I. Tổng Quan Nghiên Cứu Giảm Tổn Hao Động Cơ Không Đồng Bộ
Tiết kiệm năng lượng, đặc biệt là điện năng, đang là mối quan tâm hàng đầu của xã hội, nhất là trong bối cảnh công nghiệp Việt Nam phát triển mạnh mẽ và tình trạng thiếu hụt nguồn cung. Động cơ không đồng bộ chiếm tỷ trọng lớn (75-80%) trong công nghiệp, phần lớn là động cơ công suất nhỏ (0.75-75kW) thường không được trang bị thiết bị điều khiển, gây lãng phí điện năng. Việc áp dụng các phương pháp điều khiển tiết kiệm điện cho động cơ không đồng bộ là rất cấp thiết và mang lại lợi ích kinh tế lớn. Luận văn này tập trung vào nghiên cứu, thiết kế và thi công mô hình giảm tổn hao cho động cơ không đồng bộ ba pha, góp phần vào mục tiêu tiết kiệm năng lượng quốc gia.
1.1. Tình Hình Nghiên Cứu Giải Pháp Tiết Kiệm Năng Lượng
Ý tưởng nghiên cứu các giải thuật giảm tổn hao công suất đã xuất hiện từ những năm 1983 với các phương pháp điều khiển đơn giản như điều khiển theo hệ số công suất. Tuy nhiên, phương pháp này khó xác định hệ số công suất yêu cầu. Với sự phát triển của điều khiển các bộ biến đổi công suất, một số phương pháp hiện đại hơn liên quan đến điều khiển tần số được đề xuất vào những năm 1996-2000 như phương pháp điều khiển tần số trượt. Hiệu suất của các hệ truyền động được nâng cao nhưng thực hiện hệ thống điều khiển khá khó khăn do hệ số trong các biểu thức tính từ thông được xác định bằng thực nghiệm.
1.2. Phạm Vi Nghiên Cứu Luận Văn Về Động Cơ Không Đồng Bộ
Luận văn tập trung vào nghiên cứu xây dựng giải thuật điều khiển tiết kiệm điện năng cho động cơ không đồng bộ 3 pha, có tính đến sự thay đổi của đặc tính năng lượng của động cơ phụ thuộc vào tần số của điện áp stator. Nghiên cứu xây dựng bộ quan sát tốc độ vòng kín trên cơ sở mô hình tham chiếu thích nghi cho động cơ không đồng bộ 3 pha, ước tính thông số điện trở stator nhằm đảm bảo mô hình chạy ổn định khi điện trở stator thay đổi, điều này có ý nghĩa thực tế vì khi làm việc động cơ nóng dần lên điện trở stator sẽ thay đổi khá lớn ảnh hưởng đến bộ quan sát tốc độ.
II. Thách Thức Giảm Tổn Hao và Điều Khiển Sensorless Động Cơ
Đối với các hệ thống yêu cầu độ chính xác cao về tốc độ, cảm biến tốc độ (encoder) là bắt buộc. Việc loại bỏ cảm biến tốc độ (sensorless) giúp giảm chi phí và đơn giản hóa lắp đặt, bảo trì hệ thống động cơ không đồng bộ 3 pha. Đây là xu hướng phát triển chung của các bộ điều khiển động cơ cao cấp hiện nay. Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu hiện tại còn hạn chế trong điều kiện thực tế, khi nhiệt độ động cơ tăng, điện trở và điện cảm cuộn dây thay đổi, ảnh hưởng đến bộ ước lượng tốc độ và tính toán từ thông, gây sai lệch trong tính toán giảm tổn hao và điều khiển tốc độ.
2.1. Ảnh Hưởng của Thông Số Động Cơ Đến Hiệu Quả Điều Khiển
Trên thực tế khi làm việc lâu dài nhiệt độ động cơ tăng, điện trở và điện cảm cuộn dây thay đổi đáng kể ảnh hưởng đến bộ ước lượng tốc độ và tính toán từ thông, gây sai lệch đáng kể về tính toán giảm tổn hao cũng như điều khiển tốc độ. Luận văn nghiên cứu tập trung ứng dụng giảm tổn hao sắt từ trong động cơ cũng như điều khiển sensorless với thông số điện trở stator được quan sát theo thời gian. Điều này đảm bảo động cơ hoạt động ổn định, vì điện trở stator ảnh hưởng chính đến việc tính toán từ thông.
2.2. Các Phương Pháp Điều Khiển Sensorless Hiện Tại và Hạn Chế
Nhiều phương pháp và giải thuật điều khiển tiết kiệm năng lượng cho động cơ không đồng bộ 3 pha được nghiên cứu và đề xuất, tuy nhiên chúng có một số nhược điểm sau: Phương pháp điều khiển theo hệ số công suất có thể thực hiện đơn giản, nhưng mỗi động cơ có hệ số công suất khác nhau, nên không thể tổng hợp mô hình thống nhất. Ngoài ra người điều khiển phải có kiến thức nhất định về động cơ và lợi ích kinh tế đem lại không lớn đặc biệt đối với các động cơ loại nhỏ.
2.3. Ưu Điểm Của Điều Khiển Định Hướng Trường FOC
Bên cạnh đó những năm gần đây việc điều khiển động cơ không đồng bộ không dùng cảm biến tốc độ (sensorless) phát triển mạnh vì những ưu điểm vượt trội của nó như: giảm giá thành, đơn giản hoá hệ thống cơ khí. Một trong những phương pháp điều khiển hay được sử dụng là phương pháp điều khiển định hướng trường FOC (Field Oriented Control) được phát triển bởi blaschke. Phương pháp FOC được đánh giá có khả năng đáp ứng tốt hơn phương pháp so với phương pháp hay được sử dụng thứ 2 là phương pháp điều khiển trực tiếp momen DTC(Direct Torque Control) được phát triển bởi Takahashi.
III. Giải Pháp Điều Khiển Tiết Kiệm Năng Lượng và Sensorless
Luận văn này đề xuất giải pháp điều khiển kết hợp giảm tổn hao sắt từ và điều khiển sensorless với việc quan sát điện trở stator theo thời gian. Giải pháp này đảm bảo động cơ hoạt động ổn định, vì điện trở stator ảnh hưởng trực tiếp đến việc tính toán từ thông. Đồng thời, luận văn cũng nghiên cứu xây dựng bộ quan sát tốc độ vòng kín trên cơ sở mô hình tham chiếu thích nghi (MRAS) để ước tính thông số điện trở stator, giúp mô hình hoạt động ổn định khi điện trở stator thay đổi do nhiệt độ.
3.1. Ứng Dụng Giải Thuật Điều Khiển Tối Ưu Công Suất
Nghiên cứu xây dựng giải thuật điều khiển kiệm điện năng cho động cơ không đồng bộ 3 pha có tính đến sự thay đổi của đặc tính năng lượng của động cơ phụ thuộc vào tần số của điện áp stator. Nghiên cứu xây dựng bộ quan sát tốc độ vòng kín trên cơ sở mô hình tham chiếu thích nghi cho động cơ không đồng bộ 3 pha, ước tính thông số điện trở stator nhằm đảm bảo mô hình chạy ổn định khi điện trở stator thay đổi, điều này có ý nghĩa thực tế vì khi làm việc động cơ nóng dần lên điện trở stator sẽ thay đổi khá lớn ảnh hưởng đến bộ quan sát tốc độ.
3.2. Xây Dựng Mô Hình Tham Chiếu Thích Nghi MRAS
Trong khuôn khổ luận văn trình bày bộ ước tính tốc độ rotor trên mô hình tham chiếu thích nghi (MRAS) trên cơ sở quan sát từ thông hệ thống. Ưu điểm, bộ quan sát MRAS là đơn giản tuy nhiên sai số lớn khi từ thông quan sát đầu vào sai. Để cải thiện chính xác bộ quan sát từ thông, trong đề tài dùng song song thêm mô hình tham chiếu thích nghi ước tính điện trở stator.
IV. Mô Phỏng và Thực Nghiệm Mô Hình Giảm Tổn Hao Động Cơ
Luận văn trình bày kết quả mô phỏng trên MATLAB Simulink và thực nghiệm trên mô hình thực tế. Các kết quả cho thấy giải pháp điều khiển đề xuất giúp giảm đáng kể tổn hao năng lượng của động cơ, đồng thời đảm bảo khả năng điều khiển tốc độ chính xác ngay cả khi thông số động cơ thay đổi. Mô hình thực nghiệm được xây dựng trên cơ sở DSP TMS28335, cho phép kiểm chứng tính khả thi và hiệu quả của giải pháp trong điều kiện vận hành thực tế.
4.1. Mô Hình Mô Phỏng Trên MATLAB Simulink
Luận văn trình bày chi tiết về mô hình mô phỏng trên MATLAB Simulink, bao gồm các khối chức năng mô tả động cơ, bộ điều khiển, bộ ước lượng tốc độ và điện trở stator. Các thông số của mô hình được lựa chọn phù hợp với động cơ thực tế sử dụng trong thí nghiệm. Kết quả mô phỏng cho thấy khả năng giảm tổn hao và điều khiển tốc độ của giải pháp đề xuất.
4.2. Xây Dựng Mô Hình Thực Nghiệm Với DSP TMS28335
Nghiên cứu xây dựng mô hình thực nghiệm điều khiển kiệm điện năng cho động cơ không đồng bộ 3 pha. Nghiên cứu xây dựng giải thuật lập trình trên cơ sở DSP TMS 28335. Mô hình điều khiển động cơ KDB công suất 1HP kiệm điện năng trên cơ sở DSP TMS320F28335.
4.3. Đánh Giá Kết Quả Mô Phỏng và Thực Nghiệm
Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm được so sánh và đánh giá để kiểm chứng tính chính xác của mô hình và hiệu quả của giải pháp điều khiển. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống cũng được phân tích và đề xuất các giải pháp cải thiện.
V. Kết Quả Nghiên Cứu và Hướng Phát Triển Mô Hình Giảm Tổn Hao
Luận văn đã đạt được các kết quả chính sau: Xây dựng thành công giải pháp điều khiển giảm tổn hao và sensorless cho động cơ không đồng bộ ba pha; Chứng minh tính hiệu quả của giải pháp thông qua mô phỏng và thực nghiệm; Đề xuất các hướng phát triển tiếp theo cho nghiên cứu, bao gồm việc tối ưu hóa giải thuật điều khiển, ứng dụng cho các loại động cơ khác nhau và tích hợp với các hệ thống điều khiển thông minh.
5.1. Các Bài Báo Khoa Học Được Công Bố
Bài báo khoa học đăng hội nghị khoa học và tạp chí KHCN: 03 bài báo khoa học được nhận đăng trên Tạp chí Phát triển KH&CN, tập 16, số K4-2013: “Thiết kế bộ nguồn cung cấp liên tục trên cơ sở bộ biến đổi DC/DC Push-Pull hiệu suất cao”. Bài báo khoa học được nhận đăng trên Tạp chí Phát triển KH&CN, tập 16, số K3-2013: “Điều khiển trực tuyến giảm tổn hao trong động cơ cảm ứng trên cơ sở DSP TMS320LF2812”.
5.2. Hướng Phát Triển Tiếp Theo Của Đề Tài
Hướng phát triển đề tài: Cần phải có các giải thuật điều khiển tối ưu tìm từ thông hay dòng điện từ hóa để giảm thiểu các tổn hao này. Nhiều giải thuật điều khiển đề xuất mới chỉ dừng ở mức mô phỏng, chỉ có một số được thực nghiệm sử dụng DSPACE, vi điều khiển và áp dụng cho tải dạng tỷ lệ thuận với tốc độ và bình phương của tốc độ.
