Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng quá trình khởi động và làm việc của động cơ đồng bộ công suất lớn

Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng quá trình khởi động và làm việc của động cơ đồng, phân tích chuyên sâu, xây dựng mô hình lý

• Tác giả: Dương Quốc Hưng
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Hữu Công
• Trường học: Viện nghiên cứu điện tử - Tin học - Tự động hóa
• Chuyên ngành: Điều khiển động cơ đồng bộ công suất lớn
• Đề tài: Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng quá trình khởi động và làm việc của động cơ đồng bộ công suất lớn
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT TIẾNG VIỆT VÀ TIẾNG ANH
• DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN KÍCH TỪ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ CÔNG SUẤT LỚN
• 1.1. Đánh giá một số nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.1.1. Một số nghiên cứu ngoài nước
• 1.1.2. Một số nghiên cứu/ứng dụng trong nước
• 1.1.3. Đánh giá chung
• 1.2. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ ĐẾN CHẾ ĐỘ KHỞI ĐỘNG VÀ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ CÔNG SUẤT LỚN
• 2.1. Các phương trình toán động cơ đồng bộ
• 2.1.1. Các phương trình trong hệ tọa độ cố định stator
• 2.1.2. Các phương trình trong hệ tọa độ quay rotor
• 2.1.3. Sơ đồ mạch điện thay thế và đồ thị véc tơ
• 2.2. Mô men điện từ của động cơ đồng bộ cực lồi
• 2.2.1. Biểu thức xác định mô men
• 2.2.2. Giá trị mô men khi khởi động không đồng bộ
• 2.2.3. Giá trị mô men khi làm việc
• 2.3. Các thông số ảnh hưởng đến chế độ khởi động và làm việc của động cơ
• 2.3.1. Các thông số ảnh hưởng đến chế độ khởi động
• 2.3.2. Các thông số ảnh hưởng đến chế độ làm việc
• 2.3.2.1. Mối quan hệ giữa nguồn kích từ, góc tải và hệ số công suất đối với công suất của động cơ
• 2.3.2.2. Sự ảnh hưởng của tải đối với dòng điện phần ứng, góc tải và hệ số công suất của động cơ
• 2.3.2.3. Sự ảnh hưởng của nguồn kích từ đối với chế độ làm việc của động cơ
• 2.3.2.4. Sự ảnh hưởng của điện áp nguồn đối với chế độ làm việc của động cơ
• 2.3.2.5. Kết luận về vai trò của việc điều khiển hệ số công suất cosφ trong hệ thống điều khiển kích từ động cơ đồng bộ công suất lớn
• 2.4. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG QUÁ TRÌNH KHỞI ĐỘNG VÀ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ CÔNG SUẤT LỚN
• 3.1. Giải pháp nâng cao chất lượng "bắt" đồng bộ khi khởi động
• 3.1.1. Xây dựng giải pháp
• 3.1.2. Thực hiện giải pháp
• 3.1.2.1. Thực hiện giải pháp "bắt" đồng bộ bằng mạch điện tử
• 3.1.2.2. Thực hiện giải pháp "bắt" đồng bộ bằng logic mờ
• 3.2. Giải pháp nâng cao chất lượng hệ điều khiển kích từ ở chế độ làm việc
• 3.2.1. Cấu trúc hệ thống điều khiển kích từ động cơ đồng bộ
• 3.2.2. Ứng dụng thuật toán tối ưu bầy đàn (Particle Swarm Optimization - PSO) để thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống kích từ
• 3.2.2.1. Giới thiệu thuật toán tối ưu bầy đàn PSO
• 3.2.2.2. Ứng dụng thuật toán tối ưu PSO để thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống kích từ
• 3.2.2.3. Ứng dụng thuật toán tối ưu PSO để thiết kế bộ điều khiển lai PID và FLC – Sugeno cho hệ thống điều khiển kích từ
• 3.2.3. Kết quả mô phỏng điều khiển kích từ ở chế độ làm việc
• 3.3. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN KÍCH TỪ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ CÔNG SUẤT 500kW
• 4.1. Giới thiệu mô hình thực nghiệm
• 4.1.1. Tổng quan về mô hình thực nghiệm
• 4.1.2. Các khối chức năng trong mô hình thực nghiệm
• 4.1.3. Nguyên lý làm việc của mô hình thực nghiệm
• 4.1.4. Các bảo vệ chính của hệ thống kích từ trong mô hình thực nghiệm
• 4.1.5. Hình ảnh mô hình thực nghiệm
• 4.2. Kết quả thực nghiệm
• 4.2.1. Kết quả thực nghiệm quá trình khởi động và "bắt" đồng bộ
• 4.2.2. Kết quả thực nghiệm điều khiển cosφ ở chế độ làm việc
• 4.3. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN LUẬN ÁN
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• Phụ lục 1: Chương trình lập trình cho Vi điều khiển PIC bằng ngôn ngữ C cho Modul "bắt" đồng bộ
• Phụ lục 2: Các chương trình lập trình M-File trên Matlab để thực hiện thuật toán tối ưu PSO và chương trình tạo hàm chức năng cho mô phỏng
• Phụ lục 3: Các sơ đồ nguyên lý, hình ảnh Board mạch điện tử và các bảng thông số kỹ thuật của một số modul trong mô hình thực nghiệm
• Phụ lục 4: Các bản vẽ đấu nối điện trong mô hình thực nghiệm

Tóm tắt

I. Giới thiệu về động cơ đồng bộ công suất lớn

Động cơ đồng bộ công suất lớn được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy điện, trạm bơm, máy nén khí và các ứng dụng công nghiệp khác. So với động cơ không đồng bộ, động cơ đồng bộ có hiệu suất cao hơn, khả năng hoạt động ở hệ số công suất gần 1, giúp nâng cao hiệu quả sử dụng điện. Tuy nhiên, việc khởi động và vận hành động cơ đồng bộ đòi hỏi hệ thống kích từ phức tạp, đặc biệt là trong giai đoạn khởi động. Nghiên cứu này tập trung vào việc nâng cao chất lượng quá trình khởi động và vận hành của động cơ đồng bộ công suất lớn, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu tổn thất năng lượng.

1.1 Ưu điểm và nhược điểm của động cơ đồng bộ

Động cơ đồng bộ có nhiều ưu điểm như hiệu suất cao, khả năng điều chỉnh hệ số công suất và tốc độ quay ổn định. Tuy nhiên, nhược điểm chính là hệ thống kích từ phức tạp, đặc biệt trong giai đoạn khởi động. Việc xác định thời điểm chính xác để cấp nguồn kích từ là yếu tố quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu quả hoạt động của động cơ.

II. Phương pháp khởi động động cơ đồng bộ

Quá trình khởi động động cơ đồng bộ công suất lớn đòi hỏi sự chính xác cao trong việc xác định thời điểm cấp nguồn kích từ. Các phương pháp truyền thống như đo tốc độ rotor hoặc tần số cảm ứng đã được áp dụng, nhưng vẫn còn hạn chế về độ chính xác và hiệu quả. Nghiên cứu này đề xuất các giải pháp kỹ thuật mới, bao gồm sử dụng mạch điện tử và logic mờ, để tối ưu hóa quá trình khởi động và đảm bảo động cơ hoạt động ổn định.

2.1 Giải pháp sử dụng mạch điện tử

Một trong những giải pháp kỹ thuật được đề xuất là sử dụng mạch điện tử để xác định thời điểm chính xác cấp nguồn kích từ. Phương pháp này giúp giảm thiểu rung động cơ học và tối ưu hóa hiệu suất khởi động.

2.2 Giải pháp sử dụng logic mờ

Logic mờ được áp dụng để xác định thời điểm bắt đồng bộ dựa trên các tín hiệu đầu vào như tốc độ rotor và dòng điện kích từ. Phương pháp này mang lại độ chính xác cao và khả năng thích ứng với các điều kiện vận hành khác nhau.

III. Tối ưu hóa vận hành động cơ đồng bộ

Việc tối ưu hóa vận hành động cơ đồng bộ không chỉ dừng lại ở quá trình khởi động mà còn bao gồm cả việc điều chỉnh hệ số công suất trong quá trình làm việc. Nghiên cứu này đề xuất sử dụng thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (PSO) để thiết kế bộ điều khiển PID và FLC, nhằm đảm bảo hệ số công suất luôn ở mức tối ưu và giảm thiểu tổn thất năng lượng.

3.1 Ứng dụng thuật toán PSO

Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (PSO) được áp dụng để thiết kế bộ điều khiển PID, giúp điều chỉnh hệ số công suất một cách chính xác và hiệu quả. Phương pháp này mang lại kết quả tốt trong việc ổn định hệ thống và nâng cao hiệu suất vận hành.

3.2 Kết hợp PID và FLC

Sự kết hợp giữa bộ điều khiển PID và logic mờ (FLC) được đề xuất để tăng cường khả năng thích ứng của hệ thống với các thay đổi tải và điều kiện vận hành khác nhau. Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp này mang lại hiệu quả cao trong việc duy trì hệ số công suất ổn định.

IV. Kết quả thực nghiệm và ứng dụng

Nghiên cứu đã tiến hành thực nghiệm trên mô hình động cơ đồng bộ công suất 500kW để kiểm chứng hiệu quả của các giải pháp kỹ thuật đề xuất. Kết quả cho thấy, việc áp dụng các phương pháp mới như sử dụng mạch điện tử và logic mờ đã cải thiện đáng kể chất lượng khởi động và vận hành của động cơ. Các kết quả thực nghiệm cũng khẳng định tính khả thi và hiệu quả của các giải pháp này trong thực tế.

4.1 Kết quả khởi động

Kết quả thực nghiệm cho thấy, việc sử dụng mạch điện tử và logic mờ giúp xác định chính xác thời điểm bắt đồng bộ, giảm thiểu rung động và tối ưu hóa hiệu suất khởi động.

4.2 Kết quả vận hành

Hệ thống điều khiển kết hợp PID và FLC đã duy trì hệ số công suất ở mức tối ưu, giúp cải thiện hiệu suất vận hành và giảm thiểu tổn thất năng lượng.