Điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha tiết kiệm năng lượng: luận văn thạc sĩ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC v LẠC HỒNG *** BÙI TẤN HUỆ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Đồng Nai – Năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG *** BÙI TẤN HUỆ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG Chuyên nghành : Kỹ Thuật Điện Mã số : 60520202 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN MINH TÂM Đồng Nai – Năm 2017 LỜI CẢM ƠN Qua trình học tập, nghiên cứu hồn thành luận văn, em kính gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến:  TS NGUYỄN MINH TÂM thầy tận tình dạy, tạo điều kiện động viên em suốt trình thực  Q thầy, giáo tham gia công tác giảng dạy, hướng dẫn em thành viên lớp học chuyên ngành Kỹ Thuật Điện tồn khố học  Q thầy, giảng dạy khoa Sau đại học – Trường Đại học Lạc Hồng giúp đỡ em thực thời gian học tập nghiên cứu trường  Kính gửi lời cảm ơn tới Ban Giám Hiệu Trường Đại học Lạc Hồng tạo điều kiện thuận lợi cho em trường học tập nghiên cứu Kính chúc Quý thầy, cô thật nhiều sức khỏe Đồng Nai,, ngày 04 tháng 11 năm 2017 Học viên Bùi Tấn Huệ LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Đồng Nai,, ngày 04 tháng 11 năm 2017 Học viên Bùi Tấn Huệ TÓM TẮT LUẬN VĂN Đề tài “ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG ” tiến hành khoảng thời gian tháng trường Đại học Lạc Hồng Sau thời gian nghiên cứu đề tài triển khai tập trung giải vấn đề sau:  Nghiên cứu đối tượng động điện hoạt động chế độ tiết kiệm lượng  Phương pháp thiết kế điều khiển động điện tiết kiệm lượng  Thiết kế giải thuật điều khiển động điện tiết kiệm lượng  Xây dựng mơ hình mơ phần mềm điều khiển động điện chế độ tiết kiệm lượng  Đánh giá kết mô MỤC LỤC Lời cảm ơn Lời cam đoan Tóm tắt Mục lục Danh mục bảng Danh mục hình Danh mục từ viết tắt CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu tổng quan 1.2 Các nghiên cứu nước 1.2.1 Các nghiên cứu nước 1.2.2 Các nghiên cứu nước 1.3 Mục đích nghiên cứu 1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu 1.5 Bố cục luận văn CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÀ TỔN THẤT NĂNG LƯỢNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA 2.1 Phương pháp điều khiển động KĐB 2.1.1 Điều khiển vô hướng động KĐB (Scalar) 2.1.2 Phương pháp điều chế vec1tor không gian 2.1.3 Điều khiển định hướng trường 2.1.4 Điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp 2.1.5 Điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp 2.1.6 Điều khiển độ rộng xung theo định hướng trường 2.1.7 Nhận xét 2.2 Những kỹ thuật khác 2.3 Tối ưu hóa lượng việc giảm từ thông động 10 2.4 Điều khiển tối ưu lượng lái VVFF 12 2.5 Điều khiển tối ưu lượng lái VVVF 14 2.6 Điều khiển trạng thái đơn giản 16 2.6.1 Điều khiển cos(  ) (hệ số công suất) 16 2.6.2 Điều khiển tần số trượt stator 17 2.7 Điều khiển dựa vào mơ hình 17 2.7.1 Các động vô hướng 18 2.7.2 Bộ lái điều khiển vector hướng trường (Field Oriented Vector Controlled Drives) 20 2.8 Điều khiển tìm kiếm 21 2.9 Tổn thất động KĐB thay đổi đươc tốc độ 24 2.9.1 Bộ biến tần 24 2.9.2 Động không đồng 25 2.9.3 Truyền động 29 2.9.4 Tổn hao lưới với động điều chỉnh tốc độ 31 2.9.5 Kết luận 33 CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH TỐN VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TỪ TRƯỜNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA ( FIELD ORIENTED CONTROL – FOC ) 35 3.1 Mơ hình tốn động KĐB pha 35 3.2 Vector không gian đại lượng pha 36 3.2.1 Xây dựng vector không gian 36 3.2.2 Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian 39 3.2.3 Biểu diễn vector không gian hệ tọa độ từ thông rotor 40 3.3 Mơ hình động KĐB pha 42 3.3.1 Lý xây dựng mơ hình 42 3.3.2 Hệ phương trình động 43 3.3.3 Các tham số động 45 3.3.4 Mơ hình trạng thái động hệ tọa độ stator 46 3.3.5 Mơ hình trạng thái động hệ tọa độ rotor 48 3.3.6 Ưu điểm việc miêu tả động không đồng pha hệ tọa độ từ thông rotor 50 3.4 Phương pháp điều khiển định hướng trường 50 3.4.1 Điều khiển trực tiếp 55 3.4.2 Điều khiển gián tiếp 55 3.5 Kết luận hướng nghiên cứu 57 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ GIẢI THUẬT, MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Ở CHẾ ĐỘ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG 58 4.1 Thiết kế giải thuật hệ thống điều khiển 58 4.1.1 Xây dựng thuật toán 58 4.1.2 Kết luận 63 4.2 Mô hệ thống điều khiển động điện tiết kiệm lượng 64 4.2.1 Xây dựng mô khối điều chế từ thông tối ưu 64 4.2.2 Xây dựng sơ đồ mô hệ thống điều khiển tiết kiệm lượng 69 4.3 Kết 74 4.3.1 Xác định từ thông rotor tối ưu ( TTRTU) 74 4.3.2 Kết mô 75 4.3.3 So sánh kết từ thông rotor tối ưu (TTRTU) với từ thông rotor tham chiếu định mức (TTRTCĐM) 77 4.3.3.1 Điện áp 77 4.3.3.2 Dòng điện 77 4.3.3.3 Tốc độ 78 4.3.3.4 Momen 78 4.3.3.5 Từ thông 79 4.3.3.6 Công suất tiêu thụ (CSTT) 79 4.3.4 Xét đồ thị công suất tiêu thụ động hoạt động chế độ TTRTC khác 80 4.3.5 Xét đồ thị công suất tiêu thụ động hoạt động tốc độ đặt khác 82 4.3.6 Xét đồ thị công suất tiêu thụ động hoạt động mômen đặt khác 84 4.4 Kết luận 86 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 87 5.1 Kết luận 87 5.2 Các vấn đề thực 87 5.3 Các vấn đề tồn đọng 87 5.4 Hướng phát triển 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Các hoạt động thực để làm giảm tổn hao 27 Bảng 2.2 Hiệu truyền lái động 30 Bảng 2.3 Ước lượng phương pháp điều khiển tối ưu lượng cho lái động không đồng 34 Bảng 4.1 Thông số động tiêu chuẩn 64 Bảng 4.2 Thông số động xét sau 65 Bảng 4.3 Thông số động dùng sơ đồ mô sau 72 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1 Hệ thống định hướng từ thơng rotor Hình 2.2 Hai mơ hình hệ thống điều khiển vector động cảm ứng có định hướng từ thơng rotor gián tiếp ẩn Hình 2.3 Đường cong hiệu suất tốc độ định mức với từ thông khe hở khơng khí khơng đổi với hiệu suất tối ưu động 2.2kW 11 Hình 2.4 Động khơng đồng điều khiển converter VVFF (khởi động mềm) 13 Hình 2.5 Bộ PWM-VSI với diode chỉnh lưu phần lớn ASD (bộ lái điều khiển tốc độ) ngày 15 Hình 2.6 Sơ đồ khối điều khiển cho việc tối ưu hiệu suất lái động Rất nhiều tín hiệu hồi tiếp đưa 15 Hình 2.7 Ví dụ điều khiển cos(  ) lái vô hướng 17 Hình 2.8 Ví dụ điều khiển tần số trượt tối ưu mà giá trị tham khảo đặt bảng tra 17 Hình 2.9 Ví dụ việc thực thi điều khiển dựa theo mơ hình động vơ hướng 19 Hình 2.10 Mơ hình điều khiển tối ưu lượng dựa mơ hình động thực khung tham chiếu hướng từ trường 21 Hình 2.11 Thực thi điều khiển tìm kiếm cho điều khiển theo từ thơng rotor 22 Hình 2.12 Ví dụ việc thực tối ưu hiệu suất tìm kiếm lái vô hướng 23 Hình 2.13 Dịng cơng suất chảy qua động 24 Hình 2.14 Bộ chuyển đổi nguồn áp điều chế độ rộng xung (PWM-VSI) với diode chỉnh lưu sử dụng phổ biến điều khiển tiêu chuẩn 25 Hình 2.15 Dịng hiệu dụng nối trực tiếp với lưới điện nối thông qua converter 32 Hình 3.1 Động khơng đồng ba pha 36 Hình 3.2 Sơ đồ cuộn dây dịng stator động khơng đồng pha 36 Hình 3.3 Xây dựng vector dịng stator từ ba dịng pha 37 Hình 3.4 Các thành phần dòng stator hệ αβ 38 Hình 3.5 Vector dịng stator hệ tọa độ cố định αβ hệ tọa độ quay dq 39 Hình 3.6 Biểu diễn vector không gian hệ tọa độ từ thông rotor 40 73 Hình 4.3 Sơ đồ mơ hệ thống điều khiển động 74 4.3 Kết 4.3.1 Xác định từ thông rotor tối ưu ( TTRTU) * Thiết lập thông số mô phỏng: - Tốc độ đặt không đổi 120 rad/s - Mômen thay đổi từ đến 200N.m t = 1.8s - Khối từ thông rotor tối ưu thay đổi K = 0.13, K = 0.145, K = 0.19 Hình 4.4 Đồ thị cơng suất tiêu thụ TTRTU * Nhận xét: Với K = 0.13 đường cơng suất tiêu thụ nằm thấp hình 4.6 tương ứng với từ thông rotor nhận tối ưu nhận Vì thiết lập K = 0.13 mô 75 4.3.2 Kết mô Điện áp (V) Dịng điện (A) Tốc độ (rad/s) Mơmen (N.m) Từ Thơng (Wb) Cơng suất (W) Hình 4.5 Đồ thị thành phần U, I,  , Tm,  r , P động 76 Nhận xét: - 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 Dịng điện ban đầu lớn dịng khởi động động sau 0.7s dịng giảm xuống hoạt động chế độ không tải xác lập Đến thời điểm t = 1.8s đóng tải dịng 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 d đại Tmax  300 N m , chế độ xác lập không tải  0)  Te  Tm  , ta dt thấy đáp ứng mômen 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 thơng 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  1.02(Wb) ổn định suốt thời gian xác lập opt - 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 ) 77 4.3.3 So sánh kết từ thông rotor tối ưu (TTRTU) với từ thông rotor tham chiếu định mức (TTRTCĐM) 4.3.3.1 Điện áp Hình 4.6 Đồ thị điện áp dây Vab TTRTU TTRTCĐM Điện áp dây Vab chế độ TTRTU TTRTCĐM lệch pha có biên độ 780(V) 4.3.3.2 Dịng điện Hình 4.7 Đồ thị dòng điện xoay chiều pha ngõ nghịch lưu TTRTU TTRTCĐM 78 Dòng điện chế độ từ thông 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 4.3.3.3 Tốc độ Hình 4.8 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 4.3.3.4 Momen Hình 4.9 Đồ thị mômen động TTRTU TTRTCĐM Mômen chế độ TTRTU đạt lớn trình dao động nhiều sơ với momen chế độ TTRTCĐM 79 4.3.3.5 Từ thơng Hình 4.10 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) 4.3.3.6 Cơng suất tiêu thụ (CSTT) Hình 4.11 Đồ thị CSTT TTRTU TTRTCĐM Công suất tiêu thụ TTRTU tiêu thụ cơng 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 công suất tiêu thụ TTRTCĐM 80 Hình 4.12 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 4.7 ta tính phần trăm lượng tiết kiệm được: %P  P 650  100  3.3% P  19650 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 4.3.4 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 - Lần lượt thay đổi TTRTC so sánh với TTRTU 81  Khi  r  0.8(Wb) Hình 4.13 Đồ thị CSTT TTRTU TTRTCĐM với  r  0.8(Wb) Phần trăm lượng tiết kiệm : %P  P   P  r ropt P  r  2.040  1.905 100  6.61% 2.040  Khi  r  0.7(Wb) Hình 4.14 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 82  Khi  r  0.6(Wb) Hình 4.15 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 4.3.5 Xét đồ thị công suất tiêu thụ động hoạt động tốc độ đặt khác Thiết lập thông số mô : - Mômen thay đổi từ đến 200N.m t = 1.8s - Từ thông lúc TTRTU TTRTCĐM - Lần lượt thay đổi tốc độ đặt khác 83  Khi   110(rad / s) Hình 4.16 Đồ thị CSTT TTRTU TTRTCĐM với   110(rad / s) Phần trăm lượng tiết kiệm : %P  P   P  r ropt P   r  1.818  1.757 100  3.35% 1.818 Khi   100(rad / s) Hình 4.17 Đồ thị CSTT TTRTU TTRTCĐM với   100(rad / s) Phần trăm lượng tiết kiệm : %P  P   P  r ropt P  r  1.672  1.608 100  3.83% 1.672 84  Khi   90(rad / s) Hình 4.18 Đồ thị CSTT TTRTU TTRTCĐM với   90(rad / s) Phần trăm lượng tiết kiệm : %P  P   P  r ropt P  r  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 4.3.6 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 85  Khi Tm  100 N m Hình 4.19 Đồ thị CSTT TTRTU TTRTCĐM với Tm  100 N m Phần trăm lượng tiết kiệm : %P  P   P  r ropt P  r  1.055  1.040 100  1.42% 1.055 Khi Tm  150 N m  Hình 4.20 Đồ thị CSTT TTRTU TTRTCĐM với Tm  150 N m Phần trăm lượng tiết kiệm : %P  P   P  r ropt P  r  1.5  1.465 100  2.33% 1.5 86  Khi Tm  190 N m Hình 4.21 Đồ thị CSTT TTRTU TTRTCĐM với Tm  190 N m Phần trăm lượng tiết kiệm : %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 4.4 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 87 Chương KẾT LUẬN 5.1 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 5.2 Các vấn đề thực 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 Nhận xét đánh giá kết mô 5.3 Các vấn đề cịn tồn đọng Chưa thí nghiệm giải thuật mô đề tài mơ hình 5.4 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 mô Trên sở 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 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 ... kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Đồng Nai,, ngày 04 tháng 11 năm 2017 Học viên Bùi Tấn Huệ TÓM TẮT LUẬN VĂN Đề tài “ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG... 35 3. 1 Mô hình tốn động KĐB pha 35 3. 2 Vector không gian đại lượng pha 36 3. 2.1 Xây dựng vector không gian 36 3. 2.2 Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian 39 3. 2 .3. .. vector không gian hệ tọa độ từ thông rotor 40 3. 3 Mơ hình động KĐB pha 42 3. 3.1 Lý xây dựng mơ hình 42 3. 3.2 Hệ phương trình động 43 3 .3. 3 Các tham số động 45 3. 3.4