Trường Cao Đẳng Công Nghệ Thủ Đức: Nghiên Cứu Tối Ưu Năng Lượng Động Cơ Không Đồng Bộ Ba Pha

Điểm chung trong tất cả các thống kê là khả năng làm giảm đáng kể nhu cầu năng lượng động cơ điện thông qua các biện pháp cải tiến nhằm giảm nhu cầu năng lượng của điều khiển động cơ. Nếu mỗi động cơ không đồng bộ vận hành tiết kiệm được một vài phần trăm nguồn năng lượng tiêu thụ thì tổng sản lượng điện tiết kiệm được sẽ vô cùng lớn và rất có ý nghĩa. Tình trạng thiếu năng lượng hiện nay đang là vấn đề đáng lo ngại đối với các quốc gia trên thế giới, nguồn năng lượng hóa thạch làm ra điện ngày càng cạn kiệt và gây ra ô nhiễm môi trường.

Các nhà nghiên cứu đã triển khai các giải thuật điều khiển theo mô hình tổn hao của động cơ nhờ khả năng tính toán nhanh của vi điều khiển. Các công trình nghiên cứu về điều khiển động cơ không đồng bộ có xét đến tiết kiệm năng lượng trong nước như của các tác giả Lê Minh Phương, Lê Đức Dũng, Nguyễn Viết Thuyên, Nguyễn Hoài Phong hay Nguyễn Thanh Tuấn. Phương pháp hiệu chỉnh trực tiếp từ thông tối ưu từ các biểu thức đòi hỏi phải có thông số thực nghiệm động cơ chính xác.

Công suất điện mà động cơ nhận từ nguồn được chia thành hai phần: một phần sinh ra công có ích, phần còn lại là tổn hao. Các dạng tổn hao bao gồm: tổn hao 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). Để tiết kiệm năng lượng, cần hiểu rõ mục đích sử dụng, công suất sử dụng, và nguyên nhân gây tổn hao.

Việc phân bố năng lượng trong động cơ không đồng bộ ứng với các dạng công suất khác nhau. Dữ liệu được lấy dựa trên các số liệu thống kê về việc sử dụng năng lượng tại Đan Mạch năm 2000, xu hướng sử dụng này phù hợp với hầu hết các nước công nghiệp. Quan trọng hơn, việc phân bố tổn hao năng lượng trong động cơ cho thấy 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.

Động cơ KĐB thường được sử dụng cho các ứng dụng như hệ thống máy bơm, máy nén khí, thông gió, máy lạnh, hệ thống băng truyền, thiết bị vận tải và các thiết bị cơ khí chế biến. Các nhiệm vụ tiêu biểu bao gồm điều khiển áp suất, lưu lượng, nhiệt độ và mức chất lỏng. Việc lựa chọn phương pháp điều khiển nào được xác định bởi một số yếu tố, bao gồm chất lượng điều khiển, chi phí lắp đặt và hiệu suất năng lượng. Các phương pháp điều khiển bao gồm điều khiển on/off, điều khiển từng bước (stepwise), và điều khiển biến tốc.

Phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC) là một kỹ thuật điều khiển cao cấp cho phép điều khiển độc lập mô-men và từ thông của động cơ. Điều khiển gián tiếp dựa trên ước tính vị trí từ thông rotor thông qua mô hình động cơ. Các dòng điện stator được điều khiển để tạo ra từ trường rotor mong muốn. Ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện. Tuy nhiên, độ chính xác phụ thuộc vào tham số động cơ.

Điều khiển tối ưu từ thông rotor dựa trên cực tiểu các tổn hao trong động cơ dựa trên các thông số thực nghiệm động cơ. Việc xét đến các thông số thực nghiệm động cơ phải ước lượng chính xác mô men và từ thông tối ưu ở mọi chế độ thì động cơ mới có thể đạt chất lượng điều khiển cũng như hiệu suất cao. Điều khiển động cơ KĐB ba pha ở chế độ tiết kiệm năng lượng. Xây dựng giải thuật điều khiển tối ưu tìm từ thông trên cơ sở cực tiểu các tổn hao trong động cơ dựa trên các thông số thực nghiệm động cơ.

Nghiên cứu này xây dựng giải thuật và mô hình 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. Các giải thuật này dựa trên cơ sở điều khiển từ thông tối ưu phù hợp với các tốc độ khác nhau và sự thay đổi của tải. Giải thuật tiết kiệm năng lượng chỉ ứng dụng cho đối tượng chính là động cơ không đồng bộ 3 pha. Chỉ tập trung vào nghiên cứu giải thuật và mô hình điều khiển tối ưu hóa từ thông rotor mục đích để giảm tổn hao trong động cơ KĐB 3 pha.

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thể hiện cấu trúc tổng thể của hệ thống, bao gồm các khối chức năng như bộ điều khiển, bộ biến tần, động cơ và các cảm biến. Nguyên tắc điều khiển vectơ (FOC) được sử dụng để điều khiển độc lập mô-men và từ thông của động cơ. Mô hình mô phỏng bao gồm khối điều khiển Vector. Đồ thị các thành phần U, I,  , Tm với từ thông rotor tham chiếu.

Mô hình cần có khối điều chế từ thông tối ưu. Khối này sẽ điều chỉnh từ thông rotor dựa trên thuật toán đã được xây dựng. Vị trí của khối điều chế từ thông tối ưu theo thuật toán tối ưu năng lượng. Cần thể hiện đồ thị các thành phần U, I,  , Tm của từ thông tối ưu, đồ thị từ thông tối ưu  r , và đồ thị công suất tiêu thụ của động cơ với từ thông tối ưu.

So sánh công suất tiêu thụ ứng với từ thông tối ưu và các từ thông tham chiếu khác nhau. Đồ thị công suất tiêu thụ của từ thông tối ưu và các từ thông tham chiếu khác nhau. So sánh công suất tiêu thụ ứng với từ thông tối ưu và từ thông tham chiếu ở các tốc độ khác nhau. So sánh công suất tiêu thụ ứng với từ thông tối ưu và từ thông tham chiếu với các mức tải khác nhau. Kết quả mô phỏng cần thể hiện rõ khả năng tiết kiệm năng lượng của phương pháp điều khiển.

Sử dụng các giải thuật và mô hình điều khiển tối ưu đề xuất, có thể tiết kiệm từ 3,7% đến 18,5 % năng lượng của động cơ ở các tốc độ và các tải khác nhau so với phương pháp điều khiển FOC truyền thống. Đề tài ứng dụng vào giảng dạy, làm tài liệu tham khảo cho giảng viên và sinh viên ở môn truyền động điện, máy điện. Cần có các đồ thị so sánh để minh họa kết quả.

Cần phân tích chi tiết ảnh hưởng của tốc độ và tải đến hiệu quả tiết kiệm năng lượng. Xác định các điều kiện vận hành mà phương pháp điều khiển tối ưu từ thông rotor mang lại hiệu quả cao nhất. Các yếu tố này cần được cân nhắc khi áp dụng phương pháp điều khiển này trong thực tế.

Nghiên cứu khả năng tiết kiệm năng lượng các động cơ điện. Đề xuất phương pháp thiết kế bộ điều khiển động cơ điện có xét đến tiết kiệm năng lượng. Thiết kế giải thuật điều khiển động cơ xét đến tiết kiệm năng lượng. Xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm matlab bộ điều khiển động cơ xét đến tiết kiệm năng lượng. Khảo sát và so sánh kết quả mô phỏng.

Nghiên cứu có thể được mở rộng để xem xét các yếu tố khác như hiệu suất động cơ, độ bền và chi phí. Có thể thực hiện thực nghiệm trên động cơ thực tế để đánh giá hiệu quả của phương pháp điều khiển trong môi trường thực tế. Áp dụng các kỹ thuật điều khiển tiên tiến khác như điều khiển thích nghi, điều khiển dự đoán để nâng cao hiệu quả tiết kiệm năng lượng.