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

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP HCM Cán hướng dẫn khoa học : TS Nguyễn Thanh Phương (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ 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 Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) Chủ tịch : TS Ngô Cao Cường Phản biện 1: TS Nguyễn Hùng Phản biện 2: TS Võ Hoàng Duy Uỷ viên : TS Huỳnh Châu Duy Uỷ viên,thư ký : TS Huỳnh Quang Minh Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn sau luận văn sửa chữa (nếu có): ……………………………………………………………………… …………………………………… Chủ tịch hội đồng đánh giá LV TS Ngô Cao Cường TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG QLKH – ĐTSĐH Độc lập - Tự - Hạnh phúc TP HCM, ngày 10 Tháng 01 năm 2013 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Ngơ Đình Khơi Ngày, tháng, năm sinh: 15/03/1968 Giới tính: Nam Nơi sinh: Đồng Nai Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: 1141830012 I-TÊN ĐỀ TÀI: Điều khiển động không đồng chế độ tiết kiệm lượng II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu đối tượng động điện hoạt động chế độ tiết kiệm lượng - Đề xuất phương pháp thiết kế điều khiển động điện chế độ tiết kiệm lượng - Thiết kế giải thuật điều khiển động điện chế độ tiết kiệm lượng - Xây dựng mơ hình mơ phần mềm điều khiển động điện chế độ tiết kiệm lượng - Khảo sát so sánh kết mô 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 HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn thông tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Học viên thực Luận văn (Ký ghi rõ họ tên) Ngơ Đình Khơi LỜI CÁM ƠN Để hồn thành luận văn này, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc TS Nguyễn Thanh Phương, người thầy hết lòng, tận tâm, nhiệt tình hướng dẫn cung cấp cho tơi tài liệu vơ q giá q trình thực luận văn Xin chân thành cảm ơn tập thể thầy cô giáo giảng dạy, truyền đạt tri thức giúp học tập nghiên cứu trình học cao học 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 khoa Điện – Điện tử Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP.HCM giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập làm luận văn cao học trường Xin chân thành cảm ơn anh, chị học viên cao học lớp 11SMĐ1 đóng góp ý kiến cho tơi q trình thực luận văn TP.Hồ Chí Minh, tháng năm 2013 NGƯỜI THỰC HIỆN Ngơ Đình Khơi TĨM TẮT Luận văn trình bày phương pháp điều khiển giảm tổn thất động không đồng pha Mục tiêu luận văn nghiên cứu phương thức điều khiển động cho giảm tối thiểu tổn thất sắt từ cho động khơng đồng ba pha Tìm hiểu tổng quan phụ tải điện thơng dụng thuộc nhóm HVAC ( Heating, Ventilation and Air-Condition ) chứng minh khả tiết kiệm lượng cách điều khiển tốc độ Trình bày vấn đề tổn hao phương pháp điều khiển tiết kiệm lượng động không kết tổng hợp nghiên cứu khác giới để đưa nhìn tổng quan tồn diện lĩnh vực nghiên cứu Xây dựng giải thuật điều khiển tiết kiệm lượng mà đối tượng động khơng đồng Dựa tảng phương điều khiển định hướng trường rotor gián tiếp (Indirect Field Oriented Control ) kết hợp với việc tìm giá trị từ thơng rotor tối ưu mục đích để giảm tổn hao động tiết kiệm lượng Thực mô giải thuật tiết kiệm lượng phần mềm Matlab Nhận xét thành phần động như: điện áp, dòng điện, tốc độ, mơmen, từ thông công suất tiêu thụ So sánh kết sử dụng giải thuật từ thông rotor tối ưu với từ thông rotor tham chiếu để tính lượng lượng tiết kiệm Và thực mô với từ thông tham chiếu, tốc độ đặt, mômen tải khác để thấy khả tiết kiệm khác 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 từ viết tắt………………………………………………………… viii Danh mục bảng……………………………………………………………… ix Danh mục biểu đồ hình ảnh……………………………………………………… x Chương 1: Tổng quan 1.1 Giới thiệu tổng quan 1.2 Mục đích nghiên cứu 1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu giới hạn đề tài 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.5 Giá trị thực tiễn đề tài 1.6 Bố cục luận văn .3 Chương 2: Tổng quan phụ tải điện khả tiết kiệm lượng 2.1 Thống kê sử dụng động cảm ứng 2.2 Điều khiển hiệu lượng ứng dụng HVAC .8 2.3 Tiết kiệm lượng ứng dụng HVAC cách điều khiển biến tốc 10 2.4 Các ứng dụng với khả tiết kiệm lượng điều khiển tốc độ 13 Chương 3: Vấn đề tổn hao phương pháp điều khiển tối ưu lượng DCKĐB .15 3.1 Tổn thất động không đồng thay đổi tốc độ .15 3.1.1 Bộ biến tần 14 3.1.2 Động không đồng 17 3.1.3 Truyền động 19 3.1.4 Tổn hao lưới với động điều chỉnh tốc độ 21 3.2 Tối ưu hóa lượng việc giảm từ thơng động 23 3.3 Điều khiển tối ưu lượng lái VVFF .25 3.4 Điều khiển tối ưu lượng 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 vơ hình 31 3.6.1 Các động 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 mạng thần kinh nhân tạo 38 3.8 Kết Luận .40 Chương 4: Phương pháp điều khiển định hướng trường ( Field Oriented Cotrol – FOC) hướng nghiên cứu .42 4.1 Phương pháp điều khiển định hướng trường .42 4.2 Kết luận hướng nghiên cứu …………….48 Chương 5: Phương pháp thiết kế, mô kết hệ thống điều khiển động điện chế độ tiết kiệm lượng 50 5.1 Phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển động điện chế độ tiết kiệm lượng 50 5.1.1 Xây dựng thuật toán 50 5.1.2 Kết luận 55 5.2 Mô hệ thống điều khiển động điện chế độ tiết kiệm lượng55 5.1.2 Xây dựng mô khối điều chế từ thông tối ưu 55 5.2.2 Xây dựng sơ đồ mô hệ thống điều khiển tiết kiệm lương 61 5.3 Kết 66 5.3.1 Xác định từ thông rotor tối ưu (TTRTU) 66 5.3.2 Kết mô 67 5.3.3 So sánh kết 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 đồ thị công suất tiêu thụ động hoạt động chế độ TTRTTC khác 72 5.3.5 Xét đồ thị công suất tiêu thụ động hoạt động tốc độ đặt khác 74 5.3.6 Xét đồ thị công suất tiêu thụ động hoạt động momen đặt khác 76 - Điện áp dây Vab ngõ nghịch lưu cung cấp cho điện áp mạch stator có biên độ 780V, điện áp điều chế theo nguyên lý độ rộng xung (PWM) - Dòng xoay chiều pha, ngõ nghịch lưu cung cấp cho mạch stator động Dòng điện ban đầu lớn dòng khởi động động sau 0.7s dòng giảm xuống hoạt động chế độ không tải xác lập Đến thời điểm t = 1.8s đóng tải dòng tăng dần giữ giá trị ổn định suốt thời gian xác lập - Đáp ứng tốc độ bám hoàn toàn theo tốc độ đặt 120rad/s sau 3.5s đảm bảo tiêu chuẩn ổn định hệ thống điều khiển tự động - Đáp ứng mômen điện từ cho thấy khởi động mômen đạt giá trị cực đại Tmax  300 N m , chế độ xác lập không tải d 0)  Te Tm 0 , ta thấy dt đáp ứng mơmen dần Vào thời điểm t  1.8s đóng tải Tm  200 N m , mômen điện từ tăng dần đạt giá trị 200Nm xác lập - Trong thời gian khởi động từ thông rotor tối ưu đạt giá trị lớn sau giảm xuống, đến thời điểm t = 0.1.8s đóng tải vào tăng dần đạt giá trị  ropt  1.02(Wb) ổn định suốt thời gian xác lập - Trong thời gian khởi động tiêu thụ công suất cực đại Pmax  25.9(kW) t=0.7s Khi vào chế độ xác lập không tải , công suất tiêu thụ giảm dần đóng tải cho động t=1.8s công suất tăng dần đạt giá trị ổn định P  19.05(kW ) 72 5.3.3 So sánh kết từ thông rotor tối ưu (TTRTU) với từ thông rotor tham chiếu định mức (TTRTCĐM) 5.3.3.1 Điện áp Hình 5.8 Đồ thị điện áp dây Vab TTRTU TTRTCĐM Điện áp dây Vab chế độ TTRTU TTRTCĐM lệch pha có biên độ 780(V) 5.3.3.2 Dòng điện Hình 5.9 Đồ thị dòng điện xoay chiều pha ngõ nghịch lưu TTRTU TTRTCĐM 73 Dòng điện chế độ từ thơng tối ưu tiêu thụ so với chế độ từ thông tham chiếu thời gian khởi động xác lập, đoạn xác lập khơng tải tiêu thụ 5.3.3.3 Tốc độ Hình 5.10 Đồ thị tốc độ động TTRTU TTRTCĐM Đáp ứng tốc độ hai chế độ bám theo tốc độ đặt 120rad/s sau thời gian 3.5s 5.3.3.4 Momen Hình 5.11 Đồ thị mơmen động TTRTU TTRTCĐM Mômen chế độ TTRTU đạt lớn trình dao động nhiều sơ với momen chế độ TTRTCĐM 74 5.3.3.5 Từ thơng Hình 5.12 Đồ thị TTRTU TTRTCĐM động  TTRTU sau 3s vào trạng thái xác lập đạt  r  1.02(Wb) , opt TTRTCĐM giá trị số thời điểm  r  0.96(Wb) 5.3.3.6 Công suất tiêu thụ (CSTT) Hình 5.13 Đồ thị CSTT TTRTU TTRTCĐM Cơng suất tiêu thụ TTRTU tiêu thụ công suất tiêu thụ TTRTCĐM thời gian khởi động xác lập Để thấy rõ ta lấy đồ thị công suất tiêu thụ TTRTU trừ cho đồ thị cơng suất tiêu thụ TTRTCĐM 75 Hình 5.14 Đồ thị hiệu CSTT TTRTU TTRTCĐM Vì chế độ hoạt động xác lập chế độ hoạt động lâu dài động nên ta xét tính phần trăm lượng tiết kiệm đoạn xác lập Từ hình 6.7 ta tính P 650 phần trăm lượng tiết kiệm được: %P  P  19650 �100  3.3%   r Nhận xét : Sau tính ta thấy tiết kiệm 3.3% lượng công suất, lượng tiết kiệm tương đối nhiên tải có cơng suất lớn hoạt động thời gian dài việc tiết kiệm lượng tương đối đáng kể Ngoài động hoạt động chế độ từ thông rotor tham chiếu (TTRTC) khác với định mức tốc độ đặt khác việc tiết kiệm lượng tăng lên so với TTRTU 5.3.4 Xét đồ thị công suất tiêu thụ động hoạt động chế độ TTRTC khác Thiết lập thông số mô phỏng: - Tốc độ đặt không đổi 120 rad/s - Mômen thay đổi từ đến 200N.m t = 1.8s 76 - Lần lượt thay đổi TTRTC so sánh với TTRTU Khi  r  0.8(Wb)   Hình 5.15 Đồ thị CSTT TTRTU TTRTCĐM với  r  0.8(Wb) Phần trăm lượng tiết kiệm được: % P  P   P  r ropt P  r   2.040  1.905 �100  6.61% 2.040 Khi  r  0.7(Wb) 77 Hình 5.16 Đồ thị CSTT TTRTU TTRTCĐM với  r  0.7(Wb) Phần trăm lượng tiết kiệm được: %P  P   P  r ropt P   r 2.115  1.905 �100  9.93% 2.115 Khi  r  0.6(Wb)  Hình 5.17 Đồ thị CSTT TTRTU TTRTCĐM với  r  0.6(Wb) Phần trăm lượng tiết kiệm được: %P  P   P  r ropt P  r  2.220  1.905 �100  14.18% 2.220 Nhận xét : Theo số liệu tính tốn khả tiết kiệm lớn động hoạt động với TTRTC nhỏ ( so với TTRTCĐM ) so sánh với TTRTU 5.3.5 Xét đồ thị công suất tiêu thụ động hoạt động tốc độ đặt khác Thiết lập thông số mô : 78 - Mômen thay đổi từ đến 200N.m t = 1.8s - Từ thông lúc TTRTU TTRTCĐM - Lần lượt thay đổi tốc độ đặt khác  Khi    110(rad / s) Hình 5.18 Đồ thị CSTT TTRTU TTRTCĐM với    110(rad / s) Phần trăm lượng tiết kiệm được: %P  P   P  r ropt P  r  Khi    100(rad / s) 79  1.818  1.757 �100  3.35% 1.818 Hình 5.19 Đồ thị CSTT TTRTU TTRTCĐM với    100(rad / s) Phần trăm lượng tiết kiệm được: %P  P   P  r ropt P   r  1.672  1.608 �100  3.83% 1.672 Khi    90(rad / s ) Hình 5.20 Đồ thị CSTT TTRTU TTRTCĐM với    90(rad / s) Phần trăm lượng tiết kiệm được: %P  P   P  r ropt P  r 80  1.525  1.460 �100  4.26% 1.525 Nhận xét : Theo số liệu tính tốn khả tiết kiệm lượng lớn động hoạt động với tốc độ nhỏ với việc so sánh TTRTU với TTRTCĐM 5.3.6 Xét đồ thị công suất tiêu thụ động hoạt động mômen đặt khác Thiết lập thông số mô : - Tốc độ đặt không đổi 120 rad/s - Từ thông lúc TTRTU TTRTCĐM - Lần lượt thay đổi mômen đặt khác  Khi Tm  100 N m  Hình 5.21 Đồ thị CSTT TTRTU TTRTCĐM với Tm  100 N m 81 Phần trăm lượng tiết kiệm được: %P  P   P  r ropt P   r  1.055  1.040 �100  1.42% 1.055 Khi Tm  150 N m  Hình 5.22 Đồ thị CSTT TTRTU TTRTCĐM với Tm  150 N m Phần trăm lượng tiết kiệm được: %P  P   P  r ropt P  r  Khi Tm  190 N m 82  1.5  1.465 �100  2.33% 1.5  Hình 5.23 Đồ thị CSTT TTRTU TTRTCĐM với Tm  190 N m Phần trăm lượng tiết kiệm được: %P  P   P  r ropt P  r  1.872  1.815 �100  3.04% 1.872 Nhận xét : Theo số liệu tính tốn khả tiết kiệm lượng lớn động hoạt động với mômen tải lớn với việc so sánh TTRTU với TTRTCĐM 5.4 Kết luận Từ kết mô thấy trạng thái xác lập, phương pháp điều khiển tối ưu lượng đạt kết phù hợp với lý thuyết Như với việc điều khiển từ thơng thuật tốn ban đầu giới thiệu, cơng suất tiêu thụ động nhỏ Một nhược điểm phương pháp chưa chứng minh tính tối ưu lượng giai đoạn độ khởi động hệ thống Mặc dù vậy, thuật tốn có ý nghĩa quan trọng thực tế thời gian khởi động độ nhỏ so với thời gian xác lập, công suất tiêu tán giai đoạn không đáng kể 83 Chương KẾT LUẬN 6.1 Kết luận Đề tài giải vấn đề lý thuyết tìm kiếm giải thuật điều khiển tối ưu nhằm tiết kiệm lượng điều khiển ĐCKĐB Bằng kết mơ dựa mơ hình mơ điều khiển động KĐB theo phương pháp định hướng tựa từ thông rotor với từ thông tối ưu phần chứng minh tính hiệu thuật tốn 6.2 Các vấn đề thực 1.Tìm hiểu tổng quan phụ tải điện HVAC khả tiết kiệm chúng Trình bày vấn đề tổn hao phương pháp điều khiển theo hướng tiết kiệm lượng Xây dựng giải thuật điều khiển ĐCKĐB tiết kiệm lượng Thực mô giải thuật phần mềm Matlab 5.Nhận xét đánh giá kết mô So sánh kết giải thuật tiết kiệm với từ thông rotor tối ưu với từ thông tham chiếu Nhận xét đánh giá kết 6.3 Các vấn đề tồn đọng Chưa mơ khâu điều khiển trượt tốc độ từ thông thiết kế chương Chưa mô giải thuật điều khiển giảm tổn hao giới thiệu chương 3 Chưa thí nghiệm giải thuật mơ đề tài mơ hình 84 6.4 Hướng phát triển Thực nghiệm giải thuật điều khiển tiết kiệm lượng đề tài mơ hình thật Nhận xét, so sánh đánh giá kết so với lý thuyết mơ Trên sỏ ứng dụng chế tạo thiết bị điều khiển động điện chế độ tiết kiệm lượng Thực mô khâu điều khiển trượt tốc độ từ thông thay cho khâu PI truyền thống Nhận xét, so sánh đánh giá kết Thực mô giải thuật điều khiển tiết kiệm lượng Nhận xét so sánh kết để đưa phương án tiết kiệm tốt cuối thực nghiệm mơ hình 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học Kỹ thuật TS Phan Quốc Dũng, Ths Tô Hữu Phúc, Truyền Động Điện, NXB Đại học Quốc gia Tp HCM TS Nguyễn Phùng Quang(2002), Truyền Động Điện Thông minh, NXB Khoa học Kỹ thuật Fleming Abrahamsen Energy Optimal Control of Induction Drives, Aalborg University, Feb- 2000 86 ... đối tượng động điện hoạt động chế độ tiết kiệm lượng Đề xuất phương pháp thiết kế điều khiển động điện chế độ tiết kiệm lượng Thiết kế giải thuật điều khiển động điện chế độ tiết kiệm lượng Xây... điện hoạt động chế độ tiết kiệm lượng - Đề xuất phương pháp thiết kế điều khiển động điện chế độ tiết kiệm lượng - Thiết kế giải thuật điều khiển động điện chế độ tiết kiệm lượng - Xây dựng mơ... lạnh Không phải tất động điện hoạt động cảm ứng Một lượng nhỏ lượng tiêu thụ loại động khác, bao gồm động đồng bộ, động DC động bước Dựa số liệu bán động Mỹ năm 1989 ước tính trong, 96% động