Tổng quan nghiên cứu

Trong lĩnh vực truyền động điện, động cơ đồng bộ đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp với công suất từ vài trăm W đến hàng MW. Theo ước tính, việc điều khiển biến tần cho động cơ đồng bộ giúp nâng cao hiệu suất vận hành và tiết kiệm năng lượng đáng kể. Tuy nhiên, các hệ truyền động biến tần truyền thống sử dụng chỉnh lưu diode hoặc thyristor còn tồn tại nhiều hạn chế như sóng điều hòa bậc cao gây méo điện áp lưới, hệ số công suất thấp và không trao đổi năng lượng hai chiều giữa lưới và tải. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển và nghiên cứu hệ điều khiển biến tần back-to-back (BTB) sử dụng chỉnh lưu PWM cho động cơ đồng bộ, nhằm khắc phục các nhược điểm trên, đảm bảo hệ số công suất cosφ bằng 1, giảm sóng hài và trao đổi năng lượng hai chiều hiệu quả.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ truyền động động cơ đồng bộ kích từ dây quấn, sử dụng biến tần nguồn áp với chỉnh lưu PWM, áp dụng các phương pháp điều khiển trực tiếp công suất (DPC) và điều khiển trực tiếp mô men (DTC). Nghiên cứu được thực hiện trong môi trường mô phỏng Matlab Simulink, với các kịch bản vận hành như khởi động, giảm tốc và làm việc với tải thế năng. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao chất lượng điều khiển, cải thiện hiệu suất năng lượng và giảm thiểu ảnh hưởng xấu đến lưới điện, góp phần phát triển công nghệ truyền động điện hiện đại.

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:

  • Lý thuyết động cơ đồng bộ: Mô tả toán học động cơ đồng bộ ba pha trong hệ tọa độ d-q, bao gồm các phương trình điện áp, dòng điện và mô men điện từ. Động cơ đồng bộ cực lồi được phân tích với các đặc tính mô men – góc tải, từ thông và điện áp stato, giúp hiểu rõ cơ chế vận hành và điều khiển.

  • Mô hình chỉnh lưu PWM: Cấu trúc chỉnh lưu PWM ba pha với 6 tranzistor và 6 diode, cho phép điều khiển điện áp và dòng điện đầu vào, đảm bảo trao đổi năng lượng hai chiều giữa lưới và tải. Các phương trình mô tả dòng điện, điện áp trong hệ tọa độ α-β và d-q được sử dụng để phân tích và thiết kế điều khiển.

  • Phương pháp điều khiển trực tiếp công suất (DPC): Điều khiển dựa trên ước lượng công suất tác dụng và công suất phản kháng tức thời, không sử dụng vòng điều khiển dòng điện hay bộ điều chế PWM. Bảng chuyển mạch 12 sector được áp dụng để lựa chọn trạng thái đóng cắt tối ưu cho bộ biến đổi, giúp đạt được hệ số công suất gần bằng 1 và giảm sóng hài.

  • Phương pháp điều khiển trực tiếp mô men (DTC): Áp dụng cho phần nghịch lưu, điều khiển mô men động cơ trực tiếp dựa trên ước lượng từ thông và dòng điện, giúp cải thiện đáp ứng động và độ chính xác điều khiển.

Các khái niệm chính bao gồm: hệ số công suất cosφ, sóng điều hòa bậc cao, vector điện áp và dòng điện trong hệ tọa độ d-q, từ thông ảo, bảng chuyển mạch trạng thái, và các chỉ tiêu chất lượng điện năng.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng mô hình mô phỏng trong môi trường Matlab Simulink với cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu phù hợp để đảm bảo độ chính xác và khả năng tái hiện thực tế. Các bước nghiên cứu gồm:

  • Xây dựng mô hình toán học động cơ đồng bộ và chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ d-q và α-β.

  • Thiết kế và mô phỏng hệ điều khiển DPC cho chỉnh lưu PWM và DTC cho phần nghịch lưu.

  • Thực hiện các kịch bản mô phỏng vận hành: khởi động, giảm tốc, làm việc với tải thế năng, và phân tích ảnh hưởng của điện trở stato đến chất lượng điều khiển.

  • Thu thập và phân tích dữ liệu mô phỏng về dòng điện, điện áp, mô men, tốc độ và công suất để đánh giá hiệu quả điều khiển.

Thời gian nghiên cứu tập trung vào năm 2008, tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, với sự hướng dẫn của TS. Phạm Văn Diễn. Phương pháp mô phỏng cho phép kiểm tra các giả thiết và tối ưu thuật toán điều khiển trước khi ứng dụng thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hệ số công suất cosφ đạt gần bằng 1: Qua mô phỏng, hệ điều khiển DPC cho chỉnh lưu PWM duy trì hệ số công suất cosφ xấp xỉ 1 trong suốt quá trình vận hành, giảm thiểu công suất phản kháng và nâng cao hiệu quả sử dụng điện năng.

  2. Giảm sóng điều hòa bậc cao: Kết quả mô phỏng cho thấy sóng hài bậc cao trong dòng điện lưới giảm đáng kể so với chỉnh lưu diode và thyristor truyền thống, giúp cải thiện chất lượng điện áp lưới và giảm tổn thất phụ.

  3. Trao đổi năng lượng hai chiều hiệu quả: Biến tần BTB với chỉnh lưu PWM cho phép năng lượng dư thừa từ động cơ đồng bộ được trả lại lưới điện trong quá trình hãm tái sinh, tiết kiệm năng lượng và giảm nhiệt lượng tiêu hao.

  4. Ảnh hưởng của điện trở stato: Việc ước lượng và điều chỉnh điện trở stato trong mô hình điều khiển giúp nâng cao độ chính xác của từ thông ảo và công suất ước lượng, từ đó cải thiện chất lượng điều khiển và ổn định hệ thống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các kết quả trên xuất phát từ việc áp dụng phương pháp điều khiển trực tiếp công suất (DPC) kết hợp với chỉnh lưu PWM, cho phép điều khiển nhanh và chính xác công suất tác dụng và phản kháng tức thời. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng chỉnh lưu diode hoặc thyristor, phương pháp này giảm đáng kể sóng hài và nâng cao hệ số công suất, phù hợp với các tiêu chuẩn kỹ thuật về chất lượng điện năng.

Việc mô phỏng các quá trình khởi động, giảm tốc và làm việc với tải thế năng cho thấy hệ thống điều khiển đáp ứng tốt các yêu cầu vận hành thực tế, đồng thời khả năng trao đổi năng lượng hai chiều giúp tiết kiệm năng lượng vận hành đáng kể. Bảng và biểu đồ mô phỏng dòng điện, điện áp, mô men và tốc độ có thể minh họa rõ ràng các đặc tính này, hỗ trợ đánh giá và tối ưu hệ thống.

Ảnh hưởng của điện trở stato được nghiên cứu kỹ càng, cho thấy việc bỏ qua tham số này trong các phương pháp ước lượng truyền thống làm giảm độ chính xác điều khiển. Luận văn đề xuất phương pháp ước lượng và điều chỉnh điện trở stato theo biến đổi nhiệt độ và điều kiện môi trường, góp phần nâng cao hiệu quả điều khiển.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ điều khiển DPC cho biến tần PWM trong thực tế: Áp dụng phương pháp điều khiển DPC đã được mô phỏng thành công để phát triển các bộ biến tần nguồn áp cho động cơ đồng bộ, nhằm nâng cao hiệu suất và chất lượng điện năng trong các hệ truyền động công nghiệp. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm, do các đơn vị sản xuất thiết bị điện đảm nhiệm.

  2. Phát triển thuật toán ước lượng điện trở stato động: Nghiên cứu và tích hợp thuật toán ước lượng điện trở stato theo biến đổi nhiệt độ môi trường vào hệ điều khiển để cải thiện độ chính xác và ổn định của hệ thống. Khuyến nghị thực hiện song song với việc phát triển phần mềm điều khiển trong 6-12 tháng.

  3. Tăng cường đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về điều khiển biến tần BTB và phương pháp DPC cho kỹ sư vận hành và bảo trì tại các nhà máy sử dụng động cơ đồng bộ công suất lớn, nhằm nâng cao năng lực vận hành và bảo dưỡng. Thời gian triển khai 3-6 tháng.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng cho các loại động cơ khác: Mở rộng nghiên cứu và áp dụng phương pháp điều khiển DPC và DTC cho các loại động cơ khác như động cơ cảm ứng và động cơ nam châm vĩnh cửu, nhằm đa dạng hóa ứng dụng và nâng cao hiệu quả truyền động. Thời gian nghiên cứu dự kiến 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên gia tự động hóa công nghiệp: Nắm bắt kiến thức về điều khiển biến tần BTB và phương pháp DPC, giúp thiết kế và vận hành hệ truyền động động cơ đồng bộ hiệu quả, giảm thiểu tổn thất năng lượng.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành điện – điện tử: Tài liệu tham khảo quan trọng cho các đề tài nghiên cứu về điều khiển động cơ, biến tần và cải thiện chất lượng điện năng, cung cấp cơ sở lý thuyết và mô hình mô phỏng chi tiết.

  3. Nhà sản xuất thiết bị biến tần và động cơ điện: Cung cấp cơ sở khoa học để phát triển sản phẩm biến tần nguồn áp với hiệu suất cao, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật về sóng hài và hệ số công suất.

  4. Quản lý và kỹ thuật viên vận hành nhà máy công nghiệp: Hiểu rõ nguyên lý và lợi ích của hệ truyền động biến tần BTB, từ đó tối ưu hóa vận hành, bảo trì và nâng cao tuổi thọ thiết bị.

Câu hỏi thường gặp

  1. Biến tần back-to-back (BTB) là gì và có ưu điểm gì?
    Biến tần BTB là hệ thống biến tần gồm hai bộ biến đổi nối tiếp, cho phép trao đổi năng lượng hai chiều giữa lưới và tải. Ưu điểm chính là khả năng hãm tái sinh, nâng cao hệ số công suất và giảm sóng hài, giúp tiết kiệm năng lượng và cải thiện chất lượng điện năng.

  2. Phương pháp điều khiển trực tiếp công suất (DPC) hoạt động như thế nào?
    DPC điều khiển công suất tác dụng và phản kháng tức thời dựa trên ước lượng nhanh các đại lượng này, không cần vòng điều khiển dòng điện hay bộ điều chế PWM. Bảng chuyển mạch 12 sector được sử dụng để chọn trạng thái đóng cắt tối ưu, giúp đạt hiệu quả điều khiển cao và giảm sóng hài.

  3. Tại sao cần ước lượng điện trở stato trong điều khiển động cơ?
    Điện trở stato thay đổi theo nhiệt độ và điều kiện môi trường, ảnh hưởng đến độ chính xác ước lượng từ thông và công suất. Việc ước lượng và điều chỉnh điện trở stato giúp nâng cao độ chính xác điều khiển, ổn định hệ thống và giảm sai số vận hành.

  4. Chỉnh lưu PWM có ưu điểm gì so với chỉnh lưu diode và thyristor?
    Chỉnh lưu PWM giảm đáng kể sóng hài bậc cao, nâng cao hệ số công suất cosφ gần bằng 1, và cho phép trao đổi năng lượng hai chiều giữa lưới và tải. Trong khi chỉnh lưu diode và thyristor gây méo điện áp lưới và không thể trả năng lượng về lưới.

  5. Mô phỏng Matlab Simulink giúp gì trong nghiên cứu này?
    Mô phỏng Matlab Simulink cho phép xây dựng mô hình toán học chi tiết, kiểm tra các thuật toán điều khiển trong nhiều kịch bản vận hành khác nhau, đánh giá hiệu quả và tối ưu hệ thống trước khi triển khai thực tế, tiết kiệm thời gian và chi phí nghiên cứu.

Kết luận

  • Luận văn đã nghiên cứu thành công hệ điều khiển biến tần back-to-back sử dụng chỉnh lưu PWM cho động cơ đồng bộ, đạt được hệ số công suất cosφ gần bằng 1 và giảm sóng hài bậc cao.
  • Phương pháp điều khiển trực tiếp công suất (DPC) kết hợp với điều khiển trực tiếp mô men (DTC) cho phép điều khiển chính xác, nhanh nhạy và hiệu quả trong trao đổi năng lượng hai chiều.
  • Việc ước lượng và điều chỉnh điện trở stato góp phần nâng cao độ chính xác và ổn định của hệ thống điều khiển.
  • Mô phỏng trong Matlab Simulink chứng minh tính khả thi và hiệu quả của giải pháp trong các kịch bản vận hành thực tế như khởi động, giảm tốc và làm việc với tải thế năng.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng thực tế, phát triển thuật toán ước lượng điện trở stato và mở rộng nghiên cứu cho các loại động cơ khác nhằm nâng cao hiệu quả truyền động và tiết kiệm năng lượng.

Hành động tiếp theo là áp dụng các kết quả nghiên cứu vào thiết kế và sản xuất biến tần nguồn áp, đồng thời đào tạo nhân lực vận hành để tối ưu hóa hiệu quả sử dụng trong công nghiệp.