Điều khiển động cơ 5 pha bằng phương pháp foc

MC LC Trang ta Trang Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Cảm tạ iii Tóm tắt iv Mục lục v Danh sách các hình vi Danh sách các bảng vii NG QUAN 1.1 Gii thiu 1 1.2 u pha 5 1.3 Tình hình nghiên cc 7 1.4 Mng nghiên cu và pu 12 B BIN TN 2.1 B ngh 13 2.2 B nghc 13 2.2.1 Khái niệm 13 2.2.2 Phân loại 15 2.3 Cn ca b nghc 16 2.3.1 Cấu trúc bộ nghịch lưu dạng Cascade 16 2.3.2 Cấu trúc bộ nghịch lưu áp chứa bộ diod kẹp 17 2.3.3 Cấu trúc tụ điện thay đổi 19 2.3.4 Nhận xét 20 2.4 Cu hình ca b nghc 5 pha 21 2.4.1 Các trạng thái đóng ngắt 22 2.4.1.1. Tổng quát 23 2.4.1.2. Trạng Thái Đóng Ngắt Bộ Nghịch Lưu Ap Năm Bậc……………………… 24 2.4.1.3 Nhận xét 25 3. U CH  RI V PHA 3.1 Các dng sóng trong k thuu ch PWM 27 3.2 Các u ch  rng xung 28 3.2.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung sin SH-PWM 28 3.2.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến SFO-PWM 30 3.2.3 Điều chế độ rộng xung động cơ 5 pha 32 4. MÔ HÌNH TO - XÂY D PHA DÙNG MATLAB 4.1 Gii thiu 34 4.2.1 Mô hình toán động cơ 5 pha 53 4.2.1.1 Phương trình điện áp trên 5 cuộn dây 54 4.2.1.1 Mô hình liên tục của động cơ KĐB trên hệ tọa độ stator 56 4.2.1.1 Mô hình của động cơ KĐB trên hệ tọa độ từ thông rotor 60 4.3 Xây d 62 5. U KHI MÔ PHNG TRÊN PHN MM MATLAB 5.1 Gii thiu 66 5.2 u khin 77 5.3 Mô phu khi 78 6.      6.1  83 6.2        83 TÀI LIU THAM KHO 85  BNG TRANG Bảng 2.1 : Điện áp pha tâm nguồn DC. 24 Bảng 2.2: Bảng trạng thái đóng ngắt. 25 DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: ng dụng động cơ không đồng bộ nhiều pha trong Ôtô điện. 4 Hình 1.2: Máy phát điện động bộ sáu pha năng lượng gió. 4 Hình 1.3: Sơ đồ kết nối hoán vị pha của hệ truyền động với 2 động cơ mắc nối tiếp. 4 Hình 1.4 : Dạng sóng điện áp động cơ 3 pha và động cơ 5 pha (theo A Comparison of Three Phase and Five Phase BLDC Motor - Kiran George, Sija Gopinathan, Shinoy K.S tháng 12 năm 2013 ). 6 Hình 1.5: Bối dây quấn và tổng thể dây quấn trong động cơ nhiều pha. 9 Hình 2.1 Cấu trúc mạch nghịch lưu áp ba bậc năm pha. 15 Hình 2.2: Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng cascader inverter. 17 Hình 2.3: Bộ nghịch lưu áp dạng diode kẹp (NPC). 19 Hình 2.4 Bộ nghịch lưu áp dạng tụ điện thay đổi. 20 Hình 2.5 Sơ đồ bộ nghịch lưu hai bậc 5 pha. 21 Hình 2.6 Bộ nghịch lưu ba bậc. 24 Hình 2.7 Bộ nghịch lưu năm bậc. 25 Hình 3.1: Sóng mang dạng PD. 27 Hình 3.2: Sóng mang dạng APOD. 28 Hình 3.3: Sóng mang dạng POD. 28 Hình 3.4 Điện áp điều khiển SFO pha A. 31 Hình 3.5 Điện áp offset . 31 Hình 3.6. Sóng điện áp cực đại. 31 Hình 3.7 Sóng điện áp cực tiểu. 32 Hình 3.8. Bộ đảo nguồn điện áp 2 cấp 5 pha cấp cho 1 máy cảm ứng 5 pha. 32 Hình 3.9 : Khối khởi tạo bộ PWM bằng Matlab. 33 Hình 3.10 : Điện áp điều khiển 5 pha. 33 Hình 4.1 : Sơ đồ chi tiết bên trong khối mô hình động cơ năm pha. 63 Hình 5.1. Bộ điều chỉnh định hướng dòng roto gián tiếp cho động cơ được giới thiệu m- pha với phân bố dạng hình sin của từ động lực và điều chỉnh dòng điện 1 pha. 67 Hình 5.2. Điều khiển định hướng trường roto gián tiếp của 1 động cơ nhiều pha. 68 Hình 5.3: Sơ đồ điều khiển động cơ KĐB bằng pp điều khiển FOC. 69 Hình 5.4 Thông số động cơ. 78 Đ TÀI : ĐIU KHIN ĐNG CƠ 5 PHA BẰNG PHƠNG PHÁP FOC ~ 1 ~ :  1.1. GII THIU : Nói chung, những động cơ mới đợc giới thiệu mà có những cuộn dây 3 pha thng đợc sử dụng vì nguồn cấp tiêu chuẩn là 3 pha. Tuy nhiên, khi có bộ đảo nguồn, không cần thiết phải có số lợng pha cố định, một vài những pha khác là khả thi và có lợi. Động cơ nhiều pha có thể hoạt động bình thng sau khi mất đi một hoặc một vài pha. Nhn định tiến bộ này dựa trên thực tế rằng chỉ cần 2 linh kiện điện có thể hoạt động độc lp là điều kiện cần để tạo ra trng quay. Đối với động cơ 3 pha, điều này đúng khi dây nớt (vị trí mo) ca động cơ đợc kết nối tới trung điểm ca đng dây nối dòng điện 1 chiều để cho phép các linh kiện điện th tự không tạo ra luồng mạch. Đối với 1 động cơ (máy) hình sao m pha với trung hòa điện cách ly thì sẽ có (m-1) bc tự do. Để đạt đợc từ động lực xoay bằng cách điều khiển dòng cùng pha còn lại sau khi đư mất đi (m-3) pha. Ví dụ : 1 động cơ 5 pha có thể tiếp tục hoạt động nếu bị mất 1 hoặc thm chí 2 pha ca nguồn. Trong trng hợp chỉ 1 pha bị mất (mạch h), pha nào thì sẽ không là vấn đề bi vì tính đối xng không gian ca cuộn dây stato ca động cơ (máy), kết quả là giống nhau không kể pha nào đối với mạch h. Nhiều tài liệu và thực tế cũng đư chỉ ra rằng việc sử dụng những động cơ nhiều hơn 3 pha thì sẽ có mang lại nhiều lợi thế hơn so với những động cơ 3 pha thông thng. Ví dụ nh giảm biên độ và tăng tần suất momen mạch động và giảm dòng điện hàm điều hòa, tăng dòng điện mỗi pha mà không cần phải tăng hiệu điện thế mỗi pha, và giảm mc hiệu điện thế trong mạch dòng điện 1 chiều. Mặt khác, động cơ (máy) có nhiều pha là 1 t tng tiến bộ, vì thm chí khi 1 pha bị khuyết hoặc mất thì chúng vn có thể hoạt động. Khi tăng số lợng các pha có thể dn đến sự tăng lên mối tơng quan momen/cng độ dòng điện đối với động cơ có cùng số Đ TÀI : ĐIU KHIN ĐNG CƠ 5 PHA BẰNG PHƠNG PHÁP FOC. ~ 2 ~ pha, nh là động cơ 5 pha có thể khuếch trơng việc sử dụng momen xoay không những không theo cách cơ bản mà còn sử dụng hàm điều hòa cao hơn ca trng có khe không khí. Nhìn chung, ng dụng ca những loại động cơ (máy) có nhiều pha dùng trong điều chỉnh tốc độ giống nh ng dụng ca động cơ ba pha. Những ng dụng này bao gồm cảm ng điện và động cơ đa pha đồng bộ. Động cơ đa pha đồng bộ có thể đi kèm với lực hấp dn, với lực trng quay không đổi hoặc lực từ trng. Cảm ng điện 3 pha và động cơ đồng bộ hình trụ thông thng đợc thiết kế với cuộn dây stato cuốn rải, cuộn dây mà sẽ tạo ra lực từ động gần có dạng hàm sin (MMF) và đợc cấp với dòng điện dạng hình sin. Động cơ đồng bộ từ trng không đổi sẽ có hàm thông lợng hình thang và nguồn điện stato hình chữ nht.Tuy nhiên hàm MMF không gian thì không bao gi đúng chuẩn là dạng hình sin và một vài hàm điều hòa không gian là chắc chắn xảy ra. Đối với động cơ đa pha, 1 hàm MMF hình cn sin yêu cầu phải có nhiều hơn 1 điểm mỗi cực  mỗi pha. Một khi số lợng pha tăng lên, sẽ rất khó để có thể nhn ra hàm cn sin MMF. Số lợng tối thiểu các điểm đợc yêu cầu cho động cơ 4 cực 3 pha là 24, trong khi số lợng tối thiểu các điểm bắt buộc cho động cơ 4 cực 5 pha là 40 . Động cơ không đồng bộ gần nh hiện diện trong hầu hết các hệ truyền động điện, có nhiệm vụ biến đổi điện năng thành cơ năng, và đóng một vai trò quan trọng trong hệ thống truyền động điện. Cho phép chúng ta lựa chọn các phơng pháp điều khiển quá trình biến đổi năng lợng này phù hợp với yêu cầu ca từng hệ truyền động điện. Các hệ thống truyền động điện đợc sử dụng rộng rưi trong các thiết bị máy móc, trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp, trong giao thông vn tải, trong các thiết bị điện dân dụng Có khoảng 75-80% hệ truyền động điện không yêu cầu thay đổi tốc độ, tốc độ ca động cơ hầu nh không cần điều khiển trừ các quá trình khi động và quá trình hưm . Ngi ta chọn động cơ không đồng bộ cho hệ thống truyền động này. Đ TÀI : ĐIU KHIN ĐNG CƠ 5 PHA BẰNG PHƠNG PHÁP FOC. ~ 3 ~ Phần còn lại 20-25% là các hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ động cơ để phối hợp đợc đặc tính động cơ và đặc tính tải theo yêu cầu . Tùy theo yêu cầu ca hệ truyền động mà chúng ta có thể sử dụng động cơ một chiều (DC), động cơ đồng bộ, hoặc động cơ không đồng bộ. Với xu hớng ngày nay, động cơ không đồng bộ đợc chọn thay thế động cơ điện một chiều, động cơ đồng bộ trong các hệ thống truyền động yêu cầu thay đổi tốc độ, cũng nh yêu cầu tốc độ không đổi khi tải thay đổi. Vì một số lý do sau: - Động cơ không đồng bộ có cấu tạo đơn giản, chắc chắn, dễ chế tạo, giá thành rẻ, vn hành có độ tin cy cao, ít chi phí bảo dỡng, dễ sửa chữa, có dưy công suất rộng từ vài watt đến hàng Megawatt. - Sự phát triển mạnh mẽ ca kỹ thut bán dn công suất lớn và kỹ thut vi xử lí cho phép chúng ta điều khiển động cơ không đồng bộ đáp ng đợc các yêu cầu đặc tính ca hệ truyền động. Nó thay thế các hệ truyền động dùng động cơ một chiều hoặc động cơ đồng bộ. Truyền động động cơ cảm ng năm pha ( Five-phase ) gần đây đư thu hút đợc sự chú ý giữa các truyền động nhiều pha bi vì sự bơm song hài bc 3 (THI) cho phép có đợc mô-men xoắn  ngõ ra/ khối lợng, mối quan hệ cao hơn và lợi ích ổn định hơn. Các nghiên cu trớc đây đư đợc tp trung vào tỷ lệ phần trăm cố định ca THI, đòi hỏi yêu cầu cao và bơm thng xuyên nếu sự ổn định tr thành mối quan tâm chính. Phơng pháp này không phải là tối u trong toàn bộ phạm vi hoạt động, nó làm giảm hiệu suất truyền động. Một nhánh phân tích đợc trình bày cho các chơng trình liên tục và sơ đồ biến thiên THI, phân tích trạng thái ổn định đầy đ cho các thông số điều kiện khác nhau. Cả hai nhánh phân tích và mô phỏng ca đề xuất điều khiển xác nhn thun lợi ca đề xuất VTHI ( Variable third harmonic injection ) điều khiển qua sơ đồ CTHI hiện nay ( Constant third harmonic injection ). Các máy điện đợc tăng số lợng ca các pha (m >3) dùng cho các thiết bị cài đặt và thiết bị có chc năng trong chế độ tự vn hành và nó có tầm quan trọng đặc biệt cho các ngành công nghiệp khác nhau và cấu trúc thiết bị điện cơ, bi vì Đ TÀI : ĐIU KHIN ĐNG CƠ 5 PHA BẰNG PHƠNG PHÁP FOC. ~ 4 ~ chúng có chỉ số độ tin cy và các thông số năng lợng cao hơn so với máy điện ba pha hoặc máy điện DC. Mục đích ca báo cáo này là mô tả các tài liệu hớng dn kỹ thut máy điện nhiều pha và xây dựng ca một danh sách các th mục tài liệu tham khảo ca các công trình khoa học. Một số ng dụng động cơ nhiều pha vào thực tiễn: Hình 1.1: ng dụng động cơ không đồng bộ nhiều pha trong Ôtô điện. Hình 1.2: Máy phát điện động bộ sáu pha năng lợng gió Hình 1.3: Sơ đồ kết nối hoán vị pha ca hệ truyền động với 2 động cơ mắc nối tiếp Đ TÀI : ĐIU KHIN ĐNG CƠ 5 PHA BẰNG PHƠNG PHÁP FOC. ~ 5 ~ 1.2.              Động cơ cảm ng ba pha thông thng có một nhợc điểm cố hữu nh hiệu suất thấp trong điều kiện mất pha. Hoạt động hai pha ca động cơ cảm ng ba pha không cung cấp hiệu suất cần thiết nh mô-men xoắn và công suất theo các ng dụng đòi hỏi độ tin cy cao nh trong các ng dụng lực kéo điện, điện tàu đẩy… Vì vy, một trong những phơng pháp để khắc phục nhợc điểm này bằng cách cho thêm nhiều pha. Chc năng ca động cơ này phục vụ mục đích ca các hoạt động đáng tin cy trong trng hợp mất pha. Cuộn dây stato cơ bản sản sinh ra 1 trng với hàm lợng điều hòa không gia thấp hơn. Tần suất ca các thành phần chồng momen thấp nhất là tỷ lệ ca 2m, tăng lên theo số lợng pha. Vì chỉ có 2 dòng điện bắt buộc đối kiểm soát dòng/momen với 1 động cơ (máy) dòng điện xoay chiều, không kể số lợng pha, độ tự do duy trì có thể đợc sử dụng cho những mục đích khác. Một mục đích nh vy chỉ xuất hiện khi động cơ có mạch hàm sin, kiểm soát độc lp hệ thống chạy đa pha nhiều động cơ với 1 nguốn biến đổi phát điện 1 chiều. [...]... Đ NG CƠ 5 PHA BẰNG PH ƠNG PHÁP FOC Hình 1.4 : Dạng sóng điện áp động cơ 3 pha và động cơ 5 pha (theo A Comparison of Three Phase and Five Phase BLDC Motor - Kiran George, Sija Gopinathan, Shinoy K.S tháng 12 năm 2013 ) Theo nh kết quả tiến bộ trong hàm l ợng sóng hài c a hàm MMF, tiếng ồn phát ra từ máy giảm đi và hiệu lực có thể cao hơn so với động cơ 3 pha Trong tr ng hợp nghiên c u 3 pha, 5 HP,... NGHIÊN C Uă VÀă PH NGă PHÁPă NGHIÊN C U Nh đư trình bày, ta thấy rõ đ ợc tầm quan trọng động cơ nhiều pha trong ng dụng hiện nay, đặc biệt là ph ơng pháp điều khiển định h ớng từ tr ng Do v y việc tìm hiểu nghiên c u điều khiển động cơ nhiều pha cần đ ợc quan tâm Mục tiêu chính trong lu n văn này là mô phỏng thành công ph ơng pháp điều khiển định h ớng từ tr ng FOC cho động cơ năm pha Đối t ợng cụ thể... trong tìm hiểu và nghiên c u là động cơ năm pha và ph ơng pháp điều khiển định h ớng từ tr ng FOC Do có nhiều hạn chế nên việc nghiên c u sẽ ch yếu dựa trên các tài liệu nghiên c u tr ớc đây và sử dụng phần mềm mô phỏng hệ thống Matlab để thiết l p hệ thống điều khiển định h ớng từ tr ng cho động cơ nhiều pha ~ 12 ~ Đ TÀI : ĐI U KHI N Đ NG CƠ 5 PHA BẰNG PH ƠNG PHÁP FOC CH NGă2 B ăBI NăTẦN 2.1 B ăNGH... tăng tốc độ d n động điện cho bơm nhiên liệu Một trong những khía cạnh quan trọng nhất c a truyền độngnh v y là đáp ng yêu cầu có độ tin c y cao Động cơ PM Bốn pha- sáu cực,16 kW, 15. 000 rpmđư đ ợc đề xuất b i Mecrow (2003) đ ợc sử dụng trong truyền động máy bơm nhiên liệu máy bay Máy ~7~ Đ TÀI : ĐI U KHI N Đ NG CƠ 5 PHA BẰNG PH ƠNG PHÁP FOC bốn pha ợc cung cấp b i biến tần độc l p Bốn pha cơ bản bị cô... TÀI : ĐI U KHI N Đ NG CƠ 5 PHA BẰNG PH ƠNG PHÁP FOC pha a, b, c, d, e Kết hợp với điều kiện suy ra : 2.4.1.2 Trạng Thái Đóng Ngắt Bộ Nghịch L u Áp 3 B c ~ 23 ~ Đ TÀI : ĐI U KHI N Đ NG CƠ 5 PHA BẰNG PH ƠNG PHÁP FOC Hình 2.6 Bộ nghịch l u ba b c Xét bộ nghịch l u áp ba b c dạng ch a cặp diode kẹp nh hình 3.6 Gọi U là độ lớn điện áp trên mỗi tụ riêng lẻ phụ thuộc độ lớn điện áp pha Các linh kiện kẹp giữa... hình 3.7) Ta có bảng trạng thái đóng ngắt nh sau: 2.4.1.4 NH N XÉT: ~ 25 ~ Đ TÀI : ĐI U KHI N Đ NG CƠ 5 PHA BẰNG PH ƠNG PHÁP FOC Có thể điều khiển bộ nghịch l u áp (điều khiển tín hiệu đóng ngắt lên các công tắc) bằng nhiều ph ơng pháp, mỗi ph ơng pháp có thể thích hợp với các loại tải khác nhau Bộ nghịch l u áp đa b c có phạm vi hoạt động ch yếu đối với tải công suất lớn Do đó vấn đề giảm bớt tần số đóng... NG CƠ 5 PHA BẰNG PH ƠNG PHÁP FOC 2.4 C UăHỊNHăC AăCÁCăB ăNGH CHăL UăÁPăHAIăB C NĂMă PHA: Sơ đồ bộ nghịch l u áp hai b c năm pha: Hình 2 .5 Sơ đồ bộ nghịch l u hai b c 5 pha Các bộ nghịch l u áp hai b c ch a hai khoá bán d n (IGBT) trên mỗi nhánh pha tải, đ ợc áp dụng rộng rưi trong phạm vi công suất vừa và nhỏ Khái niệm hai b c xuất phát từ quá trình điện áp giữa đầu một pha tải (vị trí 1,2,3,4 ,5) đến... modeling of a reversible 3 phase to 6 phase induction motor for improved survivability under faulty - Milwaukee &Wisconsin 2008) ~6~ Đ TÀI : ĐI U KHI N Đ NG CƠ 5 PHA BẰNG PH ƠNG PHÁP FOC Trong kết lu n, nó đư chỉ ra rằng các thiết kế động cơ thu n nghịch xuất hiện đầy h a hẹn cho đến nayduy trì chất l ợng thực hiện công việc trong điều kiện bị lỗi, tốt hơn nhiều so với động cơ ba phacó thiết kế thông th... sinh khi kích ngắt linh kiện ~ 14 ~ Đ TÀI : ĐI U KHI N Đ NG CƠ 5 PHA BẰNG PH ƠNG PHÁP FOC Hình 2.1 Cấu trúc mạch nghịch l u áp ba b c năm pha 2.2.2 PHỂNăLOẠIă: Bộ nghịch l u áp có nhiều loại cũng nh có nhiều ph ơng pháp điều khiển khác nhau:  Theo số pha điện áp đầu ra: nghịch l u áp một pha, ba pha  Theo số cấp giá trị điện áp giữa một đầu pha tải đến một điểm điện thế chuẩn trên mạch có: hai b c... duy trì trạng thái cân bằng các nguồn điện áp DC và khử bỏ hiện t ợng commonậmode voltage, nguyên nhân gây ra một số hiện t ợng làm sớm lưo hoá động cơ ~ 26 ~ Đ TÀI : ĐI U KHI N Đ NG CƠ 5 PHA BẰNG PH ƠNG PHÁP FOC CH PH NGă3 NGăPHÁPăĐI UăCH Đ ăR NGăXUNGă ĐỐIăV IăĐ NGăC 5 PHA 3.1 CÁC DẠNG SÓNG MANG TRONG KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ PWM Các sóng mang dạng tam giác có tần số cao (fsm < 950 0Hz) Có thể chia thành . nhiều pha. 68 Hình 5. 3: Sơ đồ điều khiển động cơ KĐB bằng pp điều khiển FOC. 69 Hình 5. 4 Thông số động cơ. 78 Đ TÀI : ĐIU KHIN ĐNG CƠ 5 PHA BẰNG PHƠNG PHÁP FOC ~ 1 ~ :. đa pha nhiều động cơ với 1 nguốn biến đổi phát điện 1 chiều. Đ TÀI : ĐIU KHIN ĐNG CƠ 5 PHA BẰNG PHƠNG PHÁP FOC. ~ 6 ~ Hình 1.4 : Dạng sóng điện áp động cơ 3 pha và động cơ 5 pha. truyền động này. Đ TÀI : ĐIU KHIN ĐNG CƠ 5 PHA BẰNG PHƠNG PHÁP FOC. ~ 3 ~ Phần còn lại 20- 25% là các hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ động cơ để phối hợp đợc đặc tính động cơ và