Nghiên ứu ứng dụng hệ truyền động xoay chiều động cơ không đồng bộ dùng biến tần ma trận cho cơ cấu nâng hạ

37 Bảng 2.2 Thứ tự chuyển mạch tương ứng của các tổ hợp dòng vào, áp ra 43 Bảng 2.3 Bảng chọn vectơ trong DTC cơ bản……… 50 Bảng 2.4 Bảng chọn các vectơ cho DTC khi sử dụng MC……… 51 Bảng

-

luËn v¨n th¹c sü khoa häc

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIẾN TẦN KIỂU

MA TRẬN CHO CƠ CẤU NÂNG HẠ SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của các nhân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Bùi Quốc Khánh và chỉ tham khảo các tài liệu đã được liệt kê Tôi không sao chép công trình của các nhân khác dưới bất kỳ hình thức nào Nếu có tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Người cam đoan

Phạm Văn Bách

MỤC LỤC

Cam đoan

Mục lục

Mở đầu ……… 8

Chương 1 BIẾN TẦN KIỂU MA TRẬN VÀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHO CƠ CẤU NÂNG HẠ ……… 10

1.1 Giới thiệu biến tần kiểu ma trận ……… 10

1.1.1 Khái Quát chung ……… 10

1.1.2 Các dạng cấu hình của MC ……… 10

1.2 Cơ cấu nâng hạ và vấn đề trao đổi năng lượng hệ truyền

động cơ cấu nâng hạ……… 14

1.3 Các hệ truyền động điện tiêu biểu cho cơ cấu nâng hạ sử dụng động cơ không đồng bộ rô-to lồng sóc ……… 21

1.4 Các ưu điểm từ việc sử dụng biến tần ma trận cho cơ cấu

……… 26

nâng hạ 1.5 Kết luận chương 1……… 27

Chương N 2 GHIÊN CỨU BIẾN TẦN KIỂU MA TRẬN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA RÔ TO LỒNG SÓC -……… 29

2.1 Các phương pháp điều chế sử dụng trong MC……… 29

2.2 Điều khiển động cơ KĐB bằng biến tần kiểu ma trận dựa

trên phương pháp SVM……… 32

2.2.1 Xác định vector không gian……… 32

2.2.2 Tổng hợp vector điện áp ra và vector dòng điện vào ……… 38

2.2.3 Xác định các hệ số biến điệu……… 39

2.2.4 Quy luật biến điệu với cos bằng 1φ ……… 40

2.2.5 Thuật toán biến điệu……… 44

2.2.6 Các kết quả mô phỏng trên máy tính……… 44

2.3 Điều khiển động cơ KĐB bằng biến tần kiểu ma trận dựa

trên phương pháp DTC……… 49

2.3.1 Sơ đồ cấu trúc MC DTC chỉ sử dụng vé- c-tơ điện áp ……… 49

biên 2.3.2 Sơ đồ cấu trúc MC DTC sử dụng kết hợp véc- -tơ

điện áp biên và véc tơ điện áp nhỏ……….- 52

2.3.3 Các kết quả mô phỏng trên máy tính……… 55

2.4 Bù thời gian trễ do quá trình chuyển mạch và bù điện áp rơi

……… 59

trên BDS ……… 62

2.5 Kết luận chương 2 Chương 3 THỰC NGHIỆM ……… 63

3.1 Thực nghiệm với phương pháp U/F điều khiển động cơ không đồng bộ rô-to lồng sóc sử dụng biến tần kiểu ma trận……… 63

3.1.1 Cấu trúc U/F sử dụng phương pháp SVM……… 63

3.1.2 Kết quả thực nghiệm với cấu trúc U/F sử dụng phương pháp SVM……… 69

3.2 Thực nghiệm với phương pháp DTC điều khiển động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc sử dụng biến tần kiểu ma trận……… 75

3.2.1 Cấu trúc điều khiển sử dụng phương pháp DTC……… 75

3.2.2 Kết quả thực nghiệm sử dụng phương pháp DTC ……… 77

3.3 Kết luận chương 3……… 79

Kết luận Đề xuất – ……… 80

Tài liệu tham khảo……… 81

Phụ lục……… 82

Danh mục hình vẽ

Hình 1.1 Cấu hình cơ bản của MC………11

Hình 1.2 Sơ đồ MC gián tiếp………12

Hình 1.3 Sơ đồ MC gián tiếp dạng ít van (SMC)………13

Hình 1.4 Sơ đồ MC gián tiếp dạng rất ít van (USMC)………14

Hình 1.5 Cầu trục………16

Hình 1.6 Cần trục sải……… 17

Hình 1.7 Cần trục tháp………17

Hình 1.8 Đồ thị đặc tính điều khiển của thang máy………18

Hình 1.9 Cấu trúc điều khiển đóng cắt dùng công tắc tơ……… 21

Hình 1.10 Cấu trúc sử dụng biến tần gián tiếp……… 22

Hình 1.11 Cấu trúc sử dụng biến tần 4Q……… 24

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc của MC………32

Hình 2.2 Các tổ hợp van trong matrix converter………34

Hình 2.3 Vector không gian điện áp đầu ra………36

Hình 2.4 Vector không gian điện áp ra………38

Hình 2.5 Tổng hợp vector không gian điện áp ra và dòng điện vào từ các vector biên chuẩn………42

Hình 2.6 Mô hình mô phỏng MC Động cơ KĐB theo phương pháp SVM– ……… 45

Hình 2.7 Mô hình mô phỏng khối điều khiển (Control Block)………45

Hình 2.8 Mô hình mô phỏng khối PWM và phát xung tới van BDS……… 46

Hình 2.9 Tín hiệu đầu ra khâu điều chế véc tơ không gian ( PWM1 - – PWM4) … 47

Hình 2.10 Các khoảng thời gian dẫn d0 – d4………47

Hình 2.11 Đặc tính dòng điện và điện áp đầu vào/đầu ra MC……… 48

Hình 2.12 Sơ đồ cấu trúc hệ thống MC-DTC………49

Hình 2.13 Vectơ không gian trong sơ đồ DTC cơ bản……… 50

Hình 2.14 Vectơ không gian của MC………51

Hình 2.15 Khâu từ trễ sai lệch mô men có 4 giá trị đầu ra……… 54

Hình 2.16 Véc-tơ điện áp và 12 séc-tơ điện áp đầu vào……… 54

Hình 2.17 Mô hình mô phỏng MC – DTC điều khiển động cơ KĐB rô to lồng -sóc……….57

Hình 2.18 Khối lựa chọn tín hiệu mở các van BDS……… 57

Hình 2.19 Từ thông, mô men, Dòng điện và điện áp pha đầu vào MC, Dòng điện đầu ra đầu ra của MC……… 58

Hình 2.20 Điện áp đầu ra MC (x1/2)………58

Hình 2.21 So sánh đặc tính mô men a) DTC chỉ sử sụng điện áp biên, b) DTC sử dụng kết hợp điện áp biên và điện áp nhỏ……… 59

Hình 2.22 Chuyển mạch 4 bước giữa BDS1 và BDS2, iA>0………60

Hình 2.23 Đặc tính đầu ra của IGBT CM600HA-24H……… 61

Hình 2.24 Đặc tính đầu ra của Đi ốt/ IGBT CM600HA- -24H……… 61

Hình 3.1 Sơ đồ khối điều khiển U/F Matrix Converter theo phương pháp

Hình 3.2 Giản đồ xung trên mỗi PWM và khoảng dẫn di……… 68 Hình 3.3 Mô hình thí nghiệm biến tần kiểu ma trận……… 69 Hình 3.4 Tín hiệu điều khiển chuyển mạch 4 bước giữa 2 van BDS (4

Và Dòng điện đầu ra của biến tần kiểu ma trận……… 77

Và Dòng điện đầu ra của biến tần kiểu ma trận……… 78

Danh mục bảng

Bảng 2.1 Các tổ hợp van và giá trị của các vector chuẩn theo U0 và Ii…… 37

Bảng 2.2 Thứ tự chuyển mạch tương ứng của các tổ hợp dòng vào, áp ra 43 Bảng 2.3 Bảng chọn vectơ trong DTC cơ bản……… 50 Bảng 2.4 Bảng chọn các vectơ cho DTC khi sử dụng MC……… 51 Bảng 2.5 Bảng lựa chọn véc tơ điện áp chuẩn bao gồm cả véc- -tơ điện áp

Nhìn ở góc độ năng lượng thì việc điều khiển cho cơ cấu truyền động chính

là truyền động nâng và hạ trong các hệ thống nâng hạ (Hoist System) cơ bản là giống nhau bởi tải của chúng đều là tải dạng thế năng Điều đó có nghĩa là mômen tải hầu như không đổi trong mỗi quá trình nâng hay hạ, khi cơ cấu làm việc ở chế độ nâng thì động cơ truyền động chính sẽ lấy năng lượng từ lưới điện

để thực hiện quá trình nâng, và ngược lại trong quá trình hạ mà thực chất là quá trình hãm thì năng lượng sinh ra sẽ được đưa ngược trở về lưới qua các bộ biến đổi hoặc tiêu tán theo các dạng khác nhau

Trong khuôn khổ của bản luận văn sẽ chỉ tập trung giải quyết vấn đề là ứng

khả ă n ng trao đổi công suất qua lại ới ưới, d v l òng đầu v ào sin, hệ ố ng suất s cô

chịu được nhiệt l độ àm việc cao Vấn l đề ớn nhất đặt ra đối ới biến tần kiểu v

ma trận là h ệ thống đ ều khiển i phức ạp t đang được ần dần giải quyết v d ới việc

PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Về lý thuyết: Nghiên cứu hệ truyền động cơ cấu nâng hạ và nghiên cứu

các cấu trúc và phương pháp điều khiển biến tần kiểu ma trận, lựa chọn cấu trúc

và phương pháp điều khiển đơn giản và tin cậy nhất sử dụng điều khiển động cơ

-sóc Xây dựng mô hình mô phỏng trên máy tính thể hiện tính đúng đắn của lý thuyết

Về thực nghiệm: Xây dựng mô hình thí nghiệm cho các cấu trúc điều

khiển đã được mô phỏng trên máy tính nhằm kiểm chứng khả năng ứng dụng thực tiễn của các phương pháp đã nghiên cứu

Nội dung bản luận văn được trình bày trong 3 chương Chương 1, Biến

tần kiểu ma trận và hệ truyền động cho cơ cấu nâng hạ , Giới thiệu biến tần kiểu

ma trận, vấn đề trao đổi năng lượng trong truyền động cơ cấu nâng hạ và trình bày các ưu điểm của việc sử dụng biến tần kiểu ma trận mang lại khi sử dụng

cho truyền động nâng hạ Chương 2, Nghiên cứu biến tần kiểu ma trận điều

khiển động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc, - trình bày hai phương pháp điều

hai phương pháp điều khiển (SVM, DTC) động cơ không đồng bộ sử dụng biến tần kiểu ma trận đã được nghiên cứu trong chương 2

Cuối cùng là phần Kết luận và các đề xuất của luận văn

Để có thể hoàn thành bản luận văn này, em đã có sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của thầy giáo PGS TS Bùi Quốc Khánh và sự giúp đỡ của các đồng nghiệp tại Trung tâm Nghiên cứu Triển khai Công nghệ cao - Trường Đại học Bách khoa Hà nội

Chương 1 BIẾN TẦN KIỂU MA TRẬN VÀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHO

CƠ CẤU NÂNG HẠ

1.1 Giới thiệu biến tần kiểu ma trận

1.1.1 Khái Quát chung

Khái niệm về Matrix converter (MC), là bộ biến đổi trực tiếp AC/AC sử dụng các van bán dẫn điều khiển hoàn toàn, với các đặc tính cơ bản như điện áp hình sin, dòng vào sin, điều chỉnh được hệ số công suất, tần số ra không bị giới hạn, lần đầu tiên được đưa ra bởi Venturini (1980), Alesina và Venturini (1981) Thuận toán do Ventirini đưa ra cho tỷ số biến đổi điện áp lớn nhất là 0,5 Năm 1989, Alesina và Venturini tiếp tục đưa ra thuật toán cải tiến, nâng tỷ số truyền áp lên tới 0.866 Từ những năm 1990 đến nay lý thuyết cũng như những đề xuất về mô hình MC đã có những bước phát triển không ngừng

1.1.2 Các dạng cấu hình của MC

1.1.2.1 Cấu hình cơ bản của MC

không sử dụng các phần tử phản kháng như tụ điện, điện cảm nào để làm các khâu trung gian dự trữ năng lượng

S32 S33

BDS

Hình 1.1 Cấu hình cơ bản của MC.

Yêu cầu đặt ra đối với quy luật điều khiển ma trận khóa hai chiều là:

1 Tổng ợp điện áp đầu ra có dạng sin ừ ác đ ện áp đầu ào với tần số theo h t c i v yêu cầu, dưới và trên tần số điện áp lưới Dòng tải sẽ do phụ tải quyết định

tính chất của tải

Các yêu cầu 2, 3, 4 nhằm tạo ra các đặc tính ưu việt của MC mà các biến

I d +

I d R=[S A ,S B ,S C ] I S =[ a ,S b ,S c ] T

-Hình 1.2 Sơ đồ MC gián tiếp.

Ngoài dạng MC cơ bản còn có các dạng MC gián tiếp (Indirect Matrix Converter-IMC), trong đó có sự phân chia giữa phần chỉnh lưu và phần nghịch

tần thông thường là trong phần điện áp một chiều không dùng tụ làm kho tích

đơn giản hơn, có thể sử dụng những module chuẩn đang được phổ biến rộng rãi Phần chỉnh lưu đầu vào dùng các khóa bán dẫn hai chiều để đảm bảo năng lượng trao đổi được theo cả hai chiều Với phương pháp biến điệu vectơ không gian

Các IMC còn có thể làm cho đơn giản hơn nữa khi trong các khóa BDS phía chỉnh lưu bỏ bớt đi một IGBT Sơ đồ dạng này, được thể hiện trên hình 1.3, gọi là IMC ít van (Sparse Matrix Converter-SMC) Vai trò thay thế của van được làm rõ qua ví dụ với pha đầu vào A Van SA kết hợp với các van SA+, SA- tạo nên hai van BDS cho nhánh trên và nhánh dưới của pha A Đối với nhánh trên

dòng đi vào từ pha A sẽ đi qua DA+ và SA+ (nét gạch đứt đoạn), dòng đi ra sẽ đi

dưới và các pha còn lại Van SA sẽ phải làm việc nhiều hơn các van SA+ và

SA-Hình 1.3 Sơ đồ MC gián tiếp dạng ít van (SMC)

Khi chiều năng lượng chỉ cần từ phía nguồn ra phía tải thì sơ đồ IMC còn có thể đơn giản hơn nữa, gọi là sơ đồ MC rất ít van (Ultra Sparse Matrix Converter-

ở sơ đồ trên, tuy nhiên các nhánh van phía trên và phía dưới chỉ còn là điôt Dòng một chiều bây giờ chỉ có thể chạy theo một hướng như một chỉnh lưu thông thường Quá trình điều chế thông qua van SA có tác dụng làm cho dòng đầu vào có dạng sin

U d

I d +

I d

-Hình 1.4 Sơ đồ MC gián tiếp dạng rất ít van (USMC).

1.2 Cơ cấu nâng hạ và vấn đề trao đổi năng lượng hệ truyền động cơ cấu

nâng hạ

Cơ cấu nâng hạ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và trong đời sống hàng ngày Trong công nghiệp, cơ cấu nâng hạ thường là cầu trục, cần trục, thang máy vận chuyển Trong đời sống hàng ngày, thang máy là một hệ cơ cấu nâng hạ được sử dụng phổ biến để vận chuyển người và hàng hóa

Tùy vào từng ứng dụng cụ thể mà có các yêu cầu chất lượng truyền động khác nhau Nếu như thang máy sử dụng vào việc vận chuyển bệnh nhân trong các bệnh viện có yêu cầu chất lượng điều khiển (gia tốc và độ giật) rất nghiêm ngặt thì thang máy vận chuyển hàng hóa và các thiết bị trong các nhà máy công nghiệp thường có yêu cầu chất lượng điều khiển không cao

Về mặt truyền động, cơ cấu nâng hạ được cấu tạo bởi truyền động chính

và các truyền động phụ Các truyền động chính thường được thực hiện bởi động

cơ điện một chiều hoặc động cơ điện xoay chiều ba pha

Đúng nghĩa với tên gọi của nó, truyền động chính trong cơ cấu nâng hạ thực hiện chức năng nâng và hạ Một cách tổng quát, trong quá trình nâng, động

cơ truyền động chính nhận năng lượng từ lưới điện để duy trì một lực nâng cần thiết vận chuyển tải theo hướng đi lên với một tốc độ mong muốn Trong quá trình hạ, động cơ truyền động chính phải thực hiện chức năng ngược lại là giải phóng năng lượng từ tải (hạ), nói một cách khác là động cơ truyền động chính làm việc như một máy phát điện phát ra năng lượng điện tỷ lệ thuận với tải trọng

và tốc độ hạ của tải

Ngày nay do tiến bộ của công nghệ bán dẫn công suất và kỹ thuật xử lý tín hiệu số, các động cơ truyền động chính thường được sử dụng là các động cơ điện xoay chiều ba pha không đồng bộ Như vậy vẫn đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật mà lại đem lại lợi ích về mặt kinh tế

Một cách gần đúng, ta có thể chia cơ cấu nâng hạ thành 3 loại sau:

a) Thang máy, được sử dụng để vận chuyển con người hay hàng hóa lên xuống theo các độ cao khác nhau và chủ yếu được sử dụng trong các tòa nhà, công trường xây dựng hay trong các nhà máy công nghiệp

b) Cầu trục, được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy công nghiệp, hình 1.5 Loại này bao gồm hai cơ cấu truyền động là truyền động trên mặt phẳng ngang (xy) và truyền động chính (truyền động nâng hạ) Tải được nâng hạ bởi động cơ chính thông qua một dây cáp, khi đó cơ cấu tải – dây cáp đóng vai trò như một con lắc, chiều dài dây cáp thay đổi liên tục trong suốt quá trình nâng/hạ tải Các truyền động ngang và truyền động chính có thể được hiện lần lượt hay đồng thời

c) Cần trục, có thể chia thành hai loại là cần trục loại sải và cần trục loại

thường được sử dụng phục vụ trong các công trường xây dựng, còn loại

tháp thường được sử dụng trong nghành hàng hải để bốc dỡ hàng hóa trên các tàu biển

Hình 1.5 Cầu trục

Hình 1.6 Cần trục sải

Hình 1.7 Cần trục tháp

Vấn đề điều khiển

Thang máy: Thang máy là một hệ thống có yêu cầu về an toàn rất nghiêm ngặt cũng như các yêu cầu kỹ thuật khác Một trong những yêu cầu cơ bản đối với hệ truyền động thang máy là phải đảm bảo cho buồng thang

chuyển động êm, các thông số chính đặc trưng cho chế độ làm việc của

t 0

v (m/s)

Trên đồ thị đặc tính điều khiển tốc độ của thang máy trên hình 1.8 được chia thành 5 giai đoạn: Giai đoạn mở máy, giai đoạn ổn định tốc độ, giai đoạn hãm xuống tốc độ thấp và giai đoạn hãm dừng

Tốc độ di chuyển của buồng thang quyết định năng suất của thang máy, có ý nghĩa đặc biệt quan trọng, đặc biệt khi chiều cao nâng hạ lớn Tốc độ di chuyển trung bình của thang máy có thể tăng bằng cách giảm thời gian mở máy và hãm máy (gia tốc) Tuy nhiên khi gia tốc lớn sẽ gây ra cảm giác khó chịu cho hành khách hay không đảm bảo điều kiện vận chuyển Một đại lượng nữa ảnh hưởng tới sự di chuyển êm của buồng thang là tốc độ

tăng/giảm của gia tốc khi mở/dừng máy

Cần – cầu trục: Khi thiết kế các bộ điều khiển trong các cơ cấu cần – cầu

trục thì một trong các yếu tố đặc trưng cơ bản nhất và cũng là khó khăn nhất mà chúng ta hay gặp phải đó là việc phi tuyến mạnh của các mô hình của cơ cấu nâng hạ, đặc biệt gây ra bởi lực ma sát Coulomb Giả sử chúng

ta thiết kế các bộ điều khiển dựa trên mô hình tuyến tính của cơ cấu cần trục thì chúng ta sẽ thấy rằng ảnh hưởng của ma sát là rất lớn, chính lực

ma sát này sẽ gây ra sai số không nhỏ của bộ điều khiển vị trí kể cả trong trạng thái xác lập Vì vậy các bộ điều khiển được thiết kế trên mô hình tuyến tính là không thích hợp cho các hệ thống thực trừ khi chúng ta đưa them mạch vòng điều khiển thực hiện chức năng bù ma sát Để thực hiện được chức năng này thì trước hết ta phải ước lương được thành phần ma sát sau đó đưa trở lại mạch vòng điều khiển để thực hiện chức năng bù Trong thực tế yêu cầu điều khiển thì cơ cấu nâng hạ được sử dụng để di

tượng lắc hay rung giật là nhỏ nhất Để giải quyết vấn đề này, nhiều nghiên cứu

đã đưa ra các thuật toán điều khiển để vận hành tự động các cơ cấu nâng hạ

– Điển hình trong cơ cấu cần cầu trục, hầu hết các cấu trúc điều khiển đều chưa đưa ra một kết quả tối ưu trong thực tế, cũng chính vì lý do đó cộng thêm

nghiệp có mức độ tự động hóa không cao, phụ thuộc chính vào gười vận hành và

do vậy chất lượng điều khiển chủ yếu do người vận hành quyết định, điều này nhiều khi gây nguy hiểm trong môi trường sản xuất

–

Về cơ bản, việc vận hành cơ cấu cần cầu trục được chia thành năm bước: gắp tải, nâng tải, di chuyển, hạ tải và nhả tải Việc tự động hóa toàn bộ các bước này hoàn toàn có thể làm được Đã có nhiều đề tài nghiên cứu về vấn đề này Tuy nhiên ta có thể tổng hợp thành hai hướng tiếp cận sau:

1 Người vận hành vẫn đóng một vai trò nhất định trong vòng điều khiển của

hệ, tuy nhiên được sự hỗ trợ tối đa từ việc tính toán mô hình động của tải

2 Người vận hành không đóng vai trò trong mạch vòng điều khiển, tự động hóa hoàn toàn tất cả năm bước của mỗi quá trình Có vài phương án được đưa ra để giải quyết vấn đề này Phương án thứ nhất thực hiện bằng cách phát ra một quỹ đạo dịch chuyển của tải giữa điểm đầu và điểm đích nhằm đạt được góc lắc là nhỏ nhất Phương án thứ hai được dựa trên việc phản hồi vị trí và góc lắc Phương án thứ ba là sử dụng hai bộ điều khiển :bộ điều khiển chống lắc và bộ điều khiển bám vị trí

điểm – điểm trong khoảng thời gian ngắn nhất và góc lắc nhỏ nhất Thông

thường thì bộ điều khiển được thiết kế nhằm đạt đồng thời cả hai chỉ tiêu này Theo đó, để đạt được chỉ tiêu góc lắc nhỏ nhất người ta sử dụng bộ điều khiển

chống lắc dựa trên việc phản hồi thông tin góc lắc (giá trị và tốc độ góc) Để đạt được thời gian dịch chuyển giữa điểm đầu và điểm cuối là ngắn nhất, ta sử dụng một bộ điều khiển bám vị trí (theo một quỹ đạo đặt trước), vị trí và tốc độ nâng/hạ tải là hai đại lượng phản hồi Bộ điều khiển vị trí thường được sử dụng

là bộ điều khiển PD kinh điển [1], bộ điều khiển mờ FLC [2]

Với bộ điều khiển chống lắc thì thường được thiết kế theo một vài phương pháp khác như sử dụng khâu phản hồi vị trí có trễ [3] Tuy nhiên, việc kết hợp cả hai

bộ điều khiển vẫn còn nhiều vấn đề cần giải quyết, không ít tác giả đã và đang nghiên cứu vấn đề này

1.3 Các hệ truyền động điện tiêu biểu cho cơ cấu nâng hạ sử dụng động cơ

không đồng bộ rô to lồng sóc

-1.3.1 Điều khiển 2 cấp tốc độ bằng hệ thống đóng cắt công tắctơ

Hình 1.9 Cấu trúc điều khiển đóng cắt dùng công tắc tơ

Động cơ truyền động nâng hạ là động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc hai cấp tốc độ có hai bộ dây quấn stato độc lập Nâng cao độ chính xác khi dừng bằng cách chuyển từ tốc độ cao sang tốc độ thấp

Hạn chế dòng trong quá trình chuyển đổi tốc độ động cơ (động cơ làm việc ở chế

độ máy phát thực hiện hãm tái sinh) từ tốc độ cao sang tốc độ thấp được thực hiện bằng cách đưa thêm điện trở phụ R vào trong một pha của dây quấn stato động cơ

1.3.2 Sử dụng biến tần gián tiếp kết hợp với hệ thống điện trở hãm

Hình 1.10 Cấu trúc sử dụng biến tần gián tiếp a) Khi cơ cấu nâng hạ không sử dụng đối trọng: Trong quá trình nâng, động cơ làm việc ở chế độ động cơ Trong quá trình hạ tải (hãm)

động cơ làm việc ở chế độ máy phát với nguồn năng lượng phát là tải thế năng của tải, khi đó tần số góc quay ω trên trục động cơ lớn

tải tỷ lệ thuận với năng lượng tiêu tán trên điện trở hãm

b) Khi cơ cấu nâng hạ có sử dụng đối trọng:

0 M t >0

M t <0

M t

ω

1.3.3 Sử dụng biến tần bốn góc phần tư

Hình 1.11 Cấu trúc sử dụng biến tần 4Q

Công suất tiêu tán trên điện trở hãm

* Đặc điểm cấu tạo:

 Bộ lọc đầu vào: Boost (nâng) áp, lọc thành phần sóng hài

 Chỉnh lưu: Chỉnh lưu tích cực, sử dụng các van bán dẫn điều khiển hoàn toàn (như IGBT, GTO, …)

- Nghịch lưu: Nghịch lưu 3 nhánh van

* Đặc điểm làm việc:

 Hệ số cos(φ) có thể điều chỉnh được tới gần bằng 1

 Năng lượng có thể được truyền theo cả hai chiều do vậy rất thích hợp khi làm việc với tải nâng hạ

Hình 1.12 Dòng điện và điện áp pha đầu vào của biến tần 4Q khi chuyển từ chế

độ động cơ sang chế độ hãm tái sinh

1.4 Các ưu điểm từ việc sử dụng biến tần ma trận cho cơ cấu nâng hạ

 Dòng điện đầu vào hình Sin

 Hệ số cos(φ) có thể điều chỉnh được tới gần bằng 1

 Năng lượng có thể được truyền theo cả hai chiều do vậy rất thích hợp khi làm việc với tải nâng hạ

 Cấu trúc thuần bán dẫn, không sử dụng khâu một chiều trung gian do đó biến tần kiểu ma trận có kích thước nhỏ gọn và tuổi thọ cao

 Sử dụng các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ như đối với việc sử dụng biến tần gián tiếp như: U/F, FOC, DTC

 Khi cơ cấu nâng hạ không có yêu cầu cao về chất lượng truyền động (độ rung, giật, chính xác) thì có thể dễ dàng sử dụng biến tần ma trận với phương pháp điều khiển U/F dạng vòng hở, điều này rất có ý nghĩa cả về mặt kinh tế và kỹ thuật

• Về mặt kinh tế:

1 Tiết kiệm điện năng: Biến tần có khả năng trao đổi năng lượng với tải theo cả hai chiều Ta có thể làm một ví dụ đơn giản sau:

100kW có chu kỳ làm việc 6 phút, thời gian hạ tải trong một chu

kỳ làm việc là 1 phút, mỗi ngày làm việc 18h => Năng lượng

việc trong 11 tháng, mỗi tháng 26 ngày thì trong một năm ta tiết kiệm được 85.800 kWh tương đương 128.700.000 VND (đơn giá 1.500 VND/kWh)

2 Giá thành đầu tư ban đầu khi sử dụng biến tần ma trận trong tương lai sẽ it hơn so với sử dụng các loại biến tần gián tiếp do không sử dụng điện trở hãm công suất (trong biến tần gián tiếp thông thường), không sử dụng bộ lọc đầu vào lớn (như trong biến tần 4Q) và không cần sử dụng cảm biến đo tốc độ

• Về mặt kỹ thuật: Dòng điện đầu vào hình Sin do đó không gây nhiễu hay méo dạng điện áp đầu vào Ngoài ra, do biến tần ma trận là loại biến tần trực tiếp, chuyển mạch theo dấu dòng điện nên việc thực hiện hãm tái sinh là dễ dàng so với trường hợp sử dụng biến tần gián tiếp điều khiển vòng hở

Tuy nhiên biến tần ma trận vẫn có nhiều nhược điểm như: hệ số truyền áp thấp (tối ta là 0.866), khả năng thương mại hóa rộng rãi trong giai đoạn hiện tại là chưa cao

1.5 Kết luận chương 1.

Chương 1 đã giới thiệu sơ lược về biến tần kiểu ma trận, một số cấu trúc điều khiển động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc truyền động cho cơ cấu nâng hạ

Các lợi ích về mặt kinh tế và kỹ thuật đem lại khi sử dụng biến tần kiểu ma trận điều khiển cơ cấu nâng hạ dùng động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc cũng được trình bày, trong đó đáng lưu ý hơn cả là các lợi ích đem lại khi cơ cấu nâng

hạ không có yêu cầu cao về chất lượng truyền động như các cơ cấu nâng hạ, vận chuyển hàng hóa, thiết bị

Các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc sử dụng

Chương 2 NGHIÊN CỨU BIẾN TẦN KIỂU MA TRẬN ĐIỀU KHIỂN

-2.1 Các phương pháp điều chế sử dụng trong MC

Các phương pháp điều chế xác định quy luật điều khiển các khóa bán dẫn hai chiều để tạo nên điện áp đầu ra từ các pha điện áp đầu vào và tổng hợp nên dòng đầu vào từ các dòng đầu ra Về cơ bản cho đến nay có bốn phương pháp điều chế chính sau đây:

Modulation-ISVM)

Các phương pháp khác nhau với khả năng ứng dụng khác nhau, dựa trên cách

mô tả toán học MC khác nhau, phân biệt chủ yếu bởi yêu cầu về mức độ tính toán

và số lượng các đại lượng đầu vào do các phép đo cung cấp Mức độ tính toán xác định khả năng các vi xử lý ngày nay có thể đáp ứng được hay không Các đại lượng cần đo hoặc theo dõi với độ chính xác nào đó xác định khả năng hoạt động của sơ

đồ trong các điều kiện thực tế

thiết lập giữa điện áp và dòng điện 3 pha đầu vào với 3 pha đầu ra, từ đó xác định được thời gian mà mỗi khóa bán dẫn hai chiều được điều khiển mở để điện áp ra và dòng đầu vào đều có dạng sin Cơ sở toán học của phương pháp này được dẫn giải trong Nhược điểm chính của thuật toán là đòi hỏi tính toán phức tạp, cần nhiều phép tính lượng giác trong mỗi chu kỳ cắt mẫu Các giá trị điện áp đầu vào cũng cần phải đo và cập nhật liên tục với độ chính xác cao

Theo phương pháp 3M, thời gian đóng cắt của các van được tính toán dựa trên việc theo dõi giá trị điện áp đầu vào, giá trị điện áp đặt đầu ra nằm ở đâu giữa 3 giá trị lớn nhất, trung bình và nhỏ nhất (Max, Medium, Min), từ đó mà có tên đặt là 3M Về yêu cầu tính toán phương pháp 3M khá đơn giản, tuy nhiên hiệu quả của phương pháp sẽ phụ thuộc nhiều vào độ chính xác của tính toán và của phép đo các giá trị điện áp thực Điều này sẽ gây nhiều khó khăn cho các ứng dụng trong thực

tế

Ngày nay, các phương pháp vectơ không gian được sử dụng rộng rãi vì khả năng dễ dàng lập trình trên các bộ vi xử lý, yêu cầu tính toán ít hơn Phương pháp vectơ không gian gián tiếp (ISVM) phát triển dựa trên phương pháp vectơ không gian cho biến tần với khâu trung gian một chiều, trong đó MC được phân chia thành hai phần: phần chỉnh lưu tích cực và phần nghịch lưu thông thường, liên kết qua

-lưu dẫn đến hai biến trung gian phải theo dõi là dòng điện và điện áp của khâu trung gian một chiều ảo, hai ma trận khóa đóng cắt cho phía chỉnh lưu và phía nghịch lưu Phương pháp vectơ không gian có thể được xây dựng một cách trực tiếp (SVM), trong đó chỉ cần quan tâm đến một ma trận khóa đóng cắt 3x3 duy nhất Lý thuyết SVM được trình bày một cách hệ thống trong, trong đó sử dụng cách tính toán số phức trên biểu diễn vectơ tất cả các đại lượng điện, các trạng thái đóng cắt của van trên sơ đồ, do đó có được các kết quả mang tính tổng quát cho nhiều trường hợp Phương pháp SVM cũng cho phép giải thích các thuận toán điều khiển Venturini-Alesina và ISVM như các trường hợp riêng Ưu điểm của SVM là trong mỗi chu kỳ cắt mẫu có thể chỉ cần xác định góc pha của điện áp đầu vào, tương đối

so với các thời điểm điện áp nguồn qua không mà không cần quan tâm đến giá trị tức thời của điện áp Điện áp đầu ra được xác định theo tần số yêu cầu và hệ số biến điệu mong muốn Như vậy mạch biến điệu đòi hỏi một số tối thiểu các tín hiệu bên ngoài nên khả năng chống nhiễu tốt

Quy luật điều chế trong MC khá phức tạp, đòi hỏi một khối lượng tính toán lớn trong thời gian thực Các tính toán này không thể thực hiện được trên các vi xử lý hiện nay như đối với quy luật điều biến ở các biến tần có khâu trung gian một chiều Tuy nhiên các họ DSP ngày nay với giá thành ngày càng hạ và tốc độ tính toán ngày càng cao đã cho phép giải quyết vấn đề này Điều này nói lên tính thực tế của các ứng dụng MC

Ở đây ta sẽ xây dựng các thuận toán điều khiển cho MC theo phương pháp SVM

2.2 Điều khiển động cơ KĐB bằng biến tần kiểu ma trận dựa trên phương

pháp SVM

áp đầu ra được tổng hợp từ các điện áp pha đầu vào, dòng tải sẽ do tải quyết định

Có thể thấy rằng khi đó dòng điện đầu vào lại được tổng hợp từ dòng điện đầu ra và giá trị sẽ nhỏ nhất nếu góc lệch pha so với điện áp được hiệu chỉnh bằng không Mục đích của phương pháp biến điệu là tạo ra hệ thống điện áp ba pha ở đầu ra có dạng hình sin, dòng tiêu thụ ở đầu vào cũng có dạng sin với góc pha so với điện áp đầu vào có thể điều chỉnh được Như vậy lượng đặt cho sơ đồ biến điệu là điện áp đầu ra và góc pha của dòng điện đầu vào

2.2.1 Xác định vector không gian

Như đã biết trong lý thuyết

phép biến đổi vector không gian,

một hệ thống điện áp ba pha đầu ra

có thể được biểu diễn qua một

vector quay quanh gốc hệ tọa độ

trong hệ tọa độ vuông góc 0αβ như

điện áp dây Nếu hệ thống điện áp

ra mong muốn là ba pha đối xứng

thì có thể biểu diễn chúng như sau:

6 2

Uo, ωo: giá trị biên độ và tần số góc của điện áp ra mong muốn Giá trị

6

hiện độ lệch pha giữa điện áp dây và điện áp pha

Vector quay cũng có thể biểu diễn như sau:

các van hai chiều Ở một thời điểm bất kỳ các van hai chiều phải đóng cắt tuân theo hai quy luật sau đây:

• Không nối ngắn mạch hai pha đầu vào

• Không hở mạch bất cứ pha nào ở đầu ra Quy định này là để tránh hiện tượng quá điện áp sinh ra do dòng điện bị ngắt đột ngột

Theo hai quy luật trên đây các tổ hợp van khác nhau được mô tả trên hình 2.2 Việc hình thành các vector ứng với các trạng thái van được mô tả sau đây qua ví dụ đối với các tổ hợp van abb, bcc, caa

ia=iB; ib=-ia; ic=0 ia=0; ib=iB; ic=-ib ia =-ic; ib=0; ic=iB i

a =-iB; ib=-ia; ic=0 ia=0; ib=-iB; ic=-ib ia=-ic; ib=0; ic=-iB

A B C

cac bcb

a

A B C ccb

Với trạng thái van abb, bcc, caa các vector dòng điện đầu vào có thể tính được như sau:

mạch theo các điện áp dây đầu vào Các vector này được biểu diễn trên mặt phẳng

, , ,

uo abb bcc caa/ 6

,

ii caa ii abb,

Hình 2.3 Vector không gian điện áp đầu ra (a) và dòng điện

Đầu vào (b), ứng với các tổ hợp van abb, bcc, caa.

Bằng cách tính toán tương tự như trên, giá trị độ dài các vector và các góc pha được liệt kê tương ứng trong bảng 2.1

tương ứng khi các pha đầu ra được nối với các pha đầu vào khác nhau Trong các trạng thái này vector điện áp đầu ra cũng sẽ là vector điện áp đầu vào và là các vector quay Các vector này không được sử dụng trong kỹ thuật biến điệu vector không gian vì không có cách nào sử dụng chúng cho quá trình biến điệu Các vector trong 18 hàng đầu tiên là các vector đáng quan tâm Đây là các vector có hướng cố định, hay còn gọi là các vector chuẩn Các vector trong ba hàng tiếp sau 18 hàng trên là các vector không, khi đó các pha đầu ra đều được nối vào cùng một pha đầu vào

Các vector cố định hay các vector chuẩn sẽ xác định thời gian dẫn của các van trong các nhánh của sơ đồ MC, từ đó xác định góc dịnh chuyển của vector quay trong quá trình tổng hợp điện áp ra, kết hợp với vector không xác định biên độ của vector này Điều này hoàn toàn giống với nguyên lý của kỹ thuật biến điệu bề rộng

-thông thường, ở đó các vector chuẩn có biên độ không đổi, trong SVM cho MC các

vector chuẩn có biên độ thay đổi theo thời gian Chính vì vậy mà kỹ thuật áp dụng cho MC sẽ phức tạp, đòi hỏi tính toán nhiều hơn

Bảng 2.1 Các tổ hợp van và giá trị của các vector chuẩn theo U0 và Ii

Các vector cố định hay các vector chuẩn sẽ xác định thời gian dẫn của các van trong các nhánh của sơ đồ MC, từ đó xác định góc dịnh chuyển của vector quay trong quá trình tổng hợp điện áp ra, kết hợp với vector không xác định biên độ của vector này Điều này hoàn toàn giống với nguyên lý của kỹ thuật biến điệu bề rộng

-thông thường, ở đó các vector chuẩn có biên độ không đổi, trong SVM cho MC các vector chuẩn có biên độ thay đổi theo thời gian Chính vì vậy mà kỹ thuật áp dụng cho MC sẽ phức tạp, đòi hỏi tính toán nhiều hơn

vector chuẩn chia mặt phẳng thành 6 góc bằng nhau, mỗi góc phần sáu này gọi là một sector Các sector được đánh số từ I đến VI

(aba)(bcb)(cac)

(bab)(cbc)(aca)

(abb)(bcc)(caa) (aab)(bbc)(cca)

(baa)(aba)(aab)

(caa)(aca)(aac)

I

II III

IV

I

II III IV

2.2.2 Tổng hợp vector điện áp ra và vector dòng điện vào

Với một vector điện áp đầu ra có vị trí bất kỳ trên mặt phẳng, đang ở trong một góc phần sáu nào đó, ta có thể tổng hợp vector này từ hai vector thành phần có hướng theo hai vector biên chuẩn của góc phần sáu đó Ví dụ, trên hình 2.4, vector

các vector thành phần như sau:

và bba, ccb, aac Việc lựa chọn sử dụng vector điện áp chuẩn đầu vào nào sẽ phụ thuộc vào vị trí của vector dòng điện đầu vào so với các vector chuẩn dòng đầu vào Với một vector dòng điện đầu vào có vị trí bất kỳ, đang trong một góc phần sáu nào đó, có thể tổng hợp ii = ii1 + ii2, trong đó ii1, ii2 là hai vector tựa trên hai vector dòng điện biên chuẩn của góc phần sáu tương ứng Mỗi vector thành phần này lại cũng có thể được điều chế nhờ hai vector dòng điện cùng hướng nhưng

uo1được điều chế nhờ 1+, 3 , u- o2nhờ 4 , 6+, i- i1 nhờ 3 , 6+, i- i2 nhờ 1+, 4-

2.2.3 Xác định các hệ số biến điệu

Bằng những ính toán t lý thuyết ựa ào ơ đồ biểu diễn ác vector kh ng d v s c ôgian ta rútra c ng th tô ức ính c h s i ác ệ ố đ ều biến d1, d3, d4, d6như sau:

sin sin

cos 3

cos 3

trình (2.7) ta tính được hệ số truyền áp lớn nhất của biến tần kiểu ma trận là

≈0.866