Tài liệu Nghiên cứu, ứng dụng biến tần đa mức trong hệ thống máy phát điện sức gió nam châm vĩnh cửu

ii TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BIẾN TẦN ĐA MỨC TRONG HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NAM CHÂM VĨNH CỬU Học viên: Lương Trọng Khải. Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa. Mã số: 60520216 Khóa:33.TĐH(PFIEV) Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt – Hiện nay việc sử dụng nguồn năng lượng sạch đang được đầu tư phát triển và nghiên cứu sử dụng hợp lý để đạt được lợi ích kinh tế tốt nhất. Bên cạnh đó bộ biến tần đa mức với nhiều ưu điểm hơn so với biến tần hai mức đã được nghiên cứu và xem như là sự lựa chọn tốt nhất cho các ứng dụng truyền động trung áp. Do đó việc kết hợp biến tần đa mức với máy phát điện gió là một nghiên cứu mang nhiều ý nghĩa thực tiễn và đáp ứng nhu cầu năng lượng sạch kết hợp với năng suất và lợi ích kinh tế cao. Luận văn khái quát nguyên lý hoạt động của tuabin gió kết hợp nam châm vĩnh cửu và được điều khiển bởi biến tần đa mức dùng phương pháp điều chế vector không gian. Tác giả đã đưa ra kết quả đạt được trong quá trình nghiên cứu và đưa ra hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài. Từ khóa – biến tần đa mức, máy phát điện nam châm vĩnh cửu, PMSM, SVPWM, turbin gió. RESEARCH AND APPLICATION OF MULTI-LEVEL INVERTER IN WIND GENERATOR SYSTEM COMBINED PERMANENT MAGNET Abstract – Currently the use of clean energy sources are being developed and research use rationality to achieve best economic interests. Besides the multi-level inverter with more advantages than two inverters have been studied and seen as the best choice for highvoltage transmission applications. So the multi-level inverter combined with the wind generator is a study carried many meanings and practices of clean energy needs combined with productivity and economic benefits. The essay the essential principle of operation of wind turbines combined permanent magnet and is controlled by a multi level inverter using space vector modulation method. The author has given the results achieved in the process of researching and giving direction to the next study of the subject. Key words – multi-level inverter, generators permanent magnet, PMSM, SVPWM, wind generator. iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... I TÓM TẮT LUẬN VĂN .......................................................................................... II MỤC LỤC ............................................................................................................... III DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT......................................... V DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................... VI DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..............................................................VII MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 1. Lý do chọn đề tài .................................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu............................................................................................1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................2 4. Phương pháp nghiên cứu.....................................................................................2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.............................................................................3 6. Tổng quan các nghiên cứu về máy phát điện gió ................................................4 7. Cấu trúc luận văn ................................................................................................5 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH TURBIN GIÓ VÀ MÁY PHÁT ĐIỆN NAM CHÂM VĨNH CỬU .............................................................................6 1.1. Năng lượng và sự chuyển đổi năng lượng gió trong turbin gió ......................6 1.2. Máy phát điện xoay chiều ba pha nam châm vĩnh cửu ...................................9 1.4. Mô phỏng máy điện nam châm vĩnh cửu làm việc với turnbin gió ..............19 CHƯƠNG 2 – CẤU TRÚC BỘ BIẾN TẦN ĐA MỨC DÙNG TRONG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ..........................................................................................23 1.3. Cấu trúc bộ biến tần đa mức .........................................................................23 1.4. Phương pháp điều chế cho bộ nghịch lưu áp đa mức ...................................38 CHƯƠNG 3 – HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NAM CHÂM VĨNH CỬU LÀM VIỆC VỚI BIẾN TẦN ĐA MỨC ................................................................62 1.5. Tổng quan về hệ thống ..................................................................................62 1.6. Mô hình hệ thống ..........................................................................................63 1.7. Kết quả mô phỏng .........................................................................................64 iv CHƯƠNG 4 – ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP ĐẦU RA HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN NAM CHÂM VĨNH CỬU VÀ BIẾN TẦN ĐA MỨC. .................66 1.8. Mô hình hệ thống ..........................................................................................66 1.9. Kết quả mô phỏng của hệ thống qua điều khiển ...........................................69 1.10. Hệ thống làm việc với tải ..............................................................................71 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................73 1. Kết luận .............................................................................................................73 2. Hướng phát triển của đề tài ...............................................................................74 DANH MỤC TÀI KIỆU THAM KHẢO ..............................................................75 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN .........................................................76 PHỤ LỤC .................................................................................................................77 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT PMSM Permanent Magnet Synchronous Machine (Máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu) PID Proportional Integral Derivative (Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ) BJT Bipolar junction transistor (Tranzito lưỡng cực nối) IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor (Transistor có cực điều khiển cách ly) CBPWM Carrier Based Pulse Width Modulation (Phương pháp điều chế độ rộng xung dùng sóng mang) SVPWM Space Vector Pulse Width Modulation (Phương pháp điều chế vectơ không gian) NPC Neutral Point Clamped FLC Flying Capacitor CHB Cascade H-Bridge vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1-1. Giá trị điển hình Z0 và theo từng loại địa hình Bảng 2-1. Bảng trạng thái chuyển mạch (pha A) của bộ nghịch lưu 3L-NPC 7 26 Bảng 2-2. Quá trình dẫn dòng của các khóa trong pha A của bộ nghịch lưu 3L-NPC 28 Bảng 2-3. Bảng trạng thái chuyển mạch (pha A) của 3L-FLC 30 Bảng 2-4. Quá trình dẫn dòng của các khóa trong pha A của bộ nghịch lưu 3L-NPC 32 Bảng 2-5. Bảng trạng thái chuyển mạch (pha A) của 5L-CHB 34 Bảng 2-6. Các vectơ tương ứng với các trạng thái của khóa bán dẫn 41 Bảng 2-7. Vị trí các tam giác tương ứng với tổ hợp các vectơ cơ bản 42 Bảng 2-8. Thời gian tác dụng đối với vectơ 43 Bảng 2-9. Trình tự và thời gian tác động đối với trong vùng I thuộc tam giác I-3a 49 Bảng 2-10. Trình tự chuyển mạch của các khóa bán dẫn trong vùng I 50 Bảng 2-11. Trình tự chuyển mạch của các khóa bán dẫn trong vùng II 50 Bảng 2-12. Trình tự chuyển mạch của các khóa bán dẫn trong vùng III 51 Bảng 2-13. Trình tự chuyển mạch của các khóa bán dẫn trong vùng IV 51 Bảng 2-14. Trình tự chuyển mạch của các khóa bán dẫn trong vùng V 52 Bảng 2-15. Trình tự chuyển mạch của các khóa bán dẫn trong vùng VI 52 Bảng 2-16. Bảng tính toán thời gian tác động 57 Bảng 2-17. Bảng trạng thái đóng-ngắt của các van bán dẫn 59 Bảng 4-1. Bảng thông số PID theo phương pháp Ziegler – Nichols 67 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1-1. Mặt cắt của một động cơ đồng bộ PM 9 Hình 1-2. Mô hình đơn giản của máy điện đồng bộ ba pha rotor cực ẩn 10 Hình 1-3. Mô hình máy điện đồng bộ có dây quấn đệm 11 Hình 1-4. Hệ toạ độ đồng bộ dq và đứng yên 17 Hình 1-5. Sơ đồ khối turbin gió 19 Hình 1-6. Các thông số của khối turbin gió 19 Hình 1-7. Sơ đồ khối máy phát điện nam châm vĩnh cửu 20 Hình 1-8. Các thông số của máy phát điện nam châm vĩnh cửu 20 Hình 1-9. Điện áp dây máy phát điện với vận tốc gió v =10 m/s. 21 Hình 1-10. Điện áp dây máy phát điện với vận tốc gió v =5 m/s. 21 Hình 1-11. Điện áp đâu ra với vận tốc gió biến thiên từ 5m/s đến 10m/s 22 Hình 2-1. Bộ nghịch lưu điôt kẹp 3 mức 25 Hình 2-2. Trạng thái, điện áp điều khiển các chuyển mạch và điện áp ra 26 Hình 2-3. Bộ nghịch lưu dạng flying capacitor 3 mức 29 Hình 2-4. Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang trạng thái P với dòng điện tải iA > 0 30 Hình 2-5. Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang trạng thái P với dòng điện tải iA < 0 31 Hình 2-6. Bộ nghịch lưu 5 mức kiểu cầu H nối tầng 33 Hình 2-7. Quá trình chuyển mạch từ trạng thái 1→4→7→14→16 với dòng điện tải iA > 0 35 viii Hình 2-8. Quá trình chuyển mạch từ trạng thái 1→4→7→14→16 với dòng điện tải iA < 0 36 Hình 2-9. Bộ nghịch lưu áp 3 mức NPC 39 Hình 2-10. Vectơ không gian điện áp của bộ nghịch lưu 3 mức NPC 41 Hình 2-11. Vectơ điện áp ở vùng I (sector I) 42 Hình 2-12. Ảnh hưởng đến Vz tương ứng với trạng thái vectơ [PPP] 44 Hình 2-13. Ảnh hưởng của Vz tương ứng với trạng thái vectơ 45 Hình 2-14. Ảnh hưởng của Vz tương ứng với trạng thái vectơ 45 Hình 2-15. Ảnh hưởng của Vz tương ứng với trạng thái vectơ 46 Hình 2-16. Trường hợp 47 thuộc tam giác thứ tư của vùng I (I-4) Hình 2-17. Mẫu xung của vectơ điện áp trung bình Hình 2-18. Trường hợp thuộc vùng I-4 thuộc tam giác thứ 3a của vùng I (I-3a) 48 49 Hình 2-19. Khối thuật toán Space Vector Modulation 53 Hình 2-20. Sơ đồ khối tạo điện áp 3 pha 54 Hình 2-21. Số thứ tự các tam giác 56 Hình 2-22. Tính toán các thời điểm chuyên mạch 57 Hình 2-23. Xung điều khiển pha A 59 Hình 2-24. Xung điều khiển pha B 59 Hình 2-25. Xung điều khiển pha C 60 Hình 2-26. Điện áp pha sau bộ nghịch lưu 60 Hình 2-27. Điện áp dây sau bộ nghịch lưu 61 ix Hình 3-1. Tổng quan mô hình hệ thống chưa qua điều khiển 63 Hình 3-2. Điện áp sau bộ chỉnh lưu khi vận tốc gió biến thiên từ 5m/s đến 10m/s (chưa có bộ điều khiển) 64 Hình 3-3. Điện áp pha khi chưa có bộ điều khiển 65 Hình 4-1. Mô hình tổng quan hệ thống đã qua điều khiển. 66 Hình 4-2. Mô hình bộ điều khiển PID 67 Hình 4-3. Thông số bộ điều khiển PID. 68 Hình 4-4. Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu sau khi được điều khiển. 69 Hình 4-5. Điện áp pha đầu ra của bộ nghịch lưu. 69 Hình 4-6. Điện áp dây đầu ra của bộ nghịch lưu 70 Hình 4-7. Mô hình hệ thống làm việc với tải RL 71 Hình 4-8. Dòng điện làm việc với tải R = 500Ω; L = 0,001H 71 Hình 4-9. Dòng điện làm việc với tải R = 1000Ω; L = 0,001H 72 Hình 4-10. Dòng điện làm việc với tải R = 1000Ω; L = 1H 72 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Để giảm bớt tình trạng phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch, con người đã tiến hành khai thác thêm nguồn năng lượng mới như: năng lượng hạt nhân và các nguồn năng lượng tái tạo. Hiện nay nguồn năng lượng tái tạo như gió, mặt trời đang được đầu tư nhiên cứu vì nguồn năng lượng này gần như không gây ô nhiễm đến môi trường và có trữ lượng vô hạn. Đây cũng là vấn đề để giải quyết nguồn năng lượng sắp cạn kiệt trong tương lai. Tuy nhiên nguồn năng lượng tái tạo thường không tập trung, nó phụ thuộc rất nhiều vào kỹ thuật mới. Do đó giá thành sản xuất ra được 1KW rất cao. Theo xu hướng phát triển của thế giới, các ngành kỹ thuật cao đã phát triển và ứng dụng ngày càng nhiều hơn thì giá thành để sản xuất ra 1KW sẽ giảm đến một lúc nào đó giá thành để sản xuất năng lượng tái tạo sẽ giảm ngang bằng với năng lượng hóa thạch và có xu hướng thấp hơn trong trong tương lai. Gần đây, bộ biến tần đa mức đã được nghiên cứu và xem như là sự lựa chọn tốt nhất cho các ứng dụng truyền động trung áp. Ưu điểm chính của bộ biến tần đa mức là điện áp đặt lên các linh kiện giảm xuống nên công suất của bộ nghịch lưu tăng lên, đồng thời công suất tổn hao do quá trình đóng cắt linh kiện cũng giảm theo. Với cùng tần số đóng cắt, các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp ra nhỏ hơn so với trường hợp biến tần hai mức nên chất lượng điện áp ra tốt hơn. Do đó việc kết hợp biến tần đa mức với máy phát điện gió là một nghiên cứu mang nhiều ý nghĩa thực tiễn và đáp ứng nhu cầu năng lượng sạch kết hợp với năng suất và lợi ích kinh tế cao. 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu bộ biến tần đa mức dùng để ổn định tần số đầu ra của máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu. Từ đó tạo ra một nguồn cung cấp năng lượng sạch, dồi dào có tính ổn định và hiệu quả kinh tế cao. 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu • Đối tượng nghiên cứu, khảo sát: - Turbin gió. - Máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu. - Biến tần đa mức sử dụng bộ nghịch lưu áp đa mức diode kẹp. - Sử dụng kết hợp biến tần đa mức với máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu. • Phạm vi nghiên cứu: - Do hạn chế về mặt thời gian nên trong luận văn chỉ tập trung vào việc nghiên cứu ổn định tần số của đầu ra máy phát điện gió khi gắn trực tiếp biến tần đa mức. - Đồng thời tập trung vào phân tích bộ nghịch lưu áp đa mức, quá trình chuyển mạnh cũng như phương pháp điều chế. 4. Phương pháp nghiên cứu • Khảo sát, phân tích tổng hợp. • Mô phỏng trên máy tính. • Đánh giá kết quả dưa trên mô phỏng. 3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn  Ý nghĩa khoa học: • Việc dùng biến tần đa mức giúp khắc phục được những nhược điểm còn tồn tại của bộ biến tần sủ dụng bộ nghịch lưu áp hai mức như là: - Sự chuyển mạch tần số cao làm giảm định mức, tuổi thọ thiết bị đóng ngắt cũng như tổn thất công suất lớn. - Tần số đóng ngắt nằm trong khoảng băng thông 10-30KHz tạo ra nhiễu điện từ trường lên thiết bị truyền thông và thiết bị điện tử khác • Thông qua việc dùng biến tần đa mức kết hợp với máy phát điện gió sẽ tạo ổn định được tần số của điện áp đầu ra cho máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu.  Ý nghĩa thực tiễn: • Sử dụng kỹ thuật trong máy phát điện gió sử dụng nam châm vĩnh cửu mạng lại lợi ích kinh tế lớn, dễ bảo dưỡng và lắp đặt (thông qua việc loại bỏ hộp số). • Ứng dụng quan trọng nhất của máy phát điện gió điện là cung cấp điện cho các vùng hải đảo, vùng xa mà lưới điện quốc gia không thể cung cấp được. 4 6. Tổng quan các nghiên cứu về máy phát điện gió Trước đây đã có nhiều nghiên cứu về máy phát điện gió và biến tần đa mức nhưng là các nghiên cứu độc lập với nhau. Chưa có nghiên cứu về sự kết hợp giữ máy phát điện gió và biến tần đa mức. Các nghiên cứu đó điển hình như:  Năm 2002, T. Nakamura, S. Morimoto, M. Sanada, Y. Takeda [2.6], đã giới thiệu một chiến lược điều khiển tối ưu cho máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu nội trong hệ thống phát điện gió.  Năm 2003, S. Morimoto, H. Nakayama, M. Sanada and Y. Takeda [2.7], đã đề xuất để sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu nội cho hệ thống phát điện gió tốc độ biến đổi.  Năm 2006, S. Morimoto, H. Kato, M. Sanada and Y. Takeda [2.7], tiếp tục đề xuất một chiến lược điều khiển cực đại công suất phát của một hệ thống phát điện gió với máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu nội.  Năm 2007, I. Kawabe, S. Morimoto and M. Sanada [2.9], đã nghiên cứu máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong với chiến lược điều khiển cực đại công suất phát của hệ thống phát điện gió.  Năm 2007, W. Qiao, L. Qu và R. G. Harley [2.10], đã thực hiện các nghiên cứu cho máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong để cực đại công suất phát và cực tiểu các tổn thất. Ngoài ra còn khá nhiều các nghiên cứu về biến tần đa mức và phương pháp điều chế biến tần đa mức được giới thiệu trong phần tài liệu tham khảo. 5 7. Cấu trúc luận văn  Mở đầu  Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH TURBIN GIÓ VÀ MÁY PHÁT ĐIỆN NAM CHÂM VĨNH CỬU. Giới thiệu tổng quan về turbin gió và máy phát điện nam châm vĩnh cửu.  Chương 2: CẤU TRÚC BỘ BIẾN TẦN ĐA MỨC DÙNG TRONG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐA MỨC. Giới thiệu cấu trúc bộ biến tần đa mức và phương pháp điều chế Vector không gian.  Chương 3: HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NAM CHÂM VĨNH CỬU LÀM VIỆC VỚI BIẾN TẦN ĐA MỨC. Kết nối mát phát điện gió nam châm vĩnh cửu và biến tần đa mức để điều khiển tần số của điện áp đầu ra.  Chương 4: ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP ĐẦU RA HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN NAM CHÂM VĨNH CỬU VÀ BIẾN TẦN ĐA MỨC. Điều khiển ổn định biên độ điện áp đầu ra của hệ thống thông qua việc dùng bộ PID để điều khiển biên độ điện áp một chiều sau bộ chỉnh lưu.  Kết luận và kiến nghị  Tài liệu tham khảo 6 Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH TURBIN GIÓ VÀ MÁY PHÁT ĐIỆN NAM CHÂM VĨNH CỬU 1.1. Năng lượng và sự chuyển đổi năng lượng gió trong turbin gió 1.1.1 Mật độ phân bố gió Gió là sự di chuyển của khối không khí trong khí quyển, chủ yếu bắt nguồn do khác nhau về nhiệt độ giữa các vùng của trái đất. Hàm mật độ xác suất thong thường nhất để mô tả tốc độ gió là hàm phân bố Weibull, được biểu diễn bởi công thức: ( )= (0.1) Trong đó k và C là hệ số hình dạng và hệ số tỷ lệ tương ứng. Hệ số này được điều chỉnh để phù hợp với dữ liệu gió tại vị trí thích hợp. Hàm xác suất phân bố Weibull cho thấy tốc độ gió trung bình hiếm khí xảy ra ở mức gió thường xuyên hơn. Xác suất phân bố lớn nhất xảy ra tương ứng với vận tốc gió 5,5m/s trong khi tốc độ gió trung bình 7m/s. Tốc độ gió trung bình cũng là một hàm theo chiều cao. Mô hình toán được đưa ra là một luật Prandtl logagrithmic, được mô tả bởi phương trình: ( ) ( ) = (0.2) Trong đó z là chiều cao mặt đất và zref là chiều cao tham khảo ( thường là 10m) và z0 là chiều cao do bề mặt địa hình, các giá trị tiêu biểu của thông số này theo địa hình được liêt kê trong bảng 1-1. Một công thức thực nghiệm khác mô tả ảnh hưởng của tốc độ gió đến địa hình và tuân thủ theo hàm mũ như sau: ( )= ( ) Trong đó, thông số Z0 phụ thuộc vào bề mặt địa hình và giá trị các loại đại hình khác nhau thể hiện cột cuối trong bảng 1-1. (0.3) tương ứng 7 Loại bề mặt Z0 (mm) Bái cát 0.2~0.3 0.1 Vùng cỏ thấp 1 đến 10 0.13 Vùng cỏ cao 40 đến 100 0.19 Vùng ngoại ô 1000 đến 2000 0.32 Bảng 0-1. Giá trị điển hình Z0 và theo từng loại địa hình Sự tin cậy của công thức Weibull phụ thuộc vào ước lượng chính xác thong số k và C. Để tính toán chính xác k và C, dữ liệu gió phải thu thập tương đối đầy đủ. Trong nhiều trường hợp những thông tin như vậy không có sẵn. Dưới tình huống như vậy, một trường hợp đơn giản hóa mô hình Weibull được đưa ra, xấp xỉ K bằng 2 và C  2V /  với V là vận tốc gió trung bình, thế vào (1.1) ta được hàm mật độ xác suất gọi là Rayleigh: ( )= exp (0.4) Thể hiện mật độ xác suất tốc độ gió của phân bố Rayleigh, tương ứng tốc độ gió trung bình là 5,4m/s và 8,2m/s. 1.1.2 Năng lượng gió Động năng gió trong một đơn vị thể tích Ek = (1/2).r.v2, trong đó r (kg/m3) là mật độ không khí. Công suất gió xuyên qua khu vực diện tích A với tốc độ gió trung bình v là: = rA (0.5) Năng lượng gió được tính trong khoảng thời gian Tp thường là một năm: = rA ∫ dt (0.6) 8 1.1.3 Sự chuyển đổi năng lượng gió Năng lượng thực tế (hay công suất cơ) lấy được từ gió Pr bởi cánh quạt tuabin chính bằng sự khác nhau giữa động năng tích trữ trong gió ở phía trước cánh quạt có vận tốc  và động năng của gió đằng sau cánh quạt có vận tốc d = rA [ ] (0.7) Trong đó - A: Diện tích cánh quạt gió (m2) - Cp được gọi là hiệu suất của cánh quạt tuabin (hay còn gọi ngắn gọn hơn là hiệu suất rotor), được tính: ( , )= + (0.8) Mà Các giá trị của hệ số C1 đến C6 là: C1 = 0.5176, C2 = 116, C3 = 0.4, C4 = 5, C5 = 21, C6 = 0.0068. Và = = (0.9) . (0.10) . : Vận tốc của rotor (v/p) R: Bán kính cánh quạt (m) v: Vận tốc gió (m/s) : Góc quay cánh (độ) Hệ số công suất cực đại Cp max = 16/27 = 59,3% Giá trị lý thuyết Crmax chỉ ra rằng tuabin không thể lấy nhiều hơn 59,3% năng lượng từ gió. Ta rút ra nhận xét, nếu như rotor quay quá chậm thì gió sẽ dễ dàng đi xuyên qua mà không tác động nhiều lên cánh quạt. Ngược lại, nếu rotor quay quá nhanh thì cánh quạt sẽ giống như một bức tường chắn và vận tốc gió phía sau cánh quạt gần như bằng không, hệ quả là hiệu suất gần bằng không. Momen turbin gió được tính theo công thức sau: = = rA (N/m) (0.11) 9 1.2. Máy phát điện xoay chiều ba pha nam châm vĩnh cửu 1.2.1. Cấu tạo Máy điện nam châm vĩnh cửu (PMSM) là một máy điện có một Stator 3 pha cổ điển giống như một động cơ không đồng bộ, Rotor có các nam châm vĩnh cửu được lắp đặt trên bề mặt. Hình 0-1. Mặt cắt của một động cơ đồng bộ PM Đặc biệt, PMSM là tương đương với một động cơ không đồng bộ, ở đó có từ trường khe hở không khí được tạo bởi một nam châm vĩnh cửu, vì vậy từ trường Rotor là không đổi. Các động cơ đồng bộ PM đưa ra một số thuận lợi trong thiết kế các hệ thống điều khiển chuyển động hiện đại. Sử dụng của một nam châm vĩnh cửu để phát ra đường từ thông khe hở không khí thực chất làm cho nó có khả năng thiết kế các động cơ PM hiệu quả cao. 10 1.2.2. Mô hình máy điện nam châm vĩnh cửu 1.2.2.1. Mô hình đơn giản của máy điện đồng bộ ba pha Hình 0-2. Mô hình đơn giản của máy điện đồng bộ ba pha rotor cực ẩn  Các phương trình cơ bản  Hệ phương trình cân bằng áp trong hệ toạ độ pha: = Stator: Rotor: = + + (0.12) (0.13) Với: : điện áp ngoài đặt vào mạch kích từ : điện trở của dây quấn kích từ : điện trở của dây quấn stator = diag [rs rs rs) (0.14) 11  Xét máy điện đồng bộ có dây quấn đệm Hình 0-3. Mô hình máy điện đồng bộ có dây quấn đệm Trong đó: : dòng thanh do từ trước dọc trục d cảm ứng ra. : dòng thanh do từ trường ngang trục q cảm ứng ra. : dòng chạy trong cuộn dây kích từ. : dòng chạy trong cuộn dây ngang trục. : dòng chạy trong cuộn dây ngang trục Phương trình điện áp trong hệ toạ độ pha: = + = + = + = + (0.15) Trong đó: , , : lần lượt là điện áp của các cuộn dây pha a, b, c. , , , : lần lượt là dòng diện của các cuộn dây pha a, b, c. , : lần lượt là từ thông của các cuộn dây pha a, b, c. : từ thông móc vòng của cuộn dây kích từ. Phương trình từ thông: = + + + (0.16) 12 = + + + (0.17) = + + + (0.18) = + + + (0.19) Với: , , lần lượt là từ cảm của các cuộn dây pha a, b, c. là từ cảm của cuộn dây kích từ. , , , , , , , lần lượt là hỗ cảm của các cuộn dây pha a,b,c qua cuộn dây kích , , lần lượt là hỗ cảm của cuộn dây kích từ qua các cuộn dây pha a, lần lượt là hỗ cảm giữa các pha. từ. b, c. Phương trình từ cảm và hỗ cảm của động cơ: = + cos 2 = + cos 2( 120 ) (0.21) = + cos 2( 120 ) (0.22) = + (0.20) (0.23) = = cos 2( 120 ) (0.24) = = cos 2( 120 ) (0.25) = = cos 2( 360 ) (0.26) = = cos = = cos( 120 ) (0.28) = = cos( + 120 ) (0.29) (0.27) = (0.30) = (0.31)