V NăĐ ăT NăHAOăÀăT NGăQUANăCÁC
3.1.3 T năhaoălư iăv iăhệăth ngăthayăđ it căđ
Khi động cơ chạy trực tiếp từ lưới dịng điện vào là gần hình sin với thành phần phản kháng và cos phụ thuộc vào tải. Tuy nhiên, BCL diode 3 pha cĩ cos()
hằng gần bằng 1, dịng vào cĩ thêm thành phần họa tần. Tổn hao sinh ra trên lưới đối với động cơchạy trực tiếp từlưới như sau :
2 2 2 , 2 1 3 3 cos( ) 3 cos( ) in in
loss grid line line line line line in P P P R I R R V V (3.1)
Trong đĩ: Rline : điện trở nốitiếp đường dây
line
I : trị hiệu dụng của dịng dây.
line
V : điện áp dây.
: gĩc lệch pha
in
P : cơng suất ngõ vào động cơ .
Thành phần họa tần được đặc trưng bởi thơng số độ méo dạng họa tần tổng
(THD: Total Harmonic Distortion):
2 2 1 1 I I THD I
Trong đĩ: I : trị hiệu dụng của dịng vào bộ chỉnh lưu
I1 : trị hiệu dụng dịng vào bộ chỉnh lưuthành phần cơ bản Nếu áp lưới là sin, dịng họa tần khơng mang năng lượng và chỉ sinh ra tổn hao trên lưới. Cĩ thể trình bày:
2 2 2
1(1 )
I I THD
Chứng tỏ tổn haotrên lưới gây bởi bộ chỉnh lưu diode là:
2
2 2 2 2
, 3 3 e1(1 ) in (1 )
loss grid line line line lin line line P P R I R I THD R THD V
LVTN Chươngă3: Vấnăđ ăt năhaoăvà t ngăquanăcácPPĐK TUNL
CBHD: TS. NguyễnăThanhăPhương HVTH: 6 LêăViệtăSơ
THD phụ thuộc chủ yếu vào độ lớn điện cảm bộ lọc nguồn DC và chiều dài của lưới điện. Nếu điệncảmbộlọc thấp thì THD càng cao. Trong các bộ lái thương mại
THD của dịng vào cỡ 40% là phổ biến tại tải danh định. Giả thuyết THD thay đổi tuyến tính với cơng suất ra động cơ từ 0.2 khơng tải tới 0.4 tại tải định mức. Hình 3.3 trình bày so sánh dịng dây hiệu dụng của động cơ tiêu chuẩn 2.2kW khi được nối trực tiếp từ lưới và khi được nối thơng qua một bộ biến tần, điều này chứng tỏ rằng bộ converter cĩ tổn haothấp nhất trên lưới điện. Cĩ thể giảm các họa tần bằng cách phối hợp các tải 1 pha và 3 pha lại với nhau.
Hình 3.3: Dịng dây hiệu dụng ĐCKĐB 2.2 kW khi được nối trực tiếp từlưới và
khi động cơđượccấp thơng qua bộ converter
3.2ăT iăưuăhĩaănĕngălư ngăbằngăviệcăgiảmăt ăthơngăđ ngăcơ
Ngồi việc cải thiện bộ lái bằng cách thay đổi cấu trúc, tổn hao cĩ thể giảm bởi điều khiển TUNL, trong đĩ áp dụng một số luật điều khiển điện áp và tần số stator để tối thiểu tổn hao động cơở một mơmen tải và tốc độ cho trước. Nguyên tắc của điều khiển TUNL được giải thích sau đây tập trung chính vào tổn hao trên động cơ.
Mơmen điện từ của một ĐCKĐBxấp xỉ:
e m r
T K I I
LVTN Chươngă3: Vấnăđ ăt năhaoăvà t ngăquanăcácPPĐK TUNL CBHD: TS. NguyễnăThanhăPhương HVTH: 7 LêăViệtăSơ m I : dịng từ r I : dịng rotor
Với mơmen tải cho trước, mơmen điện từ yêu cầu đạt được là 1 số vơ định với sự kết hợp giữa dịng từ và dịng rotor sinh ra mơmen
Nếu Im lớn và Ir nhỏ thì tổn hao lõi và tổn hao đồng stator sẽ lớn và tổn hao đồng rotor nhỏ. Ngược lại nếu Imnhỏ và Ir lớn thì tổn hao lõi và tổn hao đồng
stator ban đầu giảm và tổn haođồng rotor tăng, nhưng ngay sau đĩ thì tổn haođồng
stator lại tăng lên. Vì vậyvới một mơmen tải cho trước sẽ cĩ một tỉ số giữa dịng từ và dịng rotor làm tối thiểu tổng tổn hao. Động cơ thơng được thiết kế hoạt động tối ưu gầntải định mức. Nhưng ởtải nhẹ thì từ thơng sẽ dư ra tương ứng với Im lớn và
r
I nhỏ. Tổng tổn haocĩ thể được giảm thiểu bằng cách giảm Im và tăng Ir.
Hình 3.4: Đường cong hiệu suất động cơ tạitốc độ định mức động cơ 2.2 kW với từ thơng khe hở khơng khí khơng đổi và với hiệu suấttối ưu
Việc cải thiện hiệu suất động cơ bằng cách tối thiểu tổn hao so với việc điều khiển từ thơng khe hở khơng khí hằngđược minh họa trên hình 3.4. Ta thấy rằng sự
khác nhau giữa hiệu suất TUNL và hiệu suất từ thơng khe hở khơng khí khơng đổi
LVTN Chươngă3: Vấnăđ ăt năhaoăvà t ngăquanăcácPPĐK TUNL
CBHD: TS. NguyễnăThanhăPhương HVTH: 8 LêăViệtăSơ
Điều khiển TUNL rất quan trọng cho HVAC bởi vì động cơtrong các ứng dụng
HVAC hoạt động ở tải nhẹ trongkhoảng thời gian dài cĩ xác suất rất cao. Các dự án ứng dụng HVAC thường được thiết kế chịu được các tình huống tải cao nhất. Ví dụ
một máy bơm tuần hồn nước nĩng trung tâm phải đảm bảo ngơi nhà được ấm vào
những ngày lạnh nhất trong năm. Nghĩa là hầu hết trong năm động cơ và máy bơm
chỉ hoạt động ở một phần của cơng suất định mức. Hơn nữa, các động cơ dùng
thường lớn so với nhu cầusửdụng, được giải thích bởi 2 lý do sau:
Tất cả các động cơ từ nhà sản xuất động cơ khơng được xác định chính xác
mà nằm trong một khoảng cho phép. Vì thế nhà thiết kế động cơ sẽ phải sử
dụng một hệ số an tồn cho cơng suất định mức để đảm bảo thơng số kỹ thuật đã được ghi trên thân máy
Bởi vì động cơ bán trên thị trường chỉ cĩ một số các cơng suất nhất định,
người kỹ sư thực hiện tính tốn cơng suất cho động cơ phải chọn giá trị gần
nhất lớn hơn giá trị tính tốn được. Ví dụ các ĐCKĐB cơng suất bé chỉ cĩ
các giá trị như 1.1, 1.5, 2.2, 3, 4, 5.5 và 7.5kW
Nhược điểm chính của điều khiển TUNL là việc giảm từ thơng tại tải nhẹ làm
cho bộ lái động cơnhạyvới các nhiễu của tải và làm giảm chất lượng đáp ứng động của hệ thống.
Nếu biết được chính xác tổn hao động cơ thì cĩ thể tính tốn điểm hoạt động
TUNL và điều khiển động cơ bám theo điểm đĩ, tuy nhiên cĩ vài lý do làm điều
này khơng thể thực hiện được trong thực tế:
Mặc dù điểm hoạt động TUNL cĩ thể tính tốn chính xác, nhưng do giới hạn
khả năng tính tốn của bộ lái cơng nghiệp làm điều này khơng thể thực hiện.
Tổn hao rất khĩ dự đốn, bao gồm tổn hao phụ, tổn hao lõi gây ra do thay
đổi điểm bão hịa và các thành phần họa tần và tổn hao đồng do thay đổi
LVTN Chươngă3: Vấnăđ ăt năhaoăvà t ngăquanăcácPPĐK TUNL
CBHD: TS. NguyễnăThanhăPhương HVTH: 9 LêăViệtăSơ
Do bị giới hạn về giá thành sản phẩm cho nên khơng thể thu thập được hết
các tín hiệu cĩ thể đo được. Điều này làm một số đại lượng phải ước lượng,
nguyên nhân gây ra sai số. Và một số đại lượng như điện áp ngõ ra bộ
converter và dịng nguồn DC rất khĩ để cĩ thể đo một cách chính xác.
3.3ăĐi uăkhi năt iăưunĕngălư ng b ălái VVFF
Việc sử dụng bộ converter điện áp thay đổi tần số cố định (VVFF – Variable Voltage Fixed Frequency) hay cịn gọi là bộ khởi động mềm (soft-stater), về nguyên
lý là một trường hợp riêngcủa điều khiển TUNL. Giống như tên gọi, điện áp stator thay đổi và tần số stator cố định. Nhưng thành phần họa tần của điện áp stator khác nhiều so với điện áp điều chế độ rộng xung (PWM – Pulse Width Modulation)
nguyên nhân do tổn hao thành phần họa tần.
Nỗ lực đầu tiên để tối ưu hiệu suất hệ thống ĐCKĐB bằng cách điều khiển bộ
converter thật sự khả thi với việc sử dụng bộ converter VVFF của Nola năm 1977.
Bằng cách điều khiển gĩc kích điện áp stator của bộ converter VVFF (xem hình 3.5) và vì thế cĩ thể điều khiển được hiệu suất của động cơ. Nguyên tắc điều khiển đầu tiên là giữ gĩc kích của các Thyristor khơng đổi.
Hình 3.5: ĐCKĐBđược điều khiển bằng mộtbộ converter VVFF (soft-starter)
Tất cả các chiến lược điều khiển đều dựa trên việcchọn một thơng số thay đổi và giữnĩ khơng đổi hoặc cực tiểu nĩ. Cĩ thể là gĩc kích khơng đổi, cực tiểu hoặc giữ nguyên gĩc hệ số cơng suất, cực tiểu dịng stator hoặc cực tiểu cơng suất ngõ vào.
So sánh của Rowan và Lipo năm 1983 cho thấycực tiểu hệ số cơng suất hoặc cực
LVTN Chươngă3: Vấnăđ ăt năhaoăvà t ngăquanăcácPPĐK TUNL
CBHD: TS. NguyễnăThanhăPhương HVTH: 10 LêăViệtăSơ
VVFF là tổn haohọa tần hệ thống là rất lớn và để cải thiện điều này trong thực tế là rất khĩ.
Rowan và Lipo phát hiện ra hiệu suất cịn bao gồm tổn hao thành phần họa tần và
đã thực hiện so sánh thành phần họa tần khi động cơ điều khiển VVFF vớiđộng cơ
được nối trực tiếp từ lưới. tải trên 0.9 pu (per unit) bộ converter VVFF dẫn hồn
tồn vì thế tổn hao dẫn điện trên Thyristor làm giảm hiệu suất động cơ khi điều khiển bằng VVFF 1.5% so với động cơ nối trực tiếp lưới. tải dưới 0.45 pu hiệu suất động cơ khi điều khiển bằng VVFF tốt hơn so với động cơ nối trực tiếp lưới.
Kết luậnlà đối với tải trên 0.45 pu thì việc cải thiện hiệu suất âm, vì thế năng lượng tiết kiệm chỉ đạt được trong các ứng dụng mà động cơ hoạt động tải nhẹ trong
khoảng thời gian đủ lớn.
Khi các transistor cơng suất phát triển thì bộ khởi động mềm (KĐM) được thay
thế bởi bộ PWM-VSI cho mục đích TUNL nhưng bộ converter VVFF vẫn được sử
dụng như làbộ KĐM. Ngày nay bộ KĐM được sử dụng rộng rãi trong cơng nghiệp
và chúng cũng là lựa chọn để TKNL. Các bộ KĐMhiện đại đã được thí nghiệm gần đây bởi Blaabjerg năm 1995, nhưng kết quả là sẽ khơng ai đầu tư nếu chỉ sử dụng
bộ KĐM cho mục đích TKNL. Hơn nữa, với việc TUNL, độ ổn định cĩ thể xảy ra
và thành phần họa tần dịng lưới tăng lên làm cho nĩ khĩ đáp ứng được các tiêu chuẩn mới IEC-1000. Kết quả là bộ KĐM khơng phải là giải pháp tốt cho việc giải quyết bài tốn tối ưu hiệu suất năng lượng.
Nhược điểm chính của KĐMlà khơng thể cung cấp khả năng thay đổi tốc độ lớn,
khi đĩ nguồn gốccủa việc TKNL trong các ứng dụng HVAC khơng cịn.
3.4ăĐi uăkhi năt iăưunĕngălư ng b ăláiăVVVF
Cấu trúc bộ điện áp thay đổi và tần số thay đổi (VVVF - Vaiable Voltage Variable Frequency ) cơ bản cho trên hình 3.6. Điện áp ngõ ra là điện áp điều chế
độ rộng xung. Ngày nay BNL điều chế biên độ xung chỉ được sử dụng trong các
LVTN Chươngă3: Vấnăđ ăt năhaoăvà t ngăquanăcácPPĐK TUNL
CBHD: TS. NguyễnăThanhăPhương HVTH: 11 LêăViệtăSơ
Hình 3.6: Bộ PWM-VSI với BCL diodetrong phần lớn các bộ láiđiều khiển được tốc độ (ASDs - Adjustable Speed Drives) ngày nay
Hình 3.7: Sơ đồ khối điều khiển cho việc tối ưu hiệu suất hệ thống động cơ.
Hình 3.7 đưa ra sơ đồ khối điều khiển ASDs điều khiển TUNL. Ta thấy cĩ nhiều tín hiệu hồi tiếp đo lường nhưng hầu hết các bộ lái cơng nghiệp chỉ cĩ điện áp
nguồn DC và dịng của hai hoặc 3 pha được đo. Tốc độ cũng cĩ thể được đo trong
các bộ lái servo. Sơ đồ chỉ ra rằng cũng cĩ thể đo dịng điện nguồn DC và điện áp
ngõ vào BCL. Mục đích của việc làm này là đo cơng suất ngõ vào của bộ lái. Tuy
nhiên điều này sẽ làm tăng giá thành nên khơng bao giờ được thực hiện trong cơng
nghiệp. Một giải pháp cho các bộ lái tương lai cĩ thểsử dụng lại dịng stator 3 pha
từ việc đo lường dịng nguồn DC được đề xuất bởi Blaajerg. Cách này cĩ thể đo cơng suất ngõ vào BNL mà khơng làm tăng giá thành.
LVTN Chươngă3: Vấnăđ ăt năhaoăvà t ngăquanăcácPPĐK TUNL
CBHD: TS. NguyễnăThanhăPhương HVTH: 12 LêăViệtăSơ
Các phương pháp điều khiển TUNL được chia thành 3 nhĩm như sau: điều khiển
trạng thái đơn giản, điều khiển theo mơ hình và điều khiển tìm kiếm.
3.5ăĐi uăkhi nătrạngătháiăđơnăgiảnă(SimpleăStateăControl)
Khi ĐCKĐB hoạt động ở hiệu suất tối ưu nĩ sẽ xuất hiệncác thơng số điện thay
đổi theo một cách đơn giản. Các thơng số thường để điều khiển là cos() và tần số trượt rotor.
Một sơ đồ điều khiển đơn giản khơng bao gồm 2 thơng số trên được đề nghị bởi
Tomita năm 1988. Ơng đề xuất điều khiển động cơ ở chế độ vịng hở và xác định
điện áp stator là một hàm của dịng điện và tần số stator theo biểu thức (3.2). Đây là
cách đơn giản để tạo ra tỉ số V/f phụ thuộc vào tải bằng cách dùng dịng điện stator để chỉ thị mơmen tải. Hệ sốK f( )s bù cho độ sụt áp stator tương đối lớn ở tần số thấp. ( ) s s s s V K f I f (3.2)
Trong đĩ : K f( )s : độ lợi phụ thuộc tần số stator phi tuyến.