Luận văn thạc sĩ Thiết bị, mạng và nhà máy điện: Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ được cấp nguồn bởi hệ chính lưu - nghịch lưu điều rộng xung sử dụng Card dSpace 1104

H- NHIEM VU VA NOI DUNG:- Lap mô hình động cơ không đồng bộ trên phan mềm Matlab/Simulink.- M6 phỏng điều khiến tốc độ ĐCKĐB được cấp nguồn bởi hệ chỉnh lưu-nghịch lưu điều rộng xung tro

NGUYEN ĐỨC HIỆU

DIEU KHIEN TÓC ĐỘ DONG CƠ KHÔNG ĐÔNG BO

ĐƯỢC CAP NGUON BỞI HỆ CHINH LƯU-NGHỊCH LƯUĐIÊU RỘNG XUNG SỬ DỤNG CARD dSPACE 1104

Chuyên ngành : Thiết Bị, Mạng và Nhà Máy Điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HO CHI MINH, tháng 7 năm 2011

Cán bộ hướng dan khoa hoc: PGS.TS NGUYÊN VĂN NHỜ

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vi và chữ ky)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐÔNG CHAM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨTRUONG ĐẠI HỌC BACH KHOA, ngay tháng năm

Tp HCM, ngày 06 tháng 7 năm 2011NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGUYEN ĐỨC HIỆU Phái: namNgày, tháng, năm sinh: 14/10/1974 Nơi sinh: Quang NgaiChuyên ngành: Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện MSHV: 09180059I- TEN DE TAI: DIEU KHIEN TOC DO DONG CO KHONG DONG BO DUGCCAP NGUON BOI HE CHINH LUU-NGHICH LUU DIEU RONG XUNG SUDUNG CARD dSPACE1104.

H- NHIEM VU VA NOI DUNG:- Lap mô hình động cơ không đồng bộ trên phan mềm Matlab/Simulink.- M6 phỏng điều khiến tốc độ ĐCKĐB được cấp nguồn bởi hệ chỉnh lưu-nghịch

lưu điều rộng xung trong phần mềm Matlab.- Gia công phan cứng, lắp mô hình mạch phân cứng.- Tim hiểu Card dSPACE1104 và phan mém ControlDesk.- Chay mô hình phan cứng với Card dSPACE1104 và lẫy kết quả.HI- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 9/2010

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 7/2011v- CÁN BỘ HƯỚNG DAN: PGS.TS NGUYEN VĂN NHỜ

CÁN BỘ HUONG DAN CN BỘ MÔN.(Học ham, học vi, họ tên và chữ ký) QL CHUYEN NGANH

PGS.TS NGUYÊN VĂN NHỜ

Tôi xin bày tỏ lòng biết on sâu sac đến tat cả quí thầy cô Khoa Điện — Điện tửTrường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh đã tận tinh truyền đạt kién thức cho tôitrong suốt khóa học tại trường.

Tôi kính gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ đã tậntình giúp đỡ và hướng dẫn tôi trong học tập, cũng như trong suốt quá trình thực hiệnluận văn Thầy đã tạo điều kiện cơ sở vật chất và môi trường nghiên cứu để tôi thựchiện phần cứng mô hình cho luận văn

Cam ơn đến các bạn nghiên cứu viên va sinh viên tại phòng thí nghiệm hệ thốngNăng Lượng trường Dai Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh đã cùng tôi trao đồi, chia sẻkinh nghiệm trong quá trình thực hiện luận văn này.

Cảm ơn bạn bè đã cùng tôi chia sẻ, trao dồi kiến thức trong học tập cũng nhưtrong quá trình thực hiện luận văn.

Cảm ơn Trường Đại học Tra Vinh, và các đồng nghiệp đã tạo điều kiện tốt chotôi hoàn thành khóa học.

Cuối cùng xin chân thành cảm ơn gia đình và những người thân yêu đã luôn tạođiều kiện, động viên, giúp đỡ và là chỗ dựa vững chắc giúp tôi an tâm học tập vượt quanhững khó khăn trong thời gian qua.

Tp Hô Chi Minh, ngày 06 tháng 7 năm 2011

NGUYEN ĐỨC HIỆU

thực nghiệm do chính ban thân tôi thực hiện và lấy kết quả Nội dung luận văn do chínhban thân tôi tham khảo các tài liệu và biên soạn Tôi xin chịu trách nhiệm trước nhatrường, trước pháp luật nếu những số liệu và kết quả trong luận văn là sai sự thật hoặc là

đánh cắp số liệu của người khác.

BANG Kf HIỆU VÀ CHU VIET TẮTT :¿ccccccc+treeerrreeeeeeee il

TOM TAT NOI DUNG LUẬN VĂN uisessesssssssssssssssseesssssssssnssssssssssseecsseeseseee i4

Ch ong 1: TONG QUAN VE DONG CƠ KHONG DONG BỘ VÀ PHÉPBIEN DOT HE TRUC TỌA ĐỘ oou.ecccccccccccccccccecscsescscsscscscscsesscseseseseseesssesees 1

1.1 Tầm quan trọng của động co không đồng bộ trong hệ thống truyền độngđiỆn 77222 2222 000111111111111111 111 111kg xxeeeeeeeereeeeeeree |1.2 Cấu tạo và đặc điểm của động cơ không đồng bộ -cc cccccscccce: 21.3 Sơ đồ mạch điện tương đương động cơ không đồng bộ 41.4 Phép biến đối hệ trục tọa độ trong mô hình hóa động cơ không đồng bộ 5A HỆ †rỤC ADC Lcccc C0 TT ng KH nà 5b Hệ trục tĩnh af, và phép chuyền đồi hệ trục abehé trục ơÿ 6c Hệ trục quay dq, và phép chuyền đổi hệ trục abe © hệ trục dq 6d Phép chuyền đôi hệ trục abc<> hệ trục đq 61.5 Mô tả các phương trình DCKDB trong hệ tọa độ đứng yên Stator (hệ tọa

1.6 Mô tả các phương trình DCKDB trong hệ tọa độ quay rotor (hệ tọa độ dq) 8Ch ong 2: MÔ HÌNH DONG CO KDB TRONG MATLAB/SIMULINK 102.1 Mô hình động co KDB trong hệ trục dq - << << <<<<c+++esssssss 102.2 Mô phỏng động co KDB lý tưởng khởi động trực tiếp từ nguồn 3 pha 14Ch ong 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP DIEU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG?;90/9:22 7 183.1 Giới thiệu chung về cau trúc của bộ biến tần ¿6 6+ +esEsEsEereeseeessee 18

3.2 BO in na 20

3.2.1 Nguyên lý hoạt động của bộ chỉnh lưu điều rộng xung 1 pha 223.2.2 Nguyên lý hoạt động của bộ chỉnh lưu điều rộng xung 3 pha 24

3.3.2 Phân tích bộ nghịch lưu áp 3 pha -<<<s<+sssssss2 293.3.3 Các kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) 32

3.3.3.a Kỹ thuật điều chế sóng mang (Carrier Based Pulse Width

Modulation) - << 0001101010011 1111 1111111111113 se 323.3.3.b Kỹ thuật điều chế theo dòng điện đặt (Hysteresis current

(eco) 115 k0) 9 22777 -::ÔÒÔÒÔÒÔÒÔÒÔÒÔÓỎÓ 333.3.3.c Kỹ thuật điều chế véc tơ không gian (Space Vetor Pulse Width

Modulation) << cc c2 0 11111111111 1 11 1v vs ren 353.4 Các phương pháp điều khiến động cơ KDB với bộ nghịch lưu 2 bậc 383.4.1 Phương pháp điều khiển định hướng tựa theo véctơ từ thong (FOC) 383.4.1.1 Nguyên lý điều khiến định hướng tựa theo véctơ từ thông 393.4.1.2 Điều khiến định hướng theo véctơ từ thông rotor 39a Sơ đồ điều khiến định hướng theo vecto từ thông rotor trực tiếp 4lb So đồ điều khiển định hướng theo vectơ từ thông rotor gián tiếp 423.4.2 Phương pháp điều khién trực tiếp moment (DTC) 45Ch ong 4: MÔ HÌNH DIEU KHIỂN TOC ĐỘ DONG CƠ KHONGDONG BO TREN MATLAB/SIMULIK VA CARD dSPACE1104 494.1 Hệ thong điều khiển tốc độ động cơ KĐB được cấp nguồn bởi bộ chỉnh

luu/nghich lưu điều rộng XUN - + << SE EềEvEEEkckckekekecrreeeree 49

4.2 Mô tả mô hình trên Matlab/Simulink 5 2 5552 s52 +s£s£zs+ se +zes+ 3l42.1 Bo chimh Lu a)a)haahaaidÝ 51

4.2.2 Bộ nghịch Ïưu - ccscscescsscsccscsscssccscssssesscsscssssecsessssssseeee sees 54

4.3 Mô tả mô hình điều khiến phan cứng . ¿2-6 + E#E+E+EsEeEeEerere sererered 594.3.1 Phân tích sơ dO mach - ¿+ E938 EeEsESESkEsEeEeerersesed 5943.2 Mô hình điều khiển phần cứng ¿5+ + + +kexeeeeeeseee 60

(PWM) oun cccecceccccecescsccseceseesevscecvecesscesvsceessvsvecasscvavacsessvavavecuavecasscsavecavscsavacassavavassensnevsvaceaees 655.1 Mô hình và thông số hệ thong wo cceecescsesssesescscssessessesesesssssssesceeees 655.1.1 Mô hình sử dụng bộ chỉnh lưu cầu điOde 6s cscssecsesesees 65

5.1.2 Mô hình sử dụng bộ chỉnh lưu điều rộng xung -5-55 68

5.2 Mô phỏng và so sánh kết qua 2-2-5 S252 SE2E£E‡ESE£EeEeErkrereerred 705.2.1 Điều khiến tốc độ động cơ khi động cơ chưa kéo tải - 70

5.2.2 Điều khiến tốc độ động cơ khi động cơ kéo tải định mức 75

5.2.3 Điều khiến thay đôi tốc độ động cơ khi động cơ kéo tải định mức 79

5.2.4 Điều khiến ồn định tốc độ động cơ khi động co kéo tải thay đối 83

5.2.5 Chế độ hãm tái sinh khi động cơ đảo chiều quay - 87

5.2.6 Chế độ hãm tái sinh khi moment âm 2 5552 +Ss>s+£+£es2 8953 Nhận xét và kết luận - - ¿E- SE +E+E5EE£EEEEEEEEEEE3E15E1E11E1 1 121 E 92Ch ong 6: THỰC NGHIEM DIEU KHIEN TÓC ĐỘ ĐỘNG CƠ KDBDUOC CAP NGUON BỞI HE CHÍNH LƯU-NGHỊCH LƯU BIEU RONGXUNG SỬ DUNG CARD DS-1104 - ¿©5222 S223 E121 E1 EEEErrrrred 936.1 Mô tả thực nghiệm phần PWM Rectifier + 25555 cscsccscecsrerei 936.1.1 Mô hình điều khiến - -:- ¿2 52562 EE£E+EEEEEEEEEEEEEEEEEEErkrkrrered 936.1.2 Kết quả thực nghiệm - + 25222213 E12 E 1212111111111 ecxrk 936.1.3 KẾT luận < SE St 1k E1 1511111215111115 1111111111111 11c 956.2 Mô tả thực nghiệm phần PWM Inverter và điều khiến động cơ KDB 95

6.2.1 Mô hình điều khiến có hồi tiếp dòng và hồi tiếp áp -. 5- 96a Mô hình điều khiỂn - + 52+ SE +E£E£EE£EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEErkrreee 96b Kết quả thực nghi1Ệm - (<< <11011110111 1111111111115 111111 rrrre 966.2.2 Mô hình điều khiến có hồi tiếp dòng, không hồi tiếp áp 97a Mô hình điều Khién cccecccccccccccecceccecscesccscessescsscescsscsscsscscsscesscsscsceceeees 97

6.3 Thực nghiệm khi ghép nói 2 khối PWM Rectifier-PWM Inverter để điềukhiển động cơ không đồng bộ - 5+ 2 2 +E+E+E2EEE+ESEEEEEEErEerrrrrrreee 996.3.1 Mô hình điều khiỂn - ¿5-5562 SE£E9EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEErkrrrrkd 996.3.2 Kết quả thực nghiệm - - + + SE SE rerree 1006.3.3 Kết luận - sec 1 1112111111511 11115 111111 1111110111 0101 1111 y0 10264 Thực nghiệm với bộ nguén PWM Rectifier-PWM Inverter V/f để điều

khiển động cơ KĐB - - 6 E2 SE E23 E5 E1 12111 1217115151111, 1026.4.1 Mô hình điều khiỂn ¿5-5652 SE EEEEEEEEEEEEE 111121211 re 103642 Kết quả thực nghiệm («+ se SESE SE ctcvcvcvgvngegerree 10364.3 Mô hình điều khiến với bộ Diode Rectifier - 105a Kết quả thực nghiỆm - - c3 gEgEgEErxrerkes 1056.5_ Kết qua phân tích dòng đầu vào pha a - 2 25552252 <££+Ez£szererrered 1076.6 Kt luận G c1 111101011 1110111111 TH TH ng 108Ch ong 7: ĐÁNH GIÁ, KET LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIEN DE TÀI 1097.{ Đánh giá - 5< TS 1 1511112111111 1111 111111110111 11 11 20111010 yee 1097.2 KẾ( Wan ice cceccccccccccscescscsscscscsscscscssscsscscscsscscscsscscsssscscsesecscsvssessecscsssecsnssesenees 1107.3 Hướng phát triỀn dé tải tt TK 1119151111111 111g ng ri 111TÀI LIEU THAM KHẢO c-cccscscscecec-eeeee e 112

PHỤ LỤCA.l Phần cứng cho mạch thực nghiỆm - 235515 AIB.1 Giới thiệu card dSPACE DSTIÚ4 <5 1 2 1H ng g3 k4 BI

BANG KÝ HIEU VÀ CHU VIET TAT DUNG TRONG LUẬN VĂNDCKDB động co không đồng bộ

KĐB không đồng bộ

ĐCDC động cơ một chiềuĐCĐB động cơ đồng bộBCL-NL bộ chỉnh lưu-nghịch lưuAC điện xoay chiều (Anternating Current)DC điện một chiều (Direct Current)

RFOC điều khién định hướng từ thông rotor (Rotor Field Oriented Control)DTC điều khién trực tiếp moment (Direct Torque Control)

VSVC Voltage Source Voltage ControlVSCC Voltage Source Current ControlVSI Voltage Source Inverter

CSI Current Source InverterPWM diéu rong xung (Pulse Width Modulation)

CPWM Carrier Pulse Width ModulationSPWM Sine Pulse Width ModulationSVPWM Space Vector Pulse Width Modulation

IGBT Insulated Gate Bipolar TransistorPI Proportional Integral

THD Total Harmonic Distortion( ) biểu thức toán học hoặc hình minh họa

[ ]tai liệu tham khảof,i=a,b,c) ký hiệu dùng trong biểu thức hệ tọa độ abc

f,=a.8)ty (x = d.q)

ký hiệu dùng trong biểu thức hệ toa độ đứng yên afký hiệu dùng trong biểu thức hệ tọa độ quay dq

vector không gian điện ap stator

vector không gian điện ap rotorvector khong gian dong dién statorvector khong gian dong dién rotorvector không gian từ thong rotorvector không gian từ thong statorgóc giữa vector điện ap stator với truc @góc giữa vector từ thong stator với truc @góc giữa vector từ thong rotor với trục atần số nguôn điện (Hz)

tần số dòng điện rotor (Hz)tốc độ góc rotor (rad/s)tốc độ quay của từ thong rotor (rad/s)tốc độ góc hệ quy chiếu bất kỳ (rad/s)điện kháng tản của cuộn dây quấn rotor (H)điện kháng tản của cuộn dây quấn stator (H)hỗ cảm giữa stator và rotor (điện cảm từ hóa) (H)điện cảm rotor (H) (L, = L,, +)

điện cam stator (H) (L, = L,, +)dién tro day quan rotor (Q)

dién tro day quan stator (Q)moment điện từ động cơ (N.m)

[2

moment tai (N.m)

moment quan tinh (kg.m’)

điện áp một chiều của bộ nghịch lưu (V)số đôi cực từ của dây quấn stator

tốc độ đồng bộ (vòng/phút)tốc độ rotor (vòng/phút)hệ số trượt

dong điện startor pha a,b,cthành phần dòng điện rotor trong hệ tọa độ đứng yên stator (œj) trên trục athành phần dòng điện rotor trong hệ quy chiếu đứng yên stator (a) trên trục Bthành phần dòng điện stator trong hệ tọa độ đứng yên stator (af) trên trục athành phần dòng điện stator trong hệ tọa độ đứng yên stator (af) trên trục Bthành phan dòng điện rotor trong hệ quy chiếu quay dq trên trục d

thành phan dòng điện rotor trong hệ quy chiếu quay dq trên trục qthành phần dòng điện stator trong hệ quy chiếu quay dq trên trục dthành phần dòng điện stator trong hệ quy chiếu quay dq trên trục qthành phan điện áp stator trong hệ tọa độ đứng yên stator (a) trên trục ơthành phan điện áp stator trong hệ tọa độ đứng yên stator (a) trên trục Bthành phần điện áp rotor trong hệ quy chiếu quay dq trên trục d

thành phan điện áp rotor trong hệ quy chiếu quay dq trên trục q

Chương 1TONG QUAN VE ĐỘNG CƠ KHONG DONG BỘ VÀ PHÉP BIEN DOI HE

TRUC TOA DO

1.1 Tâm quan trọng của động co không dong bộ trong hệ thong truyền động điệnĐộng cơ không đồng bộ gần như hiện diện trong hầu hết các hệ truyền động điện,có nhiệm vụ biến đôi điện năng thành cơ năng, và đóng một vai trò quan trọng trong hệthống truyền động điện Cho phép chúng ta lựa chọn các phương pháp điều khiển quatrình bién đôi năng lượng này phủ hợp với yêu cầu của từng hệ truyền động điện

Các hệ thống truyền động điện được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị máy móc,trong các dây chuyển sản xuất công nghiệp, trong giao thông vận tải, trong các thiết bịđiện dân dụng

Có khoảng 75-80% hệ truyền động điện không yêu cầu thay đôi tốc độ, tốc độ củađộng co hau như không cần điều khiến trừ các quá trình khởi động va quá trình ham[3].Người ta chon động cơ không đồng bộ cho hệ thông truyền động này

Phan còn lại 20-25% là các hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ động cơ để phốihợp được đặc tính động cơ và đặc tính tải theo yêu cầu[3] Tùy theo yêu cầu của hệtruyền động ma chúng ta có thé sử dụng động cơ một chiều (DC), động cơ đồng bộ,hoặc động cơ không đồng bộ

Với xu hướng ngày nay, động cơ không đồng bộ được chọn thay thế động cơ điệnmột chiều, động cơ đồng bộ trong các hệ thống truyền động yêu câu thay đối tốc độ,cũng như yêu cầu tốc độ không đối khi tải thay đồi Vì một số lý do sau:

- Động cơ không đồng bộ có cầu tạo đơn giản, chắc chan, dễ chế tao, gia thành rẻ,vận hành có độ tin cậy cao, ít chi phí bảo dưỡng, dé sửa chữa, có dãy công suấtrộng từ vai watt đến hàng megawatt

- Sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn và kỹ thuật vi xử lícho phép chúng ta điều khiến động cơ không đồng bộ đáp ứng được các yêu cầuđặc tính của hệ truyền động Nó thay thế các hệ truyền động dùng động cơ mộtchiêu hoặc động cơ đông bộ.

1.2_ Cau tạo và đặc điểm của động cơ không dong bộ

+ Cấu tạo:Động cơ không đồng bộ được chia làm hai loại: động cơ không đồng bộ rotorlồng sóc và động cơ không đồng bộ rotor dây quấn, (nếu chia theo số pha của bộ dâyquan stator ta có loại 1 pha, 3 pha hoặc nhiều pha)

Động cơ KĐB có 2 phần chính: phần Stator và phần Rotor.- Stator: gồm vỏ máy, lõi thép va bộ dây quan

- Rotor: gồm lõi sắt, trục và bộ dây quan, có thêm vành trượt đối với động

co rotor dây quan.Dây quan va lõi sắt là phần quan trọng trong động co vì chúng trực tiếp thamgia vào quá trình bién đôi năng lượng điện thành năng lượng cơ và ngược lại

Từ trường quay của stator cảm ứng lên bộ dây quấn rotor một sức điện động e,vì dây quân rotor kín mạch nên có dòng điện i, chạy bên trong bộ dây quân rotor Sựtác dụng tương hồ giữa các thanh dan mang dòng điện i, với từ trường của máy tạo racác lực điện từ Fạ, tác dụng lên thanh dẫn có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái.Tập hợp các lực tác dụng lên thanh dẫn theo phương tiếp tuyến với bề mặt rotor tạo ramoment lam quay rotor.

Chiêu quay của rotor là chiều quay của từ trường, vì vậy phụ thuộc vào thứ tupha của điện áp lưới đặt trên dây quan stator

Toc độ của rotor nz là toc độ làm việc và luôn luôn nhỏ hon toc độ từ trườngquay va chi trong trường hợp đó mới xảy ra cảm ứng sức điện động trong day quan

Tân sô dòng điện trong rotor rat nhỏ, nó phụ thuộc vao toc độ truot của rotor sovới tốc độ từ trường quay:

x1 1H; — p*m *ứn — n

60 60 * n,

f, = Josef (13)% Đặc diém của động cơ không đồng bộ

" Câu tạo đơn giản, chắc chan, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ." Toc độ động cơ phụ thuộc vào tân sô lưới điện ƒ; và sô đôi cực P của động cơ.= Tốc độ động cơ luôn luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường quay 1, (tốc độ đồng bộ)

= Tốc độ động cơ bị thay đối khi tải thay đôi.= Chiều quay của động cơ được thay đôi dễ dàng khi thay đôi thứ tự pha.

Ngoài ra, để điều khiến động cơ KĐB một cách hiệu quả chúng ta phân tíchmạch điện tương tương của động cơ KDB, từ đó chúng ta đưa ra phương trình đặc tinhcơ, phương trình đặc tính co—dién của động cơ không đồng bộ Dựa vào đó chúng ta cóthé điều khiển động cơ KDB thông qua thay đổi các tham số của phương trình Hoặcchúng ta có thé mô hình hóa động co KDB bằng mô hình toán học và thông qua bộ vixử lí dé chúng ta có thé điều khiển động co KDB một cách chính xác hơn

1.3 Sơ đồ mạch điện tương đương động cơ không dong bộ

Phương trình điện ap stator và rotor: [6][ L7]

J do2S (1.10)1.4 Phép biến đổi hệ trục tọa độ trong mô hình hóa động co không dong bộ:a Hệ trục abc.

Phân tích vector dòng điện, điện áp theo 3 thành phần hình chiếu tương ứng trên3 trục abc; mỗi trục lệch pha nhau 21/3

u, =5 (6 +ax„ + aˆ4,„)110116| (1.11)

- 2 4, ISi, = 3 +ai, +a i,.) VỚI a=e 3 (1.12)

Lưu ÿ: ching ta lay véc tơ điện áp us làm đại lượng đặc trưng trong các phép biến đổihệ trục tọa độ, các véc tơ dòng dién i, , từ thong Ự, ta thực hiện tương tự.

Im 4

j240° ”~*~~-‡~~”

e

Hình 2.3 Hệ trục tọa độ abc[12]b Hệ trục tinh af, và phép chuyển đổi hệ trục abcohé trục af.Công thức chuyền từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ af

u,,, = (2/3)\(u,, —0.5u,, —0.5u,, ) (1.13)

Ug = -(2/3)-u,, V3/2+u,, ¥3/2) (1.14)Công thức chuyền từ hệ tọa độ ơB sang hệ tọa độ abc:

u., =U,, (1.15) ấu„ =—0.5u,, +u „3/2 (1.16)

NO

U, =—0.5w,„ —u,„ V3/2 (1.17) |

Hình 2.4 chuyền trục abc- afc Hệ trục quay dạ, và phép chuyển đổi hệ trục abc © hệ trục dq

Công thức chuyền từ hệ tọa độ ơB sang hệ tọa độ da:

U,y = Us, COSA, —U,, SIN CL, (1.18)Ug = Use, SIN A, + U,g COSA, (1.19)Công thức chuyền từ hệ tọa độ dq sang hệ tọa độ ơÿ:

Ug, — Uy COSA, —U,, SIN Ớ, (1.20)Ug =Usg SIN A, +U,, COSA, (1.21)

pO

d Phép chuyển đổi hệ trục abc hệ trục dq Hình 2.5 chuyên trục œB-dq

Công thức chuyền từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ dq:[8]

U,, = ok cosa, +u,,(cosa, —27/3)+u,, cos(a, + 27/3)] (1.22)u,, = — St, sina, +u,,(sin a, —22/3)+u,, sin(a, + 27/3)] (1.23)sq

Công thức chuyền từ hệ tọa độ dq sang hệ tọa độ abc:

U,, — Huy COSA, —U,, SIN A, (1.24)

u,, =u,„cos(œ, — 2Z/3)—u,„ sin(a, — 27/3) (1.25)u„ =u,„cos(œ, + 27/3)—u,, sin(œ, + 27/3) (1.26)

1Š Mô tả các phương trình DCKDB trong hệ toa độ dứng yên Stator (hệ tọa độap)

Chiếu (1.8) va (1.9) lên hệ tọa độ œB được các phương trình điện áp stator va rotor:

Phương trình điện áp stator:{ L7]

đi di,,u,, =R,i,, +L, +L, (1.27)

dt dtdip, di,Uy, = Rin, +L, +L, (1.28)

dtPhuong trình điện ap rotor:

; di

0=L, T8 + i, + Ri, +L, AH“ +al,i, (1.29)

dt dtdip, di,0O=L, — OL jigs + Rig, +L, — 0È 1 (1.30)

dt dtPhuong trinh tu thong:

Wy =Lyig + Lyiy

Vy = bi Thu (1.31)

VW p, — Lip, + Lil ps

Từ phương trình (1.10)

=——— VỚI T = =P, 1! —W gh

e L P df e 2 (Wars Bs VW ps as)Suy ra phương trình vận tốc rotor:

u, =Ri,+L.—“+L, “-œøœ|Li +Lịi 1.35ds sds S dt m dt _( SẴgs nian) ( )

=Ri +L fos Man (L.i„ + Lyi.) (1.36)

Hà, ~~ seas S dt m dt QO, seas me dr *

Phương trình điện áp rotor:

0=Ri, +L, “ao +1, 3a —(ạ,— o\L,i,, + Lica) (1.37)

dt dt

` di r di S ` `

0=Rji „+ ——+L„——+(@—@XLji„ + L4 „) (1.38)

dt dtPhương trình từ thong:

Was = Lela, + Lila

Wes = Ly + hạ,

Phương trình moment điện tu:

T, = 2 PL,, (i,,i,, 4 i nia) q 40)

Phương trình vận tốc rotor:

ee (141)Thé (1.40) vao (1.41) duge:

do 3 ¬ P

—= (G L1 =1 4, ) - 1l) (142)

Dựa vào những phương trình trên làm cơ sở để tạo ra những mô hình động cơkhông đồng bộ lý tưởng trong phần mềm Matlab Sử dụng các phương trình trong hệtọa độ af, ta có mô hình động cơ trong hệ tọa độ af Su dụng các phương trình tronghệ tọa độ dg ta có mô hình động cơ trong hệ tọa độ đa.

Chương 2MO HÌNH DONG CO KHONG DONG BO TRONG MATLAB/SIMULINK

Trong hầu hết các phương pháp điều khiến, việc cần có một mô hình toán họccủa đối tượng là vô cùng quan trọng Điều này quyết định chất lượng của bộ điềukhiển Một số phương pháp hiện đại như điều khiến mò, mang nơron nhân tạo có thécho phép điều khiển mà không cần đến mô hình toán đối tượng Tuy nhiên, trongtrường hợp này, việc điều khiến chỉ dùng các phương pháp trên là rất khó đạt được vìđối tượng động cơ KDB là đối tượng phi tuyến bậc cao Vì vậy, việc đầu tiên để xâydựng bộ điều khiến động cơ KĐB là xây dựng mô hình toán của động cơ KĐB

Như ta đã biết, động cơ KĐB là đối tượng phi tuyến bậc cao Mô hình toán làmột hệ phương trình vi phân bậc cao với nhiều khâu phi tuyến Mục đích của chúng talà xây dựng bộ điều khiến dựa trên mô hình đối tượng Vì vậy, mô hình đối tượng càngđơn giản thì sẽ càng dé dang thiết lập bộ điều khiến Do đó, trong quá trình thiết lập môhinh, ta sẽ chấp nhận một số điều kiện sau để đơn giản hóa mô hình động cơ: [12]

> Các cuộn dây stator được bồ trí đối xứng về mặt không gian.> Bỏ qua các ton hao sat từ và sự bảo hòa của mach

> Dòng từ hóa và từ trường được phân bồ hình sin trên bề mặt khe hở không khí.> Các giá trị điện trở và điện cảm được coi là không biến đồi

Những giả thiết này sẽ gây ra một sai lệch nhất định giữa mô hình và đối tượngthật nhưng không nhiều ta có thể bỏ qua

2.1 Mô hình động cơ không đồng bộ trong hệ trục dạ.Động cơ KĐB ba pha lý tưởng được mô hình hóa băng các phương trình toántrong tọa độ dq, từ các phương trình (1.35) đến (1.42), biến đổi chúng thành bốnphương trình vi phân với biến của nó là dòng điện Stator và Rotor trong hệ tọa độ quaybat kì, kết hợp với phương trình moment điện từ và phương trình biến đôi năng lượngđiện cơ ta được hệ thống các phương trình hoàn chỉnh mô tả đầy đủ hiện tượng vật lýxảy ra trong động cơ KĐB lý tưởng.

Các phương trình mô phỏng động co KDB lý tưởng được viết trong tọa độ dq:dij, — — Ly + RL las — RLnbar — L,,@i,, — L,L,,Qi,, + (í,T— L,L,)@,i

= 2.1

dt L, -L,L, G1)di,, —Lu,,+ R,L,i,, —R,Lpig + L,Qig, + LL, @ig, — Lj, — LL, ) Ogi, (22)

PT 2.4

Hình 2.1 Mô hình động co KDB 3 pha lý tưởng trong hệ toa độ dq

II

% Khối chuyển trục tọa độ trong hình 2.1Tù điện áp pha va,vb,vc đưa vào động cơ ta phải phân tích chúng thành điện ápVas Vgs trên trục tọa độ quay dq theo phương trình 1.22 và 1.23.

C1 Ð>—>lteta_: | og} 2*0I2J7cos(0(1))+u|5]7cos(0(1}22pi3)+6|4]fcos(u[1}4ˆpi/3)/3

TO feta a | u[2]*cos(ult })-u[S]*sin(ul J) a J )teta-a Fcn13

Hình 2.3 Phép chuyên đối tọa độ dq abe của véc tơ dòng điện% Khối tính toán từ thông:

Từ thông stator va rotor trong động co KDB ba pha không thé đo trực tiếp, chúngchỉ được tính toán gián tiếp bởi các phương trình 2.7 đến 2.16, và là cơ sở để đưa racác giải pháp điều khiển sau nay Sử dụng giá trị dòng stator và dòng rotor đã biết(hình 2.1) dé tính giá trị từ thong stator va từ thông rotor theo các phương trình sau:

VW, = Lying + Lig, (2.8)

Wo, = bly, bu (2.10)Ven =V 45 C0(0,) — ⁄„„sin(6,) (2.11)Wy, = V/„„ SiO, ) + /⁄„„ COS(O, ) (2.13)„„ = Var cos(6,) ~ Vg, Si(8, ) (2.14)Wp, = Wa, sin(6,) + „„ cos(G, ) (2.15)Biên độ và góc pha của hai từ thông được tính theo phương trình

= Yost Vion 3 0, van | Me

Y, ự

Œ.

° (2.16)_ 2 2 _ —l WV pp

Ự, = 2/y> +y,, ; @, = tan (te.

WorSơ do khôi dé tính toán từ thong stator y, va rotor y, trong Matlab/Simulink

( 1} tịteta_a

teta

—* u[2]*eos(u[1]>u[3]*sin(u[1]) Hess ers |

pe) Leu[1J+Lm°ufB] Flu Gs arian ds _

Hình 2.2 So đồ khôi tính toán từ thông stator y, va rotor y,+ Khối tính hệ số cos

2.2 Mô phỏng động cơ KĐB lý tưởng khởi động trực tiếp từ nguén 3 pha.Các thông số trong mô phỏng:

Điện cảm stator: L.=0.3739H; Điện cam rotor: L,=0.3739H; Điện cảm từ hóaL=0.3583H; Điện tro stator: R.=4@; Điện trở rotor: R=4.28Q; Moment tải định mức:T, = 7.3 N.m; Số đôi cực P = 1; Moment quán tinh: J = 0.00242 kg.N/m; Điện áp phađịnh mức: am sa = 220 Vac; Hệ số coso@am =0.85 (các thông số này lấy theo thông số

Hình 2.13 Dong điện Stator ia Hình 2.14 Hệ số cosphi

a Source Block Parameters: {load

Time values:

(0 0.2 0.20.3 0.3 0.4 0.40.5]

Output values:(0 0 3.65 3.65 5.84 5.84 7.3 7.3]vv

| OK i | Cancel Ỹ Helh

——

350314300

Dong dien Stator ia

| Lp

|| | | | | | | | | -0.2 | | | | | | | | |

Khi tải thay đổi thì tốc độ động cơ thay đối (hình 2.17) Đối với những hệ truyềnđộng điện cần 6n định tốc độ chúng ta cần có những giải pháp dé ồn định tốc độ.Hệ số coso khi không mang tải rất thấp so với khi mang tải (hình 2.20) Vi vậykhông nên dé động cơ hoạt động ở chế độ không tải trong thời gian dài

Hệ số coso thay đối khi tai thay đối, động cơ kéo tải càng nhẹ thì hệ số cosecàng thấp (hình 2.20)

Khi động cơ khởi động trực tiếp thì moment khởi động lớn gấp 3 đến 4 lầnmoment định mức (hình 2.18), nó gây sốc hệ thống truyền động Đặc biệt hệtruyền động chuyển động thắng như thang máy, xe điện, cầu trục vì vậy cầnđưa ra biện pháp giảm sốc cho hệ truyền động trên

17

Ch ơng 3CAC PH ONG PHAP DIEU KHIỂN DONG CƠ KHONG DONG BO3.1 Giới thiệu chung về cau trúc của bộ bién tan

Ngày nay, trong công nghiệp hầu như các hệ truyền động điện người ta sử dụngđộng cơ không đồng bộ là chính vì những ưu điểm của nó Ngoài ra, động cơ KĐB còncó sự hỗ trợ từ các bộ biến đồi điện tử công suất, làm cho động cơ không đồng bộ linhhoạt hơn trong việc thay đôi tốc độ thay đôi moment Bộ biến đối công suất thườngngười ta biết đến với tên gọi chung là bộ biến tan (hay bộ Inverter)

© Mot vài cấu trúc bộ bién tan:- Hình 3.2 cau trúc biến tần đơn giản cả phần cứng va phần điều khiển, dòng nănglượng chảy theo một hướng, dòng năng lượng ngược lại sẽ được tiêu tán trên điện trởhãm R như hình 3.3, chiều dòng năng lượng tương ứng với hình 3.6(a)

Rectifier bridge [ Predoad_ Fitter

op op of

| Rectifier Rectified voltage

‘Filter > Smooth voltage |

+ P

E: When TR is not turned ON

RRectifyi E

Flow of energy during regeneration

pfAC reactor | il |

|

Ị|

|

Hình 3.4 Biễn tần có bộ phận trả năng lượng về lưới| 14]

19

Powe “ng fui mm ower Power regeneration man R m%

supply" nite ; "992 | supply data itera eis ‘i =

- Total anergy Ww = Total energycane ee at regeneration

(b)

Hình 3.6 Chiều dòng năng lượng trong hệ truyền động điện có biến tan[14]- Hình 3.4 cấu trúc biến tần phức tap ca phần cứng và phần điều khiến, dòng nănglượng trao đôi được hai chiều tương ứng với hình 3.6(b) Điện áp một chiều trên tu dobộ chỉnh lưu cầu diode cấp nên không điều chỉnh được

- Hình 3.5 cau trúc biến tan phức tạp cả phần cứng và phần điều khiển, dòng nănglượng trao đôi được hai chiều tương ứng với hình 3.6(b) Điện áp một chiều trên tụ dobộ chỉnh lưu PWM nên điều chỉnh được

Dựa vào cấu trúc tổng quát của bộ biến tần hình 3.1 ta khảo sát các phần chínhcủa bộ biến tần

3.2 Bo chính lưuBộ chỉnh lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều.Có nhiều sơ đồ chỉnh lưu khác nhau, ứng với mỗi sơ đồ chỉnh lưu khác nhau sẽ có cácưu điểm và nhược điểm khác nhau Tùy theo yêu câu thực tế mà các nhà sản xuất chọnsơ đồ chỉnh lưu phù hợp với yêu cầu, phù hợp với giá thành cạnh tranh

Trong Hinh 3.7 cho ta một số sơ đồ dùng cho bộ chỉnh lưu thường gặp trong cácbộ biến tan công nghiệp, với mỗi sơ đồ đều có đặc điểm riêng và được thé hiện trongBang 3.1.

ee ARE T

TEE ai

enn is tủ Ỷ a fi |

Hình 3.7 Một số sơ đồ cho chỉnh lưu cho bộ biến đổi AC/DC/AC [18]

Bang 3 ]|[]1 8]Đặc điểm | Điều chỉnh | Họa tần Dạng dòng | Hệ số | Trao đối dòngSơ đồ điện áp Vde | dòng điện | gầnsin công suất | năng lượngSơ đô a

Sơ đồ b + : : +

21

Sơ đô c - - - - +Sơ đô d + + + + -Sơ doe - + + + -Sơ đô f + + + + +

Trong đó : - dau duong (+) thé hiện tích cực, tốt; dấu âm (-) thể hiện thụ dong, xấu

Trong các sơ đồ trên thì sơ đồ f có nhiều ưu điểm nhất, và tôi chọn sơ dé f để thựchiện khảo sát trong luận văn này.

3.2.1 Nguyên lý hoat động của bộ chỉnh lưu điều rộng xung 1 pha

~le

] Loadin:7l T7

Hình 3.8 (a) Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha với 4 khóa IGBT, (b) khi T;&T, ON,

(c) khi T,&T3 ON, khi T;&T3 hoặc T›& Ta ON.[19]Sơ đồ hình 3.8 phù hợp với điều kiện điều khiển điện áp một chiều lớn hơn điệnáp biên độ đỉnh của nguồn cấp (Vo>Vs)

Với sơ đồ trên việc đóng ngắt các khóa IGBT tạo ra các trường hợp sau:- T,,T4 ON và T›,Ta OFF mạch tương đương trong hình 3.8 b, khi đó vare=Vo.- T,,T4 OFF và T;,1s ON mạch tương đương trong hình 3.8 c, khi đó varg=-Vo.- T,,T3 ON và T2,T4 OFF hoặc T,,T3; OFF và T;,T4 ON mạch tương đương trong

hình 3.8 d, khi đó varz=0.

Dựa vào sơ đồ trên ta có công thức tong quát về phương trình điện áp của mach:

=v.()—k.Vo (3.1)với k=1 hoặc k=0 hoặc k=-1

Nếu k=1 điện áp vị, âm, dòng điện i, giảm.Nếu k=-1 điện áp vị, dương, dòng điện i, tăng.Nếu k=0 điện áp vị, = v.(t), dòng điện i, tăng hoặc giảm phụ thuộc vào điện ápV,(t).

Nếu điều kiện Vo<Vmax(Vmax biên độ đỉnh của điện áp v, ), thi dòng điện ngõvào i, không điều khiển được, tụ điện C được nạp điện thông qua các Diode mặc đốisong, dé dat duoc dién ap Vmax Sau đó bộ chuyén đôi lam việc nâng điện áp Vọ đạtđến điện áp đặt Vorer-

Sơ đồ khối điều khiển cho bộ chỉnh lưu PWM cau 1 pha:

Voret PỊ lm Isref Bộ điều khiển |_ T1,Ï2§ x —

- Hỏi tiếp điện áp ngõ vào v, để xác định góc pha sin(wt+@), xác định được dòngđiện đặt 1.„„r= l,„.sin(œt+Ô).

- Hỏi tiếp dòng điện tải i,, so sánh dòng điện đặt i„„r = l„.sin(@t+6), xác định độsai lệch A= i„er- ig, qua khâu trễ (Hysterisis) tạo ra các xung để kích T¡,T›,Ts/Ta

23

3.2.2 Nguyên lý hoạt động của bộ chỉnh lưu điều rộng xung 3 pha

quanh giá tri Vọyer đặt, ngoài ra mach điều khiến được dòng năng lượng theo 2 chiều:

- Khi tai DC tiêu thụ điện thì dong Ip dương làm điện áp Vdc giảm, sai lệchAV=V ret —Vọ dương tăng được hỏi tiếp về bộ điều khiến bộ điều khiển xuất xung điềukhiến tang dòng điện nap tu, điện áp trên tụ được phục hồi Đó là quá trình chính lưu

- Khi dòng lọ âm, năng lượng tải trả về tụ làm điện áp Vdc tăng, sai lệchAV=Vorer-Vo âm tăng được hồi tiếp về bộ điều khiển, bộ điều khiển xuất xung điều

khiển xả điện áp tụ về nguồn, điện áp tụ giảm ồn định quanh giá tri đặt Vọ;¿r Đó là quá

trình nghịch lưu.Dé tạo các xung kích cho các khóa IGBT trong hình 3.10 ta có 2 phương pháp:- Điều khiến theo điện áp ta có phương pháp Voltage Source Voltage-ControlledPWM rectifier.

- Điều khiển theo dòng điện ta có phương pháp Voltage Source Controlled PWM rectifier Phương pháp nay đơn giản và ôn định hơn phương pháp thứnhất

Current-a So đồ khối ứng với phương pháp điều khiển theo điện áp:| L9]Phương trình điện áp:

dix : :

Uo(t) = Ls + Riz + Ve moa(): 32)

Hình 3.11 Sơ đồ khôi bién đỗi tương đương cho 1 phaĐề điều khiển dòng điện ngõ vào cùng pha với áp nguồn thì

(3.5)Khi chọn góc pha ban đầu =0 thì sino=0, cose=1 thay vào (3.5) ta được

le 2 di\ soo

Pemod = ( V-RI- Lit) sinwt — X„Ï coswt.dt (3.6)

Đến đây sử dung phương pháp sóng mang (SPWM) dé tạo ra xung kích cho cácIGBT.

b Sơ dé khối ứng với phương pháp điều khiển theo dòng điện| 19]Tương tự như phân chỉnh lưu PWM cau 1 pha đã dé cập ở trên, khâu quan trọngnhất trong sơ đô là khối Gc, giá trị biên độ đặt của dòng điện phụ thuộc vào khối Ge.

1 =Gcee= Gc(Wz„ — Vo) (3.7)Trong đó khối Ge có thé là khâu PI,P,fuzzy để mạch hoạt động 6n định thì cácthông số trong khâu PI, thông số mạch phải thỏa mãn điều kiện:

p< Củ (3.8)

3K ,L,K„V, os (3.9)l< C

trong các thiết bị lò cảm ứng trung tần, thiết bị hàn trung tần Bộ nghịch lưu còn đượcdùng trong gia đình như UPS, bộ nghịch lưu còn được ứng dụng vào lĩnh vực bù nhiễncông suất phản kháng

Bộ nghịch lưu thường chứa linh kiện tự kích ngắt để có thé điều khiển quá trìnhngắt dòng điện

3.3.1 Giới thiệu bộ nghịch lưu apBộ nghịch lưu áp cung cấp và điều khiến điện áp xoay chiều ở ngõ ra Nguồn điệnáp một chiều có thé đơn giản như acqui, pin điện, pin mặt trời hoặc từ nguồn điện ápxoay chiều được chỉnh lưu và lọc phăng Linh kiện trong bộ nghịch lưu áp có khả năngkích đóng và kích ngắt dòng điện qua nó (đóng vai trò một công tac) Với công suấtnhỏ thi sử dung transistor BJT, MOSFET, IGBT, với công suất lớn sử dụng GTO,IGCT, hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mach

Với tải tong quát, mỗi công tac còn trang bị một diode gắn đối song, các diode tạođiều kiện cho quá trình trao đổi công suất ảo giữa nguồn một chiều và tải xoay chiều,qua đó hạn chế điện áp phát sinh khi kích ngắt các công tắc

Bộ nghịch lưu áp có nhiều loại và có nhiều phương pháp điều khiển khác nhau:- Theo số pha điện áp đầu ra ta có bộ nghịch lưu áp 1 pha, 3 pha

- Theo số cấp giá trị điện áp giữa một đầu pha tải đến một điểm điện thế chuẩntrên mạch ta có bộ nghịch lưu 2 bậc (two level), đa bậc (multilevel- từ 3 bậc trở lên).

Một số cau trúc bộ nghịch lưu thường gặp:

=NO `_⁄

R(3

4 D3 se D5

ein—

Hình 3.14 cau trúc bộ nghịch lưu hai bac[1]

(a).(b).(c) bộ nghịch lưu 1 pha(d) bộ nghịch lưu 3 pha 2 bậc