TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THỦ ĐỨC
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
 
 
 

BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
 

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU NĂNG LƯỢNG ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
 
 
 
 
 

Chủ nhiệm đề tài: LÊ MINH TÂN
LÊ MINH PHONG
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  Tháng 02 năm 2017 

 

i


 

MỤC LỤC 
Trang tựa 

 

 

 

 

 

 

 

 

          TRANG 


Mục lục  ................................................................................................................. i 
Danh sách các chữ viết tắt  ................................................................................... iv 
Danh sách các hình ............................................................................................... ix 
Danh sách các bảng ............................................................................................. xii 
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ................................................................................. 1
1.1 Giới thiệu tổng quan ........................................................................................ 1 
1.2 Tổng quan các giải pháp tiết kiệm điện năng cho động cơ KĐB 3 pha ............. 2 
1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ  ..................................................................................... 2 
1.4 Phạm vi nghiên cứu ......................................................................................... 3 
1.5 Phương pháp nghiên cứu ................................................................................. 3 
1.6 Các bước tiến hành .......................................................................................... 3 
1.7 Điểm mới  của đề tài ........................................................................................ 4 
1.8 Giá trị thực tiễn của đề tài  ............................................................................... 4 
1.9 Bố cục của đề tài ............................................................................................. 4 
CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU VỀ PHỤ TẢI ĐIỆN VÀ KHẢ NĂNG TIẾT KIỆM
NĂNG LƯỢNG ................................................................................................... 5
2.1Tìm hiểu về tiết kiệm năng lượng trong động cơ và các hệ truyền động 
cơ khơng đồng bộ .................................................................................................. 5 
2.2 Điều khiển hiệu quả năng lượng của các ứng dụng HVAC .............................. 7 
2.3 Tiết kiệm năng lượng trong các ứng dụng HVAC bằng cách điều khiển 
biến tốc .................................................................................................................. 9 
2.4 Các ứng dụng với khả năng tiết kiệm năng lượng bằng điều khiển tốc độ ...... 12 
2.5 Kết luận ......................................................................................................... 13 
CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH CÁC LOẠI TỔN HAO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP
ĐIỀU KHIỂN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG ĐCKĐB ..................... 14

ii


3.1 Tổn thất trong động cơ khơng đồng bộ thay đổi được tốc độ .......................... 14 

3.1.1 Bộ biến tần ................................................................................................. 14 
3.1.2 Động cơ khơng đồng bộ .............................................................................. 16 
3.1.3 Truyền động ......................................................................................................... 21 

3.1.4 Tổn hao lưới với động cơ điều chỉnh tốc độ ................................................ 23 
3.2 Tối ưu hóa năng lượng bằng việc giảm từ thơng motor .................................. 25 
3.3 Điều khiển tối ưu năng lượng của bộ lái VVFF .............................................. 27 
3.4 Điều khiển tối ưu năng lượng của bộ lái VVVF ............................................. 29 
3.5 Điều khiển trạng thái đơn giản (Simple State Control) ................................... 31 
3.5.1 Điều khiển cos(  ) (hệ số cơng suất) ........................................................... 31 
3.5.2 Điều khiển tần số trượt stator ...................................................................... 32 
3.6 Điều khiển dựa vào mơ hình .......................................................................... 33 
3.6.1 Các động cơ vơ hướng ................................................................................ 33 
3.6.2  Bộ  lái  điều  khiển  vector  hướng  trường  (Field  Oriented  Vector 
Controlled Drives) ............................................................................................... 35 
3.7 Điều khiển tìm kiếm (search control) ............................................................. 36 
3.7.1 Điều khiển tìm kiếm truyền thống ............................................................... 36 
3.7.2 Điều khiển tìm kiếm dùng Logic mờ và mạng thần kinh nhân tạo ............... 39 
3.8 Kết luận ......................................................................................................... 41 
CHƯƠNG 4 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TỪ
THƠNG ROTOR .............................................................................................. 43
4.1 Phương pháp điều khiển định hướng trường .................................................. 43 
4.2 Kết luận và hướng nghiên cứu ....................................................................... 48 
CHƯƠNG 5 XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ THIẾT KẾ THUẬT TỐN
ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN KĐB BA PHA CĨ XÉT ĐẾN TIẾT
KIỆM NĂNG LƯỢNG TRÊN PHẦN MỀM MATLAB ................................ 50
5.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tiết kiệm năng lượng..................................... 50 
5.2 Thiết kế thuật tốn điều khiển tối ưu từ thơng ................................................ 56 
5.3 Xây dựng và mơ phỏng khối điều chế từ thơng tối ưu .................................... 58 


iii


5.4 Kết quả mô phỏng ......................................................................................... 64 
5.4.1 Kết quả mô phỏng với từ thông tối ưu ......................................................... 64 
5.4.2 So sánh công suất tiêu thụ ứng với  từ thông tối ưu và  từ thông tham 
chiếu ở các chế độ làm việc khác nhau ................................................................ 66 
5.4.2.1 So sánh công suất tiêu thụ ứng với  từ thông tối ưu và các từ thông 
tham chiếu khác nhau .......................................................................................... 66 
5.4.2.2  So  sánh  công  suất  tiêu  thụ  ứng  với    từ  thông  tối  ưu    và  từ  thông 
tham chiếu ở các tốc độ khác nhau ...................................................................... 68 
5.4.2.3  So  sánh  công  suất  tiêu  thụ  ứng  với    từ  thông  tối  ưu    và  từ  thông 
tham chiếu  với các mức tải khác nhau ................................................................ 70 
5.5 Kết luận ......................................................................................................... 72 
CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ..................... 73
6.3 Kết luận ......................................................................................................... 73 
6.1 Các vấn đề đã thực hiện ................................................................................. 73 
6.2 Hướng phát triển của đề tài ............................................................................ 74 
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 75 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 

iv


 
 

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT 
 
Chữ viết tắt .......................................................................... Giải thích chữ viết tắt 
EMDS (Electrical Motor Drive System): hệ thống điều khiển động động cơ điện 
HVAC ( Heating, Ventilation and Air - Condition ): Nhiệt, thơng gió, Điều hịa  
KĐB: khơng đồng bộ 
FOC (Field Orientated Control): điều khiển định hướng từ thơng 
DRFOC (Direct Rotor Field Oriented Control): điều kiển định hướng từ thơng rotor gián 
tiếp 
IRFOC (Indirect Rotor Field Oriented Control): điều kiển định hướng từ thơng rotor gián 
tiếp 

n  

Tốc độ đồng bộ  

f  

Tần số 

fαs  


Tần số stator trục α 

fβs  

Tần số stator trục β 

fds  

Tần số stator trục d 

fqs  

Tần số stator trục q 

p  

Số đơi cực  

ia, ib, ic Đại lượng dịng điện stator 
 -   Tọa độ 
d-q 

Hệ tọa độ 

Rs 

Điện trở stator 

Rr  


Điện trở stator 

Rd  

Điện trở trục d 

Rq  

Điện trở trục q 

is 

Dịng điện stator 

isd  

Điện áp stator trục d 

v


isq  

Điện áp stator trục q 

ir 

Địng điện rotor 


ird 

Điện áp rotor trục d 

irq  

Điện áp rotor trục q 

wa  

 Đốc độ gốc  

 

Từ thơng móc vịng 

m  

Từ thơng khe hở khơng khí 

r  

Từ thơng rotor 

s  

Từ thơng stator 

 dm  


Từ thơng định mức 

 rd  

Từ thơng rotor trục d 

 rq  

Từ thơng rotor trục q 

 r  

Từ thông rotor trục α 

 r  

Từ thông rotor trục β 

 sd  

Từ thông stator trục d 

 sq  

Từ thông stator trục q 

 s  

Từ thông stator trục α 


 s  

Từ thơng stator trục β 

j  

Mật độ dịng điện 

Ls 

Cuộn cảm stator 

Ls 

Cuộn cảm stator trục α 

Ls 

Cuộn cảm stator trục β 

Lr  

Cuộn cảm rotor 

Lr 

Cuộn cảm rotor trục α 

Lr 


Cuộn cảm rotor trục β 

Lm  

Cuộn cảm khe hở khơng khí 

us  

Điện áp stator 

 

vi


usd  

Điện áp stator trục d 

usq  

Điện áp stator trục q 

us  

Điện áp stator trục α 

us  

Điện áp stator trục β 


ur  

Điện áp rotor 

urd  

Điện áp rotor trục d 

urq  

Điện áp rotor trục q 

us  

Điện áp stator trục α 

us  

Điện áp stator trục β 

P  

Cơng suất động cơ 

Te 

Mơmen điện từ 

RFe   Điện trở sắt 

iFe  

Dịng điện sắt.  

Ts 

Hằng số thời gian stator 

Tr  

Hằng số thời gian rotor 

c 

Hệ số từ tản tổng 

db  

Tốc độ đồng bộ 

s  

Tốc độ từ thơng stator 

Pcu,s   Tổn hao đồng stato 
Rso 

Điện trở stator tại nhiệt độ T0  

Rro 


Điện trở stator tại nhiệt độ T0 
     Hệ số nhiệt độ của đồng 

Pfe 

Tổn hao sắt   

Pe 

Tổn hao do dịng điện xốy 

Ph  

Tổn hao do từ trể  

γ 

Hệ số phụ thuộc vào vật liệu từ hóa 

Kh  

Hệ số từ trể phụ thuộc vào vật liệu và hình dáng của động cơ.  

Ke  

 Hệ số dịng điện xốy phụ thuộc vào vật liệu và hình dáng của động cơ. 

Pcore,s  Tổn hao sắt trong stator 


vii


Pcore,r  Tổn hao sắt trong rotor 
Pcore  Tổng tổn hao sắt  
s  

 

 

 

Độ trượt 

ms  

 

 

 

Khối lượng sắt stator 

mr  

 

 


 

Khối lượng sắt rotor 

Pmech   

 

 

Tổn hao tổng do ma sát và quạt gió 

   

 

 

Hệ số ma sát khơ 

kvent 

 

 

 

Hằng số quạt gió 


η  

 

 

 

Hiệu suất của động cơ điện khơng đồng bộ 

Ploss,rect 

 

 

Tổn hao truyền dẫn của bộ chỉnh lưu 

Prect,out  

 

 

Cơng suất đầu ra của bộ chỉnh lưu diode 

VD 

 


 

 

Điện áp chuyển tiếp của diode  

Vdc 

 

 

 

Điện áp liên kết với thành phần dc (dc-link voltage) 

 Ploss,dc-choke   

 

Tổn hao do dc-link choke 

 Pdc-choke 

 

 

Tổng điện trở DC trong dc-link chokes  


Pinv, in   

 

 

Cơng suất đầu vào của bộ chỉnh lưu 

Rout-choke  

 

 

Điện trở dc của cuộn cảm kháng đầu ra 

Von,T   

 

 

Tổn hao do bộ biến tần 

V0,T,r0,T, Bcon, T 

 

Hằng số đặc trưng của transistor tổn hao truyền dẫn 


V0,T,r0,D, Bcon, D 

 

Hằng số đặc trưng của diode trong tổn hao truyền dẫn 

Vo,T , von, D     

 

Điện áp transistor và diode ở trạng thái đóng 

iT, iD   

 

 

Dịng thuận của transistor và diode 

Pon,T   

 

 

Tổn hao cơng suất tức thời của transistor và diode 

 


E(sw,on,T) ; E(sw,off,T)  Tổn hao năng lượng khi transistor đóng và tắt  
Esw,D   

 

 

Tổn hao năng lượng khi diode tắt 

 Asw,on,T ,Bsw,on,T  

 

Hằng số đặt trưng cho tổn hao khi transistor đóng  

Asw,off,T ,Bsw,off,T 

 

Hằng số đặt trưng cho tổn hao khi transistor tắt 

A(sw,D) ; B(sw,D)    

Hằng số đặt trưng cho tổn hao khi diode tắt 

viii


P(sw,on,T); P(sw,off,T)  


Tổn hao cơng suất ở trạng thái đóng và tắt của 1 

transistor 
P(sw,D)  

 

fsw 

Tần số chuyển mạch   

 

E(con,n) 
Dn 

 

 

Tổn hao cơng suất ở trạng thái tắt của 1 diode  

Tổn hao truyền dẫn trong chu kỳ Tsw 
 
Chu trình hoạt động của transistor ở chu kỳ chuyển mạch n  

Dn+1   

Chu trình hoạt động của transistor ở chu kỳ chuyển mạch n+1 


Esw, n   

Tổn hao năng lượng ở một nhánh trong suốt chu kỳ Tsw  

Ploss, inv  
R’r 

 

Tổng tổn hao cơng suất ở bộ biến tần 
Điện trở quy đổi của rotor 

L’s 

 

Điện kháng quy đổi của stator 

L’m 

 

Điện kháng từ hóa quy đổi   

Pcu,s   

Tổn hao đồng stator 

Pcu,r   


Tổn hao đồng rotor 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

ix


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH  

 

 

 

 

 

 


 

 

         TRANG

Hình 1.1 Phân bố lượng điện năng tiêu thụ ở các lĩnh vực..................................... 1 
Hình 2.1 : Giản đồ tổn hao năng lượng trong động cơ KĐB ................................. 5 
Hình 2.2 : Phân bố nguồn năng lượng sử dụng  trong động cơ KĐB với các 
dạng Cơng suất và  phụ tải khác nhau .................................................................... 6 
Hình 2.3 : Phân bố nguồn năng lượng tổn hao trong động cơ KĐB với các 
dạng Cơng suất và  phụ tải khác nhau .................................................................... 6
Hình 2.4 : Điều khiển cơ khí cho máy bơm khơng có điều áp ............................... 9 
Hình 2.5 : Điều khiển cơ khí cho máy bơm có điều áp ........................................ 10 
Hình 2.6 : Điều khiển biến tốc cho máy bơm khơng điều áp ............................... 10 
Hình 2.7 : Điều khiển biến tốc cho máy bơm có điều áp ..................................... 11 
Hình 2.8 : Phân bố cơng suất tương đối của các hệ thống bơm từ hình 2.4 
đến 2.7 ................................................................................................................. 11 
Hình 3.1 : Xem xét dịng cơng suất chảy qua động cơ ......................................... 14 
Hình 3.2 : Bộ chuyển đổi nguồn áp được điều chế độ rộng xung (PWM-VSI) 
với  diode  chỉnh  lưu  được  sử  dụng  phổ  biến  trong  các  bộ  điều  khiển  tiêu 
chuẩn ................................................................................................................... 15 
Hình 3.3 : Sơ đồ thay thế của động cơ khơng đồng bộ ba pha ............................. 16 
Hình 3.4 : Dịng hiệu dụng khi được nối trực tiếp với lưới điện và khi được 
nối thơng qua một bộ converter ........................................................................... 24 
Hình 3.5 : Đường  cong  hiệu suất  ở  tốc  độ  định mức  với  từ thơng  khe  hở 
khơng khí khơng đổi và với hiệu suất được tối ưu của một motor 2.2kW ............. 25 
Hình 3.6 : Động cơ khơng đồng bộ được điều khiển bằng một bộ converter 
VVFF (khởi động mềm) ...................................................................................... 28 

Hình 3.7 :Bộ PWM-VSI với diode chỉnh lưu trong phần lớn các ASD (bộ 
lái điều khiển được tốc độ) ngày nay ................................................................... 29 

x


Hình 3.8 : Sơ đồ khối điều khiển cho việc tối ưu hiệu suất của một bộ lái 
động cơ. Rất nhiều tín hiệu hồi tiếp được đưa ra .................................................. 30 
Hình 3.9 : Ví dụ về điều khiển cos(  ) trong một bộ lái vơ hướng ...................... 31 
Hình 3.10 :  Ví  dụ về điều khiển  tần  số  trượt tối ưu mà  giá trị  tham  khảo 
được đặt trong bảng tra ........................................................................................ 32 
Hình 3.11 : Ví dụ về việc thực hiện tối ưu hiệu suất tìm kiếm trong một bộ 
lái vơ hướng ........................................................................................................ 33 
Hình 3.12 :Ví dụ về điều khiển tối ưu hiệu suất dựa trên mơ hình động cơ 
được thực hiện trong khung tham chiếu hướng trường ......................................... 34 
Hình 3.13 : Thực thi điều khiển tìm kiếm cho bộ  điều khiển theo từ thơng 
rotor .................................................................................................................... 37 
Hình 3.14 : Ví dụ về việc thực hiện tối ưu hiệu suất tìm kiếm trong một bộ 
lái vơ hướng ........................................................................................................ 39 
Hình 3.15 :  Điều  khiển  mờ  tối  ưu  năng  lượng  được  thực  hiện  với  điều 
khiển motor hướng trường ................................................................................... 40 
Hình 4.1 : Hệ trục từ thơng rotor (dq) ................................................................. 44 
Hình 4.2 : Sơ đồ điều khiển gián tiếp .................................................................. 47 
Hình 5.1 : Sơ đồ khối hệ thống điều khiển .......................................................... 50 
Hình 5.2 : Ngun tắc điều khiển vectơ .............................................................. 51 
Hình 5.3 : Sơ đồ mơ phỏng của hệ thống điều khiển động cơ .............................. 53 
Hình 5.4 : Mơ hình khối điều khiển Vector ......................................................... 54 
Hình 5.5 : Đồ thị các thành phần U, I,  , Tm với từ thơng rotor tham chiếu 
r* =0.96 .............................................................................................................. 54 


Hình 5.6 : Đồ thị từ thơng rotor tham chiếu  r* =0,96 ......................................... 55 
Hình 5.7 : Đồ thị cơng suất tiêu thụ với từ thơng rotor tham chiếu  r* =0,96 ....... 55 
Hình 5.8 : Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tiết kiệm năng lượng ......................... 56 
Hình 5.9 : Sơ đồ mơ phỏng khối điều chế từ thơng tối ưu ................................... 59 
Hình 5.10 : Vị trí của khối điều chế từ thơng tối ưu theo thuật tốn tối ưu 
năng lượng .......................................................................................................... 63 

xi


Hình 5.11 : Đồ thị các thành phần U, I,  , Tm của từ thơng tối ưu ....................... 64 
Hình 5.12 : Đồ thị từ thơng tối ưu  r  ................................................................ 65 
opt

Hình 5.13 : Đồ thị cơng suất tiêu thụ  của động cơ với từ thơng tối ưu ................ 65 
Hình 5.14 : Đồ thị cơng suất tiêu thụ  của từ thơng tối ưu và các từ thơng 
tham chiếu khác nhau .......................................................................................... 66 
Hình 5.15 : Đồ thị các thành phần U, I,  , Tm với từ thơng tối ưu ở các tốc 
độ  =100,120,140 rad/s ..................................................................................... 68 
Hình 5.16 : Đồ thị cơng suất tiêu thụ của từ thơng tối ưu và từ thơng tham 
chiếu với các tốc độ khác nhau ............................................................................ 69 
Hình 5.17 : Đồ thị các thành phần U, I,  , Tm, với từ thơng tối ưu ở tốc độ 
=90 rad/s ........................................................................................................... 69 
Hình 5.18 :  Đồ thị cơng suất tiêu thụ của từ thơng tối ưu và từ thơng tham 
chiếu với tốc độ 90 rad/s ...................................................................................... 70 
Hình 5.19 : Đồ thị các thành phần U, I,  , Tm, của từ thơng tối ưu với mơn 
men tải T=180 N.m ............................................................................................. 71 
Hình 5.20 : Đồ thị cơng suất tiêu thụ của từ thơng tối ưu và từ thơng tham 
chiếu với moomen tải T=180 N.m ....................................................................... 71 
Hình 5.21 : Đồ thị các thành phần U, I,  , Tm, của từ thơng tối ưu với mơn 

men tải T=150 N.m ............................................................................................. 72
Hình 5.22 : Đồ thị cơng suất tiêu thụ của từ thơng tối ưu và từ thơng tham 
chiếu với momen tải T=150 N.m ......................................................................... 72 
 
 
 

 
 
 
 

xii


DANH SÁCH CÁC BẢNG 
BẢNG  .................................................................................................... TRANG

Bảng 2.1 : Khả năng tiết kiệm năng lượng bằng điều khiển tốc độ tốc độ 
cho 4 ứng dụng HVAC ........................................................................................ 12 
Bảng 3.1 : Các hoạt động có thể được thực hiện để làm giảm tổn hao ................. 19 
Bảng 3.2 : Hiệu quả của các bộ truyền động lái motor ........................................ 22 
Bảng 3.3 : Ước lượng của các phương pháp điều khiển tối ưu năng lượng 
cho bộ lái động cơ không đồng bộ ....................................................................... 42 
Bảng 5.1 : Thông số động cơ tiêu chuẩn dùng trong sơ đồ mô phỏng như sau ...... 52 

Bảng 5.2 : Thông số động cơ tiêu chuẩn ............................................................. 60 
Bảng 5.3 : Thông số động cơ dùng trong sơ đồ mô phỏng như sau ....................... 60 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

xiii


Chương 1

TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu tổng quan
Động cơ  điện  và  hệ  thống truyền  động động  cơ điện  (EDMS) sử  dụng  phần 
lớn năng lượng điện và tiêu thụ nhiều hơn gấp đôi so với các ứng dụng chiếu sáng. 
EDMS  chiếm  khoảng  43%  -  46%  điện  năng  tiêu  thụ  tồn  cầu,  làm  tăng  khoảng 
6040 Mt CO2 phát thải. Đến năm 2030, mà khơng có các biện pháp chính sách sử 
dụng năng lượng tồn diện và hiệu quả, năng lượng tiêu thụ từ động cơ điện dự kiến 
sẽ  tăng  lên  13360  TWh  mỗi  năm  và    lượng  khí  thải  CO2  và  8570  Mt  mỗi  năm. 
Khách  hàng  bây  giờ  chi  tiêu  565.000.000.000  USD  mỗi  năm  trên  điện  sử  dụng 
trong EDMS, vào năm 2030 có thể tăng lên tới gần 900 tỷ USD. [4] 


 
Hình 1.1 Phân bố lượng điện năng tiêu thụ ở các lĩnh vực 
Điểm  chung  trong  tất  cả  các  thống  kê  ở  các  lĩnh  vực  là  khả  năng  làm  giảm 
đáng  kể  nhu  cầu  năng  lượng  động  cơ  điện  tồn  cầu  thơng  qua  việc  thực  hiện  các 
phương pháp cải tiến nhằm mục đích giảm nhu cầu năng lượng của điều khiển động 
cơ. 
Nếu mỗi động cơ khơng 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 vơ cùng lớn và 
rất có ý nghĩa. Nhất là trong điều kiện hiện nay tình trạng thiếu năng lượng hiện nay 

xiv


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 ơ nhiễm mơi trường. Nguồn điện 
từ các nhà máy điện ngun tử cũng đã xảy ra những sự cố đáng tiếc gây nguy hiểm 
đến sức khỏe con người. 
Vì    các  lý  do  trên,  vấn  đề  tiết  kiệm  năng  lượng  ngày  càng  được  quan  tâm 
nhiều hơn. Đó cũng chính là mục đích và sự cần thiết của đề tài “Điều khiển tối ưu 
năng lượng động cơ khơng đồng bộ ba pha”. 
1.2 Tổng quan các giải pháp tiết kiệm điện năng cho động cơ KĐB 3 pha
Trong thời gian gần đây, nhờ khả năng và tốc độ tính tốn nhanh của vi điều 
khiển, các nhà nghiên cứu đã triển khai các giải thuật điều khiển theo mơ hình tổn 
hao của động cơ. Các cơng trình nghiên cứu về điều khiển động cơ khơng đồng bộ 
có xét đến tiệm năng lượng trong nước như: “Điều khiển trực tuyến giảm tốn hao 
trong Động cơ cảm ứng trên cơ sở DSP TMS320LF2812” của các tác giả Lê Minh 
Phương,  Lê  Đức  Dũng,  Nguyễn  Viết  Thun,  Nguyễn  Hồi  Phong,    tạp  chí  phát 
triển KH&CN, tập 16, số K4-2013 và “Nghiên cứu các phương pháp tiết kiệm điện 
năng trong hệ truyền động động cơ KĐB 3 pha” của tác giả Nguyễn Thanh Tuấn, 
trường  ĐH  Sư  phạm  Kỹ  thuật  TP.HCM  năm  2014.  Với  phương  pháp  hiệu  chỉnh 

trực tiếp từ thơng tối ưu từ các biểu thức địi hỏi phải có thơng số thực nghiệm động 
cơ chính xác.  
Cơng trình “Điều khiển động cơ KĐB ba pha ở chế độ tiết kiệm năng lượng” 
của tác giả Lê Việt Sơ, trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM 2012, xây dựng giải 
thuật điều khiển tối ưu tìm từ thơng trên cơ sở cực tiểu các tổn hao trong động cơ 
dựa trên các thơng số thực nghiệm động cơ. Việc xét đến các thơng số thực nghiệm 
động  cơ    phải  ước  lượng  chính  xác  mơ  men  và  từ  thơng  tối  ưu  ở  mọi  chế  độ  thì  
động cơ mới có thể đạt chất lượng điều khiển cũng như hiệu suất cao.  
1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ 
Nghiên  cứu  xây  dựng  giải  thuật,  mơ  hình  điều  khiển  tiết  kiệm  điện  năng  cho 
động cơ khơng 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 thơng tối ưu phù hợp với 

xv


các tốc độ  khác nhau và sự thay đổi của tải. 
1.4 Phạm vi nghiên cứu
 Giải thuật tiết kiệm năng lượng chỉ ứng dụng cho đối tượng chính ở đây là 
động cơ khơng đồng bộ 3 pha. 
 Trong đề tài chỉ tập trung vào nghiên cứu giải thuật và mơ hình điều khiển 
tối  ưu  hóa  từ  thơng  rotor  mục đích  để  giảm  tổn  hao  trong  động  cơ  KĐB 3 
pha. 
 Việc khảo sát giải thuật điều khiển chỉ thực hiện mơ phỏng trên phần mềm 
Matlab. 
1.5 Phương pháp nghiên cứu
 Thu thập các tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu 
 Tìm hiểu lý thuyết về động cơ khơng đồng bộ 
 Tìm hiểu lý thuyết Matlab 
 Tìm hiểu về phụ tải điện HVAC và khả năng tiết kiệm 

 Tìm hiểu các vấn đề về tổn hao và các phương pháp điều khiển theo hướng 
tiết kiệm năng lượng của động cơ khơng đồng bộ 
 Tìm hiểu phương pháp điều khiển định hướng từ thơng rotor 
 Thiết kế giải thuật và mơ hình điều khiển  
 Mơ phỏng trên phần mềm Matlab 
 Đánh giá kết quả 
1.6 Các bước tiến hành
-

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 mơ hình mơ phỏng trên phần mềm matlab bộ điều khiển động cơ 
xét đến tiết kiệm năng lượng 

-

Khảo sát và so sánh kết quả mơ phỏng  

 


xvi


1.7 Điểm mới của đề tài
Ứng dụng FOC, xây dựng giải thuật và mơ hình điều khiển tối ưu từ thơng 
trên  cơ sở  cực  tiểu  các  tổn  hao trong động  cơ dựa  trên  các thơng  số  thực nghiệm 
động cơ. Có xét đến các thơng số  mơ men của động cơ xun xuốt trong q trình 
vận hành và xác định nhanh, chính xác giá trị từ thơng tối ưu để đạt chất lượng điều 
khiển cũng như khả năng tiết kiệm năng lượng cao hơn. 
1.8 Giá trị thực tiễn của đề tài
Sử dụng các giải thuật và mơ 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 mơn truyền động điện, máy điện 
1.9 Bố cục của đề tài 
Chương 1: Tổng quan  
Chương 2: Tìm hiểu về phụ tải điện và khả năng tiết kiệm năng lượng
Chương 3:  Phân tích các loại tổn hao và các phương pháp điều khiển tiết 
kiệm năng lượng trong động cơ khơng đồng bộ ba pha 
Chương 4:  Phương pháp điều khiển định hướng từ thơng rotor 
Chương 5: Xây dựng mơ hình mơ phỏng và thiết kế thuật tốn điều khiển 
động cơ KĐB ba pha có xét đến tiết kiệm  năng lượng trên phần 
mềm Matlab 
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển đề tài 
 
 
 
 

 
 
 

xvii


Chương 2

TÌM HIỂU VỀ PHỤ TẢI ĐIỆN VÀ KHẢ NĂNG
TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG
2.1 Tìm hiểu về tiết kiệm năng lượng trong động cơ và các hệ truyền động cơ
không đồng bộ
Như đã giới thiệu, đi cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, hệ truyền 
động sử dụng động cơ khơng đồng bộ ngày càng được ứng dụng rộng rãi và tiêu thụ 
một lượng điện năng vơ cùng lớn. Trong đó lượng điện năng này bị tổn hao vơ ích 
rất đáng kể trong động cơ, trong hệ truyền động và các thiết bị điều khiển để giảm 
thiểu được các tổn hao vơ ích này, chúng ta phải có được hiểu biết về chúng và tìm 
cách  can  thiệp  sao  cho  lượng  điện  năng  tổn  hao  là  nhỏ  nhất  nhưng  vẫn  đạt  được 
hiệu quả mong muốn. Sau đây là các dạng tổn hao xảy ra trong động cơ, trong hệ 
truyền động và các thiết bị điều khiển. 
 Đối với động cơ:
Cơng suất điện mà động cơ nhận từ nguồn được chia làm hai thành phần: một 
phần sinh ra cơng có ích để thực hiện q trình cơng nghệ (kéo các hệ truyền động), 
phần cịn lại là tổn hao dưới dạng nhiệt 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).  

 
Hình 2.1 Giản đồ tổn hao năng lượng trong động cơ KĐB


xviii


Để tiết kiệm được năng lượng của động cơ, chúng ta phải t8ìm hiểu về  mục 
đích sử dụng của động cơ, cơng suất sử dụng. Tìm ra những ngun nhân gây nên 
tổn hao và tìm cách tiết kiệm nó. Hình 2.1 cho thấy việc phân bố năng lượng trong 
động cơ khơng đồng bộ ứng với các dạng cơng suất khác nhau, hình 2.2 các tổn hao 
trong động cơ khơng đồng bộ.Các 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 cơng nghiệp.  

 
Hình 2.2 Phân bố nguồn năng lượng sử dụng  trong động cơ KĐB với các dạng 
Cơng suất và  phụ tải khác nhau
Quan  trọng  hơn,  việc  phân  bố  tổn  hao  năng  lượng  trong  động  cơ  trên  (hình 
2.3) 67% năng lượng tổn hao được gây ra bởi động cơ có cơng 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 cơng suất định mức dưới 52kW. 

xix


Hình 2.3 Phân bố nguồn năng lượng tổn hao trong động cơ KĐB với các dạng 
Cơng suất và  phụ tải khác nhau 

 Đối với các hệ truyền động:
Động cơ KĐB thường được sử dụng cho các ứng dụng sau: 
- Hệ thống máy bơm, máy nén khí, thơng gió, máy lạnh. 
- Hệ thống băng truyền, thiết bị vận tải. 

- Các thiết bị cơ khí chế biến. 
2.2 Điều khiển hiệu quả năng lượng của các ứng dụng HVAC
  Các  nhiệm  vụ  tiêu  biểu  trong  việc  lắp  đặt  HVAC  là  điều  khiển  áp  suất,  lưu 
lượng,  nhiệt  độ  và  mức  chất  lỏng,  và  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. Một sự so sánh nhỏ giữa các phương pháp điều khiển được 
trình bày ngay sau đây. 
  - Điều khiển on/off: Được sử dụng khi chỉ có một phần trong tồn bộ sản phẩm 
là cần thiết trong một thời gian dài. Động cơ được bật khi thơng số điều khiển vượt 
q mức giới hạn trên. Số lần khởi động và dưg, ảnh hưởng đến sự lắp đặt cơ khí, 
có thể giảm đi bằng cách tăng kích thước vùng đệm, ví dụ như một bể nước và máy 
bơm. Nếu thiết bị hoạt động ở tải định mức khi động cơ được bật, điều khiển on/off 
sẽ cho hiệu suất năng lượng, nhưng nếu ngược lại thì hiệu suất năng lượng sẽ giảm. 
  - Điều khiển từng bước (stepwise): một hệ thống điều khiênr động cơ lớn được 
chia thành các bộ phận nhỏ, mỗi bộ phận sử dụng điều khiển on/off. Mỗi động cơ sẽ 
được  bậ  hay  tắt  tùy  theo  nhu  cầu  sản  xuất.  Ưu  điểm  của phương  pháp  này là  các 
động cơ tiến trình hoạt động gần với tải định mức và với hiệu suất năng lượng tốt ở 
mọi thời điểm. Nhược điểm của nó là sự gia tăng chi phí lắp đặt và chỉ có khả năng 
điều khiển theo từng bước. Tuy nhiên, nó có thể kết hợp với sự thay đỏi tốc độ trên 
một trong các động cơ. 
  - Điều khiển q trình cơ khí: được sử dụng trong những ứng dụng mà các thơng 
số  đầu  ra  của  quá  trình  được  điều  khiển  một  cách  liên  tục  và  chất  lượng  của  các 
phương pháp điều khiển on/off và stepwise khơng đáp ứng được. Động cơ cảm ứng 
được kết nối trực tiếp với lưới điện. Thơng số đầu ra (ví dụ áp suất) được điều khiển 
bằng cơ khí, chẳng hạn bằng các van, van tiết lưu hay một nhánh hồi tiếp. Nhược 
điểm chính của phương pháp này là phương pháp này là điều khiển cơ khí sẽ tọa ra 
thêm những mất mát năng lượng khơng thể tránh khỏi khi khơng cần đầy tải. Nói 
một cách đơn giản, điều này giống như là chạy một chiếc xe hơi với cơng suất tối đa 
và điều khiển tốc độ bằng thắng xe. 
  - Điều khiển tơc độ thay đổi: Động cơ được ni bởi  một bộ chuyển đổi cơng 

suất điện tử chỉ tiêu thụ năng lượng đủ dùng cho q trình. Kết quả của q trình 
được điều khiển chỉ  bằng cách thay đổi tốc độ. Dù chi phí lắp đặt cao. Điều khiển 

xx


biến tốc có thể được chọn vì chất lượng điều khiển, khả năng tiết kiệm năng lượng 
và giảm nhiễu âm chẳng hạn từ các quạt. 
  Từ sự so sánh đơn giản giản giữa các chiến lược điều khiển ứng dụng HVAC, có 
thể kết luận trên quan điểm tiết kiệm năng lượng rằng phương pháp điều khiển cơ 
khí  khơng  thể  được  chấp  nhận  vì  mất  mát  năng  lượng  q  lớn  trong  trường  hợp 
giảm tải. Sự lựa chọn giữa các phương pháp on/off, stepwise và phương pháp biến 
tốc phụ thuộc vào mức tải và chất lượng điều khiển u cầu. Các hệ thống cần sản 
xuất lượng nhỏ trong thời gian dài thì thích hợp với các phương pháp stepwisư và 
phương  pháp  biến  tốc.  Ngược  lại,  khi  lượng  tải  yêu  cầu  cao  và  chất  lượng  điều 
khiển on/off có thể chấp nhận được, phương pháp on/off được ưu tiên hơn vì chi phí 
lắp đặt rẻ. Có thể tiết kiệm một lượng lớn năng lượng trong các ứng dụng HVAC 
nếu các kỹ thuật tốt đước áp dụng trong qua trình thiết kế tồn hệ thống, và trong 
nhiều trường hợp các phương pháp điều khiển on/off và điểu khiển từng bước cung 
cấp giải pháp tốt nhất. Tuy nhiên, khơng nghi ngờ gì nữa, trong các hệ thống u 
cầu chất lượng điều khiển tốt, phương pháp điều khiển biến tốc trở thành giải pháp 
thay thế duy nhất có hiệu quả về năng lượng cho phương pháp điều khiển cơ khí. 
  Nói chung, nên chú ý rằng khi thiết kế hệ thống, ta phải xem xét yếu tố chi phí 
vịng đời (LCC – Life Cycle Costs). Nó bao gồm tất cả các chi phí liên quan đến hệ 
thốn cài đặt trong suốt thời gian sống, cụ thể là thu mua, bảo trì, sửa chữa, phí năng 
lượng, các vấn đề về mơi trường. 
 
2.3 Tiết kiệm năng lượng trong các ứng dụng HVAC bằng cách điều khiển
biến tốc.
  Ưu điểm của việc sử dụng điều khiển biến tốc thay cho điều khiển cơ khí trong 

các ứng dụng HVAC được phân tích cụ thể hơn, lấy một máy bơm làm ví dụ. Từ đó 
có thể kết luận trong các ứng dụng nào thì điều khiển biến tốc có khả năng tiết kiệm 
nhiều năng lượng nhất. 
Điều khiển máy bơm
  Bốn phiên  bản  của  một hệ  thống  bơm  được  minh  họa trên  hình  2.4  –  2.7. Hai 
dạng đầu có tốc độ khơng đổi và điều khiển theo phương pháp cơ khí, hai dạng sau 
sử dụng điều khiển biến tốc. Trên hình 2.4 và 2.6, máy bơm khơng có cột áp cịn 
trên hình 2.5 và 2.7, máy bơm có cột áp. Dịng chất lỏng được điều khiển sao cho 
tại điểm làm việc A, lưu lượng bằng 100% lưu lượng định mức và tại điểm B, lưu 
lượng bằng 50% lưu lượng định mức. Các hình vẽ thể hiện đường cong lưu lượng – 
áp suất của cả đặc tính máy bơm (PC Pump Characteristic) và hệ thống ống, tức là 
đặc tính của hệ thống (SC – System Characteristic). Điểm hoạt động của máy bơm 
được định nghĩa bới giao điểm của đường PC và đường SC. 

xxi


 
Hình 2.4 Điều khiển cơ khí cho máy bơm khơng có cột áp 

Hình 2.5 Điều khiển cơ khí cho máy bơm có cột áp 
Như  ta  thấy  trên  hình  2.4  và  2.5,  với  bộ  điều  khiển  tốc  độ  hằng,  lưu  lượng 
được giảm từ A đến B bằng cách dùng van để thêm và sự cản trở trong ống để đặc 
tuyến hệ thống thay đổi từ SC1 đến SC2. Trong hình 2.6 và 2.7, đặc tính hệ thống 
khơng đổi, nhưng sự thay đổi tốc độ làm cho đặc tuyến máy bơm thay đổi tư PC1 
sang PC2, do đó làm giảm lưu lượng từ A đến B. 

 
Hình 2.6 Điều khiển biến tốc cho máy bơm khơng cột áp 


xxii


Hình 2.7 điều khiển biến tốc cho máy bơm có cột áp 
Hình 2.8 cho thấy ở mức đầy tải (điểm A), bộ lái tốc độ hằng cho hiệu suất 
tốt  nhất  vì  bộ  chuyển  đổi  cơng  suất  điện  tử  trong  bộ  lái  biến  tốc  gây  mất  mát 
thêm trong động cơ và trong bộ converter. Ở mức tải 50% (điểm B), tình huống 
ngược lại  xảy ra. Ở 50% tải khơng có cột áp, có một sự cải thiện đáng kể với 
phương pháp biến tốc (so sánh biểu cột 2.4 và 2.6). Hầu hết các mất mát trong 
bộ lái tốc độ hằng đều tiêu tán tại van. Trong trường hợp có cột áp, so sánh biểu 
đồ cột 2.5 và 2.7, sự khác biệt khơng rõ rệt như vậy, nhưng bộ điều khiển biến 
tốc vẫn cho hiệu suất tốt nhất. 

 
Hình 2.8 Phân bố cơng suất tương đối của các hệ thống bơm từ hình 2.4 đến 2.7 
Hiệu suất của động cơ và máy bơm được viết bên dưới các cột 
2.4 Các ứng dụng với khả năng tiết kiệm năng lượng bằng điều khiển tốc độ
  Sự  phân  tích  hệ  thống  máy  bơm  trên  đây  cho  thấy  rõ:  với  các  loại  tải  bậc  hai 
(trong trường hợp lý tưởng, trong moment tải đăng theo bình phương tốc độ, trong 
thực tế sựu gia tăng này nhỏ hơn bình phương), khi máy bơm khơng có bộ điều áp, 
điều khiển biến tốc sẽ cho phép tiết kiệm năng lượng đáng kể ở tải bộ phận so với 
phương  pháp  điều  khiển  cơ  khí.  Trong  trường  hợp  có cột  áp,  mức tiết  kiệm năng 

xxiii


lượng sẽ nhỏ hơn. Các kết quả lúc này có thể mở rộng cho các máy thơng gió, máy 
nén khí, và các tủ lạnh. 
Thơng gió: Tải là bậc hai và rất thích hợp cho điều khiển tốc độ. 
Máy bơm: Một máy bơm khơng có đầu là một tải bậc hai và rất thích hợp cho 

điều khiển biến tốc độ, một ví dụ cụ thể là máy bơm nước nhiệt. Một máy bơm 
có đầu cho phép tiết kiệm năng lượng bằng cách điều khiển tốc độ, nhưng khơng 
nhiều, một ví dụ là máy bơm tàu lặn. 
Nén khí: Điều khiển tốc độ của máy nén khí gần giống với máy bơm có đầu và 
mang lại sự tiết kiệm năng lương lượng tốt. 
Tủ lạnh: Giống như nén khí. 
Các kết quả được tóm tắt trong bảng 2.1  
Bảng 2.1. Khả năng tiết kiệm năng lượng bằng điều khiển tốc độ tốc độ cho 4 
ứng dụng HVAC 
Năng lượng tiết kiệm bởi
Q trình
Loại
điều khiển tốc độ
Bộ thơng gió 

Ly tâm 

Rất tốt 

Máy bơm 

Ly tâm có điều áp 
Ly tâm khơng có điều áp 

Rất tốt 
Tốt 

Bộ nén khí 
Tủ lạnh 


Screw, turbo, piston 
Screw, turbo, piston 

Tốt 
Tốt 

2.5 Kết luận:
Như đã phân tích ở trên, ta thấy rằng đối với động cơ khơng đồng bộ và các 
hệ truyền động sử dụng động cơ khơng đồng bộ có thể tiết kiệm được một lượng 
điện năng khơng nhỏ thơng qua các phương pháp điều khiển chúng. Từ đây, mở ra 
hướng để nghiên cứu các phương pháp sử dụng năng lượng một cách hiệu quả trong 
động cơ và hệ truyền động thơng qua mơ hình, ngun lý làm việc và các phương 
pháp điều khiển. 
 Nhằm  tìm  hiểu  về  động  cơ  khơng  đồng  bộ  và  các  phương  pháp  điều  khiển 
động  cơ  không  đồng  bộ  theo  hướng  tiết  kiệm  năng  lượng,  trong  nội  dung  các 
chương tiếp theo sẽ tập trung nghiên cứu về các phương pháp điều khiển tiết kiệm 
năng lượng. 

xxiv


Chương 3

PHÂN TÍCH CÁC LOẠI TỔN HAO VÀ CÁC
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TIẾT KIỆM NĂNG
LƯỢNG TRONG ĐỘNG CƠ KĐB BA PHA
3.1 Tổn thất trong động cơ khơng đồng bộ thay đổi được tốc độ 
Hình 3.1 trình bày dịng năng lượng chảy qua động cơ từ nguồn vào đến tải (bộ 
thơng gió, máy bơm,…) thơng qua các khối, trong mỗi khối có sự tổn thất do việc 
truyền năng lượng qua chúng. Các khối bao gồm: 

-

Hệ  thống  cung  cấp  (Distribution  system):  đường  truyền  tải,  máy  biến  thế 
cung cấp. 

-

Converter: bộ phận điện tử cơng suất điều khiển tần số và điện áp của stator, 
điển hình là một bộ PWM-VSI có bộ chỉnh lưu 3 pha dùng diode. 

-

Động cơ (Motor): động cơ khơng đdồng bộ rotor lồng sóc 

-

Bộ phận truyền động (transmission): ví dụ như trục động cơ, bánh răng, dây 
curoa hoặc băng chuyền. 

 
Hình 3.1 Xem xét dịng cơng suất chảy qua động cơ 
3.1.1 Bộ biến tần
 

Cấu trúc bộ chuyển đổi nguồn áp được điều chế độ rộng xung (PWM-VSI) với 

diode chỉnh lưu được vẽ như trên hình 3.2 ngày nay được sử dụng trong các bộ điều 
khiển tiêu chuẩn đến hàng trăm kW. Nếu động cơ có bộ thắng gấp hoặc kéo một tải 
tích  cực,  cần  có  bộ  tiêu  tán  công  suất  bằng  điện  trở  ở  khâu  DC  hoặc  sử  dụng  bộ 
chỉnh lưu SCR để có thể phát lại cơng suất về lưới điện, tuy nhiên các trường hợp 

này sẽ khơng được đề cập. 

xxv