Đánh giá các phương pháp điều khiển biến tần ba pha và sử dụng fpga trong điều chế vector không gian

94 Đoàn Quang Vinh, Nguyễn Hữu Việt Siêu ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN BA PHA VÀ SỬ DỤNG FPGA TRONG ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN EVALUATION OF THE METHOD OF THREE-FHASE INVERTER CONTROL AND FPGA USE IN SPACE VECTOR MODULATION Đoàn Quang Vinh1, Nguyễn Hữu Việt Siêu2 1Đại học Đà Nẵng; dqvinhdn@ac.udn.vn Công ty Điện tử Foster, Đà Nẵng; sieunguyendn1989@gmail.com Tóm tắt - Ngày biến tần ba pha sử dụng rộng rãi công nghiệp Từ nguồn cung cấp xoay chiều đầu vào, thông qua biến tần cho nguồn xoay chiều ba pha với biên độ, tần số góc pha thay đổi Với cấu trúc phần cứng biến đổi giống thông qua phương pháp điều khiển khác nhau: “điều khiển theo phương pháp độ rộng xung (PWM), điều khiển theo phương pháp hình (SPWM), điều khiển theo phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM)” mang lại kết khác Bài báo trình bày đánh giá số phương pháp điều khiển biến tần ba pha Các kỹ thuật kiểm chứng thông qua kết mô phần mềm Matlab-Simulink thực nghiệm card FPGA Spartan 3E ứng dụng phương pháp điều chế vector không gian điều khiển biến tần ba pha Abstract - Today, three-phase inverters are widely used in industry From AC input, via inverters for AC three-phase source output with amplitude, frequency and phase angle can be changed The hardware structure with the same change through various control methods such as control by pulse width modulation (PWM), control by start- pulse width modulation (SPWM), control by space vector pulse width modulation (SVPWM)” will produce different results The paper presents some modulation methods of threephase inverter control These techniques are verified through simulation results using Matlab-Simulation software and experimental results using Spartan 3E card FPGA based on Space vector PWM (SVPWM) controller for three-phase inverters Từ khóa - phương pháp vector không gian; điều biến độ rộng xung; điều biến độ rộng xung theo nguyên tắc hình sao; mãng cổng lập trình dạng trường; mạch tích hợp Key words - space vector PWM (SVPWM); pulse width modulation (PWM); start shape-pulse width modulation (SPWM); field programmable gate aray (FPGA); application specific integrated circuit (ASIC) Đặt vấn đề Mục đích biến tần ba pha nguồn áp biến đổi dạng sóng xoay chiều (dịng điện, điện áp ) đầu vào thành dạng sóng xoay chiều ba pha (lệch 120o) đầu với biên độ, tần số góc pha thay đổi Những biến đổi ứng dụng rộng rãi thực tế điều khiển tốc độ Bộ cung cấp nguồn dự phịng (Uniterruptible Power Supplies - UPS), bù cơng suất phản kháng tĩnh (Static Var Compensator), lọc tích cực (Active Filter), hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (Flexible Ac Tranmission System-FACTS) Với cấu trúc vật lý giống nhau, thông qua phương pháp khiển khác mang đến kết khác Từ ứng dụng thực tiễn trên, lý thuyết điều khiển biến tần trở thành vấn đề nghiên cứu, phát triển cải tiến nhằm giảm biên độ méo dạng sóng hài, tăng biên độ sóng ứng với tần số mong muốn Trong trình điều chế người ta tạo xung hai cực xung cực, điều biến theo độ rộng xung đơn cực độ rộng xung lưỡng cực Các phương pháp điều khiển biến tần đại 2.1 Phương pháp điều biến độ rộng xung 2.1.1 Nguyên lý [5, tr.255 - 256] Nội dung phương pháp tạo tín hiệu sin chuẩn có tần số tần số điện áp nghịch lưu mong muốn Tín hiệu so sánh với tín hiệu cưa có tần số lớn nhiều so với tần số sin chuẩn (fp 2÷10 kHz) Giao điểm hai tín hiệu xác định thời điểm đóng mở van cơng suất Điện áp có dạng xung với độ rộng thay đổi theo chu kỳ Ur: thành phần sin bản, Up điện áp xung cưa, Uo điện áp nghịch lưu Hình Dạng sóng đầu theo phương pháp điều chế độ rộng xung 2.1.2 Mơ hình kết Thông qua biến tần ba pha nguồn áp, nguồn xoay chiều đầu vào (tần số f1) qua chỉnh lưu tạo thành nguồn chiều (tần số f=0), sau qua nghịch lưu ba pha tạo nguồn xoay chiều ba pha đầu (tần số f2) Do phần sau trình bày mơ hình nghịch lưu ba pha với nguồn DC đầu vào cho trước, mô hình mơ phần mềm Matlab-Simulink Kết mơ thể Hình 2, 3, - Udc= 220 V; - U1 = 220sin(t); - U2 =220sin(t -2π/3); - U3 = 220sin(t- 4π/3); - Tần số điện áp cưa f=100 Hz; - Động không đồng ba pha; - Công suất P= 750 W; - Số đôi cực p=4; - Rs =0,62 ohm, Rr= 0,022 ohm ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(86).2015 95 Hình Mơ hình biến tần ba pha điều khiển theo phương pháp độ rộng xung Hình Dịng điện điện áp pha 2.2 Phương pháp điều chế hình 2.2.1 Nguyên lý [7, tr.59 - 64] Từ kết trên, nghịch lưu áp điều khiển theo nguyên tắc PWM truyền thống, vector không gian điện áp stator ⃗ nhảy từ vị trí đến vị trí 6, từ thông  s đa giác cạnh Tuy nhiên ta làm cho ⃗ di chuyển, thay hình đỉnh mà hình n đỉnh  s đa giác n cạnh, n lớn  s có dạng gần giống đường trịn Hình Từ thơng động ba pha Hình Điều khiển theo phương pháp hình Hình Phổ sóng hài điện áp pha Kết Bằng cách thay đổi hình dạng áp chuẩn, chất lượng Sin PWM cải thiện Đây phương pháp điều khiển truyền thống có số lần đóng mở van lớn, thành phần sóng hài bậc cao lớn Quỹ tích đầu mút vector khơng gian từ thơng động ba pha có dạnh hình lục giác Chất lượng điều khiển theo ngun lý thường khơng cao Ví dụ: Xét tổng số đỉnh hình q=48, ngồi vị trí thực có ⃗ ta phải thêm vào số vị trí ảo ⃗ Ở với q=48 ta cần thêm vào hai vị trí thực “1” “2” bảy vị trí ảo 11’, 12’, 13’, 14’, 15’, 16’, 17’ Góc vị trí σ =2π/q, vector lưu lại vị trí khoảng thời gian tσ = σ/ω Vị trí ảo 1’ tạo thành cách: vector ⃗ tồn khoảng thời gian t’ mà  R vẽ cung α’ = α Trong  R vẽ tiếp cung α0 tổ hợp van V1, V3, V5 (trạng thái l) V2, V4, V6 (trạng thái c) mở, điều làm cho điện áp tải khơng Vị trí ảo 11’ thực cách khoảng thời gian tσ ta cho van V1, V2, V3 mở (vị trị thực 2) khoảng β van V1, V2, V6 mở (vị trí thực 1) 96 Đồn Quang Vinh, Nguyễn Hữu Việt Siêu khoảng γ Kết dịch chuyển cuối cùng s động ba pha biểu diễn Hình Các vị trí cịn lại thực cách tương tự: = √3 − γ=σ–β = √3 + √3 α’= α 2.2.2 Mơ hình kết (thơng số trên) - Số đỉnh hình q=48; - Tần số điều khiển f=50Hz Hình Mơ hình điều khiển biến tần theo phương pháp hình Hình Điện áp dòng điện pha Nhận xét So với phương pháp điều khiển truyền thống, phương pháp mang nhiều ưu điểm hơn, quỹ tích đầu mút vector khơng gian từ thơng động có dạng gần giống đường trịn Chất lượng điều khiển theo nguyên lý cao dễ dàng thành lập mối quan hệ trị hiệu dụng điện áp tải điện áp mạch chiều 2.3 Phương pháp điều chế vector không gian 2.3.1 Nguyên lý [6, tr.32 - 52], [10, tr.10 - 21] Ý tưởng phương pháp điều chế vector không gian tạo nên dịch chuyển liên tục vector mặt phẳng phức từ vector ứng với trạng thái nghịch lưu Hình Từ thơng động khơng đồng ba pha Hình 11 Mặt phẳng phức với q=48 Hình 10 Phổ sóng hài điện áp pha Để thực điều ta chia chu kỳ thành nhiều khoảng thời gian nhau, điều tương đương chia mặt phẳng phức thành góc Sau cho chuyển đổi qua trạng thái nghịch lưu Do vậy, ta chia chu kỳ đủ nhỏ xem quay ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(86).2015 97 thời gian lại t0= tc – (t1 + t2) trạng thái (U0 U7) ⃗ ⃗ + ⃗ ⃗= Các van chuyển mạch theo trình tự có lợi trình tự buộc nhánh van phải chuyển mạch Đó trình tự địi hỏi nhánh phải chuyển mạch lần khoảng tc Bảng Trình tự chuyển mạch van Hình 12 Cách tạo vector ⃗ Ví dụ, với tổng số khoảng chia q=48, chu kỳ lấy mẫu điện áp ba pha (t), ta chia chu kỳ thành 48 khoảng thời gian (tc), tương ứng với chia mặt phẳng phức thành 48 góc 7,5o Trong khoảng thời gian lấy mẫu tci ta tạo vector điện áp USi góc  ta có 48 vector US Trong chu kỳ lấy mẫu tc, (xét sector 1) nghịch lưu ba pha trạng thái U1 khoảng thời gian t1, trạng thái U2 khoảng thời gian từ t1 t1 + t2 khoảng Sector I U0 U1 U2 U7 U2 U1 U0 II U0 U3 U2 U7 U2 U3 U0 III U0 U3 U4 U7 U4 U3 U0 IV U0 U5 U4 U7 U4 U5 U0 V U0 U5 U6 U7 U6 U5 U0 VI U0 U1 U6 U7 U6 U1 U0 2.3.2 Mơ hình kết (thơng số trên) - Số khoảng chia q =48; - Tần số điều khiển f= 50 Hz Hình 13 Mơ hình điều khiển biến tần ba pha theo phương pháp vector không gian Hình 14 Dịng điện điện áp pha Hình 16 Phổ sóng hài điện áp pha Hình 15 Từ thông động không đồng ba pha Nhận xét Phương pháp điều chế vector không gian phương thức thay vector điện áp ba pha đối xứng thành vector quay không gian Như thay phải tính tốn ba pha ta cần tính tốn hệ trục hai pha theo độ lớn góc pha đại lượng vector quay Là phương pháp có tính đại, phương pháp có giá trị điện áp tốt dạng sóng dịng điện tải gần sin phương pháp Quỹ tích đầu mút động ba pha gần giống hình trịn Giá trị sóng hài điện áp so với hai phương pháp cịn lại thấp 98 Đồn Quang Vinh, Nguyễn Hữu Việt Siêu 2.4 Phân tích phổ sóng hài 2.5.2 Mơ hình điều khiển kết Bảng Phân tích phổ sóng hài Bậc DC 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 PWM 152,95 45,62 28,1 5,09 8,39 12,52 4,77 4,42 4,18 5,19 5,48 3,21 7,28 3,67 2,15 11,14 2,33 9,4 33,2 Biên độ sóng hài (V) Start PWM SVPWM 0 135,5 203,5 14,11 16,03 20,87 1,22 32,8 5,61 12,5 85,3 16,34 3,77 30,22 6,04 14,67 37,06 16,2 21,97 22,38 13,77 37,96 32,8 13,55 15,96 61,4 8,3 26,02 17,68 7,61 Từ kết Bảng Hình 5, 10, 16 ta nhận thấy phổ sóng hài nhận điều khiển biến tần ba pha theo phương pháp điều chế vector khơng gian tốt hai phương pháp cịn lại Phương pháp đặc biệt hiệu áp dụng cho hệ thống truyền động công suất lớn tốc độ quay thấp Từ kết phân tích trên, ta tiến hành thiết kế điều khiển biến tần ba pha nguồn áp Đó kết hợp phương pháp điều khiển đại (SVPWM) công nghệ tiên tiến (FPGA) 2.5 Ứng FPGA điều khiển biến tần ba pha 2.5.1 Lợi ích sử dụng FPGA Các xử lý tính hiệu số (Digital Signal Processor) vi điều khiển cổ máy “tuần tự”, thực thi nhiệm vụ cách tuần tự, nên cần thời gian để hoàn thành nhiệm vụ Các thiết bị khơng cịn theo kịp với ứng dụng địi hỏi hiệu suất cao tính linh hoạt mà khơng cần tăng chi phí tài nguyên Hình 18 Sơ đồ hệ thống Sử dụng phương pháp “vector không gian” điều khiển biến tần ba pha nguồn áp nhằm điều khiển động không đồng ba pha hoạt động dãi công suất từ đến 50Hz, chia làm ba chế độ khác nhau:  Mode 1: