30 468 hoangtrongduc 09 hoang trong duc 7835

CẢI THIỆN MÔMEN CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTOR LỒNG SÓC Ở CHẾ ĐỘ QUÁ ĐỘ CÓ TẢI TRONG DẢI TỐC ĐỘ TỪ LÂN CẬN ĐỊNH MỨC ĐẾN ĐỊNH MỨC HOÀNG TRỌNG ĐỨC Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế Tóm tắt: Bài báo trình bày ứng dụng phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến để cải thiện đặc tính mơmen động khơng đồng ba pha rotor lồng sóc chế độ độ có tải Động hoạt động tốc độ lân cận định mức định mức Động điều khiển theo phương pháp tựa từ thông rotor gián tiếp với nghịch lưu áp năm mức kiểu cầu H nối tầng Kết nghiên cứu mô kiểm chứng phần mềm PSIM cho thấy đặc tính mơmen chế độ q độ có tải có biên độ dao động nhỏ nhanh chóng xác lập so với trường hợp sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung Từ khóa: điều chế độ rộng xung cải biến, chế độ độ MỞ ĐẦU Q trình làm việc động chia thành giai đoạn: độ ổn định Mỗi giai đoạn tương ứng với chế độ làm việc Chế độ độ có tải cần quan tâm nghiên cứu, ảnh hưởng đến khả làm việc ổn định hay không ổn định động [1], [3] Sử dụng phương pháp điều khiển động thay đổi phần cấu trúc điều khiển động nhằm thu đặc tính mơmen nhanh đạt trạng thái xác lập giảm biên độ dao động (hay giảm độ điều chỉnh) Trong báo này, dùng cấu trúc điều khiển tựa từ thông rotor gián tiếp (Indirect Field Oriented Control-IFOC) để điều khiển động không đồng ba pha rotor lồng sóc [1] Với cấu trúc điều khiển này, động xoay chiều ba pha điều khiển động chiều Bộ nghịch lưu áp năm mức kiểu cầu H nối tầng (5L-CHB) tạo điện áp pha cung cấp cho động có dạng sóng đa mức tiệm cận dạng sóng sin điều hịa Sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (Switching Frequency Optimal PWM : SFO-PWM) để điều chế cho nghịch áp đa mức, thay cho phương pháp điều chế độ rộng xung (Subharmonic Pulse Width Modulation: SH-PWM) Các kết nghiên cứu mơ đặc tính mơmen chế độ độ có tải ứng với trường hợp động hoạt động tốc độ lân cận định mức định mức có nhiều điểm lý thú PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG CẢI BIẾN Về mặt thuật toán điều khiển nghịch lưu áp, phương pháp SFO-PWM kế thừa đầy đủ ưu điểm phương pháp SH-PWM Đó là, tạo xung kích đóng-ngắt khóa bán dẫn nghịch lưu áp sở so sánh hai tín hiệu: sóng mang Ucr (carier signal) điện áp điều chế Ur (modulation signal) [1], [2] Phương pháp SH-PWM sử Tạp chí Khoa học Giáo dục, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế ISSN 1859-1612, Số 04(36)/2015: tr 48-55 CẢI THIỆN MÔMEN CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 49 dụng điện áp điều chế Ur dạng sin, điện áp điều chế dùng phương pháp SFO-PWM có dạng “hình thang” Ở đây, điện áp điều chế pha biến đổi lượng thành phần thứ tự không Các điện áp điều chế bị dịch độ lớn giá trị điện áp trung bình chu kỳ sóng mang thay đổi giá trị Do đó, điện áp dây đầu nghịch lưu không thay đổi Thành phần điện áp thứ tự khơng cịn gọi điện áp offset, sóng hài bội ba dạng tam giác có tần số gấp lần tần số điện áp điều chế Điện áp offset tính tốn từ tín hiệu lớn ba tín hiệu điều chế tín hiệu nhỏ ba tín hiệu điều chế Nếu gọi Ura, Urb, Urc điện áp điều chế phương pháp SH-PWM điện áp điều chế phương pháp SFO-PWM (hình 1) biểu diễn dạng toán học: max(U ,U rb ,U rc ) + min(U ,U rb ,U rc ) ⎧ ⎪U offset = − ⎨ ⎪U xSFO = U rx + U offset ; x = a,b,c ⎩ (1) Hình Điện áp điều chế, điện áp offset SFO-PWM SH-PWM Hình mơ tả q trình tạo xung kích đóng-ngắt khóa bán dẫn IGBT nghịch lưu áp 5L-CHB Các sóng mang Ucr1 Ucr1- dùng để tạo xung đóng khóa S11 S31 nghịch lưu áp pha H1, cịn sóng mang Ucr2 Ucr2- dùng để tạo xung đóng khóa S12 S32 nghịch lưu áp pha H2 Các sóng mang bố trí theo kiểu IPD (In-Phase Disposition) Khi điện áp điều chế pha A (Ura) lớn sóng mang Ucr1 Ucr2 tạo xung đóng khóa S11 S12 tương ứng Các sóng mang Ucr1và Ucr2- tạo xung đóng khóa S31 S32 Ura nhỏ sóng mang Xung đóng khóa S41, S21, S42 S22 tín hiệu bù xung đóng khóa S11, S31, S12 S32 50 HOÀNG TRỌNG ĐỨC A S11 D11 S31 D31 U h1 E S41 D 41 S21 D 21 H1 S12 D12 S32 D32 U h2 E S42 D 42 S22 H2 D 22 N Hình Pha A nghịch lưu áp 5L-CHB Hình Giản đồ xung kích đóng-ngắt IGBT pha A ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTOR LỒNG SÓC ⎧ λ = k2 ikt Đối với động chiều, ta có: ⎨ M (2) Từ thông λM phụ thuộc vào ⎩Te = k1 λM iu dịng kích từ ikt nên từ ikt điều khiển khống chế λM Mặt khác, CẢI THIỆN MÔMEN CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 51 thời điểm công tác động cơ, từ thông điều chỉnh ổn định giá trị không đổi nên mômen quay Te tỷ lệ thuận với dòng phần ứng iu Đối với động khơng đồng ba pha rotor lồng sóc, ta có quan hệ mơmen quay, từ thơng phần tử vector dòng stator quan sát hệ tọa độ từ thông rotor (tọa độ dq): Lm ⎧ ⎪λdr = + pτ ids ⎪ r ⎨ ⎪T = Lm Z λ i ⎪⎩ e Lr p dr qs (3) đó: λdr, ids, iqs, Lr, Lm, Zp, τr, p là: từ thơng rotor trục d, dịng điện stator trục d q, điện cảm rotor, hỗ cảm stator rotor, số đôi cực từ, số thời gian rotor, tốn tử Laplace Hình Hệ tọa độ từ thơng rotor [1] Phương trình (3) cho thấy, từ thơng rotor tăng giảm gián tiếp thơng qua tăng giảm ids, λdr ids có quan hệ trễ bậc với số thời gian τr Hình Cấu trúc điều khiển động khơng đồng ba pha theo IFOC [1] Nếu áp đặt nhanh xác dịng ids xem ids đại lượng điều khiển từ thông rotor (ids giữ vai trị tương tự ikt) Nếu thành cơng việc điều chỉnh ổn định λdr điểm công tác động cơ, đồng thời thành công việc áp đặt nhanh xác dịng iqs xem iqs đại lượng điều khiển mơmen Góc từ thơng rotor: θ f = ∫ ( ωr + ωsl )dt (4), với ωsl = Lm τ r λr iqs 52 HOÀNG TRỌNG ĐỨC * * Khi giữ λr* khơng đổi q trình hoạt động ( pλr* = ) ids là: ids = * Dòng điện trục q: iqs = * r KT λ Te* (6), với KT = * λr (5) Lm Lm Zp Lr Như vậy, phương pháp điều khiển động không đồng ba pha rotor lồng sóc tựa từ thơng rotor gián tiếp tạo công cụ cho phép tách thành phần dịng tạo từ thơng dịng tạo mơmen quay từ dịng điện xoay chiều pha chảy cuộn dây stator động [1], [3] Phép mô tả dẫn tới tương quan giống động chiều, nhằm đạt tính điều khiển nhanh, xác khơng tương tác Hình mơ tả cấu trúc điều khiển động khơng đồng ba pha rotor lồng sóc theo IFOC Trong khối nghịch lưu áp (Voltage Source Inverter-VSI) sử dụng nghịch lưu áp 5L-CHB, khối PWM sử dụng phương pháp SFO-PWM để điều chế cho khối VSI KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN Mơ cấu trúc điều khiển động không đồng ba pha rotor lồng sóc hình phần mềm PSIM Các thông số động cơ: Rs = 0.294 (Ω), Rr = 0.156 (Ω), Ls = 0.00139 (H), Lr = 0.0074 (H), Lm = 0.041 (H), Zp = 3, Ud = 380 (V) Các sóng mang IPD có tần số fcr = 4050 (Hz), biên độ đỉnh Acr = 0,5 (V) Kết mô hoạt động động dải tốc độ từ lân cận định mức 1440 vg/ph đến định mức 1451 vòng/phút chế độ độ có tải sử dụng phương pháp điều chế SH-PWM SFOPWM mô tả hình sau: Hình Mơmen động theo SH-PWM (a) SFO-PWM (b) tốc độ 1440 vg/ph Hình hình mơ tả đặc tính mơmen động chế độ độ có tải theo SH-PWM SFO-PWM Xét cách tổng quát, mômen đạt yêu cầu q trình điều khiển Đó là, đạt trạng thái xác lập khơng tải có tải, đường đặc tính chế độ q độ tựa theo hình dạng dao động tắt dần Trong thời gian mô từ 0.58s đến CẢI THIỆN MÔMEN CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 53 0.6s, động hoạt động ổn định chế độ xác lập không tải Sau đóng tải 20Nm thời điểm 0.6s, động hoạt động chế độ độ khoảng thời gian định đạt trạng thái xác lập Hình Mơmen động theo SH-PWM (a) SFO-PWM (b) tốc độ 1451 vg/ph Tuy nhiên, quan sát kỹ mơ tả đặc tính mômen tốc độ 1440 vg/ph tốc độ 1451 vg/ph nhận thấy có chuyển biến theo chiều hướng tích cực sử dụng SFOPWM Tốc độ tăng dần đến định mức đặc tính mơmen theo SH-PWM xuất bối sóng rõ nét, cho thấy trình q độ mơmen thay đổi theo chiều hướng khó xác lập Các bối sóng có biên độ giảm dần tựa theo dạng dao động tắt dần điều không mong muốn cho động cơ, làm cho trình độ kéo dài Quan sát từ hình 6b hình 7b cho thấy, biên độ dao động mômen theo SFO-PWM giảm dần đạt trạng thái xác lập sau đóng tải 0.03s so với 0.07s theo SH-PWM Từ hình 6a ta thấy, biên độ dao động đặc tính 52Nm, gấp lần 1,37 lần so với biên độ dao động theo SFO-PWM (bằng 38Nm) Độ lớn mômen tăng lên 60Nm động hoạt động tốc độ định mức 1451 vg/ph mơ tả hình 7a, với phương pháp SFO-PWM dải tốc độ giá trị mơmen giữ 38Nm Để lý giải thay đổi đặc tính mơmen chế độ q độ có tải, ta quan sát đặc tính điện áp dây dịng điện stator theo SH-PWM SFO-PWM Hình Điện áp dây tốc độ 1440 vg/ph theo SH-PWM (a) SFO-PWM (b) 54 HỒNG TRỌNG ĐỨC Hình Điện áp dây tốc độ 1451 vg/ph theo SH-PWM (a) SFO-PWM (b) Hình hình dạng sóng điện áp dây cung cấp cho động chế độ độ có tải theo SH-PWM SFO-PWM Khi sử dụng SH-PWM, giai đoạn độ điện áp bị “méo” vị trí đỉnh âm đỉnh dương chuyển từ mức sang mức Nhưng kết mơ theo SFO-PWM khơng xuất xuất phần đỉnh âm chu kỳ có tải, điện áp dây có dạng bậc thang Hình 10 Dịng điện stator tốc độ 1440 vg/ph theo SH-PWM (a) SFO-PWM (b) Hình 11 Dịng điện stator tốc độ 1451 vg/ph theo SH-PWM (a) SFO-PWM (b) Sự “méo” dạng điện áp dây dự báo dạng sóng dịng điện stator bị méo Điều củng cố quan sát dịng điện hình 10 hình 11 Trường hợp dùng phương pháp SH-PWM, động hoạt động tốc độ 1440 vg/ph dịng điện xác lập sau chu kỳ, cần chu kỳ với độ méo dạng phương pháp SFO-PWM cho trạng thái xác lập Những quan sát hình 11 cho kết tương tự Ở tốc độ 1451 vg/ph, hình 11a cho thấy giá trị dòng điện tăng lên, bị méo ... khơng tương tác Hình mơ tả cấu trúc điều khiển động không đồng ba pha rotor lồng sóc theo IFOC Trong khối nghịch lưu áp (Voltage Source Inverter-VSI) sử dụng nghịch lưu áp 5L-CHB, khối PWM sử... trạng thái xác lập khơng tải có tải, đường đặc tính chế độ độ tựa theo hình dạng dao động tắt dần Trong thời gian mơ từ 0.58s đến CẢI THIỆN MƠMEN CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 53 0.6s, động