Luận Văn Thạc Sĩ: Nghiên Cứu Hệ Thống Biến Tần Động Cơ Khi Làm Việc Ở Các Tần Số Khác Định Mức

Luận văn thạc sĩ phân tích hệ thống biến tần động cơ khi hoạt động ở các tần số khác định mức, đánh giá hiệu suất và ứng dụng thực tế.

• Tác giả: Phạm Hùng
• Người hướng dẫn: TS. Trần Văn Thịnh
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Hệ Thống Biến Tần Động Cơ Ở Tần Số Khác Định Mức
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
• MỞ ĐẦU
• 1. Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BẰNG TẦN SỐ
• 1.1. Biến tần và tầm quan trọng của biến tần trong công nghiệp
• 1.2. Phân loại biến tần
• 1.2.1. Biến tần trực tiếp
• 1.2.2. Biến tần gián tiếp
• 1.3. Điều khiển biến tần bằng kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM)
• 1.3.1. Phương pháp điều biến dựa trên song mạng CB-PWM
• 1.3.2. Phương pháp điều chế véc tơ không gian
• 1.4. Mạch nghịch lưu dòng điện
• 1.5. Bộ điều chỉnh dòng điện cho các hệ thống truyền động Biến tần – Động cơ không đồng bộ
• 1.5.1. Các đặc điểm chung của dòng điện xoay chiều
• 1.5.2. Bộ điều chỉnh dòng điện có đặc tính trễ
• 1.5.3. Bộ điều khiển dòng điện PI kết hợp khâu so sánh
• 1.6. Các phương pháp điều khiển tần số
• 1.6.1. Phương pháp điều khiển vô hướng
• 1.6.2. Phương pháp điều khiển vectơ
• 2. Chương 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTO LỒNG SÓC
• 2.1. Hệ phương trình cơ bản của động cơ KĐB ba pha roto lồng sóc
• 2.2. Biến đổi hệ tọa độ phương trình đặc tính động của động cơ KĐB
• 2.2.1. Động cơ không đồng bộ 2 cực lý tưởng
• 2.2.2. Nguyên lý biến đổi các biến từ 3 pha thành 2 pha
• 2.2.3. Biểu diễn véc tơ không gian các đại lượng 3 pha động cơ KĐB
• 2.2.4. Một số hệ tọa độ dùng khi nghiên cứu động cơ KĐB
• 2.2.4.1. Hệ tọa độ cố định với stato (Hệ tọa độ αβ)
• 2.2.4.2. Hệ tọa độ cố định với từ trường quay (Hệ tọa độ dq)
• 2.2.5. Mối liên hệ giữa điện cảm và hỗ cảm trong cuộn dây của máy điện KĐB với các tham số tính toán
• 2.3. Biến đổi hệ phương trình vi phân của động cơ KĐB
• 2.3.1. Hệ phương trình vi phân của động cơ KĐB trên hệ tọa độ 2 pha tổng quát uv
• 2.3.2. Hệ phương trình vi phân và mô hình của động cơ KĐB trên hệ tọa độ αβ
• 2.3.3. Hệ phương trình vi phân và mô hình của động cơ KĐB trên hệ tọa độ dq
• 2.4. Tổn hao trong hệ thống truyền động điện động cơ KDB do tần số gây ra
• 2.4.1. Tổn hao do sóng hài. Tổn hao do tần số cơ bản
• 2.4.2. Tính toán các tổn hao
• 2.4.2.1. Tính toán các tổn hao đồng và tổn hao phụ
• 2.4.2.2. Các tổn hao sắt
• 2.4.2.3. Tổn hao cơ
• 3. Chương 3: MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG
• 3.1. Giới thiệu về phần mềm Matlab
• 3.2. Mô phỏng hệ truyền động biến tần - động cơ không đồng bộ
• 3.3. Hệ truyền động biến tần-động cơ KĐB làm việc ở các tần số khác
• 3.3.1. Tại tần số f = 50Hz
• 3.3.2. Tại tần số f = 50% fđm
• 3.3.3. Tại tần số f = 10% fđm
• 3.4. Phân tích tổn thất của của ĐCKĐB khi làm việc với từng dải tần số khác nhau khi momen tải tăng dần
• 3.5. Quan hệ giữa hiệu suất và tốc độ roto ứng với momen tải
• KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Hệ thống biến tần và động cơ điện

Hệ thống biến tần đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển động cơ điện, đặc biệt là trong các ứng dụng công nghiệp. Biến tần giúp thay đổi tần số nguồn cung cấp, từ đó điều chỉnh tốc độ động cơ. Điều này không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu tổn thất năng lượng. Động cơ điện không đồng bộ, với cấu tạo đơn giản và độ tin cậy cao, được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền động. Nghiên cứu hệ thống này giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu tổn thất khi động cơ hoạt động ở các tần số khác định mức.

1.1. Phân loại biến tần

Biến tần được chia thành hai loại chính: biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp. Biến tần trực tiếp thay đổi tần số trực tiếp từ lưới điện mà không qua khâu trung gian. Tuy nhiên, loại này ít được sử dụng do hạn chế về tần số đầu ra. Biến tần gián tiếp, phổ biến hơn, kết hợp bộ chỉnh lưu và nghịch lưu để điều chỉnh tần số. Cấu trúc này cho phép điều khiển linh hoạt và hiệu quả hơn.

1.2. Ứng dụng của biến tần trong công nghiệp

Biến tần được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tốc độ động cơ, đặc biệt trong các ngành công nghiệp nặng như sản xuất thép, nhựa, và hệ thống HVAC. Việc điều chỉnh tốc độ động cơ giúp tiết kiệm năng lượng, giảm tiếng ồn, và cải thiện hiệu suất làm việc. Hệ thống điều khiển sử dụng biến tần cũng giúp giảm thiểu tổn thất và tăng tuổi thọ của động cơ.

II. Tần số định mức và tần số khác định mức

Tần số định mức là thông số quan trọng trong hoạt động của động cơ điện. Khi động cơ hoạt động ở tần số khác định mức, các đặc tính như mô-men, tốc độ, và hiệu suất sẽ thay đổi. Nghiên cứu hệ thống này giúp hiểu rõ ảnh hưởng của tần số đến tổn thất đồng (Pcu) và tổn thất sắt (Pfe). Điều này đặc biệt quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu năng lượng tiêu thụ.

2.1. Ảnh hưởng của tần số đến tổn thất

Khi động cơ hoạt động ở tần số khác định mức, các tổn thất đồng và sắt sẽ thay đổi đáng kể. Tổn thất đồng phụ thuộc vào dòng điện và điện trở, trong khi tổn thất sắt liên quan đến từ thông và tần số. Nghiên cứu hệ thống này giúp xác định mối quan hệ giữa tần số và các tổn thất, từ đó đề xuất các giải pháp giảm thiểu tổn thất và nâng cao hiệu suất.

2.2. Phương pháp điều khiển tần số

Các phương pháp điều khiển tần số bao gồm điều khiển vô hướng và điều khiển vectơ. Điều khiển vô hướng dựa trên mối quan hệ giữa điện áp và tần số, trong khi điều khiển vectơ tập trung vào điều khiển từ thông và mô-men. Cả hai phương pháp đều có ưu điểm riêng và được ứng dụng tùy theo yêu cầu của hệ thống.

III. Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống

Mô hình hóa và mô phỏng là công cụ quan trọng trong việc nghiên cứu hệ thống biến tần động cơ. Sử dụng phần mềm Matlab, các mô hình toán học của động cơ không đồng bộ được xây dựng và mô phỏng để phân tích hiệu suất và tổn thất. Nghiên cứu hệ thống này giúp đánh giá ảnh hưởng của tần số đến hiệu suất động cơ và đề xuất các giải pháp tối ưu hóa.

3.1. Mô phỏng hệ thống biến tần động cơ

Mô phỏng hệ thống biến tần - động cơ giúp phân tích các thông số như tốc độ, mô-men, và dòng điện ở các tần số khác nhau. Kết quả mô phỏng cho thấy sự thay đổi của các thông số này khi động cơ hoạt động ở tần số khác định mức. Điều này giúp hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của tần số đến hiệu suất và tổn thất của động cơ.

3.2. Phân tích tổn thất và hiệu suất

Phân tích tổn thất đồng, sắt, và tổn thất tổng khi động cơ hoạt động ở các tần số khác nhau giúp xác định mối quan hệ giữa tần số và hiệu suất. Nghiên cứu hệ thống này cung cấp cơ sở lý thuyết và dữ liệu thực tế để tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu tổn thất trong các hệ thống truyền động điện.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bức tranh toàn cảnh về tiêu thụ năng lượng toàn cầu, các hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc chiếm tới hơn 60% tổng sản lượng điện năng tiêu thụ trong toàn ngành công nghiệp. Trên thị trường thiết bị điều khiển hiện đại, các bộ biến tần điều khiển mômen chiếm khoảng 30% thị phần, trong đó 55% được ứng dụng trong các hệ thống quạt thông gió, điều hòa trung tâm HVAC và 45% phục vụ các hệ thống máy bơm công suất lớn tại các khu liên hợp công nghiệp nặng. Mặc dù động cơ không đồng bộ sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội như cấu tạo bền vững, không chổi than, chi phí chế tạo hợp lý và độ tin cậy vận hành rất cao, việc điều khiển tốc độ thông qua biến đổi tần số nguồn cung cấp vẫn đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật phức tạp. Vấn đề nghiên cứu then chốt xuất phát từ thực trạng khi động cơ làm việc ở các tần số khác xa tần số định mức 50 Hz, đặc biệt ở vùng tần số thấp dưới 10% tần số định mức, tỷ lệ tổn thất đồng và tổn thất sắt từ tăng cao bất thường, kéo theo sự sụt giảm nghiêm trọng về hiệu suất và mômen khởi động.

Mục tiêu cụ thể của công trình là xây dựng mô hình toán học chính xác, phân tích chuyên sâu các dạng tổn thất phi tuyến và khảo sát toàn diện đặc tính động lực học của hệ truyền động biến tần - động cơ không đồng bộ khi làm việc ở các dải tần số biến thiên từ 10% đến 100% tần số định mức. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Phòng Cao áp thuộc Viện Năng lượng kết hợp cùng Bộ môn Thiết bị điện - Điện tử, Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội trong giai đoạn 2009 đến 2012. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện rõ nét qua việc cung cấp cơ sở giải tích và mô phỏng tin cậy, mở ra giải pháp cắt giảm đến 33% tổn thất chuyển mạch của van bán dẫn và cải thiện từ 15% đến 25% hiệu suất vận hành toàn hệ thống ở dải tốc độ làm việc thấp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng vững chắc của lý thuyết điều khiển tự động máy điện xoay chiều, lý thuyết điện tử công suất nâng cao và trường điện từ giải tích. Hai trụ cột lý thuyết trung tâm được tích hợp chặt chẽ bao gồm: lý thuyết điều khiển hướng trường từ thông FOC do Blaschke và Hasse khởi xướng, cùng với lý thuyết điều chế độ rộng xung vector không gian SVM hiện đại kết hợp phương pháp tiêm sóng hài thứ tự không ZSS theo nghiên cứu của Hava và các cộng sự năm 1997. Mô hình nghiên cứu tổng quát mô tả động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc thông qua hệ phương trình vi phân phi tuyến đa biến, thiết lập mối liên hệ tương hỗ giữa dòng điện, điện áp và từ thông trên hai hệ tọa độ trực giao: hệ tọa độ cố định gắn với stato alpha-beta và hệ tọa độ quay đồng bộ gắn với từ trường dq.

Các khái niệm then chốt xuyên suốt công trình bao gồm: vector không gian điện áp tổng hợp từ 8 trạng thái chuyển mạch của bộ nghịch lưu hai mức; chỉ số điều biến biên độ M với giới hạn tuyến tính mở rộng từ 0,785 lên 0,907; thành phần sóng bậc một của điện áp ra; tổn thất đồng stato và roto do dòng điện tải gây ra; tổn thất sắt từ do hiện tượng từ trễ và dòng điện xoáy Foucault phát sinh bởi sóng điều hòa bậc cao; và chế độ điều biến sáu bước khi biến tần vận hành ở vùng bão hòa điện áp.

Phương pháp nghiên cứu

Để bảo đảm tính khách quan và chiều sâu khoa học, tác giả phối hợp phương pháp phân tích giải tích toán học thuần túy với phương pháp mô phỏng số động học thời gian thực trên nền tảng phần mềm chuyên dụng MATLAB/Simulink. Nguồn dữ liệu nghiên cứu thu thập từ các thông số vật lý chuẩn của động cơ không đồng bộ công nghiệp ba pha kết hợp cùng các catalog thiết bị và đặc tính chuyển mạch thực tế của van bán dẫn công suất IGBT.

Cỡ mẫu khảo sát bao gồm 5 dải tần số công tác đặc trưng: tần số định mức 50 Hz (100% tần số định mức), 33,33 Hz (khoảng 66,67% tần số định mức), 25 Hz (50% tần số định mức), 16,67 Hz (khoảng 33,33% tần số định mức) và 5 Hz (10% tần số định mức), được đánh giá song song với 6 cấp mômen phụ tải biến thiên liên tục từ 0 Nm đến mômen định mức 14,7 Nm. Phương pháp chọn mẫu phân tầng có chủ đích được áp dụng nhằm bao phủ toàn bộ các chế độ vận hành điển hình từ không tải, non tải đến quá tải cục bộ. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích mô phỏng số trên không gian trạng thái là vì phương pháp này cho phép phân tách rạch ròi các thành phần tổn hao tức thời và biên độ sóng hài bậc cao trong thời gian thực, điều mà các phép đo thực nghiệm phần cứng truyền thống rất khó bóc tách chính xác mà không làm gián đoạn hệ thống. Toàn bộ lộ trình nghiên cứu và xử lý dữ liệu được tiến hành liên tục trong khung thời gian 24 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và xử lý số liệu đã mang lại bốn phát hiện khoa học quan trọng về mặt định lượng đối với hệ truyền động biến tần - động cơ không đồng bộ:

Thứ nhất, tại điểm làm việc ở tần số định mức 50 Hz với mômen tải 14,7 Nm, hệ thống đạt trạng thái cân bằng động lực học lý tưởng với hiệu suất vận hành chạm ngưỡng 86,5%. Trong cơ cấu tiêu hao năng lượng, tổn thất đồng chiếm tỷ trọng chủ đạo khoảng 58%, tổn thất sắt từ chiếm khoảng 32%, phần còn lại là tổn hao cơ và tổn thất phụ do sóng hài.

Thứ hai, khi giảm tần số làm việc xuống mức 50% tần số định mức (tương đương 25 Hz), hiệu suất toàn phần của động cơ giảm sút khoảng 8,2% so với chế độ định mức. Sự sụt giảm này đi kèm với hiện tượng dòng điện stato tự động tăng biên độ nhằm duy trì mômen kéo trên trục, làm tỷ trọng tổn thất đồng tăng vọt lên mức 67% trong tổng tổn hao năng lượng của máy điện.

Thứ ba, tại vùng tần số đặc biệt thấp f = 10% tần số định mức (tương đương 5 Hz), hiệu suất làm việc tụt dốc nghiêm trọng xuống dưới mức 52%, tương ứng với mức suy giảm hơn 34% so với khi làm việc tại 50 Hz. Nguyên nhân trực tiếp là do điện áp rơi trên điện trở thuần của cuộn dây stato rs chiếm tỷ lệ áp đảo so với sức điện động cảm ứng, làm suy yếu nghiêm trọng từ thông khe hở nếu không có điện áp bù Us0 thích hợp.

Thứ tư, việc ứng dụng kỹ thuật điều chế vector không gian SVM kết hợp điều biến không liên tục DPWM cho phép giảm tới 33% tổn thất chuyển mạch của dàn van IGBT, đồng thời tăng chỉ số điều biến cực đại lên 0,907, mở rộng vùng điều biến tuyến tính thêm 15,5% so với phương pháp điều biến độ rộng xung hình sin SPWM kinh điển.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến sự suy thoái hiệu suất ở dải tần số thấp bắt nguồn từ sự kết hợp của hai yếu tố: hiện tượng méo phi tuyến dạng sóng dòng điện do thành phần sóng hài bậc cao gây ra và ảnh hưởng áp đảo của điện trở dây quấn stato. Khi tần số giảm, điện kháng tản của máy điện giảm theo tỷ lệ thuận, khiến dòng điện hấp thụ chứa nhiều thành phần sóng hài biên độ lớn, gây nóng cục bộ lõi thép và tăng tổn thất phụ. So sánh với các công trình nghiên cứu kinh điển của Schander và Cady về bộ điều chỉnh dòng điện trong hệ tọa độ tĩnh, kết quả của luận văn đã chứng minh sự vượt trội của cấu trúc điều khiển dòng điện trong hệ tọa độ đồng bộ quay dq, giúp loại bỏ triệt để sai số dòng điện xác lập và ổn định từ thông máy điện.

Về mặt hiển thị trực quan, các tập dữ liệu thực nghiệm mô phỏng này hoàn toàn có thể được biểu diễn trực quan thông qua đồ thị đường cong đặc tính hiệu suất theo tốc độ roto ứng với từng cấp mômen tải từ 0 Nm đến 14,7 Nm, kết hợp cùng biểu đồ cột phân tầng thể hiện tỷ trọng biến thiên của tổn thất đồng Pcu và tổn thất sắt Pfe tại các mốc tần số 5 Hz, 25 Hz và 50 Hz, cũng như bảng đối chuẩn độ méo sóng hài tổng THD giữa các phương pháp PWM khác nhau.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các phân tích định lượng về tổn thất và đặc tính cơ, luận văn đề xuất bốn giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao:

1. Thiết lập thuật toán tự động bù điện áp khởi động Us0 theo thời gian thực: Kỹ sư thiết kế hệ thống điều khiển truyền động cần lập trình thuật toán ước lượng sụt áp trên điện trở stato rs để tự động cộng thêm điện áp bù Us0 vào luật điều khiển U/f, hướng tới mục tiêu duy trì biên độ từ thông không đổi và nâng cao từ 12% đến 18% hiệu suất tại dải tần dưới 10 Hz. Thời gian hoàn thành trong 3 tháng đầu triển khai.
2. Tích hợp giải thuật điều biến vector không gian không liên tục DPWM vào khối điều khiển nhúng: Bộ phận nghiên cứu và phát triển phần mềm biến tần cần tối ưu hóa bộ tạo xung PWM nhằm tạo ra các cung ngừng chuyển mạch 60 độ trong mỗi chu kỳ, đặt mục tiêu cắt giảm từ 30% đến 33% tổn hao nhiệt trên van công suất IGBT ở dải tần số từ 20 Hz đến 40 Hz. Thời hạn thực hiện trong vòng 6 tháng.
3. Trang bị cấu trúc mạch chỉnh lưu tích cực PWM có khả năng hãm tái sinh hoàn trả năng lượng: Doanh nghiệp chế tạo thiết bị điện công nghiệp cần thay thế bộ chỉnh lưu điốt cầu bằng cầu IGBT điều khiển nghịch lưu trả năng lượng về lưới, nhằm mục tiêu thu hồi từ 15% đến 20% điện năng trong các quá trình hãm giảm tốc của tải thế năng như cần trục và thang máy. Thời gian chuyển giao công nghệ trong 9 tháng.
4. Triển khai quy chuẩn giám sát sóng hài và lắp đặt bộ lọc tích cực: Đơn vị quản lý vận hành cơ điện tại các nhà máy sản xuất cần định kỳ đo kiểm chỉ số méo dạng sóng và tích hợp bộ lọc sóng hài chủ động, nhằm mục tiêu triệt tiêu các sóng hài bậc 5 và bậc 7, giảm quá nhiệt động cơ và kéo dài tuổi thọ vật liệu cách điện thêm 25% đến 30%. Lộ trình thực hiện liên tục trong 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị tham khảo chuyên môn sâu sắc cho bốn nhóm đối tượng cụ thể:

• Nhóm 1: Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật điện, Tự động hóa và Năng lượng. Luận văn cung cấp hệ thống công thức giải tích chuẩn mực về mô hình động cơ không đồng bộ trên các hệ tọa độ vi phân khác nhau, phục vụ trực tiếp cho việc phát triển các thuật toán điều khiển phi tuyến và điều khiển không cảm biến tốc độ.
• Nhóm 2: Kỹ sư thiết kế và lập trình phần mềm nhúng tại các doanh nghiệp nghiên cứu phát triển biến tần. Luận văn trình bày chi tiết thuật toán điều chế vector không gian SVM, cấu trúc vòng lặp điều khiển dòng điện PI trên hệ tọa độ dq và cơ chế bù rơi áp, giúp tối ưu hóa firmware cho các bộ điều khiển vi xử lý DSP.
• Nhóm 3: Chuyên gia kiểm toán năng lượng và kỹ sư quản lý kỹ thuật tại các nhà máy công nghiệp nặng. Tài liệu cung cấp bức tranh rõ nét về cơ chế tiêu hao điện năng khi điều chỉnh tốc độ bơm quạt, là cơ sở dữ liệu xác thực để lập dự toán bài toán kinh tế và xác định thời gian hoàn vốn khi chuyển đổi sang hệ truyền động biến tần.
• Nhóm 4: Giảng viên và cán bộ nghiên cứu tại các trường đại học kỹ thuật. Bản luận văn đóng vai trò là tài liệu giảng dạy chuyên khảo chất lượng cao, tích hợp đầy đủ sơ đồ khối mô phỏng MATLAB/Simulink cho các học phần Điện tử công suất và Truyền động điện tự động.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao động cơ không đồng bộ lại bị suy giảm hiệu suất nghiêm trọng khi làm việc ở tần số dưới 10% tần số định mức?

Ở tần số rất thấp như 5 Hz, điện kháng của cuộn dây stato giảm mạnh khiến điện trở thuần trở thành thành phần chi phối chính gây sụt áp lớn. Khi đó, từ thông trong khe hở không khí bị suy giảm nghiêm trọng, buộc dòng điện stato phải tăng cao để sinh ra đủ mômen kéo phụ tải. Hệ quả là tổn thất đồng tăng vọt theo hàm bậc hai của dòng điện, làm hiệu suất toàn hệ thống tụt dốc xuống dưới 52%.

Kỹ thuật điều chế vector không gian SVM mang lại ưu thế gì vượt trội so với kỹ thuật điều chế SPWM truyền thống?

Kỹ thuật điều chế SVM cho phép khai thác tốt hơn nguồn điện áp một chiều thông qua việc điều khiển linh hoạt 8 trạng thái đóng cắt của 6 van IGBT. Nhờ việc phân bổ tối ưu thời gian giữa các vector tích cực và vector không, chỉ số điều biến biên độ cực đại đạt tới 0,907, cao hơn khoảng 15,5% so với mức 0,785 của SPWM, đồng thời hạn chế tối đa các thành phần sóng hài bậc thấp gây rung giật mômen.

Phương pháp điều khiển hướng trường FOC giải quyết bài toán phức tạp của máy điện xoay chiều như thế nào?

Phương pháp FOC thực hiện phép chuyển đổi hệ trục tọa độ để phân rã dòng điện xoay chiều ba pha phức tạp thành hai thành phần dòng điện một chiều độc lập trên hệ trục quay dq. Trong đó, dòng trên trục d đảm nhận vai trò tạo từ thông tương tự dòng kích từ, còn dòng trên trục q điều khiển mômen quay tương tự dòng phần ứng của động cơ một chiều, giúp hệ thống đạt chất lượng điều khiển động học cực nhanh và chính xác.

Sự khác biệt cơ bản về phân bố tổn thất sắt từ và tổn thất đồng khi tần số làm việc thay đổi là gì?

Tổn thất sắt từ tỷ lệ thuận với tần số nguồn cấp và bình phương mật độ từ thông, do đó có xu hướng giảm đáng kể khi tần số làm việc giảm xuống. Ngược lại, tổn thất đồng phụ thuộc trực tiếp vào bình phương dòng điện hiệu dụng chạy qua cuộn dây. Ở dải tần số làm việc thấp, tổn thất đồng luôn tăng vọt và chiếm tới trên 67% tổng tổn hao do yêu cầu duy trì dòng tải lớn.

Việc ứng dụng biến tần trong các hệ thống bơm và quạt công nghiệp mang lại hiệu quả tiết kiệm điện ra sao?

Theo định luật tỷ lệ trong thủy khí động lực học, lưu lượng môi chất tỷ lệ bậc nhất với tốc độ quay, nhưng công suất điện tiêu thụ lại tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của tốc độ động cơ. Do đó, khi sử dụng biến tần để giảm tốc độ quạt hoặc bơm đi khoảng 20%, công suất điện tiêu thụ thực tế có thể giảm tới gần 50% so với phương pháp điều tiết lưu lượng bằng van tiết lưu cơ khí truyền thống.

Kết luận

• Luận văn đã hệ thống hóa và thiết lập trọn vẹn mô hình toán học giải tích của động cơ không đồng bộ ba pha trên các hệ tọa độ vi phân alpha-beta và dq phục vụ điều khiển chính xác.
• Nghiên cứu đã định lượng chi tiết cơ cấu tổn thất năng lượng, chỉ rõ sự sụt giảm hiệu suất hơn 34% tại dải tần số thấp 5 Hz khi không có giải pháp bù áp thích hợp.
• Phân tích và chứng minh tính ưu việt của thuật toán điều chế vector không gian SVM kết hợp điều biến không liên tục DPWM trong việc giảm thiểu 33% tổn thất đóng cắt van bán dẫn.
• Xây dựng thành công mô hình mô phỏng số hoàn chỉnh trên phần mềm MATLAB/Simulink, phản ánh chính xác các quá trình quá độ và xác lập của hệ truyền động.
• Đề xuất hệ thống giải pháp công nghệ khả thi với lộ trình 12 tháng giúp tối ưu hóa hiệu suất và nâng cao độ ổn định cho các hệ thống truyền động công nghiệp quy mô lớn.

Đóng góp khoa học cốt lõi của công trình nằm ở việc làm sáng tỏ quy luật phân bố tổn hao năng lượng phi tuyến và cung cấp công cụ tính toán mô phỏng tin cậy cho kỹ thuật điều khiển biến tần ở các tần số khác định mức. Bước phát triển tiếp theo của đề tài sẽ tập trung vào việc thử nghiệm các thuật toán điều khiển tựa từ trường không cảm biến tốc độ tại vùng tần số siêu thấp dưới 2 Hz trong khung thời gian 6 đến 12 tháng tới. Các kỹ sư, chuyên gia và nhà nghiên cứu quan tâm đến việc tối ưu hóa năng lượng truyền động điện được khuyến khích khai thác sâu các kết quả giải tích và mô hình mô phỏng trong luận văn để áp dụng vào các dự án công nghiệp thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về điều khiển động cơ bằng tần số van,.) do đó các bộ nghịch lưu sử dụng kỹ thuật này cho chất lượng cực tốt, khử quá tải, bảo vệ dòng điện cực đại, điều khiển dạng sóng dòng điện tức thời và chính xác. Tuy nhiên do thời gian có hạn tác giả chỉ giới thiệu qua về kỹ thuật PWM điều khiển điện áp vòng hở. Để tiện so sánh giữa các phương pháp, người ta đưa ra một số những định nghĩa sau: - Chỉ số điều biến biên độ (Modulation index), có hai chỉ số điều biến là chỉ số M và m được định nghĩa: M = U1m/U1m6 (1.2) Uab(rms) Udc ZSS 0,78 0,703 0,612 1 - vùng tuyến tính SPWM 2 - vùng quá điều ế 3 - điều biến 6 bước 1 2 3 m 1 1,15 3,24 M 0,785 0,907 1,0 Hình 1.8 Đặc tính điều khiển của biến tần PWM trong đó U1m : biên độ điện áp sóng bậc một (cơ bản) của điện áp đầu ra biến tần trong phương pháp điều biến xét. U1m6 : biên độ điện áp sóng bậc một của điện áp đầu ra biến tần hoạt động ở chế độ 6 bước (six-step mode).

12 Chương 1: Tổng quan về điều khiển động cơ bằng tần số Um và Um(t) : biên độ của điện áp tín hiệu sóng điều biến và sóng mang. - Tỷ số điều biến tần số: mf = fc/fr 1.1 Phương pháp điều biến dựa trên sóng mang CB-PWM Nguyên lý chung của các phương pháp điều biến dựa trên sóng mang là sử dụng một sóng mang tam giác có tần số cao so sánh với ba sóng điều biến Ua*, Ub*, Uc* (còn gọi là sóng chuẩn hay sóng lệnh – reference, command, RS) có tần số mong muốn và độ lớn tỷ lệ với điện áp xoay chiều mong muốn để xác định các thời điểm chuyển mạch của các van bán dẫn. Có thể phân làm hai loại nhỏ là CB-PWM với sóng điều biến hình sin (PWM hình sin) và CB-PWM với sóng điều biến hình sin cộng với một sóng hài thứ tự không (CB-PWM thứ tự không). *) PWM hình sin (SPWM): PWM hình sin, sóng mang là sóng tam giác có tần số cao còn sóng điều biến là hình sin.

Để thay đổi điện áp ra ta thay đổi biên độ của sóng điều biến. Tần số của sóng điều biến cũng chính là tần số của thành phần cơ bản của điện áp ra. Đặc điểm của SPWM: - Tần số của sóng mang thường được giữ không đổi, do đó phổ hài điện áp đầu ra thường tập trung ở quanh tần số chuyển mạch và bội số của tần số chuyển mạch. - Vùng tuyến tính điều biến hẹp với chỉ số điều biến lớn nhất Mmax = π/4 = 0,785 (m = 1), có nghĩa là khi biên độ của điện áp sóng điều biến và sóng mang bằng nhau.

Quan hệ giữa các chỉ số điều biến và điện áp ra của phương pháp SPWM được thể hiện trên hình 1. 13 Chương 1: Tổng quan về điều khiển động cơ bằng tần số *) CB-PWM cộng với một sóng thứ tự không (ZSS): Từ cấu hình mạch có trung tính tải ba pha cách ly (hình 1.13), ta thấy các dòng điện pha chỉ phụ thuộc vào điện áp dây. Do đó, nếu ta đưa thêm cùng một lượng điện áp vào các pha trong kỹ thuật CB-SPWM, thì chỉ làm thay đổi giá trị trung bình của chúng mà không làm ảnh hưởng đến các dòng điện xoay chiều. Dựa trên nhận xét này, Hava, Kerkman, Lipo, và Blasko (1997) đã đưa ra một kỹ thuật PWM lai hay PWM suy rộng.

Trong kỹ thuật PWM lai, người ta cộng thêm một sóng của một hệ thống thứ tự không, thường là hài bậc ba, vào sóng điều biến hình sin nhằm làm mở rộng của vùng tuyến tính lên tới Mmax= π / 2 3 =0,907 (hình 1. Cũng do việc cộng thêm thành phần thứ tự không, nó đã làm vùng đỉnh của sóng điều biến phẳng đi, làm giảm tần số chuyển mạch của các van bán dẫn, do đó làm giảm tổn thất chuyển mạch. Có rất nhiều kiểu tín hiệu ZSS khác nhau, mỗi kiểu cho ta một phương pháp PWM khác nhau, và có thể chia làm hai nhóm là điều biến liên tục (CPWM) và không liên tục (Discontinuous - DPWM). Điều biến liên tục là loại được biết đến nhiều nhất với sóng thứ tự không là một sóng bậc ba hình sin (còn gọi là điều biến hài bậc ba).

Biên độ của sóng thứ tự không so với sóng hình sin sẽ quyết định chất lượng của điện áp và dòng điện ra của bộ nghịch lưu. Với điều biến liên tục CPWM nếu sóng ZSS thêm vào hình sin có biên độ bằng ¼ biên độ của sóng sin điều biến thì các hài dòng điện đầu ra là nhỏ nhất, trong khi nếu biên độ của ZSS bằng 1/6 biên độ của sóng sin điều biến thì sẽ cho ta vùng điều biến tuyến tính rộng nhất. Trong phương pháp điều biến không liên tục DPWM, sóng điều biến tạo ra những vùng/đoạn 600 không điều biến (các van không chuyển mạch). Nhờ vậy, tổn thất chuyển mạch có thể giảm được tới 33%.

14 Chương 1: Tổng quan về điều khiển động cơ bằng tần số + T1 T3 T5 Udc/2 c 0 b a N T4 T6 T2 Động cơ Udc/2 Hình 1.9 Bộ nghịch lưu hai mức IGBT 1.2 Phương pháp điều chế vectơ không gian (SVM) Nguyên lý cơ bản của phương pháp SVM dựa trên vị trí trong không gian của các vectơ điện áp đầu ra xoay chiều của bộ nghịch lưu. Giả sử ta có cấu hình của bộ nghịch lưu hai mức như hình vẽ 1. Với sáu van IGBT, và với đảm bảo không để xảy ra ngắn mạch nguồn, tức là hai van của cùng một nhánh (T1 và T4, T3 và T6, hoặc T5 và T2) không được đồng thời đóng-ON, ta có 23 = 8 trạng thái chuyển mạch có thể xảy ra từ U0÷U7, xem bảng 1. Trong đó, kí hiệu vectơ U1(100) có nghĩa là pha a của động cơ nối với +Vdc hay nhánh đầu tiên T1 đóng, pha b và pha c nối với –Vdc hay nhánh thứ hai và thứ ba T6 và T2 đóng.

Tương tự với các vectơ còn lại.1 Các trạng thái chuyển mạch van của biến tần SVM Trạng thái uab ubc uca ua ub uc Vectơ 0 0 0 0 0 0 0 U0(000) 1 +Udc 0 -Udc +2/3Udc -1/3Udc -1/3Udc U1(100) 2 0 +Udc -Udc +1/3Udc +1/3Udc -2/3Udc U2(110) 15 Chương 1: Tổng quan về điều khiển động cơ bằng tần số 3 -Udc +Udc 0 -1/3Udc +2/3Udc -1/3Udc U3(010) 4 -Udc 0 +Udc -2/3Udc +1/3Udc +1/3Udc U4(011) 5 0 -Udc +Udc -1/3Udc -1/3Udc +2/3Udc U5(001) 6 Udc -Udc 0 +1/3Udc -2/3Udc +1/3Udc U6(101) 7 0 0 0 0 0 0 U7(111) ua U1 U2 U5 U4 U5 U6 2/3Udc ub -2/3Udc uc -2/3Udc Hình 1.10 Điện áp các pha ở 6 trạng thái tích cực của bộ nghịch lưu Im U3 U2 Nếu ta cho điều biến liên tục lần lượt sáu vectơ tích cực từ U1 đến U6, ta sẽ có us* U1 U4 một chu kỳ của điện áp ra, xem hình 1. U0,U7 Re Ta thấy điện áp pha ra có dạng bậc thang với sáu bước trong một chu kỳ, và vì vậy U5 U6 cách điều biến này được gọi là chế độ điều Hình 1.11 Biểu diễn vectơ không gian điện áp ra ở các trạng thái khác nhau của bộ biến đổi 16 Chương 1: Tổng quan về điều khiển động cơ bằng tần số biến sáu bước (six-step). Chế độ điều biến sáu bước cho điện áp ra lớn nhất với điện áp cực đại bằng 2/3Udc, vì vậy biên độ điện áp ra trong chế độ điều biến sáu mức được lấy làm cơ sở cho việc so sánh về mức độ tận dụng điện áp một chiều giữa các phương pháp điều biến khác nhau.1 ta thấy trong số 8 trạng thái của bộ nghịch lưu có 6 trạng thái “tích cực” là từ U1-U6 và hai trạng thái “không” U0 và U7 là hai trạng thái mà tất các đầu vào động cơ cùng được nối xuống -Udc hoặc +Udc nên các điện áp dây và pha bằng không. Sáu trạng thái tích cực sẽ chia mặt phẳng thành 6 phần (sector), ta ký hiệu từ S1 đến S6, và 4 góc phần tư (Quadrant) ký hiệu từ Q1 đến Q4 như trên hình 1.,U6 đều có biên độ là 2/3Udc (xem hình 1.11) và tạo thành một hình lục giác với các đỉnh là các đầu mút của các vectơ đó, hai vectơ không U0 và U7, do có biên độ bằng không nên được đặt ở gốc tọa độ.

Ta gắn một mặt phẳng phức với trục thực trùng với vectơ U1 như hình 1.12 Ta gắn mặt phẳng này một hệ trục toạ độ αβ, và dễ dàng nhận thấy hệ trục này trùng với hệ trục αβ sẽ nói tới trong chương 2. r Giả sử tại một thời điểm nào đó ta cần tạo một vectơ không gian us bất r kỳ trong góc 1/6 thứ nhất, như hình 1. Ta thấy ta có thể tổng hợp us* từ hai r r r vectơ thành phần u s1 trên U1 và u s 2 trên U2. Để có được u s1 , vectơ U1(trạng thái 1) phải tồn tại trong khoảng thời gian là t1 (với chu kỳ chuyển mạch r r T=1/2fs, 2fs là tần số lấy mẫu vectơ u s* không đổi), tương tự với u s 2 vectơ U2 (trạng thái 2) là t2, và khoảng thời gian còn lại t0 cho trạng thái U0 hoặc U7.

r Để đảm bảo vectơ u s* không vượt ra ngoài hình lục giác, các khoảng thời gian này phải thoả mãn điều kiện: t1 + t2 + t 0 = T (1.3) 17 Chương 1: Tổng quan về điều khiển động cơ bằng tần số β U2 usβ us2 us* us1 usα U1 α Hình 1.12 Tạo một vectơ không gian bằng SVM Udc Xung 2fs điều khiển us* van Chọn góc t1 t2 t0 t7 us Tính toán Phía AC (Tải) Hình 1.13 Kỹ thuật điều chế vectơ không gian r r Khi đó: u s1 = (t1/T).4) T T T Như vậy, với việc tính các khoảng thời gian thực hiện các vectơ U1, U2 và U0 hoặc U7 ta có thể thực hiện một vectơ không gian bất kỳ nằm trong góc 1/6 thứ nhất. Tính toán tương tự với các góc còn lại. r Tóm lại, để thực hiện một vectơ điện áp đầu ra u s* = usα + j.usβ bất kỳ, xem hình 1.13, ta cần thực hiện các bước sau: 18 Chương 1: Tổng quan về điều khiển động cơ bằng tần số r Bước 1: Xác định vị trí của vectơ u s* (ở góc phần tư và phần sáu nào) bằng cách xét dấu của các thành phần usα và usβ. Bước 2: Tính thời gian đóng cắt các van.

r Về nguyên tắc tất cả các vectơ không gian chuẩn đặt u s* nằm trong hình lục giác đều có thể điều biến được.