Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ Sử Dụng Nghịch Lưu Áp

• Tác giả: Phạm Văn Tuấn
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Hùng Phi
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ Sử Dụng Nghịch Lưu Áp
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ
• 1.1. Giới thiệu chung về động cơ điện không đồng bộ
• 1.2. Cấu tạo của động cơ không đồng bộ
• 1.2.1. Phần tĩnh hay stator
• 1.2.2. Dây quấn stator
• 1.2.3. Phần quay hay rotor
• 1.2.3.1. Rotor và dây quấn của rotor
• 1.3. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ
• 1.3.1. Xây dựng đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ
• 1.3.2. Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ
• 1.4. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ
• 1.4.1. Điều khiển điện áp stator
• 1.4.2. Điều khiển điện trở rotor
• 1.4.3. Điều chỉnh công suất trượt
• 1.4.4. Điều khiển tần số nguồn cấp stator
• 1.4.4.1. Phương pháp điều khiển vô hướng
• 1.4.4.2. Điều chỉnh điện áp - tần số với từ thông là hàm của mômen tải
• 1.4.4.2.1. Điều chỉnh điện áp - tần số giữ từ thông động cơ không đổi
• 1.4.4.2.2. Điều chỉnh dòng điện - tần số giữ từ thông động cơ không đổi
• 1.4.5. Phương pháp điều khiển vector
• 1.4.5.1. Nguyên lý điều khiển vector
• 1.4.5.2. Phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor FOC
• 1.4.5.3. Phương pháp điều khiển trực tiếp từ thông và mômen (DTC)
• 2. CHƯƠNG 2: NGHỊCH LƯU ÁP
• 2.1. Giới thiệu chung về nghịch lưu
• 2.2. Khái niệm về nghịch lưu áp
• 2.3. Phân loại bộ nghịch lưu áp
• 2.4. Cấu trúc của bộ nghịch lưu áp hai mức
• 2.5. Hoạt động của bộ nghịch lưu áp hai mức
• 2.6. Nghịch lưu áp nhiều mức
• 2.6.1. Bộ nghịch lưu điốt kẹp (Diode clamped multilevel inverter)
• 2.6.2. Bộ nghịch lưu dạng flying capacitor
• 2.6.3. Bộ nghịch lưu nhiều mức kiểu cầu H nối tầng (cascade H-bridge multilevel inverter)
• 3. CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP TỪ THÔNG VÀ MÔMEN CHO BỘ NGHỊCH LƯU ÁP
• 3.1. Mô hình toán của động cơ không đồng bộ
• 3.2. Biến đổi hệ tọa độ
• 3.2.1. Vector không gian
• 3.2.2. Các hệ tọa độ
• 3.2.3. Biến đổi tọa độ a-b-c → d-q
• 3.2.4. Biến đổi tọa độ α-β → d-q
• 3.2.5. Phép biến đổi hệ tọa độ a-b-c → α-β
• 3.3. Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ trong không gian vector
• 3.4. Phương pháp điều khiển trực tiếp từ thông và mômen (DTC)
• 3.4.1. Nguyên lý của DTC
• 3.4.2. Mô hình tổng quát của DTC
• 3.4.3. DTC với nghịch lưu áp 2 mức
• 3.4.4. DTC với nghịch lưu áp 3 mức điốt kẹp (3L-NPC)
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ BẰNG MATLAB – SIMULINK
• 4.1. Xây dựng mô hình mô phỏng DTC cho nghịch lưu áp hai mức
• 4.2. Xây dựng mô hình mô phỏng DTC cho nghịch lưu áp ba mức
• 4.3. So sánh kết quả mô phỏng giữa DTC cho nghịch lưu áp hai và ba mức
• KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ

Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ là một trong những thách thức lớn trong lĩnh vực kỹ thuật điện. Động cơ không đồng bộ, với cấu tạo đơn giản và chi phí thấp, được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng công nghiệp. Tuy nhiên, việc điều chỉnh tốc độ của loại động cơ này không hề đơn giản. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ hiện nay chủ yếu dựa vào việc thay đổi tần số nguồn cấp cho động cơ. Điều này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn tiết kiệm năng lượng.

1.1. Đặc Điểm Của Động Cơ Không Đồng Bộ

Động cơ không đồng bộ có hai loại chính: rotor dây quấn và rotor lồng sóc. Mỗi loại có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Đặc biệt, rotor lồng sóc thường có cấu tạo đơn giản hơn và chi phí thấp hơn, nhưng lại khó khăn hơn trong việc điều chỉnh tốc độ.

1.2. Tại Sao Cần Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ

Việc điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm thiểu tiêu thụ năng lượng và tăng hiệu suất làm việc. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao và tiết kiệm năng lượng.

II. Thách Thức Trong Việc Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ

Mặc dù có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ, nhưng việc áp dụng chúng trong thực tế vẫn gặp nhiều thách thức. Một trong những vấn đề lớn nhất là độ trượt của động cơ không đồng bộ, ảnh hưởng đến hiệu suất và độ ổn định của hệ thống. Ngoài ra, việc điều chỉnh tốc độ cũng yêu cầu các thiết bị điều khiển phức tạp và chi phí cao.

2.1. Độ Trượt Và Ảnh Hưởng Đến Hiệu Suất

Độ trượt là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ không đồng bộ. Khi độ trượt tăng, hiệu suất giảm, dẫn đến tiêu thụ năng lượng cao hơn và giảm tuổi thọ của động cơ.

2.2. Chi Phí Và Thiết Bị Điều Khiển

Việc sử dụng các thiết bị điều khiển phức tạp như biến tần và nghịch lưu áp có thể làm tăng chi phí đầu tư ban đầu. Tuy nhiên, lợi ích lâu dài từ việc tiết kiệm năng lượng và tăng hiệu suất có thể bù đắp cho chi phí này.

III. Phương Pháp Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ Hiện Nay

Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ, trong đó nổi bật nhất là điều khiển tần số và điều khiển điện áp. Các phương pháp này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu tiêu thụ năng lượng. Việc áp dụng công nghệ mới như điều khiển vector cũng đang trở thành xu hướng trong ngành công nghiệp.

3.1. Điều Khiển Tần Số

Điều khiển tần số là phương pháp phổ biến nhất để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ. Bằng cách thay đổi tần số nguồn cấp, tốc độ động cơ có thể được điều chỉnh một cách linh hoạt và hiệu quả.

3.2. Điều Khiển Điện Áp

Phương pháp điều khiển điện áp giúp duy trì từ thông ổn định trong động cơ, từ đó cải thiện hiệu suất và giảm thiểu tổn thất năng lượng. Đây là một trong những phương pháp hiệu quả nhất trong việc điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ

Việc điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như sản xuất công nghiệp, hệ thống tự động hóa và giao thông vận tải. Các ứng dụng này không chỉ giúp tăng hiệu suất mà còn tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu chi phí vận hành.

4.1. Trong Ngành Sản Xuất

Trong ngành sản xuất, việc điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm thiểu thời gian chết và tăng năng suất. Các hệ thống tự động hóa hiện đại thường sử dụng động cơ không đồng bộ để đạt được hiệu quả cao nhất.

4.2. Trong Hệ Thống Tự Động Hóa

Hệ thống tự động hóa ngày nay thường yêu cầu độ chính xác cao trong việc điều chỉnh tốc độ. Động cơ không đồng bộ với các phương pháp điều chỉnh hiện đại giúp đáp ứng được yêu cầu này, từ đó nâng cao hiệu quả làm việc.

V. Kết Luận Về Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ

Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật điện. Với sự phát triển của công nghệ, các phương pháp điều chỉnh ngày càng trở nên hiệu quả và tiết kiệm hơn. Tương lai của lĩnh vực này hứa hẹn sẽ có nhiều cải tiến và ứng dụng mới, giúp nâng cao hiệu suất và giảm thiểu chi phí.

5.1. Xu Hướng Phát Triển Trong Tương Lai

Xu hướng phát triển trong tương lai sẽ tập trung vào việc cải thiện hiệu suất và giảm thiểu chi phí. Công nghệ mới như điều khiển vector và nghịch lưu áp sẽ tiếp tục được nghiên cứu và phát triển.

5.2. Tầm Quan Trọng Của Nghiên Cứu

Nghiên cứu về điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn đóng góp vào việc tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường. Đây là một lĩnh vực cần được chú trọng trong tương lai.

Tổng quan nghiên cứu

Động cơ không đồng bộ ba pha là thiết bị truyền động phổ biến trong công nghiệp nhờ cấu tạo đơn giản, độ bền cao và chi phí thấp hơn so với động cơ một chiều. Theo ước tính, động cơ không đồng bộ chiếm khoảng 70% tổng số động cơ điện sử dụng trong các hệ thống truyền động công nghiệp hiện nay. Tuy nhiên, việc điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ trong dải rộng vẫn là thách thức lớn do đặc tính phi tuyến và sự phụ thuộc phức tạp giữa các đại lượng điện – cơ. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển và đánh giá phương pháp điều khiển trực tiếp từ thông và mômen (DTC) cho bộ nghịch lưu áp nhằm điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ hiệu quả, ổn định và kinh tế.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc ba pha, sử dụng bộ nghịch lưu áp hai mức và ba mức làm thiết bị biến tần, với mô hình toán học và mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong khóa học 2010-2012 tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao hiệu suất điều khiển tốc độ, giảm tổn hao năng lượng và cải thiện đặc tính động học của động cơ, góp phần thúc đẩy ứng dụng rộng rãi biến tần trong công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Mô hình toán học động cơ không đồng bộ: Sử dụng sơ đồ thay thế hình Γ và hình Ґ, biểu diễn các đại lượng điện trở, điện cảm và từ thông trong hệ tọa độ a-b-c và d-q, α-β. Phương trình đặc tính cơ của động cơ được xây dựng dựa trên hệ số trượt và các tham số mạch điện.

• Phương pháp điều khiển trực tiếp từ thông và mômen (DTC): DTC điều khiển trực tiếp mômen điện từ bằng cách điều chỉnh vector điện áp không gian của bộ nghịch lưu, không cần điều khiển gián tiếp qua dòng điện. Phương pháp này dựa trên nguyên lý quay vector từ thông stator nhanh chóng để tăng góc lệch γ_sr, từ đó điều khiển mômen.

• Mô hình nghịch lưu áp hai mức và ba mức: Bộ nghịch lưu áp hai mức gồm 6 khóa bán dẫn và 6 diode, tạo ra điện áp ra có hai mức ±E. Bộ nghịch lưu áp ba mức (3L-NPC) sử dụng thêm diode kẹp trung tính và tụ điện nối tầng, tạo ra điện áp ra với nhiều mức hơn, giảm sóng hài và tăng hiệu suất.

Các khái niệm chính bao gồm: từ thông rotor ψ_r, mômen điện từ M, hệ tọa độ d-q, vector điện áp không gian, góc lệch γ_sr, và các trạng thái chuyển mạch của bộ nghịch lưu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là mô hình toán học động cơ không đồng bộ và bộ nghịch lưu áp, được xây dựng dựa trên các tham số kỹ thuật thực tế của động cơ rotor lồng sóc ba pha. Phương pháp phân tích chủ yếu là mô phỏng số bằng Matlab-Simulink, cho phép đánh giá đáp ứng động học, sóng hài dòng điện và điện áp, cũng như so sánh hiệu quả giữa nghịch lưu áp hai mức và ba mức.

Cỡ mẫu nghiên cứu là một động cơ không đồng bộ tiêu chuẩn công suất trung bình, với các tham số điện trở, điện cảm, và tần số nguồn được xác định theo tài liệu kỹ thuật. Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng chi tiết từng trạng thái chuyển mạch và điều khiển vector điện áp.

Timeline nghiên cứu gồm: xây dựng mô hình toán học (6 tháng), phát triển thuật toán điều khiển DTC (6 tháng), mô phỏng và phân tích kết quả (6 tháng), hoàn thiện luận văn (6 tháng).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả điều khiển DTC với nghịch lưu áp hai mức: Mô phỏng cho thấy đáp ứng mômen và từ thông đạt ổn định trong vòng 0.05 giây, với sóng hài dòng điện chứa nhiều thành phần bậc cao, ảnh hưởng đến chất lượng điện áp ra. Mômen tới hạn M_th đạt khoảng 1.2 lần mômen định mức, đảm bảo khả năng quá tải.

2. Ưu điểm của nghịch lưu áp ba mức (3L-NPC): So với nghịch lưu hai mức, nghịch lưu ba mức giảm đáng kể sóng hài bậc cao, dòng điện tải mượt hơn khoảng 30%, từ đó giảm tổn hao và tăng tuổi thọ thiết bị. Đáp ứng mômen nhanh hơn, ổn định trong vòng 0.04 giây.

3. So sánh đặc tính cơ động cơ khi cấp nguồn từ nghịch lưu hai mức và ba mức: Đặc tính cơ mềm hơn khi dùng nghịch lưu hai mức, trong khi nghịch lưu ba mức giữ đặc tính cơ cứng, giúp duy trì tốc độ ổn định dưới tải thay đổi. Tỷ lệ biến thiên mômen dưới tải thay đổi giảm từ 15% xuống còn khoảng 7%.

4. Ảnh hưởng của điều kiện tải và tần số nguồn: Khi tần số nguồn giảm dưới 20 Hz, mômen giảm do sụt áp trên điện trở stator, cần bù điện áp để giữ từ thông không đổi. Phương pháp điều khiển điện áp – tần số giữ từ thông động cơ không đổi được áp dụng hiệu quả trong dải tần số 20-50 Hz.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng minh họa qua các biểu đồ đáp ứng mômen, từ thông và sóng hài dòng điện cho thấy phương pháp DTC kết hợp với nghịch lưu áp ba mức vượt trội về mặt chất lượng điều khiển và giảm tổn hao so với nghịch lưu hai mức. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trong ngành về ưu điểm của nghịch lưu đa mức trong biến tần công suất trung bình và lớn.

Nguyên nhân chính là do nghịch lưu ba mức tạo ra điện áp ra gần dạng sin hơn, giảm sóng hài bậc cao, từ đó giảm rung động và tiếng ồn động cơ. Đồng thời, việc điều khiển trực tiếp mômen và từ thông giúp đáp ứng nhanh, chính xác hơn so với các phương pháp điều khiển gián tiếp.

Tuy nhiên, nghịch lưu ba mức có cấu trúc phức tạp hơn, yêu cầu điều khiển chính xác các trạng thái chuyển mạch và chi phí linh kiện cao hơn. Do đó, lựa chọn loại nghịch lưu cần cân nhắc giữa hiệu suất và chi phí đầu tư.

Các kết quả cũng cho thấy việc bù điện áp tại tần số thấp là cần thiết để duy trì mômen ổn định, điều này phù hợp với các quy định kỹ thuật về điều khiển biến tần trong công nghiệp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng phương pháp điều khiển DTC với nghịch lưu áp ba mức trong các hệ truyền động công nghiệp: Đề xuất triển khai trong các hệ thống công suất trung bình và lớn nhằm nâng cao hiệu suất và độ bền thiết bị. Thời gian thực hiện trong vòng 12 tháng, chủ thể là các nhà sản xuất biến tần và đơn vị vận hành.

2. Phát triển bộ điều khiển tích hợp bù điện áp tự động tại tần số thấp: Giúp duy trì từ thông không đổi và mômen ổn định khi điều chỉnh tốc độ thấp, giảm hiện tượng sụt áp và mất ổn định. Thời gian nghiên cứu và phát triển khoảng 6-9 tháng, chủ thể là các viện nghiên cứu và công ty công nghệ.

3. Tăng cường đào tạo kỹ thuật viên vận hành và bảo trì biến tần đa mức: Đảm bảo vận hành chính xác, giảm lỗi kỹ thuật và tăng tuổi thọ thiết bị. Thời gian đào tạo liên tục, chủ thể là các trung tâm đào tạo kỹ thuật và doanh nghiệp sử dụng.

4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng nghịch lưu áp đa mức cho các loại động cơ khác: Ví dụ như động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ rotor dây quấn để đa dạng hóa ứng dụng và nâng cao hiệu quả điều khiển. Thời gian nghiên cứu 1-2 năm, chủ thể là các trường đại học và viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế và phát triển biến tần: Nắm bắt kiến thức về cấu trúc nghịch lưu áp hai mức và ba mức, phương pháp điều khiển DTC để cải tiến sản phẩm.

2. Chuyên gia vận hành hệ thống truyền động công nghiệp: Hiểu rõ các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ, áp dụng hiệu quả trong thực tế vận hành.

3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điện – điện tử: Tài liệu tham khảo chuyên sâu về mô hình toán học động cơ, nghịch lưu áp và kỹ thuật điều khiển hiện đại.

4. Nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ điều khiển động cơ: Cơ sở để phát triển các thuật toán điều khiển mới, nâng cao hiệu quả và độ ổn định của hệ thống truyền động.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp điều khiển DTC là gì và ưu điểm của nó?
   DTC là phương pháp điều khiển trực tiếp mômen và từ thông bằng cách điều chỉnh vector điện áp không gian của bộ nghịch lưu. Ưu điểm là đáp ứng nhanh, chính xác, không cần điều khiển gián tiếp qua dòng điện, giảm độ phức tạp thuật toán.

2. Nghịch lưu áp hai mức và ba mức khác nhau như thế nào?
   Nghịch lưu hai mức tạo ra điện áp ra với hai mức ±E, còn nghịch lưu ba mức có thêm mức 0 nhờ diode kẹp trung tính, giúp giảm sóng hài, tăng chất lượng điện áp và hiệu suất.

3. Tại sao cần bù điện áp khi điều khiển tốc độ thấp?
   Ở tần số thấp, sụt áp trên điện trở stator làm giảm từ thông và mômen. Bù điện áp giúp giữ từ thông không đổi, đảm bảo mômen ổn định và tránh hiện tượng mất ổn định tốc độ.

4. Phương pháp điều khiển vector FOC khác gì so với DTC?
   FOC điều khiển mômen gián tiếp qua dòng điện thành phần, yêu cầu biến đổi tọa độ phức tạp và cảm biến vị trí rotor. DTC điều khiển trực tiếp mômen và từ thông, đơn giản hơn về thuật toán và đáp ứng nhanh hơn.

5. Ứng dụng thực tế của nghịch lưu áp đa mức là gì?
   Được sử dụng trong biến tần công suất trung bình và lớn, giúp điều khiển động cơ hiệu quả, giảm tổn hao năng lượng, giảm sóng hài và tăng tuổi thọ thiết bị trong các hệ thống truyền động công nghiệp.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng và mô phỏng thành công phương pháp điều khiển trực tiếp từ thông và mômen (DTC) cho động cơ không đồng bộ sử dụng bộ nghịch lưu áp hai mức và ba mức.
• Nghịch lưu áp ba mức cho hiệu quả điều khiển vượt trội hơn, giảm sóng hài và cải thiện đặc tính cơ động cơ.
• Phương pháp bù điện áp tại tần số thấp giúp duy trì mômen ổn định và từ thông không đổi.
• Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trong thiết kế biến tần công nghiệp, nâng cao hiệu suất và độ bền hệ thống truyền động.
• Đề xuất các bước tiếp theo gồm phát triển bộ điều khiển tích hợp, đào tạo kỹ thuật viên và mở rộng nghiên cứu ứng dụng cho các loại động cơ khác.

Hành động tiếp theo: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư nên áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế, đồng thời tiếp tục cải tiến thuật toán và thiết kế nghịch lưu để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của công nghiệp hiện đại.