đồ án kỹ thuật điện điện tử phương pháp điều khiển trực tiếp momen đối với hệ truyền động biến tần động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu

Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửuthường được ứng dụng cho các hệ truyền động chất lượng cao ở dải công suấtnhỏ như trong các máy công cụ, trong chế tạo Robot… Kỹ thuật điều khiển động

LỜI NÓI ĐẦU

Trước đây, trong các hệ truyền động chất lượng cao thì động cơ một chiềuchiếm ưu thế tuyệt đối so với động cơ xoay chiều ba pha do khả năng điềukhiển dễ dàng và đạt độ chính xác cao Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh

mẽ của kỹ thuật vi xử lý, kỹ thuật chế tạo van bán dẫn và sự hoàn thiện của cácthuật toán điều khiển động cơ xoay chiều ba pha, ưu thế đó của động cơ mộtchiều không còn nữa Động cơ xoay chiều ba pha mà cụ thể là động cơ khôngđồng bộ và động cơ đồng bộ cũng có thể được điều khiển một cách dễ dàng vàchính xác gần như động cơ một chiều, do đú chúng đang được sử dụng rất rộngrãi trong công nghiệp và đang dần thay thế triệt để động cơ một chiều [TL - 4].Những năm gần đây, động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu đã được quan tâmnghiên cứu cả về phương diện thiết kế chế tạo lẫn thuật toán điều khiển Động

cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu có cả ưu thế của động cơ không đồng bộ vàđộng cơ một chiều So với động cơ không đồng bộ thì động cơ đồng bộ kíchthích vĩnh cửu có hiệu suất cao hơn do không có tổn hao đồng ở Rotor, đặc tínhđiều khiển ít nhạy với các tham số của động cơ Hơn nữa, do từ thông Rotor làkhông đổi nên việc điều chỉnh tốc độ của động cơ dễ dàng và thuận lợi hơn Sovới động cơ một chiều thì động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu làm việc tin cậyhơn, ít phải bảo dưỡng hơn do không có hệ thống vành trượt – chổi than Động

cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu có thể làm việc trực tiếp với điện áp của lướiđiện mà không cần các bộ biến đổi để cấp nguồn một chiều

Sự phát triển của công nghệ vật liệu mới đã tạo ra các nam châm vĩnh cửu cómật độ năng lượng cao Điều đó đồng nghĩa với việc động cơ đồng bộ kíchthích vĩnh cửu ngày càng có kết cấu nhỏ gọn, làm việc chắc chắn, độ tin cậycao, giá thành sản xuất ngày càng thấp Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửuthường được ứng dụng cho các hệ truyền động chất lượng cao ở dải công suấtnhỏ như trong các máy công cụ, trong chế tạo Robot…

Kỹ thuật điều khiển động cơ xoay chiều ba pha rất phong phú và đa dạng.Trong thực tế, với hệ truyền động điều chỉnh tốc độ bằng điều chỉnh tần số

nguồn cung cấp có hai phương pháp đạt được chất lượng điều khiển khá cao là

phương pháp điều khiển tựa theo từ thông Rotor và phương pháp điều khiển trực tiếp momen

Phương pháp điều khiển tựa theo từ thông Rotor dựa trên việc chia tách dòng

điện Stator làm hai thành phần, một thành phần tạo từ thông Rotor và mộtthành phần tạo momen quay Sự chia tách này nhằm mục đích điều khiển riêng

rẽ từ thông và momen của động cơ qua đó làm cho động cơ xoay chiều ba pha

có thể đạt được những đặc tính điều khiển/điều chỉnh tốt gần như động cơ mộtchiều

Khác với phương pháp điều khiển tựa theo từ thông Rotor, phương pháp điều khiển trực tiếp momen lại dựa trên ảnh hưởng trực tiếp của điện áp đầu vào lên

từ thông Stator để điều khiển được góc lệch giữa vector từ thông Stator vàvector từ thông Rotor, qua đó điều khiển trực tiếp được momen của động cơ

Phương pháp điều khiển tựa theo từ thông Rotor được đưa ra từ cuối những

năm 60 đến đầu những năm 70 của thế kỷ 19 và cho đến hiện nay phương phápnày đã gần như hoàn thiện và đã được áp dụng trong hầu hết các bộ biến tầnchất lượng cao

So với phương pháp điều khiển tựa theo từ thông Rotor thì phương pháp điều khiển trực tiếp momen ra đời muộn hơn (1986) và là phương pháp còn khá mới

mẻ Phương pháp điều khiển trực tiếp momen có cấu trúc đơn giản, dễ thực

hiện, cho đáp ứng momen nhanh, tuy nhiên độ đập mạch của momen lại khácao

Đã có rất nhiều phương án để giảm độ đập mạch của momen như phương ántạo hình cho các nam châm vĩnh cửu, uốn các nam châm lượn chéo theo trụcRotor hay bằng các thiết kế thích hợp cho dây quấn Stator [TL - 5] Nhữngphương án này đều liên quan đến việc thay đổi cấu tạo của động cơ do đókhông thể áp dụng rộng rãi được

Trong khuôn khổ bản đồ án tốt nghiệp này em xin được trình bày về phương

pháp điều khiển trực tiếp momen đối với hệ truyền động biến tần động cơ đồng

bộ kích thích vĩnh cửu, trên cơ sở đó đưa ra giải pháp bằng thuật toán điều

khiển để làm giảm độ đập mạch của momen

Do thời gian và trình độ có hạn nên trong đồ án, em chỉ tập trung vào các nộidung sau:

1 Tỡm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ đồng bộ kíchthích vĩnh cửu

2 Phương pháp điều khiển trực tiếp momen đối với hệ truyền động biếntần động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu

3 Giải pháp làm giảm độ đập mạch của momen

Trên cơ sở đó đồ án của em có cấu trúc chương mục với nội dung chủ yếu nhưsau:

Chương 1: Trình bày về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phạm vi ứng dụng củađộng cơ đồng bộ, động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu Thành lập mô hìnhtoán học của động cơ

Chương 2: Trình bày về nguyên lý điều chỉnh tốc độ ĐCĐB – KTVC, về cấutrúc bộ biến tần bán dẫn, phương pháp điều khiển vector đối với bộ biến tần.Các phương pháp điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu, bao gồm:phương pháp điều khiển tựa theo từ thông Rotor và phương pháp điều khiểntrực tiếp momen

Chương 3: Trình bày về phương pháp điều khiển trực tiếp momen, tổng hợp và

mô phỏng hệ thống

Chương 4: Trình bày về giải pháp nhằm giảm độ đập mạch momen đối với hệtruyền động biến tần động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu điều khiển trực tiếpmomen Dựa vào kết quả mô phỏng đưa ra các kết luận, đánh giá về giải pháp

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ

Động cơ vừa là khâu chấp hành vừa là đối tượng điều khiển của các hệ truyềnđộng Nhằm phục vụ cho việc thiết kế luật điều khiển, dưới đây ta sẽ đề cậpđến cấu tạo, nguyên lý hoạt động của Động cơ đồng bộ (ĐCĐB), Động cơđồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐCĐB - KTVC), và mô tả ĐCĐB - KTVC dướidạng các phương trình toán học

1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Động cơ đồng bộ

Giống như hầu hết các loại động cơ khác, ĐCĐB được cấu tạo từ hai phầnchính: phần không chuyển động gọi là Stator và phần chuyển động gọi làRotor

Stator của ĐCĐB bao gồm hệ thống dây quấn ba pha đặt trong lừi thộp Lừithép là phần dẫn từ Nếu từ trường trong lừi thộp là từ trường xoay chiều thỡlừi thộp được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau nhằm giảmtổn hao do dũng xoỏy Nếu từ trường trong lừi thộp là từ trường một chiều thỡlừi thộp được làm bằng thép đúc nguyên khối

Từ trường trong lõi thép của ĐCĐB là từ trường quay nên lừi thép được làmbằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm, hai mặt có phủ sơn cách điện

Hình 1.1 Stator của ĐCĐB

Rotor của ĐCĐB cũng gồm lừi thép và dây quấn và được chia làm hai loại:Rotor cực lồi và Rotor cực ẩn

Lõi thép Stator Dây quấn Stator

Rotor cực lồi:

Hình 1.2 Rotor cực lồi

Cực từ được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 1,5 mm đặt trờn lừi thộpRotor Lừi thộp Rotor được làm bằng thép đúc và gia công thành khối lăng trụhay khối hình trụ Dây quấn kích từ quấn trờn cỏc cực từ và nhận nguồn điệnmột chiều từ bên ngoài qua hệ thống vành trượt - chổi than Do dây quấn tậptrung nên lực ly tâm lớn, ĐCĐB Rotor cực lồi có tốc độ quay thấp: n < 500vũng/phỳt

Rotor cực ẩn:

Hình 1.3 Rotor cực ẩn

Lừi thép Rotor được làm từ hợp kim chất lượng cao, được gia công thành khốihình trụ trên đó có xẻ một số rãnh để đặt dây quấn kích từ Phần không phayrãnh của Rotor hình thành mặt cực từ Do dây quấn kích từ quấn rải nên lực lytâm bé, ĐCĐB Rotor cực ẩn có tốc độ quay lớn: n > 500 vũng/phỳt

Ngoài dây quấn kích từ, trên Rotor của ĐCĐB còn có dây quấn mở máy kiểulồng sóc Quá trình mở máy của ĐCĐB sẽ diễn ra theo hai giai đoạn Giai đoạn

Lõi thép Rotor Cực từ

Dây quấn kích từ

SN

NS

Lõi thép Rotor

Dây quấn kích từ

N

S

thứ nhất quá trình mở máy của ĐCĐB diễn ra như quá trình mở máy của động

cơ không đồng bộ (ĐCKĐB), giai đoạn thứ hai là khi tốc độ của động cơ đạtđến gần tốc độ đồng bộ thỡ đúng nguồn kích từ vào để đưa tốc độ của động cơlên tốc độ đồng bộ

Nguyên lý hoạt động của Động cơ đồng bộ:

Đặt điện áp xoay chiều ba pha vào dây quấn Stator Trong dây quấn Stator sẽ

cú cỏc dòng điện xoay chiều lệch nhau 1200 về thời gian Dòng điện này sẽ tạonên từ trường quay với tốc độ n1 = 60f/p

Dây quấn kích từ được nối với nguồn một chiều nên dòng điện trong dây quấnkích từ sẽ sinh ra từ trường cực từ

Tác dụng của hai từ trường này sẽ sinh ra momen quay và momen quay đó sẽkéo Rotor quay với tốc độ đúng bằng tốc độ của từ trường quay: n = n1

2 Các đặc tính của Động cơ đồng bộ

Đặc tính cơ của Động cơ đồng bộ:

Động cơ đồng bộ làm việc ở tốc độ không đổi là tốc độ đồng bộ nên trongphạm vi momen cho phép M ≤ Mmax, đặc tính cơ là tuyệt đối cứng = Khimomen vượt quá trị số cho phép Mmax thì tốc độ động cơ sẽ mất đồng bộ

Trong hệ truyền động dùng động cơ đồng bộ người ta còn sử dụng đặc tính gócM=f() Đặc tớnh góc biểu diễn quan hệ giữa momen động cơ với góc lệchgiữa vector điện áp pha của lưới điện và vector sức điện động cảm ứng trongdây quấn Stator do từ trường một chiều sinh ra.

Phương trình đặc tính góc có dạng như sau:

] 2 sin ) 1 1 ( 2 sin [

1 1

E U

Trong đó:

U1 là điện áp pha lưới điện,

E là sức điện động pha Stator,

d

X

E U

w ( 1 1 ) sin 2 2

3

1

2 1 2

d

q X X



Mm

Mm đặc trưng cho khả năng quá tải của động cơ, khi tải tăng thỡ gúc lệch tăng, khi  2 thì momen giảm ĐCĐB thường làm việc định mức với đm =

200  250, hệ số quá tải về momen:   2  2 , 5

Dòng điện xoay chiều ba pha có thể lấy trực tiếp từ lưới điện nhưng để có dòngđiện một chiều cung cấp cho dây quấn kích từ thì phải có nguồn điện một chiềuriêng và hệ thống vành trượt - chổi than Điều này khá là bất tiện vì đi kèm vớiđộng cơ lại phải có hệ thống tạo nguồn điện một chiều, hơn nữa chỗ tiếp xúcgiữa vành trượt - chổi than thường phát sinh ra tia lửa điện và chổi than sẽ bịmòn theo thời gian

Để khắc phục nhược điểm này thì hệ thống nguồn điện một chiều, vành trượt chổi than và dây quấn kích từ được thay thế bằng các nam châm vĩnh cửu.Nam châm vĩnh cửu được chế tạo từ các loại vật liệu như Ferrit, AlNiCo,SmCo5, NdFeB… và có thể được bố trí đều đặn trên bề mặt Rotor hay bố tríchìm bên trong Rotor

-Với những cách bố trí khác nhau ta có thể có được động cơ với những đặc tínhkhác nhau Nếu các phiến nam châm được bố trí trên bề mặt thì có thể coi khe

hở không khí là đều và động cơ sẽ mang tính chất của ĐCĐB cực ẩn Nếu cácphiến nam châm được bố trí chìm bên trong Rotor thì khe hở không khí khôngthể coi là đều được, động cơ sẽ mang tính chất của ĐCĐB cực lồi

Dây quấn Stator Nam châm vĩnh cửu

Rotor Stator

Hình 1.6 ĐCĐB - KTVC với các nam châm được bố trí trên bề mặt Rotor

Để tăng độ bền cho Rotor thì khoảng giữa các thanh nam châm được lấp đầybằng vật liệu không dẫn từ sau đó bọc bằng vật liệu có độ bền cao, cũng có thểbắt vít lờn cỏc thanh nam châm để cố định chỳng trờn lừi thộp Rotor

Ngày nay hầu hết các ứng dụng đều sử dụng ĐCĐB - KTVC với các nam châmvĩnh cửu được gắn trên bề mặt Rotor Các nam châm bề mặt thường được từhoá hướng kính nhằm sinh ra từ thông khe hở đều hơn, qua đó giảm độ đậpmạch của momen

Khi bố trí các nam châm chìm trong Rotor thì Rotor có cấu trúc bền vững hơn,

do đó có thể làm việc với tốc độ cao hơn Dưới đây là một vài cách bố trí namchâm vĩnh cửu trên bề mặt Rotor hay chìm trong Rotor

Hình 1.7 Các cách bố trí nam châm vĩnh cửu khác nhau

Với việc sử dụng nam châm vĩnh cửu để sinh ra từ trường cực từ thì động cơkhông cần có dây quấn kích từ nờn khụng gõy tổn hao đồng ở Rotor Tổn thấtsắt và tổn thất đồng chỉ tập chung ở Stator nên làm mát thuận tiện hơn Những

ưu điểm trên làm cho ĐCĐB - KTVC có hiệu suất cao hơn và giảm được kíchthước của máy [TL - 5].

Phạm vi sử dụng chính của ĐCĐB - KTVC là dùng trong công nghiệp chế tạomáy chế biến (Máy gia công cắt gọt kim loại, Máy đóng bao gói, Máy gia côngchớnh xỏc…) Trong các ứng dụng này ĐCĐB - KTVC luôn được sử dụngkèm theo các thiết bị điều khiển chất lượng cao [TL - 7]

4 Mô tả toán học Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu

Trong các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ thì động cơ chính là đối tượng điềuchỉnh Do vậy để thiết kế được các luật điều chỉnh thì động cơ cần được mô tảdưới dạng các phương trình toán học

Khi mô tả ĐCĐB - KTVC dưới dạng các phương trình toán học ta chấp nhậncác giả thiết sau:

 Các cuộn dây stato được bố trí đối xứng trong không gian

 Các tổn hao sắt từ và sự bão hoà có thể bỏ qua

 Dòng từ hoá và từ trường được phân bố hình sin trên bề mặt khe từ

 Các giá trị điện trở và điện cảm được coi là không đổi

4.1 Xây dựng vector không gian từ các đại lượng xoay chiều ba pha

Sơ đồ bố trí cuộn dõy của Stator ĐCĐB – KTVC:

stator rotor

Hình 1.8 Bố trí cuộn dây stator ĐCĐB

Ba cuộn dây Stator được bố trí đối xứng trong không gian nên dòng điện trongcác cuộn dây này sẽ thoả món cỏc phương trình:

) 120 cos(

) cos(

0

0

0

t i

i

t i

i

t i

i

i i i

s s

sc

s s

sb

s s

sa

sc sb sa

w w

w

(1.3)

Trên mặt phẳng vuông góc với trục Rotor tức là mặt cắt ngang động cơ, ta thiếtlập một hệ trục tọa độ phức (hệ toạ độ ( , , 0), với  là trục thực - trùng vớitrục dây quấn pha u của động cơ,  là trục ảo), có thể xây dựng được vectorkhông gian:

) (

3

sw

j sv su

2/3i sw (t)e j240

Hình 1.9 Xây dựng vector không gian từ các đại lượng xoay chiều ba pha

Dễ dàng thấy rằng dòng điện của từng pha chính là hình chiếu của vector mớithu được lên trục của các cuộn dây pha tương ứng

Chiếu i s lên 2 trục  và  được 2 thành phần dòng điện i s  và i s  với:

sv su s

su s

i i i

i i





(1.5)

 j

Cuộn dây pha u

Cuộn dây pha v

Cuộn dây pha w

s s s

r r r

s s s

j j

ji i i

ju u u

(1.6)

4.2 Mô tả toán học Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu

Từ thông Rotor của ĐCĐB - KTVC được tạo bởi các nam châm vĩnh cửu nờn

nú luụn cú hướng và độ lớn xác định, vì vậy ĐCĐB - KTVC thường được mô

tả trên hệ toạ độ từ thông Rotor (hệ toạ độ dq)

Hệ toạ độ từ thông Rotor (d, q, 0) là hệ trục toạ độ phức có trục thực 0d trùngvới trục Rotor Do đó hệ trục toạ độ này là hệ trục toạ độ quay với tốc độ ws .Xét một vector v bất kỳ nằm trong hệ trục toạ độ cố định (, , 0) Khi vectornày được quan sát trong hệ trục toạ độ quay (d, q, 0) thì ta có công thức chuyển

0 , , ( với  slà góc lệch giữa 2 hệ trục toạ độ

Khi xây dựng mô hình của ĐCĐB - KTVC ta giả thiết rằng máy điện có kếtcấu tròn đều đối xứng, các đại lượng xoay chiều ba pha đã được chuyển thànhcác đại lượng vector và được chuyển sang hệ toạ độ dq

Cuộn dây pha v

Cuộn dây pha w

is

isq

isd

Hình 1.11 Vector không gian trong hệ toạ độ từ thông Rotor

Phương trình điện áp Stator:

s s s s s

dt

d i R

Vector từ thông Stator s gồm hai thành phần: thành phần do dòng Stator tựcảm trong các cuộn dây Stator và thành phần do từ thông Rotor cảm ứng sang:

p s s

Trục d trùng với trục từ thông Rotor nên vector từ thông Rotor chỉ có thànhphần thực p:

p pq pd

Do hạn chế của công nghệ chế tạo, giữa hai nam châm trên bề mặt Rotor luôntồn tại khe hở nên giá trị điện cảm dọc trục Lsd và điện cảm ngang trục Lsq làkhác nhau Phương trình các thành phần từ thông:

p sd sd sd

i L i L

sq sq s sd sd sd s sd

i L dt

di L i R u

i L dt di L i R u

 w w

w

(1.11)Viết lại phương trình (1.11):

sd sd sq sd sq s sd sd sd

L u

L i T i L L dt

di

u L i L L i

T dt

di

 w w

w

1 1

1 1

(1.12)

Trong đó:

s

sd sd

2

3

s s c

Theo (1.7), momen quay của ĐCĐB - KTVC bao gồm hai thành phần: thànhphần chính pisq và thành phần phản kháng do chênh lệch điện cảm dọc trục vàngang trục: (Lsd - Lsq)isdisq.

Phương trình chuyển động:

dt

d p

J M m

c c M

 p

L sq

1 p

sq sd sd sq

L L L

Từ phương trình (1.15) ta lập được mô hình trạng thái của ĐCĐB - KTVC trên

hệ toạ độ dq như sau:

B S

Đặc điểm phi tuyến yếu (thành phần phi tuyến chỉ liên quan giữa đại lượngtrạng thái và đại lượng đầu vào) của mô hình thể hiện ở tích của vector trạngthái is với biến đầu vào s.

Thành phần nhiễu do từ thông cực p tác động qua S vào hệ thống là nhiễu cómodule hằng

Các mô hình liên tục không thích hợp cho việc thiết kế khâu điều chỉnh vì cácthiết bị điều chỉnh (sử dụng àP, àC, DSP) làm việc gián đoạn và cũng chỉ thuthập, xử lý giá trị thực của động cơ ở các thời điểm gián đoạn cách đều Do đócần phải xây dựng được mô hình gián đoạn của động cơ

Phương trình (1.15) được viết lại dưới dạng:

s s s

( )

0

)]

( [

v

T k N A e

v

v

v s T

k N

1 (

)]

( [

H

T k

kT

k N

A s



 wò

(

v

T k N A v

v v s

sd s

sd

sq s sd

T

T L

L T

L

L T T

T

1

1 w

sd

L

T L

T L T H



0

0 0

*

(1.21)

Tách ma trận đầu vào H* thành hai ma trận:

T H

T

0

(1.22)

Ta thu được phương trình i s(k 1 )  i s(k) Hu s(k) hp (1.23)

Mô hình trạng thái gián đoạn cũng là mô hình dòng của ĐCĐB - KTVC được thể hiện như hình dưới đây:

Hiện nay ĐCĐB - KTVC được sử dụng rất rộng rãi nhất là trong các hệ truyềnđộng công suất nhỏ (vài W đến vài KW).

CHƯƠNG 2 ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ

KÍCH THÍCH VĨNH CỬU

Nội dung của chương này sẽ đề cập đến nguyên lý điều chỉnh tốc độ ĐCĐB KTVC qua đó khẳng định: với một động cơ nhất định chỉ có thể điều chỉnhđược tốc độ của động cơ bằng điều chỉnh tần số nguồn cung cấp Trên cơ sở đó

-đề cập đến cấu trúc, phương pháp điều khiển biến tần, đưa ra các phương phápđiều chỉnh tốc độ ĐCĐB - KTVC sử dụng bộ biến tần bán dẫn

1 Nguyên lý điều chỉnh tốc độ Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu

Tốc độ quay của ĐCĐB được tính theo biểu thức:

c

s s

Trong đó: fs là tần số nguồn cung cấp,

pc là số đôi cực của động cơ

Từ biểu thức trên ta thấy rằng: để điều chỉnh được tốc độ của động cơ thì phảiđiều chỉnh tần số nguồn cung cấp hay điều chỉnh số cặp cực của động cơ Thực

tế không thể điều chỉnh trơn tốc độ của động cơ bằng điều chỉnh số cặp cựcnờn cỏch hữu hiệu hơn cả là điều chỉnh tần số nguồn cung cấp Do vậy trongcấu trúc của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ bao giờ cũng có bộ biến tần

2 Bộ biến tần bán dẫn

2.1 Bộ biến tần bán dẫn

Biến tần là thiết bị biến đổi năng lượng điện từ tần số này sang tần số khác.Trong công nghiệp biến tần được sử dụng để điều chỉnh tần số nguồn điệncung cấp cho động cơ xoay chiều ba pha, qua đó điều chỉnh được tốc độ độngcơ

Dựa vào cách thức biến đổi tần số mà biến tần được chia làm hai loại: Biến tần trực tiếp (biến đổi tần số không thông qua khâu trung gian một chiều) và Biến tần gián tiếp (biến đổi tần số thông qua khâu trung gian một chiều).

Với Biến tần trực tiếp chỉ có thể điều chỉnh giảm tần số trong khi với Biến tần gián tiếp tần số được điều chỉnh dễ dàng nhờ mạch điều khiển Do vậy trong

thực tế các bộ biến tần được sử dụng hầu hết là các bộ biến tần gián tiếp

Chỉnh

Nghịch lưu

Lưới điện

xoay chiều

3 pha

Điện áp đưa ra tải

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc bộ biến tần gián tiếp

Điện áp xoay chiều được chuyển thành điện áp một chiều nhờ bộ chỉnh lưu,sau đó qua bộ lọc rồi mới được chuyển thành điện áp xoay chiều với tần sốmong muốn nhờ bộ nghịch lưu Tần số của điện áp xoay chiều đưa ra tải chỉphụ thuộc vào luật điều khiển nghịch lưu nên mạch chỉnh lưu trong bộ biến tầngián tiếp là mạch chỉnh lưu không điều khiển

Có thể sử dụng bộ Nghịch lưu nguồn áp hay Nghịch lưu nguồn dòng để tạo ra

điện áp xoay chiều nhưng trong thực tế nguồn áp là nguồn được sử dụng rộngrãi và được chuẩn hoá trong các bộ biến tần công nghiệp [TL - 3]

Chùm xung kích thích

u v w

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý của mạch nghịch lưu điện áp

Nghịch lưu trong sơ đồ biến tần nguồn áp là nghịch lưu điện áp 3 pha, trong đócác van bán dẫn được sử dụng là các loại transistor (MOSFET, IGBT…) Ngàynay IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) được sử dụng gần như tuyệt đốitrong các bộ biến tần vỡ nú cú ưu điểm của cả transistor bipolar (chịu đượcdòng lớn) và MOSFET (điều khiển bằng áp)

Mạch nghịch lưu được nuôi bởi điện áp một chiều trung gian UMC Tụ điện Cđược mắc song song với nguồn để đảm bảo nguồn đầu vào là nguồn áp đồngthời thực hiện trao đổi năng lượng phản kháng với điện cảm tải.

Mỗi pha của động cơ có thể được nối với cực dương “+” hay cực âm “-” của

UMC Nếu quy ước: Các cuộn dây pha u, v, w có mức logic “1” khi được nốivới cực dương và có mức logic “0” khi được nối với cực âm của UMC thì với bapha sẽ tồn tại 8 khả năng nối pha của động cơ với UMC

Bảng 2.1 Khả năng nối pha của động cơ với U MC

Hình 2.3 Sơ đồ thay thế ứng với khả năng nối pha thứ nhất

Từ sơ đồ thay thế ta tính được điện áp rơi trờn cỏc cuộn dây pha:

usu=2UMC/3

usv=usw=-UMC/3

Do ba cuộn dây pha của động cơ được bố trí lệch nhau một góc 1200 trongkhông gian nên ta có thể thấy rằng khả năng nối pha này tương đương với việcđặt lên ba cuộn dây pha một vector điện áp us có module 2UMC/3

Cuộn dây pha u

Cuộn dây pha v

Cuộn dây pha w

u s

-U MC /3

-UMC/3

2U MC /3

Hình 2.4 Vector không gian ứng với khả năng nối pha thứ nhất

Chiếu us lên trục các cuộn dây pha ta dễ dàng thấy được đú chớnh là các điện

áp thực sự rơi trờn cỏc cuộn dây pha

Bảng 2.2 Điện áp rơi trờn cỏc cuộn dây pha ứng với mỗi khả năng nối pha

cả ba cuộn dây nối với cực âm, vector u7 ứng với trường hợp cả ba cuộn dâynối với cực dương Cả hai vector u0 và u7 đều có module bằng 0

Vị trí tương đối của các vector chuẩn so với các trục α , β như sau:

Cuộn dây pha u

Cuộn dây pha v

Cuộn dây pha w

Hình 2.5 Vị trí tương đối của các vector chuẩn so với các trục α, β

Các vector chuẩn chia không gian thành 6 phần: S1, S2, S3, S4, S5, S6

2.2 Điều khiển nghịch lưu

Để thu được điện áp xoay chiều với tần số mong muốn thỡ cỏc van bán dẫnphải được đóng cắt theo một quy luật nhất định

Bằng cách thực hiện các vector chuyển mạch theo một quy luật nào đó ta sẽphát được xung điều khiển tới các van

Thông thường các bộ điều khiển nghịch lưu thường dùng phương pháp điềuchế độ rộng xung (PWM: Pulse Width Modulation) để cải thiện chất lượngđiện áp ra tải

&

sin

So sánh

Xung điều khiển

Hình 2.6 Nguyên lý điều chế độ rộng xung

Các tín hiệu điện áp hình sin được so sánh với chuỗi xung răng cưa có tần sốlớn hơn rất nhiều tần số của hình sin Tại thời điểm tín hiệu hình sin và tín hiệurăng cưa bằng nhau khâu so sánh sẽ tạo xung để điều khiển các van của nghịchlưu.

Trong nghịch lưu ỏp cỏc van động lực được khoá bởi tín hiệu điều khiển Doquán tính van không thể khoá tức thời nên để tránh tình trạng ngắn mạch nguồn(khi một van chưa kịp đúng thỡ van thứ hai đã mở trong cùng một nhánh cầu),thời điểm mở các van cần được làm trễ đi một thời gian ít nhất bằng thời gianphục hồi tính chất điều khiển của van và được thực hiện bởi một bộ trễ Sau đócác tín hiệu sẽ được khuyếch đại để tạo đủ công suất mở các van động lực.Như vậy đối với nghịch lưu áp ba pha thì ta phải cần ba bộ điều chế PWM cho

ba pha riêng biệt

Phương pháp điều khiển nghịch lưu ở trên là phương pháp điều khiển tương tự.Hiện nay trong các hệ truyền động điện hiện đại người ta không dùng phươngpháp này để điều khiển nghịch lưu mà dùng phương pháp điều chế vector điện

áp không gian với tín hiệu điều khiển IGBT được gửi đến từ vi xử lý hay viđiều khiển Theo phương pháp này bất kỳ một tín hiệu chủ đạo hình sin nàocũng được quy đổi về các vector chuyển mạch chuẩn Dựa trên các vectorchuyển mạch chuẩn này sẽ tính được thời gian đóng cắt của mỗi van trong mộtchu kỳ trích mẫu, từ đó sẽ tạo được các xung điều khiển van Hơn nữa vớiphương pháp điều chế vector thì ta chỉ cần một bộ điều chế duy nhất cho cả bapha thay vì phải dùng ba bộ điều chế cho ba pha riêng biệt như trong kỹ thuậtđiều khiển tương tự

Giả sử vector cần thực hiện us nằm ở góc phần sáu S1, khoảng giữa hai vectorchuẩn u1, u2

Hình 2.7 Thực hiện vector điện áp từ hai vector biên

Điện áp sẽ cần phải tính đổi thành các thời gian đóng ngắt của các cặp vantrong một chu kỳ trích mẫu T Để đơn giản ta giả thiết toàn bộ chu kỳ là chu kỳ

có ích sẽ được sử dụng để thực hiện các vector Khi khoảng dẫn của mỗi van là

1800 thì biên độ của các vector điện áp chuẩn có module tối đa là 2UMC/3:

u

u T

T 

max

s

t t

u

u T

T 

Để tính được Tp, Tt cần phải biết dược module của các vector up, ut

Do trong khoảng thời gian Tp + Tt thực hiện hai vector up và ut nên trongkhoảng thời gian còn lại của chu kỳ trích mẫu T – (Tp + Tt) sẽ thực hiện mộttrong hai vector có module bằng 0 là u0 hoặc u7

) ( 7

0 u u u u

u s  p t

1 2 ( )u0(u7)

T

T T T u T

T u T







Như vậy thay vì thực hiện vector us ta sẽ thực hiện các vector up, ut và u0 hay

u7 Trình tự thực hiện các vector đó phải được tính toán sao cho trong phạm vimột chu kỳ số lần chuyển mạch của các cặp van là ít nhất Khi đó hiệu suất của

hệ sẽ tăng do tổn hao đóng cắt giảm Trạng thái logic của các vector ở gócphần sáu S1:

Bảng2.3 Trạng thái logic của góc phần sáu S 1

uo u1 u2 u7

v 0 0 1 1

Từ bảng trên ta thấy:

Nếu trạng thái cuối cùng là u 0 thì trình tự thực hiện là: u 1  u 2  u 7

Nếu trạng thái cuối cùng là u 7 thì trình tự thực hiện là: u 2  u 1  u 0

Đây là trình tự thực hiện có lợi nhất vì khi đó mỗi nhánh van chỉ phải chuyểnmạch một lần trong cả chu kỳ T Biễu diễn trạng thái đóng ngắt của hai chu kỳ

kế tiếp nhau ta thu được mẫu xung của vector điện áp thuộc S1:

u v w

Tpuls

Hình 2.8 Mẫu xung của vector điện áp thuộc S 1

Từ hình vẽ trên ta thấy rằng một chu kỳ xung bao hàm việc thực hiện haivector điện áp kế tiếp Với us ở cỏc gúc phần sỏu khỏc ta cũng thực hiện tương

tự như trên

Việc thực hiện vector us bất kỳ đã được quy về việc thực hiện các vector biên

và vector không, nên để tính được thời gian đóng cắt các van ta phải biết đượcthời gian thực hiện các vector này tức là phải biết được module của up và ut

Để dễ dàng trong tính toán thời gian đóng ngắt các van, vector us thường đượccho dưới dạng thành phần hình sin: usα, usβ, do vậy up, ut sẽ được tớnh theo us

và us

Mỗi vị trí khác nhau của us thì us và us lại có những giá trị khác nhau nênmodule của các vector biên up, ut sẽ được tính tuỳ thuộc vào vị trí của us ởtrong góc phần tư và phần sáu nào.

Giá trị của các vector biên được tập hợp trong bảng sau:

Bảng 2.4 Tính module của các vector biên từ vị trí của vector điện áp u s

Để chọn đúng công thức ta phải xác định đúng vị trí của us Vị trí của us đượcxác định theo các bước như sau:

1 Xét dấu của usα, usβ để tìm góc phần tư của us

2 Biểu thức b đổi dấu khi đi qua biên giới giữa 2 góc phần sáu Do đóphải xét dấu của b để xác định xem us nằm ở góc phần sáu nào

Thuật toán điều chế vector điện áp không gian gồm 2 bước chính:

1 Xác định vị trí của us để xác định công thức tính module của 2 vectorbiên

2 Tính thời gian đóng ngắt các IGBT

Lưu đồ thuật toán:

Nhập số liệu u sα và u sβ Tính các biểu thức a, b, c

Với phương pháp điều chế vector không gian thì nghịch lưu thường được điềukhiển bằng vi xử lý (VXL) hay vi điều khiển (VĐK) Khi điều khiển bằngVXL thì VXL chỉ có nhiệm vụ tính toán thời gian đóng ngắt các van còn việcphát xung điều khiển van sẽ do ngoại vi bên ngoài thực hiện Khi điều khiểnnghịch lưu bằng VĐK thì toàn bộ quá trình từ tính toán thời gian đóng ngắt đếnphát xung điều khiển van sẽ do VĐK đảm nhiệm.

Một số VĐK cú cỏc Timer đếm up/down, trong đó giá trị lớn nhất nạp cho cácTimer này sẽ quyết định tần số xung kích thích Sau khi được VXL tính toán vàcất vào RAM, thời gian đóng ngắt van sẽ được so sánh với giá trị của cácTimer này Tại thời điểm có sự bằng nhau của các tín hiệu đầu vào, tín hiệuđầu ra của bộ so sánh sẽ đảo trạng thái, tạo thành xung điều khiển van

u v w

Hình 2.11 Tính thời gian đóng ngắt van

3 Các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu

Hiện nay trong các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều bapha, biến tần được sử dụng với hai phương pháp điều khiển chính là: Điều

khiển tựa theo từ thông Rotor (T4R) (gốc: Rotor Flux Oriented - RFO) và Điều khiển trực tiếp momen (Direct Torque Control - DTC) Đây là hai phương pháp

điều khiển được dùng trong hầu hết các bộ biến tần chất lượng cao Dưới đây

ta sẽ chỉ khảo sát hai phương pháp điều khiển chủ yếu này

3.1 Hệ truyền động biến tần động cơ đồng bộ điều khiển tựa theo từ thông Rotor

Khi mô tả ĐCĐB - KTVC trên hệ toạ độ từ thông Rotor, ta đó tỏch được thànhphần dòng tạo từ thông isd và thành phần dòng tạo momen quay isq từ dòng điệnStator Việc chia tách này là cần thiết vì mục đích của phương pháp điều khiểntựa theo từ thông Rotor là làm cho hệ truyền động xoay chiều ba pha có nhữngđặc tính điều khiển, điều chỉnh tốt như ĐCMC (khả năng điều khiển độc lậpmomen và từ thông)

Với 2 thành phần dòng isd và isq ta sẽ phải cần tới 2 bộ điều chỉnh dòng riêng rẽ,thông thường các bộ điều chỉnh này có cấu trúc PI Do ĐCĐB - KTVC có từthông Rotor là vĩnh cửu nên ở dải tốc độ nhỏ hơn định mức, để có đượcmomen lớn nhất với một dòng điện Stator nhất định thì ta sẽ điều khiển cho

isd=0, nghĩa là dòng điện Stator không cần phải có thành phần dòng tạo từthông nữa mà chỉ có thành phần dòng tạo momen Momen của động cơ tỷ lệtrực tiếp với isq nên đầu ra của bộ điều chỉnh tốc độ là đại lượng đầu vào của bộđiều chỉnh dòng isq

Các đại lượng dầu ra của 2 bộ điều chỉnh dòng sẽ được đưa tới khâu Điều chếvector không gian (ĐCVTKG) để tính đổi ra thời gian đóng mở các van củanghịch lưu

Góc s dùng trong cỏc khõu chuyển toạ độ có thể được lấy trực tiếp từ thiết bị

đo góc tuyệt đối như Resolverhay có thể lấy nhờ tích phân tốc độ quay khi đãbiết trước vị trí ban đầu của từ thông cực

 s

w Đo tốc độ quay

Hình 2.12 Cấu trúc hệ truyền động biến tần động cơ đồng bộ kích thích vĩnh

cửu điều khiển tựa theo từ thông Rotor

Để chuyển các vector từ hệ toạ độ (d, q, 0) sang hệ toạ độ (, , 0) ta dùngcông thức:

s sq s sd s

i i

i

i i

sin cos

Để chuyển các vector từ hệ toạ độ (, , 0) sang hệ toạ độ (d, q, 0) ta dùngcông thức:

s s s s

sd

i i

i

i i

sin cos

Hình 2.14 Chuyển từ hệ toạ độ αβ sang hệ toạ độ dq

Chuyển từ hệ toạ độ uvw sang hệ toạ độ :

1

sv su s

su s

i i i

i i

i sw

Hình 2.15 Chuyển từ hệ toạ độ uvw sang hệ toạ độ αβ

Ở dải tốc độ lớn hơn tốc độ định mức, động cơ cần được vận hành ở chế độgiảm từ thông Tuy nhiên với ĐCĐB - KTVC không thể giảm từ thông trực

tiếp được vì từ thông này là không đổi Để có thể giảm được từ thông ta phảibơm vào trục d thành phần dòng isd < 0, có biên độ tỷ lệ với tốc độ quay.



j

w=w s

d Trục rotor

1 Do thông qua việc điều khiển dòng điện để điều khiển momen nên đápứng momen của hệ thống chậm

2 Đặc tính điều khiển bị ảnh hưởng bởi nhiều tham số của máy điện nhưđiện trở, điện cảm, độ bão hoà của mạch từ

3 Cần phải biết vị trí của Rotor bằng cách sử dụng máy đo góc tuyệt đối(Resolver) gây phức tạp và làm giảm độ tin cậy của hệ truyền động

3.2 Hệ truyền động biến tần động cơ đồng bộ điều khiển trực tiếp momen

Trong phương pháp điều chỉnh tựa theo từ thông Rotor, điện áp chỉ tác độngtrực tiếp tới dòng điện Stator, sau đó dòng điện Stator tác động để sinh ra từthông Stator Sự tác động này bị giới hạn bởi hằng số thời gian của cuộn dâyStator nên thời gian đáp ứng momen chậm Đối với các công nghệ yêu cầu đápứng momen nhanh thì phương pháp này bị hạn chế, do đó cần có một phươngpháp điều khiển được momen với đáp ứng nhanh hơn

Bản chất của phương pháp điều khiển trực tiếp momen là dựa trên ảnh hưởngtrực tiếp của điện áp đầu vào để điều khiển vector từ thông Stator, qua đó trựctiếp điều khiển momen quay Do vector từ thông ở Stator của động cơ đáp ứngtrực tiếp mỗi sự thay đổi điện áp phía Stator nên hệ sẽ có đáp ứng nhanh hơn Trong phương pháp T4R xung kích thích van được tạo từ các giá trị điện áp dokhâu điều chỉnh dòng đưa tới khâu ĐCVTKG Với phương pháp DTC thì xungkích thích van được tạo trực tiếp trên cơ sở sai lệch từ thông và sai lệch momenquay Các giá trị thực của từ thông và momen được tính toán nhờ một khâuƯớc lượng từ thông và tính toán momen Sau khi so sánh với các giá trị chủđạo, sai lệch thông qua hai bộ điều chỉnh có trễ sẽ chọn được vector chuyểnmạch nhờ bảng chuyển mạch tối ưu (Optimal Switching Table)

Bảng chuyển mạch tối ưu

i su

i sv

Vị trí vector từ thông Stator

2 3

Tính điện áp

Hình 2.18 Hệ truyền động biến tần động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu

điều khiển trực tiếp momen

Trong hệ truyền động biến tần ĐCĐB – KTVC sử dụng phương pháp DTC takhông cần tới thiết bị xác định vị trí của Rotor, các bộ điều chỉnh dòng điện và

bộ điều chế vector không gian nên hệ thống đơn giản và làm việc tin cậy hơn

Phương pháp DTC cũng cũn cú những nhược điểm sau:

1 Hệ thống luôn làm việc ở chế độ động nên độ đập mạch của momen

và dòng điện là khá lớn

2 Rất khó có thể điều chỉnh momen và từ thông ở dải tốc độ thấp bởikhi đó điện áp Stator khá nhỏ nên việc ước lượng từ thông Stator thiếuchính xác

-CHƯƠNG 3

HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN

1 Nguyên lý điều khiển trực tiếp momen

Momen điện từ của động cơ được tính theo biểu thức:

3

p s s

c s

s c

L

p i p

Trong đó:

ψs là vector từ thông Stator,

p là vector từ thông Rotor,

is là vector dòng điện Stator,

δ là góc lệch giữa vector từ thông Stator và vector từ thông Rotor

Ta thấy: momen của động cơ phụ thuộc vào pc, s, p hay  Với mỗi động cơnhất định pc và p là không đổi nên để điều chỉnh được momen của động cơ taphải điều chỉnh s hay  Việc điều chỉnh biên độ từ thông Stator thườngkhông thuận lợi do có tác động chậm Hơn nữa nếu biên độ từ thông Stator lớn

quá sẽ gõy bóo hoà mạch từ Do vậy để điều chỉnh momen của động cơ ta sẽphải điều chỉnh góc lệch δ đồng thời giữ biên độ từ thông Stator cố định

Như vậy nguyên lý cơ bản của phương phương pháp điều khiển trực tiếpmomen là thông qua điều khiển từ thông Stator để điều khiển momen của động

cơ Quan hệ giữa momen và từ thông là trực tiếp nên hệ thống sẽ có đáp ứngnhanh hơn

Cơ sở vật lý của phương pháp

Xuất phát từ phương trình cân bằng điện áp Stator:

dt

d i R

s s s







Nếu bỏ qua sụt ỏp trờn điện trở Stator thì ta sẽ thu được quan hệ tích phân giữa

us và ψs Điều đó có nghĩa là: vector ψs chuyển động theo vector điện áp đượcchọn Với nghịch lưu nguồn áp, ta có 8 vector điện áp chuẩn, do vậy sẽ có 8khả năng tác động tới từ thông Stator ψs Bằng cách chọn các vector điện ápthích hợp ta có thể đồng thời tác động lên module từ thông Stator và góc lệch δgiữa vector từ thông Stator và vector từ thông Rotor, qua đó thay đổi đượcmomen của động cơ

Hình 3.1 Khả năng tác động tới vector từ thông từ các vector điện áp

Do giữ biên độ từ thông Stator cố định và điều chỉnh góc lệch  giữa vector từthông Stator và vector từ thông Rotor nên vector từ thông Stator sẽ được dẫn

theo một quỹ đạo hình tròn Các vector điện áp chuẩn được chọn để đáp ứngyêu cầu về thay đổi từ thông và momen của động cơ.

Giả sử vector từ thông Stator s có vị trí như trên hình 3.2, nếu vector điện ápchuẩn u4 được chọn thỡ nú sẽ làm giảm biên độ của s đồng thời làm chovector từ thông Stator quay theo hướng quay của từ trường Chuyển động nàylàm tăng góc  nên làm tăng momen và cũng làm thay đổi trạng thái từ hoá củađộng cơ

Hình 3.2 Tác động của vector điện áp chuẩn lên vector từ thông Stator

2 Cấu trúc hệ truyền động biến tần động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu điều khiển trực tiếp momen

Bảng chuyển mạch tối ưu

i su

i sv

Vị trí vector từ thông Stator

2 3

Tính điện áp

Hình 3.3 Hệ truyền động biến tần động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu

điều khiển trực tiếp momen

Các vector điện áp chuẩn được chọn nhờ bảng chuyển mạch tối ưu Trên cơ sở

vị trí của vector từ thông Stator và sai lệch momen, sai lệch từ thông cho phép,bảng chuyển mạch tối ưu sẽ chọn vector điện áp thích hợp và phát xung kíchthích điều khiển nghịch lưu

Giá trị thực của từ thông và momen được tính toán nhờ khâu ước lượng từthông và tính toán momen Dựa trên trạng thái chuyển mạch của các van bándẫn, giá trị điện áp một chiều trung gian và dòng điện Stator, khâu ước lượng

từ thông và tính toán momen sẽ tính toán ra các giá trị thực của momen và từthông Stator để đưa vào các bộ điều chỉnh từ thông và momen

Bộ điều chỉnh từ thông và momen có nhiệm vụ duy trì từ thông và momentrong phạm vi sai lệch cho phép bằng cách cung cấp cho bảng chuyển mạch tối

ưu các tín hiệu cần tăng hay hay cần giảm từ thông và momen