Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha có xét đến tiết kiệm năng lượng

Nội dung text: Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha có xét đến tiết kiệm năng lượng

1. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA CÓ XÉT ĐẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG ENERGY SAVING CONTROL OF THREE PHASE ASYNCHRONOUS MOTORS Nguyễn Minh Tâm1, Lê Minh Tân2 1 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM 2 Trường Cao đẳng Công nghệ Thủ Đức TÓM TẮT Theo phương pháp điều khiển từ thông rotor gián tiếp (IRFOC) truyền thống, từ thông của động cơ được giữ không đổi vì vậy việc nghiên cứu giải pháp giảm tổn thất trên nguyên lý từ thông tối ưu sẽ mang lại lợi ích về tiết kiệm năng lượng điện. Bài báo xây dựng giải thuật và mô hình điều khiển động cơ không đồ bộ ba pha có xét đến tiết kiệm năng lượng bằng phương pháp IRFOC dựa trên xác định giá trị từ thông tối ưu với mụch đích cực tiểu tổn hao trong cuộn dây stator, rotor và trong lõi thép trong động cơ. Kết quả mô phỏng bằng Matlab/Simulink cho thấy giải thuật điều khiển tiết kiệm năng lượng được từ 3.7%-18.5% năng lượng ở các tốc độ và mức tải khác nhau so với IRFOC truyền thống. Từ khóa: Điều khiển vector động cơ KĐB ba pha, Điều khiển tiết kiệm năng lượng động cơ KĐB ba pha , IRFOC. ABSTRACT According to the method indirect rotor field oriented control (IRFOC) tradition, the flux of the motor is held constant so the study of solutions to reduce losses on the principle of optimum flux will bring benefits for savings electric power. Articles build algorithms and motor control models energy saving control of three phase asynchronous motors method based IRFOC valuation optimal flux with the purpose of minimizing loss stator windings , rotor and the steel core in the motors. Simulation results using Matlab / Simulink control algorithm showing energy savings of 3.7% -18.5% from the energy in the speed and different load levels compared to traditional IRFOC. Key words: Control vector three phase induction motor saving energy, IRFOC Các ký hiệu sử dụng: từ thông không đổi và vì vậy việc nghiên cứu các giải pháp giảm tổn thất dựa trên nguyên  r : từ thông rotor. lý từ thông tối ưu sẽ mang lại lợi ích về tiết i , i , u , u : hình chiếu dòng và điện áp sd sq sd sq kiệm năng lượng điện. stator trên d,q. Hiện nay để điều khiển động cơ không L , L , L : điện cảm riêng và cảm ứng s s m đồng bộ ba pha theo nguyên tắc định hướng của các cuộn dây. từ thông người ta sử dụng hai phương pháp: R , R :điện trở của các cuộn dây s r Điều khiển từ thông rotor gián tiếp (IRFOC) stator, rotor. và điều khiển từ thông rotor trực tiếp p :số cặp cực (DRFOC). m :số lượng pha của cuộn stator Trong lĩnh vực điều khiển giảm tổn thất nhiều nghiên cứu như trình bày trong đã ứng I. GIỚI THIỆU dụng phương pháp IRFCO kết hợp giải thuật Động cơ không đồng bộ có hiệu suất cực tối ưu từ thông đã đạt được những kết quả đại khi tải đạt gần 75% định mức và từ thông khả quan. Bài báo này đề xuất cách tiếp cận là định mức. Tuy nhiên, khi động cơ non tải mới trong giải thuật xác định từ thông tối ưu mà với từ thông là định mức thì hiệu suất sẽ nhằm giảm tổn hao trong động cơ. Đồng thời rất thấp. áp dụng giải thuật này trong mô hình điều Các bộ biến tần chủ yếu được thiết kế khiển động cơ không đồng bộ ba pha theo trên nguyên lý điều khiển V/f hoặc FOC với 1
2. 2 phương pháp IRFOC. Mô hình đề xuất được 2 f ψ thực hiện bằng Matlab/Simulink trong phần r ΔPcoree =ΔP cor . 0 50 ψ II và kết quả mô phỏng được trình bày trong r0 phần III. (2.5) II. Giải thuật điều khiển tiết kiệm năng Hay trong vùng dao động như có thể viết: lượng 2 2 Để điều khiểm tiết kiệm năng lượng thực ω ψr ΔPcore =ΔP core . (2.6) hiện bằng các tìm giải thuật giảm tổn hao 0 314 ψ r0 được đề xuất dựa trên mô hình tổn hao của Như vậy tổng tổn hao có dạng: động cơ. Tổng tổn hao trong động cơ P bao ΔP = ΔPcu +ΔP core gồm tổn hao đồng Pcu trong cuộn dây stator 22 và rotor, tổn hao trong trong lõi thép Pcore = m isd +i sq R s và tổn hao cơ khí. Tuy nhiên do tổn hao cơ 2 2 khí chỉ phụ thuộc vào tốc độ quay nên không ψr -L m i sd Lm 2 + m + isq R r (2.7) thể tối ưu hóa. Để giảm tổn hao của động cơ LL2 ta có thể tìm cực tiểu của tổng ba thành phần rr 2 tổn hao còn lại còn lại. 2 Tổn hao đồng trong động cơ có dạng: ωψr + ΔPcore 2 '2 0 314 ψr ΔPcu =mI s R s +mI r R r (2.1) 0 Trong đó: Is : giá trị hiệu dụng dòng stator Ta biết rằng trong chế độ tĩnh ta có: ’ Ir : giá trị hiệu dụng dòng rotor ψ 2L T i =rr ; i = . e (2.8) quy đổi về stator sdL sq pmL ψ Biểu diễn (2.1) thông qua các hình chiếu của m m r dòng điện trên hệ trục dq ta có: Suy ra (2.7) có dạng: 222 2 2 2 2 ψ 4L T ΔP =m(i +i )R +m(i +i )R (2.2) rre cu sd sq s rd rq r ΔP = m 2 + 2 2 2×R 2 s Hình chiếu của từ thông móc vòng trên Lm p m L mψ r hệ dq có dạng: 4R T 2 +r × e ψ =L i +L i =ψ 22 rd r rd m sd r mp ψ (2.3) r (2.9) ψ =L i +L i =0 2 rq r rq m sq 2 ωψ Suy ra: +ΔP r T0 314 ψr ψrd =L r i rd +L m i sq =ψ r 0 ψrq =L r i rd +L m i sq =0 Để tổn thất là cực tiểu Thay thế ird, irq vào (2.3) ta có phương ΔP ΔPmin = 0 trình tổn hao: ψr 1/4 ΔP = m(i22 +i )R k cu sd sq s ψ = T 1/2 1 (2.10) reopt 2 2 k23 +k ω ψ -L i L2 (2.4) r m sd m 2 Trong đó: +m +2 isq R r LLrr 22 4 Rs L s +R r L m mR ΔPceor s 0 Tổn hao trong lõi sắt từ có dạng: k1 = ; k 2 = ; k 3 = p2 mL 2 L 2 314 2ψ 2 m m r0 Mô hình điều khiển dựa vào giải thuật cực tiểu tổn hao được trình bày trong hình 2.1 2
3. Hình 2.1 Mô hình điều khiển dựa vào giải thuật cực tiểu tổn hao III. Mô phỏng bằng Matlab/Simulink Để chứng minh tính hiệu quả của giải suất 50Hp với các thông số được trình bày thuật giảm tổn hao đề xuất, ta thực một trong Bảng 1. Các trường hợp khảo sát phỏng mô hình trong hình 2.1 bằng phần được tiến hành cho mô hình điều khiển mềm Matlab/Simulink. Trong mô hình sử vector truyền thống và mô hình điều khiển dụng động cơ không đồng bộ 3 pha công giảm tổn hao đề xuất. Bảng 1: Thông số của động cơ Công suất định mức P = 50HP = 37300W Điện áp dây V = 460 V Tần số f = 60Hz Tốc độ định mức N =1780 vòng/phút Số cặp cực P = 2 Số pha m = 3 Điện trở stator Rs = 87 mΩ Điện cảm riêng stator Lls = 0.8 mH Điện trở rotor (đã quy về stator) Rr =228 mΩ Điện cảm riêng rotor Llr = 0.8 mH Hỗ cảm Lm = 34.7mH Mô men quán tính J = 1.662Kg Từ thông rotor tham chiếu * ψr = 0.96 Sức từ động F = 0.1N.m.s 3
4. 3.1. So sánh công suất tiêu thụ ứng với chiếu khác nhau. từ thông tối ưu và các từ thông tham Trong hình 3.1 đồ thị màu xanh dương trong động cơ không đồng bộ, từ đó đã là các đường cong công suất tiêu thụ khi làm giảm công suất tiêu thụ cho hệ thống ở sử dụng thuật toán tối ưu năng lượng. chế độ khởi động và xác lập. Phần trăm Chúng nằm ở vị trí thấp hơn so với các năng lượng tiết kiệm được giữa khi sử đường cong khác. Đặc biệt ở chế độ khởi dụng từ thông tối ưu và từ thông tham động(t = 0 – 0,7 s), Pmax = 39950 W. Ở chiếu không đổi phir* = 0,6: giai đọan xác lập khỏang P = 28500 W. PP rr3.5 2.85 Ta thấy rằng thuật toán tối ưu năng % P opt 100% 18.5% lượng mà cụ thể là công thức tính từ thông P 3.5  rotor theo tín hiệu hồi tiếp tốc độ đã làm r cực tiểu tổn hao đồng và tổn hao sắt từ Hình 3.1 Đồ thị công suất tiêu thụ của từ thông tối ưu và các từ thông tham chiếu khác nhau 3.2 So sánh công suất tiêu thụ ứng với từ thông tối ưu và từ thông tham chiếu ở các tốc độ khác nhau. Trong hình 3.3, 3.4 công suất tiêu thụ với công suất tiêu thụ của từ thông tham ứng với từ thông tối ưu luôn nằm thấp hơn chiếu. Công suất tiêu thụ giảm mạnh ở các so tốc độ thấp hơn định mức. 4
5.  Hình 3.2 Đồ thị các thành phần U, I, , Tm với từ thông tối ưu ở các tốc độ  =100,120,140 rad/s Hình 3.3 Đồ thị công suất tiêu thụ của từ thông tối ưu và từ thông tham chiếu với các tốc độ khác nhau 5
6. Hình 3.4 Đồ thị công suất tiêu thụ của từ thông tối ưu và từ thông tham chiếu với tốc độ 90 rad/s Phần trăm năng lượng tiết kiệm P -P ψψrr 2.4-2.2 được của từ thông tối ưu và từ thông %ΔP=opt = ×100% = 8.3% P* 2.4 tham chiếu với tốc độ 90 rad/s ψr 3.3 So sánh công suất tiêu thụ ứng với tải nhỏ thì công suất tiêu thụ ứng với từ từ thông tối ưu và từ thông tham chiếu thông tối ưu và từ thông tham chiếu gần với các mức tải khác nhau. bằng nhau Công suất tiêu thụ giảm mạnh hơn trong trường hợp động cơ mang tải lớn, với các Hình 3.5 Đồ thị các thành phần U, I, , Tm, của từ thông tối ưu với môn men tải T=180 N.m 6
7. Hình 3.6 Đồ thị công suất tiêu thụ của từ thông tối ưu và từ thông tham chiếu với momen tải T=180 N.m P -P Phần trăm năng lượng tiết kiệm ψψ rropt 2.7-2.6 được của từ thông tối ưu và từ thông %ΔP= = ×100% = 3.7 % P* 2.7 tham chiếu với momen tải T=180 ψr N.m IV. KẾT LUẬN Dựa trên mô hình điều khiển động cơ cho thấy giải thuật điều khiển tiết kiệm KĐB theo phương pháp tựa từ thông rotor, năng lượng được từ 3.7%-18.5% năng đã xác định được giá trị từ thông tối ưu. lượng ở các tốc độ và mức tải khác nhau Với từ thông này công suất tiêu thụ của hệ so với IRFOC truyền thống, từ đó đánh thống có giảm so với từ thông không đổi, giá được hiệu quả của thuật toán và mô các tải và ở các tốc độ khác nhau, đặt biệt hình đã xây dựng là tìm ra từ thông tối ưu công suất tiêu thụ giảm mạnh ở ở các từ với mục tiêu tiết kiệm năng lượng. thông khác định mức và ở cấp tốc độ thấp Kết quả mô phỏng bằng Matlab/Simulink 7
8. TÀI LIỆU THAM KHẢO Phong,” Điều khiển trực tuyến giảm tốn hao trong Động cơ cảm ứng trên cơ sở [1] Nguyễn Phùng Quang,” Matlab và DSP TMS320LF2812”, tạp chí phát triển Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự KH&CN, tập 16, số K4-2013. động”, NXB Khoa học và Kỹ thuật. [8] Rahul Joge, A. S. Sindekar, “PI [2] TS. Phan Quốc Dũng, Ths. Tô Hữu Controller and Fuzzy Logic Controller Phúc, “Truyền Động Điện”, NXB Đại học based Loss Minimization Techniques for Quốc gia Tp. HCM. Induction Motor Drives”, IJETAE Vol 4, [3] TS. Nguyễn Phùng Quang, “Truyền Issue 5, May 2015. Động Điện Thông minh”, NXB Khoa học [9] Lê Việt Sô,” Điều khiển động cơ và Kỹ thuật. không đồng bộ ba pha ở chế độ tiết kiệm [4] Energy-Efficiency Policy năng lượng”, trường Đại học Sư phạm Kỹ Opportunities for Electric Motor-Driven thuật TP.HCM, 2012. Systems, International Energy Agency, [10] Nguyễn Thanh Tuấn “Nghiên cứu các 2011. phương pháp tiết kiệm điện năng trong hệ [5] Fleming Abrahamsen, Energy Optimal truyền động động cơ không đồng bộ pha”, Control of Induction Drives, Aalborg trường Đại Học Sư phạm Kỹ thuật University, Feb- 2000. TP.HCM, 2014 [6] Rakesh Singh Lodhi, Payal Thakur,” [11] Zengcai Qu, Mikaela Ranta, Marko Performance & Comparison Analysis of Hinkkanen and Jorma Luomi,” Loss - Indirect Vector Control of Three Phase Minimizing Flux Level Control of Induction Motor”, IJETAE Vol 3, Issue Induction Motor Drives”, IEEE 10, Oct 2013. transactions on industry applications, vol. [7] Lê Minh Phương, Lê Đức Dũng, 48, no. 3, may/june 2012. Nguyễn Viết Thuyên, Nguyễn Hoài Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016 Xác nhận của Giảng viên hướng dẫn Học viên thực hiện (Ký & ghi rõ họ tên) (Ký & ghi rõ họ tên) 8
9. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.