ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMENT(DTC) ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SÓC SỬ DỤNG BIẾN TẦN CẦU H

Bán full tài liệu có cả matlab liên hệ zalo 0789265340. Nhận làm thuê đồ án nghiên cứu ai cần liên hệ Trong đồ án có mô phỏng của SVPWM , SPWM , DTC VSI , DTC cầu H 3 mức Đồ án điểm quyển 9đ . bảo vệ được 9đ hàng tốt uy tín

TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN NGUỒN ÁP ĐA MỨC

Giới thiệu

Sự phát triển của bộ chuyển đổi công suất cao và bộ chuyển đổi trung thế từ giữa những năm 1980 Khi các thyristor đóng ngắt 4500V đã được thương mại hóa GTO ra đời là tiêu chuẩn hệ chuyển động MV(medium- voltage) cho đến khi có sự ra đời của Transistor lưỡng cực (IGBT) và Thyris chuyển cổng(GCTs) vào những năm 1990 những thiết bị này chuyển mạch này phát triển nhanh chóng vào lĩnh vực chính của điện tử công suất do có đặc tính chuyển đổi tốt, giảm thiểu mất điện năng, dễ dàng trong việc điều khiển chuyển đổi cổng và không cần mạch chống nhiễu snubber

Các bộ điều khiển trung thế bao gồm các mức công suất từ 0.4MW đến 40MW ở các cấp điện áp trung thế từ 2.3kV đến 13.8kV Công suất định mức có thể lên đến 100MW.Nơi thường xuyên sử dụng động cơ đồng bộ và biến tần chuyển đổi tải Tuy nhiên, phần lớn MV được lắp đặt trong phạm vi từ 1 đến 4kW với định mức điện áp từ 3,3kV đến 6,6kV Bộ điều khiển MV công suất cao được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp

Các động cơ điều khiển công suất cao được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp Chúng được sử dụng chủ yếu ở trong ngành khí dầu hỏa, ngành vận tải, nhà máy làm kim loại và các ứng dụng khác.Việc lắp đặt động cơ trung áp tiết kiệm chi phí đáng kể về năng lượng

Hình 1.1 thể hiện sơ đồ khối tổng quan của động cơ trung áp Tùy thuộc vào yêu cầu của hệ thống và bộ biến đổi được sử dụng Bộ lọc ở phía line-side và Motor-side có thể tự chọn Một bộ biến đổi pha với cuộn thứ cấp thường được sử dụng chủ yếu để giảm thiểu biến dạng trên đường dây

Bộ chỉnh lưu diode, bộ chỉnh lưu SCR multipulse hoặc bộ chỉnh lưu điều chế độ rộng xung PWM Bộ lọc DC đơn giản là một tụ điện được cung cấp DC tốt trong hệ thống nguồn điện áp hoặc một cuộn cảm cung cấp hài hòa cho hệ thống DC nguồn dòng Bộ chỉnh lưu biến đổi điện áp cung cấp nguồn thành điện áp DC với biến cố định có thể chỉnh sửa Các topologie chỉnh lưu thường được sử dụng bao gồm chỉnh lưu bằng diode, bộ chỉnh lưu SCR multipulse, hoặc bộ chỉnh lưu điều chế rộng xung PWM Bộ lọc DC có thể đơn giản là một tụ cung cấp một điện áp DC chính trong hệ thống nguồn điện áp hoặc cuộn cảm làm hài hòa dòng DC trong hệ thống nguồn dòng

1.1.1 Phía động cơ (Motor-Side) a dv/dt và phản chiếu sóng:

Tốc độ chuyển đổi nhanh của các thiết bị bán dẫn cao đến dv/dt sự gia tăng cao và giảm của dạng sóng điện áp đầu ra của bộ biến tần Tùy thuộc vào biên độ của điện áp mạch DC của bộ biến tần và tốc độ của bộ chuyển đổi, dv/dt có thể vượt quá 10.000 V/s Dv/dt cao trong dạng sóng điện áp đầu ra của bộ biến tần có thể gây hư hỏng thiết bị Nó gây ra điện áp trục rotor thông qua dung tích điện không mong muốn bởi stator và rotor Điện áp trục tạo ra dòng điện chạy vào ổ trục dẫn đến hư hỏng ổ trục Dv/dt cao cũng gây ra từ tính trong cáp kết nối của bộ biến tần, ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị điện tử nhạy cảm gần đó

Dv/dt cao có thể gây ra gấp đôi điện áp tại sự gia tăng và giảm của dạng sóng điện áp động cơ do hiện tượng phản chiếu sóng trong cáp dài Hiện tượng phản chiếu được gây ra không phù hợp giữa trở kháng của cáp và trở kháng tại hai đầu ( biến tần và động cơ) Chiều dài cáp tối quan trọng tối đa cho 500 V/s nằm trong khoảng 100 mét, cho

1000 V/s là khoảng 50 mét, và cho 10,000 V/s là khoảng 5 mét b Cường độ điện áp chung

Hành động chuyển đổi bộ chỉnh lưu và biến tần thông thường tạo ra điện áp chế độ chung Các điện áp chế độ chung thường là điện áp dãy số không gian hầu như là sự kết hợp với nhiễu tín hiệu điện Nếu không được giảm thiểu, các nhiễu này sẽ xuất hiện trên dây trung cấp của cuộn dây stator so với đất, điều này phải bằng không khi động cơ được cấp điện bởi nguồn cung cấp tiện ích cân bằng ba pha Hơn nữa, điện áp từ dây động cơ đến đất, điều này phải bằng với điện áp từ dây động cơ đến trung tâm (pha), có thể tăng đáng kể do các điện áp chế độ chung, dẫn đến việc hư hỏng sớm của hệ thống cách điện của cuộn dây động cơ Kết quả là tuổi thọ của động cơ bị rút ngắn

Nên lưu ý rằng các điện áp chế độ chung được tạo ra bởi quá trình chỉnh lưu và biến đổi của bộ biến đổi Hiện tượng này khác biệt so với dv/dt cao do sự biến đổi chuyển đổi của các công tắc tốc độ cao.Cần lưu ý thêm rằng vấn đề về điện áp chế độ chung thường được bỏ qua trong các động cơ điện áp thấp Điều này một phần là do thiết kế bảo vệ của hệ thống cách điện cho các động cơ điện áp thấp Trong các ứng dụng của động cơ MV , động cơ không nên chịu bất kỳ điện áp chế độ chung nào.Nếu không, việc thay thế động cơ bị hỏng sẽ rất tốn kém, bên cạnh việc mất sản xuất c Giảm công suất động cơ

Bộ biến đổi điện công suất cao có thể tạo ra một lượng lớn các sóng điện áp và dòng điện sóng hài Những sóng hài này gây thêm tổn thất công suất trong cuộn dây và lõi từ của động cơ Kết quả là, động cơ bị giảm công suất và không thể hoạt động ở công suất tối đa của nó d Dao động xoắn

Dao động xoắn (torsional vibrations) có thể xảy ra trong hệ thống điều khiển điện áp trung thế (MV drive) do độ trễ lớn của động cơ và tải trọng cơ học của nó.Những dao động xoắn được kích hoạt khi tần số tự nhiên trùng với tần số của biến đổi lực xoắn do dòng điện của động cơ biến dạng gây ra Những dao động xoắn quá mức có thể dẫn đến việc gãy trục và nối ghép, cũng như gây hỏng cho các bộ phận cơ học khác trong hệ thống

1.1.2 Line-side a Biến dạng dòng điện trên đường dây:

Bộ chỉnh lưu thường tạo ra dòng điện biến dạng từ nguồn cung cấp điện, và nó gây ra cách rãnh trên dạng sóng điện áp Các dạng sóng biến của dòng điện và điện áp có thể gây ra vấn đề như tripping gây tổn hại trong quá trình điều khiển bằng máy , quá nhiệt máy biến áp, hỏng hóc các thiết bị, mất dữ liệu máy tính Tripping gây phiền hại các dây chuyền lắp ráp công nghiệp thường gây lên ngừng máy và hư hỏng sản phẩm b Hệ số công suất đầu vào:

Hệ số công suất đầu vào cao là một yêu cầu chung cho tất cả các thiết bị điện Hầu hết các công ty cung cấp điện yêu cầu khách hàng của họ phải có hệ số công suất 0.9 trở lên để tránh bị phạt Yêu cầu này đặc biệt quan trọng đối với động cơ trung áp do công suất cao của nó

1.1.3 Hạn chế thay đổi thiết bị a Tần số chuyển đổi thiết bị:

Sự mất công suất do chuyển đổi thiết bị chiếm một phần đáng kể trong tổng công suất mất trong hệ thống điều khiển điện áp trung thế Việc giảm thiểu sự mất công suất do chuyển đổi có thể dẫn đến giảm chi phí vận hành khi hệ thống điều khiển điện áp trung thế (MV drive) được vận hành Kích thước vật lý và chi phí sản xuất của hệ thống điều khiển điện áp trung thế cũng có thể được giảm đi do thiết bị làm mát bị chuyển đổi giảm đi Lý do khác để giới hạn tần số chuyển đổi liên quan đến trở kháng nhiệt của thiết bị có thể ngăn cản việc truyền nhiệt hiệu quả từ thiết bị đến bề mặt làm mát của nó Trong thực tế, tần số chuyển đổi thiết bị thường ở khoảng 200 Hz đối với GTO và

500 Hz cho IGBT và GCT

Việc giảm tần số chuyển mạch thường gây ra sự gia tăng sóng hài sự biến dạng của dạng sóng điện áp tại phía nguồn và phía động cơ của bộ truyền động Những nỗ lực nên được được thực hiện để giảm thiểu độ méo dạng sóng với tần số chuyển mạch hạn chế b Kết nối nối tiếp:

1.1.4 Cấu hì nh của bộ biến đổi

ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN CẦU H

Phương pháp điều khiển

Từ khi được đưa ra đến nay các phương pháp điều chế cho các bộ biến đổi nghịch lưu được nghiên cứu và phát triển rất nhiều Ngày nay người ta luôn muốn tìm ra một phương pháp điều chế tốt nhất như tần số đóng cắt thấp giảm tổn hao đóng cắt, đơn giản trong việc điều khiển Với xu hướng phát triển của công nghệ, ngày càng có rất nhiều phương pháp được đưa ra phục vụ cho việc điều chế cho các bộ biến đổi đa mức, mỗi phương pháp đều có những ưu, nhược điểm riêng Chương này sẽ trình bày hai phương pháp điều chế được sử dụng rộng rãi hiện nay đó là PWM và SVM từ đó có thể thấy được nguyên lý điều khiển cũng như ưu nhược điểm của từng phương pháp.

Phương pháp PWM

Sin PWM là phương pháp so sánh một sóng sin chuẩn, có tần số bằng tần số ra nghịch lưu mong muốn, với một điện áp răng cưa tần số cao cỡ 2-10Khz từ đó thay đổi được độ rộng xung mở van

Có 2 phương pháp phổ biến để điều chế độ rộng xung Sin-PWM trong nghịch lưu: điều chế đơn cực và điều chế lưỡng cực Điều chế đơn cực sẽ cho sóng hài tốt hơn Vì khi điều chế một cực tính mỗi nhánh nửa cầu được điều khiển bởi tín hiệu PWM bởi 2 răng cưa lệch nhau 180º Như vậy số răng cưa có thể tăng lên gấp đôi hay nói cách khác là điện áp đầu ra có tần số gấp đôi tần số chuyển mạch Do đó điện áp đầu ra cho chỉ số sóng hài tốt hơn Có hai phương pháp điều chế sóng mang:

- Dịch pha sóng mang (Phase-shifted)

Phương pháp dịch mức(Level- shifted) sẽ cho hệ số méo sóng hài (THD) tốt hơn so với dịch pha (Phase-shifted).

Nguyên lý thực hiện thuật toán PWM

Các kỹ thuật điều chế PWM ứng dụng cho các bộ biến đổi đa mức dựa trên việc so sánh tín hiệu chuẩn với sóng dạng tam giác có tần số cao để xác định khoảng thời gian điều chế, đóng cắt các van trong mạch lực Và với bộ biến đổi đa mức nhiều van bán dẫn cần nhiều sóng mang, điều chế đa sóng mang Trong kỹ thuật điều chế PWM có hai kỹ thuật phổ biến là dịch mức và dịch pha sóng mang

Hệ số điều chế biên độ (AMI): là tỉ số giữa biên độ của tín hiệu sin chuẩn và biên độ sóng mang so sánh

U m_ref là biên độ tín hiệu sin chuẩn;

U m_carry là biên độ sóng mang

Hệ số điều chế tần số: là tỉ số của tần số sóng mang và tần số tín hiệu chuẩn

Trong đó: f ref là tần số tín hiệu sin chuẩn; f c là tần số sóng mang

Theo phương pháp dịch pha tất cả các cầu H đều tuân theo cùng một sóng sin chuẩn Sóng mang là sóng răng cưa, có (m -1) sóng răng cưa (với m là số mức của NLĐM) Độ dịch pha góc  giữa hai sóng mang liền kề nhau được tính theo công thức:

Hệ số điều chế biên độ m a :

Acar biên độ tín hiệu sóng mang

Aref là biên độ tín hiệu đặt (tín hiệu Sin chuẩn)

Hình 2.1 Dịch pha sóng mang 3 pha 11 mức 2.3.2 Dịch mức sóng mang (Level shift)

Với phương pháp dịch mức, có ba kiểu sóng mang biểu diễn H2.2

- PD (Phase Disposition): tất cả các sóng mang đều cùng pha

- APOD (Alternative Phaseopposite Disposition): Bố trí ngược pha luân phiên, hai sóng mang kế cận liên tiếp nhau dịch pha 180°

- POD (Phase Opposite Disposition): Các sóng mang kế cận liên tiếp nhau nằm bên trên và bên dưới trục zero sẽ cùng pha với nhau, hai sóng mang nằm trên trục zero ngược pha với nhau biểu diễn dạng điện áp ra vac ứng với phương pháp điều chế sóng mang kiểu PD, hai kiểu sóng mang còn lại cũng cho dạng điện áp ra v AC tương tự

Hình 2.2 Dịch mức sóng mang PD, POD, APOD

Phương pháp SVM

Phương pháp điều chế vector không gian SVM có những ưu điểm ở khả năng linh hoạt hơn nhiều so với PWM dựa trên sóng mang SVM có khả năng tạo ra quỹ đạo vector mong muốn có dạng bất kỳ nhờ lựa chọn các vector trạng thái và các thời gian phù hợp trong một chu kỳ điều chế Điều này rất cần thiết để đảm bảo đặc tính động học của hệ thống vì thông thường bộ biến đổi nằm trong hệ thống các mạch vòng điều chỉnh, lượng đặt cho bộ biến đổi điện áp thường từ đầu ra của bộ điều chỉnh dòng điện, có thể có dạng khác xa so với hình sin, khi đó tính toán các lượng offset cho PWM nhiều sóng mang trở nên là vấn đề lớn Nhờ khả năng sắp xếp các vector tích cực một cách tùy ý trong chu kỳ đóng cắt, SVM có thể cho phép thực hiện các phép điều chế gián đoạn (DPWM) một cách dễ dàng để giảm thiểu số lần khóa bán dẫn chuyền

Hình 2.3: Bộ nghịch lưu cầu ba mức

Xét pha A của bộ nghịch lưu ba mức cầu H (hình 2.4)

Hình 2.4: Mạch cầu H pha A Bảng 2.1: Bảng trạng thái chuyển mạch pha A

Trạng thái van Điện áp

Trong quá trình chuyên mạch đảm bảo theo quy tắc:

𝑆 2𝑥 + 𝑆 3𝑥 = 1 Với x=a,b,c tương ứng theo từng pha Như vậy với 3 pha ta thu được 27 trạng thái chuyển mạch có 19 vector không gian điện áp gồm 12 vector nằm trên đỉnh và trung điểm của hình lục giác lớn , 6 vector nằm trên 6 đỉnh của lục giác bên trong và 3 vector không gian nằm tại tâm hình lục giác (hình 2.5)

Hình 2.5: Vector không gian điện áp nghịch lưu cầu H 3 mức

Dựa vào đó ta chia các vector thành 4 nhóm :

- Vector không (Zero Vector): Tương ứng với 3 trạng thái chuyển mạch là [PPP],[OOO],[NNN] Độ lớn của 𝑣̅ 0 bằng 0

- Vector nhỏ (Small vector): Tương ứng từ 𝑣̅ 1 đế𝑛 𝑣̅ 6 Mỗi vector nhỏ có hai trạng thái chuyển mạch , một trạng thái chứa [P] và trạng thái kia chứa [N]

- Vector trung bình (Medium vector): Tương ứng với các vector từ 𝑣̅ 7 đế𝑛 𝑣̅ 12 , có độ lớn bằng 2

- Vector lớn (Large vector): Tương ứng với các vector từ 𝑣̅ 13 đế𝑛 𝑣̅ 18 , có độ lớn bằng

Bảng 2.2: Các vector ứng với trạng thái chuyển mạch

Vector Trạng thái đóng ngắt van

Phân loại vector Độ lớn vector Vector

Trạng thái đóng ngắt van

Phân loại vector Độ lớn vector

2.4.2 Phương pháp điều chế vector không gian cho nghịch lưu áp ba pha ba mức cầu chữ H

Các bước thực hiện giải thuật điều chế vector không gian:

- Xác định vị trí sector

- Xác định vị trí tam giác

- Xác định thời gian tác động của các vector chuẩn

- Tính toán chuyển mạch của các van bán dẫn a Xác định sector Để xác định vị trí sector Ta biến đổi từ điện áp chuẩn đầu vào 𝑉 𝐴 , 𝑉 𝑏 , 𝑉 𝐶 ta biến đổi ra hệ trục tọa độ 𝑉 𝑎𝑙𝑝ℎ𝑎 , 𝑉 𝛽 Từ góc 𝜃 ta tính được vị trí sector Có nhiều cách để xác định vị trí sector điển hình là cách xác định góc 𝜃 của vector điện áp quay 𝑉 𝑟𝑒𝑓 và trục 0𝛼 như hình 2.7

Hình 2.6: Vector điện áp quay 𝑉̅ 𝑟𝑒𝑓

Sáu sector được phân bố đều trên mặt phẳng 𝛼𝛽, vector 𝑉̅ 𝑟𝑒𝑓 được xác định như sau :

Bảng 2.3: Vị trí 𝑉 𝑟𝑒𝑓 trong biểu đồ

0° ≤ 𝜃 < 60° Sector 1 60° ≤ 𝜃 < 120° Sector 2 120° ≤ 𝜃 < 180° Sector 3 180° ≤ 𝜃 < 240° Sector 4 240° ≤ 𝜃 < 300° Sector 5 300° ≤ 𝜃 < 360° Sector 6 b Xác định vị trí tam giác Để xác định 𝑚 𝑛 thuộc tam giác nào ta chiếu vector lên các vector chuẩn ta được hai giá trị 𝑚 1 𝑣à 𝑚 2 có giá trị được tính theo 𝑉 𝑟𝑒𝑓 𝑉 13

Hình 2.7: Xác định vị trí tam giác của 𝑉 𝑟𝑒𝑓

Ta phân tích các giá trị 𝑚 1 , 𝑚 2

Hình 2.8: Phân tích 𝑉 𝑟𝑒𝑓 thành hai thành phần m1 và m2

Tính toán được 𝑚 1 , 𝑚 2 như sau:

Từ 𝑚 1 , 𝑚 2 ta có các kết luận về vị trí 𝑉 𝑟𝑒𝑓 như sau:

Nếu hai giá trị 𝑚 1 , 𝑚 2 và 𝑚 1 + 𝑚 2 < 0.5 thì vector không gian đang trong tam giác thứ

Nếu giá trị 𝑚 1 > 0.5thì vector không gian đang ở tam giác thứ 4

Nếu giá trị 𝑚 2 > 0.5thì vector không gian đang ở tam giác thứ 3

Nếu hai giá trị 𝑚 1 và 𝑚 2 đều 0.5thì vector không gian đang ở tam giác thứ 2

Xét vector 𝑉̅ 𝑟𝑒𝑓 nằm trong Sector I Ta chia mặt phẳng thành 4 tam giác con 1, 2, 3, 4

Và mỗi tam giác được tạo lên từ ba vector chuẩn

Bảng 2.4: Tổ hợp các vector cơ bản ứng với tam giác trong sector I

Tam giác Tổ hợp các vector cơ bản

(4) 𝑉 1 , 𝑉 13 , 𝑉 7 c Xác định thời gian tác động vector chuẩn

Vector 𝑉 𝑟𝑒𝑓 thuộc tam giác nào thì sẽ được tổ hợp từ các vector tạo lên tam giác đó Tổng quát, khi vector điện áp trung bình 𝑉 𝑟𝑒𝑓 nằm trong tam giác tổ hợp từ các vector

𝑉 1 , 𝑉 2 , 𝑉 3 ta thực hiện sự tổng hợp vector trung bình bằng cách điều khiển để 𝑉 1 tác dụng trong thời gian Ta ,𝑉 2 tác dụng trong khoảng thời gian Tb , và 𝑉 3 tác dụng trong khoảng thời gian Tc theo công thức:

𝑉 𝑟𝑒𝑓 𝑇 𝑠 = 𝑉 1 𝑡 𝑎 + 𝑉 2 𝑡 𝑏 + 𝑉 3 𝑡 𝑐 (1.6) Trong đó : 𝑇 𝑠 = 𝑡 𝑎 + 𝑡 𝑏 + 𝑡 𝑐 là chu kỳ điều chế

Xét trường hợp vector chuẩn 𝑉 𝑟𝑒𝑓 đang ở trong phần tam giác thứ hai của sector I, ta biểu diễn như sau :

3) Chúng ta cân bằng phương trình phần thực và phần ảo riêng , ta có phương trình :

𝑇 𝑠 = 𝑡 𝑎 + 𝑡 𝑏 + 𝑡 𝑐 Áp dụng cụ thể vào bốn tam giác trong sector I của hình lục giác, ta có được tỉ lệ thời gian tác động như bảng: đặt 𝑘 = 2

√3𝑚 𝑛 𝑇 𝑠 là hệ số điều chế

Bảng 2.5: Cách tính Ta, Tb, Tc trong mỗi vị trí tam giác

3− 𝜃) − 𝑇 𝑠 d Tìm trạng thái chuyển mạch

Từ bảng 2.5 ta đưa ra được xung đóng cắt để đạt được tối ưu nhất định tổn thất chuyển mạch hoặc độ méo sóng hài thấp ta phải sắp xếp tạo thành chuỗi chuyển mạch Trình tự chuyển mạch trong các tam giác của Sector I được

Hình 2.9 Xung điều khiển pha B ở thanh ghi PWM

Việc tính toán thanh ghi PWM ở mỗi tam giác được đưa ra ở bảng 2.6

Bảng 2.6: Giá trị thanh ghi ở mỗi tam giác

Mô phỏng trên Matlab/Simulink

Mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink với tải RL, sử dụng H nối tầng có các thông số mô phỏng như sau: Điện áp DC ở mỗi cầu H: Vdc = 400VDC

Giá trị điện trở tải, cuộn cảm : R = 200Ω,LPe-3H

Tần số phát xung PWM: 5kHz Điện áp đặt đầu ra có biên độ 400V/50Hz

2.5.1 Phương pháp PWM nghịch lưu cầu H 3 mức

Hình 2.10 Cấu trúc mô phỏng nghịch lưu cầu H nối tầng theo phương pháp PWM

Hình 2.11 Cấu trúc mạch lực cầu H 3 mức

Hình 2.12: Cấu trúc điều khiển theo phương pháp PWM

Hình 2.13: Điện áp pha A trên tải

Hình 2.16 Phân tích THD dòng tải

Kết quả mô phỏng điện áp pha A và điện áp dây 𝑈 𝐴𝐵 hoàn toàn hợp lý với lý thuyết Phương pháp PWM dễ sử dụng trong hệ thống điều khiển cơ bản Tuy nhiên phương pháp này vẫn thu được nhiều sóng hài bậc cao nếu điều khiển chính xác vẫn còn hạn

2.5.2 Phương pháp SVM nghịch lưu cầu H 3 mức

Hình 2.17 Cấu trúc mô phỏng nghịch lưu cầu H nối tầng theo phương pháp PWM

Hình 2.18: Thuật toán điều chế SVM

Hình 2.22: THD dòng điện pha A

Kết quả mô phỏng phù hợp với lý thuyết Dòng điện pha A thu được sóng hài thấp Phương pháp SVM thu lại được dạng sóng tốt hơn làm tăng chất lượng dòng điện và điện áp Tuy nhiên thuật toán SVM khá là phức tạp đòi hỏi sự tính toán cao từ hệ thống điều khiển.

Kết luận chung

Chương 2 đi nghiên cứu điều khiển biến tần cầu H, Trong đó chú trọng đi nghiên cứu phương pháp SVM Phương pháp điều chế SVM biến tần cầu H 3 mức đã giảm được sóng hài và tăng chất lượng của điện áp và dòng điện tốt nhất nhưng thuật toán khá phức tạp đặc biệt ở nghịch lưu bậc cao Đây sẽ là tiền đề để đi nghiên cứu phương pháp DTC ở chương 3

ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN

Giới thiệu động cơ không đồng bộ

Động cơ điện xoay chiều có thể phân làm hai nhóm: động cơ xoay chiều không đồng bộ và động cơ xoay chiều đồng bộ Trong động cơ xoay chiều không đồng bộ có động cơ roto lồng sóc và động cơ roto dây quấn Trong động cơ xoay chiều đồng bộ có động cơ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu và động cơ kích từ bằng nam châm điện Mỗi loại động cơ đều có những ưu điểm và nhược điểm nhất định và các phương pháp điều chỉnh tốc độ cũng không hoàn toàn giống nhau Động cơ không đồng bộ có nhiều ưu điểm hơn so với động cơ DC như không đòi hỏi bảo trì thường xuyên, độ tin cậy cao, khối lượng và quán tính nhỏ hơn, giá thành rẻ hơn và đặc biệt có thể làm việc trong môi trường độc hại hay nơi có khả năng cháy nổ cao… Do đó động cơ không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và trong cuộc sống hơn so với các động cơ khác Tuy nhiên, trước đây động cơ không đồng bộ sử dụng trong các ứng dụng chủ yếu có tốc động không đồng bộ, do các bộ điều khiển tốc độ thường đắt tiền hoặc hiệu suất thấp

Với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bán dẫn công suất cao và kỹ thuật vi xử lý Ngày nay, những bộ điều khiển động cơ không đồng bộ đã được chế tạo với đáp ứng cao hơn và giá thành rẻ hơn các bộ điều khiển động cơ DC Do đó động cơ không đồng bộ có thể thay thế động cơ DC trong rất nhiều ứng dụng Động cơ không đồng bộ thường được chia làm 2 loại: động cơ không đồng bộ roto lồng sóc có các thanh dẫn điện đặt trong các rãnh roto và được làm ngắn mạch ở hai đầu(mỗi đầu có một vòng dẫn nối liền các thanh dẫn); Động cơ không đồng bộ roto dây quấn có cuộn dây ba pha đặt trong các rãnh lõi roto, stator cũng tương tự, nhưng số rãnh ít hơn và số vòng dây nhiều hơn trên mỗi pha, dây dẫn lớn hơn Roto được quấn dây và măc sao, có ba đầu dây ra nối với ba vòng trượt gắn trên trục roto Ưu nhược điểm của động cơ KĐB

Cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ hơn so với động cơ một chiều Độ tin cậy trong vận hành, giảm chi phí trong vận hành, bảo trì, sửa chữa, có thể làm việc trong môi trường độc hại, cháy nổ Động cơ KĐB ba pha còn có thể dùng trực tiếp với lưới điện xoay chiều ba pha, không phải tốn kém thêm các thiết bị biến đổi

- Nhược điểm: Động cơ dễ phát nóng đối với stator, nhất là khi điện áp lưới tăng và đối với roto khi điện áp lưới giảm

Khi điện áp sụt xuống thì momen khởi động và momen cực đại giảm rất nhiều do momen tỷ lệ với bình phương điện áp

Nhược điểm lớn nhất là động cơ KĐB là việc điều chỉnh tốc độ à khống chế các quá trính rát phức tap.

Mô hì nh toán học động cơ không đồng bộ

Khi mô tả mô hình toán học động cơ không đồng bộ bằng phương trình ta có các giả thiết sau

- Điện áp ba pha đầu vào stator là đối xứng

- Chỉ xét sóng hài cơ bản, các sóng hài cao hơn do sự phân bố trường trong không gian và lực từ động (MMF) trong khe hở không khí bị bỏ qua

- Phân bố không gian của các cuộn dây stato và roto được thay thế bởi một cuộn dây tập trung

- Ảnh hưởng của hiện tượng dị hướng, bão hòa từ thông, tổn thất sắt và từ trường xoáy được bỏ qua

- Điện trở và điện kháng của cuộn dây được coi là không đổi

- Trong nhiều trường hợp, đặc biệt khi xem xét trạng thái ổn định dòng điện và điện áp được coi là hình sin

Xem xét các giả thiết trên, có thể viết các phương trình sau đây của các giá trị điện áp pha stator tức thời như sau:

Phương pháp vector không gian thường được sử dụng để mô tả động cơ không đồng bộ Ưu điểm của các phương pháp này như sau:

- Giảm số của phương trình động học

- Khả năng phân tích ở bất kỳ ở dạng sóng của nguồn cấp

- Các phương trình được biêu diễn trong hệ trục tọa độ quay

Hệ đối xứng ba pha được biểu diễn trong hệ tọa độ trung tính bằng các đại lượng pha, chẳng hạn như: điện áp, dòng điện hoặc liên kết từ thông, có thể được thay thế bằng một vectơ không gian thu được lần lượt là điện áp, dòng điện và liên kết từ thông Một vectơ không gian được định nghĩa là:

𝑘 𝐴 (𝑡), 𝑘 𝐵 (𝑡), 𝑘 𝐶 (𝑡) : Đại lượng tùy ý trong hệ tọa độ tự nhiên 𝑘 𝐴 (𝑡) +

1, 𝑎̅, 𝑎̅ 2 = độ 𝑙ệ𝑐ℎ 𝑝ℎ𝑎2/3 : Hệ số chuẩn hóa

Sử dụng phương pháp vector không gian, phương trình động cơ không đồng bộ được viết là:

Chuyển các phương trình (3.3) và (3.4) sang hệ tọa độ quay bất kỳ K với tần số góc ωk ta có

Phương trình tốc độ quay roto có thể viết như sau:

Trong đó: 𝑀 𝑒 ∶ Moment điện từ

B : Là hằng số nhạy, thông thường người ta bỏ qua (B=0)

𝑀 𝑒 điện từ được biểu diễn như sau:

Trong thực tế điện áp trên roto của động cơ không đồng bộ roto lồng sóc bằng không với việc sử dụng phương trình momen (3.9) ta có mô hình động cơ không đồng bộ roto lồng sóc như sau:

Trong hệ trục tọa độ cố định với stato (−) có tốc độ góc quay 𝜔 𝐾 = Vector không gian có thể phân tích thành hai thành phần trên hệ trục tọa độ (−) như sau:

rong hệ trục tọa độ cố định (−) mô hình động cơ có thể được viết như sau:

2 (𝜓 𝑠𝛼 𝐼 𝑠𝛽 − 𝜓 𝑠𝛽 𝐼 𝑠𝛼 ) − 𝑀 𝐿 ] (3.16) Để biểu diễn mô hình động cơ trên sơ đồ khối ta viết lại phương trình từ (3.14) đến(3.16) như sau:

Từ các phương trình (3.17), (3.18) và (3.19) ta có mô hình động cơ trên hệ trục tọa độ (−) như sau

Hình 3.2: Mô hình động cơ không đồng bộ trên hệ trục tọa độ (α – β)

Nguyên lý điều khiển trực tiếp momen cho động cơ không đồng bộ nghịch lưu

Trước đây, động cơ điện xoay chiều chỉ được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu nhỏ, bất chấp những ưu điểm của động cơ AC so với động cơ DC, do giá thành của bộ biến tần chuyển mạch cao Với sự phát triển trong lĩnh vực điện tử công suất, các phương pháp điều khiển vector sử dụng bộ vi xử lý nhanh và xử lý tín hiệu số (DSP), cho phép sử dụng động cơ cảm ứng trong các khu vực thường chiếm ưu thế của động cơ DC, vì các bộ phận hiện tại tạo ra momen và từ thông không được tách rời, mang lại cho hệ thống các tính năng tương tự như động cơ DC riêng biệt Phương pháp điều khiển trực tiếp momen(DTC) cho phép điều khiển trực tiếp từ thông và momen trực tiếp độc lập, chọn vector chuyển mạch tối ưu, tạo ra phản ứng momen nhanh, tần số chuyển đổi biến tần thấp và tổn thất sóng hài thấp Hình 3.1 thể hiện sơ đồ khối của bộ điều khiển DTC DTC có thể điều khiển trực tiếp từ thông và momen điện từ, điều khiển dòng điện và điện áp gián tiếp, …

3.3.2 Điều khiển trực tiếp momen DTC

Phương pháp điều khiển vị trí của vector từ thông stato 𝜓 𝑠 để điều chỉnh momen động cơ Để thực hiện theo phương pháp này cần dựa vào phép biến đổi vector để tìm biên độ và vị trí của vector 𝜓 𝑠 , xuất từ biểu thức tính Momen:

𝐿 𝑟 𝐿 𝑠 −𝐿 2 𝑀 𝜓 𝑠 𝜓 𝑟 𝑠𝑖𝑛 𝛿 𝜓 (3.1) Trong đó 𝛿 là góc giữa vector từ thông roto và vector dòng điện stator

𝛿 𝜓 là góc giữa vector từ thông rotor và stator

Sơ đồ vector của ĐCKĐB tương ứng được đưa ra trong hình (3.1) 2 góc 𝛿 và 𝛿 𝜓 cũng được đưa ra trong hình 3.1 Góc 𝛿 𝜓 rất quan trọng trong thuật toán DTC

Từ mô hình toán học của ĐCKĐB, phương trình momen được đưa ra

Trong thực tế, điện áp trên rotor của ĐC KĐB rotor lồng sóc bằng 0 Từ (3.2) ta có phương trình (3.3)

Hình 3.3: Góc lệch pha giữa dòng điện và từ thông Đối với sự sụt giảm điện áp trên điện trở stato, từ thông stato có thể được biểu thị:

Xem xét điện áp đầu ra của biến tần trong phương trình trên, nó có thể được viết là

Phương trình (3 4) mô tả tám vector điện áp tương ứng các trạng thái nghịch lưu có thể có Các vector được thể hiện trong hình (3.2) Có sáu vector hoạt động

Hình 3.4: Điện áp đầu ra của biến tần được biểu diễn dưới dạng vectơ không gian ĐC

BẢNG CHỌN VECTOR ĐIỆN ÁP

TÍNH ĐIỆN ÁP TÌM SECTOR d  dM Điều khiển từ thông Điều khiển Momen

Hình 3.5: Sơ đồ phương pháp điều khiển trực tiếp momen(DTC)

Lượng đặt biên độ từ thông stato và lượng đặt momen điện từ được so sánh với các giá trị ước lượng tương ứng Sai lệch từ thông và sai lệch momen được đưa đến bộ điều khiển băng trễ Các đầu ra 𝑑 𝜓 , 𝑑 𝑀 và vị trí sector của từ thông sẽ lựa chọn vector điện áp phù hợp từ bảng chuyển mạch Việc lựa chọn ở bảng sẽ sinh ra các xung SA, SB, SC để điều khiển các van biến đổi

Bộ điều khiển băng trễ của từ thông là hai mức trong khi đó bộ điều khiển băng trễ của momen là ba mức được mô tả như hình: a

Hình 3.6: Bộ điều khiển băng trễ a) Hai mức; b) Ba mức

Tín hiệu đầu ra 𝑑 𝜓 , 𝑑 𝑀 được định nghĩa như sau:

𝑑 𝜓 = 1 khi 𝑒 𝜓 > 𝐻 𝜓 (phải tăng từ thông)

𝑑 𝜓 = 0 khi 𝑒 𝜓 < −𝐻 𝜓 (phải giảm từ thông)

𝑑 𝑀 = 0 khi 𝑒 𝑀 = 0 (Giữ nguyên không điều khiển)

Trong phương pháp DTC mặt phẳng được chia làm 6 sector nhưng hình và được định nghĩa như bảng sau:

Hình 3.7: Các sector trong phương pháp DTC

Khi vector từ thông stato ở sector I như hình 3.5, để làm tăng biên độ của nó thì các vector điện áp U1, U2, U6 được lựa chọn, để làm giảm biên độ từ thông stato thì các vector U3, U4, U5 được lựa chọn sử dụng vector 0 là U0, U7 để giữ cho vector từ thông không thay đổi Để làm tăng momen ta sử dụng các vector U2, U3, U4 và để làm giảm momen ta sử dụng U1, U5, U6

Từ đó ta có bẳng chuyển mạch sau:

Bảng 3.2: Bảng lựa chọn vector điện áp

𝑑𝜓 d M Sector I Sector II Sector III Sector IV Sector V Sector VI

Như vậy, bằng việc thay đổi vector điện áp một cách thích hợp, vector từ thông sẽ quay tròn trong không gian với module nằm trong một dải trễ Dựa trên yêu cầu tăng hay giảm từ thông và momen, ta lựa chọn các vector điện áp thích hợp có trong bảng 3.1, đó cũng là chiến lược đóng cắt tối ưu cho nghịch lưu áp để thực hiện DTC

Hình 3.8: Lựa chọn vector điện áp khi vector từ thông ở sector I

Cấu trúc điều khiển momen cho nghịch lưu cầu H

3.4.1 Tổng quan DTC sử dụng nghịch lưu mức cầu H

Hình 3.9: Sơ đồ phương pháp DTC sử dụng bộ nghịch lưu 3 mức cầu H

  từ thông tỷ lệ nghịch với tốc độ, như vậy từ thông đặt được tính toán dựa trên tốc độ đầu vào Momen có thể điều chỉnh dựa trên sai lệch giữa tốc độ đầu vào và tốc độ phản hồi, sử dụng bộ điều khiển PI để điều chỉnh sai lệch

Từ thông và momen được điều khiển dựa trên bộ điều khiển băng trễ như hình 4.2:

Hình 3.10: Bộ điều khiển băng trễ của DTC với nghịch lưu ba mức

Bộ điều khiển băng trễ cho từ thông là 3 trạng thái, cho momen là 4 trạng thái Việc tăng số trạng thái các bộ điều khiển băng trễ giúp đáp ứng momen và từ thông trơn hơn, độ đập mạch nhỏ, tốc độ thay đổi mượt mà Do đó động cơ vận hành ổn định hơn, hạn chế được rung động của động cơ cũng như các cơ cấu cơ khí, làm tăng độ bền cơ điện cho hệ thống truyền động

3.4.2 Bảng lựa chọn vector điện áp nghịch lưu ba mức Để thực hiện thuật toán bộ điều khiển DTC cho nghịch lưu ba mức, ta chia không gian vector thành 12 sector mỗi sector có góc chia là 30 0 , các sector này lấy các vector lớn và vector trung bình làm đường phân giác (hình 4.3) Sector I được xác định giữa góc -

Hình 3.11: Các sector trong phương pháp DTC cho bộ nghịch lưu 3 mức

Bảng 3.3: Bảng chọn sector bộ nghịch lưu ba mức

Tương tự như cấu trúc DTC hai mức, sự tác động của từng vector điện áp trạng thái có thể tác động làm tăng hay giảm từ thông và momen cả về độ lớn lẫn hướng của chúng Bảng 4.2 trình bày một giải pháp lựa chọn sự tác động của các vector điện áp là tối ưu Trong đó, vector từ thông stator và momen đạt được thông qua bộ điều khiển băng trễ

3 trạng thái (cho từ thông) và 4 trạng thái (cho momen) Kỹ thuật này không sử dụng vector điện áp 0 để đóng cắt mạch động lực

Bảng 3.4: Bảng lựa chọn vector với 12 sector d  d M S 1 S 2 S 3 S 4 S 5 S 6 S 7 S 8 S 9 S 10 S 11 S 12

Mô phỏng DTC VSI

Hệ thống được mô phỏng với mô hình động cơ không đồng bộ của Matlab Các tham số của động cơ như sau:

Pn = 2.2 kW, Ud = 400, f = 50 Hz; nđm = 1450 vòng/phút; p = 2; F = 0; J = 0.01;

Rs = 3.32 Ω; Rr = 2.11 Ω; Ls = Lr = 0.00439 H; Lm = 0.2373 H

Hình 3.12: Mô hình hệ thống điều khiển DTC cho nghịch lưu VSI

Hình 3.13: Khối bảng chọn vector với 6 vector

Hình 3.14: Khối ước lượng moment và từ thông

Hình 3.15: Khối chuyển đổi tọa độ 𝑎𝑏𝑐 → 𝛼𝛽

Moment khởi động không tải không ổn định đến 0,2s thì có tải ở mức 10 ổn định độ đập mạch của moment vẫn còn lớn

Tốc độ động cơ tăng dần ổn định đạt giá trị đặt mong muốn sau 0.02s hệ thống có tính ổn định

Hình 3.17: Đáp ứng tốc độ

Dòng điện stator đầu ra có dạng sóng hình sin nhưng vẫn còn độ đập mạch lớn trên dòng điện

Từ thông stator luôn ổn định giá trị đặt ở mức 0.9

Hình 3.19: Đáp ứng từ thông stator

Hình 3.20: Phân tích THD dòng điện tải

Phương pháp điều khiển DTC-VSI dựa trên mô phỏng đáp ứng tốc độ động cơ , moment, từ thông bám sát với giá trị đặt Hệ thống đáp ứng tốt với bất kì sự thay đổi nào tuy nhiên độ đập mạch còn khá lớn nên sóng hài trên dòng điện vẫn còn cao

Mô phỏng DTC nghịch lưu cầu H

Giữ nguyên thông số động cơ, ta có mô hình hệ thống DTC – 3L H_bridge như hình 3.15:

Hình 3.21: Mô hình hệ thống điều khiển DTC cho nghịch lưu cầu H

Moment khởi động không tải không ổn định đến 0,2s thì có tải ở mức 10 ổn định độ đập mạch của moment đã giảm khi sử dụng bộ nghịch lưu cầu H

Tốc độ động cơ tăng dần ổn định đạt giá trị đặt mong muốn sau 0.015s

Hình 3.23: Đáp ứng tốc độ

Dòng điện stator đầu ra đã có dạng sóng hình sin khi dùng bộ nghịch lưu cầu H độ đập mạch trên dòng điện đã giảm.

Từ thông stator đã đạt giá trị đặt nhanh hơn so với phương pháp VSI

Hình 3.26: Phân tích THD dòng điện tải

Phương pháp điều khiểnaDTC nghịch lưu cầu H 3 mức đã cải thiện và hiệu suất độ chính xác của moment, độ đập mạch của từ thông đã giảm Sóng hài dòng điện giảm rõ rệt Phương pháp này đã giải quyết được hết các thứ mà phương pháp trước chưa xử lý được.

Kết luận

Hệ thống xây dựng ở trên đã thực hiện thành công điều chỉnh trực tiếp momen với chất lượng cao, đáp ứng tốc độ lúc khởi động gần như không có quá điều chỉnh

Bộ điều khiển DTC sử dụng bộ nghịch lưu hai mức, đáp ứng khởi động xấu hơn, độ đập mạch của từ thông vẫn còn khá lớn Đối với bộ điều khiển DTC sử dụng bộ nghịch lưu ba mức cầu H nối tầng, thì các nhược điểm của sơ đồ trên đã khắc phục được khá nhiều, momen khởi động tốt hơn, sóng hài của dòng điện cũng giảm rõ rệt, độ đập mạch từ thông cũng giảm độ chính xác cao hơn và ít dao động hơn, đơn giản hóa cài đặt

TỔNG KẾT

Sau quá trình nghiên cứu và thực hiện đồ án tốt nghiệp Do thời gian có hạn và hạn chế về kiến thức nhưng với sự hướng dẫn tận tình của TS Nguyễn Hoàng Việt đã giúp em hoàn thành được đồ án tốt nghiệp của mình Từ những kết quả thu được em xin rút ra những kết luận sau:

Có cái nhìn tổng quan về nghịch lưu đa mức

Hiểu biết hơn về các phương pháp SVM, DTC

Mô phỏng thành công mô hình lý thuyết của điều khiển trực tiếp moment cho động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc sử dụng biến tần cầu H với đặc tính moment hầu như không bị quá điều chỉnh Đáp ứng tốc độ không bị dao động hệ thống có tính ổn định cao

Chỉ dừng ở xây dựng mô hình lý thuyết chưa triển khai được mô hình thực tế do còn nhiều hạn chế

Việc xây dựng và bước đầu mô phỏng thành công mô hình cho thấy đã tiếp cận được với mục tiêu ban đầu đề ra Trong quá trình thực hiện em đã học hỏi thêm được nhiều kiến thức, việc triển khai thực tế đó giỳp em củng cố thờm lý thuyết.ã