Luận văn thạc sĩ thiết bị mạng và nhà máy điện ứng dụng fuzzy logic điều khiển hệ truyền động động cơ không đồng bộ tiết kiệm năng lượng

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng dụng fuzzy logic điều khiển hệ truyền động động cơ không đồng bộ, tối ưu hóa tiết kiệm năng lượng trong thiết bị mạng và nhà máy điện.

• Tác giả: Ngô Hồng Thắng
• Người hướng dẫn: TS. Lê Minh Phương
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Thiết bị, Mạng và Nhà Máy điện
• Đề tài: Ứng Dụng Fuzzy Logic Điều Khiển Hệ Truyền Động Động Cơ Không Đồng Bộ Tiết Kiệm Năng Lượng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Luận văn thạc sĩ 'Ứng Dụng Fuzzy Logic Điều Khiển Hệ Truyền Động Động Cơ Không Đồng Bộ Tiết Kiệm Năng Lượng' tập trung vào việc nghiên cứu và ứng dụng Fuzzy Logic để tối ưu hóa hiệu suất của hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ. Động cơ không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng do ưu điểm về chi phí, kích thước và độ bền. Tuy nhiên, việc tiêu thụ năng lượng lớn của chúng đặt ra yêu cầu cấp thiết về tiết kiệm năng lượng. Luận văn đề xuất các phương pháp điều khiển mới, kết hợp Fuzzy Logic để giảm thiểu tổn hao năng lượng, đồng thời so sánh hiệu quả với các phương pháp truyền thống như điều khiển định hướng từ thông (FOC) và điều khiển tối ưu tổn hao (LMA).

1.1 Sự cần thiết của đề tài

Động cơ không đồng bộ chiếm tỷ lệ lớn trong tiêu thụ điện năng toàn cầu, với khoảng 53% lượng điện được sử dụng bởi các động cơ này. Việc tiết kiệm 2-3% năng lượng tiêu thụ có thể mang lại lợi ích kinh tế và môi trường đáng kể. Luận văn nhấn mạnh tầm quan trọng của việc nghiên cứu các phương pháp điều khiển hiệu quả để giảm thiểu tổn hao năng lượng trong hệ thống truyền động, đặc biệt là trong bối cảnh nguồn năng lượng hóa thạch đang cạn kiệt và ô nhiễm môi trường gia tăng.

1.2 Điểm mới của đề tài

Luận văn không chỉ ứng dụng Fuzzy Logic mà còn đề xuất các phương pháp điều khiển mới như điều khiển theo từ thông tối ưu và điều khiển tối ưu tổn hao (LMA). Điểm đột phá là sử dụng Fuzzy Logic để tìm kiếm công suất tổn hao nhỏ nhất dựa trên các tín hiệu đầu vào Is và Ids, từ đó tối ưu hóa hiệu suất động cơ. Phương pháp này được so sánh với các phương pháp truyền thống để chứng minh tính ưu việt.

II. Tổng quan về tiết kiệm năng lượng trong động cơ và hệ truyền động

Chương này phân tích các dạng tổn hao năng lượng trong động cơ không đồng bộ và hệ truyền động, bao gồm tổn hao trên điện trở dây quấn, tổn hao sắt từ và tổn hao cơ. Các nghiên cứu chỉ ra rằng 67% tổn hao năng lượng xảy ra ở các động cơ có công suất dưới 52kW, điều này nhấn mạnh sự cần thiết của việc tối ưu hóa hiệu suất cho các động cơ công suất nhỏ. Luận văn cũng đề cập đến các ứng dụng phổ biến của động cơ không đồng bộ trong các hệ thống máy bơm, máy nén khí và băng truyền, đồng thời phân tích khả năng tiết kiệm năng lượng thông qua các phương pháp điều khiển khác nhau.

2.1 Tổn hao năng lượng trong động cơ

Các tổn hao chính trong động cơ bao gồm tổn hao trên điện trở dây quấn stator (Pcu1), tổn hao sắt từ (PFe), tổn hao trên điện trở rotor (Pcu2) và tổn hao cơ do ma sát và quạt gió (Pfrict). Việc giảm thiểu các tổn hao này đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về nguyên lý hoạt động và cấu trúc của động cơ.

2.2 Ứng dụng trong hệ truyền động

Động cơ không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống máy bơm, máy nén khí và băng truyền. Việc áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại như Fuzzy Logic và FOC có thể giảm thiểu đáng kể tổn hao năng lượng, đặc biệt trong các hệ thống có tải thay đổi.

III. Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ

Chương này trình bày mô hình toán học của động cơ không đồng bộ, bao gồm các phương trình chuyển đổi hệ tọa độ và mô hình động cơ lý tưởng. Các phương trình được xây dựng dựa trên hệ tọa độ ABC, αβ và dq, giúp mô phỏng và phân tích hoạt động của động cơ trong các điều kiện khác nhau. Luận văn cũng đề cập đến việc sử dụng phần mềm Matlab-Simulink để mô phỏng mô hình động cơ, bao gồm cả mô hình lý tưởng và mô hình có xem xét tổn hao sắt từ và bão hòa từ.

3.1 Nguyên lý làm việc của động cơ

Động cơ không đồng bộ hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, với từ trường quay tạo ra bởi dòng điện xoay chiều. Các phương trình toán học mô tả mối quan hệ giữa điện áp, dòng điện và từ thông trong các hệ tọa độ khác nhau.

3.2 Mô phỏng mô hình động cơ

Sử dụng Matlab-Simulink, luận văn mô phỏng mô hình động cơ lý tưởng và mô hình có xem xét tổn hao sắt từ và bão hòa từ. Kết quả mô phỏng giúp đánh giá hiệu suất và tổn hao năng lượng trong các điều kiện vận hành khác nhau.

IV. Phương pháp điều khiển tối ưu hiệu suất động cơ

Chương này đề xuất các phương pháp điều khiển tối ưu hiệu suất động cơ, bao gồm điều khiển theo từ thông tối ưu, điều khiển tối ưu tổn hao (LMA) và điều khiển sử dụng Fuzzy Logic. Fuzzy Logic được sử dụng để tìm kiếm công suất tổn hao nhỏ nhất dựa trên các tín hiệu đầu vào Is và Ids, từ đó tối ưu hóa hiệu suất động cơ. Các phương pháp này được so sánh với nhau để xác định phương pháp hiệu quả nhất.

4.1 Điều khiển theo từ thông tối ưu

Phương pháp này tập trung vào việc điều khiển từ thông rotor để đạt được hiệu suất tối ưu. Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp này giảm thiểu tổn hao năng lượng trong các điều kiện tải thay đổi.

4.2 Điều khiển sử dụng Fuzzy Logic

Fuzzy Logic được áp dụng để điều khiển tìm kiếm công suất tổn hao nhỏ nhất. Phương pháp này sử dụng các hàm thành viên và luật điều khiển mờ để tối ưu hóa hiệu suất động cơ, đặc biệt trong các điều kiện tải không ổn định.

V. Kết luận và hướng phát triển

Luận văn kết luận rằng việc ứng dụng Fuzzy Logic trong điều khiển hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ mang lại hiệu quả cao trong việc tiết kiệm năng lượng. Các phương pháp đề xuất như điều khiển theo từ thông tối ưu và điều khiển tối ưu tổn hao (LMA) cũng cho thấy tiềm năng lớn trong việc giảm thiểu tổn hao năng lượng. Hướng phát triển tiếp theo của đề tài là nghiên cứu sâu hơn về các thuật toán điều khiển thông minh và ứng dụng trong các hệ thống công nghiệp thực tế.

5.1 Kết luận

Luận văn đã chứng minh tính ưu việt của Fuzzy Logic trong việc điều khiển động cơ không đồng bộ tiết kiệm năng lượng. Các phương pháp đề xuất đều mang lại hiệu quả cao trong việc giảm thiểu tổn hao năng lượng và tối ưu hóa hiệu suất động cơ.

5.2 Hướng phát triển

Hướng phát triển tiếp theo bao gồm nghiên cứu các thuật toán điều khiển thông minh khác như học máy và trí tuệ nhân tạo để nâng cao hiệu quả của hệ thống điều khiển trong các ứng dụng công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG TRONG ĐỘNG CƠ VÀ CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.1 Tìm hiểu về tiết kiệm năng lượng trong động cơ và các hệ truyền động: Như đã giới thiệu, đi cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ ngày càng được ứng dụng rộng rãi và tiêu thụ một lượng điện năng vô cùng lớn. Trong đó, khảng 30% lượng điện năng này bị tổn hao vô ích trong động cơ, trong hệ truyền động và các thiết bị điều khiển. để giảm thiểu được các tổn hao vô ích này, chúng ta phải có được hiểu biết về chúng và tìm cách can thiệp sao cho lượng điện năng tổn hao là nhỏ nhất nhưng vẫn đạt được hiệu qủa mong muốn. Sau đây là các dạng tổn hao xảy ra trong động cơ, trong hệ truyền động và các thiết bị điều khiển.

 Đối với động cơ: Công suất điện mà động cơ nhận từ nguồn được chia làm hai thành phần: một phần sinh ra công có ích để thực hiện qúa trình công nghệ (kéo các hệ truyền động), phần còn lại là tổn hao dưới dạng nhiệt trên điện trở dây quấn stator (Pcu1), tổn hao trên điện trở sắt từ (PFe), tổn hao trên điện trở rotor (Pcu2) và các tổn hao cơ do ma sát và quạt gió (Pfrict).1: Giản đồ tổn hao năng lượng trong động cơ KĐB Để tiết kiệm được năng lượng của động cơ, chúng ta phải tìm hiểu về mục đích sử dụng của động cơ, công suất sử dụng. Tìm ra những nguyên nhân Trang 4 Luận văn tốt nghiệp gây nên tổn hao và tìm cách tiết kiệm nó.2 cho thấy việc phân bố năng lượng trong động cơ không đồng bộ ứng với các dạng công suất khác nhau, hình 1.3 các tổn hao trong động cơ không đồng bộ. Các dữ liệu được lấy dựa trên các số liệu thống kê về việc sử dụng năng lượng tại Đan Mạch năm 2000 [1], xu hướng sử dụng này phù hợp với hầu hết các nước công nghiệp.2: Phân bố nguồn năng lượng sử dụng trong động cơ KĐB với các dạng Công suất và phụ tải khác nhau Quan trọng hơn, việc phân bố tổn hao năng lượng trong động cơ trên (hình 1.3) 67% năng lượng tổn hao được gây ra bởi động cơ có công suất định mức dưới 52kW. Từ đây ta thấy rằng, để tiết kiệm năng lượng hiệu quả thì nên nghiên cứu tiết kiệm cho các loại động cơ có công suất định mức dưới 52kW.3: Phân bố nguồn năng lượng tổn hao trong động cơ KĐB với các dạng Công suất và phụ tải khác nhau Trang 5 Luận văn tốt nghiệp  Đối với các hệ truyền động: Động cơ KĐB thường được sử dụng cho các ứng dụng sau: -Hệ thống máy bơm, máy nén khí, thông gió, máy lạnh.

-Hệ thống băng truyền, thiết bị vận tải. -Các thiết bị cơ khí chế biến.4 cho chúng ta thấy cấu tạo cơ bản của một hệ truyền động sử dụng động cơ KĐB.4: cấu tạo cơ bản của một hệ truyền động sử dụng động cơ KĐB. Để thấy rõ được khả năng tiết kiệm năng lượng trong hệ truyền động, ta xem xét một dạng tải điển hình (máy bơm) và khả năng tiết kiệm năng lượng bằng các phương phương pháp điều khiển khác nhau [1]. Bốn kiểu của hệ thống máy bơm được mô tả từ hình 1.

Hai hình đầu là điều khiển cơ và tốc độ cố định. Hai hình sau sử dụng bộ điều chỉnh tốc độ.7 máy bơm không có áp suất trong đường ống, hình 1.8 máy bơm có có áp suất trong đường ống. Một thiết bị điều khiển điều khiển dòng chảy sao lưu lượng dòng chảy ở điểm A là 100% lưu lượng định mức, lưu lượng dòng chảy ở điểm B được điều khiển ở 50% lưu lượng dòng chảy định mức. Từ đường cong đặc tính vẽ được theo áp lực và lưu lượng dòng chảy của hệ thống bơm (PC) và hệ thống ống dẫn (SC).

Các điểm làm việc của máy bơm được xác định bởi giao điểm của hai đường cong PC và SC. Trang 6 Luận văn tốt nghiệp Hình 1.5: Hệ thống bơm không sử bộ điều khiển cơ, tốc độ động cơ không đổi, không có áp suất Hình 1.6 Hệ thống bơm không sử bộ điều khiển cơ, tốc độ động cơ không đổi, có áp suất Trong hệ truyền động bơm tốc độ cố định ở hình 1.6, lưu lượng được làm giảm từ A sang B bằng việc sử dụng van để làm giảm lưu lượng trong ống, lúc này đường đặc tính làm việc của hệ thống thay đổi từ SC1 sang SC2.8 do không thay đổi lưu lượng nên đường đặc tính làm việc của hệ thống không thay đổi, nhưng thay đổi tốc độ của động cơ. Lúc này đường đặc tính bơm sẽ thay đổi từ PC1 sang PC2, do đó dẫn đến sự thay đổi lưu lượng từ A sang B. Trang 7 Luận văn tốt nghiệp Hình 1.6 Hệ thống bơm có điều khiển tốc độ, không có áp suất Hình 1.7 Hệ thống bơm có điều khiển tốc độ, có áp suất Hình 1.9 cho thấy tại điểm đầy tải (điểm A), khi tốc độ động cơ không đổi thì hiệu suất bơm là tốt hơn, bởi vì nếu so sánh với phương pháp điều khiển thay đổi tốc độ động cơ thì sẽ tăng thêm phần tổn hao gây nên bởi bộ biến đổi công suất và tổn hao trong trong động cơ.

Trường hợp bơm làm việc ở 50% lưu lượng định mức (điểm B) thì ngược lại. Trong trường hợp không có áp suất, có sự cải thiện đáng kể về tổn hao khi động cơ có điều khiển tốc độ so với trường hợp không điều khiển tốc độ. So sánh đồ thị 1.7 trong phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đổi, hầu hết các tổn hao đều xảy ra tại van. Trong trường hợp có áp suất, so sánh biểu đồ 1.8, sự khác biệt về hiệu suất không rõ ràng.

Tuy vậy, trong trường Trang 8 Luận văn tốt nghiệp hợp này sử dụng phương pháp điều khiển thay đổi tốc độ động cơ thì hiệu suất bơm vẫn tốt hơn.9: Sự liên hệ về phân bố công suất giữa các thiết bị trong hệ thống bơm trong hình 1.8 và hiệu suất của bơm và động cơ 1. Tốc độ bơm cố định, không có áp suất trong đường ống 1. Tốc độ bơm cố định, có áp suất trong đường ống 1. Tốc độ bơm thay đổi, không có áp suất trong đường ống 1.

Tốc độ bơm thay đổi, có áp suất trong đường ống 1. Những tiềm năng tiết kiệm năng lượng trong động cơ không đồng bộ và hệ truyền động khi sử dụng các phương pháp điều khiển thích hợp. Đối với hệ thống bơm ta thấy rõ ràng rằng, khi một máy bơm làm việc có áp suất, thì sử dụng phương pháp điều khiển thay đổi tốc độ động cơ sẽ tiết kiệm được một lượng điện năng đáng kể so với trường hợp không có điều khiển tốc độ. Từ đây ta có thể mở rộng cho các dạng tải khác nhau như quạt thông gió, máy nén khí và máy lạnh ta cũng tiết kiệm được một lượng điện năng đáng kể khi sử dụng phương pháp điều khiển thay đổi tốc độ của động cơ, với kết quả thu được ở bảng sau [1].

Trang 9 Luận văn tốt nghiệp Kết quả về tiết kiệm năng lượng bằng phương pháp thay đổi tốc độ động cơ khi thí nghiệm với các dạng tải khác nhau Tiết kiệm năng Dạng tải Kiểu lượng khi điều chỉnh tốc độ Quạt thông gió Ly tâm Rất tốt Ly tâm không có bộ điều khiển Rất tốt Máy bơm Ly tâm có bộ điều khiển Tốt Máy nén khí Tur-bin, pit-tông Tốt Máy lạnh Tur-bin, pit-tông Tốt 1.3 Kết luận: Như đã phân tích ở trên, ta thấy rằng đối với động cơ không đồng bộ và các hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ có thể tiết kiệm được một lượng điện năng không nhỏ thông qua các phương pháp điều khiển chúng. Từ đây, mở ra hướng để nghiên cứu các phương pháp sử dụng năng lượng một cách hiệu quả trong động cơ và hệ truyền động thông qua mô hình, nguyên lý làm việc và các phương pháp điều khiển. Nhằm tìm hiểu về động cơ không đồng bộ và các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ theo hướng tiết kiệm năng lượng, trong nội dung các chương tiếp theo sẽ tập trung nghiên cứu về các phương pháp điều khiển tiết kiệm năng lượng như: điều khiển động cơ theo thuật toán tối ưu (Loss minimization algorithms_LMA), điều khiển động cơ theo theo mô hình sử dụng Fuzzy logic. Trang 10 Luận văn tốt nghiệp CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 2.1 Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ: Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ dưa trên hai định luật căn bản, định luật cảm ứng điện từ (do nhà bác học Micheal Faraday tìm ra) và định luật tạo ra lực điện từ (do nhà bác học Bio-Savar tìm ra), những định luật này chính là nguồn gốc được ứng dụng để phát minh ra động cơ không đồng bộ ngày nay.

Hình 1: Động cơ KĐB ba pha Khi bộ dây quấn stator được cung cấp nguồn điện xoay chiều, nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ có sức điện động cảm ứng và dòng điện bên dây quấn rotor. Dòng điện ba pha đối xứng chạy trong bộ dây quấn ba pha stator sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ đồng bộ n  60 f P. Sự tương tác giữa từ trường stator và dòng điện rotor tạo ra moment làm quay rotor. Tuy nhiên, tốc độ của rotor luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường quay, chính sự không đồng bộ này tạo nên tên gọi của động cơ không đồng bộ.

Trang 11 Luận văn tốt nghiệp 2.2 Giới thiệu các hệ tọa độ sử dụng trong các phương trình toán học của động cơ không đồng bộ: Nhằm giúp cho việc điều khiển, tính toán thông số, mô phỏng được dễ dàng, mô hình toán của máy điện được biểu diễn trong hệ quy chiếu 3 pha và sau đó chuyển sang các hệ quy chiếu (α,β) hay hệ quy chiếu quay (d,q) như hình 2.1: Tiết diện mặt cắt ngang bố trí dây quấn đối xứng của động cơ  Hệ tọa độ vector không gian abc: Với hệ tọa độ này người xem ba cuộn dây của động cơ không đồng bộ bố trí trên ba trục abc trong không gian và lệch pha nhau 1 góc 1200. Trong hệ tọa độ này các đại lượng như điện áp, dòng điện, từ thông vv.