Tổng quan nghiên cứu

Động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc (ĐCKĐB) là thiết bị truyền động phổ biến trong công nghiệp và dân dụng nhờ cấu tạo đơn giản, độ bền cao và chi phí hợp lý. Theo báo cáo của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), động cơ điện chiếm khoảng 45% tổng điện năng tiêu thụ toàn cầu, trong đó ĐCKĐB chiếm phần lớn. Ở Việt Nam, sản lượng ĐCKĐB sản xuất trong nước đạt khoảng 50.000 sản phẩm mỗi năm, chưa kể các sản phẩm nhập khẩu. Tuy nhiên, khi sử dụng biến tần để điều khiển ĐCKĐB, các sóng hài phát sinh từ biến tần gây ảnh hưởng tiêu cực đến đặc tính tổn hao, hiệu suất và momen của động cơ.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đánh giá ảnh hưởng của sóng hài do biến tần tạo ra đến đặc tính của ĐCKĐB ba pha roto lồng sóc, tập trung vào các thành phần sóng hài bậc cao có biên độ lớn. Phạm vi nghiên cứu bao gồm phân tích tổn hao trong dây quấn, hiệu suất máy và đặc tính momen trong các miền tần số làm việc khác nhau, với các loại tải đặc trưng. Nghiên cứu được thực hiện trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của công nghệ biến tần và nhu cầu tiết kiệm năng lượng trong công nghiệp.

Việc nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, giảm tổn hao và kéo dài tuổi thọ động cơ, đồng thời góp phần phát triển các hệ truyền động điện chất lượng cao, đáp ứng các tiêu chuẩn hiệu suất như TCVN 7540-1:2005 và tiêu chuẩn châu Âu Eff1.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết nền tảng về động cơ điện và kỹ thuật điện tử công suất, bao gồm:

  • Mô hình toán động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc: Sử dụng sơ đồ mạch điện thay thế và hệ phương trình vi phân mô tả đặc tính cơ, tổn hao và momen của động cơ trong hệ tọa độ α, β cố định trên stato. Mô hình này cho phép phân tích ảnh hưởng của sóng hài thời gian do biến tần tạo ra.

  • Lý thuyết sóng hài và phân tích Fourier: Áp dụng phân tích chuỗi Fourier rời rạc (DFT) để xác định biên độ các thành phần sóng hài bậc cao trong điện áp và dòng điện đầu ra biến tần, từ đó đánh giá ảnh hưởng đến tổn hao và đặc tính momen.

  • Các kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM: Bao gồm PWM hình sin (SPWM), PWM hài bậc ba (HPWM) và PWM 600, được sử dụng để điều khiển biến tần nguồn áp với van bán dẫn IGBT hoặc MOSFET, nhằm tạo ra điện áp đầu ra gần dạng sin và giảm sóng hài.

  • Luật điều chỉnh tần số và điện áp: Các luật điều chỉnh U/f, giữ khả năng quá tải không đổi và điều chỉnh tần số trượt không đổi được áp dụng để duy trì hiệu suất và momen ổn định trong dải tần số làm việc của động cơ.

Các khái niệm chính bao gồm: tổn hao đồng, tổn hao sắt, sóng hài thời gian thứ tự thuận và nghịch, hệ tọa độ α, β và dq, momen động cơ, hiệu suất động cơ, và các loại biến tần phổ biến.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp tổng hợp lý thuyết và mô phỏng số:

  • Nguồn dữ liệu: Tổng hợp từ các tài liệu khoa học, báo cáo kỹ thuật, catalogue nhà sản xuất và các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế.

  • Phương pháp phân tích: Thiết lập mô hình toán học động cơ trong hệ tọa độ α, β, mô phỏng bằng phần mềm Matlab để giải hệ phương trình vi phân mô tả động cơ khi được cấp điện áp có sóng hài do biến tần tạo ra. Phân tích phổ sóng hài điện áp và dòng điện đầu ra biến tần bằng phương pháp chuỗi Fourier rời rạc.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình động cơ 14 kW, 1480 vòng/phút được chọn làm đối tượng khảo sát điển hình, đại diện cho các động cơ phổ biến trong công nghiệp.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khóa học 2010-2012, với các bước chính gồm xây dựng mô hình toán, phân tích sóng hài, mô phỏng các kỹ thuật điều chế PWM, đánh giá tổn hao và hiệu suất, và đề xuất giải pháp cải thiện.

Phương pháp này cho phép đánh giá chi tiết ảnh hưởng của các thành phần sóng hài bậc cao đến đặc tính động cơ trong các điều kiện tải và tần số khác nhau, đồng thời so sánh hiệu quả của các kỹ thuật điều chế PWM.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của sóng hài đến tổn hao đồng trong dây quấn: Kết quả mô phỏng cho thấy tổn hao đồng trong dây quấn stato và roto tăng đáng kể khi sử dụng biến tần với các kỹ thuật điều chế PWM. Ví dụ, tổn hao đồng tăng khoảng 15-20% so với nguồn cấp sin chuẩn ở tần số làm việc 50 Hz. Tổn hao tăng chủ yếu do các thành phần sóng hài bậc cao làm tăng dòng điện không sin.

  2. Hiệu suất động cơ giảm do sóng hài: Hiệu suất của động cơ giảm khoảng 3-5% khi sử dụng biến tần PWM so với nguồn sin chuẩn, đặc biệt rõ ở các tần số thấp và tải không đầy. Hiệu suất giảm do tổn hao đồng tăng và momen không ổn định gây ra bởi sóng hài.

  3. Đặc tính momen bị ảnh hưởng bởi sóng hài bậc cao: Các thành phần momen do sóng hài bậc 13 và 17 sinh ra làm giảm momen chính, gây dao động momen và rung ồn. Momen khởi động và khả năng quá tải của động cơ giảm khoảng 10-15% khi có sóng hài lớn.

  4. Ảnh hưởng của tần số sóng mang fc và tần số làm việc: Tăng tần số sóng mang fc giúp giảm tổn hao đồng và cải thiện hiệu suất, tuy nhiên hiệu quả giảm dần khi fc vượt quá khoảng 1 kHz. Thay đổi tần số làm việc cũng ảnh hưởng đến tổn hao và momen, với tổn hao đồng giảm khi tần số tăng nhưng momen dao động tăng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các ảnh hưởng trên là do điện áp đầu ra biến tần chứa nhiều thành phần sóng hài bậc cao, làm dòng điện trong động cơ không còn dạng sin chuẩn, gây ra từ trường quay không đều và các momen phụ không mong muốn. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả mô phỏng và thực nghiệm trong luận văn phù hợp với xu hướng chung về ảnh hưởng tiêu cực của sóng hài đến động cơ không đồng bộ.

Việc sử dụng các kỹ thuật điều chế PWM như SPWM, HPWM và PWM 600 giúp giảm đáng kể thành phần sóng hài so với biến tần trực tiếp truyền thống, từ đó giảm tổn hao và cải thiện hiệu suất. Tuy nhiên, các sóng hài bậc cao vẫn tồn tại và ảnh hưởng đến đặc tính momen, đòi hỏi phải có các giải pháp lọc và điều chỉnh phù hợp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh tổn hao đồng, hiệu suất và momen động cơ dưới các kỹ thuật điều chế khác nhau, cũng như bảng tổng hợp phổ sóng hài điện áp đầu ra biến tần.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng kỹ thuật điều chế PWM nâng cao: Khuyến nghị sử dụng các kỹ thuật điều chế PWM như PWM hình sin hoặc PWM hài bậc ba để giảm sóng hài bậc cao, từ đó giảm tổn hao và cải thiện hiệu suất động cơ. Thời gian triển khai trong vòng 6-12 tháng, do các nhà sản xuất biến tần và kỹ sư vận hành thực hiện.

  2. Lắp đặt bộ lọc sóng hài đầu ra biến tần: Sử dụng bộ lọc thông thấp hoặc bộ lọc cộng hưởng để giảm thành phần sóng hài bậc cao trước khi cấp điện áp vào động cơ. Giải pháp này giúp giảm tổn hao và tiếng ồn, nâng cao tuổi thọ động cơ. Chủ thể thực hiện là các đơn vị bảo trì và thiết kế hệ thống điện, trong vòng 12 tháng.

  3. Tăng tần số sóng mang fc trong biến tần: Điều chỉnh tần số sóng mang lên khoảng 1 kHz hoặc cao hơn để giảm tổn hao đồng và cải thiện hiệu suất. Cần cân nhắc giới hạn kỹ thuật của van bán dẫn và thiết bị điều khiển. Thời gian thực hiện khoảng 3-6 tháng.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo cho kỹ sư và công nhân vận hành về ảnh hưởng của sóng hài và cách điều chỉnh biến tần phù hợp nhằm tối ưu hóa hiệu suất động cơ. Chủ thể là các trung tâm đào tạo và phòng kỹ thuật, thời gian 6 tháng.

  5. Nghiên cứu tiếp tục về sóng hài không gian và cộng hưởng: Đề xuất nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của sóng hài không gian và hiện tượng cộng hưởng giữa sóng hài thời gian và không gian để có giải pháp toàn diện hơn. Thời gian nghiên cứu dự kiến 1-2 năm, do các viện nghiên cứu và trường đại học thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ truyền động điện: Nắm bắt được ảnh hưởng của sóng hài đến động cơ, từ đó lựa chọn và điều chỉnh biến tần phù hợp nhằm tối ưu hóa hiệu suất và tuổi thọ thiết bị.

  2. Nhà sản xuất và cung cấp biến tần: Hiểu rõ các kỹ thuật điều chế PWM và tác động của sóng hài để cải tiến sản phẩm, nâng cao chất lượng điện áp đầu ra, đáp ứng yêu cầu thị trường.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp mô phỏng chi tiết về ảnh hưởng sóng hài, làm tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo.

  4. Chuyên gia tư vấn và thiết kế hệ thống điện công nghiệp: Hỗ trợ đánh giá chất lượng điện áp và đề xuất giải pháp lọc sóng hài, nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống truyền động điện.

Câu hỏi thường gặp

  1. Sóng hài là gì và tại sao nó ảnh hưởng đến động cơ không đồng bộ?
    Sóng hài là các thành phần điện áp hoặc dòng điện có tần số là bội số của tần số cơ bản (50 Hz). Chúng làm dòng điện không còn dạng sin chuẩn, gây ra từ trường quay không đều, tăng tổn hao đồng và làm giảm hiệu suất động cơ.

  2. Các kỹ thuật điều chế PWM nào được sử dụng phổ biến trong biến tần?
    Ba kỹ thuật phổ biến là PWM hình sin (SPWM), PWM hài bậc ba (HPWM) và PWM 600. Chúng giúp tạo ra điện áp đầu ra gần dạng sin, giảm sóng hài bậc cao và cải thiện chất lượng điện áp.

  3. Làm thế nào để giảm ảnh hưởng của sóng hài đến động cơ?
    Có thể sử dụng bộ lọc sóng hài đầu ra biến tần, tăng tần số sóng mang, áp dụng kỹ thuật điều chế PWM nâng cao và điều chỉnh luật điều khiển biến tần phù hợp.

  4. Tại sao hiệu suất động cơ giảm khi sử dụng biến tần?
    Hiệu suất giảm do tổn hao đồng tăng lên bởi dòng điện chứa sóng hài bậc cao, đồng thời momen dao động gây rung ồn và làm giảm khả năng truyền động ổn định.

  5. Phương pháp mô phỏng nào được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng sóng hài?
    Phương pháp mô phỏng dựa trên mô hình toán học động cơ trong hệ tọa độ α, β, giải hệ phương trình vi phân bằng Matlab và phân tích phổ sóng hài bằng chuỗi Fourier rời rạc (DFT).

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng mô hình toán học chi tiết và chính xác cho ĐCKĐB ba pha roto lồng sóc, mô phỏng ảnh hưởng của sóng hài do biến tần tạo ra đến tổn hao, hiệu suất và đặc tính momen động cơ.
  • Kết quả cho thấy sóng hài bậc cao làm tăng tổn hao đồng khoảng 15-20%, giảm hiệu suất 3-5% và gây dao động momen, ảnh hưởng đến vận hành ổn định.
  • Các kỹ thuật điều chế PWM nâng cao và bộ lọc sóng hài là giải pháp hiệu quả để giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực của sóng hài.
  • Nghiên cứu đề xuất các giải pháp thực tiễn và hướng phát triển tiếp theo về sóng hài không gian và cộng hưởng để hoàn thiện hơn hệ truyền động biến tần – ĐCKĐB.
  • Khuyến nghị các nhà sản xuất, kỹ sư vận hành và nhà nghiên cứu áp dụng kết quả để nâng cao hiệu quả sử dụng động cơ trong công nghiệp.

Next steps: Triển khai ứng dụng các kỹ thuật điều chế PWM và bộ lọc sóng hài trong thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu về sóng hài không gian và cộng hưởng.

Call-to-action: Các đơn vị sản xuất và vận hành động cơ nên phối hợp nghiên cứu và áp dụng các giải pháp giảm sóng hài để nâng cao hiệu quả và tuổi thọ thiết bị.