Cải thiện phương pháp điều khiển trực tiếp mô men động cơ không đồng bộ ở biến tần có chỉnh lưu tích cực

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Cải thiện phương pháp điều khiển trực tiếp mô men động không đồng biến tần có chỉnh lưu tích cực Improve the torque direct control method of the asynchronous motor at converters with active rectifiers Lê Văn Tùng*, Bùi Trung Kiên, Phạm Hữu Chiến Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh * Email: levantungdktd@gmail.com Từ khóa: Chỉnh lưu tích cực pha; điều khiển dịng điện; điều khiển mơ men; nghịch lưu pha; Matlab & Simulink Key word: Three-phase PWM rectifier; current control; torque control; three-phase inverter; Matlab & Simulink Tóm tắt Nghiên cứu biến tần sử dụng chỉnh lưu điều khiển hồn tồn hay cịn gọi chỉnh lưu tích cực có nhiều ưu điểm so với chỉnh lưu không điều khiển (cầu diode) Bộ chỉnh lưu với kỹ thuật điều chế độ rộng xung phương pháp điều khiển tựa điện áp đảm bảo dịng điện đầu vào hình sine, hệ số cơng suất 1, điện áp chiều DC đầu ổn định, lượng trao đổi theo hai chiều tải lưới điện Điều khiển tựa điện áp ước lượng điện áp lưới sau tiến hành điều khiển dịng điện theo cơng suất Bài báo phân tích ưu điểm phương pháp điều khiển dịng điện mạch chỉnh lưu làm việc với tải động pha Phương pháp điều khiển trực tiếp mô men động nâng cao cách lựa chọn bảng sector chuyển mạch Kết hợp nguồn - mạch chỉnh lưu tích cực - nghịch lưu - động - tải tạo thành hệ thống truyền động điện hoàn chỉnh với hiệu làm việc cải thiện Kết nghiên cứu kiểm chứng phần mềm Matlab & Simulink Abstract Research of frequency converters that usefully controlled rectifier, also known as active rectifier, have many advantages compared to uncontrolled rectifier (diode bridges) Rectifier with pulse width modulation technique by voltage orient control method ensures sine input current, power factor is 1, constant DC voltage at the output, energy exchange according to bidirectional between load and grid The voltage orient control will estimate the grid voltage and then proceed with current control or according to power The paper analysis the advantages of the method of controlling the current in the rectifier circuit when working with the three-phase motor load The torque direct control method of the motor is enhanced by selecting a new switch table of the voltage vector Combining power - active rectifier circuit - inverter - motor - load creates a complete electric drive system with improved working efficiency The research results were verified by Matlab & Simulink software tuyến phát thành phần sóng hài lên lưới Kết tương ứng hệ số công suất thấp gây vấn đề không nhỏ hệ thống điện nhiễu điện áp điện từ (Electro Magnetic Interface - EMI), làm tăng số công suất định mức trang bị điện hệ thống lưới (máy phát, máy biến áp, hệ thống đường dây truyền tải) Trong biến tần dùng chỉnh lưu Diode lượng truyền theo chiều Khi hệ thống làm việc mà động chuyển thành máy phát lượng không GIỚI THIỆU Trong thực tế nay, chỉnh lưu Diode chỉnh lưu Thyristr dùng phổ biến Các chỉnh lưu có ưu điểm vốn đầu tư ban đầu, vận hành, bảo dưỡng sửa chữa thấp Làm việc ổn định môi trường khắc nghiệt Đồng thời với khả chịu dòng, áp lớn van Diode Thyristor nên sử dụng nhiều ứng dụng địi hỏi cơng suất lớn Tuy nhiên nhược điểm chỉnh lưu thể đặc tính làm việc phi * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 96 ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH trả lưới mà tiêu tán điện trở xả, gây lãng phí Khi sử dụng Thyristor có nhiều sơ đồ mạch đưa để đảm bảo truyền lượng theo hai chiều sơ đồ cồng kềnh, hiệu suất thấp, điều khiển khó khăn Hiện chỉnh lưu tích cực sử dụng van điều khiển hồn tồn, có tần số đóng cắt nhanh (IGBT) phát triển ứng dụng thiết bị điện tử cơng suất nói chung biến đổi tần số nói riêng Các chỉnh lưu điều khiển dòng nạp cho tụ biên độ góc pha so với điện áp lưới Đảm bảo hệ số cosφ =1 đầu vào, trao đổi lượng tải lưới theo chiều, thành phần sóng hài thấp Đây ưu điểm chỉnh lưu tích cực [5], [6] Phương pháp điều khiển chỉnh lưu tích cực tựa điện áp ước lượng điện áp lưới sau điều khiển dịng điện (VOC - Voltage Orientend Control) có ưu điểm tần số đóng cắt cố định nên thiết kế khối lọc đầu vào đơn giản, tận dụng ưu điểm phương pháp điều chế PWM, giá thành rẻ Sự kết hợp chỉnh lưu tích cực với mạch nghịch lưu điều khiển tốc độ động xoay chiều pha đảm bảo hệ thống trao đổi lượng theo hai chiều lưới tải Trong q trình hoạt động động làm việc góc phần tư hệ tọa độ Biến tần kiểu thường gọi biến tần góc phần tư hay biến tần 4Q Điều khiển động theo phương pháp điều khiển trực tiếp mô men (DTC - Direct Torque Control) có nhiều ưu điểm làm việc vùng tốc độ thấp, mô men tải thay đổi đột ngột đáp ứng mơ men nhanh, độ gợn mô men thấp, tần số chuyển mạch ổn định [1], [4] Kết hợp phương pháp điều khiển chỉnh lưu tích cực với mạch nghịch lưu điều khiển trực tiếp mô men động nâng cao chất lượng hệ truyền động điện thực tế Chỉnh lưu PWM S1 S3 Nghịch lưu S7 S5 a S9 S11 C b A B ĐC C c S2 S4 S8 S6 S10 S12 Hình Bộ biến tần góc phần tư Sơ đồ mạch lực biến tần có chỉnh lưu tích cực giống sơ đồ biến tần trực tiếp kiểu ma trận [2], [3] Tuy nhiên biến tần 4Q có thành phần trung gian chiều tụ điện C, nguyên lý hoạt động có tính chất biến tần gián tiếp PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỰA ĐIỆN ÁP (VOC) Cấu trúc điều khiển VOC sử dụng mạch vòng điều khiển dòng điện cấu trúc phát triển Cấu trúc dựa việc chuyển đổi hệ trục tọa độ cố định α – β hệ trục tọa độ quay d – q Các giá trị đo hệ tọa độ tự nhiên abc, biến đổi sang hệ trục tọa độ tĩnh α – β, sau biến đổi sang hệ trục tọa độ quay d – q hình Phương pháp đảm bảo đáp ứng tức thời nhanh hiệu suất tĩnh cao thơng qua mạch vịng điều khiển dịng điện bên Ở hình 2, tải mạch nghịch lưu động xoay chiều pha; PI: Bộ điều chỉnh dòng điện theo trục d - q điều chỉnh điện áp chiều DC; PWM: Khối tạo xung điều khiển IGBT, L: cuộn kháng có chức không cho ngắn mạch đầu vào khối tăng cường 97 * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP QUẢNG NINH C Ln đảm bảo điện áp đầu chỉnh lưu giá trị Udc ref đặt tải thay đổi Hình Cấu trúc điều khiển tách dòng điện đầu vào chỉnh lưu Phương pháp điều khiển trực tiếp mô men động không đồng pha Trong phương pháp điều khiển véc tơ phương pháp điều khiển trực tiếp mô men DTC ứng dụng rộng rãi công nghiệp Với ưu điểm thời gian đáp ứng mô men nhỏ, chuyển hệ tọa độ, độ tin cậy cao, sử dụng công thức để ước lượng tốc độ rô to mà không cần dùng cảm biến tốc độ Điều khiển mô men điều khiển đảm bảo biên độ vector từ thông stator mô men giữ phạm vi cho phép Sai lệch hai bước tính phụ thuộc vào tần số cắt mẫu Phương pháp điều khiển DTC sử dụng bảng chuyển mạch sector điện áp (hình 5) tạo hai vùng điều khiển tăng giảm mô men nên phản ứng điều khiển chậm mô men động thay đổi liên tục [4] Việc đề xuất bảng chuyển mạch với 12 sector điện áp tạo vùng điều khiển tương ứng giảm mạnh (MD), giảm nhỏ (MsD), tăng nhỏ (MsI), tăng mạnh mô men (MI) Như điều khiển phản ứng nhanh có dao động mô men biên độ giữ mức theo u cầu, q trình điều khiển xác Sơ đồ cấu trúc điều khiển DTC hình Trong đó: Ψsα, Ψsβ - từ thơng stator theo trục α, β; Ψsm - từ thông stator; ωr - tốc độ quay rotor; ωr* - giá trị tốc độ đặt; Md - mô men điện từ động cơ; Ψ*sm - từ thơng đặt; γ - góc lệch vector điện áp với trục α; ĐK1 - điều khiển từ thông; BĐK2 - điều khiển mô men; F - khối tổng hợp tín hiệu; BCV - bảng chọn vector; BC - lựa chọn vùng sector; ULM - ước lượng mô men từ thông; NL - nghịch lưu điện áp; ĐC - động xoay chiều pha Hình Cấu trúc chỉnh lưu PWM theo VOC Trong hệ tọa độ d – q điện áp lưới tính sau: Giả sử điện trở đầu vào vô bé so với điện cảm đầu vào cơng thức tối giản thành: Dịng điện iqref đặt để đảm bảo hệ số công suất đầu vào dẫn đến cơng thức: (6) Dịng điện idref lấy đầu điều chỉnh (PI) điện áp chiều so sánh với giá trị dòng điện quy đổi khâu biến đổi tọa độ (abc) sang (α - β) (d - q) Sai lệch phép so sánh độ trễ điều khiển Trong cấu trúc điều khiển giá trị dòng điện iqref số, mục đích điều khiển bám cần khâu tích phân để triệt tiêu sai lệch tĩnh Như lựa chọn điều chỉnh dịng điện có cấu trúc PI để khử nhiễu triệt tiêu sai lệch tĩnh Thêm vào phân tách dịng điện theo hai trục d – q có điện áp hỗ cảm trục Để khử thành phần chéo ta sử dụng tách kênh hình Bộ điều chỉnh PI mạch vịng điện áp có tác dụng giữ cho điện áp Udc không đổi tụ C theo giá trị đặt trước mong muốn, nghĩa điều khiển dịng cơng suất tác dụng chảy đến phía tụ * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 98 ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Udc - + BĐK1 dΨ Sa Ψs*m ĐK3 ωr* Sb BĐK2 Md* BCV dm ∆М - F NL F Sc - γ BC Ψsα Ψsm Md ωr Ψsβ is abc ULM ВПД us abc ĐC Hình Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển DTC β N3 V3 V2 V3N(010) = N4 V1 V0 V7 = V5 = N5 N1 βN3 V2(110) N2 V2(110) N2 N1 V1(100) α N1 N12 V4(011) V N111(100) α N8 N12 N9 N10 N V6(101) V5(001) N11 N8 N 10 N9 V6(101) V5(001) α V6 = N4 N6 N4 N3 N5 V4(011) V0 V7 N6 V4(011) V4(011) N = V4 β V3(010) N2 N6 Hình Vị trí sector điện áp stator Hình Vị trí 12 sector điện áp stator Phương pháp điều khiển DTC với 12 sector nhanh chóng đưa giá trị mơ men từ thông động nằm vùng ổn định Việc phân tách thành vùng điều khiển điều khiển mơ men hình khâu trễ vị trí, đầu với giá trị -y2, -y1, y1, y2 tương ứng giảm mạnh mô men, giảm nhỏ mô men, tăng nhỏ mô men, tăng mạnh mơ men Đối với q trình tăng mơ men, sai lệch nằm khoảng (0→a) ta cần tăng nhỏ mơ men Cịn q trình giảm mô men ta cần giảm nhỏ mô men sai lệch khoảng (-a→0) Như biên độ dao động mô men giữ mức theo u cầu q trình điều khiển xác (hình 7) Tương tự phương pháp tạo bảng chuyển mạch sector [6], lập luận theo chuyển động quay từ thông stator ta thu bảng lựa chọn vector điện áp điều khiển IGBT bảng Bảng Bảng chuyển mạch với 12 sector điện áp dΨ FI dм MI = MSI = N1 V2 V2 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9 N10 N11 N12 V3 V3 V4 V4 V5 V5 V6 V6 V1 V1 V2 V2 V3 V3 V4 V4 V5 V5 V6 V6 V1 V1 99 * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH MSD = -1 MD = -2 MI = FD MSI = MSD = -1 MD = -2 V1 V6 V3 V4 V7 V5 V1 V1 V4 V4 V5 V6 V2 V1 V4 V5 V0 V6 V2 V2 V5 V5 V6 V1 V3 V2 V5 V6 V7 V1 V3 V3 V6 V6 V1 V2 V4 V3 V6 V1 V0 V2 V4 V4 V1 V1 V2 V3 V5 V4 V1 V2 V7 V3 V5 V5 V2 V2 V3 V4 V6 V5 V2 V3 V0 V4 Điện cảm tản rơ to LIr (Ω) 0,002973 Điện cảm từ hóa Lm (H) 0,209 Hình Đặc tính làm việc điều khiển trễ bốn vị trí (lựa chọn a = 1) Mơ tả tốn học động khơng đồng xoay chiều pha biểu diễn hệ trục (α, β) để tính tốn giá trị tức thời từ thơng, mơ men điện từ, dịng điện điện áp stator biểu diễn qua phương trình sau: V6 V6 V3 V3 V4 V5 Mơ men qn tính J (kg.m ) 0,05 Số đơi cực (p) Mô men tải định mức Mc (N.m) 14,6 Mạch nghịch lưu IGBT đóng cắt tạo điện áp định mức Uđm = 380V cấp cho động cơ, điện áp chiều Udc mà mạch chỉnh lưu tích cực cần đóng cắt xác định công thức sau: Với m – hệ số điều chế (chọn m = 0,9) ta có: Tương tự dựa vào tham số động cơ, điện áp chiều Udc ta tính tốn tham số cho mạch chỉnh lưu tích cực IGBT bảng [6] Bảng Thơng số mạch chỉnh lưu Ở đây: p – số đôi cực động cơ, Rs - điện trở stator động (Ω) Bảng Thông số động không đồng Công suất P (Kw) 2,2 Điện áp (V) 220/380 Tần số (Hz) 50 Tốc độ rô to (v/p) 1436 Điện trở stator Rs (Ω) 6,367 Điện trở rô to Rr (Ω) 0,6258 Điện cảm tản stator LIs (Ω) 0,002981 * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 Điện áp nguồn cấp Um (V) 220 Tần số ngõ vào (Hz) 50 Dòng điện Idc (A) 15 Tụ điện C lọc điện áp DC (μF) 3900 Điện cảm đầu vào L (H) 0,005 Điện áp chiều đầu yêu 690 cầu Udc (V) KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Sử dụng phần mềm Matlab & Simulink để xây dựng khối chức lập trình m-file thực thuật tốn chuyển mạch cho biến tần 100 ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Hình Sơ đồ điều khiển DTC với chỉnh lưu tích cực Trong đó: - Nguồn pha; 2, - Cảm biến dòng điện điện áp AC; - Cuộn kháng; - Mạch lực chỉnh lưu tích cực (IGBT); - Mạch lực nghịch lưu điện áp (IGBT); - Động không đồng bộ; - Khối tổng hợp phương pháp điều khiển chỉnh lưu tích cực theo phương pháp VOC; - Khối tổng hợp phương pháp điều khiển trực tiếp mô men động cơ; 10 - Cảm biến đo điện áp chiều DC; Mc - Mô men tải Để đánh giá chất lượng làm việc hệ thống chỉnh lưu nghịch lưu đặt tốc độ động mơ men tải Mc ban đầu số (Mc = Mcmax > 0) Khi hệ thống làm việc ổn định mơ men tải đột ngột đảo chiều (Mc = Mcmax < 0), sau đặt động làm việc tốc độ quay ngược chiều ban đầu Đây hai thay đổi mang đặc tính nặng nề động không đồng làm việc thể hìn hình Hình Đặc tính mơ men tải Mc Kết mơ sau: Hình Đặc tính điện áp nguồn xoay chiều Hình 11 Đặc tính dịng điện đầu vào (cùng pha với điện áp) Hình Đặc tính tốc độ đặt trước 101 * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Hình 15 Đặc tính hệ số cơng suất cosφ Hình 10 Đặc tính điện áp chiều đầu Khi hệ thống làm việc hệ số cosφ ≈ 1, đảm bảo hiệu suất làm việc chỉnh lưu tích cực Khi xảy hãm, lượng trả lưới cosφ ≈ -1 Hình 12 Đặc tính dịng điện có mơ men phản kháng t = 0,15s (Mc = -16 N.m) Hình 16 Đặc tính tốc độ làm việc động Tốc độ thực tế động bám theo giá trị tốc độ đặt trước (n = ±1000v/p) Điều chứng tỏ hệ thống điều khiển thiết kế đảm bảo yêu cầu hệ truyền động Hình 13 Đặc tính sóng hài dịng điện đầu vào động làm việc ổn định (TDH=1,82%) Hình 17 Đặc tính mơ men điện từ động với bảng chuyển mạch sector Hình 14 Đặc tính cơng suất tác dụng đầu vào chỉnh lưu Tại thời điểm t = 0,15(s), xuất mô men phản kháng Mc = -16 (N.m) động không đồng làm việc chế độ máy phát Công suất tác dụng (P < 0) đưa trả lưới thông qua nghịch lưu mạch chỉnh lưu * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 102 Hình 18 Đặc tính mơ men điện từ động với bảng chuyển mạch 12 sector ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Nhận thấy mô men điện từ động phản ứng nhanh có thay đổi mô men tải bám sát để đảm bảo Mc = Md Hình 19 Qũy đạo từ thơng với bảng chuyển mạch sector Hình 20 Qũy đạo từ thông với bảng chuyển mạch 12 sector Sử dụng bảng chuyển mạch 12 sector có từ thơng stator động phương pháp sector THẢO LUẬN Từ kết nghiên cứu cho thấy biến tần với chỉnh lưu sử dụng phương pháp điều khiển tựa điện áp lưới có ưu điểm hệ số cosφ = 1, công suất trao đổi theo hai chiều, dịng điện lưới hình sine thành phần sóng hài giảm rõ rệt Khi mô men tải thay đổi đột ngột phương pháp điều khiển trực tiếp mơ men với 12 sector đảm bảo hệ thống làm việc ổn định, tốc độ động bám theo giá trị đặt Độ điều chỉnh mô men nhỏ phương pháp DTC với sector Hệ thống truyền động điện thiết kế có chất lượng cao Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu cịn thấy phương pháp điều khiển tựa điện áp lưới cho chỉnh lưu tích cực cần sử dụng biến đổi hệ tọa độ, sử dụng điều khiển tách dòng điện điện áp cần đóng cắt theo yêu cầu nên cơng suất đầu bị ảnh hưởng, thuật tốn điều khiển phức tạp Vì cần cải tiến thay điều khiển dòng điện điện áp điều khiển trực tiếp công suất phản kháng q =0 để đảm bảo cosφ =1 Trong hệ thống tải có công suất lớn, làm việc xảy sụt áp nhiễu lên lưới điện, lúc góc lệch pha vector điện áp stator với trục α không làm ảnh hưởng đến kết phép biến đổi tọa độ cần có giải pháp cải thiện sử dụng biến tần có chỉnh lưu tích cực KẾT LUẬN Qua phân tích lý thuyết kết thu từ mô cho thấy biến tần có chỉnh lưu tích cực biến đổi có nhiều ưu điểm so với biến tần có chỉnh lưu Diod thực tế Năng lượng trao đổi theo hai chiều nên phù hợp làm việc với tải có hãm tái sinh, hệ số cơng suất cao, dịng điện lưới hình sine Phương pháp điều khiển trực tiếp mô men động mạch nghịch lưu đảm bảo chất lượng hệ thống truyền động điện thực tế tốc độ bám theo giá trị đặt, mô men điện từ phản ứng nhanh với thay đổi mô men tải Trong báo đưa phương pháp điều khiển DTC biến tần 4Q cách nghiên cứu bảng chuyển mạch điện áp điều khiển để tăng tốc độ đáp ứng mô men điện từ so với thay đổi tải TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hableter T.G., Profumo F., Pastorelli M., Tolbert L.M (1992), “Direct torque control of induction machines using space vector modulation,” IEEE Trans Ind Applicat, vol 28, pp 1045-1053 [2] Lê Văn Tùng, Phạm Hữu Chiến, Nguyễn Thị Mến (06/2019), “Phương pháp điều khiển V/F cho biến tần ma trận sử dụng điều chế véc tơ không gian trực tiếp,” Tập san nội Trường ĐHCNQN, tập 46 Tr.1-7 [3] Lê Văn Tùng, Bùi Thị Thêm (06/2019), “Đánh giá phương pháp điều chế sinPWM, SVM cho biến tần gián tiếp ba pha hai bậc biến tần trực tiếp,” Tập san nội Trường ĐHCNQN, tập 46 Tr.8-16 [4] Lê Văn Tùng, Bùi Thị Thêm, Nguyễn Thị Mến (06/2018), “Điều khiển trực tiếp mô men động băng tải theo phương pháp DTC-SVM sử dụng biến tần gián tiếp nguồn áp,” Hội nghị khoa học lần V Trường Đại ĐHCNQN, tập Tr 1-8 [5] Malinowski, M (2001), “Sensorless Control Strategies for Three-Phase PWM Rectifiers,” M Malinowski//Ph.D Thesis Warsaw, pp.1-128 [6] Min, B.D (1999), “SVM-based hysteresis current controller for three-phase PWM rectifier,” IEE—Elect Power Applicat, vol 146, pp 225-230 103 * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 ... tổng hợp phương pháp điều khiển chỉnh lưu tích cực theo phương pháp VOC; - Khối tổng hợp phương pháp điều khiển trực tiếp mô men động cơ; 10 - Cảm biến đo điện áp chiều DC; Mc - Mô men tải Để... thiện sử dụng biến tần có chỉnh lưu tích cực KẾT LUẬN Qua phân tích lý thuyết kết thu từ mô cho thấy biến tần có chỉnh lưu tích cực biến đổi có nhiều ưu điểm so với biến tần có chỉnh lưu Diod thực... Trong q trình hoạt động động làm việc góc phần tư hệ tọa độ Biến tần kiểu thường gọi biến tần góc phần tư hay biến tần 4Q Điều khiển động theo phương pháp điều khiển trực tiếp mơ men (DTC - Direct