số và điện áp ra cấp cho tải được điều khiển qua trạng thái đóng cắt của các
khóa chuyển mạch trong ma trận chuyển mạch
1.3 Kết luận
Chọn phương pháp điều chỉnh năng suất lạnh nào là tùy thuộc vào tính chất của
đối tượng làm lạnh, độ chính xác nhiệt độ cần duy trì trong buồng lạnh, kiểu loại máy
nén, phương pháp truyền động, đặc điểm cấu tạo máy nén Khi điều chỉnh năng suất
lạnh, có thể giảm số lần khởi động xuống đáng kế, giảm hao mòn cho các cơ cấu truyền
động Động cơ cũng làm việc ở chế độ thuận lợi hơn nên khả năng kéo dài tuổi thọ động cơ lớn hơn
Biến tần cho phép điều khiển máy nén lạnh hoạt động ở điểm làm việc tôi ưu
tương ứng với điều kiện vận hành và phụ tải thực Do vậy hệ thống lạnh luôn hoạt động với hiệu suất cao tiết kiệm năng lượng
Khả năng tiết kiệm điện qua việc sử dụng biến tần cho một hệ thống lạnh phụ thuộc vào thiết kế và các đặc tính kỹ thuật của hệ thống hay thiết bị đó Đối với những
hệ thống thiết bị làm lạnh trực tiếp và chiller khả năng tiết kiệm điện của biến tần vào
Trang 29Chuong 2
MƠ HÌNH HỐ MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐÔNG BỘ
2.1 Mơ hình tốn học của máy điện không đồng bộ [3], [4], [10], [11] Ta xét một mô hình máy điện không đồng bộ như sau:
Hình 2.1 Mô hình máy điện không đông bộ
Phương trình điện áp của stato là: Vas = las F; + A dt dh, LH rẻ (2.1) dA, = + (Ay Ves les¥5 dt
Phương trình điện áp của roto là:
Var = larly 4 ar ar ~ ‘ar'r dt
dA,
Vip = yl + it (2.2)
d,, Ver = lu„F„ + dt
Phương trình từ thông: Dựa trên khái niệm ma trận, từ thông móc vòng của dây quấn stato và roto theo hệ số tự cảm của dây quan va dong điện có thể viết dưới dạng ngắn
Ave Lae Lave jabe
a = [ste [abe jabe (2.3)
rs rr r
Ag = (Aas Aygo Aes )
gọn là:
Trang 30Awe =(Agys Ages Aer) (2.4)
cabo fs 3 3 \
i? =(lassipgotes)
t
cabo {3 3 +
ty = (lar sty shor)
Các ma trận con của hệ sô tự cảm có dang: L, + Ls Lom Lm ree =) Lo L, + Lss Lon (2.5) Lom Lom 1 + Ls L, + L,, Lim Lim 1% =| LL +L Lm (2.6) Lun Lon L, + Ly cos 6, cos| đ.+ 2z cos} 8, 2 3 3
[ae = [ } = L,,| cos| 0, -2z 3 cos đ, cos|-đ + 2z 3 (2.7)
cos|4 ti] cos|4 22 cos6,
Ta có thể biểu diễn các điện khang theo sé vong day stato Ns, s6 vong day roto N, va d6 tir tham cua khe hé khéng khi Pg:
Lj, = N2P, L,=N?P,
L.,, = N2P, cos + ‘sm “"s*g 3 L,,, = N2P, cos 2z rm * ir“ g 3 (2.8)
Ly =N,N,P,
Máy điện lí tưởng được mô tả bằng hệ 6 phương trình vi phân cấp 1, mỗi phương trình cho một dây quấn Các phương trình này liên kết với nhau qua hệ số hỗ cảm giữa các dây quấn Đặc biệt các số hạng liên kết dây quan stato va roto là hàm của vị tri roto Như vậy khi roto quay, các số hạng này biến thiên theo thời gian Các biến đổi toán học giống như dq hay œB có thể làm cho việc tính toán nghiệm quá độ
của mô hình động cơ không đồng bộ nêu trên trở nên dễ dàng bằng cách biến đổi các
phương trình vi phân có hệ số tự cảm và hỗ cảm biến đổi theo t thành các phương
trình vi phân có hệ số tự cảm và hỗ cảm là hằng số
2.2 Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ trong hệ qd0 tùy ý [3] [10]
Máy điện không đồng bộ 3 pha lí tưởng có khe hở không khí đối xứng Các hệ
Trang 31hệ thường được chọn khi phân tích máy điện là hệ cố định và hệ quay đồng bộ Mỗi
hệ có những ưu điểm riêng và thích hợp với những mục đích riêng Trong hệ cô định, các biến dq của máy điện có cùng một thứ nguyên như các biến thường được ding trong hệ thống cung cấp điện Đây là lựa chọn thích hợp khi hệ thống cung cấp điện lớn hay phức tạp Trong hệ toạ độ quay đồng bộ, các biến dq là các biến xác lập trong
chế độ xác lập, một đòi hỏi tiên quyết khi rút ra mô hình tín hiệu nhỏ quanh điểm làm
việc đã chọn Trước hết ta xây dựng các phương trình của máy điện không đồng bộ
trong hệ toạ độ tuỳ ý quay với tốc độ œ = œ cùng chiều với roto Khi đó để có phương trình của máy điện trong hệ toạ độ cố định ta chi cần cho œ = 0 va néu cho @ = @e thi
ta có hệ phương trình trong hệ toạ độ quay đồng bộ với roto Trude hết ta viết phương
trình điện áp và mômen theo các đại lượng pha Quan hệ giữa các đại lượng abc và
qd0 tuỳ ý như hình vẽ Áp dụng phép biến đổi hệ toạ độ qd0 tuỳ ý vào các phương
trình này ta sẽ có các phương trình qd0 tương ứng B-axis d-axis Ww qraxis
Hình 2.2 Vector không gian trong hệ trục tọa độ
Phương trình biến đổi từ hệ abc sang hệ qd0 là:
Su Sa
⁄ |“ [7ze(9] Si (2.9)
⁄ f
Trong đó f có thể là điện áp các pha, dòng điện hay từ thông của máy
Góc chuyền toạ độ 6(t) giữa trục q của hệ toạ độ quay ở tốc độ œ và trục a của hệ toạ
độ cố định có thể biểu diễn bằng biểu thức:
Trang 32Tuong ty, géc ,(t) gitra truc cla stato va roto cla pha a khi roto quay với tốc độ œ()
có thể biểu diễn bởi:
8.(0= fo, (t)dt + 8.(0) (2.11)
0
Các góc (0) và 6r(0) là các giá trị đầu của các góc này tại thời điểm t = 0
cos@ cos g_2Z cos g+2Z 3 3 2 [7.9] =ã sinØ sin( 9-72) sin| 0+ 2) (2.12) 1 1 1 2 2 2 cos@ sin@ 1 [7, 6] = cos( 0-2E | sin( 0-2 40 3 3 1 (2.13) 2z 2z cos|Ø+ | sin{ 4 2) 1 2.2.1 Phương trình điện áp qd0
Ta có thể biểu diễn điện áp các cuộn dây stato abc dưới dạng ma trận:
vợ, =p Aare + pare jave (2 1 4)
Trang 33Trong đó: do 100 =F r2®=r|0 1 0 (2.18) 00 1 Tương tự, các đại lượng roto cũng phải được chuyển sang hé toa dé qd 0 10 y#29 =(y—ø,)|—L 0 0Ì2,29+ pÄ#29 + rine (2.19) 0 00 2.2.2 Quan hệ từ thông móc vòng qd0
Các từ thông móc vòng qd0 nhận được bang cach ap dung [Tado(q)] vào các từ thông móc vong stato abe:
Ag? =[ 7, () |(Laeigh + Leptin (2.20)
Sử dụng biến đổi ngược thích hợp để thay thế các dòng điện stato và roto bằng các thành phần dòng điện tương ứng qd0, phương trình trở thành:
Trang 35‘os fs Xịs —>—^—70`¬ + Vos zero-sequence
Hinh 2.3 So dé mach thay thé tuong duong trong hé toa d6 qd0 2.2.3 Phương trình mô men qd0
Tổng công suất vào tức thời của 6 dây quan stato và roto cho bởi:
Pin = Vastas + Vigtys + Vestes + Vi „„ + Vy dip + Vordoy (2.28)
Theo các đại lượng qđ0, công suất tức thời là:
3 cài te
Pin = sl” asigs t Vagdas + 2Vostns +Vardoy +V„i„ + 2vy,/n,) (2.29) Ta có các số hạng r là tổn hao đồng, ip^ biểu thị tỉ lệ biến đổi năng lượng từ trường
giữa các dây quấn và số hạng œi biểu thị tỉ lệ năng lượng biến đổi thành công cơ
học Mô men điện cơ tạo bởi máy điện bằng tổng của các sé hang @Ai chia cho tốc
độ quay cua roto:
3P
Tn =F 55 [(Aasas Aptis) +(@— 2) Maly ~ Ar z)| 230)
Sử dụng quan hệ giữa các từ thông ta có:
»l»T—Â,l¿ =—(Auik — Ai )= La( z4 —ly1„) (2.31)
Như vậy có thể viết lại như sau:
Bên (2.32)
3P
=5 31a (ipigs ~ lorie
Với mục đích mô phỏng, việc chọn phương trình nào trong số phương trình
trên tuỳ thuộc vào việc sử dụng biến khi mô phỏng Một cách khác để rút ra phương
trình mômen là dựa vào mạch tương đương Trong các mạch theo trục q, d và Ö các phan tử điện trở biểu thị tôn hao đồng, các điện kháng biểu thị năng lượng từ trường và các suất điện động biểu thị công cơ học Các suất điện động này là:
Eqs = Âu, Eg = Ags
+ '
Trang 36Công suất tác dụng liên quan đến các suất điện động này là công suât điện cơ của
máy:
3 \"
Pon =3W|(E, —jE„ Ì(l— J4 ) +(E,, -jE,, \ú — ji,,) | (2.34)
Phương trình dién 4p qd0 cua stato:
DAgs + OA, +H sigs
Vis aan — Wg, + Tha (2.35)
Vos = PAs + Klos
Phuong trinh dién ap qd0 cua roto:
Vor = Pay +(O-O, Ag, + Urhar
Vi, = Day, —(@- @, Age + Hig, (2.36)
= PAy, + Trig,
2.2.4 Phương trình từ thông và điện kháng theo thời gian trong hé toa độ tuỳ ý Các phương trình điện áp stato và roto:
=2 o,)** Va +
@,
P
Vas = m tá =aÝw Thy
Trang 37Vas 0 x,+x%, 0 0 x„ O Has VọQ; MO 0 0 Xs 0 0 0 los ‘ (2.39) Wor La 0 QO x,+Xm 0 0 |i, Vi, 0 Xm 0 0 x, +%m 9 We, Vo, 0 0 0 0 0 Xp io, Phương trình mô men: 3P Oo (ø- o,) ‘4! " Tom = 2 2ø, a, Male —Vasias)* a Warder —Wz„ — 3S (vii, —Ứ, ii) 22ø,\ 1 1 _3 P :
— 22a, Wak —Vzi„ (2.40)
=3 z— Xm (i, igs ~ irda] 2 2ø,
2.3 Hệ tọa độ dq0 đứng yên và hệ tọa độ dq0 quay đồng bộ [3], [10]
Thông thường, hiếm khi ta cần mô phỏng máy điện không đồng bộ trong hệ
tọa độ quay tuỳ ý Khi khảo sát hệ thống điện, tải là máy điện không đồng bộ sẽ được mô phỏng cùng các thiết bị khác trong hệ thống nhờ hệ toạ độ quay đồng bộ Khi
khảo sát chế độ quá độ của các hệ thống truyền động có điều chỉnh tốc độ, thông
thường các máy điện không đồng bộ và các bộ biến đổi được mô phỏng nhờ hệ toạ
độ có định Còn khi khảo sát sự ổn định động với tín hiệu sai lệch nhỏ quanh một số
chế độ làm việc, ta thường dùng hệ toạ độ quay đồng bộ để tạo ra các giá trị xác lập của điện áp và dòng điện xác lập trong điều kiện không đối xứng
Do ta đã đưa ra các phương trình của máy điện không đồng bộ trong trường hợp tổng quát, nghĩa là các phương trình trong hệ toạ độ quay với tốc độ tuỳ ý, nên
các phương trình của máy điện không đồng bộ trong hệ toạ độ quay với tốc độ đồng
bộ và hệ toạ độ đứng yên dễ dàng suy ra từ các phương trình tổng quát bằng cách đặt
@= 0 hay w= @e Để phân biệt các hệ toạ độ này với nhau, ta thêm chỉ số s vào các biến viết trong hệ toạ độ đứng yên và chỉ số e vào các biến viết trong hệ toạ độ quay
đồng bộ
2.3.1 Các phương trình của máy điện không đồng bộ trong hệ toạ độ cố định Các phương trình điện áp:
Trang 38Vos =2y,, + Tyg, (2.41)
b _P
— 0, Wor — a2 + rig
` P's , ,,'s ‘a's
y? =- Tự? +—~V¿y„ dr O, Vor O, Wor + r“dr
Trang 39se — De @,—@ 'e hag Vi = WG 7 — Wor thal gp b ĐC P ' tựt Vor => — Yor +H lo, a, Phương trình từ thông móc vòng: Was Xj, + Xm 0 0 X„ 0 0 |i ‘as Wis 0 xy+ư„ 9 0 Xm 0 114, 0 0 x 0 0 0 |i Mos | _ 0 0 x 0 0 us (2.45) Wor Xm Xự, + X„ lạ wie 0 Xn 0 0 Xi + Xm 0 i‘ Vo, 0 0 0 0 0 Xự, HỆ Phương trình mô men: 3 P 'e re ‘ese Lon = 2 20, (vets ~ Varlgr ) 3 P ese ece “Fig, Mal —Viti) 2.46) =Šz—x„ 2 2ø, (ii -i¢is,) rạn as
2.4 Mô hình máy điện không đồng bộ trong chế độ xác lập [3], [10]
Từ trạng thái làm việc xác lập của máy điện không đồng bộ khi điện áp cung cấp là 3 pha đối xứng ta có thể biểu diễn điện áp và dòng điện như sau:
v„y = Ƒ„„ cOs(@,f)
Vie =Vns cos{ ot 2) (2.47)
Ves =Vins mi 3
ins = Ins COS(O,t— 9, )
ing =L ns cox| aự =7 =4 ) (2.48)
Tương tự điện áp và dòng điện roto ở hệ số trượt s được viết là:
Trang 40Vip = Vor cos{ sue -8, (0)-2] i = Ly cos{ soy" -4 (0)~¿~#) (2.49) Vp = Vey cos( ss 0, (0)-6 dep =L yp cos{ sue“ -9 (0)-3-4,
Biến đổi các phương trình trên viết theo các biến abc thành các phương trình viết theo các biến qd0 có trục q trùng với trục pha a của stafto ta có:
Ủ, = Vis —IV55 = „e1 l =i — ly =1„e Set
ei) = (rae — oi) (2.50)
=(i, - jit, \e = [re
Trong đó các chỉ số trên s và r được dùng để chỉ các thành phần qd0 trong hệ toạ độ
J|sa,I~8,(0)-2~#) Je" (9)
đứng yên và trong hệ toạ độ roto Trong trạng thái xác lập, tốc độ quay của rotO bằng
hang sé @-(1 - s):
6, (t)=@, (1-s)t+ 8, (0) (2.51)
Thay vào biểu thức vec tơ không gian dòng điện và điện ap roto ta có: B= V5, — Vi, = Vie Pelee
i =i, jit, =1,,6 70 Melee! (2.52)