Tổng quan nghiên cứu

Động cơ đồng bộ từ trở (SynRM) là một loại máy điện có nhiều ưu điểm vượt trội như cấu trúc đơn giản, chi phí sản xuất thấp, không có tổn hao đồng trong rôto và khả năng sinh mômen lớn hơn so với động cơ không đồng bộ cùng kích thước. Hiệu suất của SynRM có thể đạt chuẩn IE4, cao hơn khoảng 40% so với động cơ cảm ứng IE2. Những đặc tính này đã thúc đẩy sự phát triển và ứng dụng của SynRM trong các lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp và phương tiện giao thông, đặc biệt tại các khu vực chưa có lưới điện quốc gia.

Tuy nhiên, nguồn năng lượng mặt trời – nguồn cấp điện cho SynRM trong nghiên cứu này – có tính không ổn định do phụ thuộc vào bức xạ và nhiệt độ môi trường, gây ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của động cơ. Mục tiêu chính của luận văn là tối đa hóa công suất thu được từ hệ thống pin năng lượng mặt trời thông qua thuật toán xáo trộn và quan sát (P&O) của kỹ thuật MPPT, đồng thời điều khiển SynRM đạt mômen tối ưu với dòng điện cho trước (MTPA) có xét đến tổn hao sắt và bão hòa từ.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp, cụ thể là hệ thống máy bơm nước tại các vùng nông thôn, vùng sâu, vùng xa chưa có lưới điện quốc gia. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2021 tại Việt Nam, với mô hình mô phỏng trong môi trường Matlab/Simulink. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng mặt trời, góp phần phát triển bền vững và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết và mô hình nghiên cứu chính:

  1. Lý thuyết động cơ đồng bộ từ trở (SynRM):

    • Cấu trúc rotor dị hướng, không có dây quấn và nam châm vĩnh cửu, giúp giảm tổn hao đồng và nhiệt độ vận hành.
    • Mô hình toán học trong hệ tọa độ a-b-c và d-q, bao gồm các phương trình điện áp, dòng điện và mômen điện từ.
    • Tính toán mômen tối ưu dựa trên sự khác biệt điện cảm giữa trục d và trục q, với công thức mômen điện từ:
      [ T_e = p (L_d - L_q) i_{d} i_{q} ]
    • Xem xét ảnh hưởng của bão hòa từ và tổn hao sắt, sử dụng mô hình điện trở sắt Ri và điện cảm phụ thuộc dòng điện.
  2. Thuật toán điều khiển tối đa hóa công suất và mômen (MPPT và MTPA):

    • Thuật toán xáo trộn và quan sát (P&O) để theo dõi điểm công suất cực đại (MPP) của hệ thống pin năng lượng mặt trời, giúp tối đa hóa công suất đầu ra trong điều kiện bức xạ và nhiệt độ thay đổi.
    • Điều khiển mômen tối ưu theo dòng điện cho trước (MTPA) nhằm đạt mômen tối đa trên mỗi ampe, giảm tổn hao Joule và tổn hao sắt.
    • Sử dụng mạng nơ-ron nhân tạo đa lớp (MLP) để ước lượng các thông số động cơ như điện cảm Ld, Lq và điện trở Ri trong thời gian thực.

Các khái niệm chính bao gồm: điểm công suất cực đại (MPP), thuật toán MPPT, điều khiển MTPA, tổn hao sắt, bão hòa từ, mạng nơ-ron nhân tạo (MLP).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu:
    Dữ liệu đầu vào bao gồm đặc tính điện áp-dòng điện của tấm pin năng lượng mặt trời dưới các mức bức xạ và nhiệt độ khác nhau, thông số kỹ thuật động cơ SynRM, và các tham số môi trường tại Việt Nam.
  • Phương pháp phân tích:
    • Mô hình hóa hệ thống pin năng lượng mặt trời và động cơ SynRM trong Matlab/Simulink.
    • Áp dụng thuật toán P&O để điều khiển MPPT, thu thập điện áp và dòng điện đầu ra để xác định điểm công suất tối đa.
    • Sử dụng thuật toán MTPA có xét đến tổn hao sắt và bão hòa từ để tính toán dòng điện tối ưu trong hệ tọa độ d-q.
    • Ước lượng thông số động cơ bằng mạng nơ-ron MLP, giúp điều chỉnh tham số trong thời gian thực.
    • So sánh hiệu suất và mômen giữa phương pháp điều khiển MTPA và phương pháp truyền thống (idT = iqT).
  • Timeline nghiên cứu:
    Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2021, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tối đa hóa công suất thu được từ hệ thống pin năng lượng mặt trời:
    • Thuật toán P&O đã đạt hiệu quả cao trong việc theo dõi điểm công suất cực đại, với công suất đầu ra của mảng PV đạt gần 100% công suất lý thuyết tại các mức bức xạ từ 100 đến 1000 W/m².
    • Ví dụ, tại bức xạ 1000 W/m² và nhiệt độ 25°C, công suất đầu ra đạt khoảng 250 W, tương ứng với điện áp và dòng điện tối ưu (Vmp, Imp).
  2. Điều khiển mômen tối ưu cho SynRM ở chế độ MTPA:
    • Dòng điện tối ưu trong hệ tọa độ d-q được tính toán chính xác, có xét đến tổn hao sắt và bão hòa từ, giúp giảm tổn hao Joule và tăng mômen điện từ.
    • So sánh với phương pháp truyền thống (idT = iqT), phương pháp MTPA cải thiện hiệu suất động cơ lên khoảng 5-10% ở tốc độ 500 vòng/phút.
  3. Ước lượng thông số động cơ bằng mạng nơ-ron MLP:
    • MLP cho kết quả ước lượng điện cảm Ld, Lq và điện trở Ri với sai số nhỏ so với kết quả phân tích phần tử hữu hạn (FEA).
    • Việc ước lượng này giúp điều khiển mômen chính xác và duy trì điều kiện MTPA trong thời gian thực.
  4. Hiệu suất tổng thể của hệ thống:
    • Hệ thống SynRM cấp nguồn bằng pin năng lượng mặt trời với điều khiển MPPT và MTPA đạt hiệu suất vận hành cao, ổn định trong điều kiện bức xạ thay đổi.
    • Mô phỏng cho thấy mômen và tốc độ động cơ được điều khiển linh hoạt theo công suất thu được từ hệ thống PV.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả điều khiển MTPA là do việc tính toán dòng điện tối ưu dựa trên mô hình có xét đến tổn hao sắt và bão hòa từ, điều mà nhiều nghiên cứu trước đây chưa khai thác đầy đủ. Việc sử dụng mạng nơ-ron MLP giúp ước lượng tham số động cơ chính xác hơn, từ đó cải thiện khả năng điều khiển mômen.

So với các nghiên cứu trước đây sử dụng phương pháp điều khiển hướng trường (FOC) dựa trên bảng tra cứu FEM, phương pháp đề xuất trong luận văn có ưu điểm là tính toán trực tuyến, thích ứng với điều kiện vận hành thực tế và biến đổi thông số động cơ.

Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua các biểu đồ công suất đầu ra của mảng PV theo thời gian, biểu đồ dòng điện trục d và q, mômen và tốc độ động cơ, cũng như bảng so sánh hiệu suất giữa các phương pháp điều khiển.

Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp giải pháp điều khiển tối ưu cho SynRM cấp nguồn bằng năng lượng mặt trời, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng tái tạo trong các ứng dụng nông nghiệp và công nghiệp tại các vùng chưa có lưới điện quốc gia.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai thực nghiệm hệ thống SynRM cấp nguồn bằng pin năng lượng mặt trời:

    • Thực hiện lắp đặt và thử nghiệm thực tế tại các vùng nông thôn, vùng sâu vùng xa để đánh giá hiệu quả vận hành ngoài mô phỏng.
    • Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu, trường đại học, doanh nghiệp công nghệ.
    • Thời gian: 12-18 tháng.
  2. Phát triển thuật toán MPPT và MTPA nâng cao:

    • Nghiên cứu kết hợp các thuật toán tối ưu tiến hóa như DE hoặc PSO để cải thiện hiệu suất trong điều kiện bức xạ không đồng đều hoặc có bóng che.
    • Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu chuyên sâu về điều khiển và trí tuệ nhân tạo.
    • Thời gian: 6-12 tháng.
  3. Tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng và điều khiển thông minh:

    • Kết hợp pin lưu trữ hoặc ắc quy để ổn định nguồn cấp cho SynRM, đồng thời phát triển hệ thống điều khiển thông minh dựa trên IoT để giám sát và tối ưu hóa vận hành.
    • Chủ thể thực hiện: doanh nghiệp công nghệ năng lượng tái tạo, startup công nghệ.
    • Thời gian: 12-24 tháng.
  4. Mở rộng ứng dụng SynRM trong các lĩnh vực khác:

    • Nghiên cứu ứng dụng SynRM trong xe điện, máy móc công nghiệp, thiết bị gia dụng nhằm tận dụng ưu điểm hiệu suất cao và chi phí thấp.
    • Chủ thể thực hiện: các công ty sản xuất động cơ, nhà nghiên cứu công nghiệp.
    • Thời gian: 18-36 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Điện:

    • Nắm bắt kiến thức chuyên sâu về động cơ đồng bộ từ trở, kỹ thuật điều khiển MPPT và MTPA, mô hình hóa và mô phỏng hệ thống điện năng lượng mặt trời.
    • Use case: phát triển đề tài nghiên cứu, luận văn, hoặc ứng dụng thực tế.
  2. Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống năng lượng tái tạo:

    • Áp dụng các thuật toán tối ưu công suất và mômen cho hệ thống cấp nguồn bằng năng lượng mặt trời, nâng cao hiệu suất và độ bền thiết bị.
    • Use case: thiết kế hệ thống máy bơm nước, hệ thống điện độc lập cho vùng nông thôn.
  3. Doanh nghiệp sản xuất động cơ và thiết bị điện:

    • Tham khảo giải pháp điều khiển tối ưu cho SynRM, cải tiến sản phẩm động cơ hiệu suất cao, giảm chi phí sản xuất và vận hành.
    • Use case: phát triển sản phẩm động cơ cho thị trường xe điện, máy móc công nghiệp.
  4. Chính sách và quản lý năng lượng:

    • Hiểu rõ tiềm năng và thách thức của việc ứng dụng năng lượng mặt trời kết hợp với động cơ SynRM trong phát triển bền vững và giảm phát thải khí nhà kính.
    • Use case: xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng tái tạo, thúc đẩy công nghiệp xanh.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn động cơ đồng bộ từ trở (SynRM) thay vì động cơ không đồng bộ hay động cơ nam châm vĩnh cửu?
    SynRM có cấu trúc đơn giản, chi phí sản xuất thấp, không có tổn hao đồng ở rôto và hiệu suất cao đạt chuẩn IE4, vượt trội so với động cơ không đồng bộ IE2. So với động cơ nam châm vĩnh cửu, SynRM không sử dụng nam châm hiếm, giảm chi phí và rủi ro nguồn cung.

  2. Thuật toán MPPT P&O hoạt động như thế nào trong điều kiện bức xạ thay đổi?
    Thuật toán P&O liên tục điều chỉnh điện áp đầu ra của mảng PV dựa trên sự thay đổi công suất và điện áp, nhằm tìm điểm công suất cực đại (MPP). Khi bức xạ thay đổi, thuật toán nhanh chóng thích ứng để duy trì công suất tối ưu.

  3. Làm thế nào để tính toán dòng điện tối ưu trong điều khiển MTPA có xét đến tổn hao sắt?
    Dòng điện tối ưu được xác định bằng phương pháp tối ưu hóa Lagrange, kết hợp mô hình điện áp-dòng điện trong hệ tọa độ d-q có tính đến điện trở sắt Ri và điện cảm phụ thuộc dòng điện. Mạng nơ-ron MLP được sử dụng để ước lượng tham số động cơ trong thời gian thực.

  4. Ước lượng thông số động cơ bằng mạng nơ-ron MLP có ưu điểm gì?
    MLP giúp ước lượng chính xác các tham số phi tuyến như điện cảm và điện trở tổn hao sắt dựa trên dữ liệu đầu vào dòng điện và tốc độ, giúp điều khiển mômen chính xác và thích ứng với biến đổi điều kiện vận hành.

  5. Ứng dụng thực tế của hệ thống SynRM cấp nguồn bằng năng lượng mặt trời là gì?
    Hệ thống phù hợp cho các vùng nông thôn, vùng sâu vùng xa chưa có lưới điện quốc gia, dùng cho máy bơm nước, thiết bị công nghiệp nhỏ, và có tiềm năng mở rộng sang xe điện và các thiết bị công nghiệp khác nhằm tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải.

Kết luận

  • Động cơ đồng bộ từ trở (SynRM) kết hợp với hệ thống pin năng lượng mặt trời và thuật toán MPPT-P&O giúp tối đa hóa công suất thu được và điều khiển mômen tối ưu theo dòng điện cho trước (MTPA).
  • Phương pháp điều khiển MTPA có xét đến tổn hao sắt và bão hòa từ, sử dụng mạng nơ-ron MLP để ước lượng tham số động cơ, nâng cao hiệu suất và độ chính xác điều khiển.
  • Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu suất của hệ thống cải thiện rõ rệt so với phương pháp truyền thống, phù hợp ứng dụng trong nông nghiệp và các vùng chưa có lưới điện.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển cho các ứng dụng SynRM trong xe điện và các thiết bị công nghiệp, góp phần thúc đẩy sử dụng năng lượng tái tạo tại Việt Nam.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực nghiệm, phát triển thuật toán nâng cao và tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng để hoàn thiện giải pháp.

Hành động đề xuất: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai thử nghiệm thực tế và phát triển sản phẩm ứng dụng SynRM cấp nguồn bằng năng lượng mặt trời nhằm thúc đẩy chuyển đổi năng lượng bền vững.