1(1 )
I I THD
Chứng tỏ tổn hao trên lưới gây bởi 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
THD phụ thuộc chủ yếu vào kích thước cuộn lọc DC và chiều dài của lưới điện. nếu điện cảm lọc thấp thì THD càng cao. Trong các bộ lái thương mại THD ở dòng ngõ vào cỡ 40% phổ biến ở tải danh định. Giả thuyết THD thay đổi tuyến tính với công suất ngõ ra động cơ từ 2 ở không tải tới 0.4 ở đầy tải. Hình 3.3 cho thấy so sánh dòng hiệu dụng của một động cơ tiêu chuẩn 2.2kW khi được nối trực tiếp vào lưới điện và khi được nối thông qua một bộ converter, và nó minh chứng rằng tổn hao do converter gây ra trên lưới là thấp nhất. Có thể giảm các họa tần bằng cách phối hợp các tải 1 pha và 3 pha lại với nhau.
Hình 3.3 Dòng hiệu dụng khi được nối trực tiếp với lưới điện và khi được nối thông qua một bộ converter
3.2 Tối ƣu hóa năng lƣợng bằng việc giảm từ thông động cơ
Ngoài việc cải thiện động cơ bằng cách thay đổi cấu trúc, có thể điều khiển tối ưu năng lượng để giảm tổn hao, trong đó áp dụng một số luật điều khiển điện áp và tần số stator để tối thiểu tổn hao trên động cơ ở một moment tải và tốc độ cho trước. Nguyên tắc của điều khiển tối ưu năng lượng được giải thích sau đây tập trung chính vào tổn hao trên động cơ.
Lực điện từ của một động cơ không đồng bộ xấp xỉ:
em K Im Ir
Trong đó K : hằng số
Im : dòng từ (stator) Ir : dòng rotor
Với moment tải cho trước, moment điện từ cần thiết có thể có được từ một tập vô hạn các thông số kết hợp giữa dòng điện từ tích số với dòng rotor.
Nếu Im lớn và Ir nhỏ thì tổn thất lõi và dây quấn stator sẽ lớn và tổn tổn thất dây quấn rotor nhỏ. Ngược lại nếu Im nhỏ hơn và Ir lớn hơn thì tổn hao trên lõi và dây quấn stator giảm và tổn hao rotor tăng, nhưng khi đó thì tổn hao stator cũng sẽ bắt đầu tăng, vì thế với một moment tải cho trước sẽ có một tỉ số giữa dòng từ và dòng rotor làm tối thiểu tổng tổn hao. Thông thường động cơ được thiết kế để hoạt động tối ưu ở xung quanh tải định mức. Nhưng ở non tải thì từ thông sẽ dư ra, tương ứng với Im lớn và Ir nhỏ. Tổng tổn hao có thể được giảm thiểu bằng cách giảm Im và tăng Ir.
Hình 3.4 đường cong hiệu suất ở tốc độ định mức với từ thông khe hở không khí không đổi và với hiệu suất được tối ưu của một động cơ 2.2kW
Việc cải thiện hiệu suất động cơ bằng cách tối thiểu hóa tổn hao so với việc điều khiển từ thông khe hở không khí không đổi được minh họa trên hình 3.4. Nhận thấy rằng sự khác nhau giữa 2 đường cong trên là ở khu vực non tải.HVAC quan tâm đến điều khiển tối ưu năng lượng bởi vì động cơ trong các ứng dụng HVAC hoạt động ở tải nhẹ trong khoảng thời gian dài có 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 nước nóng làm nóng trung tâm phải đảm bảo ngôi nhà được ấm vào những ngày lạnh nhất trong năm. Nghĩa là hầu hết trong năm máy bơm chỉ hoạt động ở một phần của công suất thiết kế. Hơn nữa, thông thường động cơ được thiết lớn hơn cần thiết trong một ứng dụng với 2 lý do như sau:
Tất cả các động cơ của một nhà sản xuất không được xác định chính xác mà nằm trong một khoảng cho phép. Vì thế nhà thiết kế sẽ phải sử dụng một hệ số an toàn cho công suất định mức để đảm bảo thông số kỹ thuật đã được ghi trên thân máy
Bởi vì động cơ bán trên thị trường chỉ có một số các công suất nhất định, người kỹ sư thực hiện tính toán công suất cho động cơ phải chọn giá trị
gần nhất lớn hơn giá trị tính toán được. Ví dụ các động cơ không đồng bộ công suất bé chỉ có các giá trị như 1.1, 1.5, 2.2, 3, 4, 5.5 và 7.5kW
Với những dữ kiện trên, kế quả là ngay cả khi hệ thống hoạt động đầy tải thì động cơ không đồng bộ vẫn lớn để cho hệ thống không bao giờ sử dụng động cơ ở đầy tải của nó. Kết quả là có khả năng cho việc tiết kiệm năng lượng trong động cơ thay đổi tốc độ ở các ứng dụng HVAC bằng cách thích nghi thông lượng động cơ với tải.
Nhược điểm lớn nhất của điều khiển tối ưu năng lượng là việc giảm thông lượng khi non tải sẽ làm cho động cơ nhạy cảm với 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 có thể tính toán điểm tối ưu năng lượng và điều khiển động cơ bám theo điểm đó, tuy nhiên điều này không thực tế bởi nhiều lý do:
Ngay cả khi điểm làm việc tối ưu năng lượng được tính toán chính xác thì khả năng giới hạn công suất tính toán trong các bộ lái công nghiệp sẽ làm cho nó không thể thực hiện được.
Một số tổn hao rất khó để dự báo, bao gồm tổn hao tải tản, tổn hao lõi khi thay đổi điểm bão hòa và các họa tần, và tổn hao đồng do thay đổi nhiệt độ.
Do bị giới hạn về giá thành sản phẩm cho nên không thể thu thập được hết các tín hiệu có thể đo được. Nghĩa là một số nhất định sẽ phải được ước lượng, lẽ dĩ nhiên điều này sẽ dẫn đến sai sót. Và một số loại tín hiệu, ví dụ như điện áp ngõ ra converter và dòng điện DC, rất khó để có thể đo một cách chính xác.
3.3 Điều khiển tối ƣu năng lƣợng của bộ lái VVFF
Việc sử dụng một bộ converter VVFF (Variable Voltage Fixed Frequency, điện áp thay đổi tần số cố định) về nguyên tắc chỉ là một trường hợp đặc biệt của điều khiển tối ưu hóa năng lượng. Giống như tên gọi, điện áp stator thay đổi với tần số cố định. Nhưng thành phần họa tần của điện áp stator khác rất nhiều so với điện áp
PWM nên nhận được một hiệu suất khác biệt do tổn hao hài bậc cao. Đó là lý do mà bộ converter VVFF được xem xét riêng biệt trong phần này.
Nỗ lực đầu tiên để tối ưu hiệu suất của một bộ lái động cơ không đồng bộ bằng cách điều khiển converter thật sự khả thi với việc sử dụng bộ converter VVFF của Nola năm 1977. Cho thấy với việc điều khiển góc kích của một converter khởi động mềm, như được cho trong hình 3.5 đối với phiên bản 3 pha, điện áp stator cơ bản và vì thế hiệu suất của động cơ có thể điều khiển được. Nguyên tắc điều khiển đầu tiên là giữ góc kích của các SCR không đổi. Kế tiếp, một loạt các bài báo và phát minh đề nghị các chiến lược điều khiển khác nhau cho cùng một loại converter.
Hình 3.5 động cơ không đồng bộ được điều khiển bằng một bộ converter VVFF (khởi động mềm)
Tất cả các chiến lược điều khiển đều dựa trên nỗ lực chọn lựa một thông số thay đổi và duy trì nó không đổi hoặc tối thiểu. Có thể là góc kích không đổi, tối thiểu hoặc giữ nguyên góc hệ số công suất, tối thiểu dòng stator hoặc công suất ngõ vào. Rowan và Lipo đã làm phép so sánh năm 1983 và chỉ ra rằng tối thiểu hệ số công suất hoặc công suất ngõ vào sẽ cho hiệu suất tốt nhất. Nhược điểm của bộ converter VVFF là tổn hao họa tần rất lớn cho nên cải tiến thực sự còn là một dấu chấm hỏi. Rowan và Lipo nghiên cứu hiệu suất của bộ lái động cơ được điều khiển VVFF bao gồm cả tổn hao họa tần và so sánh với một động cơ được nối trực tiếp với lưới điện. Ở tải trên 0.9 giá trị định mức bộ VVFF dẫn điện hoàn toàn vì thế tổn hao dẫn điện trên Thyristor làm giảm hiệu suất của bộ điều khiển 1.5% so với động cơ
không được điều khiển. Ở tải dưới 0.45 định mức bộ khởi động mềm tốt hơn là động cơ không được điều khiển. Kết quả là đối với tải dưới 0.45 danh định thì việc cải thiện hiệu suất âm, vì thế tiết kiệm năng lượng chỉ đạt được trong các ứng dụng mà động cơ hoạt động non tải trong khoảng thời gian đủ lớn.
Khi các transistor công suất phát triển thì bộ khởi động mềm được thay thế bởi bộ PWM-VSI cho mục đích tiết kiệm năng lượng nhưng converter VVFF vẫn được sử dụng cho việc khởi động mềm. Ngày nay bộ khởi động mềm được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và đa phần đều có tùy chọn tiết kiệm năng lượng. Các bộ khởi động mềm hiện đại đã được kiểm tra gần đây bởi Blaabjerg năm 1995, nhưng kết quả là sẽ không ai đầu tư cho nó nếu chỉ sử dụng bộ khởi động mềm cho mục đích tiết kiệm năng lượng. Thêm vào đó, với việc tối ưu năng lượng, độ ổn định có thể có vấn đề và các hài trên lưới điện tăng lên làm cho nó khó đáp ứng được các tiêu chuẩn IEC-1000 mới. Kết quả là bộ khởi động mềm không phải là giải pháp tốt cho việc giải quyết bài toán tiết kiệm năng lượng.
Nhược điểm chính của khởi động mềm là không thể cung cấp khả năng thay đổi tốc độ lớn, khi đó cái gốc của việc tiết kiệm năng lượng trong các ứng dụng HVAC không còn. Cấu trúc converter này sẽ không được quan tâm trong luận án.
3.4 Điều khiển tối ƣu năng lƣợng của bộ lái VVVF
Cấu trúc VVVF (Vaiable Voltage Variable Frequency – điện áp và tần số thay đổi) cơ bản cho trên hình 3.6. Điện áp ngõ ra được điều chế độ rộng xung. Ngày nay bộ nghịch lưu điều chế biên độ xung chỉ được sử dụng trong các ứng dụng đặc biệt như tốc độ cao hoặc điện áp thấp, và cũng không được đề cập ở đây.
Hình 3.6 Bộ PWM-VSI với diode chỉnh lưu trong phần lớn các ASD (bộ lái điều khiển được tốc độ) ngày nay
Hình 3.7 sơ đồ khối điều khiển cho việc tối ưu hiệu suất của một bộ lái động cơ. Rất nhiều tín hiệu hồi tiếp được đưa ra
Hình 3.7 đưa ra sơ đồ khối điều khiển của một ASD điều khiển tối ưu năng lượng. Đưa ra rất nhiều tín hiệu đo lường được hồi tiếp về nhưng trong phần lớn các bộ lái công nghiệp chỉ có điện áp ở khâu DC và dòng của hai hoặc 3 pha được đo. Tốc độ cũng có thể được đo trong các bộ lái servo. Sơ đồ chỉ ra rằng cũng có thể đo dòng điện ở khâu DC và dòng áp ngõ vào ở bộ chỉnh lưu. Mục đích của việc làm này là đo công suất ngõ vào của bộ lái. Tuy nhiên điều này sẽ làm tăng giá thành nên không bao giờ được thực hiện trong công nghiệp. Một giải pháp cho các bộ lái sau này có thể tái tạo lại dòng 3 pha stator từ việc đo đạc dòng DC do Blaajerg đề xuất. Cách này có thể đo công suất ngõ vào bộ nghịch lưu mà không làm tăng giá thành.
Các phương pháp điều khiển tối ưu năng lượng được chia thành 3 nhóm như sau: điều khiển trạng thái đơn giản, điều khiển theo mô hình và điều khiển tìm kiếm.
3.5 Điều khiển trạng thái đơn giản (Simple State Control)
Khi động cơ không đồng bộ hoạt dộng ở hiệu suất tối ưu y như rằng các thông số điện thay đổi theo một cách đơn giản. thông số điều khiển rõ ràng nhất là cos() và tần số trượt rotor.
Một sơ đồ điều khiển đơn giản không bao gồm 2 thông số trên được đề nghị bởi Tomita năm 1988. Ông đề nghị điều khiển động cơ ở chế độ vòng hở và xác định điện áp stator là một hàm của dòng 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 dòng điện stator để nói lên moment tải. Hệ số K(fs) 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 đó : K(fs) : độ lợi phụ thuộc tần số phi tuyến của stator.
3.5.1 Điều khiển cos() (hệ số công suất)
Nguyên tắc điều khiển cos() của các động cơ không đồng bộ dùng biến tần được Rosenberg mô tả vào năm 1976 và được liên hệ với điều khiển tối ưu năng lượng lần đầu tiên bởi sáng chế của Earle vào năm 1981. Điều khiển hệ số công suất đã được Nola giới thiệu trước đó vào năm 1977 nhưng chỉ cho động cơ 1 pha lái bởi các Thyristor.
Một số lượng lớn các sáng chế và các bài báo về việc điều khiển cos() tối ưu năng lượng cho động cơ không đồng bộ: khẳng định cách thức để đo cos() hoặc thực thi điều khiển, ví dụ trên hình 3.8. Cũng có những đề nghị đặc biệt về cách thức tạo ra giá trị tham khảo.
Hình 3.8 Ví dụ về điều khiển cos() trong một bộ lái vô hướng
Điều khiển cos() có ưu điểm là đơn giản và không đòi hỏi thông tin về tốc độ rotor. Nhưng nó có nhược điểm là giá trị cos() tham khảo chỉ hợp lý cho một loại động cơ nhất định. Đối với vài loại động cơ thì chấp nhận được giá trị cos() tham khảo không đổi và đối với một số khác thì có thể bắt buộc phải thay đổi giá trị tham khảo theo một hàm nào đó ví dụ như hàm của tần số stator hay tải, Andersen và Pedersen. Phân tích chi tiết về vấn đề này đối với các loại động cơ khác nhau và các động cơ có kích thước khác nhau vẫn chưa có tài liệu nào báo cáo.
3.5.2 Điều khiển tần số trƣợt stator
Nỗ lực đầu tiên tính toán tần số trượt tối ưu tiết kiệm năng lượng được nhóm Jian hoàn thành năm 1983 cho một bộ lái tần số không đổi. Họ cũng tranh luận về ảnh hưởng của bão hòa lên các giá trị tham khảo. Với giả thuyết mạch từ tuyến tính, năm 1983 nhóm Stanton đề nghị sử dụng một tham chiếu tần số trượt không đổi ở vùng moment thấp (thông lượng thấp). Tuy nhiên, ngay cả khi mạch từ là tuyến tính thì sự có mặt của tổn hao lõi cũng làm giảm chất lượng việc điều khiển tần số trượt không đổi. Trong cùng năm, nhóm của Park đã đề nghị thực hiện điều khiển độ trượt không đổi trong bộ lái nghịch lưu nguồn dòng, nhóm Kim cũng làm tương tự năm 1984. Năm 1984 Park và Sul giới thiệu một chiến lược điều khiển tối ưu năng lượng trong đó các tần só trượt rotor tối ưu được đặt trong một bảng tra, hình 3.9. Các giá trị dựa trên việc đo đạc off-line của bộ lái động cơ và đối với một động cơ cho trước, các giá trị tần số trượt tối ưu được tạo ra chỉ phụ thuộc vào tốc độ.
Hình 3.9 ví dụ về điều khiển tần số trượt tối ưu mà giá trị tham khảo được đặt trong bảng tra
3.6 Điều khiển dựa vào mô hình
Điều khiển dựa vào mô hình là một nguyên tắc trong đó bộ điều khiển chứa các phương trình mô hình hóa được động cơ hoặc là tổn thất của động cơ, và sử dụng các phương trình để tính toán điểm tối ưu hiệu suất. Thông số của động cơ phải được biết trước. Một loạt các bộ lái với các động cơ và converter xác định được thiết kế để làm việc với nhau có thể được hiện thực bằng các phương pháp đo đạc off-line. Nếu không thì thuật toán ước lượng thông số tự động phải được sử dụng.
3.6.1 Các động cơ vô hƣớng
Galler đã giới thiệu năm 1980 việc sử dụng mô hình động cơ để tính toán tần số stator tối ưu và điều khiển tốc độ bằng điện áp. Tần số stator tối ưu được tính toán dựa trên mô hình động cơ trạng thái xác lập bỏ qua tổn hao lõi và giả thiết mạch từ